AVS2编码技术的应用研究

□廖玮

2016年12月，国家颁布新的视频编码标准（GB/T 33475.2-2016）——AVS2，加速了国内广电行业推进超高清4K/8K视频广泛应用的进程。AVS2视频编码技术对比同期热度较高的H.265和HEVC编码技术，无论从码率压缩效率上，还是从预测、补偿手段上，都有显著优化，极大程度提高了编码效率和质量。本文主要针对AVS2编码技术中先进的预测、运动补偿、变换量化、熵编码、环路滤波等核心处理技术进行研究。

一、帧内预测和帧间预测

为了满足超高清4K/8K视频的压缩效率，AVS2采用了与H.265和HEVC标准相同的四叉树递归划分架构，编码单元（CU，coding unit）、预测单元（PU，prediction unit）、变换单元（TU，transform unit）等都是采用这种划分方式。

（一）划分方法

划分过程首先是把视频流拆分成以帧为单位的多张有序图像，然后按顺序将每帧图像划分成固定大小、不重叠且连续的最大编码单元（LCU，largest coding unit），再以同样方式将LCU逐级递归划分成更小的CU，每个CU由一个亮度CU和对应的两个色度CU组成，并通过率失真优化（RDO，rate-distortion optimization）指标来衡量和决策实际应用中的最小CU规格。AVS2中设定LCU上限为64×64像素，CU下限为8×8像素。划分示意图如图1所示。

图1 图像划分示意图

（二）预测方法

预测是降低图像块冗余的一项技术。AVS2中同时使用帧内预测和帧间预测两种方式。帧内预测AVS2除了方形划分PU方式外，还增加了一种非方形PU划分方式，但因结构限制，非方形划分方式只适用于16×16像素和32×32像素两种PU，相较于方形划分模式，它能缩短预测距离，提高预测精准度。方形划分模式则采用四叉树划分方式。AVS2的帧间预测也在传统4种对称划分方式基础上，增加了4种非对称PU划分方式，然后进行预测。除了常规的单向一个参考帧（即I/P帧）预测、双向层次（即B帧）预测外，还增加了一种参考场景帧（即S帧）的预测方式，和一种对时域和空域前向双假设（即F帧）的预测方式，但因结构原因，非对称划分方式只适用于16×16像素、32×32像素、64×64像素，对称划分方式则没有这种限制，介于8×8～64×64像素之间即可。如图2所示。

图2 PU划分示意图

前向双假设F帧预测方式是相对前向相邻帧某一PU的时间、距离运动矢量加权计算出前向隔帧相关PU的时间、距离运动矢量，从而来预测当前帧对应的PU，达到有效降低图像块和时间冗余的目的。相对于其他标准的帧间预测技术，AVS2的参考帧数量增加为4个，满足多层次参考帧管理的同时，缩减了缓存器冗余的空间。

二、运动补偿

AVS2在运动补偿方面采用了先进的基于离散余弦变换（DCT，discrete Cosine transform）方式的8抽头插值滤波器，简化为一次滤波即可生产超过1/4像素的运动矢量精度。

三、变换量化

预测完成后CU内的像素值变为残差值，并且在变换前使用与CU划分相同的四叉树划分方式将CU分为预测单元TU，TU的划分与PU的划分互不影响，可同在CU上进行。ASV2变换过程中只允许对亮度残差值进行整数DCT，直接变换的范围介于4×4～32×32之间；对于64×64的残差值需要先进行小波变换，再进行整数DCT。在初步DCT完成后，AVS2变换过程中还会对4×4的TU进行再次4×4的DCT，即多层次变换，进一步降低系数相关性，从而使能力更集中。

四、熵编码

AVS2熵编码过程中首先需将TU划分成为8×8的系数组（CG，coefficient group），再对CG进行两层变长编码和基于上下文二元值编码，将8×8的CG划分成4×4的4个CG，先对最后一个非零系数的CG位置利用zig-zag扫描方式进行编码，然后依次对其他CG进行编码，直到4×4的CG都编码完成，这种方法可以使编码过程更集中，效率更高。转换为二进制串的方法有一元码、截断一元码和指数哥伦布码三种。

五、环路滤波

AVS2中环路滤波模块由去块效应滤波、自适应样值偏移补偿和样本补偿滤波组成。去块效应滤波是针对8×8的滤波块边界失真进行先垂直后水平的平滑处理，这种滤波可以提升主观质量。在去块效应滤波完成之后，采用自适应样值偏移补偿做基于像素进行的失真补偿操作，进一步减少失真效果。最后根据原始图像和编码重构图像计算出最小二乘滤波器系数，通过这个滤波器系数和7×7十字加3×3方形的中心对称维纳滤波方式进行滤波，降低解码过程中的图像压缩失真情况，提升重建图像质量。

六、结语

利用前面讲述的几种先进编码技术，在高清和标清视频编码过程中，无论逐行还是隔行扫描的亮度信号编码性能，AVS2都完胜HEVC。在另外两种色度信号中，标清视频的编码性能AVS2较优，高清视频的编码性能HEVC较优。如表1所示。

表1 AVS2与HEVC编码性能对比

由此可见，AVS2编码技术在高清数字信号领域中占有绝对优势，所以在总控系统设计中要充分考虑未来超高清4K/8K视频的应用，加入AVS2编码设备。