AVS數字音視頻編解碼標準

1、維普資訊 _，專題，TE CoMMUNICATIONS矗文等：AVS數字音視攝 解碼標準AVS數字音視頻編解碼標準DigilaIAudiOVideOCOdingStandardofAVS摘要：數字音視頻編解碼標準(AVS)是中國自主制訂的數字電視、lP1、等音視頻系統(tǒng)的基礎性標準。AVS標準第2部分視頻(AVS1一P2)屬高效的第二代視頻編碼技術，相比于第一代標準MPEG一2。編碼效率提高 23倍 ，并且實現方案簡潔，因此，AVS視頻標準已經為IPTv，數字電視廠播等應用做好了充分的技術準備。同時，AVS標準具有專利許可方式簡潔、相關標準配套的優(yōu)勢。這將為

2、中國的IPTV、數字電視廠播等重大信息產業(yè)應用及民族IT產業(yè)發(fā)展起到積極的推動作用。關鍵詞：數字音視頻編解碼標準；AVS標準第2部分；視頻編碼標準；數字電視廠播Abstract：Audio Video coding Standard(AVS)，independently developed and owned by ChinaisafundamentaIstandard applied in digitalIVIP1、and otheraudiovideo based systemsAVS Part2(AVS1一P2)，the video part，definesthe highlyefici

3、entsecond generationvideo coding technology，withthecoding efficiency 2-3 timeshigherthanthefirstgeneration standard like MPEG一2Moreoveritsimplementation is simple and easyThereforeAVS1一P2 hasmade fulItechnicaIpreparationforsuch applications as IPTv and digitalTV broadcastMeanwhileAVS possessesthe ad

4、vantages ofsimple intelectual property waranty and cooperative standards supportItwilefectively pushthe developmentofnationaIIT industryofChina and itsimportantinformation applications likeIPTv and digitaIIV broadcastKey words：AVS：AVS1一P2：video coding standard：digitalIV broadcast從罷篙(Dk洋PCM人)進頻編碼標準都基

5、于這一框架。包 括國際電信聯盟 (ITUT)的H26134視頻術的研究開始，視頻壓縮編碼技術經編碼建議以及國際標準化組織國際歷了50余年的發(fā)展。在這一過程中，電工委員會(ISOIEC)的MPEG一124視逐漸形成了變換編碼、預測編碼、熵頻編碼標準。這 些標準及其技術對視編碼3類經典技術，分別用于去除視頻信號提供了一種高效表達方式，使頻信號的空域冗余、時域冗余及統(tǒng)計得巨大的視頻數據能夠在有限帶寬冗余。并基于這些經典技術，逐漸形下傳輸以及在有限空間下存儲。其成了以塊為單元的預測加變換的混中，MPEG一2標準在世界范圍內得到合編碼框架。到目前為止，已有的視了廣泛應用，已經成為電視廣播應用的基礎性支撐

6、標準。但MPEG一2標準基金項目：國家 “863” 計劃項目制訂于1994年 ，屬第一代視頻編碼技(2002AA119010、2004AA119010)；國家自然科學基金重點項目(60333020)術，近1O年視頻編碼技術的發(fā)展，使同高X文昭uA0 WenI1王強 NGOian#2馬思偉蝴ASwef1中國科學院計算技術研究所 北京100080；2晗爾濱I韭大學。蔫是訌 略爾鐮 I；ooI)r，Institute ofComputg Technology，ChineseAcademyofSciences，Be#lng 100080,China；2Harbin Institute of Techn

7、o logy,Harbin150001，China)中圉分類號：TN393；TN94文獻標識碼：A文章編號：10096868 I2006l03000604得MPEG一2標準在新一代I V、高清數字電視廣播、無線移動媒體通信、流媒體服務等方面的應用上不再高效與經濟。新的應用需要新的高效信源編碼方案。數字音視頻編解碼標準 (AVS)標準第 2部 分：視頻(AVS1一P2)的技術規(guī)范完成于2003年 12月 ，該標準面向標清高清視頻編碼應用。AVS視頻標準吸收了國內外研究機構近年來的優(yōu)秀研究成果，屬于高效的第二代視頻編碼技術。相比于MPEG一2標準，編碼效率提高23倍。如果 以AVS視頻20062J

8、E6 第12卷第3期 中興通訊技術Jun2oo6 Vo112 No3標準進行標清視頻廣播應用，可以將MPEG一2標準所需的56Mbs傳輸帶寬降低到 153Mbs。因此，即使在不進行大規(guī)模寬帶光纖網絡升級的情況下，借助于AVS視頻技術，I v 應用也可以在現有家用數字用戶線(DSL)網絡的2Mbs帶寬下進行大規(guī)模實施。在新 的寬帶網絡上，AVS視頻標準將使業(yè)務量翻番。在獲得高編碼效率的同時，AVS視頻標準盡可能保持了低的計算實現復雜度。當編碼高清視頻信號時，AVS視頻獲得了與先進視頻編碼標準AVCH264主要檔次(MainProfile)相當的編碼效率，但解碼器的實現復雜度只有其60一70。在專

9、利許可方面，AVS通過簡潔的一站式許可政策，解決了MPEG一4AVCH264被專利許可問題纏身難以產業(yè)化的弊端，并且專利許可費用大大低于國際同類標準。1 AVS視頻技術11混合編碼框架AVS1一P2視頻標準采用經典的混合編碼框架，如圖l所示。此框架與以往視頻標準相同，但由于不同標準制訂時出于對不同應用的考慮，在技術維普資訊 專題 ZTE Co M M UNICATIO N高文等：AVS數字膏視頻鋪解碼標準 V值(運動補償)，之后如I幀的編碼過程對預測殘差進行編碼。編 碼器中還內含一個解碼器，如圖1中青綠色部分所示。 內嵌解碼器模擬解碼過程，以獲得解碼重構圖

10、像，作為編碼下一幀或下一塊的預測參考。解碼步驟包括對變換量化后的系數進行反量化、反變換，得到預測殘差，之后預測殘差與預測值相加，經濾波去除塊效應后得到解碼重構圖像。以上編碼框架包含如下關鍵技術：幀內預測多參考幀預測變塊大小運動補償14像素插值整數變換量化高效B幀編碼模式取舍上對復雜度一性能的衡量指標各熵編碼不相同，因而在復雜性、編碼效率上環(huán)路濾波的表現也各不相同。比如，一般認為H264的編碼器大概比MPEG一2復雜912 AVS關鍵技術介紹倍，而AVS視頻標準則由于編碼模塊(11幀內預測中的各項技術復雜度都有所降低，其AVS視頻標準采用空域內的多方編碼器復雜度大致為MPEG一2的6倍 ，向幀內

11、預測技術。以往的編碼標準都但編碼高清序列 AVS視 頻標準具有是在 頻域 內進行 幀內預測 ，如與H264相近的編碼效率。MPEG一2的直流系數 (DC)差分預測、在圖1所示框架下，視頻編碼的MPEG一4的DC及高頻系數 (AC)預測 。基本流程為：將視頻序列的每一幀劃基于空域多方向的幀內預測提高了分為固定大小的宏塊，通常為 1616預測精度，從而提高了編碼效率。像素的亮度分量及2個88像素的色AVCH264標準也采用了這一技術，度分量 (對 于4：2：O格式視頻)，之其預測塊大小為44及1616，其 中后以宏塊為單位進行編碼。對視頻序44幀內預測時有9種模式，1616列的第一幀及場景切換幀或

12、者隨機幀內預測時有4種模式。AVS視頻標讀取幀采用I幀編碼方式，I幀編碼只準的幀內預測基于889大小 ，亮度利用當前幀內的像素作空間預測，類分量只有5種預測模式，大大降低了似于JPEG圖像編碼方式。其大致過程幀內預測模式決策的計算復雜度，但為，利用幀內先前已經編碼塊中的像性能與AVCH264十分接近。除了預素對當前塊內的像素值作出預測(對測塊尺寸及模式種類的不同外，AVS應圖1中的幀內預測模塊)，將預測值視頻的幀內預測還對相鄰像素進行與原始視頻信號作差運算得到預測了濾波處理來去除噪聲。關 于幀內預殘差，再對預測殘差進行變換、量化測技術的詳細描述參見文獻【2】。及熵編碼形成編碼碼流。對其余幀采(

13、2)變塊大小運動補償用幀間編碼方式，包括前向預測P幀變塊大小運動補償是提高運動和雙向預測B幀，幀問編碼是對當前預測精確度的重要手段之一，對提高幀內的塊在先前已編碼幀中尋找最編碼效率起重要作用。在以前的編碼相似塊(運動估計)作為當前塊的預測標準 MPEG一1、MPEG一2中 ，運動預測Jun2006 Vo112 No320066N 第12卷第3期 中興通訊技術l1專題，TE CoMMUNICATIONS 高文算：AV8數字音視頻 解碼標準圖2變塊大小運動補償在QCIF廈7200分辨率序列上的編碼效率維普資訊 都是 基于 1616的 宏 塊進行 的(MPEG-

14、2隔行編碼支持 168劃分)，在 MPEG一4中添加了88塊 劃分模式，而在 H264中則進一步添加了168、816、84、4X8、44等戈0分模式。但 實驗數據表明小于8X8塊的劃分模式對低分辨率編碼效率影響較大，而對于高分辨率編碼則影響甚微，如圖2所示。在高清序列上的大量實驗數據表明，去掉88以下大小塊的運動預測模式，整體性能降低2一4，但其編碼復雜度則可降低30一4o。因此在AVS1一P2中將最小宏塊劃分限制為88，這一 限制大大降低了編解碼器的復雜度。(3)多參考幀預測多參考幀預測使得當前塊可以從前面幾幀圖像中尋找更好的匹配，因此能夠提高編碼效率。但一般來講23個參考幀基本上能達到最高

15、的性能，更多的參考圖像對性能提升影響甚微(如 圖3所示)，復雜度卻會成倍增加。H264最多可采用 16個參考幀，并且為了支持靈活的參考圖像引用，采用了復雜的參考圖像緩沖區(qū)管理機制，實現較繁瑣。而AVS視 頻標準限定最多采用兩個參考幀，其優(yōu)點在于：在沒有增大緩沖區(qū)的條件下提高了編碼效率，因為B幀本身也需要兩個參考圖像的緩沖區(qū)。(4)14像素插值MPEG一2標準采用 12像素精度運動補償，相比于整像素精度提高約15dB編碼效率；H264 采用 14像素精度補償，比12精 度提高約06dB的編碼效率，因此運動矢量的精度是提高預測準確度的重要手段之一。影響高精度運動補償性能的一個核心技術是插值濾波器的

16、選擇。AVCH。264亞像素插值半像素位置采用 6拍 濾波，這個方案對低分辨率圖像效果顯著。由于高清視頻的特性，AVS視頻標準對 12像 素位置插值采用4拍 濾波器3，其效果與6拍 濾波器相同，優(yōu)點是大大降低了訪問存取帶寬，是一個對硬件實現非常有價值的特性。(5)B幀宏塊編碼模式在AVCH264標準中，時域直接模式與空域直接模式是相互獨立的。圖3多參考幀預測性能 E較而AVS視頻標準采用了更加高效的空域時域相結合的直接模式，并在此基礎上使用了運動矢量舍入控制技術41，AVS標準B幀的性能比H264 中B幀性能有所提高 。此外，AVS標準還提出了對稱模式【5，即只編碼前向運動矢量，后向運動矢量通

17、過前向運動矢量導出，從而實現雙向預測。此方案與編碼雙向運動矢量效率相當。(6)整數變換與量化AVS視頻標準采用整數變換代替了傳統(tǒng)的浮點離散余弦變換(DCT)。整數變換具有復雜度低、完全匹配等優(yōu)點。由于AVS1一P2中最小塊預測是基于g8塊大小的，因此采用了88整數DCT變換矩陣。88變換比4X4變換的去相關性能強，在變換模塊，2oo6年6月 第12啦第3期 中興通訊技術Jun2006 Vo112 No3維普資訊 ZTE CoMMUNICATION專題-、高文等：AVS數字青視頻鋪解碼標準VV表1 AVS1一P2視頻標準主觀測試結果25317S1394S92

18、55AVS：散字青規(guī)顫一解碼標準PSNR：一健信味比V表3 AVS1一P2RMPEG一4 AVCH264標準主要檔次客觀編碼效率比較AVS：數字青視撮解碼標準PSNR：健傅臻比很大的計算量，因此降低環(huán)路濾波的計算復雜度十分重要。13編碼效率對比以上是從編碼模塊各個方面認識AVS，從 中不難看出AVS視頻標準對每項技術都進行了復雜性與效率的權衡，為所面向的應用提供了很好的解決方案，努力降低復雜度，并保證高的編碼效率。表 1給出了2005年 8月 中國國家廣電總局廣播電視規(guī)劃院主持完成的AVS1一P2視頻標準測試結果，整體結論為性能優(yōu)良。考慮到目前使用MPEG一2標準實施高清電視廣播時，一 般使用

19、 20 Mbs的 碼率 ；使用MPEG一2標準實施標清電視廣播時，般使用56Mbs的碼率。對照測試AVS標準編碼效率相比H264提高2(約01dB)。同時與H+264 中的變換相比，AVS標準中的變換有 自身的優(yōu)點，即由于變換矩陣每行的模比較接近，可以將變換矩陣的歸一化在編碼端完成，從而節(jié)省解碼反變換所需的縮放表，降低了解碼器的復雜度 。量化是編碼過程中唯一帶來損失的模塊。以前典型的量化機制有兩種，一種是H263中的量化方法，一種是MPEG一2中的加權矩陣量化形式。與以前的量化方法相比，AVS標準中的量化與變換歸一化相結合，同時可以通過乘法和移位來實現，對于量化步長的設計，量化參數每增加8，相

20、應的量化步長擴大 1倍。由于AVS標準中變換矩陣每行的模比較接近，變換矩陣的歸一化可以在編碼端完成，從而解碼端反量化表不再與變換系數位置相關。(7)熵編碼熵編碼是視頻編碼器的重要組成部分，用于去除數據的統(tǒng)計冗余。AVS視頻標準采用基于上下文的自適應變長編碼器【l對變換量化后預測殘差進行編碼。其具體策 略為，系數經過 “之” 字形掃描后，形成多個(Run，Leve1)數對，其中Run表示非零系數前連續(xù)值為零的系數個數，Level表示一個非零系數；之后采用多個變長碼表對這些數對進行編碼，編碼過程中進行碼表的自適應切換來匹配數對的局部概率分布，從而提高編碼效率。編碼順序 為逆向掃描順序，這樣易于局部

21、概率分布變化的識別。變長碼采用指數哥倫布碼，這樣可降低多碼表的存儲空間。此方法與H264用于編碼44變換系數的基于上下文的自適應變長編碼器 (CAVLC)具有相當的編碼效率。相 比于H264 的算術編碼方案，AVS的熵編碼方法編碼效率低05dB，但算術編碼器計算復雜，硬件實現代價很高。(8)環(huán)路濾波起源于H263+的環(huán)路濾波技術的特點在于把去塊效應濾波放在編碼的閉環(huán)內，而此前去塊效應濾波都是作 為后處理來進行 的 ，如在MPEG-4中。在AVS視頻標準中，由于最小預測塊和變換都是基于88的，環(huán)路濾波也只在88塊邊緣進行，與H264對44塊進行濾波相比，其濾波邊數變?yōu)?H264 的14。 同時由

22、于AVS視頻濾波點數、濾波強度分類數都比H264 中的少，大大減少了判斷、計算的次數。環(huán)路濾波在解碼端占有結果可以得知 ，AVS視頻碼率為MPEG一2標準的一半時，無論是標準清晰度還是高清晰度編碼質量都達到優(yōu)秀。碼率不到其三分之一時。也達到良好到優(yōu)秀。因此在比MPEG一2視頻編碼效率提高23倍的前提下，AVS視頻質量完全達到大范圍應用所需的 “良好”要求。表2、表3分別給出了AVS1一P2與MPEG一2標準以及AVS1一P2與MPEG-4 AVCH264標準主要檔次的客觀編碼性能對比，結果為相同碼率條件下峰值信噪比(PSNR)的增益?？?以看出，AVS1一P2相對于MPEG-2標準編碼效率平均

23、提高256dB，相 比于H264標準編碼效率略低，但平均只有01ldB的損失。2 AVS標準的特色AVS視頻標準高效的技術、簡潔的實現方案為其成功應用奠定了基礎。但要得到市場認可，還需要其他方面優(yōu)勢的酉己合。MPEG一4標 準沒有廣泛應用的一個重要原因是過度的專利保護所導致的高額專利費限制了技術的推廣。因此，AVS標準制訂之初就認真分析了國內外標準和知下轉第 13頁Jun2o06 Vo112 No32o06年6月 第12卷第3期 中興通訊技術維普資訊 專題 ZTE Co M M UNICATIo N俄la強：P2PlFrT-v技術進晨V是沿兩條路徑獨立發(fā)展

24、的，各自遇到一 些發(fā)展中的困難。如果將兩者結合起來，以發(fā)展IfrrV的資源和力量發(fā)展P2PIntemetTV，或者換句話說以P2PIntemetTV的理念和技術發(fā)展IP1 有可能開創(chuàng)網絡媒體演化的新局面。這就是 P2PIfyIV。中國正在建設創(chuàng)新型國家。發(fā)展基于P2P的IP1 是一次引領世界發(fā)展潮流，實現世界級創(chuàng)新的歷史機會。架構P2P重疊網，建立運營平臺，擁有認證、授權和計費系統(tǒng)，具有互聯網無所不在覆蓋全球的通達能力。能夠支持向網絡新媒體平滑演進。P2Pirrv還面臨技術、運營模式、產業(yè)鏈以及法律法規(guī)等各方面的問題，而解決這些問題為實現科技創(chuàng)新提供了很好的機會。發(fā)展P2PIP1v有助于平衡各

25、方面利益，建立可持續(xù)發(fā)展的產業(yè)鏈。國實現頂層創(chuàng)新，引領世界潮流【- 。8 參考文獻 HOuZiqiang IssuesofJPTV。slocationand develbpment【C】The IPTV World Forum 2006MarO6082006，LondonUK【2】侯自強發(fā)展P1、應該關注的幾個同題 世界電信，200619(2)：3032【3】侯自強在CNGlIPv6上建立誠信安全的P2P環(huán)境和分布管理系統(tǒng)J】中 通訊信技術，200511(3)：212434收稿日期：20060312目前中國在 P2PIntemetTV的技術和應用方面居世界領先地位，電信業(yè)在發(fā)展寬帶業(yè)務方面有強

26、烈的需求和良好的基礎，有先進的網絡基礎設施和有國際競爭力的電信和網絡設備制造業(yè)，可以成功地支持創(chuàng)新。P2PIfyIV運行在公共互聯網上，上接第9頁識產權領域的經驗教訓，充分考慮知識產樅問題對標準推廣的影響，定義專利技術被標準接受的基本原則為：為保證標準的先進性，AVS標準不排斥各種專利技術，但專利進入 AVS標準必須遵守一定的條件，必須將專利的利益索求限制在一個合理的水平，以保證標準的公益性。AVS通過簡潔的一站式許可方式 ，解決了MPEG一4AVCH264被專利許可問題纏身難以產業(yè)化的弊端。AVS視頻標準不同于H，264標準，后者是一個獨立的視頻標準，而AVS標準是一套包含系統(tǒng)、視頻、音頻、

27、媒體版權管理在內的完整標準體系，這保證了實際應用系統(tǒng)所需的技術完備性。因此 AVS視頻標準具有技術高效、實現方案簡潔，專利許可政策簡單、許可費用低廉，相關標準配套的特色。3 結束語AVSIP2已經由國家標準化管理委員會批準，正式成為國家標準，并于2006年3月 1日起正式實施。AVS標準將憑借其先進的技術和低廉簡潔的專利許可方式為中國IPTv、高清數字視頻廣播等重大信息產業(yè)應用起7 結束語IP1 的發(fā)展面臨客戶機服務器模式的制約，中國在發(fā)展P2PIntemet Tv中取得了驕人的進展，用P2PInter netTV的思路和技術發(fā)展 IP1v就是P2PIPrV。發(fā)展P2PI V有可能使中到積極的

28、推動作用。4 參考文獻】GBIT2009022006信息技術先進音視頻編碼，第2部分：視頻【s】2006【21ZHANG Nan，YIN Baocai，KONG Dehuiet alSpatialpredictionbasedintracodingC】Proceedingsofthe2004 IEEE InternationaIConference on Multimedia and Expo(ICME。2004)，Vol1 Jun 27302004，TaibeiChina New YorkNYUSA：IEEE2004：97 1OO+【3lWANG Rong-gangHUANG Chao LI

29、Jintao etal SubpixelmotioncompensationinterpolationfilterinAVS【C】Proceedin口s ofthe 2004 IEEE InternationaIConference on Multimedia and ExpoICME。2004)Vol1 Jun 2730 20o4 TaibeiChina New York NY USA：IEEE 2004：93-96【41JIXiangyang ZGAO Debin GAO Wen etaI New scaling technique fordirectmodecodingjnBpicturesC#lEEEInternationaI Conference on Image Processing(ICIP 2004)Oct2427 2004 Singapore Piscata