黃玉玲 馬秀梅 南京熊貓通信科技有限公司 紀雪嵐 南京熊貓電子科技發(fā)展有限公司

從1952年貝爾實驗室 Cutler等人進行差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM)技術的研究開始,視頻壓縮編碼技術經(jīng)歷了50余年的發(fā)展。在這一過程中,逐漸形成了變換編碼、預測編碼、熵編碼3類經(jīng)典技術,分別用于去除視頻信號的空域冗余、時域冗余及統(tǒng)計冗余。并基于這些經(jīng)典技術,逐漸形成了以塊為單元的預測加變換的混合編碼框架。到目前為止,已有的視頻編碼標準都基于這一框架,包括國際電信聯(lián)盟 (ITU- T)的 H.261/3/4 視頻編碼建議以及國際標準化組織 /國際電工委員會 (ISO/IEC)的 MPEG- 1/2/4 視頻編碼標準。這些標準及其技術對視頻信號提供了一種高效表達方式,使得巨大的視頻數(shù)據(jù)能夠在有限帶寬下傳輸以及在有限空間下存儲。其中,MPEG-2標準在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應用,已經(jīng)成為電視廣播應用的基礎性支撐標準。但MPEG-2標準制訂于1994年,屬第一代視頻編碼技術,近10年視頻編碼技術的發(fā)展,使得MPEG-2標準在新一代IPTV、高清數(shù)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(jīng)濟。新的應用需要新的高效信源編碼方案。

數(shù)字音視頻編解碼標準 (AVS)標準第 2 部分 ： 視頻 (AVS1-P2)[1]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(nèi)外研究機構(gòu)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-2標準,編碼效率提高2～3倍。如果以AVS視頻標準進行標清視頻廣播應用,可以將MPEG- 2標準所需的5～6 Mb/s傳輸帶寬降低到1.5～3Mb/s。因此,即使在不進行大規(guī)模寬帶光纖網(wǎng)絡升級的情況下,借助于AVS視頻技術,IPTV應用也可以在現(xiàn)有家用數(shù)字用戶線 (DSL) 網(wǎng)絡的 2 Mb/s帶寬下進行大規(guī)模實施。在新的寬帶網(wǎng)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(xiàn)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AVC/H.264主要檔次 (Main Profile)相當?shù)木幋a效率, 但解碼器的實現(xiàn)復雜度只有其60%～70%。在專利許可方面,AVS 通過簡潔的一站式許可政策,解決了MPEG- 4 AVC/H.264被專利許可問題纏身難以產(chǎn)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

1.1 混合編碼框架

AVS1- P2視頻標準采用經(jīng)典的混合編碼框架。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,在技術取舍上對復雜度-性能的衡量指標各不相同,因而在復雜性、編碼效率上的表現(xiàn)也各不相同。

1.2 AVS 關鍵技術介紹

(1)幀內(nèi)預測

AVS視頻標準采用空域內(nèi)的多方向幀內(nèi)預測技術?；诳沼蚨喾较虻膸瑑?nèi)預測提高了預測精度,從而提高了編碼效率。AVS視頻標準的幀內(nèi)預測基于8×8塊大小,亮度分量只有5種預測模式 ,大大降低了幀內(nèi)預測模式?jīng)Q策的計算復雜度,但性能與 AVC/H.264十分接近。

(2)變塊大小運動補償

變塊大小運動補償是提高運動預測精確度的重要手段之一 ,對提高編碼效率起重要作用。在 AVS1- P2 中將最小宏塊劃分限制為8×8, 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2～3 個參考幀基本上能達到最高的性能,更多的參考圖像對性能提升影響甚微,復雜度卻會成倍增加。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)整數(shù)變換與量化

AVS視頻標準采用整數(shù)變換代替了傳統(tǒng)的浮點離散余弦變換(DCT)。整數(shù)變換具有復雜度低、完全匹配等優(yōu)點。

(5)熵編碼

熵編碼是視頻編碼器的重要組成部分,用于去除數(shù)據(jù)的統(tǒng)計冗余。

系數(shù)前連續(xù)值為零的系數(shù)個數(shù),Level 表示一個非零系數(shù)；之后采用多個變長碼表對這些數(shù)對進行編碼,編碼過程中進行碼表的自適應切換來匹配數(shù)對的局部概率分布,從而提高編碼效率。

1.3 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(quán)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。

2 AVS標準的特色

AVS視頻標準高效的技術、簡潔的實現(xiàn)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)勢的配合。MPEG-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。AVS1- P2已經(jīng)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(shù)字視頻廣播等重大信息產(chǎn)業(yè)應用起到積極的推動作用。

3 AVS標準的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

3AVS-M標準的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展作為一種面向移動視頻的壓縮標準,AVS-M高壓縮比、低運算復雜度的特性使之特別適合于無線網(wǎng)絡和移動終端視頻通信的需求,在移動視頻點播業(yè)務、電視直播業(yè)務、移動視頻監(jiān)控業(yè)務以及衛(wèi)星視頻廣播中具有廣闊的應用空間。目前,AVS-M的產(chǎn)業(yè)化工作正在緊鑼密鼓的進行。在香港,中科院計算所上海分部與香港科技大學以及香港多家運營商合作,于2005年11月初成功試制完成了可運行于香港3G網(wǎng)絡上的基于AVS-M標準的實時流媒體系統(tǒng)。該流媒體系統(tǒng)采用國際通用的3GPP標準協(xié)議,其中視頻編解碼部分用AVS-M替換原來的H.263標準。整個系統(tǒng)在100kbit/s左右?guī)捪驴蓪崿F(xiàn)實時節(jié)目傳輸與手機同步播放。2005年11月26日,香港科技大學和中科院計算所,以及AVS工作組、AVS產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟共同在香港舉行了AVS-M在香港3G網(wǎng)絡上運行的成果演示和技術研討會。通過對比演示,與會代表可主觀感覺到AVS-M視頻質(zhì)量明顯高于H.263。此次成果演示,是AVS-M在商用3G網(wǎng)絡上的首次成功運行,為將來的大規(guī)模商用打下了堅實的基礎。在國內(nèi),中科院計算所上海分部與行業(yè)內(nèi)著名公司企業(yè)合作,實現(xiàn)了基于移動和聯(lián)通的GPRS和cdma1x的移動通信網(wǎng)絡的AVS-M商用移動流媒體系統(tǒng),系統(tǒng)視頻顯示主觀效果良好,通過在第七屆中國國際高新技術成果交易會(2005年10月)、第七屆上海國際工業(yè)博覽會(2005年11月)以及2005年國際計算機創(chuàng)新大會(2005年12月)等的展示,獲得了很好的反映。驗證了采用AVS-M在現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡上進行視頻傳輸?shù)目尚行?。目?AVS-M軟件播放器可以運行于多種手機平臺上,包括WindowsCE(WindowsSmart phone),Brew,Symbian和Linux等,在采用這些平臺的近10款手機上已經(jīng)實現(xiàn)實時播放AVS-M視頻。另外,為提升整個產(chǎn)業(yè)的競爭力,以中科院計算所上海分部牽頭,在上海成立了移動視音頻產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。該產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟包括從終端到內(nèi)容的諸多公司,將以視音頻編解碼技術AVS-M為核心,通過技術的發(fā)展、優(yōu)化驅(qū)動產(chǎn)品的定型、生產(chǎn),進而推動市場,參與國際標準的制定伴隨著智能手機的迅速普及和3G時代的到來,網(wǎng)絡速度的提高進一步刺激移動視頻在各種業(yè)務中的應用。AVS-M以其先進的技術、合理的專利收費以及本土化優(yōu)勢,必將在未來得到廣泛的應用。

4 結(jié)束語

AVS1- P2已經(jīng)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(shù)字視頻廣播等重大信息產(chǎn)業(yè)應用起到積極的推動作用。