文/羅通
我國(guó)數(shù)字化建設(shè)發(fā)展達(dá)到一定程度后,需要在原有建設(shè)基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)備技術(shù)體系進(jìn)行優(yōu)化升級(jí),采用功能更加強(qiáng)大、性能更加穩(wěn)定的編解碼技術(shù),以提供穩(wěn)定的數(shù)字電視和相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)支持。在數(shù)字音視頻建設(shè)方面,必須強(qiáng)化自主研發(fā),而AVS+技術(shù)則屬于這種形式。通過(guò)自主研發(fā)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),可對(duì)我國(guó)的數(shù)字電視和數(shù)字地面應(yīng)用產(chǎn)生巨大的支持作用。隨著該技術(shù)的不斷優(yōu)化完善,目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。為了進(jìn)一步推廣地面數(shù)字電視建設(shè),近年來(lái),國(guó)家加大相關(guān)領(lǐng)域的投入,通過(guò)制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),規(guī)范相應(yīng)的建設(shè)。
2012年7 月頒布的《廣播電視先進(jìn)音視頻編解碼第1部分:視頻》中對(duì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了進(jìn)一步明確,該標(biāo)準(zhǔn)就是AVS+技術(shù)的實(shí)施規(guī)范。之后發(fā)布的《廣播電視先進(jìn)視頻編解碼(AVS+)技術(shù)應(yīng)用實(shí)施指南》中,強(qiáng)調(diào)了“快速推進(jìn)、平穩(wěn)過(guò)渡、增量?jī)?yōu)先、兼顧存量”的建設(shè)指導(dǎo)原則,將AVS+技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋衛(wèi)星、IPTV、地面數(shù)字電視、有線電視等多個(gè)領(lǐng)域,并明確了具體建設(shè)應(yīng)用的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。自2014年7月,AVS+技術(shù)應(yīng)用在高清電視等領(lǐng)域的建設(shè)全面開(kāi)始,這極大地促進(jìn)了我國(guó)信息化社會(huì)的建設(shè),對(duì)整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)全面建設(shè)都有非常重要的推動(dòng)作用。
數(shù)字化建設(shè)不僅要覆蓋城市地區(qū),對(duì)于一些較為分散的區(qū)域,要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化電視服務(wù),就需要借助衛(wèi)星等傳播方式,將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行有效通信,使得這些地區(qū)也可以使用數(shù)字終端設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的生產(chǎn)生活活動(dòng)。從其現(xiàn)實(shí)的影響來(lái)看,對(duì)于我國(guó)這樣一個(gè)幅員遼闊、地形復(fù)雜的國(guó)家來(lái)說(shuō),有著非常重要的價(jià)值和意義。國(guó)家加大相關(guān)方面的投入,不僅出于對(duì)地面數(shù)字電視等應(yīng)用領(lǐng)域的考慮,也包括未來(lái)的高質(zhì)量信息化建設(shè),都需要在相關(guān)方面加強(qiáng),這是必然的趨勢(shì)。
地面數(shù)字電視只是AVS+技術(shù)在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的一個(gè)領(lǐng)域,因?yàn)榈孛鏀?shù)字電視信號(hào)傳輸采用單向廣播式模式,相比其他通信技術(shù)來(lái)說(shuō)實(shí)現(xiàn)更為容易一些。但對(duì)于數(shù)字電視來(lái)說(shuō),最重要的性能就是要保證數(shù)據(jù)的容量和傳輸質(zhì)量,這對(duì)于信息的編解碼技術(shù)有著非常具體和更高標(biāo)準(zhǔn)的要求,與目前在用的有線數(shù)字電視以及衛(wèi)星電視相比,其在播放和傳輸性能表現(xiàn)上優(yōu)勢(shì)非常顯著。目前,因?yàn)锳VS+技術(shù)應(yīng)用相關(guān)建設(shè)程度不夠,導(dǎo)致在頻率資源方面非常稀缺,但其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在對(duì)于確定地域和群體市場(chǎng)上的業(yè)務(wù),尤其是移動(dòng)電視領(lǐng)域有非常突出的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)形式涵蓋的范圍非常廣泛,地面電視徹底實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的難度較為突出,加之之前的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題,使得整個(gè)建設(shè)與實(shí)際需求上有較為嚴(yán)重的滯后。
AVS+技術(shù)是基于AVS技術(shù)發(fā)展而來(lái),而AVS技術(shù)屬于我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新發(fā)展技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于國(guó)家在相關(guān)領(lǐng)域的建設(shè)有著極為重要的戰(zhàn)略性價(jià)值。對(duì)于信息傳輸來(lái)說(shuō),編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有著尤其重要的價(jià)值,擁有自己的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),就可以不受制于人,在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用環(huán)節(jié),可以有更多的發(fā)揮空間和自由度。隨著應(yīng)用范圍和領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,該技術(shù)規(guī)范的影響力會(huì)越來(lái)越大,包括對(duì)系統(tǒng)的升級(jí)和優(yōu)化,可以按照我國(guó)自己的節(jié)奏和步調(diào)完成,不必害怕中間存在技術(shù)漏洞和隱患問(wèn)題。目前,AVS+技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際公認(rèn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),是國(guó)際電信聯(lián)盟認(rèn)可的三大視頻標(biāo)準(zhǔn)之一,是我國(guó)力主推動(dòng)的數(shù)字電視視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn),并在多個(gè)國(guó)家的廣電建設(shè)領(lǐng)域得到非常充分的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。借助該項(xiàng)技術(shù),我國(guó)從被動(dòng)的數(shù)字視聽(tīng)技術(shù)接受國(guó)變?yōu)檩敵鰢?guó),相關(guān)產(chǎn)業(yè)也逐漸由大變強(qiáng),在整個(gè)技術(shù)創(chuàng)新過(guò)程中發(fā)揮著更加重要的支撐作用。
2.2.1 AVS+技術(shù)框架設(shè)計(jì)
從具體的技術(shù)角度來(lái)看,AVS+技術(shù)相比于MPEG技術(shù),在實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)上均選擇了混合編碼的框架設(shè)計(jì),在該技術(shù)框架內(nèi),整合了數(shù)據(jù)信息的量化變換、熵編碼、幀內(nèi)與幀間預(yù)測(cè)、環(huán)路濾波等功能單元模塊,這些模塊的功能發(fā)揮對(duì)于目前主流的視頻和音頻內(nèi)容有很好的兼容性效果,是主要技術(shù)路線的穩(wěn)定保障。與MPEG技術(shù)模式不同的地方,AVS+技術(shù)在一些優(yōu)化技術(shù)方面進(jìn)行了更多的創(chuàng)新和發(fā)展,這些創(chuàng)新技術(shù)可以提供低復(fù)雜背景下滿足高性能的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),與國(guó)際通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有很好的相當(dāng)性,并具備了因自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)所帶來(lái)的框架優(yōu)勢(shì)。
在AVS+技術(shù)應(yīng)用中,其具有典型特征的核心框架設(shè)計(jì)技術(shù)內(nèi)容涵蓋了多個(gè)方面:幀內(nèi)預(yù)測(cè)、整數(shù)變換、數(shù)據(jù)量化處理、精度像素插值處理、幀間預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償功能、二維熵編碼功能、去塊效應(yīng)環(huán)內(nèi)濾波功能等。通過(guò)這些框架功能的定位,AVS+技術(shù)對(duì)用于視頻處理的I幀、P 幀和B幀三種類型圖像的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了定義,通常I幀宏塊采取定義方式為幀內(nèi)預(yù)測(cè),而P 幀及B幀則要同時(shí)完成幀內(nèi)及幀間的預(yù)測(cè)。完成這些預(yù)測(cè)算法后,需要對(duì)殘差整數(shù)變換同時(shí)進(jìn)行數(shù)字量化,并比照量化標(biāo)準(zhǔn)完成相應(yīng)的掃描任務(wù),通過(guò)掃描獲取一維模式的排列系數(shù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)量化系數(shù)的熵編碼功能。采用AVS+技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的視頻量化以及格式轉(zhuǎn)換功能的完成需要通過(guò)采用加減移位方式進(jìn)行計(jì)算操作,此時(shí)只需確保16位的計(jì)算精度就能夠滿足算法和功能需要。在框架設(shè)計(jì)中,還要考慮AVS+技術(shù)的視頻標(biāo)準(zhǔn)圖像濾波問(wèn)題,為此,需要采用環(huán)路濾波器作為圖像創(chuàng)建的基本過(guò)濾單元,將圖像中存在的噪聲干擾和方塊效應(yīng)進(jìn)行有效消除,通過(guò)這種設(shè)計(jì)和算法的使用,能夠有效改善圖像質(zhì)量,同時(shí),還可以最大程度地提升編碼運(yùn)行的質(zhì)量和效率。
2.2.2 電源模塊設(shè)計(jì)
電源部分是整個(gè)AVS+技術(shù)在地面數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中最基本的功能單元,是確保系統(tǒng)中的中央處理器以及數(shù)字處理單元對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理的基本保證。隨著系統(tǒng)的功能整合程度更加深入,同時(shí)對(duì)設(shè)備用電的穩(wěn)定性要求也在持續(xù)提升,電源模塊的重要性更加凸顯,對(duì)其最大的設(shè)計(jì)要求是輸出電流穩(wěn)定性和電壓波峰數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)上。在針對(duì)AVS+技術(shù)系統(tǒng)的地面數(shù)字電視應(yīng)用的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì),除了采用更加精巧和低電容大容量的硬件設(shè)計(jì)外,AVS+技術(shù)的應(yīng)用可以引入熱設(shè)計(jì)質(zhì)量更高的電源系統(tǒng),其還可以實(shí)現(xiàn)電壓輸出波動(dòng)性更小,且恢復(fù)周期更短的設(shè)計(jì),這些設(shè)計(jì)方式的采用,能夠有效解決模塊快速響應(yīng)和動(dòng)態(tài)控制的需求,這一特點(diǎn)更加適合較大電流和較低電壓的應(yīng)用領(lǐng)域。
2.2.3 AVS+技術(shù)應(yīng)用工作流程
對(duì)于滿足閉環(huán)式AVS+技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的功能系統(tǒng)而言,其功能配置需要提供一些基本元件,主要包括三部分:一是內(nèi)置于系統(tǒng)主板上數(shù)據(jù)處理器的電源控制模塊APC;二是集成了PWI功能的從屬器管理單元模塊;三是完成連接功能和數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇锌偩€。這些功能單元各自發(fā)揮作用,形成系統(tǒng)總體功能的優(yōu)化和完善。具體來(lái)說(shuō),其功能的實(shí)現(xiàn)包括以下幾個(gè)關(guān)鍵的步驟。
一是信息采集。系統(tǒng)所采集的信息與負(fù)載情況密切相關(guān),通過(guò)獲取這些信息計(jì)算系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),整個(gè)計(jì)算過(guò)程由系統(tǒng)專用軟件自動(dòng)完成,硬件設(shè)備也在這個(gè)過(guò)程中起到有效的支撐作用。軟件功能的有效發(fā)揮,需要與操作系統(tǒng)形成良性的兼容關(guān)系,通過(guò)函數(shù)進(jìn)行應(yīng)用程序的調(diào)用,并對(duì)調(diào)用次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)和記錄,根據(jù)不同的算法衡量系統(tǒng)各種硬件設(shè)備的工作狀態(tài)。中央處理器完成數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理功能,對(duì)負(fù)載使用情況和性能發(fā)揮進(jìn)行有效預(yù)測(cè),比如Freecscale中集成的軟件系統(tǒng)i.Mx3.1,利用對(duì)核心單元信號(hào)的采集,判斷Cache、總線和內(nèi)存等資源的利用狀態(tài)。信息的采集功能可以提供計(jì)算功能的完整性和精確性,同時(shí)還可以降低對(duì)中央處理器的資源占用負(fù)擔(dān),在進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)流處理時(shí)可以發(fā)揮出良好的性能優(yōu)勢(shì)。
二是需求預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)和預(yù)判是提高系統(tǒng)運(yùn)行效率的常用設(shè)計(jì)方法,準(zhǔn)確高效地進(jìn)行預(yù)測(cè)需要系統(tǒng)的應(yīng)用軟件完成高質(zhì)量的數(shù)據(jù)整理和處理功能。具體來(lái)說(shuō),需要對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下的各功能單元情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,根據(jù)分析結(jié)果以及正常情況預(yù)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)接下來(lái)的性能表現(xiàn),根據(jù)預(yù)測(cè)情況及時(shí)調(diào)整資源調(diào)用相關(guān)程序,形成預(yù)操作等步驟,最終提升系統(tǒng)的總體運(yùn)營(yíng)水平。
AVS+技術(shù)用于地面數(shù)字電視系統(tǒng),其實(shí)際的應(yīng)用方案選擇大致有三種,在這三種應(yīng)用方案的架構(gòu)設(shè)計(jì)中,采用AVS+技術(shù)的源壓縮解碼不存在中間進(jìn)行系統(tǒng)解碼的過(guò)程。AVS+編碼壓縮架構(gòu)技術(shù)也可以與MPEG-2/H.264及MPEG-2格式進(jìn)行配合,而AVS+技術(shù)需要在過(guò)程中進(jìn)行解碼。通過(guò)這些設(shè)計(jì),可以確保該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的充分兼容性,是系統(tǒng)設(shè)備必須考慮的一項(xiàng)技術(shù)內(nèi)容。
3.1.1 源端編碼及終端解碼應(yīng)用方案
在該應(yīng)用方案中,AVS+技術(shù)實(shí)現(xiàn)了端到端的編解碼功能,系統(tǒng)在源端的信號(hào)輸出采用AVS+編碼技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮,而在地面數(shù)字電視的應(yīng)用端再通過(guò)AVS+技術(shù)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼操作。整個(gè)過(guò)程中都采用AVS+編碼數(shù)據(jù)流,因此無(wú)需進(jìn)行中間環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換和解碼操作。在地面數(shù)字電視接收端,所有電視節(jié)目都需要利用SDI端口進(jìn)行接收,并將接收到的音視頻信息輸送至AVS+編碼器。而AVS+編碼器完成電視節(jié)目的編碼,通過(guò)通訊接口輸出數(shù)據(jù)流,該輸出格式為T(mén)S形式,再利用ASI接口傳輸給復(fù)用器。在此過(guò)程中,相關(guān)的業(yè)務(wù)信息經(jīng)由發(fā)生器將節(jié)目信息傳給復(fù)用器,復(fù)用器完成數(shù)據(jù)選擇的優(yōu)化處理,繼續(xù)將節(jié)目數(shù)據(jù)發(fā)送至調(diào)制器,TS數(shù)據(jù)流經(jīng)充分調(diào)制完成數(shù)據(jù)輸送任務(wù);最后,經(jīng)由AVS+解碼器對(duì)接收的信號(hào)實(shí)施調(diào)制和解碼等操作,在電視上輸出節(jié)目?jī)?nèi)容。
3.1.2 AVS+源端編碼應(yīng)用方案
該方案的設(shè)計(jì)采用在源端進(jìn)行AVS+技術(shù)的編碼,整個(gè)輸送過(guò)程中的信號(hào)前端采用AVS+壓縮格式,而在終端接收設(shè)備的數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)則采用MPEG-2/H.264格式進(jìn)行接收和處理。該應(yīng)用方案需要在中間環(huán)節(jié)對(duì)傳輸?shù)男盘?hào)實(shí)施轉(zhuǎn)碼操作,以滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)信息的有效控制需要。地面數(shù)字電視節(jié)目數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)有效的調(diào)制后被直接傳輸給接收機(jī)完成數(shù)據(jù)的解調(diào)操作,完成解調(diào)后再送至轉(zhuǎn)碼器,將數(shù)據(jù)中TS格式的信號(hào)利用ASI接口完成轉(zhuǎn)碼操作。進(jìn)行轉(zhuǎn)碼時(shí),系統(tǒng)會(huì)按照MPEG-2或H.264格式對(duì)節(jié)目?jī)?nèi)容中的音視頻信息重新進(jìn)行編碼。經(jīng)過(guò)該環(huán)節(jié),可以使節(jié)目流轉(zhuǎn)為另外格式的編碼信號(hào),經(jīng)轉(zhuǎn)碼后形成的數(shù)據(jù)流格式為MPEG-2或H.264,該格式可以在用戶終端處進(jìn)行直接使用。
3.1.3 源端MPEG-2編碼應(yīng)用方案
該應(yīng)用方案利用源端MPEG-2編碼,在終端則采用AVS+格式進(jìn)行接收,節(jié)目信號(hào)進(jìn)行傳輸過(guò)程中需要轉(zhuǎn)碼節(jié)目信號(hào)。這些節(jié)目信號(hào)利用SDI接口進(jìn)一步送給MPEG-2編碼器,經(jīng)ASI接口再將節(jié)目信息傳輸至復(fù)用器。在此過(guò)程中,業(yè)務(wù)信息發(fā)生器會(huì)自動(dòng)生成數(shù)據(jù)流相關(guān)信息,并和MPEG-2編碼器信號(hào)一起送給復(fù)用器。此時(shí),復(fù)用器的功能就是對(duì)接收信息優(yōu)化整合,之后這些數(shù)據(jù)傳遞給地面電視接收機(jī)完成數(shù)據(jù)解調(diào),之后,數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)ASI傳到轉(zhuǎn)碼器,利用轉(zhuǎn)碼器完成數(shù)據(jù)流的格式轉(zhuǎn)換,經(jīng)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)格式變?yōu)锳VS+格式。利用有效的信道方式將節(jié)目信號(hào)流輸送給AVS+解碼器完成數(shù)據(jù)的解碼,最終在用戶電視上輸出高清電視節(jié)目。
按照國(guó)家相關(guān)部門(mén)的計(jì)劃,預(yù)計(jì)到2020年,我國(guó)全面實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍內(nèi)的地面數(shù)字電視廣播覆蓋,屆時(shí)地面模擬電視信號(hào)就可以全部停播。至目前,該項(xiàng)工作正有條不紊地進(jìn)行,就H省來(lái)說(shuō),通過(guò)AVS+技術(shù)架構(gòu)地面數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)建設(shè),有力地推動(dòng)了該領(lǐng)域的全面建設(shè)水平。從地理上看,H省多丘陵高山,有線及網(wǎng)絡(luò)電視的覆蓋率較低。但因?yàn)樯鐣?huì)需要,導(dǎo)致近些年付費(fèi)無(wú)線數(shù)字電視得到較快發(fā)展,無(wú)線頻率應(yīng)用和管理都較為混亂,電磁環(huán)境非常惡劣,因此,地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)建設(shè)顯得非常必要。
H省地面數(shù)字電視網(wǎng)建設(shè)始于2013年,經(jīng)過(guò)1年時(shí)間基本完成大部分建設(shè)項(xiàng)目。在建設(shè)初期,編碼技術(shù)形式選用H.264編碼,利用18M帶寬承載16套標(biāo)清電視節(jié)目。但因?yàn)閷@M(fèi)用過(guò)高,難以實(shí)現(xiàn)公益性發(fā)展無(wú)線數(shù)字電視的目標(biāo)?;诖?,選擇我國(guó)自主創(chuàng)新發(fā)展擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的AVS技術(shù)編碼,但通過(guò)實(shí)際播放測(cè)試,對(duì)比播放效果發(fā)現(xiàn),同樣編碼16套標(biāo)清電視節(jié)目,相比H.264格式,直觀觀看對(duì)比,采用AVS技術(shù)進(jìn)行編解碼的效果稍差一些。為解決播放質(zhì)量問(wèn)題,H省相關(guān)建設(shè)單位通過(guò)2013年CCBN展會(huì)引進(jìn)滿足國(guó)家新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的廣州柯維新研制的AVS+技術(shù)編碼器。相同情況下,對(duì)包括H.264、AVS和AVS+在內(nèi)的三種應(yīng)用模式進(jìn)行對(duì)比,AVS+編解碼技術(shù)總體表現(xiàn)顯然最優(yōu)?;诖耍琀省地面數(shù)字電視以AVS+技術(shù)為建設(shè)選擇。
綜上所述,當(dāng)前,我國(guó)正全面鋪開(kāi)AVS+技術(shù)在地面數(shù)字電視系統(tǒng)等領(lǐng)域的建設(shè),為此,國(guó)家廣電部門(mén)特別出臺(tái)相關(guān)的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)和建設(shè)計(jì)劃,對(duì)建設(shè)內(nèi)容和相關(guān)環(huán)節(jié)進(jìn)行明確。隨著這些項(xiàng)目建設(shè)的逐漸推進(jìn),對(duì)我國(guó)的信息化建設(shè)有極大的促進(jìn)作用。AVS+技術(shù)是我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),其在地面數(shù)字電視等領(lǐng)域的全面應(yīng)用不但有助于數(shù)字化建設(shè)的深度實(shí)施,而且促進(jìn)了國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)的推廣和發(fā)展,對(duì)于整個(gè)信息產(chǎn)品的發(fā)展都有較大幫助作用,并對(duì)我國(guó)的自主創(chuàng)新能力和社會(huì)全面建設(shè)具有較大的促進(jìn)作用。