高 文,黃鐵軍
(北京大學 數字視頻編解碼技術國家工程實驗室,北京 100871)
責任編輯:許 盈
從1952年貝爾實驗室Cutler等人進行DPCM(Dif?ferential Pulse Code Modulation)技術的研究算起,視頻壓縮編碼技術經歷了50余年的發展。在這一過程中,逐漸形成了變換編碼、預測編碼、熵編碼3類經典技術,分別用于去除視頻信號的空域冗余、時域冗余及統計冗余?;谶@些經典技術,逐漸形成了以塊為單元的預測加變換的混合編碼框架(Block-based Hybrid Coding Framework)[1]。到目前為止,已知的所有視頻編碼標準都基于這一框架,包括ITU-T的H.261/2/3/4視頻編碼建議[2-4]、ISO/IEC的MPEG-1/2/4視頻編碼標準[5]以及我國2006年頒布的《信息技術先進音視頻編碼第二部分 視頻》國家標準(國標號GB/T 20090.2—2006,通常簡稱為AVS視頻編碼標準)[6]。這些標準發展的基本規律是,以更高的計算復雜性換取編碼效率的提升。如果更細致地考察每個標準中的技術模塊,這個規律可以更具體地表述為:在混合編碼框架下對其中的每個基本技術組成部分用更復雜的方法獲得編碼效率的提升。
上述視頻標準中,1994年完成的MPEG-2(即ISO/IEC 13818-2)[7]是得到廣泛應用的一個標準,我國于2000年將其等同采用為國家標準GB/T 20090.2。2003年完成的MPEG-4 AVC(ISO/IEC 14496-10,等同于ITU-T H.264)[8]在已經頒布的視頻編碼國際標準中最新。
由于MPEG國際標準的專利被國外一家專利管理公司所控制,其授權政策和高昂的專利費多年來受到國內設備生產商和國內外運營商的指責。為了使數字音視頻產業及其應用能夠發展得更健康,我國從2002年開始以數字音視頻編解碼技術標準工作組的形式組織制定新的國家標準,其中視頻部分于2003年底起草完成,2006年初頒布,2009年成為國際電信聯盟(ITU)網絡電視(IPTV)標準中可選的三大視頻編碼標準之一,2011年被指定為我國地面數字電視接收機和接收器(機頂盒)的唯一必備視頻標準。
本文的目的是對上述這些標準進行比較,并系統報告各方測試情況(以下部分內容引自“數字音視頻編解碼技術標準工作組”官方報告),供應用開發和標準選擇參考。
AVS視頻與AVC標準都采用混合編碼框架(見圖1),包括變換、量化、熵編碼、幀內預測、幀間預測、環路濾波等技術模塊,而MPEG-2視頻標準不包括其中的幀內預測和環路濾波模塊。

圖1 典型視頻編碼框架
AVS視頻當中具有特征性的核心技術包括:8×8整數變換、量化、幀內預測、1/4精度像素插值、特殊的幀間預測運動補償、二維熵編碼、去塊效應環內濾波等[9-11]。
圖2描述了AVS視頻編碼過程。AVS視頻標準定義了I幀、P幀和B幀3種不同類型的圖像,I幀中的宏塊只進行幀內預測,P幀和B幀的宏塊則需要進行幀內預測或幀間預測。圖2中的S0是預測模式的選擇開關。預測殘差進行8×8整數變換(ICT)和量化,只需要加減法和移位操作,用16位精度即可完成。然后對量化系數進行zig-zag掃描(隔行編碼塊使用另一種掃描方式),得到一維排列的量化系數,最后對量化系數進行熵編碼。

圖2 AVS視頻編碼器框圖
1)變換、量化
AVS的8×8變換與量化可以在16位處理器上無失真地實現,從而克服了MPEG-4 AVC/H.264之前所有視頻壓縮編碼國際標準中采用的8×8 DCT變換存在失真的固有問題。而MPEG-4 AVC/H.264所采用的4×4整數變換,在高分辨力視頻圖像上的去相關性能不及8×8的變換有效。AVS采用了64級量化,可以完全適應不同的應用和業務對碼率和質量的要求。在解決了16位實現的問題后,目前AVS所采用的8×8變換與量化方案,既適合于16位DSP或其他軟件方式的快速實現,也適合于ASIC的優化實現。
2)幀內預測
AVS的幀內預測技術沿襲了MPEG-4 AVC/H.264幀內預測的思路,即用相鄰塊的像素預測當前塊,采用代表空間域紋理方向的多種預測模式。但AVS亮度和色度幀內預測都是以8×8塊為單位的。亮度塊采用5種預測模式,色度塊采用4種預測模式,而這4種模式中又有3種和亮度塊的預測模式相同。在編碼質量相當的前提下,AVS采用較少的預測模式,使方案更加簡潔,實現的復雜度大為降低。
3)多模式幀間預測
幀間運動補償編碼是混合編碼技術框架中最重要的部分之一。AVS標準采用了16×16,16×8,8×16和8×8的塊模式進行運動補償,而去除了MPEG-4 AVC/H.264標準中的8×4,4×8,4×4的塊模式,目的是能更好地刻畫物體運動,提高運動搜索的準確性。實驗表明,對于高分辨力視頻,AVS選用的塊模式已經能足夠精細地表達物體的運動。較少的塊模式,能降低運動矢量和塊模式傳輸的開銷,從而提高壓縮效率、降低編解碼實現的復雜度。
4)1/4像素運動補償
AVS和MPEG-4 AVC/H.264都采用了1/4像素精度的運動補償技術。MPEG-4 AVC/H.264采用6抽頭濾波器進行半像素插值并采用雙線性濾波器進行1/4像素插值。而AVS采用了不同的4抽頭濾波器進行半像素插值和1/4像素插值,在不降低性能的情況下減少插值所需要的參考像素點,降低了數據存取帶寬需求,這在高分辨力視頻壓縮應用中是非常有意義的。
5)參考幀
在傳統的視頻編碼標準(MPEG-x系列與H.26x系列)中,雙向預測幀B幀都只有一個前向參考幀與一個后向參考幀,而前向預測幀P幀則只有一個前向參考幀。而新近的MPEG-4 AVC/H.264充分利用圖片之間的時域相關性,允許P幀和B幀有多個參考幀,最多可以有31個參考幀。多幀參考技術在提高壓縮效率的同時也將極大地增加存儲空間與數據存取的開銷。AVS中P幀可以利用至多2幀的前向參考幀,而B幀采用前后各一個參考幀。P幀與B幀(包括后向參考幀)的參考幀數相同,其參考幀存儲空間與數據存取的開銷并不比傳統視頻編碼的標準大,而恰恰充分利用了必須預留的資源。
6)1/4像素運動補償
AVS的B幀的雙向預測使用了直接模式(direct mode)、對稱模式(symmetric mode)和跳過模式(skip mode)。使用對稱模式時,碼流只需要傳送前向運動矢量,后向運動矢量可由前向運動矢量導出,從而節省后向運動矢量的編碼開銷。對于直接模式,當前塊的前、后向運動矢量都是由后向參考圖像相應位置塊的運動矢量導出,無需傳輸運動矢量,因此也可以節省運動矢量的編碼開銷。跳過模式的運動矢量的導出方法和直接模式的相同。跳過模式編碼的塊,其運動補償的殘差也均為零,即該模式下宏塊只需要傳輸模式信號,而不需要傳輸運動矢量、補償殘差等附加信息。
7)熵編碼
AVS熵編碼采用自適應變長編碼技術。在AVS熵編碼過程中,所有的語法元素和殘差數據都是以指數哥倫布碼的形式映射成二進制比特流。采用指數哥倫布碼的優勢在于:一方面,它的硬件復雜度比較低,可以根據閉合公式解析碼字,無需查表;另一方面,它可以根據編碼元素的概率分布靈活地確定以k階指數哥倫布碼編碼,如果k選得恰當,則編碼效率可以逼近信息熵。
對預測殘差的塊變換系數,經掃描形成(level,run)對串。而level,run不是獨立事件,存在著很強的相關性。在AVS中level,run采用二維聯合編碼,并根據當前level和run的不同概率分布趨勢,自適應改變指數哥倫布碼的階數。
AVS標準支持多種視頻業務,考慮到不同應用之間的互操作性,AVS標準定義了檔次(profile)和級別(lev?el)。檔次是AVS定義的語法、語義及算法的子集;級別是在某一檔次下對語法元素和語法元素參數值的限定集合。為了滿足高清晰度/標準清晰度數字電視廣播、數字存儲媒體等業務的需要,AVS視頻標準定義了基準檔次(Jizhun profile)和5個級別(2.0,4.0,4.2,6.0,6.2)。其中2.0,4.0,6.0分別對應352×288(CIF),720×576(標清)和1920×1152(高清),“.0”對應“4︰2︰0”,隔行掃描和逐行掃描均支持通過參數標識。
表 1描述了AVS視頻與MPEG-2視頻、AVC的技術對比以及選擇這些編解碼工具而帶來的大致性能差異。
簡單地說,與MPEG-4 AVC/H.264的baseline pro?file相比,AVS視頻增加了B幀、interlace等技術,因此其壓縮效率明顯提高;而與MPEG-4 AVC/H.264的main profile相比,減少了CABAC等實現復雜度大的技術,性能上有降低,但提高了可實現性。
表2是AVS視頻與AVC計算實現復雜性的簡單對比。
大致估算,AVS視頻解碼復雜度相當于AVC的70%,AVS視頻編碼復雜度相當于AVC的30%,并且AVS在存儲器使用方面也有明顯節省。
壓縮效果的評價標準有主觀評價和客觀評價兩種,各有優缺點。主觀評價是聘請專門的評價人員來比較壓縮之后再恢復的視聽效果和原始效果的差異,通常是在專門的視聽環境中按照一定的規則進行主觀評分。客觀評價則是通過一種具體的算法來統計多媒體數據壓縮結果的損失,例如信噪比(SNR)。主觀評價和客觀評價有時相差很大,因此衡量一個算法的好壞就需要在這兩者之間找到一個平衡點。一套標準的評價,通常在開發過程中采用客觀評價的方法,但最終要得到主觀評價的確認。

表1 AVS視頻與MPEG-2,MPEG-4 AVC/H.264使用的技術對比和性能差異估計
2003年10月—12月,MPEG組織了專題組對AVC(ISO/IEC 14496-10|ITU-T Rec.H.264)與 MPEG-4 Visual(ISO/IEC 14496-2[12])和MPEG-2 Video(ISO/IEC 13818-2)標準進行了測試。測試在FUB/ISCTI(意大利)、NIST(美國)和TUM(德國)進行,測試結果表明AVC的編碼性能有顯著提高。
本次測試標準清晰度(SD)和高清晰度(HD)采用的測試條件(視頻序列和碼率)如表3所示。

表2 AVS視頻與AVC的計算復雜性對比
圖像質量主觀評價試驗依據ITU-R BT.500-11《Methodology for the subjective assessment of the quali?ty of television pictures(電視圖像質量主觀評價方法)》(下面可以看到AVS的兩次主觀測試同樣采用的是這個測試標準)。測試結果如表4所示。
由表4可以看出,12個可比項中有8個的N大于等于1.5,有3個大于等于2,有一個等于4。
由表5可以看出,AVC與MPEG-2參考軟件對比情況,12個可比項中有9個的N大于等于1.8,有2個大于等于4。
由表6可以看出,AVC與優化的MPEG-2高清編碼器對比情況,9個可比項中有7個的N大于等于1.7,有3個大于等于2,有一個等于3.3。

表3 AVC高標清測試條件

表4 標清情況下,AVC與優化的MPEG(MPEG-2 HiQ)對比情況
由表7可以看出,AVC與MPEG-2參考軟件對比情況,9個可比項中有8個的N大于等于1.7,有4個大于等于2。

表5 標清情況下,AVC與MPEG-2參考軟件(MPEG-2 TM5)對比情況

表6 高清情況下,AVC與優化的MPEG(MPEG-2 HiQ)對比情況

表7 高清情況下,AVC與MPEG-2參考軟件(MPEG-2 TM5)對比情況
總體上講,AVC與MPEG-2對比,85個比對中66對MPEG-2的碼率要達到1.5倍才能與AVC達到同樣質量,其中51對MPEG-2碼率要達到AVC的2倍才能達到AVC的質量。換句話說,在60%的情況下,AVC的編碼效率能夠達到MPEG-2的兩倍。
鑒于AVC的編碼效率能夠達到MPEG-2的2倍,我國有關測試機構在測試AVS時,通常把AVS視頻的碼率也設在MPEG-2典型碼率的1/2或更低,也就是測試AVS編碼效率是MPEG-2的2倍或更高的情況下,AVS視頻的編碼質量是否能夠達到廣播要求。
2004年11月15日—12月26日,依據數字音視頻編解碼技術標準工作組的委托,國家廣播電視產品質量監督檢驗中心數字電視用戶端產品測試實驗室對工作組送檢的AVS視頻編/解碼方案組織了圖像質量主觀評價試驗。通過對委托方提供的AVS編/解碼器的主觀評價試驗,評價AVS視頻壓縮方案的性能。
圖像質量主觀評價試驗依據ITU-R BT.500-11《Methodology for the subjec?tive assessment of the quali?ty of television pictures(電視圖像質量主觀評價方法)》和 ITU-R BT.710-2《Subjective assessment of image quality in high-defini?tion television(高清晰度電視圖像質量的主觀評價)》,采用雙刺激連續質量標度(DSCQS)法評價AVS視頻編/解碼系統處理后的圖像質量相對于未經壓縮的原始圖像質量的差別。
本次視頻圖像質量主觀評價的目的是通過比較經AVS編/解碼系統處理過的圖像質量與原始素材圖像質量的差別來評價AVS視頻編/解碼方案的總體性能,評價素材的選擇內容應廣泛且嚴酷度適當。所選擇的測試序列應能反應圖像的亮度再現、彩色再現、靜態空間分辨力、動態空間分辨力、運動再現、視在深度效果、臨場感、閃爍性能和熟悉色調的再現等特性。希望通過所選擇的節目能夠充分、準確地反映被評價的視頻編/解碼方案的性能。測試序列包括8個高清晰度節目和8個標準清晰度節目,每段節目時間長度為10~20 s。
高清晰度圖像測試序列的被評價對象與原始素材的平均得分差在1.6~6.0,總平均分差為3.6,說明評價人員認為被評價對象的圖像質量與原始素材的圖像質量差別很小。
統計結果表明,AVS視頻編/解碼方案在圖像格式為1920×1080p@25 Hz,壓縮碼率為6 Mbit/s時,被評價對象的圖像質量與原始素材圖像質量的差別很小,不易察覺。
8個標準清晰度圖像測試序列的被評價對象與原始素材的平均得分差在1.1~10.5,總平均分差為6.4。除序列2外,其他7個測試序列的標準偏差均在6.4~8.6,說明評價人員對這些測試序列打分的離散度較小。
試驗結果表明AVS視頻編/解碼方案在圖像格式為720×576i@50Hz、壓縮碼率為2.5 Mbit/s時,可察覺經編/解碼處理后的被評價對象與原始素材圖像質量的差別,但差別小。
本次測試表明,AVS視頻碼率不到MPEG-2典型碼率1/2(標清)和1/3(高清)的情況下,質量損失很小,可以達到廣播要求。
2005年4月—9月,國家廣電總局廣播電視規劃院受AVS工作組掛靠單位中國科學院計算技術研究所委托,對經過AVS參考軟件編解碼后的標準清晰度和高清晰度視頻進行主觀評價。評價其對源圖像的質量損傷程度,完成了《AVS視頻壓縮質量主觀評價》測試報告。
本次測試的依據是廣電行業標準GY/T 134—1998《數字電視圖像質量主觀評價方法》和ITU-R BT.500-11、ITU-R BT.1210-3《Test Materials to be used in Subjective Assessment(用于主觀評價的測試材料)》標準。標清測試采用6個國際標準圖像序列,高清采用6個國家標準圖像序列。
測試結果匯總如表8所示。

測試碼率視頻類型標準清晰度(625/50i)高清晰度(1125/50i)AVS測試碼率/(Mbit·s-1)3.01.510.06.0測試結果優秀良好優秀良好~優秀
考慮到目前使用MPEG-2標準實施高清電視廣播時,一般使用20 Mbit/s的碼率,使用MPEG-2標準實施標清電視廣播時,一般使用5~6 Mbit/s的碼率,對照本次測試結果可以得知:AVS碼率為現行MPEG-2標準的一半時,無論是標準清晰度還是高清晰度,編碼質量都達到優秀;碼率不到其1/3時,也達到良好到優秀。因此相比于MPEG-2視頻編碼效率高2~3倍的前提下,AVS視頻質量已達到了大范圍應用所需的“良好”要求。對比MPEG標準組織對MPEG-4 AVC/H.264的測試報告可知,AVS在編碼效率上與其處于同等技術水平。
2006年4月4日—5日,國際電信聯盟ITU開始IP?TV的標準化工作,通過 Focus Group(FG)對IPTV需求和現有標準和技術進行開放型討論。AVS工作組組成了赴ITU-T IPTV標準化的特別工作組,目標是使AVS成為IPTV平等的、可選的編解碼器之一。
在IPTV標準化的過程中,首先通過FG IPTV的工作,將IPTV所涉及的領域分為6個領域(6個工作組)。與AVS有關的FG IPTV工作組為第6組,即The Middleware,Application and Content Platforms Working Group,簡稱ITU-T FG IPTV WG6。WG6工作組負責編寫“Toolbox for content coding”文件,而AVS特別工作組的直接目標就是,將AVS寫入該文件。
到2007年12月,ITU-T FG IPTV共開了7次會議。各工作組的結果形成輸出文件,輸入到ITU-T相應的工作組。為了協調這些工作,成立了IPTV GSI(Global Standards Initiative),IPTV將在ITU-T的各個工作組形成相關的標準。在2008年4月舉行的第2次IPTV GSI會議之前,ITU-T SG16全會上召開了一個“Joint Meeting on Codecs”,負責制定H.264的Q6/16強烈要求負責審理和更新“Toolbox for content coding”,并最終擊敗其他競爭者獲得該標準的審閱和更新權。
此后AVS成為IPTV標準選項的工作就集中在ITU-T SG16 Q6組。由于Q6中部分專家對于自己制定的H.264標準情有獨鐘,想方設法排斥包括AVS在內的其他視頻編碼標準進入IPTV標準體系。AVS工作組ITU-T IPTV標準化特別工作組在ITU中國代表團的大力支持下,在AVS工作組全力配合下,在聯通(網通)、華為、上廣電、香港CATR、中國移動、C2 Mi?cro、展訊、國芯等企業支持下,從2006年10月—2009年7月,共提出了30多項提案。經過多次辯論,2009年7月,ITU-T H.264(MPEG-4 AVC)、GB/T 20090.2(AVS)和SMPTE VC-1同時被列入《ITU Technical Pa?per HSTP-MCTB Media coding toolbox for IPTV:Audio and video codecs》,同時為了兼容已有系統,MPEG-2也被列入。ITU-T的決定表明,視頻編碼標準已經正式進入三足鼎立的新時期。因此,AVS憑借性能先進、價格合理的優勢,成為新一代音視頻事實國際標準已是一個不爭的事實。
過去十多年,我國為了支撐數字電視產業發展,已經在數字演播室、信道傳輸、信源編碼等領域頒布了很多標準,然而和千家萬戶密切相關的數字電視機標準一直沒有出臺。從早年的數碼電視、HDTV Ready、高清平板到近年來的網絡電視、智能電視、立體電視,歲歲熱點,概念紛紜,但是,“數字電視機”這個基本概念一直沒有判斷標準。
在界定“數字電視機”概念之前需要先界定“電視機”這個概念。電視機是接收電視信號并顯示播放的裝置,所謂“接收電視信號”,首先是指接收來自電視發射塔的、在地面之上一定空間范圍內傳播的無線電信號,即“地面電視信號”。后來有線電視在城市地區快速發展,成為城市居民接收電視信號的主渠道,其后衛星廣播、電信網和互聯網相繼成為傳輸電視信號的通道,電視機獲得視聽內容的渠道越來越多,但是無線電視信號接收一直是電視機必不可少的基本功能,并成為世界各國電視機標準的通例性要求,其主要原因在于:1)無線電視是實現電視覆蓋最快的方式,在人口不是高度密集的地區覆蓋成本低,即使在今天,也是滿足我國大部分農村地區需求的最有效的方式;2)盡管衛星廣播覆蓋能力更強,地面電視能夠實現本地節目播出的能力是不可替代的;3)地面電視是實現緊急狀態下公告等信息暢通的“保底”手段,因此得到世界各國政府和地方各級政府的高度重視。
數字電視機是能夠接收來自數字化的廣播信道、數字化的視聽節目的電視接收機。就像模擬電視機必須能夠接收模擬無線電視信號一樣,數字電視機必須能夠接收數字無線電視信號,因此我國在20世紀90年代啟動數字電視技術和標準研究時,首先進行的就是地面數字電視傳輸標準(即無線信道標準)的研究,并在2002年啟動了數字音視頻編解碼標準(即信源編碼標準)的研究。2006年3月,數字視頻編碼標準AVS國家標準(GB/T 20090.2—2006)頒布實施,2006年8月,數字電視地面傳輸國家標準(GB 20600—2006)[13]頒布實施,我國在數字電視標準方面同時擁有了自主的信源、信道標準。
經過5年的努力,我國的數字電視信源、信道標準的產業化得到了長足發展,自主的核心芯片和關鍵產品已經十分成熟,而且價廉物美,在此基礎上,數字電視機標準瓜熟蒂落。2011年6月,我國頒布《地面數字電視接收機通用規范》(GB/T 26683—2011)[14]和《地面數字電視接收器通用規范》(GB/T 26686—2011)[15]國家標準。簡單地說,符合GB/T 26683—2011標準的電視機就是“數字電視機”(分為標準清晰度和高清晰度兩檔),已經購買的不符合GB/T 26683—2011的電視機則需要配備符合GB/T 26686—2011的接收器(機頂盒)才能“升級為”真正的數字電視機。
《地面數字電視接收機通用規范》和《地面數字電視接收器通用規范》國家標準對視頻編解碼做出了明確規定:從2011年11月1日起,各電視終端生產企業可根據具體情況自由選擇AVS或MPEG-2等標準,2012年11月1日起,必須支持AVS標準。鑒于所有數字電視機都必須具備地面無線電視接收功能,這意味著經過一年的過渡期,在我國市場銷售和用戶購買的所有電視機都將內置AVS功能。
《地面數字電視接收機通用規范》和《地面數字電視接收器通用規范》國家標準由工業和信息化部牽頭制定,是指導我國電視機、機頂盒制造業和相關產業發展的基礎性標準。標準將AVS作為唯一必須支持的標準,意味著我國4億多個家庭都將能夠播放同一格式的視頻節目,這必將成為我國數字電視和網絡新媒體發展的一個里程碑。因為電視機和機頂盒終端標準的統一,不僅為地面數字電視的發展打開了大門,也為通過有線、衛星、互聯網等通道向4億多家庭提供視頻服務提供了統一標準,而4億多家庭均能接收統一標準的視頻節目將會激發影視產業和文化創意產業的競爭發展,從而實現終端統一、內容爆炸、服務提升的良性循環。
AVS視頻標準(GB/T 20090.2)是基于我國自主創新技術和國際公開技術所構建的標準,主要面向高清晰度和高質量數字電視廣播、網絡電視、數字存儲媒體和其他相關應用。它具有以下特點:1)性能高,編碼效率是MPEG-2的2倍以上,與MPEG-4 AVC/H.264的編碼效率處于同一水平;2)復雜度低,算法復雜度比MPEG-4 AVC/H.264明顯低,軟硬件實現成本都低于MPEG-4 AVC/H.264;3)專利授權模式簡單,價格低廉。
基于此,AVS標準是能夠支撐國家數字音視頻產業發展的重要標準,也是國際范圍內具有很強競爭力的一個標準,國際電信聯盟ITU-T已將AVS納入IPTV標準就是一個典型例證,我國也已將其確定為我國數字電視機唯一必須支持的視頻標準。
對于關注終端用戶服務體系的數字家庭系統來說,數字電視機是家庭視聽服務的中心設備,作為數字電視機唯一必須內置的視頻標準,AVS為家庭范圍內視聽節目的交換提供了統一的標準格式,或者說,任何家庭網絡設備如果支持AVS,就可以將該節目轉到電視機上進行播放??紤]到AVS能夠明確節省傳輸帶寬和低廉合理的專利費用,建議數字家庭標準體系借鑒數字電視機標準的做法,將AVS確定為唯一必須支持的視頻編碼標準。
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