AVS+視頻編碼技術及相關測試標準解讀

潘 榕,董文輝

( 1.國家廣播電視產品質量監督檢驗中心，北京 100015；2.國家新聞出版廣電總局廣播電視規劃院，北京 100866)

AVS+視頻編碼技術及相關測試標準解讀

潘 榕1,董文輝2

( 1.國家廣播電視產品質量監督檢驗中心，北京 100015；2.國家新聞出版廣電總局廣播電視規劃院，北京 100866)

介紹了AVS+的技術特點，包括高級熵編碼、自適應加權量化和增強PB場編碼， 與AVS對應技術做了比較。針對AVS+相關測試標準，包括符合性測試標準以及針對AVS+高清編碼器、標清編碼器、專業衛星綜合接收解碼器、衛星直播系統綜合接收解碼器和數字電視接收終端等產品的測試標準進行了解讀。

AVS+；高級熵編碼；自適應加權量化；增強PB場編碼；AVS+符合性測試；AVS+產品測試

AVS+ (Advanced coding of Video Standard for broadcasting， 廣播電視先進視頻編碼)是在AVS P2標準[1]基礎上制定的，主要面向高清和3D電視節目的視頻編解碼標準[2]，該標準于2012年7月正式頒布。2014年3月，國家新聞出版廣電總局與工業和信息化部聯合發布了《廣播電視先進視頻編解碼(AVS+)技術應用實施指南》(以下簡稱《指南》)[3]，明確規定在2014年12月31日前已上星的高清數字電視頻道都應采用AVS+編碼方式而不應采用其他編碼方式。2014年11月，國家新聞出版廣電總局擬投入40多億建設中央廣播電視節目無線數字化全國覆蓋工程，其中視頻編碼方式都采用AVS+，從而將對AVS+衛星接收機、編碼器、解碼器、復用器等一系列產品產生巨大需求，極大地推動AVS+產業的發展。為保證電視播出安全、保障產業健康發展，必須制定一系列科學嚴謹的產品性能和測量標準。本文首先介紹AVS+的技術特點，然后對目前已經制定或正在制定的相關測試標準進行解讀。

1 AVS+技術特點

1.1 AVS和AVS+技術概況

AVS+的基礎是AVS標準。AVS采用了國際上視頻標準中主流的基于塊的混合編碼結構，在各編碼環節采用的主要編碼技術分別是：1)幀內預測，以8×8塊為單位，采用5種亮度預測模式和4種色度預測模式，充分利用了人眼的視覺掩蓋效應；2)幀間預測，采用基于多參考幀和可變預測塊的運動補償，支持1/4亮度像素精度的運動矢量；3)量化變換，采用8×8塊整數余弦變換，保留更多圖像細節，在編碼端將正向縮放、量化、反向縮放結合在一起，降低解碼端開銷；4)熵編碼，采用基于上下文的二維可變長編碼(Variable Length Coding， VLC)，減少碼表使用，降低內存開銷；5)環路濾波，采用自適應環路去塊效應濾波技術。

AVS+是在AVS的基礎上新增加了編碼工具，即AVS+采用了AVS的全部編碼工具，完全下兼容AVS[4]。AVS+在AVS基本類的基礎上，新增了廣播類，采用了如下新增編碼工具。在熵編碼階段，AVS+新增了一項核心(核心與否主要取決于工具能提高的壓縮效率大小)的編碼工具，即高級熵編碼(Advanced Entropy Coding， AEC)，這是一種基于上下文的算術編碼技術；在量化階段，新增了1項次要工具，即自適應加權量化(Adaptive Weighting Quantization， AWQ)，提供了用于DCT 變換后系數量化的自適應量化矩陣；在幀間預測階段，提供了2項次要工具，一是P場同極性跳過模式編碼(P Field Skip， PFS)，用于隔行視頻中P 場skip 宏塊的運動矢量推導，二是增強B場編碼(B Field Enhanced， BFE)，用于隔行視頻中 B 場skip 與direct 宏塊運動矢量推導(由于這2項次要工具都是為了推導場編碼中的運動矢量，因此也可合并視為一項工具，可統一命名為增強PB場編碼(Enhanced PB Field Coding， EPBF)，在AVS+標準中，也正是用圖像頭中的唯一字段pb_field_enhanced_flag來表示是否開啟EPBF)。

1.2 高級熵編碼AEC

AEC是一種基于上下文的自適應二進制算術編碼技術，與VLC相比可提高約10%的編碼效率。AEC最初是用于AVS的加強檔次[5]。在運算時，首先需針對不同的語法元素(如量化后的DCT變換系數、運動矢量差值等)采用不同的規則(查表)進行二值化(變換系數進行二值化之前，還需經游程編碼形成(Level， Run)數對)，形成二元符號串，然后根據已編碼的語法元素(符號串)，選擇合適的上下文模型(概率模型)，最后再對各個符號進行算術編碼。AVS+中，對所有語法元素共有322種上下文模型，其中DCT變換系數的數據量最大，對DCT系數上下文模型的選擇也最復雜[6]，其數目(264種)也最多。算術編碼引擎是AEC的核心，決定了AEC的數據壓縮率。AEC將在原數域上的乘法運算映射到對數域中，只有加減法和移位運算，另外還能在對數域上實現概率更新(上下文模型選擇)的過程，從而降低復雜度[7]。算術編碼運算時，需要輸入2個參數：待編碼符號及其概率(由上下文模型決定)。圖1給出了AEC的編碼框圖。

圖1 AEC編碼框圖

1.3 自適應加權量化AWQ

AVS+實行自適應的圖像級量化策略，即允許每個編碼圖像都可以采用各自不同的量化矩陣。根據人眼視覺響應特性，AVS+給出了3種加權量化參數分布模型(加權量化矩陣模型)[8]；定義了2組默認的加權量化參數(每組共6個參數)，其中1組為WeightingQuantParamBase1={135， 143， 143， 160， 160， 213}，表示當前圖像使用非保留細節加權量化參數，另一組為WeightingQuantParamBase2={128， 98， 106， 116， 116， 128}，表示當前圖像使用保留細節加權量化參數(也是默認參數)。因此在默認情況下，共有6種加權量化矩陣。AVS+還提供了用戶自定義量化矩陣功能[9](通過使用加權量化參數增量實現)。例如在編碼時，如果判斷當前圖像需保留細節，并使用AVS+定義的默認加權量化參數，設圖像頭中的加權量化參數索引值和加權量化矩陣模型值為0，然后選擇對應的加權量化矩陣進行運算即可。

1.4 增強PB場編碼EPBF

由于我國的電視節目一直采用場編碼技術，因此可采用同一時間2場之間的相關性來進一步提高編碼效率。EPBF就是這樣一種方法，與AVS相關技術相比，它可在跳過或直接模式中選擇更合適的參考場及運動矢量[10]。

在AVS中，對于P幀或場中的跳過模式宏塊(P_Skip)，當前塊使用同一幀或場的鄰近塊的運動矢量來預測其運動矢量(空域預測)。處于P場中的P_Skip宏塊的前向參考場是異極性場，即若當前宏塊處于頂場或底場，則其前向參考場分別是可參考(是否可參考由參考索引決定)的離其最近(參考索引編號為0)的底場或頂場。由于在編碼時，由率失真優化算法決定了當前場中的宏塊基本不會采用P_Skip編碼模式(因為其鄰近塊必然更大概率地采用與其相關性更強的同極性塊作為參考塊)，因此在AVS+中規定，P_Skip宏塊的前向參考場為其同極性場，即PFS技術。如圖2所示，按AVS標準，P_Skip宏塊都需采用參考索引編號為0的異極性場作為參考場；而按AVS+標準，采用參考索引為1的同極性場作為參考場。

圖2 P_Skip宏塊的參考場

在AVS中，對于B場中的直接模式宏塊(B_Direct_16×16)、直接模式子塊(SB_Direct_8×8)以及跳過模式宏塊(B_Skip)， 當前底場中的宏塊只使用后向參考底場的相同位置宏塊的運動矢量來預測其運動矢量(時域預測)。但在經率失真優化后，后向底場的絕大部分宏塊會選擇使用同一時間點的頂場作為參考場，因此會造成使用短運動矢量來預測長運動矢量，運動矢量誤差會被放大，導致壓縮效率的下降。在AVS+中，將底場的后向參考場改成了可以使用后向頂場，并相應改變了運動矢量的獲取方式，從而彌補了上述缺陷。如圖3所示，在AVS標準中，位于底場的某B_direct宏塊只能采用后向底場(參考索引編號等于1)對應相同位置的宏塊來預測運動矢量，而在AVS+中，則可使用參考索引編號為0的后向頂場的對應宏塊來預測，從而降低運動矢量的預測誤差。

圖3 B_direct宏塊的參考場

2 AVS+相關測試標準

為推進AVS+落地應用，廣電總局和工信部等部委指導出臺了多部配套的行業標準，包括用于AVS+產品和設備符合性測試的GY/T 257.2—2014、用于AVS+高清編碼器測試的GY/T 271—2013、用于AVS+標清編碼器測試的GD/J 056—2014、用于AVS+專業衛星綜合接收解碼器測試的GD/J 057—2014和用于衛星直播系統綜合接收解碼器測試的GD/J 064—2014(以上為廣電行業標準)，以及一部用于數字電視接收終端測試的電子行業標準。

2.1 AVS+視頻符合性測試標準

GY/T 257.2—2014《廣播電視先進音視頻編解碼 第2部分：視頻符合性測試》[11]是AVS+的視頻符合性測試標準。符合性測試的目的有：1)驗證AVS+編碼器能否編碼出符合標準的碼流；2)驗證AVS+編碼器能否解碼符合標準的碼流。符合性測試的手段有：1)測試AVS+編碼比特流的語法和語義是否符合標準要求，從而驗證編碼器的標準符合性；2)設計一系列符合性測試位流，驗證解碼器的標準符合性。

標準中共規定了15類55組符合性測試位流，包括：1)一般性測試(共12組位流)，測試位流中包含GY/T 257.1—2012中所有可能的參數；2)存儲帶寬測試(共3組位流)，測試位流中包括的所有宏塊是單向或雙向預測。亮度塊有1/4樣本的插值精度；3)VLC 解碼測試(共2組位流)，測試位流中包含VLC碼表中所有可能的情況；4)保留位測試(共1組位流)，測試位流中包含有“保留位”；5)跳過宏塊測試(共1組位流)，測試位流中包含各種情形的跳過宏塊；6)加權預測測試(共1組位流)，測試位流中使用了加權預測；7)最大跳幀數目的測試(共1組位流)，測試位流中包含至少126個跳幀；8)視頻編輯碼和隨機訪問測試(共1組位流)，測試位流中包含視頻編輯碼及隨機訪問點；9)填充比特測試(共1組位流)，測試位流中包含stuffing_bit和stuffing_byte；10)偽起始碼測試(共1組位流)，測試位流中包含為防止偽起始碼出現而插入的‘10’；11)4:2:2 格式解碼測試(共2組位流)，測試位流中chroma_format的值為2；12)AEC 測試(共21組位流)，測試位流針對AEC工具以及相關延伸的測試；13)加權量化測試(共3組位流)，測試位流針對加權量化工具以及相關延伸的測試；14)雙視點拼接測試(共1組位流)，測試位流針對雙視點拼接工具以及相關延伸的測試；15)增強場編碼測試(共4組位流)，測試位流針對場編碼工具以及相關延伸的測試。

按照GY/T 257.2—2014對位流的上述規定，可直接生成一系列視頻基本流(ES)，視頻基本流數目不小于位流數目。ES流可直接用于測試AVS+解碼芯片等，但用于整機測試時，需將ES流封裝成數字電視傳送流(TS流)。另外由上可見，針對AEC的測試位流占40%左右，與AEC作為AVS+的主要編碼工具的地位相呼應。

2.2 AVS+高清編碼器測試標準

該標準為GY/T 271—2013《AVS+高清編碼器技術要求和測量方法》[12]，其中與AVS+相關的內容主要是基本流標準符合性的技術要求和測量方法。所謂基本流，是指符合GY/T 257.1—2012的AVS+視頻編碼流。規定基本流必須符合的類是廣播類，級是6.0.1.08.60，其他的類和級則是可選。另外，規定了在設置視頻碼率為12 Mbit/s的基準上，對編碼器的圖像輸出質量進行主觀評價的要求和方法。

標準還規定了對AVS+高清編碼器傳送流標準符合性、傳送流性能要求、IP流封裝要求、IP傳輸層性能要求、基本流標準符合性、視音頻碼率波動、功能和物理接口要求、ASI輸出接口技術要求、編解碼總延時、加點啟動延時、輸入信號瞬間終端后圖像恢復時間、音視頻相對延時和視頻質量的技術要求和測量方法。這些內容和其他類型的高清編碼器標準中規定的內容基本一致。

2.3 AVS+標清編碼器測試標準

GD/J 056—2014《AVS+標清編碼器技術要求和測量方法》[13]與GY/T 271—2013的結構和內容基本一致，關鍵區別在于分辨率發生了變化，同時相對應的技術要求和測量條件、測量方法略有變化。在對AVS+的類和級的要求上，將級4.0.2.08.60列為了必須滿足的級。由于在測量除基本流標準符合性之外的其他技術要求時，需要設定通用的碼流和基本流測試條件，根據分辨率不同，標清的TS輸出碼率設置為4 Mbit/s(高清則為14 Mbit/s)；視頻基本流碼率設置為 3 Mbit/s (高清則為12 Mbit/s)。對于如傳送流標準符合性等其他方面的技術要求和測量方法，則基本與GY/T 271—2013一致。

另外，GD/J指“廣播電影電視行業暫行技術文件”，而GY/T指“廣播電影電視行業標準”。GD/J標準是為了應對行業管理和規范的迫切需求而采用的一種標準形式，與GY/T標準相比，總體制定過程要大大縮短。在AVS+廣電行業相關標準制定過程中，較多地采取了這種形式。

2.4 AVS+專業衛星綜合接收解碼器測試標準

該標準為GD/J 057—2014《AVS+專業衛星綜合接收解碼器技術要求和測量方法》[14]。AVS+專業衛星綜合接收解碼器(Satellite Integrated Receiver Decoder,SIRD)用于廣電網絡公司等機構接收和解碼衛星數字電視射頻信號。標準規定了AVS+ SIRD的功能和物理接口、衛星信道射頻、標準符合性、ASI輸入接口、SDI輸出接口、ASI輸出接口、IP輸出性能、視頻技術指標、音頻技術指標等技術要求和測量方法。其中與AVS+相關的內容主要有對視頻解碼支持的要求和對標準符合性技術的要求。

2.4.1 對視頻解碼支持的要求

對AVS+ SIRD的高標清視頻解碼有通用要求，即須能解碼具備如表1所示的參數設置的AVS+碼流。

表1 AVS+ SIRD視頻解碼通用要求

類幀率/Hz色度格式樣本精度連續B幀幀編碼和場編碼場順序廣播類254208位支持2個連續B幀的編碼流的解碼支持幀編碼和場編碼2種方式的解碼支持頂場在先

對AVS+SIRD在解碼高清和標清視頻方面還有不同的規格規定，如表2所示。

表2 AVS+ SIRD高標清視頻解碼特定要求

視頻解碼類型級幅型比圖像分辨率最大碼率/(Mbit·s-1)高清視頻解碼支持60108601691920×1080不低于15標清視頻解碼支持402086043720×576不低于5

2.4.2 標準符合性技術要求

GD/J 057—2014規定，AVS+ SIRD須能解碼GY/T 257.2—2014中規定的某些符合性測試位流。位流在用于測試AVS+ SIRD時，需封裝為TS流。這些TS流的所有視頻參數的范圍不能超過表1和表2中的要求。譬如很多的符合性測試位流中會有最大碼率大于15 Mbit/s或B幀數大于2等超出表1和表2要求的情況，那么這些碼流將不再用于測試AVS+ SIRD。

2.5 衛星直播系統綜合接收解碼器測試標準

該標準為GD/J 064—2014《衛星直播系統綜合接收解碼器(標清可升級成高清)技術要求和測量方法》[15]。衛星直播系統綜合接收解碼器技術要求中關于AVS+內容有：1)在圖像處理與顯示中，綜合接收解碼器的圖形處理與顯示應也能支持AVS+ I幀圖片；2)在EPG圖片顯示中，綜合接收解碼器應支持格式AVS+ I幀等文件的界面顯示；3)開機畫面可為AVS+ I幀，規格為1 280×720，應支持不少于3幅圖片交替顯示；4)音頻背景可為AVS+ I幀，規格為1 280×720，應支持不少于3幅圖片交替顯示。

2.6 AVS+數字電視接收終端測試標準

該標準為電子行業標準《數字電視接收終端音視頻解碼技術要求及測量方法 第1部分：視頻(AVS+)》，目前該標準還沒有發布實施，狀態為報批稿。該標準規定了對數字電視接收終端(整機)視頻參數要求、碼率適應性要求、編碼參數適應性要求和音視頻同步的技術要求和測量方法，因此可簡稱AVS+整機測試標準。該標準結構如圖4所示。

圖4 AVS+整機測試標準結構

該標準的核心內容是對AVS+幾個基本參數進行了組合，形成了23條視頻基本流，并與2條音頻基本流進行復用，形成12條數字電視傳送流，用于數字電視整機測試。該標準將被正在修訂中的地面數字電視接收機和接收器相關標準所引用，用于驗證所涉及產品的AVS+解碼功能。

3 小結

本文主要介紹了AVS+的技術特點和配套的測試標準。AVS+作為AVS系列標準的一部分，由于其視頻編碼性能與國際同類標準相當，因此被采納為我國高清晰度廣播電視唯一必須采用的視頻編碼標準。用于超高清電視編碼的AVS2標準也正在積極制定之中。

[1] 中國國家標準化管理委員會. GB/T 20090.2—2006，信息技術 先進音視頻編解碼 第2部分：視頻[S]. 2006.

[2] 國家廣播電影電視總局. GY/T 257.1—2012，廣播電視先進音視頻編解碼 第1部分：視頻[S]. 2012.

[3] 國家新聞出版廣電總局，工業和信息化部. 廣播電視先進視頻編解碼(AVS+)技術應用實施指南[S].2014.

[4] 黃鐵軍. 面向高清和3D電視的視頻編解碼標準AVS+[J]. 電視技術， 2013， 37(2)： 11-14.

[5] GAO W， MA S， ZHANG L， et al. AVS video coding standard[M]//Intelligent Multimedia Communication： Techniques and Applications.[S.l.]:Springer Berlin Heidelberg， 2010： 125-166.

[6] ZHANG L， WANG Q， ZHANG N， et al. Context-based entropy coding in AVS video coding standard[J]. Signal Processing：Image Communication，2009，24(4)：263-276.

[7] YU W， YANG P， HE Y. Arithmetic codec on logarithm domain[C]//Proc. Picture Coding Symposium. [S.l.]：IEEE Press，2006：3-28.

[8] 鄭建鏵，鄭蕭楨，孟新建. AVS M1878： AVS X Profile參數加權量化方法[R].北京：AVS工作組，2006.

[9] 鄭建鏵，鄭蕭楨，孟新建. AVS M2148： AVS X Profile加權量化-用戶自定義幀級加權參數[R]. 北京：AVS工作組，2007.

[10] 曾志華. 選擇參考場及獲取時域運動矢量的方法：中國，201110300629.4[P]. 2014-04-16.

[11] 國家新聞出版廣電總局. GY/T 257.2—2014,廣播電視先進音視頻編解碼 第2部分：視頻符合性測試[S]. 2014.

[12] 國家新聞出版廣電總局. GY/T 271—2013，AVS+高清編碼器技術要求和測量方法[S]. 2013.

[13] 國家新聞出版廣電總局. GD/J 056—2014，AVS+標清編碼器技術要求和測量方法[S]. 2014.

[14] 國家新聞出版廣電總局. GD/J 057—2014，AVS+專業衛星綜合接收解碼器技術要求和測量方法[S]. 2014.

[15] 國家新聞出版廣電總局. GD/J 064—2014，衛星直播系統綜合接收解碼器(標清可升級成高清)技術要求和測量方法[S]. 2014.

責任編輯：閆雯雯

AVS+ Video Coding Technology and Relevant Measurement Standards Overview

PAN Rong1, DONG Wenhui2

(1.NationalTestingandInspectionCenterforRadioandTVProducts,Beijing100015,China; 2.AcademyofBroadcastingPlanning,StateAdministrationofPress,Publication,Radio,FilmandTelevision,Beijing100866,China)

The specific technologies, including advanced entropy coding (AEC), adaptive weighting quantization (AWQ) and enhanced PB field coding (EPBF) of AVS+ are introduced and compared with the corresponding technologies of AVS. Some corresponding AVS+ measurement standards are overviewed, including video conformance testing standard, and standards for testing products such as AVS+ HDTV encoder, SDTV encoder, professional satellite integrated receiver decoder, direct broadcasting satellite integrated receiver decoder and digital television receiver terminal.

AVS+; advanced entropy coding; adaptive weighting quantization; enhanced PB field coding; AVS+ conformance testing; AVS+ product testing

電子信息產業發展基金項目(“AVS+測試驗證公共服務平臺”)

TP391

A

10.16280/j.videoe.2015.16.022

2015-07-23

【本文獻信息】潘榕,董文輝.AVS+視頻編碼技術及相關測試標準解讀[J].電視技術,2015，39(16).