淺談AVS+視頻編碼及其在廣播電視衛(wèi)星傳輸中的應(yīng)用

歐蓮惠 王壽華 江科湖（廣西廣播電視地球站）

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淺談AVS+視頻編碼
及其在廣播電視衛(wèi)星傳輸中的應(yīng)用

歐蓮惠 王壽華 江科湖
（廣西廣播電視地球站）

［摘 要］隨著廣播電視先進(jìn)視頻編解碼（AVS+）標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用指南的頒布，AVS+視頻編碼技術(shù)越來(lái)越廣泛應(yīng)用于廣播電視領(lǐng)域，本文對(duì)AVS+視頻編碼技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及其應(yīng)用于廣播電視衛(wèi)星傳輸領(lǐng)域進(jìn)行分析，并提出相關(guān)技術(shù)方案。

［關(guān)鍵詞］AVS+；廣播電視；衛(wèi)星傳輸

一、背景

2012年，國(guó)家廣電總局正式頒布《廣播電視先進(jìn)音視頻編解碼 第1部分：視頻》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即GY/T 257.1-2012，簡(jiǎn)稱AVS+。2014年正式發(fā)布《AVS+技術(shù)應(yīng)用實(shí)施指南》。AVS+是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的視頻編碼技術(shù)，具有更高的編碼效率，壓縮效率是傳統(tǒng)的MPEG2標(biāo)準(zhǔn)2倍以上，與國(guó)外同類標(biāo)準(zhǔn)H.264/AVC編碼效率相當(dāng)。

近年來(lái)，隨著中央電視臺(tái)和各省級(jí)衛(wèi)視高清頻道的逐漸增多，無(wú)論是在廣播電視衛(wèi)星傳輸、有線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字微波還是地面數(shù)字電視系統(tǒng)，傳輸帶寬日趨緊張，因此，采用編碼效率更高的AVS+標(biāo)準(zhǔn)作為廣播電視傳輸系統(tǒng)的視頻編碼，可以有效的解決廣播電視傳輸系統(tǒng)的傳輸帶寬和頻道資源問(wèn)題以及專利費(fèi)用問(wèn)題。2015年央視衛(wèi)星頻道已經(jīng)部分轉(zhuǎn)為AVS+編碼方式，所有已上星的省級(jí)高清衛(wèi)視節(jié)目已經(jīng)全部轉(zhuǎn)為AVS+編碼方式，部分采用AVS+編碼的高清衛(wèi)視節(jié)目如圖一，而以后上星的省級(jí)高清衛(wèi)視節(jié)目也必須采用AVS+編碼方式；同時(shí)國(guó)家新聞出版廣電總局正在實(shí)施的中央廣播電視節(jié)目無(wú)線數(shù)字化覆蓋工程，地面數(shù)字電視視頻編碼已采用AVS+標(biāo)準(zhǔn)。

二、AVS+的關(guān)鍵技術(shù)

1AVS+新技術(shù)

AVS+作為我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的視頻編碼技術(shù)，是在原來(lái)AVS-P2 即GB/T20090.2-2006基準(zhǔn)檔次（jizhun profile）上的優(yōu)化和演進(jìn)，是科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果。在AVS-P2的基礎(chǔ)上增加了算術(shù)編碼（AEC）、加權(quán)量化（AWQ）、P幀前向預(yù)測(cè)（PEF）、B幀前向預(yù)測(cè)（BEF）四個(gè)新技術(shù)工具，如下表1所示：

序號(hào)技術(shù)名稱　說(shuō)明1　高級(jí)熵編碼（AEC）算術(shù)編碼，用于熵編碼2　自適應(yīng)加權(quán)量化（AWQ）自適應(yīng)量化矩陣，用于DCT變換后系數(shù)的量化3　同極性跳過(guò)模式編碼（PField Skip）隔行視頻中P場(chǎng)skip宏塊的運(yùn)動(dòng)矢量推導(dǎo)4　增強(qiáng)場(chǎng)編碼技術(shù)（BField Enhanced）隔行視頻中B場(chǎng)skip與direct宏塊運(yùn)動(dòng)矢量推導(dǎo)

圖一 部分采用AVS+編碼的高清衛(wèi)視節(jié)目

2AVS+與MPEG-2、H.264的對(duì)比

AVS+和H.264都采用基于塊的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償混合編碼框架，包括變換、量化、熵編碼、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、幀間預(yù)測(cè)、環(huán)路濾波等當(dāng)前主流技術(shù)模塊。AVS+與MPEG-2、H.264相比具有以下4個(gè)特點(diǎn)：（1）性能高，編碼效率比MPEG-2高兩倍以上，與H.264的編碼效率相當(dāng)；（2）算法復(fù)雜度比H.264低；（3）軟硬件實(shí)現(xiàn)難度比H.264低；（4）專利授權(quán)模式簡(jiǎn)單，成本費(fèi)用遠(yuǎn)低于同類標(biāo)準(zhǔn)。

2013年8月，國(guó)家廣播電影電視總局廣播電視計(jì)量檢測(cè)中心對(duì)AVS+高清編碼器的圖像質(zhì)量進(jìn)行了主觀評(píng)價(jià)，并與市場(chǎng)上頂級(jí)的H.264高清編碼器編碼圖像質(zhì)量進(jìn)行了對(duì)比。視頻碼率設(shè)置為12Mbps，采用8個(gè)國(guó)內(nèi)外高清測(cè)試序列，圖像質(zhì)量相對(duì)于源圖像的質(zhì)量下降百分比平均值分別為9.0%（AVS+ Dualpass）、9.8% （AVS+ Singlepass）、8.8%（H.264）。測(cè)試結(jié)果表明，AVS+ Dual-Pass編碼器將差距縮小到了誤差范圍之內(nèi)的2%，可以認(rèn)為主觀質(zhì)量與世界頂級(jí)H.264編碼器一致，如圖二AVS+與H.264編碼效果比對(duì)。

Dual-Pass技術(shù)也稱為雙步編碼技術(shù)，使得碼率分配能完全根據(jù)視頻的復(fù)雜度進(jìn)行，對(duì)復(fù)雜的場(chǎng)景切換應(yīng)付自如，能自動(dòng)選擇最優(yōu)的圖像編碼模式，其對(duì)視頻編碼差異化的三大方向都提供了明顯改善：Dual-Pass技術(shù)的核心是通過(guò)兩個(gè)編碼引擎進(jìn)行編碼，第一編碼引擎負(fù)責(zé)提取視頻序列中的場(chǎng)景變換，壓縮復(fù)雜度，運(yùn)動(dòng)矢量，模式判斷等基本信息，并將信息提供給第二個(gè)編碼引擎進(jìn)行編碼，使得主觀和客觀質(zhì)量都更上一層樓，將AVS+的潛力充分發(fā)揮出來(lái)。在實(shí)際應(yīng)用中，Dual-Pass技術(shù)和統(tǒng)計(jì)復(fù)用技術(shù)聯(lián)合使用，可以產(chǎn)生接近代差的質(zhì)量差別，AVS+技術(shù)在編碼系統(tǒng)層面已經(jīng)能夠全面和H.264/AVC系統(tǒng)媲美和競(jìng)爭(zhēng)。

圖二 AVS+與H.264編碼效果比對(duì)

三、AVS+在廣播電視衛(wèi)星傳輸中的應(yīng)用

1廣西衛(wèi)視高清頻道衛(wèi)星傳輸?shù)囊饬x

圖三 基于AVS+的廣播電視衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)

目前廣西衛(wèi)視已開(kāi)播高清頻道，但僅在有線電視網(wǎng)中傳送，對(duì)全國(guó)覆蓋面不足，使用衛(wèi)星傳輸覆蓋可有效解決此問(wèn)題。在這些新形勢(shì)新要求下，有必要采用AVS+等新技術(shù)通過(guò)衛(wèi)星傳輸廣西衛(wèi)視高清頻道。

根據(jù)國(guó)家新聞出版廣電總局在高清電視節(jié)目上星實(shí)施指導(dǎo)方案中的建議，上星的高清數(shù)字電視頻道，視頻應(yīng)采用AVS+標(biāo)準(zhǔn)中的廣播類（broadcast profile）、級(jí)6.0.1.08.60壓縮編碼方式，建議視音頻總碼率不低于12Mbps，音頻支持環(huán)繞聲，建議壓縮碼率不低于384Kbps。按傳統(tǒng)MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮編碼，音視頻總碼率需要18Mbps以上，按DVB-S傳輸標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)傳輸帶寬為16.2MHz，而采用AVS+標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼可減少1/3傳輸帶寬，按目前衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器租用費(fèi)30萬(wàn)元/年MHz計(jì)算，每年將節(jié)省租用費(fèi)162萬(wàn)元以上。

2基于AVS+的廣播電視衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)方案

基于AVS+的廣播電視衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)包括前端系統(tǒng)、上行系統(tǒng)和地面接收系統(tǒng)。

廣西電視臺(tái)前端系統(tǒng)將播出的高清節(jié)目直接進(jìn)行AVS+編碼，通過(guò)光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字微波傳至地球站，地球站上行系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行復(fù)用、調(diào)制、上變頻和上星等環(huán)節(jié)處理，通過(guò)衛(wèi)星信道傳輸分發(fā)，在相關(guān)地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)，由AVS+衛(wèi)星接收解碼器接收相應(yīng)衛(wèi)星節(jié)目信號(hào)。系統(tǒng)示意圖如圖三所示。

如節(jié)目源已轉(zhuǎn)碼為AVS+碼流，則將其直接進(jìn)行復(fù)用、調(diào)制、上變頻、上星，通過(guò)衛(wèi)星信道傳輸；如節(jié)目源為MPEG-2碼流，則需先轉(zhuǎn)碼為AVS +碼流，再將轉(zhuǎn)碼后的AVS+碼流進(jìn)行復(fù)用、調(diào)制、上變頻和上星等環(huán)節(jié)處理，再通過(guò)衛(wèi)星信道進(jìn)行傳輸。信號(hào)源為電視臺(tái)通過(guò)光纖或數(shù)字微波傳送的未編碼的高清SDI信號(hào)，音視頻節(jié)目通過(guò)SDI接口輸入給AVS+編碼器，編碼后形成的TS流通過(guò)ASI/IP接口輸入給復(fù)用器，復(fù)用器將節(jié)目TS流以及業(yè)務(wù)信息發(fā)送器送來(lái)的節(jié)目信息復(fù)用形成TS流，再通過(guò)ASI/IP接口輸入給調(diào)制器，TS流經(jīng)過(guò)調(diào)制、上變頻、高功放后通過(guò)信道傳輸至衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著廣播電視高清化的發(fā)展趨勢(shì)，以及中央廣播電視節(jié)目無(wú)線數(shù)字化覆蓋工程的推進(jìn)，AVS+視頻編碼技術(shù)會(huì)更多的應(yīng)用于廣播電視行業(yè)各個(gè)系統(tǒng)，將極大提高廣播電視系統(tǒng)的傳輸效率和質(zhì)量。為了滿足日后廣西廣播電視傳輸覆蓋發(fā)展的需求，同時(shí)為了廣西衛(wèi)視高清頻道與其他省市衛(wèi)視高清上星頻道接軌，采用AVS+編碼方式上星傳輸，將增強(qiáng)廣西衛(wèi)視頻道的綜合競(jìng)爭(zhēng)力，使全國(guó)區(qū)域看到廣西衛(wèi)視高清晰度節(jié)目，加強(qiáng)廣西的對(duì)外宣傳能力，擴(kuò)大范圍影響力，產(chǎn)生良好的社會(huì)效益。