有线电视技术论文:AVS标准简介与应用展望

论文核心提示:

 总之,AVS标准的技术性能已经处于国际先进水平,但要想占领市场,还需要付出很大的努力。对AVS标准来说,好消息是2011年11月1日起实施的《地面数字电视接收机通用规范》国家标准正式确认

  摘 要 本文对我国的AVS数字视频编解码标准作了简单的介绍,从与国际标准H.264的比较中凸显该标准的优点,并对该标准的应用前景作了展望。
  关键词AVS;H.264;MPEG-2;编码
  中图分类号TN93 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2012)64-0168-02
  由于视频信号数据量巨大,必须经过压缩才有可能在有线电视网或互联网等网络中传输,因此视频压缩编码是实现视频信号数字化传输的前提。提起视频压缩编码,人们首先想到的是MPEG-2、H.264等视频压缩编码标准。但这些标准毫无例外都是国外的标准化组织提出的,知识产权也属于国外的研究机构。国内的企业和用户要使用这些专利技术需要支付高昂的专利费用。
  但是从2006年3月份起,我国也有了自己的视频压缩编码标准,这就是AVS标准。它的正式名称为《信息技术先进音视频编码》,它是国内第一个具有自主知识产权、并且达到国际先进水平的数字视频压缩编码标准,适用于地面数字电视广播、有线数字电视、交互存储媒体以及直播卫星视频等多个业务领域[1]。
  AVS包括系统、视频、音频、数字版权管理等9个部分,其中关于视频压缩编码的有两个独立的部分AVS-P2和AVS-P7。AVS-P2主要针对数字视频的高端应用,比如高、标清数字电视广播以及高密度激光数字存储媒体应用;AVS-P7主要针对低码率、低图像分辨率的低端数字视频应用[2]。
  AVS视频标准采用了与H.264类似的混合编码的技术框架,包括变换、量化、熵编码、帧内预测、帧间预测、环路滤波等模块。它的核心技术的主要包括以下几点:8×8整数变换、量化、帧内预测、去块效应环内滤波等、变块大小运动补偿、多参考帧预测、二维熵编码、1/4精度像素插值等。
  AVS标准具有与H.264标准相同的编码框架,如图1所示,其视频编码器框图如图2所示[3]。
  下面对AVS标准视频编码中的核心技术作简要的介绍。
  1 AVS标准主要技术
  1.1 8×8整数变换与量化
  AVS-P2视频标准采用8×8整数余弦变换(ICT),而没有采用传统的离散余弦变换(DCT)。这样就避免了复杂的浮点运算,可以用加法和移位简单地实现。与DCT相比,ICT的计算复杂度降低了,然而它的性能与DCT相比却非常接近。同时,由于ICT是整数运算,每个系数可以精确地定义到二进制的每一位,因此它的正变换和反变换之间完全没有失配,这也是它的一大优点。
  采用ICT时,8×8变换矩阵中各个基矢量的模大小不统一,因此有必要对这些系数进行归一化处理。在这一处理环节,H.264采用了编、解码端平衡的处理方式,即在编码端将正向缩放和量化结合在一起,在解码端将反向缩放和反量化结合在一起。在AVS标准则采用编、解码端不平衡的处理方式,即在编码端把正向缩放、量化和反向缩放结合在一起,而在解码端只需进行反量化的处理。这样做的理由是,在实际的应用中解码端设备的数量往往要远远大于编码端设备的数量,减少解码端的技术复杂度从经济方面考量是非常合算的。
  1.2 帧内预测
  与H.264类似,AVS-P2也采用了帧内预测技术。与H.264不同的是,AVS-P2采用8×8的像素块,而不是4×4的像素块。虽然像素块的大小增加后,会降低预测精度,进而影响压缩率,不过在高分辨率的条件下这一点并不明显。但是它的好处是降低了一帧图像内像素块的数目,因而降低了运动估计、补偿等总体的技术复杂度。同时AVS-P2的亮度预测模式从H.264的9种降到只有5种,色度预测模式则和H.264一样为4种。由于预测模式的减少,模式选择的复杂度也就相应地降低。但实验表明,这种因预测模式减少而引起的性能损失十分有限。
  1.3 帧间预测
  由于活动图像的前后帧之间存在着很大的相关性和冗余度,通过帧间预测去除这种相关性和冗余度可以极大提高信源的压缩比。与H.264的多参考帧不同,AVS-P2只支持P帧(前向预测帧)和B帧(双向预测帧)这两种帧间预测方案。P帧至多采用2个前向参考帧,B帧采用前、后各一个参考帧。AVS-P2之所以限定最多采用两个参考帧,其目的在于简化参考帧缓冲区管理机制(H.264的参考帧缓冲区管理机制非常繁琐),在不增加存储、数据带宽等条件下提高编码效率。
  1.4 1/4像素精度插值
  AVS-P2和H.264一样,运动补偿的精度都达到了1/4像素精度,但两者的实现方式则有不同。H.264采用6个抽头的滤波器进行1/2像素插值,在AVS-P2中则把抽头数目降为4个。H.264采用双线性滤波器进行1/4像素插值,而AVS-P2则分为两种情况:4个二维1/4像素插值也用双线性滤波器,但是另外8个一维1/4像素插值用4抽头滤波器(滤波系数和1/2像素插值不同)。
  1.5 环路滤波
  基于像素块分块压缩的视频编码有一个共同的缺点,就是重建后的图像存在方块效应,必须用环路滤波去除这种方块效应。在AVS-P2中,由于像素块的大小事8×8的,环路滤波也只在8×8块边缘进行。与H.264大小为4×4的像素块相比,AVS-P2的像素块数量和像素块边界数量要少得多。同时由于AVS-P2环路滤波器的滤波点数(左右各3个像素)比H.264(左右各4个像素)中的少,因此降低了环路滤波的计算复杂度。
  1.6 熵编码
  熵编码是压缩编码的重要组成部分。AVS-P2中的熵编码吸收了H.264中利用上下文信息进行自适应编码的策略,对不同类型的变换块用不同的可变长度码(VLC)码表编码。同时又采用了MPEG-2中的二维编码机制,即采用上下文自适应的2D-VLC。这样AVS-P2综合了H.264和MPEG-2的优点,编码效率与H.264的CAVLC大致相当,但计算复杂度却大大降低。
  2 AVS-P2标准与H.264的比较
  AVS标准和H.264都采用了类似的混合编码框架。H.264标准中运动补偿预测和变换的最小单元是4×4像素块,而AVS标准中则为8×8像素块;AVS标准的帧内预测模式和帧间预测模式都比H.264标准要少;AVS-P2的熵编码和环路滤波的计算复杂度比H.264的要低。总的来说,AVS-P2的主要优点在于在较低的复杂度下,实现了与H.264基本相当的技术性能指标。大致估算,AVS的编码复杂度相当于H.264的70%,而AVS的解码复杂度仅仅相当于H.264的30%。解码复杂度大大降低,这一点是非常有意义的,因为解码端对应的是数量广大的终端用户。
  3 AVS标准的应用前景展望
  一个标准要取得成功,技术上的先进只是必要的基础,更重要的是要在激烈的竞争中得到市场的认可。而要得到市场的认可,相关因素就非常多了,其中经济因素是非常重要的一个因素,如果一个标准的专利费用过高,则会明显阻碍该标准在市场中的推广。AVS标准在制定之初就对这一问题有充分地考虑,通过分析国内外标准制定和知识产权领域的经验教训,走出一条有自己特色的技术、标准、知识产权相互协调发展的道路。为了防止标准制订和专利授权割裂的弊端,AVS标准采用了以下两个基本原则:一方面,为保证标准的先进性,AVS标准采用专利技术;但另一方面,又对进入AVS标准制定了一定的限制条件,即把专利拥有方的利益限制在一个比较合理的水平以内。这一带有公益性色彩的标准原则是AVS的一大特色,对于市场接受这一编码领域的后起之秀是有力的推动。相比于国外H.264以及MPEG-2等标准高额的专利费, AVS标准的专利费用要低得多。
  如果AVS标准取得市场认可,无疑会巨大推动我国数字音视频产业在论文代发中心(www.21cnlunwen.com)提供优质论文发表服务国际上的核心竞争力。但是我们必须看到,毕竟AVS标准只是后起之秀,目前的数字电视制播和传输领域还是MPEG-2占主导地位。要想在短时间内一步登天是不现实的,AVS的推广策略可以从外围开始,即从传输环节和客户端入手。对于目前国内的数字电视传输系统,只需要在节目传输端,用AVS编码器替换MPEG-2编码器,在客户接收端,机顶盒的整体设计不需改变,只需把解码芯片替换层支持AVS标准的。这样虽然付出了一定的代价,但是由于AVS优于MPEG-2的压缩编码效率,却可以节省一半的传输带宽。这意味着可以增加一倍的节目容量,从长远来看是非常合算的。
  目前,三网融合入试点阶段,IPTV的市场竞争非常激烈,而作为IPTV的关键技术之一,视频源的编解码技术也必面临激烈的竞争。当前IPTV编解码技术主要包括MPEG2、MPEG4、H.264、AVS等。为应对竞争和挑战,赢得更多企业和客户的支持,AVS开源社区已正式对外开放,为企业和用户提供AVS编码、转码、解码软件源代码等服务。 AVS开源社区首期对外开放的主要是实时AVS编码、实时AVS转码和实时AVS解码三个项目,它们都可在常规计算平台上实现实时编解码,企业和用户可以直接拿来使用,用于开发AVS视听产品以及提供AVS视听服务。
  总之,AVS标准的技术性能已经处于国际先进水平,但要想占领市场,还需要付出很大的努力。对AVS标准来说,好消息是2011年11月1日起实施的《地面数字电视接收机通用规范》国家标准正式确认,到2012年11月1日,在我国销售的所有数字电视机都将内置AVS功能。但是在市场经济条件下,政府的推动不能取代市场的竞争,AVS标准依旧任重而道远。
  
  参考文献
  [1]GB/T 20090.2-2006 信息技术先进音视频编码 第2部分:视频.
  [2]卢官明,宗昉.数字电视原理[M].机械工业出版社,2008.
  [3]王铁军.我视频编码国家标准AVS与国际标准MPEG的比较.

 
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