數(shù)字家庭系統(tǒng)中信源編解碼標(biāo)準(zhǔn)的選擇

高 文，黃鐵軍

（北京大學(xué) 數(shù)字視頻編解碼技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100871）

責(zé)任編輯:許 盈

0 引言

從1952年貝爾實(shí)驗(yàn)室Cutler等人進(jìn)行DPCM（Dif?ferential Pulse Code Modulation）技術(shù)的研究算起，視頻壓縮編碼技術(shù)經(jīng)歷了50余年的發(fā)展。在這一過(guò)程中，逐漸形成了變換編碼、預(yù)測(cè)編碼、熵編碼3類經(jīng)典技術(shù)，分別用于去除視頻信號(hào)的空域冗余、時(shí)域冗余及統(tǒng)計(jì)冗余?；谶@些經(jīng)典技術(shù)，逐漸形成了以塊為單元的預(yù)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)[5]以及我國(guó)2006年頒布的《信息技術(shù)先進(jìn)音視頻編碼第二部分 視頻》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（國(guó)標(biāo)號(hào)GB/T 20090.2—2006，通常簡(jiǎn)稱為AVS視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)）[6]。這些標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的基本規(guī)律是，以更高的計(jì)算復(fù)雜性換取編碼效率的提升。如果更細(xì)致地考察每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)模塊，這個(gè)規(guī)律可以更具體地表述為:在混合編碼框架下對(duì)其中的每個(gè)基本技術(shù)組成部分用更復(fù)雜的方法獲得編碼效率的提升。

上述視頻標(biāo)準(zhǔn)中，1994年完成的MPEG-2（即ISO/IEC 13818-2）[7]是得到廣泛應(yīng)用的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)于2000年將其等同采用為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)頒布的視頻編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中最新。

由于MPEG國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的專利被國(guó)外一家專利管理公司所控制，其授權(quán)政策和高昂的專利費(fèi)多年來(lái)受到國(guó)內(nèi)設(shè)備生產(chǎn)商和國(guó)內(nèi)外運(yùn)營(yíng)商的指責(zé)。為了使數(shù)字音視頻產(chǎn)業(yè)及其應(yīng)用能夠發(fā)展得更健康，我國(guó)從2002年開(kāi)始以數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作組的形式組織制定新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其中視頻部分于2003年底起草完成，2006年初頒布，2009年成為國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）網(wǎng)絡(luò)電視（IPTV）標(biāo)準(zhǔn)中可選的三大視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)之一，2011年被指定為我國(guó)地面數(shù)字電視接收機(jī)和接收器（機(jī)頂盒）的唯一必備視頻標(biāo)準(zhǔn)。

本文的目的是對(duì)上述這些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，并系統(tǒng)報(bào)告各方測(cè)試情況（以下部分內(nèi)容引自“數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作組”官方報(bào)告），供應(yīng)用開(kāi)發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)選擇參考。

1 AVS與MPEG技術(shù)對(duì)比

AVS視頻與AVC標(biāo)準(zhǔn)都采用混合編碼框架（見(jiàn)圖1），包括變換、量化、熵編碼、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、幀間預(yù)測(cè)、環(huán)路濾波等技術(shù)模塊，而MPEG-2視頻標(biāo)準(zhǔn)不包括其中的幀內(nèi)預(yù)測(cè)和環(huán)路濾波模塊。

圖1 典型視頻編碼框架

1.1 AVS視頻的技術(shù)特點(diǎn)

AVS視頻當(dāng)中具有特征性的核心技術(shù)包括:8×8整數(shù)變換、量化、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、1/4精度像素插值、特殊的幀間預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、二維熵編碼、去塊效應(yīng)環(huán)內(nèi)濾波等[9-11]。

圖2描述了AVS視頻編碼過(guò)程。AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)，P幀和B幀的宏塊則需要進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)或幀間預(yù)測(cè)。圖2中的S0是預(yù)測(cè)模式的選擇開(kāi)關(guān)。預(yù)測(cè)殘差進(jìn)行8×8整數(shù)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(duì)量化系數(shù)進(jìn)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(shù)，最后對(duì)量化系數(shù)進(jìn)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(wú)失真地實(shí)現(xiàn)，從而克服了MPEG-4 AVC/H.264之前所有視頻壓縮編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中采用的8×8 DCT變換存在失真的固有問(wèn)題。而MPEG-4 AVC/H.264所采用的4×4整數(shù)變換，在高分辨力視頻圖像上的去相關(guān)性能不及8×8的變換有效。AVS采用了64級(jí)量化，可以完全適應(yīng)不同的應(yīng)用和業(yè)務(wù)對(duì)碼率和質(zhì)量的要求。在解決了16位實(shí)現(xiàn)的問(wèn)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(shí)現(xiàn)，也適合于ASIC的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。

2）幀內(nèi)預(yù)測(cè)

AVS的幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)沿襲了MPEG-4 AVC/H.264幀內(nèi)預(yù)測(cè)的思路，即用相鄰塊的像素預(yù)測(cè)當(dāng)前塊，采用代表空間域紋理方向的多種預(yù)測(cè)模式。但AVS亮度和色度幀內(nèi)預(yù)測(cè)都是以8×8塊為單位的。亮度塊采用5種預(yù)測(cè)模式，色度塊采用4種預(yù)測(cè)模式，而這4種模式中又有3種和亮度塊的預(yù)測(cè)模式相同。在編碼質(zhì)量相當(dāng)?shù)那疤嵯?，AVS采用較少的預(yù)測(cè)模式，使方案更加簡(jiǎn)潔，實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度大為降低。

3）多模式幀間預(yù)測(cè)

幀間運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償編碼是混合編碼技術(shù)框架中最重要的部分之一。AVS標(biāo)準(zhǔn)采用了16×16，16×8，8×16和8×8的塊模式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，而去除了MPEG-4 AVC/H.264標(biāo)準(zhǔn)中的8×4，4×8，4×4的塊模式，目的是能更好地刻畫(huà)物體運(yùn)動(dòng)，提高運(yùn)動(dòng)搜索的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于高分辨力視頻，AVS選用的塊模式已經(jīng)能足夠精細(xì)地表達(dá)物體的運(yùn)動(dòng)。較少的塊模式，能降低運(yùn)動(dòng)矢量和塊模式傳輸?shù)拈_(kāi)銷(xiāo)，從而提高壓縮效率、降低編解碼實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。

4）1/4像素運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償

AVS和MPEG-4 AVC/H.264都采用了1/4像素精度的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)。MPEG-4 AVC/H.264采用6抽頭濾波器進(jìn)行半像素插值并采用雙線性濾波器進(jìn)行1/4像素插值。而AVS采用了不同的4抽頭濾波器進(jìn)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(diǎn)，降低了數(shù)據(jù)存取帶寬需求，這在高分辨力視頻壓縮應(yīng)用中是非常有意義的。

5）參考幀

在傳統(tǒng)的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)（MPEG-x系列與H.26x系列）中，雙向預(yù)測(cè)幀B幀都只有一個(gè)前向參考幀與一個(gè)后向參考幀，而前向預(yù)測(cè)幀P幀則只有一個(gè)前向參考幀。而新近的MPEG-4 AVC/H.264充分利用圖片之間的時(shí)域相關(guān)性，允許P幀和B幀有多個(gè)參考幀，最多可以有31個(gè)參考幀。多幀參考技術(shù)在提高壓縮效率的同時(shí)也將極大地增加存儲(chǔ)空間與數(shù)據(jù)存取的開(kāi)銷(xiāo)。AVS中P幀可以利用至多2幀的前向參考幀，而B(niǎo)幀采用前后各一個(gè)參考幀。P幀與B幀（包括后向參考幀）的參考幀數(shù)相同，其參考幀存儲(chǔ)空間與數(shù)據(jù)存取的開(kāi)銷(xiāo)并不比傳統(tǒng)視頻編碼的標(biāo)準(zhǔn)大，而恰恰充分利用了必須預(yù)留的資源。

6）1/4像素運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償

AVS的B幀的雙向預(yù)測(cè)使用了直接模式（direct mode）、對(duì)稱模式（symmetric mode）和跳過(guò)模式（skip mode）。使用對(duì)稱模式時(shí)，碼流只需要傳送前向運(yùn)動(dòng)矢量，后向運(yùn)動(dòng)矢量可由前向運(yùn)動(dòng)矢量導(dǎo)出，從而節(jié)省后向運(yùn)動(dòng)矢量的編碼開(kāi)銷(xiāo)。對(duì)于直接模式，當(dāng)前塊的前、后向運(yùn)動(dòng)矢量都是由后向參考圖像相應(yīng)位置塊的運(yùn)動(dòng)矢量導(dǎo)出，無(wú)需傳輸運(yùn)動(dòng)矢量，因此也可以節(jié)省運(yùn)動(dòng)矢量的編碼開(kāi)銷(xiāo)。跳過(guò)模式的運(yùn)動(dòng)矢量的導(dǎo)出方法和直接模式的相同。跳過(guò)模式編碼的塊，其運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)臍埐钜簿鶠榱?，即該模式下宏塊只需要傳輸模式信號(hào)，而不需要傳輸運(yùn)動(dòng)矢量、補(bǔ)償殘差等附加信息。

7）熵編碼

AVS熵編碼采用自適應(yīng)變長(zhǎng)編碼技術(shù)。在AVS熵編碼過(guò)程中，所有的語(yǔ)法元素和殘差數(shù)據(jù)都是以指數(shù)哥倫布碼的形式映射成二進(jìn)制比特流。采用指數(shù)哥倫布碼的優(yōu)勢(shì)在于:一方面，它的硬件復(fù)雜度比較低，可以根據(jù)閉合公式解析碼字，無(wú)需查表；另一方面，它可以根據(jù)編碼元素的概率分布靈活地確定以k階指數(shù)哥倫布碼編碼，如果k選得恰當(dāng)，則編碼效率可以逼近信息熵。

對(duì)預(yù)測(cè)殘差的塊變換系數(shù)，經(jīng)掃描形成（level，run）對(duì)串。而level，run不是獨(dú)立事件，存在著很強(qiáng)的相關(guān)性。在AVS中l(wèi)evel，run采用二維聯(lián)合編碼，并根據(jù)當(dāng)前l(fā)evel和run的不同概率分布趨勢(shì)，自適應(yīng)改變指數(shù)哥倫布碼的階數(shù)。

AVS標(biāo)準(zhǔn)支持多種視頻業(yè)務(wù)，考慮到不同應(yīng)用之間的互操作性，AVS標(biāo)準(zhǔn)定義了檔次（profile）和級(jí)別（lev?el）。檔次是AVS定義的語(yǔ)法、語(yǔ)義及算法的子集；級(jí)別是在某一檔次下對(duì)語(yǔ)法元素和語(yǔ)法元素參數(shù)值的限定集合。為了滿足高清晰度/標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視廣播、數(shù)字存儲(chǔ)媒體等業(yè)務(wù)的需要，AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)定義了基準(zhǔn)檔次（Jizhun profile）和5個(gè)級(jí)別（2.0，4.0，4.2，6.0，6.2）。其中2.0，4.0，6.0分別對(duì)應(yīng)352×288（CIF），720×576（標(biāo)清）和1920×1152（高清），“.0”對(duì)應(yīng)“4︰2︰0”，隔行掃描和逐行掃描均支持通過(guò)參數(shù)標(biāo)識(shí)。

1.2 AVS視頻與MPEG視頻的技術(shù)對(duì)比

表 1描述了AVS視頻與MPEG-2視頻、AVC的技術(shù)對(duì)比以及選擇這些編解碼工具而帶來(lái)的大致性能差異。

1.3 AVS視頻與AVC的復(fù)雜度對(duì)比

簡(jiǎn)單地說(shuō)，與MPEG-4 AVC/H.264的baseline pro?file相比，AVS視頻增加了B幀、interlace等技術(shù)，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(shí)現(xiàn)復(fù)雜度大的技術(shù)，性能上有降低，但提高了可實(shí)現(xiàn)性。

表2是AVS視頻與AVC計(jì)算實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性的簡(jiǎn)單對(duì)比。

大致估算，AVS視頻解碼復(fù)雜度相當(dāng)于AVC的70%，AVS視頻編碼復(fù)雜度相當(dāng)于AVC的30%，并且AVS在存儲(chǔ)器使用方面也有明顯節(jié)省。

2 主觀評(píng)價(jià)

壓縮效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)兩種，各有優(yōu)缺點(diǎn)。主觀評(píng)價(jià)是聘請(qǐng)專門(mén)的評(píng)價(jià)人員來(lái)比較壓縮之后再恢復(fù)的視聽(tīng)效果和原始效果的差異，通常是在專門(mén)的視聽(tīng)環(huán)境中按照一定的規(guī)則進(jìn)行主觀評(píng)分?？陀^評(píng)價(jià)則是通過(guò)一種具體的算法來(lái)統(tǒng)計(jì)多媒體數(shù)據(jù)壓縮結(jié)果的損失，例如信噪比（SNR）。主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)有時(shí)相差很大，因此衡量一個(gè)算法的好壞就需要在這兩者之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。一套標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)，通常在開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用客觀評(píng)價(jià)的方法，但最終要得到主觀評(píng)價(jià)的確認(rèn)。

表1 AVS視頻與MPEG-2，MPEG-4 AVC/H.264使用的技術(shù)對(duì)比和性能差異估計(jì)

2.1 MPEG-4 AVC視頻標(biāo)準(zhǔn)主觀測(cè)試

2003年10月—12月，MPEG組織了專題組對(duì)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試在FUB/ISCTI（意大利）、NIST（美國(guó)）和TUM（德國(guó)）進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果表明AVC的編碼性能有顯著提高。

本次測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)清晰度（SD）和高清晰度（HD）采用的測(cè)試條件（視頻序列和碼率）如表3所示。

表2 AVS視頻與AVC的計(jì)算復(fù)雜性對(duì)比

圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)依據(jù)ITU-R BT.500-11《Methodology for the subjective assessment of the quali?ty of television pictures（電視圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)方法）》（下面可以看到AVS的兩次主觀測(cè)試同樣采用的是這個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)）。測(cè)試結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出，12個(gè)可比項(xiàng)中有8個(gè)的N大于等于1.5，有3個(gè)大于等于2，有一個(gè)等于4。

由表5可以看出，AVC與MPEG-2參考軟件對(duì)比情況，12個(gè)可比項(xiàng)中有9個(gè)的N大于等于1.8，有2個(gè)大于等于4。

由表6可以看出，AVC與優(yōu)化的MPEG-2高清編碼器對(duì)比情況，9個(gè)可比項(xiàng)中有7個(gè)的N大于等于1.7，有3個(gè)大于等于2，有一個(gè)等于3.3。

表3 AVC高標(biāo)清測(cè)試條件

表4 標(biāo)清情況下，AVC與優(yōu)化的MPEG（MPEG-2 HiQ）對(duì)比情況

由表7可以看出，AVC與MPEG-2參考軟件對(duì)比情況，9個(gè)可比項(xiàng)中有8個(gè)的N大于等于1.7，有4個(gè)大于等于2。

表5 標(biāo)清情況下，AVC與MPEG-2參考軟件（MPEG-2 TM5）對(duì)比情況

表6 高清情況下，AVC與優(yōu)化的MPEG（MPEG-2 HiQ）對(duì)比情況

表7 高清情況下，AVC與MPEG-2參考軟件（MPEG-2 TM5）對(duì)比情況

總體上講，AVC與MPEG-2對(duì)比，85個(gè)比對(duì)中66對(duì)MPEG-2的碼率要達(dá)到1.5倍才能與AVC達(dá)到同樣質(zhì)量，其中51對(duì)MPEG-2碼率要達(dá)到AVC的2倍才能達(dá)到AVC的質(zhì)量。換句話說(shuō)，在60%的情況下，AVC的編碼效率能夠達(dá)到MPEG-2的兩倍。

鑒于AVC的編碼效率能夠達(dá)到MPEG-2的2倍，我國(guó)有關(guān)測(cè)試機(jī)構(gòu)在測(cè)試AVS時(shí)，通常把AVS視頻的碼率也設(shè)在MPEG-2典型碼率的1/2或更低，也就是測(cè)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(zhì)量是否能夠達(dá)到廣播要求。

2.2 AVS視頻主觀測(cè)試一

2004年11月15日—12月26日，依據(jù)數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作組的委托，國(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心數(shù)字電視用戶端產(chǎn)品測(cè)試實(shí)驗(yàn)室對(duì)工作組送檢的AVS視頻編/解碼方案組織了圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)委托方提供的AVS編/解碼器的主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)，評(píng)價(jià)AVS視頻壓縮方案的性能。

圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)依據(jù)ITU-R BT.500-11《Methodology for the subjec?tive assessment of the quali?ty of television pictures（電視圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)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(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)）》，采用雙刺激連續(xù)質(zhì)量標(biāo)度（DSCQS）法評(píng)價(jià)AVS視頻編/解碼系統(tǒng)處理后的圖像質(zhì)量相對(duì)于未經(jīng)壓縮的原始圖像質(zhì)量的差別。

本次視頻圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)的目的是通過(guò)比較經(jīng)AVS編/解碼系統(tǒng)處理過(guò)的圖像質(zhì)量與原始素材圖像質(zhì)量的差別來(lái)評(píng)價(jià)AVS視頻編/解碼方案的總體性能，評(píng)價(jià)素材的選擇內(nèi)容應(yīng)廣泛且嚴(yán)酷度適當(dāng)。所選擇的測(cè)試序列應(yīng)能反應(yīng)圖像的亮度再現(xiàn)、彩色再現(xiàn)、靜態(tài)空間分辨力、動(dòng)態(tài)空間分辨力、運(yùn)動(dòng)再現(xiàn)、視在深度效果、臨場(chǎng)感、閃爍性能和熟悉色調(diào)的再現(xiàn)等特性。希望通過(guò)所選擇的節(jié)目能夠充分、準(zhǔn)確地反映被評(píng)價(jià)的視頻編/解碼方案的性能。測(cè)試序列包括8個(gè)高清晰度節(jié)目和8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)清晰度節(jié)目，每段節(jié)目時(shí)間長(zhǎng)度為10～20 s。

高清晰度圖像測(cè)試序列的被評(píng)價(jià)對(duì)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(shuō)明評(píng)價(jià)人員認(rèn)為被評(píng)價(jià)對(duì)象的圖像質(zhì)量與原始素材的圖像質(zhì)量差別很小。

統(tǒng)計(jì)結(jié)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(shí)，被評(píng)價(jià)對(duì)象的圖像質(zhì)量與原始素材圖像質(zhì)量的差別很小，不易察覺(jué)。

8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)清晰度圖像測(cè)試序列的被評(píng)價(jià)對(duì)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(gè)測(cè)試序列的標(biāo)準(zhǔn)偏差均在6.4～8.6，說(shuō)明評(píng)價(jià)人員對(duì)這些測(cè)試序列打分的離散度較小。

試驗(yàn)結(jié)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(shí)，可察覺(jué)經(jīng)編/解碼處理后的被評(píng)價(jià)對(duì)象與原始素材圖像質(zhì)量的差別，但差別小。

本次測(cè)試表明，AVS視頻碼率不到MPEG-2典型碼率1/2（標(biāo)清）和1/3（高清）的情況下，質(zhì)量損失很小，可以達(dá)到廣播要求。

2.3 AVS主觀測(cè)試二

2005年4月—9月，國(guó)家廣電總局廣播電視規(guī)劃院受AVS工作組掛靠單位中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所委托，對(duì)經(jīng)過(guò)AVS參考軟件編解碼后的標(biāo)準(zhǔn)清晰度和高清晰度視頻進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)其對(duì)源圖像的質(zhì)量損傷程度，完成了《AVS視頻壓縮質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)》測(cè)試報(bào)告。

本次測(cè)試的依據(jù)是廣電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GY/T 134—1998《數(shù)字電視圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)的測(cè)試材料）》標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)清測(cè)試采用6個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)圖像序列，高清采用6個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圖像序列。

測(cè)試結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

測(cè)試碼率視頻類型標(biāo)準(zhǔn)清晰度（625/50i）高清晰度（1125/50i）AVS測(cè)試碼率/（Mbit·s-1）3.01.510.06.0測(cè)試結(jié)果優(yōu)秀良好優(yōu)秀良好～優(yōu)秀

考慮到目前使用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施高清電視廣播時(shí)，一般使用20 Mbit/s的碼率，使用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施標(biāo)清電視廣播時(shí)，一般使用5～6 Mbit/s的碼率，對(duì)照本次測(cè)試結(jié)果可以得知:AVS碼率為現(xiàn)行MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的一半時(shí)，無(wú)論是標(biāo)準(zhǔn)清晰度還是高清晰度，編碼質(zhì)量都達(dá)到優(yōu)秀；碼率不到其1/3時(shí)，也達(dá)到良好到優(yōu)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(zhì)量已達(dá)到了大范圍應(yīng)用所需的“良好”要求。對(duì)比MPEG標(biāo)準(zhǔn)組織對(duì)MPEG-4 AVC/H.264的測(cè)試報(bào)告可知，AVS在編碼效率上與其處于同等技術(shù)水平。

3 AVS進(jìn)入ITU IPTV標(biāo)準(zhǔn)

2006年4月4日—5日，國(guó)際電信聯(lián)盟ITU開(kāi)始IP?TV的標(biāo)準(zhǔn)化工作，通過(guò) Focus Group（FG）對(duì)IPTV需求和現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)進(jìn)行開(kāi)放型討論。AVS工作組組成了赴ITU-T IPTV標(biāo)準(zhǔn)化的特別工作組，目標(biāo)是使AVS成為IPTV平等的、可選的編解碼器之一。

在IPTV標(biāo)準(zhǔn)化的過(guò)程中，首先通過(guò)FG IPTV的工作，將IPTV所涉及的領(lǐng)域分為6個(gè)領(lǐng)域（6個(gè)工作組）。與AVS有關(guān)的FG IPTV工作組為第6組，即The Middleware,Application and Content Platforms Working Group，簡(jiǎn)稱ITU-T FG IPTV WG6。WG6工作組負(fù)責(zé)編寫(xiě)“Toolbox for content coding”文件，而AVS特別工作組的直接目標(biāo)就是，將AVS寫(xiě)入該文件。

到2007年12月，ITU-T FG IPTV共開(kāi)了7次會(huì)議。各工作組的結(jié)果形成輸出文件，輸入到ITU-T相應(yīng)的工作組。為了協(xié)調(diào)這些工作，成立了IPTV GSI（Global Standards Initiative），IPTV將在ITU-T的各個(gè)工作組形成相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。在2008年4月舉行的第2次IPTV GSI會(huì)議之前，ITU-T SG16全會(huì)上召開(kāi)了一個(gè)“Joint Meeting on Codecs”，負(fù)責(zé)制定H.264的Q6/16強(qiáng)烈要求負(fù)責(zé)審理和更新“Toolbox for content coding”，并最終擊敗其他競(jìng)爭(zhēng)者獲得該標(biāo)準(zhǔn)的審閱和更新權(quán)。

此后AVS成為IPTV標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)的工作就集中在ITU-T SG16 Q6組。由于Q6中部分專家對(duì)于自己制定的H.264標(biāo)準(zhǔn)情有獨(dú)鐘，想方設(shè)法排斥包括AVS在內(nèi)的其他視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入IPTV標(biāo)準(zhǔn)體系。AVS工作組ITU-T IPTV標(biāo)準(zhǔn)化特別工作組在ITU中國(guó)代表團(tuán)的大力支持下，在AVS工作組全力配合下，在聯(lián)通（網(wǎng)通）、華為、上廣電、香港CATR、中國(guó)移動(dòng)、C2 Mi?cro、展訊、國(guó)芯等企業(yè)支持下，從2006年10月—2009年7月，共提出了30多項(xiàng)提案。經(jīng)過(guò)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(shí)被列入《ITU Technical Pa?per HSTP-MCTB Media coding toolbox for IPTV:Audio and video codecs》，同時(shí)為了兼容已有系統(tǒng)，MPEG-2也被列入。ITU-T的決定表明，視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)正式進(jìn)入三足鼎立的新時(shí)期。因此，AVS憑借性能先進(jìn)、價(jià)格合理的優(yōu)勢(shì)，成為新一代音視頻事實(shí)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)已是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。

4 AVS成為我國(guó)數(shù)字電視接收機(jī)唯一必備視頻標(biāo)準(zhǔn)

過(guò)去十多年，我國(guó)為了支撐數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)發(fā)展，已經(jīng)在數(shù)字演播室、信道傳輸、信源編碼等領(lǐng)域頒布了很多標(biāo)準(zhǔn)，然而和千家萬(wàn)戶密切相關(guān)的數(shù)字電視機(jī)標(biāo)準(zhǔn)一直沒(méi)有出臺(tái)。從早年的數(shù)碼電視、HDTV Ready、高清平板到近年來(lái)的網(wǎng)絡(luò)電視、智能電視、立體電視，歲歲熱點(diǎn)，概念紛紜，但是，“數(shù)字電視機(jī)”這個(gè)基本概念一直沒(méi)有判斷標(biāo)準(zhǔn)。

在界定“數(shù)字電視機(jī)”概念之前需要先界定“電視機(jī)”這個(gè)概念。電視機(jī)是接收電視信號(hào)并顯示播放的裝置，所謂“接收電視信號(hào)”，首先是指接收來(lái)自電視發(fā)射塔的、在地面之上一定空間范圍內(nèi)傳播的無(wú)線電信號(hào)，即“地面電視信號(hào)”。后來(lái)有線電視在城市地區(qū)快速發(fā)展，成為城市居民接收電視信號(hào)的主渠道，其后衛(wèi)星廣播、電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)相繼成為傳輸電視信號(hào)的通道，電視機(jī)獲得視聽(tīng)內(nèi)容的渠道越來(lái)越多，但是無(wú)線電視信號(hào)接收一直是電視機(jī)必不可少的基本功能，并成為世界各國(guó)電視機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的通例性要求，其主要原因在于:1）無(wú)線電視是實(shí)現(xiàn)電視覆蓋最快的方式，在人口不是高度密集的地區(qū)覆蓋成本低，即使在今天，也是滿足我國(guó)大部分農(nóng)村地區(qū)需求的最有效的方式；2）盡管衛(wèi)星廣播覆蓋能力更強(qiáng)，地面電視能夠?qū)崿F(xiàn)本地節(jié)目播出的能力是不可替代的；3）地面電視是實(shí)現(xiàn)緊急狀態(tài)下公告等信息暢通的“保底”手段，因此得到世界各國(guó)政府和地方各級(jí)政府的高度重視。

數(shù)字電視機(jī)是能夠接收來(lái)自數(shù)字化的廣播信道、數(shù)字化的視聽(tīng)節(jié)目的電視接收機(jī)。就像模擬電視機(jī)必須能夠接收模擬無(wú)線電視信號(hào)一樣，數(shù)字電視機(jī)必須能夠接收數(shù)字無(wú)線電視信號(hào)，因此我國(guó)在20世紀(jì)90年代啟動(dòng)數(shù)字電視技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)研究時(shí)，首先進(jìn)行的就是地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)（即無(wú)線信道標(biāo)準(zhǔn)）的研究，并在2002年啟動(dòng)了數(shù)字音視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)（即信源編碼標(biāo)準(zhǔn)）的研究。2006年3月，數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)AVS國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 20090.2—2006）頒布實(shí)施，2006年8月，數(shù)字電視地面?zhèn)鬏攪?guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB 20600—2006）[13]頒布實(shí)施，我國(guó)在數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)方面同時(shí)擁有了自主的信源、信道標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)過(guò)5年的努力，我國(guó)的數(shù)字電視信源、信道標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)業(yè)化得到了長(zhǎng)足發(fā)展，自主的核心芯片和關(guān)鍵產(chǎn)品已經(jīng)十分成熟，而且價(jià)廉物美，在此基礎(chǔ)上，數(shù)字電視機(jī)標(biāo)準(zhǔn)瓜熟蒂落。2011年6月，我國(guó)頒布《地面數(shù)字電視接收機(jī)通用規(guī)范》（GB/T 26683—2011）[14]和《地面數(shù)字電視接收器通用規(guī)范》（GB/T 26686—2011）[15]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，符合GB/T 26683—2011標(biāo)準(zhǔn)的電視機(jī)就是“數(shù)字電視機(jī)”（分為標(biāo)準(zhǔn)清晰度和高清晰度兩檔），已經(jīng)購(gòu)買(mǎi)的不符合GB/T 26683—2011的電視機(jī)則需要配備符合GB/T 26686—2011的接收器（機(jī)頂盒）才能“升級(jí)為”真正的數(shù)字電視機(jī)。

《地面數(shù)字電視接收機(jī)通用規(guī)范》和《地面數(shù)字電視接收器通用規(guī)范》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)視頻編解碼做出了明確規(guī)定:從2011年11月1日起，各電視終端生產(chǎn)企業(yè)可根據(jù)具體情況自由選擇AVS或MPEG-2等標(biāo)準(zhǔn)，2012年11月1日起，必須支持AVS標(biāo)準(zhǔn)。鑒于所有數(shù)字電視機(jī)都必須具備地面無(wú)線電視接收功能，這意味著經(jīng)過(guò)一年的過(guò)渡期，在我國(guó)市場(chǎng)銷(xiāo)售和用戶購(gòu)買(mǎi)的所有電視機(jī)都將內(nèi)置AVS功能。

《地面數(shù)字電視接收機(jī)通用規(guī)范》和《地面數(shù)字電視接收器通用規(guī)范》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)由工業(yè)和信息化部牽頭制定，是指導(dǎo)我國(guó)電視機(jī)、機(jī)頂盒制造業(yè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)將AVS作為唯一必須支持的標(biāo)準(zhǔn)，意味著我國(guó)4億多個(gè)家庭都將能夠播放同一格式的視頻節(jié)目，這必將成為我國(guó)數(shù)字電視和網(wǎng)絡(luò)新媒體發(fā)展的一個(gè)里程碑。因?yàn)殡娨暀C(jī)和機(jī)頂盒終端標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，不僅為地面數(shù)字電視的發(fā)展打開(kāi)了大門(mén)，也為通過(guò)有線、衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)等通道向4億多家庭提供視頻服務(wù)提供了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而4億多家庭均能接收統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的視頻節(jié)目將會(huì)激發(fā)影視產(chǎn)業(yè)和文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)終端統(tǒng)一、內(nèi)容爆炸、服務(wù)提升的良性循環(huán)。

5 小結(jié)與建議

AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 20090.2）是基于我國(guó)自主創(chuàng)新技術(shù)和國(guó)際公開(kāi)技術(shù)所構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)，主要面向高清晰度和高質(zhì)量數(shù)字電視廣播、網(wǎng)絡(luò)電視、數(shù)字存儲(chǔ)媒體和其他相關(guān)應(yīng)用。它具有以下特點(diǎn):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(fù)雜度低，算法復(fù)雜度比MPEG-4 AVC/H.264明顯低，軟硬件實(shí)現(xiàn)成本都低于MPEG-4 AVC/H.264；3）專利授權(quán)模式簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。

基于此，AVS標(biāo)準(zhǔn)是能夠支撐國(guó)家數(shù)字音視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要標(biāo)準(zhǔn)，也是國(guó)際范圍內(nèi)具有很強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際電信聯(lián)盟ITU-T已將AVS納入IPTV標(biāo)準(zhǔn)就是一個(gè)典型例證，我國(guó)也已將其確定為我國(guó)數(shù)字電視機(jī)唯一必須支持的視頻標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于關(guān)注終端用戶服務(wù)體系的數(shù)字家庭系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，數(shù)字電視機(jī)是家庭視聽(tīng)服務(wù)的中心設(shè)備，作為數(shù)字電視機(jī)唯一必須內(nèi)置的視頻標(biāo)準(zhǔn)，AVS為家庭范圍內(nèi)視聽(tīng)節(jié)目的交換提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)格式，或者說(shuō)，任何家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如果支持AVS，就可以將該節(jié)目轉(zhuǎn)到電視機(jī)上進(jìn)行播放?？紤]到AVS能夠明確節(jié)省傳輸帶寬和低廉合理的專利費(fèi)用，建議數(shù)字家庭標(biāo)準(zhǔn)體系借鑒數(shù)字電視機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的做法，將AVS確定為唯一必須支持的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。

[1]高文.多媒體數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，1994.

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[7]ISO/IEC 13818-2，Information technology—Generic coding ofmov?ing pictures and associated audio information—video[S].1994.

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[12]ISO/IEC 14496-2，Information technology—generic coding of au?dio-visualobjects–part2:visual[S].1999.

[13]GB 20600—2006，數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信息編碼和調(diào)制[S].2006.

[14]GB/T 26683—2001，地面數(shù)字電視接收機(jī)通用規(guī)范[S].2011.

[15]GB/T 26686—2001，地面數(shù)字電視接收器通用規(guī)范[S].2011.