AVS2編碼技術(shù)的應(yīng)用研究

□廖瑋

2016年12月，國(guó)家頒布新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 33475.2-2016）——AVS2，加速了國(guó)內(nèi)廣電行業(yè)推進(jìn)超高清4K/8K視頻廣泛應(yīng)用的進(jìn)程。AVS2視頻編碼技術(shù)對(duì)比同期熱度較高的H.265和HEVC編碼技術(shù)，無(wú)論從碼率壓縮效率上，還是從預(yù)測(cè)、補(bǔ)償手段上，都有顯著優(yōu)化，極大程度提高了編碼效率和質(zhì)量。本文主要針對(duì)AVS2編碼技術(shù)中先進(jìn)的預(yù)測(cè)、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、變換量化、熵編碼、環(huán)路濾波等核心處理技術(shù)進(jìn)行研究。

一、幀內(nèi)預(yù)測(cè)和幀間預(yù)測(cè)

為了滿足超高清4K/8K視頻的壓縮效率，AVS2采用了與H.265和HEVC標(biāo)準(zhǔn)相同的四叉樹遞歸劃分架構(gòu)，編碼單元（CU，coding unit）、預(yù)測(cè)單元（PU，prediction unit）、變換單元（TU，transform unit）等都是采用這種劃分方式。

（一）劃分方法

劃分過(guò)程首先是把視頻流拆分成以幀為單位的多張有序圖像，然后按順序?qū)⒚繋瑘D像劃分成固定大小、不重疊且連續(xù)的最大編碼單元（LCU，largest coding unit），再以同樣方式將LCU逐級(jí)遞歸劃分成更小的CU，每個(gè)CU由一個(gè)亮度CU和對(duì)應(yīng)的兩個(gè)色度CU組成，并通過(guò)率失真優(yōu)化（RDO，rate-distortion optimization）指標(biāo)來(lái)衡量和決策實(shí)際應(yīng)用中的最小CU規(guī)格。AVS2中設(shè)定LCU上限為64×64像素，CU下限為8×8像素。劃分示意圖如圖1所示。

圖1 圖像劃分示意圖

（二）預(yù)測(cè)方法

預(yù)測(cè)是降低圖像塊冗余的一項(xiàng)技術(shù)。AVS2中同時(shí)使用幀內(nèi)預(yù)測(cè)和幀間預(yù)測(cè)兩種方式。幀內(nèi)預(yù)測(cè)AVS2除了方形劃分PU方式外，還增加了一種非方形PU劃分方式，但因結(jié)構(gòu)限制，非方形劃分方式只適用于16×16像素和32×32像素兩種PU，相較于方形劃分模式，它能縮短預(yù)測(cè)距離，提高預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度。方形劃分模式則采用四叉樹劃分方式。AVS2的幀間預(yù)測(cè)也在傳統(tǒng)4種對(duì)稱劃分方式基礎(chǔ)上，增加了4種非對(duì)稱PU劃分方式，然后進(jìn)行預(yù)測(cè)。除了常規(guī)的單向一個(gè)參考幀（即I/P幀）預(yù)測(cè)、雙向?qū)哟危碆幀）預(yù)測(cè)外，還增加了一種參考場(chǎng)景幀（即S幀）的預(yù)測(cè)方式，和一種對(duì)時(shí)域和空域前向雙假設(shè)（即F幀）的預(yù)測(cè)方式，但因結(jié)構(gòu)原因，非對(duì)稱劃分方式只適用于16×16像素、32×32像素、64×64像素，對(duì)稱劃分方式則沒(méi)有這種限制，介于8×8～64×64像素之間即可。如圖2所示。

圖2 PU劃分示意圖

前向雙假設(shè)F幀預(yù)測(cè)方式是相對(duì)前向相鄰幀某一PU的時(shí)間、距離運(yùn)動(dòng)矢量加權(quán)計(jì)算出前向隔幀相關(guān)PU的時(shí)間、距離運(yùn)動(dòng)矢量，從而來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前幀對(duì)應(yīng)的PU，達(dá)到有效降低圖像塊和時(shí)間冗余的目的。相對(duì)于其他標(biāo)準(zhǔn)的幀間預(yù)測(cè)技術(shù)，AVS2的參考幀數(shù)量增加為4個(gè)，滿足多層次參考幀管理的同時(shí)，縮減了緩存器冗余的空間。

二、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償

AVS2在運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方面采用了先進(jìn)的基于離散余弦變換（DCT，discrete Cosine transform）方式的8抽頭插值濾波器，簡(jiǎn)化為一次濾波即可生產(chǎn)超過(guò)1/4像素的運(yùn)動(dòng)矢量精度。

三、變換量化

預(yù)測(cè)完成后CU內(nèi)的像素值變?yōu)闅埐钪?，并且在變換前使用與CU劃分相同的四叉樹劃分方式將CU分為預(yù)測(cè)單元TU，TU的劃分與PU的劃分互不影響，可同在CU上進(jìn)行。ASV2變換過(guò)程中只允許對(duì)亮度殘差值進(jìn)行整數(shù)DCT，直接變換的范圍介于4×4～32×32之間；對(duì)于64×64的殘差值需要先進(jìn)行小波變換，再進(jìn)行整數(shù)DCT。在初步DCT完成后，AVS2變換過(guò)程中還會(huì)對(duì)4×4的TU進(jìn)行再次4×4的DCT，即多層次變換，進(jìn)一步降低系數(shù)相關(guān)性，從而使能力更集中。

四、熵編碼

AVS2熵編碼過(guò)程中首先需將TU劃分成為8×8的系數(shù)組（CG，coefficient group），再對(duì)CG進(jìn)行兩層變長(zhǎng)編碼和基于上下文二元值編碼，將8×8的CG劃分成4×4的4個(gè)CG，先對(duì)最后一個(gè)非零系數(shù)的CG位置利用zig-zag掃描方式進(jìn)行編碼，然后依次對(duì)其他CG進(jìn)行編碼，直到4×4的CG都編碼完成，這種方法可以使編碼過(guò)程更集中，效率更高。轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制串的方法有一元碼、截?cái)嘁辉a和指數(shù)哥倫布碼三種。

五、環(huán)路濾波

AVS2中環(huán)路濾波模塊由去塊效應(yīng)濾波、自適應(yīng)樣值偏移補(bǔ)償和樣本補(bǔ)償濾波組成。去塊效應(yīng)濾波是針對(duì)8×8的濾波塊邊界失真進(jìn)行先垂直后水平的平滑處理，這種濾波可以提升主觀質(zhì)量。在去塊效應(yīng)濾波完成之后，采用自適應(yīng)樣值偏移補(bǔ)償做基于像素進(jìn)行的失真補(bǔ)償操作，進(jìn)一步減少失真效果。最后根據(jù)原始圖像和編碼重構(gòu)圖像計(jì)算出最小二乘濾波器系數(shù)，通過(guò)這個(gè)濾波器系數(shù)和7×7十字加3×3方形的中心對(duì)稱維納濾波方式進(jìn)行濾波，降低解碼過(guò)程中的圖像壓縮失真情況，提升重建圖像質(zhì)量。

六、結(jié)語(yǔ)

利用前面講述的幾種先進(jìn)編碼技術(shù)，在高清和標(biāo)清視頻編碼過(guò)程中，無(wú)論逐行還是隔行掃描的亮度信號(hào)編碼性能，AVS2都完勝HEVC。在另外兩種色度信號(hào)中，標(biāo)清視頻的編碼性能AVS2較優(yōu)，高清視頻的編碼性能HEVC較優(yōu)。如表1所示。

表1 AVS2與HEVC編碼性能對(duì)比

由此可見(jiàn)，AVS2編碼技術(shù)在高清數(shù)字信號(hào)領(lǐng)域中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，所以在總控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要充分考慮未來(lái)超高清4K/8K視頻的應(yīng)用，加入AVS2編碼設(shè)備。