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论我国AVS及第二代数字音视频信源编码标准
日期:2013-3-13 9:17:53 阅读:   来源:冯传岗

2012年7月10日,国家广播电影电视总局正式颁布了广播电影电视行业标准GY/T257.1—2012《播电视先进音视频编解码第1部分:视频》行业标准,简称Avs+,时于颁布之日开始实施。

2012年8月24日,国家广播电影电视总局(科技司)、工业和信息化部(信息司)在北京共同主办了“《广播电视先进音视频编解码第l部分:视频》(AVs)标准发布宣贯会”,共同推进该标准的应用和产业化。

实际上,早在2011年11月1日,国家宣布《地面数字电视终端接收机通用规范》和《地面数字电视终端接收器通用规范》等六项《数字电视新国标》从2012年11月1日正式执行。

《数字电视新国标》规定,“2012年11月1日后,国家生产和销售的数字电视接收机(器)必须符合该标准,其中我国自主研发的视频信源编码标准Avs和音频信源编码标准DRA,作为强制配置的必选项,MPEG一2和杜比数字+列为可选配置的可选项。”这意味着今年11月1日后我国市场销售和用户购买的所有电视机都必须具有AVS和DRA的解码功能。

早在2011年3月,国际数字电视欧洲委员会就宣布:“诞生近20年的MPEG一2编解码技术已完成它的历史使命,将被更新的技术替代,政府将在2012年1月推行新设备补贴政策,通过制造一种MPEG一4转换设备,强行推进从.MPEG-2→MPEG-4→H.264的编解码技术转换。”这里所说的H.264是MPEG一4的第l0部分。

从图像传输技术的角度来看,数字电视分为信源编解码和信道编解码两大系统。而模拟电视没有信源编解码系统,只有信道编解码系统,这也是模拟电视与数字电视最大的区别。

在模拟电视时代,全球的电视标准都是以信道编解码技术来命名的。到了数字电视时代,全球的电视标准还是以信道编解码技术来命名;但数字电视的信源编解码技术标准制定和运用一直是全球电视市场争夺的重点。

这主要是电视图像数字化后,数据量很大,非常不利于节目的制作和传输,因此数据压缩技术成为关键。从上世纪60年代开始,人们不断研发数字电视的各种压缩技术,其主要集中在数字电视的信源编解码方面。由于知识产权利益的驱动,数字电视信源编码技术又成为研发工作的重中之重。

欧美牢牢把握全球电视市场更新的主动权

就全球而言,在数字电视领域,欧美取得极大的成功,一个重要因素是“醒”得比较“早”,“抢”了一个“先”,抓住了《数字音视频信源编码》等标准的制定/完成的重要机遇,凭借其早期在数字音视频技术开发中,积累的深厚基础理论、研究成果以及具体应用技术,迅猛研发,牢牢把握住了数字电视技术标准在全球电视市场更新换代的主动权。

1988年元旦刚过,欧美成立了Moving Picture Coding Experts Group(活动图象专家组)组织,简称MPEG。其宗旨是“致力于研究、开发数字压缩标准.以保证活动图象质量的前提下,压缩传输码率:”1988年5月召开“MPEG的第一次会议”,有25位音频、视频编码压缩方面的专家参加。

如今MPEG已经成为每年召开三次(在3月、7月和11月)例行大会,有来自大约20个国家200多家公司的350名专家参与的组织。MPEG所开发指的标准,被国际标准组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)批准为国际标准,形成MPEG系列。

经过10年多的演变。随着网络及电脑的普及,网络视频技术得到快速发展,人们对低速率的网上音视频信源编码技术要求越来越高,针对一定(低速率)比特率下的视频、音频编码,更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。第一代和第二代音视频信源编码技术本身和产业应用背景部发生了明显变化,国际标准后起之秀辈出(见表1)。他们对IP网络带宽要求也不同(见表2)。以一部9f'分钟的电影为例,他们压缩后的数据量也不同(见表3)。这样,为了满足低速率上网的要求。第二代音视频信源编码标准就逐步替代了第一代音视频信源编码标准。

第二代音视频信源编码国际标准各有所长

随着低速率、低比特率的音视频信源编码技术的发展普及,市场的认可度也越来越高。目前全球音视频信源编码正处于新更新换代时期,

IEEE的MPEG专家组已发展制订的第一代数字音视频信源编码,MPEG一1和MPEG一2两项国际标准。

MPEG一1主要用于CD—ROM、vcD或Tl(E1)线路传输,码率为固定的1.5Mbps。

MPEG一2主要用于数字电视使用.它支持标准分辨率的1 6:9宽屏及高清晰度电视等多种格式,其码率可变,为3~40Mbps。由于其采用不同的层和级(见文后解释)组合,可满足从家庭质量到广播级质量以及高清晰度电视质量不同的要求,其应用面很广,从家庭的DVD到卫星电视、广播电视微波传输,目前世界各国基本上都采用过这一标准。

由于MPEG一2的出色性能表现,已能适用于HDTv(高清晰度电视),使得原打算为HDTv设计的MPEG一3,还没出世就被抛弃了。第二代音视频信源编码标准MPEG-4、H.264、AVS也各有所长。

1. MPEG一4

1995年7月,MPEG开始MPEG一4的研究,1998年11月被ISO/IEC批准为正式标准.它不仅针对一定比特率下的视频、音频编码,更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。这个标准主要应用于视像电话、视像电子邮件等,对传输速率要求较低,在4800~6400bits/s之间,分辨率为176×144。MPEG一4利用很窄的带宽,通过帧重建技术、数据压缩,以求用最少的数据获得最佳的图像质量。

在数字电视技术中,MPEG一4是MPEG系列标准中发展潜力最大的一个。MPEG一4利用很窄的带宽,通过帧重建技术、数据压缩,以求用最少的数据获得最佳的图像质量。

利用MPEG一4的高压缩率和高的图像还原质量可以把DVD里面的MPEG一2视频文件转换为体积更小的视频文件。处理后的图像视频质量下降不大但体积却可缩小几倍,可以很方便地用CD—ROM来保存DVD上面的节目。

另外,MPEG一4在家庭摄影录像、网络实时影像播放也大有用武之地。

而在IPTV中应用的是MPEG一4 Part 2(MPEG-4的第二部分),又有四大特点。

第一:MPEG一4是集合并支持不同性质的对象和不同来源的素材(如:自然视频、图形、文字等)用于不同应用(如:Internet、视觉编辑、消费视频、专业视频、2D/3D评算机图形、移动通信等)的、考虑了各类网络性能很大差异性的、允许多媒体信息“通用接入”的、第一个使用户视听方式由被动转为主动(不再只是观看,而是允许用户加入其中的交互观看)的动态图像标准。

第二:MPEG一4在较低的数据率下,还有着相当高的视频图像质量,提供了比MPEG一1和MPEG一2编码过程中所需要更好更强的“算法”(见文后解释),实现了低比特率下的多媒体交互应用中“AV对象”(见文后解释)的综合。

第三:MPEG一4与MPEG一1和MPEG一2相比之下在三个方面更具有优势:

(1) 由于在一开始MPEG一4就作为一个国际化的标准来研究制定,所以在支持交互应用的同时,能与原格式(如:JPEG、MPEG—l、MPEG一2、H.261和H_263)反向兼容,具有很强的兼容性。

(2)MPEG一4“算法”出的数据量仅为MPEG一2的十一分之一,比其它数字视频编码技术提供了更高的压缩比。

(3)更重要的是MPEG一4在提供高压缩比的同时,对数据的损失很小。如:利用目前较先进的计算机,在Flask MPEG程序下,选择每秒110 kB的数据率,近l:1的实时播放,将MPEG一2转换成MPEG一4格式后的图像质量非常出色。MPEG一4除了具备惊人的数据压缩比之外,还具备一些新特点,如:适合游戏机使用的交互式访问以及适合无线网络传输的可调式视频访问。

如今,在互联网上已经出现许许多多的高清晰数字电影,它们的压缩格式一般为MPEG一4的Simple Profile(简易版)或Advanced Simple Profile(高级简易版),再配上MP3(MPEG—1.Audio Layer 3:MP[!G一1的第三层)的音效,深受网络用户的欢迎。

因此,MPEG一4快速兴起应该归功于电脑爱好者,他们以MPEG一4的视频压缩方式,配上MP3,生成的图像质量接近DVD,声音质量接近CD,而且还有着更高的压缩比,因而迅速在多媒体领域掀起狂澜。

第四:MPEG一4复杂和昂贵的技术授权以及其标准兼容性问题至今依然是其在IPTV发展中的心头大患。

目前MPEG一4标准派生出各种规格 (如Divx、xviD等),代表着不同规格利益的商业集团和一些支持免费共享资源的技术团体相互争斗的结果,导致各种MPEG一4规格的兼容性很差。对计算机操作比较熟悉的用户能够下载各种规格的MPEG一4编解码器,而普通用户很可能面临下载的视频不能观看,或是拍摄的视频不能分享等问题。

2002年初,MPEG—LA(是一个代表18家电子消费品公司的许可证组织,其对MPEG一4拥有多项专利权)宣布了令人震惊的消息: “每个使用MPEG一4编解码器的电子产品将收取专利授权费25美分,每年每项授权收费以100万美元封顶。”

压缩技术虽不是一项新技术,但是它早与人们的网络生活息息相关,如此昂贵的收费标准不仅让生产厂商望而却步,同时也间接提高相关电子产品和网络服务的成本,相对提高了价格。

曾经在很长时问内,业内都认为MPEG一4是MPEG一2理所当然的继承者,并预料其在未来长期处于支配地位,然而H.264的横空出世,对MPEG一4的生存构成严重威胁。专家预测,视频压缩领域很可能跨越MPEG一4时代,而由MPEG一2直接跨入H.264时代。目前很多厂商都处于进退维谷的两难境地,不知道该从基于MPEG一4的新产品盈利,还是直接升级到H.264以应对未来的竞争压力。有些厂商选择“抛弃MPEG一4”的理由似乎更加充分,如2004年3月底,日本最大的六家电视广播公司决定采纳H.264标准,用于向移动终端发送数字电视广播等。

2.H.264

H.264的全名是MPEG一4 AVC,简称AVC,也称JVT。H.264是人们的通称。

H.264是2003年7月经ITu批准通过的国际视频压缩标准,是由ITu—T的VcEG(视频编码专家组)和ISO/IEC的MPEG的JVT(Joint Video Team:联合视频组)开发的标准,它既是ITu—T的H.264,也称为MPEG一4 H.264;又是ISO/IE(:的MPEG一4 Partl0(MPEG一4的第10部分),称为Avc(高级视频编码);有一些行业协会又称之为MPEG一4 AVC标准。其特点如下:

(1)H.264最大的特点或最具价值的部分无疑是“更高的数据压缩比”。在同等的图像质量条件下,H.264的数据压缩比能比DVD系统中使用的MPEG一2高两倍以上,比MPEG一4高1.5~2倍,总体节省码率在50%以上。

因此,经过H.264压缩的视频数据,在网络传输过程中所需要的带宽更少,也更加经济。在MPEG一2需要6Mbps的传输速率匹配时,H.264只需要lMbps~2Mbps的传输速率。H.264将是MPEG一4强有力竞争者,有专家认为H.264是.MPEG一4以及WMV9的掘墓人。

(2)H.264的“算法”复杂程度比MPEG一2高出两倍以上,因此不断提高的硬件处理能力和不断优化的软件算法是H.264得以风行的生存基础。展望其未来最有可能成为IPTv和流媒体业务的主流格式标准,虽然不同媒体格式发展的前景并不相同,但面对纷杂的网络,H.264兼容全格式是非常必要的。

(3)由于IPTv在国内刚刚启动,大多数厂商对于IPrrv还在跟踪研究之中,因此真正能够提出规模应用IPTV解决方案的厂商并不多,基于全格式应用方案的就更为少见。

但是,从用户角度讲,方便易用、安全可靠、大屏幕、高清晰是其对IPTV的要求,因此“电视机+口机顶盒”的方式将是IPTv的发展主流,其最大的竞争对手就是CATv。随着数字电视的发展以及网络带宽的增加,HDTv节目所占比例越来越大,用户的需求也势必水涨船高,采用高清晰的媒体格式是用户需求增加的必然结果。

在MPEG4和H.z641羞两种标准之中,H.2641由于采用了多项提高图像质量和增加压缩比的技术措施,比H.263和MPEG一4节约了50%的码率,具有较强的抗干扰性,容易获得稳定的图像..而压缩比则是视频传输过程中最重要的指标,也就是说,H.264在编码技术上的优势使它比MPEG一4更先进。其实,要不是H.264出来搅局,整个消费电子领域都将可能是MPEG一4的天下。

3、AVS

AVS是我国具备自主知识产权的第二代信源编码标准,其重点解决的问题是数字音视频海量数据(即初始数据、信源)的编码压缩问题,即数字音视频编解码技术。显而易见,它是数字信息传输、存储、播放等环节的前提,因此AVS是数字音视频产业共性的基础的技术标准。

AVS可用于HDTv、HD DVD、IPTV、视频通信等领域。相对于MEPG一4、H.264两大标准,AVS的最大的弱势是产业链的规模还很缺乏,但AVS有四大优势。

(1)AVS采用自主技术,可有效避免国外的专利收费,但同时可与最新的国际标准相兼容,有利于一块芯片同时支持国内和国际两种标准。在技术方案上精简掉国际标准中因非技术原因而加入的一些不必要的模块,从而提供性价比更高的技术。

(2)Avs已经形成了43项专利(部分正在审定),包括PCT国际专利1项、美国专利1项、中国专利41项(其中香港专利2项)。另外,还有22项技术专利正在申请之中。

(3)Avs是具有我国自主控制知识产权的技术,AVS也可以兼容MPEG一4和H.264国际标准基本层,从而为今后AVS产品进入国际市场提供了便利条件。

(4)Avs不仅解决了知识产权问题,还可以大大节省带宽和存储资源。如果利用:MPEG一2传送HDTV需要占用大约20M的码率带宽,而利用AVS技术传送同样的HDTv节目只需6~8 M。从这个角度来说,一旦我国数字电视音视频编码标准采用.AVS标准,今后过渡到.HDTv时代就相对容易得多。利用MPEG一2压缩技术,一张普通的DVD光盘,只能存储20多分钟HDTV的节目,但如果利用AVS技术,普通的DVD光盘,可以存储一部HD'TV故事片。

MPEG—l

MPEG—l在1989年7月开始研究.1992年被ISO/IEC批准为正式标准,正式标准编号是ISO/IEClll72,MPEG一1规定了在数字存储介质中实现对活动图像和声音的压缩编码,编码码率最高为每秒1.5兆比特。传输速率为1.5Mbits/s,每秒播放3019贞,具有CD音质,质量级别基本与VHS(广播级录像带)相当。MPEG的编码速率最高可达4-5 Mbit/s,但随着速率的提高,其解码后的图像质量有所降低。音频压缩格式就是大家熟悉的MP3格式,这种MP3格式规定了与视频压缩相分离的音频压缩方法。应用MPEG一1技术最成功的产品非VCD莫属了,VCD作为价格低廉的影像播放设备,得到广泛的应用和普及。MPEG一1被用于数字电话网络上的视频传输,如非对称数字用户线路(ADSI。),视频点播(VOD),以及教育网络等。

MPEG一2

MPEG一2在1991年7月开始研究,是针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层的详细规定,1992年被ISO/IEC批准为正式标准,正式标准编号是ISO/IECl3818。MPEG一2不是MPEG—l的简单升级,MPEG一2在系统和传送方面作了更加详细的规定和进一步的完善。MPEG一2能够提供广播级的视像和CD级的音质。MPEG一2的音频编码可提供左右中及两个环绕声道,以及一个加重低音声道和多达七个伴音声道。MPEG一2的另一特点是,可提供一个较广范围的可变压缩比,以适应不同的画面质量、存储容量以及带宽的要求。MPEG二2特别适用于广播级的数字电视的编码和传送,被认定为SDTV和HDTV的编码标准。MPEG一2还专门规定了多路节目的复用分接方式。此外,MPEG一2还兼顾了与ATM信元的适配问题。

MPEG一2标准目前分为9个部分,其中前六部分统称为ISO/IECl3818国际标准。各部分的内容描述如下:

第一部分-ISO/IECl3818-l,System:系统,描述多个视频,音频和数据基本码流合成传输码流和节目码流的方式。

第二部分-ISO/IEcl38l 8—2,Video:视频,描述视频编码方法。

第三部分-ISO,IECl 3818—3,Audio:音频,描述与MPEG—l音频标准反向兼容的音频编码方法。

第四部分一IsO,IEcl 3818—4,Compliance:符合测试,描述测试一个编码码流是否符合MPEG_2码流的方法。

第五部分一IS0,IEcl 3818—5,Software:软件,描述了MPEG一2标准的第一、二、三部分的软件实现方法。

第六部分-ISO/IECl3818—6,DSM—CC:数字存储媒体一命令与控制,描述交互式多媒体网络中服务器与用户间的会话信令集。

第七部分-规定了不与MPEG一1多通道音频编码反向兼容。

第八部分一原计划用于10bit视频抽样编码,已停用。

第九部分一规定了传送码流的实时。

全面解决体系完整的AVS

纵观Avs标准的国际对手,1988年ISO/IEC成立了MPEG专家组;1992年推出了MPEG—l标准;1994年MPEG一2标准完成,满足了SDTV和HDTV的技术要求。

作为“后入山门”的AVs,很类似地“复制”欧美和日本在模拟电视技术和数字电视技术在标准争斗中的“手法”。在数字音视频领域技术标准之争愈演愈烈的今天,AVS正是依靠自己的后发优势,在同国际标准MPEG一2、MPEG一4、H.264等技术标准的角力中站稳了脚跟。

l、相关标准的比较

目前,全球音视频编解码技术标准主要有两大系列,一个是ISO/IEC JTCl制定的MPEG系列标准;另一个是ITu针对多媒体通信制定的H.26x系列视频编码标准和G.7系列音频编码标准。

1994年由MPEG和ITu合作制定的MPEG一2技术标准,是第一代音视频编解码标准的代表,也是目前国际上最为通行的音视频编解码标准。

经过10年多的演变,音视频编解码技术本身和产业应用背景都发生了明显变化,后起之秀辈出。如今音视频产业可以选择的信源编码技术标准有四个,按其制定时间排序如下:

第一个,MPEG_2,1994年完成。

第二个,MPEG_4,2000年完成。

第三个,MPEG__4 AVC(简称AVc,也称JTV、通称H.264),2003年完成。

第四个,Audio Video Coding Standard(简称AVS),2006年完成。

从制订者分:前三个技术标准是由MPEG专家组完成的,第四个技术标准是我国自主制定的。

从发展阶段分:MPEG一2是第一代音视频信源标准,其余三个为第二代音视频信源标准。

从主要技术指标——编码效率比较:MPEG一4是MPEG一2的1.4倍,AVS和H.264相当,都是MPEG一2的两倍以上。

可以推测,由于技术陈旧、需要更新及收费较高等原因,MPEG一2技术标准即将退出历史舞台。MPEG一4出台的新专利许可政策被认为过于苛刻令人无法接受,导致被众多运营商围攻,陷入无法推广产业化的泥沼而无力自拔,前途未卜。

AVS是基于我国创新技术和部分公开技术的自主标准,编码效率比.MPEG-2高两倍以上,与H.264相当,而且技术方喜简洁,芯片实现复杂度低,属于第二代标准的最高水平。另外,AVS通过简洁的一站式许可政策,解决了H_264专利许可等问题的死结,是开放式制订的国家和国际标准,易于普及和推广。

2、AVS是体系完整全面解决的系列标准

AVS主要包括四个部分标准和一致性测试等支撑标准。

第一部分——系统,在AVS第7次会议上通过(2003年12月18日);

第二部分——视频,在全国信息技术标准化技术委员会组织评审会上通过(2004年12月29日);

第三部分——音频,在AVS第12次全体会议上通过(2005年初);

第四部分——数字版权管理与保护,在AVS第8次会议上通过(2004年第一季度)。

相比与H.264(仅是一个视频编码标准),Avs是一套包含系统、视频、音频、媒体版权管理和一致性测试等支撑标准在内的完整标准体系,为数字音视频产业提供更全面的解决方案,可见,AVs堪称第二代信源标准之冠,当之无愧。

自主产权避免收费的AVS

AVS的主要优势除了编码效率高、实现复杂度低以外,还有一个优势——专利收费低。而MPEG一4和H.264现在面临着跟当年DVD同样的问题,那就是要交高额的专利费用。

1、 不管选用国外何种标准,其专利技术都将受制于人

压缩效率比MPEG一2标准高两倍多的AVS,可以节省信道资源和光盘存储资源,为我国数字电视音视频产业和相关芯片产业提供跨越式发展的源头。与目前广泛使用的MPEG一2相比,AVS在技术上更先进、更合理,在国内市场上,AVs将有可能取代目前的MPEG一2。另外,AVS实现产业化还可以节省相当可观的MPEG一2的技术专利费。

但是不管选用国外何种标准(如MPEG),我国数字音视频产业都摆脱不了专利技术受制于人的问题。

目前,MPEG一2每台设备被征收2.5美元的专利费,20038:之前MPEG一2对家电设备征收的专利费高达6美元,MPEG-4标准甚至还采用按使用时间收费的模式。虽然H.264的收费方式还没有最终确定,但肯定不会低于MPEG一2的收费水平。

而AVS专利管理委员会由19人组成,只象征性地收取每台(机顶盒)1元人民币的专利费。相比之下,准优准劣?

2、 MPEG正处于更新换代期,这是AVS好时机

目前,MPEG家族正处于更新换代时期,而我国已经掌握了数字音视频编解码技术,有着自主控制知识产权的AVS标准,应该说,这是一个千载难逢的好时机。与国内其他标准不同的是,AVS从一开始就着眼于“规避国外的专利问题”。当初开发Avs的基本思路是: “基于可以合法免费使用和我国自主研发的专利技术,制订出一套自主的音视频编解码技术标准。”

目前国内外共有17家供电公司支持。Avs的芯片进入市场,芯片覆盖高清、标 清、手机等多种终端。

结语

随着AVS标准的不断发展和完善,从IPTV到地面数字电视,再到高清光盘的应用、卫星直播,以及目前火爆的AVS一3D等应用,AVS正在一步一步抢占新的应用高地。特别是双国标(DTMB+AVs)应用在地面数字电视方兴未艾的内地正以燎原之势蔓延。上海东方明珠、浙江杭州、江苏无锡、山东寿光、山东青岛、河北石家庄、山西太原、峡西西安、辽宁沈阳、四川绵竹、新疆乌鲁木齐等已经正式开播AVs.是国应用典范工程。正在进行Avs测试的省市包括武汉、温州、新疆巴州、南京、宁波、广州、沈阳、呼和浩特、黑河、安阳、新乡、商丘、保定等。

截止目前,北京、上海、美国、欧洲的公司独立开发出了十多款Avs系列芯片,三款专业级Avs编码器分别在竞京、上海和美国硅谷诞生,数十款Avs机顶盒产品已经能够进入广播电视市场,Avs相关的测试设备、软件和内容的产品已经形成系列。

据专家预测,在未来10年内.Avs产业化将为信息技术企业提供3~5亿枚解码芯片,同时为企业节省10亿美元的专利费。AVs可以预见的应用还包括:建立自主的卫星电视直播系统,使得面向SDTv传输系统能直接提供HDTV服务;利用当前的光盘技术制造出新一代HD DvD机。

但面对已经形成了成熟的专利标准.在产业化方面已经占领了先机的MPEG一4和H.264.AVs能否后来者居上.产业化速度是关键之关键。Avs将和许多自主标准一样,其产业化之路也是机遇和挑战并存,就看能否抓住机遇了。