数字音视频编解码技术标准AVS优势分析及应用前景展望

摘要 本文首先从技术和应用两个层面对AVS标准和MPEG-4 AVC/H.264等国际主流编解码标准进行了全面深入地优势对比。在此基础上，简要综述了AVS的应用现状，并对AVS标准的应用前景进行了展望。

关键词 AVS  MPEG-4 AVC/H.264  编解码标准

1 AVS简介

AVS（Audio Video Standard）是我国第一个具有自主知识产权、达到国际先进水平的数字音视频编解码技术标准，是高清晰度数字电视、高清晰度激光视盘机、网络电视、视频通信等重大音视频应用所共同采用的基础性标准。

AVS包括系统、视频、音频、数字版权管理等四个主要技术标准和一致性测试等支撑标准，它重点解决了数字音视频海量数据的编码压缩问题，是数字信息传输、存储、播放等环节的通用标准。

2006年2月21日，国家标准委正式审批通过AVS视频标准（标准编号为GB/T 20090.2-2006、标准名称为《信息技术 先进音视频编码第2部分：视频》），并于2006年3月1日起正式实施。AVS视频标准获得国家标准委的通过，标志着AVS全面标准化进程取得了突破性胜利，也为AVS音频、数字版权管理以及移动视频等部分的标准化奠定了良好的基础。

2 AVS优势分析

在视频编解码技术标准方面，目前国际主流编解码标准分别有MPEG-2、MPEG-4以及MPEG-4 AVC/H.264等几种，因此，本节着重从技术和应用两个层面将AVS标准和上述国际主流编解码标准进行优势对比。

2.1 技术优势

2.1.1 技术对比

在编码原理方面，AVS视频标准与MPEG标准都采用混合编码体系，包括变换、量化、熵编码、帧内预测、帧间预测、环路滤波等技术模块，这也是当前主流的编码原理。AVS的主要创新在于提出了一批具体的优化技术，在较低的复杂度下实现了与国际标准相当的技术性能。AVS视频标准核心技术包括：8×8整数变换、量化、帧内预测、加权预测、B帧宏块直接编码、B帧宏块双向预测、去块效应环路滤波以及容错编码等。

在变换与量化方面，与MPEG-2以及MPEG-4 AVC/H.264不同的是，AVS采用8×8整数转换；编码端进行归一化，解码端不需要归一化；变换与量化归一化相结合，通过乘法、移位等方式实现。与MPEG-4 AVC/H.264相比，变换与量化效率提高了约0.1dB。

在帧内预测方面，与MPEG-4 AVC/H.264相比，AVS基于8×8块，分别定义了5种亮度预测模式和4种色度预测模式，两者性能基本相当。

在加权预测方面，AVS的加权预测功能可以在很大程度上改善编码效率，尤其是在场景转换和照明变化时。加权预测采用了一种简单的线性模式，能够实现在预测的图像内进行编码。此外，每个宏块均可以自由选择是否采用加权预测。

在B帧宏块直接编码模式方面，相比于MPEG-4 AVC/H.264采用独立空域或时域的预测模式，AVS采用时域、空域相结合的模式，当时域内后向参考帧中用于导出运动矢量的块为帧内编码时，使用空域相邻块的运动矢量进行预测，从而将编码效率提高约0.2-0.3dB。

在B帧宏块双向预测模式方面，AVS采用对称预测模式，只编码一个前向运动矢量，后向运动矢量由前向导出。该方法能够有效降低计算复杂度。

在去块环路滤波方面，相比于MPEG-4 AVC/H.264基于4×4块边缘而言，AVS基于8×8块边缘进行环路滤波，滤波强度分类大为简化，计算复杂度得到极大降低。

在容错编码方面，相比于MPEG-4 AVC/H.264采用数据分割、复杂的FMO/ASO等宏块、条带组织机制，AVS采用简单的条带划分机制，足以满足广播应用中的错误隐藏、恢复需求，实现起来非常简洁方便。

2.1.2 主观评价对比

衡量编码压缩效果的标准主要有主观评价和客观评价两种。主观评价是聘请专业的评价人员在专门的视听环境中、对压缩之后再恢复的视听效果和原始效果的差异、按照一定的规则进行评分。客观评价则是通过一种具体的算法来统计数据压缩结果，例如信噪比SNR的大小等。有时主观评价和客观评价结果相差很大，因此往往需要两者分别进行、最后进行综合评价。对一套标准的评价，通常开发过程中采用客观评价的方法，但最终需要得到主观评价的确认。

2005年4月至9月，国家广电总局广播电视规划院对经过AVS参考软件编解码后的标准清晰度和高清晰度视频进行主观评价测试。测试结果显示：在标清情况下，AVS码率为3Mbps时测试结果为优秀，码率为1.5Mbps时测试结果为良好；在高清情况下，AVS码率为10Mbps时测试结果为优秀，码率为6Mbps时测试结果为良好到优秀。

考虑到目前使用MPEG-2标准进行高清电视广播时，一般使用20Mbps的码率；使用MPEG-2标准进行标清电视广播时，一般使用5-6Mbps的码率，通过对比本次测试结果可知：在视频编码效率比MPEG-2标准高2~3倍的前提下，AVS视频质量完全达到了广播所需的“良好”以上要求。对比MPEG标准组织对MPEG-4 AVC/H.264的测试报告可知，AVS在编码效率上与其处于同等技术水平，比MPEG-4高20-30%。

2.1.3 客观评价对比

对视频编码标准进行客观评价的常用方法是测试峰值信噪比PSNR的大小。通过对相同码率条件下AVS与MPEG-2以及MPEG-4 AVC/H.264的峰值信噪比PSNR的大小进行对比可以看出，AVS相比于MPEG-2标准编码效率平均提高2.56dB，相比于H.264标准编码效率略低，平均有0.11dB的损失。

2.1.4 复杂度对比

如前所述，由于AVS视频标准中采用诸如基于8×8块的帧内预测、变块大小运动补偿、B帧宏块双向预测、特色的变换与量化、去块效应环路滤波以及容错编码等一系列优化技术，因此，与MPEG-4 AVC/H.264相比，AVS编解码复杂度大为降低。初步估算，AVS解码复杂度相当于前者的30%，编码复杂度相当于前者的70%。

2.2 应用优势

众所周知，重大标准通常涉及到上百项甚至上千项专利。例如，目前MPEG-2标准参与收费的专利达到100多项，而新制定的MPEG-4 AVC/H.264标准，涉及的收费专利的数量更是成倍增长。专利数量的增加，带来的是巨大的专利费风险。举例来说，某电信运营商的IPTV一旦选择H.264标准，那么目前一年光专利费就将达到500万美元，但这还不是全部。因为，H.264有两个专利池，目前收费的只是其中一个不到100项专利的专利池，还有一个大约800项专利的专利池目前没有开始收费！

忽视国外专利对于中国企业来说，后果无疑是灾难性的，那就是源源不断向国际标准专利组织交纳沉重的专利费用。一个血淋淋的教训，就是中国的“VCD之觞”。早在中国的VCD产业发展之初，所有的专利池成员从未表示过要收取专利费。但当中国的VCD产业蓬勃发展起来后，那些专利池成员便纷纷张开了血盆大口。

此外，包括MPEG-4 AVC/H.264在内的国际标准不仅要对设备商收取不菲的授权费用，而且还要对内容商和运营商收取高昂的费用。据专家透露，对于中国运营商而言，一旦选用MPEG-4 AVC/H.264标准，未来属于2500万用户以上级别的运营平台，每年须先交30万美元的专利费；每次播放长于12分钟的节目也要收取专利费，按运营商第一次销售价格的2%收取；高于0.02美元的节目，则按每部0.02美元进行收取。这种收费方法对中国极为不利。因为中国庞大的用户群本来能够有效降低运营商运营成本，但按照用户数来收取不同的专利费，该优势将荡然无存；而且每年都交，相当于没有止境；此外每播放一个节目也要收取专利费，更是毫无公平可言。

相反，以自主专利技术为专利池主体的AVS标准，只对设备提供商一次性收取每台1元人民币的低廉专利费，并不向内容商和运营商收取任何费用，因此具有在国际范围内推广应用的良好基础。

由此可见，相比于MPEG-4 AVC/H.264等国际标准，我国自主开发的AVS标准不仅性能上达到国际标准同等水平，而且实现复杂度低、知识产权政策明晰，具备巨大的应用优势。

3 AVS应用现状

自2006年3月AVS视频标准正式成为国家标准以来，AVS标准就进入了大规模产业化启动期。截至2007年3月，AVS工作组成员已达162家，其中中国大学和研究所占25％，总部在海外的企业和研究机构占30％。产业联盟内的企业几乎覆盖了整个产业链，包括前端设备、系统提供商、芯片供应商、机顶盒厂商等。

从AVS的应用领域来看，中国网通IPTV、移动电视CMMB已经决定使用AVS标准；中国电信也在积极展开基于AVS标准的IPTV测试；此外，AVS标准已经被列入北京市视频监控地方标准，成为其中的视频编解码标准必选项之一。

在编码器方面，作为中国最大的数字电视系统提供商以及国内唯一能提供完整数字电视系统解决方案的一体化产品供应商的北京数码视讯，已经率先开发出基于AVS标准的专业编码器产品。该编码器能够支持CIF到高清各种分辨率的实时编码，视频输出码率0.2~12Mbps范围内连续可调。国内包括上广电和联合信源等各大公司也在积极开展基于AVS标准的编码器、转码器等设备的研发，据报也有相关产品推出。此外，美国著名编码器厂商ENVIVIO也计划在2007年年内推出AVS编码器。

在芯片方面，目前国内芯片厂商天津宏景和上海龙晶已经具备研发、生产基于AVS标准芯片的能力，美国博通公司也有望在2007年年内研发出AVS高清解码芯片产品。

2007年是AVS标准应用的关键阶段。AVS产业化趋势会进一步明朗，产业链参与度、政府支持力度也会越来越大，一些应用领域将会出现大量AVS应用项目。随着AVS标准在各个领域应用的不断深入，特别是系统级运营商的强力加入，将进一步激发国内外设备提供商以及IC公司开发基于AVS标准编解码产品的兴趣。

4 AVS前景展望

基于我国自主研发的数字音视频编解码技术标准AVS，不仅编码效率比第一代标准MPEG-2提高2-3倍，达到了第二代标准MPEG-4 AVC/H.264的同等水平，而且技术实现方案更简洁，芯片实现复杂度更低。同时，采用AVS标准可节省一半以上的无线频谱和有线信道资源，这对于改善无线频谱和有线信道资源日趋紧张的现状，将是非常有效的。

虽然当前MPEG-4和H.264在成熟度以及内容支持上要比AVS稍显优势，但AVS低廉的专利费、明晰的知识产权许可政策从长远来说对运营商以及设备商更具诱惑力。

此外，包括MPEG-4 AVC/H.264在内的国际标准只是音视频编码标准，而AVS是包含系统、视频、音频、数字版权管理在内的一整套完整的标准体系，因此其应用的广泛性和全面性是MPEG-4 AVC/H.264等国际标准所无法比拟的。

相信随着国家和相关行业对AVS标准支持力度的不断增大，随着AVS标准自身的不断发展与完善，在不久的将来，AVS必将成为国际第二代数字音视频编解码技术标准的首选！