音視頻編碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)AVS——視頻技術(shù)概述

    AVS是中國自主制定的音視頻編碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。AVS工作組成立于2002年6月，當(dāng)年8月開始了第一次的工作會議。經(jīng)過7次AVS正式工作會議和3次視頻組附加會議，經(jīng)歷一年半的時間，審議了182個提案，先后采納了41項提案，2003年12月19日AVS視頻部分終于定稿！當(dāng)前，AVS視頻主要面向高清晰度電視、高密度光存儲媒體等應(yīng)用中的視頻壓縮。

    在2002年的最初幾次會議中，視頻組專家統(tǒng)一了以當(dāng)前國際上最先進(jìn)的MPEG-4 AVC/ H.264框架為起點，自主制定適合既定應(yīng)用的中國標(biāo)準(zhǔn)，其中強(qiáng)調(diào)自主知識產(chǎn)權(quán)，同時充分考慮實現(xiàn)復(fù)雜度。

   　一、AVS-視頻的核心技術(shù)

��   AVS-視頻當(dāng)中具有特征性的核心技術(shù)包括：8x8整數(shù)變換、量化、幀內(nèi)預(yù)測、1/4精度像素插值、特殊的幀間預(yù)測運(yùn)動補(bǔ)償、二維熵編碼、去塊效應(yīng)環(huán)內(nèi)濾波等。

��  1.變換量化

    AVS的8x8變換與量化可以在16位處理器上無失配地實現(xiàn)，從而克服了MPEG-4 AVC/ H.264之前所有視頻壓縮編碼國際標(biāo)準(zhǔn)中采用的8x8 DCT變換存在失配的固有問題。而MPEG-4 AVC/ H.264所采用的4x4整數(shù)變換在高分辨率的視頻圖像上的去相關(guān)性能不及8x8的變換有效。AVS采用了64級量化，可以完全適應(yīng)不同的應(yīng)用和業(yè)務(wù)對碼率和質(zhì)量的要求。在解決了16位實現(xiàn)的問題后，目前AVS所采用的8x8變換與量化方案，即適合于16位DSP或其他軟件方式的快速實現(xiàn)，也適合于ASIC的優(yōu)化實現(xiàn)。

  　2.幀內(nèi)預(yù)測

��  AVS的幀內(nèi)預(yù)測技術(shù)沿襲了MPEG-4 AVC/ H.264幀內(nèi)預(yù)測的思路，用相鄰塊的像素預(yù)測當(dāng)前塊，采用代表空間域紋理方向的多種預(yù)測模式。但AVS亮度和色度幀內(nèi)預(yù)測都是以8x8塊為單位的。亮度塊采用5種預(yù)測模式，色度塊采用4種預(yù)測模式，而這4種模式中又有3種和亮度塊的預(yù)測模式相同。在編碼質(zhì)量相當(dāng)?shù)那疤嵯�，AVS采用較少的預(yù)測模式，使方案更加簡潔、實現(xiàn)的復(fù)雜度大為降低。

  　3.幀間預(yù)測

    幀間運(yùn)動補(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物體運(yùn)動，提高運(yùn)動搜索的準(zhǔn)確性。實驗表明，對于高分辨率視頻，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。較少的塊模式，能降低運(yùn)動矢量和塊模式傳輸?shù)拈_銷，從而提高壓縮效率、降低編解碼實現(xiàn)的復(fù)雜度。

    AVS和MPEG-4 AVC/ H.264都采用了1/4像素精度的運(yùn)動補(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，減小了數(shù)據(jù)存取帶寬需求，這在高分辨率視頻壓縮應(yīng)用中是非常有意義的。

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

    AVS的B幀的雙向預(yù)測使用了直接模式(direct mode)、對稱模式(symmetric mode)和跳過模式(skip mode)。使用對稱模式時，碼流只需要傳送前向運(yùn)動矢量，后向運(yùn)動矢量可由前向運(yùn)動矢量導(dǎo)出，從而節(jié)省后向運(yùn)動矢量的編碼開銷。對于直接模式，當(dāng)前塊的前、后向運(yùn)動矢量都是由后向參考圖像相應(yīng)位置塊的運(yùn)動矢量導(dǎo)出，無需傳輸運(yùn)動矢量，因此也可以節(jié)省運(yùn)動矢量的編碼開銷。跳過模式的運(yùn)動矢量的導(dǎo)出方法和直接模式的相同，跳過模式編碼的塊其運(yùn)動補(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，而不需要傳輸運(yùn)動矢量、補(bǔ)償殘差等附加信息。

��  4.熵編碼

�牐燗VS熵編碼采用自適應(yīng)變長編碼技術(shù)。

   在AVS熵編碼過程中，所有的語法元素和殘差數(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。

    對預(yù)測殘差的塊變換系數(shù)，經(jīng)掃描形成（level、run）對串，level、run不是獨立事件，而存在著很強(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、run的不同概率分布趨勢，自適應(yīng)改變指數(shù)哥倫布碼的階數(shù)。

��  二、AVS-視頻目前的性能與應(yīng)用

  　AVS-視頻目前定義了一個檔次（profile）即基準(zhǔn)檔次。該基準(zhǔn)檔次又分為4個級別(level)，分別對應(yīng)高清晰度與標(biāo)準(zhǔn)清晰度應(yīng)用。
與MPEG-4 AVC/ H.264的baseline profile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，又減少了CABAC等實現(xiàn)難度大的技術(shù)，從而增強(qiáng)了可實現(xiàn)性。

   AVS-視頻的主要特點是應(yīng)用目標(biāo)明確，技術(shù)有針對性。因此在高分辨率應(yīng)用中，其壓縮效率明顯比現(xiàn)在在數(shù)字電視、光存儲媒體中常用的MPEG-2視頻提高一個層次。在壓縮效率相當(dāng)?shù)那疤嵯拢�又較MPEG-4 AVC/ H.264的 main profile的實現(xiàn)復(fù)雜度大為降低。

   目前的AVS-視頻技術(shù)可實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)清晰度（CCIR 601或相當(dāng)清晰度）、低清晰度（CIF、SIF）等不同格式視頻的壓縮，但針對此類應(yīng)用的壓縮效率還有待提高，這應(yīng)當(dāng)是AVS-視頻下一步的工作重點。