本文為論文精要，原文刊發(fā)于《廣播與電視技術(shù)》2021年第11期,。

自AVS標(biāo)準(zhǔn)工作組成立以來,，已經(jīng)制定并頒布了從AVS1到AVS3三代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，突破了國際標(biāo)準(zhǔn)的專利壟斷,。本文介紹了AVS技術(shù)的發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)體系的建立,，以及AVS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在中央廣播電視總臺電視中心的部署和應(yīng)用實(shí)踐，同時針對總臺4K超高清頻道使用的AVS2編碼標(biāo)準(zhǔn),，通過編碼工具性能研究及實(shí)時編碼設(shè)備測試評估,，提出了實(shí)用性編碼優(yōu)化建議。

本文作者：潘曉菲

中央廣播電視總臺

作者簡介：

潘曉菲,，女,，1981年生，博士生,，高級工程師,，中央廣播電視總臺技術(shù)局科長。主要從事廣播電視視音頻編碼相關(guān)技術(shù)的研究與電視中心系統(tǒng)部署應(yīng)用,，組織AVS+,、AVS2、AVS3等廣播電視視頻編碼系列標(biāo)準(zhǔn)的起草,，組織高動態(tài)范圍相關(guān)技術(shù)研究及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定工作,。

1AVS發(fā)展簡介

2006年首個自主技術(shù)的視頻編解碼國家標(biāo)準(zhǔn)（AVS標(biāo)準(zhǔn)）頒布,，徹底扭轉(zhuǎn)視頻編碼領(lǐng)域的專利收費(fèi)格局,。自2002年AVS標(biāo)準(zhǔn)工作組成立以來，經(jīng)歷了19年的發(fā)展,，已經(jīng)制定并頒布了從AVS1到AVS3這三代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn),。2013年中央廣播電視總臺在國內(nèi)首次面向高清電視節(jié)目分發(fā)應(yīng)用自主技術(shù)的AVS第一代標(biāo)準(zhǔn),，2018年面向4K超高清節(jié)目分發(fā)應(yīng)用第二代AVS2編碼標(biāo)準(zhǔn)，2021年面向8K超高清節(jié)目分發(fā)應(yīng)用第三代AVS3編碼標(biāo)準(zhǔn),。在部署應(yīng)用過程中著力解決了AVS廣播級專業(yè)設(shè)備編碼優(yōu)化等問題,，以產(chǎn)業(yè)示范應(yīng)用帶動了AVS自主技術(shù)和國產(chǎn)設(shè)備的不斷進(jìn)步。

2AVS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在

總臺的落地應(yīng)用

2.1 AVS+技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用情況

2012年中央廣播電視總臺作為“AVS技術(shù)應(yīng)用聯(lián)合推進(jìn)組”主要成員單位,，牽頭制定了廣電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《廣播電視先進(jìn)音視頻編解碼 第一部分：視頻》,，并于2013年在3D試驗(yàn)頻道中首先展開AVS+高清編碼器應(yīng)用技術(shù)試驗(yàn)，首次將自主技術(shù),、國產(chǎn)編碼器應(yīng)用于總臺編碼壓縮系統(tǒng)中,。2014年在全國范圍內(nèi)首次以AVS+編碼壓縮方式播出6套高清節(jié)目。2015年完成CCTV-3/5/8高清節(jié)目H.264碼流,、CCTV-1/5+高清節(jié)目MPEG-2碼流,，向AVS+方式編碼壓縮方式的轉(zhuǎn)換，至此完成總臺全部11套高清節(jié)目的AVS+轉(zhuǎn)換工作,。2017年～2020年繼續(xù)完成總臺其余高清公共頻道,、付費(fèi)高清頻道的AVS+編碼壓縮分發(fā)。由此也在全國范圍內(nèi)在節(jié)目傳輸高清編碼領(lǐng)域帶動了自主技術(shù),、國產(chǎn)設(shè)備的全面快速發(fā)展,。

2.2 AVS2技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用情況

AVS2編碼標(biāo)準(zhǔn)于2016年頒布，中央廣播電視總臺于2018年10月上星首個4K超高清頻道,，帶動了AVS2編解碼產(chǎn)品的落地應(yīng)用,，推進(jìn)了整體產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程?？偱_4K超高清頻道全部采用國標(biāo)AVS2的編碼技術(shù),，在此過程中解決了自主技術(shù)的編解碼設(shè)備產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,，以及編碼壓縮的系統(tǒng)級部署,，編碼壓縮、分發(fā)和接收的端到端關(guān)鍵技術(shù)問題,。
目前,，總臺建設(shè)的AVS2編碼壓縮系統(tǒng)可支持6套4K超高頻頻道的編碼壓縮和節(jié)目流分發(fā)，后續(xù)還將支持總臺奧林匹克4K超高清頻道等的播出,。除播出信號編碼分發(fā)外,，目前在上海傳媒港直播影院的節(jié)目分發(fā)等領(lǐng)域總臺也在積極展開AVS2編碼技術(shù)的應(yīng)用推進(jìn)。

2.3 AVS3技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用情況

2021年2月總臺試播全國首個8K超高清試驗(yàn)頻道,，并在2021年的春節(jié)聯(lián)歡晚會期間進(jìn)行首次8K直播,，為觀眾帶來一場跨時空的視聽盛宴。8K超高清視頻信號的信息量是4K超高清視頻的四倍,，必須使用更高效且低損耗的編碼方式對其進(jìn)行壓縮,，為此,，總臺聯(lián)合北京大學(xué)、鵬程實(shí)驗(yàn)室等科研單位加緊推進(jìn)了AVS3編碼標(biāo)準(zhǔn)的出臺和落地,。2021年1月,，總臺頒布《中央廣播電視總臺8K超高清電視節(jié)目制播技術(shù)要求（暫行）》，明確對8K超高清視頻編解碼技術(shù)采用AVS3標(biāo)準(zhǔn),。

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定后,，總臺與AVS3編碼器廠商立即展開技術(shù)試驗(yàn)，重點(diǎn)探索了8K超高清節(jié)目的傳送分發(fā)碼率范圍,，解決AVS3復(fù)雜算法的實(shí)時性優(yōu)化難題,，進(jìn)一步優(yōu)化編碼質(zhì)量。同時明確系統(tǒng)級部署應(yīng)用的上下游設(shè)備接口和功能要求,，為后續(xù)規(guī)?；漠a(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供有效的指導(dǎo)。

除8K超高清頻道編碼壓縮分發(fā)應(yīng)用外,，總臺還將在“5G+4K/8K超高清制播示范平臺”項(xiàng)目中在8K節(jié)目采集環(huán)節(jié)中對AVS3編解碼技術(shù)展開技術(shù)試驗(yàn),。

3AVS2編碼技術(shù)優(yōu)化研究

從高清到4K/8K超高清，視頻圖像的數(shù)據(jù)量大幅提升,，相應(yīng)的節(jié)目分發(fā)編碼算法應(yīng)用也從第1代AVS1發(fā)展到了壓縮效率更高的AVS2和AVS3,，在提升壓縮效率的同時，算法復(fù)雜度也隨之大幅提升,。但廣播電視節(jié)目的分發(fā)對實(shí)時性要求極高,，AVS算法復(fù)雜程度的提升也對產(chǎn)品實(shí)時性帶來了空前的壓力與挑戰(zhàn)。為了提高4K電視節(jié)目圖像質(zhì)量,，提升傳輸效率,，需要對視音頻信號編碼技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。中央廣播電視總臺開播的4K超高清頻道采用AVS2編碼進(jìn)行電視節(jié)目傳輸,，因此我們針對AVS2編碼技術(shù)的優(yōu)化進(jìn)行了進(jìn)一步研究,。

3.1 AVS2與其他視頻編碼關(guān)鍵技術(shù)對比

與上一代編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264和AVS+相比，AVS2采用了基于編碼單元,、預(yù)測單元和變換單元的圖像劃分結(jié)構(gòu),，能更好地適配更高分辨率的內(nèi)容；在預(yù)測方面,，采用更加豐富的預(yù)測模式來提升預(yù)測精度,；在濾波方面，AVS在傳統(tǒng)的去塊效應(yīng)濾波基礎(chǔ)上,，新增了樣本自適應(yīng)偏置濾波和自適應(yīng)環(huán)路濾波,，能夠更加有效地提升主觀重建質(zhì)量；在變換方面，AVS2支持的變換核種類更多,，可以進(jìn)一步提升編碼效率。

在同代技術(shù)比較方面,，AVS2和HEVC屬于一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn),，都針對高分辨率圖像編碼提出了更有效的編碼技術(shù)。但二者在預(yù)測,、變換和熵編碼等環(huán)節(jié)中的具體技術(shù)也存在著差異,。AVS2和H.264、AVS+,、HEVC標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)對比情況如表1所示,。

綜上，為提升編碼效率,，AVS2在塊結(jié)構(gòu),、幀內(nèi)預(yù)測、幀間預(yù)測,、變換,、濾波、熵編碼等各個環(huán)節(jié)都采用了新的編碼技術(shù),，能夠更加適配超高清視頻內(nèi)容特性,。但較同時代技術(shù)復(fù)雜度更高，較上一代技術(shù)復(fù)雜度提升明顯,。在使用參考軟件進(jìn)行編碼仿真實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),，在算法復(fù)雜度上，根據(jù)參考軟件計(jì)算時間評估,，AVS2計(jì)算時間是HEVC（同等參數(shù)開啟條件下）的2.3倍,，AVS2編碼計(jì)算時間約為50000∶1（超高清）、6500∶1（高清）,，可見其復(fù)雜度極高,。

3.2 AVS2編碼復(fù)雜度客觀測試評估和優(yōu)化建議

在算法效率及復(fù)雜度客觀研究方面，常用的方法是通過對參考軟件逐一或組合開啟各工具集,，記錄相應(yīng)的仿真計(jì)算時間和客觀失真值,，從而綜合評估編碼工具對編碼性能和編碼時間的影響。我們對AVS2參考軟件進(jìn)行設(shè)置,，比較了所有編碼工具都打開時與某個編碼工具關(guān)閉時編碼性能和編碼時間的差異,，對不同編碼工具的編碼復(fù)雜度進(jìn)行了分析。AVS2編碼中主要使用的編碼工具開啟后對編碼性能和編碼時間的影響總結(jié)如表2所示,。

通過表2可以看出：F幀,、多方向B幀跳過、短距離幀內(nèi)預(yù)測等編碼工具對編碼性能提升有限，但帶來的編碼時間增加較多,。當(dāng)編碼資源有限,，實(shí)時性要求較高，尤其是面向信號實(shí)時編碼時,，可以優(yōu)先關(guān)閉這些工具,，能夠在保證編碼質(zhì)量的情況下提升編碼器編碼速度。

3.3 AVS2實(shí)時編碼器測試評估和優(yōu)化建議

上文提到對于理想的參考編碼軟件,，即當(dāng)多有編碼工具集全部開啟時,，編碼效率約為50000:1（超高清）。因此實(shí)際的實(shí)時編碼器并不會開啟全部的編碼工具集,，通常選擇對質(zhì)量優(yōu)化有明顯貢獻(xiàn)且復(fù)雜度可以承受的一組工具集進(jìn)行應(yīng)用,，同時對一個編碼工具還會限制參數(shù)范圍以進(jìn)一步降低算法復(fù)雜度。

事實(shí)上,，在AVS2編碼器早期應(yīng)用時,，部分廠商選擇了CPU+GPU的技術(shù)路線，GPU用來完成簡單的單向圖像處理,，CPU則負(fù)責(zé)復(fù)雜邏輯的圖像預(yù)測等,。近年來隨著高性能CPU的廣泛應(yīng)用，眾多編碼器廠商不再采用GPU而選用高性能CPU方案,，圖像質(zhì)量進(jìn)一步提升,。但高性能CPU的應(yīng)用，使得設(shè)備體積大,、功耗高,，一臺單路的AVS2超高清編碼器功耗達(dá)550W以上。隨著日本一些芯片廠商推出專業(yè)編碼芯片,，國內(nèi)一部分AVS2編碼廠商也嘗試了CPU+FPGA+編碼芯片的技術(shù)路線,。這類編碼器功耗大大降低，單路4K超高清AVS2編碼器的功耗在300W以下,，編碼延時量也大大降低,。當(dāng)然受限于芯片計(jì)算能力，這類設(shè)備的編碼質(zhì)量較純CPU的編碼器有一定的損傷,。

為了評估實(shí)際編碼器的實(shí)現(xiàn)性能,，我們對總臺實(shí)際使用的AVS2實(shí)時編碼器設(shè)備進(jìn)行了編碼測試，這里均為純CPU的編碼設(shè)備,?？紤]到目前4K超高清頻道播出時，實(shí)際應(yīng)用碼率為36Mbps,，我們也重點(diǎn)分析了該碼率點(diǎn)下AVS2編碼的客觀編碼質(zhì)量,。AVS2實(shí)際編碼器設(shè)備主要采用的編碼工具集及參數(shù)如表3所示,。

綜上，隨著CPU計(jì)算能力的進(jìn)一步提升,，AVS2實(shí)時編碼器可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)上,，在CU劃分、幀內(nèi)預(yù)測,、幀間預(yù)測和濾波等工具實(shí)現(xiàn)上進(jìn)一步優(yōu)化,，提升編碼質(zhì)量。

3.4 AVS2和HEVC 4K超高清編碼器性能主觀評價

上述比較了作為同代編碼標(biāo)準(zhǔn)AVS2和HEVC在算法關(guān)鍵技術(shù)上的區(qū)別,。經(jīng)過3年多的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，AVS2編碼器在編碼優(yōu)化水平和穩(wěn)定性方面都有了顯著提升,。我們對總臺現(xiàn)有實(shí)際使用的AVS2和HEVC4K超高清實(shí)時編解碼設(shè)備,，在36Mbps壓縮編碼碼率點(diǎn)進(jìn)行了主觀測試評估對比，結(jié)果如表4所示,。

4小結(jié)

自2002年AVS標(biāo)準(zhǔn)工作組成立以來，我國全自主技術(shù)的AVS編碼標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)歷經(jīng)19年的發(fā)展,，形成了緊隨電視技術(shù)發(fā)展,，全面覆蓋標(biāo)清到8K超高清視頻信號的編碼標(biāo)準(zhǔn)體系，提高了我國電視產(chǎn)業(yè)的自主權(quán)和國產(chǎn)廠商在這一領(lǐng)域的國際競爭力,。中央廣播電視總臺作為“AVS技術(shù)應(yīng)用聯(lián)合推進(jìn)組”主要成員單位,，正在逐步部署開播使用AVS2編碼壓縮標(biāo)準(zhǔn)的多個4K超高清頻道?；贏VS2編碼優(yōu)化研究提出的編碼工具集的選擇應(yīng)用建議和對編碼壓縮系統(tǒng)中使用的AVS2實(shí)時編碼器進(jìn)行的編碼性能測試評估,，進(jìn)一步推進(jìn)解決了自主技術(shù)的編解碼設(shè)備產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,，以及編碼壓縮的系統(tǒng)級部署,，解決了編碼壓縮、分發(fā)和接收的端到端關(guān)鍵技術(shù)問題,。

本文受國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“云計(jì)算與大數(shù)據(jù)”重點(diǎn)專項(xiàng)（批準(zhǔn)號：2017YFB1002400）資助,。

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