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AVS與國際標準MPEG的比較

2006/10/20

一、技術(shù)對比

　　AVS視頻與MPEG標準都采用混合編碼框架（見(jiàn)圖1），包括變換、量化、熵編碼、幀內預測、幀間預測、環(huán)路濾波等技術(shù)模塊，這是當前主流的技術(shù)路線(xiàn)。AVS的主要創(chuàng )新在于提出了一批具體的優(yōu)化技術(shù)，在較低的復雜度下實(shí)現了與國際標準相當的技術(shù)性能，但并未使用國際標準背后的大量復雜的專(zhuān)利。AVS-視頻當中具有特征性的核心技術(shù)包括：8x8整數變換、量化、幀內預測、1/4精度像素插值、特殊的幀間預測運動(dòng)補償、二維熵編碼、去塊效應環(huán)內濾波等。

　　AVS視頻標準定義了I幀、P幀和B幀三種不同類(lèi)型的圖像，I幀中的宏塊只進(jìn)行幀內預測，P幀和B幀的宏塊則需要進(jìn)行幀內預測或幀間預測，圖中S0是預測模式選擇開(kāi)關(guān)。預測殘差進(jìn)行8×8整數變換（ICT）和量化，然后對量化系數進(jìn)行zig-zag掃描（隔行編碼塊使用另一種掃描方式），得到一維排列的量化系數，最后對量化系數進(jìn)行熵編碼。AVS視頻標準的變換和量化只需要加減法和移位操作，用16位精度即可完成。

　　AVS視頻標準使用環(huán)路濾波器對重建圖像濾波，一方面可以消除方塊效應，改善重建圖像的主觀(guān)質(zhì)量；另一方面能夠提高編碼效率。濾波強度可以自適應調整。

　　AVS標準支持多種視頻業(yè)務(wù)，考慮到不同業(yè)務(wù)之間的互操作性，AVS標準定義了檔次（profile）和級別（level）。檔次是AVS定義的語(yǔ)法、語(yǔ)義及算法的子集；級別是在某一檔次下對語(yǔ)法元素和語(yǔ)法元素參數值的限定集合。為了滿(mǎn)足高清晰度/標準清晰度數字電視廣播、數字存儲媒體等業(yè)務(wù)的需要，AVS視頻標準定義了基準檔次（Jizhun profile）和4個(gè)級別（4.0、4.2、6.0和6.2），支持的最大圖像分辨率從720×576到1920×1080，最大比特率從10 Mbit/s到30 Mbit/s。

　　DCT（Discrete Cosine Transform）：離散余弦變換

　　VLC（Variable Length Coding）：變長(cháng)編碼

　　CAVLC（Context-based Adaptive Variable Length Coding）：基于上下文的自適應變長(cháng)碼

　　CABAC（Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding）：基于上下文的自適應二進(jìn)制算術(shù)編碼

　　FMO（Flexible Macroblock Ordering）：靈活的宏塊排序

　　ASO（Arbitrary Slice Ordering）：任意條帶排列

二、主觀(guān)評價(jià)和客觀(guān)測試

　　壓縮效果的評價(jià)標準有主觀(guān)評價(jià)和客觀(guān)評價(jià)兩種，各有優(yōu)缺點(diǎn)。主觀(guān)評判是聘請專(zhuān)門(mén)的評價(jià)人員來(lái)比較壓縮之后再恢復的視聽(tīng)效果和原始效果的差異，通常是在專(zhuān)門(mén)的視聽(tīng)環(huán)境中按照一定的規則進(jìn)行主觀(guān)評分。客觀(guān)評判則是通過(guò)一種具體的算法來(lái)統計多媒體數據壓縮結果的損失，例如信噪比SNR（即信號與噪聲之比的對數）。主觀(guān)評判和客觀(guān)評判有時(shí)相差很大，因此衡量一個(gè)算法的好壞就需要在這二者之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。對一套標準的評價(jià)，通常開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用客觀(guān)評價(jià)的方法，但最終要得到主觀(guān)評價(jià)的確認。

　　1．MPEG-4 AVC視頻標準主觀(guān)測試

　　2002年10-12月，MPEG 組織了專(zhuān)題組對AVC (ISO/IEC 14496-10 | ITU-T Rec. H.264) 與MPEG-4 Visual (ISO/IEC 14496-2)和MPEG-2 Video (ISO/IEC 13818-2)標準進(jìn)行了測試。測試在FUB/ISCTI (意大利)、NIST (美國)和TUM (德國)進(jìn)行，測試結果表明AVC的編碼性能有顯著(zhù)提高。

　　本次測試標準清晰度（SD）和高清晰度（HD）采用的測試條件（視頻序列和碼率）

　　如下表：

　　圖像質(zhì)量主觀(guān)評價(jià)試驗依據ITU-R BT.500-11 《Methodology for the subjective assessment of the quality of television pictures（電視圖像質(zhì)量主觀(guān)評價(jià)方法）》（下面可以看到AVS的兩次主觀(guān)測試同樣采用的是這個(gè)測試標準）。測試結果如下表：

　　由表可以看出，12個(gè)可比項中有8個(gè)的N大于等于1.5，有3個(gè)大于等于2，有一個(gè)等于4。

　　由表可以看出，AVC與MPEG-2參考軟件比，12個(gè)可比項中有9個(gè)的N大于等于1.8，有2個(gè)大于等于4。

　　由表可以看出，AVC與優(yōu)化的MPEG-2高清編碼器比，9個(gè)可比項中有7個(gè)的N大于等于1.7，有3個(gè)大于等于2，有一個(gè)等于3.3。

　　由表可以看出，AVC與MPEG-2參考軟件比，9個(gè)可比項中有8個(gè)的N大于等于1.7，有4個(gè)大于等于2。

　　總體上講，AVC與MPEG-2對比，85個(gè)比對中66對MPEG-2的碼率要達到1.5倍才能與AVC達到同樣質(zhì)量，其中51對MPEG-2碼率要達到AVC的2倍才能達到AVC的質(zhì)量。換句話(huà)說(shuō)，在60%的情況下，AVC的編碼效率能夠達到MPEG-2的兩倍。

　　鑒于A(yíng)VC的編碼效率能夠達到MPEG-2的2倍，我國有關(guān)測試機構在測試AVS時(shí)，通常把AVS視頻的碼率也設在MPEG-2典型碼率的二分之一或更低，也就是測試AVS編碼效率是MPEG-2的2倍或更高的情況下的AVS視頻的編碼質(zhì)量是否能夠廣播要求。

　　2．AVS主觀(guān)測試—— 國家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監督檢驗中心數字電視用戶(hù)端產(chǎn)品測試實(shí)驗室

　　2004年11月15日至12月26日，依據數字音視頻編解碼技術(shù)標準工作組的委托，國家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監督檢驗中心數字電視用戶(hù)端產(chǎn)品測試實(shí)驗室對工作組送檢的AVS視頻編/解碼方案組織了圖像質(zhì)量主觀(guān)評價(jià)試驗。通過(guò)對委托方提供的AVS軟編/解碼器的主觀(guān)評價(jià)試驗，評價(jià)AVS視頻壓縮方案的性能。

　　圖像質(zhì)量主觀(guān)評價(jià)試驗依據ITU-R BT.500-11 《Methodology for the subjective assessment of the quality of television pictures（電視圖像質(zhì)量主觀(guān)評價(jià)方法）》和ITU-R BT.710-2《Subjective assessment of image quality in high-definition television（高清晰度電視圖像質(zhì)量的主觀(guān)評價(jià)）》，采用雙刺激連續質(zhì)量標度（DSCQS）法評價(jià)AVS視頻編/解碼系統處理后的圖像質(zhì)量相對于未經(jīng)壓縮的原始圖像質(zhì)量的差別。

　　本次視頻圖像質(zhì)量主觀(guān)評價(jià)的目的是通過(guò)比較經(jīng)AVS編/解碼系統處理過(guò)的圖像質(zhì)量與原始素材圖像質(zhì)量的差別來(lái)評價(jià)AVS視頻編/解碼方案的總體性能，評價(jià)素材的選擇內容應廣泛且嚴酷度適當。所選擇的測試序列應能反應圖像的亮度再現、彩色再現、靜態(tài)空間分辨率、動(dòng)態(tài)空間分辨率、運動(dòng)再現、視在深度效果、臨場(chǎng)感、閃爍性能和熟悉的色調的再現等特性。希望通過(guò)所選擇的節目能夠充分、準確地反映被評價(jià)的視頻編/解碼方案的性能。測試序列包括8個(gè)高清晰度節目和8個(gè)標準清晰度節目，每段節目時(shí)間長(cháng)度為10s～20s。

　　高清晰度圖像測試序列的被評價(jià)對象與原始素材的平均得分差在1.6和6.0之間，總平均分差為3.6，說(shuō)明評價(jià)人員認為被評價(jià)對象的圖像質(zhì)量與原始素材的圖像質(zhì)量差別很小。

　　統計結果表明， AVS視頻編/解碼方案在圖像格式為1920×1080P/25Hz、壓縮碼率為6Mbps時(shí)，被評價(jià)對象的圖像質(zhì)量與原始素材圖像質(zhì)量的差別很小，不易察覺(jué)。

　　8個(gè)標準清晰度圖像測試序列的被評價(jià)對象與原始素材的平均得分差在1.1 和10.5之間，總平均分差為6.4。除序列2 外，其他7 個(gè)測試序列的標準偏差均在6.4 至8.6 之間，說(shuō)明評價(jià)人員對這些測試序列打分的離散度較小。

　　試驗結果表明AVS 視頻編/解碼方案在圖像格式為720×576I/50Hz、壓縮碼率為2.5Mbps 時(shí)，可察覺(jué)經(jīng)編/解碼處理后的被評價(jià)對象與原始素材圖像質(zhì)量的差別，但差別小。

　　本次測試表明，AVS視頻碼率不到MPEG-2典型碼率二分之一（標清）和三分之一（高清）的情況下，質(zhì)量損失很小，可以達到廣播要求。

　　3．AVS主觀(guān)測試——國家廣電總局廣播電視規劃院

　　2005年04月至9月，國家廣電總局廣播電視規劃院受AVS工作組掛靠單位中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所委托，對經(jīng)過(guò)AVS參考軟件編解碼后的標準清晰度和高清晰度視頻進(jìn)行主觀(guān)評價(jià)，評價(jià)其對源圖像的質(zhì)量損傷程度，完成了《AVS視頻壓縮質(zhì)量主觀(guān)評價(jià)》測試報告（附件）。

　　本次測試的依據是廣電行業(yè)標準GY/T 134-1998《數字電視圖像質(zhì)量主觀(guān)評價(jià)方法》和ITU-R BT.500-11、ITU-R BT.1210-3《Test Materials to be used in Subjective Assessment（用于主觀(guān)評價(jià)的測試材料）》標準。標清測試采用6個(gè)國際標準圖像序列，高清采用6個(gè)國家標準圖像序列。

　　測試結果匯總如下：

　　考慮到目前使用MPEG-2標準實(shí)施高清電視廣播時(shí)，一般使用20Mbps的碼率，使用MPEG-2標準實(shí)施標清電視廣播時(shí)，一般使用5-6Mbps的碼率，對照本次測試結果可以得知，AVS碼率為現行MPEG-2標準的一半時(shí)，無(wú)論是標準清晰度還是高清晰度，編碼質(zhì)量都達到優(yōu)秀。碼率不到其三分之一時(shí)，也達到良好到優(yōu)秀。因此相比于MPEG-2視頻編碼效率高2~3倍的前提下，AVS視頻質(zhì)量已完全達到了大范圍應用所需的“良好”要求。對比MPEG標準組織對MPEG-4 AVC/H.264的測試報告，AVS在編碼效率上與其處于同等技術(shù)水平。

　　4．AVS與MPEG標準的客觀(guān)測試

　　對視頻編碼標準進(jìn)行客觀(guān)評價(jià)的常用方法是峰值信噪比PSNR。表9、表10分別給出了AVS與MPEG-2標準以及AVS與MPEG-4 AVC/H.264標準main profile的客觀(guān)編碼性能。結果為相同碼率條件下峰值信噪比PSNR的增益。可以看出，AVS相對于MPEG-2標準編碼效率平均提高2.56dB，相比于H.264標準編碼效率略低，平均有0.11dB的損失。

　　下面是另一組視頻序列的AVS和H.264的性能比較實(shí)驗結果。實(shí)驗使用的AVS視頻編碼器是RM 5.0a，H.264編碼器是JM 6.1e。實(shí)驗序列包括720p和1080i序列。編碼參數見(jiàn)表4。表11-12給出了AVS視頻標準相對H.264在PSNR上的增益。圖5到圖6給出了PSNR曲線(xiàn)。

　　從上面的數據可以看出，在逐行編碼方面，AVS視頻標準的性能與H.264基本一致；在隔行編碼方面，由于A(yíng)VS視頻標準目前只支持圖像級幀/場(chǎng)自適應編碼，平均有0.5dB的性能差距。

三、復雜度對比

　　表13對AVS與H.264的計算實(shí)現復雜性進(jìn)行扼要對比，大致估算，AVS解碼復雜度相當于H.264的30%，AVS編碼復雜度相當于H.264的70%。

四、小結

　　AVS視頻標準（GB/T 20090.2）是基于我國自主創(chuàng )新技術(shù)和國際公開(kāi)技術(shù)所構建的標準，主要面向高清晰度和高質(zhì)量數字電視廣播、網(wǎng)絡(luò )電視、數字存儲媒體和其他相關(guān)應用，具有以下特點(diǎn)：（1）性能高，編碼效率是MPEG-2的2倍以上，與H.264的編碼效率處于同一水平；（2）復雜度低，算法復雜度比H.264明顯低，軟硬件實(shí)現成本都低于H.264；（3）我國掌握主要知識產(chǎn)權，專(zhuān)利授權模式簡(jiǎn)單，費用低。基于此，我們認為AVS標準是能夠支撐國家數字音視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要標準。

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