國際視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)mpeg簡述及AVS視頻關(guān)鍵技術(shù)
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雖然MPEG-4 AVC/H.264是第二代標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)重要代表，但遠(yuǎn)不如MPEG-2當(dāng)年那樣一枝獨(dú)秀，而且面臨著多個(gè)來自企業(yè)和其他標(biāo)準(zhǔn)組織強(qiáng)有力的技術(shù)競爭。來自企業(yè)的競爭者以微軟提出的WMV9為代表。SMPTE（Society of Motion Picture and Television Engineers，美國電影與電視工程師協(xié)會(huì)）是得到美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究所（ANSI）認(rèn)證的視頻、電視和電影工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)組織，在制定和發(fā)掘私有規(guī)范方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)。2003年09月，SMPTE接收WMV-9所采用的壓縮技術(shù)規(guī)范作為一種視頻編解碼格式標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)草案名稱為“SMPTE Standard for Television: VC-9 Compressed Video Bitstream Format and Decoding Process”，簡稱VC-1。2006年4月，SMPTE 正式發(fā)布VC-1。
AVS標(biāo)準(zhǔn)是中國數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作組（AVS工作組）制定的數(shù)字音視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。AVS工作組成立于2002年，成員包括國內(nèi)外從事數(shù)字音視頻編碼技術(shù)和產(chǎn)品研究開發(fā)的一百多家機(jī)構(gòu)和企業(yè)。AVS工作組的任務(wù)是面向我國的信息產(chǎn)業(yè)需求，組織制定行業(yè)和國家信源編碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。AVS國家標(biāo)準(zhǔn)的正式名稱是《信息技術(shù) 先進(jìn)音視頻編碼》，編號(hào)為GB/T 20090，包括9個(gè)部分，其中《第2部分 視頻》（簡稱AVS視頻）于2006年2月頒布，3月實(shí)施。AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)主要面向高清晰度和高質(zhì)量數(shù)字電視廣播、數(shù)字存儲(chǔ)媒體和其他相關(guān)應(yīng)用。它具有四大特點(diǎn)：（1）性能高，編碼效率比MPEG-2高2倍以上，與H.264的編碼效率相當(dāng)；（2）復(fù)雜度低，算法復(fù)雜度比H.264低；（3）實(shí)現(xiàn)成本低，軟硬件實(shí)現(xiàn)成本都低于H.264；（4）專利授權(quán)模式簡單，費(fèi)用明顯低于同類標(biāo)準(zhǔn)。
MPEG1和H.261的前身是CCITT H.261標(biāo)準(zhǔn)（始于1984年，實(shí)質(zhì)性完成于1989年），它們有共同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編碼工具和語法元素。然而兩者并非恰好后向兼容。MPEG1可看作是H.261的擴(kuò)展集。MPEG1的發(fā)展始于1988年，實(shí)質(zhì)性完成于1992年。MPEG2可被看作是MPEG2的擴(kuò)展集，始于1990，實(shí)質(zhì)完成于1994年。H.263始于1992年，第一版完成于1995。MPEG4（其視頻是建于MPEG2和.263基礎(chǔ)上）始于1993，第一版實(shí)質(zhì)完成于1998年。由于芯片等技術(shù)的允許，2003年完成的MPEG-4 AVC/H.264比先前的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)采用了更為復(fù)雜的技術(shù)，同時(shí)也有新的技術(shù)模塊,多尺寸塊的幀內(nèi)和幀間編碼、多方向空間預(yù)測技術(shù)、4x4整數(shù)正交變換、去除塊效應(yīng)的環(huán)內(nèi)濾波器等，可以獲得更高的壓縮比。由于采用了數(shù)據(jù)劃分，JVT標(biāo)準(zhǔn)還具有更強(qiáng)的容錯(cuò)能力。
AVS標(biāo)準(zhǔn)及其核心技術(shù)
AVS是我國自主制定的第二代音視頻編碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。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(dòng)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位處理器上無失真地實(shí)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變換存在失真的固有問題。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(jí)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(shí)現(xiàn)的問題后，目前AVS所采用的8x8變換與量化方案，既適合于16位DSP或其他軟件方式的快速實(shí)現(xiàn)，也適合于ASIC的優(yōu)化實(shí)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(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度大為降低。
3）多模式幀間預(yù)測
幀間運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)，提高運(yùn)動(dòng)搜索的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)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(dòng)。較少的塊模式，能降低運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。
4）1/4像素運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償
AVS和MPEG-4 AVC/ H.264都采用了1/4像素精度的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)，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。
5）參考幀
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(gè)前向參考幀與一個(gè)后向參考幀，而前向預(yù)測幀P 幀則只有一個(gè)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(shí)域相關(guān)性，允許P幀和B幀有多個(gè)參考幀，最多可以有31個(gè)參考幀。多幀參考技術(shù)在提高壓縮效率的同時(shí)也將極大地增加存儲(chǔ)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(gè)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(chǔ)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，而恰恰充分利用了必須預(yù)留的資源。
6）1/4像素運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償
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(shí)，碼流只需要傳送前向運(yùn)動(dòng)矢量，后向運(yùn)動(dòng)矢量可由前向運(yùn)動(dòng)矢量導(dǎo)出，從而節(jié)省后向運(yùn)動(dòng)矢量的編碼開銷。對于直接模式，當(dāng)前塊的前、后向運(yùn)動(dòng)矢量都是由后向參考圖像相應(yīng)位置塊的運(yùn)動(dòng)矢量導(dǎo)出，無需傳輸運(yùn)動(dòng)矢量，因此也可以節(jié)省運(yùn)動(dòng)矢量的編碼開銷。跳過模式的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(hào)，而不需要傳輸運(yùn)動(dòng)矢量、補(bǔ)償殘差等附加信息。
7）熵編碼
AVS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(dú)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)。
AVS視頻目前定義了一個(gè)檔次（profile）即基準(zhǔn)檔次。該基準(zhǔn)檔次又分為6個(gè)級(jí)別(level)，分別對應(yīng)高清晰度、標(biāo)準(zhǔn)清晰度與CIF(1/4標(biāo)清，相當(dāng)于VHS或VCD質(zhì)量)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(shí)現(xiàn)難度大的技術(shù)，從而增強(qiáng)了可實(shí)現(xiàn)性。
AVS視頻的主要特點(diǎn)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(chǔ)媒體中常用的MPEG-2視頻提高一個(gè)層次。在壓縮效率相當(dāng)?shù)那疤嵯拢州^MPEG-4 AVC/ H.264的 main profile的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度大為降低。
(4) MPEG-7與MPEG-21標(biāo)準(zhǔn)：MPEG-7是面向多媒體信息搜索、過濾、管理和處理的內(nèi)容表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，2001年7月成為國際標(biāo)準(zhǔn)。正在制定的MPEG-21的重點(diǎn)是多媒體框架，為與多媒體內(nèi)容遞交相關(guān)的所有已開發(fā)的和正在開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)提供基礎(chǔ)體系。
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