论文部分内容阅读
【摘要】最近，工业和信息化部与国家新闻出版广电总局联合发布《广播电视先进视频编解码（AVS+）技术应用实施指南》，这对加快实现AVS+技术端到端的应用推广，推动AVS+标准在广播电视领域的应用，带动电子信息产业发展，具有重要意义。本文从AVS+与AVS、以及MPEG-4、H.264等第二代视频信源编码标准的发生、发展过程，进行对比和阐述，以提高业内人士的关注
【关键词】信源编码 AVS+ AVS H.264 MPEG-4 MPEG-2
一.序 言
为加快我国自主创新AVS（Audio Video Coding Standard：音视频编解码标准）产业化和推广应用，工业和信息化部与国家新闻出版广电总局于2012年初，共同成立了“AVS技术应用联合推进工作组”。经过两年的努力，联合推进工作取得了显著进展，AVS的相关技术、产品日趋完善、成熟，基本形成了从芯片、前端设备、接收终端到应用系统的完整产业链。
2014年3月18日，工业和信息化部与国家新闻出版广电总局联合发布《广播电视先进视频编解码（AVS+）技术应用实施指南》新广电发 [2014] 75号文件，这对加快实现AVS+（AVS的优化标准）技术端到端的应用推广，推动AVS+在广播电视领域的应用，带动电子信息产业发展，具有重要意义。
文件按照“快速推进、平稳过渡、增量优先、兼顾存量”的原则，明确了分类、分步骤推进AVS+在卫星、有线、地面数字电视及互联网电视和IPTV等领域应用的时间（见表1）。
二.AVS的诞生导致全球第二代音视频信源编解码标准“三足鼎立”
从数字图像传输技术系统来分，数字电视有信源编解码和信道编解码两大系统。而模拟电视没有信源编解码系统，只有信道编解码系统，这也是数字电视与模拟电视的最大区别。
在模拟电视时代，全球的电视标准都是以信道编解码技术来命名的。到了数字电视时代，全球的电视标准虽然还是以信道编解码技术来命名，但数字电视信源编解码技术标准的制定和运用，一直都是全球电视市场争夺的重点。
所谓信源，即信息的源头。由于信源编码技术解决的是数字音视频海量数据（即初始数据、信源）的编码压缩问题，是其后数字信息传输、存储、播放等环节的前提。因此，音视频信源编码标准又是全球数字音视频产业共性的基础标准。
AVS+和AVS都是信源编解码标准，是父子关系，AVS是父亲、AVS+儿子；父亲名称很大，既是国家标准、又是国际标准；儿子虽然胜似父亲，但只是我国广电部门的行业标准。
AVS是《信息技术先进音视频编码》系列标准的简称，是我国具备自主知识产权的第二代信源编码标准 —— 2006年3月被确定为国家标准（国家标准号：GB/T 20090.2-2006）；AVS又是全球数字音视频产业的共性的基础标准 —— 2007年被ITU-T（国际电信联盟-电信标准化组织）确定为国际标准。
从全球第一代到第二代数字音视频信源编码技术的发展情况来看，AVS的诞生，导致了全球范围内可选的第二代数字音视频信源编解码技术的国际标准，呈现出MPEG-4、H.264和AVS “三足鼎立”的局面（见表2）。
三.AVS+兼容AVS 这在全球电视市场的竞争中及为重要
AVS+是在AVS（即《信息技术先进音视频编码》）系列标准中的《广播电视先进音视频编解码 第1部分：视频》章节中，新增了若干关键技术，于2012年7月1日，国家广播电影电视总局正式颁布的广播电影电视行业标准（广电行业标准号：GY/T257.1-2012），并于颁布之日起实施的行业标准。
从国家标准体系方面看：AVS+对应AVS系列标准中的《信息技术先进音视频编码第1部分：视频》这一章节，也就是讲，AVS+只是AVS系列标准中的一个部分。
从具体的技术体系方面看：AVS+是在AVS1-P2（即国标GB/T 20090.2-2006）的基础上，新增了若干关键技术，其中有4项技术（见表3）显著提高了编码效率，更加适合我国广播电视的应用和发展。
从标准版本兼容方面看：由于目前的AVS+包括基准类和广播类，AVS1-P2只包括基准类，因此AVS+兼容AVS1-P2，而AVS1-P2不兼容AVS+；简明地讲，AVS+兼容AVS，即广电的行业标准兼容了国家标准和国际标准，反之则不可；这在全球电视市场的竞争中及为重要。
四.全球音视频信源编码技术正处在从第一代向第二代的过渡期
2011年3月，国际数字电视欧洲委员会宣布：“诞生近20年的MPEG-2信源编解码技术已完成它的历史使命，将被更新的技术替代，政府将在2012年1月开始推行新设备补贴政策，通过制造一种MPEG-4转换设备，强行推进从MPEG-2向MPEG-4，再由MPEG-4向H.264信源编解码技术的转换。”
2011年11月，我国也出台了《地面数字电视终端接收机通用规范》和《地面数字电视终端接收器通用规范》等六项《数字电视新国标》，规定“2012年11月1日后，国家生产和销售的数字电视接收机（器）必须符合该标准，其中我国自主研发的AVS和DRA（我国自主知识产权的音频编码标准，国家标准号SJ/T11368-2006）作为强制配置的必选项，MPEG-2和杜比数字+列为可选配置的可选项。”
这是因为电视图像数字化后，数据量很大，非常不利于节目的制作和传输，因此数据压缩技术成为关键。从上世纪60年代开始，人们投入大量的人力物力，不断研发数字电视的各种压缩技术，其主要集中在数字电视的信源编解码方面。由于知识产权利益的驱动，新的数字电视信源编码技术又成为研发和应用工作的重中之重。
五.欧美牢牢把握全球电视市场更新的主动权
就全球而言，在数字电视领域，欧美取得极大的成功，一个重要因素是醒得早、抢了先，抓住了《数字音视频信源编码》等标准的制定/完成的重要机遇，凭借其早期在数字音视频技术开发中，积累的深厚基础理论、研究成果以及具体应用技术，迅猛研发，牢牢把握住了数字电视技术标准在全球电视市场更新换代的主动权。 1988年元旦刚过，欧美成立了MPEG组织，其宗旨是“致力于研究、开发数字压缩标准，以保证活动图象质量的前提下，压缩传输码率。” 1988年5月召开“MPEG的第一次会议”，有25名国际级的音频、视频编码压缩方面的专家参加。
如今，MPEG会议已经成为每年召开三次（3月、7月和11月）例行大会，是20多个国家200多家公司400多名专家参与的组织，其开发的标准，均被ISO/IEC（国际标准化组织/国际电工委员会）批准为国际标准，形成MPEG系列标准。
六.第一代音视频信源编码国际标准MPEG-1和MPEG-2
MPEG-1和MPEG-2是IEEE（电气电子工程师学会）的MPEG专家组制订的第一代数字音视频信源编码国际标准。
1. MPEG-1主要用于CD-ROM、VCD或T1（E1）线路传输，码率为固定的1.5Mbps。
2.MPEG-2主要用于数字电视，支持标准分辨率的16∶9宽屏及HDTV（高清晰度电视）等多种格式，码率在3～40Mbps之间可调；由于其采用不同的层级（见文后解释）组合，满足从家庭级（DVD）到广播级（卫星电视、广播电视微波传输）以及HDTV等不同级别的质量要求，其应用面很广，世界各国基本上都采用过这一标准。
3.由于MPEG-2的出色性能表现，又适用于HDTV，使得原打算为HDTV设计的MPEG-3，还没出世就被抛弃了。促使MPEG专家组将工作重点放在MPEG-4的研发上。
七.第二代音视频信源编码标准MPEG-4和H.264
1.MPEG-4
MPEG-4通过帧重建技术、数据压缩，以求用最少的数据获得最佳的图像质量；主要应用于视像电话、视像电子邮件等，对传输速率要求较低，在4800～6400bits/s之间；是针对一定比特率下的视频、音频编码，更加注重多媒体系统的交互性和灵活性；是MPEG系列标准中发展潜力最大的一个。MPEG-4与MPEG-1和MPEG-2相比之下具有三大优势：
（1）MPEG-4在支持交互应用的同时，能与原格式（如：JPEG、MPEG-1、MPEG-2、H.261和H.263）反向兼容，具有很强的兼容性。如：利用计算机在Flask MPEG程序下，选择每秒110 kB的数据率，近1∶1的实时播放，将MPEG-2转换成MPEG-4格式后的图像质量非常出色。
（2）MPEG-4“算法”出的数据量仅为MPEG-2的十一分之一，同时对数据的损失很小，非常适合游戏机使用的交互式访问以及无线网络传输的可调式视频访问。
（3）如今互联网上的高清晰数字电影，压缩格式一般为MPEG-4的Simple Profile（简易版）和Advanced Simple Profile（高级简易版），配上MP3（MPEG-1 Audio Layer 3：MPEG-1的第三层）音效，图像质量接近DVD，声音质量接近CD，深受网友欢迎，为家庭数字音像提供了方便。
但MPEG-4存在着不同规格版本间的兼容性和昂贵技术授权费两大主要问题。
（1）目前MPEG-4标准派生出各种规格（如DivX、XviD等），代表着不同规格利益的商业集团和一些支持免费共享资源的技术团体相互争斗，导致各种MPEG-4规格的兼容性很差。
（2）2002年初，MPEG-LA（是代表18家电子消费品公司的许可证组织，对MPEG-4拥有多项专利权）宣布“每个使用MPEG-4编解码器的电子产品将收取专利授权费25美分，每年每项授权收费以100万美元封顶。”昂贵的收费标准让生产厂商望而却步。
一段时间内，业内认为MPEG-4将是MPEG-2的继承者，长期处于支配地位。然而，H.264的出世，对MPEG-4的生存构成严重威胁；要不是H.264出来搅局，整个消费电子领域都将可能是MPEG-4的天下。
2.H.264
H.264是人们的通称，全名是MPEG-4 AVC，又称AVC（高级视频编码）或JVT（联合视频组）。
H.264是2003年7月经ITU批准通过的国际视频压缩标准，是由ITU-T的VCEG（视频编码专家组）和ISO/IEC的MPEG的JVT共同开发的标准，它既是ITU-T的H.264，也可称为MPEG-4 H.264；又是ISO/IEC的MPEG-4 Part10（MPEG-4的第10部分），也可称为AVC；在一些行业协会又称之为MPEG-4 AVC。其主要特点如下：
（1）H.264最大的特点或最具价值的部分无疑是“更高的数据压缩比”。在同等的图像质量条件下，H.264的数据压缩比能比DVD系统中使用的MPEG-2高两倍以上，比MPEG-4高1.5～2倍，总体节省码率在50%以上。
传输同样的节目，又要达到同等的图像质量， MPEG-2要6Mbps传输速率，H.264只要1Mbps～2Mbps传输速率。
（2）H.264的“算法”复杂程度比MPEG-2高出两倍以上，其兼容全格式是非常必要，如今H.264已成为网络流媒体、IPTV等业务的主流格式标准。“电视机”+“IP机顶盒”或“电视机”+“各类机顶盒”的方式已成发展主流。
H.264市场占有率已对新生的AVS构成威胁，是AVS发展和应用的主要竞争对手。
八.第二代音视频信源编码标准AVS
作为“后入山门”的AVS， “复制”了欧美和日本在模拟和数字电视技术标准争斗中的“手法”，在同国际标准MPEG-2、MPEG-4、H.264等技术标准的角力中站稳了脚跟。
1.AVS与MPEG-2、MPEG-4、H.264比较
从制定时间来看： MPEG-2 —— 1994年完成；MPEG-4 —— 2000年完成；H.264 —— 2003年完成；AVS —— 2007年完成。
从制订组织来看：前三个标准是MPEG专家组制定。第四个标准是我国自主制定。
从发展阶段来看：MPEG-2为第一代音视频信源标准，其余三个为第二代音视频信源标准。
从编码效率来看：MPEG-4是MPEG-2的1.4倍，AVS和H.264相当，都是MPEG-2的2倍以上。
从标准的系统性、技术方案及图像的编码效率及技术及专利收费等方面来看：
首先，MPEG-2技术陈旧、收费较高，将退出历史舞台；其次，MPEG-4前阶段出台的新专利许可政策被认为过于苛刻令人无法接受，前途未卜。这也是（前面文章已提及）2011年3月，国际数字电视欧洲委员会宣布的“最终向H.264信源编解码技术的转换”的原因所在；再次，H.264仅是一个视频编码标准比，而AVS是一套包含系统、视频、音频、媒体版权管理和一致性测试等完整标准体系，为数字音视频产业提供更全面的解决方案。B&P
（未完待续）
【关键词】信源编码 AVS+ AVS H.264 MPEG-4 MPEG-2
一.序 言
为加快我国自主创新AVS（Audio Video Coding Standard：音视频编解码标准）产业化和推广应用，工业和信息化部与国家新闻出版广电总局于2012年初，共同成立了“AVS技术应用联合推进工作组”。经过两年的努力，联合推进工作取得了显著进展，AVS的相关技术、产品日趋完善、成熟，基本形成了从芯片、前端设备、接收终端到应用系统的完整产业链。
2014年3月18日，工业和信息化部与国家新闻出版广电总局联合发布《广播电视先进视频编解码（AVS+）技术应用实施指南》新广电发 [2014] 75号文件，这对加快实现AVS+（AVS的优化标准）技术端到端的应用推广，推动AVS+在广播电视领域的应用，带动电子信息产业发展，具有重要意义。
文件按照“快速推进、平稳过渡、增量优先、兼顾存量”的原则，明确了分类、分步骤推进AVS+在卫星、有线、地面数字电视及互联网电视和IPTV等领域应用的时间（见表1）。
二.AVS的诞生导致全球第二代音视频信源编解码标准“三足鼎立”
从数字图像传输技术系统来分，数字电视有信源编解码和信道编解码两大系统。而模拟电视没有信源编解码系统，只有信道编解码系统，这也是数字电视与模拟电视的最大区别。
在模拟电视时代，全球的电视标准都是以信道编解码技术来命名的。到了数字电视时代，全球的电视标准虽然还是以信道编解码技术来命名，但数字电视信源编解码技术标准的制定和运用，一直都是全球电视市场争夺的重点。
所谓信源，即信息的源头。由于信源编码技术解决的是数字音视频海量数据（即初始数据、信源）的编码压缩问题，是其后数字信息传输、存储、播放等环节的前提。因此，音视频信源编码标准又是全球数字音视频产业共性的基础标准。
AVS+和AVS都是信源编解码标准，是父子关系，AVS是父亲、AVS+儿子；父亲名称很大，既是国家标准、又是国际标准；儿子虽然胜似父亲，但只是我国广电部门的行业标准。
AVS是《信息技术先进音视频编码》系列标准的简称，是我国具备自主知识产权的第二代信源编码标准 —— 2006年3月被确定为国家标准（国家标准号：GB/T 20090.2-2006）；AVS又是全球数字音视频产业的共性的基础标准 —— 2007年被ITU-T（国际电信联盟-电信标准化组织）确定为国际标准。
从全球第一代到第二代数字音视频信源编码技术的发展情况来看，AVS的诞生，导致了全球范围内可选的第二代数字音视频信源编解码技术的国际标准，呈现出MPEG-4、H.264和AVS “三足鼎立”的局面（见表2）。
三.AVS+兼容AVS 这在全球电视市场的竞争中及为重要
AVS+是在AVS（即《信息技术先进音视频编码》）系列标准中的《广播电视先进音视频编解码 第1部分：视频》章节中，新增了若干关键技术，于2012年7月1日，国家广播电影电视总局正式颁布的广播电影电视行业标准（广电行业标准号：GY/T257.1-2012），并于颁布之日起实施的行业标准。
从国家标准体系方面看：AVS+对应AVS系列标准中的《信息技术先进音视频编码第1部分：视频》这一章节，也就是讲，AVS+只是AVS系列标准中的一个部分。
从具体的技术体系方面看：AVS+是在AVS1-P2（即国标GB/T 20090.2-2006）的基础上，新增了若干关键技术，其中有4项技术（见表3）显著提高了编码效率，更加适合我国广播电视的应用和发展。
从标准版本兼容方面看：由于目前的AVS+包括基准类和广播类，AVS1-P2只包括基准类，因此AVS+兼容AVS1-P2，而AVS1-P2不兼容AVS+；简明地讲，AVS+兼容AVS，即广电的行业标准兼容了国家标准和国际标准，反之则不可；这在全球电视市场的竞争中及为重要。
四.全球音视频信源编码技术正处在从第一代向第二代的过渡期
2011年3月，国际数字电视欧洲委员会宣布：“诞生近20年的MPEG-2信源编解码技术已完成它的历史使命，将被更新的技术替代，政府将在2012年1月开始推行新设备补贴政策，通过制造一种MPEG-4转换设备，强行推进从MPEG-2向MPEG-4，再由MPEG-4向H.264信源编解码技术的转换。”
2011年11月，我国也出台了《地面数字电视终端接收机通用规范》和《地面数字电视终端接收器通用规范》等六项《数字电视新国标》，规定“2012年11月1日后，国家生产和销售的数字电视接收机（器）必须符合该标准，其中我国自主研发的AVS和DRA（我国自主知识产权的音频编码标准，国家标准号SJ/T11368-2006）作为强制配置的必选项，MPEG-2和杜比数字+列为可选配置的可选项。”
这是因为电视图像数字化后，数据量很大，非常不利于节目的制作和传输，因此数据压缩技术成为关键。从上世纪60年代开始，人们投入大量的人力物力，不断研发数字电视的各种压缩技术，其主要集中在数字电视的信源编解码方面。由于知识产权利益的驱动，新的数字电视信源编码技术又成为研发和应用工作的重中之重。
五.欧美牢牢把握全球电视市场更新的主动权
就全球而言，在数字电视领域，欧美取得极大的成功，一个重要因素是醒得早、抢了先，抓住了《数字音视频信源编码》等标准的制定/完成的重要机遇，凭借其早期在数字音视频技术开发中，积累的深厚基础理论、研究成果以及具体应用技术，迅猛研发，牢牢把握住了数字电视技术标准在全球电视市场更新换代的主动权。 1988年元旦刚过，欧美成立了MPEG组织，其宗旨是“致力于研究、开发数字压缩标准，以保证活动图象质量的前提下，压缩传输码率。” 1988年5月召开“MPEG的第一次会议”，有25名国际级的音频、视频编码压缩方面的专家参加。
如今，MPEG会议已经成为每年召开三次（3月、7月和11月）例行大会，是20多个国家200多家公司400多名专家参与的组织，其开发的标准，均被ISO/IEC（国际标准化组织/国际电工委员会）批准为国际标准，形成MPEG系列标准。
六.第一代音视频信源编码国际标准MPEG-1和MPEG-2
MPEG-1和MPEG-2是IEEE（电气电子工程师学会）的MPEG专家组制订的第一代数字音视频信源编码国际标准。
1. MPEG-1主要用于CD-ROM、VCD或T1（E1）线路传输，码率为固定的1.5Mbps。
2.MPEG-2主要用于数字电视，支持标准分辨率的16∶9宽屏及HDTV（高清晰度电视）等多种格式，码率在3～40Mbps之间可调；由于其采用不同的层级（见文后解释）组合，满足从家庭级（DVD）到广播级（卫星电视、广播电视微波传输）以及HDTV等不同级别的质量要求，其应用面很广，世界各国基本上都采用过这一标准。
3.由于MPEG-2的出色性能表现，又适用于HDTV，使得原打算为HDTV设计的MPEG-3，还没出世就被抛弃了。促使MPEG专家组将工作重点放在MPEG-4的研发上。
七.第二代音视频信源编码标准MPEG-4和H.264
1.MPEG-4
MPEG-4通过帧重建技术、数据压缩，以求用最少的数据获得最佳的图像质量；主要应用于视像电话、视像电子邮件等，对传输速率要求较低，在4800～6400bits/s之间；是针对一定比特率下的视频、音频编码，更加注重多媒体系统的交互性和灵活性；是MPEG系列标准中发展潜力最大的一个。MPEG-4与MPEG-1和MPEG-2相比之下具有三大优势：
（1）MPEG-4在支持交互应用的同时，能与原格式（如：JPEG、MPEG-1、MPEG-2、H.261和H.263）反向兼容，具有很强的兼容性。如：利用计算机在Flask MPEG程序下，选择每秒110 kB的数据率，近1∶1的实时播放，将MPEG-2转换成MPEG-4格式后的图像质量非常出色。
（2）MPEG-4“算法”出的数据量仅为MPEG-2的十一分之一，同时对数据的损失很小，非常适合游戏机使用的交互式访问以及无线网络传输的可调式视频访问。
（3）如今互联网上的高清晰数字电影，压缩格式一般为MPEG-4的Simple Profile（简易版）和Advanced Simple Profile（高级简易版），配上MP3（MPEG-1 Audio Layer 3：MPEG-1的第三层）音效，图像质量接近DVD，声音质量接近CD，深受网友欢迎，为家庭数字音像提供了方便。
但MPEG-4存在着不同规格版本间的兼容性和昂贵技术授权费两大主要问题。
（1）目前MPEG-4标准派生出各种规格（如DivX、XviD等），代表着不同规格利益的商业集团和一些支持免费共享资源的技术团体相互争斗，导致各种MPEG-4规格的兼容性很差。
（2）2002年初，MPEG-LA（是代表18家电子消费品公司的许可证组织，对MPEG-4拥有多项专利权）宣布“每个使用MPEG-4编解码器的电子产品将收取专利授权费25美分，每年每项授权收费以100万美元封顶。”昂贵的收费标准让生产厂商望而却步。
一段时间内，业内认为MPEG-4将是MPEG-2的继承者，长期处于支配地位。然而，H.264的出世，对MPEG-4的生存构成严重威胁；要不是H.264出来搅局，整个消费电子领域都将可能是MPEG-4的天下。
2.H.264
H.264是人们的通称，全名是MPEG-4 AVC，又称AVC（高级视频编码）或JVT（联合视频组）。
H.264是2003年7月经ITU批准通过的国际视频压缩标准，是由ITU-T的VCEG（视频编码专家组）和ISO/IEC的MPEG的JVT共同开发的标准，它既是ITU-T的H.264，也可称为MPEG-4 H.264；又是ISO/IEC的MPEG-4 Part10（MPEG-4的第10部分），也可称为AVC；在一些行业协会又称之为MPEG-4 AVC。其主要特点如下：
（1）H.264最大的特点或最具价值的部分无疑是“更高的数据压缩比”。在同等的图像质量条件下，H.264的数据压缩比能比DVD系统中使用的MPEG-2高两倍以上，比MPEG-4高1.5～2倍，总体节省码率在50%以上。
传输同样的节目，又要达到同等的图像质量， MPEG-2要6Mbps传输速率，H.264只要1Mbps～2Mbps传输速率。
（2）H.264的“算法”复杂程度比MPEG-2高出两倍以上，其兼容全格式是非常必要，如今H.264已成为网络流媒体、IPTV等业务的主流格式标准。“电视机”+“IP机顶盒”或“电视机”+“各类机顶盒”的方式已成发展主流。
H.264市场占有率已对新生的AVS构成威胁，是AVS发展和应用的主要竞争对手。
八.第二代音视频信源编码标准AVS
作为“后入山门”的AVS， “复制”了欧美和日本在模拟和数字电视技术标准争斗中的“手法”，在同国际标准MPEG-2、MPEG-4、H.264等技术标准的角力中站稳了脚跟。
1.AVS与MPEG-2、MPEG-4、H.264比较
从制定时间来看： MPEG-2 —— 1994年完成；MPEG-4 —— 2000年完成；H.264 —— 2003年完成；AVS —— 2007年完成。
从制订组织来看：前三个标准是MPEG专家组制定。第四个标准是我国自主制定。
从发展阶段来看：MPEG-2为第一代音视频信源标准，其余三个为第二代音视频信源标准。
从编码效率来看：MPEG-4是MPEG-2的1.4倍，AVS和H.264相当，都是MPEG-2的2倍以上。
从标准的系统性、技术方案及图像的编码效率及技术及专利收费等方面来看：
首先，MPEG-2技术陈旧、收费较高，将退出历史舞台；其次，MPEG-4前阶段出台的新专利许可政策被认为过于苛刻令人无法接受，前途未卜。这也是（前面文章已提及）2011年3月，国际数字电视欧洲委员会宣布的“最终向H.264信源编解码技术的转换”的原因所在；再次，H.264仅是一个视频编码标准比，而AVS是一套包含系统、视频、音频、媒体版权管理和一致性测试等完整标准体系，为数字音视频产业提供更全面的解决方案。B&P
（未完待续）