AVS與國際標(biāo)準(zhǔn)MPEG的比較
2006/10/20
一、技術(shù)對比
AVS視頻與MPEG標(biāo)準(zhǔn)都采用混合編碼框架（見圖1），包括變換、量化、熵編碼、幀內(nèi)預(yù)測、幀間預(yù)測、環(huán)路濾波等技術(shù)模塊，這是當(dāng)前主流的技術(shù)路線。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(fù)雜度下實現(xiàn)了與國際標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)?shù)募夹g(shù)性能，但并未使用國際標(biāo)準(zhǔn)背后的大量復(fù)雜的專利。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。
AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)定義了I幀、P幀和B幀三種不同類型的圖像，I幀中的宏塊只進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測，P幀和B幀的宏塊則需要進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測或幀間預(yù)測，圖中S0是預(yù)測模式選擇開關(guān)。預(yù)測殘差進(jìn)行8×8整數(shù)變換（ICT）和量化，然后對量化系數(shù)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(shù)，最后對量化系數(shù)進(jìn)行熵編碼。AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)，改善重建圖像的主觀質(zhì)量；另一方面能夠提高編碼效率。濾波強(qiáng)度可以自適應(yīng)調(diào)整。
AVS標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)定義了檔次（profile）和級別（level）。檔次是AVS定義的語法、語義及算法的子集；級別是在某一檔次下對語法元素和語法元素參數(shù)值的限定集合。為了滿足高清晰度/標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視廣播、數(shù)字存儲媒體等業(yè)務(wù)的需要，AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)定義了基準(zhǔn)檔次（Jizhun
profile）和4個級別（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）：變長編碼
CAVLC（Context-based Adaptive Variable Length Coding）：基于上下文的自適應(yīng)變長碼
CABAC（Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding）：基于上下文的自適應(yīng)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、主觀評價和客觀測試
壓縮效果的評價標(biāo)準(zhǔn)有主觀評價和客觀評價兩種，各有優(yōu)缺點(diǎn)。主觀評判是聘請專門的評價人員來比較壓縮之后再恢復(fù)的視聽效果和原始效果的差異，通常是在專門的視聽環(huán)境中按照一定的規(guī)則進(jìn)行主觀評分�？陀^評判則是通過一種具體的算法來統(tǒng)計多媒體數(shù)據(jù)壓縮結(jié)果的損失，例如信噪比SNR（即信號與噪聲之比的對數(shù)）。主觀評判和客觀評判有時相差很大，因此衡量一個算法的好壞就需要在這二者之間找到一個平衡點(diǎn)。對一套標(biāo)準(zhǔn)的評價，通常開發(fā)過程中采用客觀評價的方法，但最終要得到主觀評價的確認(rèn)。
1．MPEG-4 AVC視頻標(biāo)準(zhǔn)主觀測試
2002年10-12月，MPEG 組織了專題組對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(biāo)準(zhǔn)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(jié)果表明AVC的編碼性能有顯著提高。
本次測試標(biāo)準(zhǔn)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)量主觀評價試驗依據(jù)ITU-R BT.500-11 《Methodology for the subjective assessment
of the quality of television pictures（電視圖像質(zhì)量主觀評價方法）》（下面可以看到AVS的兩次主觀測試同樣采用的是這個測試標(biāo)準(zhǔn)）。測試結(jié)果如下表：
由表可以看出，12個可比項中有8個的N大于等于1.5，有3個大于等于2，有一個等于4。
由表可以看出，AVC與MPEG-2參考軟件比，12個可比項中有9個的N大于等于1.8，有2個大于等于4。
由表可以看出，AVC與優(yōu)化的MPEG-2高清編碼器比，9個可比項中有7個的N大于等于1.7，有3個大于等于2，有一個等于3.3。
由表可以看出，AVC與MPEG-2參考軟件比，9個可比項中有8個的N大于等于1.7，有4個大于等于2。
總體上講，AVC與MPEG-2對比，85個比對中66對MPEG-2的碼率要達(dá)到1.5倍才能與AVC達(dá)到同樣質(zhì)量，其中51對MPEG-2碼率要達(dá)到AVC的2倍才能達(dá)到AVC的質(zhì)量。換句話說，在60%的情況下，AVC的編碼效率能夠達(dá)到MPEG-2的兩倍。
鑒于AVC的編碼效率能夠達(dá)到MPEG-2的2倍，我國有關(guān)測試機(jī)構(gòu)在測試AVS時，通常把AVS視頻的碼率也設(shè)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主觀測試—— 國家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心數(shù)字電視用戶端產(chǎn)品測試實驗室
2004年11月15日至12月26日，依據(jù)數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作組的委托，國家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心數(shù)字電視用戶端產(chǎn)品測試實驗室對工作組送檢的AVS視頻編/解碼方案組織了圖像質(zhì)量主觀評價試驗。通過對委托方提供的AVS軟編/解碼器的主觀評價試驗，評價AVS視頻壓縮方案的性能。
圖像質(zhì)量主觀評價試驗依據(jù)ITU-R BT.500-11 《Methodology for the subjective assessment
of the quality of television pictures（電視圖像質(zhì)量主觀評價方法）》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)量的主觀評價）》，采用雙刺激連續(xù)質(zhì)量標(biāo)度（DSCQS）法評價AVS視頻編/解碼系統(tǒng)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)量主觀評價的目的是通過比較經(jīng)AVS編/解碼系統(tǒng)處理過的圖像質(zhì)量與原始素材圖像質(zhì)量的差別來評價AVS視頻編/解碼方案的總體性能，評價素材的選擇內(nèi)容應(yīng)廣泛且嚴(yán)酷度適當(dāng)。所選擇的測試序列應(yīng)能反應(yīng)圖像的亮度再現(xiàn)、彩色再現(xiàn)、靜態(tài)空間分辨率、動態(tài)空間分辨率、運(yùn)動再現(xiàn)、視在深度效果、臨場感、閃爍性能和熟悉的色調(diào)的再現(xiàn)等特性。希望通過所選擇的節(jié)目能夠充分、準(zhǔn)確地反映被評價的視頻編/解碼方案的性能。測試序列包括8個高清晰度節(jié)目和8個標(biāo)準(zhǔn)清晰度節(jié)目，每段節(jié)目時間長度為10s～20s。
高清晰度圖像測試序列的被評價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，說明評價人員認(rèn)為被評價對象的圖像質(zhì)量與原始素材的圖像質(zhì)量差別很小。
統(tǒng)計結(jié)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，被評價對象的圖像質(zhì)量與原始素材圖像質(zhì)量的差別很小，不易察覺。
8個標(biāo)準(zhǔn)清晰度圖像測試序列的被評價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 個測試序列的標(biāo)準(zhǔn)偏差均在6.4
至8.6 之間，說明評價人員對這些測試序列打分的離散度較小。
試驗結(jié)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，可察覺經(jīng)編/解碼處理后的被評價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(biāo)清）和三分之一（高清）的情況下，質(zhì)量損失很小，可以達(dá)到廣播要求。
3．AVS主觀測試——國家廣電總局廣播電視規(guī)劃院
2005年04月至9月，國家廣電總局廣播電視規(guī)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AVS參考軟件編解碼后的標(biāo)準(zhǔn)清晰度和高清晰度視頻進(jìn)行主觀評價，評價其對源圖像的質(zhì)量損傷程度，完成了《AVS視頻壓縮質(zhì)量主觀評價》測試報告（附件）。
本次測試的依據(jù)是廣電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GY/T 134-1998《數(shù)字電視圖像質(zhì)量主觀評價方法》和ITU-R BT.500-11、ITU-R BT.1210-3《Test
Materials to be used in Subjective Assessment（用于主觀評價的測試材料）》標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)清測試采用6個國際標(biāo)準(zhǔn)圖像序列，高清采用6個國家標(biāo)準(zhǔn)圖像序列。
測試結(jié)果匯總?cè)缦?/b>：
考慮到目前使用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)實施高清電視廣播時，一般使用20Mbps的碼率，使用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)實施標(biāo)清電視廣播時，一般使用5-6Mbps的碼率，對照本次測試結(jié)果可以得知，AVS碼率為現(xiàn)行MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的一半時，無論是標(biāo)準(zhǔn)清晰度還是高清晰度，編碼質(zhì)量都達(dá)到優(yōu)秀。碼率不到其三分之一時，也達(dá)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(dá)到了大范圍應(yīng)用所需的“良好”要求。對比MPEG標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的客觀測試
對視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行客觀評價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(biāo)準(zhǔn)以及AVS與MPEG-4 AVC/H.264標(biāo)準(zhǔn)main
profile的客觀編碼性能。結(jié)果為相同碼率條件下峰值信噪比PSNR的增益�？梢钥闯觯珹VS相對于MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)編碼效率平均提高2.56dB，相比于H.264標(biāo)準(zhǔn)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的性能比較實驗結(jié)果。實驗使用的AVS視頻編碼器是RM 5.0a，H.264編碼器是JM 6.1e。實驗序列包括720p和1080i序列。編碼參數(shù)見表4。表11-12給出了AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)相對H.264在PSNR上的增益。圖5到圖6給出了PSNR曲線。
從上面的數(shù)據(jù)可以看出，在逐行編碼方面，AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)的性能與H.264基本一致；在隔行編碼方面，由于AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)目前只支持圖像級幀/場自適應(yīng)編碼，平均有0.5dB的性能差距。
三、復(fù)雜度對比
表13對AVS與H.264的計算實現(xiàn)復(fù)雜性進(jìn)行扼要對比，大致估算，AVS解碼復(fù)雜度相當(dāng)于H.264的30%，AVS編碼復(fù)雜度相當(dāng)于H.264的70%。
四、小結(jié)
AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 20090.2）是基于我國自主創(chuàng)新技術(shù)和國際公開技術(shù)所構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)，主要面向高清晰度和高質(zhì)量數(shù)字電視廣播、網(wǎng)絡(luò)電視、數(shù)字存儲媒體和其他相關(guān)應(yīng)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(fù)雜度低，算法復(fù)雜度比H.264明顯低，軟硬件實現(xiàn)成本都低于H.264；（3）我國掌握主要知識產(chǎn)權(quán)，專利授權(quán)模式簡單，費(fèi)用低�；诖�，我們認(rèn)為AVS標(biāo)準(zhǔn)是能夠支撐國家數(shù)字音視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要標(biāo)準(zhǔn)。
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報告. 2005年9月 （數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作組 黃鐵軍）
中國信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)(www.cnii.com.cn)
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