AVS與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)MPEG的比較
2006/10/20
一、技術(shù)對(duì)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(cè)、幀間預(yù)測(cè)、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?jiǎng)?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(shí)現(xiàn)了與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)?shù)募夹g(shù)性能，但并未使用國(guó)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(cè)、1/4精度像素插值、特殊的幀間預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)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(cè)，P幀和B幀的宏塊則需要進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)或幀間預(yù)測(cè)，圖中S0是預(yù)測(cè)模式選擇開關(guān)。預(yù)測(cè)殘差進(jìn)行8×8整數(shù)變換（ICT）和量化，然后對(duì)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(duì)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(duì)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(jí)別（level）。檔次是AVS定義的語(yǔ)法、語(yǔ)義及算法的子集；級(jí)別是在某一檔次下對(duì)語(yǔ)法元素和語(yǔ)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(chǔ)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(gè)級(jí)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(zhǎng)編碼
CAVLC（Context-based Adaptive Variable Length Coding）：基于上下文的自適應(yīng)變長(zhǎng)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(píng)價(jià)和客觀測(cè)試
壓縮效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)兩種，各有優(yōu)缺點(diǎn)。主觀評(píng)判是聘請(qǐng)專門的評(píng)價(jià)人員來(lái)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(píng)分。客觀評(píng)判則是通過(guò)一種具體的算法來(lái)統(tǒng)計(jì)多媒體數(shù)據(jù)壓縮結(jié)果的損失，例如信噪比SNR（即信號(hào)與噪聲之比的對(duì)數(shù)）。主觀評(píng)判和客觀評(píng)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(duì)一套標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)，通常開發(fā)過(guò)程中采用客觀評(píng)價(jià)的方法，但最終要得到主觀評(píng)價(jià)的確認(rèn)。
1．MPEG-4 AVC視頻標(biāo)準(zhǔn)主觀測(cè)試
2002年10-12月，MPEG 組織了專題組對(duì)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(cè)試。測(cè)試在FUB/ISCTI
(意大利)、NIST (美國(guó))和TUM (德國(guó))進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果表明AVC的編碼性能有顯著提高。
本次測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)清晰度（SD）和高清晰度（HD）采用的測(cè)試條件（視頻序列和碼率）
如下表：
圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)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(píng)價(jià)方法）》（下面可以看到AVS的兩次主觀測(cè)試同樣采用的是這個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)）。測(cè)試結(jié)果如下表：
由表可以看出，12個(gè)可比項(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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(duì)比，85個(gè)比對(duì)中66對(duì)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(duì)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(shuō)，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(guó)有關(guān)測(cè)試機(jī)構(gòu)在測(cè)試AVS時(shí)，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(cè)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(cè)試—— 國(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心數(shù)字電視用戶端產(chǎn)品測(cè)試實(shí)驗(yàn)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(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心數(shù)字電視用戶端產(chǎn)品測(cè)試實(shí)驗(yàn)室對(duì)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(píng)價(jià)試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)委托方提供的AVS軟編/解碼器的主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)，評(píng)價(jià)AVS視頻壓縮方案的性能。
圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)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(píng)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)量的主觀評(píng)價(jià)）》，采用雙刺激連續(xù)質(zhì)量標(biāo)度（DSCQS）法評(píng)價(jià)AVS視頻編/解碼系統(tǒng)處理后的圖像質(zhì)量相對(duì)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(píng)價(jià)的目的是通過(guò)比較經(jīng)AVS編/解碼系統(tǒng)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(píng)價(jià)AVS視頻編/解碼方案的總體性能，評(píng)價(jià)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(cè)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(dòng)態(tài)空間分辨率、運(yùn)動(dòng)再現(xiàn)、視在深度效果、臨場(chǎng)感、閃爍性能和熟悉的色調(diào)的再現(xiàn)等特性。希望通過(guò)所選擇的節(jié)目能夠充分、準(zhǔn)確地反映被評(píng)價(jià)的視頻編/解碼方案的性能。測(cè)試序列包括8個(gè)高清晰度節(jié)目和8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)清晰度節(jié)目，每段節(jié)目時(shí)間長(zhǎng)度為10s～20s。
高清晰度圖像測(cè)試序列的被評(píng)價(jià)對(duì)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(píng)價(jià)人員認(rèn)為被評(píng)價(jià)對(duì)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(jì)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(shí)，被評(píng)價(jià)對(duì)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)清晰度圖像測(cè)試序列的被評(píng)價(jià)對(duì)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(cè)試序列的標(biāo)準(zhǔn)偏差均在6.4
至8.6 之間，說(shuō)明評(píng)價(jià)人員對(duì)這些測(cè)試序列打分的離散度較小。
試驗(yàn)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(shí)，可察覺經(jīng)編/解碼處理后的被評(píng)價(jià)對(duì)象與原始素材圖像質(zhì)量的差別，但差別小。
本次測(cè)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(cè)試——國(guó)家廣電總局廣播電視規(guī)劃院
2005年04月至9月，國(guó)家廣電總局廣播電視規(guī)劃院受AVS工作組掛靠單位中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所委托，對(duì)經(jīng)過(guò)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(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)其對(duì)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(píng)價(jià)》測(cè)試報(bào)告（附件）。
本次測(cè)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(píng)價(jià)方法》和ITU-R BT.500-11、ITU-R BT.1210-3《Test
Materials to be used in Subjective Assessment（用于主觀評(píng)價(jià)的測(cè)試材料）》標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)清測(cè)試采用6個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)圖像序列，高清采用6個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圖像序列。
測(cè)試結(jié)果匯總?cè)缦?/b>：
考慮到目前使用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施高清電視廣播時(shí)，一般使用20Mbps的碼率，使用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施標(biāo)清電視廣播時(shí)，一般使用5-6Mbps的碼率，對(duì)照本次測(cè)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(shí)，無(wú)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(shí)，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(duì)比MPEG標(biāo)準(zhǔn)組織對(duì)MPEG-4
AVC/H.264的測(cè)試報(bào)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(cè)試
對(duì)視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行客觀評(píng)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(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。可以看出，AVS相對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(duì)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(jí)幀/場(chǎng)自適應(yīng)編碼，平均有0.5dB的性能差距。
三、復(fù)雜度對(duì)比
表13對(duì)AVS與H.264的計(jì)算實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性進(jìn)行扼要對(duì)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(guó)自主創(chuàng)新技術(shù)和國(guó)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)成本都低于H.264；（3）我國(guó)掌握主要知識(shí)產(chǎn)權(quán)，專利授權(quán)模式簡(jiǎn)單，費(fèi)用低。基于此，我們認(rèn)為AVS標(biāo)準(zhǔn)是能夠支撐國(guó)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(bào)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(guó)信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)(www.cnii.com.cn)
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