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艾策通訊參與《IPTV業務系統AVS2實施指南(2018年)》規范制定

文章來源:技術研發部時間:2018-03-31
 
2018年3月30日,由中關村視聽產業技術創新聯盟會同中國智慧家庭產業聯盟、中國視頻體驗聯盟、廣東4K生態產業聯盟及眾多相關產業的企業團體、研究院、知名人士等組織編寫的《IPTV業務系統AVS2實施指南(2018年)》正式發布。艾策通訊作為AVS2在IPTV領域應用的專業評測方,參與了本規范的制定。
 
引言
視頻編解碼技術是視頻產業的基礎。MPEG/H.26x系列標準已成為國際上影響最大、應用最多的視頻編碼標準,主要由ITU-T和ISO/IEC開發,但是MPEG/H.26x陳舊的知識產權(IP)管理和專利持有者主導的商業模式正面臨危機和挑戰。AVS2是我國自主知識產權的第二代數字音視頻編解碼技術標準,AVS2的編解碼效率及復雜度與H.265大致相當,于2016年12月頒布為國家標準GB/T33475.2-2016。AVS2支持超高分辨率(4K以上)、高幀率、高量化精度、高動態范圍視頻的高效壓縮,與新一代超高清晰度視頻產業發展相契合。
 
IPTV產業正在引領超高清視頻時代,致力于為用戶提供全4K新體驗。AVS2對規范IPTV產業端到端系統技術和促進IPTV業務良性發展具有重大意義。在新的全4K業務發展形態下,考慮到IPTV系統現狀和AVS2的產業化推廣,建立AVS2護航IPTV的產業共識具有戰略意義。通過分析IPTV業務系統應用AVS2標準的挑戰,提出應用AVS2的實施指南,在技術方案和實施指引上提供清晰的建議和路徑,以此推進產業共識和產業化應用,對于IPTV產業應用AVS2具有現實意義。
 
本實施指南基于廣東4K產業應用AVS2的樣板試點,基于IPTV產業鏈在的研究和驗證工作,在產業鏈的支持和協同下編制完成,旨在對IPTV業務系統應用AVS2所面臨的挑戰和實踐進行描述,期望形成產業共識和實施指南,加快IPTV應用AVS2的步伐。
 
指導單位及組織
 
中關村視聽產業技術創新聯盟
中國智慧家庭產業聯盟
中國視頻體驗聯盟
廣東4K生態產業聯盟
 
主編
張明杰、中國電信上海研究院
 
編寫人
羅傳飛、中國電信上海研究院
王榮剛、北京大學深圳研究生院
郭曉強、廣電總局廣科院
宋利、上海交通大學
浦剛、華為技術有限公司
陳光亮、中興通訊股份有限公司
張玉鵬、華為技術有限公司
張偉民、中關村視聽產業技術創新聯盟
劉長虹、中國電信四川分公司
汪邦虎、中關村視聽產業技術創新聯盟
熊張亮、華為技術有限公司
王苫社、北京大學
黃勃、深圳中興微電子技術有限公司
陳戈、中國電信廣州研究院
潘邵武、華為技術有限公司
曾志華、廣州柯維新數碼科技有限公司
楊小勇、華為技術有限公司
徐暉、北京牡丹電子集團有限責任公司
王賀、上海國茂數字技術有限公司
 
 
參與單位
中國電信上海研究、中國電信廣州研究院、中國電信廣東分公司、中國電信四川分公司、廣電總局廣科院、廣電總局規劃院、北京大學、上海交通大學、華為技術有限公司、中興通訊股份有限公司、烽火通信科技股份有限公司、南方新傳媒、百視通、華數傳媒、江蘇廣播電視總臺、4K花園、優朋普樂、上海國茂、數碼視訊、廣州柯維新、北京牡丹電子集團有限責任公司、海思、中興微、晶晨、晨星、中興微、瑞芯微、全志、上海艾策通訊科技股份有限公司。
 
1.AVS2視頻編解碼標準技術及應用趨勢
 
1.1AVS2視頻編解碼標準技術特色
 
AVS2標準的目標應用是超高清視頻壓縮,沿用了混合編碼框架,整個編碼過程包括幀內預測、幀間預測、變換量化、反量化反變換、環路濾波和熵編碼等模塊。
 
圖1-1AVS2編碼框架
AVS2采用了基于四叉樹的塊劃分結構,支持非正方形的幀內預測塊劃分。在I,P,B三種圖像類型的基礎上,根據應用需求,AVS2增加了前向多假設預測F圖像。針對視頻監控、情景劇等特定的應用,AVS2設計了場景幀(G圖像和GB圖像)和參考場景幀S幀。對于B幀,除了傳統的前向、后向、雙向和skip/direct模式,新增了對稱模式。在對稱模式中,僅需對前向運動矢量進行編碼,后向運動矢量通過前向運動矢量推導得到。為了充分發揮B幀skip/direct模式的性能,AVS2在保留原有AVS1B幀skip/direct模式的前提下,還采用了多方向skip/direct模式:雙向skip/direct模式、對稱skip/direct模式、后向skip/direct模式和前向skip/direct模式。對于這四種特殊模式,根據當前塊的預測模式尋找相鄰塊中相同的預測模式塊,將最先找到的具有相同預測模式的相鄰塊的運動矢量作為當前塊的運動矢量。
 
對于F幀,編碼塊可以參考前向兩個參考塊,相當于P幀的雙假設預測。AVS2將雙假設預測分為兩類,分別是時域雙假設和空域雙假設。時域雙假設的當前編碼塊利用預測塊加權平均作為當前塊的預測值,但運動矢量差MVD和參考圖像索引都只有一個,另外一個MVD和參考圖像索引根據時域上的距離按線性縮放推導出來。而空域雙假設預測也叫方向性多假設預測(Directionalmulti-hypothesisprediction,DMH),通過融合初始預測點周圍的兩個預測點得到,而且初始預測點位于這兩個預測點的連線上。除了初始預測點外,一共有8個預測點,只將和初始預測點連成同一條直線的兩個預測點進行融合。除了四種不同的方向外,還根據距離進行調整,對1/2像素距離和1/4像素距離位置的4種模式分別計算,在加上初始預測點,共9種模式進行比較,選擇出最佳預測模式。
 
場景幀是AVS2基于背景建模的監控視頻編碼方法提出來的。未打開監控工具時,I幀只給下個隨機訪問點之前的圖像做參考。打開監控工具后,AVS2會用視頻中的某一幀做場景圖像G幀,G幀對于后面的圖像可以作為長期參考。此外,AVS2還可以用視頻中的某幾幀生成場景圖像GB幀,GB幀也可以用作長期參考。
 
AVS2中的變換編碼主要使用整數DCT變換。對于4×4、8×8、16×16、32x32大小的變換塊直接進行整數DCT變換。而對于64×64大小的變換塊則采用一種邏輯變換LOT,先進行小波變換,再進行整數DCT變換。在DCT變換完成后,AVS2對低頻系數的4×4塊再進行二次4×4變換,從而進一步降低系數之間的相關性,是能量更集中。
 
AVS2的熵編碼首先將變換系數分為4×4大小的系數組(CoefficientGroup,CG),然后根據系數組進行編碼和zig-zag掃描。系數編碼先編碼含有最后一個非零系數的CG位置,接著編碼每一個CG,直到CG系數都編碼完為止,這樣可以使得0系數在編碼過程中更集中。AVS2中仍使用基于上下文的二元算術編碼和基于上下文的二維變長編碼。算術編碼引擎采用了對數域編碼,將乘法轉換成加法運算。
 
AVS2的環路濾波模塊包含三個部分:去塊濾波、自適應樣點偏移和樣本補償濾波。去塊濾波的濾波塊尺寸為8×8,首先對垂直邊界進行濾波,然后是水平邊界。對每條邊界根據濾波強度不同選擇不同的濾波方式。在去塊濾波之后,采用自適應樣本偏移補償進一步減小失真。AVS2在去塊濾波和樣本偏移補償之后又添加了自適應濾波器,一種7×7十字加3×3方形中心對稱的維納濾波,利用原始無失真圖像和編碼重構圖像計算最小二乘濾波器系數,并對解碼重構圖像進行濾波,降低解碼圖像中的壓縮失真,提升參考圖像質量。
 
國家廣播電影電視總局廣播電視計量檢測中心的檢測報告(檢測編號:20491501212989)顯示:對于超高清4K視頻,在36Mbps條件下,AVS2和HEVC相對于源圖像質量下降分別為2.9%和3.0%。在相同碼率條件下,AVS2比HEVC的平均主觀質量略優。
 
1.2AVS2視頻編解碼標準的應用趨勢
 
上世紀以來,因缺乏核心標準和技術,我國音視頻產業始終處于產業鏈的低端,是典型的勞動力密集型的行業,國際競爭力受到嚴重制約且面臨巨大的專利風險。2002年,原信息產業部科學技術司發文成立“數字音視頻編解碼技術標準工作組”,即AVS工作組,并任命高文教授為AVS工作組組長,牽頭AVS標準制定。AVS由此從無到有、生根發芽,開啟我國制訂自主知識產權標準的創新之路。
 
 
AVS標準的一大創新是在標準制定之前先確立許可模式:凡是向AVS工作組提交技術和提案的單位都需要對其專利許可意向做出承諾,允許“免費使用”或者“加入AVS專利池”。這一機制解決了目前國際標準制定時缺乏對技術許可政策的約束,造成因為專利授權政策問題難以推廣的弊端。最近由于HEVC/H.265飽受專利授權政策混亂困擾,連MPEG主席Leonardo也承認:MPEG只考慮性能不考慮授權成本制定標準的“商業模式”面臨破裂。如下圖所示,目前已知的H.265/HEVC的專利持有人情況:共有43家公司持有H.265/HEVC專利,其中17家公司在MPEGLA專利池中,8家公司在HEVCAdvance專利池中,5家公司在VelosMedia專利池中,2家公司同時加入了MPEGLA和HEVCAdvance專利池,還有15家公司沒有加入任何專利池。MPEGLA和HEVCAdvance已發布H.265/HEVC的專利權使用費和許可政策,并多次進行了修訂,在目前的政策中,這兩家專利池大幅提升了專利收費額度。而VelosMedia,Technicolor和另外14家公司暫時沒有公布自己的收費政策??傮w上,HEVC/H.265存在巨大的潛在專利費用風險,一定程度上制約了它的普及應用。
 
圖1-2HEVC/H.265的專利分布圖
 
AVS1和AVS+采取“AVS專利池”統一許可模式,每個編解碼器只象征性得收取1元專利費,不對內容收費;需要指出的是,到目前為止,AVS并沒有收取過專利費。AVS2雖然暫未出臺正式的專利許可政策,但根據AVS專利池管理委員會出臺的《關于AVS2專利池許可的建議性規定》,AVS2的專利授權將沿用AVS1的統一許可模式,只對設備象征性收費,不對內容收費。特別的,對互聯網上的軟件服務免收專利費。
 
在十三五規劃中,就明確指出“發展4K超高清電視是新聞出版廣播影視部門貫徹落實中央創新驅動發展戰略、促進文化與科技融合、深化廣播影視供給側結構性改革的重要舉措,對于滿足人民群眾日益增長的精神文化需求,提升廣播影視傳播力、影響力和輿論引導力,促進和推動文化產業與民族工業發展都具有重要意義”。2018年年初,國家新聞出版廣電總局發布了《關于規范和促進4K超高清電視發展的通知》,為規范和促進4K超高清電視健康有序發展提供了政策指導,按照技術發展規劃,我國4K超高清視頻編碼將采用AVS2標準。AVS2超高清標準的頒布,符合我國現階段發展的需求,加快了我國的超高清的發展,同時,也為我國避免陷入國外專利糾紛的境地。
 
2016年5月,AVS2廣電行標頒布后,AVS即開始組織了企業進行產品研發,打造完整端到端系統。目前,主要包括深圳海思的AVS24K解碼芯片、MStar的4K解碼芯片;北京博雅華錄的AVS2編碼芯片;數碼視訊、柯維新和上海國茂等企業的廣播級AVS2超高清實時編碼器;北京朝歌科技、四川九州等企業的AVS2-4K機頂盒,已正式推向市場。近期,廣東省為推動我國自主標準的發展,將建成全國首個AVS2的全省示范網,加快AVS2的商用;同時,央視也將在2018年10月試播AVS2超高清頻道。
 
2.IPTV業務系統應用AVS2標準的實施挑戰
22.1AVS2編解碼技術與開源視頻工具生態的完善
 
AVS2在壓縮效率顯著提升的同時,其編解碼器復雜度也有了明顯的提高。在AVS2標準發布之后,市場上迫切需求一款快速高效、能夠給各類基于AVS2的視頻應用提供技術支撐的編解碼軟件。北京大學于2018年1月發布AVS2開源編碼平臺xAVS2。開源平臺基于AVS2參考軟件對于代碼結構進行了深度優化,設計了高效的并行架構,對針對不同的編碼技術進行算法優化。針對不同的應用場景,xAVS2開源編碼器設置了preset0~preset9共10個速度檔次。其中,preset0是最快速的檔次,preset9編碼效率最高。在i7處理器上和HEVC開源編碼器x265具有相當的編碼速度和壓縮性能,能夠實現高清視頻的實時編碼,有望獲得大規模地應用。
 
與此同時,AVS2深度融入視頻處理工具生態對加快AVS2廣泛應用具有重要的推動。支持AVS2的ffmpeg、VLC插件也在開發中,預計2018年下半年陸續進行開源。這些工具的開源將進一步降低相關應用的開發門檻,加速AVS2應用的普及。
 
2.2AVS2編碼效率的實現與編碼器設備的可用性測試
 
“AVS技術應用聯合推進工作組”于2017年9月-12月期間組織了AVS2廣播級專業編碼器的測試工作。測試主要圍繞廣電總局4K超高清電視相關技術應用指導意見展開,并參照AVS聯盟標準T/AVS105-2017《AVS24K超高清編碼器技術要求和測量方法》進行。
 
參與測試的編解碼系統支持4K/UHD/50PSDR709/2020色域圖像的AVS210bit實時編碼;其中,在編碼效率方面,測試了36Mbps碼率點的主觀質量。主觀評價采用GY/T134-1998《數字電視圖像質量主觀評價方法》中的“雙刺激連續質量標度方法”,主觀評價經編解碼系統處理后的圖像序列質量相對于源圖像序列質量的損傷情況。

表2-1AVS2全4K實時編碼器的圖像質量主觀評價結果
 
測試結論:現有AVS2全4K實時編碼器的圖像質量滿足全4K電視應用需求(要求經編解碼系統處理后的圖像序列質量相對于源圖像序列質量的損傷低于12%)。
 
AVS2是一套編碼效率領先的標準,為了保證4K超高清視頻生態的健康發展,除了依據《AVS24K超高清編碼器技術要求和測量方法》嚴格測試:
 
1)編碼器的視頻壓縮編碼技術采用必須嚴格遵守GB/T33475.2-2016的規定,滿足GB/T33475.2-2016關于類和級的要求。
2)應符合T/AVS105-2017《AVS2超高清編碼器技術要求和測量方法》中的各項技術要求。
3)至少應支持固定碼速率編碼(CBR)、可變碼速率編碼(VBR)和內容感知編碼(CAE)。
 
還需要加強對AVS2超高清編碼器設備的可用性測試,嚴格要求編碼質量:
1)主觀圖像質量下降百分比要求
編碼器視頻壓縮碼率在35Mbps時,對于AVS產業聯盟/推進工作組推薦的8個不同測試序列,其主觀評價平均圖像質量下降百分比(相對于源序列)不大于9%,任何單一序列主觀評價圖像質量下降百分比(相對于源序列)不大于20%。
2)客觀圖像質量PSNR測試要求
編碼器視頻壓縮碼率在35Mbps時,對于AVS產業聯盟/推進工作組推薦的8個不同測試序列,其圖像質量PSNR檢測結果平均應≥34.5db。
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