《IPTV业务系统AVS2实施指南（2018年）》正式发布,艾策通讯参与规范制定

佚名| 上海艾策通讯科技股份有限公司| 2018-03-31

【流媒体网】摘要：视频编解码技术是视频产业的基础。MPEG/H.26x系列标准已成为国际上影响最大、应用最多的视频编码标准，主要由ITU-T和ISO/IEC开发，但是MPEG/H.26x陈旧的知识产权(IP)管理和专利持有者主导的商业模式正面临危机和挑战。

　　2018年3月30日，由中关村视听产业技术创新联盟会同中国智慧家庭产业联盟、中国视频体验联盟、广东4K生态产业联盟及众多相关产业的企业团体、研究院、知名人士等组织编写的《IPTV 业务系统AVS2实施指南(2018年)》正式发布。艾策通讯作为AVS2在IPTV领域应用的专业评测方，参与了本规范的制定。

　　▌引言

　　视频编解码技术是视频产业的基础。MPEG/H.26x系列标准已成为国际上影响最大、应用最多的视频编码标准，主要由ITU-T和ISO/IEC开发，但是MPEG/H.26x陈旧的知识产权(IP)管理和专利持有者主导的商业模式正面临危机和挑战。AVS2是我国自主知识产权的第二代数字音视频编解码技术标准，AVS2的编解码效率及复杂度与H.265大致相当，于2016年12月颁布为国家标准GB/T 33475.2-2016。AVS2支持超高分辨率(4K以上)、高帧率、高量化精度、高动态范围视频的高效压缩，与新一代超高清晰度视频产业发展相契合。

　　IPTV产业正在引领超高清视频时代，致力于为用户提供全4K新体验。AVS2对规范IPTV产业端到端系统技术和促进IPTV业务良性发展具有重大意义。在新的全4K业务发展形态下，考虑到IPTV系统现状和AVS2的产业化推广，建立AVS2护航IPTV的产业共识具有战略意义。通过分析IPTV业务系统应用AVS2标准的挑战，提出应用AVS2的实施指南，在技术方案和实施指引上提供清晰的建议和路径，以此推进产业共识和产业化应用，对于IPTV产业应用AVS2具有现实意义。

　　本实施指南基于广东4K产业应用AVS2的样板试点，基于IPTV产业链在的研究和验证工作，在产业链的支持和协同下编制完成，旨在对IPTV业务系统应用AVS2所面临的挑战和实践进行描述，期望形成产业共识和实施指南，加快IPTV应用AVS2的步伐。

　　▌指导单位及组织

　　中关村视听产业技术创新联盟

　　中国智慧家庭产业联盟

　　中国视频体验联盟

　　广东4K生态产业联盟

　　▌主编

　　张明杰中国电信上海研究院

　　▌编写人

　　罗传飞中国电信上海研究院

　　王荣刚北京大学深圳研究生院

　　郭晓强广电总局广科院

　　宋利上海交通大学

　　浦刚华为技术有限公司

　　陈光亮中兴通讯股份有限公司

　　张玉鹏华为技术有限公司

　　张伟民中关村视听产业技术创新联盟

　　刘长虹中国电信四川分公司

　　汪邦虎中关村视听产业技术创新联盟

　　熊张亮华为技术有限公司

　　王苫社北京大学

　　黄勃深圳中兴微电子技术有限公司

　　陈戈中国电信广州研究院

　　潘邵武华为技术有限公司

　　曾志华广州柯维新数码科技有限公司

　　杨小勇华为技术有限公司

　　徐晖北京牡丹电子集团有限责任公司

　　王贺上海国茂数字技术有限公司

　　▌参与单位

　　中国电信上海研究、中国电信广州研究院、中国电信广东分公司、中国电信四川分公司、广电总局广科院、广电总局规划院、北京大学、上海交通大学、华为技术有限公司、中兴通讯股份有限公司、烽火通信科技股份有限公司、南方新传媒、百视通、华数传媒、江苏广播电视总台、4K花园、优朋普乐、上海国茂、数码视讯、广州柯维新、北京牡丹电子集团有限责任公司、海思、中兴微、晶晨、晨星、中兴微、瑞芯微、全志、上海艾策通讯科技股份有限公司。

　　1.AVS2视频编解码标准技术及应用趋势

　　1.1AVS2视频编解码标准技术特色

　　AVS2标准的目标应用是超高清视频压缩，沿用了混合编码框架，整个编码过程包括帧内预测、帧间预测、变换量化、反量化反变换、环路滤波和熵编码等模块。

　　图1-1 AVS2编码框架

　　AVS2采用了基于四叉树的块划分结构，支持非正方形的帧内预测块划分。在I,P,B三种图像类型的基础上，根据应用需求，AVS2增加了前向多假设预测F图像。针对视频监控、情景剧等特定的应用，AVS2设计了场景帧(G图像和GB图像)和参考场景帧S帧。对于B帧，除了传统的前向、后向、双向和skip/direct模式，新增了对称模式。在对称模式中，仅需对前向运动矢量进行编码，后向运动矢量通过前向运动矢量推导得到。为了充分发挥B帧skip/direct模式的性能，AVS2在保留原有AVS1 B帧skip/direct模式的前提下，还采用了多方向skip/direct模式：双向skip/direct模式、对称skip/direct模式、后向skip/direct模式和前向skip/direct模式。对于这四种特殊模式，根据当前块的预测模式寻找相邻块中相同的预测模式块，将最先找到的具有相同预测模式的相邻块的运动矢量作为当前块的运动矢量。

　　对于F帧，编码块可以参考前向两个参考块，相当于P帧的双假设预测。AVS2将双假设预测分为两类，分别是时域双假设和空域双假设。时域双假设的当前编码块利用预测块加权平均作为当前块的预测值，但运动矢量差MVD和参考图像索引都只有一个，另外一个MVD和参考图像索引根据时域上的距离按线性缩放推导出来。而空域双假设预测也叫方向性多假设预测(Directional multi-hypothesis prediction，DMH)，通过融合初始预测点周围的两个预测点得到，而且初始预测点位于这两个预测点的连线上。除了初始预测点外，一共有8个预测点，只将和初始预测点连成同一条直线的两个预测点进行融合。除了四种不同的方向外，还根据距离进行调整，对1/2像素距离和1/4像素距离位置的4种模式分别计算，在加上初始预测点，共9种模式进行比较，选择出最佳预测模式。

　　场景帧是AVS2基于背景建模的监控视频编码方法提出来的。未打开监控工具时，I帧只给下个随机访问点之前的图像做参考。打开监控工具后，AVS2会用视频中的某一帧做场景图像G帧，G帧对于后面的图像可以作为长期参考。此外，AVS2还可以用视频中的某几帧生成场景图像GB帧，GB帧也可以用作长期参考。

　　AVS2中的变换编码主要使用整数DCT变换。对于4×4、8×8、16×16、32x32大小的变换块直接进行整数DCT变换。而对于64×64大小的变换块则采用一种逻辑变换LOT，先进行小波变换，再进行整数DCT变换。在DCT变换完成后，AVS2对低频系数的4×4块再进行二次4×4变换，从而进一步降低系数之间的相关性，是能量更集中。

　　AVS2的熵编码首先将变换系数分为4×4大小的系数组(Coefficient Group,CG)，然后根据系数组进行编码和zig-zag扫描。系数编码先编码含有最后一个非零系数的CG位置，接着编码每一个CG，直到CG系数都编码完为止，这样可以使得0系数在编码过程中更集中。AVS2中仍使用基于上下文的二元算术编码和基于上下文的二维变长编码。算术编码引擎采用了对数域编码，将乘法转换成加法运算。

　　AVS2的环路滤波模块包含三个部分：去块滤波、自适应样点偏移和样本补偿滤波。去块滤波的滤波块尺寸为8×8，首先对垂直边界进行滤波，然后是水平边界。对每条边界根据滤波强度不同选择不同的滤波方式。在去块滤波之后，采用自适应样本偏移补偿进一步减小失真。AVS2在去块滤波和样本偏移补偿之后又添加了自适应滤波器，一种7×7十字加3×3方形中心对称的维纳滤波，利用原始无失真图像和编码重构图像计算最小二乘滤波器系数，并对解码重构图像进行滤波，降低解码图像中的压缩失真，提升参考图像质量。

　　国家广播电影电视总局广播电视计量检测中心的检测报告(检测编号：20491501212989)显示：对于超高清4K视频，在36Mbps条件下，AVS2和HEVC相对于源图像质量下降分别为2.9%和3.0%。在相同码率条件下，AVS2比HEVC的平均主观质量略优。

　　1.2AVS2视频编解码标准的应用趋势

　　上世纪以来，因缺乏核心标准和技术，我国音视频产业始终处于产业链的低端，是典型的劳动力密集型的行业，国际竞争力受到严重制约且面临巨大的专利风险。2002年，原信息产业部科学技术司发文成立“数字音视频编解码技术标准工作组”，即AVS工作组，并任命高文教授为AVS工作组组长，牵头AVS标准制定。AVS由此从无到有、生根发芽，开启我国制订自主知识产权标准的创新之路。

　　AVS标准的一大创新是在标准制定之前先确立许可模式：凡是向AVS工作组提交技术和提案的单位都需要对其专利许可意向做出承诺，允许“免费使用”或者“加入AVS专利池”。这一机制解决了目前国际标准制定时缺乏对技术许可政策的约束，造成因为专利授权政策问题难以推广的弊端。最近由于HEVC/H.265饱受专利授权政策混乱困扰，连MPEG主席Leonardo也承认：MPEG只考虑性能不考虑授权成本制定标准的“商业模式”面临破裂。如下图所示，目前已知的H.265/HEVC的专利持有人情况：共有43家公司持有H.265/HEVC专利，其中17家公司在MPEG LA专利池中，8家公司在HEVC Advance专利池中，5家公司在Velos Media专利池中，2家公司同时加入了MPEG LA和HEVC Advance专利池，还有15家公司没有加入任何专利池。MPEG LA和HEVC Advance已发布H.265/HEVC的专利权使用费和许可政策，并多次进行了修订，在目前的政策中，这两家专利池大幅提升了专利收费额度。而Velos Media, Technicolor和另外14家公司暂时没有公布自己的收费政策。总体上，HEVC/H.265存在巨大的潜在专利费用风险，一定程度上制约了它的普及应用。

　　图1-2 HEVC/H.265的专利分布图

　　AVS1和AVS+采取“AVS专利池”统一许可模式，每个编解码器只象征性得收取1元专利费，不对内容收费;需要指出的是，到目前为止，AVS并没有收取过专利费。AVS2虽然暂未出台正式的专利许可政策，但根据AVS专利池管理委员会出台的《关于AVS2专利池许可的建议性规定》，AVS2的专利授权将沿用AVS1的统一许可模式，只对设备象征性收费，不对内容收费。特别的，对互联网上的软件服务免收专利费。

　　在十三五规划中，就明确指出“发展4K超高清电视是新闻出版广播影视部门贯彻落实中央创新驱动发展战略、促进文化与科技融合、深化广播影视供给侧结构性改革的重要举措，对于满足人民群众日益增长的精神文化需求，提升广播影视传播力、影响力和舆论引导力，促进和推动文化产业与民族工业发展都具有重要意义”。2018年年初，国家新闻出版广电总局发布了《关于规范和促进4K超高清电视发展的通知》，为规范和促进4K超高清电视健康有序发展提供了政策指导，按照技术发展规划，我国4K超高清视频编码将采用AVS2标准。AVS2超高清标准的颁布，符合我国现阶段发展的需求，加快了我国的超高清的发展，同时，也为我国避免陷入国外专利纠纷的境地。

　　2016年5月，AVS2广电行标颁布后，AVS即开始组织了企业进行产品研发，打造完整端到端系统。目前，主要包括深圳海思的AVS2 4K解码芯片、MStar的4K解码芯片;北京博雅华录的AVS2编码芯片;数码视讯、柯维新和上海国茂等企业的广播级AVS2超高清实时编码器;北京朝歌科技、四川九州等企业的AVS2-4K机顶盒，已正式推向市场。近期，广东省为推动我国自主标准的发展，将建成全国首个AVS2的全省示范网，加快AVS2的商用;同时，央视也将在2018年10月试播AVS2超高清频道。

　　2.IPTV业务系统应用AVS2标准的实施挑战

　　22.1AVS2编解码技术与开源视频工具生态的完善

　　AVS2在压缩效率显著提升的同时，其编解码器复杂度也有了明显的提高。在AVS2标准发布之后，市场上迫切需求一款快速高效、能够给各类基于AVS2的视频应用提供技术支撑的编解码软件。北京大学于2018年1月发布AVS2开源编码平台xAVS2。开源平台基于AVS2参考软件对于代码结构进行了深度优化，设计了高效的并行架构，对针对不同的编码技术进行算法优化。针对不同的应用场景，xAVS2开源编码器设置了preset 0 ~ preset 9共10个速度档次。其中，preset 0是最快速的档次，preset 9编码效率最高。在i7处理器上和HEVC开源编码器x265具有相当的编码速度和压缩性能，能够实现高清视频的实时编码，有望获得大规模地应用。

　　与此同时，AVS2深度融入视频处理工具生态对加快AVS2广泛应用具有重要的推动。支持AVS2的ffmpeg、VLC插件也在开发中，预计2018年下半年陆续进行开源。这些工具的开源将进一步降低相关应用的开发门槛，加速AVS2应用的普及。

　　2.2AVS2编码效率的实现与编码器设备的可用性测试

　　“AVS技术应用联合推进工作组”于2017年9月-12月期间组织了AVS2广播级专业编码器的测试工作。测试主要围绕广电总局4K超高清电视相关技术应用指导意见展开，并参照AVS联盟标准T/AVS 105-2017 《AVS2 4K 超高清编码器技术要求和测量方法》进行。

　　参与测试的编解码系统支持4K/UHD/50P SDR 709/2020色域图像的AVS2 10bit实时编码;其中，在编码效率方面，测试了36Mbps码率点的主观质量。主观评价采用GY/T 134-1998《数字电视图像质量主观评价方法》中的“双刺激连续质量标度方法”，主观评价经编解码系统处理后的图像序列质量相对于源图像序列质量的损伤情况。

　　表2-1 AVS2全4K实时编码器的图像质量主观评价结果