AVS数字音视频编解码标准

从1952年贝尔实验室Cutler等人进行差分脉冲编码调制(DPCM)技术的研究开始，视频压缩编码技术经历了50余年的发展。在这一过程中，逐渐形成了变换编码、预测编码、熵编码3类经典技术，分别用于去除视频信号的空域冗余、时域冗余及统计冗余。并基于这些经典技术，逐渐形成了以块为单元的预测加变换的混合编码框架。到目前为止，已有的视频编码标准都基于这一框架，包括国际电信联盟(ITU-T)的H.261/3/4视频编码建议以及国际标准化组织/国际电工委员会(ISO/IEC)的MPEG-1/2/4视频编码标准。这些标准及其技术对视频信号提供了一种高效表达方式，使得巨大的视频数据能够在有限带宽下传输以及在有限空间下存储。其中，MPEG-2标准在世界范围内得到了广泛应用，已经成为电视广播应用的基础性支撑标准。但MPEG-2标准制订于1994年，属第一代视频编码技术，近10年视频编码技术的发展，使得MPEG-2标准在新一代IPTV、高清数字电视广播、无线移动媒体通信、流媒体服务等方面的应用上不再高效与经济。新的应用需要新的高效信源编码方案。

数字音视频编解码标准(AVS)标准第2部分：视频(AVS1-P2)[1]的技术规范完成于2003年12月，该标准面向标清高清视频编码应用。AVS视频标准吸收了国内外研究机构近年来的优秀研究成果，属于高效的第二代视频编码技术。相比于MPEG-2标准，编码效率提高2～3倍。如果以AVS视频标准进行标清视频广播应用，可以将MPEG-2标准所需的5～6 Mb/s传输带宽降低到1.5～3 Mb/s。因此，即使在不进行大规模宽带光纤网络升级的情况下，借助于AVS视频技术，IPTV应用也可以在现有家用数字用户线(DSL)网络的2 Mb/s带宽下进行大规模实施。在新的宽带网络上，AVS视频标准将使业务量翻番。

在获得高编码效率的同时，AVS视频标准尽可能保持了低的计算实现复杂度。当编码高清视频信号时，AVS视频获得了与先进视频编码标准AVC/H.264主要档次(Main Profile)相当的编码效率，但解码器的实现复杂度只有其60%～70%。在专利许可方面，AVS通过简洁的一站式许可政策，解决了MPEG-4 AVC/H.264被专利许可问题缠身难以产业化的弊端，并且专利许可费用大大低于国际同类标准。

1.AVS视频技术

1.1混合编码框架

AVS1-P2视频标准采用经典的混合编码框架，如图1所示。此框架与以往视频标准相同，但由于不同标准制订时出于对不同应用的考虑，在技术取舍上对复杂度-性能的衡量指标各不相同，因而在复杂性、编码效率上的表现也各不相同。比如，一般认为H.264的编码器大概比MPEG-2复杂9倍，而AVS视频标准则由于编码模块中的各项技术复杂度都有所降低，其编码器复杂度大致为MPEG-2的6倍，但编码高清序列AVS视频标准具有与H.264相近的编码效率。

在图1所示框架下，视频编码的基本流程为：将视频序列的每一帧划分为固定大小的宏块，通常为16×16像素的亮度分量及2个8×8像素的色度分量(对于4?誜2?誜0格式视频)，之后以宏块为单位进行编码。对视频序列的第一帧及场景切换帧或者随机读取帧采用I帧编码方式，I帧编码只利用当前帧内的像素作空间预测，类似于JPEG图像编码方式。其大致过程为，利用帧内先前已经编码块中的像素对当前块内的像素值作出预测(对应图1中的帧内预测模块)，将预测值与原始视频信号作差运算得到预测残差，再对预测残差进行变换、量化及熵编码形成编码码流。对其余帧采用帧间编码方式，包括前向预测P帧和双向预测B帧，帧间编码是对当前帧内的块在先前已编码帧中寻找最相似块(运动估计)作为当前块的预测值(运动补偿)，之后如I帧的编码过程对预测残差进行编码。编码器中还内含一个解码器，如图1中青绿色部分所示。内嵌解码器模拟解码过程，以获得解码重构图像，作为编码下一帧或下一块的预测参考。解码步骤包括对变换量化后的系数进行反量化、反变换，得到预测残差，之后预测残差与预测值相加，经滤波去除块效应后得到解码重构图像。以上编码框架包含如下关键技术：