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标题: 关于AVS标准在直播卫星中的应用 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-13 09:38
标题: 关于AVS标准在直播卫星中的应用
作者：中国科学院计算技术研究所黄铁军高文

　　我国首颗广播电视直播卫星将于明年升空，这为我国数字音视频产业的发展创造巨大发展空间。我国自主制定的数字音视频编解码标准AVS的压缩效率是传统标准的一倍以上，能够使直播星的节目容量提高一倍，也将为发展自主解码芯片和卫星接收机提供重要机遇。

　　建议首颗广播电视直播卫星采用自主AVS标准、芯片和整机产品，以形成规模大、实力强的卫星产业。

　　1、广播电视直播卫星营造重大产业与技术机遇

　　广播电视直播卫星是《国民经济和社会发展第十个五年计划》规划的高技术工程，其目标是促进航天工业、广播电视媒体制作业、卫星接收设备制造业、软件等产业的快速成长，创造出千亿元人民币的内需市场，形成国民经济新的增长点。

　　广播电视直播卫星系统的关键技术包括卫星通信技术和数字音视频技术两大部分。中国航天事业四十多年来的迅猛发展，为广播电视直播卫星系统的建立和运行，奠定了坚实的基础。信息产业作为迅猛发展的国民经济第一大产业，完全能够为广播电视直播卫星系统提供自主的产品，我国自主制定的数字音视频标准AVS，达到了第二代音视频编码的最新水平，采用AVS的中国直播星比采用第一代标准的国外直播星系统领先了十年。因此，我国的广播电视直播卫星系统不仅是自主知识产权的，还将是全球领先的信息服务平台，成为我国高新技术产业跨越发展的重大机遇。

　　2、视频编码标准更新换代，专利许可成为障碍

　　数字电视标准最重要的是信源编码标准和信道编码标准。信道技术即通常所说的传输技术，包括射频技术和调制解调技术（数字电视才需要），解决在不同的传输物理介质上传输数字信号的问题。信源编码技术解决的重点问题是数字音视频海量数据的编码压缩问题，故也称数字音视频编解码技术，无论采用何种信道技术，信源编码都是必要的。

　　众所周知，数字化视频的原始数据量是十分庞大的，例如，标准清晰度的数字视频每秒的数据量超过200M比特，高清晰度数字电视每秒的数据量超过1G比特。数字音视频要在消费电子产品中得到应用，必须采用先进的压缩编码算法进行大幅度压缩。而反映压缩效率的压缩比也就成为数字电视乃至数字音视频产业的“基本指数”。

　　国际上音视频编解码标准主要有两大系列：国际标准化组织和国际电工委员会第一联合技术组（ISO/IEC JTC1）制定的MPEG系列标准，数字电视采用的是MPEG系列标准；ITU针对多媒体通信制定的H.26x系列视频编码标准和G.7系列音频编码标准。标准发展过程如图1。

图1 音视频标准发展史

　　MPEG是ISO/IEC JTC1 1988年成立的运动图像专家组（Moving Picture Expert Group）的简称，全称为ISO/IEC JTC1第29分委会第11工作组（ISO/IEC JTC1/SC29/WG11），负责数字视频、音频和其它媒体的压缩、解压缩、处理和表示等国际技术标准的制定工作。从1988年开始，MPEG专家组每年召开四次左右的国际会议，主要内容是制定、修订、发展MPEG系列多媒体标准。视音频编码标准MPEG-1(1992)和MPEG-2(1994)、基于视听媒体对象的多媒体编码标准MPEG-4(1999年)、多媒体内容描述标准MPEG-7(2001)、多媒体框架标准MPEG-21。目前，MPEG系列国际标准已经成为影响最大的多媒体技术标准，对数字电视、视听消费电子产品、多媒体通信等信息产业的重要产品产生了深远影响。

　　1994年制定的MPEG-2标准是国际音视频标准领域的一个里程碑，是音视频行业遵循的基本标准。近十年来，音视频编码技术本身和产业应用背景都发生了明显变化。ITU-T于1997年提出的一个长期的视频标准化项目H.26L，ITU-T并在1999年8月推出该标准的第一版测试模型。为了响应ISO/IEC MPEG对先进视频编码技术的需求，从2001年开始，ISO和ITU开始组建了联合视频工作组（JVT，Joint Video Team ，ISO/IEC MPEG和ITU-T VCEG联合视频工作组），在H.26L的基础上开发新的视频编码标准，目标定位在制定一套兼顾广播和电信、覆盖从低码率通信到高清晰电视的广域标准。在ISO/IEC中，该标准的正式名称为MPEG-4 AVC（Advanced Video Coding）标准；在ITU-T中的正式名称为H.264标准。2003年下半年，ISO/IEC以MPEG-4第十部分（ISO/IEC 14496-10）的名义正式发布了这项标准。

　　MPEG-4 AVC/H.264是代表最新技术水平的一项国际标准，但正如它的名字复杂到让人难以理解一样，它的技术方案也过于复杂。首先，这项标准覆盖的应用范围过宽，从低码率通信到高清晰度广播，码率从几十K到几十M ，相差三个数量级，任何一个实际应用，都只会选择其中的一个子集，因此，作为标准，过于臃肿。其次，在标准制定过程中，一些成员拼命加入自己的技术，有很多技术提案对整体压缩效率的贡献很小，但“你不让我进，我也不让你进”，平衡的结果是不得不加入了一些没有什么用的技术（往往是专利），不仅增加了标准实现的复杂度，也为将来繁杂的专利争执埋下了祸根。

　　然而，决定MPEG-4 AVC/H.264未来的最大因素还不是技术问题，而是长期困扰MPEG标准的专利授权问题。MPEG-1没有专利授权问题，MPEG-2有国际工业界可接受的专利授权政策，MPEG-4则被变本加利的专利费所扼杀，现在，这个问题又降临到MPEG-4 AVC/H.264头上。在解释这个问题之前，需要先了解标准背后的专利问题。

　　MPEG作为ISO/IEC下属的标准工作组，只负责制定标准，知识产权方面遵守ISO的RAND通则。MPEG LA 是1996年在美国成立的专利授权代理公司，虽然从名称上似乎和MPEG标准专家组有联系，但事实上没有任何法律关系。

　　MPEG LA 1997年启动MPEG-2 （视频和系统部分）所涉及的专利许可代理业务，1998年12月获得美国司法部审议认可(EC Comfort Letter)。

　　MPEG-2最初的收费对象为解码设备和编码设备，每台专利授权费4美元。从2002年开始，降为2.5美元。由于当时MPEG-2是数字音视频领域唯一可用的技术标准，而且相对合理，因此MPEG-2的产业化取得了巨大成功。

　　在对MPEG-2收费取得成功的情况下，MPEG-4 LA公布的MPEG-4标准的收费模式为：消费者使用解码设备，除购买设备时需要缴纳的一次性专利费外，还将按使用时间进行收费，通常这个费用是通过提供视频服务的节目发行商（如音像出版公司）或运营商（如电视台、视频点播服务提供者等）收取的，其总的收费额度每年高达数百万美元。此收费政策一出，美国在线-时代华纳代表媒体运营商率先反对。MPEG-4因为收费问题，成了一个主流应用运营商不支持的技术标准。MPEG-4 AVC/H.264是MPEG专家组和ITU VCEG专家组2003共同完成的视频编码标准，MPEG-LA一直在制定其收费模式。2003年11月17日，MPEG LA 宣布H.264/MPEG-4 AVC的必要专利权人就联合许可条款达成了协议，要求根据节目、订户和本地发射台数等参数来对运营商收费。欧广联（EBU）随后发表2003年度第96号声明，表示“十分遗憾的是，EBU看到AVC的许可条款对广播商是极端不合理的”。对于中国的广播电视系统来说，近2000家电视台和大大小小的有线电视网需要缴纳的专利费总额十分庞大，中国数字电视运营产业MPEG国际标准，将面临巨大经济负担。2004年5月，MPEG LA收费政策最后敲定，对运营商收费的条款基本没变。

　　3、AVS标准抓住机遇，推动我国音视频产业的跨越发展

　　音视频编解码技术的进步和标准的更新换代为我国后来居上提供了历史性发展机遇，AVS正是在这样的国家大背景下应运而生的。AVS标准的完成，使得全球范围内可选的第二代标准变成三足鼎立的局面：国际标准 MPEG-4/H.264、中国牵头的制定的AVS，一些公司提出的标准。国际标准MPEG-4/H.264虽然开放，但背后的专利授权问题难以负担；公司标准受到公司控制，难以得到业界广泛接受。我国牵头制定的AVS，性能达到国际标准同样水平，而且方案简洁，知识产权政策明晰，应是国际范围内第二代标准的上选。

　　数字音视频编解码技术标准工作组（简称AVS工作组）由信息产业部科学技术司于2002年6月批准成立。工作组的任务是：面向我国的信息产业需求，联合国内企业和科研机构，制（修）订数字音视频的压缩、解压缩、处理和表示等共性技术标准，为数字音视频设备与系统提供高效经济的编解码技术，服务于高分辨率数字广播、高密度激光数字存储媒体、无线宽带多媒体通讯、互联网宽带流媒体等重大信息产业应用。目前工作组分为需求与测试组、系统组、视频组、音频组、实现组、版权保护组、知识产权组等专题组开展工作。会员单位从2002年度的30多家增长到130多家，覆盖了国内本领域的主要产品开发生产厂家与研究单位。AVS工作组成立以来，已经召开了12次全体会议，30余次专题会议。

　　在国家标准计划中，AVS标准的正式名称为《信息技术先进音视频编码》。AVS标准包括系统、视频、音频、数字版权管理等四个主要技术标准和一致性测试等支撑标准。AVS标准和相关国际标准的时间对应关系以及AVS工作组已经开展的工作如图2所示。

图2 AVS标准和相关国际标准的发展路线图

　　AVS工作组2003年度完成的视频标准报批稿是《信息技术先进音视频编码》的第二部分，代表了当前视频编解码领域的最新水平。视频标准是AVS标准中最复杂、难度最大的一个部分，其编码效率是MPEG-2的2-3倍（根据视频画面尺寸不同有所不同）。AVS在保证编码效率的前提下，实现复杂度明显比最新的MPEG-4 AVC低，在高清晰度应用方面处于领先水平，是我国高清晰度数字电视和激光视盘机产业的最佳选择。

　　2004年11月15日-12月26日，国家广播电视产品质量监督检验中心对AVS视频标准进行了测试，测试时间进一个半月。试验采用双刺激连续质量标度（DSCQS）法评价AVS视频编/解码系统处理后的图像质量相对于未经压缩的原始图像质量的差别,评价AVS视频压缩方案的性能，参加评价人员共计56人。试验结果表明AVS视频编/解码方案在图像格式为720X576i/50Hz、压缩码率为2.5Mbps时，可察觉经编/解码处理后的被评价对象与原始素材图像质量的差别，但差别小（总平均分差6.4，百分制）。在图像格式为1920X1080P/25Hz、压缩码率为6Mbps时，被评价对象为图像质量与原始素材图像质量的差别很小（总平均分差3.6，百分制），不易察觉。

　　2004年12月29日，全国信息技术标准化技术委员会组织召开了AVS标准审定会。评审委员会由信息产业部电子科技委主任童志鹏院士任主任，全国音频、视频及多媒体系统与设备标准化技术委员会主任徐顺成研究员任副主任，包括汪成为、王越、李国杰、何新贵等院士在内的共11位专家任委员，对AVS工作组提交的《信息技术先进音视频编码第二部分：视频》（送审稿）和《信息技术先进音视频编码第一部分：系统》（送审稿）进行了审定。审定会认为，该项标准是数字音视频编码领域非常重要的基础性标准，对产业发展意义重大。工作组在推动技术、专利、标准和产业协调发展方面做了大量细致的工作，探索出一条开放式自主制定重大信息技术标准的道路，是卓有成效的。

　　审定委员会一致认为，AVS在技术、专利、标准三个方面创新突出，AVS软件和芯片已经开发，AVS标准是关系到国家数字音视频产业发展和重大利益的基础标准，建议国家相关主管部门在广播电视直播卫星、高清晰度数字电视等重大音视频应用领域采用这一自主标准，加大支持和投入力度，推动自主AVS高清晰度软件、芯片、产品和系统的产业化，推动具有核心竞争力的数字音视频产业群的形成。

　　通过对国际、国内相关专利的认真仔细的调查分析，我们认为AVS自主专利技术和公开技术构成了AVS标准的主体。AVS视频标准作为国家标准，我国在知识产权方面具有明显的技术主动权，能够妥善解决知识产权问题。在国际范围内，AVS自主技术也占据明显优势，具有在国际范围内推广应用的良好基础。公开技术、自主专利技术和愿意加入“AVS专利池”构成了完备的AVS技术方案，AVS标准侵犯其它专利的风险极小。凭借自主技术的明显优势地位和公平合理的“AVS专利池”统一许可模式，完全可以全面解决知识产权问题，并为全球范围内协调标准和专利关系问题探索出一条新的道路。

　　与其它类似标准相比，AVS有两大优势：基于自主技术和部分公开构建的开放标准，较好地解决了知识产权许可问题；中国日渐强大的产业化实力和市场提供了良好土壤。在这两大翅膀的助推下，AVS已成为全球范围内最有可能成为事实标准的第二代音视频编码标准。

　　AVS是一套适应面十分广阔的技术标准，优势表现在以下几个方面：

　　1)基于我国创新技术和部分公开技术的自主标准：编码效率比第一代标准（MPEG-2）高2-3倍，而且技术方案简洁，芯片实现复杂度低，达到了第二代标准的最高水平，可节省一半以上的无线频谱和有线信道资源；

　　2)第二代音视频编解码标准的上选：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、难以产业化的死结，与一些公司提出的标准相比，AVS是开放式制订的国家、国际标准，易于推广；

　　3)为音视频产业提供系统化的信源标准体系：MPEG-4 AVC/H.264是一个视频编码标准，而AVS是一套包含系统、视频、音频、媒体版权管理在内的完整标准体系，为中国日渐强大的音视频产业提供了完整的信源编码技术方案，正在通过国际标准化组织合作，进入国际市场。

　　4、直播卫星采用AVS标准的重要意义

　　数字音视频编解码技术标准AVS是我国采用自主创新技术和部分公开技术自主制定的第二代信源编码技术标准，AVS的压缩效率比本领域沿用了近十年的第一代标准MPEG-2提高了一倍以上。

　　采用自主AVS标准是直播卫星领先的关键。广播电视直播卫星采用AVS标准的重要意义在于：(1) 音视频节目的压缩效率能够提高一倍，意味着直播卫星的节目传输能力提高一倍，“一颗星可以当成两颗星来用”；

　　(2) 音视频解码芯片是卫星接收机内最核心、最重要芯片，相当于计算机的CPU(中央处理器)，每年数千万台直播卫星接收机采用自主解码芯片将有力推动我国芯片产业的发展；(3) AVS标准达到了国际最新水平，解决了相应国际标准背后高昂的专利许可费问题，显著提高我国直播卫星数字电视系统的技术自主性，是继卫星技术之后的另一高新技术制高点；(4) 采用自主芯片和Linux操作系统的接收机，完全清除了安全隐患，而且价格可控制在500元内，有利于全国范围内各个地区广泛推广。

　　广播电视直播卫星已在全球范围内广泛应用并形成一种新的技术产业。中国有3.7亿多户家庭，其中约1/3是有线电视用户。发展直播卫星系统，不仅能够向其它2/3直接提供数字电视和相关信息服务，还将为现有有线电视用户提供新的选择，为音视频芯片、整机和媒体制作、运营产业创造广阔的舞台，经济效益和社会效益十分显著。

　　AVS不仅在性能上与最新国际标准相当或更高，而且比国际标准更精简，芯片和产品实现复杂度比最新国际标准约低30%。利用当前的芯片技术完全可以实现。采用自主的AVS标准，就可以重点扶持国内芯片设计和生产企业，我国企业在芯片、软件、整机、系统等产品就可以先行一步。

　　2005年3月2日，"AVS101高清解码芯片科技成果鉴定会"在北京召开。鉴定委员会由包括9位院士在内的15名专家组成，经认真评议宣布AVS101高清解码芯片顺利通过鉴定，这标志着我国在高清晰度编解码标准和芯片实现方面同时站到了世界最前列。鉴定委员会一致认为：该成果研究起点高，技术先进，突破了数字音视频解码芯片的核心技术，总体上达到国际先进水平，在若干关键算法及其实现上具有独创性。所完成的演示系统功能齐全、工作稳定，适合大规模生产的要求，为我国在计算机、通讯和消费电子领域的国际竞争提供了重要的技术支撑。鉴定委员会一致同意通过鉴定，建议加快对我国信息产业具有重要意义的AVS数字音视频编解码标准的制定，尽快在高清晰度激光视盘系统、数字电视、网络电视等重大产业化方面进一步加强推广力度。AVS101高清解码芯片的实现，是AVS产业化的重要里程碑，对我国数字电视以及数字音视频产业的发展具有基础意义。

　　基于自主技术的广播电视直播卫星的升空，基于自主技术的卫星广播数字电视标准的确立，将为我国芯片设计、软件开发、整机与设备制造、节目制作与媒体运营提供庞大的舞台，开启我国卫星数字电视产业以至信息产业跨越发展的大门。

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