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[转]数字音视频编解码技术与标准介绍

[转]数字音视频编解码技术与标准介绍

来源:eNet硅谷动力

中科院计算所首席科学家 高 文

    一、数字音视频产业呼唤保护产业发展的国家信源编码标准

    音视频产业是电子信息产业的重要组成部分。据信息产业部《电子信息产品“十五”投资指南》预测,2008年音视频产业年产值将超过通信产业成为信息产业第一大产业,2010年年产值将达到1.5万亿,成为国民经济第一大支柱产业。随着科技的进步,数字化技术已经全面进入音视频产品领域,数字音视频产品已经占据该产业的主流。

    我国目前在音视频产业领域已经具备较强的产业基础,但由于不掌握核心技术标准,相关企业长期受制于国外持有标准化专利与技术的企业和组织。从去年发生的DVD专利收费事件,到最近日本厂商在媒体上透露的数码相机专利收费意向,再到国际上欧洲厂商向韩国企业征收GSM系统专利费,都在提醒我们关注国内数字音视频产业的潜在风险。

    在数字音视频产品中,涉及的技术标准包括信道编码标准、信源编码标准、数据格式标准等等。通俗地说,信道标准解决的是如何铺设数字化的道路,格式标准定义车的规格,信源标准解决货的打包压缩问题,其中最重要的货物是视频和音频。一段时间以来,国家对数字电视地面传输标准、有线电视数字传输标准、光盘播放机格式标准(EVD等)、第三代移动通信标准(TD-SCDMA等)、宽带互联网标准(3TNet、IPv6)等分别给予了不同程度的关注和支持,但这些产业所共同需要的音视频信源编码标准却一直未得到足够重视。实际上,信源编码技术由于能够大幅度压缩音视频数据的数据量,是数字音视频产业发展的最初动力。

    以数字电视和光盘播放机为例,目前信源编码技术主要采用MPEG系列标准,例如VCD采用MPEG-1,DVD采用MPEG-2,美国的标清电视和高清电视采用MPEG-2等。不少人想当然地认为我国采用现成MPEG-2标准即可,却未注意千万量级的数字电视终端和播放机产品意味着数十亿美元的专利费。

    更重要的是,经过近十年的使用,国际上本领域专家对MPEG-2信源编码技术标准的效率提出越来越多的质疑,取代MPEG-2的新技术标准也正在逐步形成,新的标准的压缩效率能够提高一倍,这意味着现有光盘技术同样可以支持高清晰度节目,意味着宽带网和有线电视网在硬件不变的情况下能够提供双倍的节目,意味着对音视频传输设备的性能要求降低一倍,标清电视传输设备可用于高清电视节目播出,更意味着数字电视地面无线广播和卫星广播能够节省一半的频谱资源,对于频谱这种类似于土地的不可再生的资源来说,采用新的信源编码压缩技术意义重大。

    为了使DVD专利费事件不再在庞大的中国数字电视产业、新一代激光视盘机、多媒体通信、宽带网络流媒体等新兴音视频产业中重演,使我国在新一轮竞争中取得国际领先性的跨越式发展,我国有必要组织先进的、可自主控制的数字音视频编解码技术标准体系。

    我们提出并正在研究开发的数字音视频编解码技术和正在制定的标准简称为AVS标准(audio/video codingstandard),这是一套先进的、可自主控制的信源编码标准,在性能上与最新的国际标准相同或更高,兼容国际标准基本功能,所包含的技术专利不受控于境外企业与组织。

    二、制定标准一定要坚持独立自主和先进开放有机结合

    制定标准可以有几种做法。一种做法是翻译已有国际标准或工业标准,其特点是先进与开放。另一种做法是完全避开现有国际标准或工业标准,新搞一套,其特点是独立自主。最理想的做法是把两个方法的特点结合起来,既先进开放,又独立自主。当然,这一般是很难同时做到的。

    我们在AVS活动中抓住了一个难得的历史机遇:国际上信源编码技术正处于更新换代的前夜,信源编码核心技术很多是公开发表的,另有一些相关专利已经过了保护期,国际上很多系统与硬件厂商都有意通过专利技术共享来推动技术变革的愿望,我国专家有参与国际标准的制定并做出了诸多贡献的经验。结合这些因素,我们有可能使AVS同时做到独立自主和先进开放。

    开发AVS技术与标准的基本思路是:基于可以合法免费使用和我们自主研发的专利技术,制定出一套自主的音视频编解码技术标准。AVS标准的特点是:(1)在基本层(baseline)与最新国际标准ISO MPEG-4/AVC和H.264兼容,有利于一块芯片同时支持国际和国家标准;(2) 在MP层(main profile)采用自主技术,有效避免国外对MP层的专利收费;(3) 在技术方案上精简掉国际标准中因非技术原因而加入的一些不必要的模块,从而在实现上提供更高性能价格比的技术。

    三、AVS工作进展

    到目前为止AVS工作经历了三个阶段。第一阶段,准备阶段,主要是参与国际标准的制定工作。第二阶段,AVS标准自主制定阶段。第三阶段,AVS标准推广与应用阶段。

    1.准备阶段

    我国已经具备自主制定数字音视频技术标准的技术积累和人才基础。我国是ISO/IEC组织的正式成员国,国家信标委下属的多媒体分委员会与ISO/IEC JTC1/SC29直接对口。信息产业部第四研究所林宁同志一直担任ISO/IEC JTC1/SC29的中国联络员,多媒体分委员会也指派高文同志(本人)担任MPEG(ISO/IEC JTC1/SC29/WG11)中国专家代表团的团长(HoD, Head of Delegation)。

    在国家信标委多媒体分委员会的组织下,我国在MPEG工作组的作用逐步增强。我国分别于2000年7月和2002年10月在北京和上海两次成功主办MPEG会议,每次与会的国外专家都超过300人。自1997年至今,我国已有20项余项提案提交MPEG专家组,已经有多项提案被MPEG-4、MPEG-7标准所接纳,提案单位包括中科院计算所、哈工大、清华大学、北工大等,例如,MPEG-4 part 7标准的大部分工作是我国专家完成的。另外,去年中科院计算所提出的码率控制算法等提案已经被标准接受,在本月于日内瓦举行的JVT工作会议上,中科院计算所又被确定为视频编码软件的维护和测试单位。

    可以说,我国的科研单位在视频压缩等领域的研究成果在国际上已经具有了一定的竞争力,我们在本技术领域有很大的技术把握,确保标准的效率不低于同类国际标准,而且可以和国际标准尽量接轨,与先端技术同步发展。

    2.标准制定阶段

    信息产业部科学技术司于2002年6月批准筹备“数字音视频编解码技术标准工作组”,负责数字音视频等多媒体设备与产品中的压缩、解压缩、处理和表示等技术标准的制定工作。2002年12月正式发文成立了 “数字音视频编解码技术标准工作组”。AVS工作组成立后,开始了标准的制定工作。工作组成员共同讨论确定了AVS标准应该满足如下几项原则:

    ● 先进性,即标准中所选择的技术应该代表国际前沿水平,通过国际联合等方式共享必须的知识产权;

    ● 现实性,即标准中采用算法的实现成本必须是市场和用户可接受的;

    ● 兼容性,即标准中采用的算法能够和对应国际标准在一定层次上兼容;

    ● 独立性,即标准是独立制定的,在专利等知识产权上不受制于人;

    目前工作组分为:需求组、系统组、视频组、音频组、实现组、测试组、安全与版权组等专题组开展工作。参加工作组的会员单位已经超过50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,已经召开四次工作会议。在2003年03月27-28日在武汉举行的第四次会议上,需求组、系统组、视频组、音频组、安全组都取得了阶段性成果,特别是视频组,已经完成工作草案。工作组和MPEG、JVT等国际标准组织的合作成效明显,并确定成立实现组,计划7月组织一次工业论坛,向媒体和工业界介绍AVS进展。

    AVS工作组计划于2003年12月底完成AVS标准1.0版。AVS 1.0将包括三部分:第一部分:系统;第二部分:视频;第三部分:音频。

    3.标准推广与应用阶段

    AVS工作组计划2003年12月工作会议期间,组织数字音视频技术展览,邀请MPEG-4、JVT、AVS的相关厂商与研发组织参加,并组织新闻发布,介绍推广AVS 1.0。

    从2004年年初开始,AVS工作组一方面将AVS标准进行逐步完善和升级,另一方面将努力推广和应用AVS。我们将争取尽快在有线电视、卫星电视、远程教育、激光视盘、视频监控、视频会议、网络流媒体等领域展开应用。

    四、AVS标准的应用模式与应用前景

    AVS是一套适应面十分广阔的技术标准。与MPEG-2等现有压缩标准相比,在相同的视觉质量下,码率至少可以降低50%。码率范围覆盖几十kbps的低带宽通信到数十Mbps的高清晰度电视广播,可以支持低延迟模式的视频会议应用,也支持高压缩效率的视频存储应用等,明显超越了现有的所有视频编码标准,在工业界得到广泛应用已经成为必然。

    目前工作结果已经表明,AVS在下述领域具有重要的应用前景:

    1) 标准清晰度数字电视:利用AVS标准,可以用2-3M带宽实现现有6M带宽的同等质量的标清电视节目,广播带宽节省一半,有效利用无线频谱资源,有利于提供终端产品的自主技术水平;

    2) 高清晰度数字电视:可以用6M的带宽实现现在需要20M带宽的MPEG-2高清电视节目,如果用10Mbps带宽,可以播出效果更好的电视节目。这不仅意味着带宽和频谱资源节省,更意味能够利用标清电视传输系统广播实现高清晰度电视广播;

    3) 高清晰度光盘播放机:作为DVD的换代产品,高清晰度光盘播放机在未来一两年内即将走向市场,如果利用AVS技术实现6Mbps的高清晰度电影压缩,就可以采用现有红光DVD相同或类似的光学和伺服系统以及盘片,开发出新一代高清晰度激光视盘机系统,一定程度上摆脱3C、6C、1C的围堵;

    4) 宽带网络流媒体和多媒体通信:流媒体是宽带网络的拳头应用,AVS凭借高效的压缩性能,能够促进宽带网络流媒体的快速普及;可视电话是第三代移动通信需要首先支持的功能,AVS是移动通信这种带宽有限领域的理想选择。

    上述各种产业应用的成果,光靠AVS技术的先进远远不够,还必须得到国家政策的扶持和产业化的扶持。我们希望得到国家和产业的更大支持。一方面,我们希望得到政府的明确支持,在数字电视标准、光盘播放机标准等领域允许AVS标准进入,以减小MPEG-2到AVS技术更新给用户带来的经济损失,降低对MPEG-2设备投入较大单位和部分对MPEG-2技术研发投入较大企业的对我们的压力。另一方面,为了使AVS标准尽快进入实用化阶段,建议拨出专款用于扶持AVS标准相关产品与设备的研发与产业化,包括有线电视机顶盒、卫星电视机顶盒、高清激光视盘、EVD、视频监控系统、视频会议系统、网络流媒体系统等。

    AVS工作组有信心在掌握数字音视频编解码关键技术并妥善解决专利问题的基础上,在国际先进水平的研究开发工作基础上,制定出我国具有自主权的数字音视频编解码标准,为数字音视频产业解决后顾之忧,为我国数字音视频产业的自主发展打开宽阔的大门。

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