AVS-数字音视频编解码技术标准

数字音视频编解码技术标准AVS
高文、黄铁军
编者按：2004年8月27日，AVS（信息技术先进音视频编码）标准在北京正式投入产业化。

专家们兴奋地表示，这项“中国标准”的诞生，将让中国在数字音像领域节省超过10亿美元的专利费。

本报第34期A1版《AVS：4亿电视保卫战》对此进行了报道，并引起了读者的广泛关注。

本期，本报特别邀请标准工作组组长中国科学院计算所研究员、博士生导师高文以及标准工作组秘书长黄铁军博士，谈谈他们眼中的AVS。

AVS 标准是“信息技术先进音视频编码”（Audio and Video coding Standard Workgroup of China）系列标准的简称，包括系统、视频、音频等三个主要标准和一致性测试等支撑标准，这是基于我国创新技术和公开技术制定的开放标准，旨在为中国日渐强大的音视频产业提供完整的信源编码技术方案。

因此，要了解AVS，首先要弄明白：什么是信源标准？
何谓信源标准？
顾名思义，所谓“信源”，应该与信息的“源头”有关，它所相对的概念是“信道”。

为了便于理解，我们以数字电视这一热门话题为例来解释两者的不同。

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数字电视的主要核心技术包括信源编码、信道编码和显示技术，它们分别解决数字电视节目在初始制作、中间传播和终端呈现三个主要环节上的问题。

通俗地说就是满足了我们拍片子、播节目、看电视的需要。

我们现在仅讨论信源和信道编码问题，其它问题本文不涉及。

数字电视信道标准是针对数字电视的带宽需要、传输条件等需求而定义的标准，解决在不同的传输物理介质上传输数字信号的问题。

地面广播、有线电视、卫星广播采用不同的信道编码技术和标准。

广义上说，互联网、移动通信网、激光视盘和其他存储介质都是音视频多媒体内容的信道和载体。

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 bit ，高清晰度数字电视每秒的数据量超过1G bit 。

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”。

打个形象的比方，信源编码就好像制作压缩饼干的技术，如何将普通面粉制作成压缩饼干就是“编码”过程——挤掉冗余成分，只保留有效成 W W W .51C A T V .C O M
分且体积（或所占用资源）尽可能小；而“解码”就是一个还原过程，将压缩饼干恢复到常态供给食用，并保证营养（或信息）损失尽可能少。

而信道就是信源的通路，信道编码就相当于压缩饼干的运输方式，用飞机、汽车、火车都可以将饼干从厂家运送到消费者手中，但选择何种运输方式就相当于采用哪种信道编码标准，目的地一致，但在成本和效率上会有各种差别。

由此可见，信源编码是数字电视的基础，离开了信源编码去谈信道编码就是无源之水、无本之木。

音视频编码压缩的基本原理
我们以视频为例。

视频能够压缩的根本原因在于视频数据具有较高的冗余度，压缩就是指冗余的消除，主要基于两种技术：统计学和心理视觉。

消除统计冗余的基本依据是视频数字化过程在时间和空间上采用了规则的采样过程。

视频画面数字化为规则的像素阵列，其密集程度适于表征每点最高的空间频率，而绝大多数画面帧包含非常少甚至不含这种最高频率的细节。

同样，所选的帧频能够表征场景中最快的运动，而理想的压缩系统只要描述场景所必需的瞬时运动即可。

简言之，理想的压缩系统能够动态适应视频在时间和空间上的变化，所需要的数据量远低于
数字化采样所产生的原始数据。

压缩效果的评价标准有主观评价和客观评价两种，各有优缺点。

主观评判是聘请专门的评价人员来比较压缩之后再恢复的视听效果和原始效 W W W .51C A T V .C O M
果的差异，通常是在专门的视听环境中按照一定的规则进行主观评分。

客观评判则是通过一种具体的算法来统计多媒体数据压缩结果的损失，例如信噪比SNR （即信号与噪声之比的对数）。

主观评判和客观评判有时相差很大，因此衡量一个算法的好坏就需要在这二者之间找到一个平衡点。

对一套标准的评价，通常开发过程中采用客观评价的方法，但最终要得到主观评价的确认。

我国牵头制定第二代数字音视频信源标准
国际上音视频编解码标准主要两大系列：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。

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，由MPEG 和ITU 合作完成，是音视频行业遵循的第一代标准。

近10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。

从2001年开始，ISO 和ITU 组建了联合视频工作组JVT，开发新的视频编码标准，目前已经完成。

在ISO/IEC 中，该标准的正式名称为MPEG-4 AVC （Advanced Video Coding）标准，作为MPEG-4标准的第十部分；在
ITU-T 中被命名为H.264标准。

标志着国际音视频标准开始进入第二代。

理论上讲，目前音视频产业可以选择的信源编码标准有四个：MPEG-2、MPEG-4、MPEG-4 AVC（简称AVC，也称JVT、H.264）、AVS。

前三个标准 W W W .51C A T V .C O M
是由MPEG 专家组完成的，第四个是我国自主制定的；另外，后三个属于第二代信源标准。

2003年7月12 日，受信息产业部科技司、科技部高新司和中科院高技术局的委托，中国工程院信息与电子工程学部在北京召开了数字音视频编解码技术标准（AVS）评估会议。

包含10名院士在内的23名专家组成的评估委员会认为：AVS 的产业化可以节省相当可观的MPEG-2专利费，压缩效率比MPEG-2高一倍，节省信道资源和光盘存储资源，为我国数字电视等音视频产业和相关芯片产业提供跨越发展的技术源头。

建议相关部门应该在制定数字电视产业政策时，充分考虑我国已有的AVS 技术基础，同时加快AVS 技术、标准和产业化及应用推广工作。

目前，AVS 工作组仍然在紧张地开展着各项工作。

预计在2004年第三季度，完成第三部分（音频）的制订，2006年第一季度完成高级层(Advanced Profile)。

注：《AVS：4亿电视保卫战》
2004-09-03 14:47:16 摘自:
“AVS 是目前中国正在运作的、情况比较好的一个标准。

这是一个国内主导的标准，代表数字音视频编解码技术标准。

”
“AVS 最直接的产业化成果是未来10年我国需要的3亿～5亿颗解码芯 W W W .51C A T V .C O M
片，最直接的效益是节省超过10亿美元的专利费。

”
这是北京时间8月27日上午，北京海淀区上地东路1号“盈创动力”大厦6楼，参加“中关村AVS 数字音视频标准研发基地揭牌仪式”的工程院院士倪光南、中科院教授高文等专家的话语中，有着抑制不住的自豪和兴奋。

最新传来的消息也表示，为2008年北京奥运会提供通信服务的首信公司，将在向北京奥运会提供的KIOSK 终端的无线通信功能中引进MeshNetworks 公司的无线网状网技术。

这一切似乎都证明了，被美国《Telecommunications》杂志评为2004年十大热门通信技术的无线网状网技术，将很快在无线网络领域占据举足轻重的地位。

没有边缘的无线网 被科学家和分析师们寄予厚望的无线网状网最初脱胎于军方尖端技术。

由于战场中无线通信终端要求具有较高的安全性能、较强的抗干扰能力
和较高的通信速率，同时要求网络具有较强的自愈性和抗毁性，无线网状网正是针对这些需求研制出来的。

无线网状网由移动互联交换控制中心、智能接入点、无线路由器、无线 W W W .51C A T V .C O M
终端网卡四部分组成。

和传统的无线网络相比，它最大的创新在于提出了“多跳”的概念，在此之前，无线网络基本上都是“单跳”网络。

在传统网络中，终端一般只与网络节点（接入点或者路由器）通信，并不参与信息的分发与转发，换句话说，在单跳网络中，终端与终端的通信必然要经过网络节点的参与，一旦关键的网络节点出现故障，则网络则很快陷入瘫痪。

在多跳网络中，终端像节点一样也参与到信息的转发工作中，由此来分担网络节点的流量负担，一旦某个节点出现阻塞，那么信息流量能重新选择和构建网络路由，从一个节点依次传递到多个节点，最终到达终点，形成一个“没有边缘的无线网络”。

在理想情形下，无线网状网构成了Internet P2P 网络（Peer to Peer，点对点的对等网）浓缩版本。

每个无线设备都具备自动选择路由的功能，可以彼此发送接收信息流量，并自动完成信息转发任务，因而传输速率大大提高，而发射功率也相应的降低。

更让人称道的是，无线网状网的安全性能大大增强了。

WLAN 最受人诟病的地方就是安全性能，其设计上的先天缺陷导致其后的补救措施最终流于形式。

无线网状网从一开始就采用直序扩频和隧道封包加密等技术，
用以保证端到端之间的信息安全。

多元化应用
正是由于无线网状网有着WLAN 无法比拟的优点，欧美诸国纷纷致力于 W W W .51C A T V .C O M
它的研发和应用。

除了Mesh Networks、Proxim、CoWave Networks、PacketHop 和Root 等新兴公司正大力进行无线网状网技术开发以外，通信巨头如北电网络和英特尔也觊觎这一领域，开始对其进行大量的投资。

无线网状网的最初应用是在专用网络领域，特别是应急指挥网络之中。

在公共安全和紧急救助行业中，大多数工作人员都是在移动状态之中，指挥中心从指挥调度的需求来说，要求无线网络能够提供视频监控、人员定位、任务调度等功能，而无线网状网只需工作人员手持无线终端就能随时随地与总部保持视频、数据、语音的通信联络，同时工作人员之间也无需总部的干预就能实现点对点的通信。

无线网状网的自适应性为专网中的特殊应用提供了可靠的保障。

目前，无线网状网的触角已经延伸到接入网领域，其接入速率接近甚至超过ADSL 速率，使用的频段为28GHz?40GHz。

除此之外，无线网状网提出兼容WLAN（802.11）系列标准，由此获得运营商的广泛关注。

一旦在WLAN 中引入无线网状网技术，则WLAN 热点（Hot Spot）的覆盖范围将大大增加，运营商在保护原有投资的基础上，将有机会与电信公司放手
一搏，由此将会获得更多用户的支持。

目前，一批原先就布设大批热点的运营商对无线网状网广为关注，其中不乏如T-Mobile、Verizon Wireless 和Sprint 等大牌公司。

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在家庭网络中，无线网状网也具有独特的优势。

由于取消了AP 的中心位置，家庭用户的多个终端将能自动组成小型的对等网络，同时还可以接入社区的无线网状网，利用其提供的高速率完成多种宽带应用，例如在线点播（VOD）、视频会议、网络电视、网络游戏和在线购物等。

按照无线网状网的发展趋势，今后无线设备将越来越小型化，并作为无线模块逐步嵌入到每种家用电器之中。

试想一下，只用打开空调、DVD、电视、冰箱、微波炉或者榨汁机的电源，都将快速接入充满神奇魅力的无线网状网。

你只需在办公室就能知道家里冰箱里的食品数量，遥控空调和微波炉启动的梦想也将很快实现。

突破“最后一公里”
但无线网状网要大量投入商用，仍然要突破“最后一公里”的瓶颈。

最大的阻力，仍然来自于对安全的担忧。

虽然无线网状网通过对节点认证和对数据加密来防止安全问题的发生，但专家们指出，在一个包含多个节点的无线网状网中，数据在到达目的地之前需要经过多个节点的存储转发，由此面临黑客攻击的机会也随即大大增加。

一旦数据经过了未经授权的节点，其被暴露和被盗取的几率也随即增加。

特别是当无线网状
网形成庞大的规模，暴露出来的安全问题一定也会愈加复杂。

公共标准制定的相对滞后也将是摆在业界面前的现实困难。

由于无线网状网的支持力量相对薄弱，因而尚未形成统一的标准，各个厂商之间各 W W W .51C A T V .C O M
自为战，以割据的形式占据市场，最终导致私有标准横行。

这种先产品后标准的方式将给无线网状网的升级换代带来无休止的麻烦。

市场呼唤一种强制性的力量来一统江湖，目前已出现一丝曙光，以北电网络为代表的大牌公司的介入有助于正式标准的快速制定。

按照北电高层的估计，市场上高性能的无线网状网服务将于2004年后期或2005年发生显著增长，届时，无线网状网将成为互联网当之无愧的新“王者”。

而AVS 的问世，正好可以让数字电视逃过这一劫。

高文告诉记者，AVS 主要采用中国国内大学及厂商等拥有的知识产权，与MPEG-2等规格相比，只需支付少量专利使用费。

仅数字电视一项，就可以省掉近10亿美元的专利费。

从1元钱授权到最优惠价格 “每台使用AVS 的电视、DVD 终端，只收一元钱专利费。

”2003年，当AVS 标准研究告一段落时，标准制定组曾经有过这样的口号，而现在已经换成了“最优惠价格授权”的说法。

当记者提出疑问，标准组的黄铁军博士解释说，这是为了避免国外企业指责我们恶意竞争，同时体现AVS 标准的性价比优势。

他告诉记者，AVS 制定之初就认真分析了国内外标准和知识产权领域的经验教训，特别是标准制订和专利授权割裂的弊端， 建立了完备的知识产权政策，其基本原则为：AVS 标准不反对专利技术，以保证标准的 W W W .51C A T V .C O M
先进性，但专利进入AVS 标准必须遵守以下条件：公平非歧视性原则（即RAND 原则，这是国际标准知识产权政策的底限）；专利许可模式简易可行的原则，例如通过“专利池”进行“一站式”许可，许可对象仅为解码器（而不像其他标准对整个设备甚至运营商收费）；有竞争力的许可费用原则，许可价格远低于国际同类标准。

简言之，AVS 标准既采纳了先进的专利技术，又在标准发布前将专利的利益索求限制在一个合理的水平，保证了标准的公益性，为标准的实施提供通畅的最方便的便利条件，有利于标准的快速产业化，把握了发展的主动权。

“AVS 遵循先进、自主、开放、兼容的原则，它欢迎各方的参与，但游戏规则由我们定。

”对于记者关心的WAPI 标准遇到的国际化阻力，在AVS 上不复存在，国际大公司的纷纷参与就是很好的明证。

“前不久，索尼商社社长就表示要把索尼的一项技术贡献给AVS。

”
“现在的普遍心态比较浮躁。

悲观的人就认为国外的专利太多了，我们竞争不过人家，在DVD 上就出了问题，；而过于乐观的，则认为我们什么都能做，这两种心态都不利于我们自主知识产权、产业链的发展。

”黄铁军博士特别指出，一些国际专利应该称为“胖专利”，实际对技术进步做出贡献的仅仅是一部分，还有好些视为平衡各方利益而加入某项
技术专利群的，因此，我们不要因为看到国外的专利数目庞大而吓倒。

另一面，我们也可以利用一些别人的技术，不是事事自己做。

“专利技术的保护期是20年，而一项技术的周期为50年，AVS 充分利用了先行者的成果。

” W W W .51C A T V .C O M
两个拳头的竞争
AVS 标准一问世，就必须面临来自MEPG 等国际其他标准的挑战。

说到这一点，高文博士握紧了两个拳头：“一个是AVS 代表的东方标准阵营，一个是MPEG-4代表的西方的标准阵营，采用哪一种标准，意味着对市场的把握方向。

采用AVS，获利最大的是运营商，因为2006年以后，MPEG 专利公司将向10万以上用户的运营商收取费用，比如，海淀区的数字电视用户超过10万，海淀台就是一个付费单位，初略估计，每年光运营商就要缴纳上千万美元的专利费。

”
“一些国际大公司就采用加入两个阵营的做法，如SONY 在3C 联合体是最大的获利者，AVS 同样有它的贡献。

但国内企业因为财力采用何种技术就很慎重。

”高文博士谈到，如同CDMA 有多个国际标准，在现在的音视频标准中，除了AVS，还有H.264,微软的MIDIAPLAY,REAL,以及MPEG-4同时共存，选择技术方向关系到企业的发展存亡。

高文博士说现在感到最大的困难不是来自国际化，而是国内的标准应
用。

“政府和企业都很慎重。

”换个角度看，也许这是一个市场化的标准的必经之路。

“要推行一个标准，需要考虑很多方面的问题，吸收全球大公司参与， W W W .51C A T V .C O M
将来这个标准就容易推行。

应该充分利用利益不一致，我们也可以联合和我们利益比较一致的厂商，推行自己的标准。

”倪光南院士告诉记者。

值得庆幸的是，AVS 一问世，就受到了产业界的追捧。

目前AVS 标准工作组会员单位已有109家，不仅有国内的上广电、华为、海信、联想、TCL 等，还有SONY、东芝、三星、英特尔、摩托罗拉等国外企业争相加入，在国际上形成了事实上的AVS 和MEPG4为代表的两大标准阵营。

而AVS 的问世，正好可以让数字电视逃过这一劫。

高文告诉记者，AVS 主要采用中国的大学及厂商等拥有的知识产权，与MPEG-2等规格相比，只需支付少量专利使用费。

仅数字电视一项，就可以省掉近10亿美元的专利费。

从“1元钱授权”到“最优惠价格”
“每台使用AVS 的电视、DVD 终端，只收一元钱专利费。

”2003年，当AVS 标准研究告一段落时，标准制定组曾经有过这样的口号，而现在已经换成了“最优惠价格授权”的说法。

当记者提出疑问，标准组的黄铁军博士解释说，这是为了避免国外企业指责我国恶意竞争，同时体现AVS
标准的性价比优势。

他告诉记者，AVS 制定之初就认真分析了国内外标准和知识产权领域的经验教训，特别是标准制定和专利授权割裂的弊端， 建立了完备的知 W W W .51C A T V .C O M
识产权政策。

“AVS 遵循先进、自主、开放、兼容的原则，它欢迎各方的参与，但游戏规则由我们定。

”高文博士补充道。

对于记者关心的WAPI 标准遇到的国际化阻力，他表示在AVS 上不复存在，国际大公司的纷纷参与就是很好的明证。

“前不久，索尼商社社长就表示要把索尼的一项技术贡献给AVS。

”而且，AVS 也不会面临EVD 标准的尴尬。

因为后者缺乏产业联盟的支持，对内容厂商也非常依赖。

而AVS 从一开始就走上了产业化道路，而数字电视内容对“外人”的依赖也很小。

两个拳头的竞争
AVS 标准一问世，就必须面临来自MEPG 等国际标准的挑战。

高文博士告诉记者，如同CDMA 有多个国际标准，在现在的音视频标准中，除了AVS，还有H.264、微软的MIDIAPLAY、REAL、以及MPEG-4同时共存，选择何种技术方向关系到企业的发展存亡。

说到这一点，高文博士握紧了两个拳头：“一个是AVS 代表的东方标准阵营，一个是MPEG-4代表的西方标准阵营，采用哪一种标准，意味着
对市场的把握方向。

2006年以后，MPEG 专利公司将向10万以上用户的运营商收取费用。

比如，海淀区的数字电视用户超过10万，海淀台就是一个付费单位。

初略估计，每年我国的运营商就要缴纳上千万美元的专利费。

” W W W .51C A T V .C O M
“一些国际大公司就采用同时加入两个阵营的做法，但国内企业因为财力，采用何种技术就很慎重。

”高文说。

“要推行一个标准，需要考虑很多方面的问题，吸收全球大公司参与，将来这个标准就容易推行。

应该充分利用利益不一致，我们也可以联合和我们利益比较一致的厂商，推行自己的标准。

”倪光南院士告诉记者。

值得庆幸的是，AVS 一问世，就受到了产业界的追捧。

目前AVS 标准工作组会员单位已有109家，不仅有国内的上广电、华为、海信、联想、TCL 等，还有SONY、东芝、三星、英特尔、摩托罗拉等国外企业争相加入，在国际上形成了事实上的以AVS 和MEPG4为代表的两大标准阵营。

高的起点，将帮助中国厂商赢得这场4亿电视保卫战的先机。

W W W .51C A T V .C O M。