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AVSP2视频标准的关键技术

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来源: 作者: 2019-02-26 20:53:37

1 AVS的优势

AVS是一套适应面十分广泛的技术标准小儿感冒药有啥区別
,其优势表现在以下三个方面。

(1)AVS是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)AVS是第二代音视频编解码标准的优选方案。通过简洁的一站式许可政策,AVS有效解决了专利许可问题。与一些公司提出的标准相比,AVS是开放式的国际标准,易于推广。

(3)AVS为音视频产业提供系统化的信源标准体系。MPEG-4AVC/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。该标准体系包含AVS-P1~AVS-P9,共9个方面。2006年3月,AVS-P2首先获得国家的批准,成为国家标准,编号为GB/T 20090.2。这些标准为我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。

2 AVS-P2系统的基本结构

AVS-P2是基于空间和时间的预测和补偿、空域的变换以及基于统计的熵编码的混合编码,系统的基本结构如图1所示。码流结构语法层次从高到低依次为:序列、图像、条带、宏块、块。图像类型有I、P、B三种。宏块有帧内预测和帧间预测两大类。块是空间预测补偿、时间预测补偿和空间变换的单元,在AVS-P2中宝宝鼻塞如何缓解
,块大小为8×8像素。

图1 AVS-P2系统的基本结构

传统的MPEG-1、MPEG-2、H.261、H.263等的变换单元均为8×8像素块,而运动补偿为16×16、16×8或8×8,而在MPEG-4AVC/H.264中,预测补偿和变换的最小单元都是4×4像素块。容易理解的是,块的尺寸越小,帧内和帧间的预测越准确,预测的残差越小,便于提高压缩效率,但同时更多的运动矢量和帧内预测模式等附加信息的传递将花费更多的比特。实验表明,在高分辨率情况下,8×8块的性能比4×4块更优,因此AVS-P2的块尺寸固定为8×8。总体来讲,8×8的ICT(IntegerCosineTransform,整数余弦变换) 比4个4×4的ICT的计算复杂度略高一些,但8×8运动补偿、运动估计和环路滤波的复杂度较之4×4要大为降低。

目前,AVS-P2已定义了一个档次,即基准档次。这个档次又分为4个级别如何用连花清瘟防治冬季流感
,用于标清的4.0(4:2:0)级别和4.2(4:2:2)级别,以及用于高清的6.0(4:2:0)级别和6.2(4:2:2)级别。

3 AVS-P2的关键技术

3.1变换量化技术

AVS-P2采用8×8二维ICT,其性能接近8×8DCT,但精确定义到每一位的运算避免了不同反变换之间的失配。ICT可用加法和移位直接实现。JM9.3中的实验结果表明,相对于H.264HighProfile的8×8 ICT,AVS-P2的变换有0.05 dB的PSNR增益。

由于采用了ICT,各变换基矢量模的大小不一,因此必须对变换系数进行不同程度的缩放以达到归一。为了减少乘法的次数,MPEG-4AVC/H.264将正向缩放和量化结合在一起操作,反向缩放和反量化结合在一起操作。图2是MPEG-4AVC/H.264中ICT和量化实现的框架。在AVS中,采用带PIT(Pre-ScaledInteger Transform)的8×8整数余弦变换技术如图3所示,即正向缩放、量化、反向缩放结合在一起,而解码端只进行反量化,不需要反缩放。由于AVS-P2中采用了总共64级近似8阶非完全周期性的量化,PIT的采用可以使编解码端节省存储与运算开销,而性能上又不会受到影响。AVS的8×8变换量化可在16位处理器上无失配地实现。

图2 传统ICT编码

图3 AVS-P2-PIT编码

3.2帧内预测技术

AVS-P2采用基于8×8像素块的帧内预测,亮度和色度帧内预测分别有5种和4种模式,相邻已解码块在环路滤波前的重建像素值用作当前块的参考。

与MPEG-4AVC/H.264的4×4像素块的帧内预测相比,大的预测块将增加待预测样本和参考样本间的距离,从而减弱相关性,降低预测精确度,因此,在AVS-P2的DC模式,DiagonalDownLeft模式和Diagonal Down Right模式中先采用三抽头低通滤波器(1,2,1)对参考样本滤波。另外,在AVS-P2的DC模式中,每个像素值由水平和垂直位置的相应参考像素值来预测,所以每个像素的预测值都有可能不同。这种DC预测较之H.264中的DC预测更精确,这对于较大的8×8像素块来说更有意义。RM4.0(AVS-P2的参考软件)中的实验表明,AVS采用5种模式仅比MPEG-4 AVC/H.264采用9种模式损失0.05 dB的PSNR增益。

3.3帧间预测技术

AVS-P2支持P帧和B帧两种帧间预测图像。P帧至多采用两个前向参考帧,B帧采用前后各一个参考帧。与MPEG-4AVC/H.264的多参考帧相比,AVS-P2在不增加存储、数据带宽等资源的情况下,可尽可能地发挥现有资源的作用,提高压缩性能。

在帧间预测中,每个宏块的划分有16×16、16×8、8×16和8×8共4种类型。P帧有P_Skip(16×16)、P_16×16、P_16×8、P_8×16和P_8×8共5种预测模式。对于后4种预测模式的P帧,每个宏块由两个候选参考帧中的一个来预测,候选参考帧为最近解码的I或P帧。对于后4种预测模式的P帧,每个宏块由最近解码的4个场来预测。

双向预测有对称模式和直接模式两种。在对称模式中,每个宏块只需传送一个前向运动矢量,后向运动矢量由前向运动矢量通过一定的对称规则获得,从而节省后向运动矢量的编码开销。在直接模式中,前向和后向运动矢量都是由后向参考图像中相应位置块的运动矢量获得,无需传输运动矢量,因此也节省了运动矢量的编码开销。这两种双向预测模式充分利用了连续图像的运动连续性。

3.4亚像素插值技术

在AVS-P2帧间预测与补偿中宝宝老是反复发烧是怎么回事
,亮度和色度的运动矢量精度分别为1/4和1/8像素,因此需要相应的亚像素插值。

亮度亚像素插值分成1/2和1/4两步。1/2像素插值用4抽头滤波器H1(-1/8,5/8,5/8,-1/8)。1/4像素插值分两种情况:8个一维1/4像素位置用4抽头滤波器H2(1/16,7/16,7/16,1/16),另外4个二维1/4像素位置用双线性滤波器H3(1/2,1/2)。

与MPEG-4AVC/H.264的亚像素插值相比,AVS-P2的数据带宽减少11%,而计算复杂度并没有提高,此插值方法在高清序列上略有增益。

3.5环路滤波技术

基于块的编码有一个显著特性那就是重建图像存在块效应。采用环路滤波去除块效应可以提高图像的主观质量和压缩效率。

AVS-P2采用自适应环路滤波,即根据块边界两侧的块类型先确定块边界强度(BoundaryStrength,Bs)值,然后对不同的Bs值采取不同的滤波策略。帧内块滤波最强,非连续运动补偿的帧间块滤波较弱,而连续性较好的块之间不滤波。因此,Bs可取三个不同的值。若边界两边的两个块中有一个块是帧内编码的,则Bs=2;若两个相邻块的参考帧相同并且两个运动矢量的差值小于一个整像素,则Bs=0(此时不滤波),否则Bs=1;当Bs=1或2时,分别采取不同的滤波强度进行一定程度的滤波。对于每条边界,滤波最多涉及6个像素,被修改的像素最多为4个。

由于AVS-P2变换和最小预测块大小都是8×8,因此环路滤波的块大小也是8×8。与H.264的4×4相比,AVS-P2的块边界数量大大减少,另外,Bs值和改变的像素值的数量也有所减少。

3.6熵编码技术

AVS-P2所有语法元素的码字基于指数哥伦布码或定长码构造。定长码用来编码具有均匀分布的语法元素,指数哥伦布码用来编码可变概率分布的语法元素。在AVS-P2中,指数哥伦布码编码所有可变分布的语法元素,而在MPEG-4AVC/H.264中,指数哥伦布码编码除变换系数以外的语法元素。对于变换系数,MPEG-4AVC/H.264Baseline Profile采用CAVLC(Context Adaptive Variable Length Code), Main Profile采用CABAC(Context Adaptive Binary Arithmetic Code)。AVS-P2将指数哥伦布码的CodeNum取代Huffman码字存储在VLC(Variable Length Code)码表中,这样解决了多个VLC表的高存储需求问题。AVS-P2总共用到21张VLC码表。

AVS-P2采用基于上下文的2D_VLC来编码8×8块变换系数,2D_VLC是将(Run,Level)对视为一个事件联合编码。在MPEG-2/MPEG-4中,已经用到了2D-VLC,对不同类型的变换块分别采用不同的VLC表编码,如帧内块的码表、帧间块的码表等,然而在块中的变换系数映射成Zigzag扫描后1-D(Level,Run)序列时,Level值呈现减小趋势,Run值呈现增大趋势,这种趋势是有用的上下文信息。AVS-P2充分利用上下文信息,在不同的统计情况下编码变换块用到多张不同的2D-VLC表,编码当前(Level, Run)的码表由最近编码的Level值决定,这种编码方法总共用到19张2D-VLC表,这些表需要约1000 kbyte的存储空间。与每种块类型一张码表的编码方法相比,这种方法有0.23 dB的PSNR增益。

4 实验结果

图4的实验结果表明,AVS-P2与H.264MainProfile性能接近,并优于目前在标清和高清视频应用中的主流MPEG-2。

图4 AVS-P2、H.264和MPEG-2序列的试验比较

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