AVS+技术在广播电视中的应用

摘要：数字电视自诞生以来一直高速发展，目前已经成为高新技术产业的一个竞争重点。我国也在大力推广数字电视，相继试行了佛山、青岛和杭州等模式，近期又将实施数字电视卫星直播战略。这使我们国家数字电视产业发展面临着机遇和挑战。AVS是我国自主开发的数字音视频编码标准，以我国的创新技术和国外部分公开技术为核心，具有完整的自主知识产权。相比其它国际标准具有许多优越性:编码效率高，比MPEG-2高2~3倍，与H.264/AVC相当;技术方案简洁，实现复杂度低;采用简单的一站式许可策略，解决了其它标准的专利问题。这些优点使它成为我国新一代数字电视解决方案的上佳选择。

关键词：AVS广播电视

中图分类号：O434文献标识码： A

一、 数字电视中应用AVS的重要性

对于数字电视系统整体效率产生最大影响的就是信源编码技术，信源编码标准是解决数字电视技术问题的关键，气为基础性的核心标准。传输除了需要信道编码标准之外，依靠信源编解码技术还可以有效实现特技功能、内容交互、操作交互、联合编码、有效利用宽带、节省宽带、以及传输高质量的音视频等等。而音视频编解码技术除了在数字电视中应用之外，还能够在流媒体、激光视盘等方面有效应用。我国数字音视频产业因为有了信源编码技术才能够取得大的发展，因此，可以说AVS技术及其标准给我国数字音视频产业提供了发展平台。编码系统中掺杂着功能不显著的模块，将系统的实现成本与系统复杂性大大增强。但是，中国自主研制的音视频编解码技术可以做的更好，它不需要考虑以上因素。但是对新技术标准产业化带来影响的重要因素在于市场能否接受国际标榜的知识产权的授权等问题。与国际某些发达国家相比较，在MPEG-2标准上，我国的开发以及运营的投入较少，历史包袱轻，因此能够很好实现音视频编解码技术。

二、 音视频编解码标准介绍

与MPEG-4标准相类似，AVS视频编码标准的技术框架在其性能上更为简洁。为了能够扩展AVS，系统已经配备了相应的方案，有助于对MPEG-2传输系统进行更好兼容。AVS标准为音视频编解码标准，其包括了音频、视频、系统。而音视频编解码标准的整体框架包含的技术模块有：场编码、熵编码器、帧间预测、环滤波器、变长编码、预测、量化、变换。

AVS视频标准的特点有以下几点：1）许可费用低廉，处理方案因指定的技术模块不同而相异。2）复杂度低，在MPEG-2传输与编辑的基础上，不需要对电视台系统进行改变。与MPEG-2系统兼容，在HD-VD与HD-TV应用中没有不需要的编码工具。3）AVS视频标准与H.264编码效果相同，但是比MPEG-2的编码效果要好。

三、 数字电视系统中应用AVS标准

AVS以我国自主研发和国际技术的双重结合为标准，是一项应用面十分广阔的技术标准。AVS标准语H.264标准编码效率相当，其拥有更简洁的技术方案，明显降低了系统的经济投入，降低了存储和传输的复杂程度，还节省有线信道资源与无线频谱。由于采用了AVS解码芯片和AVS解码器，即是吸纳数字电视系统中AVS标准的应用。AVS解码芯片是接收机或者数字电视机顶盒的核心芯片。而AVS编码器则能够将种类不同的输入音视频信号进行压缩，编码压缩成为AVS码流，该码流用于播出数字电视节目。

将AVS应用于数字电视中，传输、播出与制作是数字电视系统的重要环节。数字电视运营投入的关键部分为传播和制作，采用AVS后，不会对设备的既有投入造成影响，播出节目与传统和制作所采用的格式没有直接关联。对播出环节进行修改是AVS唯一的要求，信号调制设备、复用器、编码器共同组成了数字电视播出设备。电视台或者电视网络若已经开播了数字节目，那么，编码器的替换是有效使用AVS的途径，除此之外，不需要改变其它设备。为了能够播出AVS码流，将MPEG-2编码器采用AVS编码器进行替换即可。一台编码器对应相应的数字节目。

数字电视因国家和地区不同，因此采用的制式也不同。如果单从信源标准而言，无论是MPEG标准还是AVS标准，都是由一块解码芯片来实现其功能的。其它部分与该芯片采用了统一的接口来连接彼此，换言之，数字电视接收机可以通过对解码芯片的更换，从而实现对不同信源标准的支持。对于接收机厂商而言，AVS标准所带来的利益不仅仅是专利费用的节省，不论是国际市场还是国内市场，AVS标准均提供了技术手段。

四、AVS标准的主要特征

AVS标准是中国数字音视频编码技术标准工作组(AVS工作组)制定的先进数字音视频编码标准。该工作组成立于2002年，成员包括国内外从事数字音视频编码技术和产品研究开发的机构和企业，主要任务是面向我国的信息产业需求，组织制订行业和国家信源编码技术标准。AVS标准共包括9个部分，如表1所示。第2部分和第7部分面向数字视频编码，其中第2部分主要面向高清晰度和高质量数字电视广播、数字存储媒休和其它相关应用，而第7部分主要针对低码率、低复杂度和较低图像分辨率的移动媒体应用。

表1 AVS标准的组成

五、基于AVS的数字电视卫星直播系统

图2给出了本文提出的数字电视卫星直播系统实现原理图，具体内容如下:

①前端采用了AVS转码器实现由MPEG-2到AVS的码流转换，可有效解决节目源的问题;

②音频编码可以直接使用MPEG-2的音频标准或采用其它更先进的压缩方法，如AAC和MP3等;

③复用器采用第四章提出的基于MPEG-2系统层的AVS系统层实现，可避免系统较大的改动;

④条件接收部分可移植世界上主要的条件接收系统如NDS. Irdeto Access, Nagra Vision以及符合我国国家技术标准的其他条件接收系统;

⑤信道编码直接采用DVB-S的信道编码;

⑥在接收端，可利用第五章研制的分离式的接收卡来实现。

⑦目前己经研制出AVS解码芯片AVS101，因此解码端有多种选择方案，可选用ASIC和DSP硬件或PC软件来实现。本文终端采用基于PC机的信道接收卡和条件接收卡，故选择了软件来完成AVS解码。

图2基于AVS的卫星直播系统原理图

六、系统实验平台

结合上节的原理图，根据各模块的实现需要，本节给出一个具体系统的实现，可参照该系统进行相应扩展就可应用到实际系统中去，具体结构如图3所示。现分析一下各模块的软硬件配置，可以为实际系统提供参考。

图3基于AVS卫星电视系统的具体实现平台

尽管AVS编码端的复杂度仅相当于H.264/AVC的30%，但相对于MPEG-2仍然增加很多。目前AVS编码端还没有完整的芯片实现，因此通常选用软件编码。本文研究了MPEG-2到AVS的转码器，其复杂度要比单纯的MPEG-2或AVS编码器都要高，故编码端需要的硬件配置较高，此外还要完成节目制作和播出，故对其稳定性要求尤为重要。考虑到这两点，本文选择了某公司的EVOCIPC-810工控机作为主机，它的CPU为3.6GHz，内存1G RAM，该系统可靠性和稳定性较好，已被许多领域的应用系统所采纳。在本系统中，除实现AVS的实时转码，还通过软件实现音频编码、系统复用和加扰。

七、系统的主要模块

1、转码器

快速算法主要采用了快速运动估计算法，可根据不同质量的需要选择不同的快速算法，例如三步法ioy速度较快但质量稍低些，而UMHexagonS(Unsymmetrical-cross Multi-Hexagon-grid Search)算法[i os]速度略低但编码效率较高。需要注意的是快速算法提高的编码速度是以牺牲编码质量为代价的。

考虑到实际的应用，还对转码器功能进行扩展，主要功能包括两个方面:①可直接将MPEG-2的TS和PS流转变为AVS的TS和PS流:将MPEG-2视频基本流转码为AVS视频基本流，然后和MPEG-2的音频基本流码流经AVS直接复用，得到AVS TS或PS流;②对原始Y UV 4:2:0格式的视频序列直接进行编码，结合音频的其它编码方式，如AAC, AC-3和MP3等。这样该转码器功能比较完善，能够实现各种音视频输入输出，可满足各种应用环境。

2、接收卡

经“机卡分离”和“机道分离”后，将接收部分分成两个独立的部分:独立的信道解码接收卡和条件接收卡。主机在使用它们时，需要协调处理这些卡的硬件连接和应用软件开发。

当主机连接多个接收模块时，各种卡之间采用链形式连接。当主机唯一地选择一路RF接收模块(CardBus接收卡或主机自带的RF接收模块)时，TS流经解调和信道解码后，会依次经过各条件接收片进行解扰。主机在这个过程中起到一个中转的作用，负责维护各模块的连接，各模块和主机之间的会话可以独立进行。去除一个模块不会对命令接口传输层和其他模块的连接产生影响，主机可以根据选定的业务类型来连接或旁路相关模块。

除了硬件连接外，主机还需对上述的各种卡提供硬件驱动和应用程序开发,主要包括三个部分:驱动程序(Driver)，应用层接口(API)和应用程序(Application),二者间的关系如图4所示。驱动程序是整个软件实现的基础，用于对硬件设备进行控制和捕获压缩的音视频数据流;应用层接口将应用程序发出的指令传给驱动程序，并把执行的结果返回给应用程序;应用程序对数据流进行处理，实现数据的解复用、解码、音视频同步和播放。

图4基于卡的软件结构

3、解码器

本直播接收系统在主机内使用软件来进行AV S解码，因AVS较MPEG-2复杂度仍然较高，故需对解码器进行优化。与编码器优化类似，本系统中重新书写了解码器，从程序框架和主要模块的指令集实现这两个方面进行优化。一方面从程序结构入手解决程序效率问题，重新设计数据结构与程序结构，减少重复和不必要的判断，优化了处理流程;另外一方面采用MMX指令集对解码器中亚像素插值、反变换以及运动补偿的等主要耗时模块进行优化。

参考文献：

[1]郑志航，惠新标，叶楠:《数字电视原理与应用》，北京，中国广播电视出版社，2001年1月

[2]黄铁军，高文.AVS标准制定背景与知识产权状况.电视技术，7期，PP:4-72005