数字音视频编解码技术标准AVS

        数字音视频编解码标准是数字音视频产业的共性基础标准，具有巨大的产业需求。跨入新世纪以来，随着编解码技术本身的进步和芯片集成度、计算速度等实现条件的发展，数字音视频编解码技术标准面临更新换代的历史性机遇。数字音视频编解码技术标准工作组（简称AVS工作组）在长期参与国际标准制定的基础上，在“863”计划和相关政府部门的大力支持下，提出了自主的数字音视频编解码技术标准AVS（Audio Video coding Standard），其编码效率比传统的MPEG-2国际标准提高了一倍，代表了当前的国际先进水平。在数字电视、高清晰度视盘、流媒体和多媒体通信这个即将来临的产业大潮中，AVS标准为我国构建“技术→专利→标准→芯片与软件→整机与系统制造→数字媒体运营与文化产业”的产业链条提供了难得机遇。

1 标准化工作进展

        数字音视频编解码技术标准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80多家（http://www.avs.org.cn），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，已经召开了七次全体会议，20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》，包括系统、视频、音频、数字版权管理与保护等四个主要标准和一致性测试等支撑标准。在2003年12月18-19举行第七次会议上，工作组完成了AVS标准的第一部分（系统）和第二部分（视频）的草案最终稿（FCD－Final Committee Draft），和报批稿配套的验证软件也已完成。2004年度第一季度（第8次全体会议）准备正式开始“数字版权管理与保护”标准的制定，视频组准备开始面向3G的视频编码标准的制定，2004年上半年（即工作组第九次会议）完成第三部分（音频）的制订，争取2004年完成标准第四部分（数字版权管理与保护）。

2 已完成的标准

        AVS工作组已经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。

        AVS工作组已经完成的系统标准报批稿是《信息技术先进音视频编码》的第一部分，是音视频产品的平台性标准，兼容目前广泛采用的国际标准MPEG-2的“第一部分系统”，并针对高清晰度和标准清晰度数字电视、激光视盘播放机进行了具体的规定和定义，从框架上提供了对国内外各种主流视频、音频编码标准的支持。AVS系统标准准备于2004年3月报请对口国际标准组织审议。

3 自主知识产权

        AVS标准是我国科研机构和企业在“863”计划支持下的集体创新。工作组至今共收到各种技术提案200多项。为了形成优化的技术方案，视频专题组设定了详细的评估条件，准备了反映各种典型情况的测试序列。评估的基本依据是技术提案对编码效率的贡献、实现复杂度和知识产权情况。AVS视频标准报批稿最终包含了42个提案的技术内容。主要技术贡献单位包括中国科学院计算技术研究所、清华大学、浙江大学、上海广电（集团）有限公司、华为技术有限公司等科研机构和企业。系统标准的主要起草单位包括清华大学、中国科学院计算技术研究所、北京算通科技有限公司、华中科技大学、北京邮电大学等。

        AVS标准视频部分力图定义一个由先进、高效、较低复杂度、知识产权清晰的视频编码系统。有七个主要的技术组成部分：运动补偿预测、帧内预测、变换和量化、熵编码、环路滤波器、缓冲区管理、其它（如高层语法等）。我们对视频编码技术发展的历史（公开发表论文）、专利状况、工作组会员单位申请专利等情况进行了深入调查，重点分析了其中的一百多项专利，此外还对30余篇H.263和H.264的技术提案进行了分析，认定AVS标准视频部分相关技术在专利问题上可分为以下四类：

      a. AVS采用了完全自主的技术，如运动矢量预测等；

      b. AVS采用了自主的技术和公开发表的技术，如双向预测编码等；

      c. AVS采用的技术与某些专利有交叉，但也拥有自主技术，如环路滤波等；

      d. AVS采用了AVS工作组以外的专利技术，如缓冲区管理等。

        调查分析的基本结论是AVS标准作为国家标准，在知识产权方面是自主的。各提案单位已经申请了40多项专利，一些专利还在申请过程中，这些专利技术构成了AVS视频标准的主体技术。

        AVS标准的重要目标是成为国际标准。在国际化过程中，会涉及到在其他国家注册的少量专利。为了推动AVS成为全球数字音视频产业领域的重要信源标准，对AVS标准涉及到的国内和国外专利技术，需要提出一套公平无歧视的符合国际惯例的专利管理方案，并筹建一个强有力的专利池管理组织，为AVS标准的产业化和国际化铺平道路。

4 评估测试

        2003年7月，国家广电总局广播电视计量检测中心对AVS系统以MPEG-2系统为参照系进行了检测。测试图像序列采用本领域国际标准工作组推荐的4个720-60P高清测试序列。检测报告最后的评价结果为：“所测AVS音视频编解码（软件）系统在压缩后码率比MPEG-2编解码系统低50%的情况下，图像质量均好于经MPEG-2编解码后的图像质量”。

        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于2003年7月12日在北京召开了数字音视频编解码技术（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真了解了数字音视频编解码技术AVS（以下简称AVS）标准的制定过程，听取了AVS技术报告、AVS专利分析报告、AVS与MPEG-2对比测试报告，观看了系统演示。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。

        根据国家质检总局2003年度国家标准制、修订计划安排，2004年1月10日在北京由全国信息技术标准化技术委员会组织召开了《信息技术先进音视频编码第2部分：视频》国家标准送审稿审查会。与会专家听取了信息产业部数字音视频编解码技术标准工作组视频标准起草小组关于标准的制定过程、标准内容、专利分析及参考软件实现与测试的报告。与会专家对标准送审稿进行了认真审查，经充分讨论后认为“该项标准是多媒体信源编解码领域非常重要的基础标准，自主提出核心技术，对数字音视频产业发展意义重大。工作组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。与会专家充分肯定这项工作是卓有成效的，建议再进一步开展测试、专利认定，完成标准化程序。强烈建议国家主管部门加大支持和投入力度，推动相关产品开发，加快产业化进程。

5 标准和产业发展的历史性机遇

        视音频编码压缩的技术历史可以追溯到上个世纪50年代初。在上世纪80年代初，视频编解码技术初步成型。方案集成的主要贡献者是标准化组织。来自各国家和组织的专家们共同完成了方案集成工作。另外，尽管有些技术多年前就已经提出，但由于实现代价昂贵而没能在当时得到实际应用，直到近年来半导体技术的发展才满足实时视频处理的要求。国际上音视频编解码标准主要有两大系列：ISO/IEC JTC1制定的MPEG系列标准（主要为数字电视采用）和ITU针对多媒体通信制定的H.26x系列视频编码标准及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，是MPEG和ITU合作完成的，是音视频行业遵循的第一代标准。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。从2001年开始，ISO和ITU开始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中的正式名称为H.264标准。

        理论上讲，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。前三个标准是由MPEG专家组完成的，第四个是我国自主制定的。

        上述四种标准编码效率的比较：MPEG-4是MPEG-2的1.4倍。AVS和AVC在技术水平和编码效率上相当，都比MPEG-2高一倍以上，即所占用的传输带宽、频谱资源、存储容量都不到MPEG-2的一半。[page]

        目前的MPEG-2标准每台设备收费2.5美元，由美国的律师公司MPEG LA代理各家专利持有人收取。

        在对MPEG-2收费取得成功的情况下，MPEG-4 LA对MPEG-4标准制订了新的收费模式：每台解码设备0.25美元，同时还要需要按时间交费（2美分/小时），这意味着每个用户如果每天看两个小时的节目，每年需要缴纳约15美元。此举一出，全球哗然。美国在线-时代华纳代表媒体运营商率先反对，日本在选择移动电视接收标准时，明确表示由于专利收费问题，不选择MPEG-4。因此，MPEG-4由于收费问题，成了一个濒临死亡的标准。

        随着AVC/H.264标准的制定，MPEG-LA一直在筹划其收费模式。虽然抗议之声不断，但是情况未得到根本改观。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。根据这一政策，需要缴纳专利费的厂商有两种类型：编解码产品制造商和视频节目运营商。对于终端产品制造厂商，每个编码器、解码器或编解码器的费率为0.20美元/台。视频节目运营商提供符合H.264/MPEG-4 AVC的视频节目，需要支付加盟费（Participation fee），即根据节目、订户和本地发射台数等参数来对运营商收费，每个运营商每年350万美元封顶。

        MPEG-LA的收费政策对广播界不啻是当头一桶凉水。欧广联（EBU）随后发表2003年度第96号声明，表示“对MPEG LA关于AVC的收费政策十分失望，”声明表示“尽管数字广播领域目前采用的是MPEG-2，但AVC一直被期望为‘第二代’数字电视标准，以满足高清晰度电视和通过UMTS（Universal Mobile Telecommunications System）或ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）提供的非传统视频服务的要求。”“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。”该声明宣称，如果坚持这种收费政策，EBU将建议各成员不采用AVC标准，建议DVB标准中不提及任何有关AVC的内容。

        对于中国的广播电视系统来说，近两千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，特别是对于PPV（pay-per-view按收视次数收费）等新兴的数字电视业务来说，350万美元的封顶费对中国正在起步的媒体运营商来说几乎没有意义。中国数字电视运营产业选择AVC仍将面临巨大负担。

        音视频编码标准需要综合考虑制造商、运营商和用户三个方面的利益，对音视频产品制造商和媒体运营商的过高收费都是难以接受的。MPEG-2标准已经制定十年，而且收费较高（2.5美元），不久会退出历史舞台。各种新标准对设备的收费降低了一个数量级，这对音视频制造业来说是一个好消息。但是，开始对运营商征收可观的许可费必将引起新的争议。AVS对节目提供商和运营商免费，只对AVS编解码产品收费。额度为每台设备1元人民币左右，为国际数字音视频市场提供了更好的选择。

        在2003年12 月20日在北京举办的“中国数字音视频标准与产业论坛”上，MPEG主席Lernado先生明确表示，音视频标准面临的障碍主要有两个：一是收费组织苛刻的许可政策扼杀了新的标准（MPEG-4甚至AVC），而标准制订组织无能为力；二是数字媒体版权保护技术跟不上（例如MP3），影响了内容提供商的利益。基于这一点，他认为AVS有很大的历史性机会，而且中国快速发展的市场和可控的专利管理政策为AVS的壮大提供了土壤。

6 国家对AVS技术与标准的支持

        国家有关部门对AVS标准制订、技术研发和产业化给予了大力支持。

        在标准制订方面，信息产业部科学技术司批准成立AVS工作组，授予其制定行业标准的权力。标准工作组是制定标准的一种新形式。通过这种方式，能够组织数字音视频领域的产、学、研、用的“大联合”，为加快技术创新到产业化的步伐奠定了基础。国家标准化管理委员会把AVS标准列入2003-2004年度国家标准计划，在多个场合明确表示对自主标准的大力支持，引起了国际上的广泛关注。

        在关键技术研发方面，国家“863”计划从1996年开始就资助支持我国的科研人员开始跟踪、参与国际MPEG标准的制定。2002年开始，“十五”“863”计划信息领域计算机软硬件主题设立了重点项目“数字媒体处理技术及应用平台”(2002AA11403)，集中国内从事数字音视频编解码技术研发的优势力量，对数字音视频编解码技术开展了较为深入的研究开发，为几十项核心AVS核心专利技术的产生创造了条件。2003年，自然科学基金委设立重点项目，对编解码基础理论开展探索性研究。

        国家发展与改革委员会十分重视AVS技术与标准产业化工作。在2003年评估并正式批准了《数字音视频编解码技术标准AVS研究开发与测试验证重大专项》。北京市十分重视AVS在数字奥运高清电视播出中的应用，争取在2008年北京奥运会利用自主标准、自主设备进行高清晰度电视播出，有关项目正在论证中。中关村园区对AVS的标准战略和产业化战略十分重视，准备作为中关村标准战略试点单位给予专项支持。

7 AVS的产业价值

        与其他类似标准相比，AVS有两大优势：一是构建的开放标准基于自主技术和开发技术，并提出了解决专利许可问题的妥善方案；二是中国日渐强大的产业化实力和市场提供了良好土壤。借助这两大优势，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，其优越性表现在以下几个方面：

      1. AVS是基于我国创新技术和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. AVS是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. AVS为音视频产业提供系统化的信源标准体系：MPEG-4 AVC/H.264仅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。

        据预测，数字音视频产业将在2008年超过通信产业，在2010年成为国民经济第一大产业。AVS作为数字音视频产业“牵一发动全身”的基础性标准，为我国构建“技术→专利→标准→芯片与软件→整机与系统制造→数字媒体运营与文化产业”的产业链条提供了难得机遇。

        从应用角度看，AVS的压缩效率平均是MPEG2的2.4倍。例如利用现有MPEG-2技术传送高清电视需要占用约20Mbps的码率带宽，而利用AVS技术传送同样质量的节目只需8Mbps。再如，利用MPEG-2技术，现有DVD盘片只能存二十几分钟的高清节目，但是如果利用AVS技术，单张DVD盘片就可以存放一部高清电影。

        对于数字电视接收机制造业来说采用AVS十分简单，无论AVS标准还是其它标准，物理实现都是一块解码芯片。这块芯片和整机其他部分的之间的接口可以是统一的，也就是说，可以通过更换解码芯片，来让一台数字电视接收机支持不同的信源标准。

        AVS对于数字电视运营意义重大。数字电视运营系统包括三个主要环节：制作、播出、传输。其中制作（电视台演播室）和传输（数字电视传输网）是投入最大的部分，但二者都与播出节目所采用的格式无关。因此采用AVS，不影响这些设备的既有投入。采用AVS唯一要求是增加解码器，而得到的回报远大于替换编码器的投入：至少可以节省一半传输带宽资源、为标清业务部署的传输系统可以直接提供高清业务。从电视网看，传输的节目容量扩大一倍。从国有资源看，地面广播中节省一半的无线频谱资源，意义十分重大。

        我国正在发展自己的光盘和光盘机技术与标准，红光光学伺服系统和盘片已经较为实际可行，但是，需要3张甚至更多盘片才能存放一部MPEG-2编码的高清电影。由于AVS压缩高清节目效率比MPEG-2高三倍，因此一张盘片就可以存放一部电影。AVS标准和光盘标准配合，能够在新一代高清激光视盘市场开辟出一片新天地。在片源方面，在不同地区发行不同格式，实际上是节目商所希望的（DVD强制划分成不同地区的版本）。而且在中国市场出版AVS格式光盘，对于中国音像发行行业与高清光盘机产业的健康发展都是有利的。


        简言之，AVS最直接的产业化成果是未来10年我国需要的3-5亿颗解码芯片，最直接效益是节省超过10亿美元的专利费，AVS最大的应用价值是利用面向标清的数字电视传输系统能够直接提供高清业务、利用当前的光盘技术制造出新一代高清晰度激光视盘机，从而为我国数字音视频产业的跨越发展提供了难得契机。AVS将在标准工作组的基础上，联合国内家电、IT、广电、电信、音响等领域的芯片、软件、整机、媒体运营方面的强势企业，共同打造中国数字音视频产业的光辉未来。

8 AVS产业化第一仗：首颗广播电视直播卫星

        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。中国有三点七亿多户家庭，其中约三分之一是有线电视用户。发展直播卫星系统，不仅能够向其他三分之二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。

        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。国家发展与改革委员会马凯主任在《关于2003年国民经济和社会发展计划执行情况与2004年国民经济和社会发展计划草案的报告》中专门提出“继续实施直播卫星、下一代互联网等高技术工程”。

        根据国家广播电影电视总局关于广播电视数字化实施“三步走”的发展战略， 2005年开展数字卫星直播业务。全国政协委员、航天科技集团公司科技委主任王礼恒院士在去年“两会”上建议尽快实施中国具有自主知识产权的广播电视直播卫星，今年“两会”前对媒体透露，中国第一颗广播电视直播卫星有望于2005年上半年发射升空。可以说，长期酝酿的首颗广播电视直播卫星已经箭在弦上，庞大的卫星直播产业即将浮出水面。

        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。

        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。

        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创造庞大的舞台，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。