H.264和AVS编码在数字电视地面广播系统的应用

H.264和AVS编码在数字电视地面广播系统的应用黄少俊童龙文陈智基［摘要］本文介绍了H.264和AVS两种先进信源编码方式在数字电视地面广播系统(DTTB)的应用。同时，提出了一种在现有的MPEG-2编码系统中同时实现H.264和AVS码流混合传输的方法，以及接收终端的实现。［关键词］数字电视地面广播(DTTB)；H.264；AVS；MPEG-2［中图分类号］TN949.197［文献标识码］ATheapplicationofH.264andAVSindigitaltelevisionterrestrialbroadcasting［Abstract］Theapplicationoftheadvancedcoding,H.264andAVSindigitaltelevisionterrestrialbroadcastingisintroducedinthispaper.AmethodisproposedtoallowH.264andAVSperformatthesametimeintheexistingcodingsystembasedonMPEG-2,andtherealizationofthereceivingterminalsissubmitted.［keywords］DigitalTelevisionTerrestrialBroadcasting(DTTB)；H.264；AVS；MPEG-21广东地面数字电视系统DTTB介绍广东DTTB项目于2004年11月1日正开播，目前建成以广州越秀山电视发射塔为主基站，由六台功率不等(600W～2.5KW)发射机组成地面单频网SFN，采用DS28发射，QPSK调制、1/4保护间隔、3/4卷积率、系统总码率Rb=7.46Mbps，前端采用一套法国Thomson超级MPEG-2编码器、统计复用系统，共复用广东移动，广东卫视、中央台等六套节目。系统拓朴图如下所示。2H.264和AVS编码标准自上世纪九十年代产生MPEG-2第一代信源编码以来，随着无线通信和广播电视技术的快速发展，催生了各种各先进的信源/信道编码技术的进步。H.264和AVS标准的推出，是视频编码标准的一次重要进步，它与现有的MPEG-2、MPEG-4SP及H.263相比，具有明显的优越性，特别是在编码效率上的提高，使之能用于诸如DTTB、CMMB等丢包率高、干扰严重、编码效率要求高的无线信道传输领域。这对目前地面数字电视运营商而言，面对紧缺的频率资源和复用更多节目套数的矛盾，将是一个较好的技术解决方法。笔者也是基于解决上述矛盾的需要，在现有的MPEG-2编码复用系统中试验多种信源编码混合传输方法，达到预期目的。2.1.H.264编码标准简介1)H.264是由ITU-T的VCEG(视频编码专家组)和ISO/IEC的MPEG(活动图像编码专家组)联合组建的联合视频组(JVT：jointvideoteam)提出的一个新的数字视频编码标准，它既是ITU-T的H.264/AVC(（AdvancedVideoCoding），又是ISO/IEC的MPEG-4的第10部分(14496-10/MPEG-4AVC)。而国内业界通常所说的MPEG-4是指MPEG-4的第2部分。2)国际电视组织及媒体运营商如欧洲标准组织DVB、美国ATSC、韩国DMB及日本的ISDB-T已批准MPEG-4AVC/H.264用于地面多媒体广播，近年来国内掀起的IPTV和CMMB项目基本也采用H.264作为信源编码标准。3)H.264编码器厂家众多，绝大部分主流编码器厂家均有产品供应市场，且都推出基于H.264的高清编码器，如国内SumA（数码视讯）、Topreal（腾锐）、汇视源等，国外有法国Envivio、THOMSON（汤姆逊）、哈雷、Skystream、科学亚特兰大、Tandberg、Optibase等。4)H.264解码芯片的厂家有深圳的海思、上海富瀚微电子、Broadcom、意法半导体(ST)和美国SigmaDesigns、科胜讯系统(ConexantSystems)、Qpixel科技、富士通、杭州国芯等。5)在专利费上，H.264吸取了MPEG2及MPEG4part2的经验和教训，推出了较之前标准更低和操作性更强的许可政策。例如，AVC许可政策每台产品0.20美元的收费，与MPEG-2每个终端收费4-6美元(2002年前)和2.5美元(2002年之后)相比，降价幅度超过一个数量级。具体专利费如下表所示［2］。机顶盒（编解码器）厂家专利费0-10万单位/年无费用超过10万单位/年0.2美元/单位超过500万单位/年0.1美元/单位每年最高费用(封顶费用)500万美元/年终端用户支付的费用按次付费（点播）12分钟以内的内容无费用12分钟以上的内容终端用户付费的2%或0.02美元/内容/次，取两者中较低者订购付费（包月）0-10万用户/年无费用10-25万用户/年2.5万美元25-50万用户/年5万美元50-100万用户/年7.5万美元超过100万用户/年10万美元每年最高费用(封顶费用)500万美元/年2.2．AVS编码标准简介1)AVS标准是《信息技术先进音视频编码》系列标准的简称，AVS标准包括系统、视频、音频、数字版权管理等四个主要技术标准和一致性测试等支撑标准。AVS是我国具备自主知识产权的第二代信源编码标准⑴，它以当前国际上最先进的MPEG-4AVC/H.264框架为基础，强调自主知识产权，降低芯片实现复杂度，其性能可媲美H.264标准。2)AVS已形成产业联盟，很多企业已经从“观望”走向了“直接参与”。其工作组成员已达到160多家，产业联盟内的企业几乎覆盖了整个产业链，包括前端设备、系统提供商、芯片供应商、机顶盒厂商等。3)AVS编码器厂家目前在市面有三家，分别是北京的联合信源、上海上广电、法国Envivio，此外，北京数码视迅、汇视源等国内厂家也将推出产品。4)AVS解码芯片的厂家比较多，包括上海展迅、上海龙晶、厦门中星威、宁波中科、杭州国芯科技、美国博通等，这些公司都可以提供AVS解码芯片和机顶盒解决方案。5)专利费情况，AVS作为我国第一个音视频领域的基础性标准，在专利费方面远远比MPEG-4和H.264这两种国际标准低，对每台终端只是象征性地收取1元人民币，并且对加入其体系的内容提供商及运营商不再加收其他费用。6)应用情况（1）IPTV中国网通在大连进行了一个AVS在IPTV的试点工作非常成功，在整个大连实验基础之上，网通将继续推进AVS标准。同时中国电信也正在进行AVS标准的测试。（2）移动电视杭州文广集团采用DS38进行双国标地面数字电视试验：AVS信源压缩编码、16QAM调制、多载波C=3780、编码效率2/3、系统总码率Rb=16.3Mbps，在模拟8Mhz带宽中复用21套电视节目和10套FM广播及数据广播业务，平均每套节目流码率约550Kbps，基本达到标清画质，支持移动/固定接收，发射系统由一台2kw和二台3kw东芝发射机构建了地面单频覆盖网。此外，上海东方明珠电视塔也搭建一个单点双国标试验平台，同样采用AVS作信源压缩编码，国标单载波方式C=1，32QAM调制，系统总码率Rb=25.8Mbps，复用16套电视标清节目，覆盖半径大约40KM。3前端多编码混合系统建设经过一个多月的技术准备工作，邀请了国内外知名设备生产商参与，于2008年12月正式进行了H.264、AVS、MPEG-2多种信源编码混合传输测试工作。利用现有的DTTB前端MPEG-2编码复用及发射系统，在不影响安全播出、系统码率不变的情况下，先对THOMSON主复用器进行适当软件升级并调配出合适的码率带宽(1.2Mbps)，用于再复用二套H.264和AVS不同编码格式节目，然后逐一对各个H.264和AVS编码器输出进行主客观指标测试评分。3.1系统搭建首先搭建一个多编码复用测试平台，如下图所示。为了不影响原有播出系统中的MPEG-2编码节目，在原有播出系统中加入了H.264/AVS编码器和SCOPUS复用器。两路节目信号CCTV3/5经过H.264/AVS编码后输出到SCOPUS复用器中，SCOPUS复用器将复用后的TS节目流再传输至THOMSON主复用器中，最后进入发射机进行无线发射。同时，我们还搭建了信号接收及测试平台，如下图所示，进行主观质量评价。笔者还对H.264/AVS编码后的TS流直接解调，送至泰克VM700音视频分析仪，按照相关标准GB3659-83［3］，对解调后的视音频信号进行客观指标测试，如测试视频频响、音频频响、亮度非线性失真、DP、DG等指标，如下图所示。在测试中，笔者进行多种情况的实验，分别是两套节目均为H.264格式编码、两套节目均为AVS格式编码、一套H.264格式编码另一套AVS格式编码，均取得预期结果，机顶盒顺利接收到不同编码方式的八或七套节目。3.2测试评估由支持DVB-T的H264/AVS无线机顶盒接收到无线信号，经过信道解调及信源解码（H.264/AVS解码）后，输出的视音频信号提供给液晶显示屏，进行主观评分。在表一、表二中，两套节目CCTV3/5均分别同时使用法国EnvivioH.264和AVS编码格式，其中进行主观评价的选用了快速运动画面较多的央视五套体育节目，设置三档不同节目流码率，在不同分辨率水平下进行评估，其它厂家产品评估结果在此不作赘述。表一序号节目编码码率分辨率H.264编码图像质量评分1384kbpsV=320kbpsA=64kbps1/2D1(352*576)4528*57633/4D1(544*576)3+D1(720*576)3+2512kbps1/2D14V=448kbpsA=64kbps(352*576)528*57643/4D1(544*576)4+D1(720*576)43700-800kbpsV=650kbpsA=64kbps1/2D1(352*576)4528*57643/4D1(544*576)4+D1(720*576)4表二序号节目编码码率分辨率H.264编码图像质量评分1384kbpsV=320kbpsA=64kbps1/4D1(352*288)21/2D1(352*576)3+D1(720*576)32512kbpsV=448kbpsA=64kbps1/4D1(352*288)41/2D1(352*576)4D1(720*576)43700-800kbpsV=650kbpsA=64kbps1/4D1(352*288)4+1/2D1(352*576)4+D1(720*576)44、接收终端实现本次测试采用北京腾锐Topreal提供的H.264机顶盒及上海上广电SVA提供的AVS机顶盒，两者均支持欧州标准DVB-T，且能分别同时支持MPEG-2和H.264或AVS两种编码标准的解码。其中信道解码采用法国DiBcom的7070P芯片，支持移动接收，H.264机顶盒采用富士通单芯片MB86H20M作为基带解码，AVS机顶盒则采用上海龙晶AVS1.0解码专用芯片DS1000，其实现原理图如下所示。5、小结H.264和AVS标准采用多项先进压缩处理技术，在支持同样图像质量上，比MPEG-2节约50%以上的比特开销，在较低带宽(384Kbps～750kbps)上提供标清质量图像，1.5Mbps以上码率则可支持一套高清节目。虽然H.264的算法复杂度是现有编码压缩标准的4倍以上，随着集成电路技术的快速发展，H.264的应用已日趋成熟。可喜的是我国在发展具有自主知识产权的信源编码技术也取得突破，AVS芯片实现复杂度比H.264更低，但性能与其相当。从本次测试结果看，无论是H.264还是AVS编码，在750Kbps节目码率下，均能在大屏幕较好支持一套快速运动图像，达到良好接收效果。在384Kbps系统码率条件下，国外H.264和AVS编码器性能显示出优越的品质。参考文献