數字音視頻編解碼（AVS）系統芯片技術研究

摘要：AVS是我國首次發布的完全知識產權自主的數字音、視頻編解碼技術標準，是高清晰度數字電視、高清晰度激光視盤機、網絡電視、視頻通信等大數據音視頻應用所共同采用的基礎性標準。文章回顧了AVS應用的發展，指出擁有視頻解碼功能的芯片市場已經不再需要。所以，研發新功能編解碼AVS芯片，成為AVS這個產業化的強烈需求。

關鍵詞：AVS；編解碼；視頻解碼；芯片；編碼器

中圖分類號：TN91 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）27-0016-02

1 問題的提出

數字化引領了一場全球技術的革命，廣播電視數字化是發展的必然趨勢。在許多發達國家和地區，商業化數字媒體正在被大規模應用。數十年以來，數字音視頻編碼技術這個數字視頻產業的核心技術一直掌握在少數發達國家的少數企業手中。我國由于缺少數字視頻核心技術與標準，使得國內企業只能充當“制造者”角色，在音視頻產業中缺乏獨立產權，處于產業鏈最下游。

信源編碼技術目前正處于更新換代時期，該編碼的核心技術大部分都已經公開發表，除此之外很多專利已經過了保護期，海外諸多系統與硬件廠商希望通過專利技術共享來推動技術變革。我國在AVS標準的制定方面取得了先機和主動權：AVS是我國首次發布的完全知識產權自主的數字音、視頻編解碼技術標準。AVS主要用來解決數字音、視頻海量數據（即初始數據以及信源）的編碼壓縮問題，所以也被稱作數字音、視頻編解碼技術。它是高清晰度數字電視、高清晰度激光視盤機、網絡電視、視頻通信等大數據音視頻應用所共同采用的基礎性標準。數字音視頻編解碼技術標準（AVS）視頻部分于2006年3月1日獲批成為我國的國家標準，這一消息的公布不僅意味著AVS標準取得了重要成果，更意味著我國目前重點培育的數字化音視頻產業正式有標可循，業內眾多企業有了這個標準就有了進行自主知識產權生產的希望。自2007年3月1日AVS作為國家標準被頒布以后，為了促進AVS標準相關的技術發展以及產業化，工業和信息化產業部科技司成立了“支持AVS的IPTV系統試驗”工作組，該小組正在進行基于AVS視頻標準的IPTV網絡技術實驗。該實驗是為了驗證AVS編、解碼技術和現有的IPTV業務系統之間的融合情況、測試系統設備的穩定性與可靠性，初步對使用AVS標準作為IPTV編、解碼技術的使用情況進行評估。在電信研究院RTNet實驗室AVS的演示中，AVS標準首次在商用IPTV系統上使用，實驗采用了PCClient作為終端，支持基于AVS標準的直播、點播以及時移電視業務，AVS的商業應用能力在這次展示中得到了充分的驗證。結合以上諸多因素，預計未來AVS必將成為從“中國制造”到“中國創造”戰略轉移中的一項關鍵技術，也必將深刻影響國際相關標準和整個國際音視頻產業。AVS雖然在國內外取得了很大的成績，但在產業化過程中缺乏實時音視頻商用編解碼芯片或軟核也是它的一個重大缺陷。

2 市場分析

AVS編、解碼芯片或軟核存在巨大的市場需求，AVS編、解碼芯片不只是面向國內市場，同時也面向國際市場。用一個例子說明：上億臺高清TV如果配備了AVS芯片，那么所有生產攝像機的企業，包括國際知名品牌的公司為了占領這個市場，都會隨之生產與其配套的設備，AVS編、解碼軟核系統正是這些產品必不可少的核心。AVS編、解碼芯片在視頻監控、個人電腦、視頻會議、視頻電話、家庭視頻娛樂互動網、寬帶多媒體網絡、數字電視（IPTV）、多媒體實時新聞廣播等眾多領域有著巨大的市場需求。

因為AVS是擁有中國完全自主知識產權的數字音視頻編解碼技術標準，所以在中國境內注冊的公司在政策上享有相當的優惠。目前國際上尚沒有其他芯片開發商獨立從事AVS標準編解芯片的研發，只有少數幾個國內公司開發出了演示用的AVS解碼芯片。

3 技術趨勢

MPEG-4作為國際標準，為大多數個人、企業和部門使用，也是數字電視標準容易使用的，但是這個標準在我們使用時有很大弊端。一方面，代理公司MPEGLA在專利使用中有這樣的規定：使用MPEG-4標準，每臺設備必須繳納一定費用的專利使用費。而采用AVS標準，可以是我們擁有獨立知識產權和對相應部門開放的權限；另一方面，AVS標準的壓縮效率可以保證數字電視的使用。國家廣電總局廣播電視計量檢測中心曾經對AVS系統進行了以下檢測：與MPEG-2系統比對，測試圖像的序列采用該領域國際標準工作組推薦的四個高清測試序列，檢測報告最終評價結果為：“所測AVS音視頻編解碼（軟件）系統在壓縮碼率比MPEG-2編解碼系統低一倍的情況下，圖像質量均好于經MPEG-2編解碼后的圖像質量”。結合測試數據我們可以得到結論：AVS的壓縮效率高，利用AVS技術傳送高質量的數字節目可以達到8Mbps完全可以保證數字電視節目的清晰流暢播放。

CODEC硬件以DSP為主，DSP運行速度很慢，容易發熱。目前沒有成熟的AVS CODEC芯片制造商，由于CODEC DSP芯片的價格比較昂貴，基于ASIC的AVS CODEC芯片必將成為主流產品引導芯片市場的發展。

4 研究內容

綜上所述，開發國際先進并且可以填補國內技術空缺，符合我國自主知識產權的音視頻壓縮標準，AVS多路高清晰實時視音頻商用編解碼芯片（AVSCODEC）集成芯片是必要的。該芯片應具有低功耗、小尺寸的特點，編碼壓縮部分，實現高清晰（多媒體電視、廣播，視頻會議等）以及多路D1/CIF的AVS壓縮編碼。解碼部分，針對AVS解碼核硬件、AVS解碼核多路控制系統分別實施開發設計，同時盡可能地進行編、解碼部分硬軟件設計資源共享。企業和學校等部門可以通過AVS商用編解碼芯片的硬軟件的研究開發，生產和銷售，創建具有中國知識產權的國際品牌，參與國際競爭，成為國內集成電路設計和生產的龍頭企業。

AVS視頻編解碼芯片的研發可利用SOC設計平臺和H.264IC芯片為基礎。在芯片的開發計劃上，將整個芯片按照其主要架構模塊和功能，其重要解決的關鍵技術問題如下：

系統軟硬件劃分與協同驗證；協同模擬驗證平臺的建立；多路編/解碼過程的并行和流水線的控制協調；碼流錯誤處理研究與實現。

芯片采用完整的SOC解決方案。使用90nm工藝技術，百萬門以上的超大規模集成電路，主震頻率低于166MHz（或更低），整片功耗將低于芯片功耗1.5W。第一代芯片的尺寸小于：5.5mm×5.5mm。嵌入處理器以實現“單片式系統”解決方案。芯片接口：DDR2，PCI-E，I2C，I2S，USB，SATA，10/100/1GETHERNET，etc。

4.1 編碼器

解晰度：1280p@80fps；2×1280p@60fps；2×800p@60fps；4×800p@60fps。

編碼延遲時間<3ms。

具有AVS標準音頻、視頻以及其他音頻編碼的功能。

廣泛的視頻接口支持：

（1）YCbCr16-bit：HDMI，HD-SDI，Component；（2）YCbCr8-bit：HDMI，HD-SDI，Composite（NTSC，PAL），S-Video（NTSC，PAL）；（3）RGB24-bit：HDMI，DVI，VGA，Component；（4）RGB16-bit：VGA.

4.2 解碼器

（1）輸入是AVS TS流。具有AVS視頻（AVS1.0標準）的解碼功能；（2）具有AVS音視頻及其他格式（MP3等）音視頻解碼的解碼功能；（3）支持多種格式視頻解碼，格式包括：1080p，1080i，720p，QVGA，VGA，CIF，D1；（4）支持條件接受（CA）；（5）具有TS流的解復用功能，支持其他復用功能；（6）具有容錯功能（Error Concealment）；（7）采用SOC架構，內嵌處理器，采用SOC結構，內嵌處理器；（8）具有芯片的調試、測試功能。

5 技術路線

該芯片采用完全自主產權的高效壓縮算法，支持高清（HD）以及多路標清（SD/CIF）的AVS壓縮編碼。解碼部分，將分別針對AVS解碼核硬件、AVS解碼核多路控制系統實施開發設計，同時盡可能地進行編/解碼部分硬軟件設計資源共享。芯片采用國際先進的多核片上系統技術（SOC），將集成嵌入式微處理器和專用數字信號處理器（DSP），這樣不僅可以大大縮短產品設計周期，而且可以有效地完成不同配置的視頻編解碼算法，從而實現多重應用功能開發。在芯片的設計過程中還將同時進行芯片的示范演示系統平臺的軟硬件開發。此系統不僅可作為芯片設計的驗證平臺，同時也可作為潛在的產業化編解碼系統。

參考文獻

[1] 董紅蕾.AVS視頻解碼芯片原型驗證平臺的研究與設計[D].山東大學，2011.

[2] 彭鵬.AVS音頻編碼算法研究[D].天津大學，2010.

[3] 胡興軍.AVS：數字電視音視頻編解碼技術[J].有線電視技術，2004，（10）.

[4] 王明偉.AVS中的音視頻編碼壓縮技術[J].電視技術，2006，（6）.

作者簡介：尹賀（1982-），男，吉林松原人，吉林大學珠海學院計算機科學與技術系實驗師，碩士，研究方向：跨平臺開發。