AVS2編碼技術的應用研究

□廖瑋

2016年12月，國家頒布新的視頻編碼標準（GB/T 33475.2-2016）——AVS2，加速了國內(nèi)廣電行業(yè)推進超高清4K/8K視頻廣泛應用的進程。AVS2視頻編碼技術對比同期熱度較高的H.265和HEVC編碼技術，無論從碼率壓縮效率上，還是從預測、補償手段上，都有顯著優(yōu)化，極大程度提高了編碼效率和質(zhì)量。本文主要針對AVS2編碼技術中先進的預測、運動補償、變換量化、熵編碼、環(huán)路濾波等核心處理技術進行研究。

一、幀內(nèi)預測和幀間預測

為了滿足超高清4K/8K視頻的壓縮效率，AVS2采用了與H.265和HEVC標準相同的四叉樹遞歸劃分架構，編碼單元（CU，coding unit）、預測單元（PU，prediction unit）、變換單元（TU，transform unit）等都是采用這種劃分方式。

（一）劃分方法

劃分過程首先是把視頻流拆分成以幀為單位的多張有序圖像，然后按順序?qū)⒚繋瑘D像劃分成固定大小、不重疊且連續(xù)的最大編碼單元（LCU，largest coding unit），再以同樣方式將LCU逐級遞歸劃分成更小的CU，每個CU由一個亮度CU和對應的兩個色度CU組成，并通過率失真優(yōu)化（RDO，rate-distortion optimization）指標來衡量和決策實際應用中的最小CU規(guī)格。AVS2中設定LCU上限為64×64像素，CU下限為8×8像素。劃分示意圖如圖1所示。

圖1 圖像劃分示意圖

（二）預測方法

預測是降低圖像塊冗余的一項技術。AVS2中同時使用幀內(nèi)預測和幀間預測兩種方式。幀內(nèi)預測AVS2除了方形劃分PU方式外，還增加了一種非方形PU劃分方式，但因結構限制，非方形劃分方式只適用于16×16像素和32×32像素兩種PU，相較于方形劃分模式，它能縮短預測距離，提高預測精準度。方形劃分模式則采用四叉樹劃分方式。AVS2的幀間預測也在傳統(tǒng)4種對稱劃分方式基礎上，增加了4種非對稱PU劃分方式，然后進行預測。除了常規(guī)的單向一個參考幀（即I/P幀）預測、雙向?qū)哟危碆幀）預測外，還增加了一種參考場景幀（即S幀）的預測方式，和一種對時域和空域前向雙假設（即F幀）的預測方式，但因結構原因，非對稱劃分方式只適用于16×16像素、32×32像素、64×64像素，對稱劃分方式則沒有這種限制，介于8×8～64×64像素之間即可。如圖2所示。

圖2 PU劃分示意圖

前向雙假設F幀預測方式是相對前向相鄰幀某一PU的時間、距離運動矢量加權計算出前向隔幀相關PU的時間、距離運動矢量，從而來預測當前幀對應的PU，達到有效降低圖像塊和時間冗余的目的。相對于其他標準的幀間預測技術，AVS2的參考幀數(shù)量增加為4個，滿足多層次參考幀管理的同時，縮減了緩存器冗余的空間。

二、運動補償

AVS2在運動補償方面采用了先進的基于離散余弦變換（DCT，discrete Cosine transform）方式的8抽頭插值濾波器，簡化為一次濾波即可生產(chǎn)超過1/4像素的運動矢量精度。

三、變換量化

預測完成后CU內(nèi)的像素值變?yōu)闅埐钪担⑶以谧儞Q前使用與CU劃分相同的四叉樹劃分方式將CU分為預測單元TU，TU的劃分與PU的劃分互不影響，可同在CU上進行。ASV2變換過程中只允許對亮度殘差值進行整數(shù)DCT，直接變換的范圍介于4×4～32×32之間；對于64×64的殘差值需要先進行小波變換，再進行整數(shù)DCT。在初步DCT完成后，AVS2變換過程中還會對4×4的TU進行再次4×4的DCT，即多層次變換，進一步降低系數(shù)相關性，從而使能力更集中。

四、熵編碼

AVS2熵編碼過程中首先需將TU劃分成為8×8的系數(shù)組（CG，coefficient group），再對CG進行兩層變長編碼和基于上下文二元值編碼，將8×8的CG劃分成4×4的4個CG，先對最后一個非零系數(shù)的CG位置利用zig-zag掃描方式進行編碼，然后依次對其他CG進行編碼，直到4×4的CG都編碼完成，這種方法可以使編碼過程更集中，效率更高。轉(zhuǎn)換為二進制串的方法有一元碼、截斷一元碼和指數(shù)哥倫布碼三種。

五、環(huán)路濾波

AVS2中環(huán)路濾波模塊由去塊效應濾波、自適應樣值偏移補償和樣本補償濾波組成。去塊效應濾波是針對8×8的濾波塊邊界失真進行先垂直后水平的平滑處理，這種濾波可以提升主觀質(zhì)量。在去塊效應濾波完成之后，采用自適應樣值偏移補償做基于像素進行的失真補償操作，進一步減少失真效果。最后根據(jù)原始圖像和編碼重構圖像計算出最小二乘濾波器系數(shù)，通過這個濾波器系數(shù)和7×7十字加3×3方形的中心對稱維納濾波方式進行濾波，降低解碼過程中的圖像壓縮失真情況，提升重建圖像質(zhì)量。

六、結語

利用前面講述的幾種先進編碼技術，在高清和標清視頻編碼過程中，無論逐行還是隔行掃描的亮度信號編碼性能，AVS2都完勝HEVC。在另外兩種色度信號中，標清視頻的編碼性能AVS2較優(yōu)，高清視頻的編碼性能HEVC較優(yōu)。如表1所示。

表1 AVS2與HEVC編碼性能對比

由此可見，AVS2編碼技術在高清數(shù)字信號領域中占有絕對優(yōu)勢，所以在總控系統(tǒng)設計中要充分考慮未來超高清4K/8K視頻的應用，加入AVS2編碼設備。