数字音视频编解码（AVS）系统芯片技术研究

摘要：AVS是我国首次发布的完全知识产权自主的数字音、视频编解码技术标准，是高清晰度数字电视、高清晰度激光视盘机、网络电视、视频通信等大数据音视频应用所共同采用的基础性标准。文章回顾了AVS应用的发展，指出拥有视频解码功能的芯片市场已经不再需要。所以，研发新功能编解码AVS芯片，成为AVS这个产业化的强烈需求。

关键词：AVS；编解码；视频解码；芯片；编码器

中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）27-0016-02

1 问题的提出

数字化引领了一场全球技术的革命，广播电视数字化是发展的必然趋势。在许多发达国家和地区，商业化数字媒体正在被大规模应用。数十年以来，数字音视频编码技术这个数字视频产业的核心技术一直掌握在少数发达国家的少数企业手中。我国由于缺少数字视频核心技术与标准，使得国内企业只能充当“制造者”角色，在音视频产业中缺乏独立产权，处于产业链最下游。

信源编码技术目前正处于更新换代时期，该编码的核心技术大部分都已经公开发表，除此之外很多专利已经过了保护期，海外诸多系统与硬件厂商希望通过专利技术共享来推动技术变革。我国在AVS标准的制定方面取得了先机和主动权：AVS是我国首次发布的完全知识产权自主的数字音、视频编解码技术标准。AVS主要用来解决数字音、视频海量数据（即初始数据以及信源）的编码压缩问题，所以也被称作数字音、视频编解码技术。它是高清晰度数字电视、高清晰度激光视盘机、网络电视、视频通信等大数据音视频应用所共同采用的基础性标准。数字音视频编解码技术标准（AVS）视频部分于2006年3月1日获批成为我国的国家标准，这一消息的公布不仅意味着AVS标准取得了重要成果，更意味着我国目前重点培育的数字化音视频产业正式有标可循，业内众多企业有了这个标准就有了进行自主知识产权生产的希望。自2007年3月1日AVS作为国家标准被颁布以后，为了促进AVS标准相关的技术发展以及产业化，工业和信息化产业部科技司成立了“支持AVS的IPTV系统试验”工作组，该小组正在进行基于AVS视频标准的IPTV网络技术实验。该实验是为了验证AVS编、解码技术和现有的IPTV业务系统之间的融合情况、测试系统设备的稳定性与可靠性，初步对使用AVS标准作为IPTV编、解码技术的使用情况进行评估。在电信研究院RTNet实验室AVS的演示中，AVS标准首次在商用IPTV系统上使用，实验采用了PCClient作为终端，支持基于AVS标准的直播、点播以及时移电视业务，AVS的商业应用能力在这次展示中得到了充分的验证。结合以上诸多因素，预计未来AVS必将成为从“中国制造”到“中国创造”战略转移中的一项关键技术，也必将深刻影响国际相关标准和整个国际音视频产业。AVS虽然在国内外取得了很大的成绩，但在产业化过程中缺乏实时音视频商用编解码芯片或软核也是它的一个重大缺陷。

2 市场分析

AVS编、解码芯片或软核存在巨大的市场需求，AVS编、解码芯片不只是面向国内市场，同时也面向国际市场。用一个例子说明：上亿台高清TV如果配备了AVS芯片，那么所有生产摄像机的企业，包括国际知名品牌的公司为了占领这个市场，都会随之生产与其配套的设备，AVS编、解码软核系统正是这些产品必不可少的核心。AVS编、解码芯片在视频监控、个人电脑、视频会议、视频电话、家庭视频娱乐互动网、宽带多媒体网络、数字电视（IPTV）、多媒体实时新闻广播等众多领域有着巨大的市场需求。

因为AVS是拥有中国完全自主知识产权的数字音视频编解码技术标准，所以在中国境内注册的公司在政策上享有相当的优惠。目前国际上尚没有其他芯片开发商独立从事AVS标准编解芯片的研发，只有少数几个国内公司开发出了演示用的AVS解码芯片。

3 技术趋势

MPEG-4作为国际标准，为大多数个人、企业和部门使用，也是数字电视标准容易使用的，但是这个标准在我们使用时有很大弊端。一方面，代理公司MPEGLA在专利使用中有这样的规定：使用MPEG-4标准，每台设备必须缴纳一定费用的专利使用费。而采用AVS标准，可以是我们拥有独立知识产权和对相应部门开放的权限；另一方面，AVS标准的压缩效率可以保证数字电视的使用。国家广电总局广播电视计量检测中心曾经对AVS系统进行了以下检测：与MPEG-2系统比对，测试图像的序列采用该领域国际标准工作组推荐的四个高清测试序列，检测报告最终评价结果为：“所测AVS音视频编解码（软件）系统在压缩码率比MPEG-2编解码系统低一倍的情况下，图像质量均好于经MPEG-2编解码后的图像质量”。结合测试数据我们可以得到结论：AVS的压缩效率高，利用AVS技术传送高质量的数字节目可以达到8Mbps完全可以保证数字电视节目的清晰流畅播放。

CODEC硬件以DSP为主，DSP运行速度很慢，容易发热。目前没有成熟的AVS CODEC芯片制造商，由于CODEC DSP芯片的价格比较昂贵，基于ASIC的AVS CODEC芯片必将成为主流产品引导芯片市场的发展。

4 研究内容

综上所述，开发国际先进并且可以填补国内技术空缺，符合我国自主知识产权的音视频压缩标准，AVS多路高清晰实时视音频商用编解码芯片（AVSCODEC）集成芯片是必要的。该芯片应具有低功耗、小尺寸的特点，编码压缩部分，实现高清晰（多媒体电视、广播，视频会议等）以及多路D1/CIF的AVS压缩编码。解码部分，针对AVS解码核硬件、AVS解码核多路控制系统分别实施开发设计，同时尽可能地进行编、解码部分硬软件设计资源共享。企业和学校等部门可以通过AVS商用编解码芯片的硬软件的研究开发，生产和销售，创建具有中国知识产权的国际品牌，参与国际竞争，成为国内集成电路设计和生产的龙头企业。

AVS视频编解码芯片的研发可利用SOC设计平台和H.264IC芯片为基础。在芯片的开发计划上，将整个芯片按照其主要架构模块和功能，其重要解决的关键技术问题如下：

系统软硬件划分与协同验证；协同模拟验证平台的建立；多路编/解码过程的并行和流水线的控制协调；码流错误处理研究与实现。

芯片采用完整的SOC解决方案。使用90nm工艺技术，百万门以上的超大规模集成电路，主震频率低于166MHz（或更低），整片功耗将低于芯片功耗1.5W。第一代芯片的尺寸小于：5.5mm×5.5mm。嵌入处理器以实现“单片式系统”解决方案。芯片接口：DDR2，PCI-E，I2C，I2S，USB，SATA，10/100/1GETHERNET，etc。

4.1 编码器

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

编码延迟时间<3ms。

具有AVS标准音频、视频以及其他音频编码的功能。

广泛的视频接口支持：

（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 解码器

（1）输入是AVS TS流。具有AVS视频（AVS1.0标准）的解码功能；（2）具有AVS音视频及其他格式（MP3等）音视频解码的解码功能；（3）支持多种格式视频解码，格式包括：1080p，1080i，720p，QVGA，VGA，CIF，D1；（4）支持条件接受（CA）；（5）具有TS流的解复用功能，支持其他复用功能；（6）具有容错功能（Error Concealment）；（7）采用SOC架构，内嵌处理器，采用SOC结构，内嵌处理器；（8）具有芯片的调试、测试功能。

5 技术路线

该芯片采用完全自主产权的高效压缩算法，支持高清（HD）以及多路标清（SD/CIF）的AVS压缩编码。解码部分，将分别针对AVS解码核硬件、AVS解码核多路控制系统实施开发设计，同时尽可能地进行编/解码部分硬软件设计资源共享。芯片采用国际先进的多核片上系统技术（SOC），将集成嵌入式微处理器和专用数字信号处理器（DSP），这样不仅可以大大缩短产品设计周期，而且可以有效地完成不同配置的视频编解码算法，从而实现多重应用功能开发。在芯片的设计过程中还将同时进行芯片的示范演示系统平台的软硬件开发。此系统不仅可作为芯片设计的验证平台，同时也可作为潜在的产业化编解码系统。

参考文献

[1] 董红蕾.AVS视频解码芯片原型验证平台的研究与设计[D].山东大学，2011.

[2] 彭鹏.AVS音频编码算法研究[D].天津大学，2010.

[3] 胡兴军.AVS：数字电视音视频编解码技术[J].有线电视技术，2004，（10）.

[4] 王明伟.AVS中的音视频编码压缩技术[J].电视技术，2006，（6）.

作者简介：尹贺（1982-），男，吉林松原人，吉林大学珠海学院计算机科学与技术系实验师，硕士，研究方向：跨平台开发。