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【精选】基于AVS3的8K超高清压缩编码技术研究与应用

发布时间:2021-07-17 00:00:00 发布人:原文刊发于《广播与电视技术》2021年第6期
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2021年2月1日,中央广播电视总台8K超高清电视节目试验播出,并成功对2021年春节联欢晚会进行了直播。8K超高清视频信号的信息量是4K超高清视频的四倍,信号的实时编码压缩是此次技术试验中节目传送环节的重难点问题。

4K超高清信号的传送采用AVS2编码方式,对更高信息量的8K超高清信号,必须使用更高效且低损耗的编码方式对其进行压缩,才能在有限的传输带宽中实现高质量的电视节目分发。对此,采用了我国自主技术的下一代更高效的AVS3编码标准,完成了8K超高清节目的实时编码压缩。

本文作者

朱易,潘晓菲

(中央广播电视总台,北京 100020)

第一作者简介:

朱易,女,1986年生,硕士研究生,高级工程师,主要从事广播电视视音频编码相关技术的研究、中央广播电视总台电视中心的部署以及国内外大型电视直播活动的总控传输系统设计实施。

18K超高清节目AVS3编码压缩及分发系统

播出系统以4×12Gbps接口格式输出主、备两路8K超高清播出信号,分别送至主、备8K超高清AVS3编码器进行编码压缩。编码器输出主、备两路基于AVS3标准实时编码的TS/IP实时组播码流,并由总控IP传输及分发管理系统调度分发至下游台内IPTV头端平台,通过该平台进而实现下游大小屏用户的最终接收。

根据《中央广播电视总台8K超高清电视节目制播技术要求(暂行)》,编码器输入的视频信号格式为,分辨率7680×4320,帧率50P。编码器采用AVS3编码标准,视频编码遵循《信息技术 智能媒体编码 第2部分:视频》(T/AI 109.2—2020),对8K超高清信号采用基准10位档(profile)、10.0.60级(level)压缩编码。音频采用5.1环绕声编码,编码码率为448Kbps。8K超高清节目AVS3编码压缩及分发系统如图1所示。

图1 8K超高清节目AVS3编码压缩及分发系统示意图

2 8K超高清视频

AVS3编码压缩关键技术研究

8K超高清直播节目的实时编码压缩是本次技术试验中端到端环节中的重难点问题,在不进一步增加编码延时的目标下(4K超高清目前是3s左右),面向可用传送信道的实际控制压缩码率,降低计算复杂度,在可面向广电机房部署的主流计算资源设备上形成解决方案。因此,此次8K超高清编码选用了更高效的下一代的AVS3编码技术。

AVS3技术是我国自主标准AVS系列编码标准的第三代技术,主要面向8K超高清视频应用。AVS3的制定工作分为两个阶段:第1 阶段(基准档次)是从2018年3月~2019年6月,制定面向复杂度优先的应用,其性能相较于 AVS2提升30%;第2阶段(增强档次)是从2019年6月~2021年12月,目标是编码效率比AVS2提升1倍以上,同时编码性能超越同时代的其他国际标准。2020年5月13日,AVS3基准档次标准正式获批并被颁布为团体标准。

AVS3包括块划分、帧内预测、帧间预测、变换量化、熵编码、环路滤波等模块。相较于AVS2,AVS3 在保留部分编码工具的同时,针对不同模块引入了一些新的编码工具,并采用了更灵活的 块划分结构、更精细的预测模式、更具适应性的变换核,实现了约30%的码率节省,显著提升了编码效率。

3 基于AVS3的8K超高清

编码器编码技术优化

3.1 面向可用信道的传送编码码率研究

经研究,此轮技术试验对编码器的码率优化集中在80Mbps~120Mbps这个范围内展开,在编码延时、编码质量和编码带宽中寻找最优平衡点。

3.2 编码器优化工作

编码器能够完成基于《信息技术 智能媒体编码 第2部分:视频》(T/AI 109.2—2020)的AVS3标准的8K 50p实时信号编码,码率范围支持到80~120Mbps,编码质量方面对标H.266,且同等码率下视频质量优于H.265。项目组与编码器厂商在总台实际环境中进一步开展了编码优化及可靠性试验。

3.3 系统级部署应用的测试优化工作

编码器单机优化工作经测试性能较为稳定后,2021年1月,在总台复兴路办公区搭建了8K超高清频道编码压缩系统的测试环境,在试验频道上线前进行系统级调试和进一步的技术研究和改进。系统级测试的目的主要在于解决与上游播出系统、下游分发系统的接口和兼容性要求;在于形成有效的主备冗余保护策略,避免单点故障时引发的系统整体不可用。测试系统接入总台8K超高清播出系统给出的4×12G–SDI播出信号,通过编码器进行8K AVS3实时编码,完成一系列必要的功能性测试。

4 基于AVS3的8K超高清编码试验

应用情况

自2002年掌握自主知识产权的流媒体技术标准 AVS(Audio Video coding Standard Workgroup of China,数字音视频编解码技术标准工作组)诞生以来,经过二十年的打磨,AVS形成了上百项专利构成的专利群,编码效率达到同期国际标准相当水平,成为了国际范围内三大视频编码标准之一。AVS3标准是AVS标准第一次领先国外标准制定完成,是全球首个已推出的面向8K及5G产业应用的视频编码标准,成为世界高清视频技术领域的“中国标准”,达到国际领先水平。项目组与AVS产业联盟、数码视讯、杭州当虹、华为海思等产品和芯片制造厂商紧密配合,从软件平台、硬件产品、到系统级部署全面推进,形成了AVS3的端到端产品和解决方案。在系统上线前,项目组与编码器厂商、北京大学、规划院计量检测中心等单位,对编码算法复杂度和主客观质量等反复进行对比研究,并在多个码率点进行评估,最终确定了能够平衡画面质量及带宽开销的有效视频编码速率,保证视频压缩质量及最终的传输落地应用。

同时,总台联合中国移动、中国电信、中国联通以及中国广电,将此次基于AVS3编码的8K超高清电视试验频道信息传送到北京、上海、广州、成都、杭州、济南、海口、青岛等9个城市的公共场所的30个大屏或8K电视机同步播放呈现,涵盖北京国家大剧院、上海国际传媒港、深圳福田星河广场、广州新大新百货、成都春熙路商业街等地点,让全国各地都能透过8K超高清视频感受到真切的春节味道以及让人自豪的“中国标准”。成都春熙路户外8K大屏如图2所示。

图2 成都春熙路户外8K大屏

本文受国家重点研发计划项目,“科技冬奥”重点专项《冬奥超高清8K数字转播技术与系统》之课题三《面向8K超高清视频应用的高效编码标准及编解码器》(课题编号:2019YFF0302703)资助。

END

参考文献

[1] 中央广播电视总台. 中央广播电视总台8K超高清电视节目制播技术要求(暂行). 2020-01-21.

[2] T/AI 109.2-2020. 信息技术 智能媒体编码 第2部分: 视频[S]. 北京: 中关村视听产业技术创新联盟, 2020.

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