作者：中國科學院計算技術研究所  黃鐵軍  高文

    我國首顆廣播電視直播衛星將于明年升空，這為我國數字音視頻產業的發展創造巨大發展空間。我國自主制定的數字音視頻編解碼標準AVS的壓縮效率是傳統標準的一倍以上，能夠使直播星的節目容量提高一倍，也將為發展自主解碼芯片和衛星接收機提供重要機遇。

    建議首顆廣播電視直播衛星采用自主AVS標準、芯片和整機產品，以形成規模大、實力強的衛星產業。

    1、廣播電視直播衛星營造重大產業與技術機遇

    廣播電視直播衛星是《國民經濟和社會發展第十個五年計劃》規劃的高技術工程，其目標是促進航天工業、廣播電視媒體制作業、衛星接收設備制造業、軟件等產業的快速成長，創造出千億元人民幣的內需市場，形成國民經濟新的增長點。

    廣播電視直播衛星系統的要害技術包括衛星通信技術和數字音視頻技術兩大部分。中國航天事業四十多年來的迅猛發展，為廣播電視直播衛星系統的建立和運行，奠定了堅實的基礎。信息產業作為迅猛發展的國民經濟第一大產業，完全能夠為廣播電視直播衛星系統提供自主的產品，我國自主制定的數字音視頻標準AVS，達到了第二代音視頻編碼的最新水平，采用AVS的中國直播星比采用第一代標準的國外直播星系統領先了十年。因此，我國的廣播電視直播衛星系統不僅是自主知識產權的，還將是全球領先的信息服務平臺，成為我國高新技術產業跨越發展的重大機遇。

    2、視頻編碼標準更新換代，專利許可成為障礙

    數字電視標準最重要的是信源編碼標準和信道編碼標準。信道技術即通常所說的傳輸技術，包括射頻技術和調制解調技術（數字電視才需要），解決在不同的傳輸物理介質上傳輸數字信號的問題。信源編碼技術解決的重點問題是數字音視頻海量數據的編碼壓縮問題，故也稱數字音視頻編解碼技術，無論采用何種信道技術，信源編碼都是必要的。

    眾所周知，數字化視頻的原始數據量是十分龐大的，例如，標準清楚度的數字視頻每秒的數據量超過200M比特，高清楚度數字電視每秒的數據量超過1G比特。數字音視頻要在消費電子產品中得到應用，必須采用先進的壓縮編碼算法進行大幅度壓縮。而反映壓縮效率的壓縮比也就成為數字電視乃至數字音視頻產業的“基本指數”。

    國際上音視頻編解碼標準主要有兩大系列：國際標準化組織和國際電工委員會第一聯合技術組（ISO/IECJTC1）制定的MPEG系列標準，數字電視采用的是MPEG系列標準；ITU針對多媒體通信制定的H.26x系列視頻編碼標準和G.7系列音頻編碼標準。標準發展過程如圖1。

    圖1  音視頻標準發展史

    MPEG是ISO/IECJTC11988年成立的運動圖像專家組（MovingPicture EXPert Group）的簡稱，全稱為ISO/IEC JTC1第29分委會第11工作組（ISO/IEC JTC1/SC29/WG11），負責數字視頻、音頻和其它媒體的壓縮、解壓縮、處理和表示等國際技術標準的制定工作。從1988年開始，MPEG專家組每年召開四次左右的國際會議，主要內容是制定、修訂、發展MPEG系列多媒體標準。視音頻編碼標準MPEG-1(1992)和MPEG-2(1994)、基于視聽媒體對象的多媒體編碼標準MPEG-4(1999年)、多媒體內容描述標準MPEG-7(2001)、多媒體框架標準MPEG-21。目前，MPEG系列國際標準已經成為影響最大的多媒體技術標準，對數字電視、視聽消費電子產品、多媒體通信等信息產業的重要產品產生了深遠影響。

    1994年制定的MPEG-2標準是國際音視頻標準領域的一個里程碑，是音視頻行業遵循的基本標準。近十年來，音視頻編碼技術本身和產業應用背景都發生了明顯變化。ITU-T于1997年提出的一個長期的視頻標準化項目H.26L，ITU-T并在1999年8月推出該標準的第一版測試模型。為了響應ISO/IECMPEG對先進視頻編碼技術的需求，從2001年開始，ISO和ITU開始組建了聯合視頻工作組（JVT，JointVideoTeam ，ISO/IEC MPEG和ITU-T VCEG聯合視頻工作組），在H.26L的基礎上開發新的視頻編碼標準，目標定位在制定一套兼顧廣播和電信、覆蓋從低碼率通信到高清楚電視的廣域標準。在ISO/IEC中，該標準的正式名稱為MPEG-4 AVC（Advanced Video Coding）標準；在ITU-T中的正式名稱為H.264標準。2003年下半年，ISO/IEC以MPEG-4第十部分（ISO/IEC 14496-10）的名義正式發布了這項標準。

    MPEG-4AVC/H.264是代表最新技術水平的一項國際標準，但正如它的名字復雜到讓人難以理解一樣，它的技術方案也過于復雜。首先，這項標準覆蓋的應用范圍過寬，從低碼率通信到高清楚度廣播，碼率從幾十K到幾十M，相差三個數量級，任何一個實際應用，都只會選擇其中的一個子集，因此，作為標準，過于臃腫。其次，在標準制定過程中，一些成員拼命加入自己的技術，有很多技術提案對整體壓縮效率的貢獻很小，但“你不讓我進，我也不讓你進”，平衡的結果是不得不加入了一些沒有什么用的技術（往往是專利），不僅增加了標準實現的復雜度，也為將來繁雜的專利爭執埋下了禍根。

    然而，決定MPEG-4AVC/H.264未來的最大因素還不是技術問題，而是長期困擾MPEG標準的專利授權問題。MPEG-1沒有專利授權問題，MPEG-2有國際工業界可接受的專利授權政策，MPEG-4則被變本加利的專利費所扼殺，現在，這個問題又降臨到MPEG-4AVC/H.264頭上。在解釋這個問題之前，需要先了解標準背后的專利問題。

    MPEG作為ISO/IEC下屬的標準工作組，只負責制定標準，知識產權方面遵守ISO的RAND通則。MPEGLA是1996年在美國成立的專利授權代理公司，雖然從名稱上似乎和MPEG標準專家組有聯系，但事實上沒有任何法律關系。

    MPEGLA1997年啟動MPEG-2（視頻和系統部分）所涉及的專利許可代理業務，1998年12月獲得美國司法部審議認可(EC Comfort Letter)。

    MPEG-2最初的收費對象為解碼設備和編碼設備，每臺專利授權費4美元。從2002年開始，降為2.5美元。由于當時MPEG-2是數字音視頻領域唯一可用的技術標準，而且相對合理，因此MPEG-2的產業化取得了巨大成功。

    在對MPEG-2收費取得成功的情況下，MPEG-4LA公布的MPEG-4標準的收費模式為：消費者使用解碼設備，除購買設備時需要繳納的一次性專利費外，還將按使用時間進行收費，通常這個費用是通過提供視頻服務的節目發行商（如音像出版公司）或運營商（如電視臺、視頻點播服務提供者等）收取的，其總的收費額度每年高達數百萬美元。此收費政策一出，美國在線-時代華納代表媒體運營商率先反對。MPEG-4因為收費問題，成了一個主流應用運營商不支持的技術標準。MPEG-4AVC/H.264是MPEG專家組和ITUVCEG專家組2003共同完成的視頻編碼標準，MPEG-LA一直在制定其收費模式。2003年11月17日，MPEG LA 公布H.264/MPEG-4 AVC的必要專利權人就聯合許可條款達成了協議，要求根據節目、訂戶和本地發射臺數等參數來對運營商收費。歐廣聯（EBU）隨后發表2003年度第96號聲明，表示“十分遺憾的是，EBU看到AVC的許可條款對廣播商是極端不合理的”。對于中國的廣播電視系統來說，近2000家電視臺和大大小小的有線電視網需要繳納的專利費總額十分龐大，中國數字電視運營產業MPEG國際標準，將面臨巨大經濟負擔。2004年5月，MPEG LA收費政策最后敲定，對運營商收費的條款基本沒變。

    3、AVS標準抓住機遇，推動我國音視頻產業的跨越發展

    音視頻編解碼技術的進步和標準的更新換代為我國后來居上提供了歷史性發展機遇，AVS正是在這樣的國家大背景下應運而生的。AVS標準的完成，使得全球范圍內可選的第二代標準變成三足鼎立的局面：國際標準MPEG-4/H.264、中國牽頭的制定的AVS，一些公司提出的標準。國際標準MPEG-4/H.264雖然開放，但背后的專利授權問題難以負擔；公司標準受到公司控制，難以得到業界廣泛接受。我國牽頭制定的AVS，性能達到國際標準同樣水平，而且方案簡潔，知識產權政策明晰，應是國際范圍內第二代標準的上選。

    數字音視頻編解碼技術標準工作組（簡稱AVS工作組）由信息產業部科學技術司于2002年6月批準成立。工作組的任務是：面向我國的信息產業需求，聯合國內企業和科研機構，制（修）訂數字音視頻的壓縮、解壓縮、處理和表示等共性技術標準，為數字音視頻設備與系統提供高效經濟的編解碼技術，服務于高分辨率數字廣播、高密度激光數字存儲媒體、無線寬帶多媒體通訊、互聯網寬帶流媒體等重大信息產業應用。目前工作組分為需求與測試組、系統組、視頻組、音頻組、實現組、版權保護組、知識產權組等專題組開展工作。會員單位從2002年度的30多家增長到130多家，覆蓋了國內本領域的主要產品開發生產廠家與研究單位。AVS工作組成立以來，已經召開了12次全體會議，30余次專題會議。

    在國家標準計劃中，AVS標準的正式名稱為《信息技術先進音視頻編碼》。AVS標準包括系統、視頻、音頻、數字版權治理等四個主要技術標準和一致性測試等支撐標準。AVS標準和相關國際標準的時間對應關系以及AVS工作組已經開展的工作如圖2所示。

    圖2  AVS標準和相關國際標準的發展路線圖

    AVS工作組2003年度完成的視頻標準報批稿是《信息技術先進音視頻編碼》的第二部分，代表了當前視頻編解碼領域的最新水平。視頻標準是AVS標準中最復雜、難度最大的一個部分，其編碼效率是MPEG-2的2-3倍（根據視頻畫面尺寸不同有所不同）。AVS在保證編碼效率的前提下，實現復雜度明顯比最新的MPEG-4AVC低，在高清楚度應用方面處于領先水平，是我國高清楚度數字電視和激光視盤機產業的最佳選擇。

    2004年11月15日-12月26日，國家廣播電視產品質量監督檢驗中心對AVS視頻標準進行了測試，測試時間進一個半月。試驗采用雙刺激連續質量標度（DSCQS）法評價AVS視頻編/解碼系統處理后的圖像質量相對于未經壓縮的原始圖像質量的差別,評價AVS視頻壓縮方案的性能，參加評價人員共計56人。試驗結果表明AVS視頻編/解碼方案在圖像格式為720X576i/50Hz、壓縮碼率為2.5Mbps時，可察覺經編/解碼處理后的被評價對象與原始素材圖像質量的差別，但差別小（總平均分差6.4，百分制）。在圖像格式為1920X1080P/25Hz、壓縮碼率為6Mbps時，被評價對象為圖像質量與原始素材圖像質量的差別很?。偲骄植?.6，百分制），不易察覺。

    2004年12月29日，全國信息技術標準化技術委員會組織召開了AVS標準審定會。評審委員會由信息產業部電子科技委主任童志鵬院士任主任，全國音頻、視頻及多媒體系統與設備標準化技術委員會主任徐順成研究員任副主任，包括汪成為、王越、李國杰、何新貴等院士在內的共11位專家任委員，對AVS工作組提交的《信息技術先進音視頻編碼第二部分：視頻》（送審稿）和《信息技術 先進音視頻編碼 第一部分：系統 》（送審稿）進行了審定。 審定會認為，該項標準是數字音視頻編碼領域非常重要的基礎性標準，對產業發展意義重大。工作組在推動技術、專利、標準和產業協調發展方面做了大量細致的工作，探索出一條開放式自主制定重大信息技術標準的道路，是卓有成效的。

    審定委員會一致認為，AVS在技術、專利、標準三個方面創新突出，AVS軟件和芯片已經開發，AVS標準是關系到國家數字音視頻產業發展和重大利益的基礎標準，建議國家相關主管部門在廣播電視直播衛星、高清楚度數字電視等重大音視頻應用領域采用這一自主標準，加大支持和投入力度，推動自主AVS高清楚度軟件、芯片、產品和系統的產業化，推動具有核心競爭力的數字音視頻產業群的形成。

    通過對國際、國內相關專利的認真仔細的調查分析，我們認為AVS自主專利技術和公開技術構成了AVS標準的主體。AVS視頻標準作為國家標準，我國在知識產權方面具有明顯的技術主動權，能夠妥善解決知識產權問題。在國際范圍內，AVS自主技術也占據明顯優勢，具有在國際范圍內推廣應用的良好基礎。公開技術、自主專利技術和愿意加入“AVS專利池”構成了完備的AVS技術方案，AVS標準侵犯其它專利的風險極小。憑借自主技術的明顯優勢地位和公平合理的“AVS專利池”統一許可模式，完全可以全面解決知識產權問題，并為全球范圍內協調標準和專利關系問題探索出一條新的道路。

    與其它類似標準相比，AVS有兩大優勢：基于自主技術和部分公開構建的開放標準，較好地解決了知識產權許可問題；中國日漸強大的產業化實力和市場提供了良好土壤。在這兩大翅膀的助推下，AVS已成為全球范圍內最有可能成為事實標準的第二代音視頻編碼標準。

    AVS是一套適應面十分廣闊的技術標準，優勢表現在以下幾個方面：

    1)基于我國創新技術和部分公開技術的自主標準：編碼效率比第一代標準（MPEG-2）高2-3倍，而且技術方案簡潔，芯片實現復雜度低，達到了第二代標準的最高水平，可節省一半以上的無線頻譜和有線信道資源；

    2)第二代音視頻編解碼標準的上選：AVS通過簡潔的一站式許可政策，解決了MPEG-4AVC/H.264被專利許可問題纏身、難以產業化的死結，與一些公司提出的標準相比，AVS是開放式制訂的國家、國際標準，易于推廣；

    3)為音視頻產業提供系統化的信源標準體系：MPEG-4AVC/H.264是一個視頻編碼標準，而AVS是一套包含系統、視頻、音頻、媒體版權治理在內的完整標準體系，為中國日漸強大的音視頻產業提供了完整的信源編碼技術方案，正在通過國際標準化組織合作，進入國際市場。

    4、直播衛星采用AVS標準的重要意義

    數字音視頻編解碼技術標準AVS是我國采用自主創新技術和部分公開技術自主制定的第二代信源編碼技術標準，AVS的壓縮效率比本領域沿用了近十年的第一代標準MPEG-2提高了一倍以上。

    采用自主AVS標準是直播衛星領先的要害。廣播電視直播衛星采用AVS標準的重要意義在于：(1)音視頻節目的壓縮效率能夠提高一倍，意味著直播衛星的節目傳輸能力提高一倍，“一顆星可以當成兩顆星來用”；

    (2)音視頻解碼芯片是衛星接收機內最核心、最重要芯片，相當于計算機的CPU(中心處理器)，每年數千萬臺直播衛星接收機采用自主解碼芯片將有力推動我國芯片產業的發展；(3)AVS標準達到了國際最新水平，解決了相應國際標準背后高昂的專利許可費問題，顯著提高我國直播衛星數字電視系統的技術自主性，是繼衛星技術之后的另一高新技術制高點；(4)采用自主芯片和linux操作系統的接收機，完全清除了安全隱患，而且價格可控制在500元內，有利于全國范圍內各個地區廣泛推廣。

    廣播電視直播衛星已在全球范圍內廣泛應用并形成一種新的技術產業。中國有3.7億多戶家庭，其中約1/3是有線電視用戶。發展直播衛星系統，不僅能夠向其它2/3直接提供數字電視和相關信息服務，還將為現有有線電視用戶提供新的選擇，為音視頻芯片、整機和媒體制作、運營產業創造廣闊的舞臺，經濟效益和社會效益十分顯著。

    AVS不僅在性能上與最新國際標準相當或更高，而且比國際標準更精簡，芯片和產品實現復雜度比最新國際標準約低30%。利用當前的芯片技術完全可以實現。采用自主的AVS標準，就可以重點扶持國內芯片設計和生產企業，我國企業在芯片、軟件、整機、系統等產品就可以先行一步。

    2005年3月2日，"AVS101高清解碼芯片科技成果鑒定會"在北京召開。鑒定委員會由包括9位院士在內的15名專家組成，經認真評議公布AVS101高清解碼芯片順利通過鑒定，這標志著我國在高清楚度編解碼標準和芯片實現方面同時站到了世界最前列。鑒定委員會一致認為：該成果研究起點高，技術先進，突破了數字音視頻解碼芯片的核心技術，總體上達到國際先進水平，在若干要害算法及其實現上具有獨創性。所完成的演示系統功能齊全、工作穩定，適合大規模生產的要求，為我國在計算機、通訊和消費電子領域的國際競爭提供了重要的技術支撐。鑒定委員會一致同意通過鑒定，建議加快對我國信息產業具有重要意義的AVS數字音視頻編解碼標準的制定，盡快在高清楚度激光視盤系統、數字電視、網絡電視等重大產業化方面進一步加強推廣力度。AVS101高清解碼芯片的實現，是AVS產業化的重要里程碑，對我國數字電視以及數字音視頻產業的發展具有基礎意義。

    基于自主技術的廣播電視直播衛星的升空，基于自主技術的衛星廣播數字電視標準的確立，將為我國芯片設計、軟件開發、整機與設備制造、節目制作與媒體運營提供龐大的舞臺，開啟我國衛星數字電視產業以至信息產業跨越發展的大門。