【摘要】廣播電視寬帶網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)編碼與解碼技術(shù)是現(xiàn)代通信系統(tǒng)的核心。本文采用實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)比分析了運(yùn)動(dòng)圖像專家組4（MPEG-4 Advanced Video Coding，MPEG-4）、高效率視頻編碼（High Efficiency Video Coding，H.265）和《信息技術(shù)高效多媒體編碼 第2部分：視頻》（Audio Video Standard Ⅱ，AVS2）三種編碼標(biāo)準(zhǔn)在帶寬利用、畫(huà)質(zhì)保真度和解碼復(fù)雜度方面的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，H.265在高清視頻傳輸中具有顯著優(yōu)勢(shì)，平均可節(jié)省30%帶寬，同時(shí)保持較高畫(huà)質(zhì)。AVS2在超高清視頻編碼中表現(xiàn)出色，但解碼復(fù)雜度較高。這些發(fā)現(xiàn)為廣播電視網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)選型和優(yōu)化提供了重要參考依據(jù)，有助于推動(dòng)行業(yè)向更高效、更高質(zhì)量的方向發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】廣播電視；寬帶網(wǎng)絡(luò)；信號(hào)編碼；信號(hào)解碼；MPEG-4；H.265；AVS2

中圖分類號(hào)：TN92" " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " " " " " " " " " DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2024.24.007

4K、8K超高清電視普及使廣播電視寬帶網(wǎng)絡(luò)面臨帶寬壓力和畫(huà)質(zhì)提升需求。新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)如H.265和AVS2為提升效率、降低帶寬需求提供新可能。然而，這些技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)及影響需進(jìn)一步研究。本文對(duì)比分析了主流編碼標(biāo)準(zhǔn)的性能，包括編碼效率、畫(huà)質(zhì)保持、編解碼速度和資源占用。實(shí)驗(yàn)采用代表性測(cè)試序列，涵蓋不同分辨率、幀率和內(nèi)容類型。研究結(jié)果有助于了解新一代編碼技術(shù)的優(yōu)劣，為廣播電視網(wǎng)絡(luò)技術(shù)升級(jí)提供指導(dǎo)。這對(duì)制定技術(shù)路線、優(yōu)化資源配置和提升用戶體驗(yàn)具有重要意義，進(jìn)而可推動(dòng)行業(yè)向超高清方向發(fā)展。

1. 廣播電視寬帶網(wǎng)絡(luò)編解碼技術(shù)的性能分析

1.1 高效視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的比較研究

1.1.1 MPEG-4技術(shù)在標(biāo)清視頻傳輸中的應(yīng)用

MPEG-4技術(shù)作為成熟的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，在標(biāo)清視頻傳輸中仍廣泛應(yīng)用。它利用運(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償算法，有效減少了幀間冗余，實(shí)現(xiàn)高壓縮比。通過(guò)自適應(yīng)量化和熵編碼，MPEG-4在1～4 Mbps帶寬下可實(shí)現(xiàn)良好畫(huà)質(zhì)[1]。在數(shù)字電視廣播中，MPEG-4可將576i視頻壓縮至2 Mbps左右，滿足標(biāo)清傳輸需求，節(jié)省帶寬并保持可接受畫(huà)質(zhì)。它支持對(duì)象編碼，實(shí)現(xiàn)視頻內(nèi)容靈活操作，為交互式電視提供技術(shù)支持，如自定義視角、實(shí)時(shí)插入圖形等。MPEG-4的向后兼容性降低了系統(tǒng)升級(jí)成本。盡管新標(biāo)準(zhǔn)不斷涌現(xiàn)，MPEG-4憑借穩(wěn)定性和廣泛硬件支持，在特定場(chǎng)景中仍具不可替代價(jià)值。MPEG-4技術(shù)在標(biāo)清視頻傳輸中的應(yīng)用如圖1所示。

1.1.2 H.265在高清視頻傳輸中的優(yōu)化應(yīng)用

H.265（HEVC）編碼標(biāo)準(zhǔn)在高清視頻傳輸中展現(xiàn)了顯著優(yōu)勢(shì)。通過(guò)靈活的編碼單元結(jié)構(gòu)和改進(jìn)的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式，可大幅提高編碼效率。H.265可在6～12 Mbps帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)1080 p高清視頻的高質(zhì)量傳輸。在IPTV系統(tǒng)中，H.265可將15 Mbps帶寬的高清頻道壓縮至8 Mbps左右，降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載并提供更多高清頻道。支持10位色深和更廣色域，為HDR內(nèi)容傳輸提供技術(shù)基礎(chǔ)，呈現(xiàn)更逼真的圖像質(zhì)量。H.265的高效編碼為4K超高清內(nèi)容傳輸鋪平了道路，可在相同帶寬下傳輸更高分辨率視頻，支持廣播電視向超高清方向發(fā)展。這些特性大大提升了用戶的視覺(jué)體驗(yàn)，推動(dòng)了廣播電視技術(shù)的進(jìn)步。H.265在高清視頻傳輸中的應(yīng)用如圖2所示。

1.1.3 AVS2在超高清視頻編碼中的創(chuàng)新應(yīng)用

AVS2作為我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，在超高清視頻編碼中展現(xiàn)了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。采用四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)編碼單元?jiǎng)澐趾托路f幀間預(yù)測(cè)模式，可顯著提高4K及8K視頻壓縮效率。AVS2可在20～40 Mbps帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)4K超高清視頻高質(zhì)量傳輸[2]。在衛(wèi)星直播電視系統(tǒng)中，AVS2可將4K節(jié)目帶寬需求從50 Mbps降至25 Mbps，提高衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器利用效率，降低傳輸成本。支持多視點(diǎn)視頻編碼，為VR全景電視等新型業(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐。AVS2針對(duì)中文內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化，更好地保留了中文節(jié)目畫(huà)面細(xì)節(jié)。作為自主標(biāo)準(zhǔn)，AVS2提升我國(guó)在國(guó)際視頻編碼領(lǐng)域話語(yǔ)權(quán)，推動(dòng)了本土產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，對(duì)廣播電視技術(shù)進(jìn)步具有重要戰(zhàn)略意義。

2. 編碼標(biāo)準(zhǔn)性能實(shí)驗(yàn)研究與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與評(píng)估方法

2.1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

研究構(gòu)建了高性能編解碼實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用Intel Core i9-11900K處理器和NVIDIA GeForce RTX 3090顯卡。平臺(tái)配備了64GB DDR4內(nèi)存和1TB NVMe SSD存儲(chǔ)，運(yùn)行Ubuntu 20.04 LTS操作系統(tǒng)。編碼軟件選用x265 3.5版本，并集成英特爾VTune?性能分析器（Intel VTune Profiler）和并行計(jì)算架構(gòu)分析器（NVIDIA CUDA Profiler）等性能監(jiān)測(cè)工具。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中嚴(yán)格控制環(huán)境溫度和系統(tǒng)負(fù)載，確保結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。平臺(tái)支持多種編碼參數(shù)配置，可靈活調(diào)整編碼預(yù)設(shè)、比特率控制策略和并行處理線程數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)[3]。該平臺(tái)的高性能配置使其能夠處理大規(guī)模4K和8K視頻編碼任務(wù)，同時(shí)支持實(shí)時(shí)性能監(jiān)控和分析。通過(guò)Intel VTune Profiler，可深入分析中央處理器（Central Processing Unit，CPU）使用情況、內(nèi)存訪問(wèn)模式和緩存命中率等底層性能指標(biāo)。NVIDIA CUDA Profiler則提供了圖形處理器（graphics processing unit，GPU）加速相關(guān)的詳細(xì)性能數(shù)據(jù)，有助于優(yōu)化CUDA核心的利用效率。

2.1.2 測(cè)試數(shù)據(jù)集選擇

為全面評(píng)估編解碼技術(shù)性能，研究精選了多樣化測(cè)試數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)集包含4K、1080p和720p等主流分辨率的視頻序列，時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)一為10 s。測(cè)試視頻涵蓋靜態(tài)場(chǎng)景、動(dòng)態(tài)場(chǎng)景、自然景觀和人物特寫(xiě)等多種內(nèi)容類型，幀率包括24 fps、30 fps和60 fps。比特深度設(shè)置為8位和10位，色彩空間包括亮度色度分離（YUV）中YUV4∶2∶0、YUV 4∶2∶2和YUV4∶4∶4。數(shù)據(jù)集設(shè)計(jì)考慮了內(nèi)容復(fù)雜度的變化，以評(píng)估編解碼算法在不同場(chǎng)景下的表現(xiàn)。測(cè)試數(shù)據(jù)集的詳細(xì)信息如表1所示，包括分辨率、幀率、比特深度等關(guān)鍵參數(shù)。

2.1.3 性能評(píng)估指標(biāo)

研究采用多維度性能評(píng)估指標(biāo)體系，全面衡量編解碼技術(shù)性能。主要指標(biāo)包括編碼速度（Frames Per Second，F(xiàn)PS）、壓縮率（Bitrate）、視頻質(zhì)量（峰值信噪比（Peak Signal to Noise Ratio，PSNR）和結(jié)構(gòu)相似性（Structural Similarity，SSIM））和計(jì)算資源利用率。編碼速度通過(guò)每秒處理幀數(shù)衡量，壓縮率以Mbps為單位。視頻質(zhì)量評(píng)估采用客觀指標(biāo)PSNR和SSIM，分別反映像素級(jí)和結(jié)構(gòu)相似性。結(jié)合客觀指標(biāo)，全面評(píng)估編碼質(zhì)量。

2.2 編碼標(biāo)準(zhǔn)性能對(duì)比分析

2.2.1 編碼速度比較

編碼速度測(cè)試采用1080p分辨率視頻序列。H.265表現(xiàn)最佳，平均編碼速度達(dá)到30 fps，比MPEG-4的24 fps提高25%。AVS2受復(fù)雜算法影響，速度略低于MPEG-4，為22 fps。在4K分辨率下，三種標(biāo)準(zhǔn)的編碼速度均有所下降，但保持相似的相對(duì)關(guān)系。編碼速度對(duì)比結(jié)果如表2所示。

2.2.2 壓縮率評(píng)估

壓縮率評(píng)估采用4K分辨率測(cè)試序列。AVS2表現(xiàn)最優(yōu)，實(shí)現(xiàn)17 Mbps的平均碼率，比H.265的20 Mbps低15%。MPEG-4在4K場(chǎng)景下效率較低，平均碼率達(dá)40 Mbps。AVS2在復(fù)雜紋理和快速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景中的壓縮優(yōu)勢(shì)更為明顯。壓縮率比較結(jié)果如表3所示。

2.2.3 視頻質(zhì)量分析

視頻質(zhì)量評(píng)估采用PSNR和SSIM兩個(gè)客觀指標(biāo)。H.265表現(xiàn)最佳，PSNR值達(dá)41.0 dB，比MPEG-4高2.5 dB；SSIM指標(biāo)達(dá)0.98，提升0.03。AVS2緊隨其后，PSNR為40.5 dB，SSIM為0.97。MPEG-4在高碼率下仍可保持較好畫(huà)質(zhì)，但效率較低。視頻質(zhì)量比較結(jié)果如表4所示。

2.2.4 計(jì)算資源利用率分析

計(jì)算資源利用率測(cè)試關(guān)注CPU占用。在4K編碼時(shí)，AVS2消耗最多資源，CPU占用率達(dá)70%，比H.265高20個(gè)百分點(diǎn)。MPEG-4雖然算法簡(jiǎn)單，但在處理4K內(nèi)容時(shí)效率低下，CPU占用率為40%。H.265在性能和資源消耗間取得較好平衡，CPU占用率為50%。計(jì)算資源利用率比較結(jié)果如表5所示。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，H.265在編碼速度和視頻質(zhì)量方面表現(xiàn)最佳，AVS2在壓縮率上略勝一籌但計(jì)算資源消耗較高，而MPEG-4雖然資源占用較低但在4K場(chǎng)景下效率不足。這些數(shù)據(jù)為廣播電視網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)選型和優(yōu)化提供了重要參考依據(jù)。

3. 編解碼技術(shù)在廣播電視網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用與優(yōu)化

3.1 技術(shù)選型建議

廣播電視網(wǎng)絡(luò)編解碼技術(shù)的選型需綜合考慮壓縮效率、計(jì)算復(fù)雜度、兼容性和成本等因素。不同內(nèi)容和應(yīng)用場(chǎng)景可能需要不同的編碼方案以達(dá)到最佳效果[4]。標(biāo)清節(jié)目中，MPEG-2廣泛的設(shè)備支持和較低的處理要求，在某些場(chǎng)景中仍有價(jià)值。特別是在傳統(tǒng)有線電視系統(tǒng)或帶寬充足的情況下，MPEG-2可提供足夠好的畫(huà)質(zhì)，同時(shí)保持低系統(tǒng)復(fù)雜度。高清節(jié)目推薦采用H.264/AVC編碼標(biāo)準(zhǔn)。H.264在壓縮效率和解碼設(shè)備普及度間取得良好平衡，同時(shí)有大量支持的終端設(shè)備，是高清內(nèi)容傳輸?shù)睦硐脒x擇。隨著4K和8K超高清內(nèi)容的普及，H.265/HEVC成為首選標(biāo)準(zhǔn)。盡管HEVC對(duì)硬件要求高，增加了成本，但其壓縮率（比H.264節(jié)省約50%帶寬）能大幅降低帶寬需求，長(zhǎng)期可能帶來(lái)更大經(jīng)濟(jì)效益。在衛(wèi)星傳輸和寬帶互聯(lián)網(wǎng)視聽(tīng)（Internet Protocol Television，IPTV） 等帶寬受限場(chǎng)景中，HEVC優(yōu)勢(shì)更明顯。針對(duì)直播業(yè)務(wù)，低延遲編碼配置至關(guān)重要，需采用特定配置如縮短GOP長(zhǎng)度和使用快速編碼模式，以減少延遲。

3.2 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化策略

廣播電視網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化策略聚焦提高帶寬利用率和用戶體驗(yàn)。編碼端引入基于內(nèi)容的參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整，動(dòng)態(tài)優(yōu)化編碼。網(wǎng)絡(luò)傳輸層應(yīng)用智能路由和流量調(diào)度，實(shí)現(xiàn)帶寬動(dòng)態(tài)分配。邊緣計(jì)算技術(shù)將部分功能下沉，減輕核心網(wǎng)壓力。直播業(yè)務(wù)采用多播技術(shù)，降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。全鏈路質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握網(wǎng)絡(luò)狀況，快速響應(yīng)異常。解碼端優(yōu)化緩沖策略，平衡低延遲和流暢播放需求。自適應(yīng)緩沖技術(shù)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)條件調(diào)整緩沖區(qū)大小，結(jié)合智能重傳機(jī)制降低卡頓率。內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）的合理部署也是重要策略，通過(guò)邊緣節(jié)點(diǎn)緩存熱門內(nèi)容，減少訪問(wèn)延遲。這些措施綜合應(yīng)用，顯著提升了網(wǎng)絡(luò)性能和服務(wù)質(zhì)量，優(yōu)化用戶視聽(tīng)體驗(yàn)。通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和精細(xì)化運(yùn)營(yíng)，廣播電視網(wǎng)絡(luò)向更高效、智能方向發(fā)展，為用戶提供更優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

3.3 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)及挑戰(zhàn)

廣播電視網(wǎng)絡(luò)編解碼技術(shù)未來(lái)將更高效、智能。人工智能深度學(xué)習(xí)算法有望突破傳統(tǒng)限制，提高壓縮率，優(yōu)化比特分配和運(yùn)動(dòng)估計(jì)，在保證畫(huà)質(zhì)同時(shí)提高編碼效率。5G普及帶來(lái)超低延遲編解碼技術(shù)，支持交互式電視和虛擬現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)端到端延遲?；谶吘売?jì)算的分布式編解碼架構(gòu)將廣泛應(yīng)用，降低延遲并提高系統(tǒng)可擴(kuò)展性。新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)（如VVC、AVS3）逐步商用化，顯著提升編碼效率，應(yīng)對(duì)超高清內(nèi)容帶寬壓力。然而，新技術(shù)面臨實(shí)時(shí)處理、系統(tǒng)過(guò)渡和網(wǎng)絡(luò)安全等挑戰(zhàn)，尤其在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的服務(wù)質(zhì)量保障問(wèn)題。解決這些問(wèn)題需產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同：硬件廠商開(kāi)發(fā)高效芯片，軟件開(kāi)發(fā)者優(yōu)化算法，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商升級(jí)基礎(chǔ)設(shè)施。通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和標(biāo)準(zhǔn)化，推動(dòng)廣播電視網(wǎng)絡(luò)高質(zhì)量、高效率發(fā)展，平衡技術(shù)突破與經(jīng)濟(jì)實(shí)用性[5]。

4. 結(jié)束語(yǔ)

研究深入探討了廣播電視寬帶網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)編碼與解碼技術(shù)，重點(diǎn)分析了MPEG-4、H.265和AVS2三種主流編碼標(biāo)準(zhǔn)。H.265在高清視頻傳輸中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，AVS2在超高清視頻編碼領(lǐng)域表現(xiàn)出色。研究強(qiáng)調(diào)了根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景選擇適合編碼標(biāo)準(zhǔn)的重要性，并提出了提高帶寬利用率和用戶體驗(yàn)的多維度優(yōu)化策略。未來(lái)，人工智能、5G技術(shù)和新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)將推動(dòng)行業(yè)技術(shù)革新。廣播電視寬帶網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)編碼與解碼技術(shù)正快速發(fā)展，持續(xù)創(chuàng)新將帶來(lái)更高質(zhì)量的視聽(tīng)體驗(yàn)，推動(dòng)服務(wù)向個(gè)性化、互動(dòng)化方向演進(jìn)，為用戶提供更豐富、優(yōu)質(zhì)的內(nèi)容服務(wù)。

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作者簡(jiǎn)介：張建新（1975—），男，浙江諸暨人，工程師，研究方向：有線電視傳輸和維護(hù)、廣電網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)急廣播以及視頻監(jiān)控等。