谁将引领新一代视频编码标准：HEVC、AVS2、AV1性能对比报告

原文链接：http://media.pkusz.edu.cn/achievements/?p=138

作者：李旭峰王振宇王荣刚

H.265/HEVC

距离H.265/HEVC标准正式发布已经有4年多的时间，虽然其压缩效率比H.264/AVC高出一倍，可以为视频公司节约带宽成本，但H.264仍是目前最流行的视频编码格式。除了复杂度高、实现困难外，H.265/HEVC高昂的专利费用和复杂的授权政策也是阻碍其推广的重要因素。

目前已经建立了三个针对H.265/HEVC的专利池，除了老牌的MPEG LA外，还有HEVC Advance和Velos Media发起的专利池；此外， Technicolor公司也在独立收取授权费用。下面我们梳理一下H.265/HEVC的专利授权费用。

MPEG LA还延续着以往的收费习惯，终端销量在10万台以下的不收费，超过的部分每台收取0.2美元的授权费，封顶费用相比于H.264大幅提高，每年2500万美元。值得一提的是，MPEG LA针对视频内容不再单独收费。

图片来源：MPEG LA官网

相比之下HEVC Advance就没那么厚道了。不仅收费范围广，涵盖了电视、智能手机、流媒体播放器、机顶盒、游戏主机、数字媒体存储设备、监控设备等几乎所有的硬件终端以及Netflix、YouTube等内容提供商，而且费用极其高昂，虽然下调了一次，但仍比MPEG LA的收费高出许多：终端设备要缴纳0.2-1.2美元不等，封顶年费4000万美元。在内容方面，除了对终端用户提供免费内容的供应商外，其他内容提供商也要根据订阅数、节目数和媒体数收费，封顶年费500万美元。

图片来源：MPEG LA官网

Velos Media和Technicolor公司没有公布他们的收费政策。

从目前的情况来看，保守估计每年需向三个专利池和Technicolor公司缴纳的H.265/HEVC专利许可封顶费用会超过1亿美元！

AVS2

中国第一次意识到知识产权的重要性是在2002年，DVD事件给中国敲响了警钟。同年6月，中国数字音视频编解码技术标准（AVS）工作组获批成立，当初的主要目的就是解决我国音视频领域无可用标准而不得不缴纳高昂的专利许可费用使用国际标准的问题。

AVS工作组于2006年推出了第一代视频编码标准AVS1，被颁布为中国国家标准。随后又推出了AVS1的增强版本AVS+，压缩效率和H.264/AVC的High Profile相当，并于2012年7月被国家电影电视总局颁布为广播电影电视行业标准，目前已有上千套AVS+的高清内容上星直播。

2013年6月， IEEE（电气和电子工程师协会，国际电子信息领域影响最大的学术组织）将AVS系列标准颁布为IEEE标准，标准号为IEEE 1857，这标志着AVS标准正式走向国际。除了中国，老挝、斯里兰卡、吉尔吉斯斯坦、古巴等国家也采用了AVS标准推广数字电视。

图片来源：《AVS通讯》第91期

AVS2是AVS工作组制定的第二代标准，其首要目标是应用于超高清视频和视频监控领域，编码效率比AVS+提高一倍以上。

在专利许可方面，AVS简洁实惠。AVS1和AVS+采取“AVS专利池”统一许可模式，每个编解码器只象征性得收取1元专利费，不对内容收费；而且在工作组成立之初就制定了规则：凡是向AVS工作组提交技术和提案的单位都需要对其专利许可意向做出承诺，允许免费使用或者加入“AVS专利池”。这一机制解决了目前国际标准制定时缺乏对技术许可政策的约束，造成因为专利授权政策问题难以推广的弊端。需要指出的是到目前为止，AVS并没有收取过专利费。AVS2虽然暂未出台正式的专利许可政策，但根据AVS专利池管理委员会出台的《关于AVS2专利池许可的建议性规定》，AVS2的专利授权将沿用AVS1的统一许可模式，只对设备象征性收费，不对内容收费。特别的，对互联网上的软件服务免收专利费。

AV1

2015年9月1日，谷歌宣布与亚马逊、思科、英特尔、微软、火狐、奈飞（Netflix）成立开放媒体联盟（Alliance of Open Media，简称AOM），专注于下一代视频编码格式的开发。新一代视频编码格式命名为AV1，被认为是开源编码器VP9的继承者，具有以下几个特点：

（以下内容来源于AV1官网，译文仅供参考）

Interoperable and open;（可互操作和开放的）
Optimized for the Internet;（针对互联网做优化）
Scalable to any modern device at any bandwidth;（可拓展到任意带宽下的任何现代设备）
Designed with a low computational footprint and optimizedfor hardware;（计算量低，针对硬件做优化）
Capable of consistent, highest-quality, real-time videodelivery;（能够实现持续的的高质量实时视频的传输）
Flexible for both commercial and non-commercial content,including user-generated content.（适用于商业的和非商业的内容，包括用户生成的内容）

AOM原计划于2016年12月至2017年3月期间推出AV1，但随后又宣布推迟到2017年的第三季度。

那么，目前这三个标准的性能究竟如何呢？为此，我们在HEVC的通测条件下，对H.265/HEVC、AVS2、AV1这三个编码标准的编码效率进行了对比测试。

测试条件

HEVC编码器选择最新的参考软件HM16.9，AVS2选择参考软件RD19.0，AV1使用的是2017年4月26号上传的版本。由于AV1没有给出官方的配置指南，我们采用默认的配置，包含19种编码工具，测试条件如下：

HEVC则选用官方的通用测试条件，在随机访问（random access）配置下进行测试，具体情况如下：

为了尽可能得公平，AVS2也调整到和HEVC相近的码率点进行测试。

测试序列选择HEVC通测条件中给定的序列，为了使测试更加全面，我们选取Class A~Class E来进行测试，分辨率包含240P~1600P。测试序列的具体情况如下：

测试结果

BD-rate能够很好得反映在同样的客观质量下，码率节省情况，因此，我们选用BD-rate作为评判编码器性能的指标，用HEVC作为Anchor, 正值表示性能有损失，负值表示增益。

从上表中可以看到: 和HEVC相比，在亮度分量上，AVS2平均有0.23%的增益， AV1平均有12.4%的损失。

4K10bit测试

HEVC和AVS2主要是应用于超高清视频领域，但HEVC给定的测试序列中并不包含4K序列。华为海思用国家电影电视总局指定的4K 10bit序列对HEVC和AVS2在通测条件下进行了测试，测试结果如下：

从测试结果中可以看到：对于4K 10bit序列HEVC的编码效率普遍低于AVS2，个别序列甚至差了将近10%，平均性能损失为3.0%。这也意味着，在超高清领域AVS2编码性能略优于HEVC。

主观方面，根据国家广播电影电视总局广播电视计量检测中心的报告显示：AVS2和HEVC相对于源图像质量下降分别为2.9%和3.0%。对于超高清视频，在相同码率条件下，AVS2平均主观质量比HEVC也略优。

结论

新一代视频编码标准在高清视频编码领域的竞争相当激烈。HEVC推出较早、知名度高，但专利政策复杂而且费用高昂，制约了HEVC的推广。AVS2在高清视频领域和HEVC的压缩效率相当，在4K超高清领域比HEVC性能略优，而且AVS2的专利许可政策简洁优惠，为企业提供了新选择。AV1尚在制定中，虽然号称免专利费用，但从目前的情况来看，编码性能和HEVC、AVS2相比还有超过10%的差距。至于哪个标准会在未来十年引领新一代视频编码标准，就让我们拭目以待吧！

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作者简介：

李旭峰，北京大学深圳研究生院数字媒体研究中心工程师。2015年获得北京大学信息工程学院集成电路专业硕士学位。主要研究方向为视频编解码优化和主观质量评价。

王振宇，北京大学深圳研究生院数字媒体研究中心工程师、在读博士。2007年和2010年分别获得北京大学信息科学技术学院计算机专业学士学位和硕士学位。主要研究方向为视频编解码质量优化和并行加速。

王荣刚，北京大学深圳研究生院副教授。2006年获得中国科学院计算技术研究所计算机应用专业博士学位。主要研究方向为视频编码，虚拟现实和图像增强。