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剖析 MPEG-2 視頻編碼器
剖析 MPEG-2 視頻編碼器
`99中南地區(qū)省級(jí)電視臺(tái)技術(shù)協(xié)會(huì)技術(shù)論文二等獎(jiǎng)《西部廣播電視》1999年第6期發(fā)表
1. MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介
現(xiàn)有MPEG-2視頻標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)規(guī)范集包括6類(lèi)（profile）4級(jí)（level）組成，并采用分級(jí)編碼。所謂級(jí)是指MPEG-2的輸入格式，標(biāo)識(shí)從有限清晰度的VHS 質(zhì)量圖象到HDTV圖象，每一種輸入格式編碼后都有一個(gè)相應(yīng)的范圍。
. 低級(jí)LL（Low Level）：圖象輸入格式的象素是ITU-R Rec.BT 601格
式的 1/4，即352*240*30或352*288*25，相
應(yīng)編碼的最大輸出碼率為4Mbps。
. 主級(jí)ML（Main Level）:圖象輸入格式符合ITU-R Rec.BT 601格式，
即720*480*30或720*576*25。相應(yīng)編碼的
最大輸出碼率為15Mbps。高級(jí)類(lèi)20Mbps。
. 1440高級(jí)H14L（High 1440 Level）: 是1440*1152*25的高清晰度格
式。相應(yīng)編碼的最大輸出碼
率為60Mbps。高級(jí)類(lèi)80Mbps。
. 高級(jí)HL（High Level）:圖象輸入格式為1920*1152*25的高清度格
式。相應(yīng)編碼的最大輸出碼率80Mbps。高級(jí)
類(lèi)為100Mbps。
所謂類(lèi)是指MPEG-2的不同處理方法，每一類(lèi)都包括壓縮和處理方法的一個(gè)集合。不同的類(lèi)意味著使用不同集合的碼率壓縮工具。越高的類(lèi)編碼越精細(xì)，而每升高一類(lèi)將提供前一類(lèi)沒(méi)有使用的附加工具，當(dāng)然實(shí)現(xiàn)的代價(jià)會(huì)更高。而解碼器卻是向下兼容的，任何一種高級(jí)類(lèi)解碼器，均應(yīng)能解碼用低級(jí)類(lèi)方法編碼的圖像。
MPEG-2共分6類(lèi)：簡(jiǎn)單類(lèi)SP（Simple Profile）；主類(lèi)MP（Main Profile），它比簡(jiǎn)單類(lèi)增加了一種雙向預(yù)測(cè)方法，在相同比特率的情況下，將給出比簡(jiǎn)單類(lèi)更好的圖像。主類(lèi)的擴(kuò)展類(lèi)P（Profile），主要是由Tektronic公司和SONY公司在主類(lèi)的基礎(chǔ)上推出的更適用于演播室視頻節(jié)目制作要求的數(shù)據(jù)壓縮處理方法。信噪比可分級(jí)類(lèi)SNRP（SNR Scaleable Profile）；空間可分級(jí)類(lèi)SPP（Spatially Scaleable Profile）和高級(jí)類(lèi)HP（High Profile）。前兩種可分級(jí)工具允許將編碼的視頻數(shù)據(jù)分為基本層和上層信號(hào)�；緦颖硎揪幋a圖像的基本數(shù)據(jù)，但代表的圖像質(zhì)量低；上層信號(hào)則可用來(lái)改進(jìn)信噪比或清晰度。這就意味著有時(shí)解碼器可以忽略比特流中的增強(qiáng)部分，而只解碼比特流中的基本部分，仍可得到有用的圖像序列，只不過(guò)此時(shí)所得的圖像分辨率低一些，或者幀速率低一些，或者質(zhì)量低一些。
現(xiàn)有數(shù)字電視廣播系統(tǒng)就利用了MPEG-2的這種可分級(jí)性，使數(shù)字信號(hào)能同時(shí)覆蓋接收條件好的和接收條件差的地區(qū)，并使能接收和不能接收的區(qū)域過(guò)渡更為平滑，同時(shí)粗編碼的低層信號(hào)可以有較強(qiáng)的抗干擾能力，可以有更大的覆蓋范圍。
由于MPEG-2不僅消除了空間上的冗余，而且消除了時(shí)間上的冗余，因此使用MPEG-2可以在比較大的壓縮比的情況下保持較好的圖像質(zhì)量，SONY的Betacam-SX采用10:1壓縮，數(shù)據(jù)率為18Mb/S是現(xiàn)有數(shù)字錄象機(jī)中最低的，有利于高速傳輸與存儲(chǔ)。另外，MPEG-2還具有如下特色： 1． 輸出碼率流速率可適應(yīng)同步或異步傳輸，無(wú)需固定； 2． 適應(yīng)于逐行或隔行掃描系統(tǒng)； 3 ． 可用于4:2:0、4:2:2、4:4:4等亮、色取樣； 4． 按清晰度可以將圖象分為4個(gè)等級(jí)，高級(jí)解碼器可與低級(jí)解碼器實(shí)現(xiàn)下兼容； 5． 按使用的工具和方法不同分為5種類(lèi)型，即允許分層性編碼，以保證不同的傳輸與接收要求。 MPEG-2的這種開(kāi)放性的優(yōu)點(diǎn)，決定了Betacam-SX將來(lái)可直接與眾多公司生產(chǎn)的數(shù)字視頻系統(tǒng)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、傳輸、制作而不需任何數(shù)字的轉(zhuǎn)換設(shè)備，就連一貫采用M-JPEG數(shù)字壓縮算法的非線形編輯領(lǐng)域也在積極向MPEG-2靠攏。Matrox、品尼高等一些非線形軟、硬件主流產(chǎn)品廠商也已經(jīng)宣布將于99年第一季度推出采用MPEG-2壓縮算法的視頻板卡及軟件，無(wú)疑這其中受益的是Betacam-SX，而且Betacam-SX本身還推出了一種盤(pán)帶結(jié)合型錄象機(jī)，為進(jìn)行非線形編輯提供了更加優(yōu)越的條件。另外， MPEG-2將是廣播電視向全數(shù)字化過(guò)渡的最佳選擇也逐步被大多數(shù)視頻專(zhuān)業(yè)人士認(rèn)可，所以美國(guó)以及西方各國(guó)普遍以MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)作為數(shù)字HDTV圖像壓縮編碼系統(tǒng)的核心，這無(wú)疑又為Betacam-SX的未來(lái)發(fā)展提供了一個(gè)優(yōu)越性。 四．Betacam-SX的零幀編輯 最初的MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)是為視頻分配而設(shè)計(jì)的，為家庭提供一個(gè)可接受的圖象質(zhì)量，但是由于有限的數(shù)據(jù)率（最大為15Mb/S）和采用4:2:0取樣，它的質(zhì)量并不適合專(zhuān)業(yè)制作和后期制作，4:2:0的取樣結(jié)構(gòu)也不能達(dá)到演播室對(duì)多代復(fù)制所要求的圖象質(zhì)量，采用小型GOP（Group Of Picture）結(jié)構(gòu)和15Mb/S的數(shù)據(jù)率不能產(chǎn)生所需的圖象質(zhì)量，大型的GOP結(jié)構(gòu)又令演播室的信號(hào)切換很困難也不能實(shí)現(xiàn)零幀編輯，因此很多的錄象機(jī)采用幀內(nèi)DCT處理，造成在整個(gè)節(jié)目到播出的鏈條中，節(jié)目制作是唯一不使用MPEG-2的部分。SONY公司在與大批廠商的共同努力下，順應(yīng)了發(fā)展的趨勢(shì)率先推出采用MPEG-2 MP@ML的改進(jìn)型MPEG-2 4:2:2 P@ML壓縮算法的Betacam-SX，以?xún)蓭↖幀和B幀）作為一個(gè)GOP，既保證了廣播級(jí)的圖像質(zhì)量，又實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性以及高速的數(shù)據(jù)傳輸，但是最初我們還是有一點(diǎn)疑問(wèn)，就是Betacam-SX如何實(shí)現(xiàn)零幀編輯，這恐怕也是很多家電視臺(tái)在選擇數(shù)字錄象機(jī)時(shí)的疑慮之處。在解釋Betacam-SX如何實(shí)現(xiàn)零幀編輯之前，首先讓我們先看一看其它采用幀內(nèi)壓縮的數(shù)字錄象機(jī)是如何進(jìn)行零幀編輯的。 在進(jìn)行復(fù)制或編輯時(shí)，目前數(shù)字錄象機(jī)通常都使用串行數(shù)字（SDI）或模擬接口相連接的。因?yàn)榧词寡b配了傳輸壓縮數(shù)字信號(hào)的接口（如：SDTI、QSDI等），那么它只能應(yīng)用在復(fù)制操作中，而一旦需要疊加字幕或在系統(tǒng)使用時(shí)，也必須使用SDI或模擬接口。
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