MPEG-2压缩编码技术原理应用(3)

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三、MPEG-2的应用

    MPEG-2基本上可满足广播电视系统的大多数需要，如：适合于隔行和逐行扫描图像；4：2：0和4：2：2图像取样；理论上高达16000像素×16000行的多种图像分解力和广播中常用的场频、帧频；编码的可分层特点可使SDTV或LDTV解码器从较高级HDTV的数据流中抽取所需要的信息。为了适应不同场合对编码方法、操作模式、性能价格比的不同需要，在1993年3月悉尼会议上和7月的纽约会议上，基本上确定了表5所示的MPEG-2的型与级规范。“型”是全部编码方法的1个子集，按压缩编码算法的复杂度大小，在表5中，由右向左定义了6个子集；“级”是依照型的编码参数所受到的不同限制，按照图像分辨率的高低，在表5中，由上到下定义了4个等级的像素分解力。显然，MPEG-2标准具有广泛的通用性，为了满足多种不同应用的需要，将多种不同的视频编码算法综合于单个句法之中。但是，对于接收端解码器若要求全部满足句法中规定的视频编码算法，解码器的设计将变的复杂而耗费，作为1个普通编码器不可能也无必要实现MPEG-2的全部功能 。为此，提出了针对不同的应用，应满足句法中不同部分的要求

1. MPEG-2的型级概念

    为适应不同场合的需要，MPEG-2引进型（Profile）和级(Level)的概念，为定义句法子集提供了方法。在单个句法的基础上，按压缩编码算法的复杂度及不同应用，定义了6个句法子集，每个句法子集就是1种型。MPEG-2的型有简单型(SP)、主型(MP)、MPEG-2 4:2:2 型(后增加的)、信噪比可分级型(SNRP)、空间可分级型(SSP)、高型(HP)共6种。在同1种型里，需要处理的图像参数，如图像尺寸、帧率、码率，也有不同。例如，表5的主型中包括4种不同的图像尺寸和4种有差别的码率，只有帧率是相同的。为此，MPEG-2还定义了低级(LL)、主级(ML)、高1440级(H14L)、高级(HL)共4个级，以示对同1个型内不同参数的区别。显然，型定义了数据流可分级性和彩色空间分解力；级定义了图像分辨力和每个型的最大码率。即，每个型定义了1组新的算法，如：型的性质，彩色格式、有否双向帧等，不同的组合有不同的算法。在同一型内的每个级定义了参加运算的参数的取值范围，如：每帧图像行数、每行像素数、帧率、码率。由表7可见，与1994年MPEG-2标准通过时的MPEG-2的型与级相比，增加了1个MPEG-2 422 @ M L。因为，MPEG-2 M P @ M L采用4:2:0色度亚取样，多版复制只能到2代，也不符合ITU-R 601标准。采用4:2:2可多代复制，也符合ITU-R 601标准要求。

    在表5中的空格是不可能出现或尚未出现的组合。从高型到简单型，其压缩比由高到低。表5中已经定义的型、级组合，可用型、级的名称表示。如，目前最常用的描述符是主型主级，可以表示为Main Profile @ Main Level ，简写为MP @ ML。对NTSC视频而言，相当于720×480分辨力，帧率30fps，码率小于15 Mbps。同样，对于PAL视频而言, 相当于720×576分辨力，帧率25fps，码率小于15 Mbps。图像用于ITU-R 601，如美国采用MP @ ML进行卫星直播，数字视盘也多有采用。同理，对于MP @ HL可用于高级电视（ATV），如美国HDTV大联盟(GA)采用MP @ HL的指标；对于MP @ H14L可用于HDTV；欧洲的实验HDTV采用了SSP @ H14L；对于MP @ LL可用于视频电话或电视会议。

2. MPEG-2的分级编码

    由于MPEG-2采用分级编码（Scalable Coding）已超出主型（Main Profile）编码算法所支持的范围，所以在信噪比型(SNR Profile)和空间型(Spatial Profile)两个子集中加入分级编码。所谓分级编码，是将整个视频数据流分为可逐级嵌入的若干层，不同复杂度的解码器可根据自身能力，从同一数据流中抽出不同层进行解码，得到不同质量、不同时间分辨率、不同空间分辨率的视频信号。图34是视频分级编码示意框图。由图可见，视频分级编码采用了多级编码方案。图中提供了基本和增强两层，每层支持的视频级别不同。其过程是：为了实现多清晰度的显示，首先将输入视频信号降级为1种较低清晰度视频，降级的方法是在空间上或时间上降低取样率。然后，将降级视频编码成降低了码率的基本层数据流，再通过在空间上或时间上提升取样率的升级法，把降低了码率的基本层数据流升级，用于对原始输入视频信号的预测，将预测误差编码成1个增强层数据流。若接收机需要显示视频信号的全部质量，则将基本层数据流和增强层数据流一起解码就可实现；若接收机无能力或不需要显示视频信号的全部质量，则只对基本层数据流解码。为了满足传输频道和存储媒体对带宽的特殊要求，为了浏览视频数据库及经不同网络视频传输等业务的需要，对每1层均应分配1个合适码率的视频，并对其进行分级编码

    分级编码的目的有二：其一，是在不同的业务之间提供互操作性（Interoperability），以灵活的方式支持具有不同显示功能的各种电视接收机。对那些无能力或无要求再现视频全部清晰度的接收机，可只对分层数据流的子集进行解码，显示1个较低的空间或时间清晰度的低质量视频图像。这是通过在信噪比型（SNR Profile）子集中采用分级编码实现的，即随着接收条件变差，使图像质量适度降级，以防出现数字广播固有的“峭壁效应”。其二，是对HDTV信源进行分级编码，使其能灵活地支持多种清晰度，实现HDTV与SDTV产品的兼容，避免很耗费地将两个单独的数据流专门、分别地传输给HDTV和SDTV接收机。即要避免采用同播（Simucast）方式，因为该方式是将每个视频节目以不同的空间分辨率、帧速率、码率等参数编码，传送给相应用户，带来的不必要的经济负担。这是通过在空间型(Spatial Profile) 子集中采用分级编码实现的。另外，分级编码在媒体资产管理数据库浏览、多媒体环境下视频多清晰度重放等方面也得到应用。

    分级编码有优点也有缺点。优点有二：使同1个数据流能适应不同特性的解码器，提高了灵活性、有效性；为视频广播、通信系统向更高时间分辨率、空间分辨率过渡，提供了技术保证。

    其缺点也有二：该技术使编码器、解码器复杂化，成本增加；由于数据流中有多层编码，使编码效率下降。

    尽管分级编码优、缺点参半，在MPEG-2的标准化进程中，人们还是想开发1个通用的分级编码方案，以满足所想象到的各种可能的应用。有些应用要求最低的装置复杂性，另一些则要求尽可能高的编码效率。通用性与特殊性的冲突，使通用的分级编码方案化为泡影。但是，就是这种泡影，提醒人们，要从特殊问题的实际出发，进行分级编码方案的制定，以满足各种特殊应用的需要。结果，分级编码为MPEG-2提供了空间分级（Spatial Scalability）、时间分级（Temporal Scalability）、信噪比分级性(SNR Scalability)和数据划分(Data Partitioning)4种工具，MPEG-2已对前3种进行了标准化：

1）空间分级

    空间分级的出发点是使不同大小图像之间的服务具有兼容性，其采用的主要方法是空间补偿。

    所谓空间补偿，是指将图像分为高、低两层处理，高层只传送高层图像与低层图像两者之差的数据，低层数据流经过解码、重取样的图像数据作为空间补偿的基准图像，将高层解码的差值数据加在低层相应的图像数据块上，就得到了高层图像数据。

    这种编码数据流可提供至少两种空间分辨率的视频信号，1个是标准分辨率的视频信SDTV,另1个是高分辨率的视频信HDTV。分层数据流嵌套的第1层为基本层（Base Layer），符合MPEG标准，其它为增强层（Enhancement Layer）。MPEG-2在序列层的数据头定义了两个变量：

    Layer-id和Scalable-mode。用以指明该层的层号及使用的分级方法。现在采用的是空间分级法，利用基本层来提供SDTV，利用增强层来提供HDTV。表6表明了空间分级应用情况。要获得SDTV，需将原视频序列每1帧图像经过低通滤波、亚取样，形成低分辨率的基本层图像序列，用MPEG-2进行独立编码，得到基本层数据流，由基本层提供标准分辨率SDTV。要获得HDTV，需将原视频序列图像，经过时间、空间预测（参考帧可为已编码全分辨率图像，或基本层图像经内插后形成的预测图像，或为全分辨率图像的预测图像加权平均值），将预测误差编码形成全分辨率增强层数据流，增强层实现高分辨率信号HDTV


2）时间分级

    时间分级的出发点是实现不同帧速率视频图像服务之间的兼容性。该分级方式可提供帧速率不同、空间分辨率相同的视频信号。实现时间分级分两步进行：

    第1步是以一定规律跳过原视频中的某些帧场，将剩余的帧场组成基本层图像序列，按MPEG-2编码，形成基本层数据流，由于基本层时间清晰度不太高，要在性能好的通道上传送。

    第2步是将跳过的帧场，借助已编码基本层图像，采用运动补偿加DCT的方法进行编码，形成全帧速率的增强层数据流，借助时间分级，在基本层提供隔行扫描HDTV，在增强层提供逐行扫描HDTV。由于增强层时间清晰度更高些，可在性能差一些的通道上传送。这里，基本层图像可直接作为增强层图像的部分帧，增强层可以没有I帧，其可由最近解出的增强层图像或基本层图像预测出来。基本层图像中的B帧也可作为参考帧。表7是时间分级应用情况

3）SNR分级性

    信噪比分级性的出发点是实现不同质量视频图像服务之间的兼容性。该分级方式是，由1个图像信号源产生出具有相同空间分辨率的两个不同编码质量的视频数据流。实现SNR分级分两步进行：

    第1步是对DCT系数进行粗(grob)量化，称为第1次量化，形成基本层数据流。

    第2步是将粗量化之前的原DCT系数与第1次量化结果相减，对其差值进行第2次量化，即精细（feiner）量化，形成增强层数据流。

    由上述可知，增强层进行的是误差DCT精细量化，其与基本层所进行的DCT系数粗量化密切相关，所以在解码时增强层与基本层要同时进行。表8是SNR分级应用情况

4）数据划分

    数据划分的目的，是希望在信号传输通道条件及发射功率受限时，也能收到质量略差些的图像，而不至于什么图像也接收不到。为此，MPEG-2采用了数据划分技术，将对解码具有重要作用的信息，如包头、运动矢量、DCT系数（尤其是视频的低频DCT系数），放在误码性能好的通道中传送。对解码不太重要的部分，如音频的DCT系数等，放在误码性能较差的通道中传送。当然，这种方案是在存在两个可用来传输、存储视频信号的通道时，才能实行。事实上，利用优先级的概念，也可以进行数据划分。将编码数据流分成两个优先级不同的部分，如将编码数据流中的头信息、运动矢量、量化参数、低频DCT系数划分为高优先级（High Priority Partition）部分,将编码数据流中的高频DCT系数、音频DCT系数划分为低优先级（Low Priority Partition）部分。这种用优先级进行数据划分的方法，可以将信道噪声及信元丢失造成的图像损伤，降至最低限度。

    由上可见，为了解决通用性和特殊性之间的矛盾，MPEG-2采取了两个措施：1个是采用具有可分级性的型、级概念，用于描述不同的编码参数集；另1个是采用具有可伸缩性的时间、空间、信噪比及数据划分4种视频编码工具，通过对数据流的1部分编码和对数据流的全部解码获得较低图像分辨率。从而使MPEG-2成为真正的“通用标准”。

    总之，MPEG-2可以在很大范围内对不同分辨率和不同输出码率的图像信号进行有效的压缩编码，已经成为真正的国际通用标准。在广播电视领域必将获得广泛应用。

 

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