鄭州電視臺(tái) 夏 晶

視頻信息傳輸中MPEG-2格式分析

鄭州電視臺(tái) 夏 晶

一、視頻信號(hào)傳輸中的MPEG-2技術(shù)

當(dāng)今社會(huì)是一個(gè)數(shù)字信息化社會(huì)，數(shù)字信息化的一個(gè)主要特征就是數(shù)字多媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用。多媒體的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，將數(shù)字媒體信息傳播到世界的每個(gè)角落，改變了人類接受信息的傳統(tǒng)方式和途徑，打破了人與人之間的時(shí)空界限，進(jìn)而改進(jìn)了人們的學(xué)習(xí)、工作和生活方式。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，多媒體技術(shù)越來越成為研究熱點(diǎn)。而且人們接觸到的多媒體內(nèi)容日益豐富，包括文字、聲音圖像和數(shù)據(jù)，這些多媒體內(nèi)容擁有龐大的數(shù)據(jù)量，對(duì)通信系統(tǒng)的帶寬和存儲(chǔ)空間提出了較高的要求。尤其是視頻圖像的傳輸，與文字與圖像傳輸相比，視頻圖像具有更加直觀和更加高效的特點(diǎn)，因此，視頻圖像的傳輸問題成為多媒體技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵問題。

國際范圍內(nèi)，為了滿足多媒體信息的壓縮要求，在經(jīng)過了30多年的不懈努力后，視頻壓縮技術(shù)已經(jīng)取得了巨大的成就，適用于不同應(yīng)用領(lǐng)域的國際編碼標(biāo)準(zhǔn)便應(yīng)運(yùn)而生。如靜止圖像的編碼標(biāo)準(zhǔn)JPEG、視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264、H.263和活動(dòng)圖像的編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4等，而MPEG-7、MPEG-21也正在研究中。這些標(biāo)準(zhǔn)極大地促進(jìn)了視頻編碼技術(shù)的發(fā)展。特別是在網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)和通信方面的發(fā)展，對(duì)視頻通信業(yè)務(wù)和視頻壓縮技術(shù)提出了新的要求，在保證更好的視頻質(zhì)量和更高壓縮的同時(shí)，對(duì)視頻傳輸、碼率控制等方面也提出了更高的要求。

針對(duì)視頻傳輸問題，許多研究者提出了不同的壓縮編碼方法，采用控制策略來解決遠(yuǎn)程傳輸時(shí)的網(wǎng)絡(luò)阻塞、信道帶寬限制。比較典型的如H.263的TMN8的碼率控制算法以及H.264JM中的碼率控制算法，其中廣泛使用的是MPEG-2的TM5算法。

二、MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

1.MPEG-2的設(shè)計(jì)初衷是為廣播級(jí)電視質(zhì)量（CCIR6601格式）的視音頻信號(hào)定義壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。但最終結(jié)果是成為了一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)，能在很大范圍內(nèi)對(duì)不同分辨率和不同輸出比特率的圖像信號(hào)進(jìn)行有效編碼。MPEG組織于1994年推出MPEG-2壓縮標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)視/音頻服務(wù)與應(yīng)用互操作的可能性。MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電視和高清晰度電視在各種應(yīng)用下的壓縮方案和系統(tǒng)層的詳細(xì)規(guī)定的。MPEG-2不是MPEG-1的簡(jiǎn)單升級(jí)，而是在系統(tǒng)和傳送方面作了更加詳細(xì)的規(guī)定和進(jìn)一步的完善。MPEG-2特別適用于廣播級(jí)數(shù)字電視的編碼和傳送，被認(rèn)定為SDTV和HDTV的標(biāo)準(zhǔn)編碼。

2.MPEG-2視頻壓縮原理。MPEG-2的視頻編碼技術(shù)主要基于2個(gè)概念，即時(shí)間相關(guān)性與空間相關(guān)性。所謂時(shí)間相關(guān)性指的是物體前后運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性。例如，一扇門的開啟不可能是開、關(guān)這2個(gè)狀態(tài)，而一定是關(guān)、微開、開等一系列的連續(xù)動(dòng)作，因此利用前一次的動(dòng)作可以預(yù)測(cè)下一次的動(dòng)作?？臻g相關(guān)性指的是空間內(nèi)相鄰物體的色彩和亮度是一個(gè)漸變的過程，而非一個(gè)突變的過程。稍有一點(diǎn)美術(shù)常識(shí)的人都知道，白色與黑色之間的過渡是漸進(jìn)的，而不是突變的。如果將空間每一點(diǎn)及時(shí)間上每一幀進(jìn)行獨(dú)立編碼，雖然能夠表達(dá)所有的信息，但是帶寬非常大，幾乎沒有那種載體可以經(jīng)濟(jì)地傳送這種信號(hào)。另一方面從信息學(xué)的角度來看，也包含著大量的冗余信息。數(shù)據(jù)壓縮正是基于這樣的角度，采用相應(yīng)的編碼方式將大量的冗余信息去除，保留有用的信息，有效地節(jié)約了帶寬。

基于MC+DCT技術(shù)的混合編碼器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

MPEG-2編碼碼流是變速碼流，而大多數(shù)視頻編碼器的輸出信道為恒定位率信道。因此，當(dāng)MPEG-2壓縮碼流在恒定位率的信道上發(fā)送時(shí)，需要一個(gè)視頻輸出緩沖區(qū)來平衡編碼器輸出碼率的波動(dòng)。視頻編碼器根據(jù)信道的傳輸速率、視頻輸出緩沖區(qū)的充滿度、編碼幀的類型（I，P和B幀）及其幀圖像復(fù)雜度動(dòng)態(tài)調(diào)整量化參數(shù)來壓縮視頻數(shù)據(jù)，使得工作與恒定位率信道上視頻編碼器的輸出緩沖區(qū)既不產(chǎn)生上溢，也不產(chǎn)生下溢，做到既不丟失視頻數(shù)據(jù)，又能夠充分利用信道容量。

三、視頻通信中的碼率控制技術(shù)

在實(shí)際應(yīng)用中，視頻碼流的不均勻和網(wǎng)絡(luò)帶寬的不穩(wěn)定，對(duì)視頻傳輸和存儲(chǔ)很不利，因此每一個(gè)編碼系統(tǒng)都需要碼率控制。碼率控制是視頻質(zhì)量穩(wěn)定和可靠傳輸?shù)闹匾ＷC，它通過一定的碼率控制策略調(diào)整視頻編碼輸出的碼率使它與傳輸帶寬相匹配，而且保證獲取最小的失真，以及良好和穩(wěn)定的接收質(zhì)量。根據(jù)用戶的網(wǎng)絡(luò)接口選中的信道碼率是否穩(wěn)定，碼率控制可以分為恒定碼率和變碼率2種模式。

1.變碼碼率控制。能在延時(shí)短、高增益的視頻網(wǎng)絡(luò)中傳輸。在網(wǎng)絡(luò)中視頻碼率控制較復(fù)雜，一方面為了確保網(wǎng)絡(luò)帶寬的高效利用，必須有一種管理機(jī)制來監(jiān)督在指定的帶寬中傳輸。另一方面，在傳輸中由于網(wǎng)絡(luò)繁忙會(huì)使信道誤碼率增加，會(huì)進(jìn)一步增加傳輸?shù)牟豢煽啃浴?/p>

2.恒定碼率控制。一般通過調(diào)整幀率與各編碼單位的量化步長(zhǎng)來實(shí)現(xiàn)。它通常由以下4個(gè)步驟構(gòu)成：

（1）幀率調(diào)控。選擇視頻序列的傳輸幀率，確定需要編碼的圖像幀。

（2）在當(dāng)前圖像幀編碼前，預(yù)測(cè)其目標(biāo)碼率。

（3）為幀內(nèi)各編碼單位選擇適當(dāng)?shù)牧炕介L(zhǎng)，以使該幀輸出碼率盡量接近于目標(biāo)碼率。

（4）對(duì)該幀編碼后，準(zhǔn)備編碼下一幀。

對(duì)于恒定碼率的碼率控制，一般采用平滑緩存器調(diào)整輸出，使碼流以一個(gè)穩(wěn)定的碼率進(jìn)行傳輸或存儲(chǔ)。其中，TM5碼率控制算法是在保證緩沖器不上溢和下溢的情況下，通過估測(cè)每幀圖像的復(fù)雜度來分配比特?cái)?shù)，同時(shí)決定量化參數(shù)。最常用的技術(shù)是調(diào)整一些編碼參數(shù)作為緩沖器飽和度函數(shù)，如反饋控制等。另外，也可以如前向反饋控制那樣使用當(dāng)前圖像的活動(dòng)性，為編碼器提供另一種需要的編碼方式。

對(duì)于運(yùn)動(dòng)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，不管是MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4還是H.263，僅詳細(xì)規(guī)定了壓縮碼流的語法結(jié)構(gòu)和基本壓縮算法，而對(duì)算法的實(shí)現(xiàn)沒有限定。這種開放式的框架式的標(biāo)準(zhǔn)使得標(biāo)準(zhǔn)既方便了不同產(chǎn)品間的互聯(lián)，又允許人們根據(jù)應(yīng)用背景確定不同的編碼策略，以提高編碼效率。其中的碼率控制是編碼策略的重要內(nèi)容之一。

四、MPEG-2技術(shù)的應(yīng)用

在多媒體通信中，壓縮視頻流需要在帶寬需求不一致而且需要變化的網(wǎng)絡(luò)上傳輸，為了充分地利用提供的網(wǎng)絡(luò)資源，并保證用戶獲得最優(yōu)的質(zhì)量，在視頻通信系統(tǒng)中需要引入某種流控制機(jī)制。

MPEG-2的TM5碼率控制算法是一種優(yōu)秀的碼率控制算法，由于它引入了復(fù)雜度分析、碼率分配、碼率控制、自適應(yīng)量化等概念方法，從而可以較準(zhǔn)確地控制視頻流的輸出碼率。它對(duì)普通視頻序列的壓縮效果較好，但由于算法本身的局限而沒有辦法避免一些困難，如MPEG-2的TM5碼率控制算法沒有考慮處理場(chǎng)景切換帶來的問題。同一畫面中宏塊與宏塊之間編碼質(zhì)量不均勻。自適應(yīng)量化是對(duì)量化參數(shù)的調(diào)整不適當(dāng)、不均勻某些參數(shù)的過度調(diào)節(jié)。碼率控制算法前后各個(gè)步驟之間并不能有效地一起工作，存在著互相抵消效率的問題，從而導(dǎo)致編碼效率的下降。

MPEG-2的TM5算法是一種有效的碼率控制策略。MPEG-2編碼標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)字電視、高清晰度電視以及數(shù)字電視通信產(chǎn)生較大的影響，TM5算法提出了一個(gè)參考的碼率分配策略，盡管該算法能夠較好滿足的視頻編碼，但仍存在一些不足，因此還有改進(jìn)和完善的空間。