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MPEG-2

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[url]MPEG简介
MPEG-2简介
MPEG-2标准
MPEG-2视频编码系统原理及关键技术[/url]


MEPEG-2 数字电视接收机
MPEG简介
  MPEG是活动图像专家组(MovingPictureExpertsGroup)的缩写,于1988年成立。目前MPEG已颁布了三个活动图像及声音编码的正式国际标准,分别称为MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4,而MPEG-7和MPEG-21都在研究中。
MPEG-2简介
  MPEG-2制定于1994年,设计目标是高级工业标准的图象质量以及更高的传输率。MPEG-2所能提供的传输率在3-10Mbits/sec间,其在NTSC制式下的分辨率可达720X486,MPEG-2也可提供并能够提供广播级的视像和CD级的音质。MPEG-2的音频编码可提供左右中及两个环绕声道,以及一个加重低音声道,和多达7个伴音声道(DVD可有8种语言配音的原因)。由于MPEG-2在设计时的巧妙处理,使得大多数MPEG-2解码器也可播放MPEG-1格式的数据,如VCD。
  同时,由于MPEG-2的出色性能表现,已能适用于HDTV,使得原打算为HDTV设计的MPEG-3,还没出世就被抛弃了。(MPEG-3要求传输速率在20Mbits/sev-40Mbits/sec间,但这将使画面有轻度扭曲)。除了做为DVD的指定标准外,MPEG-2还可用于为广播,有线电视网,电缆网络以及卫星直播(DirectBroadcastSatellite)提供广播级的数字视频。
  MPEG-2的另一特点是,其可提供一个较广的范围改变压缩比,以适应不同画面质量,存储容量,以及带宽的要求。
  对于最终用户来说,由于现存电视机分辨率限制,MPEG-2所带来的高清晰度画面质量(如DVD画面)在电视上效果并不明显,到是其音频特性(如加重低音,多伴音声道等)更引人注目。
  MPEG-2的编码图像被分为三类,分别称为I帧,P帧和B帧。
  I帧图像采用帧内编码方式,即只利用了单帧图像内的空间相关性,而没有利用时间相关性。P帧和B帧图像采用帧间编码方式,即同时利用了空间和时间上的相关性。P帧图像只采用前向时间预测,可以提高压缩效率和图像质量。P帧图像中可以包含帧内编码的部分,即P帧中的每一个宏块可以是前向预测,也可以是帧内编码。B帧图像采用双向时间预测,可以大大提高压缩倍数。
  MPEG-2的编码码流分为六个层次。为更好地表示编码数据,MPEG-2用句法规定了一个层次性结构。它分为六层,自上到下分别是:图像序列层、图像组(GOP)、图像、宏块条、宏块、块。
MPEG-2标准
  MPEG-2标准目前分为9个部分,统称为ISO/IEC13818国际标准。各部分的内容描述如下:
  一部分-ISO/IEC13818-1,System:系统,描述多个视频,音频和数据基本码流合成传输码流和节目码流的方式。
  二部分-ISO/IEC13818-2,Video:视频,描述视频编码方法。
  三部分-ISO/IEC13818-3,Audio:音频,描述与MPEG-1音频标准反向兼容的音频编码方法。
  四部分-ISO/IEC13818-4,Compliance:符合测试,描述测试一个编码码流是否符合MPEG-2码流的方法。
  五部分-ISO/IEC13818-5,Software:软件,描述了MPEG-2标准的第一、二、三部分的软件实现方法。
  六部分-ISO/IEC13818-6,DSM-CC:数字存储媒体-命令与控制,描述交互式多媒体网络中服务器与用户间的会话信令集。
  上六个部分均已获得通过,成为正式的国际标准,并在数字电视等领域中得到了广泛的实际应用。此外,MPEG-2标准还有三个部分:第七部分规定不与MPEG-1音频反向兼容的多通道音频编码;第八部分现已停止;第九部分规定了传送码流的实时接口。
  1990年成立的ATM视频编码专家组与MPEG在ISO/IEC13818标准的第一和第二两个部分进行了合作,因此上述两个部分也成为ITU-T的
  标准,分别为:ITU-TRec.H.220系统和ITU-TRec.H.262视频。
  下面我们主要讨论一下MPEG视频编码系统,即ISO/IEC13818-2部分。MPEG-2视频编码
  MPEG-2视频编码标准是一个分等级的系列,按编码图像的分辨率分成四个“级(Levels)”;按所使用的编码工具的集合分成五个“类(Profiles)”。“级”与“类”的若干组合构成MPEG-2视频编码标准在某种特定应用下的子集:对某一输入格式的图像,采用特定集合的压缩编码工具,产生规定速率范围内的编码码流。在20种可能的组合中,目前有11种是已获通过的,称为MPEG-2适用点。
  - 我们知道,当前模拟电视存在着PAL、NTSC和SECAM三大制式并存的问题,因此,数字电视的输入格式标准试图将这三种制式统一起来,形成一种统一的数字演播室标准,这个标准就是CCIR601,现称ITU-RRec.BT601标准。MPEG-2中的四个输入图像格式“级”都是基于这个标准的。低级(LowLevel)的输入格式的像素是ITU-RRec.BT601格式的1/4,即352x240x30(代表图像帧频为每秒30帧,每帧图像的有效扫描行数为240行,每行的有效像素为352个),或352x288x25。低级之上的主级(MainLevel)的输入图像格式完全符合ITU-RRec.BT601格式,即720x480x30或720x576x25。主级之上为HDTV范围,基本上为ITU-RRec.BT601格式的4倍,其中1440高级(High-1440Level)的图像宽高比为4:3,格式为1440x1080x30,高级(HighLevel)的图像宽高比为16:9,格式为1920x1080x30。
  在MPEG-2的五个“类”中,较高的“类”意味着采用较多的编码工具集,对编码图像进行更精细的处理,在相同比特率下将得到较好的图像质量,当然实现的代价也较大。较高类编码除使用较低类的编码工具外,还使用了一些较低类没有使用的附加工具,因此,较高类的解码器除能解码用本类方法编码的图像外,也能解码用较低类方法编码的图像,即MPEG-2的“类”之间具有后向兼容性。简单类(SimpleProfile)使用最少的编码工具。主类(MainProfile)除使用所有简单类的编码工具外,还加入了一种双向预测的方法。信噪比可分级类(SNRScalableProfile)和空间可分级类(SpatiallyScalableProfile)提供了一种多级广播的方式,将图像的编码信息分为基本信息层和一个或多个次要信息层。基本信息层包含对图像解码至关重要的信息,解码器根据基本信息即可进行解码,但图像的质量较差。次要信息层中包含图像的细节。广播时对基本信息层加以较强的保护,使其具有较强的抗干扰能力。这样,在距离较近,接收条件较好的情况下,可以同时收到基本信息和次要信息,恢复出高质量的图像;而在距离较远,接收条件较差的条件下,仍能收到基本信息,恢复出图像,不至造成解码中断。高级类(HighProfile)实际上应用于比特率更高,要求更高的图像质量时,此外,前四个类在处理Y,U,V时是逐行顺序处理色差信号的,高级类中还提供同时处理色差信号的可能性。
  目前的标准数字电视采用的是MP@ML主类和主级,而HDTV采用的是MP@HL主类和高级。下面,我们以MP@ML为例来说明一下MPEG-2视频编码系统原理及关键技术。
MPEG-2视频编码系统原理及关键技术
  概括地说,MPEG-2图像压缩的原理是利用了图像中的两种特性:空间相关性和时间相关性。一帧图像内的任何一个场景都是由若干像素点构成的,因此一个像素通常与它周围的某些像素在亮度和色度上存在一定的关系,这种关系叫作空间相关性;一个节目中的一个情节常常由若干帧连续图像组成的图像序列构成,一个图像序列中前后帧图像间也存在一定的关系,这种关系叫作时间相关性。这两种相关性使得图像中存在大量的冗余信息。如果我们能将这些冗余信息去除,只保留少量非相关信息进行传输,就可以大大节省传输频带。而接收机利用这些非相关信息,按照一定的解码算法,可以在保证一定的图像质量的前提下恢复原始图像。一个好的压缩编码方案就是能够最大限度地去除图像中的冗余信息。
  MPEG-2中编码图像被分为三类,分别称为I帧,P帧和B帧。
  ----I帧图像采用帧内编码方式,即只利用了单帧图像内的空间相关性,而没有利用时间相关性。I帧主要用于接收机的初始化和信道的获取,以及节目的切换和插入,I帧图像的压缩倍数相对较低。I帧图像是周期性出现在图像序列中的,出现频率可由编码器选择。
  P帧和B帧图像采用帧间编码方式,即同时利用了空间和时间上的相关性。P帧图像只采用前向时间预测,可以提高压缩效率和图像质量。P帧图像中可以包含帧内编码的部分,即P帧中的每一个宏块可以是前向预测,也可以是帧内编码。B帧图像采用双向时间预测,可以大大提高压缩倍数。值得注意的是,由于B帧图像采用了未来帧作为参考,因此MPEG-2编码码流中图像帧的传输顺序和显示顺序是不同的。


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开放分类
数字电视    

参考资料
http://baike.baidu.com/view/7747.html?fromTaglist

贡献者
ysjab    


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