MPEG-2简介及MPEG-2编解码 (1)

MPEG-2简介及MPEG-2编解码 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。