剖析 MPEG-2 视频编码器

剖析 MPEG-2 视频编码器

1. MPEG-2标准简介
现有MPEG-2视频标准的技术规范集包括6类（profile）4级（level）组成，并采用分级编码。所谓级是指MPEG-2的输入格式，标识从有限清晰度的VHS 质量图象到HDTV图象，每一种输入格式编码后都有一个相应的范围。
. 低级LL（Low Level）：图象输入格式的象素是ITU-R Rec.BT 601格 
式的 1/4，即352*240*30或352*288*25，相
应编码的最大输出码率为4Mbps。
. 主级ML（Main Level）:图象输入格式符合ITU-R Rec.BT 601格式，
即720*480*30或720*576*25。相应编码的 
最大输出码率为15Mbps。高级类20Mbps。
. 1440高级H14L（High 1440 Level）: 是1440*1152*25的高清晰度格
式。相应编码的最大输出码
率为60Mbps。高级类80Mbps。
. 高级HL（High Level）:图象输入格式为1920*1152*25的高清度格
式。相应编码的最大输出码率80Mbps。高级
类为100Mbps。

    所谓类是指MPEG-2的不同处理方法，每一类都包括压缩和处理方法的一个集合。不同的类意味着使用不同集合的码率压缩工具。越高的类编码越精细，而每升高一类将提供前一类没有使用的附加工具，当然实现的代价会更高。而解码器却是向下兼容的，任何一种高级类解码器，均应能解码用低级类方法编码的图像。
MPEG-2共分6类：简单类SP（Simple Profile）；主类MP（Main Profile），它比简单类增加了一种双向预测方法，在相同比特率的情况下，将给出比简单类更好的图像。主类的扩展类P（Profile），主要是由Tektronic公司和SONY公司在主类的基础上推出的更适用于演播室视频节目制作要求的数据压缩处理方法。信噪比可分级类SNRP（SNR Scaleable Profile）；空间可分级类SPP（Spatially Scaleable Profile）和高级类HP（High Profile）。前两种可分级工具允许将编码的视频数据分为基本层和上层信号。基本层表示编码图像的基本数据，但代表的图像质量低；上层信号则可用来改进信噪比或清晰度。这就意味着有时解码器可以忽略比特流中的增强部分，而只解码比特流中的基本部分，仍可得到有用的图像序列，只不过此时所得的图像分辨率低一些，或者帧速率低一些，或者质量低一些。
现有数字电视广播系统就利用了MPEG-2的这种可分级性，使数字信号能同时覆盖接收条件好的和接收条件差的地区，并使能接收和不能接收的区域过渡更为平滑，同时粗编码的低层信号可以有较强的抗干扰能力，可以有更大的覆盖范围。

由于MPEG-2不仅消除了空间上的冗余，而且消除了时间上的冗余，因此使用MPEG-2可以在比较大的压缩比的情况下保持较好的图像质量，SONY的Betacam-SX采用10:1压缩，数据率为18Mb/S是现有数字录象机中最低的，有利于高速传输与存储。另外，MPEG-2还具有如下特色： 1． 输出码率流速率可适应同步或异步传输，无需固定； 2． 适应于逐行或隔行扫描系统； 3 ． 可用于4:2:0、4:2:2、4:4:4等亮、色取样； 4． 按清晰度可以将图象分为4个等级，高级解码器可与低级解码器实现下兼容； 5． 按使用的工具和方法不同分为5种类型，即允许分层性编码，以保证不同的传输与接收要求。 MPEG-2的这种开放性的优点，决定了Betacam-SX将来可直接与众多公司生产的数字视频系统连接，进行数据交换、传输、制作而不需任何数字的转换设备，就连一贯采用M-JPEG数字压缩算法的非线形编辑领域也在积极向MPEG-2靠拢。Matrox、品尼高等一些非线形软、硬件主流产品厂商也已经宣布将于99年第一季度推出采用MPEG-2压缩算法的视频板卡及软件，无疑这其中受益的是Betacam-SX，而且Betacam-SX本身还推出了一种盘带结合型录象机，为进行非线形编辑提供了更加优越的条件。另外， MPEG-2将是广播电视向全数字化过渡的最佳选择也逐步被大多数视频专业人士认可，所以美国以及西方各国普遍以MPEG-2标准作为数字HDTV图像压缩编码系统的核心，这无疑又为Betacam-SX的未来发展提供了一个优越性。 四．Betacam-SX的零帧编辑 最初的MPEG-2标准是为视频分配而设计的，为家庭提供一个可接受的图象质量，但是由于有限的数据率（最大为15Mb/S）和采用4:2:0取样，它的质量并不适合专业制作和后期制作，4:2:0的取样结构也不能达到演播室对多代复制所要求的图象