MPEG-2視頻編碼系統(tǒng)原理及關(guān)鍵技術(shù)

MPEG-2圖像壓縮的原理利用了圖像的空間相關(guān)性和時間相關(guān)性。圖像的空間相關(guān)性是指在一幀圖像內(nèi)每一個場景都是由數(shù)以億計的像素點構(gòu)成的，通常狀況下一個像素與其周圍的一些像素在亮度、色度上存在的特定關(guān)系；圖像的時間相關(guān)性是因為一個節(jié)目是由若干個情節(jié)構(gòu)成，一個情節(jié)包含眾多的圖像序列，而圖像序列是由許多幀連續(xù)的圖像組成的，在任何一個圖像序列中，前后幀的圖像存在一定的相關(guān)性。在衛(wèi)星數(shù)字廣播電視的傳輸過程中，如果將所得有信息都以編碼形式進行傳輸就會影響傳輸速率，加大系統(tǒng)負擔(dān)。因而，問題的關(guān)鍵就在于如何剔除圖像中由于時間相關(guān)性和空間相關(guān)性造成的冗余信息，通過保留非相關(guān)信息的傳輸以節(jié)省傳輸占用的頻帶，接收機再按照特定的解碼方法，利用傳出過去的非相關(guān)信息恢復(fù)成原始圖像，同時需要確保圖像質(zhì)量使畫面盡可能的清晰連貫。MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的視頻壓縮編碼技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相比能夠在相同畫面質(zhì)量的前提下更大的限度上去除圖像中存在的冗余信息。MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)利用了具有運動補償特點的幀間壓縮編碼技術(shù)、DCT技術(shù)、熵編碼減少了視頻傳輸?shù)臅r間冗余度、空間冗余度，信息表示上的統(tǒng)計冗余度，從而極大地增強了壓縮性能，節(jié)省了視頻傳輸占用的頻帶。

（一）幀間壓縮編碼技術(shù)

MPEG-2中的編碼圖像由I幀，P幀、B幀三類構(gòu)成。I幀圖像采用了幀內(nèi)編碼的方式，壓縮的倍數(shù)較低。通過減少單幀圖像內(nèi)的空間相關(guān)性而暫時忽略時間相關(guān)性在接收機初始化、信道獲取、節(jié)目的切換和插入上減少了視頻冗余。通過編碼器對I幀圖像出現(xiàn)頻率的選擇使其周期性地出現(xiàn)于圖像序列中。P幀和B幀圖像都采用了幀間編碼的方式，利用空間相關(guān)性的同時利用了時間相關(guān)性。P幀圖像采用的前向時間預(yù)測提高了視頻壓縮的效率和圖像的質(zhì)量。B幀圖像采用了未來幀作為參考，將圖像幀于幀之間的傳輸順序和顯示順序打亂進行傳輸，通過雙向時間預(yù)測大大地提高了視頻壓縮倍數(shù)。

（二）DCT技術(shù)

DCT技術(shù)實際上是空間變換技術(shù)的一種，在MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)中DCT的基本單位是8x8的像塊。DCT變換通過設(shè)置像塊能量的位置，將圖像的能量集中在少數(shù)幾個低頻的DCT系數(shù)上，在新生成的8x8的DCT系數(shù)塊中，左上角少量低頻系數(shù)被賦予較大的數(shù)值，其余系數(shù)被賦予較小的數(shù)值，這樣就可以在只編碼和傳輸幾個少數(shù)系數(shù)的同時對圖像質(zhì)量不造成破壞。雖然DCT技術(shù)沒有對圖像直接進行壓縮，但通過對圖像能量的集中為下一步的壓縮奠定了基礎(chǔ)。量化過程實際上就是以某個量化步長去除DCT系數(shù)。量化的步長越小，包含的視頻信息越多，量化精度也就越細，但是所需要的傳輸頻帶也就高。由于人類的視覺對低頻系數(shù)感應(yīng)更為明顯，因而在DCT變換系數(shù)中，對越低頻系數(shù)分配的量化精度越細，對越高頻系數(shù)分配的量化精度越粗，一般情況下，大多數(shù)的高頻系數(shù)在量化之后都會轉(zhuǎn)變?yōu)榱恪Ｍㄟ^這一方式，在量化精度不嚴(yán)重超過需要的前提下，盡可能多地涵蓋了DCT空間的頻率信息。量化后，8x8二維矩陣中大多數(shù)的非零DCT系數(shù)位于左上角，通過之型掃描將原來的二維數(shù)組轉(zhuǎn)換為一維數(shù)組后，這些系數(shù)集中在數(shù)組的前部，量化結(jié)果為零的DCT系數(shù)則位于數(shù)組的后部。在游程編碼中，量化結(jié)果為零的系數(shù)被忽略掉，對非零系數(shù)進行編碼。每一個非零系數(shù)的編碼都由游程和非零系數(shù)兩部分組成，所謂游程是指非零系數(shù)前面那個零系數(shù)的個數(shù)。大多數(shù)情況下，之型掃描中連續(xù)出現(xiàn)零的概率很大，因而極大地提高了游程編碼效率，繼而對視頻產(chǎn)生了明顯的的壓縮效果。

（三）熵編碼

MPEG-2的壓縮系統(tǒng)中采用的霍夫曼編碼是熵編碼中普遍應(yīng)用的一種。在這一編碼中，游程與非零系數(shù)既可以是相互獨立的，也可以以聯(lián)合的方式作為熵編碼。通過將所有編碼信號進行統(tǒng)計，核算出每一編碼出現(xiàn)的概率，繼而得出一個碼表，然后將較少的比特分派給發(fā)生概率大的信號，將較多的比特分配給發(fā)生概率小的信號，盡量縮短整個碼流的長度，提高了傳輸效率。然而，熵編碼產(chǎn)生比特流的速率是實時變化著的，這與傳輸系統(tǒng)所分配的恒定頻帶是相互不兼容的。因而，在進入信道前需要對編碼比特流設(shè)置一個信道緩存，以變比特率將熵編碼寫入，再以恒定比特率向外讀出，送入信道。除此之外，MPEG-2還采用了運動估計和運動補償對視頻進行壓縮。

MPEG-2在衛(wèi)星數(shù)字廣播電視的傳輸應(yīng)用中的優(yōu)點與改進

衛(wèi)星數(shù)字廣播電視通過衛(wèi)星上行系統(tǒng)將信號傳送至衛(wèi)星，在通過衛(wèi)星電視接收機接收視頻信號，對其進行解碼，繼而實現(xiàn)了視頻的播放。這一系統(tǒng)擴大了受眾范圍。傳統(tǒng)的有線電視需要架設(shè)線路，固定成本高昂，邊際成本很高，受交通狀況影響嚴(yán)重。由于成本回收期過于漫長，一些偏遠地區(qū)甚至無法回收成本，因此難以普及到一些較為偏遠的地區(qū)。而衛(wèi)星數(shù)字廣播電視以衛(wèi)星作為傳輸媒介，覆蓋廣泛，邊際成本幾乎為零，尤其適用于幅員遼闊、地理環(huán)境多樣化的國家以及人口密度低人員較少的地區(qū)。但這一系統(tǒng)的缺陷也十分明顯，衛(wèi)星數(shù)字廣播電視的接收受天氣狀況影響較大，如果遇到陰雨天，云層較厚，將影響數(shù)字信號的接收，另外也容易受到其他信號的干擾，出現(xiàn)馬賽克。同時，目前的MPEG-2仍然是以恒定的頻帶進行傳輸，需要設(shè)置信道緩存，當(dāng)編碼器某一時點輸出的速率超過緩存器承受能力時就會出現(xiàn)上溢，從而不得不增大量化步長為代價以降低編碼數(shù)據(jù)的傳輸速率，相應(yīng)地則增大了圖像損失；相反的，如果當(dāng)編碼器某一時點輸出速率太低，緩存器將會出現(xiàn)下溢時，又不得不減小量化步長繼而來提高編碼數(shù)據(jù)的傳輸速率。目前需要一種新的方法來降低傳輸速率而又不額外增加緩存需求。

總結(jié)

MPEG-2在衛(wèi)星數(shù)字廣播電視的傳輸中的應(yīng)用已然很是成功，但是隨著人們物質(zhì)文化生活水平的提高，對數(shù)字信息技術(shù)必然提出更進一步的要求，例如提高畫面清晰度，在一臺電視上同時接收看兩個以上的頻道等等，這都為數(shù)字信號壓縮技術(shù)提出更新更嚴(yán)格的要求，因而仍需在MPEG-2基礎(chǔ)上作出改進。（本文作者：王麗麗 單位：山西省廣播電視局無線管理中心）