MPEG-2壓縮編碼器是將模擬電視視音頻信號(hào)進(jìn)行MPEG-2壓縮編碼輸出實(shí)時(shí)TS流的前端設(shè)備,適用于數(shù)字電視的傳輸或前端信源編碼以及會(huì)議電視、遠(yuǎn)程教育等各種應(yīng)用,一臺(tái)高級(jí)的編碼器不僅具有DVB接口,還應(yīng)當(dāng)設(shè)有電信接口,以使該設(shè)備能方便地在HFC網(wǎng)絡(luò)、微波MMDS或8GHZ系統(tǒng)、SDH或PDH等網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用,如圖1所示。

圖1編碼器的結(jié)構(gòu)框圖。

MPEG-2視頻編碼系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)

MPEG-2圖像壓縮的原理是利用圖像中的兩種特性:空間相關(guān)性和時(shí)間相關(guān)性。一幀圖像內(nèi)的任何一個(gè)場(chǎng)景都是由若干像素點(diǎn)構(gòu)成的,因此一個(gè)像素通常與它周圍的某些像素在亮度和色度上存在一定的關(guān)系,這種關(guān)系叫作空間相關(guān)性;一個(gè)節(jié)目中的一個(gè)情節(jié)常常由若干幀連續(xù)圖像組成的圖像序列構(gòu)成,一個(gè)圖像序列中前后幀圖像間也存在一定的關(guān)系,這種關(guān)系叫作時(shí)間相關(guān)性。這兩種相關(guān)性使得圖像中存在大量的冗余信息,如果我們能將這些冗余信息去除,只保留少量非相關(guān)信息進(jìn)行傳輸,就可以大大節(jié)省傳輸頻帶,而接收機(jī)利用這些非相關(guān)信息,按照一定的解碼算法,就可以在保證一定的圖像質(zhì)量的前提下恢復(fù)原始圖像,一個(gè)好的壓縮編碼方案就是能夠最大限度地去除圖像中的冗余信息。

MPEG-2中的編碼圖像分為3類,分別稱為I幀、P幀和B幀。

I幀圖像采用幀內(nèi)編碼方式,即只利用單幀圖像內(nèi)的空間相關(guān)性,而沒(méi)有利用時(shí)間相關(guān)性。I幀主要用于接收機(jī)的初始化和信道的獲取以及節(jié)目的切換和插入,I幀圖像的壓縮倍數(shù)相對(duì)較低,I幀圖像周期性出現(xiàn)在圖像序列中,出現(xiàn)頻率可由編碼器選擇。

P幀和B幀圖像采用幀間編碼方式,即同時(shí)利用空間和時(shí)間上的相關(guān)性。P幀圖像只采用前向時(shí)間預(yù)測(cè),可以提高壓縮效率和圖像質(zhì)量。P幀圖像中可以包含幀內(nèi)編碼的部分,即P幀中的每一個(gè)宏塊可以是前向預(yù)測(cè),也可以是幀內(nèi)編碼。B幀圖像采用雙向時(shí)間預(yù)測(cè),可以大大提高壓縮倍數(shù)。值得注意的是,由于B幀圖像采用了未來(lái)幀作為參考,因此MPEG-2編碼碼流中圖像幀的傳輸順序和顯示順序是不同的。

MPEG-2的編碼碼流分為6個(gè)層次。為更好地表示編碼數(shù)據(jù),MPEG-2用句法規(guī)定了一個(gè)層次性結(jié)構(gòu),它分為6層,自上到下分別是:圖像序列層、圖像組(GOP)、圖像、宏塊條、宏塊、塊。MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的主要應(yīng)用如下:視音頻資料的保存;非線性編輯系統(tǒng)及非線性編輯網(wǎng)絡(luò);微波、衛(wèi)星、光纜傳輸;電視節(jié)目的播出。在全數(shù)字電視技術(shù)中,有兩個(gè)很關(guān)鍵的編碼技術(shù)即信源編碼和信道編碼,它們就是采用MPEG-2技術(shù),信源編碼的主要任務(wù)是解決圖像信號(hào)的壓縮和保存問(wèn)題,信道編碼的主要任務(wù)是解決圖像信號(hào)的傳輸問(wèn)題。圖像信號(hào)的數(shù)據(jù)量大,如不進(jìn)行壓縮,數(shù)字電視信號(hào)就無(wú)法實(shí)時(shí)傳送,而壓縮的主要方式就是除去冗余信號(hào)。所謂冗余信號(hào)是指那些與信息無(wú)關(guān)的或?qū)D像質(zhì)量影響不大的多余部分,這就是MPEG-2圖像壓縮的原理。

(1)空間冗余。一幅圖像由數(shù)十萬(wàn)個(gè)像素組成,相鄰兩個(gè)甚至幾個(gè)像素之間有很大的相似性(或稱相關(guān)性),在傳送時(shí)會(huì)出現(xiàn)連續(xù)傳送許多相同數(shù)據(jù)的情況,稱之為空間冗余,利用某種編碼方法(如正交變換編碼),去掉空間上的冗余信息,減少傳輸和記錄碼率。

(2)時(shí)間冗余。電視圖像也有很強(qiáng)的時(shí)間相關(guān)性,對(duì)于25幀/s的圖像來(lái)說(shuō),通常情況下前一幀圖像和后一幀圖像的差別很小,大部分畫面內(nèi)容相同,這表明相鄰兩幅圖像的相關(guān)性非常大,而圖像之間相隔較遠(yuǎn)時(shí),其圖像的相關(guān)性才逐步減小,而且這種相關(guān)性很強(qiáng)的圖像變化時(shí)一般都是有規(guī)律的,也就是說(shuō)每一幅圖像的變化是可預(yù)測(cè)的。利用圖像的時(shí)間冗余特性,把圖像信號(hào)在時(shí)間上的冗余信息去掉,也可以減小傳輸和記錄碼率。

(3)統(tǒng)計(jì)冗余。圖像和聲音信號(hào)數(shù)字化后遵循一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,如在圖像預(yù)測(cè)編碼系統(tǒng)下,當(dāng)前像素信號(hào)的預(yù)測(cè)值是由前幾個(gè)相鄰像素值或該像素在前一段上的時(shí)間值預(yù)測(cè)出來(lái)的。根據(jù)圖像的空間相關(guān)性和時(shí)間相關(guān)性可知預(yù)測(cè)誤差小的信號(hào)出現(xiàn)的概率大,相反則出現(xiàn)概率小。采用統(tǒng)計(jì)編碼的方法,對(duì)出現(xiàn)概率大的小誤差信號(hào)值用短碼,而對(duì)出現(xiàn)概率小的大誤差信號(hào)值用長(zhǎng)碼,這樣就去掉了信號(hào)在統(tǒng)計(jì)上的冗余信息。

(4)知覺(jué)冗余。人的視聽器官都具有某些不敏感性。知覺(jué)冗余是指處于人們視覺(jué)和聽覺(jué)分辨力不敏感或達(dá)不到的視音頻信號(hào),對(duì)這些無(wú)關(guān)緊要的信息給與較大的失真處理,人們并不會(huì)明顯地感到圖像和聲音質(zhì)量的降低,甚至毫無(wú)覺(jué)察。因此在編碼時(shí)可以分長(zhǎng)碼和短碼來(lái)對(duì)不同的內(nèi)容進(jìn)行編碼,這叫作有所為和有所不為,從而達(dá)到減小碼率的目的。