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剖析 MPEG-2 視頻編碼器
剖析 MPEG-2 視頻編碼器
`99中南地區省級電視臺技術協會技術論文二等獎《西部廣播電視》1999年第6期發表
1. MPEG-2標準簡介
現有MPEG-2視頻標準的技術規范集包括6類（profile）4級（level）組成，并采用分級編碼。所謂級是指MPEG-2的輸入格式，標識從有限清晰度的VHS 質量圖象到HDTV圖象，每一種輸入格式編碼后都有一個相應的范圍。
. 低級LL（Low Level）：圖象輸入格式的象素是ITU-R Rec.BT 601格
式的 1/4，即352*240*30或352*288*25，相
應編碼的最大輸出碼率為4Mbps。
. 主級ML（Main Level）:圖象輸入格式符合ITU-R Rec.BT 601格式，
即720*480*30或720*576*25。相應編碼的
最大輸出碼率為15Mbps。高級類20Mbps。
. 1440高級H14L（High 1440 Level）: 是1440*1152*25的高清晰度格
式。相應編碼的最大輸出碼
率為60Mbps。高級類80Mbps。
. 高級HL（High Level）:圖象輸入格式為1920*1152*25的高清度格
式。相應編碼的最大輸出碼率80Mbps。高級
類為100Mbps。
所謂類是指MPEG-2的不同處理方法，每一類都包括壓縮和處理方法的一個集合。不同的類意味著使用不同集合的碼率壓縮工具。越高的類編碼越精細，而每升高一類將提供前一類沒有使用的附加工具，當然實現的代價會更高。而解碼器卻是向下兼容的，任何一種高級類解碼器，均應能解碼用低級類方法編碼的圖像。
MPEG-2共分6類：簡單類SP（Simple Profile）；主類MP（Main Profile），它比簡單類增加了一種雙向預測方法，在相同比特率的情況下，將給出比簡單類更好的圖像。主類的擴展類P（Profile），主要是由Tektronic公司和SONY公司在主類的基礎上推出的更適用于演播室視頻節目制作要求的數據壓縮處理方法。信噪比可分級類SNRP（SNR Scaleable Profile）；空間可分級類SPP（Spatially Scaleable Profile）和高級類HP（High Profile）。前兩種可分級工具允許將編碼的視頻數據分為基本層和上層信號。基本層表示編碼圖像的基本數據，但代表的圖像質量低；上層信號則可用來改進信噪比或清晰度。這就意味著有時解碼器可以忽略比特流中的增強部分，而只解碼比特流中的基本部分，仍可得到有用的圖像序列，只不過此時所得的圖像分辨率低一些，或者幀速率低一些，或者質量低一些。
現有數字電視廣播系統就利用了MPEG-2的這種可分級性，使數字信號能同時覆蓋接收條件好的和接收條件差的地區，并使能接收和不能接收的區域過渡更為平滑，同時粗編碼的低層信號可以有較強的抗干擾能力，可以有更大的覆蓋范圍。
由于MPEG-2不僅消除了空間上的冗余，而且消除了時間上的冗余，因此使用MPEG-2可以在比較大的壓縮比的情況下保持較好的圖像質量，SONY的Betacam-SX采用10:1壓縮，數據率為18Mb/S是現有數字錄象機中最低的，有利于高速傳輸與存儲。另外，MPEG-2還具有如下特色： 1． 輸出碼率流速率可適應同步或異步傳輸，無需固定； 2． 適應于逐行或隔行掃描系統； 3 ． 可用于4:2:0、4:2:2、4:4:4等亮、色取樣； 4． 按清晰度可以將圖象分為4個等級，高級解碼器可與低級解碼器實現下兼容； 5． 按使用的工具和方法不同分為5種類型，即允許分層性編碼，以保證不同的傳輸與接收要求。 MPEG-2的這種開放性的優點，決定了Betacam-SX將來可直接與眾多公司生產的數字視頻系統連接，進行數據交換、傳輸、制作而不需任何數字的轉換設備，就連一貫采用M-JPEG數字壓縮算法的非線形編輯領域也在積極向MPEG-2靠攏。Matrox、品尼高等一些非線形軟、硬件主流產品廠商也已經宣布將于99年第一季度推出采用MPEG-2壓縮算法的視頻板卡及軟件，無疑這其中受益的是Betacam-SX，而且Betacam-SX本身還推出了一種盤帶結合型錄象機，為進行非線形編輯提供了更加優越的條件。另外， MPEG-2將是廣播電視向全數字化過渡的最佳選擇也逐步被大多數視頻專業人士認可，所以美國以及西方各國普遍以MPEG-2標準作為數字HDTV圖像壓縮編碼系統的核心，這無疑又為Betacam-SX的未來發展提供了一個優越性。 四．Betacam-SX的零幀編輯 最初的MPEG-2標準是為視頻分配而設計的，為家庭提供一個可接受的圖象質量，但是由于有限的數據率（最大為15Mb/S）和采用4:2:0取樣，它的質量并不適合專業制作和后期制作，4:2:0的取樣結構也不能達到演播室對多代復制所要求的圖象質量，采用小型GOP（Group Of Picture）結構和15Mb/S的數據率不能產生所需的圖象質量，大型的GOP結構又令演播室的信號切換很困難也不能實現零幀編輯，因此很多的錄象機采用幀內DCT處理，造成在整個節目到播出的鏈條中，節目制作是唯一不使用MPEG-2的部分。SONY公司在與大批廠商的共同努力下，順應了發展的趨勢率先推出采用MPEG-2 MP@ML的改進型MPEG-2 4:2:2 P@ML壓縮算法的Betacam-SX，以兩幀（I幀和B幀）作為一個GOP，既保證了廣播級的圖像質量，又實現了高穩定性以及高速的數據傳輸，但是最初我們還是有一點疑問，就是Betacam-SX如何實現零幀編輯，這恐怕也是很多家電視臺在選擇數字錄象機時的疑慮之處。在解釋Betacam-SX如何實現零幀編輯之前，首先讓我們先看一看其它采用幀內壓縮的數字錄象機是如何進行零幀編輯的。 在進行復制或編輯時，目前數字錄象機通常都使用串行數字（SDI）或模擬接口相連接的。因為即使裝配了傳輸壓縮數字信號的接口（如：SDTI、QSDI等），那么它只能應用在復制操作中，而一旦需要疊加字幕或在系統使用時，也必須使用SDI或模擬接口。
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