MPEG-2壓縮編碼器是將模擬電視視音頻信號進(jìn)行MPEG-2壓縮編碼輸出實時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議電視、遠(yuǎn)程教育等各種應(yīng)用,一臺高級的編碼器不僅具有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)性和時間相關(guān)性。一幀圖像內(nèi)的任何一個場景都是由若干像素點構(gòu)成的,因此一個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;一個節(jié)目中的一個情節(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,而沒有利用時間相關(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,即同時利用空間和時間上的相關(guān)性。P幀圖像只采用前向時間預(yù)測,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幀中的每一個宏塊可以是前向預(yù)測,也可以是幀內(nèi)編碼。B幀圖像采用雙向時間預(yù)測,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)是解決圖像信號的壓縮和保存問題,信道編碼的主要任務(wù)是解決圖像信號的傳輸問題。圖像信號的數(shù)據(jù)量大,如不進(jìn)行壓縮,數(shù)字電視信號就無法實時傳送,而壓縮的主要方式就是除去冗余信號。所謂冗余信號是指那些與信息無關(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)十萬個像素組成,相鄰兩個甚至幾個像素之間有很大的相似性(或稱相關(guān)性),在傳送時會出現(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)時間冗余。電視圖像也有很強(qiáng)的時間相關(guān)性,對于25幀/s的圖像來說,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,其圖像的相關(guān)性才逐步減小,而且這種相關(guān)性很強(qiáng)的圖像變化時一般都是有規(guī)律的,也就是說每一幅圖像的變化是可預(yù)測的。利用圖像的時間冗余特性,把圖像信號在時間上的冗余信息去掉,也可以減小傳輸和記錄碼率。

(3)統(tǒng)計冗余。圖像和聲音信號數(shù)字化后遵循一定的統(tǒng)計規(guī)律,如在圖像預(yù)測編碼系統(tǒng)下,當(dāng)前像素信號的預(yù)測值是由前幾個相鄰像素值或該像素在前一段上的時間值預(yù)測出來的。根據(jù)圖像的空間相關(guān)性和時間相關(guān)性可知預(yù)測誤差小的信號出現(xiàn)的概率大,相反則出現(xiàn)概率小。采用統(tǒng)計編碼的方法,對出現(xiàn)概率大的小誤差信號值用短碼,而對出現(xiàn)概率小的大誤差信號值用長碼,這樣就去掉了信號在統(tǒng)計上的冗余信息。

(4)知覺冗余。人的視聽器官都具有某些不敏感性。知覺冗余是指處于人們視覺和聽覺分辨力不敏感或達(dá)不到的視音頻信號,對這些無關(guān)緊要的信息給與較大的失真處理,人們并不會明顯地感到圖像和聲音質(zhì)量的降低,甚至毫無覺察。因此在編碼時可以分長碼和短碼來對不同的內(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。