MPEG-2 编解码器技术白皮书
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SCom TM ＭＰＥＧ－２ 编 解 码 器 技 术 白 皮 书
目录
概述.......................................................................................................................... 0
当今网络技术的不断发展和信息基础设施的大力建设已基本形成了一个大容量 高带 宽的信息应用的基础架构 信息应用开始真正进入人们日常的工作和生活当中 特别是网络 视频应用更广泛的进入社会生活的各个角落 广播电视 视频会议 安全保卫 远程现场图 象监控等 涉及领域更加广泛 如交通 码头 医院 公安 政府 银行等等 技术更新 不仅改变了视觉效果 更重要的是 交互式工作方式大大提高了劳动效率 充分地利用网络 和信息处理技术 已开始成为信息应用的一种非常重要的形式
MPEG-2 视频压缩方案中包含以下关键技术环节 1 离散余弦变换 DCT DCT 是一种空间变换 在 MPEG-2 中 DCT 以 8x8 的像块为单位进行 生成的是 8x8 的 DCT 系数数据块 DCT 变换的最大特点是对于一般的图像都能够将像块的能量集中于少数 低频 DCT 系数上 即生成 8x8DCT 系数块中 仅左上角的少量低频系数数值较大 其余系 数的数值很小 这样就可能只编码和传输少数系数而不严重影响图像质量 DCT 不能直接对图像产生压缩作用 但对图像的能量具有很好的集中效果 为压缩打下 了基础 2 量化器 量化是针对 DCT 变换系数进行的 量化过程就是以某个量化步长去除 DCT 系数 量化步 长的大小称为量化精度 量化步长越小 量化精度就越细 包含的信息越多 但所需的传输 频带越高 不同的 DCT 变换系数对人类视觉感应的重要性是不同的 因此编码器根据视觉 感应准则 对一个 8x8 的 DCT 变换块中的 64 个 DCT 变换系数采用不同的量化精度 以保 证尽可能多地包含特定的 DCT 空间频率信息 又使量化精度不超过需要 DCT 变换系数中 低频系数对视觉感应的重要性较高 因此分配的量化精度较细 高频系数对视觉感应的重要 性较低 分配的量化精度较粗 通常情况下 一个 DCT 变换块中的大多数高频系数量化后 都会变为零 3 之型扫描与游程编码
§1 MPEG-2 简述
1.1 MPEG-2 形成
MPEG 是活动图像专家组(Moving Picture Exports Group)的缩写 于 1988 年成立 目前 MPEG 已颁布了两个活动图像及声音编码的正式国际标准 分别称为 MPEG-1 和 MPEG-2
ห้องสมุดไป่ตู้
MPEG-1 标准是 在数字存储介质中实现对活动图像和声音的压缩编码 编码码率最高 为每秒 1.5 兆比特 标准的正式规范在 ISO/IEC11172 中 MPEG-1 所支持的输入图像格式是 SIF 格式 SIF 有 525/625 两种格式 352x240x30 和 352x288x25 MPEG-1 是一个开放的 统一的标准 在商业上获得了巨大的成功 尽管其图像质量仅相当于 VHS 视频的质量 还 不能满足广播级的要求 但已广泛应用于 VCD 等家庭视像产品中
1.2 MPEG2 视频编码框图(I/P 帧) ..................................................................... 4
§2 编解码器的特征 ................................................................................................. 5
而数字化视频监控的优点正好克服了模拟闭路电视监控的局限性 首先 数字化视频 可以在计算机网络（局域网或广域网）上传输图像数据 基本上不受距离限制 信号不易受干 扰 可大幅度提高图像品质和稳定性 其次 数字视频可利用计算机网络联网 网络带宽可 复用 无须重复布线 另外 数字化存储成为可能 经过压缩的视频数据可存储在磁盘阵列 中或保存在光盘中 查询十分简便快捷
2.1 主要技术特征 .............................................................................................. 5
2.2 设备应用组成 .............................................................................................. 9
3.1 SV-220 ASI 接口编码设备的应用和操作..................................................11
3.2 SV-220 E1 接口编码设备的应用和操作................................................... 12
MPEG-2 中编码图像被分为三类 分别称为 I 帧 P 帧和 B 帧 I 帧图像采用帧内编码方式 该帧主要用于接收机的初始化和信道的获取 以及节目的 切换和插入 压缩倍数相对较低 I 帧图像是周期性出现在图像序列中的 出现频率可由编 码器选择 P 帧和 B 帧图像采用帧间编码方式 即同时利用了空间和时间上的相关性 P 帧图像只 采用前向时间预测 可以提高压缩效率和图像质量 P 帧图像中可以包含帧内编码的部分 即 P 帧中的每一个宏块可以是前向预测 也可以是帧内编码 B 帧图像采用双向时间预测 可以大大提高压缩倍数 值得注意的是 由于 B 帧图像采用了未来帧作为参考 因此 MPEG-2 编码码流中图像帧的传输顺序和显示顺序是不同的
MPEG-2
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DCT 变换产生的是一 8x8 的二维数组 为进行传输 还须将其转换为一维排列方式 有 两种二维到一维的转换方式 或称扫描方式 之型扫描(Zig-Zag)和交替扫描 其中之型扫描 是最常用的一种 由于经量化后 大多数非零 DCT 系数集中于 8x8 二维矩阵的左上角 即 低频分量区 之型扫描后 这些非零 DCT 系数就集中于一维排列数组的前部 后面跟着长 串的量化为零的 DCT 系数 这些就为游程编码创造了条件
游程编码中 只有非零系数被编码 一个非零系数的编码由两部分组成 前一部分表示非 零系数前的连续零系数的数量(称为游程) 后一部分是那个非零系数 这样就把之型扫描的 优点体现出来了 因为之型扫描在大多数情况下出现连零的机会比较多 游程编码的效率就 比较高 当一维序列中的后部剩余的 DCT 系数都为零时 只要用一个"块结束"标志(EOB) 来指示 就可结束这一 8x8 变换块的编码 产生的压缩效果是非常明显的
4 熵编码 量化仅生成了 DCT 系数的一种有效的离散表示 实际传输前 还须对其进行比特流编码 产生用于传输的数字比特流 简单的编码方法是采用定长码 即每个量化值以同样数目的比 特表示 但这种方法的效率较低 而采用熵编码可以提高编码效率 熵编码是基于编码信号 的统计特性 使得平均比特率下降 游程和非零系数既可独立的 也可联合的作熵编码 熵 编码中使用较多的一种是霍夫曼编码 MPEG-2 视频压缩系统中采用的就是霍夫曼编码 霍 夫曼编码中 在确定了所有编码信号的概率后生成一个码表 对经常发生的大概率信号分配 较少的比特表示 对不常发生的小概率信号分配较多的比特表示 使得整个码流的平均长度 趋于最短 5 信道缓存 由于采用了熵编码 产生的比特流的速率是变化的 随着视频图像的统计特性变化 但大 多数情况下传输系统分配的频带都是恒定的 因此在编码比特流进入信道前需设置信道缓 存 信道缓存是一缓存器 以变比特率从熵编码器向里写入数据 以传输系统标称的恒定比 特率向外读出 送入信道 缓存器的大小 或称容量是设定好的 但编码器的瞬时输出比特 率常明显高于或低于传输系统的频带 这就有可能造成缓存器的上溢出或下溢出 因此缓存 器须带有控制机制 通过反馈控制压缩算法 调整编码器的比特率 使得缓存器的写入数据 速率与读出数据速率趋于平衡 缓存器对压缩算法的控制是通过控制量化器的量化步长实现 的 当编码器的瞬时输出速率过高 缓存器将要上溢时 就使量化步长增大以降低编码数据 速率 当然也相应增大了图像的损失 当编码器的瞬时输出速率过低 缓存器将要下溢出时 就使量化步长减小以提高编码数据速率 6 运动估计 运动估计使用于帧间编码方式时 通过参考帧图像产生对被压缩图像的估计 运动估计的 准确程度对帧间编码的压缩效果非常重要 如果估计作的好 那么被压缩图像与估计图像相 减后只留下很小的值用于传输 运动估计以宏块为单位进行 计算被压缩图像与参考图像的 对应位置上的宏块间的位置偏移 这种位置偏移是以运动矢量来描述的 一个运动矢量代表 水平和垂直两个方向上的位移 运动估计时 P 帧和 B 帧图像所使用的参考帧图像是不同的 P 帧图像使用前面最近解码的 I 帧或 P 帧作参考图像 称为前向预测 而 B 帧图像使用两帧 图像作为预测参考 称为双向预测 其中一个参考帧在显示顺序上先于编码帧(前向预测) 另一帧在显示顺序上晚于编码帧(后向预测) B 帧的参考帧在任何情况下都是 I 帧或 P 帧 7 运动补偿 利用运动估计算出的运动矢量 将参考帧图像中的宏块移至水平和垂直方向上的相对应位 置 即可生成对被压缩图像的预测 在绝大多数的自然场景中运动都是有序的 因此这种运 动补偿生成的预测图像与被压缩图像的差分值是很小的 8 数字图像质量的主观评价 主观评价的条件包括 评价小组结构 观察距离 测试图像 环境照度和背景色调等 评 价小组由一定人数观察人员构成 其中专业人员与非专业人员各占一定比例 观察距离为显 示器对角线尺寸的 3-6 倍 测试图像有若干具有一定图像细节和运动的图像序列构成 主观
3.3 SV-220 IP 接口编码设备的应用和操作 ................................................... 13
3.4 SB-200 ATM 接口编码设备的应用和操作 ............................................... 17
MPEG-2 标准是 针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层 的详细规定 编码码率从每秒 3 兆比特 100 兆比特 标准的正式规范在 ISO/IEC13818 中 MPEG-2 不是 MPEG-1 的简单升级 MPEG-2 在系统和传送方面作了更加详细的规定和进一 步的完善 MPEG-2 特别适用于广播级的数字电视的编码和传送 被确定为 SDTV 和 HDTV 的编码标准 MPEG-2 还专门规定了多路节目的复分接方式 此外 MPEG-2 还兼顾了与 AT M 信元的适配问题
目前采用的 ＭＰＥＧ－２ 编解码技术和 ＡＴＭ ＩＰ 和 ＳＤＨ 宽带通信技术 可提供高品质的数字 图像及音频／话音和数据业务 满足对图像质量要求较高的应用需求
MPEG-2
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2.3 应用特点 ..................................................................................................... 9
§3 设备应用及操作 ..............................................................................................11
§1 MPEG-2 简述 ..................................................................................................... 1
1.1
MPEG-2 形成 ....................................................................................... 1
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概述
人类接受的信息 ７０ 来自视觉 视频具有确切 直观 具体生动 真实和高效等特点 这正是电影和电视的无穷魅力所在 由于大规模集成电路（ＶＬＳＩ） 计算机和通信技术的迅速 发展和结合 促进了视频技术的进步与广泛应用 多媒体计算机 多媒体通信 信息高速公 路 高清晰度电视 高宽带综合业务数据网等都是围绕如何有效的交流视频信息展开研究的 但是 由于视频信息十分丰富且信息量大 故对视频信号的处理 传输 存储和显示等提出 了新的要求 因此 视频图象的研究和应用是目前信息技术领域最热门的话题之一
传统的模拟闭路电视监控系统的局限性 首先 有线模拟视频信号的传输对距离十分 敏感 当传输距离大于 １０００ 米时 信号容易产生衰耗 畸变 群延时 并且易受干扰 使 图像质量下降 其次 有线模拟视频监控无法联网 只能以点对点的方式监视现场 并且使 得布线工程量极大 最后 有线模拟视频信号数据的存储会耗费大量的存储介质（如录像带） 查询取证时十分烦琐
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概述.......................................................................................................................... 0
当今网络技术的不断发展和信息基础设施的大力建设已基本形成了一个大容量 高带 宽的信息应用的基础架构 信息应用开始真正进入人们日常的工作和生活当中 特别是网络 视频应用更广泛的进入社会生活的各个角落 广播电视 视频会议 安全保卫 远程现场图 象监控等 涉及领域更加广泛 如交通 码头 医院 公安 政府 银行等等 技术更新 不仅改变了视觉效果 更重要的是 交互式工作方式大大提高了劳动效率 充分地利用网络 和信息处理技术 已开始成为信息应用的一种非常重要的形式
MPEG-2 视频压缩方案中包含以下关键技术环节 1 离散余弦变换 DCT DCT 是一种空间变换 在 MPEG-2 中 DCT 以 8x8 的像块为单位进行 生成的是 8x8 的 DCT 系数数据块 DCT 变换的最大特点是对于一般的图像都能够将像块的能量集中于少数 低频 DCT 系数上 即生成 8x8DCT 系数块中 仅左上角的少量低频系数数值较大 其余系 数的数值很小 这样就可能只编码和传输少数系数而不严重影响图像质量 DCT 不能直接对图像产生压缩作用 但对图像的能量具有很好的集中效果 为压缩打下 了基础 2 量化器 量化是针对 DCT 变换系数进行的 量化过程就是以某个量化步长去除 DCT 系数 量化步 长的大小称为量化精度 量化步长越小 量化精度就越细 包含的信息越多 但所需的传输 频带越高 不同的 DCT 变换系数对人类视觉感应的重要性是不同的 因此编码器根据视觉 感应准则 对一个 8x8 的 DCT 变换块中的 64 个 DCT 变换系数采用不同的量化精度 以保 证尽可能多地包含特定的 DCT 空间频率信息 又使量化精度不超过需要 DCT 变换系数中 低频系数对视觉感应的重要性较高 因此分配的量化精度较细 高频系数对视觉感应的重要 性较低 分配的量化精度较粗 通常情况下 一个 DCT 变换块中的大多数高频系数量化后 都会变为零 3 之型扫描与游程编码
§1 MPEG-2 简述
1.1 MPEG-2 形成
MPEG 是活动图像专家组(Moving Picture Exports Group)的缩写 于 1988 年成立 目前 MPEG 已颁布了两个活动图像及声音编码的正式国际标准 分别称为 MPEG-1 和 MPEG-2
ห้องสมุดไป่ตู้
MPEG-1 标准是 在数字存储介质中实现对活动图像和声音的压缩编码 编码码率最高 为每秒 1.5 兆比特 标准的正式规范在 ISO/IEC11172 中 MPEG-1 所支持的输入图像格式是 SIF 格式 SIF 有 525/625 两种格式 352x240x30 和 352x288x25 MPEG-1 是一个开放的 统一的标准 在商业上获得了巨大的成功 尽管其图像质量仅相当于 VHS 视频的质量 还 不能满足广播级的要求 但已广泛应用于 VCD 等家庭视像产品中
1.2 MPEG2 视频编码框图(I/P 帧) ..................................................................... 4
§2 编解码器的特征 ................................................................................................. 5
而数字化视频监控的优点正好克服了模拟闭路电视监控的局限性 首先 数字化视频 可以在计算机网络（局域网或广域网）上传输图像数据 基本上不受距离限制 信号不易受干 扰 可大幅度提高图像品质和稳定性 其次 数字视频可利用计算机网络联网 网络带宽可 复用 无须重复布线 另外 数字化存储成为可能 经过压缩的视频数据可存储在磁盘阵列 中或保存在光盘中 查询十分简便快捷
2.1 主要技术特征 .............................................................................................. 5
2.2 设备应用组成 .............................................................................................. 9
3.1 SV-220 ASI 接口编码设备的应用和操作..................................................11
3.2 SV-220 E1 接口编码设备的应用和操作................................................... 12
MPEG-2 中编码图像被分为三类 分别称为 I 帧 P 帧和 B 帧 I 帧图像采用帧内编码方式 该帧主要用于接收机的初始化和信道的获取 以及节目的 切换和插入 压缩倍数相对较低 I 帧图像是周期性出现在图像序列中的 出现频率可由编 码器选择 P 帧和 B 帧图像采用帧间编码方式 即同时利用了空间和时间上的相关性 P 帧图像只 采用前向时间预测 可以提高压缩效率和图像质量 P 帧图像中可以包含帧内编码的部分 即 P 帧中的每一个宏块可以是前向预测 也可以是帧内编码 B 帧图像采用双向时间预测 可以大大提高压缩倍数 值得注意的是 由于 B 帧图像采用了未来帧作为参考 因此 MPEG-2 编码码流中图像帧的传输顺序和显示顺序是不同的
MPEG-2
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SCom TM ＭＰＥＧ－２ 编 解 码 器 技 术 白 皮 书
DCT 变换产生的是一 8x8 的二维数组 为进行传输 还须将其转换为一维排列方式 有 两种二维到一维的转换方式 或称扫描方式 之型扫描(Zig-Zag)和交替扫描 其中之型扫描 是最常用的一种 由于经量化后 大多数非零 DCT 系数集中于 8x8 二维矩阵的左上角 即 低频分量区 之型扫描后 这些非零 DCT 系数就集中于一维排列数组的前部 后面跟着长 串的量化为零的 DCT 系数 这些就为游程编码创造了条件
游程编码中 只有非零系数被编码 一个非零系数的编码由两部分组成 前一部分表示非 零系数前的连续零系数的数量(称为游程) 后一部分是那个非零系数 这样就把之型扫描的 优点体现出来了 因为之型扫描在大多数情况下出现连零的机会比较多 游程编码的效率就 比较高 当一维序列中的后部剩余的 DCT 系数都为零时 只要用一个"块结束"标志(EOB) 来指示 就可结束这一 8x8 变换块的编码 产生的压缩效果是非常明显的
4 熵编码 量化仅生成了 DCT 系数的一种有效的离散表示 实际传输前 还须对其进行比特流编码 产生用于传输的数字比特流 简单的编码方法是采用定长码 即每个量化值以同样数目的比 特表示 但这种方法的效率较低 而采用熵编码可以提高编码效率 熵编码是基于编码信号 的统计特性 使得平均比特率下降 游程和非零系数既可独立的 也可联合的作熵编码 熵 编码中使用较多的一种是霍夫曼编码 MPEG-2 视频压缩系统中采用的就是霍夫曼编码 霍 夫曼编码中 在确定了所有编码信号的概率后生成一个码表 对经常发生的大概率信号分配 较少的比特表示 对不常发生的小概率信号分配较多的比特表示 使得整个码流的平均长度 趋于最短 5 信道缓存 由于采用了熵编码 产生的比特流的速率是变化的 随着视频图像的统计特性变化 但大 多数情况下传输系统分配的频带都是恒定的 因此在编码比特流进入信道前需设置信道缓 存 信道缓存是一缓存器 以变比特率从熵编码器向里写入数据 以传输系统标称的恒定比 特率向外读出 送入信道 缓存器的大小 或称容量是设定好的 但编码器的瞬时输出比特 率常明显高于或低于传输系统的频带 这就有可能造成缓存器的上溢出或下溢出 因此缓存 器须带有控制机制 通过反馈控制压缩算法 调整编码器的比特率 使得缓存器的写入数据 速率与读出数据速率趋于平衡 缓存器对压缩算法的控制是通过控制量化器的量化步长实现 的 当编码器的瞬时输出速率过高 缓存器将要上溢时 就使量化步长增大以降低编码数据 速率 当然也相应增大了图像的损失 当编码器的瞬时输出速率过低 缓存器将要下溢出时 就使量化步长减小以提高编码数据速率 6 运动估计 运动估计使用于帧间编码方式时 通过参考帧图像产生对被压缩图像的估计 运动估计的 准确程度对帧间编码的压缩效果非常重要 如果估计作的好 那么被压缩图像与估计图像相 减后只留下很小的值用于传输 运动估计以宏块为单位进行 计算被压缩图像与参考图像的 对应位置上的宏块间的位置偏移 这种位置偏移是以运动矢量来描述的 一个运动矢量代表 水平和垂直两个方向上的位移 运动估计时 P 帧和 B 帧图像所使用的参考帧图像是不同的 P 帧图像使用前面最近解码的 I 帧或 P 帧作参考图像 称为前向预测 而 B 帧图像使用两帧 图像作为预测参考 称为双向预测 其中一个参考帧在显示顺序上先于编码帧(前向预测) 另一帧在显示顺序上晚于编码帧(后向预测) B 帧的参考帧在任何情况下都是 I 帧或 P 帧 7 运动补偿 利用运动估计算出的运动矢量 将参考帧图像中的宏块移至水平和垂直方向上的相对应位 置 即可生成对被压缩图像的预测 在绝大多数的自然场景中运动都是有序的 因此这种运 动补偿生成的预测图像与被压缩图像的差分值是很小的 8 数字图像质量的主观评价 主观评价的条件包括 评价小组结构 观察距离 测试图像 环境照度和背景色调等 评 价小组由一定人数观察人员构成 其中专业人员与非专业人员各占一定比例 观察距离为显 示器对角线尺寸的 3-6 倍 测试图像有若干具有一定图像细节和运动的图像序列构成 主观
3.3 SV-220 IP 接口编码设备的应用和操作 ................................................... 13
3.4 SB-200 ATM 接口编码设备的应用和操作 ............................................... 17
MPEG-2 标准是 针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层 的详细规定 编码码率从每秒 3 兆比特 100 兆比特 标准的正式规范在 ISO/IEC13818 中 MPEG-2 不是 MPEG-1 的简单升级 MPEG-2 在系统和传送方面作了更加详细的规定和进一 步的完善 MPEG-2 特别适用于广播级的数字电视的编码和传送 被确定为 SDTV 和 HDTV 的编码标准 MPEG-2 还专门规定了多路节目的复分接方式 此外 MPEG-2 还兼顾了与 AT M 信元的适配问题
目前采用的 ＭＰＥＧ－２ 编解码技术和 ＡＴＭ ＩＰ 和 ＳＤＨ 宽带通信技术 可提供高品质的数字 图像及音频／话音和数据业务 满足对图像质量要求较高的应用需求
MPEG-2
Page. 0
SCom TM ＭＰＥＧ－２ 编 解 码 器 技 术 白 皮 书
2.3 应用特点 ..................................................................................................... 9
§3 设备应用及操作 ..............................................................................................11
§1 MPEG-2 简述 ..................................................................................................... 1
1.1
MPEG-2 形成 ....................................................................................... 1
MPEG-2
Page. i
SCom TM ＭＰＥＧ－２ 编 解 码 器 技 术 白 皮 书
概述
人类接受的信息 ７０ 来自视觉 视频具有确切 直观 具体生动 真实和高效等特点 这正是电影和电视的无穷魅力所在 由于大规模集成电路（ＶＬＳＩ） 计算机和通信技术的迅速 发展和结合 促进了视频技术的进步与广泛应用 多媒体计算机 多媒体通信 信息高速公 路 高清晰度电视 高宽带综合业务数据网等都是围绕如何有效的交流视频信息展开研究的 但是 由于视频信息十分丰富且信息量大 故对视频信号的处理 传输 存储和显示等提出 了新的要求 因此 视频图象的研究和应用是目前信息技术领域最热门的话题之一
传统的模拟闭路电视监控系统的局限性 首先 有线模拟视频信号的传输对距离十分 敏感 当传输距离大于 １０００ 米时 信号容易产生衰耗 畸变 群延时 并且易受干扰 使 图像质量下降 其次 有线模拟视频监控无法联网 只能以点对点的方式监视现场 并且使 得布线工程量极大 最后 有线模拟视频信号数据的存储会耗费大量的存储介质（如录像带） 查询取证时十分烦琐