MPEG-2視頻編碼系統原理及關鍵技術

MPEG-2圖像壓縮的原理利用了圖像的空間相關性和時間相關性。圖像的空間相關性是指在一幀圖像內每一個場景都是由數以億計的像素點構成的，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系；圖像的時間相關性是因為一個節目是由若干個情節構成，一個情節包含眾多的圖像序列，而圖像序列是由許多幀連續的圖像組成的，在任何一個圖像序列中，前后幀的圖像存在一定的相關性。在衛星數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，加大系統負擔。因而，問題的關鍵就在于如何剔除圖像中由于時間相關性和空間相關性造成的冗余信息，通過保留非相關信息的傳輸以節省傳輸占用的頻帶，接收機再按照特定的解碼方法，利用傳出過去的非相關信息恢復成原始圖像，同時需要確保圖像質量使畫面盡可能的清晰連貫。MPEG-2標準的視頻壓縮編碼技術與傳統技術相比能夠在相同畫面質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標準利用了具有運動補償特點的幀間壓縮編碼技術、DCT技術、熵編碼減少了視頻傳輸的時間冗余度、空間冗余度，信息表示上的統計冗余度，從而極大地增強了壓縮性能，節省了視頻傳輸占用的頻帶。

（一）幀間壓縮編碼技術

MPEG-2中的編碼圖像由I幀，P幀、B幀三類構成。I幀圖像采用了幀內編碼的方式，壓縮的倍數較低。通過減少單幀圖像內的空間相關性而暫時忽略時間相關性在接收機初始化、信道獲取、節目的切換和插入上減少了視頻冗余。通過編碼器對I幀圖像出現頻率的選擇使其周期性地出現于圖像序列中。P幀和B幀圖像都采用了幀間編碼的方式，利用空間相關性的同時利用了時間相關性。P幀圖像采用的前向時間預測提高了視頻壓縮的效率和圖像的質量。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，通過雙向時間預測大大地提高了視頻壓縮倍數。

（二）DCT技術

DCT技術實際上是空間變換技術的一種，在MPEG-2標準中DCT的基本單位是8x8的像塊。DCT變換通過設置像塊能量的位置，將圖像的能量集中在少數幾個低頻的DCT系數上，在新生成的8x8的DCT系數塊中，左上角少量低頻系數被賦予較大的數值，其余系數被賦予較小的數值，這樣就可以在只編碼和傳輸幾個少數系數的同時對圖像質量不造成破壞。雖然DCT技術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。量化過程實際上就是以某個量化步長去除DCT系數。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感應更為明顯，因而在DCT變換系數中，對越低頻系數分配的量化精度越細，對越高頻系數分配的量化精度越粗，一般情況下，大多數的高頻系數在量化之后都會轉變為零。通過這一方式，在量化精度不嚴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的非零DCT系數位于左上角，通過之型掃描將原來的二維數組轉換為一維數組后，這些系數集中在數組的前部，量化結果為零的DCT系數則位于數組的后部。在游程編碼中，量化結果為零的系數被忽略掉，對非零系數進行編碼。每一個非零系數的編碼都由游程和非零系數兩部分組成，所謂游程是指非零系數前面那個零系數的個數。大多數情況下，之型掃描中連續出現零的概率很大，因而極大地提高了游程編碼效率，繼而對視頻產生了明顯的的壓縮效果。

（三）熵編碼

MPEG-2的壓縮系統中采用的霍夫曼編碼是熵編碼中普遍應用的一種。在這一編碼中，游程與非零系數既可以是相互獨立的，也可以以聯合的方式作為熵編碼。通過將所有編碼信號進行統計，核算出每一編碼出現的概率，繼而得出一個碼表，然后將較少的比特分派給發生概率大的信號，將較多的比特分配給發生概率小的信號，盡量縮短整個碼流的長度，提高了傳輸效率。然而，熵編碼產生比特流的速率是實時變化著的，這與傳輸系統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在衛星數字廣播電視的傳輸應用中的優點與改進

衛星數字廣播電視通過衛星上行系統將信號傳送至衛星，在通過衛星電視接收機接收視頻信號，對其進行解碼，繼而實現了視頻的播放。這一系統擴大了受眾范圍。傳統的有線電視需要架設線路，固定成本高昂，邊際成本很高，受交通狀況影響嚴重。由于成本回收期過于漫長，一些偏遠地區甚至無法回收成本，因此難以普及到一些較為偏遠的地區。而衛星數字廣播電視以衛星作為傳輸媒介，覆蓋廣泛，邊際成本幾乎為零，尤其適用于幅員遼闊、地理環境多樣化的國家以及人口密度低人員較少的地區。但這一系統的缺陷也十分明顯，衛星數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，將影響數字信號的接收，另外也容易受到其他信號的干擾，出現馬賽克。同時，目前的MPEG-2仍然是以恒定的頻帶進行傳輸，需要設置信道緩存，當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上溢，從而不得不增大量化步長為代價以降低編碼數據的傳輸速率，相應地則增大了圖像損失；相反的，如果當編碼器某一時點輸出速率太低，緩存器將會出現下溢時，又不得不減小量化步長繼而來提高編碼數據的傳輸速率。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

MPEG-2在衛星數字廣播電視的傳輸中的應用已然很是成功，但是隨著人們物質文化生活水平的提高，對數字信息技術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，這都為數字信號壓縮技術提出更新更嚴格的要求，因而仍需在MPEG-2基礎上作出改進。（本文作者：王麗麗 單位：山西省廣播電視局無線管理中心）