MPEG2视频编码技术研讨

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MPEG-2视频编码系统原理及关键技术

MPEG-2图像压缩的原理利用了图像的空间相关性和时间相关性。图像的空间相关性是指在一帧图像内每一个场景都是由数以亿计的像素点构成的，通常状况下一个像素与其周围的一些像素在亮度、色度上存在的特定关系；图像的时间相关性是因为一个节目是由若干个情节构成，一个情节包含众多的图像序列，而图像序列是由许多帧连续的图像组成的，在任何一个图像序列中，前后帧的图像存在一定的相关性。在卫星数字广播电视的传输过程中，如果将所得有信息都以编码形式进行传输就会影响传输速率，加大系统负担。因而，问题的关键就在于如何剔除图像中由于时间相关性和空间相关性造成的冗余信息，通过保留非相关信息的传输以节省传输占用的频带，接收机再按照特定的解码方法，利用传出过去的非相关信息恢复成原始图像，同时需要确保图像质量使画面尽可能的清晰连贯。MPEG-2标准的视频压缩编码技术与传统技术相比能够在相同画面质量的前提下更大的限度上去除图像中存在的冗余信息。MPEG-2标准利用了具有运动补偿特点的帧间压缩编码技术、DCT技术、熵编码减少了视频传输的时间冗余度、空间冗余度，信息表示上的统计冗余度，从而极大地增强了压缩性能，节省了视频传输占用的频带。

（一）帧间压缩编码技术

MPEG-2中的编码图像由I帧，P帧、B帧三类构成。I帧图像采用了帧内编码的方式，压缩的倍数较低。通过减少单帧图像内的空间相关性而暂时忽略时间相关性在接收机初始化、信道获取、节目的切换和插入上减少了视频冗余。通过编码器对I帧图像出现频率的选择使其周期性地出现于图像序列中。P帧和B帧图像都采用了帧间编码的方式，利用空间相关性的同时利用了时间相关性。P帧图像采用的前向时间预测提高了视频压缩的效率和图像的质量。B帧图像采用了未来帧作为参考，将图像帧于帧之间的传输顺序和显示顺序打乱进行传输，通过双向时间预测大大地提高了视频压缩倍数。

（二）DCT技术

DCT技术实际上是空间变换技术的一种，在MPEG-2标准中DCT的基本单位是8x8的像块。DCT变换通过设置像块能量的位置，将图像的能量集中在少数几个低频的DCT系数上，在新生成的8x8的DCT系数块中，左上角少量低频系数被赋予较大的数值，其余系数被赋予较小的数值，这样就可以在只编码和传输几个少数系数的同时对图像质量不造成破坏。虽然DCT技术没有对图像直接进行压缩，但通过对图像能量的集中为下一步的压缩奠定了基础。量化过程实际上就是以某个量化步长去除DCT系数。量化的步长越小，包含的视频信息越多，量化精度也就越细，但是所需要的传输频带也就高。由于人类的视觉对低频系数感应更为明显，因而在DCT变换系数中，对越低频系数分配的量化精度越细，对越高频系数分配的量化精度越粗，一般情况下，大多数的高频系数在量化之后都会转变为零。通过这一方式，在量化精度不严重超过需要的前提下，尽可能多地涵盖了DCT空间的频率信息。量化后，8x8二维矩阵中大多数的非零DCT系数位于左上角，通过之型扫描将原来的二维数组转换为一维数组后，这些系数集中在数组的前部，量化结果为零的DCT系数则位于数组的后部。在游程编码中，量化结果为零的系数被忽略掉，对非零系数进行编码。每一个非零系数的编码都由游程和非零系数两部分组成，所谓游程是指非零系数前面那个零系数的个数。大多数情况下，之型扫描中连续出现零的概率很大，因而极大地提高了游程编码效率，继而对视频产生了明显的的压缩效果。

（三）熵编码

MPEG-2的压缩系统中采用的霍夫曼编码是熵编码中普遍应用的一种。在这一编码中，游程与非零系数既可以是相互独立的，也可以以联合的方式作为熵编码。通过将所有编码信号进行统计，核算出每一编码出现的概率，继而得出一个码表，然后将较少的比特分派给发生概率大的信号，将较多的比特分配给发生概率小的信号，尽量缩短整个码流的长度，提高了传输效率。然而，熵编码产生比特流的速率是实时变化着的，这与传输系统所分配的恒定频带是相互不兼容的。因而，在进入信道前需要对编码比特流设置一个信道缓存，以变比特率将熵编码写入，再以恒定比特率向外读出，送入信道。除此之外，MPEG-2还采用了运动估计和运动补偿对视频进行压缩。

MPEG-2在卫星数字广播电视的传输应用中的优点与改进

卫星数字广播电视通过卫星上行系统将信号传送至卫星，在通过卫星电视接收机接收视频信号，对其进行解码，继而实现了视频的播放。这一系统扩大了受众范围。传统的有线电视需要架设线路，固定成本高昂，边际成本很高，受交通状况影响严重。由于成本回收期过于漫长，一些偏远地区甚至无法回收成本，因此难以普及到一些较为偏远的地区。而卫星数字广播电视以卫星作为传输媒介，覆盖广泛，边际成本几乎为零，尤其适用于幅员辽阔、地理环境多样化的国家以及人口密度低人员较少的地区。但这一系统的缺陷也十分明显，卫星数字广播电视的接收受天气状况影响较大，如果遇到阴雨天，云层较厚，将影响数字信号的接收，另外也容易受到其他信号的干扰，出现马赛克。同时，目前的MPEG-2仍然是以恒定的频带进行传输，需要设置信道缓存，当编码器某一时点输出的速率超过缓存器承受能力时就会出现上溢，从而不得不增大量化步长为代价以降低编码数据的传输速率，相应地则增大了图像损失；相反的，如果当编码器某一时点输出速率太低，缓存器将会出现下溢时，又不得不减小量化步长继而来提高编码数据的传输速率。目前需要一种新的方法来降低传输速率而又不额外增加缓存需求。

总结

MPEG-2在卫星数字广播电视的传输中的应用已然很是成功，但是随着人们物质文化生活水平的提高，对数字信息技术必然提出更进一步的要求，例如提高画面清晰度，在一台电视上同时接收看两个以上的频道等等，这都为数字信号压缩技术提出更新更严格的要求，因而仍需在MPEG-2基础上作出改进。（本文作者：王丽丽 单位：山西省广播电视局无线管理中心）