MPEG-2壓縮編碼器是將模擬電視視音頻信號進行MPEG-2壓縮編碼輸出實時TS流的前端設備,適用于數字電視的傳輸或前端信源編碼以及會議電視、遠程教育等各種應用,一臺高級的編碼器不僅具有DVB接口,還應當設有電信接口,以使該設備能方便地在HFC網絡、微波MMDS或8GHZ系統、SDH或PDH等網絡中應用,如圖1所示。

圖1編碼器的結構框圖。

MPEG-2視頻編碼系統及關鍵技術

MPEG-2圖像壓縮的原理是利用圖像中的兩種特性:空間相關性和時間相關性。一幀圖像內的任何一個場景都是由若干像素點構成的,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系,這種關系叫作空間相關性;一個節目中的一個情節常常由若干幀連續圖像組成的圖像序列構成,一個圖像序列中前后幀圖像間也存在一定的關系,這種關系叫作時間相關性。這兩種相關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,只保留少量非相關信息進行傳輸,就可以大大節省傳輸頻帶,而接收機利用這些非相關信息,按照一定的解碼算法,就可以在保證一定的圖像質量的前提下恢復原始圖像,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幀圖像采用幀內編碼方式,即只利用單幀圖像內的空間相關性,而沒有利用時間相關性。I幀主要用于接收機的初始化和信道的獲取以及節目的切換和插入,I幀圖像的壓縮倍數相對較低,I幀圖像周期性出現在圖像序列中,出現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性。P幀圖像只采用前向時間預測,可以提高壓縮效率和圖像質量。P幀圖像中可以包含幀內編碼的部分,即P幀中的每一個宏塊可以是前向預測,也可以是幀內編碼。B幀圖像采用雙向時間預測,可以大大提高壓縮倍數。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據,MPEG-2用句法規定了一個層次性結構,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標準的主要應用如下:視音頻資料的保存;非線性編輯系統及非線性編輯網絡;微波、衛星、光纜傳輸;電視節目的播出。在全數字電視技術中,有兩個很關鍵的編碼技術即信源編碼和信道編碼,它們就是采用MPEG-2技術,信源編碼的主要任務是解決圖像信號的壓縮和保存問題,信道編碼的主要任務是解決圖像信號的傳輸問題。圖像信號的數據量大,如不進行壓縮,數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的或對圖像質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(或稱相關性),在傳送時會出現連續傳送許多相同數據的情況,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。電視圖像也有很強的時間相關性,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,大部分畫面內容相同,這表明相鄰兩幅圖像的相關性非常大,而圖像之間相隔較遠時,其圖像的相關性才逐步減小,而且這種相關性很強的圖像變化時一般都是有規律的,也就是說每一幅圖像的變化是可預測的。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)統計冗余。圖像和聲音信號數字化后遵循一定的統計規律,如在圖像預測編碼系統下,當前像素信號的預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測出來的。根據圖像的空間相關性和時間相關性可知預測誤差小的信號出現的概率大,相反則出現概率小。采用統計編碼的方法,對出現概率大的小誤差信號值用短碼,而對出現概率小的大誤差信號值用長碼,這樣就去掉了信號在統計上的冗余信息。

(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不到的視音頻信號,對這些無關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容進行編碼,這叫作有所為和有所不為,從而達到減小碼率的目的。