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MPEG-2的简介

归档日期:07-16       文本归类:帧内编码      文章编辑:爱尚语录

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  MPEG-2音频是在1994年11月为数字电视而提出来的,其发展分为三个阶段:

  第二阶段是对MPEG-1实施了向后兼容的多声道扩展,将其称为MPEG-2 BC。支持单声道,双声道,多声道等编码。并附加“低频加重”扩展声道,从而达到五声道编码。

  第三阶段是向后不兼容,将其称为MPEG-2 AAC先进音频编码。采样频率可以低至8KHZ;而高至96KHZ范围内的1-48个通道可选的高音质音频编码。 MPEG-2制定于1994年,设计目标是高级工业标准的图象质量以及更高的传输率。MPEG-2所能提供的传输率在3-10Mbits/sec间,其在NTSC制式下的分辨率可达720X486,MPEG-2也可提供并能够提供广播级的视像和CD级的音质。MPEG-2的音频编码可提供左右中及两个环绕声道,以及一个加重低音声道,和多达7个伴音声道(DVD可有8种语言配音的原因)。由于MPEG-2在设计时的巧妙处理,使得大多数MPEG-2解码器也可播放MPEG-1格式的数据,如VCD。

  同时,由于MPEG-2的出色性能表现,已能适用于HDTV,使得原打算为HDTV设计的MPEG-3,还没出世就被抛弃了。(MPEG-3要求传输速率在20Mbits/sec-40Mbits/sec间,但这将使画面有轻度扭曲)。除了作为DVD的指定标准外,MPEG-2还可用于为广播,有线电视网,电缆网络以及卫星直播(DirectBroadcastSatellite)提供广播级的数字视频。 MPEG-2的另一特点是,其可提供一个较广的范围改变压缩比,以适应不同画面质量,存储容量,以及带宽的要求。

  对于最终用户来说,由于现存电视机分辨率限制,MPEG-2所带来的高清晰度画面质量(如DVD画面)在电视上效果并不明显,倒是其音频特性(如加重低音,多伴音声道等)更引人注目。

  1、I帧图像,或称帧内(Intra)图像,参考图像,相当于一个固定图像,且独立于其它的图像类型。每个图像组群由此类型的图像开始。采用帧内压缩编码技术减少空间冗余,不参照其它图像。

  2、P帧图像,或称预测(Predicted)图像,通过参照前面靠近它的I或P图像预测得到。P图像减少了空间和时间冗余信息,相比I图像可以有更大的压缩码率。

  3、B帧图像,或称双向预测图像,根据临近的前几帧、本帧、后几帧的I或者P图像预测得到,仅记录本帧与前后帧的不同之处。相比I和P图像可以有更大的压缩码率。 MPEG-2标准目前分为9个部分,统称为ISO/IEC13818国际标准。各部分的内容描述如下:

  一部分-ISO/IEC13818-1,System:系统,描述多个视频,音频和数据基本码流合成传输码流和节目码流的方式。

  三部分-ISO/IEC13818-3,Audio:音频,描述与MPEG-1音频标准反向兼容的音频编码方法。

  四部分-ISO/IEC13818-4,Compliance:符合测试,描述测试一个编码码流是否符合MPEG-2码流的方法。

  五部分-ISO/IEC13818-5,Software:软件,描述了MPEG-2标准的第一、二、三部分的软件实现方法。

  六部分-ISO/IEC13818-6,DSM-CC:数字存储媒体-命令与控制,描述交互式多媒体网络中服务器与用户间的会话信令集。

  上六个部分均已获得通过,成为正式的国际标准,并在数字电视等领域中得到了广泛的实际应用。此外,MPEG-2标准还有三个部分:第七部分规定不与MPEG-1音频反向兼容的多通道音频编码;第八部分现已停止;第九部分规定了传送码流的实时接口。

  1990年成立的ATM视频编码专家组与MPEG在ISO/IEC13818标准的第一和第二两个部分进行了合作,因此上述两个部分也成为ITU-T的

  MPEG-2视频编码标准是一个分等级的系列,按编码图像的分辨率分成四个“级(Levels)”;按所使用的编码工具的集合分成五个“类(Profiles)”。“级”与“类”的若干组合构成MPEG-2视频编码标准在某种特定应用下的子集:对某一输入格式的图像,采用特定集合的压缩编码工具,产生规定速率范围内的编码码流。在20种可能的组合中,目前有11种(下表中标识“√”的项)是已获通过的,称为MPEG-2适用点。 简单类Simple Profile主类Main Profile信噪比可分级类SNR Scalable Profile空间可分级类Spatially Scalable Profile高级类High ProfileLow Level√√Main Level√√√√High-1440 Level√√√High Level√√-我们知道,当前模拟电视存在着PAL、NTSC和SECAM三大制式并存的问题,因此,数字电视的输入格式标准试图将这三种制式统一起来,形成一种统一的数字演播室标准,这个标准就是CCIR601,现称ITU-RRec BT601标准。MPEG-2中的四个输入图像格式“级”都是基于这个标准的。低级(LowLevel)的输入格式的像素是ITU-RRec BT601格式的1/4,即352x240x30(代表图像帧频为每秒30帧,每帧图像的有效扫描行数为240行,每行的有效像素为352个),或352x288x25。低级之上的主级(MainLevel)的输入图像格式完全符合ITU-RRec BT601格式,即720x480x30或720x576x25。主级之上为HDTV范围,基本上为ITU-RRec BT601格式的4倍,其中1440高级(High-1440Level)的图像宽高比为4:3,格式为1440x1080x30,高级(HighLevel)的图像宽高比为16:9,格式为1920x1080x30。

  在MPEG-2的五个“类”中,较高的“类”意味着采用较多的编码工具集,对编码图像进行更精细的处理,在相同比特率下将得到较好的图像质量,当然实现的代价也较大。较高类编码除使用较低类的编码工具外,还使用了一些较低类没有使用的附加工具,因此,较高类的解码器除能解码用本类方法编码的图像外,也能解码用较低类方法编码的图像,即MPEG-2的“类”之间具有后向兼容性。简单类(SimpleProfile)使用最少的编码工具。主类(MainProfile)除使用所有简单类的编码工具外,还加入了一种双向预测的方法。信噪比可分级类(SNRScalableProfile)和空间可分级类(SpatiallyScalableProfile)提供了一种多级广播的方式,将图像的编码信息分为基本信息层和一个或多个次要信息层。基本信息层包含对图像解码至关重要的信息,解码器根据基本信息即可进行解码,但图像的质量较差。次要信息层中包含图像的细节。广播时对基本信息层加以较强的保护,使其具有较强的抗干扰能力。这样,在距离较近,接收条件较好的情况下,可以同时收到基本信息和次要信息,恢复出高质量的图像;而在距离较远,接收条件较差的条件下,仍能收到基本信息,恢复出图像,不至造成解码中断。高级类(HighProfile)实际上应用于比特率更高,要求更高的图像质量时,此外,前四个类在处理Y,U,V时是逐行顺序处理色差信号的,高级类中还提供同时处理色差信号的可能性。

  目前的标准数字电视采用的是MP@ML主类和主级,而HDTV采用的是MP@HL主类和高级。下面,我们以MP@ML为例来说明一下MPEG-2视频编码系统原理及关键技术。

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