MPEG-2數(shù)據(jù)流在ATM網(wǎng)的實(shí)時(shí)傳輸

2019-11-04 11:47:06

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供稿：網(wǎng)友

　　MPEG-2音頻、視頻標(biāo)準(zhǔn)是國際公認(rèn)的數(shù)字視頻和音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-2提供認(rèn)低到中等的比特率，高質(zhì)量的視頻，以及壓縮、復(fù)用、重建視頻流的標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字視頻服務(wù)中采用的MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)也是大多數(shù)數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)的壓縮標(biāo)準(zhǔn)。另外，MPEG-2視頻標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)被高清楚電視所采納。ATM論壇采用了在ATM網(wǎng)絡(luò)上傳輸MPEG-2壓縮視頻流的規(guī)范。

　　在ATM網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，多媒體應(yīng)用需要支持有嚴(yán)格服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求的服務(wù)，把這些質(zhì)量要求轉(zhuǎn)變?yōu)锳TM網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)參數(shù)，取決于終端用戶、終端設(shè)備和協(xié)議。現(xiàn)在還不清楚存在于QoS應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)參數(shù)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

　　高效利用有限帶寬已成為今天數(shù)字視頻分布系統(tǒng)的主要考慮點(diǎn)之一。在大多數(shù)商業(yè)可行性傳輸中，MPEG-2編碼器用固定比特率信道。可變比特率編碼主要用于存儲(chǔ)應(yīng)用(如DVD)，很少用于傳輸業(yè)務(wù)。

1.MPEG標(biāo)準(zhǔn)

　　建立MPEG-2(運(yùn)動(dòng)圖像專家組)是為了對(duì)數(shù)字視頻信息編碼和存儲(chǔ)制定一套通用形式。MPEG-l標(biāo)準(zhǔn)(ISO／IECll172)是為了提供達(dá)到VHS錄像帶用的1．2Mb／s比特率；MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)(ISO／IEC13810)最初是為了把廣播級(jí)質(zhì)量的視頻壓縮成4Mb／s—6Mb／s數(shù)據(jù)流，雖然它也能容納寬范圍的數(shù)據(jù)率和分辨率；低比特率的編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)，用于低時(shí)延和有嚴(yán)格寬帶要求的視頻會(huì)議應(yīng)用；MPEG—3標(biāo)準(zhǔn)一開始是為高清楚度電視(HDTV)應(yīng)用設(shè)立的，但當(dāng)HDTV加入到MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)后，就被取消了。MPEG-l和MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)類似，只是細(xì)節(jié)不同，MPEG-2增加了幀格式和編碼選擇。MPEG-2規(guī)范包括系統(tǒng)、音頻和視頻3部分。音頻和視頻部分拖述編碼過程，而系統(tǒng)的規(guī)范則著重于位流同步、復(fù)用和同步。在解碼器端重建基于MPEG-2運(yùn)動(dòng)圖像的基理是：為了確保在網(wǎng)絡(luò)模型上無丟失，并具有固定時(shí)延的傳輸特性。這些要求并不是對(duì)任何可操作網(wǎng)絡(luò)都可行。信息丟失及網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的可變性都增加了重建圖像的扭曲形式。

　　MPEG標(biāo)準(zhǔn)并不描述圖像編碼過程，而是定義輸入解碼器的輸入數(shù)據(jù)格式，并對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋。數(shù)據(jù)格式稱為句法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋的規(guī)則稱為解碼詞義，編碼過程并沒有被標(biāo)準(zhǔn)化，而是根據(jù)特定的應(yīng)用需求作相應(yīng)的變化。解碼器僅僅受限于遵從解碼詞義的位流，因而即使已經(jīng)制定了標(biāo)準(zhǔn)，仍可提高解碼器的性能。MPEG視頻壓縮通過幀內(nèi)編碼和幀間編碼技術(shù)，減少了圖像上時(shí)間和空間的冗余度。幀內(nèi)編碼技術(shù)是對(duì)每幀單獨(dú)進(jìn)行編碼，可減少空問冗余。對(duì)相鄰的相似幀進(jìn)行壓縮，時(shí)間壓縮是每幀單獨(dú)編碼的重點(diǎn)，此即幀間編碼。在最簡單的幀間編碼中，對(duì)相鄰幀進(jìn)行相減，進(jìn)而對(duì)幀間的差別進(jìn)行編碼。然而，假如整幀都是移動(dòng)圖像(如場(chǎng)景鏡頭搖動(dòng)或放縮)，則這項(xiàng)最簡單的幀間編碼技術(shù)并不適合于這種情況。MPEG編碼技術(shù)就是為了解決這個(gè)問題而提出來。

　　MPEG流包含；種主要的幀類型：(l)幀內(nèi)編碼幀(1)：對(duì)本幀進(jìn)行編碼；(2)猜測(cè)幀(P)對(duì)本幀與前幀塊與塊之間的差別進(jìn)行編碼；(3)雙向幀(B)：對(duì)未來幀的猜測(cè)與過去幀之間的差別進(jìn)行編碼。幀內(nèi)編碼只利用單幅圖像(幀或場(chǎng))內(nèi)的空間冗余，沒有利用時(shí)間相關(guān)性(即時(shí)間猜測(cè))，這種時(shí)間猜測(cè)稱為幀間編碼，沒有使用任何幀間編碼的幀稱為I幀。I幀需要固定地在數(shù)據(jù)小出現(xiàn)，因?yàn)楹罄m(xù)的幀(如P幀和B幀)只有收到I幀后，解碼過程才能開始。I幀每隔半秒就插入數(shù)據(jù)流，它為解碼過程提供起始點(diǎn)，為后續(xù)的P幀及B幀提供猜測(cè)模板。P幀以I幀為參考幀，通過前向猜測(cè)，用宏塊對(duì)幀間區(qū)別加以編碼。一個(gè)宏塊在光空間是16×16象素，在時(shí)間空間是8×8象素為最簡單顏色亞彩樣格式(4：2：0)。宏塊通過尋找最匹配的前向幀來編碼。在一個(gè)具有固定背景和活動(dòng)的前景物體圖像幀中，前景物可被前向幀的宏塊和運(yùn)動(dòng)物體的前后變化所代表。B幀同時(shí)以它相鄰的前后兩幀為參考幀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，并將所得結(jié)果進(jìn)行內(nèi)插而獲得平均猜測(cè)結(jié)果。

　　MPEG-2系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)定義了復(fù)用一個(gè)或多個(gè)音頻、視頻和數(shù)據(jù)元素流的方法。數(shù)據(jù)流被打包，加上時(shí)間標(biāo)識(shí)，形成一個(gè)被包裝的元素流(PES)。音頻、視頻和數(shù)據(jù)(任選)的PES被復(fù)用在一起，形成可存儲(chǔ)和傳輸應(yīng)用的單一輸出流。MPEG-2系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的目的是提供必要的句法，用以同步音頻和視頻聲明信息。MPEG-2系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)有節(jié)目流(PS)和傳輸流(TS)兩種數(shù)據(jù)流。PS用可變長度包，TS用短固定尺寸包。PS類似于MPEG—l系統(tǒng)流，用普通時(shí)間基準(zhǔn)復(fù)用元素流，通常用于DVD類的存儲(chǔ)應(yīng)用中。由于長幀更易遭受錯(cuò)誤，使PS在傳輸應(yīng)用中增加了數(shù)據(jù)包出錯(cuò)的可能性。TS復(fù)用那些并沒有共同時(shí)間基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)流，固定長度為l88字節(jié)。在這188字節(jié)的包中，至少有4字節(jié)用作包頭，其余字節(jié)用作傳輸存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、音頻和視頻信息。TS包頭命令包含信息有：同步、包私有、節(jié)目標(biāo)識(shí)和錯(cuò)誤狀態(tài)。TS可包含附帶頭領(lǐng)域提供時(shí)間信息。

2.ATM信元適配MPEG-2數(shù)據(jù)流

　　ATM數(shù)據(jù)包的適配層(AAL)提高了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的服務(wù)能力，比如能進(jìn)行ATM層數(shù)據(jù)和應(yīng)用層數(shù)據(jù)的適配，也即應(yīng)用層數(shù)據(jù)與ATM信元間的相互轉(zhuǎn)換。雖然AAL所提供的服務(wù)取決于應(yīng)用層的要求，但在實(shí)際應(yīng)用中，通用AAL支持大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合。已定義了6個(gè)適配層(AAL0一AAL5)，但這些標(biāo)準(zhǔn)化AAL的功能有限，因而在AAL的頭部常帶有附加的傳輸層。已提出了把AALl和AAL5作為MPEG應(yīng)用的傳輸協(xié)議。AALl用于MPEG視頻傳輸?shù)暮锰幵谟谒軌蛟诮邮斩酥亟〝?shù)據(jù)的起始時(shí)鐘，使網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)為具有固定的時(shí)延。AALl還能檢測(cè)丟失信元，在傳輸包中，這些丟失信元可用于設(shè)定錯(cuò)誤指示位，以激活解碼器的錯(cuò)誤，取消單元。另外還提出了能提供前向糾錯(cuò)(FEC)的AAL1版本。有許多研究工作都致力于用AAL5、AALl和用戶適配層鼓入MPEG視頻流。ATM論壇推薦在每個(gè)AAL5數(shù)據(jù)協(xié)議單元(PDU)中，將2個(gè)傳輸包映射入8個(gè)ATM單元。在嵌入過程中，PDU尾部增加了包含有CRC校驗(yàn)和長度信息，使PDU分成8個(gè)單元。采用AAL5映射MPEG流作為傳輸協(xié)議方案的不足之處，在于缺乏降低信元擁塞和錯(cuò)誤處理功能，因?yàn)樗繖z測(cè)到l位錯(cuò)誤就丟失2個(gè)傳輸包。為此，在MPEG解碼器端，必須使用較為復(fù)雜的時(shí)鐘恢復(fù)電路，以便即使在接收到有大量擁塞的節(jié)目時(shí)鐘基準(zhǔn)(PCR)中，也能提供穩(wěn)定的時(shí)間基準(zhǔn)。

　　綜上所述，AAL1和AAL5都不能為MPEG視頻傳輸提供理想的適配層。一個(gè)在MPEG編碼器與解碼器之間的理想網(wǎng)絡(luò)，必須具有提供糾錯(cuò)和固定時(shí)延連接的能力。在這種理想網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)AAL需要提供一套把TS包高效地適配于編碼器信元負(fù)荷，并在解碼器重建TS包的基理。但在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，并不總是存在這種有效的連接。在ATM層傳輸中，信元難免會(huì)發(fā)生隨機(jī)位錯(cuò)誤，在網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，因信元丟失而帶來不同的時(shí)延。因此解醋器需要增加相應(yīng)的復(fù)雜度，以“掩埋”掉傳輸損害的影響，而且AAL需要帶有糾錯(cuò)和擁塞轉(zhuǎn)移的單元。

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