劉　斌 山東電視臺
　　【摘要】 本文首先介紹MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的來由及其組成，而后著重介紹應(yīng)用于專業(yè)視頻的4∶2∶2P＠ML的形成，進(jìn)而根據(jù)其的測試結(jié)果分析其的特點，最后試述它應(yīng)用于專業(yè)視頻中的優(yōu)勢。 　　

前　言

　　目前，數(shù)字電視信號的壓縮技術(shù)已經(jīng)成為廣播電視領(lǐng)域的發(fā)展方向，MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)就是其中一個杰出的代表。但最初的MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)著重于數(shù)字視頻的分配，不能很好地、低費用地進(jìn)行專業(yè)視頻處理。現(xiàn)在，MPEG－2標(biāo)準(zhǔn)推出了一個能夠進(jìn)行專業(yè)視頻處理的、廉價的、多功能的新型／級－－在主級上的4∶2∶2型（4∶2∶2P＠ML）。

一、MPEG標(biāo)準(zhǔn)

　　MPEG標(biāo)準(zhǔn)是國際標(biāo)準(zhǔn)組織運動圖像專家組制定的一系列利用數(shù)字壓縮手段使運動圖像頻帶壓縮的國際標(biāo)準(zhǔn)。

　　MPEG標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)字壓縮的基本步驟為：首先將模擬視頻轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻后按時序分組，然后每個圖像組（GOP：group of pictures）選定一個基準(zhǔn)圖像利用運動估計減少圖像間的時間冗余，最后將基準(zhǔn)圖像和運動估計誤差進(jìn)行離散余弦變換（DCT：discrete cosin transform）、系數(shù)量化和熵編碼（VLC＆RLC：‘variable length coding’and ‘run length coding’）以消除空間冗余。

　　其中，MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)用于運動圖像及其音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，著重于高壓縮率，從而具有低帶寬和低分解力，視頻速率大致為1.5Mb/S。MPEG－2標(biāo)準(zhǔn)與MPEG－1標(biāo)準(zhǔn)相似，但比特率比其高得多，因而具有較高的帶寬和分解力。它可以編碼出廣播級質(zhì)量的視、音頻，故可應(yīng)用于廣播電視領(lǐng)域。 　　

二、MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的型與級

　　MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)可定義高達(dá)400Gb/S的比特率和16000×16000像素的圖像。標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合實際情況制定了一個涵蓋大部分應(yīng)用的型／級體系（表１）。每個型（PRofile）都是MPEG語法的一個完整的子集合，型中選定不同的參數(shù)形成不同的級（level）。 MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)共分5型：簡單型（SP：simple profile），只有基準(zhǔn)幀Ι和猜測幀P；主型（MP：main profile）,比SP增加了雙向推測幀Ｂ；信雜比分層型（SNRP：SNR scalable profile）；空間可分層型（SSP：spatial scalable profile）高型（HP：high profile）。

　　MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)共分4級：低級（LL：low level），輸入信號的像素為ITU-R 601格式的四分之一；主級（ML：main level)，輸入信號的像素為ITU-R　601格式；高級-1440（H14L：high－1440　level）為4∶3模式電視高清楚度格式；高級（HL：high level）為16∶9模式電視的高清楚度格式。

　　表１中每一型／級的第1行其使用的抽樣格式，第2行為畫面的橫向像素數(shù)×縱向像素數(shù)，第3行為編碼后的比特率，第4行為其GOP的構(gòu)成。



　　MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)具有兼容性，表1中的11種型／級的解碼器必須能解碼任何一種位于其左式其下的型／級的編碼。

　　MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)答應(yīng)分層解碼，低比特率解碼器可以解碼全比特流編碼的一部分，從而獲得質(zhì)量相對較低的畫面。標(biāo)準(zhǔn)答應(yīng)從信雜比和空間分解力兩方面進(jìn)行分層：信雜比分層型（SNRP）答應(yīng)低比特率解碼器解碼出一個比全比特率解碼的畫面信雜比低的畫面；空間分層型（SSP）答應(yīng)低比特率解碼器解碼出一個比全比特率解碼的畫面分解力低的畫面。

三、MPEG-2　4∶2∶2P＠ML

　　最初的MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)是為視頻分配而設(shè)計的，最常用的是MP＠ML。但由于比特率的限制和4∶2∶0式的抽樣結(jié)構(gòu)，MP＠ML不能應(yīng)用于專業(yè)視頻處理.4∶2∶0式抽樣結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的色度串?dāng)_使其不具有高質(zhì)量的多代復(fù)制能力；應(yīng)用具有編輯能力的短GOP和15Mb/s的比特率不能提供高質(zhì)量的圖像，而應(yīng)用長GOP和15Mb/s的比特率又不能進(jìn)行圖像的編輯。這就要求應(yīng)用4∶2∶2式抽樣結(jié)構(gòu)和較高的比特率進(jìn)行視頻編碼以適應(yīng)專業(yè)應(yīng)用對多代復(fù)制、高質(zhì)量圖像和可編輯的要求。

　　表1中HP＠HL、HP＠H1440L滿足以上的條件，但要兼容兩個分層型SNRP和SSP。分層非常復(fù)雜，其編碼和解碼電路至少為常規(guī)編碼和解碼電路的兩倍，費用非常昂貴；而且，對于專業(yè)視頻處理而言，完全沒必要具有分層功能。故考慮在MP＠ML的基礎(chǔ)上應(yīng)用4∶2∶2式抽樣結(jié)構(gòu)、增加比特率而形成一個新的型／級－－在主級上的4∶2∶2型（4∶2∶2P＠ML），以達(dá)到既適應(yīng)專業(yè)視頻處理的要求又節(jié)省費用的目的。

　　1996年1月，4∶2∶2P＠ML正式成為MPEG-2國際標(biāo)準(zhǔn)的一部分。它與MP＠ML相比較，比特率拓展為50Mb/s，可支持4∶2∶2式抽樣結(jié)構(gòu)，但象ML＠ML一樣不支持分等編碼／解碼模式。全兼容的4∶2∶2P＠ML解碼器可解碼表2中其左或其下的所有型／級的編碼。

四、MPEG-2 4∶2∶2P＠ML的測試結(jié)果及分析

　　在MPEG-2 4∶2∶2P＠ML的定型前后，在Tektronix的協(xié)助下SMPTE針對其進(jìn)行了一系列的觀看測試，證實MPEG-2 4∶2∶2P＠ML符合專業(yè)應(yīng)用的要求（表3）。



　　測試分專家和非專家組對525／60系統(tǒng)和625／50系統(tǒng)的不同素材進(jìn)行主觀評估。525／60系統(tǒng)對不同素材在廣泛的比特率和GOP結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了測試，而625/50系統(tǒng)僅對不同素材進(jìn)行了幾種比特率和GOP結(jié)構(gòu)的測試。測試包括從第一代至第八代（一代為一個壓縮／解壓縮的循環(huán)）。對畫面進(jìn)行了空間和時間的平移以計算多代復(fù)制后畫面的重新定位（可能出現(xiàn)在DVE中）和一致性的效果。空間平移是在第一代和第二代之間進(jìn)行水平兩像素和垂直兩行的平移，而在第五代和第六代之間再轉(zhuǎn)換過來。測試素材包括典型的和難以壓縮的畫面序列，要求觀測者對質(zhì)量打分，打分范圍是0至100。0為最好、100為最壞。


　　從表3可以看出，專家組比非專家組的打分更加嚴(yán)格。分析測試結(jié)果可得出以下的結(jié)論（根據(jù)MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的視頻壓縮原理亦可推導(dǎo)出）：

1.在比特率和GOP結(jié)構(gòu)一定的條件下，代數(shù)越多畫面質(zhì)量越差；

2.在代數(shù)和比特率一定的條件下，GOP的結(jié)構(gòu)越長（越復(fù)雜）多畫面質(zhì)量越好；　

3.在代數(shù)和GOP結(jié)構(gòu)一定的條件下，比特率越高畫面質(zhì)量越好。

所以，為節(jié)省費用，在保證一定的畫面質(zhì)量水平的條件下，較低的比特率可用較的長（較復(fù)雜的）GOP結(jié)構(gòu)；較短的（較簡單的）GOP結(jié)構(gòu)可用較高的比特率。

五、4∶2∶2P＠ML的優(yōu)勢

　　4∶2∶2P＠ML的編碼器具有靈活的比特率和GOP結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整比特率和GOP結(jié)構(gòu)，可編碼出相當(dāng)于上至D1下至VHS質(zhì)量的數(shù)字壓縮視頻，并同時具備它們的功能，從而具有非常廣泛的用途。 　

　　全兼容的4∶2∶2P＠ML解碼器可以徹底解決多制式的問題。它不但能夠解碼4∶2∶2P＠ML編碼器的各種不同比特率和GOP結(jié)構(gòu)的編碼，而且能夠解碼表2中任何一個其左、其下的型／級的編碼器的各種不同比特率和GOP結(jié)構(gòu)的編碼。

　　新聞和獲得素材要求較高質(zhì)量的畫面、易編輯，而不考慮多代復(fù)制。它要求體積小、重量輕、便攜、內(nèi)部電源驅(qū)動、低成本、低功耗。可采用低比特率、短GOP結(jié)構(gòu)。存檔要求高質(zhì)量的畫面、具有多代復(fù)制和編輯能力，可采用較高的比特率和較短GOP結(jié)構(gòu)。視頻分配要求高壓縮率以便傳輸和較高的質(zhì)量而不考慮多代和編輯，可采用較低的比特率和較長的GOP結(jié)構(gòu)。

總　結(jié) 　　4∶2∶2P＠ML的相對簡單的編碼

　　結(jié)構(gòu)使其具有較高的性能價格比，它具有靈活的比特率和GOP結(jié)構(gòu)，使得專業(yè)視頻處理的數(shù)字化成為可能。它徹底解決了長期困擾廣播電視系統(tǒng)的多制式并存的問題，從而節(jié)約了大量的勞動和昂貴的制式轉(zhuǎn)換費用。隨著廣播電視微機(jī)化、磁盤化的進(jìn)程，它的優(yōu)勢會越來越被專業(yè)用戶所重視。

【參考文獻(xiàn)】： 　　

1.“MPEG數(shù)字壓縮系統(tǒng)”　特雷弗.伍茲，布賴恩.羅伯茨　《世界廣播電視》 1994年9期 　　

2.“低比特率視頻壓縮技術(shù)”　N.K.LOdge著　孔小芳譯　裘冠村校　《國際廣播電視技術(shù)》 1995年4期

3.“多媒體數(shù)字視頻壓縮技術(shù)”　郭斌　《世界廣播電視》　1995年8期

4.“MPEG-2 Fundamentals for Broadcast and Post-ProdUCtion Engineers” A Video and Networking Division White Paper By Adolfo Rodriguez,David K.Fibush and Steven C.Bilow July,1996.Tektronix

5.“數(shù)字電視”　杜百川　《廣播電視科技快報》特輯