视频信息传输中MPEG-2格式分析

郑州电视台 夏 晶

视频信息传输中MPEG-2格式分析

郑州电视台 夏 晶

一、视频信号传输中的MPEG-2技术

当今社会是一个数字信息化社会，数字信息化的一个主要特征就是数字多媒体技术的广泛应用。多媒体的数字化和网络化，将数字媒体信息传播到世界的每个角落，改变了人类接受信息的传统方式和途径，打破了人与人之间的时空界限，进而改进了人们的学习、工作和生活方式。随着信息技术的发展，多媒体技术越来越成为研究热点。而且人们接触到的多媒体内容日益丰富，包括文字、声音图像和数据，这些多媒体内容拥有庞大的数据量，对通信系统的带宽和存储空间提出了较高的要求。尤其是视频图像的传输，与文字与图像传输相比，视频图像具有更加直观和更加高效的特点，因此，视频图像的传输问题成为多媒体技术在实际应用中的关键问题。

国际范围内，为了满足多媒体信息的压缩要求，在经过了30多年的不懈努力后，视频压缩技术已经取得了巨大的成就，适用于不同应用领域的国际编码标准便应运而生。如静止图像的编码标准JPEG、视频编码标准H.264、H.263和活动图像的编码标准MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4等，而MPEG-7、MPEG-21也正在研究中。这些标准极大地促进了视频编码技术的发展。特别是在网络、计算机和通信方面的发展，对视频通信业务和视频压缩技术提出了新的要求，在保证更好的视频质量和更高压缩的同时，对视频传输、码率控制等方面也提出了更高的要求。

针对视频传输问题，许多研究者提出了不同的压缩编码方法，采用控制策略来解决远程传输时的网络阻塞、信道带宽限制。比较典型的如H.263的TMN8的码率控制算法以及H.264JM中的码率控制算法，其中广泛使用的是MPEG-2的TM5算法。

二、MPEG-2标准简介

1.MPEG-2的设计初衷是为广播级电视质量（CCIR6601格式）的视音频信号定义压缩编码标准。但最终结果是成为了一个通用的标准，能在很大范围内对不同分辨率和不同输出比特率的图像信号进行有效编码。MPEG组织于1994年推出MPEG-2压缩标准，以实现视/音频服务与应用互操作的可能性。MPEG-2标准是针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层的详细规定的。MPEG-2不是MPEG-1的简单升级，而是在系统和传送方面作了更加详细的规定和进一步的完善。MPEG-2特别适用于广播级数字电视的编码和传送，被认定为SDTV和HDTV的标准编码。

2.MPEG-2视频压缩原理。MPEG-2的视频编码技术主要基于2个概念，即时间相关性与空间相关性。所谓时间相关性指的是物体前后运动的连续性。例如，一扇门的开启不可能是开、关这2个状态，而一定是关、微开、开等一系列的连续动作，因此利用前一次的动作可以预测下一次的动作。空间相关性指的是空间内相邻物体的色彩和亮度是一个渐变的过程，而非一个突变的过程。稍有一点美术常识的人都知道，白色与黑色之间的过渡是渐进的，而不是突变的。如果将空间每一点及时间上每一帧进行独立编码，虽然能够表达所有的信息，但是带宽非常大，几乎没有那种载体可以经济地传送这种信号。另一方面从信息学的角度来看，也包含着大量的冗余信息。数据压缩正是基于这样的角度，采用相应的编码方式将大量的冗余信息去除，保留有用的信息，有效地节约了带宽。

基于MC+DCT技术的混合编码器结构如图1所示。

MPEG-2编码码流是变速码流，而大多数视频编码器的输出信道为恒定位率信道。因此，当MPEG-2压缩码流在恒定位率的信道上发送时，需要一个视频输出缓冲区来平衡编码器输出码率的波动。视频编码器根据信道的传输速率、视频输出缓冲区的充满度、编码帧的类型（I，P和B帧）及其帧图像复杂度动态调整量化参数来压缩视频数据，使得工作与恒定位率信道上视频编码器的输出缓冲区既不产生上溢，也不产生下溢，做到既不丢失视频数据，又能够充分利用信道容量。

三、视频通信中的码率控制技术

在实际应用中，视频码流的不均匀和网络带宽的不稳定，对视频传输和存储很不利，因此每一个编码系统都需要码率控制。码率控制是视频质量稳定和可靠传输的重要保证，它通过一定的码率控制策略调整视频编码输出的码率使它与传输带宽相匹配，而且保证获取最小的失真，以及良好和稳定的接收质量。根据用户的网络接口选中的信道码率是否稳定，码率控制可以分为恒定码率和变码率2种模式。

1.变码码率控制。能在延时短、高增益的视频网络中传输。在网络中视频码率控制较复杂，一方面为了确保网络带宽的高效利用，必须有一种管理机制来监督在指定的带宽中传输。另一方面，在传输中由于网络繁忙会使信道误码率增加，会进一步增加传输的不可靠性。

2.恒定码率控制。一般通过调整帧率与各编码单位的量化步长来实现。它通常由以下4个步骤构成：

（1）帧率调控。选择视频序列的传输帧率，确定需要编码的图像帧。

（2）在当前图像帧编码前，预测其目标码率。

（3）为帧内各编码单位选择适当的量化步长，以使该帧输出码率尽量接近于目标码率。

（4）对该帧编码后，准备编码下一帧。

对于恒定码率的码率控制，一般采用平滑缓存器调整输出，使码流以一个稳定的码率进行传输或存储。其中，TM5码率控制算法是在保证缓冲器不上溢和下溢的情况下，通过估测每帧图像的复杂度来分配比特数，同时决定量化参数。最常用的技术是调整一些编码参数作为缓冲器饱和度函数，如反馈控制等。另外，也可以如前向反馈控制那样使用当前图像的活动性，为编码器提供另一种需要的编码方式。

对于运动图像压缩标准，不管是MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4还是H.263，仅详细规定了压缩码流的语法结构和基本压缩算法，而对算法的实现没有限定。这种开放式的框架式的标准使得标准既方便了不同产品间的互联，又允许人们根据应用背景确定不同的编码策略，以提高编码效率。其中的码率控制是编码策略的重要内容之一。

四、MPEG-2技术的应用

在多媒体通信中，压缩视频流需要在带宽需求不一致而且需要变化的网络上传输，为了充分地利用提供的网络资源，并保证用户获得最优的质量，在视频通信系统中需要引入某种流控制机制。

MPEG-2的TM5码率控制算法是一种优秀的码率控制算法，由于它引入了复杂度分析、码率分配、码率控制、自适应量化等概念方法，从而可以较准确地控制视频流的输出码率。它对普通视频序列的压缩效果较好，但由于算法本身的局限而没有办法避免一些困难，如MPEG-2的TM5码率控制算法没有考虑处理场景切换带来的问题。同一画面中宏块与宏块之间编码质量不均匀。自适应量化是对量化参数的调整不适当、不均匀某些参数的过度调节。码率控制算法前后各个步骤之间并不能有效地一起工作，存在着互相抵消效率的问题，从而导致编码效率的下降。

MPEG-2的TM5算法是一种有效的码率控制策略。MPEG-2编码标准对数字电视、高清晰度电视以及数字电视通信产生较大的影响，TM5算法提出了一个参考的码率分配策略，尽管该算法能够较好满足的视频编码，但仍存在一些不足，因此还有改进和完善的空间。