MPEG-2视频压缩编码标准简介

MPEG（Moving Picture Coding Experts Group）是活动图像专家组的简称。MPEG成立于1988年1月，是致力于研究、开发数字压缩标准的、在保证活动图像质量的前提下压缩传输码率的组织。MPEG的第一次会议于1988年5月召开，有25位音频、视频编码压缩方面的专家参加。现在MPEG已经成为每年召开3次例行大会（在3月、7月和11月），有来自大约20个国家200多家公司的350名专家参与的组织。MPEG所开发的标准被国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）批准为国际标准，形成MPEG系列。

MPEG-2在1991年7月开始研究，是针对标准数字电视和高清晰度数字电视在各种应用下的压缩方案和系统层的详细规定，1992年被ISO/IEC批准为正式标准，正式标准编号是ISO/IEC 13818。MPEG-2不是MPEG-1的简单升级，MPEG-2在系统和传输方面作了更加详细的规定和进一步的完善。MPEG-2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。MPEG-2的另一特点是，可提供一个较广范围的可变压缩比，以适应不同的画面质量、存储容量以及带宽的要求。MPEG-2特别适用于广播级的数字电视的编码和传输，被认定为SDTV和HDTV的编码标准。MPEG-2还专门规定了多路节目的复用分接方式。此外，MPEG-2还兼顾了与ATM信元的适配问题。

MPEG-2标准，即国标标准ISO/IEC 13818，共有11部分，各部分的内容简述如下。

第一部分：ISO/IEC 13818-1，System（系统），描述多个视、音频和数据基本码流合成传输码流和节目码流的方式。

第二部分：ISO/IEC 13818-2，Video（视频），描述视频编码方法。

第三部分：ISO/IEC 13818-3，Audio（音频），描述与MPEG-1音频标准反向兼容的音频编码方法。

第四部分：ISO/IEC 13818-4，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。

第五部分：ISO/IEC 13818-5，Software（软件），描述了MPEG-2标准的第一、二、三部分的软件实现方法。

第六部分：ISO/IEC 13818-6，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。

第七部分：ISO/IEC 13818-7，高级多通道音频编码。

第八部分：ISO/IEC 13818-8，10bit视频采样编码。

第九部分：ISO/IEC 13818-9，系统解码实时接口扩展。

第十部分：ISO/IEC 13818-10，存储媒体控制和命令符合性。

第十一部分：ISO/IEC 13818-11，知识产权管理和保护框架。

MPEG-2技术就是实现DVD的标准技术，用于为广播、有线电视网、电缆网络及卫星直播提供广播级的数字视频。目前，MPEG-2已经为全世界所承认。我国中央电视台、教育电视台及各省市的卫星电视节目所使用的传输标准是DVB/MPEG-2。

1.压缩方法的“级”和“类”

现在MPEG-2的压缩方法标准分为6类和4级。具有较大的灵活性，对数字化视、音频信号的压缩提出了多个可选方法和步骤，用来处理从简单的活动图像（如电视电话）到HDTV。所谓级是指MPEG-2的输入格式，从有限清晰的VHS质量图像到HDTV图像，每一种输入格式编码后都有一个相应的范围。除了在格式提供灵活性之外，MPEG-2还有不同的处理方法，称为类。每一类都包括压缩和使用方法的一个集合。不同的类意味着使用不同集合的码率压缩工具。类和级的组合共有24种，其中已有12种组合是可用的，见表1-1。

表1-1 MPEG-2的类和级中已采用的组合与相应的像素传输速率（单位：Mbit/s）

表中等级一栏（级）内的数字是表示4种图像的清晰度，即亮度有效像素，即高级是1920像素/行、1080行/帧、30帧或1920像素/行、1152行/帧、25帧；低级是352像素/行，288行/帧、29.79帧。表中12种组合的数据是指像素传输速率，即最高速率是100Mbit/s，最低速率是4Mbit/s，码率越高，图像质量越好，占用的频带也越宽。码率的选用与图像内容有很大关系，运动较多的图像如体育节目，就需要较高的码率，电影和动画片这样的节目所需的码率就要小一些。备注栏的数字是指图像采样格式，4∶2∶0是指一个宏块，包括4个亮度块（16×16像素）和两个色度块；若有4个色度块时，图像格式是4∶2∶2。

信噪比（SNR）可分级类是指在多层次比特流中，只利用低层次（量化较粗）比特流中的DCT系数进行二次量化成为较高层次（量化变细）的比特流，低比特率在传输时误码率低，故取名为SNR可分级类。

表中4∶2∶2类是主类的扩展类，主要是由Tektron-ic公司和SONY公司在主类的基础上推出的更适用演播室视频节目制作要求的数据压缩处理方法，主要用于4∶2∶2编码规则，有时记为4∶2∶2MP@ML。(www.xing528.com)

从表中可以看出，MPEG-2的“低级”即CCITTH.261建议的CIF分辨率，“主用级”即CCIR 601建议的数字电视分辨率。

各“级”、“类”的特点及应用场合如下：

（1）主用级的主用型（Main Profile at Main Level，简写为MP@ML）：MP@ML将不同领域的共性应用（如150路的卫星电视直播和540路的CATV）集于一身，虽然基本的解码器功能实质上与MPEG-1相同，但图像质量要比现有电视信号的高。

（2）主用级的简单型（Simple Profile at Main Level，简写为SP@ML）：可用于数字有线电视以及数字盒式录像机（VCR，Video Cassette Recorder），理由是对于家用而言，安装SP@ML解码器要比安装MP@ML解码器更便宜，因为SP@ML编/解码算法对于帧间预测没有使用B帧（双向预测值），因而得到极大的简化，帧存储器也可比采用MP@ML编/解码算法节约一半。

（3）高级的主用型（Main Profile at High Level，简写为MP@HL）：MP@ML用于处理HDTV信号，美国的ATV已采用了MP@ML。但首要解决的问题是解码器LSI的开发，因为解码器要在80Mbit/s的数据率下工作。

（4）1440高级的空间可调（可分级）型（Spatial Scalable Profile at High-1440level，简写为SSP@1440）：SSP@1440的一个显著特性就是包括可分级（Scalability）的功能，以适应不同的场合。

2.MPEG-2图像压缩编码的方案

MPEG-2图像压缩编码的方案可概括为（有运动补偿的帧间差值）+（8×8像素的自适应离散余弦变换）+（二维变字长编码），图1-13是其图像信号的编码器框图。

图1-13 MPEG-2编码器框图

去掉各种冗余信息的方法为：

（1）利用运动补偿预测编码方法去掉电视图像信号的时间冗余信息。在MPEG-2中，将像素组成块，一个宏块包括4个亮度信息块Y（16×16像素）和两个色度块（Cr和Cb各一块）。其图像格式为4∶2∶0或4∶2∶2，如图1-14所示。一个或几个连续的宏块组合，形成分片图像，再由若干分片图像组成帧，图像按一定顺序的图像帧又组成图像群。MPEG定义，每个图像组中包括3种类型的图像帧，简称I帧、P帧、B帧。I帧是帧内编码图像，它是为随机进入编码图像序列，提供切入点，每个图像组以一个I帧开始；P帧是帧间编码图像为前向预测帧，它是从最近一个帧或I帧来进行运动补偿预测所产生的图像。其编码效率高；B帧是双向预测帧，它同时利用前面和后面的I帧或P帧作为基准，进行运动补偿预测编码得到，它不作预测的基准。

上述3种图像在一个图像序列中的编排是很灵活的，与实际应用有关，图1-15是3种图像之间的关系和排列方式示意图。

图1-14 宏块结构

a）4∶2∶0 b）4∶2∶2

图1-15 I帧、P帧及B帧

（2）利用离散余弦变换（DCT）去掉经过运动补偿预测图像差信号中的空间冗余信息。

（3）利用可变字长编码技术，对运动矢量和DCT变换系数进行编码，去掉统计冗余信息。采用上述3种方法可达到进一步压缩码率的目的。