MPEG-2 编解码器技术白皮书

[图文]MPEG-2压缩编码技术原理应用(一)MPEG是运动图像专家组(Moving Picture Experts Group)的简称，其实质上的名称为国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）联合技术委员会（JTC）1的第29 分委员会的第11工作组，即ISO/IEC JTC1/SC29/WG11，成立于1988年。

其任务是制定世界通用的视音频编码标准。

因为，广播电视数字化所产生的海量数据对存储容量、传输带宽、处理能力及频谱资源利用率提出了不切合实际的要求，使数字化难以实现。

为此，该专家组基于帧内图像相邻像素间及相邻行间的空间相关性和相邻帧间运动图像的时间相关性，采用压缩编码技术，将那些对人眼视觉图像和人耳听觉声音不太重要的东西及冗余成分抛弃，从而缩减了存储、传输和处理的数据量，提高了频谱资源利用率，制定了如表1所示的一系列MPEG标准,使数字化正在变为现实。

其中，MPEG-2是一组用于视音频压缩编码及其数据流格式的国际标准。

它定义了编解码技术及数据流的传输协议；制定了MPEG-2解码器之间的共同标准（MPEG-2编码器之间尚无共同标准）。

本文以MPEG-2的系统、MPEG-2的编码、及MPEG-2的应用为题，讨论MPEG-2压缩编码技术。

一、MPEG-2的系统1.系统的定义MPEG-2系统是将视频、音频及其它数据基本流组合成一个或多个适宜于存储或传输的数据流的规范，如图1所示。

由图1可见，符合ITU-R. 601标准的、帧次序为I1B2B3P4B5B6P7B8B9I10数字视频数据和符合AES/EBU 标准的数字音频数据分别通过图像编码和声音编码之后，生成次序为I1P4B2B3 P7B5B6I10 B8B9视频基本流（ES）和音频ES。

在视频ES中还要加入一个时间基准，即加入从视频信号中取出的27MHz时钟。

然后，再分别通过各自的数据包形成器，将相应的ES打包成打包基本流（PES）包，并由PES包构成PES。

信息通信技术百科全书—打开信息通信之门备具有更好的性能，尤其是芯片；同时需要相关技术进一步发展的支持，如半导体技术。

ＭＰＥＧMPEG 是ISO （International Standardization Organization ，国际标准化组织）与IEC （International Electrotechnical Commission ，国际电工委员会）于1988年成立的专门针对运动图像制定国际标准的组织。

我们先来了解一下MPEG 诞生的背景。

在MPEG 系列标准诞生之前，关于图像的压缩已经有了JPEG （Joint Photographic Experts Group ，联合图像专家组）和H.261标准。

其中，JPEG 用于静态图像数据压缩，H.261用于电视电话、视频会议的图像压缩。

但是，如何把计算机系统和广播电视结合起来，建立一个统一的信息网络，把各种多媒体终端连接起来呢？为了解决这个问题，图像、伴音、存储和传输这四个方面需要有一个统一的标准才能进行广泛的交流。

又由于交流的广泛性，这个标准需要满足以下条件：图像质量要被广泛认可，价格成本容易被市场所接受。

于是，MPEG 诞生了！随着多媒体信息技术的日趋成熟，以及MPEG组织的不断努力，MPEG 家族越来越壮大。

如图6-19所示为MPEG 系列标准。

下面我们列出MPEG 家族的成员。

（1） MPEG-1标准：基于数字存储媒体运动图像和语音的压缩标准，是基于低端应用的视频、音频的编解码标准。

MPEG-1主要解决多媒体的存储问题，它的成功制定，使得以VCD 和MP3为代表的MPEG-1产品迅速在世界范围内普及。

（2） MPEG-2标准：通用的图像和声音压缩标准，是针对高端应用的，具有更高的图像质量、更多的图像格式和传输码率的图像压缩标准。

MPEG-2最为引人注目的产品是数字电视机顶盒与DVD 。

（3） MPEG-4标准：超低比特率运动图像和语音压缩标准，不仅针对一定比特率下的视频、音频编码，更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。

摘要：MPEG-2是数字视频压缩的重要标准，在HDTV、VOD、DVB以及DVD等各个方面都有着广阔的应用前景，它通过使用离散余弦变换和运动补偿，对运动图像从空间和时间上进行压缩编码，使得编码后的位流适合于传输、通信、存储、编辑等都方面的要求。

本文通过剖析MPEG-2标准的编码过程，对MPEG-2音视频编码器的硬件系统的设计进行研究。

MPEG-2是目前数字视频技术的工业上事实上的标准。

MPEG-2追求的是CCIR601建议的图像质量。

CCIR601建议书选用分量编码作为演播室节目制作的标准，按照通常习惯，以三个分量取样频率之比4：2：2命名，这三个分量是亮度信号Y，蓝色色差信号U和红色色差信号V。

建议书规定，亮度信号的取样频率为13.5MHz，二个色差信号的取样频率都为6.75MHz，三个分量都采用8bit量化，总数码率为（13.5＋6.75＋6.75）×8＝216Mbit/s。

MPEG-2对YUV信号进行压缩编码，以形成3~10MHz的运动图像及其伴音的编码。

从运算的复杂性和对硬件要求来看，MPEG-2编码器实现的难度要比解码器大得多。

MPEG-2采用的是非对称的压缩算法，编码是非常复杂的，它所需要的资源是解码所需要的100倍。

目前国外已经研制成功可以把分离的语音和视频解码集成在一个芯片上配合一起使用的产品。

而形成产品的有如IBM公司的S422视频编码芯片等。

国内目前也已经开始了这方面的研究，目前已经实现的有用于高清晰电视节目实时编码的样机。

MPEG-2的编码过程MPEG-2标准主要由三部分组成，它们分别是系统、视频和音频。

MPEG-2的编码过程就是通过对视频和音频在系统中进行编码，最终得到适合于不同的通信或存储场合的程序流或者传送流。

MPEG-2标准的编码过程主要有三个部分，如下图所示：图1 MPEG-2编码过程编码器的这三个部分的工作分别如下：（1）首先，系统将视频或音频信号通过视频或者音频编码器的编码，得到视频或者音频信号的原始流ES；（2）第二部分工作是将视频或者音频的原始流进行分组打包，得到相应的视频或者音频的分组原始流PES，分组原始流的长度是可变的，通常对于视频信号来说，一般是一个帧一个分组原始流，而音频信号一个分组原始流的大小是64K。

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前 言内容介绍本书介绍了V2 Conference系统的功能特性、实现方案以及所采用的关键技术等。

本书分为5部分：第一部分：产品概述第二部分：功能特性第三部分：服务器架构第四部分：通信协议第五部分：关键技术读者对象本书适合以下人员阅读：可以是刚接触V2 Conference 会议系统及其操作的人，但应对服务器、通信协议和音视频编码等概念有一定了解。

Mpeg2编码器技术文档本方案为符合MPEG-2/DVB 标准的广播级高品质数字压缩编码设备开发方案，可对模拟/数字视频和音频信号进行数字压缩处理,通过DVB 标准的ASI 接口与其它设备互联互通。

可通过系统控制台或本机控制按键方便的进行系统参数设置，紧凑的尺寸和低码率性能，使之在节目覆盖/传输系统、数字电视平台及监测系统的节目接收/解码部分广泛应用。

其特色是视频音频编码全部使用DSP 实现，避免了对专用芯片的依赖，同时各项指标完全达到了广播标准。

1.硬件框图数字音视频模拟音视频LCD 按键ASI 输出网管控制端口LCD 屏幕LED 指示灯图1.1 ：Mpe g-Ⅱ视频编码器硬件原理图硬件设计兼顾扩展性通用性与当前项目的特定要求，综合考虑了实现复杂度与尺寸的限制，硬件由主体的DSP 板和一块接口扩展板组成。

视频采用模拟复合视频（CVBS ）/S-Video/SDI （内嵌数字音频）接口，音频采用模拟平衡或非平衡音频接口，数字音频（AES/EBU ）接口，支持双路立体声或4个单声道，采用DVB 标准的ASI 接口，4个E1捆绑接口，100/10bBase-T 以太网接口，支持SNMP 网管控制，方便远程维护与升级。

DSP 板主要由一块DM642、一块ARM9和一块FPGA 构成，如图1.1所示。

ARM9负责上电后的系统配置、接收控制命令、与外部的数据通讯以及控制DSP 。

DSP 板上还有一块FPGA ，用来增强ARM9与外部的通讯功能，ARM9 通过该FPGA 控制LCD ，扩展外部接口等。

扩展板接口板通过FPGA 与ARM9通讯，主要是为接入一路视频输入或输出，也可以扩展其它数据接口。

2.软件架构系统软件由DSP与ARM的软件组成。

DSP负责核心的视频编码算法，ARM负责数据通讯和系统控制，DSP采用DSP/BIOS核完成实时多任务调度。

图2.1是DSP的软件架构，并指出了应用层主要任务间的数据流向。

MPEG-2压缩编码器原理分析导语：MPEG-2压缩编码器是将模拟电视视音频信号进行MPEG-2压缩编码输出实时TS流的前端设备,适用于数字电视的传输或前端信源编码以及会议电视、远程教育等各种应用,一台高级的编码器不仅具有DVB接口MPEG-2压缩编码器是将模拟电视视音频信号进行MPEG-2压缩编码输出实时TS流的前端设备,适用于数字电视的传输或前端信源编码以及会议电视、远程教育等各种应用,一台高级的编码器不仅具有DVB接口,还应当设有电信接口,以使该设备能方便地在HFC网络、微波MMDS或8GHZ系统、SDH或PDH 等网络中应用,如图1所示。

图1编码器的结构框图。

MPEG-2视频编码系统及关键技术MPEG-2图像压缩的原理是利用图像中的两种特性:空间相关性和时间相关性。

一帧图像内的任何一个场景都是由若干像素点构成的,因此一个像素通常与它周围的某些像素在亮度和色度上存在一定的关系,这种关系叫作空间相关性;一个节目中的一个情节常常由若干帧连续图像组成的图像序列构成,一个图像序列中前后帧图像间也存在一定的关系,这种关系叫作时间相关性。

这两种相关性使得图像中存在大量的冗余信息,如果我们能将这些冗余信息去除,只保留少量非相关信息进行传输,就可以大大节省传输频带,而接收机利用这些非相关信息,按照一定的解码算法,就可以在保证一定的图像质量的前提下恢复原始图像,一个好的压缩编码方案就是能够最大限度地去除图像中的冗余信息。

MPEG-2中的编码图像分为3类,分别称为I帧、P帧和B帧。

I帧图像采用帧内编码方式,即只利用单帧图像内的空间相关性,而没有利用时间相关性。

I帧主要用于接收机的初始化和信道的获取以及节目的切换和插入,I帧图像的压缩倍数相对较低,I帧图像周期性出现在图像序列中,出现频率可由编码器选择。

P帧和B帧图像采用帧间编码方式,即同时利用空间和时间上的相关性。

P帧图像只采用前向时间预测,可以提高压缩效率和图像质量。

北京海尔集成电路设计有限公司MPEG-2 标准介绍关于MPEG-2应用范围高清晰度电视（HDTV）、DVD、广播电视及其相关产品（机顶盒）等。

数字电视领域的应用加速了它的应用、成熟和发展。

特点由于采用可降低数码率、提高传输效率的信源编码，所以可用相对较少的存储空间来存储视、音频信息，并能较好的恢复。

所支持的图像分辩率最高。

支持包括高速体育运动在内的活动图像。

所支持的应用最为广泛，包括：◆存储媒体中的DVD◆广播电视中的数字广播电视和HDTV◆可应用于交互式（端对端）的点播视频(VOD)和准点播视频(NVOD)能够适配于ATM这种新兴的宽带通信网。

MPEG-2标准简介MPEG-2标准目前分为9个部分，统称为ISO/IEC13818国际标准。

1.系统（13818-1 System）：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。

2.视频（13818-2 Video）：描述视频编码方法。

3.音频（13818-3 Audio）：描述音频编码方法。

4.符合测试（13818-4 Compliance）：描述测试一个编码码流是否符合MPEG-2码流的方法。

5.软件（13818-5 Software）：描述了MPEG-2标准的第一、二、三部分的软件实现方法。

6.数字存储媒体-命令与控制（13818-6 DSM-CC）：描述交互式多媒体网络中服务器与用户间的会话信令集。

7.第七部分规定不与MPEG-1音频反向兼容的多通道音频编码。

8.第八部分现已停止。

9.第九部分规定了传送码流的实时接口。

前6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。

语法概念：类与级类(Profiles)按所使用的编码工具的集合分成五个类◆简单类(SimpleProfile)◆主类(MainProfile)◆信噪比可分级类(SNRScalableProfile)◆空间可分级类(SpatiallyScalableProfile)◆高级类（HighProfile）级(Levels)按编码图像的分辨率分成四个级级输入图像格式图像宽高比应用范围低级(LowLevel)352x240x30主级(MainLevel)720×480×30高级1440（High-1440）1440×1080×304:3HDTV高级（HighLevel）1920×1080×30 16:9应用组合“级”与“类”的关系类规定了可以使用哪些语法元素及如何使用————通用性级规定了这些语法元素的取值范围————特殊性组合级与类的组合：构成MPEG-2视频编码标准在某种特定应用下的子集。

MPEG-2五合一编码器使用说明书目录1安全注意事项 (1)2概述 (2)2.1产品功能及用途 (2)2.2外形尺寸（1U机箱） (2)3主要特点 (3)4技术规格与指标 (3)4.1视频接口特性 (4)4.1.1视频信号 (4)4.2音频接口特性 (4)4.2.1模拟音频信号 (4)4.3MPEG-2视频编码压缩 (5)4.3.1视频 (5)4.4数据接口 (5)4.4.1DVB ASI输入/输出接口 (5)4.5分辨率选择 (5)4.6网络管理接口 (5)4.7辐射及安全要求 (6)5系统组成及工作原理 (6)5.1系统组成 (6)5.2工作原理 (8)5.2.1视音频A/D处理 (8)5.2.2视音频编码 (8)5.2.3视音频码流处理 (8)6安装指南 (9)6.1安装准备 (9)6.2设备安装流程 (9)6.3环境条件要求 (9)6.4接地要求 (10)6.4.1机柜接地 (10)6.4.2设备接地 (11)6.5线缆的连接 (11)6.5.1电源线的连接 (11)6.5.2信号线的连接 (11)7前面板操作指南 (12)7.1键盘功能 (12)7.2菜单选择 (12)7.2.1锁定状态显示 (12)7.2.2主菜单显示 (13)7.2.3编码器设置 (13)7.2.4视频设置 (13)7.2.5音频设置 (16)7.2.6系统设置 (17)7.2.7ASI输入 (20)7.2.8输出设置 (21)7.2.9网络设置 (22)7.2.10保存当前设置 (22)7.2.11加载设置 (23)7.2.12版本号 (23)7.2.13选择语言种类（中文和英文） (23)7.2.14错误信息 (23)7.3系统运行错误及排除 (24)7.3.1指示灯状态 (24)7.3.2常见故障排除 (24)8网络管理器操作指南 (25)8.1NMS登陆 (25)8.2添加频点 (27)8.3添加设备 (27)8.4修改设备 (28)8.5查看和设置设备参数 (31)8.5.1输出设置 (32)8.5.2视频参数 (33)8.5.3音频参数 (34)8.5.4系统设置 (35)8.5.5ASI输入 (36)8.5.6NIT编辑 (37)网管软件公共功能 (37)前言感谢您选用本公司的产品。

1. MPEG-2标准简介现有MPEG-2视频标准的技术规范集包括6类（profile）4级（level）组成，并采用分级编码。

所谓级是指MPEG-2的输入格式，标识从有限清晰度的VHS 质量图象到HDTV图象，每一种输入格式编码后都有一个相应的范围。

. 低级LL（Low Level）：图象输入格式的象素是ITU-R Rec.BT 601格式的 1/4，即352*240*30或352*288*25，相应编码的最大输出码率为4Mbps。

. 主级ML（Main Level）:图象输入格式符合ITU-R Rec.BT 601格式，即720*480*30或720*576*25。

相应编码的最大输出码率为15Mbps。

高级类20Mbps。

. 1440高级H14L（High 1440 Level）: 是1440*1152*25的高清晰度格式。

相应编码的最大输出码率为60Mbps。

高级类80Mbps。

. 高级HL（High Level）:图象输入格式为1920*1152*25的高清度格式。

相应编码的最大输出码率80Mbps。

高级类为100Mbps。

所谓类是指MPEG-2的不同处理方法，每一类都包括压缩和处理方法的一个集合。

不同的类意味着使用不同集合的码率压缩工具。

越高的类编码越精细，而每升高一类将提供前一类没有使用的附加工具，当然实现的代价会更高。

而解码器却是向下兼容的，任何一种高级类解码器，均应能解码用低级类方法编码的图像。

MPEG-2共分6类：简单类SP（Simple Profile）；主类MP（Main Profile），它比简单类增加了一种双向预测方法，在相同比特率的情况下，将给出比简单类更好的图像。

主类的扩展类P（Profile），主要是由Tektronic公司和SONY公司在主类的基础上推出的更适用于演播室视频节目制作要求的数据压缩处理方法。

信噪比可分级类SNRP （SNR Scaleable Profile）；空间可分级类SPP（Spatially Scaleable Profile）和高级类HP（High Profile）。