MPEG-2壓縮編碼器原理

　　圖1 編碼器的結(jié)構(gòu)框圖。

　　MPEG- 2視頻編碼系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)

　　MPEG - 2 圖像壓縮的原理是利用圖像中的兩種特性: 空間相關(guān)性和時(shí)間相關(guān)性。一幀圖像內(nèi)的任何一個(gè)場景都是由若干像素點(diǎn)構(gòu)成的, 因此一個(gè)像素通常與它周圍的某些像素在亮度和色度上存在一定的關(guān)系, 這種關(guān)系叫作空間相關(guān)性; 一個(gè)節(jié)目中的一個(gè)情節(jié)常常由若干幀連續(xù)圖像組成的圖像序列構(gòu)成, 一個(gè)圖像序列中前后幀圖像間也存在一定的關(guān)系, 這種關(guān)系叫作時(shí)間相關(guān)性。這兩種相關(guān)性使得圖像中存在大量的冗余信息, 如果我們能將這些冗余信息去除, 只保留少量非相關(guān)信息進(jìn)行傳輸, 就可以大大節(jié)省傳輸頻帶,而接收機(jī)利用這些非相關(guān)信息, 按照一定的解碼算法,就可以在保證一定的圖像質(zhì)量的前提下恢復(fù)原始圖像, 一個(gè)好的壓縮編碼方案就是能夠最大限度地去除圖像中的冗余信息。

　　MPEG - 2 中的編碼圖像分為3 類, 分別稱為I幀、P幀和B幀。

　　I幀圖像采用幀內(nèi)編碼方式, 即只利用單幀圖像內(nèi)的空間相關(guān)性, 而沒有利用時(shí)間相關(guān)性。I幀主要用于接收機(jī)的初始化和信道的獲取以及節(jié)目的切換和插入, I幀圖像的壓縮倍數(shù)相對(duì)較低, I幀圖像周期性出現(xiàn)在圖像序列中, 出現(xiàn)頻率可由編碼器選擇。

　　P幀和B 幀圖像采用幀間編碼方式, 即同時(shí)利用空間和時(shí)間上的相關(guān)性。P幀圖像只采用前向時(shí)間預(yù)測(cè), 可以提高壓縮效率和圖像質(zhì)量。P幀圖像中可以包含幀內(nèi)編碼的部分, 即P幀中的每一個(gè)宏塊可以是前向預(yù)測(cè), 也可以是幀內(nèi)編碼。B 幀圖像采用雙向時(shí)間預(yù)測(cè), 可以大大提高壓縮倍數(shù)。值得注意的是, 由于B 幀圖像采用了未來幀作為參考, 因此MPEG- 2編碼碼流中圖像幀的傳輸順序和顯示順序是不同的。

　　MPEG - 2的編碼碼流分為6個(gè)層次。為更好地表示編碼數(shù)據(jù), MPEG- 2用句法規(guī)定了一個(gè)層次性結(jié)構(gòu), 它分為6層, 自上到下分別是: 圖像序列層、圖像組( GOP)、圖像、宏塊條、宏塊、塊。MPEG - 2標(biāo)準(zhǔn)的主要應(yīng)用如下: 視音頻資料的保存; 非線性編輯系統(tǒng)及非線性編輯網(wǎng)絡(luò); 微波、衛(wèi)星、光纜傳輸; 電視節(jié)目的播出。在全數(shù)字電視技術(shù)中, 有兩個(gè)很關(guān)鍵的編碼技術(shù)即信源編碼和信道編碼, 它們就是采用MPEG - 2 技術(shù), 信源編碼的主要任務(wù)是解決圖像信號(hào)的壓縮和保存問題, 信道編碼的主要任務(wù)是解決圖像信號(hào)的傳輸問題。圖像信號(hào)的數(shù)據(jù)量大, 如不進(jìn)行壓縮, 數(shù)字電視信號(hào)就無法實(shí)時(shí)傳送, 而壓縮的主要方式就是除去冗余信號(hào)。所謂冗余信號(hào)是指那些與信息無關(guān)的或?qū)D像質(zhì)量影響不大的多余部分, 這就是MPEG - 2 圖像壓縮的原理。

　　( 1) 空間冗余。一幅圖像由數(shù)十萬個(gè)像素組成,相鄰兩個(gè)甚至幾個(gè)像素之間有很大的相似性(或稱相關(guān)性), 在傳送時(shí)會(huì)出現(xiàn)連續(xù)傳送許多相同數(shù)據(jù)的情況, 稱之為空間冗余, 利用某種編碼方法(如正交變換編碼) , 去掉空間上的冗余信息, 減少傳輸和記錄碼率。

　　( 2) 時(shí)間冗余。電視圖像也有很強(qiáng)的時(shí)間相關(guān)性, 對(duì)于25幀/ s的圖像來說, 通常情況下前一幀圖像和后一幀圖像的差別很小, 大部分畫面內(nèi)容相同, 這表明相鄰兩幅圖像的相關(guān)性非常大, 而圖像之間相隔較遠(yuǎn)時(shí), 其圖像的相關(guān)性才逐步減小, 而且這種相關(guān)性很強(qiáng)的圖像變化時(shí)一般都是有規(guī)律的, 也就是說每一幅圖像的變化是可預(yù)測(cè)的。利用圖像的時(shí)間冗余特性,把圖像信號(hào)在時(shí)間上的冗余信息去掉, 也可以減小傳輸和記錄碼率。

　　( 3) 統(tǒng)計(jì)冗余。圖像和聲音信號(hào)數(shù)字化后遵循一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律, 如在圖像預(yù)測(cè)編碼系統(tǒng)下, 當(dāng)前像素信號(hào)的預(yù)測(cè)值是由前幾個(gè)相鄰像素值或該像素在前一段上的時(shí)間值預(yù)測(cè)出來的。根據(jù)圖像的空間相關(guān)性和時(shí)間相關(guān)性可知預(yù)測(cè)誤差小的信號(hào)出現(xiàn)的概率大, 相反則出現(xiàn)概率小。采用統(tǒng)計(jì)編碼的方法, 對(duì)出現(xiàn)概率大的小誤差信號(hào)值用短碼, 而對(duì)出現(xiàn)概率小的大誤差信號(hào)值用長碼, 這樣就去掉了信號(hào)在統(tǒng)計(jì)上的冗余信息。

　　( 4) 知覺冗余。人的視聽器官都具有某些不敏感性。知覺冗余是指處于人們視覺和聽覺分辨力不敏感或達(dá)不到的視音頻信號(hào), 對(duì)這些無關(guān)緊要的信息給與較大的失真處理, 人們并不會(huì)明顯地感到圖像和聲音質(zhì)量的降低, 甚至毫無覺察。因此在編碼時(shí)可以分長碼和短碼來對(duì)不同的內(nèi)容進(jìn)行編碼, 這叫作有所為和有所不為, 從而達(dá)到減小碼率的目的。