MPEG-2标准中的4∶4∶2P＠ML

前　言

　　目前，数字电视信号的压缩技术已经成为广播电视领域的发展方向，MPEG-2标准就是其中一个杰出的代表。但最初的MPEG-2标准着重于数字视频的分配，不能很好地、低费用地进行专业视频处理。现在，MPEG－2标准推出了一个能够进行专业视频处理的、廉价的、多功能的新型／级－－在主级上的4∶2∶2型（4∶2∶2P＠ML）。

　　一、MPEG标准

　　MPEG标准是国际标准组织运动图像专家组制定的一系列利用数字压缩手段使运动图像频带压缩的国际标准。

　　MPEG标准中的数字压缩的基本步骤为：首先将模拟视频转换为数字视频后按时序分组，然后每个图像组（GOP：group of pictures）选定一个基准图像利用运动估计减少图像间的时间冗余，最后将基准图像和运动估计误差进行离散余弦变换（DCT：discrete cosin transform）、系数量化和熵编码（VLC＆RLC：‘variable length coding’and ‘run length coding’）以消除空间冗余。

　　其中，MPEG-1标准用于运动图像及其音频编码标准，着重于高压缩率，从而具有低带宽和低分解力，视频速率大致为1.5Mb/S。MPEG－2标准与MPEG－1标准相似，但比特率比其高得多，因而具有较高的带宽和分解力。它可以编码出广播级质量的视、音频，故可应用于广播电视领域。

　　二、MPEG-2标准的型与级

　　MPEG-2标准可定义高达400Gb/S的比特率和16000×16000像素的图像。标准结合实际情况制定了一个涵盖大部分应用的型／级体系（表１）。每个型（profile）都是MPEG语法的一个完整的子集合，型中选定不同的参数形成不同的级（level）。
MPEG-2标准共分5型：简单型（SP：simple profile），只有基准帧Ι和预测帧P；主型（MP：main profile）,比SP增加了双向推测帧Ｂ；信杂比分层型（SNRP：SNR scalable profile）；空间可分层型（SSP：spatial scalable profile）高型（HP：high profile）。

　MPEG-2标准共分4级：低级（LL：low level），输入信号的像素为ITU-R 601格式的四分之一；主级（ML：main level)，输入信号的像素为ITU-R　601格式；高级-1440（H14L：high－1440　level）为4∶3模式电视高清晰度格式；高级（HL：high level）为16∶9模式电视的高清晰度格式。

表１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　MPEG-2标准的型与级

高级 —— 4:2:0
1920×1152
80Mb/S
I.P.B —— —— 4:2:0 4:2:2
1920×1152
100Mb/S
I.P.B
高级
-1440 —— 4:2:0
1440×1152
60Mb/S
I.P.B —— 4:2:0
1440×1152
60Mb/S
I.P.B 4:2:0 4:2:2
1440×1152
80Mb/S
I.P.B
主级 4:2:0
720×576
15Mb/S
I.P 4:2:0
720×576
15Mb/S
I.P.B 4:2:0
720×576
15Mb/S
I.P.B —— 4:2:0 4:2:2
720×576
15Mb/S
I.P.B
低级 —— 4:2:0
352×288
4Mb/S
I.P.B 4:2:0
352×288
4Mb/S
I.P.B —— ——
级/型 简单型 主型 SNR型 空间型 高型

　　表１中每一型／级的第1行其使用的抽样格式，第2行为画面的横向像素数×纵向像素数，第3行为编码后的比特率，第4行为其GOP的构成。

　　MPEG-2标准具有兼容性，表1中的11种型／级的解码器必须能解码任何一种位于其左式其下的型／级的编码。

　　MPEG-2标准允许分层解码，低比特率解码器可以解码全比特流编码的一部分，从而获得质量相对较低的画面。标准允许从信杂比和空间分解力两方面进行分层：信杂比分层型（SNRP）允许低比特率解码器解码出一个比全比特率解码的画面信杂比低的画面；空间分层型（SSP）允许低比特率解码器解码出一个比全比特率解码的画面分解力低的画面。

　　三、MPEG-2　4∶2∶2P＠ML

　　最初的MPEG-2标准是为视频分配而设计的，最常用的是MP＠ML。但由于比特率的限制和4∶2∶0式的抽样结构，MP＠ML不能应用于专业视频处理。4∶2∶0式抽样结构所产生的色度串扰使其不具有高质量的多代复制能力；应用具有编辑能力的短GOP和15Mb/s的比特率不能提供高质量的图像，而应用长GOP和15Mb/s的比特率又不能进行图像的编辑。这就要求应用4∶2∶2式抽样结构和较高的比特率进行视频编码以适应专业应用对多代复制、高质量图像和可编辑的要求。

　　表1中HP＠HL、HP＠H1440L满足以上的条件，但要兼容两个分层型SNRP和SSP。分层非常复杂，其编码和解码电路至少为常规编码和解码电路的两倍，费用非常昂贵；而且，对于专业视频处理而言，完全没必要具有分层功能。故考虑在MP＠ML的基础上应用4∶2∶2式抽样结构、增加比特率而形成一个新的型／级－－在主级上的4∶2∶2型（4∶2∶2P＠ML），以达到既适应专业视频处理的要求又节省费用的目的。

　　1996年1月，4∶2∶2P＠ML正式成为MPEG-2国际标准的一部分（表2）。它与MP＠ML相比较，比特率拓展为50Mb/s，可支持4∶2∶2式抽样结构，但象ML＠ML一样不支持分等编码／解码模式。全兼容的4∶2∶2P＠ML解码器可解码表2中其左或其下的所有型／级的编码。

表2　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　加入4∶2∶2P＠ML的MPEG-2标准的型与级

高级 -- 4:2:0
1920×1152
80Mb/S
I.P.B 　 -- 　 -- -- 4:2:0 4:2:2
1920×1152
100Mb/S
I.P.B
高级
-1440 -- 4:2:0
1440×1152
60Mb/S
I.P.B 　 -- 　 -- 4:2:0
1440×1152
60Mb/S
I.P.B 4:2:0 4:2:2
1440×1152
80Mb/S
I.P.B
主级 4:2:0
720×576
15Mb/S
I.P 4:2:0
720×576
15Mb/S
I.P.B 　 4:2:0
720×576
50Mb/S
I.P.B 　 4:2:0
720×576
15Mb/S
I.P.B -- 4:2:0 4:2:2
720×576
15Mb/S
I.P.B
低级 -- 4:2:0
352×288
4Mb/S
I.P.B 　 -- 　 4:2:0
352×288
4Mb/S
I.P.B -- --
级/型 简单型 主型 　 4:2:2型 　 SNR型 空间型 高型

　　四、MPEG-2 4∶2∶2P＠ML的测试结果及分析

　　在MPEG-2 4∶2∶2P＠ML的定型前后，在Tektronix的协助下SMPTE针对其进行了一系列的观看测试，证实MPEG-2 4∶2∶2P＠ML符合专业应用的要求（表3）。

　　测试分专家和非专家组对525／60系统和625／50系统的不同素材进行主观评估。525／60系统对不同素材在广泛的比特率和GOP结构上进行了测试，而625/50系统仅对不同素材进行了几种比特率和GOP结构的测试。测试包括从第一代至第八代（一代为一个压缩／解压缩的循环）。对画面进行了空间和时间的平移以计算多代复制后画面的重新定位（可能出现在DVE中）和一致性的效果。空间平移是在第一代和第二代之间进行水平两像素和垂直两行的平移，而在第五代和第六代之间再转换过来。测试素材包括典型的和难以压缩的画面序列，要求观测者对质量打分，打分范围是0至100。0为最好、100为最坏。

表3　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　MPEG-2　4∶2∶2P＠ML的观测结果

　 0为最好；100为最差
525/60 625/50
比特率(Mb/s) GOP 代 平移 专家 非专家 专家 非专家
50 IB 1 n/a 2.81 0.23 —— ——
50 IB 8 空间 9.31 4.11 —— ——
50 I 1 n/a 11.71 4.97 —— ——
50 I 8 空间 12.22 5.80 10.09 11.65
30 IB 1 n/a 13.56 9.44 —— ——
30 IB 8 空间 19.11 7.48 18.77 12.49
30 I 1 n/a 19.81 12.21 —— ——
30 I 8 空间 42.83 25.45 27.16 23.97
20 IBBP 1 n/a 11.11 5.22 —— ——
20 IBBP 8 空间 30.86 20.75 20.43 18.47
20 IB 1 n/a 28.25 19.39 —— ——
20 IB 8 空间 43.61 27.56 26.14 21.62
6(MP·ML） IBBP 1 n/a —— —— 29.03 26.59

　　从表3可以看出，专家组比非专家组的打分更加严格。分析测试结果可得出以下的结论（根据MPEG-2标准的视频压缩原理亦可推导出）：

　　1.在比特率和GOP结构一定的条件下，代数越多画面质量越差；
　　2.在代数和比特率一定的条件下，GOP的结构越长（越复杂）多画面质量越好；
　　3.在代数和GOP结构一定的条件下，比特率越高画面质量越好。

　　所以，为节省费用，在保证一定的画面质量水平的条件下，较低的比特率可用较的长（较复杂的）GOP结构；较短的（较简单的）GOP结构可用较高的比特率。

　　五、4∶2∶2P＠ML的优势

　4∶2∶2P＠ML的编码器具有灵活的比特率和GOP结构，通过调整比特率和GOP结构，可编码出相当于上至D1下至VHS质量的数字压缩视频，并同时具备它们的功能，从而具有非常广泛的用途。

　全兼容的4∶2∶2P＠ML解码器可以彻底解决多制式的问题。它不但能够解码4∶2∶2P＠ML编码器的各种不同比特率和GOP结构的编码，而且能够解码表2中任何一个其左、其下的型／级的编码器的各种不同比特率和GOP结构的编码。

　　新闻和获得素材要求较高质量的画面、易编辑，而不考虑多代复制。它要求体积小、重量轻、便携、内部电源驱动、低成本、低功耗。可采用低比特率、短GOP结构。存档要求高质量的画面、具有多代复制和编辑能力，可采用较高的比特率和较短GOP结构。视频分配要求高压缩率以便传输和较高的质量而不考虑多代和编辑，可采用较低的比特率和较长的GOP结构。

　　总　结

　　4∶2∶2P＠ML的相对简单的编码结构使其具有较高的性能价格比，它具有灵活的比特率和GOP结构，使得专业视频处理的数字化成为可能。它彻底解决了长期困扰广播电视系统的多制式并存的问题，从而节约了大量的劳动和昂贵的制式转换费用。随着广播电视微机化、磁盘化的进程，它的优势会越来越被专业用户所重视。