剖析 MPEG-2 視頻編碼器

剖析 MPEG-2 視頻編碼器

`99中南地區(qū)省級電視臺技術(shù)協(xié)會技術(shù)論文二等獎
《西部廣播電視》1999年第6期發(fā)表

1. MPEG-2標準簡介
現(xiàn)有MPEG-2視頻標準的技術(shù)規(guī)范集包括6類（profile）4級（level）組成，并采用分級編碼。所謂級是指MPEG-2的輸入格式，標識從有限清晰度的VHS 質(zhì)量圖象到HDTV圖象，每一種輸入格式編碼后都有一個相應(yīng)的范圍。
. 低級LL（Low Level）：圖象輸入格式的象素是ITU-R Rec.BT 601格 
式的 1/4，即352*240*30或352*288*25，相
應(yīng)編碼的最大輸出碼率為4Mbps。
. 主級ML（Main Level）:圖象輸入格式符合ITU-R Rec.BT 601格式，
即720*480*30或720*576*25。相應(yīng)編碼的 
最大輸出碼率為15Mbps。高級類20Mbps。
. 1440高級H14L（High 1440 Level）: 是1440*1152*25的高清晰度格
式。相應(yīng)編碼的最大輸出碼
率為60Mbps。高級類80Mbps。
. 高級HL（High Level）:圖象輸入格式為1920*1152*25的高清度格
式。相應(yīng)編碼的最大輸出碼率80Mbps。高級
類為100Mbps。

    所謂類是指MPEG-2的不同處理方法，每一類都包括壓縮和處理方法的一個集合。不同的類意味著使用不同集合的碼率壓縮工具。越高的類編碼越精細，而每升高一類將提供前一類沒有使用的附加工具，當然實現(xiàn)的代價會更高。而解碼器卻是向下兼容的，任何一種高級類解碼器，均應(yīng)能解碼用低級類方法編碼的圖像。
MPEG-2共分6類：簡單類SP（Simple Profile）；主類MP（Main Profile），它比簡單類增加了一種雙向預(yù)測方法，在相同比特率的情況下，將給出比簡單類更好的圖像。主類的擴展類P（Profile），主要是由Tektronic公司和SONY公司在主類的基礎(chǔ)上推出的更適用于演播室視頻節(jié)目制作要求的數(shù)據(jù)壓縮處理方法。信噪比可分級類SNRP（SNR Scaleable Profile）；空間可分級類SPP（Spatially Scaleable Profile）和高級類HP（High Profile）。前兩種可分級工具允許將編碼的視頻數(shù)據(jù)分為基本層和上層信號�；�本層表示編碼圖像的基本數(shù)據(jù)，但代表的圖像質(zhì)量低；上層信號則可用來改進信噪比或清晰度。這就意味著有時解碼器可以忽略比特流中的增強部分，而只解碼比特流中的基本部分，仍可得到有用的圖像序列，只不過此時所得的圖像分辨率低一些，或者幀速率低一些，或者質(zhì)量低一些。
現(xiàn)有數(shù)字電視廣播系統(tǒng)就利用了MPEG-2的這種可分級性，使數(shù)字信號能同時覆蓋接收條件好的和接收條件差的地區(qū)，并使能接收和不能接收的區(qū)域過渡更為平滑，同時粗編碼的低層信號可以有較強的抗干擾能力，可以有更大的覆蓋范圍。

 

由于MPEG-2不僅消除了空間上的冗余，而且消除了時間上的冗余，因此使用MPEG-2可以在比較大的壓縮比的情況下保持較好的圖像質(zhì)量，SONY的Betacam-SX采用10:1壓縮，數(shù)據(jù)率為18Mb/S是現(xiàn)有數(shù)字錄象機中最低的，有利于高速傳輸與存儲。另外，MPEG-2還具有如下特色： 1． 輸出碼率流速率可適應(yīng)同步或異步傳輸，無需固定； 2． 適應(yīng)于逐行或隔行掃描系統(tǒng)； 3 ． 可用于4:2:0、4:2:2、4:4:4等亮、色取樣； 4． 按清晰度可以將圖象分為4個等級，高級解碼器可與低級解碼器實現(xiàn)下兼容； 5． 按使用的工具和方法不同分為5種類型，即允許分層性編碼，以保證不同的傳輸與接收要求。 MPEG-2的這種開放性的優(yōu)點，決定了Betacam-SX將來可直接與眾多公司生產(chǎn)的數(shù)字視頻系統(tǒng)連接，進行數(shù)據(jù)交換、傳輸、制作而不需任何數(shù)字的轉(zhuǎn)換設(shè)備，就連一貫采用M-JPEG數(shù)字壓縮算法的非線形編輯領(lǐng)域也在積極向MPEG-2靠攏。Matrox、品尼高等一些非線形軟、硬件主流產(chǎn)品廠商也已經(jīng)宣布將于99年第一季度推出采用MPEG-2壓縮算法的視頻板卡及軟件，無疑這其中受益的是Betacam-SX，而且Betacam-SX本身還推出了一種盤帶結(jié)合型錄象機，為進行非線形編輯提供了更加優(yōu)越的條件。另外， MPEG-2將是廣播電視向全數(shù)字化過渡的最佳選擇也逐步被大多數(shù)視頻專業(yè)人士認可，所以美國以及西方各國普遍以MPEG-2標準作為數(shù)字HDTV圖像壓縮編碼系統(tǒng)的核心，這無疑又為Betacam-SX的未來發(fā)展提供了一個優(yōu)越性。 四．Betacam-SX的零幀編輯 最初的MPEG-2標準是為視頻分配而設(shè)計的，為家庭提供一個可接受的圖象質(zhì)量，但是由于有限的數(shù)據(jù)率（最大為15Mb/S）和采用4:2:0取樣，它的質(zhì)量并不適合專業(yè)制作和后期制作，4:2:0的取樣結(jié)構(gòu)也不能達到演播室對多代復(fù)制所要求的圖象質(zhì)量，采用小型GOP（Group Of Picture）結(jié)構(gòu)和15Mb/S的數(shù)據(jù)率不能產(chǎn)生所需的圖象質(zhì)量，大型的GOP結(jié)構(gòu)又令演播室的信號切換很困難也不能實現(xiàn)零幀編輯，因此很多的錄象機采用幀內(nèi)DCT處理，造成在整個節(jié)目到播出的鏈條中，節(jié)目制作是唯一不使用MPEG-2的部分。SONY公司在與大批廠商的共同努力下，順應(yīng)了發(fā)展的趨勢率先推出采用MPEG-2 MP@ML的改進型MPEG-2 4:2:2 P@ML壓縮算法的Betacam-SX，以兩幀（I幀和B幀）作為一個GOP，既保證了廣播級的圖像質(zhì)量，又實現(xiàn)了高穩(wěn)定性以及高速的數(shù)據(jù)傳輸，但是最初我們還是有一點疑問，就是Betacam-SX如何實現(xiàn)零幀編輯，這恐怕也是很多家電視臺在選擇數(shù)字錄象機時的疑慮之處。在解釋Betacam-SX如何實現(xiàn)零幀編輯之前，首先讓我們先看一看其它采用幀內(nèi)壓縮的數(shù)字錄象機是如何進行零幀編輯的。 在進行復(fù)制或編輯時，目前數(shù)字錄象機通常都使用串行數(shù)字（SDI）或模擬接口相連接的。因為即使裝配了傳輸壓縮數(shù)字信號的接口（如：SDTI、QSDI等），那么它只能應(yīng)用在復(fù)制操作中，而一旦需要疊加字幕或在系統(tǒng)使用時，也必須使用SDI或模擬接口。    

 

與之對應(yīng)，解碼也可分成三部分，解復(fù)用. 拆包和視頻解碼及音頻解碼。
MPEG-2視頻ES結(jié)構(gòu)可分為6層：
<1>視頻序列層。定義整個視頻序列的結(jié)構(gòu)，是節(jié)目的隨機進入點。
<2>圖像組層(GOP)。支持圖象解碼過程中的隨機存取功能，GOP是 
視頻編輯的隨機進入點。
<3>圖像層。包含一幅圖象（幀）的所有編碼信息，是編碼處理的單
位。
<4>象條層。在反DCT變換時提供同步的功能。
<5>宏塊層。宏塊是運動補償處理的單位。由亮度塊和色度塊組成， 
包含P幀 B幀的運動矢量。
<6> 象塊層。象塊層是DCT變換的單位，提供DCT系數(shù)。
3. MPEG-2的編碼方式
MPEG-2有三種編碼方式：幀內(nèi)壓縮編碼方式, 見圖3；幀間壓縮編碼方式，見圖4；幀內(nèi)及幀間壓縮編碼方式, 見圖5。
壓縮就是將視頻信號中冗余減少的過程,　首先必須識別每個視頻場和幀中的冗余，這主要包括空間與時間上的冗余。去除視頻信號空間冗余可通過DCT變換來完成，DCT變換是一個無信號損失的雙向數(shù)學過程。它將空間分布的變化程度轉(zhuǎn)變成重現(xiàn)空間分布所需的頻率帶寬。變換所得到的系數(shù)值既可以代表不斷增加的更高的垂直和水平空間頻率，也可以代表不同的水平和垂直空間頻率組合。視頻信號經(jīng)過DCT變換后，較高的空間頻率系數(shù)會變得非常細小，而據(jù)人眼的視覺特性，較高的空間頻率系數(shù)可以少量的比特來表示，或者完全去掉而不影響圖像質(zhì)量。在實際應(yīng)用時為保持信號的可逆性和無損性，常常采用更多的比特來表示DCT系數(shù)。去除視頻信號時間冗余，可使用有運動補償?shù)膸�間預(yù)測來完成。對于活動圖像多數(shù)情況下只是其中的很少一部分圖像在運動，即使有大范圍的活動部分，前后幀盡管有很大區(qū)別，但移動物體本身大多數(shù)情況下是相同的。因此只需要找到圖像中某一部分運動了多少就可以在前一幀找到相應(yīng)圖像的內(nèi)容，這個查找過程稱為運動估值，其表達方式是運動矢量；而把前一幀相應(yīng)的運動部分補過來，得到其剩余的不同部分的過程稱為運動補償。就這樣，采用運動補償可以有效地去除視頻信號在時間方向的重復(fù)信息，達到壓縮的目的。
為了達到減少數(shù)據(jù)的目的，MPEG-2將4：2：2轉(zhuǎn)換成4：2：0，并且通過量化，將代表每一個系數(shù)的比特數(shù)目減少。一般使用11比特來代表DCT系數(shù)，對于其他系數(shù)則采用較小的比特數(shù)目。每一個或每組宏塊都有不同的量化刻度，對每個宏塊采用不同的量化因數(shù)，使只含幀內(nèi)壓縮的MPEG能提供比同樣圖像質(zhì)量的M-JPEG多出10%--20%的壓縮效果。而相對于原來的DCT系數(shù)的數(shù)據(jù)，量化表及被量化的系數(shù)數(shù)據(jù)量要小得多。
在量化過程后，無損數(shù)據(jù)壓縮是通過可變長度編碼VLC和游程長度編碼RLC實現(xiàn)的。VLC是在數(shù)據(jù)內(nèi)尋找共同的圖案或字符，采用較小數(shù)量的比特為經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)值進行編碼，而用較多數(shù)量的比特為較少出現(xiàn)的數(shù)值進行編碼。RLC是用一個字符代表一串一定數(shù)目的零�？偟哪康闹挥幸粋�，減少數(shù)據(jù)量。

 

量化表控制是一個決定如何量化DCT系數(shù)的過程；輸出緩存可維持數(shù)據(jù)流，并提供量化器的控制，從而限制或維持數(shù)據(jù)流在一個一定的水平。在實

    實際應(yīng)用中，當壓縮數(shù)據(jù)被錄像機記錄時，需要提供一個持續(xù)不變的比特率，以使機械部分以穩(wěn)定的速率旋轉(zhuǎn)掃描機構(gòu)。而對于硬盤記錄來說，又需要一個可變速的比特率。通常，一個可變速比特率是提供一個持續(xù)不變質(zhì)量水平的較好選擇。
幀間壓縮一般是在未壓縮的圖像上進行，是一個無損過程。在圖4中，在參考幀幀存中有一副完全解析度，完整數(shù)據(jù)的前一副圖像。在預(yù)測幀幀存中擁有一個根據(jù)前一幀和運動矢量所建立的預(yù)測的當前幀。輸出是預(yù)測的當前幀與實際當前幀相減后的差值。若沒有運動或其他變化，當前幀便可得到完美的預(yù)測，差分幀輸出為 0（極易壓縮）。當前一幀和后一幀有點不同時，差分幀仍有少量數(shù)據(jù)需要壓縮。
采用幀內(nèi)壓縮編碼形成的圖像稱為I幀，形成過程見圖3；采用幀內(nèi)及幀間壓縮編碼形成的圖像稱為B幀和P幀。P 幀為前向預(yù)測幀，是以前一個I 幀為預(yù)測幀進行編碼的。在I 幀和P 幀中間可以插入若干個B 幀，B 幀是從相鄰的最近的I 幀或P 幀作雙向預(yù)測進行編碼的。形成P幀時參考幀幀存只要求存儲一幀圖象，而形成B幀時，參考幀幀存則需存儲前后兩幀圖象。
由三種相互間有預(yù)測與生成關(guān)系的不同的幀數(shù)據(jù)，I 幀 P幀 B幀數(shù)據(jù)按照不同的組合組成圖像組（GOP） ，再加上序列起始碼和序列頭等數(shù)據(jù)組成圖像序列或ES，ES再打包成PES；PES再按188byte的固定長度加上各種參數(shù)組成傳送碼流TS。

4. 從MPEG-2 MP@ML到MPEG-2 P@ML
目前業(yè)界流行的數(shù)字錄像機，采用的均是Digital-S. DVCPRO. DVCCAM 與Betacam-SX四種格式。這四種格式中,前3種采用的均是M-JPEG標準的幀內(nèi)壓縮場編碼的方式, 只有SONY公司推出的Batecam-SX格式采用了MPEG-2標準，但它采用的是MPEG-2 4:2:2 P@ML 而不是MPEG-2 4:2:0 MP@ML 。原因在于：
<1> MP@ML較長的GOP結(jié)構(gòu)(12幀), 決定了它的編輯精度只有12幀，遠遠不能滿足節(jié)目制作的逐幀編輯要求，也令演播室的信號切換變得困難。當采用較小GOP的結(jié)構(gòu)時，15Mbps的最大碼速率又決定了不能產(chǎn)生所需的圖像質(zhì)量。
<2> 4：2：0的色度亞取樣，決定了它在垂直方向上的色度精度只有水平方向的一半，雖然作為直接傳輸顯示可以，但作為演播室節(jié)目制作,當有較多色度處理時就顯得不足,有違原數(shù)字演播室4：2：2的初衷。同時也不能產(chǎn)生演播室對多代復(fù)制所要求的圖像質(zhì)量，多版復(fù)制只可到2代。
為了適應(yīng)演播室節(jié)目制作的要求, 在Tektronix 和SONY 等眾多公司的共同努力下,形成了MPEG-2 4:2:2 P@ML。 
MPEG-2 4:2:2 P@ML與MPEG-2 MP@ML相比的主要不同點是:
. 色度4:2:2 或 4:2:0的亞取樣。
. 最大比特率 擴展到50Mbps。
. 編輯精度達到1幀（允許只有1幀的圖像組GOP）。
. 幀內(nèi)方式DCT系數(shù)精度： 8 . 9 . 10或11 比特
. 可傳送所有有效圖像和場效應(yīng)信號。
. 最大像素數(shù): 720樣值/行
512行/幀 對于30幀/秒
608行/幀 對于25幀/秒
. 最高亮度樣值率: 11059200像素/秒
. 可向下兼容MPEG-2 MP@ML 
. 亮度和色度量化表: 分開
. 大于512行圖像的場重復(fù)增加兩個限制:
B幀不重復(fù)第一場. 幀率應(yīng)為25Hz.
. 對編碼器的要求較其他更高的類及級低，因而降低了生產(chǎn)成本。
所有上述不同點都是為了適應(yīng)較高碼率和較高圖像質(zhì)量演播室節(jié)目制作的需求。 
Batecam-SX的一個GOP是由一個I幀與一個前后I幀預(yù)測數(shù)據(jù)差值的B幀構(gòu)成, 壓縮比為10:1. 視頻數(shù)據(jù)率為18Mbps. 這也正是 Batecam-SX 有別于另外三種數(shù)字錄像機格式(50Mbps)及MPEG-2 MP@ML(15Mbps)的特色之處。因為GOP的結(jié)構(gòu)與大小與所選最終輸出碼率有很大關(guān)系. 在50Mbps左右，較長的GOP對提高圖像質(zhì)量并沒有太大效果,因此采用只有I 幀(幀內(nèi)壓縮)的結(jié)構(gòu)比較有利。而在15Mbps以下,只有較大的GOP才能保證圖像質(zhì)量,如MPEG-2 MP@ML, GOP為12幀. 而在15Mbps-30Mbps,較短的GOP結(jié)構(gòu)有較好的效果.。如在20Mbps碼率左右,IB GOP結(jié)構(gòu)有很好的效果.
但是有得必有失,IB GOP的采用,使得編輯精度為2 幀. 為了實現(xiàn)零幀編輯, SONY公司Batecam-SX采用的方法是提前重放的 DT頭(提前量等于重放電路與記錄電路延時量之和)將編輯點前的原錄素材重放出來,經(jīng)解壓縮恢復(fù)成無壓縮數(shù)字信號, 然后在編輯點處與新素材的無壓縮數(shù)字信號相接, 再壓縮記錄. 

5. MPEG-2視頻編碼器
上文我們已從理論上對MPEG-2標準進行了系統(tǒng)的概述, 下面就以一個實例剖析一下MPEG-2視頻編碼器的物理實現(xiàn). 該編碼器可完成MPEG-2 MP@ML的壓縮,對CCIR 601 PAL制(720*576 像素/幀, 25幀/s)圖像進行實時恒定比特率傳輸模式(CBR)處理.整個編碼系統(tǒng)如圖6所示。

      5.1 PAL解碼器
主要功能是對輸入的PAL復(fù)合信號進行解碼,輸出 YCbCr分量信號(4:2:2) 。PAL解碼器質(zhì)量對整個處理系統(tǒng)的性能指標有非常重要的作用,并將影響最終的圖像質(zhì)量,在設(shè)計時常采用8倍色度負載波對輸入的模擬信號進行采樣, 用數(shù)字梳狀濾波器完成亮色分離。同時為了避免視頻信源的抖動影響后面的壓縮處理部分,在PAL解碼器與前處理模塊之間有一幀的幀存進行信號隔離.
5.2 前處理模塊
該模塊原理如圖7所示。主要功能:
<1> 給PAL解碼器和I幀編碼器提供像素接口控制信號,其參數(shù)受CPU
控制。
<2> 對PAL解碼器輸出的視頻信號進行必要的限幅,使其滿足CCIR 
601的要求(Y:16-235,C:16-240),并對Cb和Cr信號做扣心(Coring)處
理。
<3> 提供D1接口,可和數(shù)字視頻設(shè)備直接相連。
<3> 在ES碼流的目標碼率較低時(如低于3Mbps),啟動1個16階的濾波器,對信
號進行低通濾波,使其頻帶限制在3.5MHz左右,以降低解碼恢復(fù)的圖像中
的塊效應(yīng)。
<5> 產(chǎn)生一個鋸齒波視頻測試信號,在CPU的控制下和輸入信號進行切換。

另外，為了適應(yīng)不同的碼組長度可使用截短的RS碼，例如DVB和GA。GA采用RS（207，187，10），即分組碼符號長度為207個，187個信號符號，可檢出207-187=20個錯，可糾正（207-187）÷2=10個錯。該碼就是從RS（255，235，10）碼截短而得到的，實際上可以看成255個符號中除207個有具體的值外，剩余的48個符號全部添零，可以用同樣的電路進行編解碼。
在DVCPRO、DVCAM、Digital-S格式中視、音頻數(shù)據(jù)的內(nèi)碼組為RS（85. 77）碼，檢錯能力為85-77=8byte，糾錯能力為（85-77）÷2=4byte。視頻數(shù)據(jù)的外碼組為RS（149. 138），在內(nèi)碼組指出錯誤位置時能糾錯149-138=11byte。音頻的外碼組為RS（14. 9）碼，在內(nèi)碼組指出錯誤位置時14byte中有不多于14-9=5byte的錯誤都能得到糾正。而Betacam SX的視頻內(nèi)碼組為RS（124. 112）外碼組為RS（64. 50），聲音的內(nèi)碼組為RS（124. 112）外碼組為RS（14. 6），其外碼組的糾錯能力明顯高于其它格式，加上磁跡寬度又比其它格式寬了許多，即使一個GOP中有兩根磁跡丟失，誤碼校正仍可正常進行，其誤碼校正數(shù)據(jù)塊的組成如圖三所示。

三．壓縮方面的比較
    在壓縮方面DVCPRO、DVCAM和Digital-S采用類似于M-JPEG的DV方式（包括DCT、自適應(yīng)量化、之字形讀取游程與可變字長編碼），M-JPEG是可以實現(xiàn)對視頻圖像的實時壓縮和解壓縮的幀內(nèi)編碼，故不必采取復(fù)雜的措施就能實現(xiàn)零幀精度的編輯，但是幀內(nèi)信息冗余量太小，不能有過大的壓縮比，否則會丟失一部分圖像數(shù)據(jù)，影響圖像質(zhì)量，因此數(shù)據(jù)率較大，不利于高速傳輸與存儲。而SONY的Betacam SX采用MPEG-2壓縮方式，即運動圖像的幀間編碼，它的主要機制是：
    1． 消除時間冗余，即利用連續(xù)圖像各幀之間的相關(guān)性以傳輸幀間小量的差值代替?zhèn)鬏斷弾瑘D像的全部信息。
    2． 消除空間的冗余和基于人眼視覺特性的量化以壓縮待傳信息。
    3． 利用游程零和變字長編碼技術(shù)減少所傳碼率量。
    基本的MPEG-2視頻壓縮系統(tǒng)是由幀內(nèi)及幀間壓縮共同組成的，如圖四所示。壓縮是從空間冗余的減少開始的，使用幀內(nèi)部壓縮便可以達到此目的。幀內(nèi)部壓縮使用有損和無損的信號處理方法來減少圖象中的數(shù)據(jù)，它不使用任何來自之前或之后的圖象信息。另外，在視頻信號中還有一種冗余便是時間冗余，對一個給定的圖像順序，幀與幀之間的圖像內(nèi)容通常只有微小的變化，這種幀間的相對圖像內(nèi)容位置的變化是幀間壓縮的一個重要組成部分。幀間壓縮一般是在未壓縮的圖象上進行的，是一個無損過程。在圖四中穩(wěn)定幀存儲器有一幅完全解析度、完整數(shù)據(jù)的前一幅圖象，在運動補償區(qū)，最能預(yù)測當前幀的矢量被計算出來，已預(yù)測的幀存儲器擁有一個根據(jù)前一幀和運動矢量所建立的預(yù)測的當前幀，輸出的是預(yù)測當前幀跟實際的當前幀相減以后的差。如果沒有運動或其它變化，當前幀便可得到完美的預(yù)測，差分幀的輸出為0（極易壓縮）；當前一幀跟后一幀有點不同時，差分幀仍有少量數(shù)據(jù)需要壓縮。預(yù)測幀是從一個被DCT量化、解碼后的圖象發(fā)展而來的。在MPEG-2系統(tǒng)中包含有三種幀結(jié)構(gòu)，即：
· I幀：只包含有幀內(nèi)編碼。
· P幀：是從對I幀或其它P幀進行向前預(yù)測而得到的。
· B幀：是從對I幀或其它P幀進行雙向預(yù)測而得到的。

    由于MPEG-2不僅消除了空間上的冗余，而且消除了時間上的冗余，因此使用MPEG-2可以在比較大的壓縮比的情況下保持較好的圖像質(zhì)量，SONY的Betacam-SX采用10:1壓縮，數(shù)據(jù)率為18Mb/S是現(xiàn)有數(shù)字錄象機中最低的，有利于高速傳輸與存儲。另外，MPEG-2還具有如下特色：
    1． 輸出碼率流速率可適應(yīng)同步或異步傳輸，無需固定；
    2． 適應(yīng)于逐行或隔行掃描系統(tǒng)；
    3 ． 可用于4:2:0、4:2:2、4:4:4等亮、色取樣；
    4． 按清晰度可以將圖象分為4個等級，高級解碼器可與低級解碼器實現(xiàn)下兼容；
    5． 按使用的工具和方法不同分為5種類型，即允許分層性編碼，以保證不同的傳輸與接收要求。
    MPEG-2的這種開放性的優(yōu)點，決定了Betacam-SX將來可直接與眾多公司生產(chǎn)的數(shù)字視頻系統(tǒng)連接，進行數(shù)據(jù)交換、傳輸、制作而不需任何數(shù)字的轉(zhuǎn)換設(shè)備，就連一貫采用M-JPEG數(shù)字壓縮算法的非線形編輯領(lǐng)域也在積極向MPEG-2靠攏。Matrox、品尼高等一些非線形軟、硬件主流產(chǎn)品廠商也已經(jīng)宣布將于99年第一季度推出采用MPEG-2壓縮算法的視頻板卡及軟件，無疑這其中受益的是Betacam-SX，而且Betacam-SX本身還推出了一種盤帶結(jié)合型錄象機，為進行非線形編輯提供了更加優(yōu)越的條件。另外， MPEG-2將是廣播電視向全數(shù)字化過渡的最佳選擇也逐步被大多數(shù)視頻專業(yè)人士認可，所以美國以及西方各國普遍以MPEG-2標準作為數(shù)字HDTV圖像壓縮編碼系統(tǒng)的核心，這無疑又為Betacam-SX的未來發(fā)展提供了一個優(yōu)越性。

四．Betacam-SX的零幀編輯
    最初的MPEG-2標準是為視頻分配而設(shè)計的，為家庭提供一個可接受的圖象質(zhì)量，但是由于有限的數(shù)據(jù)率（最大為15Mb/S）和采用4:2:0取樣，它的質(zhì)量并不適合專業(yè)制作和后期制作，4:2:0的取樣結(jié)構(gòu)也不能達到演播室對多代復(fù)制所要求的圖象質(zhì)量，采用小型GOP（Group Of Picture）結(jié)構(gòu)和15Mb/S的數(shù)據(jù)率不能產(chǎn)生所需的圖象質(zhì)量，大型的GOP結(jié)構(gòu)又令演播室的信號切換很困難也不能實現(xiàn)零幀編輯，因此很多的錄象機采用幀內(nèi)DCT處理，造成在整個節(jié)目到播出的鏈條中，節(jié)目制作是唯一不使用MPEG-2的部分。SONY公司在與大批廠商的共同努力下，順應(yīng)了發(fā)展的趨勢率先推出采用MPEG-2 MP@ML的改進型MPEG-2 4:2:2 P@ML壓縮算法的Betacam-SX，以兩幀（I幀和B幀）作為一個GOP，既保證了廣播級的圖像質(zhì)量，又實現(xiàn)了高穩(wěn)定性以及高速的數(shù)據(jù)傳輸，但是最初我們還是有一點疑問，就是Betacam-SX如何實現(xiàn)零幀編輯，這恐怕也是很多家電視臺在選擇數(shù)字錄象機時的疑慮之處。在解釋Betacam-SX如何實現(xiàn)零幀編輯之前，首先讓我們先看一看其它采用幀內(nèi)壓縮的數(shù)字錄象機是如何進行零幀編輯的。
    在進行復(fù)制或編輯時，目前數(shù)字錄象機通常都使用串行數(shù)字（SDI）或模擬接口相連接的。因為即使裝配了傳輸壓縮數(shù)字信號的接口（如：SDTI、QSDI等），那么它只能應(yīng)用在復(fù)制操作中，而一旦需要疊加字幕或在系統(tǒng)使用時，也必須使用SDI或模擬接口。

 

Betacam-SX有兩種類型的錄象機，一種是盤帶結(jié)合型的錄象機，它主要利用硬盤進行編輯，然后在復(fù)制到磁帶上；另一種是磁帶錄象機，即在磁帶上完成編輯，下面分別描述一下它們是如何進行零幀編輯的。
Betacam-SX盤帶結(jié)合型錄象機實現(xiàn)零幀編輯的關(guān)鍵是裝備了兩個相同的MPEG解碼器，原理如下：（如圖六所示）
    1． 磁帶中的素材上載到硬盤上。
    2． 編輯時，將記錄在硬盤上的素材（壓縮信號）轉(zhuǎn)換為基帶信號（不壓縮信號），生成編輯決定表（EDL）。
    3． 最后復(fù)制到磁帶上。EDL會控制兩個MPEG解碼器讀取硬盤上的素材，然后在經(jīng)過MPEG編碼器記錄在磁帶上。

    

    Betacam-SX磁帶錄象機實現(xiàn)零幀編輯的關(guān)鍵是裝備有超前重放系統(tǒng)（Advance PB System）。超前重放系統(tǒng)主要是在錄象機記錄磁頭之前安裝了超前重放磁頭（Advance PB Head），它可以先將磁帶上的Betacam-SX信號重放，經(jīng)過解壓縮處理轉(zhuǎn)換為基帶信號，再進行編輯，然后將完成的節(jié)目進行壓縮，最后記錄在磁帶上。但它的位置必須是十分精確,它超前的時間應(yīng)該等于重放的時間與記錄的時間之和。下面我們舉例加以說明。（如圖七所示）
以裝在一個盒子中的兩個圓形來表示處于一個GOP中的兩幀壓縮圖象，以一個三角形表示外部的信號（如：SDI），我們將看到Betacam-SX是如何利用超前重放系統(tǒng)實現(xiàn)零幀編輯的。
    1． 重放 超前重放磁頭先讀取記錄在磁帶上的Betacam-SX信號，即拿出一個裝有兩個圓形的盒子。
    2． 解碼 經(jīng)過解壓縮等的處理后，Betacam-SX信號被轉(zhuǎn)換為基帶信號，即將盒子打開，圓形可以顯示出來。
    3． 編輯 與外部的信號進行編輯制作（零幀精度），好比用一個三角形來替換一個圓形。
    4． 記錄 將完成的節(jié)目進行壓縮，然后記錄在磁帶上，好比最后再用盒子將一個三角形和一個圓形包裝起來放回去。
由此可見，Betacam-SX完全能夠?qū)崿F(xiàn)零幀精度的編輯，但是在此還存在一個問題就是會影響編輯圖象的質(zhì)量，主要指以下兩點：
· 為實現(xiàn)零幀編輯，編輯過程的數(shù)據(jù)必須是解壓縮的，不能直接使用壓縮信號編輯。多次解壓縮與壓縮過程會影響圖象質(zhì)量；
· 放機輸出的解壓縮信號在錄機再次壓縮時，如果出現(xiàn)I幀與B幀的交換（幾率為50%）會產(chǎn)生圖象質(zhì)量下降。但一般情況下的編輯圖象質(zhì)量仍可以接受，至于多次編輯圖像質(zhì)量到底會有多大損失，是否仍在允許范圍之內(nèi)還有待于實踐來證明。
    另外，值得說明一點，為了實現(xiàn)零幀編輯Betacam-SX加裝了超前重放磁頭，從而形成了Betacam-SX的雙磁頭結(jié)構(gòu)。當其中任何一個磁頭發(fā)生故障時，錄象機會產(chǎn)生報警信號，不能再實現(xiàn)零幀編輯，但在重放過程中仍可以應(yīng)用另一個磁頭正常運行�？梢娺@種雙磁頭結(jié)構(gòu)在錄象機的重放過程里無形中又提高了它運行的可靠性。

五．與現(xiàn)有設(shè)備的兼容性方面
    最后，我們還有一個要著重考慮的方面，即為了節(jié)省資金利用原有設(shè)備要達到現(xiàn)有設(shè)備與新設(shè)備的兼容性。如果原有設(shè)備主要為Betacam-SP錄象機，由于Betacam-SX錄象機是由Betacam-SP發(fā)展而來的，該機向下兼容，使用磁帶也完全相同，這樣就充分保持了設(shè)備發(fā)展的連貫性。在使用過程中，可以完全忽略攝象機是數(shù)字還是模擬，回到臺里要用哪一套設(shè)備編輯等一系列問題，這樣就更充分    發(fā)揮了原有的Betacam-SP設(shè)備的使用能力，避免了選用新型設(shè)備而產(chǎn)生老型設(shè)備的問題。同時該格式的錄象機的機械部分與Betacam-SP機型完全一致，保持了Betacam-SP的高穩(wěn)定性，維護、保養(yǎng)的方法也基本相同，這樣在后期服務(wù)上省去了大筆人員培訓費和零配件費用。如果原有設(shè)備是其它的機型，則需要考慮與其它數(shù)字錄象機的兼容性，在此不再加以分別說明。

    詳述了Betacam-SX的一些特點之后，再簡單介紹一下Betacam-SX的主要記錄參數(shù)。Betacam-SX使用的磁帶是寬度為12.65mm的金屬涂布帶，磁跡的組織與其它錄象機不同，不是按照幀來組織，而是按GOP（相當于兩幀，即I幀和B幀）來組織。對于525/60制式，每個GOP加糾錯碼后組成10條磁跡；而對于625/50制式，使用12條斜磁跡。在磁速的安排上，視頻磁跡放在兩側(cè)，中間安排8段音頻數(shù)據(jù)和兩段系統(tǒng)數(shù)據(jù)，另外還有3條縱向磁跡，一條輔助磁跡，一條時碼磁跡和一條控制磁跡。Betacam-SX的主要參數(shù)總結(jié)如下：

視頻處理： 525/60 625/50
4:2:2處理 4:2:2處理
8比特/樣值 8比特/樣值
507行/幀 608行/幀
視頻輔助數(shù)據(jù)：一行/場
磁跡數(shù)： 10條/GOP 12條/GOP
帶速： 59.515mm/s 59.575mm/s
磁跡間距： 32um
磁鼓直徑： 81.4mm
磁鼓轉(zhuǎn)速： 75Hz
記錄碼率： 約40Mbps
視頻壓縮： 10:1壓縮，輸出碼率約18Mbps
視頻質(zhì)量： Y：25HZ-5.5MHZ，金屬帶
R-Y，B-Y：25HZ-2.0MHZ，金屬帶
S/N>48dB
音頻： 4聲道線性PCM
16比特/樣值
48KHZ抽樣
硬盤容量： 90分鐘 DNW-A100P
硬盤編輯： 最小編輯段0.5秒
EDL表編輯及輸出
磁帶到硬盤： 4倍速裝載
視頻輸入輸出接口：SDI，SDDI，模擬分量，模擬復(fù)合
音頻輸入輸出接口：AES/EBU數(shù)字，模擬

    以上所述Betacam-SX數(shù)字分量錄象機格式的技術(shù)特點，主要是從記錄格式本身得到的，至于錄象機的圖像和聲音質(zhì)量以及功能，還與機內(nèi)的電路、機械系統(tǒng)的設(shè)計有關(guān)，這里就不再闡述。

【剖析 MPEG-2 視頻編碼器】相關(guān)文章：

Digisuite 視頻板卡剖析及其與第三方軟件的配合04-12

基于SAA6752的MPEG-2的編碼系統(tǒng)08-06

政治錯誤剖析08-13

體育意識剖析08-07

剖析自我作文05-10

與圖像編碼器相連的具有畫面分割功能的模塊設(shè)計08-06

自我剖析作文03-07

剖析以人為本08-06

剖析以人為本08-06