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    北京廣播學(xué)院電視工程系 教授   郭 斌

    MPEG是運(yùn)動(dòng)圖像專家組(Moving Picture Experts Group)的簡(jiǎn)稱，其實(shí)質(zhì)上的名稱為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)（JTC）1的第29 分委員會(huì)的第11工作組，即ISO/IEC JTC1/SC29/WG11，成立于1988年。其任務(wù)是制定世界通用的視音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)?，廣播電視數(shù)字化所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)對(duì)存儲(chǔ)容量、傳輸帶寬、處理能力及頻譜資源利用率提出了不切合實(shí)際的要求，使數(shù)字化難以實(shí)現(xiàn)。為此，該專家組基于幀內(nèi)圖像相鄰像素間及相鄰行間的空間相關(guān)性和相鄰幀間運(yùn)動(dòng)圖像的時(shí)間相關(guān)性，采用壓縮編碼技術(shù)，將那些對(duì)人眼視覺(jué)圖像和人耳聽(tīng)覺(jué)聲音不太重要的東西及冗余成分拋棄，從而縮減了存儲(chǔ)、傳輸和處理的數(shù)據(jù)量，提高了頻譜資源利用率，制定了如表1所示的一系列MPEG標(biāo)準(zhǔn),使數(shù)字化正在變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。其中，MPEG-2是一組用于視音頻壓縮編碼及其數(shù)據(jù)流格式的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。它定義了編解碼技術(shù)及數(shù)據(jù)流的傳輸協(xié)議；制定了MPEG-2解碼器之間的共同標(biāo)準(zhǔn)（MPEG-2編碼器之間尚無(wú)共同標(biāo)準(zhǔn)）。本文以MPEG-2的系統(tǒng)、MPEG-2的編碼、及MPEG-2的應(yīng)用為題，討論MPEG-2壓縮編碼技術(shù)。

一、MPEG-2的系統(tǒng)

1.系統(tǒng)的定義

    MPEG-2系統(tǒng)是將視頻、音頻及其它數(shù)據(jù)基本流組合成一個(gè)或多個(gè)適宜于存儲(chǔ)或傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流的規(guī)范，如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，符合ITU-R. 601標(biāo)準(zhǔn)的、幀次序?yàn)镮1B2B3P4B5B6P7B8B9I10數(shù)字視頻數(shù)據(jù)和符合AES/EBU標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)分別通過(guò)圖像編碼和聲音編碼之后，生成次序?yàn)镮1P4B2B3 P7B5B6I10 B8B9視頻基本流（ES）和音頻ES。在視頻ES中還要加入一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，即加入從視頻信號(hào)中取出的27MHz時(shí)鐘。然后，再分別通過(guò)各自的數(shù)據(jù)包形成器，將相應(yīng)的ES打包成打包基本流（PES）包，并由PES包構(gòu)成PES。最后，節(jié)目復(fù)用器和傳輸復(fù)用器分別將視頻PES和音頻PES組合成相應(yīng)的節(jié)目流（PS）包和傳輸流（TS）包，并由PS包構(gòu)成PS和由TS包構(gòu)成TS。顯然，不允許直接傳輸PES，只允許傳輸PS和TS；PES只是PS轉(zhuǎn)換為TS或TS轉(zhuǎn)換為PS的中間步驟或橋梁，是MPEG數(shù)據(jù)流互換的邏輯結(jié)構(gòu)，本身不能參與交換和互操作。由系統(tǒng)的定義，可知MPEG-2系統(tǒng)的任務(wù)。

2.系統(tǒng)的任務(wù)

    MPEG-2的標(biāo)準(zhǔn)由表2所示的8個(gè)文件組成，MPEG-2系統(tǒng)是其關(guān)鍵部分。MPEG以開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI-Open System Interconnection)為目標(biāo)，爭(zhēng)取全球標(biāo)準(zhǔn)化。在詳細(xì)規(guī)定視音頻編碼算法的基礎(chǔ)上，為傳輸和交換編碼數(shù)據(jù)流（比特流，碼流，流）創(chuàng)造統(tǒng)一條件。以利于接收端重建為指導(dǎo)，按照既定的參數(shù)給數(shù)據(jù)流以一定程度的“包裝”。因此，MPEG-2系統(tǒng)應(yīng)完成的任務(wù)有：

● 規(guī)定以包方式傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議；
● 為收發(fā)兩端數(shù)據(jù)流同步創(chuàng)造條件；
● 確定將多個(gè)數(shù)據(jù)流合并和分離（即復(fù)用和解復(fù)用）的原則；
● 提供一種進(jìn)行加密數(shù)據(jù)傳輸?shù)目赡苄浴?/p>

    由系統(tǒng)的任務(wù)，可知完成任務(wù)，系統(tǒng)應(yīng)具備的基礎(chǔ)。

3.系統(tǒng)的要點(diǎn)

    根據(jù)數(shù)字通信信息量可以逐段傳輸?shù)臋C(jī)理，將已編碼數(shù)據(jù)流在時(shí)間上以一定重復(fù)周期結(jié)構(gòu)分割成不能再細(xì)分的最小信息單元，這個(gè)最小信息單元就定義為數(shù)據(jù)包，幾個(gè)小數(shù)據(jù)包（Data Packet）又可以打包成大數(shù)據(jù)包（Data Pack）。用數(shù)據(jù)包傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：網(wǎng)絡(luò)中信息可占用不同的連接線路和簡(jiǎn)單暫存；通過(guò)數(shù)據(jù)包交織將多個(gè)數(shù)據(jù)流組合（復(fù)用）成一個(gè)新的數(shù)據(jù)流；便于解碼器按照相應(yīng)順序?qū)?shù)據(jù)包進(jìn)行靈活地整理。從而，數(shù)據(jù)包為數(shù)據(jù)流同步和復(fù)用奠定了基礎(chǔ)。因此，MPEG-2系統(tǒng)規(guī)范不僅采用了PS、TS和PES三種數(shù)據(jù)包，而且也涉及PS和TS兩種可以互相轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)流。顯然，以數(shù)據(jù)包形式存儲(chǔ)和傳送數(shù)據(jù)流是MPEG-2系統(tǒng)的要點(diǎn)。為此，MPEG-2系統(tǒng)規(guī)范定義了三種數(shù)據(jù)包及兩種數(shù)據(jù)流：

1) 打包基本流（PES）

    將MPEG-2壓縮編碼的視頻基本流（ES-Elementary Stream）數(shù)據(jù)分組為包長(zhǎng)度可變的數(shù)據(jù)包，稱為打包基本流（PES- Packetized Elementary Stream）。廣而言之，PES為打包了的專用視頻、音頻、數(shù)據(jù)、同步、識(shí)別信息數(shù)據(jù)通道。所謂ES，是指只包含1個(gè)信源編碼器的數(shù)據(jù)流。即ES是編碼的視頻數(shù)據(jù)流，或編碼的音頻數(shù)據(jù)流，或其它編碼數(shù)據(jù)流的統(tǒng)稱。每個(gè)ES都由若干個(gè)存取單元(AU-Access Unit)組成,每個(gè)視頻AU或音頻AU都是由頭部和編碼數(shù)據(jù)兩部分組成的。將幀順序?yàn)镮1P4B2B3P7B5B6 的編碼ES，通過(guò)打包，就將ES變成僅含有1種性質(zhì)ES的PES包，如僅含視頻ES的PES包，僅含音頻ES的PES包，僅含其它ES的PES包。PES包的組成見(jiàn)圖2。

    由圖2可見(jiàn)，1個(gè)PES包是由包頭、ES特有信息和包數(shù)據(jù)3個(gè)部分組成。由于包頭和ES特有信息二者可合成1個(gè)數(shù)據(jù)頭，所以可認(rèn)為1個(gè)PES包是由數(shù)據(jù)頭和包數(shù)據(jù)（有效載荷）兩個(gè)部分組成的。

    包頭由起始碼前綴、數(shù)據(jù)流識(shí)別及PES包長(zhǎng)信息3部分構(gòu)成。包起始碼前綴是用23個(gè)連續(xù)“0”和1個(gè)“1”構(gòu)成的，用于表示有用信息種類的數(shù)據(jù)流識(shí)別，是1個(gè)8 bit的整數(shù)。由二者合成1個(gè)專用的包起始碼，可用于識(shí)別數(shù)據(jù)包所屬數(shù)據(jù)流（視頻,音頻,或其它）的性質(zhì)及序號(hào)。例如：

    比特序1 1 0 ×××××是號(hào)碼為××××的MPEG-2音頻數(shù)據(jù)流；
    比特序1 1 1 0 ××××是號(hào)碼為××××的MPEG-2視頻數(shù)據(jù)流。

    PES包長(zhǎng)用于包長(zhǎng)識(shí)別，表明在此字段后的字節(jié)數(shù)。如，PES包長(zhǎng)識(shí)別為2 B ，即2×8 = 16 bit字寬，包總長(zhǎng)為216-1=65535 B，分給數(shù)據(jù)頭9 B（包頭6 B + ES特有信息3 B ），可變長(zhǎng)度的包數(shù)據(jù)最大容量為65526 B。盡管PES包最大長(zhǎng)度可達(dá)（216 -1）=65535 B（Byte），但在通常的情況下是組成ES的若干個(gè)AU中的由頭部和編碼數(shù)據(jù)兩部分組成的1個(gè)AU長(zhǎng)度。1個(gè)AU相當(dāng)于編碼的1幅視頻圖像或1個(gè)音頻幀，參見(jiàn)圖2右上角從ES到PES的示意圖。也可以說(shuō)，每個(gè)AU實(shí)際上是編碼數(shù)據(jù)流的顯示單元，即相當(dāng)于解碼的1幅視頻圖像或1個(gè)音頻幀的取樣。

    ES特有信息是由PES包頭識(shí)別標(biāo)志、PES包頭長(zhǎng)信息、信息區(qū)和用于調(diào)整信息區(qū)可變包長(zhǎng)的填充字節(jié)4部分組成的PES包控制信息。其中，PES包頭識(shí)別標(biāo)志由12個(gè)部分組成：PES加擾控制信息、PES優(yōu)先級(jí)別指示、數(shù)據(jù)適配定位指示符、有否版權(quán)指示、原版或拷貝指示、有否顯示時(shí)間標(biāo)記（PTS-Presentation Time Stamp）/解碼時(shí)間標(biāo)記(DTS-Decode Time Stamp)標(biāo)志、PES包頭有否基本流時(shí)鐘基準(zhǔn)(ESCR-Elementary Stream Clock Reference)信息標(biāo)志、PES包頭有否基本流速率信息標(biāo)志、有否數(shù)字存儲(chǔ)媒體（DSM）特技方式信息標(biāo)志、有否附加的拷貝信息標(biāo)志、PES包頭有否循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC-Cyclic Redundancy Check）信息標(biāo)志、有否PES擴(kuò)展標(biāo)志。有擴(kuò)展標(biāo)志，表明還存在其它信息。如，在有傳輸誤碼時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)器，使接收端能以準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)恢復(fù)數(shù)據(jù)流，或借助計(jì)數(shù)器狀態(tài)，識(shí)別出傳輸時(shí)是否有數(shù)據(jù)包丟失。

    其中，有否PTS/DTS標(biāo)志，是解決視音頻同步顯示、防止解碼器輸入緩存器上溢或下溢的關(guān)鍵所在。因?yàn)?，PTS表明顯示單元出現(xiàn)在系統(tǒng)目標(biāo)解碼器（STD-System Target Decoder）的時(shí)間, DTS表明將存取單元全部字節(jié)從STD的ES解碼緩存器移走的時(shí)刻。視頻編碼圖像幀次序?yàn)镮1P4B2B3P7B5B6I10B8B9的ES，加入PTS/DTS后，打包成一個(gè)個(gè)視頻PES包。每個(gè)PES包都有一個(gè)包頭，用于定義PES內(nèi)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，提供定時(shí)資料。每個(gè)I、P、B幀的包頭都有一個(gè)PTS和DTS，但PTS與DTS對(duì)B幀都是一樣的，無(wú)須標(biāo)出B幀的DTS。對(duì)I幀和P幀，顯示前一定要存儲(chǔ)于視頻解碼器的重新排序緩存器中，經(jīng)過(guò)延遲（重新排序）后再顯示，一定要分別標(biāo)明PTS和DTS。例如，解碼器輸入的圖像幀次序?yàn)镮1P4B2B3P7B5B6I10B8B9，依解碼器輸出的幀次序，應(yīng)該P(yáng)4比B2、B3在先，但顯示時(shí)P4一定要比B2、B3在后，即P4要在提前插入數(shù)據(jù)流中的時(shí)間標(biāo)志指引下，經(jīng)過(guò)緩存器重新排序，以重建編碼前視頻幀次序I1B2B3P4B5B6P7B8B9I10。顯然，PTS/DTS標(biāo)志表明對(duì)確定事件或確定信息解碼的專用時(shí)標(biāo)的存在，依靠專用時(shí)標(biāo)解碼器，可知道該確定事件或確定信息開始解碼或顯示的時(shí)刻。例如，PTS/DTS標(biāo)志可用于確定編碼、多路復(fù)用、解碼、重建的時(shí)間。 (未完待續(xù))