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(jí)電視臺(tái)技術(shù)協(xié)會(huì)技術(shù)論文二等獎(jiǎng)
《西部廣播電視》1999年第6期發(fā)表

1. MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介
現(xiàn)有MPEG-2視頻標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)規(guī)范集包括6類（profile）4級(jí)（level）組成，并采用分級(jí)編碼。所謂級(jí)是指MPEG-2的輸入格式，標(biāo)識(shí)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(gè)相應(yīng)的范圍。
. 低級(jí)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(jí)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(jí)類20Mbps。
. 1440高級(jí)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(jí)類80Mbps。
. 高級(jí)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(jí)
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(gè)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(xì)，而每升高一類將提供前一類沒(méi)有使用的附加工具，當(dāng)然實(shí)現(xiàn)的代價(jià)會(huì)更高。而解碼器卻是向下兼容的，任何一種高級(jí)類解碼器，均應(yīng)能解碼用低級(jí)類方法編碼的圖像。
MPEG-2共分6類：簡(jiǎn)單類SP（Simple Profile）；主類MP（Main Profile），它比簡(jiǎn)單類增加了一種雙向預(yù)測(cè)方法，在相同比特率的情況下，將給出比簡(jiǎn)單類更好的圖像。主類的擴(kuò)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(jí)類SNRP（SNR Scaleable Profile）；空間可分級(jí)類SPP（Spatially Scaleable Profile）和高級(jí)類HP（High Profile）。前兩種可分級(jí)工具允許將編碼的視頻數(shù)據(jù)分為基本層和上層信號(hào)�；�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(hào)則可用來(lái)改進(jìn)信噪比或清晰度。這就意味著有時(shí)解碼器可以忽略比特流中的增強(qiáng)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(guò)此時(shí)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(jí)性，使數(shù)字信號(hào)能同時(shí)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(guò)渡更為平滑，同時(shí)粗編碼的低層信號(hào)可以有較強(qiáng)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(shí)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(jī)中最低的，有利于高速傳輸與存儲(chǔ)。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(wú)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(gè)等級(jí)，高級(jí)解碼器可與低級(jí)解碼器實(shí)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(kāi)放性的優(yōu)點(diǎn)，決定了Betacam-SX將來(lái)可直接與眾多公司生產(chǎn)的數(shù)字視頻系統(tǒng)連接，進(jìn)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(wú)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(jī)，為進(jìn)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(guò)渡的最佳選擇也逐步被大多數(shù)視頻專業(yè)人士認(rèn)可，所以美國(guó)以及西方各國(guó)普遍以MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)作為數(shù)字HDTV圖像壓縮編碼系統(tǒng)的核心，這無(wú)疑又為Betacam-SX的未來(lái)發(fā)展提供了一個(gè)優(yōu)越性。 四．Betacam-SX的零幀編輯 最初的MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)是為視頻分配而設(shè)計(jì)的，為家庭提供一個(gè)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(dá)到演播室對(duì)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(hào)切換很困難也不能實(shí)現(xiàn)零幀編輯，因此很多的錄象機(jī)采用幀內(nèi)DCT處理，造成在整個(gè)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(shì)率先推出采用MPEG-2 MP@ML的改進(jìn)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(gè)GOP，既保證了廣播級(jí)的圖像質(zhì)量，又實(shí)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(diǎn)疑問(wèn)，就是Betacam-SX如何實(shí)現(xiàn)零幀編輯，這恐怕也是很多家電視臺(tái)在選擇數(shù)字錄象機(jī)時(shí)的疑慮之處。在解釋Betacam-SX如何實(shí)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(jī)是如何進(jìn)行零幀編輯的。 在進(jìn)行復(fù)制或編輯時(shí)，目前數(shù)字錄象機(jī)通常都使用串行數(shù)字（SDI）或模擬接口相連接的。因?yàn)榧词寡b配了傳輸壓縮數(shù)字信號(hào)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(shí)，也必須使用SDI或模擬接口。    

 

與之對(duì)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(gè)視頻序列的結(jié)構(gòu)，是節(jié)目的隨機(jī)進(jìn)入點(diǎn)。
<2>圖像組層(GOP)。支持圖象解碼過(guò)程中的隨機(jī)存取功能，GOP是 
視頻編輯的隨機(jī)進(jìn)入點(diǎn)。
<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(shí)提供同步的功能。
<5>宏塊層。宏塊是運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償處理的單位。由亮度塊和色度塊組成， 
包含P幀 B幀的運(yùn)動(dòng)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(jiàn)圖3；幀間壓縮編碼方式，見(jiàn)圖4；幀內(nèi)及幀間壓縮編碼方式, 見(jiàn)圖5。
壓縮就是將視頻信號(hào)中冗余減少的過(guò)程,　首先必須識(shí)別每個(gè)視頻場(chǎng)和幀中的冗余，這主要包括空間與時(shí)間上的冗余。去除視頻信號(hào)空間冗余可通過(guò)DCT變換來(lái)完成，DCT變換是一個(gè)無(wú)信號(hào)損失的雙向數(shù)學(xué)過(guò)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(hào)經(jīng)過(guò)DCT變換后，較高的空間頻率系數(shù)會(huì)變得非常細(xì)小，而據(jù)人眼的視覺(jué)特性，較高的空間頻率系數(shù)可以少量的比特來(lái)表示，或者完全去掉而不影響圖像質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)為保持信號(hào)的可逆性和無(wú)損性，常常采用更多的比特來(lái)表示DCT系數(shù)。去除視頻信號(hào)時(shí)間冗余，可使用有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸�間預(yù)測(cè)來(lái)完成。對(duì)于活動(dòng)圖像多數(shù)情況下只是其中的很少一部分圖像在運(yùn)動(dòng)，即使有大范圍的活動(dòng)部分，前后幀盡管有很大區(qū)別，但移動(dòng)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(yùn)動(dòng)了多少就可以在前一幀找到相應(yīng)圖像的內(nèi)容，這個(gè)查找過(guò)程稱為運(yùn)動(dòng)估值，其表達(dá)方式是運(yùn)動(dòng)矢量；而把前一幀相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)部分補(bǔ)過(guò)來(lái)，得到其剩余的不同部分的過(guò)程稱為運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。就這樣，采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償可以有效地去除視頻信號(hào)在時(shí)間方向的重復(fù)信息，達(dá)到壓縮的目的。
為了達(dá)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(guò)量化，將代表每一個(gè)系數(shù)的比特?cái)?shù)目減少。一般使用11比特來(lái)代表DCT系數(shù)，對(duì)于其他系數(shù)則采用較小的比特?cái)?shù)目。每一個(gè)或每組宏塊都有不同的量化刻度，對(duì)每個(gè)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(duì)于原來(lái)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(guò)程后，無(wú)損數(shù)據(jù)壓縮是通過(guò)可變長(zhǎng)度編碼VLC和游程長(zhǎng)度編碼RLC實(shí)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(jìn)行編碼，而用較多數(shù)量的比特為較少出現(xiàn)的數(shù)值進(jìn)行編碼。RLC是用一個(gè)字符代表一串一定數(shù)目的零�？偟哪康闹挥幸粋�(gè)，減少數(shù)據(jù)量。

 

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

    實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)壓縮數(shù)據(jù)被錄像機(jī)記錄時(shí)，需要提供一個(gè)持續(xù)不變的比特率，以使機(jī)械部分以穩(wěn)定的速率旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)。而對(duì)于硬盤記錄來(lái)說(shuō)，又需要一個(gè)可變速的比特率。通常，一個(gè)可變速比特率是提供一個(gè)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(jìn)行，是一個(gè)無(wú)損過(guò)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(cè)幀幀存中擁有一個(gè)根據(jù)前一幀和運(yùn)動(dòng)矢量所建立的預(yù)測(cè)的當(dāng)前幀。輸出是預(yù)測(cè)的當(dāng)前幀與實(shí)際當(dāng)前幀相減后的差值。若沒(méi)有運(yùn)動(dòng)或其他變化，當(dāng)前幀便可得到完美的預(yù)測(cè)，差分幀輸出為 0（極易壓縮）。當(dāng)前一幀和后一幀有點(diǎn)不同時(shí)，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(guò)程見(jiàn)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(cè)幀，是以前一個(gè)I 幀為預(yù)測(cè)幀進(jìn)行編碼的。在I 幀和P 幀中間可以插入若干個(gè)B 幀，B 幀是從相鄰的最近的I 幀或P 幀作雙向預(yù)測(cè)進(jìn)行編碼的。形成P幀時(shí)參考幀幀存只要求存儲(chǔ)一幀圖象，而形成B幀時(shí)，參考幀幀存則需存儲(chǔ)前后兩幀圖象。
由三種相互間有預(yù)測(cè)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(zhǎng)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(jī)，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(biāo)準(zhǔn)的幀內(nèi)壓縮場(chǎng)編碼的方式, 只有SONY公司推出的Batecam-SX格式采用了MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)，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(zhǎng)的GOP結(jié)構(gòu)(12幀), 決定了它的編輯精度只有12幀，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足節(jié)目制作的逐幀編輯要求，也令演播室的信號(hào)切換變得困難。當(dāng)采用較小GOP的結(jié)構(gòu)時(shí)，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(dāng)有較多色度處理時(shí)就顯得不足,有違原數(shù)字演播室4：2：2的初衷。同時(shí)也不能產(chǎn)生演播室對(duì)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(diǎn)是:
. 色度4:2:2 或 4:2:0的亞取樣。
. 最大比特率 擴(kuò)展到50Mbps。
. 編輯精度達(dá)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(chǎng)效應(yīng)信號(hào)。
. 最大像素?cái)?shù): 720樣值/行
512行/幀 對(duì)于30幀/秒
608行/幀 對(duì)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(kāi)
. 大于512行圖像的場(chǎng)重復(fù)增加兩個(gè)限制:
B幀不重復(fù)第一場(chǎng). 幀率應(yīng)為25Hz.
. 對(duì)編碼器的要求較其他更高的類及級(jí)低，因而降低了生產(chǎn)成本。
所有上述不同點(diǎn)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(gè)GOP是由一個(gè)I幀與一個(gè)前后I幀預(yù)測(cè)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(jī)格式(50Mbps)及MPEG-2 MP@ML(15Mbps)的特色之處。因?yàn)镚OP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(zhǎng)的GOP對(duì)提高圖像質(zhì)量并沒(méi)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(shí)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(shí)量之和)將編輯點(diǎn)前的原錄素材重放出來(lái),經(jīng)解壓縮恢復(fù)成無(wú)壓縮數(shù)字信號(hào), 然后在編輯點(diǎn)處與新素材的無(wú)壓縮數(shù)字信號(hào)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(duì)MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了系統(tǒng)的概述, 下面就以一個(gè)實(shí)例剖析一下MPEG-2視頻編碼器的物理實(shí)現(xiàn). 該編碼器可完成MPEG-2 MP@ML的壓縮,對(duì)CCIR 601 PAL制(720*576 像素/幀, 25幀/s)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)恒定比特率傳輸模式(CBR)處理.整個(gè)編碼系統(tǒng)如圖6所示。

      5.1 PAL解碼器
主要功能是對(duì)輸入的PAL復(fù)合信號(hào)進(jìn)行解碼,輸出 YCbCr分量信號(hào)(4:2:2) 。PAL解碼器質(zhì)量對(duì)整個(gè)處理系統(tǒng)的性能指標(biāo)有非常重要的作用,并將影響最終的圖像質(zhì)量,在設(shè)計(jì)時(shí)常采用8倍色度負(fù)載波對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣, 用數(shù)字梳狀濾波器完成亮色分離。同時(shí)為了避免視頻信源的抖動(dòng)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(jìn)行信號(hào)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(hào),其參數(shù)受CPU
控制。
<2> 對(duì)PAL解碼器輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行必要的限幅,使其滿足CCIR 
601的要求(Y:16-235,C:16-240),并對(duì)Cb和Cr信號(hào)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(biāo)碼率較低時(shí)(如低于3Mbps),啟動(dòng)1個(gè)16階的濾波器,對(duì)信
號(hào)進(jìn)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(gè)鋸齒波視頻測(cè)試信號(hào),在CPU的控制下和輸入信號(hào)進(jìn)行切換。

另外，為了適應(yīng)不同的碼組長(zhǎng)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(hào)長(zhǎng)度為207個(gè)，187個(gè)信號(hào)符號(hào)，可檢出207-187=20個(gè)錯(cuò)，可糾正（207-187）÷2=10個(gè)錯(cuò)。該碼就是從RS（255，235，10）碼截短而得到的，實(shí)際上可以看成255個(gè)符號(hào)中除207個(gè)有具體的值外，剩余的48個(gè)符號(hào)全部添零，可以用同樣的電路進(jìn)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(cuò)能力為85-77=8byte，糾錯(cuò)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(cuò)誤位置時(shí)能糾錯(cuò)149-138=11byte。音頻的外碼組為RS（14. 9）碼，在內(nèi)碼組指出錯(cuò)誤位置時(shí)14byte中有不多于14-9=5byte的錯(cuò)誤都能得到糾正。而B(niǎo)etacam 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(cuò)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(gè)GOP中有兩根磁跡丟失，誤碼校正仍可正常進(jìn)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(zhǎng)編碼），M-JPEG是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻圖像的實(shí)時(shí)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(shí)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(guò)大的壓縮比，否則會(huì)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(chǔ)。而SONY的Betacam SX采用MPEG-2壓縮方式，即運(yùn)動(dòng)圖像的幀間編碼，它的主要機(jī)制是：
    1． 消除時(shí)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(jué)特性的量化以壓縮待傳信息。
    3． 利用游程零和變字長(zhǎng)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(kāi)始的，使用幀內(nèi)部壓縮便可以達(dá)到此目的。幀內(nèi)部壓縮使用有損和無(wú)損的信號(hào)處理方法來(lái)減少圖象中的數(shù)據(jù)，它不使用任何來(lái)自之前或之后的圖象信息。另外，在視頻信號(hào)中還有一種冗余便是時(shí)間冗余，對(duì)一個(gè)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(duì)圖像內(nèi)容位置的變化是幀間壓縮的一個(gè)重要組成部分。幀間壓縮一般是在未壓縮的圖象上進(jìn)行的，是一個(gè)無(wú)損過(guò)程。在圖四中穩(wěn)定幀存儲(chǔ)器有一幅完全解析度、完整數(shù)據(jù)的前一幅圖象，在運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償區(qū)，最能預(yù)測(cè)當(dāng)前幀的矢量被計(jì)算出來(lái)，已預(yù)測(cè)的幀存儲(chǔ)器擁有一個(gè)根據(jù)前一幀和運(yùn)動(dòng)矢量所建立的預(yù)測(cè)的當(dāng)前幀，輸出的是預(yù)測(cè)當(dāng)前幀跟實(shí)際的當(dāng)前幀相減以后的差。如果沒(méi)有運(yùn)動(dòng)或其它變化，當(dāng)前幀便可得到完美的預(yù)測(cè)，差分幀的輸出為0（極易壓縮）；當(dāng)前一幀跟后一幀有點(diǎn)不同時(shí)，差分幀仍有少量數(shù)據(jù)需要壓縮。預(yù)測(cè)幀是從一個(gè)被DCT量化、解碼后的圖象發(fā)展而來(lái)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(duì)I幀或其它P幀進(jìn)行向前預(yù)測(cè)而得到的。
· B幀：是從對(duì)I幀或其它P幀進(jìn)行雙向預(yù)測(cè)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(shí)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(jī)中最低的，有利于高速傳輸與存儲(chǔ)。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(wú)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(gè)等級(jí)，高級(jí)解碼器可與低級(jí)解碼器實(shí)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(kāi)放性的優(yōu)點(diǎn)，決定了Betacam-SX將來(lái)可直接與眾多公司生產(chǎn)的數(shù)字視頻系統(tǒng)連接，進(jìn)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(wú)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(jī)，為進(jìn)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(guò)渡的最佳選擇也逐步被大多數(shù)視頻專業(yè)人士認(rèn)可，所以美國(guó)以及西方各國(guó)普遍以MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)作為數(shù)字HDTV圖像壓縮編碼系統(tǒng)的核心，這無(wú)疑又為Betacam-SX的未來(lái)發(fā)展提供了一個(gè)優(yōu)越性。

四．Betacam-SX的零幀編輯
    最初的MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)是為視頻分配而設(shè)計(jì)的，為家庭提供一個(gè)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(dá)到演播室對(duì)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(hào)切換很困難也不能實(shí)現(xiàn)零幀編輯，因此很多的錄象機(jī)采用幀內(nèi)DCT處理，造成在整個(gè)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(shì)率先推出采用MPEG-2 MP@ML的改進(jìn)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(gè)GOP，既保證了廣播級(jí)的圖像質(zhì)量，又實(shí)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(diǎn)疑問(wèn)，就是Betacam-SX如何實(shí)現(xiàn)零幀編輯，這恐怕也是很多家電視臺(tái)在選擇數(shù)字錄象機(jī)時(shí)的疑慮之處。在解釋Betacam-SX如何實(shí)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(jī)是如何進(jìn)行零幀編輯的。
    在進(jìn)行復(fù)制或編輯時(shí)，目前數(shù)字錄象機(jī)通常都使用串行數(shù)字（SDI）或模擬接口相連接的。因?yàn)榧词寡b配了傳輸壓縮數(shù)字信號(hào)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(shí)，也必須使用SDI或模擬接口。

 

Betacam-SX有兩種類型的錄象機(jī)，一種是盤帶結(jié)合型的錄象機(jī)，它主要利用硬盤進(jìn)行編輯，然后在復(fù)制到磁帶上；另一種是磁帶錄象機(jī)，即在磁帶上完成編輯，下面分別描述一下它們是如何進(jìn)行零幀編輯的。
Betacam-SX盤帶結(jié)合型錄象機(jī)實(shí)現(xiàn)零幀編輯的關(guān)鍵是裝備了兩個(gè)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(shí)，將記錄在硬盤上的素材（壓縮信號(hào)）轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)（不壓縮信號(hào)），生成編輯決定表（EDL）。
    3． 最后復(fù)制到磁帶上。EDL會(huì)控制兩個(gè)MPEG解碼器讀取硬盤上的素材，然后在經(jīng)過(guò)MPEG編碼器記錄在磁帶上。

    

    Betacam-SX磁帶錄象機(jī)實(shí)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(jī)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(hào)重放，經(jīng)過(guò)解壓縮處理轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)，再進(jìn)行編輯，然后將完成的節(jié)目進(jìn)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(shí)間應(yīng)該等于重放的時(shí)間與記錄的時(shí)間之和。下面我們舉例加以說(shuō)明。（如圖七所示）
以裝在一個(gè)盒子中的兩個(gè)圓形來(lái)表示處于一個(gè)GOP中的兩幀壓縮圖象，以一個(gè)三角形表示外部的信號(hào)（如：SDI），我們將看到Betacam-SX是如何利用超前重放系統(tǒng)實(shí)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(hào)，即拿出一個(gè)裝有兩個(gè)圓形的盒子。
    2． 解碼 經(jīng)過(guò)解壓縮等的處理后，Betacam-SX信號(hào)被轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)，即將盒子打開(kāi)，圓形可以顯示出來(lái)。
    3． 編輯 與外部的信號(hào)進(jìn)行編輯制作（零幀精度），好比用一個(gè)三角形來(lái)替換一個(gè)圓形。
    4． 記錄 將完成的節(jié)目進(jìn)行壓縮，然后記錄在磁帶上，好比最后再用盒子將一個(gè)三角形和一個(gè)圓形包裝起來(lái)放回去。
由此可見(jiàn)，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(gè)問(wèn)題就是會(huì)影響編輯圖象的質(zhì)量，主要指以下兩點(diǎn)：
· 為實(shí)現(xiàn)零幀編輯，編輯過(guò)程的數(shù)據(jù)必須是解壓縮的，不能直接使用壓縮信號(hào)編輯。多次解壓縮與壓縮過(guò)程會(huì)影響圖象質(zhì)量；
· 放機(jī)輸出的解壓縮信號(hào)在錄機(jī)再次壓縮時(shí)，如果出現(xiàn)I幀與B幀的交換（幾率為50%）會(huì)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(huì)有多大損失，是否仍在允許范圍之內(nèi)還有待于實(shí)踐來(lái)證明。
    另外，值得說(shuō)明一點(diǎn)，為了實(shí)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(dāng)其中任何一個(gè)磁頭發(fā)生故障時(shí)，錄象機(jī)會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，不能再實(shí)現(xiàn)零幀編輯，但在重放過(guò)程中仍可以應(yīng)用另一個(gè)磁頭正常運(yùn)行�？梢�(jiàn)這種雙磁頭結(jié)構(gòu)在錄象機(jī)的重放過(guò)程里無(wú)形中又提高了它運(yùn)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(gè)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(dá)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(jī)，由于Betacam-SX錄象機(jī)是由Betacam-SP發(fā)展而來(lái)的，該機(jī)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(guò)程中，可以完全忽略攝象機(jī)是數(shù)字還是模擬，回到臺(tái)里要用哪一套設(shè)備編輯等一系列問(wèn)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(wèn)題。同時(shí)該格式的錄象機(jī)的機(jī)械部分與Betacam-SP機(jī)型完全一致，保持了Betacam-SP的高穩(wěn)定性，維護(hù)、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(xùn)費(fèi)和零配件費(fèi)用。如果原有設(shè)備是其它的機(jī)型，則需要考慮與其它數(shù)字錄象機(jī)的兼容性，在此不再加以分別說(shuō)明。

    詳述了Betacam-SX的一些特點(diǎn)之后，再簡(jiǎn)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(jī)不同，不是按照幀來(lái)組織，而是按GOP（相當(dāng)于兩幀，即I幀和B幀）來(lái)組織。對(duì)于525/60制式，每個(gè)GOP加糾錯(cuò)碼后組成10條磁跡；而對(duì)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(shí)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(chǎng)
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(jī)格式的技術(shù)特點(diǎn)，主要是從記錄格式本身得到的，至于錄象機(jī)的圖像和聲音質(zhì)量以及功能，還與機(jī)內(nèi)的電路、機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有關(guān)，這里就不再闡述。

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