MPEG—2在卫星数字广播电视的传输系统中的应用

　　【摘要】MPEG-2标准作为国内国际领域先进的通用编码目前已经在卫星数字广播电视行业得到广泛的应用，极大地提高了视频传输效率，改善了画面质量，拓宽了广播电视受用范围。本文主要介绍了MPEG-2标准的基本结构，MPEG-2视频编码系统原理及关键技术，分析了MPEG-2在卫星数字广播电视的传输应用中的优点，并提出几点意见建议。
　　【关键词】MPEG-2；相关性；压缩编码
　　近年来，卫星数字广播电视逐渐走进千家万户，受到大众的喜爱。与传统的模拟电视相比，卫星数字广播电视采用了全数字的图像/声音处理技术，MPEG-2这一数字视频音频编码标准被应用其中。MPEG-2采用的具有运动补偿的帧间压缩编码技术支持高图像分辨率，为数字广播电视行业带来了技术性的革命。
　　一、MPEG-2标准的基本结构
　　MPEG全名：Moving Pictures Experts Group，中文译名：动态图像专家组。MPEG-2是该工作组于1994年发布的视频和音频压缩国际标准，正式名称为：活动图像及伴音信息的通用编码。
　　MPEG-2标准分为9个部分，统称为ISO/IEC13818国际标准。
　　第一部分系统，这一部分对MPEG-2的系统层次结构进行了定义，描述这一标准是如何将多个视频，音频和数据的基本码流合成传输码流和节目码流的；
　　第二部分视频，描述了视频的编码方法，目的在于使视频数据能够以计算机能够处理的形式在电视广播信道上进行传输；
　　第三部分音频，是在MPEG-1基础上进行的改进，用于音频信号的编码和解码，与MPEG-1的音频编码音频标准是反向兼容的；
　　第四部分符合测试，对每一个编码码流进行检验，判断其是否符合MPEG-2标准码流；
　　第五部分软件，描述MPEG-2标准如何以软件形式将第一、二、三部分实现的方法；
　　第六部分数字化存储媒体命令与控制部分，介正式的绍了在交互式多媒体网络中服务器与用户之间会话指令的控制规范。
　　这六个部分已经成为了国际编码的正式标准，在数字电视领域中得到了广泛的应用。MPEG-2标准的第七部分规定了多通道音频编码，与MPEG-1音频不存在反向兼容关系；第八部分目前已停止运作；第九部分规定了传送码流的实时接口。
　　二、MPEG-2视频编码系统原理及关键技术
　　MPEG-2图像压缩的原理利用了图像的空间相关性和时间相关性。图像的空间相关性是指在一帧图像内每一个场景都是由数以亿计的像素点构成的，通常状况下一个像素与其周围的一些像素在亮度、色度上存在的特定关系；图像的时间相关性是因为一个节目是由若干个情节构成，一个情节包含众多的图像序列，而图像序列是由许多帧连续的图像组成的，在任何一个图像序列中，前后帧的图像存在一定的相关性。
　　在卫星数字广播电视的传输过程中，如果将所得有信息都以编码形式进行传输就会影响传输速率，加大系统负担。因而，问题的关键就在于如何剔除图像中由于时间相关性和空间相关性造成的冗余信息，通过保留非相关信息的传输以节省传输占用的频带，接收机再按照特定的解码方法，利用传出过去的非相关信息恢复成原始图像，同时需要确保图像质量使画面尽可能的清晰连贯。
　　MPEG-2标准的视频压缩编码技术与传统技术相比能够在相同画面质量的前提下更大的限度上去除图像中存在的冗余信息。MPEG-2标准利用了具有运动补偿特点的帧间压缩编码技术、DCT技术、熵编码减少了视频传输的时间冗余度、空间冗余度，信息表示上的统计冗余度，从而极大地增强了压缩性能，节省了视频传输占用的频带。
　　（一）帧间压缩编码技术
　　MPEG-2中的编码图像由I帧，P帧、B帧三类构成。I帧图像采用了帧内编码的方式，压缩的倍数较低。通过减少单帧图像内的空间相关性而暂时忽略时间相关性在接收机初始化、信道获取、节目的切换和插入上减少了视频冗余。通过编码器对I帧图像出现频率的选择使其周期性地出现于图像序列中。P帧和B帧图像都采用了帧间编码的方式，利用空间相关性的同时利用了时间相关性。P帧图像采用的前向时间预测提高了视频压缩的效率和图像的质量。B帧图像采用了未来帧作为参考，将图像帧于帧之间的传输顺序和显示顺序打乱进行传输，通过双向时间预测大大地提高了视频压缩倍数。
　　（二）DCT技术
　　DCT技术实际上是空间变换技术的一种，在MPEG-2标准中DCT的基本单位是8x8的像块。
　　DCT变换通过设置像块能量的位置，将图像的能量集中在少数几个低频的DCT系数上，在新生成的8x8的DCT系数块中，左上角少量低频系数被赋予较大的数值，其余系数被赋予较小的数值，这样就可以在只编码和传输几个少数系数的同时对图像质量不造成破坏。虽然DCT技术没有对图像直接进行压缩，但通过对图像能量的集中为下一步的压缩奠定了基础。量化过程实际上就是以某个量化步长去除DCT系数。量化的步长越小，包含的视频信息越多，量化精度也就越细，但是所需要的传输频带也就高。由于人类的视觉对低频系数感应更为明显，因而在DCT变换系数中，对越低频系数分配的量化精度越细，对越高频系数分配的量化精度越粗，一般情况下，大多数的高频系数在量化之后都会转变为零。通过这一方式，在量化精度不严重超过需要的前提下，尽可能多地涵盖了DCT空间的频率信息。量化后，8x8二维矩阵中大多数的非零DCT系数位于左上角，通过之型扫描将原来的二维数组转换为一维数组后，这些系数集中在数组的前部，量化结果为零的DCT系数则位于数组的后部。在游程编码中，量化结果为零的系数被忽略掉，对非零系数进行编码。每一个非零系数的编码都由游程和非零系数两部分组成，所谓游程是指非零系数前面那个零系数的个数。大多数情况下，之型扫描中连续出现零的概率很大，因而极大地提高了游程编码效率，继而对视频产生了明显的的压缩效果。