| 光盘印刷必须探讨MPEG-2标准规定的数字化视频表达方式,并将研究关于新近采纳的主级中4:2:2
类的一些关键性问题。特别的,我们将研究这一新类的基本原理,以及它为广播行业和后期 制作部门带来的益处。 本文的目的是要明确不同的MPEG类和级的适当应用场合,展示新的4:2:2类的必要性。我 们也将谈及标准所要求的编/解码器兼容性问题,对于4:2:2视频表现能力日益增强的需求, 以及主级中4:2:2类是如何使MPEG-2高效率地发挥其优势的。 主级中新的4:2:2类最近己成为MPEG标推的一个正式组成部分。广播和后期制作行业的人士无法接受以前的MPEG-2主级中各类所提供的低色度带宽选择,而主级中的4:2:2类,对于 提供高质量的MPEG压缩视频,将被证明是个等待己久的解决方案。 Tektronic的观点是50年仪器,广播和视额设备设计历史的结晶,也是我们在成功帮助MPEG-2 标准朝着提供新的,高效率的广播质量视频节目发展的过程中的产物。在接下来的文章中, 我们将分享这些观点和经验:在这一过程中,我们希望对于各位成功的将这一令人激动的新 科技用于未来的采集,存储,传输及后期制作系统能够有所帮助。 光盘印刷视频压缩基本概念 背景知识在过去的几年里,关于视颇压缩的争论己成为—个极其热门的话题,但有趣的是,视频信号 的压缩并不是一个新问题。许多人并没有意识到,伴随着1950年代彩色电视的引入,视频
压缩第一次商品化了。三幅分别显示红,蓝,绿的最高分辨串的图象,共占用15MHZ的总带 宽;但被压缩成一路仅占5MHZ的复合信号——3:1的带宽压缩率被引入了。这种方式虽然
简单,但毕竞是压缩了。 当然,这种早期的压缩方式是通过模拟技术实现的。今天,更稳定连续的图象质量,更高的 压缩串可以通过把模拟信号转换为数字信号,利用一些高度复杂的技术来完成的。这些技术
最终带来了更高的压缩效串和更精细的压缩图象处理方法。这些数字技术需要极为强大的计 算能力,直到最近在经济上仍然是不可行的。然而,今天,情况有了变化。压缩基本上是这样一个过程:通过梢除存在于视频信号里的冗余成分,来减少图象或图
象组的内容信息。 通过色度--亮度采样的结合,在不损害图象质量的同时,减少所需带宽得以实现。4:2:2中 的“4”是指4倍于分量数字系统中采用的副载波采样频率。有趣的是,亮度采样频率实际 上是13.5MHZ:数字“4”的使用只是在考虑14.3MHZ NTSC采样频率是遗留下来的历史问题。13.5MH2的采样频率是——个折衷的选择,只是因为它相对525和625线的系统都有整数关系。 采样方式中的“2”是指色差信号Cb,Cr其采样频率刚好是亮度采样频率的一半(6.75mhz)。 人限亮度分辨能力的特点使得这种对分采样频率的方法能够使用:大范围的心理视觉测试己 证实,对于诸如色键等要求苛刻的后期制作类应用环境,6.75MHz的采样频率所能达到的色 度已经足够了。 光盘印刷压缩基本上是这样一个过程:通过消除存在于视频信号里的冗余成分,来减少图象或图象组 的内容信息。这可以通过分析视频信号的统计预知性来实现。信号的主要部分是有一定的可 预知性的。一个极端的例子是正弦波信号,它有高度的可预知性,因为每个周期都是相同的, 且只有一个颠率,这样就不需占用带宽。另一个极端的例子是,噪声信号完全不可预测。当 然,实际上所有的信号都界于这两者之间。压缩技术总的来说就是要识别并去除这些冗余, 从而减少存储量和所需带宽. 光盘印刷视额应用中对压缩,减少数据量或者数据传输率的要求可以归纳为以下两种基本要求: 1),在已存在的基础中加入新的功能。彩色电视就是一个好例宁。它面临的挑战就是将附加
信息(色彩)整合进已存在的黑白信号中. 光盘印刷色度亚采样的进一步知识
显而易见,4:2:O并没有在两个方向上同等程度地降低色度分辨率.注意到水乎分辨率和垂 直分辨率3:1的比例就很容易得出这个结论。即使在引入4:3的长宽比之后,水平垂直分 辨串的比值仍是2.25:1。显然,4:1:1的采样结构更能够在两个方向上提供平衡的分辨率. 如果目的是最终使用诸如NTSC或PAL的复合信号标准来传送信号,那么4:2:0是最糟糕的 可能选项。它提供比NTSC或PAL都要高的水平分辨率,因此它提供的垂直色度分辨率比这 些复合信号标准所提供的要差得多。4:2:0的使用对水平和垂直色度分辨率都将造成损伤. 光盘印刷压缩过程
用DCT识别光盘印刷冗余
帧内光盘印刷压缩
光盘印刷量化.
无损光盘印刷压缩
光盘印刷中的可变比特率
消除时城光盘印刷冗余
光盘印刷中的帧间压缩和运动补偿
基准图象堆栈如何影响预测能力 I-,B-,P-帧 必须要了解一个很关键的问题:MPEG标淮只定义了解码器的标准结构。 基本流和传输流(ES&TS) 音视频信号都被压缩成基本流(ES)的形式,然后用ES生成PES,再进一步打包生成TS。 图10展示了这一过程。 解码器标准化 必须要了解一个很关键的问题:MPEG标准只定义了解码器的标准结构。这样,伴随着未来的 编码器计算能力的提高,为图象质量的提高和数据速率的降低提供了发展余地. 类和级 MPEG规范被设计成在其服务的众多应用中是通用的。高达400Gb/s的比特率和16000点*16000 点的图象都可以被定义。为了给实际应用中的许多参数没定可行的界限,制定了一个由“类” 和“级”构成的体系.(表2)所谓的类,是整个比特流语法体系的一个子集。比如说,语法 体系允许按SNR(信噪比)或者空问分辨率进行分级操作,而主类和简单类不使用这部分语 法,所以不提供这个特性。所谓的级,包含了语法许可范围内的各项参数。比如说,主类主 级(MP·ML)允许最高15Mbps的码率,两主类高级(MP·HL)允许最高80Mbps的码率。 分级能力 MPEG的编解码器一起工作并不需要具有可比的图象质量,这是因为规范令解码器具有分级能 力。凭借分级这一方法,简单廉价的解码器可以只对完整比特流中的一部分进行解码,生成 低于完整比特流解码器输出质量的图象。标准允许按SNR或空间分辨率进行分级。 SNR分级是指牺牲SNR性能,对图象质量作出权衡。低比特率的解码器可以提供满分辨率的 图象,但SNR性能要比高比特率的解码器低。 空间分级是指牺牲空间分辨率,对图象质量作出权衡。低比特率接收机的图象输出质量要比 高比特率的低。 为了与标准保持兼容,以11种规定的类/级组合中任意一方式工作的解码器,必须能够处理 在表格中位于其左侧或下方的工作模式的信号。这就是所谓的MPEG-2全兼容性。今天,许 多的产品开发是面向主类主级(MP·ML),也有一些是面向主类高级(MP·HL)的 MPEG-2 4:2:2类@主级 MPEG-2标准最初被设计用于视频传输,能提供家庭观众可以接受的图象质量。然而,主要是 由于有限的数据率(上限15Mbps)和4:2:0的采样方式,这种图象质量很明显无法用于专业 场合及后期制作等应用领域。由于色度数据的内插,4:2:0的采样方式无法满足工作间在多 代性能方面的要求。即使采用小的GOP(获得可编辑能力)和高达15Mb/s的数据宰仍达不到 要求的图象质量。而大的GOP在各种工作问的帧扫描切换环境中难于处理。 4:2:2@ML将比特率的上限扩展到了50Mb/s,并且对4:2:0和4:2:2的色度采样格式都提 供支持。就象MP·ML一样,它并没有因为支持更高级的类和级而带来复杂性方面的负担。 1994年,一些厂商和用户要求MPEG委员会一个4:2:2类,允许在525和625线的系统上以 50Mbps的速率进行采样,为专业应用提供更高的图象质量。那时,TEKTRONIX公司组织发起 了一个由若干厂商组成的特别论坛,建议MPEG-2标准增加一个新类。甚至在4:2:2类的建 议提出之前,TEKTRONIX公司就已经在MPEG-2标准领域内积极工作,确保诸如11 bits的DC系 数,独立的亮度色度量化表格等特性被包含在MPEG标推内,为将来添加提供更高图象质量 的类作好准备。 对于4:2:2类的需求 在分析表2的时候,对于新的4:2:2类的需求可能并不直观。毕竟,高达100Mbps的码率己 被HP@HL所覆盖,而且4:2:2的视频显示可以由高级中任何一个高于主类的类实现。那 么,为什么还需要一个额外的类呢?这个问题的答案在于实现的经济性。换言之,也就是构 造一个全兼容的解码器所需的花费。记住,要做到全兼容,解码器必须能处理表格中其左例, 下方所有的类朋组合。这就意味着,为了实现兼容性,工作于HP@HL的解码器就需要处理 ML,LL上的SNR可分级类。但是分级能力非常复杂,通常不为厂商所追求。其中的一个原因, 用简单的话讲就是:这种编解码过程将使编解码电路加倍,基本上可分级解码器的成本也将 加倍。而且,HP@HL采用短GOP结构可以达到20Mbps的最高码率,但并不能提供专业应用 所需要的图象质量,这样,HP@ML就要求在更高级别上的实现,继而还要求空间分级能力。 无论那种情况,专业应用都会背负上额外的成本开销;而在主级中增加一个4:2:2类(MPEG-2 4:2:2@ML),可以很容易地避免这些情况。 1996年1月,MPEG批准了主级中的4:2:2类,并将其定为国际标难。正如在图13所看到的, MPEG-2 4:2:2·ML从几方面扩展了MP·ML的功能。它把码率上限扩展到50Mbps,对4:2:0 和4:2:2的采样格式都提供支持。象MP@ML一样,为了支持更高级的类/级分级能力模型, 他并没有带来复杂性方面的负担。 表3中被显著标出的类和级都可以被兼容的4:2:2解码器处理。全兼容的MPEG-2 4:2:2@ML 设备,不仅可以对码率高达50Mbps及任意I,B,P组合的图象进行解码,也可以对MP@ML 高至15Mbps的任意I,B,P组合,MP@ML的任意I,B,P组合,SP@ML的任意I,P组合 进行解码。任何被限制在一个固定码率(比如18Mb/s),或者受限于图象类型的一个子集(比 如只能处理I,B),或者没有能力处理4:2:0的4:2:2解码器,都不是完全兼容的4:2:2·ML 解码器。同时要注意,兼容SNR·ML的解码器,无须为了证明兼容性去对4:2:2类进行解 码。 MPEG-2 4:2:2·ML为具有以下要求的应用提供了高效率比的压缩技术: MPEG-2 4:2:2·ML到底好不好? 1995年2月,TEKTRONIX帮助SMPTE进行了码率在20Mb/s到50Mb/s之间的MPEG-2 4:2:2@ML 专家审看测试。这些测试表明,MPEG-2 4:2:2@ML达到了专业应用领域的要求。通过提供一 些测试序列,协助进行压缩仿真,编辑525/625的测试录象带以及与SMPTE一起组织主观评 价,TEKTRONIX又一次扮演了关键角色.实验结果见表4。 由专家和非专家组成的观看员对525/60和625/50的系统分别进行了主观评价。525/60的测 试研究了大范围的码率和GOP结构:625/50的测试包括了更多种类的测试材料,但码率,GOP 结构,子代数量的组合比较少。测试涵盖了从第一代到第八代的压缩解压缩过程。(这里的 一代是指一个压缩解压缩循环)空间和时间的移位都被引入,以分析图象的重定位效果(可 能在DVE中发生)和多代处理后的图象排列定位。空间移位是指在一二代之间,图象沿水平 方向被移动两个象素点,沿垂直方向移动两个空间扫描行,在五六代之间再移回来。 节目材料包括典型序列,也包括难于压缩的测试材料。测试人员被要求对原始序列和被压缩 序列的图象质量进行分级评分:评分标推从0到100,0表示无劣化,100表示可能的最糟糕 的劣化情况。 从这些测试可以看出同样的趋势:正如所预料的,专家的评价与非专家相比,要求更为苛刻。 在50Mb/s的码率下,可以使用短的GOP结构,比如只有I或IB,经过多代后,仍能保持优 异的图象质量;在30Mb/s的码率下,为了经过多代后仍能保持图象质量,就必须采用IB的 GOP结构;在20Mb/s的码率下,只有使用较长的GOP结构,如IBBP,才可能在有限的几代之 内保持图象质量。这说明,象20Mb/s这样较低的码率可以用于采集,但繁重的多代工作就 应该在较高的30Mb/s或50Mb/s的码率下进行。 对于在每个应用环境中获取效一费的最佳乎衡,码率和GOP结构的灵活性是非常关键的。这 种平衡类似于获得VHS或Beta的成本收益,取得D1的图象质量,同时又没有支持多种磁带 格式的恶梦。 MPEG-2对于广播行业和后期制作的重要意义 对于广播和后期制作行业来说,MPEG-2有潜力解决年代久远的多种制式难题。为了挖掘这一 潜力,我们必须时刻注意应用的要求和特点。考虑以下图14中的应用示例吧。 新闻与采集 这一应用要求高画质的场视频采集和有限数量的多代性能(新闻应用)。更可能是用于有以 下特性的摄录象机:便于携带,重量轻,以电池为电源(有合理的电池寿命),合理的价格 (由于掉进河里或摔在卡车上,我们可能要定期更换)。所有这些特性可以通过低码率(带 来低功耗,低价线路)和简单的GOP结构(低价线路,易于编辑)。 归档 这种应用要求高质量,或至少相对于原材料没有质量损失。可以通过使用较高的码率和IB 的GOP结构来获取优异的图象质量。 后期处理 这种应用要求优异的图象质量和高的可编辑能力。50Mb/s的码率和只有I帧的GOP结构是合 理的选择。 传输 这种应用要求高的存储效率和广播级的图象质量。这里,20Mb/s的码率(或以15Mb/s的码 串送入NTSC或PAL的发射机,或者更低的如DBS)与长的GOP结构相结合,就可以获得高 效存储和优异画质。 这种针对不同的应用采用不同的码串和GOP结构的概念,类似于用BetacmSP录象,用D1 记录,用VHS或U-Matic传输,用BetacamSP存档。任何在任何时候,都有可能以一种应 用获取材料,用另一种应用来处理,这时全兼容的MPEG-2 4:2:2@ML就可以帮助解决多格式 的难题。基本上,全兼容的解码器有能力取代集中不同的VTR格式,并且可以使一台单独的 硬件设备应用于任何一种谈到的应用环境中。弥不再需要选择格式了。 总结 Tektronix在原始的MPEG光盘印刷标准和4:2:2类的发展过程中扮演了至关重要的角色,Tektronix 建议并努力投身于4:2:2类需求的签定工作中去,后来又主持MPEG委员会来制订这个标准。 为了对MPEG—2标准和4:2:2类负责,Tektronix希望成为第一家提供MPEG—2 4:2:2@ML设 备的厂商。实际上,Tektronix:在1996年的NAB贸易展览会上就展示了早期硬件模型。 基于这些观点和背景,了。Tektronix作出以下总结: 符合标推对生产厂商和用户都有利。对象Tektronix一样的厂商有利是因为它打开了通向高 效率比压缩应用的大门,作为生产厂商我们能够把精力集中在为用户提供最好的解决方案 上。对于视频设备用户而言,符合标准意味着选择设备只需考虑谁能提供最好的光盘印刷解决方案, 你就不会受困于一家厂商,因为所有使用复合,分量视频标准的设备能够象今天一样地协调 工作。 MPEG标准向着光盘印刷互操作性迈进了一大步4:2:0格式(MPEG-2MP·ML)是通过DBS(直播卫星)和电缆向家庭用户发送MPEG-2码 流的最佳光盘印刷选择。然而,如果要向NTSC或PAL的发射机传送广播质量的信号,MPEG-2 4:2:2@ML 将是更为合适的选探。主观评价已经证实,选择好码率和GOP结构,MPEG-2 4:2:2@ML可以达到甚至超过专业视频 的要求。 码率和GOP结构的灵活性是保证图象质量的关键,如何权衡这两个参数是由应用决定的。
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