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MPEG-2会再起波澜？！
作者/来源：刘怀林
最近有几篇文章介绍了MPEG-2技术上的进展，也给电视界传送一个信号——MPEG-2将扩大占领电视的范围，很可能成为从前期拍摄直至播出传送的主流压缩格式。这种新动向正趋于明朗化。本文也想从技术角度介绍MPEG-2技术的最新进展，从这个侧面探索一下这种趋势的可能性。
要想在电视领域——从前期录制到最后播出传送都采用同一压缩格式，那么这个压缩格式必须具有可编辑性，可切换性、格式转换性及传输性。
一、可编辑性
MPEG作为一种压缩格式，引起人们最大争议的是它的可编辑性，但随着人们对MPEG的深入研究和有关硬件的研制进展，这种可编辑性已经不再有什么问题了。目前MPEG-2的可编辑方式有下列几种。
1、I帧编辑
在目前非线性编辑中广泛采用M-JPEG压缩。为什么呢？这里主要是它具有可编辑性。它使用帧内压缩，帧与帧之间是独立的。彼此不互相牵连。并且硬件实现起来比较容易，成本较低。
按照通常的格式，MPEG具有I、B、P的帧组，只有I帧类似于M-JPEG，帧与帧之间是相关的，编解码比较困难，特别是编码，其计算量比解码大2倍以上，因为它要进行预处理运动估测和速率控制等，硬件实现起来比较困难，成本较高，如第1台实时MPEG编码器成本要数千美元。
人们最容易想到的解决办法是象M-JPEG一样在MPEG帧组中，不要B、P帧，只保留I帧，从而解决MPEG的编辑问题，这种编辑方案已被采用，有人叫MPEG-2 422P（I）方式，它主要应用于电视后期制作，以高质量为前提。根据一些研究表明，一个50Mb/s的MPEG-2 422（I）数据流可以完全达到这个目的。
人们会问，这种方式虽然解决了编辑问题，但这与M-JPEG不是差不多吗？不，它比M-JPEG至少有两个优点：1）MPEG-2 422（I）数据流比M-JPEG数据流（在相同质量前提下）可节约存储空间15%左右；2）将它转换成任何MPEG格式都比较容易，而且转换损失小。
目前FAST和NEC等公司已有产品问世。
2、I、B编辑方式
这是SONY公司在数字Betacam-sx录像机中采用的方式，早已为大家所知。由于多了一个B帧，因而能否实行帧精度编辑一直是人们关注的问题，最近SONY有关人员公开了其中的一些信息。
我们以DNW-A100（盘带结合型录像机）为例，看一看它是怎样实现编辑的。
DNW-A100是一种盘带结合的录像机，它主要用硬盘进行编辑，然后再复制到磁带上。它能实现帧精度编辑的关键，是内含两个相同的MPEG解码器，如图1所示。
在进行编辑时，磁带上的素材加载到硬盘上，然后将记录在硬盘上的素材转换成基带信号，由于硬盘上的素材是压缩的信号，经过解码（实际上是解压）后的信号是无压缩的数字视频信号，经编辑后生成EDL。录像机根据EDL，控制两个MPEG解码器传送硬盘上来的素材，经MPEG编码器将信号记录在磁带上。
看来SONY是靠两个实时解码器和一个实时编辑器来完成编辑任务的。
3、I、B、P编辑
I、B、P编辑是MPEG压缩方式中最难的一种方式。由于一个帧组中有I、B、P，要做到实时，除了需要大量的计算，而且要计算速度非常快，必须由硬件加以保证。最近美国c-cube公司已生产了单片MPEG编解码器，名叫Dvxpress，其中包含MPEG编码器，双通道MPEG解码器，数字特技处理、音频处理及有关接口，如图2所示
为了解决帧精度的编辑，该公司采用FAMETM（Frame-Accurate MPEG Editing）技术，重点是帧精度停止和帧精度开始技术。
1）帧精度停止
图3显示了捕捉和编码顺序
MPEG编码中，每一帧都有自己的图像类型，如I帧，B帧和P帧。另外还有以捕捉顺序定的帧号，从图3所示的例子中，假如第7帧编码器要停止，那么该帧刚好是B帧。
在MPEG码流中，帧组含有一组帧，如I、B、P帧，开初，MPEG编码器使用固定的帧组，即I、B、P之间的空间是固定的，由于编码器最后的要编码的帧必须是I帧或P帧，因而编码器最后完成编码的精确帧不能精确地加以控制。但MPEG标准并不需要使用固定的帧组结构，所以正确设计的编码器可以停止在任意帧，本来第7帧为B帧，但编码器把它编码成P帧，并且本帧组的顺序与捕捉顺序不一样。
2）帧精度开始
与前述类似，一个集成的两数据流解码器及合成电路，在解码一个MPEG流的同时，可以从一个帧组开始解码第二个码流，当过渡到第2个码流的“开始帧”到达时，解码器可以与第2码流合成或切换到第2个码流，即帧精度编辑可实时进行，希望的顺序是A流0~3帧，然后过渡期是A流4~9帧，B流是2~7帧，最后完全过渡到B流。从图4可以看出，即使在B流帧组的中间也可以开始过渡，并且码流A和码流B两者的帧组结构可以不一样。一个是I、B、B、P，一个是I、B、P。
虽然帧精度编辑很复杂，但通过正确设计应用协议接口（API：Application protocol inferface），可以将其复杂过程隐蔽起来。只要MPEG编解码器收到以时码为基础的编辑指令以后，它就能够计算出什么地方开始解码，什么图像应该合成并呈现出来，但这个过程对用户来说是看不到的。
另外，该单片MPEG编解码芯片，还可以做二维特技，如混合、扫换和淡黑等。
为了进一步了解MPEG编辑，我们再以日本HP公司使用的cleancut技术为例加以说明。
HP公司也采用两个MPEG解码器，当进行编辑时，一个解码器进行正常解码，并输出一个节目片断（用#表示）时，另一个解码器也在紧张地作准备工作（处于pre-charge方式），即准备下一个要剪辑的节目片断的解码。一旦输出的第一个节目片断结束时，硬件开关转至另一个解码器，这时第2个解码器由于事先的准备，就能够实时地准确地送出第2个节目片断，其示意图如图所示。
这种方法看来很简单，但由于复杂的定时问题，做起来就不那么简单了。
总之，不管是SONY的I、B编辑，还是c-cube和HP公司的IBP编辑，都使用两个MPEG解码器，利用复杂的定时及相应的硬件开关，完成实时编辑，甚至具有二维特技功能的编辑任务。
二、可切换性。
我们知道，MPEG在编解码过程中，必然涉及到运动矢量、编码方式等，由于每次编解码都有可能采取不同的参数（对于同一内容的图像段），因此多次编解码会引起图像质量的下降。另外目前压缩信号要进入制作或需要切换，一般都要先进行解码，同样也存在这一问题。
欧洲snell&-wilcox公司和BBC共同开发了“info-bus”和“mole”技术，为上述问题的解决奠定了基础。
1、info-bus
info-bus意为信息总线。在压缩编码时将有关决定压缩的信息如运动矢量，图像类型和预测方式等从MPEG比特流中分离出来，形成信息总线，即是说，我们在解码MPEG码流时，既要输出图像信号，也同时由信息总线输出如何编码的信息，经过处理后再编码时仍使用这些编码信息。
视频信号切换是经解码后实行的，但在解码的同时，从解码器输出端也输出了信息总线，这些信息再送至编码器，用于再次编码。
2、“mole”技术
采用信息总线技术，info-bus的信息要单独处理，一般切换台不能胜任，必须使用专门设计的切换设备，而使用“mole”技术就不需要这种麻烦了。
Mole技术的想法是，将MPEG解码器解出的数字视频与info-bus信号再次进行合并，即将info-bus信号插入到解码的数字视频信号之中，变成一个信号，这样就可实现压缩信号与不压缩信号的切换，并且一般切换台可进行切换。利用“mole”技术的方框图如图7所示。
为此，该技术必须保证：
1）Mole在视频信号中是看不到的。
2）切换设备不作任何修改，甚至不需要加什么滤波器，降噪器之类的措施，就能够通过带有info-bus信息的数字信号。
3） 输出的编码器应该有能力检测到mole什么时候不再有意义（如切换点附近），以便知道何时使用自己的编码决定。
三、格式转换性及传输性
首先谈传输性，MPEG由于采用帧间压缩在保证质量的情况下可大幅降低数据传输率，使得它成为传输的首选，并且牢固的占领了电视传输市场，这点已无需多谈了。
就电视广播领域而谈，主要采用MPEG-2作为压缩方式，而MPEG又分为不同的档（profile）在档次下又分成不同的级（level）。另外，在具体压缩过程中，帧组可以不固定，如编辑可采用三种编辑方式：I编辑，I、B编辑和I、B、P编辑，因此它们之间的相互转换是经常使用到的，如果按常规的先解码、再编码进行转换，那么这种串接损失是有的，如果有多次这样的转换，对图像的损害是可见的。
这样的转换损失已经不再令人担心了，因为上述的信息总线技术和mole技术已经为解决这个问题铺平了道路，SONY和Thomoson去年曾与该公司签订采用该技术的协议。
目前，电视台播出设备正在向数字化过渡，其中一个明显的趋势是向硬盘多频道播出过渡，而这个系统采用MPEG－2压缩方式正形成主流，这无疑会加快电视领域采用MPEG－2作为压缩格式的进程。
MPEG-2会不会成为广播电视领域的从前期到最后传输的主要压缩格式，从技术角度来说已不存在大的问题，但也有很多问题有待解决，首先MPEG非线性编辑能否从功能上、质量上和价格上比M-JPEG非线性编辑有优势，软件与相应硬件的完善配合，与之相应的前期摄录一体机的推出等也需要时间，电视数字广播在电视领域的普及速度有多快等，这种技术能否成为主流压缩格式最终由用户决定，我想未来几年将见分晓。
要想在电视领域——从前期录制到最后播出传送都采用同一压缩格式，那么这个压缩格式必须具有可编辑性，可切换性、格式转换性及传输性。
一、可编辑性
MPEG作为一种压缩格式，引起人们最大争议的是它的可编辑性，但随着人们对MPEG的深入研究和有关硬件的研制进展，这种可编辑性已经不再有什么问题了。目前MPEG-2的可编辑方式有下列几种。
1、I帧编辑
在目前非线性编辑中广泛采用M-JPEG压缩。为什么呢？这里主要是它具有可编辑性。它使用帧内压缩，帧与帧之间是独立的。彼此不互相牵连。并且硬件实现起来比较容易，成本较低。
按照通常的格式，MPEG具有I、B、P的帧组，只有I帧类似于M-JPEG，帧与帧之间是相关的，编解码比较困难，特别是编码，其计算量比解码大2倍以上，因为它要进行预处理运动估测和速率控制等，硬件实现起来比较困难，成本较高，如第1台实时MPEG编码器成本要数千美元。
人们最容易想到的解决办法是象M-JPEG一样在MPEG帧组中，不要B、P帧，只保留I帧，从而解决MPEG的编辑问题，这种编辑方案已被采用，有人叫MPEG-2 422P（I）方式，它主要应用于电视后期制作，以高质量为前提。根据一些研究表明，一个50Mb/s的MPEG-2 422（I）数据流可以完全达到这个目的。
人们会问，这种方式虽然解决了编辑问题，但这与M-JPEG不是差不多吗？不，它比M-JPEG至少有两个优点：1）MPEG-2 422（I）数据流比M-JPEG数据流（在相同质量前提下）可节约存储空间15%左右；2）将它转换成任何MPEG格式都比较容易，而且转换损失小。
目前FAST和NEC等公司已有产品问世。
2、I、B编辑方式
这是SONY公司在数字Betacam-sx录像机中采用的方式，早已为大家所知。由于多了一个B帧，因而能否实行帧精度编辑一直是人们关注的问题，最近SONY有关人员公开了其中的一些信息。
我们以DNW-A100（盘带结合型录像机）为例，看一看它是怎样实现编辑的。
DNW-A100是一种盘带结合的录像机，它主要用硬盘进行编辑，然后再复制到磁带上。它能实现帧精度编辑的关键，是内含两个相同的MPEG解码器，如图1所示。
在进行编辑时，磁带上的素材加载到硬盘上，然后将记录在硬盘上的素材转换成基带信号，由于硬盘上的素材是压缩的信号，经过解码（实际上是解压）后的信号是无压缩的数字视频信号，经编辑后生成EDL。录像机根据EDL，控制两个MPEG解码器传送硬盘上来的素材，经MPEG编码器将信号记录在磁带上。
看来SONY是靠两个实时解码器和一个实时编辑器来完成编辑任务的。
3、I、B、P编辑
I、B、P编辑是MPEG压缩方式中最难的一种方式。由于一个帧组中有I、B、P，要做到实时，除了需要大量的计算，而且要计算速度非常快，必须由硬件加以保证。最近美国c-cube公司已生产了单片MPEG编解码器，名叫Dvxpress，其中包含MPEG编码器，双通道MPEG解码器，数字特技处理、音频处理及有关接口，如图2所示
为了解决帧精度的编辑，该公司采用FAMETM（Frame-Accurate MPEG Editing）技术，重点是帧精度停止和帧精度开始技术。
1）帧精度停止
图3显示了捕捉和编码顺序
MPEG编码中，每一帧都有自己的图像类型，如I帧，B帧和P帧。另外还有以捕捉顺序定的帧号，从图3所示的例子中，假如第7帧编码器要停止，那么该帧刚好是B帧。
在MPEG码流中，帧组含有一组帧，如I、B、P帧，开初，MPEG编码器使用固定的帧组，即I、B、P之间的空间是固定的，由于编码器最后的要编码的帧必须是I帧或P帧，因而编码器最后完成编码的精确帧不能精确地加以控制。但MPEG标准并不需要使用固定的帧组结构，所以正确设计的编码器可以停止在任意帧，本来第7帧为B帧，但编码器把它编码成P帧，并且本帧组的顺序与捕捉顺序不一样。
2）帧精度开始
与前述类似，一个集成的两数据流解码器及合成电路，在解码一个MPEG流的同时，可以从一个帧组开始解码第二个码流，当过渡到第2个码流的“开始帧”到达时，解码器可以与第2码流合成或切换到第2个码流，即帧精度编辑可实时进行，希望的顺序是A流0~3帧，然后过渡期是A流4~9帧，B流是2~7帧，最后完全过渡到B流。从图4可以看出，即使在B流帧组的中间也可以开始过渡，并且码流A和码流B两者的帧组结构可以不一样。一个是I、B、B、P，一个是I、B、P。
虽然帧精度编辑很复杂，但通过正确设计应用协议接口（API：Application protocol inferface），可以将其复杂过程隐蔽起来。只要MPEG编解码器收到以时码为基础的编辑指令以后，它就能够计算出什么地方开始解码，什么图像应该合成并呈现出来，但这个过程对用户来说是看不到的。
另外，该单片MPEG编解码芯片，还可以做二维特技，如混合、扫换和淡黑等。
为了进一步了解MPEG编辑，我们再以日本HP公司使用的cleancut技术为例加以说明。
HP公司也采用两个MPEG解码器，当进行编辑时，一个解码器进行正常解码，并输出一个节目片断（用#表示）时，另一个解码器也在紧张地作准备工作（处于pre-charge方式），即准备下一个要剪辑的节目片断的解码。一旦输出的第一个节目片断结束时，硬件开关转至另一个解码器，这时第2个解码器由于事先的准备，就能够实时地准确地送出第2个节目片断，其示意图如图所示。
这种方法看来很简单，但由于复杂的定时问题，做起来就不那么简单了。
总之，不管是SONY的I、B编辑，还是c-cube和HP公司的IBP编辑，都使用两个MPEG解码器，利用复杂的定时及相应的硬件开关，完成实时编辑，甚至具有二维特技功能的编辑任务。
二、可切换性。
我们知道，MPEG在编解码过程中，必然涉及到运动矢量、编码方式等，由于每次编解码都有可能采取不同的参数（对于同一内容的图像段），因此多次编解码会引起图像质量的下降。另外目前压缩信号要进入制作或需要切换，一般都要先进行解码，同样也存在这一问题。
欧洲snell&-wilcox公司和BBC共同开发了“info-bus”和“mole”技术，为上述问题的解决奠定了基础。
1、info-bus
info-bus意为信息总线。在压缩编码时将有关决定压缩的信息如运动矢量，图像类型和预测方式等从MPEG比特流中分离出来，形成信息总线，即是说，我们在解码MPEG码流时，既要输出图像信号，也同时由信息总线输出如何编码的信息，经过处理后再编码时仍使用这些编码信息。
视频信号切换是经解码后实行的，但在解码的同时，从解码器输出端也输出了信息总线，这些信息再送至编码器，用于再次编码。
2、“mole”技术
采用信息总线技术，info-bus的信息要单独处理，一般切换台不能胜任，必须使用专门设计的切换设备，而使用“mole”技术就不需要这种麻烦了。
Mole技术的想法是，将MPEG解码器解出的数字视频与info-bus信号再次进行合并，即将info-bus信号插入到解码的数字视频信号之中，变成一个信号，这样就可实现压缩信号与不压缩信号的切换，并且一般切换台可进行切换。利用“mole”技术的方框图如图7所示。
为此，该技术必须保证：
1）Mole在视频信号中是看不到的。
2）切换设备不作任何修改，甚至不需要加什么滤波器，降噪器之类的措施，就能够通过带有info-bus信息的数字信号。
3） 输出的编码器应该有能力检测到mole什么时候不再有意义（如切换点附近），以便知道何时使用自己的编码决定。
三、格式转换性及传输性
首先谈传输性，MPEG由于采用帧间压缩在保证质量的情况下可大幅降低数据传输率，使得它成为传输的首选，并且牢固的占领了电视传输市场，这点已无需多谈了。
就电视广播领域而谈，主要采用MPEG-2作为压缩方式，而MPEG又分为不同的档（profile）在档次下又分成不同的级（level）。另外，在具体压缩过程中，帧组可以不固定，如编辑可采用三种编辑方式：I编辑，I、B编辑和I、B、P编辑，因此它们之间的相互转换是经常使用到的，如果按常规的先解码、再编码进行转换，那么这种串接损失是有的，如果有多次这样的转换，对图像的损害是可见的。
这样的转换损失已经不再令人担心了，因为上述的信息总线技术和mole技术已经为解决这个问题铺平了道路，SONY和Thomoson去年曾与该公司签订采用该技术的协议。
目前，电视台播出设备正在向数字化过渡，其中一个明显的趋势是向硬盘多频道播出过渡，而这个系统采用MPEG－2压缩方式正形成主流，这无疑会加快电视领域采用MPEG－2作为压缩格式的进程。
MPEG-2会不会成为广播电视领域的从前期到最后传输的主要压缩格式，从技术角度来说已不存在大的问题，但也有很多问题有待解决，首先MPEG非线性编辑能否从功能上、质量上和价格上比M-JPEG非线性编辑有优势，软件与相应硬件的完善配合，与之相应的前期摄录一体机的推出等也需要时间，电视数字广播在电视领域的普及速度有多快等，这种技术能否成为主流压缩格式最终由用户决定，我想未来几年将见分晓。
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