【技术文章】
| 挑战MPEG-2——MPEG Marvel的产生和优势 | |
| 王兆春 | |
| 本文作者王兆春先生，广州波视多媒体设备有限公司总经理 | |
| 关键词：MPEG-2 非线性编辑 逐帧编辑 MPEG-2码流格式分析 MPEG运动图像的帧内编码技术除采用与JPEG相同的DCT技术外，还加进了帧间压缩编码技术(运动补偿技术)。MPEG-2国际标准描述了数字存储媒体和数字视频通信中的图像信息编码和解码过程，其系统编码包括两种：程序流(Program Stream, PS)和传送流(Transport Stream, TS)；另外，原始流(Elementary Stream, ES)是针对单独的视频和音频数据。MPEG-2标准支持固定和可变比特率传送、随机访问、信道跨越、分级解码及比特流编辑等功能。 MPEG-2视频压缩编码的数据结构是分层的比特流结构，编码的比特流包括：视频序列层、图像组块层、宏块层和块层。其中视频序列处于最高层，包括视频序列头和紧跟的一系列数据单元。其编码扫描方式有：逐行/隔行扫描和帧图/场图扫描。图类型有：I图、P图和B图。I图使用自身的图像进行编码，提供了对所编码的图像数据序列的可访问点，用以解决视频序列的随机访问问题。P图是使用前面的I图或P图的信息预测编码，采用更有效的编码方法。B图是双向预测编码的图，即由过去或将来的I图或P图双向预测进行编码。MPEG-2格式中不包含代表能量分布的D图。为了提供随机访问功能，在编码比特流中允许有重复的视频序列头出现，但它只可以在I图或P图前面出现。MPEG-2视频序列中三种图像的组织关系非常灵活，可由编码器根据实际情况来选择安排，其编码形式决定了随机访问MPEG-2码流中任意一帧并取得该帧图像的速度。 视频序列层下有图像组块层，而组块是由宏块构成的，宏块包含一部分亮度分量和空间相关的色差分量，有4:2:0、4:2:2和4:4:4三种色差格式。其中4:2:0格式由四个亮度块(Y)和两个色差块(Cb块和Cr块)组成，由于它具有高压缩比且视频质量较高，而成为数字视频和多媒体存储及传送普遍采用的格式。 MPEG-2服务器及非编卡、软件 目前主流MPEG-2压缩格式的硬件分为两种：一种针对非线性编辑，另一种倾向于MPEG-2格式的采集压缩存储。 非线性编辑板卡 主要有以下产品： (1)品尼高(Pinnacle)公司的Targa 3000、DC1000/2000和DVD1000/2000系列，它们支持基于Adobe Premiere、InSync Speed Razor 2000及Discreet Edit 6.5软件的二维或三维实时非线性编辑，但用于非编的是其自己所支持的码流格式，非编完成后有几种可选的码流格式：DC1000和Minerva Impression DVD(即MPEG-2)等格式。其中实时输出的DC1000格式用于再编辑；而MPEG-2格式需要用其捆绑的软件生成，生成之前可以选择I帧、IP帧或IBP帧格式输出，但输出后的MPEG-2码流不可以调回其编辑软件中进行再编辑。 (2)Matrox公司的DigiSuite和RT-1000/2000系列也是基于Adobe Premiere软件进行实时编辑，然后通过捆绑的Ligos输出插件，软件输出MPEG-2节目流或视频原始流格式。目前有些公司基于DigiSuite非编卡开发出很有创意的无卡编辑网络，即采集两种码流格式，一种为高码流的可编码流，用于实时输出；另一种为低码流的MPEG-2标准码流，用于无卡工作站的软件剪辑和简单特效，并保存为工程文件。然后将各个无卡工作站的工程文件调出，最后用高码流的码流格式通过卡实时输出。 MPEG-2格式的采集压缩存储 (1)Sony、GVG、SeaChange等厂商的MPEG视频服务器，为可选择配置的专业视频服务器，其稳定性较高，但兼容性和网络的可扩展性不及MPEG-2硬件压缩卡。以Sony VSR2000和GVG PVS-1000系列为例。VSR2000压缩后的码流格式属MPEG-2所规定范围内，但它是IBBPBBPBBPXXX格式，而且从第二个GOP开始，每一个GOP第10帧以后宏块地址的增长都是非法的，即后面的X帧地址与前一帧相同，这使得由该服务器采集并存储的素材不能够被任何一种标准格式的MPEG-2解压卡解压。PVS2000系列属于较高档的MPEG-2视频服务器，它采用MPEG-2 4:2:2视频压缩格式，但压缩后的视频与音频是分开的，其视频帧格式为IPBBP，视频缓冲检验器中的数据最大值达到了750kB。以此类推，相同视频质量的素材存储空间要比其他4:2:0格式约大5倍。 (2)Optibase、Vela、Zapex和DV-Studio等厂家的MPEG-2压缩卡，主要是以其核心压缩芯片来分类，包括：C-Cube、IBM、Zapex、VisionTech、iCompression和StreamMachine等。这些压缩卡都是将A/V信号编码成标准MPEG-2 IBP帧格式的码流，虽然每一种压缩卡出来的MPEG-2的程序流格式在复用过程中都不尽相同，但是它可与任何一种MPEG-2解压卡兼容。 以主流MPEG高档压缩卡厂家Optibase、FutureTel和Zapex的产品为例。Optibase的压缩码流格式较为标准，但是其视频分辨率Full D1最高为704×576(PAL制)和704×480(NTSC制)；Future-Tel码流视频序列头中视频缓冲检验器缓冲区的大小相对其他MPEG-2压缩卡的值小近一倍；而Zapex压缩的视频码流缓冲区数据远远超出了解码器规定的大小。 然而在非线性编辑方面，这些压缩卡却无能为力。 逐帧剪辑软件 针对MPEG-2压缩卡在非线性编辑方面的弱点，Vitec、MediaWare Solu-tion和波视三家技术力量雄厚的公司开发了MPEG-2 IBP帧标准格式的逐帧剪辑软件。其产品的共同点是纯软件解决方案，都是对MPEG-1、MPEG-2系统/节目流进行逐帧搜索并剪辑。但是从软解压和搜索任一帧的速度、软件所支持的MPEG格式的工具和支持的字幕的效果等方面来看，波视公司的MPEG Carver软件略胜一筹，并成为广大用户推崇的MPEG工具软件。 波视软件产品简介 波视公司MPEG-2非线性编辑软件产品包括MPEG Carver和MPEG Marvel。 MPEG Carve 为波视最早开发的MPEG-1、MPEG-2 IBP帧标准格式逐帧编辑软件。它针对符合国际标准(ITU-T Rec. H.262┃ISO/IEC 13818-2和ISO/IEC 13818-3)的MPEG-1和MPEG-2文件在IBP帧格式的基础上进行非线性编辑，纯软件解压不依赖任何硬件(也可支持硬件解压)；可在任意时段对MPEG-1系统流和MPEG-2节目流及视/音的原始流文件分别进行入点、出点的剪切；剪切后的视/音频原始流文件可以任意连接；可在任意的视频段上叠加字幕；视/音频原始流文件可复用成节目流文件；节目流文件可以解复用为原始流文件。 MPEG Marvel 为波视作为Adobe Solution Network(ASN)公司的第三方开发合作伙伴，最近开发的纯软件产品。它是Adobe Premiere 6.0非编软件的插件，分为BM MPEG Importer和BM MPEG Exporter两部分。前者为Adobe Premiere的用户提供实时MPEG-1、MPEG-2格式码流的高质量输入和解压功能；后者提供高质量的MPEG-1、MPEG-2的视频编码器和复用器，在高画质的前提下，双P4 1.7GHz的CPU系统上能实现超过40帧/秒的Full D1的视频输出。MPEG Marvel软件的设计及编写全部用机器指令(MMX、SSE和SSE2)优化，这就决定了其解/编码器的速度主要取决于计算机系统的配置。 先从解码器的角度，以常用PIII 866MHz CPU、256MB内存的系统为例。BM MPEG Importer解码一帧视频的平均时间为11.6ms；解压相对应的一帧音频(48kHz)时间为0.72ms。无论码流多大、时间多长，搜索一帧的时间为100～200ms。将任意大小的一条素材调到时间线上的时间为500～700ms，因为在将素材调入时间线并显示出来之前，系统要获取整条素材的码流信息并同时计算出整条素材的帧数，而且如果时间线上的时间指针不在起始位置而在任意位置，系统就要同时解出该帧的图像并显示在预览窗口中。以上时间参数超过了目前所有解压软件和硬件非编卡。 从编码器的角度，编码速度主要取决于机器速度、码流分辨率和运动搜索的范围，而输出码流比特率对之影响很小。在Athlon 1.5GHz、256MB DDR内存的系统上，如果选择快速运动搜索方式，那么Full D1 NTSC(720×480)视频的编码可输出每秒21帧的高质量视频。要注意其图组结构是IPBB格式，而不是象某些实时压缩软件一样只采用I或IP格式。对需要实时高质量输出的用户，BM MPEG Exporter也同样胜任。由于其采用先进的并行处理结构，能将运算任务有效地分配到不同CPU上，使用双CPU的系统编码速度可比单CPU提高几乎一倍，在双Athlon 1.5GHz系统上NTSC Full D1视频的编码速度达40帧/秒！这已经超过实时的要求。对于MPEG-1视频，更达到了145帧／秒的速度。另外，用户也可以通过不同的搜索范围而求得质量与速度间的平衡，使用最高质量搜索方式时，速度只比最快时下降约40%。 此外，MPEG Marvel还运用了许多先进的编码技术以提高输出视频的质量，如： (1)非线性失真优化运动搜索，能够优化选择运动矢量，尤其在大运动搜索范围时其优点更为明显； (2)预读取比特分配与流控技术，能够提前获取视频序列中的统计数据并进行更有效的比特分配和码流控制； (3)视觉加权的量化技术，利用人眼对不同图像具有不同的失真感觉而提高视频的主观质量； (4)高精度MMX DCT变换，符合IEEE Std 1180-1990标准。 MPEG Marvel将波视公司的专业MPEG-2技术与广泛应用的非线性编辑软件Adobe Premier无缝地结合在一起，使得广播级质量的MPEG-2采编播一体化系统成为现实。 |
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| 来源：《世界广播电视》 | |