关键词：MPEG-2 编码算法 噪声 预处理
自从Tandberg推出第一种MPEG-2编码器以来，相关技术已有了很大发展。在每一发展阶段，Tandberg编码器的性能都有所提高，设备的体积并不增大，甚至有所缩小，以满足我们目前所提供的1RU或2RU的规格需求。这些都得益于算法的不断改进，以及各种新算法能迅速地被最新的FPGA(Field
Programmable Gate Array)技术所采用。
我们的第四代编码器有1RU的E5710和2RU的E5720，它们都有许多预处理效能，用以改善总体画质。这包括可靠的3:2下拉素材检测，以将编码器的帧编码率从30Hz降低到24Hz；以及所谓的“前向分析”，用于分析输入视频信号的若干重要的视频压缩参数(比如重复场、噪声测量和空间活性等)。前向分析部分有一个非常重要的新功能就是所谓的“自动级联”(Auto
Concatenation)。
随着数字电视网络和MPEG压缩在演播室和分配链中应用的不断增多，在MPEG编码器的输入信号中，事前已经过压缩与解压缩的情况，也在稳步地增多。在许多情况下，有可能使用专用转码设备代替编码器和解码器，例如在把信号以MPEG再压缩之前需要视频混合、播放或存储设备时。
为改善视频压缩系统的级联性质，业界已发表的许多方案用帮助信号把前一步骤的压缩参数传送给上游编码器。但这样的系统至今还没有实用化，主要原因是带有帮助输出信号的MPEG解码器还不敷应用，帮助信号的完备性也不够可靠。
Tandberg公司对MPEG级联采用的方案是“自动级联”，侧重于分析输入视频信号，看是否有做过MPEG压缩的痕迹，而不是依赖帮助信号来改进级联编码。如果编码器发现某视频信号已做过MPEG压缩，它就会对本身的压缩参数进行优化，以尽量减小因压缩而产生的额外噪声。如果启用了自动级联功能，而且两步压缩工作于相同的比特率，就可以进一步减小级联的损失(理论上可以减小到零)。
带有帮助信号的系统有一个比较大的缺点，就是帮助信号不能承受数字磁带和服务器的中间层压缩，除非采取特别的预防措施。自动级联工作原理是这样的，即如果某个先期压缩的参数与MPEG再压缩相关，则这个参数本身在视频信号中就可以检测出来。反之亦然：如果检测不出有以前MPEG压缩的痕迹，则优化参数也无意义。
遇到中间层压缩也是基于MPEG-2的情况，检测与最低码率对应的最强的“指纹”。试验证明，即使是以一种数字格式压缩做记录，在大多数情况下，原来的4Mb/s的MPEG-2“指纹”仍可以检测出来。所以，即使在编码器与解码器之间采用了中间层压缩，自动级联仍具有改善画质的效能。
检测输入视频信号中的MPEG压缩参数，是减小级联损失所必需的，但还不够。对级联编码器的处理过程进行详细的分析，可以显现广范围的处理单元，从中便有优化的潜力，借以降低因级联产生的量化噪声。这包括从预处理、运动估算到前向量化、模式决定和码率控制。
只有将这些处理单元加以组合优化，才能像自动级联功能那样，将级联损失减少到接近透明的程度。由于以前的MPEG压缩绝对是在输入级检测的，所以对级联的优化并不需要牺牲那些在以前未曾压缩的视频源素材的压缩性能。
自动级联已有了若干很好的应用。特别要提的是，用于当地插入时效果很理想。淡变、划扫、帧精度切换、彩带及画外音等特技，都可以使用一般的控制和节目编排系统来完成。然而，如果要实现接近无损的级联，还必须满足下列条件：视频信号从解码器到编码器之间是作为数字分量信号而载送的；上游编码器适用于级联，且使用720、704和352三种分辨率；编码器的配置相近，比特率相同，或者让上游编码器的比特率设定得高得多。第一个条件对任何级联系统来说，都是不可缺少的。如果其它条件无法满足，相对于不具备这一特性的编码器来说，自动级联依然表现出显著的优势。只不过，在这种情况下，级联不再是透明的了。
在循环式系统应用中，当比特率变换器的能力不敷比特率的降低要求时，自动级联提供高质量的比特率压缩。在这类情况下，自动级联的作用是降低视频信号的分辨率，并将MPEG-2
4:2:2 @ML的分配输入信号转换为MP@ML直接到户信号。对于从4:2:2 P到MP的转换而言，上述接近无损级联的规则依然成立。
对广播级编码器来说，其预处理的另一个重要作用是降噪。大多数广播级编码器的预处理算法中都带有降噪部分。尽管降噪可以节省比特率，并改进曾受噪声损伤的视频信号的画质，但如果这个信号已做过MPEG编码和解码处理，那么降噪操作会破坏这两个压缩信号源之间的关联性。这也将从总体上增大量化噪声。分析输入视频信号是否有以前MPEG压缩的痕迹，编码器便能酌情决定是否启动视频降噪。
在过去，复杂的降噪算法需要大量的专用集成电路，并在分立的专用设备中执行。专用集成电路的快速改进也被集成于这些专用设备之中。然而，由于FPGA的快速发展，我们可以把复杂的降噪算法集成于编码器的前置处理电路中。这就大大提高了处理的效能/规格比，因而可将高度复杂的滤波器和算法集成在编码器中。
Tandberg公司推出的第四代编码器具有强大的降噪处理能力，所以在许多情况下不必再使用那些价格昂贵的外部设备。
该公司原有编码器产品的降噪效能，是靠时间与空间滤波器，根据在输入端测得的噪声电平进行控制。第四代编码器提高了空间滤波器的处理能力，但空间频响却未降低。这是因为采用了一套双循环的非线性IIR(Infinite
Impulse Response)滤波器，并具有边缘保持特性。因此这些滤波器能比以前滤除更高的噪声电平。
保持了根据噪声电平进行自动调控的原理，但共有三级降噪电平控制供用户选用。按渐次增大的顺序排列，有：
(1)信道中主要是高质量源素材时的弱降噪；
(2)信道中混合的素材偶然带有噪声源情况下的中等降噪；
(3)信道中的噪声电平有时较高情况下的强降噪。
这三种设定方案都对噪声水平有自适应能力，所以不必针对不同的素材源，或在不同节目之间改变设定。因此，该编码器可自行工作，不必人工干预。
应用大规模FPGA技术可改善编码器的降噪效果，而这以前要靠专用外部设备才能实现。特别是现在提高了对高电平噪声处理的效率，可显著地降低对比特率的要求，同时显著地改善画质。
Tandberg的MPEG-2编码器已有了几代产品，它们对画质的改善并不完全依赖预处理这一环节。同时，运动估算和量化优化等核心处理环节，对画质的改善也非常重要。同样重要的还有指配方面的问题，包括码率控制、自适应量化和统计复用。这些领域上的综合效应，是实质性地节省了比特率，而这些都首先归功于高质量的预处理。 |