剖析 MPEG-2 視頻編碼器

剖析MPEG-2視頻編碼器

1.MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介現(xiàn)有MPEG-2視頻標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)規(guī)范集包括6類（profile）4級(jí)（level）組成，并采用分級(jí)編碼。所謂級(jí)是指MPEG-2的輸入格式，標(biāo)識(shí)從有限清晰度的VHS質(zhì)量圖象到HDTV圖象，每一種輸入格式編碼后都有一個(gè)相應(yīng)的范圍。.低級(jí)LL（LowLevel）：圖象輸入格式的象素是ITU-RRec.BT601格式的1/4，即352*240*30或352*288*25，相應(yīng)編碼的最大輸出碼率為4Mbps。.主級(jí)ML（MainLevel）:圖象輸入格式符合ITU-RRec.BT601格式，即720*480*30或720*576*25。相應(yīng)編碼的最大輸出碼率為15Mbps。高級(jí)類20Mbps。.1440高級(jí)H14L（High1440Level）:是1440*1152*25的高清晰度格式。相應(yīng)編碼的最大輸出碼率為60Mbps。高級(jí)類80Mbps。.高級(jí)HL（HighLevel）:圖象輸入格式為1920*1152*25的高清度格式。相應(yīng)編碼的最大輸出碼率80Mbps。高級(jí)類為100Mbps。所謂類是指MPEG-2的不同處理方法，每一類都包括壓縮和處理方法的一個(gè)集合。不同的類意味著使用不同集合的碼率壓縮工具。越高的類編碼越精細(xì)，而每升高一類將提供前一類沒(méi)有使用的附加工具，當(dāng)然實(shí)現(xiàn)的代價(jià)會(huì)更高。而解碼器卻是向下兼容的，任何一種高級(jí)類解碼器，均應(yīng)能解碼用低級(jí)類方法編碼的圖像。MPEG-2共分6類：簡(jiǎn)單類SP（SimpleProfile）；主類MP（MainProfile），它比簡(jiǎn)單類增加了一種雙向預(yù)測(cè)方法，在相同比特率的情況下，將給出比簡(jiǎn)單類更好的圖像。主類的擴(kuò)展類P（Profile），主要是由Tektronic公司和SONY公司在主類的基礎(chǔ)上推出的更適用于演播室視頻節(jié)目制作要求的數(shù)據(jù)壓縮處理方法。信噪比可分級(jí)類SNRP（SNRScaleableProfile）；空間可分級(jí)類SPP（SpatiallyScaleableProfile）和高級(jí)類HP（HighProfile）。前兩種可分級(jí)工具允許將編碼的視頻數(shù)據(jù)分為基本層和上層信號(hào)。基本層表示編碼圖像的基本數(shù)據(jù)，但代表的圖像質(zhì)量低；上層信號(hào)則可用來(lái)改進(jìn)信噪比或清晰度。這就意味著有時(shí)解碼器可以忽略比特流中的增強(qiáng)部分，而只解碼比特流中的基本部分，仍可得到有用的圖像序列，只不過(guò)此時(shí)所得的圖像分辨率低一些，或者幀速率低一些，或者質(zhì)量低一些。現(xiàn)有數(shù)字電視廣播系統(tǒng)就利用了MPEG-2的這種可分級(jí)性，使數(shù)字信號(hào)能同時(shí)覆蓋接收條件好的和接收條件差的地區(qū)，并使能接收和不能接收的區(qū)域過(guò)渡更為平滑，同時(shí)粗編碼的低層信號(hào)可以有較強(qiáng)的抗干擾能力，可以有更大的覆蓋范圍。由于MPEG-2不僅消除了空間上的冗余，而且消除了時(shí)間上的冗余，因此使用MPEG-2可以在比較大的壓縮比的情況下保持較好的圖像質(zhì)量，SONY的Betacam-SX采用10:1壓縮，數(shù)據(jù)率為18Mb/S是現(xiàn)有數(shù)字錄象機(jī)中最低的，有利于高速傳輸與存儲(chǔ)。另外，MPEG-2還具有如下特色：1．輸出碼率流速率可適應(yīng)同步或異步傳輸，無(wú)需固定；2．適應(yīng)于逐行或隔行掃描系統(tǒng)；3．可用于4:2:0、4:2:2、4:4:4等亮、色取樣；4．按清晰度可以將圖象分為4個(gè)等級(jí)，高級(jí)解碼器可與低級(jí)解碼器實(shí)現(xiàn)下兼容；5．按使用的工具和方法不同分為5種類型，即允許分層性編碼，以保證不同的傳輸與接收要求。MPEG-2的這種開(kāi)放性的優(yōu)點(diǎn)，決定了Betacam-SX將來(lái)可直接與眾多公司生產(chǎn)的數(shù)字視頻系統(tǒng)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、傳輸、制作而不需任何數(shù)字的轉(zhuǎn)換設(shè)備，就連一貫采用M-JPEG數(shù)字壓縮算法的非線形編輯領(lǐng)域也在積極向MPEG-2靠攏。Matrox、品尼高等一些非線形軟、硬件主流產(chǎn)品廠商也已經(jīng)宣布將于99年第一季度推出采用MPEG-2壓縮算法的視頻板卡及軟件，無(wú)疑這其中受益的是Betacam-SX，而且Betacam-SX本身還推出了一種盤帶結(jié)合型錄象機(jī)，為進(jìn)行非線形編輯提供了更加優(yōu)越的條件。另外，MPEG-2將是廣播電視向全數(shù)字化過(guò)渡的最佳選擇也逐步被大多數(shù)視頻專業(yè)人士認(rèn)可，所以美國(guó)以及西方各國(guó)普遍以MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)作為數(shù)字HDTV圖像壓縮編碼系統(tǒng)的核心，這無(wú)疑又為Betacam-SX的未來(lái)發(fā)展提供了一個(gè)優(yōu)越性。四．Betacam-SX的零幀編輯最初的MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)是為視頻分配而設(shè)計(jì)的，為家庭提供一個(gè)可接受的圖象質(zhì)量，但是由于有限的數(shù)據(jù)率（最大為15Mb/S）和采用4:2:0取樣，它的質(zhì)量并不適合專業(yè)制作和后期制作，4:2:0的取樣結(jié)構(gòu)也不能達(dá)到演播室對(duì)多代復(fù)制所要求的圖象質(zhì)量，采用小型GOP（GroupOfPicture）結(jié)構(gòu)和15Mb/S的數(shù)據(jù)率不能產(chǎn)生所需的圖象質(zhì)量，大型的GOP結(jié)構(gòu)又令演播室的信號(hào)切換很困難也不能實(shí)現(xiàn)零幀編輯，因此很多的錄象機(jī)采用幀內(nèi)DCT處理，造成在整個(gè)節(jié)目到播出的鏈條中，節(jié)目制作是唯一不使用MPEG-2的部分。SONY公司在與大批廠商的共同努力下，順應(yīng)了發(fā)展的趨勢(shì)率先推出采用MPEG-2MP@ML的改進(jìn)型MPEG-24:2:2P@ML壓縮算法的Betacam-SX，以兩幀（I幀和B幀）作為一個(gè)GOP，既保證了廣播級(jí)的圖像質(zhì)量，又實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性以及高速的數(shù)據(jù)傳輸，但是最初我們還是有一點(diǎn)疑問(wèn)，就是Betacam-SX如何實(shí)現(xiàn)零幀編輯，這恐怕也是很多家電視臺(tái)在選擇數(shù)字錄象機(jī)時(shí)的疑慮之處。在解釋Betacam-SX如何實(shí)現(xiàn)零幀編輯之前，首先讓我們先看一看其它采用幀內(nèi)壓縮的數(shù)字錄象機(jī)是如何進(jìn)行零幀編輯的。在進(jìn)行復(fù)制或編輯時(shí)，目前數(shù)字錄象機(jī)通常都使用串行數(shù)字（SDI）或模擬接口相連接的。因?yàn)榧词寡b配了傳輸壓縮數(shù)字信號(hào)的接口（如：SDTI、QSDI等），那么它只能應(yīng)用在復(fù)制操作中，而一旦需要疊加字幕或在系統(tǒng)使用時(shí)，也必須使用SDI或模擬接口。與之對(duì)應(yīng)，解碼也可分成三部分，解復(fù)用.拆包和視頻解碼及音頻解碼。MPEG-2視頻ES結(jié)構(gòu)可分為6層：<1>視頻序列層。定義整個(gè)視頻序列的結(jié)構(gòu)，是節(jié)目的隨機(jī)進(jìn)入點(diǎn)。<2>圖像組層(GOP)。支持圖象解碼過(guò)程中的隨機(jī)存取功能，GOP是視頻編輯的隨機(jī)進(jìn)入點(diǎn)。<3>圖像層。包含一幅圖象（幀）的所有編碼信息，是編碼處理的單位。<4>象條層。在反DCT變換時(shí)提供同步的功能。<5>宏塊層。宏塊是運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償處理的單位。由亮度塊和色度塊組成，包含P幀B幀的運(yùn)動(dòng)矢量。<6>象塊層。象塊層是DCT變換的單位，提供DCT系數(shù)。3.MPEG-2的編碼方式MPEG-2有三種編碼方式：幀內(nèi)壓縮編碼方式，見(jiàn)圖3；幀間壓縮編碼方式，見(jiàn)圖4；幀內(nèi)及幀間壓縮編碼方式，見(jiàn)圖5。壓縮就是將視頻信號(hào)中冗余減少的過(guò)程，首先必須識(shí)別每個(gè)視頻場(chǎng)和幀中的冗余，這主要包括空間與時(shí)間上的冗余。去除視頻信號(hào)空間冗余可通過(guò)DCT變換來(lái)完成，DCT變換是一個(gè)無(wú)信號(hào)損失的雙向數(shù)學(xué)過(guò)程。它將空間分布的變化程度轉(zhuǎn)變成重現(xiàn)空間分布所需的頻率帶寬。變換所得到的系數(shù)值既可以代表不斷增加的更高的垂直和水平空間頻率，也可以代表不同的水平和垂直空間頻率組合。視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)DCT變換后，較高的空間頻率系數(shù)會(huì)變得非常細(xì)小，而據(jù)人眼的視覺(jué)特性，較高的空間頻率系數(shù)可以少量的比特來(lái)表示，或者完全去掉而不影響圖像質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)為保持信號(hào)的可逆性和無(wú)損性，常常采用更多的比特來(lái)表示DCT系數(shù)。去除視頻信號(hào)時(shí)間冗余，可使用有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸g預(yù)測(cè)來(lái)完成。對(duì)于活動(dòng)圖像多數(shù)情況下只是其中的很少一部分圖像在運(yùn)動(dòng)，即使有大范圍的活動(dòng)部分，前后幀盡管有很大區(qū)別，但移動(dòng)物體本身大多數(shù)情況下是相同的。因此只需要找到圖像中某一部分運(yùn)動(dòng)了多少就可以在前一幀找到相應(yīng)圖像的內(nèi)容，這個(gè)查找過(guò)程稱為運(yùn)動(dòng)估值，其表達(dá)方式是運(yùn)動(dòng)矢量；而把前一幀相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)部分補(bǔ)過(guò)來(lái)，得到其剩余的不同部分的過(guò)程稱為運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。就這樣，采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償可以有效地去除視頻信號(hào)在時(shí)間方向的重復(fù)信息，達(dá)到壓縮的目的。為了達(dá)到減少數(shù)據(jù)的目的，MPEG-2將4：2：2轉(zhuǎn)換成4：2：0，并且通過(guò)量化，將代表每一個(gè)系數(shù)的比特?cái)?shù)目減少。一般使用11比特來(lái)代表DCT系數(shù)，對(duì)于其他系數(shù)則采用較小的比特?cái)?shù)目。每一個(gè)或每組宏塊都有不同的量化刻度，對(duì)每個(gè)宏塊采用不同的量化因數(shù)，使只含幀內(nèi)壓縮的MPEG能提供比同樣圖像質(zhì)量的M-JPEG多出10%--20%的壓縮效果。而相對(duì)于原來(lái)的DCT系數(shù)的數(shù)據(jù)，量化表及被量化的系數(shù)數(shù)據(jù)量要小得多。在量化過(guò)程后，無(wú)損數(shù)據(jù)壓縮是通過(guò)可變長(zhǎng)度編碼VLC和游程長(zhǎng)度編碼RLC實(shí)現(xiàn)的。VLC是在數(shù)據(jù)內(nèi)尋找共同的圖案或字符，采用較小數(shù)量的比特為經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)值進(jìn)行編碼，而用較多數(shù)量的比特為較少出現(xiàn)的數(shù)值進(jìn)行編碼。RLC是用一個(gè)字符代表一串一定數(shù)目的零。總的目的只有一個(gè)，減少數(shù)據(jù)量。量化表控制是一個(gè)決定如何量化DCT系數(shù)的過(guò)程；輸出緩存可維持?jǐn)?shù)據(jù)流，并提供量化器的控制，從而限制或維持?jǐn)?shù)據(jù)流在一個(gè)一定的水平。在實(shí)實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)壓縮數(shù)據(jù)被錄像機(jī)記錄時(shí)，需要提供一個(gè)持續(xù)不變的比特率，以使機(jī)械部分以穩(wěn)定的速率旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)。而對(duì)于硬盤記錄來(lái)說(shuō)，又需要一個(gè)可變速的比特率。通常，一個(gè)可變速比特率是提供一個(gè)持續(xù)不變質(zhì)量水平的較好選擇。幀間壓縮一般是在未壓縮的圖像上進(jìn)行，是一個(gè)無(wú)損過(guò)程。在圖4中，在參考幀幀存中有一副完全解析度，完整數(shù)據(jù)的前一副圖像。在預(yù)測(cè)幀幀存中擁有一個(gè)根據(jù)前一幀和運(yùn)動(dòng)矢量所建立的預(yù)測(cè)的當(dāng)前幀。輸出是預(yù)測(cè)的當(dāng)前幀與實(shí)際當(dāng)前幀相減后的差值。若沒(méi)有運(yùn)動(dòng)或其他變化，當(dāng)前幀便可得到完美的預(yù)測(cè)，差分幀輸出為0（極易壓縮）。當(dāng)前一幀和后一幀有點(diǎn)不同時(shí)，差分幀仍有少量數(shù)據(jù)需要壓縮。采用幀內(nèi)壓縮編碼形成的圖像稱為I幀，形成過(guò)程見(jiàn)圖3；采用幀內(nèi)及幀間壓縮編碼形成的圖像稱為B幀和P幀。P幀為前向預(yù)測(cè)幀，是以前一個(gè)I幀為預(yù)測(cè)幀進(jìn)行編碼的。在I幀和P幀中間可以插入若干個(gè)B幀，B幀是從相鄰的最近的I幀或P幀作雙向預(yù)測(cè)進(jìn)行編碼的。形成P幀時(shí)參考幀幀存只要求存儲(chǔ)一幀圖象，而形成B幀時(shí)，參考幀幀存則需存儲(chǔ)前后兩幀圖象。由三種相互間有預(yù)測(cè)與生成關(guān)系的不同的幀數(shù)據(jù)，I幀P幀B幀數(shù)據(jù)按照不同的組合組成圖像組（GOP），再加上序列起始碼和序列頭等數(shù)據(jù)組成圖像序列或ES，ES再打包成PES；PES再按188byte的固定長(zhǎng)度加上各種參數(shù)組成傳送碼流TS。4.從MPEG-2MP@ML到MPEG-2P@ML目前業(yè)界流行的數(shù)字錄像機(jī)，采用的均是Digital-S.DVCPRO.DVCCAM與Betacam-SX四種格式。這四種格式中，前3種采用的均是M-JPEG標(biāo)準(zhǔn)的幀內(nèi)壓縮場(chǎng)編碼的方式，只有SONY公司推出的Batecam-SX格式采用了MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)，但它采用的是MPEG-24:2:2P@ML而不是MPEG-24:2:0MP@ML。原因在于：<1>MP@ML較長(zhǎng)的GOP結(jié)構(gòu)(12幀)，決定了它的編輯精度只有12幀，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足節(jié)目制作的逐幀編輯要求，也令演播室的信號(hào)切換變得困難。當(dāng)采用較小GOP的結(jié)構(gòu)時(shí)，15Mbps的最大碼速率又決定了不能產(chǎn)生所需的圖像質(zhì)量。<2>4：2：0的色度亞取樣，決定了它在垂直方向上的色度精度只有水平方向的一半，雖然作為直接傳輸顯示可以，但作為演播室節(jié)目制作，當(dāng)有較多色度處理時(shí)就顯得不足，有違原數(shù)字演播室4：2：2的初衷。同時(shí)也不能產(chǎn)生演播室對(duì)多代復(fù)制所要求的圖像質(zhì)量，多版復(fù)制只可到2代。5.1PAL解碼器主要功能是對(duì)輸入的PAL復(fù)合信號(hào)進(jìn)行解碼，輸出YCbCr分量信號(hào)(4:2:2)。PAL解碼器質(zhì)量對(duì)整個(gè)處理系統(tǒng)的性能指標(biāo)有非常重要的作用，并將影響最終的圖像質(zhì)量，在設(shè)計(jì)時(shí)常采用8倍色度負(fù)載波對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，用數(shù)字梳狀濾波器完成亮色分離。同時(shí)為了避免視頻信源的抖動(dòng)影響后面的壓縮處理部分，在PAL解碼器與前處理模塊之間有一幀的幀存進(jìn)行信號(hào)隔離.5.2前處理模塊該模塊原理如圖7所示。主要功能:<1>給PAL解碼器和I幀編碼器提供像素接口控制信號(hào)，其參數(shù)受CPU控制。<2>對(duì)PAL解碼器輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行必要的限幅，使其滿足CCIR601的要求(Y:16-235，C:16-240)，并對(duì)Cb和Cr信號(hào)做扣心(Coring)處理。<3>提供D1接口，可和數(shù)字視頻設(shè)備直接相連。<3>在ES碼流的目標(biāo)碼率較低時(shí)(如低于3Mbps)，啟動(dòng)1個(gè)16階的濾波器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波，使其頻帶限制在3.5MHz左右，以降低解碼恢復(fù)的圖像中的塊效應(yīng)。<5>產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波視頻測(cè)試信號(hào)，在CPU的控制下和輸入信號(hào)進(jìn)行切換。另外，為了適應(yīng)不同的碼組長(zhǎng)度可使用截短的RS碼，例如DVB和GA。GA采用RS（207，187，10），即分組碼符號(hào)長(zhǎng)度為207個(gè)，187個(gè)信號(hào)符號(hào)，可檢出207-187=20個(gè)錯(cuò)，可糾正（207-187）÷2=10個(gè)錯(cuò)。該碼就是從RS（255，235，10）碼截短而得到的，實(shí)際上可以看成255個(gè)符號(hào)中除207個(gè)有具體的值外，剩余的48個(gè)符號(hào)全部添零，可以用同樣的電路進(jìn)行編解碼。在DVCPRO、DVCAM、Digital-S格式中視、音頻數(shù)據(jù)的內(nèi)碼組為RS（85.77）碼，檢錯(cuò)能力為85-77=8byte，糾錯(cuò)能力為（85-77）÷2=4byte。視頻數(shù)據(jù)的外碼組為RS（149.138），在內(nèi)碼組指出錯(cuò)誤位置時(shí)能糾錯(cuò)149-138=11byte。音頻的外碼組為RS（14.9）碼，在內(nèi)碼組指出錯(cuò)誤位置時(shí)14byte中有不多于14-9=5byte的錯(cuò)誤都能得到糾正。而B(niǎo)etacamSX的視頻內(nèi)碼組為RS（124.112）外碼組為RS（64.50），聲音的內(nèi)碼組為RS（124.112）外碼組為RS（14.6），其外碼組的糾錯(cuò)能力明顯高于其它格式，加上磁跡寬度又比其它格式寬了許多，即使一個(gè)GOP中有兩根磁跡丟失，誤碼校正仍可正常進(jìn)行，其誤碼校正數(shù)據(jù)塊的組成如圖三所示。三．壓縮方面的比較

在壓縮方面DVCPRO、DVCAM和Digital-S采用類似于M-JPEG的DV方式（包括DCT、自適應(yīng)量化、之字形讀取游程與可變字長(zhǎng)編碼），M-JPEG是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻圖像的實(shí)時(shí)壓縮和解壓縮的幀內(nèi)編碼，故不必采取復(fù)雜的措施就能實(shí)現(xiàn)零幀精度的編輯，但是幀內(nèi)信息冗余量太小，不能有過(guò)大的壓縮比，否則會(huì)丟失一部分圖像數(shù)據(jù)，影響圖像質(zhì)量，因此數(shù)據(jù)率較大，不利于高速傳輸與存儲(chǔ)。而SONY的BetacamSX采用MPEG-2壓縮方式，即運(yùn)動(dòng)圖像的幀間編碼，它的主要機(jī)制是：

1．消除時(shí)間冗余，即利用連續(xù)圖像各幀之間的相關(guān)性以傳輸幀間小量的差值代替?zhèn)鬏斷弾瑘D像的全部信息。

2．消除空間的冗余和基于人眼視覺(jué)特性的量化以壓縮待傳信息。

3．利用游程零和變字長(zhǎng)編碼技術(shù)減少所傳碼率量。

基本的MPEG-2視頻壓縮系統(tǒng)是由幀內(nèi)及幀間壓縮共同組成的，如圖四所示。壓縮是從空間冗余的減少開(kāi)始的，使用幀內(nèi)部壓縮便可以達(dá)到此目的。幀內(nèi)部壓縮使用有損和無(wú)損的信號(hào)處理方法來(lái)減少圖象中的數(shù)據(jù)，它不使用任何來(lái)自之前或之后的圖象信息。另外，在視頻信號(hào)中還有一種冗余便是時(shí)間冗余，對(duì)一個(gè)給定的圖像順序，幀與幀之間的圖像內(nèi)容通常只有微小的變化，這種幀間的相對(duì)圖像內(nèi)容位置的變化是幀間壓縮的一個(gè)重要組成部分。幀間壓縮一般是在未壓縮的圖象上進(jìn)行的，是一個(gè)無(wú)損過(guò)程。在圖四中穩(wěn)定幀存儲(chǔ)器有一幅完全解析度、完整數(shù)據(jù)的前一幅圖象，在運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償區(qū)，最能預(yù)測(cè)當(dāng)前幀的矢量被計(jì)算出來(lái)，已預(yù)測(cè)的幀存儲(chǔ)器擁有一個(gè)根據(jù)前一幀和運(yùn)動(dòng)矢量所建立的預(yù)測(cè)的當(dāng)前幀，輸出的是預(yù)測(cè)當(dāng)前幀跟實(shí)際的當(dāng)前幀相減以后的差。如果沒(méi)有運(yùn)動(dòng)或其它變化，當(dāng)前幀便可得到完美的預(yù)測(cè)，差分幀的輸出為0（極易壓縮）；當(dāng)前一幀跟后一幀有點(diǎn)不同時(shí)，差分幀仍有少量數(shù)據(jù)需要壓縮。預(yù)測(cè)幀是從一個(gè)被DCT量化、解碼后的圖象發(fā)展而來(lái)的。在MPEG-2系統(tǒng)中包含有三種幀結(jié)構(gòu)，即：·I幀：只包含有幀內(nèi)編碼?！幀：是從對(duì)I幀或其它P幀進(jìn)行向前預(yù)測(cè)而得到的。·B幀：是從對(duì)I幀或其它P幀進(jìn)行雙向預(yù)測(cè)而得到的。由于MPEG-2不僅消除了空間上的冗余，而且消除了時(shí)間上的冗余，因此使用MPEG-2可以在比較大的壓縮比的情況下保持較好的圖像質(zhì)量，SONY的Betacam-SX采用10:1壓縮，數(shù)據(jù)率為18Mb/S是現(xiàn)有數(shù)字錄象機(jī)中最低的，有利于高速傳輸與存儲(chǔ)。另外，MPEG-2還具有如下特色：

1．輸出碼率流速率可適應(yīng)同步或異步傳輸，無(wú)需固定；

2．適應(yīng)于逐行或隔行掃描系統(tǒng)；

3．可用于4:2:0、4:2:2、4:4:4等亮、色取樣；

4．按清晰度可以將圖象分為4個(gè)等級(jí)，高級(jí)解碼器可與低級(jí)解碼器實(shí)現(xiàn)下兼容；

5．按使用的工具和方法不同分為5種類型，即允許分層性編碼，以保證不同的傳輸與接收要求。

MPEG-2的這種開(kāi)放性的優(yōu)點(diǎn)，決定了Betacam-SX將來(lái)可直接與眾多公司生產(chǎn)的數(shù)字視頻系統(tǒng)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、傳輸、制作而不需任何數(shù)字的轉(zhuǎn)換設(shè)備，就連一貫采用M-JPEG數(shù)字壓縮算法的非線形編輯領(lǐng)域也在積極向MPEG-2靠攏。Matrox、品尼高等一些非線形軟、硬件主流產(chǎn)品廠商也已經(jīng)宣布將于99年第一季度推出采用MPEG-2壓縮算法的視頻板卡及軟件，無(wú)疑這其中受益的是Betacam-SX，而且Betacam-SX本身還推出了一種盤帶結(jié)合型錄象機(jī)，為進(jìn)行非線形編輯提供了更加優(yōu)越的條件。另外，MPEG-2將是廣播電視向全數(shù)字化過(guò)渡的最佳選擇也逐步被大多數(shù)視頻專業(yè)人士認(rèn)可，所以美國(guó)以及西方各國(guó)普遍以MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)作為數(shù)字HDTV圖像壓縮編碼系統(tǒng)的核心，這無(wú)疑又為Betacam-SX的未來(lái)發(fā)展提供了一個(gè)優(yōu)越性。四．Betacam-SX的零幀編輯

最初的MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)是為視頻分配而設(shè)計(jì)的，為家庭提供一個(gè)可接受的圖象質(zhì)量，但是由于有限的數(shù)據(jù)率（最大為15Mb/S）和采用4:2:0取樣，它的質(zhì)量并不適合專業(yè)制作和后期制作，4:2:0的取樣結(jié)構(gòu)也不能達(dá)到演播室對(duì)多代復(fù)制所要求的圖象質(zhì)量，采用小型GOP（GroupOfPicture）結(jié)構(gòu)和15Mb/S的數(shù)據(jù)率不能產(chǎn)生所需的圖象質(zhì)量，大型的GOP結(jié)構(gòu)又令演播室的信號(hào)切換很困難也不能實(shí)現(xiàn)零幀編輯，因此很多的錄象機(jī)采用幀內(nèi)DCT處理，造成在整個(gè)節(jié)目到播出的鏈條中，節(jié)目制作是唯一不使用MPEG-2的部分。SONY公司在與大批廠商的共同努力下，順應(yīng)了發(fā)展的趨勢(shì)率先推出采用MPEG-2MP@ML的改進(jìn)型MPEG-24:2:2P@ML壓縮算法的Betacam-SX，以兩幀（I幀和B幀）作為一個(gè)GOP，既保證了廣播級(jí)的圖像質(zhì)量，又實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性以及高速的數(shù)據(jù)傳輸，但是最初我們還是有一點(diǎn)疑問(wèn)，就是Betacam-SX如何實(shí)現(xiàn)零幀編輯，這恐怕也是很多家電視臺(tái)在選擇數(shù)字錄象機(jī)時(shí)的疑慮之處。在解釋Betacam-SX如何實(shí)現(xiàn)零幀編輯之前，首先讓我們先看一看其它采用幀內(nèi)壓縮的數(shù)字錄象機(jī)是如何進(jìn)行零幀編輯的。

在進(jìn)行復(fù)制或編輯時(shí)，目前數(shù)字錄象機(jī)通常都使用串行數(shù)字（SDI）或模擬接口相連接的。因?yàn)榧词寡b配了傳輸壓縮數(shù)字信號(hào)的接口（如：SDTI、QSDI等），那么它只能應(yīng)用在復(fù)制操作中，而一旦需要疊加字幕或在系統(tǒng)使用時(shí)，也必須使用SDI或模擬接口。Betacam-SX有兩種類型的錄象機(jī)，一種是盤帶結(jié)合型的錄象機(jī)，它主要利用硬盤進(jìn)行編輯，然后在復(fù)制到磁帶上；另一種是磁帶錄象機(jī)，即在磁帶上完成編輯，下面分別描述一下它們是如何進(jìn)行零幀編輯的。Betacam-SX盤帶結(jié)合型錄象機(jī)實(shí)現(xiàn)零幀編輯的關(guān)鍵是裝備了兩個(gè)相同的MPEG解碼器，原理如下：（如圖六所示）

1．磁帶中的素材上載到硬盤上。

2．編輯時(shí)，將記錄在硬盤上的素材（壓縮信號(hào)）轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)（不壓縮信號(hào)），生成編輯決定表（EDL）。

3．最后復(fù)制到磁帶上。EDL會(huì)控制兩個(gè)MPEG解碼器讀取硬盤上的素材，然后在經(jīng)過(guò)MPEG編碼器記錄在磁帶上。Betacam-SX磁帶錄象機(jī)實(shí)現(xiàn)零幀編輯的關(guān)鍵是裝備有超前重放系統(tǒng)（AdvancePBSystem）。超前重放系統(tǒng)主要是在錄象機(jī)記錄磁頭之前安裝了超前重放磁頭（AdvancePBHead），它可以先將磁帶上的Betacam-SX信號(hào)重放，經(jīng)過(guò)解壓縮處理轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)，再進(jìn)行編輯，然后將完成的節(jié)目進(jìn)行壓縮，最后記錄在磁帶上。但它的位置必須是十分精確，它超前的時(shí)間應(yīng)該等于重放的時(shí)間與記錄的時(shí)間之和。下面我們舉例加以說(shuō)明。（如圖七所示）以裝在一個(gè)盒子中的兩個(gè)圓形來(lái)表示處于一個(gè)GOP中的兩幀壓縮圖象，以一個(gè)三角形表示外部的信號(hào)（如：SDI），我們將看到Betacam-SX是如何利用超前重放系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零幀編輯的。

1．重放超前重放磁頭先讀取記錄在磁帶上的Betacam-SX信號(hào)，即拿出一個(gè)裝有兩個(gè)圓形的盒子。

2．解碼經(jīng)過(guò)解壓縮等的處理后，Betacam-SX信號(hào)被轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)，即將盒子打開(kāi)，圓形可以顯示出來(lái)。

3．編輯與外部的信號(hào)進(jìn)行編輯制作（零幀精度），好比用一個(gè)三角形來(lái)替換一個(gè)圓形。

4．記錄將完成的節(jié)目進(jìn)行壓縮，然后記錄在磁帶上，好比最后再用盒子將一個(gè)三角形和一個(gè)圓形包裝起來(lái)放回去。由此可見(jiàn)，Betacam-SX完全能夠?qū)崿F(xiàn)零幀精度的編輯，但是在此還存在一個(gè)問(wèn)題就是會(huì)影響編輯圖象的質(zhì)量，主要指以下兩點(diǎn)：·為實(shí)現(xiàn)零幀編輯，編輯過(guò)程的數(shù)據(jù)必須是解壓縮的，不能直接使用壓縮信號(hào)編輯。多次解壓縮與壓縮過(guò)程會(huì)影響圖象質(zhì)量；·放機(jī)輸出的解壓縮信號(hào)在錄機(jī)再次壓縮時(shí)，如果出現(xiàn)I幀與B幀的交換（幾率為50%）會(huì)產(chǎn)生圖象質(zhì)量下降。但一般情況下的編輯圖象質(zhì)量仍可以接受，至于多次編輯圖像質(zhì)量到底會(huì)有多大損失，是否仍在允許范圍之內(nèi)還有待于實(shí)踐來(lái)證明。

另外，值得說(shuō)明一點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)零幀編輯Betacam-SX加裝了超前重放磁頭，從而形成了Betacam-SX的雙磁頭結(jié)構(gòu)。當(dāng)其中任何一個(gè)磁頭發(fā)生故障時(shí)，錄象機(jī)會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，不能再實(shí)現(xiàn)零幀編輯，但在重放過(guò)程中仍可以應(yīng)用另一個(gè)磁頭正常運(yùn)行?？梢?jiàn)這種雙磁頭結(jié)構(gòu)在錄象機(jī)的重放過(guò)程里無(wú)形中又提高了它運(yùn)行的可靠性。五．與現(xiàn)有設(shè)備的兼容性方面

最后，我們還有一個(gè)要著重考慮的方面，即為了節(jié)省資金利用原有設(shè)備要達(dá)到現(xiàn)有設(shè)備與新設(shè)備的兼容性。如果原有設(shè)備主要為Betacam-S