試論數字視頻格式的轉換及轉碼

2005-07-13 馮傳崗江蘇省泰州市廣播電視局依馬獅網

【摘要】 數字視頻格式的多樣化，使得電視節目在制作和播出中，不可避免地會出現視頻格式之間的轉換或轉碼情況。如何在轉換或轉碼過程中保證圖像的質量，則是本文所探討的課題。
【關鍵詞】 轉換轉碼 M-JPEG DV MPEG GOP 參數參考再編碼

    一. 序言
    如今電視的數字視頻的壓縮格式種類煩多，其應用較為流行的主要有M-JPEG、DV和MPEG三種，它們都是基于DCT（Discrete Cosine Transform：離散余弦變換）的運算原理，將視頻圖像轉換成歸一、量化和可變長度編碼的頻域系數。DV和原先典型的M-JPEG的壓縮技術是在視頻圖像幀內進行編碼的。對于給定的圖像質量，利用MPEG-2壓縮技術能實現更高的壓縮比，這是因為MPEG-2借助運動估計和運動補償的壓縮技術，對視頻圖像相繼幀之間的冗余進行了時間壓縮。MPEG-2用于編輯時，一般僅限于I幀編碼，它能夠在不了解前一幀和后一幀的情況下，在邊緣進行幀的切換。DV和MPEG-2的壓縮是使用運動自適應處理實現有效的幀內編碼。M-JPEG是由單個圖像的JPEG文件規范演變而來，沒有連續的幀序列和已定義的結構來保證比特流的互操作性。但M-JPEG由于其廉價的集成芯片和可供利用的解決方案，最早被用于硬盤錄像機或服務器中。因為硬盤錄像機采用了不同的實施方案，可以認為M-JPEG還是一種專用壓縮格式，這是不可否定的。
    不同的壓縮方式，自有其不同的優缺點，技術上的探討，將對電視業今后的發展起著積極的推動作用。

    二. 視頻壓縮格式的轉換
    近年來，由于數字視頻格式DV和MPEG-2的出現，使得原先典型的M-JPEG不在成為電視節目非線性編輯應用的主流。數字視頻格式的多樣化，使得電視節目在制作和播出中，不可避免地出現了格式之間的Transcoding（轉換或轉碼）情況。比如：接收到的衛星電視圖像的信號素材，肯定是IBP的MPEG-2格式，要想在使用I幀方式的編輯制作環節中使用，就必須要對其進行轉換。再比如：編輯時使用的是DV格式，要進行數字播出，就必須進行轉碼，將其轉換成MPEG-2的IBP格式。
    目前，電視業在數字視頻圖像的制作和播出中，可能遇到的數字視頻壓縮格式的轉換或轉碼情況，歸結起來主要有三種，這就是M-JPEG、DV、MPEG-2的I幀之間的轉換、MPEG-2的I幀和MPEG-2的IBP之間的轉換和MPEG-2的IBP之間的碼率轉換。
    M-JPEG、DV、MPEG-2的I幀之間的轉換，可單獨提出來，因為這是幀內壓縮格式之間的轉換。
    如果不考慮DV和MPEG-2的場方式壓縮，那么DV和MPEG-2的轉換可以在頻域中進行，DV和MPEG-2的區別是碼流組織方式和霍夫曼碼表的不同。但是，在以場方式對圖像進行壓縮時二者的宏塊結構是不同的。對MPEG-2來說，在場方式下，宏塊的每個塊的像素都是來自于同一場圖像的；而DV在場方式下宏塊中每個塊的像素則是來自不同場，上面四行來自一場圖像，下面四行來自另一場圖像，對場方式的宏塊施加的DCT運算也與幀方式不一樣，Z字形掃描的順序也不同。因此需要進行轉碼，即轉換到Bast-band（基帶）后，再重新編碼才能實現格式間的轉換。
    理論上，M-JPEG的壓縮也可以在頻域直接進行碼流的轉換，轉成MPEG-2格式。但是，由于MPEG-2的靈活性大，要把MPEG-2轉換到DV或M-JPEG就沒有那么容易了，即使是全部采用幀方式壓縮的情況下也不太可能。但是，這三者的轉換終究只是量化誤差的問題，只要在轉換時注意選擇量化的步長，圖像的質量相對容易得到保證。
    當把MPEG-2的I幀轉換成MPEG-2的IBP時需要轉換到基帶進行。因為要進行運動估計、運動向量搜索等運算時，需要在空間域的圖像上進行。此轉換過程到底產生多大的損失，這就要看運動補償的效果如何了。反過來，把MPEG-2的IBP轉換成MPEG-2的I幀相對簡單一些，運算量要小一些，但是也要轉換到基帶進行，因為運動補償宏塊傳送的是基帶圖像差值的DCT系數。
    MPEG-2的IBP之間的轉換可能比較有用，尤其是在保持GOP（圖像組）結構不變時進行碼率調整。這時可以在頻域進行，直接對DCT系數進行再量化。這樣做的好處是不改變關鍵的變碼參數，保證圖像的質量損傷最小，同時運算量也最小。基于MPEG-2的I幀的碼率轉換意義不是很大，因為這種格式最適合于編輯制作的環節中采用，此環節只采用50Mb/s的碼率。
    如果一段MPEG-2素材需要從IBP轉到I幀，處理之后再轉為IBP，那么最好是在轉換成I幀時保留IBP編碼采用的參數，如幀類型、量化矩陣、量化因子、運動向量等，以便在重新進行IBP編碼時采用。這些參數可以通過Metadata中間層來保存。
    任何格式的轉換肯定會損失圖像質量，同時也是一個費時間的工作，電視臺DV和MPEG-2等格式都存在時，最好是不進行轉換就直接使用不同格式的素材。實際上，即便是對非要進行轉換的情況，無論是統一格式還是并用MPEG-2和DV，對質量的損失沒有大的不同，速度上也差別不大。
    格式轉換時以快于實時的速度進行也不是不可能。對于前面講的能夠在頻域進行的轉換，肯定可以快于實時。對于需要解碼到基帶再進行編碼的轉換，速度要慢一些，但可以實時操作。理論上這種復雜的轉換也是可以快于實時的，只是現在的編解碼芯片都是按照同步方式設計的，實現快速轉換不太方便，但隨著集成芯片速度的提高和設計思路的改變，高速的編解碼轉換器將會出現。

    三. MPEG的轉碼
    綜上所述，轉碼是把一種代碼轉換成另一種代碼。實際上，將一種壓縮方式轉換成另一種壓縮方式（如：M-JPEG轉換為MPEG-2）的方法只有一個，就是先把原碼流解碼成基帶視頻信號，然后再重新編碼。
    具體的MPEG轉碼，是一種通過采用“參數參考再編碼”的技術，來減小GOP轉換和碼率轉換所造成的圖像質量損失，如圖1所示。GOP轉換是把只有I幀的短GOP碼流轉換成IBBP幀的長GOP碼流或相反，碼率轉換是只改變碼率不改變GOP長度。所謂“參數參考再編碼”是把轉換前碼流的原始編碼參數（如：圖像編碼類型、Q矩陣和運動矢量等）進行保留，以便用于再次編碼，如圖2所示。