统计复用技术对采用MPEG2编码格式的数字电视画质.doc

统计复用技术对采用MPEG 2编码格式的数字电视画质统计复用技术对采用MPEG-2编码格式的数字电视画质的提升作用(该文发表于卫星电视与宽带多媒体2011年5月5日第9期)深圳韦斌一、MPEG-2视频编码的图像质量数据MPEG-2作为较早前的视频音频数字编码技术，早已广泛应用于卫星数字电视、有线数字电视、地面数字电视、视频光盘、数字电视节目制作等领域。一般说来，按照MPEG-2视频音频编码标准，所能提供的图像质量如下名称质量等级显示分辨率典型视频码率(Mbps)LDTV(低清晰度)家用机VCD质量约300线1.15 SDTV(标准清晰度)专业级广播质量约400线45 SDTV(标准清晰度)广播级演播室质量500线以上89表1 MPEG-2的图像质量对我国PAL彩色电视制式的数字电视来说，要保证图像质量达到标准清晰度(720576)即5级图像的标准，则MPEG-2格式编码的图像码率一般需要在46 Mbps之间。如某地有线电视台转播的数字电视的码率如下：图1某地有线电视台转播的数字电视的码率有线电视一般采用64QAM调制方式，在一个模拟频道8MHz带宽里能容纳38.5Mbps的有效负荷容量，而不至于流到邻频道中去。这就保证在一个频道中传输6套左右的数字电视节目，每套码率可以在46Mbps左右，完全可以达到专业级广播质量。在卫星电视系统中也采用同样的格式，故卫星电视、有线数字电视提供的电视图像完全能满足一般家用电视机能显示的最高分辨率，观众是满意的。图2某地有线电视台转发的CCTV-1的节目，直接复用央视卫星信号TS流，码率5Mbps。这样的清晰度，基本达到观众家中电视机所能显示的最高等级的图像质量了，目前几乎所有的有线数字电视都能提供这样的图像效果。二、MPEG-2超级编码方案的不足地面数字电视广播，由于考虑到地面开路传输的复杂环境，如多径反射、绕射波反射波多、雪衰雨衰树衰严重、干扰信号多等，这样，针对传输过程中对抗干扰性的要求很高，就不宜采用卫星电视与有线电视的传输标准，而需要采用更复杂的调制方式。在此情况下，一个模拟频道8MHz带宽里能容纳的有效负荷容量一般不超过25Mbps(32QAM调制)。如果要保证MPEG-2编码的图像码率在46Mbps，或直接复用卫星电视高码率电视节目固定码率的TS流，则一个频道只能传输4套电视节目。近几年来很多县级广播电视单位的地面数字电视广播，由于频率资源有限，为了在一个频点里传输更多的节目，不得不采用MPEG-2超级编码方式，在一个频点中压缩810套以上的电视节目，所有卫星或有线电视数字电视信号的TS流均无法直接复用，而是需经机顶盒先解调成AV模拟信号，再进行MPEG-2固定低码率编码，每套节目码率低于2 Mbps。图3传统地面数字电视广播前端信源处理方案示意图：有线电视和卫星电视采用固定码率的MPEG-2编码方式，其实是一种带宽上的浪费。实际上节目的内容决定了码流的高低，不能单纯的说每个频道里能够传送多少数字电视节目，还要看具体是什么样的节目应用、信源压缩技术等因素。通常情况下，利用MPEG-2压缩标准传送一套快速运动的体育节目大概要求45Mbps的码流，传送一套新闻、访谈节目大概需要3Mbps的码流，传送一套图文信息只需1 Mbps的码流，而传送高清电视节目需要20Mbps左右的码流。因此，需要运营单位合理地安排节目数量即采用统计复用技术。目前有线电视和卫星电视由于带宽较富余，一般仍采用固定码率进行高码率编码，但TS流中有很多是无用的空包。由于很多地方地面数字电视广播运营商采用的多路MPEG-2编码器，质量无法与央视及各省卫视的广播级MPEG-2编码器质量相比；更由于中间环节太多，图像细节损耗较多，加上未采用统计复用，无法合理分配码率，效率低，活动画面色块、马赛克明显，图像亮度、对比度、色饱和度、锐度全面下降一个等级以上，让人难以忍受。这种做法生成的图像根本达不到广播电视的最基本要求，难以同卫星电视、有线数字电视画质相比，观众意见很大。图4图5图4、图5为某地地面数字电视广播采用MPEG-2超级编码的图像效果，此类图像带有很大的普遍性。这种画质的图像充其量仅达到VCD水平，完全不可能达到广播电视播出标准的DVD水平，跟原来模拟电视广播在正常情况下的图像也是无法比拟的。更为严重的是，快速活动的画面往往会出现明显的色块和马赛克，这对电视观众的眼睛无疑是一种折磨，也导致一部分人宁愿看外省的卫视节目而不愿收看本地内容精彩的地面数字电视节目。图6、某地地面数字电视节目TS码流分析图表从图6中表格可以看出，某地地面数字电视某频点中采用MPEG-2进行音视频编码，所有节目采用固定码率，平均分配资源，每套节目码率在2Mbps以下。这样的码率首先从理论上讲就难以提供很好的图像，尤其是其中收视率较高的中央5、6台，其活动画面很多，低于2Mbps的码率是难以保证图像效果的。这种将卫星电视信号解调成AV信号后重新编码，不仅因中间环节多造成图像细节损失，导致分辨率下降，更因为采用的编码器质量无法与各省卫视前端采用的设备相比，造成重新编码后图像分辨率远低于节目源的质量。MPEG-2的超级编码方案，其实就是低码率编码方案，大部分情况下，它不可能提供好的电视图像。广大电视观众已对此产生越来越强烈的排斥情绪，随着大屏幕液晶电视的普及，这个矛盾将越来越突出。近年来，不少地区开始采用压缩比更高的H.264或AVS视音频编码方案，改善地面数字电视广播的图像质量。三、已采用MPEG-2编码方案的地区难以改用H.264或AVS编码技术来提升画质H.264(MPEG-4 AVC，类似的还有国标的AVS)作为新一代视频音频数字编码方案，推出已有几年时间。H.264和AVS作为后起之秀，也开始得到广泛应用，大有取代MPEG-2的趋势。按照其官方的宣传，H.264AVS与MPEG-2相比，最大的优势是，在保持相同的图像清晰度的前提下，能节省带宽，降低传输设备数量，降低运营成本等。这对频谱资源较为紧张的卫星电视转发器与地面数字电视广播、网络电视等方面的好处是非常明显的。我国广电部门的CMMB移动多媒体广播、IPTV等已明确表示采用H.264或AVS作为其视频编码格式，而多个地方的地面数字电视广播也采用了H.264或AVS(如香港、深圳、四川等地)。测试码率视频类型标准清晰度(625/50i)高清晰度(1080/50i)H.264AVS测试码率(Mbps)31.5106测试结果优秀良好优秀良好到优秀表2：H.264、AVS主观测试结果考虑到目前使用MPEG-2标准实施高清电视广播时，一般使用1520Mbps的码率，使用MPEG-2标准实施标清电视广播时，一般使用4-6Mbps的码率，对照表一测试结果可以得知，H.264AVS码率为现行MPEG-2标准的一半时，无论是标准清晰度还是高清晰度，编码质量都达到优秀。码率不到其三分之一时，也达到良好或优秀。因此相比于MPEG-2视频编码效率高23倍的前提下，H.264、AVS视频质量已达到了大范围应用所需的良好要求。在新的地面数字电视广播选用视频编码方案时，我们推荐采用H.264或AVS。但是，已经采用MPEG-2编码方案的地区，不仅前端采用MPEG-2编码器，而且终端用户的机顶盒都只有MPEG-2解码功能。如果用户数量达到1万户以上，再为了提升图像质量而去更换机顶盒，这对用户和运营商都是很痛苦的一件事，在财务上更是不可能接受的。更何况，H.264真的能提供高于MPEG-2的图像效果吗?笔者对H.264在相同图像下码率比MPEG-2低一倍的说法并不完全认同。经实际观测，在静止画面或微动的画面时，H.264的确只需很低码率即可完成高清编码，但在活动画面-尤其是整个场景移动时(如摇动摄像机)，也容易出现大块色块或马赛克，图像质量下降很快，比以前我们观测的模拟电视5级图像差得好远。下一节图表为深圳地区地面数字电视广播节目码流与图像参考对比。实际收看中，感觉低码流的H.264的图像与同等码率的MPEG-2编码的图像相比并无太大优势，尤其在运动画面上。请注意，采用H.264编码的深圳-5台大运体育频道，码率最高时达到5 Mbps以上，按H.264专家组的说法相当于MPEG-2的89 Mbps的码率，可运动图像却仍然让人主观感觉不是很舒服。图7深圳地面数字电视562MHz频点的节目码流分析图表图8深圳SZTV-7台,采用H.264格式编码，该画面实测的码率为3.85Mbps。这么高的码率即使采用MPEG-2也能提供很好的图像。图9深圳SZTV-5台大运体育频道,采用H.264格式编码，该画面实测的码率为1.88Mbps，由于采用统计复用，在运动画面时可提供高达5.5Mbps的码率。经观察，该台节目与采用MPEG-2格式编码的卫星、有线电视节目的CCTV-5台的5 Mbps固定码率相比，图像分辨率与流畅性并不见得更好，尤其是播出高速运动的画面时质量并非很好，更难以与模拟电视的五级图像相比。如图所示，这种运动模糊的图像在低码率的H.264、MPEG-2格式电视画面中更是常见。图10香港602 MHz频点转发的节目码流分析图表图11香港亚洲台转播的南方电视台，H.264格式，该画面实测当时的码率为1.55Mbps(固定码率，码流不随画面变化)，由于没有采用统计复用技术，码率得不到合理分配，主观感觉分辨率较低。H.264在这个码率提供的图像分辨率，能否相当于MPEG-2格式在3 Mbps时的图像分辨率?图12香港亚洲台转播的中天频道已停播，H.264格式，该画面实测码率为1.55Mbps。这幅静止画面其实仅需几百Kbps码流，由于没有采用统计复用，却依然吃掉1.55Mbps的码率，造成该MPTS包里的其他节目码流无法提高，分辨率较低，非常可惜。图13深圳786MHz频点转发的节目码流分析图表图14深圳地面数字电视广播的央视高清电视频道，H.264格式，该画面实测码率为13.14 Mbps，采用统计复用，分辨率高，但与采用MPEG-2固定码率(1820 Mbps)的卫星节目源相比，主观感觉还是有所逊色，尤其在高速运动画面细节表现上。如果卫星上的该节目源也采用统计复用，H.264的高清格式又有多少优势呢?图15深圳地面数字电视广播的CCTV-1高清电视频道，H.264格式，该画面实测码率为9.66 Mbps，采用统计复用，码率相对较低，分辨率仍较高，被行业内人士戏称为半码高清。该高清电视除了还保持16：9宽屏格式外，与高质量的MPEG-2格式的标清节目相比(如图17、图18采用MPEG-2固定码率3.70 Mbps的香港国际台、明珠台)，所占的优势并不明显。图16香港地面数字电视老四台的码率(固定码率，暂未采用统计复用技术)图17香港亚洲电视国际(World)台,采用MPEG-2格式编码，该画面实测码率为3.70Mbps。采用16：9宽屏格式，清晰度接近H.264低码率编码的高清电视。图18同一个MPTS流中的香港明珠台(Pearl)的码率甚至更低，只有3.59Mbps，一样能提供相当清晰的图像。由图17、图18可见，MPEG-2编码的图像，在4Mbps以下仍可以有非常高的分辨率。当然，这跟节目源有很大关系。同理，如果我们直接使用卫星或有线电视里数字电视节目的TS流，一样能保证图像数据跟前端节目源一模一样，几乎不会有什么劣化。其实，MPEG-2作为一种沿用了十多年的视频音频编码方案，目前在全世界仍得到大量采用，是很成熟的技术。它能提供现阶段设备所能达到的最高分辨率，尤其在表现高速运动画面时，往往连高码率的H.264方案也难以胜出。如何最大限度的挖掘MPEG-2的潜力来提高图像效果或压缩更多的节目，这是运营商们非常关心的事。更重要的是，各地已采用MPEG-2编码方案的运营商，其用户家中的机顶盒还有好几年的使用寿命，过早淘汰根本就不现实。而采用统计复用技术，可以在保证用户端不做任何调整的情况下，较大幅度提高目前各地采用MPEG-2编码方案的地面数字电视图像分辨率。四、统计复用技术对采用MPEG-2编码方案的贡献在数字电视领域中，复用可分为一般复用和统计复用。一般复用即将输入的多个TS流的信息汇总成一个比特率更高的TS流输出，不改变各TS流中所含节目信息的比特率。目前有线电视及大部分卫星电视、地面数字电视广播即采用这种方式。图19一般复用技术示意图数字电视节目复用器主要完成对MPEG-2或H.264AVS传输流(TS)的再复用功能，形成多节目传送流(MPTS)，用于数字电视节目的传输任务。所谓统计复用是指被复用的各个节目传送的码率不是恒定的，各个节目之间实行按图像复杂程度分配码率的原则。因为每个频道(标准或增补)能传多个节目，各个节目在同一时刻图像复杂程度不一样(一样的概率很小)，所以我们可以在同一频道内各个节目之间按图像复杂程度分配码率，实现统计复用。实现统计复用的关键因素：一是如何对图像序列随时进行复杂程度评估，有主观评估和客观评估两种方法；二是如何适时地进行视频业务的带宽动态分配。它是对输入的TS流(不管来自何处)进行分析后，得出哪些ES图象成分此刻为低速，哪些ES(图象)成分此刻为高速，然后再据此对TS流中数据的进行处理，使低速成分占用更低的比特率，而高速成分占用高比特率(以此执行虚拟的解/编码过程)，且其总输出码率是固定的，无须与编码器联合工作使用统计复用技术可以提高压缩效率，改进图像质量，便于在1个频道中传输多套节目，节约传输成本，并根据不同节目的内容复杂程度合理分配码率，保证活动画面或色彩鲜艳的画面获得更高的码率，微动及静止的画面仅分配少量码率，即可保证各套节目都有比较高的分辨率，以达到压缩总比特率而尽量不影响节目质量的目的。该方案不仅使无线电视运营商节约频点的使用，而且可以从容面对传输流码率溢出，有效克服了数字电视图像的马赛克问题，停帧问题，节目丢失等问题，提升了图像质量和服务质量。传统方案不具备码流整形功能，不能解决这个问题。目前部分卫星电视(如中九直播星)、地面数字电视广播采用该方式(如香港深圳北京上海等地)。图20统计复用示意图：将各套节目中多余的空包去掉，动态分配码率，优化各套节目码率，保证电视节目清晰度尽可能高。图21某品牌统计复用器外观该统计复用器仅1U高度，即相当于传统18个频点的节目复用器，可以处理多达768个标清(SD)或192个高清(HD)数字MPEG-2/H264业务(Services)的码流重组，统计复用，码率变换，并执行数字节目插播(DPI)及数字叠加(Overlay)。这些业务(Services)可以是视频，音频或者数据业务；可以是SPTS或者MPTS；CBR或者VBR；组播(Multicast)或者单播(Unicast)。它几乎包含ASI矩阵切换器所有的功能，使用非常方便。图22某地利用统计复用技术搭建的地面数字电视广播前端示意图地面数字电视广播，仅需一台统计复用器，就可以对几个频点的MPTS节目流进行处理。由于可以直接复用卫星或有线数字电视节目的TS流，减少了中间环节，自动或手动对输出节目码流进行智能分配，保证了数字电视节目的图像质量，几乎将MPEG-2技术运用到极限，在MPEG-2的格式下提供尽可能多的节目数量和保证了图像质量。对采用H.264或AVS编码方案的，采用统计复用技术，也能提供更好的图像效果及合理利用码率。图23采用统计复用技术的某县地面数字电视节目码流分析图表图24某县地面数字电视采用统计复用技术的画面如图24所示，某县地面数字电视广播的CCTV-8台，MPEG-2格式，该画面实测码率仅为1.64Mbps。由于采用统计复用，图像分辨率仍较高，在42英寸液晶电视上显示完全可以接受。个别节目码率甚至低于1Mbps，但仍分辨率仍在可接受范围内，主观感觉比原来近2Mbps的MPEG-2超级编码的图像还好一些，且运动画面基本不出现色块、马赛克等，画面流畅。而对CCTV-5台体育频道，则根据需要动态分配给最高的码率，保证用户能欣赏到清晰度很高的活动图像。图25该县运营商最早采用MPEG-2超级编码方式，图像较差。后经采用统计复用技术提升画质后，直接在有线、无线网络里播出内容、质量完全相同的数字电视节目。这是一个播出70套数字电视节目的有线电视与地面电视共用的前端机房，这种有线与无线电视共用前端大部分设备的成功案例，