MPEG 基礎(chǔ)和協(xié)議分析指南(包括DVB 和ATSC)
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MPEG 基礎(chǔ)和協(xié)議分析指南(包括DVB 和ATSC)
MPEG 基礎(chǔ)和協(xié)議分析指南(包括DVB 和ATSC).
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MPEG 基礎(chǔ)和協(xié)議分析指南
(包括DVB和ATSC)MPEG 基礎(chǔ)和協(xié)議分析指南
初級(jí)讀本
iv www.tektronix.com/video_audioMPEG 基礎(chǔ)和協(xié)議分析指南
初級(jí)讀本
第一章 MPEG概述
性工作站，這項(xiàng)應(yīng)用對(duì)于模擬來(lái)說(shuō)是不可能的。另一個(gè)
MPEG是目前最常用的一項(xiàng)音頻/視頻壓縮技術(shù)，它實(shí)際
例子是將音頻、視頻、圖形、文字和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在同一介質(zhì)
上并不是一個(gè)單一的標(biāo)準(zhǔn)，而是包括了適合于各種不同
的多媒體技術(shù)，這在模擬域中也是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
應(yīng)用的一系列標(biāo)準(zhǔn)，但這些標(biāo)準(zhǔn)是以一些共同理論為基
礎(chǔ)的。MPEG是活動(dòng)圖象專家組的縮寫詞，該專家組是聯(lián)
合技術(shù)委員會(huì)(Joint Technical Committee，JTC1)的一部分， 1.2 壓縮的必要性
數(shù)字視頻首先在后期制作應(yīng)用中獲得了成功。在后期制
JTC1是由ISO(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織)和IEC(國(guó)際電工委員會(huì))建
作中，雖然數(shù)字視頻的代價(jià)高昂，但它可以復(fù)制無(wú)限次
立的。JTC1負(fù)責(zé)信息技術(shù)，在JTC1中，下設(shè)有負(fù)責(zé)“音
而無(wú)損傷。然而，后期制作中所使用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻，其
頻、圖象編碼以及多媒體和超媒體信息”的子組SG29。在
SG29子組中，又設(shè)有多個(gè)工作小組，其中就包括JPEG(聯(lián)
數(shù)據(jù)率高達(dá)每秒200兆比特以上，這就需要大容量的存儲(chǔ)
器和寬帶傳輸。只有在存儲(chǔ)器和帶寬需求容易滿足的情
合圖片專家組)和負(fù)責(zé)活動(dòng)圖象壓縮的工作組WG11。因
況下，數(shù)字視頻才有可能獲得廣泛的應(yīng)用。壓縮的目的
此，可以認(rèn)為MPEG是ISO/IEC JTC1/SG29/WG11。
正在于此。
既然把MPEG描述為多個(gè)詞首字母的組合，那么，就其工
壓縮就是使數(shù)字視音頻具有較低數(shù)據(jù)率的一種方式。壓
作過(guò)程而言，正如歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)所說(shuō)：“條件接收表
縮具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(CAT)引導(dǎo)綜合接收機(jī)/解碼器去尋找與所使用的條件接
收(CA)系統(tǒng)相關(guān)的授權(quán)管理信息(EMM)”。如果您能夠理 對(duì)于給定的信源素材，它只需要較少的存儲(chǔ)量。
解這句話，您就不需要這本書了！ 在實(shí)時(shí)工作時(shí)，壓縮可降低所需帶寬。此處，壓縮可以使數(shù)
據(jù)在存儲(chǔ)介質(zhì)間的傳輸速度更快，例如，在磁帶和硬盤之間
1.1 整合 可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸。
數(shù)字技術(shù)在音頻和視頻上已經(jīng)取得了迅速的進(jìn)展，這是 采用壓縮記錄格式可以減少記錄密度，這樣就可以降低記錄
由多種因素決定的。其中一個(gè)重要因素就是數(shù)字信息的 設(shè)備對(duì)環(huán)境因素和設(shè)備維護(hù)的要求。
可靠性更高，可以通過(guò)編碼以消除信息中的錯(cuò)誤。這就
意味著數(shù)字技術(shù)能夠消除在記錄和傳輸過(guò)程中所產(chǎn)生的 1.3 壓縮原理
損耗。激光唱盤 (CD) 就是采用數(shù)字技術(shù)的第一個(gè)消費(fèi)類 在傳遞信息內(nèi)容時(shí)，為了減少所需數(shù)據(jù)量，可以采用兩
產(chǎn)品。 種不同的基本技術(shù)。在實(shí)用的壓縮系統(tǒng)中，常常是這兩
種技術(shù)的組合應(yīng)用，采用了十分復(fù)雜的方式。
相對(duì)早期的聚乙烯唱盤，CD 的聲音質(zhì)量有了很大的改
善。僅僅比較質(zhì)量是不夠的，真正的意義在于：數(shù)字記 第一種壓縮技術(shù)是提高編碼效率。對(duì)于給定的信息，可
錄和數(shù)字傳輸技術(shù)的應(yīng)用使內(nèi)容的處理達(dá)到了模擬技術(shù) 以采用許多編碼方式。在最簡(jiǎn)單的視音頻數(shù)據(jù)中，也包
所不可能達(dá)到的程度。一旦音頻和視頻信號(hào)被數(shù)字化后， 含有一定量的冗余度，這就是下面我們要討論的“熵”的
其內(nèi)容就是數(shù)據(jù)的形式。這種數(shù)據(jù)和其它任意類型的數(shù) 概念。
據(jù)一樣，可以用同樣的方式處理。這樣，數(shù)字視頻和數(shù)
許多編碼技術(shù)可以減少或除去這種冗余度。例如游程編
字音頻就作為數(shù)據(jù)而進(jìn)入了計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
碼和可變字長(zhǎng)編碼系統(tǒng)（如霍夫曼編碼）。如果應(yīng)用適當(dāng)，
計(jì)算機(jī)和視音頻的融合是數(shù)據(jù)處理和脈沖編碼調(diào)制(PCM) 上述編碼技術(shù)完全是可逆的，這就是說(shuō)，解壓縮后的數(shù)
應(yīng)用的必然結(jié)果。數(shù)字媒介可以存儲(chǔ)任何類型的信息，因 據(jù)與編碼系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)是相同的。這種類型的壓縮稱
此，將計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器件應(yīng)用于數(shù)字視頻是很容易的。計(jì) 為無(wú)損壓縮。存檔的計(jì)算機(jī)程序如PKZip就采用了這種無(wú)
算機(jī)技術(shù)和數(shù)字視音頻相融合的第一個(gè)應(yīng)用實(shí)例是非線 損壓縮。
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初級(jí)讀本
很明顯，無(wú)損壓縮雖然十分理想，但它卻不能提供視音 色信息的三倍－就需要三個(gè)單色通道傳輸彩色信息。
頻應(yīng)用所需要的數(shù)據(jù)壓縮量。然而，正因?yàn)樗菬o(wú)損壓
為了解決這一問(wèn)題，第一步就是將GBR信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)
縮，所以它可用于系統(tǒng)的任意點(diǎn)，通?？捎迷谟袚p壓縮
亮度信號(hào)（通常以Y表示）和兩個(gè)色差信號(hào)即U和V信號(hào)，
器的數(shù)據(jù)輸出端。
或I和Q信號(hào)。抽取亮度信號(hào)是在解決與單色接收機(jī)的兼
如果除去信息中的冗余度并不能滿足所需要的數(shù)據(jù)壓縮 容性問(wèn)題上前進(jìn)了一大步，然而，信號(hào)帶寬的減小主要
量，那就必須要丟棄某些（非冗余的）信息。有損壓縮系 還是來(lái)自于色差信號(hào)的處理。
統(tǒng)就是通過(guò)去除不相關(guān)的信息或相關(guān)性較低的信息來(lái)實(shí)
現(xiàn)在來(lái)考察人的視覺(jué)系統(tǒng)。人眼對(duì)亮度敏感，可以“看
現(xiàn)所需要的壓縮量。不存在對(duì)任意數(shù)據(jù)流均為適用的通
見(jiàn)”分辨率很高的圖象。其它的彩色信息，人眼的分辨率
用的有損壓縮技術(shù)；因?yàn)閷?duì)相關(guān)性的評(píng)價(jià)只能就應(yīng)用內(nèi)
就要低得多。這樣的綜合效果就是，在受到某種限制的
容本身才能確定，在壓縮時(shí)應(yīng)當(dāng)了解數(shù)據(jù)代表什么，它
情況下，如果將代表亮度場(chǎng)景的、清晰的單色圖象與模
又是如何使用的。在電視情況下，圖象和聲音的再現(xiàn)是
糊的（低帶寬）彩色信息相重疊，那么仍將出現(xiàn)清晰的彩
為人眼系統(tǒng)和聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)而提供的，因此，在設(shè)計(jì)一個(gè)有
色圖象。這一優(yōu)點(diǎn)在處理GBR信號(hào)時(shí)是不可能具備的，因
效的壓縮系統(tǒng)時(shí)，就必須充分考慮人的主觀感受因素。
為GBR中的每一種信號(hào)既包含亮度信息，又包含彩色信
在視頻信號(hào)中，某些信息是不能被人的視覺(jué)系統(tǒng)所察覺(jué) 息。然而，在YUV域中，大多數(shù)亮度信息被Y信號(hào)所傳送，
的，因此，這樣的信息內(nèi)容就是真正的無(wú)關(guān)信息。只丟 極少量的信息由色差信號(hào)傳送。這樣，就有可能濾除一
棄無(wú)關(guān)圖象信息的壓縮系統(tǒng)可稱為視覺(jué)無(wú)損壓縮系統(tǒng)。 部分彩色色差信號(hào)以大幅度地降低所需傳送的信息。
以上是消除（大多數(shù)）無(wú)關(guān)信息的一個(gè)例子。在通常的觀
1.4 壓縮在電視中的應(yīng)用
看條件下，人的視覺(jué)系統(tǒng)不能顯著地感受到色差信號(hào)中
電視信號(hào)，無(wú)論是模擬還是數(shù)字，總包含有大量的信息。
的高頻信息，因此，色差信號(hào)中的高頻信息也可以被放
在電視發(fā)展的早期實(shí)際上已經(jīng)在使用帶寬壓縮技術(shù)了。
棄。在NTSC電視傳輸中，每路色差信號(hào)中只傳送大約
最早的例子或許是隔行掃描。對(duì)于給定的行數(shù)和給定的
500KHz以內(nèi)的信號(hào)頻率分量，但在許多應(yīng)用中，圖象仍
圖象刷新速率，隔行掃描使信號(hào)的所需帶寬壓縮了一半。
然是相當(dāng)清晰的。
隔行掃描是有損處理，在隔行掃描中，由于垂直信息和
在NTSC和PAL處理過(guò)程中，壓縮帶寬的最后一步是將色
瞬態(tài)信息之間的干擾而有所失真，從而降低了圖象中的
差信號(hào)“隱藏”在單色信號(hào)頻譜中的未用部分。盡管這種
垂直清晰度。不過(guò)，所丟棄的大多數(shù)信息主要是無(wú)關(guān)信
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第一章 MPEG概述
性工作站，這項(xiàng)應(yīng)用對(duì)于模擬來(lái)說(shuō)是不可能的。另一個(gè)
MPEG是目前最常用的一項(xiàng)音頻/視頻壓縮技術(shù)，它實(shí)際
例子是將音頻、視頻、圖形、文字和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在同一介質(zhì)
上并不是一個(gè)單一的標(biāo)準(zhǔn)，而是包括了適合于各種不同
的多媒體技術(shù)，這在模擬域中也是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
應(yīng)用的一系列標(biāo)準(zhǔn)，但這些標(biāo)準(zhǔn)是以一些共同理論為基
礎(chǔ)的。MPEG是活動(dòng)圖象專家組的縮寫詞，該專家組是聯(lián)
合技術(shù)委員會(huì)(Joint Technical Committee，JTC1)的一部分， 1.2 壓縮的必要性
數(shù)字視頻首先在后期制作應(yīng)用中獲得了成功。在后期制
JTC1是由ISO(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織)和IEC(國(guó)際電工委員會(huì))建
作中，雖然數(shù)字視頻的代價(jià)高昂，但它可以復(fù)制無(wú)限次
立的。JTC1負(fù)責(zé)信息技術(shù)，在JTC1中，下設(shè)有負(fù)責(zé)“音
而無(wú)損傷。然而，后期制作中所使用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻，其
頻、圖象編碼以及多媒體和超媒體信息”的子組SG29。在
SG29子組中，又設(shè)有多個(gè)工作小組，其中就包括JPEG(聯(lián)
數(shù)據(jù)率高達(dá)每秒200兆比特以上，這就需要大容量的存儲(chǔ)
器和寬帶傳輸。只有在存儲(chǔ)器和帶寬需求容易滿足的情
合圖片專家組)和負(fù)責(zé)活動(dòng)圖象壓縮的工作組WG11。因
況下，數(shù)字視頻才有可能獲得廣泛的應(yīng)用。壓縮的目的
此，可以認(rèn)為MPEG是ISO/IEC JTC1/SG29/WG11。
正在于此。
既然把MPEG描述為多個(gè)詞首字母的組合，那么，就其工
壓縮就是使數(shù)字視音頻具有較低數(shù)據(jù)率的一種方式。壓
作過(guò)程而言，正如歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)所說(shuō)：“條件接收表
縮具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(CAT)引導(dǎo)綜合接收機(jī)/解碼器去尋找與所使用的條件接
收(CA)系統(tǒng)相關(guān)的授權(quán)管理信息(EMM)”。如果您能夠理 對(duì)于給定的信源素材，它只需要較少的存儲(chǔ)量。
解這句話，您就不需要這本書了！ 在實(shí)時(shí)工作時(shí)，壓縮可降低所需帶寬。此處，壓縮可以使數(shù)
據(jù)在存儲(chǔ)介質(zhì)間的傳輸速度更快，例如，在磁帶和硬盤之間
1.1 整合 可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸。
數(shù)字技術(shù)在音頻和視頻上已經(jīng)取得了迅速的進(jìn)展，這是 采用壓縮記錄格式可以減少記錄密度，這樣就可以降低記錄
由多種因素決定的。其中一個(gè)重要因素就是數(shù)字信息的 設(shè)備對(duì)環(huán)境因素和設(shè)備維護(hù)的要求。
可靠性更高，可以通過(guò)編碼以消除信息中的錯(cuò)誤。這就
意味著數(shù)字技術(shù)能夠消除在記錄和傳輸過(guò)程中所產(chǎn)生的 1.3 壓縮原理
損耗。激光唱盤 (CD) 就是采用數(shù)字技術(shù)的第一個(gè)消費(fèi)類 在傳遞信息內(nèi)容時(shí)，為了減少所需數(shù)據(jù)量，可以采用兩
產(chǎn)品。 種不同的基本技術(shù)。在實(shí)用的壓縮系統(tǒng)中，常常是這兩
種技術(shù)的組合應(yīng)用，采用了十分復(fù)雜的方式。
相對(duì)早期的聚乙烯唱盤，CD 的聲音質(zhì)量有了很大的改
善。僅僅比較質(zhì)量是不夠的，真正的意義在于：數(shù)字記 第一種壓縮技術(shù)是提高編碼效率。對(duì)于給定的信息，可
錄和數(shù)字傳輸技術(shù)的應(yīng)用使內(nèi)容的處理達(dá)到了模擬技術(shù) 以采用許多編碼方式。在最簡(jiǎn)單的視音頻數(shù)據(jù)中，也包
所不可能達(dá)到的程度。一旦音頻和視頻信號(hào)被數(shù)字化后， 含有一定量的冗余度，這就是下面我們要討論的“熵”的
其內(nèi)容就是數(shù)據(jù)的形式。這種數(shù)據(jù)和其它任意類型的數(shù) 概念。
據(jù)一樣，可以用同樣的方式處理。這樣，數(shù)字視頻和數(shù)
許多編碼技術(shù)可以減少或除去這種冗余度。例如游程編
字音頻就作為數(shù)據(jù)而進(jìn)入了計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
碼和可變字長(zhǎng)編碼系統(tǒng)（如霍夫曼編碼）。如果應(yīng)用適當(dāng)，
計(jì)算機(jī)和視音頻的融合是數(shù)據(jù)處理和脈沖編碼調(diào)制(PCM) 上述編碼技術(shù)完全是可逆的，這就是說(shuō)，解壓縮后的數(shù)
應(yīng)用的必然結(jié)果。數(shù)字媒介可以存儲(chǔ)任何類型的信息，因 據(jù)與編碼系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)是相同的。這種類型的壓縮稱
此，將計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器件應(yīng)用于數(shù)字視頻是很容易的。計(jì) 為無(wú)損壓縮。存檔的計(jì)算機(jī)程序如PKZip就采用了這種無(wú)
算機(jī)技術(shù)和數(shù)字視音頻相融合的第一個(gè)應(yīng)用實(shí)例是非線 損壓縮。
www.tektronix.com/video_audio 1MPEG 基礎(chǔ)和協(xié)議分析指南
初級(jí)讀本
很明顯，無(wú)損壓縮雖然十分理想，但它卻不能提供視音 色信息的三倍－就需要三個(gè)單色通道傳輸彩色信息。
頻應(yīng)用所需要的數(shù)據(jù)壓縮量。然而，正因?yàn)樗菬o(wú)損壓
為了解決這一問(wèn)題，第一步就是將GBR信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)
縮，所以它可用于系統(tǒng)的任意點(diǎn)，通?？捎迷谟袚p壓縮
亮度信號(hào)（通常以Y表示）和兩個(gè)色差信號(hào)即U和V信號(hào)，
器的數(shù)據(jù)輸出端。
或I和Q信號(hào)。抽取亮度信號(hào)是在解決與單色接收機(jī)的兼
如果除去信息中的冗余度并不能滿足所需要的數(shù)據(jù)壓縮 容性問(wèn)題上前進(jìn)了一大步，然而，信號(hào)帶寬的減小主要
量，那就必須要丟棄某些（非冗余的）信息。有損壓縮系 還是來(lái)自于色差信號(hào)的處理。
統(tǒng)就是通過(guò)去除不相關(guān)的信息或相關(guān)性較低的信息來(lái)實(shí)
現(xiàn)在來(lái)考察人的視覺(jué)系統(tǒng)。人眼對(duì)亮度敏感，可以“看
現(xiàn)所需要的壓縮量。不存在對(duì)任意數(shù)據(jù)流均為適用的通
見(jiàn)”分辨率很高的圖象。其它的彩色信息，人眼的分辨率
用的有損壓縮技術(shù)；因?yàn)閷?duì)相關(guān)性的評(píng)價(jià)只能就應(yīng)用內(nèi)
就要低得多。這樣的綜合效果就是，在受到某種限制的
容本身才能確定，在壓縮時(shí)應(yīng)當(dāng)了解數(shù)據(jù)代表什么，它
情況下，如果將代表亮度場(chǎng)景的、清晰的單色圖象與模
又是如何使用的。在電視情況下，圖象和聲音的再現(xiàn)是
糊的（低帶寬）彩色信息相重疊，那么仍將出現(xiàn)清晰的彩
為人眼系統(tǒng)和聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)而提供的，因此，在設(shè)計(jì)一個(gè)有
色圖象。這一優(yōu)點(diǎn)在處理GBR信號(hào)時(shí)是不可能具備的，因
效的壓縮系統(tǒng)時(shí)，就必須充分考慮人的主觀感受因素。
為GBR中的每一種信號(hào)既包含亮度信息，又包含彩色信
在視頻信號(hào)中，某些信息是不能被人的視覺(jué)系統(tǒng)所察覺(jué) 息。然而，在YUV域中，大多數(shù)亮度信息被Y信號(hào)所傳送，
的，因此，這樣的信息內(nèi)容就是真正的無(wú)關(guān)信息。只丟 極少量的信息由色差信號(hào)傳送。這樣，就有可能濾除一
棄無(wú)關(guān)圖象信息的壓縮系統(tǒng)可稱為視覺(jué)無(wú)損壓縮系統(tǒng)。 部分彩色色差信號(hào)以大幅度地降低所需傳送的信息。
以上是消除（大多數(shù)）無(wú)關(guān)信息的一個(gè)例子。在通常的觀
1.4 壓縮在電視中的應(yīng)用
看條件下，人的視覺(jué)系統(tǒng)不能顯著地感受到色差信號(hào)中
電視信號(hào)，無(wú)論是模擬還是數(shù)字，總包含有大量的信息。
的高頻信息，因此，色差信號(hào)中的高頻信息也可以被放
在電視發(fā)展的早期實(shí)際上已經(jīng)在使用帶寬壓縮技術(shù)了。
棄。在NTSC電視傳輸中，每路色差信號(hào)中只傳送大約
最早的例子或許是隔行掃描。對(duì)于給定的行數(shù)和給定的
500KHz以內(nèi)的信號(hào)頻率分量，但在許多應(yīng)用中，圖象仍
圖象刷新速率，隔行掃描使信號(hào)的所需帶寬壓縮了一半。
然是相當(dāng)清晰的。
隔行掃描是有損處理，在隔行掃描中，由于垂直信息和
在NTSC和PAL處理過(guò)程中，壓縮帶寬的最后一步是將色
瞬態(tài)信息之間的干擾而有所失真，從而降低了圖象中的
差信號(hào)“隱藏”在單色信號(hào)頻譜中的未用部分。盡管這種
垂直清晰度。不過(guò)，所丟棄的大多數(shù)信息主要是無(wú)關(guān)信
AIGC"這本指南深入解析了 Moving Picture Experts Group (MPEG) 的基礎(chǔ)原理與相關(guān)協(xié)議，涵蓋了數(shù)字視頻廣播（Digital Video Broadcasting, DVB）和美國(guó)先進(jìn)電視系統(tǒng)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（Advanced Television Systems Committee, ATSC）。通過(guò)對(duì)MPEG編碼技術(shù)的詳細(xì)介紹，讀者可以了解到高壓縮率下高質(zhì)量視頻、音頻信號(hào)的傳輸和處理方法，以及這兩套國(guó)際主流的廣播傳輸標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)容編解碼、信道使用、流媒體傳輸?shù)确矫娴木唧w實(shí)施細(xì)節(jié)。無(wú)論是從事廣播通信、視聽(tīng)設(shè)備研發(fā)、還是媒體內(nèi)容制作的專業(yè)人士，都能從中獲益匪淺，掌握現(xiàn)代多媒體通信領(lǐng)域的核心技術(shù)要領(lǐng)。"
