MPEG-2壓縮編碼技術(shù)原理應(yīng)用

1、MPEG-2壓縮編碼技術(shù)原理應(yīng)用更新于2007-06-28 17:15:44 來源：北京廣播學(xué)院電視工程系 教授 郭 斌         MPEG是運(yùn)動圖像專家組(Moving Picture Experts Group)的簡稱，其實質(zhì)上的名稱為國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國際電工委員會（IEC）聯(lián)合技術(shù)委員會（JTC）1的第29 分委員會的第11工作組，即ISO/IEC JTC1/SC29/WG11，成立于1988年。其任務(wù)是制定世界通用的視音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。因為，廣播電視數(shù)字化所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)對存儲容量、傳輸帶寬、處

2、理能力及頻譜資源利用率提出了不切合實際的要求，使數(shù)字化難以實現(xiàn)。為此，該專家組基于幀內(nèi)圖像相鄰像素間及相鄰行間的空間相關(guān)性和相鄰幀間運(yùn)動圖像的時間相關(guān)性，采用壓縮編碼技術(shù)，將那些對人眼視覺圖像和人耳聽覺聲音不太重要的東西及冗余成分拋棄，從而縮減了存儲、傳輸和處理的數(shù)據(jù)量，提高了頻譜資源利用率，制定了如表1所示的一系列MPEG標(biāo)準(zhǔn),使數(shù)字化正在變?yōu)楝F(xiàn)實。其中，MPEG-2是一組用于視音頻壓縮編碼及其數(shù)據(jù)流格式的國際標(biāo)準(zhǔn)。它定義了編解碼技術(shù)及數(shù)據(jù)流的傳輸協(xié)議；制定了MPEG-2解碼器之間的共同標(biāo)準(zhǔn)（MPEG-2編碼器之間尚無共同標(biāo)準(zhǔn)）。本文以MPEG-2的系統(tǒng)、MPEG-2的編碼、及MPEG-2的

3、應(yīng)用為題，討論MPEG-2壓縮編碼技術(shù)。 一、 MPEG-2的系統(tǒng)          MPEG-2系統(tǒng)是將視頻、音頻及其它數(shù)據(jù)基本流組合成一個或多個適宜于存儲或傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流的規(guī)范，如圖1所示。由圖1可見，符合ITU-R. 601標(biāo)準(zhǔn)的、幀次序為I1B2B3P4B5B6P7B8B9I10數(shù)字視頻數(shù)據(jù)和符合AES/EBU標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)分別通過圖像編碼和聲音編碼之后，生成次序為I1P4B2B3 P7B5B6I10 B8B9視頻基本流（ES）和音頻ES。在視頻ES中還要加入一個時間基準(zhǔn)，即加入從視頻信號中取出的27MH

4、z時鐘。然后，再分別通過各自的數(shù)據(jù)包形成器，將相應(yīng)的ES打包成打包基本流（PES）包，并由PES包構(gòu)成PES。最后，節(jié)目復(fù)用器和傳輸復(fù)用器分別將視頻PES和音頻PES組合成相應(yīng)的節(jié)目流（PS）包和傳輸流（TS）包，并由PS包構(gòu)成PS和由TS包構(gòu)成TS。顯然，不允許直接傳輸PES，只允許傳輸PS和TS；PES只是PS轉(zhuǎn)換為TS或TS轉(zhuǎn)換為PS的中間步驟或橋梁，是MPEG數(shù)據(jù)流互換的邏輯結(jié)構(gòu)，本身不能參與交換和互操作。由系統(tǒng)的定義，可知MPEG-2系統(tǒng)的任務(wù)。           MPEG-2的標(biāo)準(zhǔn)由表2所示

5、的8個文件組成，MPEG-2系統(tǒng)是其關(guān)鍵部分。MPEG以開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI-Open System Interconnection)為目標(biāo)，爭取全球標(biāo)準(zhǔn)化。在詳細(xì)規(guī)定視音頻編碼算法的基礎(chǔ)上，為傳輸和交換編碼數(shù)據(jù)流（比特流，碼流，流）創(chuàng)造統(tǒng)一條件。以利于接收端重建為指導(dǎo)，按照既定的參數(shù)給數(shù)據(jù)流以一定程度的“包裝”。因此，MPEG-2系統(tǒng)應(yīng)完成的任務(wù)有： · 規(guī)定以包方式傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議；  ·  為收發(fā)兩端數(shù)據(jù)流同步創(chuàng)造條件；  ·  確定將多個數(shù)據(jù)流合并和分離（即復(fù)用和解復(fù)用）的原則；  ·  

6、提供一種進(jìn)行加密數(shù)據(jù)傳輸?shù)目赡苄浴?         由系統(tǒng)的任務(wù)，可知完成任務(wù)，系統(tǒng)應(yīng)具備的基礎(chǔ)。           根據(jù)數(shù)字通信信息量可以逐段傳輸?shù)臋C(jī)理，將已編碼數(shù)據(jù)流在時間上以一定重復(fù)周期結(jié)構(gòu)分割成不能再細(xì)分的最小信息單元，這個最小信息單元就定義為數(shù)據(jù)包，幾個小數(shù)據(jù)包（Data Packet）又可以打包成大數(shù)據(jù)包（Data Pack）。用數(shù)據(jù)包傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：網(wǎng)絡(luò)中信息可占用不同的連接線路和簡單暫存；通過數(shù)據(jù)包交織將多個

7、數(shù)據(jù)流組合（復(fù)用）成一個新的數(shù)據(jù)流；便于解碼器按照相應(yīng)順序?qū)?shù)據(jù)包進(jìn)行靈活地整理。從而，數(shù)據(jù)包為數(shù)據(jù)流同步和復(fù)用奠定了基礎(chǔ)。因此，MPEG-2系統(tǒng)規(guī)范不僅采用了PS、TS和PES三種數(shù)據(jù)包，而且也涉及PS和TS兩種可以互相轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)流。顯然，以數(shù)據(jù)包形式存儲和傳送數(shù)據(jù)流是MPEG-2系統(tǒng)的要點(diǎn)。為此，MPEG-2系統(tǒng)規(guī)范定義了三種數(shù)據(jù)包及兩種數(shù)據(jù)流： 1) 打包基本流（PES）          將MPEG-2壓縮編碼的視頻基本流（ES-Elementary Stream）數(shù)據(jù)分組為包長度可變的數(shù)據(jù)包，稱

8、為打包基本流（PES- Packetized Elementary Stream）。廣而言之，PES為打包了的專用視頻、音頻、數(shù)據(jù)、同步、識別信息數(shù)據(jù)通道。所謂ES，是指只包含1個信源編碼器的數(shù)據(jù)流。即ES是編碼的視頻數(shù)據(jù)流，或編碼的音頻數(shù)據(jù)流，或其它編碼數(shù)據(jù)流的統(tǒng)稱。每個ES都由若干個存取單元(AU-Access Unit)組成,每個視頻AU或音頻AU都是由頭部和編碼數(shù)據(jù)兩部分組成的。將幀順序為I1P4B2B3P7B5B6 的編碼ES，通過打包，就將ES變成僅含有1種性質(zhì)ES的PES包，如僅含視頻ES的PES包，僅含音頻ES的PES包，僅含其它ES的PES包。PES包的組成見圖2。 

9、0;        由圖2可見，1個PES包是由包頭、ES特有信息和包數(shù)據(jù)3個部分組成。由于包頭和ES特有信息二者可合成1個數(shù)據(jù)頭，所以可認(rèn)為1個PES包是由數(shù)據(jù)頭和包數(shù)據(jù)（有效載荷）兩個部分組成的。          包頭由起始碼前綴、數(shù)據(jù)流識別及PES包長信息3部分構(gòu)成。包起始碼前綴是用23個連續(xù)“0”和1個“1”構(gòu)成的，用于表示有用信息種類的數(shù)據(jù)流識別，是1個8 bit的整數(shù)。由二者合成1個專用的包起始碼，可用于識別數(shù)據(jù)包所屬數(shù)據(jù)

10、流（視頻,音頻,或其它）的性質(zhì)及序號。例如：          比特序1 1 0 ×××××是號碼為××××的MPEG-2音頻數(shù)據(jù)流；          比特序1 1 1 0 ××××是號碼為××××的MPEG-2視頻數(shù)據(jù)流。  

11、        PES包長用于包長識別，表明在此字段后的字節(jié)數(shù)。如，PES包長識別為2 B ，即2×8 = 16 bit字寬，包總長為216-1=65535 B，分給數(shù)據(jù)頭9 B（包頭6 B + ES特有信息3 B ），可變長度的包數(shù)據(jù)最大容量為65526 B。盡管PES包最大長度可達(dá)（216 -1）=65535 B（Byte），但在通常的情況下是組成ES的若干個AU中的由頭部和編碼數(shù)據(jù)兩部分組成的1個AU長度。1個AU相當(dāng)于編碼的1幅視頻圖像或1個音頻幀，參見圖2右上角從ES到PES的示意圖。也可以說，每個AU實

12、際上是編碼數(shù)據(jù)流的顯示單元，即相當(dāng)于解碼的1幅視頻圖像或1個音頻幀的取樣。          ES特有信息是由PES包頭識別標(biāo)志、PES包頭長信息、信息區(qū)和用于調(diào)整信息區(qū)可變包長的填充字節(jié)4部分組成的PES包控制信息。其中，PES包頭識別標(biāo)志由12個部分組成：PES加擾控制信息、PES優(yōu)先級別指示、數(shù)據(jù)適配定位指示符、有否版權(quán)指示、原版或拷貝指示、有否顯示時間標(biāo)記（PTS-Presentation Time Stamp）/解碼時間標(biāo)記(DTS-Decode Time Stamp)標(biāo)志、PES包頭有否基本流

13、時鐘基準(zhǔn)(ESCR-Elementary Stream Clock Reference)信息標(biāo)志、PES包頭有否基本流速率信息標(biāo)志、有否數(shù)字存儲媒體（DSM）特技方式信息標(biāo)志、有否附加的拷貝信息標(biāo)志、PES包頭有否循環(huán)冗余校驗（CRC-Cyclic Redundancy Check）信息標(biāo)志、有否PES擴(kuò)展標(biāo)志。有擴(kuò)展標(biāo)志，表明還存在其它信息。如，在有傳輸誤碼時，通過數(shù)據(jù)包計數(shù)器，使接收端能以準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)恢復(fù)數(shù)據(jù)流，或借助計數(shù)器狀態(tài)，識別出傳輸時是否有數(shù)據(jù)包丟失。          其中，有否PTS/DTS

14、標(biāo)志，是解決視音頻同步顯示、防止解碼器輸入緩存器上溢或下溢的關(guān)鍵所在。因為，PTS表明顯示單元出現(xiàn)在系統(tǒng)目標(biāo)解碼器（STD-System Target Decoder）的時間, DTS表明將存取單元全部字節(jié)從STD的ES解碼緩存器移走的時刻。視頻編碼圖像幀次序為I1P4B2B3P7B5B6I10B8B9的ES，加入PTS/DTS后，打包成一個個視頻PES包。每個PES包都有一個包頭，用于定義PES內(nèi)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，提供定時資料。每個I、P、B幀的包頭都有一個PTS和DTS，但PTS與DTS對B幀都是一樣的，無須標(biāo)出B幀的DTS。對I幀和P幀，顯示前一定要存儲于視頻解碼器的重新排序緩存器中，經(jīng)過延遲

15、（重新排序）后再顯示，一定要分別標(biāo)明PTS和DTS。例如，解碼器輸入的圖像幀次序為I1P4B2B3P7B5B6I10B8B9，依解碼器輸出的幀次序，應(yīng)該P(yáng)4比B2、B3在先，但顯示時P4一定要比B2、B3在后，即P4要在提前插入數(shù)據(jù)流中的時間標(biāo)志指引下，經(jīng)過緩存器重新排序，以重建編碼前視頻幀次序I1B2B3P4B5B6P7B8B9I10。顯然，PTS/DTS標(biāo)志表明對確定事件或確定信息解碼的專用時標(biāo)的存在，依靠專用時標(biāo)解碼器，可知道該確定事件或確定信息開始解碼或顯示的時刻。例如，PTS/DTS標(biāo)志可用于確定編碼、多路復(fù)用、解碼、重建的時間。2）節(jié)目流（PS）    

16、;      將具有共同時間基準(zhǔn)的一個或多個PES組合（復(fù)合）而成的單一的數(shù)據(jù)流稱為節(jié)目流（Program Stream）。PS包的結(jié)構(gòu)如圖3所示。          由圖3可見，PS包由包頭、系統(tǒng)頭、PES包3部分構(gòu)成。包頭由PS包起始碼、系統(tǒng)時鐘基準(zhǔn)（SCR-System Clock Reference）的基本部分、SCR的擴(kuò)展部分和PS復(fù)用速率4部分組成。        

17、  PS包起始碼用于識別數(shù)據(jù)包所屬數(shù)據(jù)流的性質(zhì)及序號。          SCR的基本部分是1個33 bit的數(shù)，由MPEG-1與 MPEG-2兼容共用。SCR擴(kuò)展部分是1個9 bit的數(shù)，由MPEG-2單獨(dú)使用。SCR是為了解決壓縮編碼圖像同步問題產(chǎn)生的。因為，I、B、P幀經(jīng)過壓縮編碼后，各幀有不同的字節(jié)數(shù)；輸入解碼器的壓縮編碼圖像的幀順序I1P4B2B3P7B5B6I10B8B9 中的P4、I10幀，需要經(jīng)過重新排序緩存器延遲后，才能重建編碼輸入圖像的幀順序I1B2B3P4B5B6P7B8B

18、9I10；視頻ES與音頻ES是以前后不同的視頻與音頻的比例交錯傳送的。以上3條均不利于視音頻同步。所以，為解決同步問題，提出在統(tǒng)一系統(tǒng)時鐘（SSTC-Single System Time Clock）條件下，在PS包頭插入時間標(biāo)志SCR的方法。整個42 bit字寬的SCR，按照MPEG規(guī)定分布在寬為33 bit的1個基礎(chǔ)字及寬為9 bit的1個擴(kuò)展區(qū)中。由于MPEG-1采用了相當(dāng)于33 bit字寬的90kHz的時間基準(zhǔn)，考慮到兼容，對節(jié)目流中的SCR也只用33 bit。為了提高PAL或NTSC已編碼節(jié)目再編碼的精確性，MPEG-2將時間分解力由90kHz提高到27MHz光柵結(jié)構(gòu)，使通過TS時標(biāo)

19、中的9 bit 擴(kuò)展區(qū)后，精確性會更高。         具體方法是將9 bit用作循環(huán)計數(shù)器，計數(shù)到300時，迅速向33 bit基本區(qū)轉(zhuǎn)移，同時將擴(kuò)展區(qū)計數(shù)器復(fù)原，以便由基本區(qū)向擴(kuò)展區(qū)轉(zhuǎn)移時重新計數(shù)。將42 bit作為時間標(biāo)志插入PS包頭的第5到第10個字節(jié)，表明SCR字段最后1個字節(jié)離開編碼器的時間。在系統(tǒng)目標(biāo)解碼（STD-System Target Decoder）輸入端，通過對27MHz的統(tǒng)一系統(tǒng)時鐘（SSTC）取樣后提取。顯然，在編碼端，STC不僅產(chǎn)生了表明視音頻正確的顯示時間PTS和解碼時間DTS，而且

20、也產(chǎn)生了表明STC本身瞬時值的時間標(biāo)記SCR。在解碼端，應(yīng)相應(yīng)地使SSTC再生，并正確應(yīng)用時間標(biāo)志，即通過鎖相環(huán)路（PLL-Phase Lock Loop），用解碼時本地用SCR相位與輸入的瞬時SCR相位鎖相比較，確定解碼過程是否同步，若不同步，則用這個瞬時SCR調(diào)整27MHz時鐘頻率。每個SCR字段的大小各不相同，其值是由復(fù)用數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)率和SSTC的27MHz時鐘頻率確定的?？梢?，采用時間標(biāo)志PTS、DTS 和SCR，是解決視音頻同步、幀的正確顯示次序、STD緩存器上溢或下溢的好方法。 PS復(fù)用速率用于指示其速率大小。       

21、;   系統(tǒng)頭由系統(tǒng)頭起始碼、系統(tǒng)頭長度、速率界限范圍、音頻界限范圍、各種標(biāo)志指示、視頻界限范圍、數(shù)據(jù)流識別、STD緩存器界限標(biāo)度、STD緩存器尺寸標(biāo)度、（視頻,音頻,或數(shù)據(jù)）流識別等10個部分組成。各種標(biāo)志部分由固定標(biāo)志指示、約束系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)流（CSPS-Constrained System Parameter Stream）指示、系統(tǒng)音頻鎖定標(biāo)志指示、系統(tǒng)視頻鎖定標(biāo)志指示4個部分組成。其中，CSPS是對圖像尺寸、速率、運(yùn)動矢量范圍、數(shù)據(jù)率等系統(tǒng)參數(shù)的限定指示。          顯

22、然，PS的形成分兩步完成：其一是將視頻ES、音頻ES、其他ES分別打包成視頻PES包、音頻PES包、其他PES包：使每個PES包內(nèi)只能存在1種性質(zhì)的ES；每個PES包的第一個AU的包頭可包含PTS和DTS；每個PES包的包頭都有用于區(qū)別不同性質(zhì)ES的數(shù)據(jù)流識別碼。這一切，使解復(fù)用和不同ES之間同步重放成為可能。其二是通過PS復(fù)用器將PES包復(fù)用成PS包，即將每個PES包再細(xì)分為更小的PS包。PS包頭含有從數(shù)字存儲媒介（DSM-Digital storage Medium）進(jìn)入系統(tǒng)解碼器各個字節(jié)的解碼專用時標(biāo)，即預(yù)定到達(dá)時間表，它是時鐘調(diào)整和緩存器管理的參數(shù)。   

23、      典型PS解碼器如圖4所示，圖中示意了數(shù)字視頻解碼器輸出的、符合ITU-R. 601標(biāo)準(zhǔn)的視頻數(shù)據(jù)幀順序I1B2B3P4B5B6P7B8B9I10，與數(shù)字視頻編碼器輸出的數(shù)字視頻編碼ES幀順序I1P4B2B3P7B5B6I10B8B9二者之間的關(guān)系。圖中PS解復(fù)用器實際上是系統(tǒng)解復(fù)用器和拆包器的組合，即解復(fù)用器將MPEG-2 的PS分解成一個個PES包，拆包器將PES包拆成視頻ES和音頻ES，最后輸入各自的解碼器。系統(tǒng)頭提供數(shù)據(jù)流的系統(tǒng)特定信息，包頭與系統(tǒng)頭共同構(gòu)成一幀，用于將PES包數(shù)據(jù)流分割成時間上連續(xù)的PS包?？梢?，一個經(jīng)過MP

24、EG-2編碼的節(jié)目源是由一個或多個視頻ES和音頻ES構(gòu)成的，由于各個ES共用1個27MHz的時鐘，可保證解碼端視音頻的同步播出。例如，一套電影經(jīng)過MPEG-2編碼，轉(zhuǎn)換成1個視頻ES和4個音頻ES。顯然，PS包長度比較長且可變，用于無誤碼環(huán)境，適合于節(jié)目信息的軟件處理及交互多媒體應(yīng)用。但是，PS包越長，同步越困難；在丟包時數(shù)據(jù)的重新組成，也越困難。顯然，PS用于存儲（磁盤、磁帶等）、演播室CD-I、MPEG-1數(shù)據(jù)流。 3) 傳輸流(TS)          將具有共同時間基準(zhǔn)或具有獨(dú)立時間基準(zhǔn)的一個或多

25、個PES組合而成的單一的數(shù)據(jù)流稱為傳輸流（Transport Stream）。TS實際是面向數(shù)字化分配媒介（有線、衛(wèi)星、地面網(wǎng)）的傳輸層接口。對具有共同時間基準(zhǔn)的兩個以上的PES先進(jìn)行節(jié)目復(fù)用,然后再對相互可有獨(dú)立時間基準(zhǔn)的各個PS進(jìn)行傳輸復(fù)用，即將每個PES再細(xì)分為更小的TS包，TS包結(jié)構(gòu)如圖5所示。          由圖5可見，TS包由包頭、自適應(yīng)區(qū)和包數(shù)據(jù)3部分組成。每個包長度為固定的188 B，包頭長度占4 B，自適應(yīng)區(qū)和包數(shù)據(jù)長度占184 B。184 B為有用信息空間，用于傳送已編碼的視音頻數(shù)據(jù)流。當(dāng)節(jié)

26、目時鐘基準(zhǔn)（PCR-Program Clock Reference）存在時，包頭還包括可變長度的自適應(yīng)區(qū)，包頭的長度就會大于4 B?？紤]到與通信的關(guān)系，整個傳輸包固定長度應(yīng)相當(dāng)于4個ATM包。考慮到加密是按照8 B順序加擾的，代表有用信息的自適應(yīng)區(qū)和包數(shù)據(jù)的長度應(yīng)該是8 B的整數(shù)倍，即自適應(yīng)區(qū)和包數(shù)據(jù)為23×8 B =184 B。          TS包的包頭由如圖所示的同步字節(jié)、傳輸誤碼指示符、有效載荷單元起始指示符、傳輸優(yōu)先、包識別（PID-Packet Identification）、傳

27、輸加擾控制、自適應(yīng)區(qū)控制和連續(xù)計數(shù)器8個部分組成。其中，可用同步字節(jié)位串的自動相關(guān)特性，檢測數(shù)據(jù)流中的包限制，建立包同步；傳輸誤碼指示符，是指有不能消除誤碼時，采用誤碼校正解碼器可表示1bit 的誤碼，但無法校正；有效載荷單元起始指示符，表示該數(shù)據(jù)包是否存在確定的起始信息；傳輸優(yōu)先，是給TS包分配優(yōu)先權(quán)；PID值是由用戶確定的，解碼器根據(jù)PID將TS上從不同ES來的TS包區(qū)別出來，以重建原來的ES；傳輸加擾控制，可指示數(shù)據(jù)包內(nèi)容是否加擾，但包頭和自適應(yīng)區(qū)永遠(yuǎn)不加擾；自適應(yīng)區(qū)控制，用2 bit表示有否自適應(yīng)區(qū)，即（01）表示有有用信息無自適應(yīng)區(qū)，（10）表示無有用信息有自適應(yīng)區(qū)，（11）表示有有

28、用信息有自適應(yīng)區(qū)，（00）無定義；連續(xù)計數(shù)器可對PID包傳送順序計數(shù)，據(jù)計數(shù)器讀數(shù)，接收端可判斷是否有包丟失及包傳送順序錯誤。顯然，包頭對TS包具有同步、識別、檢錯及加密功能。          TS包自適應(yīng)區(qū)由自適應(yīng)區(qū)長、各種標(biāo)志指示符、與插入標(biāo)志有關(guān)的信息和填充數(shù)據(jù)4部分組成。其中標(biāo)志部分由間斷指示符、隨機(jī)存取指示符、ES優(yōu)化指示符、PCR標(biāo)志、接點(diǎn)標(biāo)志、傳輸專用數(shù)據(jù)標(biāo)志、原始PCR標(biāo)志、自適應(yīng)區(qū)擴(kuò)展標(biāo)志8個部分組成。重要的是標(biāo)志部分的PCR字段，可給編解碼器的27MHz時鐘提供同步資料，進(jìn)行同步。其

29、過程是，通過PLL，用解碼時本地用PCR相位與輸入的瞬時PCR相位鎖相比較，確定解碼過程是否同步，若不同步，則用這個瞬時PCR調(diào)整時鐘頻率。因為，數(shù)字圖像采用了復(fù)雜而不同的壓縮編碼算法，造成每幅圖像的數(shù)據(jù)各不相同，使直接從壓縮編碼圖像數(shù)據(jù)的開始部分獲取時鐘信息成為不可能。為此，選擇了某些（而非全部）TS包的自適應(yīng)區(qū)來傳送定時信息。于是，被選中的TS包的自適應(yīng)區(qū)，可用于測定包信息的控制bit和重要的控制信息。自適應(yīng)區(qū)無須伴隨每個包都發(fā)送，發(fā)送多少主要由選中的TS包的傳輸專用時標(biāo)參數(shù)決定。標(biāo)志中的隨機(jī)存取指示符和接點(diǎn)標(biāo)志，在節(jié)目變動時，為隨機(jī)進(jìn)入I幀壓縮的數(shù)據(jù)流提供隨機(jī)進(jìn)入點(diǎn)，也為插入當(dāng)?shù)毓?jié)目提供

30、方便。自適應(yīng)區(qū)中的填充數(shù)據(jù)是由于PES包長不可能正好轉(zhuǎn)為TS包的整數(shù)倍，最后的TS包保留一小部分有用容量，通過填充字節(jié)加以填補(bǔ)，這樣可以防止緩存器下溢，保持總碼率恒定不變。 4) 節(jié)目特定信息（PSI）          由上述可知，1個TS包由固定的188B組成，用于傳送已編碼視音頻數(shù)據(jù)流的有用信息占用184B空間。但是，還需要傳輸節(jié)目隨帶信息及解釋有關(guān)TS特定結(jié)構(gòu)的信息（元數(shù)據(jù)），即節(jié)目特定信息（PSI-Program Specific Information）。用于說明：1個節(jié)目是由多少個ES組成的

31、；1個節(jié)目是由哪些個ES組成的；在哪些個PID情況下，1個相應(yīng)的解碼器能找到TS中的各個數(shù)據(jù)包。這對于由不同的數(shù)據(jù)流復(fù)用成1個合成的TS是1個決定性的條件。為了重建原來的ES，就要追蹤從不同ES來的TS包及其PID。因此，一些映射結(jié)構(gòu)（Mapping Mechanism），如節(jié)目源結(jié)合表（PAT）和節(jié)目源映射表（PMT）兩種映射結(jié)構(gòu)，會以打包的形式存在于TS上，即借助于PSI傳輸一串描述了各種ES的表格來實現(xiàn)。MPEG認(rèn)為，可用4個不同的表格作出區(qū)別： ·  節(jié)目源結(jié)合表（PAT-Program Association Table）：在每個TS上都有一個PAT，用

32、于定義節(jié)目源映射表。用MPEG指定的PID（00）標(biāo)明，通常用PID=0表示 。  ·  條件接收表（CAT-Conditional Access Table）：用于準(zhǔn)備解密數(shù)據(jù)組用的信息，如加密系統(tǒng)標(biāo)識、存取權(quán)的分配、各個碼序的發(fā)送等。用MPEG指定的PID（01）標(biāo)明，通常用PID=1表示。 · 節(jié)目源映射表（PMT-Program Map Table）：在TS上，每個節(jié)目源都有一個對應(yīng)的PMT，是借助裝入PAT中節(jié)目號推導(dǎo)出來的。用于定義每個在TS上的節(jié)目源（Program），即將TS上每個節(jié)目源的ES及其對應(yīng)的PID信息、數(shù)據(jù)的性質(zhì)、數(shù)據(jù)流之間關(guān)

33、系列在一個表里。解碼器要知道分配節(jié)目的ES的總數(shù)，因為MPEG總共允許256個不同的描述符，其中ISO占用64個，其余由用戶使用。  ·  網(wǎng)絡(luò)信息表（NIT- Network Information Table）：可傳送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和各種參數(shù)，如頻帶、轉(zhuǎn)發(fā)信號、通道寬度等。MPEG尚未規(guī)定，僅在節(jié)目源結(jié)合表（PAT）中保留了1個既定節(jié)目號“0”（Program-0）。          有了PAT及 PMT這兩種表，解碼器就可以根據(jù)PID將TS上從不同的ES來的TS包分別出來。 

34、;         節(jié)目特定信息（PSI）的結(jié)構(gòu)，如圖6所示。根據(jù)PID將TS上從不同的ES來的TS包分別出來可分兩步進(jìn)行：其一是從PID=0的PAT上找出帶有PMT的那個節(jié)目源，如Program-1，或Program-2；其二是從所選擇的PMT中找到組成該節(jié)目源的各個ES的PID，如從Program-1箭頭所指的PMT-1中ES-2所對應(yīng)的Audio-1的PID為48，或從Program-2箭頭所指的PMT-2中ES-1所對應(yīng)的Video的PID為16。同樣，Program-1的MAP的PID為22，ES-1所對

35、應(yīng)的Video的PID為54；Program-2的PMT-2中ES-2所對應(yīng)的Audio-1的PID為81，ES-1所對應(yīng)的Video的PID為16，MAP的PID為33；PAT的PID為0；CAT授權(quán)管理信息（EMM-Entitlement Management Message）的PID為1。這樣，就追蹤到了TS上從不同的ES來的TS包及其PID，如圖6所示的TS上不同ES的TS包的PID分別為48、16、22、21、54、0、16、33、1。顯然，解碼器根據(jù)PID將TS上從不同的ES來的TS包分別出來的過程，也可以從圖7的TS雙層解復(fù)用結(jié)構(gòu)圖中得到解釋。要注意，MPEG-2的TS是經(jīng)過節(jié)目

36、復(fù)用和傳輸復(fù)用兩層完成的：在節(jié)目復(fù)用時加入了PMT；在傳輸復(fù)用時加入PAT。所以，在節(jié)目解復(fù)用時，就可以得到PMT，如圖7中的ES (MAP) (PMT-1)和ES (MAP) (PMT-2)；在傳輸解復(fù)用時，就可以得到PAT，如圖7中的PS-MAP。將圖6與圖7對照，就可以知道解碼器是如何追蹤到TS上從不同的ES來的TS包及其PID的。         多個信號在同1個信道傳輸而不相互干擾，稱為多路復(fù)用。如果將第一層的多個多路復(fù)用器先分別進(jìn)行單節(jié)目傳輸復(fù)用，而后再進(jìn)行第二層的多節(jié)目傳輸復(fù)用，就形成了雙層復(fù)用。圖8是系統(tǒng)雙層

37、復(fù)用原理圖。由圖可見，編碼器不僅有視頻編碼器和音頻編碼器，還有系統(tǒng)編碼器。第一層的每個多路單節(jié)目傳輸復(fù)用器輸入信號有：ITU -R.601標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻，如視頻幀順序為 I1B2B3 P4B5B6 P7B8B9 I10；AES/EBU數(shù)字音頻數(shù)據(jù)；節(jié)目專用信息PSI及系統(tǒng)時鐘STC 1-N等控制信號。其中視頻編碼器、音頻編碼器和數(shù)據(jù)提供給系統(tǒng)編碼器的是基本流ES，視頻ES的幀順序為I1P4B2B3P7B5B6I10B8B9。經(jīng)過系統(tǒng)編碼器加入PTS及DTS，并分別打包成視頻PES、音頻PES，數(shù)據(jù)本身提供的就是PES。      

38、60;  PSI插入數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)加密將有關(guān)的調(diào)用權(quán)、編碼密鑰通過條件收視表插入MPEG-2 TS ，并將傳輸復(fù)用器從STC導(dǎo)出的PCR插入相應(yīng)區(qū)段。這些視頻PES、音頻PES、數(shù)據(jù)PES及PSI，經(jīng)過加入PID及PCR的傳輸復(fù)用器后，將輸入基本流ES分割成傳輸包片段，并為每個片段配備1個數(shù)據(jù)頭（Header），就形成了一系列的TS包。然后，通過各個不同性質(zhì)的數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)包交織后，輸出 MPEG-2 TS，其包含相應(yīng)傳輸系統(tǒng)解碼器所需要的所有數(shù)據(jù)。這樣，從第一層的N個單節(jié)目復(fù)用器輸出N股MPEG-2 TS，通過各自的傳輸鏈路輸入第二層多路多節(jié)目傳輸復(fù)用器。從N路MPEG-2 TS中提取

39、出N個PCR，從而再生出STC 1-N，最后產(chǎn)生出N個第二層多路多節(jié)目傳輸復(fù)用器用的新PCR。多節(jié)目傳輸復(fù)用器的任務(wù)是在分析的基礎(chǔ)上，對多套節(jié)目復(fù)用合成，對數(shù)據(jù)包時標(biāo)更新。因為，MPEG只允許1個TS只能有1張節(jié)目源結(jié)合表PAT，多節(jié)目傳輸復(fù)用器需要對PSI表進(jìn)行分析，以便建立對新數(shù)據(jù)流適用的PAT，修正有關(guān)數(shù)據(jù)包中的時間標(biāo)志，完成時標(biāo)更新。經(jīng)過第二層多節(jié)目傳輸復(fù)用器復(fù)用后，輸出MPEG-2 TS，可以繼續(xù)通過傳輸鏈路傳輸?shù)浇鈴?fù)用器，也可以采用誤碼保護(hù)編碼、信道編碼、調(diào)制技術(shù)后，通過衛(wèi)星、有線電視、地面無線電視傳輸。例如，將第二層多節(jié)目傳輸復(fù)用的MPEG-2 TS，經(jīng)過QPSK信道調(diào)制上衛(wèi)星，

40、地面用戶通過數(shù)字電視接收機(jī)的 QPSK解調(diào)器、解復(fù)用器、解碼器直接接收；有線電視臺前端將衛(wèi)星下行信號先后經(jīng)過解調(diào)器、解復(fù)用器、再復(fù)用器、QAM電纜調(diào)制器后，饋送至有線電視網(wǎng),用戶數(shù)字電視接收機(jī)通過QAM電纜解調(diào)器、解復(fù)用器、解碼器接收；地面無線電視臺將接收的衛(wèi)星信號先后經(jīng)過解調(diào)器、解復(fù)用器、再復(fù)用器、COFDM電纜調(diào)制器后，饋送至地面發(fā)射臺發(fā)射，用戶可通過數(shù)字電視接收機(jī)的COFDM解調(diào)器、解復(fù)用器、解碼器接收。由上述可明白： 1）數(shù)據(jù)流的分割         將1個數(shù)據(jù)流逐段分割成多個數(shù)據(jù)包，便利于不同數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)

41、包交織。 2）節(jié)目最小組合         1個電視節(jié)目是由多個不同性質(zhì)的數(shù)據(jù)流的ES組成的，1個電視節(jié)目的最小組合為1個視頻流，1個音頻流， 1個帶字母、字符的數(shù)據(jù)流（Tele text），其它信息業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流。 3）PS與TS區(qū)別         節(jié)目流PS只能由1套節(jié)目的ES組成，傳輸流TS一般由多套節(jié)目的ES組成。由于在說明TS的基本流時標(biāo)時，總是針對某1節(jié)目而言，因此TS選擇了節(jié)目時鐘基準(zhǔn)PCR的概念，而不是系統(tǒng)時鐘基準(zhǔn)SCR。

42、          由前述，MPEG-2系統(tǒng)要解決的問題是： 1）系統(tǒng)的復(fù)用與解復(fù)用         MPEG-2采用時分多路復(fù)用技術(shù)，讓多路信號在同一信道上占用不同的時隙進(jìn)行存儲和傳輸，以提高信道利用率。 2）聲音圖像要同步顯示         由于時分多路復(fù)用中的位時隙、路時隙、幀之間具有嚴(yán)格的時間關(guān)系，這就是同步。區(qū)分各路信號以此為據(jù)。為了恢復(fù)節(jié)目，先

43、對ES進(jìn)行解碼。聲音、圖像信號的重現(xiàn)需要同步顯示，從而要求收發(fā)兩端數(shù)據(jù)流要達(dá)到同步。為此，MPEG-2系統(tǒng)規(guī)范通過在數(shù)據(jù)中插入時間標(biāo)志來實現(xiàn)：SCR或PCR為重建系統(tǒng)時間基準(zhǔn)的絕對時標(biāo)；在有效PS和TS產(chǎn)生前，已插入PES的DTS和PTS為解碼和重現(xiàn)時刻的相對時標(biāo)。 3）解碼緩存器無上下溢         MPEG-2系統(tǒng)是由視音頻編碼器、編碼緩存器、系統(tǒng)編碼器及復(fù)用器、信道網(wǎng)絡(luò)編解碼器及存儲環(huán)境編解碼器、系統(tǒng)解碼器及解復(fù)用器、解碼緩存器和視音頻解碼器構(gòu)成。其中，編碼緩存器和解碼緩存器延遲是可變的；信道網(wǎng)絡(luò)編解碼器

44、及存儲環(huán)境編解碼器和從視/音頻編碼器輸入到視音頻解碼器輸出，延遲是固定的。這表明，輸入視/音頻編碼器的數(shù)字圖像和音頻取樣，經(jīng)過固定的、不能變的點(diǎn)到點(diǎn)延遲后，應(yīng)該精確地同時出現(xiàn)在視音頻解碼器的輸出端。編碼及解碼緩存器的可變延遲的范圍就應(yīng)該受到嚴(yán)格限制，使解碼緩存器無上、下溢。         為了解決復(fù)用、同步、無溢出問題，需要定義1個系統(tǒng)目標(biāo)解碼器（STD-System Target Decoder）模型。用于解釋傳輸流TS解碼并恢復(fù)基本流ES時的過程；用于在復(fù)用器數(shù)據(jù)包交織時確定某些時間的邊界條件。因此，每個相應(yīng)

45、的MPEG-2 TS必須借助于專門的解碼器模型來解碼。圖9為TS的系統(tǒng)目標(biāo)解碼器模型。         STD與實際解碼器的主要差別是：STD對數(shù)據(jù)流的操作是瞬時完成的，無須時間延遲。而實際解碼器是有延遲的。于是，可以利用這個差別，根據(jù)STD設(shè)計解碼器的緩存器的容量。例如，PAL制視頻圖像每隔1/25 s解碼出1幀，壓縮視頻以4Mb/s碼率到達(dá)視頻解碼器。要完全移走1幀圖像，視頻解碼器比STD的時間要延遲1/25 s ，其緩存器容量要比STD規(guī)定容量大4Mb/s×1/25s = 0.16Mb。相對于STD，視頻解碼及顯示有延遲，音頻解碼及顯示也應(yīng)延遲同樣的時間，以便視音頻正確同步。