MPEG-2数据流在ATM网地实时传输

来源:互联网
更新时间:2016/12/13 1:08:50
责任编辑:王亮
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MPEG-2数据流在ATM网的实时传输

  MPEG-2音频、视频标准是国际公认的数字视频和音频压缩标准。MPEG-2提供认低到中等的比特率,高质量的视频,以及压缩、复用、重建视频流的标准。数字视频服务中采用的 MPEG-2标准也是大多数数字卫星广播系统的压缩标准。另外,MPEG-2视频标准也已经被高清晰电视所采纳。 ATM论坛采用了在ATM网络上传输MPEG-2压缩视频流的规范。

   在 ATM网络设计中,多媒体应用需要支持有严格服务质量(QoS)要求的服务,把这些质量要求转变为 ATM网络的状态参数,取决于终端用户、终端设备和协议 。现在还不清楚存在于QoS应用和网络状态参数之间的一一对应关系。

   高效利用有限带宽已成为今天数字视频分布系统的主要考虑点之一。在大多数商业可行性传输中,MPEG-2编码器用固定比特率信道。可变比特率编码主要用于存储应用(如 DVD),很少用于传输业务。

1. MPEG标准

   建立 MPEG-2(运动图像专家组)是为了对数字视频信息编码和存储制定一套通用形式。MPEG-l标准(ISO/ IECll172)是为了提供达到VHS录像带用的 1. 2Mb/s比特率; MPEG-2标准(ISO/IEC13810)最初是为了把广播级质量的视频压缩成 4Mb/s— 6Mb/s数据流,虽然它也能容纳宽范围的数据率和分辨率;低比特率的编码标准 MPEG-4标准,用于低时延和有严格宽带要求的视频会议应用; MPEG—3标准一开始是为高清晰度电视(HDTV)应用设立的,但当 HDTV加入到 MPEG-2标准后,就被取消了。 MPEG-l和 MPEG-2标准类似,只是细节不同, MPEG-2增加了帧格式和编码选择。 MPEG-2规范包括系统、音频和视频 3部分。音频和视频部分拖述编码过程,而系统的规范则着重于位流同步、复用和同步。在解码器端重建基于 MPEG-2运动图像的基理是:为了确保在网络模型上无丢失,并具有固定时延的传输特性。这些要求并不是对任何可操作网络都可行。信息丢失及网络时延的可变性都增加了重建图像的扭曲形式。

   MPEG标准并不描述图像编码过程,而是定义输入解码器的输入数据格式,并对此数据进行解释。数据格式称为句法,对数据进行解释的规则称为解码词义,编码过程并没有被标准化,而是根据特定的应用需求作相应的变化。解码器仅仅受限于遵从解码词义的位流,因而即使已经制定了标准,仍可提高解码器的性能。 MPEG视频压缩通过帧内编码和帧间编码技术,减少了图像上时间和空间的冗余度。帧内编码技术是对每帧单独进行编码,可减少空问冗余。对相邻的相似帧进行压缩,时间压缩是每帧单独编码的重点,此 即帧间编码。在最简单的帧间编码中,对相邻帧进行相减,进而对帧间的差别进行编码。然而,如果整帧都是移动图像(如场景镜头摇动或放缩),则这项最简单的帧间编码技术并不适合于这种情况。 MPEG编码技术就是为了解决这个问题而提出来。

   MPEG流包含;种主要的帧类型:(l)帧内编码帧(1):对本帧进行编码;(2)预测帧( P)对本帧与前帧块与块之间的差别进行编码;(3)双向帧(B):对未来帧的预测与过去帧之间的差别进行编码。帧内编码只利用单幅图像(帧或场)内的空间冗余,没有利用时间相关性(即时间预测),这种时间预测称为帧间编码,没有使用任何帧间编码的帧称为 I帧。 I帧需要固定地在数据小出现,因为后续的帧(如 P帧和 B帧)只有收到 I帧后,解码过程才能开始。 I帧每隔半秒就插入数据流,它为解码过程提供起始点,为后续的 P帧及 B帧提供预测模板。 P帧以 I帧为参考帧,通过前向预测,用宏块对帧间区别加以编码。一个宏块在光空间是 16× 16象素,在时间空间是 8× 8象素为最简单颜色亚彩样格式(4: 2: 0)。宏块通过寻找最匹配的前向帧来编码。在一个具有固定背景和活动的前景物体图像帧中,前景物可被前向帧的宏块和运动物体的前后变化所代表。 B帧同时以它相邻的前后两帧为参考帧进行运动补偿,并将所得结果进行内插而获得平均预测结果。

   MPEG-2系统标准定义了复用一个或多个音频、视频和数据元素流的方法。数据流被打包,加上时间标识,形成一个被包装的元素流(PES)。音频、视频和数据(任选)的 PES被复用在一起,形成可存储和传输应用的单一输出流。 MPEG-2系统标准的目的是提供必要的句法,用以同步音频和视频声明信息。MPEG-2系统标准有节目流(PS)和传输流(TS)两种数据流。 PS用可变长度包, TS用短固定尺寸包。 PS类似于 MPEG—l系统流,用普通时间基准复用元素流,通常用于DVD类的存储应用中。由于长帧更易遭受错误,使 PS在传输应用中增加了数据包出错的可能性。TS复用那些并没有共同时间基准的数据流,固定长度为 l88字节。在这 188字节的包中,至少有 4字节用作包头,其余字节用作传输存储数据、音频和视频信息。 TS包头命令包含信息有:同步、包私有、节目标识和错误状态。 TS可包含附带头领域提供时间信息。

2. ATM信元适配 MPEG-2数据流

   ATM数据包的适配层(AAL)提高了网络应用层的服务能力,比如能进行 ATM层数据和应用层数据的适配,也即应用层数据与 ATM信元间的相互转换。虽然 AAL所提供的服务取决于应用层的要求,但在实际应用中,通用 AAL支持大多数应用场合。已定义了 6个适配层(AAL0一AAL5),但这些标准化 AAL的功能有限,因而在AAL的头部常带有附加的传输层。已提出了把AALl和 AAL5作为 MPEG应用的传输协议。AALl用于 MPEG视频传输的好处在于它能够在接收端重建数据的起始时钟,使网络表现为具有固定的时延。 AALl还能检测丢失信元,在传输包中,这些丢失信元可用于设定错误指示位,以激活解码器的错误,取消单元。另外还提出了能提供前向纠错( FEC)的 AAL1版本。有许多研究工作都致力于用 AAL5、AALl和用户适配层鼓入MPEG视频流。 ATM论坛推荐在每个AAL5数据协议单元(PDU)中,将 2个传输包映射入 8个ATM单元。在嵌入过程中, PDU尾部增加了包含有 CRC校验和长度信息,使 PDU分成8个单元。采用AAL5映射 MPEG流作为传输协议方案的不足之处,在于缺乏降低信元拥塞和错误处理功能,因为它每检测到 l位错误就丢失 2个传输包。为此,在 MPEG解码器端,必须使用较为复杂的时钟恢复电路,以便即使在接收到有大量拥塞的节目时钟基准( PCR)中,也能提供稳定的时间基准。

   综上所述,AAL1和 AAL5都不能为 MPEG视频传输提供理想的适配层。一个在 MPEG编码器与解码器之间的理想网络,必须具有提供纠错和固定时延连接的能力。在这种理想网络中,数据 AAL需要提供一套把 TS包高效地适配于编码器信元负荷,并在解码器重建 TS包的基理。但在实际网络中,并不总是存在这种有效的连接。在 ATM层传输中,信元难免会发生随机位错误,在网络拥塞时,因信元丢失而带来不同的时延。因此解醋器需要增加相应的复杂度,以“掩埋”掉传输损害的影响,而且 AAL需要带有纠错和拥塞转移的单元。  

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