MPEG-2 壓縮格式、編碼跟解碼…19

為了取得高壓縮比效果， MPEG 採用了複合式多種壓縮技巧，首

先是以區塊為基礎的動態補償 (block-based motion compensation)方

法，利用前一畫面至目前畫面內容之預測 (prediction)，或是由前一

畫面其下移畫面至目前畫面內容之內插預測 (interpolation

prediction)，再利用 DCT 轉換除去空間上的相關性，並配合量化

(quantized) 程序略除不重要的資訊，最後經由 VLC (variable length

coding) 方式編碼後與動態向量複合產生視訊壓縮編碼。

圖 3-2 MPEG2 中的一個 Group of picture

我們對於上述的 (block-based motion compensation) 方法、預測

(predicition)方法以及使用內插預測( interpolation prediction )的方法舉

一實例作說明。如上圖所示，我們列出一 Group of picture (包含圖

像 I、圖像 B 及圖像 P) ：在這範例中，可以發現第一張圖像 I 為

獨立編碼，它與其它圖像沒有任何關連。第五張圖像 I 是參考第一

張圖像 I，此種編碼方式為順向預測。而第二張圖像 B 不僅參考

了第一張圖像 I 還包括了未來第五張圖像 P，此種作法稱為內插

預測 (interpolation prediction)的方法。 Group of picture 中其他部份可

按不同圖形型態依此類推。透過動態補償的方式，消除畫面間時間

和空間的關聯性，僅用最小的資料量來記錄彼此間的差異，也就是

利用 Motion Vector 來記錄，如此可大大的增加壓縮的效率。

MPEG2 是數位電視的標準，主要被用來製作 DVD，其提供兩

種解析度 720×480 與 1280×720，每秒可播放 60 張的影像。MPEG 檔

案在播放時，一秒中總是有數十張的影像快速閃過，故中間有許多

的影像會有重複的部分，壓縮時就是壓縮這一部分，除了重複的以

外，也可以紀錄影像移動的位移，其中；在 I 畫面中，我們將畫面

分割為 16×16 的區塊來處理，這些區塊稱為 macro block。每個

macro block 又由 4 個 8×8 的 Y 區塊、一個 Cr 區塊及一個 Cb

區塊組成。這裡的 Cr、Cb 區塊都是由 16×16 做部份取樣而成 8×

8 的區塊，也就是用 YUV411 的格式，如圖(一)。接下來的步驟就

先將每個 8×8 的區塊做 DCT 轉換，然後量化，再以 Run-Length

及 Huffman 編碼的方式壓縮。在 P 畫面中，所要儲存的資料主要

是該畫面和參考畫面(前一個 I 畫面)的不同處。在同一張畫面中的

任何一部份，往往可以在前一張畫面中的某一個位置找到，我們只

要記錄那一個部份是從前一張畫面的那一部份移動過來的，就可以

使需要儲存的畫面資訊減少許多，這種技巧稱為運動補償 ( motion

compensation )。在 P 畫面中裡同樣是以 macro block 為單位，每一

個 macro block 照理可以在參考畫面中找到。

如圖(二)，我們在參考畫面的某一個範圍內尋找和該 macro

block 最接近的，也就是誤差最小的區塊，這個作法稱為區塊比對

( block matching )。如果區塊比對時找到最接近的，就只要記錄該區

塊在兩個畫面中的位移，也就是所謂的運動向量 ( motion vector )，

以及誤差的部份。至於 B 畫面則和 P 畫面的原理相同，只是它的

每一個 macro block 的參考畫面可以是從前面的 I 畫面 ( 或 P 畫

面 )，也可以是後面的 P 畫面( 或 I 畫面 )，或者是兩者的平均。

因為是雙向的，所以稱為 Bi-directional。I、P、B 三種畫面的壓縮

過程如圖(三)所示。

圖 3.3 壓縮流程圖

3.4 MPEG2 的應用

MPEG-2 除了做為 DVD 的指定標準外，MPEG-2 還可用於為廣

播，有線電視網，電纜網絡以及衛星直播(Direct Broadcast Satellite)

提供廣播級的數字視頻。而 MPEG-2 的另一特點是，其可提供一個

較廣的範圍改變壓縮比，以適應不同畫面質量，儲存容量，以及頻

寬的要求。對於最終用戶來說，由於現存電視機分辨率限制，

MPEG-2 所帶來的高清晰度畫面質量(如 DVD 畫面)在電視上效果並

不明顯，到是其音頻特性(如加重低音，多聲道等)更引人注目。