高速公路视频传输业务的先锋--2Mb／s数字图像编解码器

zjol

2002-03-01　中国公路·交通信息产业　交通部公路科学研究所　陈洁
编辑手扎：2Mb/s数字图像编解码器是以国际标准MPEG-2为核心，增加前后预处理来提高压缩比，将图像数字化后压缩到PCM一次群上传输，其最终输出码率为2.048Mb/s。它具有压缩比高，占用带宽小，符合通信网接口标准，图像清晰度较高等优点，将会在高速公路图像传输系统中得到很大应用。文章先容了2Mb/s数字图像编解码器及其在高速公路图像传输中的应用。
高速公路图像传输概述

　　CCTV是高速公路可视交通监视的核心设施，是高速公路通信系统的重要组成部分。传统的高速公路图像传输方案是采用光端机传输模拟图像信号，模拟图像在长距离传输过程中有噪声积累，图像清晰度受到损伤，相位失真较严重，稳定性差，不便于集成等缺点。近年来，由于高速公路逐渐向长距离干线发展，高速公路的联网也势在必行，从而对图像的长距离传输性能要求较高，长距离模拟图像传输已不能满足需要了。图像技术正面临着一次大的飞跃，即从模拟图像传输向数字图像传输发展。数字图像传输是把模拟图像信号通过编码后变成数字信号并进行数字处理、控制和传输，它可以解决模拟图像传输存在的一些问题并具有如下优点：无噪声的严重积累，抗干扰能力强，易于增加新功能，尤其在长距离图像传输，特别是高速公路联网时，显现出它的优势。

数字图像压缩编码

　　近几年，ISO/IEC活动图像专家组推出了一系列图像压缩标准（MPEG1、MPEG2等），它们都采用运动补偿的二维预测/DCT混合编码技术，涵盖了从现行常规图像到高清晰度图像的广阔范围，压缩后的视频码率为1.2Mb/s~20Mb/s。


　　MPEG-1视频压缩算法采用三个基本技术：运动补偿预测编码、DCT算法和变字长编码，基本上采用了以往的ITU/H.261的技术，同时引进了一些显著的新技术，最引人注目的就是采用了运动补偿内插技术，从而使编码效率显著提高。


　　MPEG-2完全吸取了MPEG1所采用的压缩编码技术，同时性能加以扩展，涵盖了从常规图像到HDTV等非常宽范围内的视频压缩业务。随着视频通信业务的发展，为了更具权威性，ISO把MPEG2标准提交给国际电信联盟纳入ITU的H系列标准中，因此，现在MPEG2视频压缩部分又称为ITU/H.262标准。MPEG1主要应用于码率为1.2~2 Mb/s的图像压缩，它的图像质量达到了家用录像机VHS水平，但根据实践经验，其图像传输清晰度不能很好地满足高速公路图像传输的要求。MPEG2应用范围很广泛，主要应用于码率为4~20 Mb/s的高清晰度图像编码，但不能满足高速公路专用通信网基本标准接口（2Mb/s）,且占用带宽较大。这使得高速公路的远距离数字图像传输一直未得到很好的解决。


　　基于MPEG-2的2Mb/s数字图像编解码器的出现解决了这一问题，2Mb/s数字图像编解码器是以MPEG2为核心，增加前后预处理和其他技术来提高压缩比，最终达到2Mb/s码率，且图像清晰度较高，同时满足2Mb/s标准接口并占用较少的带宽资源。这一实现在国内乃至国际上都是一个创新，将会在高速公路的远距离图像传输中得到很大应用。

　　几种数字视频压缩传输图像对比　表1

像素 2M/b H.261 2M/b MPEG-1
288×360　　288×360
2M/b MPEG-2
576×720  8M/b MPEG-2
576×720  
信道纠错
静止图像 弱　　无规定
一般 　一般 强
好 强
好
简单背景下的慢速运动 动画效应不明显 较好 好 好
简单背景下的快速运动 有扫尾、动画效应 有动画效应 较好 好
会议电视
远程监控 可行 可行
不行 有限  可行
专业级水平，可应用于交通、铁路等  可行
专业级水平但占用带宽大可应用于广播、交通、铁路等  



　　通过上表的比较可以看出，MPEG-2 2Mb/s数字图像编解码器是高速公路远距离图像传输的一个很好的解决方案。

2Mb/s数字图像编解码器系统原理

　　2Mb/s数字图像编解码器发端系统中的各个编码器都遵循MPEG-2中相应的各层标准，可以实现一路数字图像、一路立体声和用户数据的编码。视频编码器完成720×576像素/帧、25秒/帧的图像信号实时CBR操作，输出ES视频基本流；音频编码器完成一路立体声音频信号的MPEG-1音频标准第一、二层的编码，输出码率为64Kb/s~384 Kb/s;系统层复接器分别完成音频ES，视频ES流的PES打包，并把多路PES码流打包成TS流，最后经信道编码后去信道，信道接口遵循G.703建议或者DVB TS流。整个系统由图像压缩解码、打包、伴音编解码及信道编解码器组成。


　　2Mb/s数字图像编解码信道部分主要包括复/分接、定时、同步提取、纠错、交错、扰码和码形变换七部分。在系统发端将声音信号、图像信号及数据信号同步复接后，加入同步字和纠错码，进行交错和扰码后送至码型变换器产生HDB3码在信道上传输。系统收端是其反过程，但需加入时钟提取和帧同步电路。


2Mb/s数字图像编解码器在高速公路中的运用与开发

　　2Mb/s数字图像编解码系统为伴音通信分配了384Kb/s的带宽，为数据通信分配了92Kb/s的带宽。由于高速公路图像传输主要用于监控、收费系统的图像传输，一般不需加入伴音，因此，可以将伴音通信的384Kb/s的带宽用于图像通信，可在2M范围内增加图像传输的带宽，提高图像质量。另外，数据通信的92Kb/s带宽可用于传输监控、收费图像的管理控制信号。


　　"2Mb/s数字图像编解码器"提供了适合通信网标准接口的数字传输手段，图像传输质量好，节省带宽资源，比模拟光端机系统传输图像减少了光纤资源。将会在高速公路图像传输系统中，特别是远距离图像传输系统中得到很大应用。