噩噩盟WUi_ Transmission Network
统计复用发展综述
。 高凤吉广播电视规划院
摘要 z 本丈首先综述了统计复刑的精美术语和梳念 z 其
次综越了可变比特牟统计复用与固定比特牟比较、开1.(.
和闸罩在统计复闸的比较，以及 MPEG-2 和 统
计复刑的比较.
关键词:统计复用闭坏开坏
O 引言
在卫星 、 有线和地面传送 / 链路的视频节目分配中 ， 为
了提高频谱使用效率. 统计复用和编码器的组合已经成为一
种通用的做法。
典型的统计复用主要有两种架构 ，
1 . 闭环统计复用架构。 依靠严格的 . 直接的编码器控制，
优化了系统带宽的整体性能。
2 开环统计复用架构。 依靠速率变换 (Transrat ing) ， 改变
视频流的比特率 . 从而达到统计复用的目的。 前者要求编码
器集中配置 . 后者允许编码器分散配置。
目前，基于高速 IP 的网络，能够把闭环统计复用的优点
和开环分布放置编码器的优点组合在一起。 目的是把分布配
置编码器组织到一个统计复用架构中 ， 来维持紧搞合统计复
用器的效率。
最近 2 年 . 基于先进视频编码 (AVC) 的编码技术已经和
闭环统计复用系统-块使用。 AVC 速率变换技术还没有准备好
现场使用 . 而基于 AVC 的开环统计复用系统也没有可能应用。
1 名词术语
下述名词对深入理解统计复用有帮助 .
转换编码 (Transcoding) : 转换编码是转换己编码的数字音
视频和数据码流的格式 ， 以便经不同媒质储存和传送 ， 为不同
系统或不同终端服务。 依照转换的源码流和转换后的目标码流
所遵循的标准 ， 可以分类为同类转换编码和异类转换编码。
同类转换编码 · 指已编码码流转换成同一种编码标准的
目标码流 ， 例如空间分辨力.时间分辨力和码率等视频编码
192 广播与电视技术
参数的转换。
异类转换编码是指不同编码标准码流间的转换 ， 例如
MPEG-2 到 MPEG-4 ， MPEG-2 îlJ H. 264/ AVC , MPEG-2 到 AV5
之间的转换。 异类转换编码也可以同时变换分辨力和码率。
最基本的转换编码器为解码一编码级联型 . 罔 / 异类转
换编码都可以用 。 因为像素级联型转换编码器可以采用标准
的编码算法 ， 故可以用做比较不同结构和算法转换编码器性
能的基准。
同类转换编码
1 码率变换转换编码 (Transrating) : 这类转换编码常用于
开环统计复用的再量化。
2 空间分辨力变换转换编码 例如 : 隔行扫描和逐行扫
描之间互转的上 . 下变换。
码率变换和隔行与逐行之间转换的上下变换 ， 在工作中
经常会用到 。
2 MEPG-2 编码系统中的复用
MEPG-2 编码系统中的复用 / 解复用可分为二个层次
1 节目级的复用 / 解复周 : 在 MPEG-2 编码系统中 ， 图
像和声音信号经编码后生成了各自的基本码流 (E5 ， Elemertary
5tream) ， 这些 E5 流 ， 以及辅助数据复用在一起构成一踏实际
的单电视节目传送流(T5 ， Transport 5tream) ， 称作复用(或节
目级复用) ， 复用一般是在编码器里实现的。 解复用是复用的
逆过程。
2 系统级的复用 / 解复用 . 在 MEPG-2 编码系统中 ， 系
统级的复用是多路节目 T5 流间的复用 . 一般是在复用器里来
实现。 解复用是复用的逆过程。
这两级复用所生成的都是标准的 MEPG-2 的 T5 码流。 本
文所谈的统计复用是属于系统级的复用 。
3 统计复用
3 . 1 统计复用的概念
任何已知的视频信号 ， 对于某个短的时间周期来说 . 将
要求高的比特率(峰值比特率) ， 而它所需的平均比特率是相
201 0 年第 6 期
EZ盟噩噩 Netw倒也
当低的 。 在一个固定比特率的系统中 . 要求传输比特率要足
够高 (接近它的峰值) 。 否则会出现压缩缺欠。 但是在一个
可变比特率的统计复用系统中 ， 获得了显著的增益。 它假定 :
不同视频信号所需要的峰值比特率是发生在不同的时刻(峰
值错开) . 利用不同信道间的互补关系 ， 使短时间要求更多的
信道可以使用更多的比特率。 所以 . 所需要传输的比特率 ，
是接近每个视频信号平均比特率的要求 ， 而不是它的峰值。
这就是统计复用所依据的原理。
3 .2 闭环统计复用
一个典型的闭环统计复用是由-个可变比特率 (VBR) 编
码池 ， 一个复用器和一个统计复用控制器组成。 集中配置的
编码池内联到同一位置的复用器。 复用器汇集不同流到一个
具有恒定负载(码率)的多路复用。 此外 ， 为了管理每个编
码器的比特率， 需要有一个统计复用控制器。 控制器可以集
成到复用器中 . 或者是一个独立的控制器。 它分辨所有视频
的比特率和编码内容的复杂性 ， 并对彼此间的比特率进行比
较。 当控制器发现内容可以用少量比特率广播 ， 又不损坏视
频质量时 . 重新分配额外比特率给需要更多带宽的内容 ，然
后控制器提供信息给编码器。 这时编码器是依据这个新的信
息进行编码的.
闭环统计复用，顾名思义，就是说从复用器的输出到编
码器的输入形成了闭合环路，靠直接的瞬时反馈来达到动态
分自己比特率的目的 。 这就意味着 ， 编码器和复用稽之间必须
有两条通路 ， 一条视频通路，传输 DVB-ASI 信息 ， 要求编码
器和复用器之间不能引入任何不同的时延。 另一条是控制通
路 . 传输反馈控制信息. 因此 . 闭环统计复用要求编码器和
复用器集中配置(例如放在主前端) 。
VBR 编码统计复用和 CBR 编码复用相比 .获得了 明显的
编码增益或带宽效率。 图 1 是可变比特率 VBR 编码器统计复
用器的效率与频道数目的关系。
3 . 3 开环统计复用
闭环统计复用采用完全集中的架构，编码器和复用器共同
放置在总前端(或中心前端) 。 所有的电视频道(或节目)以高
比特率传送到主前端 ， 利用统计复用技术进行本地的再压缩。
在远端传送电视节目到中心前端要花两笔费用 ， 增加初始
设备投资和运营成本。 这是因为 。 一方面 ， 在远端需要 4 2
: 2 或 420离比特率的编码设备(标清一般需要队岛s
以上) . 在前端需要解码器，另一方面，要传送高比特率的电视
节目到前端 ， 需要租用第三方离带宽的传输信道.这样又增加
了运行成本。 因而技术的发展催生了新的开环统计复用技术。
f94 广播与电视技术
由fYi!地丽it事
在开环统计复周架构中，属于罔一个统计复用的编码
器 ， 既可以和复用器放置在一起回也可以分散放置在远端。
在前端复用榕的输入无需解码到像素 ， 而是利用速率变换
(Transrating) 完成各个 MEPG-2 编码节目的再量化。 再量化是
利用降低帧内的复杂性 ，丢掉某些高频系数来完成的。 从未
压缩视频到 MEPG一2 流 ，量化是最后的编码步骤之一。 开环
速率变换是量化处理的逆过程 . 即对压缩等级(或深度)的
选择 ， 并完成一次新的量化.
闭环和开环统计复用的比较
统计复用技术的主要目标是 : 构成编码图像的比特率和
编码图像复杂性的匹配 ， 其结果是对每个电视节目采用可变
的比特率分配，最终优化了带宽的使用。
在统计复用的编码掘和复用籍之间有两个传输信道 . tlP
视频传输信道和指令传输信道。 视频传输信道是一个单向传
输网络 ， 要求在编码器和复用器之间实现恒定时延和正确的
服务质量。 指令信道是一个双向网络 . 并能在编码器和复用
器之间进行对话 ， 它是一个典型的基于 IP 的网络 ， 对有效和
可靠的信令实现，它提供了完好的系列协议支持。 在闭环统
计复用中 ， 指令数据的交换是利用 HDLC (High level Dala I ink
control) 链路分配来做 . 交换的持续时间是确定且比较好受控
制的 ; 而在开环系统复用中 ， 指令数据的交换是异步的 . 并
且是依据 UDP 协议。
下面举例说明开环和闭环统计复用的比较。 闭环统计复
用与开环统计复用的比较 . 实际上是闭环统计复用与速率变
换 (Transrating) 的比较。 将具有 6 个信道不同业务的闭环统
计复用和开环系统进行比较。 速率变换器配置为每个信道的
恒定输出 3Mbps( 平均比特率) 。 通过改变 VBR 编码器的质量
目标 . 速率变换可以降低 2 - 50% 的码率。 利用数字视频质
量 (DVQ) 分析仪对所有信道输出的图像质量进行测试。 测试
结果，如图 2 所示 : 图中蓝线代表闭环系统的图像质量 ， 当
2010 年第 6 期
平均比特率从 2 . 1 - 3 . 3Mbps 增加肘 ， 质量平稳的改善。 粉
红色曲线是测得的速率变换后节目的质量 ， 要求平均比特率
降低 2 - 50%。
由图 2 可见 ， 在 2% 这一点 VBR 编码器的平均比特率
是在 3Mbps 的目标以下，接近某个降低了比特率闭环系统的
质量 ， 而且在流中大约有 7% 的空包 ， 可以用于视频质量的
改进。 当 VBR 编码榻的比特率增加 ， 随着视频取代空包，使
得变换速率增加时 ， 视频质量也随之提高。 比特率降低的闭
环系统与速率变换提供了可比较的质量。 当 VBR 编码器的比
特率进一步增加和变换速率需要增加肘 ， 尽管空包数量已经
减至最小值 ， 质量也会下降。 以平均 50% 的速率降低时 ， 速
率变换器会产生严重问题 ， 它的性能远低于闭环系统。
总之 ， 如果 VBR 编码器能够调整内容和可用的比特率 .
那么和闭环统计复用编码相比 ， 速率变换只引起较少的损
失 5 - 8%。 实际上开环系统要比闭环系统的效率要低 15 -
20% ， 仅在适当比特率时能够正常运行。
开环和闭环系统各有优点. 闭环的最大优点是带宽使用效
率在最大的条件下，视频质量稳定，而主要的缺点是不灵活 ，
因编码器与复用器需要集中配置 ， 且设备昂贵。 而实际系统的
选用 ， 需要根据质量要求 ， 经济水平等多种因素来确定。
先进视频编码 AVC 的统计复用
先进视频压缩编码算法 (MPEG-4 AVC/ H . 264) 的比特率
要求 ， 在统计规律上不同于 MPEG-2 但同样获得了显著的编
码增益。 HOTV 的先进视频编码与统计复用的组合 ， 传送优良
图像质量可以获得最高的压缩比。
尽管先进视频压缩技术 l 例如 H . 264) 比 MPEG-2 更有效 ，
但是在比特率需求方面的变化也比 M陀G-2 更高。 这是因为具
有高空间和时间冗余要求不严的图像序列 ， 在 M陀G-4 中编码
更有效 ， 而要求苛刻的图像序列 . 在 M习EG-4 AVC 和 MPEG一2
压缩中亦要求同样高的比特率。 举例来说 ， 一个黑场视频信
号，在tvf'EG-2 压缩编码大约用 70<bps ， 但是在 MPEG-4 AVC
压缩编码仅需要 7kbps。 另一方面，高斯自噪声为了达到同样
的峰值 (S/N) 比 (PSN町rv1PEG-2 和 MPEG-4 AVC 编码都需要
2仅M梢。 也就是说，先进视频编码tvf'EG-4 A VC 的比特率需
求的动态范围比M习EG-2 大。 当然 . 这个例子纯粹是理论上的
说明观点 。 实际上 . 在比特率要求方面只有很少的变化。 因为 ，
为了获得同样的主观图像质量 ， 要求不高的图像序列 ， 比要求
高的图像序列 ， 对 PSNR 的需求要更高。 所以 ， 统计复用的好
处更适合于先进的视频编码M'EG-4 AVC 。
现实世界中 ， 广播内容的多数时间(或大的时间百分数)
2010 年第 6 期
TH回国回..... EE噩噩噩
图 2 闭环与速率变换'处理图像质量比後
回 3 单个I-ÐTV 体育频道 H . 264 和 M喧G-2 的比特事要求
要求是不苛刻的 ， 超过 50% 的时间比特率节省是可预期的
(例如 : 黑白 SOTV 的比特率节省理论的最小值是 90%) ; 另
一方面 . 大部分观众又是根据压缩的人为缺欠(高苛刻内容
的一个很小的时间百分数) ， 判断压缩系统的性能。 这就产生
了两个看似矛盾的结论。 因此对这个问题的回答 ， 仅能由两
个系统的统计比较得出 。
图 3(IBC 2005 文集 P198) 是 MPEG-2 和 H . 264 统计复用
比特率节省的一个例子。 上面的理论分析指出 ， 比特率需求
总的动态范围 ， 在 H . 264 中要高于 MPEG-2 这就使得 H264
的统计复用比 MPEG-2 更有效 ， 图 3 中的统计复用的实倒也
证实了这一点。 所以先进压缩工具和统计复用的组合 ， 可以
用于 HOTV 的传输。
4 结语
本文首先综述了与统计复用相关的术语和统计复用的概
念 ， 其次综述了可变比特率统计复用与固定比特率复用的比
较 ， 闭环和开环统计复用的比较 ， 以及 MPEG-2 与 MPEG-4
H . 264/AVC 统计复用的比较。 这些不同复用方式和编码方式
各有优缺点，需要根据自己的实际情况进行选择。 希望本文
能对实际系统的选择有所帮助。 囚皿
广播与电视技术 9sl
