更新时间	内容
2020.12.11	初版
2021.01.26	更新预测方式内容

mpeg2是mpeg1标准（mpeg1介绍请点这里）的扩展，主要增加以下特性：

支持interlace视频
支持可伸缩编码（由于该特性工作中用不到，没有深入分析）

1.码流结构

Mpeg2的码流语法结构大致与mpeg1一致，只增加了部分扩展元素。

如果第一个sequence_header之后没有紧跟一个sequence_extension结构，则该码流遵循mpeg1标准，否则是mpeg2；
如果第一个sequence_header之后紧跟一个sequence_extension结构，则后续所有sequence_header之后都需要有sequence_extension结构。也就是说，MPEG2标准中sequence_header后需要紧跟sequence_extension，而mpeg1没有这个规定，因此可以用该规则判定码流是否为mpeg1；
两个sequence_header之间至少存在一个picture数据，这也意味着sequence_extension后不能紧跟这sequence_end语法；
如果码流中存在sequence_extension（即该码流为mpeg2），picture_header后需紧跟一个picture_coding_extension，并且picture_coding_extension只能在picture_header之后，不能在其他位置；
Group_of_picture_header后的第一帧需要是一个I帧。

2.解码过程

解码流程如下图所示：

按流程图中各个模块可以把解码过程分为以下几个步骤：

2.1 variable length decoding

mpeg2变长编码的解码过程与mpeg1类似，主要解析码流中的存放的DC、AC系数，分为帧内编码宏块DC和其他系数解码。差异主要有以下两点：

帧内编码DC系数重置值，mpeg2会根据picture_coding_extension中的intra_dc_precision值做DC系数重置。
帧内编码宏块VLC解析表不同，mpeg2会根据intra_vlc_format选择使用不同的VLC表。

2.1.1 DC coefficients in intra blocks

I宏块DC系数解析与其他系数解析有些差异，因为DC参数数值较大，而相邻块DC系数具有相关行，因此DC系数解析会用上一个块的DC系数做预测值。
DC系数最终会根据码流中的元素dc_dct_size 和dc_dct_differential以及DC预测值来计算，计算过程如下：

在以下几种情况，DC系数预测值需要重置。重置的数值与intra_dc_precision相关。

slice的第一个宏块
遇到非I宏块时
遇到skipped 宏块时

2.2 inverse scan

上一步解析出来的DC、AC系数是以游程编码方式存放，反扫描这一步主要把系数处理成矩阵格式。Mpeg1/2主要差异在于：mpeg1只支持zigzag扫描，而mpeg2需要通过picture_coding_extension中的alternate_scan选择两种扫描方式。

2.3 inverse quantisation

量化计算过程与量化权重矩阵quant_weight_matrix和量化系数q_scale相关，mpeg1/2主要差异在于：

mpeg2标准中的帧内编码宏块DC系数需要乘以intra_dc_mult,该值与intra_dc_precision相关；
量化权重矩阵可以存放在sequence_header中，也可以由quantiser_matrix_extension更新；
Mpeg1标准在slice header或mb header中直接编码q_scale，而mpeg2在slice header或mb header中编码q_scale_code，并在picture_coding_extension中编码q_scale_type，再由两者共同决定q_scale；
Mismatch control计算公式不一样。

2.4 inverse DCT

Mpeg12反DCT变换过程是一样的，不再赘述。

2.5 motion compensation

由于mpeg2支持场格式，运动补偿方式要考虑场预测，因此与mpeg1由较大差异。流程如下图所示：

2.5.1 预测方式

Mpeg2由两种主要的预测方式场预测和帧预测和两种特殊的预测方式16x8块运动补偿和dual-prime方式；

场预测。使用之前解码的场作为参考进行预测；
帧预测。使用之前解码的帧作为参考进行预测；
16x8运动补偿。6x16宏块分为上下两个16x8块，对于每个预测方向，都有两个mv，第一个用于宏块上方的16x8块，第二个用于宏块下方的16x8块。如果是双向预测，则存在4个mv。
Dual-prime

宏块的预测方式选择与当前当前宏块所在帧的格式（帧/场格式）相关，由宏块头语法元素（frame_motion_type/field_motion_type）指定。帧格式支持的预测方式包括：场预测、帧预测、dual_prime；场格式支持的预测方式包括：场预测、16x8预测以及dual-prime。

不同预测方式预测宏块获取步骤如下：

帧预测
帧预测处理方式与mpeg1一致。预测宏块的依赖信息包括参考帧和mv，根据预测宏块以及参考帧数据可以得到预测宏块数据。
场预测
帧图像的场预测依赖的信息有mv、field_select。前向或后向预测有两个mv，分别表示顶场和底场运动矢量信息。如上图所示，预测过程可分为以下几个步骤。

以顶场为例，根据mv可以找到顶场对应的参考宏块。由于参考图像为帧格式，需要把参考宏块分为顶场（宏块数据的奇数行）和底场（宏块数据的偶数行）；
根据field_select选择宏块的顶场或顶场作为预测场，再由mv判断是否需要做插值，可以得到顶场的预测场；（如果field_select等于0，使用顶场做预测，否则使用底场）
同理可得到底场的预测场结果，把顶场和底场的预测场结果分别作为宏块的奇数/偶数行，从而得到预测宏块。

Dual_prime
Dual-prime预测方式只存在于P帧，因此只有前向预测。帧格式需要分为顶场和底场分别预测，两场预测分别通过参考顶场和底场运动补偿并取均值，每一场需要用到两个mv，因此一共需要用到4个mv。
以mv[0]-mv[4]分别表示4个mv。
mv[0]用于获取顶场预测块，参考场为顶场时使用的运动矢量；
mv[1]用于获取底场预测块，参考场为底场时使用的运动矢量；
mv[2]用于获取顶场预测块，参考场为底场时使用的运动矢量；
mv[3]用于获取底场预测块，参考场为顶场时使用的运动矢量；

2.5.1.2 场格式中的宏块预测方式

场格式图像预测方式如下图所示，包括三种预测方式：field_based场预测方式、16x8块预测方式、dual-prime预测方式。
其中，根据预测方向场预测可以再细分为4种方式：

前向
后向
双向
没有预测，这种方式可以转变为mv为0的前向预测来实现。

同理，16x8块预测方式根据预测方向也可以再细分为3种方向

2.5.1.1 帧格式中的宏块预测方式

帧格式预测方式如下表所示，包括frame_based帧预测方式、field_based场预测方式以及dual-prime预测方式。其中帧预测和场预测根据预测方向还可以再细分三种方式（前向/后向/双向）。
不同预测方式预测宏块获取步骤如下：

场预测
场格式的场预测的几个关键因素有：
1）预测用到的顶场或底场参考场可能来自于不同帧。如果重建为当前帧第二场，并且与参考场场类型（top/bottom field）不一样，参考场为当前帧的第一场，具体可参考2.5.1.3节；
2）通过field_select选择参考场。（field_select=0，选择顶场做参考；field_select=1，选择底场做参考）
3）根据当前参考场类型可以确定当前场数据在重建帧的存放位置；
16x8块预测
16x8块预测就是把16x16宏块分为两个16x8 块（其中一个16x8块包含一个16x8Y分量块、一个8x4 Cb分量块和一个8x4 Cr分量块），然后分别对每个16x8块做预测。预测过程与场预测类似。
Dual-prime预测
场格式的dual-prime预测使用顶场和底场分别预测结果，然后取平均值。预测过程中，当重建场与预测场类型相同时，使用运动矢量mv[0]；当长类型不同时，使用运动矢量mv[2]。根据当前重建场类型可分为两种:

重建场为顶场
重建场为底场

2.5.1.3 场预测参考场选择

场预测需要根据帧类型做不同处理。
P帧中的场预测两个参考场是指最近一次解码的顶场和底场。存在以下几种场景：

当前解码图像为帧格式，则其参考场为同属于上一个重建帧的顶场和底场；
当前解码图像为场格式，并且为重建帧的第二场，因此其中一个参考场为当前帧的第一场。
当前解码图像为顶场，参考场如下图：

当前解码图像为底场，参考场如下图：

B帧中的场预测是用两个最近重建帧中的两场作为参考，如下图

2.5.1.4 帧预测参考帧选择过程

Mpeg2的帧预测与mpeg1没有差异。分为如下两种情况：

当前解码帧为P帧，以最近解码的I/P帧作为参考；
当前解码帧为B帧，以最近解码的两个I/P帧作为参考；

2.5.2 motion vector

由于相邻块mv具有相关性，编码mv时可以使用相邻块mv做预测，而只编码mv差值可以减少编码数据量。解码mv过程中会使用已解码的相邻块的mv做预测。

2.5.3 forming predictions

生成预测块主要是从参考帧或场中读取参考像素。由于mv是半像素精度，半像素需要通过对相邻像素值线性差值方式获取。
对于场预测，每一个宏块必须从两个可用的参考场中选择一个作为参考。场预测或16x8MC再宏块头中编码选择模式motion_vertical_filed_select。

motion_vertical_filed_select为0，选择顶场做参考；
motion_vertical_filed_select为1，选择底场做参考。

根据mv和选定的参考场/帧可以得到当前宏块的预测块。

2.5.4 skipped macroblock

Skipped 宏块是指没有编码数据的宏块。如果当前宏块索引macroblock_addr – prev_macroblock_addr > 1,则当前宏块与上一解码宏块间存在skipped宏块。Skipped宏块重建像素值就等于预测像素值。
B帧和P帧中的skipped宏块处理方式不一样，而且帧格式和场格式skipped宏块处理方式也大相径庭。

2.5.4.1 P filed picture

1）如果filed_motion_type是filed_base，需要做预测；
2）需要以同样类型的场做参考；
3）预测mv（下一宏块做mv预测使用）设为0；
4）mv设为0；

2.5.4.2 P frame picture

1）如果frame_motion_type是framed_base，需要做预测；
2）预测mv（下一宏块做mv预测使用）设为0；
3）mv设为0；

2.5.4.3 B field picture

1）如果filed_motion_type是filed_base，需要做预测；
2）需要以同样类型的场做参考；
3）前向/后向/双向预测方向需要与前一宏块一致；
4）预测mv不变；
5）当前块mv与上一宏块mv一样（直接从mv预测获取）

2.5.4.4 B frame picture

1）如果frame_motion_type是framed_base，需要做预测；
2）前向/后向/双向预测方向需要与前一宏块一致；
3）预测mv不变；
4）当前块mv与上一宏块mv一样（直接从mv预测获取）

2.6 combining predictions

最终的预测块需要融合多个预测结果。B帧融合方式为前向预测和后向预测取均值。

2.7 Adding prediction and coefficient data

宏块最终重建结果等于预测结果和变换结果之和。
需要注意的是，对于帧格式最终重建数据的存放与dct_type这个语法元素相关。

对于frame dct，16x16宏块内的6个block是由两场数据交错存放，如下图所示。其中左边为16x16宏块数据，右边为解码输出的宏块中block。
2）对于field dct，16x16宏块内解码输出的block只包含一个场的数据，如下图所示。因此在重建宏块数据时，需要把解码输出的block按行交错存放

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