Nén ảnh động và ứng dụng của nó

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NÉN ẢNH ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ NGÀNH:KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 60.52.70 LÊ THỊ THUỲ DƯƠNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS HỒ ANH TUÝ HÀ NỘI - 2007 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU, ĐỒ THỊ LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG KỸ THUẬT NÉN ẢNH SỐ 1.2 Hệ thống nén ảnh 1.3 Các tham số đặc trưng 10 1.3.1 Hiệu q trình nén tín hiệu số 10 1.3.2 Độ dư thừa số liệu 10 1.3.3 Sai lệch bình phương trung bình 11 1.4 Phân loại kỹ thuật nén 12 1.4.1 Nén không tổn hao 12 1.4.2 Nén có tổn hao 12 1.5 Các kỹ thuật mã hóa 12 1.5.1 Mã hóa theo chiều dài RLC (Run Length Coding) 12 1.5.2 Mã Shannon-Fano 14 1.5.3 Mã Huffman 14 1.5.4 Phương pháp mã hóa dự đốn 15 1.6 Các phép biến đổi 16 1.6.1 DCT(Discrete Cosine Transform) 16 1.6.2 DWT (Discrete Wavelet Transform) 17 CHƯƠNG NÉN ẢNH VIDEO 18 2.1 Giới thiệu chung nén ảnh video 18 2.2 Nén liên ảnh 19 2.2.1 Xấp xỉ bù chuyển động 20 2.2.2 Ảnh dự đoán trước (ảnh P) 26 2.2.3 Ảnh dự đoán hai chiều (ảnh B) 28 2.3 Nén ảnh 30 2.3.1 Mã hoá dự đoán ảnh 31 2.3.2 Mã hoá biến đổi 32 2.3.3 Lượng tử hoá 36 2.3.4 Sắp xếp lại mã hóa tới 38 2.4 Mã hoá entropy 41 2.4.1 Mã hoá dự đoán 42 2.4.2 Mã hoá độ dài thay đổi 43 2.4.3 Mã hoá số học 46 2.5 Mơ hình mã hố giải mã video lai DPCM DCT 49 2.6 Chuẩn JPEG 2000 50 2.6.1 Giới thiệu chung JPEG2000 50 2.6.2 Các tính JPEG2000 50 2.6.3 Các bước thực nén ảnh theo chuẩn JPEG2000 51 2.7 Chuẩn MPEG 60 2.7.1 Giới thiệu chung MPEG (Motion Picture Experts Group) 60 2.7.2 Các cấu trúc ảnh 62 2.7.3 Nhóm ảnh (GOP) 63 2.7.4 Cấu trúc dịng bít MPEG video 64 2.7.5 Nguyên lý nén MPEG 65 CHƯƠNG NÉN ẢNH VIDEO ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ 68 3.1 Truyền hình số đặc điểm 68 3.1.1 Hệ thống truyền hình số 68 3.1.2 Đặc điểm truyền hình số 69 3.1.3 Các loại truyền hình số 71 3.1.4 Các đầu thu tín hiệu truyền hình (Set –Top box) 72 3.2 Các tiêu chuẩn nén ảnh sử dụng truyền hình số 74 3.2.1 Tiêu chuẩn MPEG-2 74 3.2.2 Tiêu chuẩn H264/MPEG4 phần 10 81 3.3 Tình hình phát triển truyền hình số Việt Nam 85 3.4 Kiểm tra chất lượng hệ thống truyền dẫn DVB 89 3.4.1 Phân tích dịng truyền tải MPEG-2 89 3.4.2 Kiểm tra chất lượng hệ thống truyền dẫn số DVB-T 94 3.5 Truyền hình cáp Việt Nam 98 3.6 Tình hình phát triển truyền hình Việt Nam 99 3.6.1 Ðài truyền hình Việt Nam VTV 99 3.6.2 Ðài truyền hình TP HCM - HTV 99 3.6.3 Ðài truyền hình kỹ thuật số VTC 100 3.6.4 Các tỉnh, thành phố lại (khoảng 64 tỉnh, thành phố) 100 KẾT LUẬN 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 PHỤ LỤC: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO CÁC THÔNG SỐ KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SỐ DVB-T 103 TÓM TẮT LUẬN VĂN 123 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ASIC (Application-specific integrated circuits) Mạch tích hợp chuyên dụng ATSC (Advanced Television System) BAT CAT (Conditional Access Table) COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Chuẩn phát sóng truyền hình số Mỹ Bảng kết nhóm Bảng truy nhập có điều kiện Ghép đa tần trực giao có mã CPE (Common Phase Error) CWT (Continuous Wavelet Transform) DCT (Discrete Cosine Transform) DFT (Discrete Fourier Transform) DPCM (Differized Pulse Code Modulation) DSP (digital-signal processors) DVB (Digital Video Broadcasting) DVB-C (DVB-Cable) DVB-S (DVB-Satellite) DVB-T (DVB-Terrestrial) DWT (Discrete Wavelet Transform) EIT EZW (Embedded Zerotree Wavelet) GOP (Group of Picture) HDTV (High definition television) ICI (Inter – Carrier Interference) ICT (Irreversible Color Transform) IDWT (Inverse DWT) ISDBT (Intergrated Services Digital Broadcasting) ITU (International Telecommunication Union) JPEG (Joint Photographic Experts Group) Sai pha chung Biến đổi Wavelet liên tục Biến đổi Cosine rời rạc Biến đổi Fourier rời rạc Điều xung mã vi sai Bộ vi xử lý tín hiệu số Truyền hình số quảng bá Truyền hình số quảng bá qua cáp Truyền hình số quảng bá qua vệ tinh Truyền hình số quảng bá mặt đất Biến đổi Wavelet rời rạc Bảng thơng tin kiện Wavelet zero Nhóm ảnh Truyền hình phân giải cao Can nhiễu sóng mang Biến đổi màu không thuận nghịch Biến đổi Wavelet rời rạc ngược Chuẩn phát sóng truyền hình số Nhật Liên minh viễn thông quốc tế Chuẩn nén ảnh ủy ban JPEG quốc tế JPEG2000 LAT (Link Available Time) LSI (Large Scale Intergration) MHEG (Multimedia and Hypermedia Expert Group) Chuẩn nén ảnh JPEG2000 Thời gian kết nối Mạch số tích hợp cỡ lớn Chuẩn nén ảnh ISO (chuẩn cho ứng dụng tương tác) MPEG (Motion Picture Experts Group) Chuẩn nén ảnh động ủy ban MPEG quốc tế MRA (Multi Resolution Analysis) MSE (Mean Square Error) NAL (Network Abstraction Layer) NIT (Network Information Table) NTSC (National Television System Committee) Phân tích đa phân giải Sai số bình phương trung bình Lớp mạng trừu tượng Bảng thơng tin mạng Hệ truyền hình màu NTSC OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Ghép đa tần trực giao PAL (Phase Alternate Line) Hệ truyền hình màu PAL (pha thay đổi theo dòng quét) PAT (Program Asociation Table) PCM (Pulse Code Modulation) PCR (Program Clock Reference) PID (Packet Identifier) PMT (Program Map Table) PSI (Program Specific Information) PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) QAM (Quadrature Amplitude Modulation) QMF (Quardrature Mirror Filters) RCT (Reversible Color Transform) RF (Radio frequence) RST SDT SFN (Single frequence network) STE (System Target Error) TDT Bảng liên kết chương trình Điều xung mã Tham chiếu đồng hồ chương trình Nhận dạng thứ tự gói Bảng ánh xạ chương trình Thơng tin đặc tả chương trình Tỷ số tín hiệu đỉnh nhiễu Điều chế biên độ vng góc Lọc gương cầu tứ phương Biến đổi màu thuận nghịch Cao tần Bảng trạng thái chạy Mô tả dịch vụ Mạng đơn tần số Lỗi mục tiêu hệ thống Bảng ngày tháng DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hệ thống nén ảnh số Hình 1.2 Sơ đồ khối mã hố giải mã DPCM 16 Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý mã hoá nén ảnh dựa biến đổi wavelet 17 Hình 2.2 Sơ đồ khối nén ảnh video 19 Hình 2.3 Hai khung liên tiếp chuỗi video phần sai lệch 20 Hình 2.4 Quỹ đạo điểm hai khung video liên tiếp 21 Hình 2.5 Macroblock 4:2:0 23 Hình 2.7 Hai khung video liên tiếp phần sai lệch tuỳ theo kích thước khối bù chuyển động 25 Hình 2.8 Bù chuyển động đối tượng di chuyển góc cạnh tuỳ ý 26 Hình 2.9 Nén liên ảnh (ảnh dự đốn trước) 27 Hình 2.10 Nén liên ảnh (ảnh dự đoán hai chiều) 28 Hình 2.11 Thứ tự khung video nén truyền 29 Hình 2.12 Hàm tương quan hai chiều ảnh (a) phần sai lệch (b) 30 Hình 2.14 Quá trình phân tích wavelet hai chiều 34 Hình 2.15 Ảnh sau phân tích wavelet mức (a), mức (b), mức (c) 35 Hình 2.16 Lượng tử hố tuyến tính khơng tuyến tính với vùng "dead zone” 36 Hình 2.17 Lượng tử hố véc tơ 38 Hình 2.18 Quét zigzag khối khung (a) khối mành (b) 39 Hình 2.20 Dự đốn véc tơ chuyển động 43 Bảng 2.3 Những véc tơ chuyển động, xác suất phạm vi chúng 46 Hình 2.21 Véc tơ chuyển động xác suất phạm vi chúng 46 Hình 2.22 Mã hố số học 48 Hình 2.23 Bộ mã hố video DPCM/DCT 50 Hình 2.24 Bộ giải mã video DPCM/DCT 50 Hình 2.25 Trình tự mã hố (a) giải mã JPEG2000 (b) 51 Hình 2.26 Minh hoạ ảnh với RGB YCrCb 52 Hình 2.27 Phương pháp Lifting thuận ngược 55 Hình 2.28 Minh hoạ tứ phân (a) phân mức (b) 59 Hình 2.29 Hai cách xếp thứ tự hệ số biến đổi 60 Hình 2.30 Quá trình phát triển tiêu chuẩn mã hoá 61 Hình 2.31 Sơ đồ khối trình mã hố MPEG 66 Hình 2.32 Giải mã MPEG 67 Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống truyền hình số 68 Bảng 3.1 Khả nén video MPEG2 74 Hình 3.2 Sơ đồ mã hoá giải mã dùng MPEG-2 76 Bảng 3.3 Thơng số đặc tính mức tín hiệu MPEG2 79 Hình 3.3 Sơ đồ mã hố giải mã H264 82 Hình 3.4 H264 Baseline, Main and Extended profiles 84 Hình 3.7 Sơ đồ kiểm tra dòng truyền tải MPEG2-TS 89 Hình 3.8 Cấu trúc gói truyền tải 90 Hình 3.9 Sơ đồ trình giải mã đầu thu 91 Hình 3.10 Sơ đồ khối máy phát DVB-T 95 Hình 3.11 Sơ đồ khối máy thu DVB-T 95 Hình Sơ đồ kiểm tra tần số sóng mang sử dụng máy phân tích phổ 103 Hình Sơ đồ đo kiểm tra khả lọc nhiễu máy thu 104 Hình Sơ đồ kiểm tra phạm vi tự động điều chỉnh tần số AFC máy thu 105 Hình Đo kiểm tra công suất RF/IF 107 Hình Đo cơng suất nhiễu 108 Hình Xác định độ nhạy máy thu 110 Hình Xác định độ suy giảm nhiễu tương đương (END) 110 Hình Đo hiệu suất cơng suất 111 Hình 10 Đánh giá BER theo giá trị C/N cách thay đổi công suất máy phát 112 Hình 11 Đánh giá BER theo C/N cách thay đổi công suất tạp âm Gaussian 113 Hình 12 Đo BER trước giải mã Viterbi 114 Hình 13 Đo BER trước giải mã RS (ngồi dịch vụ) 115 Hình 14 Đo BER trước giải mã RS (trong dịch vụ) 116 Hình 15 Các lỗi gây sai số toạ độ 117 LỜI NÓI ĐẦU Các kết nối tốc độ cao tới gia đình ngày phổ biến việc tăng dung lượng nhớ phương tiện truyền thông lớn từ trước đến Trong giá thành việc truyền dẫn lưu trữ ngày giảm Do việc nén tín hiệu video ngày trở nên cần thiết Trong tất dạng tín hiệu tín hiệu truyền hình chiếm dải tần lớn cho kênh thơng tin Tín hiệu video số thành phần có tốc độ bít 216Mb/s Dải phổ cần thiết để truyền tín hiệu phải có bề rộng khơng nhỏ 3/4x216=162MHz Do khó khăn chí khơng thể thực việc truyền tín hiệu video số qua vệ tinh với độ rộng dải tần kênh 27MHz qua hệ thống truyền hình quảng bá mặt đất với tiêu chuẩn 7÷8MHz cho kênh truyền hình tiêu chuẩn Vì nén video cơng đoạn khơng thể thiếu để khắc phục khó khăn Nén q trình lượng số liệu biểu diễn lượng thông tin ảnh nhiều ảnh giảm bớt cách loại bỏ số liệu dư thừa tín hiệu video Các chuỗi ảnh truyền hình có nhiều phần ảnh giống phần xóa dịng, xóa mành, vùng ảnh tĩnh chuyển động chậm, vùng ảnh giống phần tử lân cận giống khác Do tín hiệu truyền hình chứa nhiều thơng tin dư thừa loại bỏ mà không ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh Ngồi phần tử lân cận ảnh thường giống nên cần truyền thông tin biến đổi Cùng với đời hệ truyền hình màu khái niệm nén video có từ năm 1950 Đó nén độ rộng băng tần kỹ thuật tương tự Ba tín hiệu thành phần màu (R,G,B) với tổng bề rộng dải thông 15MHz nén tín hiệu video màu tổng hợp với bề rộng dải thông 5MHz (hệ số nén 3:1) Tuy nhiên nén video công nghệ tương tự đạt tỷ số nén thấp Ngày nay, công nghệ nén đạt thành tựu cao cách chuyển đổi tín hiệu video từ tương tự sang số Sự phát triển kỹ thuật số việc sử dụng công nghệ số vào kỹ thuật truyền hình làm cho khái niệm nén video đề tài nóng hổi năm gần Cho đến có nhiều kỹ thuật nén liệu video đời như: chuẩn H26i, chuẩn MPEG… Với bảo tận tình PGS TS Hồ Anh Tuý nỗ lực học hỏi, nghiên cứu thân, chọn đề tài “Nén ảnh động ứng dụng nó” Mục đích đề tài tìm hiểu lý thuyết nén ảnh nói chung nén ảnh động nói riêng ứng dụng truyền hình số Cấu trúc luận văn tốt nghiệp gồm ba chương: Chương 1: Kỹ thuật nén ảnh số Chương 2: Nén ảnh video Chương 3: Nén ảnh video ứng dụng truyền hình số Với lịng biết ơn sâu sắc, xin chân thành cảm ơn PGS TS Hồ Anh Tuý hướng dẫn bảo tận tình để tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Tuy có nhiều cố gắng kiến thức, kinh nghiệm thực tế thời gian nhiều hạn chế, luận văn tốt nghiệp không tránh khỏi thiếu sót, mong nhận góp ý, bảo thầy cô tất độc giả để tơi hồn thiện vốn kiến thức Tơi xin chân thành cảm ơn CHƯƠNG KỸ THUẬT NÉN ẢNH SỐ 1.1 Giới thiệu chung nén ảnh số Nén ảnh số đề tài nghiên cứu phổ biến lĩnh vực xử lý liệu đa phương tiện Mục đích làm để lưu trữ ảnh dạng có kích thước nhỏ hay dạng số bít mã hóa so với ảnh gốc Do thông tin ảnh ngẫu nhiên mà có trật tự có cấu trúc bóc tách tính trật tự cấu trúc biết phần thông tin quan trọng ảnh để biểu diễn truyền với số lượng bít so với ảnh gốc mà tính đầy đủ thơng tin Nói chung tín hiệu ảnh, video hay audio nén chúng có tính chất sau: - Có tương quan (dư thừa) thông tin không gian: tồn tương quan đáng kể điểm ảnh lân cận khung video hay ảnh - Có tương quan (dư thừa) thông tin phổ: liệu thu từ cảm biến thiết bị thu nhận ảnh tồn tương quan đáng kể mẫu thu, tương quan phổ - Có tương quan (dư thừa) thơng tin thời gian: có tương quan điểm ảnh khung video chuỗi ảnh video 1.2 Hệ thống nén ảnh Hệ thống nén ảnh gồm ba thành phần hình 1.1 Hình 1.1 Hệ thống nén ảnh số Ở tầng mã hóa ảnh, tín hiệu ảnh biến đổi dạng thuận tiện để nén có hiệu Sự biểu diễn chứa nhiều thơng tin 109 rộng tốt để tính trung bình độ rộng phổ Nhưng khơng vượt q độ rộng kênh, độ rộng băng tần tạp nhiễu tương đương ∆B (tính MHz) lọc cần biết trước nhà sản xuất đưa đo theo dẫn nhà sản xuất Công suất tạp nhiễu đo chuẩn hố băng tần mong muốn cách sử dụng công thức sau (áp dụng với kênh MHz): Công suất tạp nhiễu (db) = Mức đo (db) + 10log (7,61/∆B) +2,5 (db) Nếu máy phân tích phổ chuẩn hố 1Hz, khơng thể chuẩn hố độ rộng băng tần mong muốn áp dụng cơng thức : Công suất nhiễu (db) = Mức đo (db/Hz) +10 log(7,61x 106) = Mức đo (db/Hz) + 68,8 db Kiểm tra phổ RF IF Để tránh can nhiễu với kênh khác phổ RF phải nằm giới hạn mặt nạ phổ định nghĩa Nếu phổ đầu RF điều chế nằm mặt nạ phổ tín hiệu IF phải nằm mặt nạ phổ (trong trường hợp khơng có hiệu chỉnh trước) Thực kiểm tra K,M Phổ RF, IF xác định mật độ phổ tín hiệu tính cơng suất trung bình tín hiệu biến đổi theo thời gian đơn vị độ rộng băng thông (1Hz) Chúng ta dùng máy phân tích phổ để kiểm tra phổ RF IF Xác định dải động máy thu Chúng ta biết thiết lập mạng DVB-T ta phải xác định cơng suất tín hiệu lớn nhỏ đầu vào máy thu cho máy thu hoạt động bình thường Thực kiểm tra độ nhạy máy thu giao diện N kiểm tra BER giao diện W X Xác định công suất lớn nhỏ giao diện N cho hoạt động đầu thu gần khơng có lỗi QEF sau giải điều chế RS (hoặc 110 BER