Chng i KHAI QUAT v NEN TIN HIU VIDEO

Đ I H C QU C GIA HÀ N I TR NG Đ I H C CÔNG NGH Mai Th Lan Oanh CÁC CHU N NÉN VÀ NG D NG TRUY N VIDEO TRÊN M NG INTERNET KHOÁ LU N T T NGHI P Đ I H C H CHÍNH QUY Ngành : Đi n T - Vi n Thông HÀ N I - 2005 Mai Thị Lan Oanh - K46 DB - Trang i Đ I H C CÔNG NGH Đ I H C QU C GIA HÀ N I TR NG Đ I H C CÔNG NGH Mai Th Lan Oanh CÁC CHU N NÉN VÀ NG D NG TRUY N VIDEO TRÊN M NG INTERNET KHOÁ LU N T T NGHI P Đ I H C H CHÍNH QUY Ngành : Đi n T - Vi n Thông Cán b h ng d n: TS Ngô Thái Tr Cán b đồng h ng d n: TS Đinh Qu c Tu n HÀ N I - 2005 Mai Thị Lan Oanh - K46 DB - Trang ii Đ I H C CÔNG NGH L I C M N Em xin bày tỏ lịng kính tr ng biết n sâu sắc t i thầy giáo, TS.Ngô Thái Tr , ngư i thầy trực tiếp d y hư ng dẫn em tận tình, cho em đ nh hư ng ý kiến quý báu cơng ngh truyền hình Em xin bày tỏ lịng biết n sâu sắc t i TS Đinh Quốc Tuấn, ngư i thầy giúp đỡ em nhiều, cho em nhiều kiến thức bổ ích th i gian em thực tập t i Phịng Cơng Ngh Thơng Tin – ĐTHVN th i gian em làm luận văn Đồng th i, em xin gửi l i c m n chân thành t i tất c Anh, Ch t i Trung Tâm Tin H c Đo lư ng – ĐTHVN t o điều ki n giúp đỡ em tận tình th i gian em thực tập t i trung tâm Em xin chân thành c m n tất c thầy cô Trư ng Đ i H c Công Ngh - Đ i H c Quốc Gia Hà Nội nhi t tình gi ng d y giúp đỡ em th i gian em h c tập t i trư ng Con xin gửi đến Bố Mẹ gia đình tình thư ng u lịng biết n Bố Mẹ gia đình ln nguồn động viên chỗ dựa vững cho đ i Tôi xin c m n b n l p động viên giúp đỡ th i gian thực hi n luận văn Vì th i gian có h n , luận văn em không tránh khỏi khiếm khuyết Rất mong nhận góp ý thầy cô b n Hà Nội 30/5/ 2005 Sinh viên Mai Th Lan Oanh Mai Thị Lan Oanh - K46 DB - Trang iii Đ I H C CÔNG NGH TÓM T T N I DUNG Trong kỹ thu t truy n hình, vi c nén Video m t v n đ qua trọng cho vi c truy n t i ch ơng trình truy n hình Và tr thành v n đ nóng hổi truy n hình số đ i, v i tín hi u Video sau số hố (8 bít) có tốc đ bít 216 Mbít/s, khơng th truy n m t kênh truy n hình thơng th ng n u khơng đ c nén Khi đó, chu n nén MPEG-2 v i tốc đ mã hoá từ 4Mbít/s đ n 30Mbít/s đ c đ a đ th c hi n nhi m v Ngày nay, truy n hình m ng Internet đ c phát tri n, chu n nén Video H.264/MPEG -4 Part 10 đ c đ a ra, v i tốc đ mã hố 1.5Mbít/s có kh t ơng tác t i đối t ng , phù h p v i môi tr ng truy n t i m ng Internet hi n Nghiên c u chu n nén MPEG (MPEG -1, MPEG -2, MPEG -4, MPEG -7) - đ c gi i thi u ch ơng ch ơng đặc bi t chu n nén H.264/MPEG -4 Part 10 cho ng d ng nén Video truy n m ng Internet- đ c gi i thi u ch ơng Ch ơng s nói chi ti t cách mã hoá, gi i mã video u vi t c a MPEG -4 Part 10 so v i chu n nén tr c Mai Thị Lan Oanh - K46 DB - Trang iv Đ I H C CÔNG NGH DANH SÁCH CÁC CH VI T T T ADSL : Asymmetric Digital Subcriber Line CABAC: Context-based Apdaptive Binary Arithmetic Coding CAVLC: Context-based Apdaptive Variable Length Codinh DCT : Discrete Cosine Transform DVB : DVB – Terrestrial DVB-C : DVB – Cable DVB-S : DVB – Satellite DVB-T : Digital Video Broadcasting ES : Elementary Stream FMO : Flexible Macro-Block Ordery GOP : Group of Picture IEC : International Electrotechnical Commission (Part of the ISO) ISO : International Standard Organization ITU : Inernational Telecommunication Union MB : Macro-Block MPEG : Moving Picture Expert Group NTSC : National Television System Committee PAL : Phase Alternative Line RLC : Run Length Coding RVLC : Reversible Variable Length Codes SAD : Summation of Absolute Difference SI : Switching Intra Picture SIF : Source Intermediate Format SP : Switching Prediction Picture VLC : Variable Length Coding VO : Video Object Mai Thị Lan Oanh - K46 DB - Trang v Đ I H C CÔNG NGH DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1: C u trúc dịng Bít MPEG Video ………………………………………… Hình 2: C u trúc nh MPEG ……………………………………………………… Hình 3: Nén MPEG ………………………………………………………………… Hình 4: Gi i nén MPEG …………………………………………………………… Hình 5: Quá trình bi n đổi sang đ nh d ng SIF kích th c m ng m nh………… ……………………………………………………………………… 12 Hình 6: Tính tốn giá tr cho m nh b l c th p phân …………… 12 Hình 7: Chu n nén MPEG -2 …………………………………………………… 16 Hình 8: Gi i mã phân c p theo SNR …………………………………………… 17 Hình 9: Gi i mã phân c p theo khơng gian ……………………………………… 18 Hình 10: Sự tổ h p khung hình MPEG -4 ……………………………… 22 Hình 11: C u trúc c a b mã hoá gi i mã Video MPEG -4………………… 23 Hình 12: Profile Level MPEG -4 ……………………………………… 25 Hình 13: Ph m vi c a MPEG -7…………………………………………………… 28 Hình 14: Truy n hình trực n m ng………………………………………32 Hình 15: C u trúc c a b mã hoá Video H264…………………………………… 36 Hình 16: Các ph n mã hố riêng c a Profile H264……………………… 37 Hình 17: Sơ đồ mã hố Video c a H264/MPEG Part 10………………………… 39 Hình 18: Các mode MPEG-4……………………………………………… 42 Hình 19: Phân chia Macro-Block cho bù chuy n đ ng ………………………… 43 Hình 20: Bù chuy n đ ng nhi u Frame – Vector chuy n đ ng, tham s tham chi u nh (∆) đ c truy n đi………………………………………… 45 Hình 21: nh n i suy B (dự đốn hai chi u) ………………………………………46 Hình 22: chuy n đổi s d ng nh SP……………………………………………… 49 Hình 13: Sơ đồ kh i c a CABAC ………………………………………………… 55 Hình 24: Tác d ng c a b l c tách kh i đ i v i nh đ c nén nhi u ………… 56 Hình 25: Sơ đồ gi i mã Video H264/MPEG -4 Part 10 ………………………… 57 Hình 26: Ví d v Mã hoá chi u dài bi n đổi ng c …………………………… 59 DANH SÁCH CÁC B NG BI U B ng 1: Tính chất định d ng nh SIF c b n: 13 B ng 2: Tham số theo tiêu chuẩn MPEG -1: .15 B ng :B ng thơng số Profiles Levels tín hiệu chuẩn MPEG -2 .20 Mai Thị Lan Oanh - K46 DB - Trang vi Đ I H C CÔNG NGH M CL C L I C M N iii TÓM T T N I DUNG iv DANH SÁCH CÁC CH VI T T T v DANH SÁCH CÁC HÌNH vi DANH SÁCH CÁC B NG BI U vi L I M Đ U Ch ơng I: KHÁI QUÁT V NÉN TÍN HI U VIDEO VÀ CHU N NÉN MPEG 1.1 M c đích nén Video 1.2 Chu n nén MPEG 1.2.1 Khái quát nén MPEG 1.2.2 Cấu trúc dòng bit MPEG video 1.2.3 Các lo i nh chuẩn MPEG : 1.2.4 Nguyên lý nén MPEG 1.2.5 Nguyên lý gi i nén MPEG Ch ơngII: CÁC CHU N NÉN MPEG 11 2.1 Chu n nén MPEG-1 11 2.1.1 Gi i thi u khái quát 11 2.1.2 Đ nh d ng trung gian SIF (Source Intermediate Format) 11 2.1.3 Cấu trúc dịng bít tham số MPEG-1 14 2.2 Chu n nén MPEG-2 16 2.2.1 Gi i thi u MPEG-2 16 2.2.2 Mã hoá gi i mã video 16 2.2.3 Profiles Levels 18 2.2.4 MPEG -2 v i phát sóng s n xuất chư ng trình 21 2.3 Chu n nén MPEG-4 21 2.3.1 Khái quát MPEG-4 21 2.3.2 Công ngh mã hoá gi i mã video MPEG-4 22 2.3.3 Các Profiles Levels chuẩn MPEG-4 24 2.4 Tiêu chu n MPEG-7 26 2.4.1 Gi i thi u chuẩn MPEG-7 26 2.4.2 Đối tượng (Objectives) cách miêu t li u MPEG -7 27 2.4.3 Ph m vi ứng dụng tiêu chuẩn MPEG-7 28 Ch ơngIII: CHU N NÉN VIDEO MPEG-4 VÀ NG D NG TRONG TRUY N HÌNH TRÊN M NG INTERNET 29 3.1 Gi i thi u tổng quan v truy n hình Internet 29 3.2 L a chọn H.264/ MPEG -4 part 10 cho truy n hình m ng Internet 33 3.2.1 Gi i thi u chung H.264 /MPEG-4 part 10 33 3.2.2 Tính kế thừa chuẩn nén H.264/MPEG- part 10 35 3.3 Tiêu chu n H.264/MPEG - Part 10 35 3.3.1 L p trừu tượng m ng NAL (Network Abstaction Layer) 35 3.3.2 Các Profile Level 36 3.3.3 Kỹ thuật mã hoá video 39 Mai Thị Lan Oanh - K46 DB - Trang vii Đ I H C CÔNG NGH 3.3.3.2 Các nh bù chuy n đ ng dùng H264/MPEG Part 10 40 3.3.3.3 Xác định Vector chuy n đ ng (Motion Estimation) 49 3.3.3.4 Nén video 51 3.3.3.5 B lọc tách khối 55 3.3.4 Kỹ thuật gi i mã video 57 3.3.4.1 Bù chuy n đ ng 57 3.3.4.2 Khôi ph c l i (Error Resiliency) 57 3.3.5 So sánh hi u qu mã hoá H264/MPEG Part 10 v i tiêu chuẩn trư c 59 K T LU N 61 TÀI LI U THAM KH O 63 Mai Thị Lan Oanh - K46 DB - Trangviii Đ I H C CÔNG NGH L IM Đ U Truy n hình Vi t Nam tr i qua nhi u giai đo n phát tri n, từ truy n hình đen tr ng, truy n hình màu hi n truy n hình số phát tri n m nh m t t c lĩnh v c: truy n hình cáp, truy n hình số mặt đ t DVB-T, truy n hình số qua v tinh Khi Internet phát tri n m nh tr thành h thống có quy mơ tồn c u, tr nên phổ c p r t nhanh lĩnh v c, vi c k t nối ch ơng trình hình v i h thống vi n thơng – Internet, m t cơng ngh truy n hình m i đ i truy n hình Internet Th c t hi n nay, có r t nhi u hãng Vi t Nam th gi i cung c p dịch v truy n hình tr c n (Online Television), khán gi c n truy c p vào địa Web- Site c a nhà cung c p dịch v có th xem tr c ti p ch ơng trình truy n hình theo th i th c real-time(cịn gọi ph ơng th c Dowload and Play)hay có th t i File ch ơng trình truy n hình v máy tính cá nhân (gọi ph ơng th c Dowload Stream-File) Nói v kỹ thu t truy n hình có r t nhi u kỹ thu t nh : kỹ thu t ghi hình, kỹ thu t d ng hình, kỹ thu t nén Video, kỹ thu t truy n t i khuôn khổ lu n văn này, em xin đ c tìm hi u kỹ thu t nén Video V n đ nén Video truy n hình khơng ph i m t v n đ m i mẻ V i m i cơng ngh truy n hình m i đ i, s có m t cơng ngh nén Video phù h p Nén Video từ nh ng năm 1950 đ c th c hi n công ngh t ơng t v i tỷ số nén th p Ngày công ngh nén đ t đ c hi u qu cao nh chuy n đổi tín hi u Video từ t ơng t sang số V i đ tài “Các chu n nén ng d ng truy n Video m ng Internet”, m c đích c a khố lu n c a em tìm hi u m t số chu n nén MPEG ng d ng nén video đ c s d ng, đặc bi t chu n nén H264/MPEG Part 10 N i dung c a gồm ch ơng: Ch ơng 1: Lý ph i nén tín hi u Video nén MPEG (Moving Picture Expert Group) nhóm chun gia v hình nh, v i nhi m v xây d ng tiêu chu n cho tín hi u Audio Video số Trong vi c nén video, MPEG đ t đ c m t tỷ số nén tốt so v i chu n nén tr c nh JPEG, M-JPEG, DV… Ch ơng 2: Gi i thi u khái quát v chu n nén mà nhóm MPEG xây d ng đ nén video l u tr Trong đó, MPEG -1 v i m c đích mã hố Video âm kèm theo môi tr ng l u tr nh đĩa CD-ROM, đĩa quang v i tốc đ bít 1.5 Mbit/s; MPEG -2 có k thừa tiêu chu n c a MPEG -1 m c đích nhằm h tr vi c truy n Video số tốc đ bít kho ng – 30 Mbít/s; sau truy n hình Internet đ i chu n nén t ơng ng MPEG -4 v i nhi m v nhằm Mai Thị Lan Oanh - K46 DB - Trang Đ I H C CÔNG NGH phát tri n chu n x lý, mã hoá hi n thị nh đ ng, audio tổ h p c a chúng Còn MPEG -7 m t chu n dùng đ mô t n i dung Multimedia, ch không ph i m t chu n dùng đ nén mã hoá audio hay nh đ ng nh chu n tr c Ch ơng 3: n i dung c a khố lu n Em nghiên c u tìm hi u kỹ thu t mã hoá Video/ nh đ ng s d ng chu n nén H.264/MPEG -4 Part 10 ng d ng cho truy n hình m ng Internet H264/MPEG Part 10 có nhi u u vi t vi c nén Video so v i chu n MPEG-2 – r t thành công vi c nén video truy n hình kỹ thu t số đ i tr c Ph n cuối ph n k t lu n, ph n tổng k t l i nh ng mà em làm đ c khoá lu n Đồng th i, Em nêu lên m t vài nh n định c a v h ng phát tri n ti p theo c a đ tài Mai Thị Lan Oanh - K46 DB - Trang Đ I H C CÔNG NGH Chu ng 3: Chuẩn nén Video MPEG -4 ứng dụng truyền hình m ng Internet Hình 22: chuy n đổi s d ng nh SP 3.3.3.3 Xác đ nh Vector chuy n đ ng (Motion Estimation) Trong th c hi n DCT l ng t hóa ph c v cho nén khơng gian bên c a m t Frame, xác định vetor chuy n đ ng đ c s d ng đ nén s d thừa v th i gian, ví d nh mi n th i gian qua hai Frame liên ti p Đ làm m t c nh tiêu bi u, từ m t phim truy n ví d từ 25 – 30 frame liên ti p đ c hi n thị m i giây tivi hay máy chi u phim Tuy nhiên, không may m t vài giây b t kỳ, m t chu i hình nh l u l i giống nhau.Phơng n n có th khơng thay đổi t t c , đặc tính cịn l i t ơng t v y Frame liên ti p r t giống Vi c xác định vetor chuy n đ ng th c hi n phép phân tích gi a hai frame liên ti p xác định nh ng mi n c a hình nh có thay đổi hay chuy n đ ng gi a nh Trong nhi u tr ng h p m t mi n l u l i xác nh d đốn th đ đ cho từ mã hoá đ n gi i mã đ hi n thị mi n nh d đoán N u mi n di chuy n theo m t h ng xác định, thu t toán xác định vetor chuy n đ ng u n trình gi i mã đ s d ng m nh (piece) c a hình nh nh nh d đốn, nh ng đ di chuy n m t l ng nh t định m t h ng đ c xác định Trên th c t u đ c hoàn thành vi c g i vetor chuy n đ ng dòng bít MPEG -4 Vetor s d n đ gi i mã vi c chọn ph n thích h p c a nh gi i mã tr c đ c s d ng s thi t l p l i c a m t dịng khung hình Nó đ c làm s ch th tỷ l nén r t cao Trên th c t , m t vài lo i n i dung có th đ c nén v i ph m vi l n d n t i thi u hành đ ng hình nh M t ví d “l i m Mai Thị Lan Oanh - K46 DB- Trang 49 Đ I H C CÔNG NGH Chu ng 3: Chuẩn nén Video MPEG -4 ứng dụng truyền hình m ng Internet đ u” c a n i dung , nh m t ng nén r t chặt i phát viên, t o m t dịng MPEG -4 Đó có th m t u mong đ i, vi c xác định vector chuy n đ ng m t hàm c l ng r t cao Vi c tìm ki m qua m t hình nh cho t t c v t có th (các vùng) có th thay đổi b t kỳ vị trí s c n đ n nhi u s tính tốn.Tuy nhiên có 1/15 đ n 1/30 giây đ làm u tr c khung ti p theo đ n đ x lý Đ hi u tốt cách khác c a vi c th c hi n xác định vector chuy n đ ng, quan sát kỹ thao tác bàn tay V b n, vi c xácđịnh vector chuy n đ ng c n chia hình nh thành khối nhỏ l y m i khối t i th i gian vị trí khác phía c a nh tr c đ xác định n u kh p Vi c so kh p có th đ c làm vi c tính tốn s khác gi a m i m nh (pixel) khối nh vi c so kh p vị trí nh tr c Nh v y, m t số (giá trị SAD “Summation of Absolute Difference” = tổng s khác t đối) thu đ c bi u thị “how well- tốt nh th nào” khối riêng bi t thích h p v i vị trí nh tr c N u giá trị SAD không (zero) nghĩa m i m nh (pixel) xác m t vị trí nh nh tr c đó, vị trí m i cho khối tìm đ c N u khơng m t vị trí kh p hồn tồn, thu t tốn có hai l a chọn : - Đ u tiên : k t lu n t t c s khác l n nghĩa m t câu hỏi đặt m t th c th m i không tồn t i nh tr c hay di chuy n xa so v i vị trí tr c hay vị trí sau - Trong tr ng h p th hai, giá trị SAD nhỏ khác không (nonezero) ch p nh n s tho mãn nh t nhiên s tho mãn khơng hồn tồn Trong tiêu chu n MPEG -4, v i m i 16 x 16 m nh m t khối đ c tho mãn cho t t c vị trí m t vùng tìm ki m, ph m vi xa từ vị trí gốc m t khối (block) có th di chuy n gi a hai khung (frame) Đi n hình vùng tìm ki m +/- 16 m nh Khi đó, v i m i vị trí tìm ki m 256(=16 x 16) m nh c a block đ c so sánh v i nh tr c V i định d ng CIF đ phân gi i (352 x 288) t i 30 nh (frame) m t giây (frame/s) cho dòng video, số so sánh nh sau: - M i Macro-Block có: 16 x 16 = 256 pixel; - M i Macro-BLock đ - M i khung hình (frame) bao gồm 396 block; Mai Thị Lan Oanh - K46 DB- c tho mãn m i vị trí tìm ki m là: 16 x 16 =256; Trang 50 Đ I H C CÔNG NGH Chu ng 3: Chuẩn nén Video MPEG -4 ứng dụng truyền hình m ng Internet - 30 khung hình đ c x lý m i giây Nh v y, tổng s khác (c c ng trừ) m t giây k t qu là: 256 x 256 x 396 x 30 = 778.567.680 Ví d b x lý đa có kh th c hi n c vi c c ng trừ m t chu kỳ đồng hồ, b x lý có th c n ch y v i t n số 779 MHz đ th c hi n xác định vector chuy n đ ng Có hai gi i pháp tiêu bi u nh sau: Nhẹ nhàng dùng thu t tốn tối u nh t Có s tr giúp c a ph n c ng xác định vector chuy n đ ng 3.3.3.4 Nén video Nén theo miền th i gian Nh ng d thừa v mặt th i gian nh ng hình nh giống lặp lặp l i từ khung sang khung khác, ví d nh khung n n không chuy n đ ng c a m t ch ơng trình đối tho i truy n hình Vì v y, đ gi m b t đ d thừa ta ph i ti n hành nén theo mi n th i gian Khi b mã hoá ho t đ ng ch đ “gi a khối”, khối s ph i qua công đo n hi u chỉnh chuy n đ ng Quá trình s phát hi n b t kỳ chuy n đ ng di n gi a khối m t khối t ơng ng m t m t nh tham chi u đ c l u tr từ tr c, sau t o khối “chênh l ch” “l i” thao tác làm gi m b t d li u m i Block m t cách hi u qu ph i bi u di n chuy n đ ng c a mà thơi Ti p đ n cơng đo n bi n đổi Cosine r i r c DCT đ b t đ u nén theo mi n không gian Khi b mã hoá ho t đ ng ch đ “trong khối”, khối s bỏ qua công đo n hi u chỉnh chuy n đ ng t i thẳng công đo n DCT Nén theo miền không gian D thừa v mặt không gian khối có ch a m nh t ơng t giống h t Trong nhi u tr ng h p m nh th ng khơng thay đổi nhi u Nh v y có nghĩa t n số thay đổi giá trị m nh khối r t th p Nh ng khối nh th đ c gọi khối có t n số không gian th p B l p mã l i d ng đặc m cách chuy n đổi giá trị m nh c a khối thành thông tin t n số công đo n bi n đổi Cosine r i r c Mai Thị Lan Oanh - K46 DB- Trang 51 Đ I H C CÔNG NGH Chu ng 3: Chuẩn nén Video MPEG -4 ứng dụng truyền hình m ng Internet * Biến đổi Cosine r i r c (DCT) Bi n đổi Cosine m t hàm mà làm bi n đổi d li u hỉnh nh đ c th hi n h to đ X-Y sang mi n t n số Công đo n DCT bi n đổi giá trị m nh c a khối thành m t m ng l i gồm h số ngang dọc đặt không gian t n số Khi khối ban đ u có t n số không gian th p, DCT s t p h p l ng t n số vào góc t n số th p c a m ng l i Nh v y, nh ng h số t n số th p góc s có giá trị cao M t số l ng l n h số khác l i m ng l i đ u h số có t n số cao, l ng th p có giá trị th p T i đây, h số DC m t vài h số t n số th p s hàm ch a ph n l n thông tin đ c mơ t khối ban đ u Có nghĩa b l p gi i mã có th lo i bỏ ph n l n h số t n số cao cịn l i mà khơng làm gi m ch t l ng hình nh c a khối B l p mã chu n bị h số cho công đo n cách quét chéo m ng l i theo đ ng zig-zag, b t đ u từ h số DC qua vị trí c a h số ngang dọc tăng d n Do v y t o đ c m t chu i h số đ c s p x p theo t n số u m đ c đáo c a H264/MPEG Part 10 ch s d ng bi n đổi không gian nguyên(g n giống v i DCT) đối v i khối x m nh Ta xét bi n đổi nguyên cho c u trúc x nh sau: + Cho h số DCT c a khối d li u đ u vào x F, công th c xác đ cho : X=HFHT c (1) Trong ma tr n H HT ma tr n chuy n vị c a ma tr n H Các giá trị a,b, c : Tuy nhiên đ cho đơn gi n ta có th cho giá trịc =0.5 đ đ m b o tính tr c giao giá trị c a a, b đ c l a chọn nh sau: Mai Thị Lan Oanh - K46 DB- Trang 52 Đ I H C CÔNG NGH Chu ng 3: Chuẩn nén Video MPEG -4 ứng dụng truyền hình m ng Internet l Do phép nhân trình bi n đổi đ c tránh ph i k t h p v i q trình ng t hố, v y ph ơng trình (1) đ c vi t thành : Trong : + Ma tr n H đ c cho : + Ma tr n SF : bi u di n phép nhân tích tr c ti p ph n t v i ph n t (the element by Ký hi u element multiplication ) c a ma tr n t ơng ng So sánh v i MPEG-2, ta th y Slice s có khối đ u tiên ch a giá trị h số DC khối ti p theo s có nh ng giá trị s có nh ng giá trị khác nhau, nh ng khối đ c gán thêm giá trị d đốn khối, t o thành chu i dịng khối Cịn v i MPEG4 có th d đốn xa Chỉ c n m t khối có th d đốn tồn b hàng c a h số có th d đốn tồn b c t bên trái c a h số từ khối đ u tiên * Lượng tử hố Q trình l ng t hố q trình bi n đổi có m t thông tin, làm gi m b t số l ng bít c n thi t đ bi u di n h số D a m t h số tỷ l xích (có th u chỉnh b i b mã hoá), b l ng t hoá s cân đối t t c giá trị h số Do ph n l n h số từ DCT đ u mang l ng cao nh ng giá trị th p nên b l ng t hoá b t đ u m t số giá trị cao đ u chu i, theo sau m t hàng dài h số đ c Mai Thị Lan Oanh - K46 DB- Trang 53 Đ I H C CÔNG NGH Chu ng 3: Chuẩn nén Video MPEG -4 ứng dụng truyền hình m ng Internet l ng t hoá v B l p mã Entropy có th theo dõi số l ng giá trị liên ti p m t chu i mà khơng c n mã hố chúng, nh v t gi m b t đ c khối l ng d li u m i chu i Đ l ng t hóa h số bi n đổi, H264/MPEG Part 10 dùng ph ơng pháp l ng t hóa vơ h ng Các b l ng t hố đ c l a chọn cho m i Macro-Block d a vào tham số l ng t hoá QP (Quantization Parameter) Các b l ng t hoá đ c s p x p cho có s tăng kho ng 12.5% kích th c b c l ng t hoá QP tăng m t đơn vị Nhìn chung h số bi n đổi đ c l ng t hoá c a khối đ c quét zig-zag đ c truy n nh dùng ph ơng pháp mã hoá Entropy * Mã hoá Entropy Mã hố Entropy tiêu chu n tr c nh MPEG -1,2,4, H.261, H.263 b n b ng cố định mã hoá bi n đổi theo chi u dài (VLC) Các tiêu chu n xác định b mã hố từ b n s phân bố xác su t c a video chung thay cho mã Huffman xác đ n chu i video Tuy nhiên H.264 s d ng VLC đ mà kh p v i m t bi u t ng đ c mã hoá b n đặc tr ng c a ng c nh T t c ph n t cú pháp, ngo i trừ d li u d thừa, đ c mã hoá mã ExpGolomb Đ mà đọc đ c d li u d thừa (các h số bi n đổi l ng t hố) ta s d ng ph ơng pháp qt Zig-Zag (xen k nhau) hay quét l n l t (khơng xen k hay phân tr ng) Đ mã hố d li u d thừa, m t ph ơng pháp ph c t p gọi CAVLC(mã hoá chi u dài bi n đổi t ơng thích theo tình huống) đ c phát tri n Ngoài ra, CABAC (mã hố thu t tốn nhị phân t ơng thích theo tình huống) đ c phát tri n Mail Profile High Profile, CABAC có kh mã hố tốt nh ng đ ph c t p cao so v i CAVLC + Mã hoá chi u dài bi n đổi t ơng thích theo tình hu ng - Context-based Adaptive Variable Length Coding (CAVLC) Sau bi n đổi l ng t hoá, xác su t h số zero hay +/-1 r t l n CAVLC x lý h số zero +/-1 theo cách khác v i m c c a h số Tổng số số zero +/-1 đ c mã hoá Các h số khác m c c a chúng đ c mã hoá + Mã hoá thu t toán nh phân t ơng thích theo tình hu ng – Context –based Adaptive Binary Arithmetic Coding (CABAC) CABAC dùng thu t toán đ mã hoá, đ đ t đ c hi u qu nén tốt hơn, mơ hình có kh cho m i ph n t bi u t ng đ c c p nh t nh hình 28 Quá trình x lý mã hoá CABAC bao gồm b c b n sau đây: Mai Thị Lan Oanh - K46 DB- Trang 54 Đ I H C CÔNG NGH Chu ng 3: Chuẩn nén Video MPEG -4 ứng dụng truyền hình m ng Internet C p nh t Mơ hình hố tình Nhị phân hố c l ng xác su t cl ng xác su t Ph ơng ti n mã hoá B mã hoá thu t tốn nhị phân t ơng thích Hình 23: Sơ đồ kh i c a CABAC - B c 1: Nhị phân hoá; m t bi u t ng giá trị c a khơng ph i nhị phân (nh m t h số bi n đổi hay Vector chuy n đ ng) b n đồ nh t đ chu i nhị phân tr c đ c mã hố thu t tốn Q trình x lý giống nh vi c x lý c a vi c bi n đổi m t bi u t ng d li u thành mã hoá chi u dài bi n đổi, nh ng mã nhị phân đ c mã hoá tốt b mã hoá thu t tốn tr c đ truy n - B c 2: ph m vi làm mơ hình: m t ph m vi mơ hình có kh cho m t hay nhi u ph n t c a bi u t ng nhị phân M t mơ hình có kh đ c l a chọn nh đ vi c l a chọn s t ơng ng có th ph thu c vào ph n t cú pháp mã hố tr c - B c 3: thu t toán mã hoá nhị phân:M t b mã hoá thu t toán mã hoá m i ph n t theo mơ hình có kh l a chọn v i m t vi c c p nh t mơ hình ti p sau 3.3.3.5 B l c tách kh i M t đặc tr ng riêng c a mã hoá d a s khối có th nhìn th y c u trúc khối Các mép c a khối đ c c u trúc l i v i đ xác ph n t nh (pixel) bên nhìn chung d ng khối (blocking) đ c xem m t nh ng nhi u “artifact” d nhìn th y nh t v i ph ơng pháp nén hi n t i Do nguyên nhân mà H.264/MPEG-4 Part 10 s d ng b lọc tách khối (Deblocking Filter) đ làm gi m hi n t ng tách khối, ngăn chặn vi c truy n c a t p âm mã hố đ c tích luỹ T i b lọc này, c ng đ lọc đ c u n b i giá trị c a nhi u ph n t c u trúc Các chu n nén tr c khơng s d ng b lọc tách khối b i vi c bổ sung r t ph c t p, mặt khác vi c chia nhi u khối có th đ c làm gi m vi c s d ng MC xác m t n a ph n t nh M t n a ph n t nh thu đ c cách lọc n tính (bilinear filtering)c a ph n t nh nguyên vẹn bên c nh phát huy vai trị làm “nhẵn” c a mã hố t p âm mi n ph n t nh nguyên vẹn Mai Thị Lan Oanh - K46 DB- Trang 55 Đ I H C CÔNG NGH Chu ng 3: Chuẩn nén Video MPEG -4 ứng dụng truyền hình m ng Internet H.264 s d ng b lọc tách khối đ vi c th c hi n vi c mã hoá cao vi c th c hi n r t ph c t p Vi c lọc đ c áp d ng cho mép c a Block x m t Macro-Block Quá trình u n b lọc tách khối thành ph n chói đ c th c hi n c nh c a m u 16 x 16 (16-sample) trình x lý b lọc tách khối cho m i thành ph n màu đ c th c hi n c nh c a m u x B lọc tách khối đ c áp d ng t ơng thích v i m t vài m c(level) sau: - M c m ng (Slice Level): Mặt m nh c a c a vi c lọc tồn b có th đ chỉnh t i đặc m riêng c a chu i video c u - M c c nh c a khối (Block – edge Level ): mặt m nh c a vi c lọc ph thu c vào vi c quy t định d đoán Inter/Intra, chuy n đ ng khác nhau, vi c hi n thị c a d thừa mã hoá Block tham gia Đặc bi t vi c lọc m nh đ c áp d ng cho Macro-Block v i đặc m r t phẳng đ lo i bỏ “s nghiêng nhân t o (tilting artifacts)” - M c l y m u (Sample Level): giá trị m u m b t đ u ph thu c vào b l ng t hóa có th dừng vi c lọc cho m i m u riêng bi t Tính khối bị gi m mà không nh h ng nhi u đ n đ s c nét c a n i dung, k t qu c i thi n đ c đáng k ch t l ng c a hình nh Hình 24: Tác d ng c a b l c tách kh i đ i v i nh đ c nén nhi u Trái: khơng có b l c tách kh i; Ph i: có b l c tách kh i Mai Thị Lan Oanh - K46 DB- Trang 56 Đ I H C CÔNG NGH Chu ng 3: Chuẩn nén Video MPEG -4 ứng dụng truyền hình m ng Internet 3.3.4 Kỹ thuật gi i mã video Dịng Bít đ u vào Gi i mã Entropy Gi i l ng t hoá & + ∑ Bi n đổi ng c + B lọc tách khối L a chọn Inter/Intra Mode Video đ u B đ m nh nh d đốn Bù chuy n đ ng Hình 25: Sơ đồ gi i mã Video H264/MPEG -4 Part 10 3.3.4.1 Bù chuy n đ ng Bù chuy n đ ng th c hi n vi c thi t l p l i khung hình (frame) s Vector nh n đ c, d li u khung hình delta nh n (d li u khác gi a hai khung hình liên ti p) hình nh mã hố tr c Vì v y, n u d li u delta đ c nh n, dịng khung hình đ c thi t l p l i vi c c ng d li u khung hình delta v i d li u từ khung hình đ c gi i mã tr c vị trí riêng đ c d n Vector chuy n đ ng nh n đ c 3.3.4.2 Khôi ph c l i (Error Resiliency) M t nhi m v quan trọng nh t c a b gi i mã làm thích h p khôi ph c l i từ l i ch c ch n x y ra, đặc bi t k t nối qua liên k t d x y l i nh m ng không dây L i đàn hồi bao gồm ba lo i kỹ thu t khác đ c s d ng m t l i đ c phát hi n Vi c phát hi n l i có th x y tr ng h p sau: - Trong tr ng h p có m t l i, l i th c s đ - Trong tr ng h p có m t l i, l i khơng đ - Trong tr ng h p khơng có l i, b gi i mã bi t khơng có l i; c phát hi n; c phát hi n; N u l i đ c phát hi n, h thống b gi i mã l i đàn hồi cố g ng che gi u l i Các đặc tr ng c a l i đàn hồi có th đ c bổ sung h thống MPEG -4 vi c s Mai Thị Lan Oanh - K46 DB- Trang 57 Đ I H C CÔNG NGH Chu ng 3: Chuẩn nén Video MPEG -4 ứng dụng truyền hình m ng Internet d ng tiêu chu n thi t l p công c đ c cung c p tiêu chu n MPEG -4 đ phát hi n l i Cho m t h thống MPEG -4 t ơng thích, có kh làm vi c v i h thống MPEG -4 khác, ph i tn theo b cơng c chu n hoá phát hi n l i Tuy nhiên, ph ơng pháp mà b công c đ c bổ sung làm tăng nơi cung c p b Codec, theo cách đó, có th làm cho tốt x u thi t l p thu t tốn h thống t ơng thích hồn tồn v i tiêu chu n MPEG -4 Đồng l i ( Resynchronisation) B công c Đồng b l i cố g ng đ có th đồng b l i gi a b gi i mã dịng bít sau m t l i hay m t lo t l i đ c phát hi n Nhìn chung, d li u gi a m đồng b tr c bị l i m đ u tiên nơi mà s đồng b đ c thi t l p l i, đ c lo i bỏ N u nh ph ơng pháp đồng b l i có nh h ng đ n vi c xác định số l ng d li u bị lo i bỏ b i b gi i mã, kh c a lo i công c khác đ khôi ph c d li u hay đ che gi u nh h ng c a l i ph i đ c nâng c p r t nhi u Khôi phục liệu (Data Recovery) Sau đồng b vừa đ c thi t l p l i, công c khôi ph c d li u cố g ng khôi ph c l i d li u th ng bị m t Các công c khơng đơn gi n mã hố l i, mà kỹ thu t đòi hỏi cao mã hoá d li u cho m t lo i l i đàn hồi Ví d , m t b công c riêng vừa đ c xác nh n nhóm Video (Video Group) mã hố chi u dài bi n đổi ng c RVLC (Reversible Variable Length Codes) Trong ph ơng pháp này, từ mã hoá chi u dài bi n đổi đ c thi t k đ đọc c h ng ti n nh h ng lùi Hình 26 minh ho cho ví d s d ng m t RVLC đ c hình d i Nhìn chung, m t tình nh v y, nơi mà m t s tăng vọt c a l i làm sai l c m t ph n c a d li u, t t c d li u gi a hai m đồng b có th bị m t Tuy nhiên, đ c hình 26, m t RVLC làm cho m t vài d li u đ c khôi ph c Chú ý đ n thơng số QP HEC hình sau th hi n tr ng dành riêng (Field Reserved) ph n đ u header gói video cho thơng số l ng t hoá mã hoá m r ng header, theo th t định sẵn Mai Thị Lan Oanh - K46 DB- Trang 58 Đ I H C CÔNG NGH Chu ng 3: Chuẩn nén Video MPEG -4 ứng dụng truyền hình m ng Internet Hình 26: Ví d v Mã hố chi u dài bi n đổi ng c 3.3.5 So sánh hiệu qu mã hoá H264/MPEG Part 10 v i tiêu chuẩn trư c Qua q trình tìm hi u kỹ thu t mã hoá c a H264/MPEG Part 10 c a MPEG-2, ta th y m t số u m c a H264/MPEG Part 10 so v i MPEG-2 là: • D đốn h số AC/DC mà h số Macro-Block đ c d đoán từ h số Macro-Block bên c nh từ m t số d li u b n thân Macro-Block Vi c gi i mã Macro-Block ph i thay đổi khác v i thu t tốn dịng bít đơn gi n tr c đ đ a vào m t số tính tốn cho m i h số • Các cơng c tốn học m i nh CAVLC CABAC cho s c i thiên đáng k mã hố Entropy • Trong bù chuy n đ ng MPEG-2 Part đ c h n ch đ n n i suy hai chi u ½ pixel H264/MPEG Part 10 cho phép Vector chuy n đ ng xác đ n ¼ pixel sau dùng n i suy nhi u chi u(Bi-cubic) N i suy nhi u chi u t o s thích h p cho Macro-Block , v y gi m l ng đ c l u nh l i, làm gi m số bít c n ph i mã hoá Tuy nhiên n i suy nhi u chi u địi hỏi nhi u thu t tốn hơn, s ph c t p th c hi n bù chuy n đ ng cao • Vi c dùng b lọc tách khối c hai phía b mã hố b gi i mã làm gi m s không liên t c biên c a khối h số ch t l ng khác đ c s d ng cho khối c nh gây Đi u làm gi m nhi u khối th ng th y mã hoá MPEG-2 tốc đ bít th p nằm vịng bù chuy n đ ng, b mã hoá b gi i mã v n cịn s đồng b Cơng c có nh h ng đ n tính ph c t p c a b mã hoá b gi i mã số biên khối th c t b lọc tách khối không th đ c th c hi n nh m t module riêng bi t Mai Thị Lan Oanh - K46 DB- Trang 59 Đ I H C CÔNG NGH Chu ng 3: Chuẩn nén Video MPEG -4 ứng dụng truyền hình m ng Internet • Kích th c khối thay đổi từ 16 x 16 xuống x Khi kích th c khối gi m cung c p đ l i mã hố mà khơng có s tăng đáng k tính ph c t p • Các Header t ơng đối l n MPEG-2(trong Sequence, Picture, Slice ) đ bi u di n m t OverHead cố định dòng d li u OverHead không đáng k tốc đ Mb/s nh ng tốc đ vài trăm Kb/s chúng d nh n th y Vì v y H264/MPEG Part 10 th c hi n Header hi u qu Qua trình th c nghi m cho s ti t ki m tốc đ bít trung bình c a H264/MPEG Part 10 so v i MPEG-2 kho ng 65% Nh v y hi u qu c a nén H264/MPEG Part 10 tăng lên đáng k Hi u qu nén tăng c a H264/MPEG Part 10 t o ph m vi ng d ng h i kinh doanh m i Mai Thị Lan Oanh - K46 DB- Trang 60 Đ I H C CÔNG NGH K t lu n K T LU N Khoá lu n “Các chu n nén ng d ng truy n Video m ng Internet” đ t đ c m t số k t qu sau: Nêu lên đ c th truy n hình m ng Internet cách th c truy c p đ xem đ c ch ơng trình truy n hình Tìm hi u đ c nguyên t c chung vi c nén tín hi u video c a nhóm MPEG nén nh nén liên nh k t h p v i d đoán bù chuy n đ ng- đ y s khác bi t so v i chu n nén JPEG, M-JPEG… tr c Và t p h p chu n nén MPEG, m i chu n nén khác có m t nhi m v khác đ c đặt V i MPEG-1 nhi m v mã hố âm hình nh đ l u tr thi t bị l u tr nh : CD-ROM, đĩa quang… s d ng định d ng trung gian cho nguồn tín hi u SIF đ phù h p v i m i h thống quét truy n hình khác hi n MPEG -2 k thừa t t c tiêu chu n c a MPEG -1 m c đích nhằm h tr cho vi c truy n Video số, MPEG -2 chia nh thành Macro-Block s d ng ph ơng pháp nén nh v i nh I nén liên nh k t h p d đoán bù chuy n đ ng v i nh P nh B Tỷ số nén c a MPEG -2 tốt nhi u so v i MPEG -1 MPEG -4 v i nhi m v nhằm phát tri n chu n x lý, mã hoá hi n thị nh đ ng, audio tổ h p c a chúng MPEG -4 khác so v i MPEG -2 m t khung hình khơng mã hố tồn b khung hình mà miêu t đối t ng riêng r sau m i mã hố đối t ng MPEG -4 chia Macro-Block thành Block nhỏ Trong bù chuy n đ ng MPEG-2 Part đ c h n ch đ n n i suy hai chi u ½ pixel H264/MPEG Part 10 cho phép Vector chuy n đ ng xác đ n ¼ pixel sau dùng n i suy nhi u chi u(Bi-cubic) Và nhi u m u vi t khác n a Do hi u qu nén c a chu n nén MPEG -4 tốt so v i MPEG -2 MPEG -7 m t chu n dùng đ mô t n i dung Multimedia, ch không ph i m t chu n cho nén mã hoá audio/ nh đ ng nh MPEG-1, MPEG-2 hay MPEG-4 MPEG-7 s d ng ngôn ng đánh d u m r ng XML(Extansible Markup Language) đ l u tr siêu d li u Metadata, đính kèm timecode đ g n thẻ cho s ki n, hay đồng b d li u V i nhi u tính u vi t nh trên, m t h ng đặt là: li u MPEG -4 có th s d ng cho vi c l u tr nh MPEG -1 hay dùng công ngh truy n hình số nh MPEG -2 Th c t cho th y, ngồi ng d ng mơi tr ng m ng nói chung truy n hình t ơng tác nói riêng – theo APB(04/2004)- Đài Truy n hình Nh t B n nh NHK, TBS, NTV TV Asahi TV Tokyo th c ch p nh n đ a chu n Mai Thị Lan Oanh - K46 DB- Trang 61 Đ I H C CÔNG NGH K t lu n H264/MPEG Part 10 cho phát sóng số mặt đ t, cho thu di đ ng, m t kh nh ng kh ti m n chu n mã hố trình di n video c a H264/MPEG Part 10 Do v y, đ tài có th nghiên c u b c ti p theo nghiên c u ng d ng H264/MPEG Part 10 cho truy n hình số cho thu di đ ng hay có th c i t o ch t l ng truy n hình Internet đ đ t đ c ch t l ng hình nh tốt nh truy n hình số hi n Mai Thị Lan Oanh - K46 DB- Trang 62 Đ I H C CÔNG NGH TÀI LI U THAM KH O Đinh Quốc Tu n - Đ tài nghiên c u khoa học c p nghành “Truyền hình [1] m ng Internet gi i pháp cung cấp chư ng trình VTV qua m ng Internet ”, Trung tâm tin học Đo l ng – ĐTHVN, Hà N i – 7/2004 Đ Hoàng Ti n, Vũ Đ c Lý - Truyền hình số, Nhà xu t b n Khoa Học Kỹ Thu t, Hà N i – 2001 Ngô Thái Trị - Truyền hình số, Hà N i – 2002 Nguy n Minh Hồng – Chuyên đ “Chuẩn nén MPEG -4 kh ứng dụng truyền hình”, Trung tâm Tin học Đo l ng – ĐTHVN,Hà N i-1/2001 N i san Khoa học Kỹ thu t Truy n hình – số năm từ 2001-2005 H.264 & IPTV Over DSL – White Paper On H264/MPEG-4 -2004, http://www.envivio.com Hantro Products Oy, Oulu, Finland “ MPEG4 Codec Overview ” ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 N4030 March 2001- http://www.hantro.com [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] José M Martínez (UAM-GTI, ES) ,“MPEG-7 Overview“- ISO/IEC JTC1/SC29/WG11N5525 Pattaya, March 2003 - http://www.mp7c.org/ [9] Ralf Schäfer, Thomas Wiegand and Heiko Schwarz - “The emerging H.264/AVC Standard “- EBU TECHNICAL REVIEW – January 2003 Soon-kak Kwon, A Tamhankar, K.R Rao - “Overview of H.264 / MPEG-4 Part 10 ” http://www.mpeg.org [10] [11] Thomas Wiegand, Gary J Sullivan, Gisle Bjontegaard, and Ajay Luthra “Overview of the H.264 / AVC Video Coding Standard ” - IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS FOR VIDEO TECHNOLOGY, JULY 2003 [12] http://www.vtc.com.vn., http://www.vdconline.com Mai Thị Lan Oanh - K46 DB- Đ I H C CÔNG NGH ... ISO/IEC 13818 -2 - Audio : ISO/IEC 13818 -3 - Các h thống ki m tra: ISO/IEC 13818 -4 2.2.2 Mã hố gi i mã video • Mã hố MPEG -2: M hoá Video Dòng Video sở Gi? ?i m Video Dòng Audio sở M hoá Audio Gi? ?i. .. đen, ng i h ng d n audio đ c đặt v? ?o m t h thống to đ không gian chi u (3-D) đ? ?i v i v? ?? trí ng i xem gi định B gi i mã VO-1 B mã hoá VO-1 Video đ u v? ?o Phân chiacác Videoobject(VO) B mã hố VO-2... v? ?o M i đ? ?i t ng video sau đ c mã hoá riêng r b i b mã hoá đ? ?i t ng video VO (video object) đ c truy n m ng T i v? ?? trí thu, nh ng đ? ?i t ng đ c gi i mã riêng r nh b gi i mã VO decoder g i đ n