trêng ®µo t¹o c¸n bé lª hång phong trêng ®¹i häc b¸ch khoa Hµ Néi khoa ®iÖn tö viÔn th«ng ====== ====== ®å ¸n tèt nghiÖp ®Ò tµi Sè hãatÝn hiÖu vµ kü thuËt nÐn ¶nh sè øng dông trong truyÒn h×nh sè G[.]
trờng đại học bách khoa Hà Nội khoa điện tử viễn thông ====== ====== đồ án tốt nghiệp đề tài Số hóatín hiệu kỹ thuật nén ảnh số ứng dụng truyền hình số Giáo viên hớng dẫn Sinh viên thực Lớp : Hà Thanh Bình : Trần Thế Trung : ĐT2 - CĐ K48 Hà Nội 06/2006 06/2006 Bộ Giáo dục Đào tạo Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội *** - Céng hßa x· héi chđ nghÜa ViƯt Nam §éc lËp - Tù - H¹nh *** - nhiƯm vơ thiÕt kÕ tèt nghiƯp Họ tên: Ngµnh häc: Đầu đề thiết kế Các số liệu ban đầu Néi dung c¸c phần thuyết minh tính toán Các vẽ đồ thị (ghi rõ loại vẽ, kích thớc vẽ) Cán hộ hớng dẫn Phần Họ tên c¸n bé Ngµy giao nhiƯm vơ thiÕt kÕ: Ngày phải hoàn thành: Ngµy tháng năm 2005 Ngày tháng năm 2005 Chđ nhiƯm khoa C¸n bé híng dÉn thiÕt kÕ (Ký tên ghi rõ họ tên) (Ký tên ghi rõ họ tên) Ngày tháng năm 2005 Ngày tháng năm 2005 Đánh giá kết học sinh đà hình thành Điểm thiết kế: Điểm bảo vệ: Điểm tổng hợp: (và nộp toàn thiết kế cho khoa) (Ký tên ghi rõ họ tên) Ngày tháng năm 2005 Chủ tịch hội đồng (Ký tên ghi rõ họ tên) Mục lục Chơng I Tổng quan vỊ trun h×nh 1.1 HƯ thèng trun h×nh 1.1.1 Nguyªn lý quÐt 1.1.2 H×nh dạng tín hiệu hình 1.1.3 Phỉ tÝn hiƯu h×nh 1.2 Truyền hình màu 1.2.1 Lý thuyÕt mµu 1.2.2 Phơng pháp trộn màu 1.2.3 §å thị đo màu x, y 1.2.4 MÐo gamma 1.2.5 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình màu 1.2.6 Tín hiệu truyền hình màu 1.2.7 Bé lËp mà màu giải mà màu 1.2.8 §o kiĨm tra tÝn hiƯu trun hình màu 1.3 Các hệ truyền hình màu 1.3.1 Hệ truyền hình màu NTSC 1.3.2 Hệ truyền hình màu PAL 1.3.3 Hệ truyền hình màu SECAM 1.4 Hệ thống phát hình 1.4.1 Kªnh trun h×nh 1.4.2 Mạng lới truyền hình 1.4.3 Máy phát hình 1.4.4 Anten phát hình 1.5 Máy thu hình 1.5.1 S¬ đồ khối máy thu hình màu 1.5.2 Các tiêu kỹ thuật máy thu hình 1.5.3 ống thu hình màu Chơng II Tổng quan truyền hình sè 2.1 HƯ thèng trun h×nh sè 2.2.Đặc điểm truyền hình số 2.3 ¶nh sè 2.4 Các phơng pháp biến đổi tín hiệu video 2.4.1 TiÕn hµnh video sè tỉng hỵp 2.4.2 Tín hiệu video số thành phần 2.5 Chuyển đổi tơng tự - số số - tơng tự 2.5.1 Các tham số 2.5.2 Nguyên tắc làm việc bọ chuyển đổi tơng tự - số 2.5.3 Các phơng pháp chuyển đổi tơng tự - số 2.5.4 Các phơng pháp chuyển đổi số - tơng tự 2.6 Camera trun h×nh 2.7 T¬ng lai cđa công nghiệp truyền hình Ch¬ng III: Sè hãa tÝn hiƯu video 3.1 Lịch sử phát triển 3.2 ThiÕt bị hộp đen video số 3.3 LÊy mÉu tÝn hiÖu video sè 3.3.1 LÊy mÉu 3.3.2 CÊu tróc lÊy mÉu 3.4 Lỵng tư hãa 3.5 M· hãa 3.6 Chun ®ỉi D/A 3.7 Tiªu chuÈn sè hãa tÝn hiệu video màu tổng hợp 3.7.1 Lấy mẫu tín hiệu video màu tổng hợp 3.7.2 Tiªu chuÈn 4fSC NTSC 3.7.3 Tiªu chuÈn 4fSC PAL 3.7.4 Các thông số tín hiệu kiĨm tra 3.7.5 Ph©n phèi tÝn hiÖu sè 4fSC dïng bit song song 3.8 Tiªu chn lÊy mÉu tÝn hiƯu video thành phần 3.8.1 Tiêu chuẩn lÊy mÉu 3.8.2 Lấy mẫu tín hiệu video thành phần 3.83 Thang lợng tử mức lợng tử 3.8.4 CÊu tróc lÊy mÉu 3.8.5 GhÐp dßng sè liƯu ph©n chia theo thêi gian 3.8.6 TÝn hiÖu chuÈn thêi gian 3.8.7 D÷ liƯu phơ 3.9 CCIR 601 - tiêu chuẩn truyền hình số 3.10 TÝn hiÖu audio sè 3.10.1 Tỉng qu¸t 3.10.2 BiĨu diƠn tÝn hiƯu 3.10.3 M· hãa kªnh trun 3.10.4 GhÐp dßng tÝn hiƯu audio sè Ch¬ng IV: Kü thuËt nÐn video sè 4.1 Khái niệm nén tốc độ dòng bit 4.1.1 Tỉng qu¸t 4.1.2 M« h×nh nÐn 4.1.3 Th«ng tin d thõa tÝn hiÖu video 4.2 Lý thuyÕt th«ng tin - entropy 4.3 Các phơng pháp nén video 4.3.1 NÐn kh«ng mÊt th«ng tin 4.3.2 NÐn mÊt th«ng tin 4.4 C¸c m· dïng kü thuËt nÐn 4.4.1 M· RLC 4.4.2 M· hãa Shannon - Fano 4.4.3 M· Huffman 4.4.4 Phơng pháp mà dự đoán 4.4.5 Phơng pháp mà chuyển vÞ - Transform coding 4.5 NÐn ¶nh 4.5.1 Nguyªn lý 4.5.3 TiỊn xư lý 4.5.3 Quá trình biến đổi Cosin rời rạc 4.5.4 Lỵng tư hãa khèi DCT 4.5.5 M· hãa entropy 4.5.6 Bé nhí ®Ưm 4.5.7 Gi¶i m· DCT 4.6 Kü thuËt nÐn liªn ¶nh (Inter Franme Compression) 4.6.1 M« h×nh 4.6.2 Kỹ thuật dự đoán bù chuyển động 4.6.3 ảnh dự đoán tríc 4.6.4 ảnh dự đoán hai chiều 4.7 Ccác tiêu chuẩn nÐn 4.7.1 Tiªu chuÈn nÐn JPEG 4.7.2 Tiªu chuÈn nÐn MPEG 4.7.3 Tiªu chuÈn nÐn MPEG - 4.8 Kü thuËt nÐn audio 4.8.1 Phơng pháp nén kh«ng mÊt th«ng tin 4.8.2 Phơng pháp nén có thông tin 4.8.3 Tiªu chuÈn nÐn audio MPEG-1 4.8.4 Tiªu chuÈn nÐn audio MPEG-2 Chơng V: Truyền dẫn truyền hình số 5.1 Hệ thống ghép kênh truyền t¶i MPEG -2 5.1.1 HƯ thèng ghép kênh phân kênh MPEG - 5.1.2 Cấu trúc sở dòng ES 5.1.3 Dßng sở đóng gói PES 5.1.4 Ghép kênh dòng chơng trình (Program Stream MUX) 5.1.5 Ghép kênh dòng truyền tải (Transport Stream MUX) 5.2 Kü tht ®iỊu chÕ giải điều chế 5.2.1 Giíi thiƯu 5.2.2 Phơng pháp điều chế M - PSK 5.2.3 §iỊu chÕ QPSK (4 - PSK) 5.2.4 §iỊu chÕ M - QAM 87 5.3 Các phơng thức truyền dẫn tín hiệu truyền hình số 5.3.1 Truyền hình cáp 5.3.2 Truyền hình số mặt đất 5.3.3 Trun h×nh sè qua vƯ tinh Lêi më đầu Chơng trình truyền hình ngày giữ vai trò, thiếu đời sống xà hội Sự phát triển khoa học kỹ thuật đà trải qua nhiỊu bíc chun biÕn lín HƯ thèng trun h×nh cịng thay đổi theo giai đoạn phát triển Trong năm gần công nghệ truyền hình chuyển sang bớc ngoặt Quá trình chuyển đổi từ công nghệ Analog sang Digital Quá trình cách mạng, làm thay đổi cách suy nghĩa, cách tiếp xúc, phơng thức sản xuất chơng trình truyền hình, nâng cấp chất lợng tín hiệu, tính linh họat khả hội nhập vào môi trờng thông tin chung Việt Nam công nghệ số đà xâm nhập vào công đoạn truyền hình Trong tơng lai không xa, giới nói chung ë ViƯt Nam nãi riªng tíi mét hƯ thèng trun hình hoàn toàn kỹ thuật số tất yếu Để hiểu sâu lĩnh vực này, em đà chọn đề tài "Số hóa tín hiệu kỹ thuật nén ảnh số ứng dụng truyền hình số" làm để bảo vệ tốt nghiệp Qua thời gian thực tập làm đồ án, đặc biệt đợc hớng dẫn nhiệt tình thầy giáo Hà Thanh Bình thầy cô, em đà hoàn thành đồ án tốt nghiệp Tuy nhiên thời gian ngắn, hiểu biết hạn chế, đồ án dừng lại khái niệm chắn không tránh khỏi sai sót Kinh mong nhận đợc bảo, góp ý chân thành thầy cô giáo Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2006 Sinh viên Trần Thế Trung Chơng I Tổng quan truyền hình 1.1 Hệ thống truyền hình Truyền hình hệ thống biến đổi hình ảnh âm kèm theo thành tín hiệu điện, truyền đến máy thu, nơi thực biến đổi tín hiệu thành dạng ban đầu hiển thị lên hình dới dạng hình ảnh Truyền hình dựa đặc điểm cảm nhận ánh sáng mắt ngời độ chói màu vật để truyền thông tin cần thiết Độ chói màu vật phụ thuộc vật phụ thuộc vào cờng độ thành phần phổ tia sáng Trong hệ thống truyền hình, tín hiệu, mang tin tức hình ảnh gọi lµ tÝn hiƯu video, tÝn hiƯu mang tin tøc vỊ âm gọi tín hiệu audio Các trình chuyển đổi tín hiệu - ảnh hay ảnh - tín hiệu phải đồng đồng pha với đáp ứng đợc phân tích ảnh phía phát khôi phục ảnh phía thu Sự đồng đợc thực tạo xung đồng 1.1.1 Nguyên lý quét a Phơng pháp quét liên tục Trong truyền hình, ảnh đợc chia thành nhiều phần tử nhỏ gọi điểm ảnh, điểm ảnh đợc đặc trng độ chối trung bình màu Hình ảnh quang học đợc thực lợt quét gồm dòng quét theo chiều ngang từ trái qua phải từ xuống dới Điểm ảnh Điểm bắt đầu A B Hình 1.1 Phơng pháp quét Z liên tục Dòng điện tử bắt đầu quét từ mép trái dòng 1, sang mép phải A quay phía trái theo đờng nét rời lại mép trái dòng quét mép phải B, sau quay mép trái bắt đầu dòng Cứ nh vậy, dòng điện tử quét từ xuống dới Z Nh đà kết thúc việc phân tích tổng hợp ảnh Tín hiệu quét ngợc đợc xóa xung xóa dòng b Số dòng quét Số dòng quét nhiều, chất lợng hình ảnh đẹp Số dòng quét thích hợp ảnh 600 dòng để không gây khó chịu cho mắt ngời xem c Số ảnh truyền giây Số ảnh truyền giây phụ thuộc vào cấu tạo quang học mắt ngời Trong điện ảnh, ngời ta chiếu 48 ảnh / giây, chia làm lần để hình ảnh chiếu chuyển động liên tục ánh sáng không bị chớp Trong truyền hình, ngời ta truyền 25 ảnh/1 giây nơi sử dụng điện lới có tần số 50 Hz 30 ảnh/1 giây nơi có tần số điện lới 60Hz Để đảm bảo mặt chất lợng kỹ thuật kinh tế, truyền hình sử dụng phơng pháp quét xen kẽ Mỗi ảnh quét đợc chia làm lợt, lợt đầu quét dòng lẻ (1,3,5 ) gọi mảnh lẻ, lợt hai quét dòng chẵn (2,4,6 ) gọi mành chẵn Theo hệ thống truyền hình OIRT CCIR giây truyền 50 mành, có 25 mành chẵn 25 mành lẻ, hình thành 25 ảnh 1.1.2 Hình dạng tín hiệu hình a Tín hiệu video Nguyên lý tạo tín hiệu video: ảnh truyền hình đợc chia làm nhiều phần tử nhỏ gọi điểm ảnh, điểm anh mang thông tin độ chói mầu sắc vật tạo tạo ảnh biến đổi thông tin chứa điểm ảnh thành tín hiệu ®iƯn t¬ng øng biĨu diƠn cho tÝnh chÊt cđa ®iĨm ảnh Tập hợp tín hiệu t ơng ứng điểm ảnh đợc xếp liên tục cho ta dòng tín hiệu mang thông tin trọn vẹn ảnh Đây dòng tín hiệu video Đặc điểm tín hiệu hình: tín hiệu hình tín hiệu đơn cực tính độ chói ảnh có trị số dơng biến đỏi từ đến trị số dơng cực đại Tín hiệu hình có chứa thành phần chiều gọi trị trung bình, trị trung bình tỉ lệ với độ chói trung bình b Thông tin đồng Quá trình quét ảnh, xử lý tín hiệu phía phát, truyền qua kênh thông tin, thu nhận, xử lý hiển thị thông tin phía thu cần phải đợc đồng Đồng hóa tất trình nhằm khôi phục ảnh, xếp lại vị trí điểm ảnh cách trung thực Tín hiệu đồng đợc tạo truyền kênh thông tin với tín hiệu video tổng hợp tín hiệu video, tín hiệu đồng cho ta tín hiệu truyền hình Tín hiệu đồng tín hiệu có dạng xung, bao gồm đồng dòng đồng mành Các xung có biên độ thời gian xác định nên đợc gọi xung đồng xung đồng mành 1.1.3 Phổ tín hiệu hình Xác định phổ tần tín hiệu hình xác định thành phần xoay chiều cđa tÝn hiƯu TÇn sè cao nhÊt cđa phỉ tÝn hiệu hình phụ thuộc vào số dòng quét Số dòng quét lớn, kích thớc phần tử ảnh nhỏ, ảnh rõ, độ rộng dải tần tăng lên Khi sử dụng phơng pháp quét xen kẽ để giảm dải tần tín hiệu Ví dụ với hình có 625 dòng, tỉ lệ khuôn hình 4/3, số ảnh truyền 25 ảnh /1 giây, phơng pháp quét liên tục tần số cao tín hiệu hình 13 MHz, với phơng pháp quét xen kẽ tần số cao tín hiệu 6,5 MHz Hình 1.2 Phổ tín hiệu hình Tần phổ tín hiệu hình phổ gián đoạn, gồm hài tần số mặt nhóm phổ quanh hài tần số dòng, hài cao biên độ bé Vì nhóm hài tần số dòng tồn khoảng trống nên đờng đợc ứng dụng truyền hình màu Phổ tín hiệu màu đợc đặt vào khoảng trống phổ tín hiệu chói 1.2 Truyền hình màu Hệ thống truyền hình đen trắng thực phân tích hình ảnh cần truyền thành mẫu rời rạc truyền lần lợt mẫu Thông tin đợc truyền thông tin độ chói điểm ảnh, phía thu khôi phục đợc hình ảnh truyền thành ảnh đen trắng Hệ thống truyền hình màu thực kết hợp tín hiệu chói hình ảnh tín hiệu mang tin tức màu sắc Tín hiệu chói tạo từ tín hiệu màu bản, hình ảnh màu tổng hợp từ màu 1.2.1 Lý thuyết ba màu a Thị giác màu Nhiều thực nghiệm đà chứng tỏ rằng, nhận đợc gần nh tất màu sắc tồn thiên nhiên cách tộn ba chùm ánh sáng màu đỏ, lơc, lam theo c¸c tØ lƯ kh¸c Theo cÊu tạo quang học, mắt có ba loại tế bào nhạy cảm màu bản, hệ thống thị giác ngời có khả phân tích tổng hựp màu theo tỉ lệ khác nhau, hình thành nên cảm thụ màu sắc không gian môi trờng sống xung quanh ngời b Các màu vµ mµu phơ