Nghiên cứu cải tiến hiệu năng hệ thống mã hóa giải mã video phân tán

BTH Ơ NG TINVÀTRUYENTHƠNG HOCVINCƠNGNGHB Ư U CHÍNHVIENTHƠNG NGUYENTH±HƯƠNGTHẢO NGHIÊNCỨUCẢITIENHIUNĂNG HTHONGMÃHÓA/GIẢIMÃVIDEOPHÂNTÁN LUNÁNTIENSĨKYTHUT CHUYÊNN G À N H : K y t h u t đ i nt ả MÃSO:9.52.02.03 NGƯIHƯNGDANKHOAHOC: PGS.TS.VũVănSan TS.NguyenNgocMinh HàNi-2020 LICAMĐOAN Tôi xin cam đoan lu n án tot nghi p riêng hướngdan giáo viên hướng dan Tat so li u, ket trình bày tronglu n án hồn tồn trung thực có tà nhǎng nghiên cáu mà tơi nhómnghiêncáucủatơiđãthựchintrongqtrìnhlàmlunán HàN ® i , n g y tháng năm2 Nghiêncáusinh LICẢMƠN Trong trình nghiên cáu, tác giả nh n nhieu giúp quý giá.Tác giả xin gải lời cảm ơn sâu sac tới nhǎngngười thay, người đong nghi pPGS.TS Vũ Văn San TS Nguyen Ngoc Minh t n tình hướng dan, địnhhướng nghiên cáu khoa hoc, giúp tác giả q trình nghiên cáu hồnthành Lu n án Tác giả xin gải lờicảmơn sâu sac tới thành viên trongLab Công nghtruyen thông đa phương ti n Đại hoc Công ngh- Đại hocQuoc gia Hà N®i, đ c bi t TS Hồng Văn Xiêm ho trợ có nhǎng góp ýkhoahocqbáuchon®idunglunán Tác giả xin gải lời cảm ơn tới Lãnh đạo hoc vi n Cơng ngh bưu vienthơng, H®i đong khoa hoc, H®i đong Tien sĩ, Khoa đào tạo sau đại hoc HocvinCôngnghb u chínhvienthơngđãtạođieukinthunlợichotácgiảhồnthànhluná nnày Tácgiảxingảilờicảmơntớicácđongnghi ptạiKhoaKythutĐintả1 – Hoc vi n Cơng ngh Bưu Vien thơng tạo đieu ki n ve thời gian cũngnhưcócácgópýchotácgiảven®idunglunántrongqtrìnhnghiêncáuvàhồnth inlunán Tác giả xin gải lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đong nghi p ln ủng h®,đ®ngviên,chiasẻ,giúpđơtácgiảhồnthànhlunánnhưngàyhơmnay HàN ® i , n g y tháng năm2 Nghiêncáusinh LIMĐAU Lýdo nghiêncfíu Videol m ® t d n g d ǎ l i uđ cb i t,đ a y tí n h h a p d a n , d e n h v p h ő b i e n h ơnbatcám®tloạidǎliunàokhác.Cácsoliuthongkêchothayn®idungvideo tăng mạnh hàng năm theo cap so nhân Đieu cho thay vai trịquantrongcủavideotrongtươnglai.Cùngvớiđólàsựbùngnőcủacácthietb ịđintảmớicókhảnăngbatgiǎ,chỉnhsảa,lưutrǎvàchiasẻn®idungvideotrên tồn the giới dan đen m®t xu hướng mà vi c xả lý thơng tinđượctíchhợptritđevàocácthietbịvàhoạtđ®nghàngngày.Đeđạtđượcđieunày, thu t tốnnéntrởnênvơcùngquantrong,đcbitlànénvideo.Mụcđích nén video tạo m®t cách bieu dien dǎ li u video cho chiem ítdung lượng nhat Vì dǎ li u video nén sě địi hỏi khơng gian lưu trǎ vàbăng thơng truyen tải nhỏ hơn, nén video m®t phan khơng the thieucủahauhetcácht h on g lưutrǎ,xảlý,truyenthơngvàhienthịvideo.Đcbitlà băngthơnglnlàm®tyeutohạnchetrongnhiengdụng Tuy nhiên, nén đơi với nhǎng trả giá Thá nhat, nén nhieu sěcànglà m g i ả m c h a t lư ợ n g h ì n h ả n h T h h a i , đ ® p h c t p c ủ a c c t h u tt o n nénsětănglên khimuont lnéntothơn.Hơnnǎa ,t lnéntotnhatcũng phụ thu®cvàothietbị,vịtrívàángdụngcụthe.Tuynhiên,ngườidùngkhơngcan phải biet đen cau hình phác tạp lựa chon liên quan đen video vàđịnhdạngnén.Đólàlýdotạisaocónhieuchuȁnnénvideo,cóthephùhợp vớivơsocáckịchbảnángdụngkhácnhau.Cáctiêu chuȁnnày,cịnđượcgoilàc huȁnmãhóavideo,đượcsảdụngr®ngrãivàpháttrien khơngngàng Trong suot q trình phát trien mình, tiêu chuȁn mã hóa video lntnt h e o m ® t q u y t a c t h o n g n h a t Đ ó l ti ê u c h u ȁ n m ã h ó a v i d e o m i l u ô n luônp h ả i l m g i ả m đ n g k e t o c đ ® b i t C h ȁ n g h n , c h u ȁ n m ã h ó a v i d e o h i usuatcaoHEVC[54]tietki mtocđ®bitkhoảng50 %s o vớichuȁnH.264/ AVC [65] trước với m®t chat lượng hình ảnh.Tuynhiên, đe đạt tlnén tot với m®t chat lượng tương đương sě phải trả giá bang pháctạp củacảb®mãhóavàb®giảimã.Mtkhác,đ®pháctạpb®mãhóavàđ®phác tạp b® giải mã khơng giong Trong chuȁn mã hóa videotruyenthong,b®mãhóathườngpháctạphơnratnhieusovớib®giảimã.Cáchthiet ke nàythườngphùhợpvớicácángdụngvideotruyenthong,vídụtruyenhìnhquảngbá,nơimàchươngtrìnhtruyenhình đượcmãhóam®tlanvàsauđóđượcgiảimãđexembởihàngtriungườidùng Với phát trien mạnh mě mạng không dây, xuat hi n hàng loạt ángdụngmớimàởđókhơngtnthủtheosơđom®t-nhieunhưcácángdụngtrước Có the ke đen mạng cảm bien video không dây (WVSN) Đoi với cácángdụngmớinày,thườngsěcónhieub®mãhóagảidǎliutớim®tvàib®giải mã trung tâm Đieu ngược lại với mục tiêu thiet ke ban đau cácchuȁnnénvideotruyenthong.Trongcácmạngnày,córatnhieuyêucautruyendan đường lên.Dođó,cáccảmbiencameracancób®mãhóađơngiảntrongkhi trạm goc có the giải mã với nhieu tài ngun hay nói cách khác b®giải mã có the có đ® phác tạp cao Vì v y thách thác h thong làlàm có the thực hi n nén video thiet bị có tài ngun hạn che haynóicáchkháccácángdụngmớinàyucaub®mãhóanhe,hocítnhatphảicó sựphânchiađ®pháctạp ht h o n g m®tcáchlinhhoạt,cókhảnăngchonglạih i nt ợ n g m a t g ó i , h i us u a t n é n c a o v đ ® t r e t h a p N ó i m ® t c c h k h c , ángdụngmớinàysěcanm®tsơđomãhóavideomớicókhảnăngđápángđượccácucauởtrênvớihiusuatmãhóacó the ti m c n với h thongmãhóavideodựđốnhinnaytrongkhiđ®pháctạpb®mãhóathap M®tg i ả i p h p t h a y t h e c ó t h e đ p n g c c y ê u c a u n y l m ã h ó a v i d e o phântán(DVC).Trongmãhóavideophântán,ướclượngchuyenđ®ngvàdođó đ® phác tạp chuyen tà b® mã hóa sang b® giải mã Mục tiêutrong tâm m®t b® mã hóa nhe, phù hợp với thiet bị bị hạn che vetàinguyênxảlývàcảthờigianxảlý Ngược lại, b® giải mã coi có tàingun phong phú M®t trường hợp ví dụ quay video thiet bị bị hạn chevídụnhưđi nthoạicamtayvàsauđógiảimãtrênmáytính ởnhàmàkhơngcóbatkỳhạnchethờigian Phải nhan mạnh rang mục đích DVC khôngphảil t h a y t h e c h o H / A V C h a y H E V C b a n g c c h c u n g c a p kh ả n ă n g n é n tothơn.Trênthựcte,DVCtotnhatđượcdựkienlàcóthethựchinvớihiunăngnéntươngđương Tuyn h i ê n b a t k e c c u đ i e m đ a y ti e m n ă n g c ủ a D V C n h h i us u a t n é n cao,cơngsuatthap,khảnăngchongnhieun®itạinhưđượcchángminhvemtlýthuyettrongcácnghiêncáutrướcđây, cho đen hi n van chưa có nentảngn o t h ự c h i nh o ck i e m n g h i mD V C V e m tl ý t h u y e t , D V C đ ã đ ợ c chángminhcótheđạtđượchiunăngtươngđươngnhưcácchuȁnmãhóavideotruyen thong Tuy nhiên, ket thực te cho thay DVC van chưa đạt đượchi u suat mong muon chuȁn nén video dự đoán hi n nay, đ c bi t trongboi cảnh giǎ cho b® mã hóa có đ® phác tạp thap Vì v y cho đen hi n nay, c®ngđongnghiêncáu va n đangnolự c đecả ith i nhiunăn gméotín h iut ocđ®bit(RD) giả iquyetcáctrở ngạichínhc DVCtr ongcác ángdụ ng t hự c tevới đieu ki n bị ràng bu®c Tuy nhiên, thực te van cịn m®t khoảngcáchgiǎahiusuatmãhóacủaDVCvàcácchuȁnmãhóavideotruyenthon g Mncti ê u n g h i ê n c fí u Các phân tích cho thay rang DVC đóng m®t vai trị quan đoivới dụng mạng cảm bien hình ảnh hay mạng giám sát khơngdây.TuynhiêntháchthácchínhđoivớiDVClàphảiđạtđượchiunăngnénởmá c ti m c n với hthong mã hóa video dự đốn hi n có Vì v y mục tiêunghiêncáucủalu nánlànghiêncáuđexuatkythutcảitienhiunăngnén củamãhóavideophântánDVCvàmãhóavideophân tánliênlớpDSVC Nidungnghiêncfíu Vớimụctiêunghiêncáu ởtrên,phann®idungnghiêncáucủaLunántptrung vàocácn®idungsau: video phân tán bao gom phương pháp thực hi n phía mã hóa vànhómcácphươngphápthựchintạiphíagiảimã Đe xuat phương pháp nham cải tien hi n nén cho mã hóa Đe xuat ky thu t tạo thơng tin phụ trợ đe cải tien hi u nén chomãhóavideophântánliênlớp Đoitưngvàphạmvinghiêncfíu Đoi tượng nghiên cáu mã hóa video phân tán mở r®ng mã hóa videophân tán mã hóa video phân tán liên lớp Phạm vi nghiên cáu lu n án làcáckythutnhamnâ ngcaohi unăngnéncủamãhóavideophântánvà mã h óavideophântánliênlớp Ýnghĩakhoahocvàthfictiencủađetàinghiêncfíu Ýnghĩa khoa hoc lu n án mà nghiên cáu sinh hướng đen đe xuat cácky thu t nham nâng cao hi u nén mã hóa video phân tán mãhóavideophântánliênlớp Ý nghĩa thực tien lu n án mà nghiên cáu sinh hy vong đạt nhǎngketquảnghiêncáucủalunángópphanvàovicrútngankhoảngcáchvehiusuat mã hóacủa mã hóa video phân tán với h thong mã hóa video dự đốnhinnay,sớmđưamãhóavideophântánvàocácángdụngthựcte Phươngphápnghiêncfíu Đe thực hi n n®i dung nghiên cáu đe ra, phương pháp nghiên cáuđượcsảdụngtrongLunánnàybaogom: trìnhnghiêncáu,sáchchuyênkhảovàcácnguontàiliukhoahoc có liênquanđenmãhóavideophântánvàmãhóavideophântánliênlớp.Tàđóđe xuat ky thu t nham cải tien hi u nén cho mã hóa videophântánvàmãhóavideophântánliênlớp Phương pháp nghiên cáu lý lu n: Phân tích, tőng hợp đánh giá công p h p m ô p h ỏ n g : C c đ e x u a t c ả i ti e n h i un ă n g n é n c h o m ã h ó a video phân tán mã hóa video phân tán liên lớp thả nghi m đánhgiás o s n h v i c c g i ả i p h p t r c đ ó t r ê n c c p h a n m e m t h a m c h i e u P hương Cautrúccủalunán Ngoài phan mở đau phan ket lu n, kien nghị, Lu n án chia thành 3chươngvớibocụcnhưsau: Chương1 :T ŐNGq u ANV E M à H Ó A V I D E O Chương giới thi u tőng quan ve mã hóa video nói chung t p trung vàomãhóavideophântán.Trongchươngnàygiớithium®tsocácchuȁnnénvideodựđốn,lý thuyet nen tảng DVC b® mã hóa video phân tán thực teđượcnghiêncáutrongc®ngđongnghiêncáuDVC.Phancuoicủachương1đec p đen van đe nghiên cáu DVC Đây gợi mởchocácnghiêncáuđượcthựchinởcácchươngsau Chương2:CẢITIENHI u n ĂNGNÉNCHOMÃHĨAVIDEOPHÂNTÁN Chương2trìnhbàycácketquảnghiêncáumớic ủ a L u n n c h o m ã h ó a videop h â n t n P h a n đ a u c ủ a c h n g n y k h ả o s t m ® t s o c c n g h i ê n c u c ó liênq u a n T đ ó đ e x u a t m ® t s o p h n g p h p n h a m n â n g c a o h i un ă n g n é n chom ã h ó a v i d e o p h â n t n b a o g o m p h n g p h p t h a y đ ő i k í c h t h c n h ó m ảnhđ ượ c t hự c h i nt ại p hí am ãh ó a , n hó m cá c p h n g ph áp đ ợc t h ự c h i nt ại phía giải mã gom phương pháp cải tien chat lượng thông tin phụ trợ phươngphápc ải tie n đ ® c h í n hx ác c m hì n h nh i e ut ươ n g qu a n Cácketquả nghiêncáucủac hương 2được côngbo trongcácbài báoso[1], [2],[ 3] t ro n gd an h m ụ c c ác c ô ng t r ì n hc n gb o c t c g i ả Chương 3: CẢITIENHIu nĂNGNÉNCHOMÃHĨAVIDEOPHÂNTÁNLIÊNLP Chương trình bày ket nghiên cáu ve cải tien chat lượng thơngtinphụtrợchomãhóavideophântánliênlớpbaogomkythuttạothơngtinphụ trợ dựa ket hợp ảnh tạo thông tin phụ trợ dựa máy vecto hotrợ(SVM) Cáck e t q u ả n g h i ê n c u c ủ a c h n g đ ợ c c ô n g b o t r o n g c c b i b o s o [4],[5]t ro ng d an hm ục c c cô ng t r ì n hc ô n gb o c t ác gi ả Mncl n c Mncl nc .viii Chương1.T o ng qu an v e mã hó a v i de o 1.1 Mãhóavideodự đốn .7 1.1.1 Cáctiêu chuȁnmãhóavideotrướcđây 1.1.2 ChuȁnmãhóavideoH.264/MPEG-4AVC 1.1.3 ChuȁnmãhóavideoHEVC 10 1.2 Mãhó av ideophân t án 11 1.3 Cáckientrúcmãhóavideophântán 15 1.3.1 Kient r úc c b ả n c m ã h ó a v i de o p h â n t án 15 1.3.2 KientrúcmãhóavideoStanford 16 1.3.3 KientrúcmãhóavideophântánPRISM 19 1.3.4 SosánhkientrúcStanford vàkientrúcPRISM .21 1.3.5 KientrúcmãhóavideophântánDISCOVER 23 1.4 Cácv a n đ e đ an g đ ợ c n gh i ê n c u t ro n g m ã h ó a v i de o p h â n t án 28 1.4.1 Cảitienhi unăngnén .28 1.4.2 Cungc ap kh ả c h o n gl o i 32 1.4.3 Cungcapkhảnăngliênlớp 33 1.4.4 Mãhó av i deo phânt ánđ a gó c nhì n .33 1.5 Cáchướngnghiêncáutronglunán 34 1.6 Ketlunchương .35 Chương2.Cảitienhiunăngnénchomãhóavideo phânt n 36 2.1 Giớithiuchung .36 2.1.1 Cácnghi ê n c áu v e t hô ng tinp h ụ t rợ 38 MỤCLỤC ix 2.1.2 Cácnghi ê n c áu v e m hì nh n hi e u t ương qu an .40 2.1.3 Cácng hi ê n c u v e t y đ ő i k í c h t h ướ c n h ó m ả n h .43 2.2 Đexuat1:CảitienhiunăngnénchoDVCtạiphíamãhóa 45 2.2.1 Đtvanđe 45 2.2.2 PhươngphápthayđőikíchthướcGOP đexuat 47 2.2.3 ĐánhgiáhiunăngcủaphươngphápđexuatAGOP-DVC 53 2.3 Đexuat2:Cảitienhi unăngnénchoDVCtạiphíagiảimã 57 2.3.1 Đtvanđe 57 2.3.2 Kientrúcb®mãhóađexuatAdv-DVC 58 2.3.3 Cácmơ- đunm ãhó ađ e xuat m ới 59 2.3.4 Đánhgiáhiunăng 66 2.4 Ketlunchương .77 Chương3.Cảitienhiunăngnénchomãhóavideo phântánliênlp 79 3.1 Giớithiuchung .79 3.1.1 Mãhóavideol iênlớp 81 3.1.2 Mãhó av ideo phân tánl iên l ớp 85 3.2 Đexuat3:Tạothơngtinphụtrợdựatrênkythut kethợpảnhchoDSVC88 3.2.1 Kientrúcb®mãhóaDSVC-Fusion 88 3.2.2 Phươngpháptạothôngtinphụtrợdựatrênkythutkethợpảnh 92 3.2.3 Đánhgiáhiunăng 94 3.3 Đexuat4:Tạothôngtinphụtrợdựatrênkythu tSVM .97 3.3.1 Đtvanđe 97 3.3.2 Kientrúcb®mãhóaDSVC-SVM 97 3.3.3 Phươngpháptạothôngtin phụtrợdựatrênkythutSVM 100 3.3.4 Đánhgiáhiunăng .109 3.4 Ketlunchương 112 Ketlun 116 Cácc n g t r ì n h k h oa h o c .118 Tàil i utha m k h ả o 118