(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu và đánh giá chuẩn mã hóa video av1

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Trần Thanh Phong NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ CHUẨN MÃ HÓA VIDEO AV1 ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI – NĂM 2023 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Trần Thanh Phong NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ CHUẨN MÃ HÓA VIDEO AV1 Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 8.52.02.08 ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN THỊ THU HIÊN HÀ NỘI – NĂM 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đề án tốt nghiệp “Nghiên cứu và đánh giá chuẩn mã hóa video AV1” công trình nghiên cứu khoa học riêng tơi dưới sự chỉ dẫn TS Nguyễn Thị Thu Hiên Các số liệu đề án tính toán trung thực, khách quan, các tài liệu tham khảo trích dẫn từ nguồn tài liệu đáng tin cậy hợp pháp Trong quá trình nghiên cứu, học viên nhận nhiều sự giúp đỡ quý giá Khoa Sau Đại Học - Học viên Công nghệ Bưu chính Viễn thông, đặc biệt học viên xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới cô giáo hướng dẫn TS Nguyễn Thị Thu Hiên tận tình chỉ dẫn, định hướng nghiên cứu khoa học, giúp đỡ học viên quá trình nghiên cứu hồn thành đề án Hà Nợi, ngày tháng năm 2023 Người thực hiện Trần Thanh Phong MỤC LỤC ii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÃ HÓA VIDEO .3 1.1 Giới thiệu về mã hóa video 1.2 Các phương pháp mã hóa video 1.2.1 Phân loại các kỹ thuật nén video .4 1.2.2 Phương pháp mã hóa video dự đoán 1.2.3 Phương pháp mã hóa video phân tán 1.2.3 Sơ đồ tổng quát mã hóa video 1.3 Các chuẩn mã hóa video phở biến 1.1.1 Chuẩn H.264/AVC 1.1.2 Chuẩn H.265/HEVC 10 1.1.3 Chuẩn mã hóa VP9 11 1.4 Kết luận chương 12 CHƯƠNG 2: CHUẨN MÃ HÓA VIDEO AV1 13 2.1 Những điểm nổi bật về thiết kế tính mã hóa AV1 13 2.1.1 Phân vùng khới 15 2.1.2 Dự đoán nội ảnh 15 2.1.3 Dự đoán liên ảnh 16 2.1.4 Bộ lọc vòng 16 2.1.5 Biến đởi mã hóa 17 2.1.6 Mã hóa entropy .17 2.2 Cú pháp mức cao 17 2.3 Các kỹ thuật mã hóa video 19 2.3.1 Phân vùng khới mã hóa 19 2.3.2 Dự đoán nội ảnh 20 2.3.3 Dự đoán liên ảnh 29 2.3.4 Biến đởi mã hóa 35 2.3.5 Lượng tử hóa 37 2.3.6 Mã hóa Entropy .40 2.3.7 Bộ lọc vòng 41 2.3.8 Cấu hình, profile mức .44 2.4 Kết luận chương 46 CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÃ HÓA VIDEO CHUẨN AV1 SO VỚI CHUẨN HEVC .47 iii 3.1 Một số tham số sử dụng để đánh giá 47 3.1.1 PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) .47 3.1.2 Chỉ số tương đồng về cấu trúc (SSIM) 48 3.1.3 Thời gian mã hóa 48 3.1.4 Đại lượng Bjontegaard Delta 49 3.2 Khảo sát công cụ chạy thử nghiệm 50 3.2.1 FFMpeg 50 3.2.2 MediaInfor 51 3.2.3 Thông số kỹ thuật phần cứng 51 3.3 Một số kịch bản đánh giá kết quả 51 3.3.1 Thử nghiệm với video độ phân giải CIF 51 3.3.2 Thử nghiệm với video độ phân giải HD 58 3.3.3 Thử nghiệm với video độ phân giải 4K .61 3.3.4 3.4 Đánh giá kết quả các thử nghiệm .63 Kết luận chương 65 KẾT LUẬN 66 KIẾN NGHỊ 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO .67 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv Từ viết tắt AC Tiếng Anh Tiếng Việt Alternating Current Asymmetrical Discrete Sine Hệ số xoay chiều Biến đổi sin rời rạc không đối Transform Bose Chaudhuri Hocquenghem Content Adaptive Binary xứng Mã vòng BCH Mã hóa sớ học nhị phân Arithmetic Coding Context Adaptive Variable Length thích ứng ngữ cảnh Mã hóa đợ dài thay đổi thích Coding Blue Chrominance Constrained Directional ứng theo ngữ cảnh Không gian màu xanh Bộ lọc tăng cường hướng ràng CFL CTU Cr DBF DC DCT DST DVC EOB FIR HD GOP Enhancement Filter Chroma From Luma Coding Tree Unit Red Chrominance Deblocking Filter Direct Current Discrete Cosine Transform Discrete Sine transform Distributed Video Coding End of Block Finite Impulse Response High Definition Group of Picture HEVC High Efficiency Video Coding buộc Chroma từ Luma Đơn vị mã hóa Khơng gian màu đỏ Bợ lọc giải khới Hệ số một chiều Biến đổi consin rời rạc Biến đởi hình sin rời rạc Mã hóa video phân tán Vị trí cuối khối Đáp ứng xung hữu hạn Độ phân giải cao Nhóm ảnh Chuẩn mã hóa video hiệu IDTX Identity Transform International Organization for ADST BCH CABA C CAVLC Cb CDEF ISO ITU JCT-VC JPEG Standardization International Telecommunication Union Joint Collaborative Team on Video Coding Joint Photographic Expert Group cao Biến đổi định dạng Tổ chức tiêu chuẩn hóa q́c tế Liên minh Viễn thơng Q́c tế Nhóm hợp tác chung về mã hóa video Nhóm các chuyên gia hình ảnh v LDPC LRF LRU Low Density Parity Check Code Loop Restoration Filters Loop Restoration Unit MB Macroblock MPEG MSE MV OBU The Moving Picture Expert Group Mean Squared Error Motion Vector Open Bitstream Unit Overlapped Block Motion H264, H265 Nhóm chun gia ảnh đợng Sai sớ bình phương trung bình Vector chuyển đợng Đơn vị dòng bit mở Bù chuyển động khối chồng lên Compensation Peak Signal-to-Noise Ratio Predictive video coding Quantisation Parameter Recursive-based-filtering Rate Distortion Sample Adaptive Offset Super Block Self-guided Filter Structural Similarity Index True Motion Ultra-high Definition Resolution YUV4MPEG2 Wyner-Ziv Frame Tỉ sớ tín hiệu nhiễu đỉnh Mã hóa video dự đoán Tham số lượng tử Bộ lọc dựa đệ quy Độ méo tín hiệu Độ lệch thích ứng mẫu Siêu khối Bộ lọc tự dẫn Chỉ số tương đồng về cấu trúc Chuyển động thực Độ phân giải độ nét cực cao Định dạng video khơng nén Khung hình Wyner-Ziv OMBC PSNR PVC QP RBF RD SAO SB SGF SSIM TM UHD Y4M WZF Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp Bộ lọc khôi phục vòng lặp Đơn vị khôi phục vòng lặp Khối ảnh nén bản DANH MỤC CÁC BẢN Bảng 2.1: Phân loại OBU 18 Bảng 2.2: Các góc hỡ trợ dự đoán có hướng AV1 22 Bảng 2.3: Năm chế độ dự đoán nội ảnh đệ quy .25 Bảng 2.4: Danh sách các MV AV1 31 Bảng 2.5: Các loại chuyển đợng tồn bộ với tham số liên quan 33 Bảng 2.6: Mức cấu hình AV1 45 YBảng 3.1: Tham số các chuỗi video thử nghiệm 1………………………………….52 Bảng 3.2: Cấu hình mã hóa hai lần HEVC AV1 .52 Bảng 3.3: Kết quả thử nghiệm với video độ phân giải CIF 54 vi Bảng 3.4: Kết quả BD-PSNR BD-Rate HEVC AV1 video độ phân giải CIF 58 Bảng 3.5: Tham số chuỗi video thử nghiệm .58 Bảng 3.6: Kết quả thử nghiệm với video độ phân giải HD 59 Bảng 3.7: Kết quả BD-PSNR BD-Rate HEVC AV1 video độ phân giải HD 59 Bảng 3.8: Kết quả thử nghiệm với video độ phân giải 4K .61 DANH MỤC CÁC H Hình 1.1: Sơ đồ ngun lý tởng quát bợ mã hóa video Hình 1.2: Dòng thời gian phát triển các tiêu chuẩn mã hóa video YHình 2.1: Thành viênnh viên AOMedia……………………………………………………13 Hình 2.2: Sơ đồ khới mợt bợ mã hóa video kết hợp điển hình [11] 14 Hình 2.3: Cây phân vùng khới đệ quy AV1 19 Hình 2.4: Cấu trúc phân vùng khới 10 chiều AV1 20 Hình 2.5: Tám hướng sở dự đoán nội ảnh 21 Hình 2.6: 56 hướng dự đoán khác AV1 .22 Hình 2.7: Các mẫu tham chiếu sử dụng chế đợ dự đoán Paeth 24 Hình 2.8: Minh họa chế độ dự đoán bên đệ quy 25 Hình 2.9: Chế đợ dự đoán CfL 26 Hình 2.10: Thứ tự mã hóa mặt sóng các mã bảng màu 27 Hình 2.11: Khu vực dự đoán cho chế đợ Sao chép khới nợi ảnh 29 Hình 2.12: Vector chuyển đợng khơng gian tìm kiếm mẫu 30 Hình 2.13: Ước tính trường chuyển đợng phép chiếu tuyến tính 31 Hình 2.14: Dự đoán bù chuyển động tịnh tiến .32 Hình 2.15: Bù chuyển đợng khối chồng lên lần lượt sử dụng thông tin chuyển động cùng bên trái 34 vii Hình 2.16: Khung mã hóa hình nêm cho khới vng chữ nhật 35 Hình 2.17: Biến đởi phân vùng khới cho các khới liên kết hình vng hình chữ nhật 36 Hình 2.18: Kích thước bước lượng tử hóa các hệ số DC cho các độ sâu bit bên khác .39 Hình 2.19: Kích thước bước lượng tử hóa các hệ sớ AC cho các độ sâu bit bên khác .39 Hình 2.20: Quá trình bợ lọc vòng sử dụng AV1 41 Hình 2.21: Các điểm ảnh tại ranh giới khối biến đổi Đường đứt nét hiển thị các điểm ảnh gần ranh giới khối biến đổi 42 Hình 2.22: Dòng sớ k theo hướng từ đến khối 8x8 43 Hình 2.23: Ví dụ về bợ lọc Wiener chạm đối xứng 44 YHình 3.1: Giao diện cơng cụn cơng cụ Bjontegaard_etroa……………………………………49 Hình 3.2: Giao diện phần mềm FFMpeg .50 Hình 3.3: Giao diện phần mềm MediaInfor 51 Hình 3.4: Các khung hình đầu tiên ch̃i video thử nghiệm 52 Hình 3.5: Kết quả PSNR HEVC AV1 với video độ phân giả CIF 56 Hình 3.6: Kết quả SSIM HEVC AV1 với video đợ phân giải CIF .57 Hình 3.7: Khung hình đầu tiên ch̃i video HD 59 Hình 3.8: Kết quả PSNR, SSIM HEVC AV1 với video độ phân giải HD 60 Hình 3.9: Khung hình đầu tiên ch̃i video 4K .61 Hình 3.10: Kết quả PSNR, SSIM HEVC AV1 với video độ phân giải 4K 62