nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số dvb – t

Theo nguyên lý đó thì từ một ảnhquang học do camera thu được qua hệ thống ống kính, thay vì được đổi thành tínhiệu biến thiên tương tự như hình ảnh quang học nói trên cả màu sắc và độ ch

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, công nghệ truyền hình đang chuyển sang mộtbước ngoặt mới - Quá trình chuyển đổi từ công nghệ truyền hình tương tự sangtruyền hình số Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng thời đại “Video số, Truyền hình số”đã bắt đầu công nghệ tương tự đã hết thời nhường đường cho công nghệ số Côngnghệ truyền hình đang trải nghiệm một sự thay đổi lớn lao về chất Trên thực tế cácnhà sản xuất đã ngừng sản xuất các thiết bị truyền hình tương tự và vì thế thiết bịtương tự dần vắng bóng trên thị trường Trong tương lai không xa, các thiết bị sảnxuất chương trình, các máy phát hình, các thiết bị video, audio sẽ được thay thếbằng thiết bị số

Trên thế giới đã có rất nhiều nước đang bắt đầu áp dụng truyền hình số nhưMỹ, Nhật, các nước phương Tây và một số nước Châu Á khác Do vậy Đài truyềnhình Việt Nam cần phải có chiến lược phát triển truyền hình số để tránh tụt hậu vềcông nghệ và có điều kiện hội nhập với quốc tế

Vì những lý do trên cho nên em đã chọn đề tài này, tuy nhiên vì đây là mộtđề tài rộng và mới mẻ cho nên không thể tránh khỏi được những thiếu sót Vì vậyem rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn quantâm

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Viện ĐiệnTử Viễn Thông Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đặc biệt là thầy giáo NguyễnTiến Quyết đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp này

Chương 1:Hiện trạng và xu hướngphát triển của truyền hình số

1.1 Truyền hình số và những vấn đề đặt ra trên con đường chuyển đổi.

Truyền hình số là từ chỉ một hệ thống truyền hình mới, trong đó các thiết bị kỹthuật số đều làm việc theo nguyên lý kĩ thuật số Theo nguyên lý đó thì từ một ảnhquang học do camera thu được qua hệ thống ống kính, thay vì được đổi thành tínhiệu biến thiên tương tự như hình ảnh quang học nói trên (cả màu sắc và độ chói)mà nó sẽ được biến đổi thành một dãy tín hiệu nhị phân (là một dãy các số 0 và 1)

 Một số vấn đề cần đặt ra trên con đường chuyển đổi công nghệ từ

truyền hình tương tự sang truyền hình số.Vấn đề thứ nhất:

Lựa chọn độ phân giải cho một hình ảnh số Độ dài từ mã nhị phân là mộttrong những chỉ tiêu chất lượng của kỹ thuật số hóa tín hiệu, nó phải ánh mứcsáng tối, mầu sắc của hình ảnh được ghi nhận và chuyển đổi Về nguyên tắc độdài từ mã nhị phân càng lớn thì quá trình biến đổi càng chất lượng, nghĩa là nóđược xem như độ phân giải của quá trình số hóa

Tuy nhiên độ phân giải đó cũng chỉ đến một giới hạn nhất định nào đó làthỏa mãn khả năng của hệ thống kỹ thuật hiện nay cũng như khả năng phân biệtcủa mắt người Độ phân giải tiêu chuẩn hiện nay là 8 bit

Vấn đề thứ hai:

Lựa chọn tần số lấy mẫu Giá trị của tần số lấy mẫu đương nhiên là phản ánhđộ phân tích của hình ảnh số, nhưng mục đích của sự chọn lựa là tìm một số giátrị tối ưu giữa một bên là chất lượng và một bên là tính kinh tế của thiết bị

Vấn đề thứ ba:

Lựa chọn cấu trúc lấy mẫu Nếu coi hình ảnh số là tập hợp của các con số thìviệc sắp xếp, bố trí chúng theo một quy luật nào là có lợi nhất Mục đích của vấnđề là giảm tối thiểu của hiện tượng bóng, viền, nâng cao độ phân tích của hìnhảnh

Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 4

Vấn đề thứ tư:

Lựa chọn tín hiệu số hóa, kết hợp hay thành phần Đây chính là vấn đề liênquan đến chất lượng và tính kinh tế trên toàn bộ hệ thống, cả trước mắt cũng nhưlâu dài

Vấn đề thứ năm:

Lựa chọn giao diện số trong sản xuất khi truyền tín hiệu số từ thiết bị nàysang thiết bị khác cũng như từ phòng máy này sang phòng máy khác với khoảngcách vài mét đến vài trăm mét

Vấn đề thứ sáu:

Lựa chọn tiêu chuẩn chung về thiết bị cho cả hai hệ thống 625 và 525 dòngđể dễ dàng trao đổi chương trình quốc tế Điều đó chính là liên quan đến vấn đềchọn lựa tần số lấy mẫu và cấu trúc mẫu

Từ đó cho đến nay nhiều vấn đề lý luận và thực tiễn của quá trình số hóatruyền hình vẫn được tiếp tục nghiên cứu và phát triển đó là:

- Ghi dựng và lưu trữ hình ảnh số.- Tổng hợp hình ảnh số (kỹ xảo).- Số hóa các camera và máy thu hình ảnh.- Truyền dẫn và phát xạ hình ảnh số.

Vấn đề ghi dựng trên ổ đĩa cứng (hay còn gọi là dựng phi tuyến tính) hiệnnay đang là công nghệ kỹ thuật mới có nhiều ưu điểm như truy cập nhanh, kỹxảo phong phú, đảm bảo chất lượng, lưu trữ lâu dài, an toàn Nhưng hiện nay chiphí sản xuất còn lớn (Ví dụ: Một ổ đĩa cứng 9 Gbit nén ở tốc độ 50 Mbit/s ghiđược 24 phút tín hiệu hình có giá thành khoảng 2000 USD).Vì vậy việc ghidựng hình nói chung nhất là trong lĩnh vực lưu trữ thì công nghệ băng từ là chủyếu

Mô hình sau mô tả khái quát quá trình chuyển đổi công nghệ từ truyền hìnhtương tự sang truyền hình số Quá trình chuyển đổi công nghệ dựa theo nguyêntắc chuyển đổi từng phần và xen kẽ

Hình 1.1 Quá trình chuyển đổi công nghệ từ truyền hình tương tự sang

truyền hình số.

Khái niệm từng phần và xen kẽ được hiểu là sự xuất hiện dần dần các camerasố gọn nhẹ, các studio số, các phòng phân phối phát sóng số tiến đến một dâychuyền sản xuất hoàn toàn số

Mô hình trên cũng cho chúng ta một nhận xét rằng đến một giai đoạn nào đósẽ xuất hiện tình trạng song song cùng tồn tại cả hai hệ thống công nghệ khácnhau Đó là thời kỳ bắt đầu ra đời máy phát số và đồng thời là các máy thu hoàntoàn số và các bộ SET – TOP – BOX là các hộp chuyển đổi dành cho các máythu tương tự

Tại sao lại phải chuyển đổi từng phần và xen kẽ? Có mấy lý do cơ bản nhưsau:

- Chi phí tài chính.- Bảo đảm duy trì sản xuất và phát sóng thường xuyên

Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 6

Cam(Analog)

Studio(Analog)

Cam(Analog)

Studio(Digital)

Dựng(Analog)

Dựng(A/D)

Dựng(Digital)

Dựng(D/A)

Analog

Bộ chuyển

đổi

Digital

Máy thu AnalogMáy thu

Analog

Máy thu DigitalHộp

Set-top box

Khi bắt đầu xuất hiện mạng lưới máy thu số, nếu dự tính giá trị của một máythu số là 500 USD (Khi đã trở thành quảng bá) thì với 10 triệu máy thu số chiphí sẽ là 5 tỷ USD, chưa kể đầu tư cho các nhà máy sản xuất máy thu số mànhình phẳng.

Như vậy chúng ta thấy rằng chi phí chung cho việc chuyển đổi toàn hệ thốnglà rất lớn Điều đó giải thích vì sao công nghệ truyền hình số vẫn chưa trở thànhquảng bá như hệ thống viễn thông

Bảo đảm duy trì sản xuất và phát sóng thường xuyên:

Chúng ta còn thấy hệ thống truyền hình tương tự hiện nay vẫn đang sử dụng,chúng đóng góp một vai trò quan trọng trong việc sản xuất chương trình Giả sửcó một sự thay đổi đáng kể về trang thiết bị của phần trung tâm sản xuất chươngtrình trên một băng tần quy định (Trong công nghệ Analog chỉ cho phép phátmột chương trình trên một băng tần duy nhất) do đó hiệu quả đưa đến đối vớingười xem một cách rõ rệt nếu như mạng lưới máy thu vẫn là máy thu tương tự

Công nghệ truyền hình số chỉ có thể coi là hoàn thiện khi giải quyết đượcvấn đề nói trên

1.2 Những vấn đề cần quan tâm khi chuyển đổi từ truyền hình tương tựsang truyền hình số.

1.2.1 Khả năng chuyển đổi từ máy phát tương tự sang máy phát số.

Thực ra việc chuyển đổi là không hề đơn giản Nó phụ thuộc vào việc thiếtkế của các tầng khuếch đại và tầng kích của máy phát Nói chung thì các máy

phát số yêu cầu bộ khuếch đại có độ tuyến tính cao hơn so với máy phát tươngtự Cả bộ khuếch đại Klystron và Tube đều có khả năng thay đổi được, tuy nhiênđể đạt được sự tuyến tính với mức ổn định cao thì nên thay hẳn các tầng khuếchđại và tầng kích.

Với các tầng khuếch đại Tube, đòi hỏi công suất lớn để điều khiển nên nóichung việc chuyển đổi là tốn kém

Với các bộ khuếch đại Klystron, hệ số khuếch đại lớn hơn và yêu cầu côngsuất đầu vào thấp, nên việc thực hiện chuyển đổi sẽ rẻ hơn Và đối với bộkhuếch đại Klystron điều khiển theo xung thì phải bỏ đi các bộ tạo tín hiệu xungkhi thực hiện việc chuyển đổi

Các máy phát Solid state gồm nhiều module khuếch đại song song nhau Đólà các khối có hệ số cao do cấu tạo bởi nhiều bộ khuếch đại nối tiếp Nếu mộttrong các bộ khuếch đại song song này có khả năng khuếch đại số thì máy phátsử dụng chúng cũng có thể làm việc được với tín hiệu số

Với các ứng dụng số thì một điều rất đáng quan tâm trong giai đoạn thiết kếlà phải đảm bảo sao cho không có một tầng nào phải làm việc quá tải vì nó lànguyên nhân gây ra sự không tuyến tính Tất cả các tầng và đặc biệt là tầng kíchphải thật tuyến tính Tầng đầu ra thường là phần không tuyến tính nhất nên cầnphải có bộ tiền sửa lỗi Thật ra sửa lỗi này đều quan trọng đối với cả tín hiệu sốvà tín hiệu tương tự Các bộ sửa lỗi này cũng không thể làm việc với hiệu số,nên trong quá trình chuyển đổi cần phải thay thế Vì lý do này mà nhiều excitersử dụng việc sửa lỗi trong bộ điều chế, thực hiện việc Mapping trong exciter cầnphải tách các Symbol dữ liệu thành các phần thực và phần ảo bằng việc điềuchỉnh cả về biên độ và pha tại tầng này, có thể làm méo tín hiệu điều chế trước,sau đó ở tầng khuếch đại cuối cùng sẽ có quá trình ngược lại Quá trình này sẽlàm giảm méo sự không tuyến tính trong bộ khuếch đại

Trong mọi trường hợp bộ điều chế phải được thây thế bằng một bộ có khảnăng tạo tín hiệu đầu ra số Do những tần số IF của bộ exciter số chưa được tiêuchuẩn hóa nên đòi hỏi phải có sự thay đổi đối với bộ Upconverter

1.2.2 Thực hiện chuyển đổi.

Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 8

Với các máy phát có bộ khuếch đại kết hợp cả hình cả tiếng thì chỉ cần thayđổi bộ điều chế và bộ lọc tạo dao động nội Một bộ lọc thông dải đầu ra đượcyêu cầu thay thế cho các bộ lọc sóng ảo mang phụ, cần có bộ lọc thông này đểgiảm nhiễu với những dịch vụ của các kênh cận kề.

Còn các máy phát không kết hợp, cần bỏ đi bộ khuếch đại tiếng và bộkhuếch đại hình với tiếng sẽ được thay thế bằng một bộ lọc thông dải như trên.Tất nhiên là phải có một bộ điều chế số và một hệ thống sửa lỗi mới

1.2.3 Các vấn đề RF – Việc chia sẻ với các cơ sở Analog đang tồn tại.

Việc chia sẻ với các cơ sở đang tồn tại là hoàn toàn có thể, tuy nhiên cũng cónhững đòi hỏi về mặt kinh tế và kỹ thuật phải phù hợp Và khi đưa ra các dịchvụ số thì một điều đáng lưu ý là không gây ra những khó khăn không cần thiếttrước mắt những người xem tiềm năng

Các kênh dùng cho phát sóng từ một cơ sở cũ có thể được lựa chọn sao chogần với kênh Analog vì điều này sẽ giúp tái tạo sử dụng các hệ thống Anten cũđang sử dụng, tuy nhiên khi sử dụng các kênh cận kề thì cần quan tâm đến việcphát ngoài kênh, đặc biệt là các máy công suất lớn Một trong những nguyênnhân của việc phát sóng ngoài kênh danh định là sự không tuyến tính của các bộkhuếch đại công suất Trong các kênh kề cận việc phát ngoài kênh của máy pháttương tự sẽ được các máy thu số nhận thấy như là nhiễu đồng kênh

Các phương án nhằm làm giảm việc phát ngoài kênh vẫn đang được sử dụngđó là phải sử dụng các bộ lọc tại đầu ra máy phát hoặc sử dụng các bộ cộng lựachọn RF

Nếu sử dụng toàn bộ Anten hiện hành, có hai phương án chúng ta phải làm:

- Thứ nhất là sử dụng cộng RF cho cả nơi công suất cao và nơi công suất thứ

yếu.

- Thứ hai là phải dùng giải pháp thay thế cho các cơ sở thứ yếu, đó là sử dụng

các ứng dụng đa kênh.

1.2.4 Lưu ý về Anten công suất.

Khi phát sóng cần phải xem xét tất cả những đặc tính dù là bình thường ởphát số là rất khác

Lưu ý các bộ khuếch đại khi chuyển đổi sẽ không thể tạo ra một công suấtnhư trước Công suất đầu ra số hiệu dụng sẽ phải thấp hơn 7 – 10 dB so với côngsuất đỉnh tín hiệu sync ban đầu Tuy nhiên đây không phải là vấn đề đối vớiDVB – T vì công suất số thấp hơn – 15 đến – 20 dB so với công suất đỉnh synctín hiệu Analog hiện hành thì vẫn đạt được cùng một diện tích phủ sóng.

1.2.5 Sử dụng lại các anten đang dùng.

Các kênh được lựa chọn cho truyền hình số mặt đất phải ở trong hoặc gần sátvới dải thông của anten tương tự có thể đem lại một vùng phủ sóng chung cho cảhai dịch vụ Hầu như các anten thu hiện nay đều thích hợp Tuy nhiên việc giớihạn ERP (Efective Radiater Power) để bảo vệ các điểm phát sóng kênh tương tựhiện có khỏi bị xuyên nhiễu bởi các điểm hàng xóm lân cận có thể không đượcđảm bảo

Anten và các fido hiện có phải hỗ trợ tổng công suất ghép kênh bao gồm tấtcả các công suất đỉnh của các kênh số Với kiến trúc Cascading rất khó tạo ra sựkết hợp các kênh số và tương tự vì có sự suy hao khi phối hợp Trong trườnghợp này phải xác định suy giảm nhiễu tương đương (Equivalent NoiseDergadation)

a RF combining.

Trong nhiều trường hợp việc định vị dải phát hình số trong các kênh cận kềcủa các kênh phát hình Analog hiện hành sẽ rất có lợi Khi đó khả năng lựa chọncủa bộ cộng sẽ là điểm có tính quyết định khi xem xét việc đưa giải thông hữuích của tín hiệu DVB – T (7,63 Mhz) vào một kênh ITU – R (8 Mhz ở UHF)

Bộ cộng gồm các Coupler 3 dB (chia nửa), hai bộ lọc thông dải giống nhauvà một tải giả Bộ cộng có một đầu vào có khả năng lựa chọn gọi là “Dải hẹp”và một đầu vào “Dải rộng” Các bộ lọc thông dải được sử dụng cho các kênhđầu vào dải hẹp

Tín hiệu số sẽ được nối vào đầu vào dải hẹp và được tách ra hai đường bởimột bộ coupler 3dB rồi đi qua hai bộ lọc thông dải giống nhau Hai nửa tín hiệusau đó lại được cộng lại nhờ một bộ coupler 3 dB thứ hai trước khi gửi tới anten

Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 10

Bất kỳ tín hiệu nào từ bộ lọc hoặc tín hiệu Analog rò rỉ ra đều được xóa sạchnhờ tải.

Tương tự như vậy tín hiệu Analog được nối vào đầu vào dải rộng và cũngđược tách ra hai đường nhờ một bộ coupler 3 dB Tuy nhiên lúc này hai nửa tínhiệu được phản xạ từ các bộ lọc và kết hợp lại vẫn nhờ bộ coupler 3 dB đó trướckhi đưa ra anten

Các bộ lọc được yêu cầu phải lọc các tín hiệu số, khóa các kênh dải rộng vàđặc biệt là các kênh liền kề thì quan trọng Tuy nhiên dùng bộ lọc sẽ dẫn đến vấnđề trễ nhóm, đây chính là nguyên nhân của sự suy giảm tín hiệu, làm ảnh hưởngđến khả năng lựa chọn của chính các bộ lọc đó Nhằm tránh vấn đề này cần phảisử dụng một bộ tiến sửa dải gốc (baseband precorrector)

b Khuếch đại đa kênh.

Các mạng phát hình thứ cấp là tập hợp những máy có công suất thấp và cácbộ lọc repeater dùng để bao phủ hoàn toàn những trạm phát chính Chính việcdùng các kênh số trên kênh trạm thứ cấp nên cũng dẫn đến những vấn đề nhưtrạm phát chính Khuếch đại đa kênh là cách thức kết hợp kênh số có thể thựchiện với những coupler không cần khả năng lựa chọn nên chi phí rất thấp

Cách thức thực hiện nhờ các thủ tục sau:

- Thu các kênh nhờ các anten.- Lọc và chuyển đổi lại kênh đầu vào trung tần IF.- Xử lý trung tần

- Chuyển đổi RF.- Thực hiện coupling kênh có công suất thấp.- Khuếch đại công suất ghép kênh

c Dùng anten mới cho phát hình số mặt đất

Đầu tiên cần phải tìm một vị trí thích hợp cho anten mới dựa trên cấu trúc cộtanten hiện thời Trong nhiều trường hợp, độ mở tại cấu trúc hiện thời sẽ khôngphù hợp cho các anten UHF mới đòi hỏi về mặt cắt ngang Với những mặt cắtngang loại lớn này thiết kế cho dải rộng là rất khó

Tuy nhiên lợi thế chính là việc không dùng các bộ cộng RF công suất caonhưng hạn chế chính là chưa lọc được phát ngoài kênh Do đó cần phải sử dụngcác bộ lọc tại đầu ra máy phát, như vậy thì rất có thể vùng phủ sóng của anten sẽkhác so với anten Analog.

Cũng cần quan tâm về phối hợp dải thông và sự tương hợp của anten cũngnhư hạn chế ERP để bảo vệ các dịch vụ truyền hình tương tự, vì những lý do đónên việc chi phí cho anten mới là cao

1.3 Tổng quan về truyền hình số.1.3.1 Đặc điểm của truyền hình số.

Những năm gần đây các hãng và các tổ chức đang tập trung nghiên cứu, thiếtkế để đưa ra hệ thống truyền hình số Truyền hình số đang dần trở thành hiệnthực và sẽ dần thay thế hệ thống truyền hình tương tự

Tại sao truyền hình tương tự đang thịnh hành như vậy lại lu mờ trước truyềnhình số? Đó là do những đặc điểm của truyền hình số tỏ ra thế mạnh tuyệt đối sovới truyền hình tương tự Một số đặc điểm chính của truyền hình số như sau:- Tín hiệu số ít nhạy với các dạng méo xảy ra trên đường truyền

- Ít bị tác động của các nhiễu so với truyền hình tương tự.- Có khả năng phát hiện lỗi và sửa sai

- Tính linh hoạt, đa dạng trong quá trình xử lý tín hiệu (có hệ số nén rất lớn sovới tín hiệu tương tự)

- Tính phân cấp (kênh có thể được sử dụng chỉ phát một chương trình độ phândải cao hoặc một vài chương trình truyền hình tiêu chuẩn)

- Có thể truyền được nhiều loại hình thông tin khác nhau với cách xử lý giốngnhau

- Tiết kiệm được năng lượng, cùng với một công suất phát sóng, diện tích phủsóng rộng hơn so với công nghệ truyền hình tương tự

- Có thể khóa mã dễ dàng.- Dễ dàng thích nghi với các bước chuyển tiếp sang tín hiệu độ phân giải cao

hoặc phát thanh với chất lượng CD

Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 12

- Thị trường đa dạng, có khả năng cung cấp nhiều loại hình dịch vụ cho đôngđảo khán giả hoặc từng cá nhân.

- Tính tương tác hai chiều.- Cho phép thu di động.- Phù hợp với công nghệ VLL.- Chi phí khai thác thấp

- Hoàn toàn có khả năng hòa nhập vào xa lộ thông tin

1.3.2 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số.

Một hệ thống truyền hình số theo tiêu chuẩn có thể coi gồm 3 thành phầnchính sau:

Khối mã hóa và nénKhối ghép kênh và mã hóa truyền dẫn.Khối điều chế RF phát sóng.

Máy thu tương tự

Giải mã hóa nguồn

T/hTruyền

hình số

Giải mã hóa kênh

Giải điều chế số

T/hTruyền

hình sốT/h

Truyền hình tương tự

Biến đổi A/D

Mã hóa nguồn

Thiết bị phát

Mã hóa kênh

Điều chế số

Thiết bị thu

Dòng tín hiệu số sau đó được ghép kênh với tín hiệu điều khiển phụ tại bộghép kênh thành một dòng truyền Dòng tín hiệu này được ghép mã truyền dẫn,mã kênh và điều chế trước khi đưa ra anten phát.

Hệ thống thu:

Quá trình xử lý của hệ thống thu ngược lại với quá trình xử lý của hệ thốngphát Tín hiệu cao tần thu qua bộ tuner được giải điều chế cao tần Tín hiệu tầnsố thấp được giải mã hóa kênh, giải mã truyền dẫn rồi đưa đến bộ giải mã ghépkênh Tín hiệu được đưa đến bộ giải mã ghép kênh được đến bộ chuyển đổi D/Acủa Audio và Video và đưa đến máy thu phát tương tự

1.3.3 Đặc điểm của truyền hình số.a Yêu cầu về băng tần:

Yêu cầu về băng tần là một sự khác nhau rõ nhất giữa truyền hình số vàtruyền hình tương tự Truyền hình số yêu cầu băng tần rộng hơn

b Tỷ lệ công suất / Công suất tạp âm (Signal/Noise) – (S/N):

Một trong những ưu điểm lớn nhất của tín hiệu số là khả năng chống nhiễmtrong quá trình xử lý tại các khâu truyền dẫn và ghi

Với truyền hình số, nhiễu là các bit lỗi (VD: Xung “on” chuyển thành“off”)

Nhiễu trong truyền hình số được khắc phục nhờ các mạch và các mã sửa lỗi.Bằng các mạch này có thể khôi phục lại các dòng bit như ban đầu Khi có quánhiều bit lỗi sự ảnh hưởng của nhiễu được làm giảm bằng cách che lỗi

Tuy nhiên trong truyền hình quảng bá truyền hình số gặp phải vấn đề khókhăn khi thực hiện kiểm tra chất lượng ở các điểm trên kênh truyền Tại đây cầnphải sử dụng các bộ biến đổi tương tự - số Đây là công việc lớn có khối lượnglớn và phức tạp

c Méo phi tuyến:

Truyền hình số không bị ảnh hưởng bởi méo phi tuyến trong quá trình ghi vàtruyền

d Chồng phổ (Aliasing):

Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 14

Truyền hình số được lấy mẫu theo cả chiều thẳng đứng và chiều ngang, nêncó khả năng xảy ra chồng phổ theo cả hai hướng Theo chiều thẳng đứng chồngphổ trong hay hệ thống tương tự là như nhau Độ lớn của méo chồng phổ theochiều ngang phụ thuộc vào méo do chồng phổ theo chiều ngang, có thể thựchiện bằng cách sử dụng tần số lấy mẫu lớn hơn hai lần thành phần tần số caonhất trong hệ thống tương tự.

e Giá thành và độ phức tạp:

Mạch số luôn có cấu trúc phức tạp hơn mạch tương tự nên giá thành của thiếtbị số cao hơn nhiều so với thiết bị tương tự Nhưng với sự phát triển của cácngành công nghiệp truyền thông số và công nghiệp máy tính đã ra đời các mạchtích hợp cỡ lớn LSL (Large Scale Integration) và rất lớn VLS đã làm giảm giáthành của trang thiết bị số

f Xử lý tín hiệu:

Truyền hình số có thể xử lý và chuyển đổi tốt các chức năng mà hệ thốngtương tự không làm được hoặc gặp nhiều khó khăn Sau biến đổi A/D truyềnhình còn lại là một chuỗi các bit “0” và “1” do đó có thể thao tác các công việcphức tạp mà không làm giảm chất lượng hình ảnh Khả năng này được tăng lênnhờ việc lưu trữ các bit trong bộ nhớ và có thể đọc ra với tốc độ nhanh

Với truyền hình số cho phép các trạm truyền hình đồng kênh thực hiện ở mộtkhoảng cách gần nhau hơn so với hệ thống tương tự mà không bị nhiễu

g Hiệu ứng bóng ma (Ghost):

Hiện tượng này xảy ra trong hệ thống tương tự do tín hiệu truyền đến máythu theo nhiều đường Việc tránh nhiễu đồng kênh của hệ thống số cũng làmgiảm đi hiện tượng này trong truyền hình quảng bá

Chương 2Tổng quan về nén

2.1 Khái niệm chung2.1.1 Khái nhiệm chung.2.1.1.1 Định nghĩa

Nén tín hiệu số là biểu diễn tín hiệu số với số bít ít hơn nhưng thông tin phảiđược bảo toàn hoặc mất mát có thể chấp nhận được

Nén (mã hóa

dẫn lưu trữ

Giải nén (giải mã nguồn)

Phát Truyền dẫn hay lưu trữ Thu

+ Số bit/Symbol: Ví dụ cần 8 bit/pixel nén 2 bit/pixel (tỷ số nén 4:1,75%).

2.1.1.4 Bản chất của nén.

Khác với nguồn dữ liệu một chiều như nguồn âm, đặc tuyến đa chiều củanguồn ảnh cho thấy: Nguồn ảnh chứa nhiều sự dư thừa hơn các nguồn thông tinkhác Đó là:

* Sự dư thừa về mặt không gian (Spatial redundancy): các điểm ảnh kềnhau trong một mành có nội dung gần giống nhau

* Sự dưa thừa về mặt thời gian (Temporal redundancy): các điểm ảnh cócùng vị trí ở các mành kề nhau rất giống nhau

* Sự dư thừa về mặt cảm nhận của con người: Mắt người nhạy cảm hơnvới các thành phần tần số thấp và ít nhạy cảm với sự thay đổi nhanh, tần số cao.Do vậy, có thể coi nguồn hình ảnh là nguồn có nhớ

Nén ảnh thực chất là quá trình sử dụng các phép biến đổi để loại bỏ đi cácloại dư thừa và loại bỏ tính có nhớ của nguồn dữ liệu, tạo ra nguồn dữ liệu mớicó lượng thông tin nhỏ hơn Đồng thời sử dụng các dạng mã hoá có khả năng tậndụng xác suất xuất hiện của các mẫu sao cho số lượng bít sử dụng để mã hoá mộtlượng thông tin nhất định là nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo được chất lượng theo yêucầu

+ Thông tin cốt lõi tức là phần còn lại của entropy: Thông tin này có thểchia thành nhiều phần nhỏ khác nhau tuỳ theo mức độ quan trọng đối với sự cảmthụ của con người

b Nén không tổn hao :

c Nén có tổn hao. - Sau khi nén không tổn hao tín hiệu, kết quả được đem đi sàng lọc ra thôngtin không phù hợp và thông tin cốt lõi, ta lại tiếp tục loại bỏ những thông tinkhông phù hợp - Thông tin cốt lõi lại được tiếp tục sàng lọc để phân loại ra thông tin quantrọng hơn và thông tin ít quan trọng hơn để loại bỏ thông tin ít quan trọng

- Với một mảng hình lớn (tần số thấp) thì quan trọng hơn những hình chi tiết(tần số cao) - Nén càng nhiều chất lượng thông tin càng giảm Vì vậy tuỳ thuộc vào chấtlượng thông tin yêu cầu mà ta nén nhiều hay nén ít * Cơ sở toán học: - Nén không tổn hao + Tốc độ bit R = H +  R: Tốc độ bitH: entropy : Một số dương rất nhỏ tiến dần về 0 - Nén có tổn hao

2.2 Nén không tổn hao:Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 18

Độ dư thừaentropy

- Nén không tổn hao hay “mã hoá nguồn” là quy trình biểu diễn các ký hiệutrong dòng bit nguồn thành dòng các từ mã (Codeword) mỗi từ mã gồm một sốbit, sao cho giảm được tốc độ bit Mã hoá có hiệu quả càng cao thì số bit trungbình dùng biểu diễn một ký hiệu càng tiến gần giá trị entropy.

a Phân loại:

- Nén theo mô hình thống kê (mã hoá Symbol (VLC+RLC)).- Nén theo mô hình tự điển (không dùng trong phát thanh truyền hình)

b Mã hoá VLC (Variable Length Coding) - Mã hoá Huffman.

Trong các dạng mã hoá thì mã hoá Huffman là dạng được sử dụng phổbiến nhất Bảng mã Huffman có thể cho độ dài mã trung bình để mã hoá cho mộtmẫu là nhỏ nhất do tận dụng được xác suất xuất hiện cao nhất sẽ được gắn vớimột từ mã có độ dài ngắn nhất Mặc dù có độ dài mã thay đổi song mã Huffmanvẫn có khả năng giải mã đúng do có thuộc tính tiền tố duy nhất (không có bất cứtừ mã nào là phần đầu của từ mã tiếp theo)

Phương pháp mã hoá Huffman sẽ trở nên nặng nề khi số tin của nguồn quálớn Trong trường hợp này, người ta dùng một biện pháp phụ để giảm nhẹ côngviệc mã hoá Trước tiên liệt kê các tin của nguồn theo thứ tự xác suất giảm dần.Sau đó ghép thành từng tin có tổng xác suất gần bằng nhau Dùng một mã để mãhoá các tin trong cùng một nhóm Sau đó xem nhóm tin như một khối tin vàdùng phương pháp Huffman để mã hoá các khối tin Từ mã cuối cùng tương ứngvới mỗi tin của nguồn gồm hai phần: Một phần là mã Huffman và một phần làmã đều Mã Huffman chỉ tối ưu khi đã biết trước xác xuất của mã nguồn và mỗibiểu trưng của mã nguồn được mã hoá bằng số bit nguyên

Một Symbol (8 bít) có 256 Symbol khác nhau, có những Symbol xuất hiệnnhiều, có những Symbol xuất hiện ít Những Symbol xuất hiện nhiều thì gán chotừ mã có độ dài bít ngắn hơn những Symbol xuất hiện ít Trong một dòng bít, lấyxác suất xuất hiện của các Symbol để gán mã, kết quả cho một dòng ít ngắn hơnnhưng vẫn đảm bảo được thông tin đầy đủ

c Mã hoá RLC (Run Length Coding)

- Loại mã hoá này chính là các ký hiệu nguồn (hoặc các ký hiệu ở đầu racủa bộ lượng tử) có độ dài thay đổi được mã hoá thành các từ mã có độ dài cốđịnh, tiếp tục mã hoá các từ mã này thành lần nữa bởi mã hoá Huffman Loại mãhoá này được áp dụng nhiều trong các phương pháp ảnh tĩnh, nén Video.

Mã hoá RLC rất hiệu quả khi gặp một loại các ký hiệu giống nhau (RUN)xuất hiện liên tiếp (Ví dụ: 100 bit 0 liền nhau được biểu diễn: (0,100); 80 bit 1liền nhau được biểu diễn: (1,80) Tóm lại: Mỗi “Run” được biểu diễn bằng mộtcặp (LEVEL, RUN), trong đó: LEVEL biểu thị giá trị 1 bít hay 1 ký hiệu; RUNbiểu thị số lần lặp lại của một bít hay một ký hiệu

Các từ mã sau khi được mã hoá RLC thì lại được mã hoá VLC (Mã hoáHuffman)

2.3 Nén có tổn hao.

Nguyên lý hệ thống nén và giải nén (mã hoá và giải mã) có tổn haođược mô tả như sau:

Hình 2.2: Hệ thống nén và giải nén có tổn hao.2.3.1 Bộ biến đổi T (Transformer).

Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 20

Dòng bit chưa nén

BIẾN ĐỔI T

MÃ HÓA C

bit nénLượng tử

hóa Q

GIẢI MÃ D

Giải lượng tử

R

BIẾN ĐỔI NGƯỢC

T-1

Dòng bit giải nén

Dòng bit chưa nén

Hệ thống nén có tổn hao

Hệ thống giải nén có tổn hao

Bộ biến đổi T áp dụng một phép biến đổi 1-1 đối với số liệu đầu vào Ở đầura bộ biến đổi T thì có một cách biểu diễn số liệu thích hợp hơn để nén Về phíagiải nén, ta có bộ biến đổi ngược T-1, với chức năng ngược một số phép biến đổitiêu biểu được liệt kê sau đây:

a Biến đổi dự đoán tuyến tính (Linear Predictive Transfrom)

* Điều xung mã vi sai DPCM (Differrentral Lulse Modulation)

b Biến đổi Unita (Unitary Transform).

Biến đổi Unita là biến đổi tín hiệu số trong miền thời gian (tín hiệu Audiosố) hoặc trong miền không gian 2D (ảnh tĩnh) thành các hệ số trong miền tần số.Biến đổi DCT là một trường hợp của biến đổi Unita

Biến đổi DCT (Disscrete Cosine Transform) là dựa vào phép biến đổiFourier để chuyển mảng ảnh từ không gian 2 chiều sang miền tần số, để thấyđược tần số cao ở đâu và tần số thấp ở đâu, để sau đó loại bỏ tần số cao

c Biến đổi đa phân giải.

Biến đổi đa phân giải là chia tín hiệu thành tập các tín hiện con có độ phângiải khác nhau

Sai số dự đoán

bộ dự đoán

Dự đoán fn = fn-1

fn

Một số biến đổi tiêu biểu:

+ Mã hóa giải con (Subband Coding)+ Biến đổi Wavelet

2.3.2 Lượng tử hóa Q (Quantizer) và bộ giải lượng tử hóa R.

- Lượng tử hóa là quá trình biểu diễn một tập giá trị liên tục ở ngõ vào bằngmột lượng giới hạn các ký hiệu ở ngõ ra Đây chính là khâu gây ra tổn hao khiloại bỏ thông tin không phù hợp (độ dư thừa tâm lý) hay thông tin ít quan trọngvà dĩ nhiên phải chấp nhận một độ méo (độ suy giảm chất lượng) nhất định Vềphía giải nén ta có bộ giải lượng tử với chức năng ngược lại

- Có thể phân biệt hai lượng tử chủ yếu: + Lượng tử vô hướng (Scalar Quantization) là lượng tử từng giá trị một cáchđộc lập

+ Lượng tử vectơ (Vector Quantization) là quá trình biểu diễn một tập Vector(mỗi vector gồm nhiều giá trị) bằng một số hữu hạn các ký hiệu ngõ ra

- Lượng tử hóa có thể được áp dụng cho các giá trị trong miền thời gian,không gian cũng như các hệ số trong miền tần số

2.3.3 Mã hóa (Coder) và giải mã D (Decoder).

Bộ mã hóa có hai nhiệm vụ:- Loại bỏ dư thừa trong các ký tự ở ngõ ra bộ lượng tử hóa.- Ánh xạ các ký tự này thành các từ mã hợp thành dòng bit ra Bộ mã hóa nàychính là bộ mã hóa ký hiệu - mã hóa entropy vì sử dụng mô hình thống kê để mãhóa Các loại mã hóa thông dụng thường được sử dụng là VLC, RLC ở phía giảinén ta có bộ giải mã D với chức năng ngược lại

2.3.3.1 Mã hóa dự đoán (Predictive coding).

Nguồn ảnh chứa một thông tin rất lớn, nếu mã hóa trực tiếp nguồn tin này theoPCM, tốc độ dòng bít thu được sẽ rất cao Mặt khác, nguồn ảnh lại chứa đựng sự dưthừa và tính “có nhớ”, giữa các điểm ảnh lân cận có mối quan hệ tương hỗ với nhau.Do đó mã hóa dự đoán được xây dựng trên nguyên tắc cơ bản sau:

Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 22

* Lợi dụng mối quan hệ tương hỗ này, từ các giá trị điểm ảnh lân cận, theomột nguyên tắc nào đó có thể tạo nên một giá trị gần giống điểm ảnh hiện hành.Giá trị này gọi là giá trị “dự báo”.

* Loại bỏ đi tính “có nhớ” của nguồn tín hiệu bằng một bộ lọc đặc biệt cóđáp ứng đầu ra là hiệu giữa tín hiệu vào s(n) và giá trị dự báo cho nó

* Thay vì lượng tử hóa trực tiếp các mẫu điểm ảnh, mã hóa dự đoán lượngtử và mã hóa các “sai số dự báo” tại đầu ra bộ lọc

“Sai số dự báo” là sự chênh lệch giữa trị dự báo và giá trị thực sự của mẫuhiện hành Do nguồn “sai số dự báo” là nguồn không có nhớ và chứa đựng lượngthông tin thấp, nên số bít cần mã hóa sẽ giảm đi rất nhiều

Phương pháp tạo điểm ảnh dựa trên tổng giá trị của các điểm dự đoán và sai

số dự báo gọi là “Điều xung mã vi sai - DPCM”.

Hình 2.3 Bộ mã hóa DPCM

Bộ dự đoán+

2.3.3.2 Mã hóa chuyển đổi (Transform Coding).

Trong phương pháp mã hóa chuyển đổi, tính có nhớ của nguồn tín hiệu đượcloại bỏ đi bằng một phép biến đổi Một khối các điểm ảnh được chuyển sang miềntần số theo một ma trận biến đổi phù hợp Từ khối N giá trị mẫu điểm lân cận s ={s(n), s(n+1) s(n-N+1)}, thu được khối N hệ số c = (c1,c2 cN ) Phép biến đổinày có tính thuận nghịch, các hệ số này hoàn toàn có thể hồi phục thành giá trịtín hiệu ban đầu bằng phép chuyển đổi ngược

So với giá trị thực của điểm ảnh, nguồn các hệ số là không có nhớ Mặt khácthông tin của nguồn ảnh tập trung phần lớn ở các thành phần tần số thấp nêntrong khối các hệ số, thông tin cũng tập trung tại một số ít các hệ số chuyển đổici Do vậy sẽ giảm được lượng bít nếu mã hóa số này thay cho việc mã hóa trựctiếp các mẫu Số lượng bít mã hóa còn có thể giảm hơn nữa nếu lợi dụng đặcđiểm của mắt người không nhạy cảm với sai số ở tần số cao Bởi vậy, có thể sửdụng bước lượng tử thô cho các hệ số ứng với tần số cao mà không làm giảm sútchất lượng ảnh khôi phục

Hình 2.5a Quá trình mã hoá chuyển đổi hai chiều.

Hình 2.5b Quá trình giải mã chuyển đổi hai chiều.

Ảnh số được chia thành các khối cỡ p x q Các khối này sẽ được chuyển đổisang miền tần số Các hệ số biến đổi sẽ được lượng tử hóa và mã hóa Quá trình

Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 24

entropy

pqBpxq

giải mã sẽ được áp dụng phép biến đổi ngược đối với các hệ số để khôi phục ảnhban đầu.

Trong mã hóa chuyển đổi, một điều vô cùng quan trọng là phải chọn đượcphép biến đổi phù hợp có khả năng giảm tối đa mối quan hệ tương hỗ giữa cácđiểm ảnh trong cùng một khối Bản thân phép biến đổi trong mã hóa chuyển đổikhông nén dữ liệu Song nếu lượng tử hóa các hệ số, rất nhiều hệ số tần số cao sẽquy tròn về giá trị 0 Việc lựa chọn bảng lượng tử và số bit mã hóa cho các hệ sốcũng rất quan trọng do phần lớn hiệu suất nén dữ liệu tập trung trong quá trìnhnày Cuối cùng mã hóa entropy được chọn để giảm tối đa tốc độ dòng bít

Phép biến đổi tốt nhất cho bình phương sai số của ảnh khôi phục nhỏ nhất làphép biến đổi Karhumen - Loeve (KL) nhưng phép biến đổi này không phù hợpcho nhiều ứng dụng của ảnh số Do vậy, trong nén ảnh số sử dụng phổ biến chomột phép biến đổi khác gọi là “phép biến đổi cosin rời rạc” Biến đổi cosin mộtchiều (1D - DCT) dành cho một dãy các điểm ảnh Việc chuyển đổi một khối n xm điểm ảnh sang miền tần số được thực hiện bằng chuyển đổi DCT 2 chiều (2D- DCT)

Chương 3Một số công nghệ nén

Công nghệ nén được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là: Điều xung mã vi sai(Differrential pulse code modulation) và mã hóa chuyển đổi (Transform Coding -TC)

3.1 Nén Video: Điều xung mã vi sai DPCM (Differrential Pulse Code Modulation)

Đây là phương pháp nén ảnh hiệu quả, nguyên lý cơ bản của phương phápnày là: Chỉ chuyển tải tín hiệu vi sai giữa mẫu và cho trị dự báo (được tạo ra từcác mẫu trước đó)

3.1.1 Xử lý giải tương hỗ trong công nghệ DPCM.

Hầu hết các cách thức nén ảnh đều sử dụng vòng lặp DPCM Công nghệDPCM thực hiện loại bỏ tính có nhớ và các thông tin dư thừa của nguồn tín hiệubằng một bộ lọc đặc biệt có đầu ra là hiệu số giữa mẫu đầu vào và giá trị dự báocủa chính nó Nếu các điểm ảnh biến đổi đồng đều thì giá trị vi sai gần 0, còn cácảnh có nhiều chi tiết thì giá trị sai số dự báo có thể lớn Khi đó có thể lượng tửhóa chúng bằng bước lượng tử cao do đặc điểm của mắt người không nhạy cảmvới những chi tiết có độ tương phản cao, thay đổi nhanh Sự giảm tốc độ bit ởđây thu được từ quá trình lượng tử hóa và mã hóa

3.1.2 Kỹ thuật tạo dự báo.

Nếu trực tiếp lượng tử hóa, mã hóa các mẫu của một nguồn ảnh với đầy đủthông tin dư thừa và quan hệ tương hỗ giữa các điểm ảnh thì hiệu suất nén sẽ rấtthấp do lượng thông tin của nguồn quá lớn Do vậy, trong các công nghệ nén cầnloại bỏ đi tính có nhớ của nguồn tín hiệu tức là thực hiện “giải tương hỗ”(decorelation) giữa các điểm lân cận nhau

Trong công nghệ nén “Điều xung mã vi sai” DPCM, quá trình giải tương hỗđược thực hiện bằng một bộ lọc có đáp ứng đầu ra là một hiệu số giữa các mẫuđiểm liên tiếp đầu vào và một giá trị “dự báo” của mẫu điểm đó tạo được dựatrên các giá trị mẫu lân cận theo một quy tắc nhất định

Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 26

3.1.2.1 Sai số dự báo (Prediction Error).

Bộ tạo dự báo có nhiệm vụ tạo ra giá trị điểm tiếp theo từ giá trị các điểm đãtruyền tải trước đó có được lưu trữ Quá trình tạo dự báo càng tốt thì sự sai khácgiữa giá trị thực của mẫu hiện hành và trị dự báo cho nó (sai số dự báo - yếu tốđánh giá chất lượng dự báo) càng nhỏ Khi đó tốc độ dòng bít càng được giảmnhiều

Phân biệt sai số dự báo và sai số lượng tử * Sai số dự báo (Prediction) chỉ sự chênh lệch giữa giá trị dự báo và giá trịthực Nó không làm tổn thất thông tin dẫn đến suy giảm chất lượng ảnh Giá trịsai số này quyết định đến tốc độ bit giảm đi nhiều hay ít, tức ảnh hưởng đến hiệusuất nén

* Sai số lượng tử (Quantization Error) là sai số đặc trưng cho sự tổn thất dữliệu dẫn đến làm suy giảm chất lượng ảnh phục hồi

Chất lượng tạo dự báo bằng màn hiển thị tín hiệu sai số dự báo, ảnh tạođược càng đen tức giá trị tín hiệu này càng nhỏ và việc tạo dự báo càng chínhxác

3.1.2.2 Tạo dự báo cho ảnh truyền hình - các phương thức thực hiện.

Dự báo cho ảnh truyền hình được thực hiện với dòng dữ liệu ảnh đơn thuần(không chứa đựng tín hiệu âm thanh) Phương pháp quét điển hình trong truyềnhình là quét các dòng, các dòng không được quét liên tiếp nhau mà chia làm haimành: mành chẵn chứa thông tin của dòng chẵn, mành lẻ gồm các dòng lẻ xuấthiện giữa hai mành chẵn liên tiếp nhau Một khung (frame) tương ứng với mộtảnh sẽ gồm một mành chẵn và một mành lẻ kề nhau Từ phương pháp quét đócác phương pháp tạo dự báo sau:

* Tạo dự báo trong mành (Intrafield Prediction):Chỉ sử dụng các điểm thuộc nửa ảnh (một mành) để tạo dự báo Dự báotrong mành không tận dụng được quan hệ giữa các điểm ảnh lân cận nhau theochiều đứng nên có thể cho sai số dự báo cáo

* Tạo dự báo trong ảnh (Intraframe Prediction):

Với sự hỗ trợ của một bộ nhớ mành, dự báo trong ảnh sử dụng tất cả cácđiểm thuộc cả hai mành của một khung để tạo dự báo Như vậy, sẽ lợi dụng đượcquan hệ tương hỗ của các điểm lân cận theo cả phương ngang và phương đứngnên dự báo chính xác hơn, cho sai số dự báo nhỏ hơn.

* Tạo dự báo liên mành (Interfield Prediction): Phương pháp tạo dự báo này sử dụng cả khung hiện hành và khung thamchiếu khác Dự báo liên mành chỉ sử dụng một mành (chẵn hoặc lẻ) ở các khungkhác nhau

* Tạo dự báo liên ảnh (Interframe Prediction):Phương pháp này sử dụng cả hai mành ở các ảnh kề nhau

3.1.2.3 Tạo dự báo Intra (Intra Prediction).

Đối với dự báo Intra, giá trị dự báo của điểm hiện hình sẽ là tổng giá trị cácđiểm lân cận a, b, c, d của nó theo một trọng số xác định

Điểm được mã hoáĐiểm sử dụng cho dự báob

S (n) = ka.s(a) + kb s(b) + kc s(d) Thông thường ka + kb + kc = 1 vì giá trị điểm truyền tải thường không vượtquá giá trị trung bình xung quanh.

Nếu ka = 1, kb = kc = kd = 0 ta có dự báo một chiều (1-D prediction) Dựbáo này cho giá trị tốt nếu ảnh có rìa theo chiều ngang Nếu ảnh có rìa đứng(theo chiều ngang giá trị ảnh biến đổi nhiều) thì sai số tạo ra sẽ lớn

Như vậy, dự báo 1-D prediction sẽ cho sai số dự báo nhỏ nếu rìa ảnh đúngchiều dự báo Bộ tạo dự báo hai chiều (2-D prediction) sử dụng tất cả các giá trịa,b,c,d theo luật trọng số lớn tập trung cho điểm sát bên trái điểm cần dự báo Dựbáo 2D tốt cho ảnh bề mặt (tức ảnh không có sự thay đổi theo rìa) Nếu ảnh có sựthay đổi rõ rệt giá trị các điểm ảnh theo một đường rìa nhất định thì dự báo 2-Dcho sai số dự báo lớn hơn khi sử dụng dự báo 1-D có chiều phù hợp

Mành chẵnMành lẻ

b c d bbb b

Hình 3.2 Dự báo trong mành hai chiều đơn giản.

Do vậy, trong nén ảnh số, có một phương pháp tạo trị dự báo sử dụng kếthợp tất cả các loại dự báo intra gọi là “dự báo thích nghi”

* Tạo dự báo thích nghi:Trong phương pháp tạo dự báo này, tuỳ thuộc vào đặc điểm của từng vùngảnh, sẽ có sự lựa chọn bộ tạo dự báo phù hợp Đối với vùng ảnh có rìa đứng, sửdụng dự báo 1-D theo chiều đứng Nếu vùng ảnh có rìa ngang, dùng dự báo 1-Dngang, còn vùng ảnh bề mặt (sự biến đổi giá trị điểm ảnh theo hai chiều là nhưnhau) thì phù hợp với dự báo hai chiều

Luật tạo dự báo này thích nghi theo tín hiệu nên chất lượng dự báo rấtcao, sai số báo nhỏ Nếu quan sát ảnh tạo bởi tín hiệu sai số dự báo thích nghi tasẽ thấy mức ảnh đen của ảnh rất cao hơn khi sử dụng các phương pháp tạo dự báoriêng rẽ Ảnh quan sát được từ nguồn tín hiệu sai số dự báo càng đen tức tín hiệusai số dự báo càng nhỏ và quá trình dự báo càng chính xác

Dự báo thích nghi đơn giản nhất là trong trường hợp chỉ phải lựa chọngiữa hai bộ tạo dự báo một chiều theo phương ngang và phương thẳng đứng Khiđó, một phép so sánh giá trị điểm ảnh theo hai phương thực hiện, nếu sự biến đổigiá trị ảnh lân cận theo chiều nào lớn hơn, bộ tạo dự báo theo chiều đó được sửdụng

3.1.2.4 Tạo dự báo Inter.

Việc tạo dự báo Inter sẽ có chất lượng cao hơn nếu sử dụng nhiều điểm ảnhcó cùng toạ độ (x,y) trong một chuỗi ảnh liên tiếp nhau Trong dự báo này cókhái niệm “bù chuyển động” Tạo dự báo Inter có bù chuyển động được sử dụngtrong các công nghệ nén cao Phương pháp tạo dự báo này sẽ được đề cập chi tiếtkhi nói về chuẩn nén MPEG

Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 30

3.1.2.5 Sự giảm tốc dòng bit từ việc tạo giá trị dự báo.

Bằng một số phép toán, chúng ta có thể thấy được hiệu suất của công nghệDPCM so với lượng tử và mã hóa trực tiếp biên độ các điểm ảnh nhờ PCM tuyếntính Nếu biến đổi PCM tuyến tính các điểm ảnh để có trung bình bình phươngsai số lượng tử 2

q chúng ta cần một dòng số có tốc độ:RPCM = (1/6)*10*log {2

PCM / 2 } + C1.Với 2

PCM là năng lượng một chiếu tín hiệu ảnh.C1 là hằng số phụ thuộc vào lượng tử hóa và mật độ phân bố.Tương tự, tốc độ dòng bit của DPCM cùng với giá trị trung bình bìnhphương sai số (MSE - Mean Square Error) 2(q) cho phép là:

RDPCM = (1/6)*10*log {2

DPCM / 2

q} + C2.2

DPCM là năng lượng một chiều tín hiệu sai số dự báo.C2 là hằng số phụ thuộc quá trình lượng tử hóa các biên độ vi sai.Như vậy: RPCM - RDPCM = (1/6)*10*log{2

PCM / 2

DPCM} + C1 - C2.Trong công nghệ DPCM do sử dụng mã hóa Entropy (mã hóa Huffman)nên giá trị hằng số C2 < C1 Mặt khác, năng lượng tín hiệu ảnh 2

PCM là rất lớnhơn năng lượng tín hiệu vi sai 2

DPCMcho nên tốc độ dòng bít giảm dần đi nhiềunếu sử dụng điều xung mã vi sai Đó là hiệu suất nén của công nghệ DPCM

3.1.3 Lượng tử hóa sai số dự báo.

Giá trị biên độ vi sai phụ thuộc vào tính chất ảnh Trong vùng ảnh thuầnnhất, giá trị này thường nhỏ Đối với các rìa ảnh và ảnh có nhiều chi tiết, giá trịdự báo kém chính xác dẫn đến sai số dự báo sẽ tăng lên Do những đặc điểm này,nếu sử dụng bộ lượng tử hóa tuyến tính với một bước lượng tử, sẽ gây nhiều lỗi: - Tại vùng ảnh thuần nhất, giá trị dự báo vi sai xấp xỉ bằng 0, bước lượng tửgây ra nhiễu hạt

- Tại vùng ảnh có rìa hoặc nhiều chi tiết, bậc độ tương phản giữa các điểmảnh cao dẫn tới một số giá trị sai số dự báo lớn làm quá tải thang lượng tử Độdốc tín hiệu giải mã không theo kịp độ dốc tín hiệu thực tế tại các rìa Bởi vậycác nét ảnh không rõ ràng, nhoè nhoẹt

Tất cả các vấn dề này sẽ được giải quyết nếu sử dụng bộ lượng tử phituyến có bước lượng tử lớn dần theo độ lớn mẫu đưa vào lượng tử Mặc khác sửdụng lượng tử hóa phi tuyến còn tận dụng được đặc tính của mắt người là kémnhạy cảm với các sai số tại vùng ảnh rìa và có nhiều chi tiết, do vậy tiết kiệmđược số bit cần dùng để mã hóa thông tin.

3.1.4 Khái niệm bù chuyển động (Motion Compensation) và vector chuyểnđộng (Motion Vector ).

Trong dòng tín hiệu video thông thường, các khung liền nhau thường giốngnhau Do vậy trong dự báo Interframe một chiều (tức lấy khung liền trước làmảnh dự báo cho khung liền sau), giá trị dự báo rất gần giá trị ảnh thực tế dẫn tớisai số dự báo nhỏ, tốc độ dòng bit dữ liệu nhỏ

Khi có chuyển động xảy ra, các điểm có cùng vị trí trong hai khung liềnnhau là rất đặc biệt Do vậy sai số dự báo sẽ tăng lên, tốc độ bít tăng lên và hiệusuất nén giảm Với trường hợp ảnh động, nếu chọn ảnh dự báo là khung liềntrước sẽ không hợp lý Để tạo một khung dự báo tối ưu ở đây ta phải sử dụngkhái niệm “Bù chuyển động” (Motion Compensation)

Quá trình tìm kiếm hướng chuyển động của vật thế là “ước lượng chuyểnđộng” (Motion Estimation) Kết quả về sự chuyển dịch của vật thể theo haihướng x, y được phản ánh bằng giá trị vector gọi là “vector chuyển động”(Motion Vector)

Khi có chuyển động, ảnh dự báo không phải là ảnh kề trước đó mà là ảnh cóbù chuyển động

Giá trị sai số dự báo:

P = khung trước đó - khung hiện hành + vector chuyển động.Nên vẫn giữ được giá trị rất nhỏ Nếu quan sát sai số dự báo, ta dễ thấyđược chất lượng dự báo có bù chuyển động Ảnh tạo bởi tín hiệu sai số biến đổicó bù chuyển động đen hơn rất nhiều với trường hợp dự báo không bù chuyểnđộng

Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 32

3.1.5 Ước lượng chuyển động bằng phương pháp tìm kiếm khối tương đồng(Block Matching).

Có nhiều thuật toán “ước lượng chuyển động” nhưng sử dụng phổ biến nhấtlà “Block Matching” Kỹ thuật “Block Matching” dự đoán chuyển động của mộtkhối kích thước (n x m) điểm ảnh trong khung hình hiện tại bằng sự tương quanvới các điểm ở khung hình trước và sau đó Khối này được so sánh với khốitương ứng bằng cách tìm kiếm trong vùng kích thước (m + 2p) x (n + 2p) ởkhung hình trước hoặc sau đó

Hình 3.3 Vector chuyển động giữa hai khung kế tiếp.

Trong các hệ thống triển khai MPEG điển hình, match block (hay còn gọi làMacroblock) là 16 x 16 điểm và thông số p = 6 có nhiều kỹ thuật BlockMatching cho dự đoán vector chuyển động đã được phát triển và có giá trị trongkhoa học như:

1 Giải thuật tìm kiếm vét cạn.2 Giải thuật ba bước tìm kiếm.3 Giải thuật tìm kiếm logarit hai chiều.4 Giải thuật tìm kiếm hai hướng liên hợp.5 Giải thuật tìm kiếm một chiều song song có thứ bậc.6 Giải thuật kết cấu có phân tầng, phân loại khác nhau giữa các điểm ảnh

Khung trước (n)

Vùng tìm kiếm Khung hiện hành

Những kỹ thuật Block Matching cho dự đoán chuyển động để tìm kiếmvector chuyển động bằng giá trị hàm nhỏ nhất, có giá trị hàm sau:

a Hàm giá trị chênh lệch tuyệt đối (MAD: Mean - Absolute - Difference).

Trong đó: F(i, j) đại diện Macroblock (m, n) từ khung hình hiện tại

G(i, j) Đại diện cho Macroblock giống nhau từ khung hìnhtham khảo (quá khứ hoặc tương lai)

(dx, dy): Đại diện cho vector tìm kiếm địa phương Đối với hệ thống MPEG điển hình, có m = n = 16, p = 6 thì hàm MAD trởthành:

b Giá trị chênh lệch bình phương (MSD: Mean S quared D ifference)

c Hàm tương quan giao nhau (CCF).

Trong đó, hàm giá trị chênh lệch tuyệt đối được xem như ứng cử tốt nhấtcho các ứng dụng của video vì nó dễ thực hiện trong phần cứng Hàm MSD vàCCF có hiệu quả tuy nhiên quá phức tạp để thực hiện phần cứng

Để giảm bớt tính toán phức tạp các giá trị hàm MAD, MSD, CCF thìGhavani và Mills đã đề nghị tiêu chí cho Block matching đơn giản gọi là: Phânloại sự khác biệt giữa các điểm ảnh (PDC - Pixel Difference Clasification)

Trong đó: (dx, dy) = {-p,p}

Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 34

T (dx, dy, i, j) là giá trị nhị phân đại diện cho sự khác giữa các điểm ảnh.

1 nếu F (i, j) - G (i+dx, j-dy) < t.T (dx, dy, i, j)

0 trong các trường hợp còn lại.Với t là một giá trị ngưỡng xác định trước

3.1.5.1 Tìm kiếm ba bước vector chuyển động.

Đối với giải thuật này, đầu tiên là tính toán cho giá trị hàm nhỏ nhất(thường dùng cho hàm MSD) trở thành vị trí trung tâm cho bước tiếp theo và quátrình tìm kiếm giảm đi một nửa

Giải thuật dự đoán vector chuyển động cho p=6 được minh hoạ trong hìnhsau:

* Bước 2a: Bốn giá trị hàm tiếp theo được tính M1(4,0), M2(0,4), M3(-4,0),M4(0,-4) Giá trị nhỏ nhất của chúng được tìm thấy và so sánh với M (0,0).

M’ = min (M1, M2, M3, M4).Nếu M’ > M(0,0) thì nhảy sang bước 3, nếu không được thì so sánh vớingưỡng T

Nếu M’ < T thì M’ là giá trị nhỏ nhất và quá trình tìm kiếm kết thúc, nếukhông giải thuật này nhảy sang đến bước 2b

* Bước 2b: Giả sử sau bước 2a M’ = M1(4,0) Sau đó tính toán hai vị trí xungquanh là M5(4,4) và M6(4,-4) như hình vẽ Kiểm tra giá trị nhỏ nhất và ngưỡnglần nữa Nếu nhỏ hơn giá trị ngưỡng thì thủ tục hoàn thành, nếu không chuyểnsang bước 3

* Bước 3: Giả sử vị trí mới đạt giá trị min là M4 (4,4) Một quá trình tìm kiếmtương tự bước 2a và 2b được tiếp tục với bước nhảy chia cho hai và tìm thấy giátrị nhỏ nhất là M (2,4)

* Bước 4: Bước nhảy giảm xuống hai lần và tìm kiếm lần cuối cùng (bước2a và 2b được thực hiện) Giá trị nhỏ nhất (dx, dy) thu được là vector chuyểnđộng, trong ví dụ này là (1,5) Với p = 6 giải thuật “tìm kiếm logarit hai chiều”yêu cầu tối đa 19 lần tính giá trị hàm

Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 36

Hình 3.5 Ví dụ về tìm kiếm vectơ chuyển động hai chiều thay đổi

3.1.5.3 Giải thuật tìm kiếm hai hướng liên hợp.

Giải thuật này tìm kiếm các giá trị hàm min theo từng hướng rồi kết hợp lại, baogồm các bước sau:

* Bước 1: Giá trị hàm MAD theo dx được tính cho đến khi giá trị nhỏ nhất đượctìm thấy, quá trình tính như sau:

a M (0,0), M(1,0), M(-1,0).b Nếu M (1,0) là giá trị nhỏ nhất thì M (2,0) được tính và ước lượng

Bước này hoàn thành khi tìm thấy giá trị nhỏ nhất theo hướng dx.* Bước 2: Tìm kiếm theo hướng dy bằng việc tính hàm lại M(2,-1) và M(2,1).Giá trị nhỏ nhất theo hướng dy được tìm thấy tại M(2,2)

* Bước 3: Hướng tìm kiếm bây giờ là vectơ nối từ điểm bắt đầu (0,0) và điểmchứa giá trị nhỏ nhất (2,2) Các giá trị hàm tiếp theo được tính tại các điểmM(1,1) và M(3,3) đến khi giá trị nhỏ nhất theo hướng này được tìm thấy Khiđó vị trí này là vectơ chuyển động cần tìm kiếm là M(4,4) tức dx = 4, dy = 4

+6 dy

+6 dx

-6

eeNếu dx, dy thu được ở bước 2 và 3 không tạo thành đường chéo vuông thìcác điểm gần nhất trong lưới điểm theo hướng từ (0,0) và điểm có giá trị nhỏ nhất

Hình 3.6 Ví dụ về giải thuật tìm kiếm vectơ chuyển động hai hướng liên hợp.

3.1.6 Hệ thống DPCM có bù chuyển động.

Bộ tạo dự báo ở bên thu có khối nhớ khung (frame memory or frame store)lưu trữ dữ liệu khung trưóc đó để tính toán đo đạc chuyển động bằng cách sosánh giữa khung cũ và khung mới Từ đó tạo dựng khung dự báo có bù chuyểnđộng ở đầu ra bộ tạo dự báo Việc thực hiện đo đạc chuyển động ở bên phát căncứ vào khung hiện tại mà bên thu chưa có Bởi vậy, một phép đo như vậy khôngthể đồng thời tiến hành ở cả bên thu và bên phát mặc dù thông tin vectơ chuyểnđộng là cần cho bên thu để tạo dự báo Cho nên thông tin về chuyển động (cácvectơ chuyển động của các MB (Macroblock)) được truyền tới bên thu nhờ mộtkênh phụ Hệ thống DPCM có bù chuyển động là hệ thống có bộ tạo dự báokhông nhân quả

Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 38 Tín

hiệu Video số

Bộ mã hoá DPCM.

Giải mã

Bộ tạo dự báoP

eq +

mã hóaV’

Bộ giải mã DCPM.

V : Tín hiệu đầu vào.E = V – P (P sai số dự báo).eq : Sai số lượng

Kênhe

+6+6

-6

-6

3.2.1 Xử lý giải mã tương hỗ trong công nghệ TC.

Trong khi công nghệ “điều xung mã vi sai” DPCM xử lý tín hiệu trong miềnthời gian thì công nghệ nén “mã hóa chuyển đổi TC” xử lý tín hiệu trong miềntần số Việc loại bỏ tính có nhớ của nguồn tín hiệu được thực hiện bằng mộtphép biến đổi có tính thuận nghịch, chuyển một khối các điểm ảnh trong miềnthời gian thành khối các hệ số trong miền tần số (mỗi hệ số đại diện cho một tầnsố tín hiệu của khối) bằng phép biến đổi thuận và hồi phục các điểm ảnh từ khốicác hệ số bằng phép chuyển đổi nghịch

Phép biến đổi phù hợp nhất cho nén tín hiệu video là phép biến đổi cosin rờirạc (Discrete Consine Tranform - DCT) thay vì lượng tử hóa và mã hóa trực tiếpbiên độ điểm ảnh, người ta sẽ lượng tử hóa và mã hóa các hệ số DCT.

3.2.2 Biến đổi cosin rời rạc (Discrete consine tranform - DCT).

DCT là phép biến đổi giá trị một khối các điểm ảnh thành một khối các hệsố trong miền tần số

Công thức tính toán cho DCT - 2D với ma trận vuông giá trị điểm N x Nsinh ra ma trận vuông hệ số tuần tự như sau:

Trong đó:

F(u,v) = hệ số các khối DCT N x N.F(x,y) = giá trị mẫu của khối N x N điểm ảnh.u = tần số trục ngang

v = tần số trục đứng.C (u), C (v) = 1 nếu u,v = 1,2, ,7 DCT có một tính chất quan trọng, đó là tính biến đổi thuận nghịch Có nghĩalà từ khối các hệ số có thể hồi phục giá trị các điểm ảnh ban đầu theo công thứcchuyển đổi ngược, như sau:

Trong kỹ thuật nén ảnh số, kích cỡ khối được chọn là 8 x 8 vì các lý do sau: * Thứ nhất: Việc nghiên cứu đã chỉ ra rằng Hàm hiệp phương sai(converriance) suy giảm rất nhanh khi khoảng cách pixel mà ở đó Hàm hiệpphương sai được định nghĩa vượt quá 8 Vì vậy, phương pháp nén sử dụng việcloại bỏ các thông tin dư thừa về không gian không cần quan tâm đến các khốipixel lớn hơn 8

* Thứ hai: Là thuận tiện cho việc tính toán và thiết kế mạch cứng

Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 40