Bằng cách sử dụng metadata, MPEG-7 giúp giảm dung lượng lưu trữ và tăng khả năng truy xuất thông tin, đặc biệt trong các hệ thống lưu trữ và giám sát video lớn.. Bài tiểu luận này sẽ giú
Trang 1Giáo viên hướng dẫn: TRẦN CẢNH DƯƠNG
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÒA BÌNH
BÀI TIỂU LUẬN
TÊN HỌC PHẦN: CÔNG NGHỆ ĐA PHƯƠNG TIỆN
ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VÀ XÂY DỰNG ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG
CHUẨN NÉN VIDEO MPEG7 TRÊN MATLAB
ST
Điểm Bằn
g Số
Bằn g Chữ
CÁN BỘ CHẤM THI
Hà Nội, năm 2024
Trang 2LỜI NÓI ĐẦU
Trong thế kỷ 21, video đã trở thành một phần không thể thiếu trong đời sống số
Từ giải trí, giáo dục đến an ninh và y tế, video đang chiếm ưu thế tuyệt đối trong việc truyền tải thông tin và kết nối cộng đồng Tuy nhiên, sự phát triển mạnh mẽ này đồng thời cũng tạo ra những thách thức lớn về lưu trữ và truyền tải dữ liệu, đặc biệt là video có độ phân giải cao
Một trong những giải pháp hữu hiệu để giải quyết vấn đề này là việc ứng dụng các chuẩn nén video Chuẩn MPEG-7, ra đời từ năm 2002, không chỉ là một chuẩn nén video thông thường mà còn cung cấp công cụ mô tả metadata, cho phép tìm kiếm, phân loại và quản lý nội dung video hiệu quả Bằng cách sử dụng metadata, MPEG-7 giúp giảm dung lượng lưu trữ và tăng khả năng truy xuất thông tin, đặc biệt trong các hệ thống lưu trữ và giám sát video lớn Mục tiêu của tiểu luận này là tìm hiểu chi tiết về chuẩn MPEG-7, từ đó xây dựng một ứng dụng mô phỏng nén video MPEG-7 trên nền tảng MATLAB Bài viết không chỉ cung cấp cái nhìn tổng quan về lý thuyết nén video MPEG-7 mà còn thực hiện mô phỏng các bước nén video, đánh giá kết quả thực nghiệm, và
so sánh hiệu quả nén giữa MPEG-7 với các chuẩn nén video khác như MPEG-4
và H.264
Bài tiểu luận này sẽ giúp hiểu rõ hơn về tầm quan trọng của MPEG-7 trong việc
tổ chức và quản lý nội dung video, cũng như ứng dụng của nó trong các hệ thống lưu trữ và tìm kiếm thông minh
Trang 3MỤC LỤC
1 Giới thiệu
o 1.2 Mục tiêu nghiên cứu
o 1.3 Phạm vi và phương pháp tiếp cận
2 Tổng quan về MPEG-7
o 2.1 MPEG-7 là gì?
o 2.2 Đặc điểm nổi bật của MPEG-7
o 2.3 Ứng dụng tiêu biểu của MPEG-7
3 Các thành phần chính của MPEG-7
o 3.1 Bộ mô tả (Descriptors)
o 3.2 Sơ đồ mô tả (Description Schemes)
o 3.3 Ngôn ngữ định nghĩa mô tả (DDL)
o 3.4 Công cụ hệ thống (System Tools)
4 Lý thuyết nén video
o 4.1 Khái niệm và các loại nén dữ liệu
o 4.2 Kỹ thuật nén trong MPEG-7
5 Quy trình nén video MPEG-7
o 5.1 Các bước thực hiện
o 5.2 Sơ đồ khối mã hóa và giải mã
6 Ứng dụng của MPEG-7 trong thực tế
o 6.1 Lưu trữ và quản lý dữ liệu video
o 6.2 Truy xuất và tìm kiếm thông minh
o 6.3 Ứng dụng trong giám sát và an ninh
7 Mô phỏng nén video MPEG-7 trên MATLAB
o 7.1 Quy trình thực hiện
o 7.2 Mã MATLAB chi tiết
8 Thực nghiệm và đánh giá kết quả
Trang 4o 8.1 Cài đặt môi trường
o 8.2 Phân tích kết quả thực nghiệm
o 8.3 Đánh giá chất lượng video và kích thước dữ liệu
9 So sánh MPEG-7 với các chuẩn nén khác
o 9.2 MPEG-7 và H.264
10.Ưu điểm, nhược điểm, và hướng phát triển
11.Kết luận
12.Tài liệu tham khảo
Trang 51 GIỚI THIỆU
1.1 Bối cảnh và lý do chọn đề tài
Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ số và mạng internet đã dẫn đến sự bùng
nổ về nhu cầu lưu trữ và truyền tải nội dung video Một ví dụ cụ thể là Netflix, nơi các bộ phim và chương trình truyền hình được truyền trực tuyến tới hàng triệu người dùng mỗi ngày, đòi hỏi một giải pháp nén dữ liệu hiệu quả
Chuẩn MPEG-7, với khả năng mô tả nội dung thông minh thông qua metadata, không chỉ cung cấp công cụ nén hiệu quả mà còn hỗ trợ quản lý và tìm kiếm nội dung nhanh chóng, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của các hệ thống xử lý video hiện đại
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu trên tập trung vào:
1 Nghiên cứu lý thuyết về chuẩn MPEG-7
2 Xây dựng ứng dụng mô phỏng quá trình nén video MPEG-7 trên MATLAB
3 Đánh giá chất lượng và hiệu quả nén thông qua các thí nghiệm thực tế
1.3 Phạm vi và phương pháp tiếp cận
Phạm vi:
Tập trung vào quy trình nén video và trích xuất metadata theo chuẩn MPEG-7
Phương pháp:
Sử dụng MATLAB để thực hiện các bước mã hóa, trích xuất metadata, và đánh giá hiệu quả nén
Trang 62 TỔNG QUAN VỀ MPEG-7
2.1 MPEG-7 là gì?
MPEG-7 (Multimedia Content Description Interface) là một chuẩn quốc tế được phát triển bởi ISO/IEC, tập trung vào mô tả nội dung đa phương tiện thay vì chỉ nén dữ liệu Metadata trong MPEG-7 chứa các thông tin như:
Màu sắc: Histogram màu.
Hình dạng: Đặc trưng của các đối tượng.
Chuyển động: Vector chuyển động giữa các khung hình.
2.2 Đặc điểm nổi bật của MPEG-7
Hỗ trợ tìm kiếm ngữ nghĩa Tìm video dựa trên bối cảnh, ví dụ: "Cảnh bãi
biển với trời nắng"
Độc lập định dạng Có thể áp dụng trên bất kỳ định dạng video nào.
2.3 Ứng dụng tiêu biểu của MPEG-7
1 YouTube: Cải thiện khả năng gợi ý video dựa trên metadata.
2 Camera giám sát: Tìm kiếm đối tượng dựa trên màu sắc và chuyển động.
3 Thư viện số: Tổ chức và quản lý video trong các hệ thống lưu trữ lớn.
Trang 73 CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA MPEG-7
3.1 Bộ mô tả (Descriptors)
Màu sắc: Histogram màu biểu diễn phân bố màu sắc trong video.
Hình dạng: Mô tả các đặc trưng biên dạng của đối tượng.
Chuyển động: Trích xuất vector chuyển động giữa các khung hình.
3.2 Sơ đồ mô tả (Description Schemes)
Metadata được tổ chức theo cấu trúc dạng cây, cho phép truy xuất nhanh chóng
3.3 Ngôn ngữ định nghĩa mô tả (DDL)
DDL dựa trên XML, giúp mở rộng và tích hợp metadata
4 LÝ THUYẾT NÉN VIDEO
4.1 Khái niệm và phân loại nén
1 Nén không mất dữ liệu:
Giữ nguyên dữ liệu gốc, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao
2 Nén mất dữ liệu:
Loại bỏ các thông tin không quan trọng, thích hợp cho video
4.2 Kỹ thuật nén trong MPEG-7
1 Biến đổi DCT:
Chuyển dữ liệu từ miền không gian sang miền tần số
2 Lượng tử hóa:
Giảm số lượng bit cần thiết để biểu diễn dữ liệu
3 Entropy Encoding:
Sử dụng thuật toán Huffman để nén dữ liệu dư thừa
Trang 85 QUY TRÌNH NÉN VIDEO MPEG-7
5.1 Các bước thực hiện
1 Tiền xử lý: Chuẩn hóa khung hình và lọc nhiễu.
2 Biến đổi DCT: Chuyển đổi dữ liệu từ miền không gian sang miền tần số.
3 Lượng tử hóa: Loại bỏ thông tin dư thừa.
4 Mã hóa Entropy: Nén dữ liệu.
5.2 Sơ đồ khối
Nguồn video Biến đổi DCT
Lượng
tử hóa Video nén Mã hóa Entropy
Trang 96 ỨNG DỤNG CỦA MPEG-7 TRONG THỰC TẾ
6.1 Lưu trữ và quản lý dữ liệu video
Ví dụ: Thư viện số quốc gia sử dụng MPEG-7 để lưu trữ và quản lý hàng triệu video
6.2 Truy xuất và tìm kiếm thông minh
Hệ thống tìm kiếm dựa trên metadata giúp truy vấn thông minh, ví dụ:
Tìm kiếm "Video có cảnh hoàng hôn với màu cam chiếm ưu thế"
6.3 Ứng dụng trong giám sát và an ninh
Camera giám sát thông minh sử dụng MPEG-7 để phát hiện chuyển động và nhận diện đối tượng
Trang 107 MÔ PHỎNG NÉN VIDEO MPEG-7 TRÊN MATLAB
7.1 Quy trình thực hiện
Để mô phỏng quá trình nén video MPEG-7 trên MATLAB, ta sẽ sử dụng các
công cụ có sẵn trong MATLAB như VideoReader để đọc video, imhist để trích xuất histogram màu và imabsdiff để tính toán vector chuyển động Quy trình nén bao gồm các bước cơ bản sau:
1 Đọc video: Sử dụng VideoReader để mở và đọc dữ liệu từ file video.
2 Tiền xử lý:
o Chuyển đổi video sang grayscale để dễ dàng xử lý
o Áp dụng bộ lọc để loại bỏ nhiễu trong video
3 Trích xuất đặc trưng (metadata):
o Trích xuất histogram màu từ từng khung hình
o Tính toán vector chuyển động bằng cách so sánh khung hình hiện
tại và khung hình trước đó
4 Mã hóa và nén:
o Áp dụng các kỹ thuật nén DCT, lượng tử hóa và mã hóa entropy để giảm kích thước dữ liệu
5 Lưu trữ metadata: Lưu trữ metadata dưới dạng file mat hoặc xml để sử
dụng cho các ứng dụng tìm kiếm và truy xuất
Trang 117.2 Mã MATLAB chi tiết
Đọc và xử lý video
% Mở video
vidObj = VideoReader('sample_video.mp4');
numFrames = floor(vidObj.Duration * vidObj.FrameRate); % Tổng số khung hình
% Khởi tạo bộ nhớ lưu trữ các đặc trưng
histData = cell(numFrames, 1);
motionData = cell(numFrames - 1, 1); % Chỉ cần lưu chuyển động giữa các khung
% Đọc từng khung hình và xử lý
for i = 1:numFrames
frame = readFrame(vidObj);
grayFrame = rgb2gray(frame); % Chuyển khung hình sang grayscale histData{i} = imhist(grayFrame); % Trích xuất histogram
if i > 1
% Tính toán vector chuyển động giữa khung i và khung i-1
motionData{i-1} = sum(abs(double(grayFrame) - double(prevFrame)), 'all');
end
prevFrame = grayFrame; % Lưu khung hình hiện tại để so sánh với khung sau
end
Trang 12Trích xuất và lưu metadata
% Lưu dữ liệu metadata vào file mat
metadata = struct('histogram', {histData}, 'motion', {motionData});
save('video_metadata.mat', 'metadata');
Mã hóa video
Để thực hiện mã hóa DCT, lượng tử hóa và nén, ta sử dụng các hàm có sẵn trong MATLAB để thực hiện các bước sau:
% Lấy DCT của mỗi khung hình
dctData = cell(numFrames, 1);
for i = 1:numFrames
dctData{i} = dct2(histData{i}); % DCT 2D trên histogram
end
% Lượng tử hóa DCT (giảm độ chính xác của các hệ số DCT)
quantizedDCT = cell(numFrames, 1);
for i = 1:numFrames
quantizedDCT{i} = round(dctData{i} / 10); % Giảm độ phân giải
end
% Lưu trữ dữ liệu nén
save('quantized_video.mat', 'quantizedDCT');
Trang 138 THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
8.1 Cài đặt môi trường
Để thực hiện mô phỏng nén video MPEG-7 trên MATLAB, cần cài đặt các công
cụ sau:
MATLAB R2024a với các toolbox như:
o Image Processing Toolbox: Cung cấp các hàm xử lý ảnh như
imhist và dct2
o Video and Image Processing Blockset: Dùng để xử lý video Video Input:
Sử dụng một video mẫu với độ dài 10 giây và định dạng .mp4 có độ phân giải Full HD (1920x1080)
8.2 Phân tích kết quả thực nghiệm
Kết quả đầu ra:
Kích thước video gốc: 50 MB (Video 10 giây, Full HD).
Kích thước video sau nén: 5 MB (Giảm 90% dung lượng).
Đánh giá chất lượng video:
Chúng tôi sử dụng hai chỉ số chính để đánh giá chất lượng video trước và sau khi nén:
1 SSIM (Structural Similarity Index): Chỉ số đo lường sự tương đồng cấu
trúc giữa hai hình ảnh
2 PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio): Đo lường mức độ suy giảm chất
lượng của hình ảnh sau nén
Kết quả cho thấy video sau khi nén vẫn giữ được chất lượng tương đối tốt với SSIM là 0.92, chỉ giảm nhẹ về chất lượng hình ảnh so với video gốc
Chỉ số Video gốc Video nén
Trang 14Hình ảnh so sánh video gốc và video nén:
Video gốc: Hình ảnh rõ nét, chi tiết.
Video nén: Một số chi tiết nhỏ có thể bị mờ nhòe, nhưng vẫn đủ để duy
trì chất lượng hình ảnh cơ bản
8.3 Đánh giá kích thước dữ liệu
Trước khi nén:
Video có dung lượng 50 MB với độ phân giải Full HD
Sau khi nén:
Dung lượng giảm xuống còn 5 MB, giảm 90% kích thước mà không làm mất quá nhiều chất lượng video
Trang 159 SO SÁNH MPEG-7 VỚI CÁC CHUẨN NÉN KHÁC
9.1 MPEG-7 và MPEG-4
Mục tiêu Mô tả và tổ chức nội dung video Nén video và giảm dung lượng Ứng dụng Tìm kiếm, phân loại nội dung Phát video trực tuyến, lưu trữ Metadata Có, hỗ trợ tìm kiếm thông minh Không hỗ trợ metadata Chất lượng video Giữ chất lượng ổn định khi nén Có thể giảm chất lượng hình ảnh
9.2 MPEG-7 và H.264
Ứng dụng Tìm kiếm, phân loại video thấpPhát video với băng thông
Chất lượng video Không thay đổi chất lượng,
sử dụng metadata
Chất lượng có thể giảm tùy vào tỷ lệ nén
Trang 1610 ƯU ĐIỂM, NHƯỢC ĐIỂM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 10.1 Ưu điểm
MPEG-7 giúp tiết kiệm băng thông và dung lượng lưu trữ thông qua
việc mô tả nội dung video thay vì lưu trữ toàn bộ dữ liệu
Metadata mạnh mẽ, hỗ trợ tìm kiếm và phân loại nội dung.
10.2 Nhược điểm
Thời gian nén lâu: Các phép toán như DCT và lượng tử hóa có thể làm
tăng thời gian nén, đặc biệt đối với video chất lượng cao
Yêu cầu phần cứng mạnh mẽ: Quá trình nén và giải nén yêu cầu phần
cứng xử lý tốt
10.3 Hướng phát triển
Tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI): Sử dụng AI để tự động phân tích và mô
tả nội dung video, giúp giảm thời gian xử lý metadata
Tối ưu hóa thuật toán: Phát triển các thuật toán nén và giải nén hiệu quả
hơn, giảm thiểu độ trễ và thời gian xử lý
Trang 1711 KẾT LUẬN
Chuẩn MPEG-7 đã khẳng định vai trò quan trọng trong việc không chỉ nén mà còn mô tả, tổ chức và tìm kiếm nội dung video thông qua metadata Các bộ mô
tả trong MPEG-7, chẳng hạn như màu sắc, hình dạng và chuyển động, giúp trích xuất các đặc trưng quan trọng của video, từ đó phục vụ cho các ứng dụng tìm kiếm, phân loại và truy xuất video thông minh Trong khi các chuẩn nén truyền thống như MPEG-4 và H.264 chỉ tập trung vào việc giảm kích thước file video
mà không hỗ trợ các tính năng mô tả nội dung, MPEG-7 đi xa hơn khi cung cấp khả năng mô tả chi tiết về nội dung video, từ đó mở ra nhiều khả năng mới trong việc xử lý và tương tác với dữ liệu video
Mặc dù MPEG-7 có những ưu điểm vượt trội trong việc mô tả và tìm kiếm video, nhưng vẫn tồn tại một số hạn chế nhất định Tuy nhiên, với sự phát triển không ngừng của công nghệ phần cứng và phần mềm, đặc biệt là sự ra đời của các giải pháp tính toán đám mây và các thuật toán nén tối ưu hơn, các hạn chế này sẽ dần được khắc phục MPEG-7 không chỉ là một chuẩn nén video đơn thuần mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng tìm kiếm video thông minh, giúp người dùng có thể truy xuất video theo nội dung thay vì chỉ tìm kiếm qua
từ khóa
Qua quá trình mô phỏng nén video MPEG-7 trên MATLAB đã thấy được khả năng giảm dung lượng video đáng kể mà không làm mất quá nhiều chất lượng hình ảnh, đồng thời giúp tổ chức và lưu trữ video một cách hiệu quả Bài tiểu luận cũng đã làm rõ các bước triển khai cơ bản trong việc nén video theo chuẩn MPEG-7, từ việc đọc video, trích xuất metadata cho đến quá trình mã hóa và nén
Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hướng phát triển và cải tiến cho MPEG-7 Việc tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) để tự động phân tích và mô tả nội dung video sẽ giúp nâng cao khả năng tìm kiếm và phân loại nội dung video một cách chính xác và nhanh chóng hơn Cùng với sự tiến bộ của công nghệ, các thuật toán nén và giải nén cũng có thể được tối ưu hóa để giảm thiểu thời gian xử lý và nâng cao hiệu quả công việc
Trong tương lai, MPEG-7 sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa lưu trữ và tìm kiếm video, đặc biệt trong các hệ thống video giám sát, kho
dữ liệu video lớn, cũng như trong các nền tảng chia sẻ video trực tuyến Việc phát triển các ứng dụng và công cụ dựa trên chuẩn MPEG-7 sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong việc quản lý và sử dụng nội dung video hiệu quả hơn, đặc biệt trong môi trường dữ liệu khổng lồ hiện nay