Báo cáo bài tập giữa kì môn học xử lý và truyền thông Đa phương tiện

Còn được gọi là H.265 , định dạng chuẩn nén này là mộtbước tiến lớn trong việc cải thiện chất lượng video ngày nay.. ● Với HEVC, video có thể được nén hiệu quả hơn, dẫn đến việc tốc độ t

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VÀ VIỄN THÔNG

KHOA CÔNG NGHỆ ĐA PHƯƠNG

TIỆN

BÁO CÁO BÀI TẬP GIỮA KÌ

Môn học: Xử lý và truyền thông đa phương tiện

Giảng viên: Vũ Hữu Tiến

MỤC LỤC

I Tổng quát 3

II Video Codec 4

III HEVC 6

IV Lịch sử 9

V Cấu trúc của phần mềm mã hóa video HEVC 9

VI Đặc điểm 9

VII Ưu và nhược điểm 11

VIII HEVC cải thiện khả năng nén video như thế nào? 12

IX Các tính năng chính của HEVC 14

X Ứng dụng chính của HEVC 16

XI HEVC xử lý ở tốc độ bit thấp hơn như thế nào? 18

XII HEVC so với AVC: HEVC có tốt hơn H264(AVC) không?.20 XIII Kết luận 21

I Tổng quát

● Lĩnh vực truyền phát đã chứng kiến một số sự tiến bộ lớn về công nghệ Một trongnhững số đó là sự xuất hiện của định dạng chuẩn nén video mới là HEVC(HighEfficiency Video Coding) Còn được gọi là H.265 , định dạng chuẩn nén này là mộtbước tiến lớn trong việc cải thiện chất lượng video ngày nay

● Với HEVC, video có thể được nén hiệu quả hơn, dẫn đến việc tốc độ trung bình củabit giảm Nói một cách dễ hiểu hơn là người dùng có thể thưởng thức video chấtlượng cao hơn mà không cần thêm bộ nhớ hoặc sử dụng quá nhiều dữ liệu

● HEVC đặc biệt hữu ích để truyền phát video trên thiết bị di động, nơi khả năng sửdụng và xử lý dữ liệu thường bị hạn chế Vì vậy, cho dù người dùng xem một loạtvideo trên điện thoại hay xem video được phát trực tiếp , HEVC có thể làm cho nótrông đẹp hơn và chạy mượt mà hơn

● High Efficiency Video Coding (HEVC), còn được gọi là H.265 và MPEG-H Part 2,

là một tiêu chuẩn nén video, được thiết kế như một sự kế thừa cho AVC (H.264 hoặcMPEG-4 Part 10) được sử dụng rộng rãi So với AVC, HEVC cung cấp khả năngnén dữ liệu tốt hơn từ 25% đến 50% ở cùng mức chất lượng video hoặc chất lượngvideo được cải thiện đáng kể ở cùng tốc độ bit Nó hỗ trợ độ phân giải lên tới 8192 ×

4320, bao gồm 8K UHD và không giống như AVC 8 bit chủ yếu, cấu hình Main10

độ trung thực cao hơn của HEVC đã được tích hợp vào gần như tất cả các phần cứng

hỗ trợ HEVC đang cạnh tranh với định dạng mã hóa AV1 để chuẩn hóa bởi nhómlàm việc tiêu chuẩn video NetVC của Lực lượng đặc nhiệm kỹ thuật Internet (IETF).Trong phần tìm hiểu này, nhóm chúng em sẽ giải thích cách HEVC hoạt động, các tínhnăng chính của nó và cách nó hỗ trợ chất lượng phát trực tuyến tốt hơn

II Video Codec

● Trước khi đi tìm hiểu HEVC, thì nhóm chúng em sẽ đi qua về phần Video Codec haycòn gọi là bộ giải mã video

● Vậy Video Codec là gì ? Video Codec là một công cụ phần mềm nén và giải nénvideo kỹ thuật số Nói một cách đơn giản, nó thay đổi các tệp video để làm chochúng nhỏ hơn hoặc trở lại dạng ban đầu Mã hóa video là việc cần thiết để phát trựctuyến video, trong đó video phải được gửi nhanh chóng qua internet

● Có hai loại video codec chính:

- Lossless: Nén video mà không làm mất dữ liệu Điều này có nghĩa là chất lượnghình ảnh sẽ được giữ nguyên hoàn toàn, nhưng kích thước tệp sẽ không giảmnhiều

- Lossy: Nén video bằng cách loại bỏ một số dữ liệu Điều này giúp giảm kíchthước tệp đáng kể, nhưng có thể làm giảm chất lượng hình ảnh

● Video codec rất quan trọng vì:

- Giúp giảm kích thước tệp video: Nhờ vậy, việc lưu trữ, chia sẻ và tải xuống videotrở nên dễ dàng hơn

- Giúp cải thiện chất lượng phát trực tuyến video: Video codec có thể giúp giảmlượng băng thông cần thiết để phát trực tuyến video, giúp cải thiện trải nghiệmngười dùng

- Để phát video, bạn cần có codec phù hợp:

- Hầu hết các trình phát video đều có sẵn nhiều codec tích hợp

- Bạn cũng có thể tải xuống các codec riêng lẻ nếu cần thiết

● Một số ví dụ về codec video là H.264 (AVC ) và H.265 (HEVC) Các codec nàygiúp duy trì chất lượng hình ảnh cao đồng thời giảm kích thước tệp, giúp truyền phátvideo trên điện thoại di động hoặc máy tính xách tay dễ dàng hơn.

III HEVC

● High Efficiency Video Coding (HEVC), còn được biết với cái tên H.265 và

MPEG-H Part 2 là định dạng chuẩn nén video mới, mã hóa video mà vẫn giữ nguyên chấtlượng với hiệu suất nén cao hơn gấp đôi so với chuẩn nén AVC (Advanced VideoCoding) đang được sử dụng rộng rãi

● Định dạng HEVC được phát triển bởi ISO/IEC Moving Picture Experts Group(MPEG) và ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG)

● Trong hầu hết trường hợp, HEVC là phần mở rộng của các khái niệm trong H.264 /MPEG-4 AVC Cả hai đều hoạt động bằng cách so sánh các phần khác nhau của mộtkhung hình video để tìm các khu vực dư thừa, cả trong một khung hình duy nhất vàgiữa các khung hình liên tiếp Các khu vực dư thừa này sau đó được thay thế bằngmột mô tả ngắn thay vì các pixel gốc

● Những thay đổi chính cho HEVC bao gồm mở rộng vùng so sánh mẫu và vùng mãhóa khác biệt từ 16 × 16 pixel thành kích thước lên đến 64 × 64, phân đoạn kích

thước khối biến đổi được cải thiện, dự đoán "bên trong" được cải thiện trong cùngmột hình ảnh, được cải thiện dự đoán véc tơ chuyển động và hợp nhất vùng chuyểnđộng, lọc bù chuyển động được cải thiện và bước lọc bổ sung được gọi là lọc bùthích ứng mẫu Việc sử dụng hiệu quả những cải tiến này đòi hỏi khả năng xử lý tínhiệu nhiều hơn để nén video, nhưng ít ảnh hưởng đến lượng tính toán cần thiết choviệc giải nén.

● Về cơ bản, sự cải tiến của chuẩn HEVC mang đến là giúp giảm băng thông cần thiết

để truyền tải video, giảm dung lượng lưu trữ mà vẫn giữ nguyên chất lượng

● Nhờ đó, việc truyền tải các video độ phân giải 4K Ultra HD dễ dàng và nhanh chónghơn nếu cơ sở hạ tầng đáp ứng được băng thông trong khoảng 20Mbps

● HEVC có hiệu suất nén cao gấp đôi so với H.264/MPEG-4 AVC ở cùng mức độ chấtlượng video

● Chuẩn nén mới cung cấp chất lượng hình ảnh được cải thiện đáng kể tại cùng mộttốc độ bit, hỗ trợ độ độ phân giải 8K 8192×4320 (4320P)

● Ngoài ra, HEVC cũng được cải tiến về tiếng âm thanh, không gian màu sắc và phạm

vi hoạt động

● Cũng giống như các chuẩn mã hóa video khác, HEVC có những logic nhất định đểđạt được hiệu suất nén cao nhất Các video được quay bằng máy quay HD chuyênnghiệp thường có dung lượng rất lớn do dữ liệu còn ở dạng thô (raw) và việc truyềntải nội dung là rất khó khăn Để thuận tiện trong việc truyền tải và lưu trữ, các video

sẽ được nén lại nhằm giảm dung lượng tới mức tối đa

● Chuẩn nén HEVC sẽ kiểm tra các khung hình để tìm kiếm sự thay đổi, phân tích, mãhóa toàn bộ các điểm ảnh trong khung hình đầu tiên và sau đó chỉ mã hóa những sựthay đổi ở những khung hình tiếp theo HEVC mở rộng kích thước của khu vực đểtìm kiếm những điểm ảnh thay đổi trong khu vực đó Ngoài ra, phương thức nénHEVC còn đưa dự đoán của các chuyển động, các không gian trong video để phântích và xử lý hình ảnh

● H.265/HEVC có rất nhiều các chi tiết kỹ thuật bên trong, do đó người dùng khó cóthể mong đợi việc nâng cấp phần mềm của thiết bị để có thể đọc được định dạng nénnày Chính vì vậy, để giải mã được H.265/HEVC, thiết bị cần phải có một bộ giải mãphần cứng riêng hoặc vi xử lý phải có hiệu suất cao để việc giải mã bằng phần mềm

có thể thực hiện được với tốc độ phù hợp, nếu không tín hiệu video đầu ra sẽ khôngđược mượt mà

IV Lịch sử

 HEVC ra đời từ một dự án nhằm chuẩn hóa mã hóa video được nghiên cứu bởi nhómchuyên gia mã hóa video ITU-T (ITU-T Q.6 / SG 16) và nhóm chuyên gia hình ảnhchuyển động ISO / IEC (ISO / IEC JTC 1 / SC 29 / WG 11)

 Vào năm 2004, ITU-T đã bắt đầu nghiên cứu và phát triển một chuẩn mã hóa videomới kế nhiệm H.264, trong khi ISO / IEC bắt đầu hoạt động vào năm 2007 Đến1/2010, hai nhóm này đã hợp tác với nhau trong cuộc họp của Liên kết MPEG &VCEG và thống nhất tên mã hóa video hiệu quả cao (HEVC) được sử dụng chocodec

 Đến tháng 10 năm 2010, JCT - VC đã đưa ra dự thảo hoạt động đầu tiên dựa trên 8thông số kỹ thuật dự thảo hoạt động và được phê duyệt vào tháng 7 năm 2012 Phiênbản chuẩn H.265/HEVC đầu tiên được phê chuẩn vào tháng 1 năm 2013

V Cấu trúc của phần mềm mã hóa video HEVC

 Cụm Mã Hóa (Coding Unit - CU): Đơn vị cơ bản để phân tích video, có kích thước

có thể điều chỉnh

 Khối Dữ Liệu (Coding Tree Unit - CTU): Một nhóm các CUs cùng kích thước

 Khối Dữ Liệu Lớn (Large CTU - LCTU): Được sử dụng để mã hóa các khu vực có

 Tiêu chuẩn HEVC giúp hỗ trợ các không gian màu cho video như phim chung,NTSC, PAL, Rec 601, Rec 709, Rec 2020, Rec 2100, NHỎ 170M, NHỎ 240M,sRGB, sYCC, xvYCC, XYZ và không gian màu được chỉ định bên ngoài.

VII Ưu và nhược điểm

+) Ưu điểm:

 Tiết kiệm băng thông: Codec HEVC có thể giảm dung lượng video đến 50% so

với H.264 mà không làm giảm chất lượng hình ảnh Điều này giúp tiết kiệm băngthông khi truyền tải hoặc lưu trữ video, đặc biệt là với các độ phân giải cao như4K hay 8K

 Tương thích với các thiết bị hiện đại: Codec HEVC được hỗ trợ bởi nhiều thiết bị

hiện đại như smart TV, smartphone, tablet, máy tính hay camera Codec HEVCcũng được sử dụng bởi các dịch vụ trực tuyến như Netflix, YouTube hay AmazonPrime Video để cung cấp nội dung video chất lượng cao cho người dùng

 Tạo điều kiện cho các ứng dụng mới: Cài đặt Codec HEVC cũng mở ra nhiều khả

năng cho các ứng dụng mới như video 360 độ, video thực tế ảo hay video trựctiếp với độ phân giải cao (Ví dụ: VLC Media Player, MX Player, Pot Player,Kodi, Plex, Handbrake) Codec HEVC cũng có thể hỗ trợ các tính năng nâng caonhư HDR, WCG, HFR để tăng cường trải nghiệm người xem

 Tỷ lệ nén dữ liệu cao: HEVC có thể nén video với dung lượng chỉ bằng một nửa

so với H.264/MPEG-4 AVC mà trong khi đó vẫn giữ được chất lượng hình ảnhtương đương

 Chất lượng hình ảnh tốt: HEVC hỗ trợ độ phân giải cao (4K, 8K) và dải màu

rộng (HDR) cho trải nghiệm hình ảnh sống động và sắc nét

 Tiết kiệm dung lượng lưu trữ: Nhờ tỷ lệ nén cao, HEVC giúp tiết kiệm dung

lượng lưu trữ video đáng kể, phù hợp cho việc lưu trữ và chia sẻ video

+) Nhược điểm

 Phí bản quyền: HEVC sử dụng công nghệ mã hóa có bản quyền, do đó việc sử

dụng HEVC có thể dẫn đến chi phí bản quyền

 Khả năng tương thích: HEVC chưa được hỗ trợ rộng rãi như H.264/MPEG-4

AVC, do đó có thể gặp vấn đề khi phát video HEVC trên một số thiết bị

VIII HEVC cải thiện khả năng nén video như thế nào?

● HEVC đang tạo nên làn sóng trong lĩnh vực truyền phát video Nó được thiết kế đểcải thiện chất lượng video và cách nén dữ liệu video hiệu quả hơn

● Quá trình nén video bao gồm việc giảm kích thước tệp của chuỗi video mà khôngảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh của nó Điều này đạt được bằng cách loại bỏthông tin dư thừa trong dữ liệu video HEVC đưa quá trình này tiến thêm một bước

bằng cách sử dụng phương pháp nén tiên tiến hơn được gọi là đơn vị cây mã hóa.

● Trong chuẩn H.264 cũ hơn, video được chia thành các khối macro để nén Tuynhiên, HEVC sử dụng các đơn vị cây mã hóa, có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơnmacroblock, cho phép nén chuỗi video linh hoạt và hiệu quả hơn

● Các tính năng chính của HEVC khiến nó nổi bật bao gồm khả năng cung cấp video

có chất lượng tương tự như H.264 nhưng ở tốc độ bit thấp hơn Điều này có nghĩa làngười dùng có thể truyền phát video chất lượng cao hơn với cùng lượng dữ liệu.Điều này đặc biệt có lợi cho việc truyền phát video trên thiết bị di động nơi việc sửdụng dữ liệu thường bị hạn chế

● Các codec HEVC cũng có hỗ trợ tích hợp cho dải động cao (HDR) và các tính năngvideo nâng cao khác Điều này có nghĩa là nó có thể mang lại chất lượng hình ảnh tốthơn và nội dung video chi tiết hơn

● Tuy nhiên, sử dụng HEVC đòi hỏi nhiều công suất tính toán hơn Điều này là do việc

mã hóa và giải mã chuỗi video HEVC phức tạp hơn so với các tiêu chuẩn mã hóavideo cũ hơn Nhưng với công suất ngày càng tăng của các thiết bị hiện đại, vấn đềnày ngày càng trở nên ít hơn

IX Các tính năng chính của HEVC

● Cải thiện hiệu quả mã hóa: Một trong những tính năng chính của HEVC là hiệu quả

mã hóa được cải thiện So với H.264 được sử dụng rộng rãi, HEVC nhằm mục đíchgiảm một nửa yêu cầu về tốc độ bit trong khi vẫn duy trì chất lượng hình ảnh nhưnhau Điều này có nghĩa là người dùng có thể thưởng thức video chất lượng cao màkhông cần sử dụng quá nhiều công suất tính toán của thiết bị

● Tỷ lệ nén: Một tính năng nổi bật khác của HEVC là tỷ lệ nén ấn tượng HEVC có thể

đạt tỷ lệ nén dữ liệu lên tới 1000:1, tùy thuộc vào nhu cầu của bạn Điều này cónghĩa là bạn có thể lưu trữ nhiều video hơn trên thiết bị của mình mà không lo hếtdung lượng

● Hỗ trợ độ phân giải cao hơn: HEVC hỗ trợ các video có độ phân giải cao hơn, hoàn

hảo cho các màn hình HDTV và hệ thống ghi nội dung thế hệ tiếp theo.Người dùng

có thể mong đợi chuỗi video rõ ràng và chất lượng cao cho dù họ đang xem videotrên thiết bị di động hay trên màn hình lớn

● Cải thiện xử lý song song: HEVC không chỉ cung cấp video chất lượng cao Đó cũng

là về hiệu quả HEVC sử dụng các phương pháp xử lý song song cải tiến để nâng caotốc độ xử lý video Điều này có nghĩa là người dùng có thể truyền phát video trongthời gian thực mà không gặp bất kỳ độ trễ nào

● Lớp mã hóa video: HEVC sử dụng phương pháp kết hợp cho lớp mã hóa video của

mình Điều này liên quan đến việc sử dụng dự đoán giữa các hình ảnh/trong ảnh và

mã hóa biến đổi 2D Cách tiếp cận này giúp cải thiện chất lượng hình ảnh của video

● Không gian màu: HEVC hỗ trợ nhiều không gian màu Điều này có nghĩa là người

dùng có thể thưởng thức những video có màu sắc sống động và chân thực Dù xem

phim hay phát trực tiếp, người dùng đều có thể mong đợi chất lượng hình ảnh tuyệtvời.

● Công cụ mã hóa: HEVC giới thiệu các công cụ mã hóa mới để cải thiện hiệu quả mã

hóa Một trong những công cụ này là Đơn vị cây mã hóa - Coding Tree Unit (CTU),thay thế các macroblock Điều này cho phép cấu trúc khối lớn hơn và hiệu quả mãhóa được cải thiện

● Công cụ xử lý song song: HEVC sử dụng các công cụ xử lý song song để nâng cao

tốc độ xử lý video Những công cụ này bao gồm các ô xếp và xử lý song song mặtsóng - wavefront parallel processing (WPP), giúp chia hình ảnh thành các vùng hìnhchữ nhật có thể được xử lý độc lập

● Mã hóa Entropy: HEVC sử dụng mã hóa số học nhị phân thích ứng theo ngữ cảnh

(CABAC) để mã hóa entropy Điều này cho phép thông lượng cao hơn so vớiH.264/MPEG-4 AVC

● Dự đoán nội bộ: HEVC cung cấp khả năng dự đoán nội bộ được cải thiện so với

H.264/MPEG-4 AVC Nó chỉ định 33 chế độ dự đoán nội bộ, bao gồm các chế độđịnh hướng, dự đoán nội bộ DC và dự đoán phẳng

● Bù trừ chuyển động: HEVC sử dụng phép nội suy mẫu độ sáng phân đoạn với các bộ

lọc 8 nhấn và 7 nhấn để cải thiện độ chính xác Nó cũng hỗ trợ dự đoán có trọng sốvới dự đoán đơn và dự đoán kép

● Dự đoán vectơ chuyển động: HEVC giới thiệu Dự đoán vectơ chuyển động nâng cao

- Advanced Motion Vector Prediction (AMVP) và chế độ hợp nhất để dự đoán vectơchuyển động Điều này cho phép tăng độ chính xác trong việc dự đoán chuyển độngcủa chuỗi video

● Bộ lọc vòng lặp: HEVC chỉ định hai bộ lọc vòng lặp, bộ lọc giải khối - deblocking

filter (DBF) và độ lệch thích ứng mẫu - sample adaptive offset (SAO), được áp dụngtuần tự để dự đoán giữa các hình ảnh

● Phần mở rộng phạm vi: HEVC giới thiệu các phần mở rộng phạm vi hỗ trợ độ sâu

bit vượt quá 10, cấu hình nội bộ cho tốc độ giải mã truy cập ngẫu nhiên và cấu hìnhhình ảnh tĩnh cho các định dạng tệp hình ảnh hiệu quả cao

● Phần mở rộng HEVC Phiên bản 2 và SCC: HEVC Phiên bản 2 và Tiện ích mở rộng

SCC bổ sung thêm thông báo thông tin nâng cao bổ sung - supplementalenhancement information (SEI), bao gồm ánh xạ lại màu, chức năng đầu gối, làmchủ khối lượng màu hiển thị và mã thời gian

● Cải tiến phiên bản thứ tư: Phiên bản thứ tư của HEVC bổ sung thêm thông báo SEI

để biết thông tin về đặc điểm truyền thay thế và môi trường xem xung quanh Nócũng hỗ trợ chức năng truyền log-gamma - hybrid log–gamma (HLG) lai và ma trậnmàu ICtCp, cho phép tương thích với các chức năng truyền HDR

X Ứng dụng chính của HEVC

● Truyền phát 4K và Ultra HD: Một trong những ứng dụng chính của codec HEVC là

phát trực tuyến 4K và Ultra HD Codec này cung cấp video chất lượng cao hơn vàtốc độ bit thấp hơn, hoàn hảo để truyền phát video chất lượng cao Bộ giải mã HEVC

có thể giảm kích thước tệp trong khi vẫn duy trì chất lượng hình ảnh cao, lý tưởng đểtruyền phát nội dung 4K và Ultra HD