PHÂN TÍCH DÒNG TRUYỀN TẢI MPEG (MPEG TRANSPORT STREAM)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Trần Văn Hoan PHÂN TÍCH DÒNG TRUYỀN TẢI MPEG (MPEG TRANSPORT STREAM) KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ điện tử viễn thông Cán bộ hướng dẫn: TS Ngô Thái Trị HÀ NỘI - 2008 Trần Văn Hoan K49Đ Khóa luận tốt nghiệp Tóm tắt nội dung Luận văn được trình bày trong 3 chương : Chương 1: Giới thiệu tổng quát nhất về chuẩn nén MPEG, lý do cần phải nén dữ liệu, các nguyên tắc cơ bản được sử dụng trong chuẩn nén MPEG áp dụng cho dữ liệu hình ảnh cũng như âm thanh, giới thiệu những đặc điểm chung nhất của các chuẩn nén MPEG1, 2, 4 và 7, chương này cũng chỉ ra cách hình thành dòng bit MPEG. Chương 2: Mô tả cách thức hình thành, cấu trúc của dòng cơ sở ES, lý do cần thiết phải chia dòng cơ sở thành các gói, cách thức tạo ra các gói cơ sở đóng gói PES đồng thời phân tích cấu tạo của một gói PES. Chương 3: Phân tích cách tạo thành dòng truyền tải MPEG, hoạt động của dòng truyền tải, phân tích chi tiết cấu tạo và nhiệm vụ của từng trường trong gói truyền tải, cuối cùng là chỉ ra những đặc điểm ưu việt của dòng truyền tải MPEG làm cho chuẩn nén này có những ứng dụng rộng rãi trong thực tế. - i - Trần Văn Hoan K49Đ Khóa luận tốt nghiệp Mục lục Trang phụ bìa Tóm tắt nội dung i Mục lục ii Bảng các kí hiệu viết tắt iv Mở đầu 1 Chương 1 : Tổng quan về MPEG 2 1.1. Giới thiệu 2 1.2. Ứng dụng của nén dữ liệu: 4 1.3. Mã hóa không tổn hao và mã hóa dự đoán được 5 1.4. Nguyên lí cơ bản của nén 7 1.5. Nén video 9 1.5.1. Nén trong ảnh 11 1.5.2. Nén liên ảnh 11 1.5.3. Giới thiệu về phép bù chuyển động. 12 1.6. Giới thiệu về MPEG-1 13 1.7. MPEG-2 cùng với các Profile và Level 14 1.8. Giới thiệu về MPEG -4 16 1.9. Giới thiệu về MPEG-7 18 1.10. Nén âm thanh 18 1.11. Dòng bit MPEG 20 Chương 2: Dòng cơ sở (elementary stream) và dòng cơ sở đóng gói (packetized elementary stream) 22 2.1. Dòng cơ sở (elementary stream) 22 2.2. Dòng cơ sở đóng gói (packetized elementary stream) 24 2.2.1. Giới thiệu chung về dòng cơ sở đóng gói 24 2.2.2. Cú pháp dòng cơ sở đóng gói 27 2.2.3. Cấu trúc chi tiết 32 Chương 3: Dòng truyền tải 38 - ii - Trần Văn Hoan K49Đ Khóa luận tốt nghiệp 3.1. Giới thiệu chung về dòng truyền tải: 38 3.2. Chuẩn đồng hồ (clock references) 39 3.3. Giải mã dòng truyền tải 41 3.4. Phân tích cú pháp dòng truyền tải 43 3.5. Đặc điểm dòng truyền tải MPEG 60 3.6. Tính linh hoạt của dòng truyền tải: 61 Kết luận 62 Tài liệu tham khảo 63 - iii - Trần Văn Hoan K49Đ Khóa luận tốt nghiệp Bảng các kí hiệu viết tắt ABU Asia-Pacific Broadcasting Union ANSI American National Standard Institute ATSC Advance Television System Committee CAT Conditional Access Table CRC Cyclical Redundancy Checking DCT Discrete Cosine Transform DTS Decoding Time Stamp DVB Digital Video Broadcasting EBU European Broadcasting Union ES Elementary Stream GOP Group of Picture HDTV High-definition Television IEC International Electrotechnical Commission ISO International Organization for Standardization ITU International Telecommunication Union MPEG Moving Pictures Experts Group NIT Network Information Table PAT Program Association Table PCR Program Clock Reference PES Packetized Elementary Stream PID Packet Identification PMT Program Map Table PSI Program Specific Information PTS Presentation Time Stamp RLC Run Length Coding SCR System Clock Reference SDTV Standard Definition Television TS Transport Stream - iv - Trần Văn Hoan K49Đ Khóa luận tốt nghiệp Mở đầu Công nghệ số từ khi ra đời đã ngày càng thể hiện tính ưu việt và thay thế dần công nghệ tương tự vốn không hiệu quả và lỗi thời. Ngày nay việc số hóa được thực hiện trên mọi dạng thức của dữ liệu, từ văn bản tới hình ảnh và âm thanh. Các mạch điện tử tích hợp được nghiên cứu chế tạo ngày càng nhiều có hiệu năng tính toán ngày càng cao, độ tin cậy ngày càng chính xác làm cho công nghệ số ngày càng phát triển. Trong xu hướng số hóa mọi dạng dữ liệu như trên thì việc số hóa tín hiệu video là một sự tất yếu. Tuy nhiên tín hiệu video được số hóa có dung lượng quá lớn dẫn đến việc lưu trữ và truyền dẫn hầu như không thể thực hiện được. Do đó nảy sinh nhu cầu nén tín hiệu video. Nhiều chuẩn nén được ra đời là kết tinh công sức của các chuyên gia, các nhà khoa học hàng đầu trên thế giới. Trong số các chuẩn nén đó thì chuẩn MPEG là chuẩn nén phổ biến nhất, có ứng dụng rộng rãi nhất. Chuẩn nén này đã được nghiên cứu, phát triển trong nhiều năm và đã giải quyết tốt bài toán nén tín hiệu video, kết quả là có thể đáp ứng một cách rất đa dạng các yêu cầu trong thực tế. Một thành phần quan trọng bậc nhất trong chuẩn nén MPEG là dòng truyền tải MPEG (MPEG Transport Stream). Nhờ có dòng truyền tải mà dữ liệu có thể được đưa từ nơi phát tới nơi thu một cách dễ dàng, chính xác và an toàn. Hơn nữa dòng truyền tải còn rất mềm dẻo và linh hoạt, vừa hỗ trợ tốt cho các ứng dụng hiện tại vừa đảm bảo dễ dàng cho sự phát triển trong tương lai. Nhằm mục đích tìm hiểu một cách sâu sắc về cấu tạo và hoạt động của dòng truyền tải MPEG, em đã chọn đề tài này với mong muốn có được sự hiểu biết về một chuẩn nén có ứng dụng rộng rãi nhất trong thực tế. Em xin chân thành cảm ơn thầy Ngô Thái Trị, người đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn, thầy đã chỉ cho em phương pháp nghiên cứu và cách trình bày luận văn một cách khoa học. Em cũng xin cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện tử viễn thông đã chỉ bảo cho em trong suốt quá trình học tập. Em xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã giúp đỡ để em có thể hoàn thành luận văn này. Hà Nội, 5/2008 - 1- Chương 1: Giới thiệu tổng quan về MPEG Chương 1: Giới thiệu tổng quan về MPEG 1.1. Giới thiệu: MPEG là viết tắt của cụm từ Moving Pictures Experts Group được thành lập bởi tổ chức ISO (International Standards Organization) nhằm thiết lập chuẩn cho việc nén và truyền tải cả dữ liệu hình ảnh và dữ liệu âm thanh. Hình 1.1: (a) tổng quan của một hệ thống có nén, bên phía nguồn sử dụng bộ nén gọi là compressor hay coder, bên phía nhận sử dụng bộ giải nén là expander hay decoder, (b) minh họa sự bất đối xứng trong hệ thống, bộ mã hóa luôn phải phức tạp hơn bộ giải mã. Việc nén dữ liệu là tất yếu cần thiết do hai lý do chính sau đây. Thứ nhất là do lưu trữ: dữ liệu sau khi nén có dung lượng nhỏ hơn, do vậy cần ít không gian lưu trữ hơn. Thứ hai là do băng thông: dữ liệu sau khi nén có tốc độ bit thấp hơn nên cần băng thông ít hơn. Tỉ lệ giữa tốc độ bit của nguồn so với tốc độ bit của kênh truyền gọi là tỉ lệ nén Compression factor hay là Coding gain. Hệ thống truyền tải là bất đối xứng. Bộ mã hóa cần phải thông minh để thích ứng linh hoạt với phần dữ liệu cần mã hóa, còn bộ giải mã chỉ cần làm đơn giản để có thể hiểu được thông tin của kênh truyền mang tới. Điều này thích hợp cho hoạt động quảng bá khi - 2- Nguồn dữ liệu Bộ giải nén Bộ nén Kênh truyền Dữ liệu đã giải nén Bộ giải mã đơn giản Bộ mã hóa phức tạp Dòng bit chuẩn (a) (b) Dữ liệu vào Chương 1: Giới thiệu tổng quan về MPEG mà số lượng thiết bị mã hóa ít còn số lượng bộ giải mã là rất nhiều. Với những ứng dụng kiểu điểm-điểm thì hướng thiết kế như vậy không thể hiện được tính ưu việt. Hình 1.2: (a) MPEG định nghĩa giao thức giữa bộ mã hóa và bộ giải mã. (b) Hướng thiết kế của MPEG là cho phép tạo ra bộ mã hóa tốt hơn trong tương lai nhưng vẫn đảm bảo tương thích với bộ giải mã hiện có. (c) Chi tiết thiết kế của bộ mã hóa không nhất thiết phải công khai, đó có thể là bí mật thương mại của nhà sản xuất. Hướng tiếp cận của MPEG là hết sức đúng đắn bởi vì chuẩn nén này không chuẩn hóa bộ mã hóa hay giải mã mà là chuẩn hóa dòng bít. Dòng bít đảm bảo cho sự phát triển của bộ mã hóa trong tương lai có thể cho chất lượng tốt hơn nhưng những bộ giải mã hiện - 3- Bộ mã hóa Bộ giải mã Tín hiệu Video Tín hiệu Video Dòng bit MPEG định nghĩa phần này Bộ mã hóa không được định nghĩa bởi MPEG trừ việc phải tạo ra dòng bit chuẩn Bộ giải mã phải có khả năng hiểu được tất cả mọi dòng bit chuẩn Không định nghĩa Bộ mã hóa hiện tại Bộ giải mã hiện tại Bộ mã hóa trong tương lai Bộ mã hóa có cấu trúc bí mật Dòng bit chuẩn Dòng bit chuẩn Dòng bit chuẩn Bộ giải mã hiện tại vẫn có khả năng làm việc Bộ giải mã có thể làm việc được (a) (b) (c) Chương 1: Giới thiệu tổng quan về MPEG nay vẫn có thể làm việc được, thậm chí có thể giải mã ngay cả khi bộ mã hóa là một bí mật thương mại. MPEG hầu như không đề cập gì về cấu trúc và hoạt động của bộ giải mã, mà chỉ đưa ra cấu trúc của dòng bít và mọi bộ giải mã đều có khả năng giải mã dòng bit chuẩn này, mặc dù một số thiết kế sẽ cho ra chất lượng tốt hơn thiết kế khác. Cấu trúc của bộ giải mã không cần phải thể hiện ra dòng bít và do vậy nhà sản xuất có thể sử dụng những thuật toán khác nhau, chi tiết trong công nghệ của họ không cần phải công khai cho tất cả cùng biết. Điều này tạo nên sự cạnh tranh giữa các nhà sản xuất nhằm tạo ra thiết bị tối ưu nhất. Và người sử dụng có thể có nhiều lựa chọn hơn. MPEG không những là một chuẩn nén, mà còn định nghĩa cách thức và cú pháp để có thể kết hợp hoặc trộn lẫn audio và video để tạo nên một chương trình truyền hình số tương đương. Nhiều chương trình có thể kết hợp với nhau tạo ra một dòng kết hợp. MPEG định nghĩa cách tạo và vận chuyển dòng kết hợp này. Định nghĩa này cũng nêu ra những yêu cầu phần cứng mà bộ giải mã cần phải thỏa mãn để có thể giải mã chính xác và người sử dụng cần gì để có thể tìm thấy chương trình của mình. Vấn đề đồng bộ ở đây là vấn đề phức tạp bởi dòng kết hợp được tạo ra bởi nhiều chương trình không nhất thiết phải đồng bộ với nhau. 1.2. Ứng dụng của nén dữ liệu: Ứng dụng của nén dữ liệu là vô cùng rộng lớn và do vậy tổ chức ISO đã cố gắng tạo ra một chuẩn nén có thể đáp ứng nhu cầu rộng lớn trong các ứng dụng cần nén. Chuẩn nén MPEG bao hàm tất cả từ những chuẩn cho màn hình nhỏ cỡ màn hình của máy điện thoại cho tới những ứng dụng phân giải cao phục vụ cho việc chiếu phim trong rạp, từ những ứng dụng âm thanh mono đến âm thanh đa kênh và âm thanh vòng. Trong truyền thông, giá phải trả cho một đường truyền thường tỉ lệ với tốc độ dữ liệu, và do áp lực tài chính mà người ta luôn muốn sử dụng hệ số nén cao. Song luôn luôn phải nhớ trong đầu rằng bản thân việc làm tăng được hệ số nén cũng luôn có cái giá phải trả về mặt kinh tế và điều này là không thể tránh khỏi. Trong trường hợp video theo yêu cầu, công nghệ được nghiên cứu để có thể truyền tải đầy đủ băng thông của video đến người sử dụng, song nếu như vậy thì quá đắt đỏ, nếu không nén HDTV cần quá nhiều băng thông, nếu được nén HDTV có thể truyền được qua - 4- Chương 1: Giới thiệu tổng quan về MPEG kênh SDTV sẵn có với yêu cầu băng thông tương tự. Việc nén này không phải là điều băt buộc về công nghệ mà chỉ là do yêu cầu kinh tế. Trong các studio có nhiệm vụ dựng phim, người ta cần lưu trữ những đoạn video, audio vào đĩa cứng để có thể tăng thời gian truy xuất. Mặc dù hệ thống xử lý ở cấp cao nhất phải sử dụng dữ liệu không nén nhưng người ta vẫn nén lại để tăng được dung lượng lưu trữ của đĩa cứng. Việc sử dụng hệ số nén như thế nào trong truyền thông có ý nghĩa rất quan trọng khi mà phổ tần bị hạn chế trong khi nó lại cần thiết cho rất nhiều dịch vụ khác ví dụ như điện thoại di động. Do đó yêu cầu sử dụng phổ tần một cách hiệu quả là một yêu cầu bắt buộc. Truyền hình tương tự là công nghệ cũ và sử dụng phổ tần kém hiệu quả nhất do đó nó bị thay thế bởi truyền hình số là một sự tất yếu do trong thực tế phổ tần còn cần cho nhiều việc khác. Trên thị trường hiện nay có rất nhiều bộ giải mã cho người dùng chọn lựa được sản xuất từ những mạch tích hợp giá rẻ. Trong khi chỉ có một số ít bộ mã hóa nên việc chúng có đắt thì cũng không quan trọng lắm. Xu hướng hiện nay là thiết bị lưu trữ thì càng này càng rẻ còn phổ tần thì càng ngày càng đắt do vậy trong tương lai việc nén trong việc lưu trữ là không cần thiết trong khi nén để truyền thông sử dụng sóng vô tuyến sẽ càng tăng lên. 1.3. Mã hóa không tổn hao và mã hóa dự đoán được. Mặc dù có nhiều công nghệ được sử dụng để nén nhưng chúng có thể được phân thành các loại sau đây. Với nén không tổn hao, đầu ra của bộ giải mã là tương ứng bit-bit so với dữ liệu gốc. Nó cũng được gọi như là một chương trình stacker sử dụng trong máy tính cá nhân để tăng dung lượng đĩa sử dụng những bộ codec không tổn hao. Sự sai lệch dù chỉ một bit với chương trình máy tính có thể có hậu quả nghiêm trọng. Bằng cách này hệ số nén thường chỉ đạt được khoảng 2:1. Chúng ta có thể nhận thấy rằng bộ mã hóa không tổn hao không thể đảm bảo một hệ số nén cho trước và do đó đường truyền hoặc là bộ ghi sẽ phải làm việc với tốc độ dữ liệu ra luôn biến đổi. Bộ mã không tổn hao có thể đi kèm với quá trình kiểm lỗi. - 5- [...]... trên tất cả các kênh 1.11 Dòng bit MPEG Video 1 Audio 1 Video 2 Audio 2 Bộ nén Bộ nén Bộ nén Bộ nén Đóng gói Đóng gói Ghép kênh dòng chương trình Ghép kênh dòng truyền tải Đóng gói Đóng gói Dòng cơ sở Ghép kênh dòng truyền tải Dòng chương trình Dòng truyền tải đơn chương trình (SPTS) Dòng truyền tải Dòng cơ sở đóng gói Hình 1.11: Cấu trúc dòng bit MPEG MPEG hỗ trợ một số loại dòng bit cho nhiều mục đích... giống như dòng truyền tải, các khối của dòng chương trình thường lớn và có kích thước không phải là cố định Cấu trúc chi tiết của dòng cơ sở, dòng cơ sở đóng gói và dòng truyền tải sẽ được mô tả chi tiết trong các chương sau - 21- Chương 2: Dòng cơ sở và dòng cơ sở đóng gói Chương 2: Dòng cơ sở (elementary stream) và dòng cơ sở đóng gói (packetized elementary stream) 2.1 Dòng cơ sở (elementary stream). .. có thể có dòng truyền tải đơn chương trình (single program transport stream) chỉ mang dòng cơ sở của một chương trình TV Với một số ứng dụng nhất định thì việc sử dụng dòng truyền tải trở nên không phù hợp Mỗi gói truyền tải có kích thước nhỏ, cộng với việc nó phải có phần tiêu đề làm cho tốn dung lượng Ở trường hợp này ta dùng dòng chương trình (program stream) Một dòng chương trình là dòng bit ghép... một bộ nén được gọi là dòng cơ sở (elementary stream) Nhiều dòng cơ sở có thể được trộn lại để thành một dòng truyền tải (transport stream) Việc ghép kênh này đòi hỏi những khối hoặc gói có kích thước cố định Cấu trúc của dòng truyền tải là phức tạp vì nó cần cho biết để kết hợp với một dòng cơ sở hình ảnh thì cần dòng cơ sở âm - 20- Chương 1: Giới thiệu tổng quan về MPEG thanh và dòng dữ liệu phụ thuộc... Level trong MPEG- 2 MPEG- 2 được xây dựng trên cơ sở MPEG- 1 với sự mở rộng về phạm vi kích thước hình ảnh và tốc độ bit Việc ghép các dòng bit với nhau cũng được giải quyết trong chuẩn - 14- Chương 1: Giới thiệu tổng quan về MPEG MPEG-2 Chuẩn MPEG- 2 là sự mở rộng của chuẩn MPEG- 1 vì vậy một điều dễ hiểu là bộ giải mã MPEG- 2 có thể làm việc được với dòng bit của MPEG- 1 Với một chuẩn duy nhất nhưng MPEG- 2 có... giải cao HDTV Chuẩn MPEG- 2 tăng số kênh âm thanh lên tới 5 kênh nhưng vẫn đảm bảo tương thích với MPEG- 1 Ngoài ra MPEG- 2 còn có những phương pháp mã hóa âm thanh khác hiệu quả hơn nhưng không tương thích ngược với MPEG- 1 Đó là chuẩn nén MPEG- 2 AAC (advance audio coding) 1.8 Giới thiệu về MPEG -4 MPEG- 4 sử dụng những công cụ phức tạp hơn nữa nhằm mang lại hệ số nén cao hơn MPEG- 2 MPEG- 4 được mong đợi... bộ giải mã 2.2 Dòng cơ sở đóng gói (packetized elementary stream) 2.2.1 Giới thiệu chung về dòng cơ sở đóng gói Do dòng dữ liệu cơ sở là liên tục, có chiều dài tùy thuộc vào lượng dữ liệu đưa vào bộ mã hóa, để có thể truyền đi với độ tin cậy cao, dòng ES được đóng gói thành dòng cơ sở đóng gói ( Packetized Elementary Stream - PES ) Mỗi gói PES gồm một tiêu đề và dữ liệu của dòng cơ sở Dòng cơ sở video... PTS/DTS Nhãn thời gian có thể chiếm một khoảng 700ms trong dòng chương trình (program stream) và 100ms trong dòng truyền tải (transport stream) Vì lí do đó mà không phải mọi gói đều có nhãn PTS/DTS Vì trong dòng bit, mỗi loại ảnh (I, B hoặc P) đều được gán một cờ để xác định, do đó bộ giải mã có thể suy ra nhãn thời gian cho mọi ảnh trong dòng bít Hình 2.8 chỉ ra rằng một số gói PES có thể được gom... kênh 1.7 MPEG- 2 cùng các Profile và Level MPEG- 2 được xem là một chuẩn có ứng dụng rất rộng lớn Ví dụ MPEG- 2 hỗ trợ độ phân giải cao (HD) mà MPEG- 1 không có Chuẩn này càng trở nên quan trọng khi nó được chọn làm chuẩn nén cho DVB và DVD Chuẩn MPEG- 3 dự định thiết kế cho HDTV nhưng người ta nhận thấy MPEG- 2 (cùng với các mở rộng của chuẩn này) có thể đáp ứng các yêu cầu này do vậy mà ko có chuẩn MPEG- 3... giảm tốc lấy mẫu các dòng tích cực xuống một nửa Chuẩn nén này dường như có vẻ rất đơn sơ, song cho tốc độ bit thấp Tuy vậy nó cũng được đánh giá là đã cung cấp những công cụ mã hóa quan trọng mà còn được tiếp tục sử dụng trong MPEG- 2 và MPEG- 4 Chúng bao gồm cú pháp dòng cơ sở, bù chuyển động, điều khiển tốc độ bit … Nhiều nguyên lí mã hóa của MPEG- 1 được lấy ra từ JPEG Chuẩn MPEG- 1 cũng định ra việc . gói cơ sở đóng gói PES đồng thời phân tích cấu tạo của một gói PES. Chương 3: Phân tích cách tạo thành dòng truyền tải MPEG, hoạt động của dòng truyền tải, phân tích chi tiết cấu tạo và nhiệm vụ. truyền tải: 38 3.2. Chuẩn đồng hồ (clock references) 39 3.3. Giải mã dòng truyền tải 41 3.4. Phân tích cú pháp dòng truyền tải 43 3.5. Đặc điểm dòng truyền tải MPEG 60 3.6. Tính linh hoạt của dòng. nén MPEG là dòng truyền tải MPEG (MPEG Transport Stream). Nhờ có dòng truyền tải mà dữ liệu có thể được đưa từ nơi phát tới nơi thu một cách dễ dàng, chính xác và an toàn. Hơn nữa dòng truyền tải