Kiến trúc và chức năng các thành phần của hệ thống IPTV

IPTV là tên viết tắt của cụm từ Internet Protocol Television truyền hình qua giao thức Internet.ITPV theo định nghĩa chính thức như sau: IPTV được định nghĩa là các dịch vụ đa phương tiện như truyền hình ảnh, tiếng nói, văn bản, dữ liệu được phân phối qua các mạng dựa trên IP mà được quản lý để cung cấp các cấp chất lượng dịch vụ, bảo mật, tính tương tác, tính tin cậy theo yêu cầu. Như vậy IPTV đóng vai trò phân phối các dữ liệu, kể cả hình ảnh, âm thanh, văn bản qua mạng sử dụng giao thức Internet. Điều này nhấn mạnh vào việc Internet không đóng vai trò chính trong việc truyền tải thông tin truyền hình hay bất kì loại nội dung truyền hình nào khác. Thay vào đó, IPTV sử dụng IP là cơ chế phân phối mà theo đó có thể sử dụng Internet, đại diện cho mạng công cộng dựa trên IP, hay có thể sử dụng mạng riêng dựa trên IP.Có thể thấy, IPTV là một dịch vụ số mà có khả năng cung cấp những tính năng vượt trội hơn khả năng của bất kì cơ chế phân phối truyền hình nào khác. Ví dụ, set – top box IPTV có thể thông qua phần mềm để cho phép xem đồng thời 4 chương trình truyền hình trên màn hiển thị, hay có thể nhận tin nhắn sms, e – mail…

Chương 1: GIỚI THIỆU IPTV

I Giới thiệu về IPTV

Như vậy IPTV đóng vai trò phân phối các dữ liệu, kể cả hình ảnh, âm thanh,văn bản qua mạng sử dụng giao thức Internet Điều này nhấn mạnh vào việc Internetkhông đóng vai trò chính trong việc truyền tải thông tin truyền hình hay bất kì loại nộidung truyền hình nào khác Thay vào đó, IPTV sử dụng IP là cơ chế phân phối mà theo

đó có thể sử dụng Internet, đại diện cho mạng công cộng dựa trên IP, hay có thể sửdụng mạng riêng dựa trên IP

Có thể thấy, IPTV là một dịch vụ số mà có khả năng cung cấp những tính năngvượt trội hơn khả năng của bất kì cơ chế phân phối truyền hình nào khác Ví dụ, set –top box IPTV có thể thông qua phần mềm để cho phép xem đồng thời 4 chương trìnhtruyền hình trên màn hiển thị, hay có thể nhận tin nhắn sms, e – mail…

2 Một số đặc tính của IPTV

 Hỗ trợ truyền hình tương tác

Khả năng hai chiều của hệ thống IPTV cho phép nhà cung cấp dịch vụ phânphối toàn bộ các ứng dụng TV tương tác Các loại hình dịch vụ được truyền tải thôngqua một dịch vụ IPTV có thể bao gồm truyền hình trực tiếp chuẩn, truyền hình chấtlượng HDTV, trò chơi tương tác va 2internet tốc độ cao

 Yêu cầu băng thông thấp

Thay vì phân phối trên mọi kênh để tới mọi người dùng, công nghệ IPTV chophép nhà cung cấp dịch vụ chỉ truyền trên một kênh mà người dùng yêu cầu Đặc điểmhấp dẫn này cho phép nhà điều hành mạng có thể tiết kiệm băng thông của mạng

 Có thể truy xuất qua nhiều thiết bị

Việc xem nội dung IPTV bây giờ không chỉ giới hạn ở việc sử dụng TV Ngườidùng có thể sử dụng máy PC hay thiết bị di động để truy xuất vào các dịch vụ IPTV

3 Sự khác biệt giữa IPTV và truyền hình Intrenet

Do đều được truyền trên mạng dựa trên giao thức IP, người ta đôi lúc hay nhầmIPTV là truyền hình Internet Tuy nhiên, 2 dịch vụ này có nhiều điểm khác nhau:

Truyền hình Internet sử dụng mạng Internet công cộng để phân phát các nộidung video tới người sử dụng cuối IPTV sử dụng mạng riêng để truyền các nội dungvideo đến khách hàng Các mạng riêng này thường được tổ chức và vận hành bởi nhàcung cấp dịch vụ IPTV

Trong khi, IPTV chỉ được phân phối qua một hạ tầng mạng của nhà cung cấpdịch vụ Do đó người vận hành mạng có thể điều chỉnh để cung cấp hình ảnh với chấtlượng cao.

 Về cơ chế truy cập

Một set-top box số thường được sử dụng để truy cập và giải mã nội dung videođược phân phát qua hệ thống IPTV , trong khi PC thường được sử dụng để truy cập cácdịch vụ Internet Các loại phần mềm được sử dụng trong PC thường phụ thuộc vào loạinội dung truyền hình Internet Ví dụ như, để download các chương trình truyền hình từtrên mạng Internet, đôi khi cần phải cài đặt các phần mềm media cần thiết để xem đượcnội dung đó Hay hệ thống quản lí bản quyền cũng cần để hỗ trợ cơ chế truy cập

 Về giá thành

Phần trăm nội dung chương trình được phân phát qua mạng Internet công cộng

tự do thay đổi Điều này khiến các công ty truyền thông đưa ra các loại dịch vụ dựatrên mức giá thành Giá thành các loại dịch vụ IPTV cũng gần giống với mức phí hàngtháng của truyền hình truyền thống Các nhà phân tích mong rằng truyền hình Internet

và IPTV có thể hợp lại thành 1 loại hình dịch vụ giải trí

4 Cơ sở hạ tầng mạng IPTV

Hình 1.1 mô hình hệ thống IPTV

 Trung tâm dữ liệu

Cũng được biết đến như là “đầu cuối - headend” Trung tâm dữ liệu IPTV nhậnnội dung từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm truyền hình địa phương, các nhà tập hợpnội dung, nhà sản xuất, qua đường cáp, trạm số mặt đất hay vệ tinh Ngay khi nhậnđược nội dung, một số các thành phần phần cứng khác nhau từ thiết bị mã hóa và cácmáy chủ video tới bộ định tuyến IP và thiết bị bảo mật giành riêng được sử dụng đểchuẩn bị nội dung video cho việc phân phối qua mạng dựa trên IP Thêm vào đó, hệthống quản lý thuê bao được yêu cầu để quản lý hồ sơ và phí thuê bao của nhữngngười sử dụng Chú ý rằng, địa điểm thực của trung tâm dữ liệu IPTV được yêu cầubởi hạ tầng cơ sở mạng được sử dụng bởi nhà cung cấp dịch vụ

 Mạng truyền dẫn băng thông rộng

Việc truyền dẫn dịch vụ IPTV yêu cầu kết nối điểm – điểm Trong trường hợptriển khai IPTV trên diện rộng, số lượng các kết nối điểm – điểm tăng đáng kể và yêu

cầu độ rộng băng thông của cơ sở hạ tầng khá rộng Sự tiến bộ trong công nghệ mạngtrong những năm qua cho phép những nhà cung cấp viễn thông thỏa mãn một lượnglớn yêu cầu độ rộng băng thông mạng Hạ tầng truyền hình cáp dựa trên cáp đồng trụclai cáp quang và các mạng viễn thông dựa trên cáp quang rất phù hợp để truyền tải nộidung IPTV.

 Thiết bị người dùng IPTV

Thiết bị người dùng IPTV (IPTVCD) là thành phần quan trọng trong việc chophép mọi người có thể truy xuất vào các dịch vụ IPTV Thiết bị này kết nối vào mạngbăng rộng và có nhiệm vụ giải mã và xử lý dữ liệu video dựa trên IP gửi đến Thiết bịngười dùng hỗ trợ công nghệ tiên tiến để có thể tối thiểu hóa hay loại bỏ hoàn toàn ảnhhưởng của lỗi, sự cố mạng khi đang xử lý nội dung IPTV

II Lý thuyết cơ bản về hệ thống mạng IP

1 Lý thuyết cơ bản hỗ trợ trong mạng IPTV

Việc đóng gói các chương trình video bao gồm việc chèn và tổ chức các dữ liệuvideo thành các gói riêng biệt.

1.1 Tổng quan về mô hình truyền thông IPTV (IPTVCD)

Mô hình truyền thông trong IPTV có 7 lớp (và một lớp tùy chọn) được xếpchồng lên nhau

Các dữ liệu video ở phía thiết bị gửi được truyền từ lớp cao xuống lớp thấptrong mô hình IPTV, và được truyền đi trong mạng băng rộng bằng các giao thức củalớp vật lí Ở thiết bị nhận, dữ liệu nhận được chuyển từ lớp thấp nhất đến lớp trên cùngtrong mô hình IPTV

Hình 1.2: Mô hình truyền thông IPTV

Do đó, nếu một bộ mã hóa gửi chương trình video đến một thiết bị IPTV củakhách hàng, thì phải chuyển qua các lớp trong mô hình IPTV ở cả phía thiết bị nhận vàthiết bị gửi Mỗi lớp trong mô hình IPTV độc lập với nhau và có chức năng riêng Khichức năng này được thực hiện, dữ liệu video được chuyển đến lớp tiếp theo trong môhình IPTV Mỗi lớp sẽ thêm vào hoặc bỏ đi phần thông tin điều khiển của các góivideo trong quá trình xử lí Thông tin điều khiển chứa các thông tin giúp thiết bị có thể

sử dụng gói dữ liệu đúng chức năng của nó, và thường được định dạng như các headerhoặc trailer Bên cạnh việc truyền thông giữa các lớp, còn có các liên kết ảo giữa cáctầng cùng mức 7 lớp và 1 lớp bổ sung trong mô hình IPTV có thể được chia làm 2loại: các lớp cao và lớp thấp các tầng cao hơn thì quan tâm nhiều hơn tới các ứng dụngcủa IPTV và các định dạng file, trong khi các tầng thấp hơn thì quan tâm tới việctruyền tải các nội dung

Mô hình IPTV và truyền tải các nội dung MPEG:

 Lớp mã hóa video

Quá trình truyền thông bắt đầu ở lớp mã hóa, các tín hiệu tương tự hoặc số đượcnén Tín hiệu lối ra của bộ nén là các dòng MPEG cơ bản Các dòng MPEG cơ bảnđược định nghĩa là các tín hiệu số liên tục thời gian thực Có nhiều loại dòng cơ bản

VD, âm thanh được mã hóa sử dụng MPEG được gọi là “dòng âm thanh cơ bản” Mộtdòng cơ bản thực ra chỉ là tín hiệu thô ra từ bộ mã hóa Các dòng dữ liệu được tổ chứcthành các khung tại lớp này Các thông tin chứa trong một dòng cơ bản có thể baogồm:

+Loại khung và tốc độ

+Vị trí của những block dữ liệu trên màn hình.

Do bản chất của mạng, thứ tự hay chuỗi các khung video từ lối ra của trung tâm

dữ liệu IPTV có thể khác thứ tự các khung do các thiết bị của người dùng nhận được

Do đó, để giúp đỡ quá trình đồng bộ, các hệ thống dựa trên MPEG thường dán nhãncác gói PES khác nhau trong chuỗi video

Có 2 loại nhãn thời gian được sử dụng đối với mỗi gói PES: nhãn thời gian trìnhdiễn (PTS), và nhãn thời gian giải mã (DTS):

+ PTS - nhãn thời gian trình diễn có giá trị thời gian 33 bit, được đặt trongtrường PES header Mục đích của việc sử dụng PTS cho mỗi gói là để xác định xemkhi nào và theo trật tự nào thì gói đó được xem (bởi người xem)

+ DTS - nhãn giải mã để sử dụng giúp bộ giải mã ở thiết bị của người sử dụngbiết khi nào xử lí gói đó

Như đã chỉ ra ở trên, thứ tự các gói được truyền đi qua mạng khác với thứ tự cácgói nhận được ở thiết bị của người sử dụng Thiết bị người sử dụng IPTV sẽ dùng cácnhãn PTS và DTS để tái tạo lại nội dung video gốc Bên cạnh việc gửi đi các nội dungnén MPEG-2, PES còn có khả năng truyền tải các khối H.264/AVC qua mạng IPTV.

Hình 1.3: Ứng dụng nhãn thời gian với các gói MPEG PES

 Lớp cấu trúc dòng truyền tải

Lớp tùy chọn này được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau Lớpnày hoạt động như một lớp trung gian giữa các nội dung được nén MPEG-2,H.264/AVC ở lớp cao hơn và các lớp thấp hơn trong mô hình IPTV Giao thức RTPchính là lõi của lớp này và thường là block cơ sở hỗ trợ truyền dòng nội dung theo thờigian thực qua mạng IP

Chú ý rằng, kĩ thuật RTP thường được triển khai trong các mạng không đảmbảo chất lượng dịch vụ QoS để truyền các dịch vụ IPTV Mặc dù RTP giúp làm tăngkhả năng các dòng tới đích trong trật tự đúng, nhưng không được thiết kế để đảm bảo

các mức chất lượng dịch vụ Do đó, trách nhiệm của nhà cung cấp dịch vụ là đảm bảovideo luôn được ưu tiên khi chúng được truyền đi trong hạ tầng mạng.

 Lớp giao thức truyền tải thời gian thực

Lớp tùy chọn này được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau Lớpnày hoạt động như một lớp trung gian giữa các nội dung được nén MPEG-2,H.264/AVC ở lớp cao hơn và các lớp thấp hơn trong mô hình IPTV Giao thức RTPchính là lõi của lớp này và thường là block cơ sở hỗ trợ truyền dòng nội dung theo thờigian thực qua mạng IP

Chú ý rằng, kĩ thuật RTP thường được triển khai trong các mạng không đảmbảo chất lượng dịch vụ QoS để truyền các dịch vụ IPTV Mặc dù RTP giúp làm tăngkhả năng các dòng tới đích trong trật tự đúng, nhưng không được thiết kế để đảm bảocác mức chất lượng dịch vụ Do đó, trách nhiệm của nhà cung cấp dịch vụ là đảm bảovideo luôn được ưu tiên khi chúng được truyền đi trong hạ tầng mạng

 Lớp truyền tải

Thông thường các gói RTP là dạng đầu vào của lớp truyền tải Điều đáng chú ý

là có thể ánh xạ trực tiếp các gói MPEG-TS sang payload giao thức của lớp truyền tải

Lớp truyền tải IPTV được thiết kế để đảm bảo các kết nối đầu cuối là tin cậy.Nếu dữ liệu tới thiết bị người nhận không đúng Lớp truyền tải sẽ truyền lại Lớptruyền tải thông báo với lớp trên để có các thông tin chính xác hơn

TCP và UDP là 2 giao thức quan trọng nhất được sử dụng ở lớp này

a) Sử dụng TCP để định tuyến các gói IPTV

TCP là giao thức cốt lõi của bộ giao thức internet và được xếp vào loại địnhhướng kết nối Điều này cơ bản có nghĩa là kết nối được thiết lập giữa đầu cuối nhàcung cấp và thiết bị IPTV của người sử dụng để truyền các chương trình qua mạng

TCP có khả năng điều khiển lỗi xảy ra trong quá trình truyền các chương trìnhqua mạng Các lỗi như mất gói, mất trật tự gói,hoặc lặp gói thường gặp trong môitrường truyền IPTV Để xử lí các tình huống này, TCP sử dụng hệ thống các số liên tục

để cho phép thiết bị gửi có thể gửi lại các dữ liệu hình ảnh bị mất hoặc hỏng Hệ thống

số liên tục này là trường có độ dài 32 bit trong cấu trúc gói Trường đầu tiên chứachuỗi số bắt đầu của dữ liệu trong gói và trường thứ hai chứa giá trị của chuỗi số tiếptheo mà video server đang đợi (mong) nhận trở lại từ IPTVCD

Hình 1.4: Cơ chế điều khiển luồng của TCP

Bên cạnh việc sửa các lỗi có thể xảy ra trong quá trình truyền nội dung videoqua mạng IP băng rộng, TCP còn có điều khiển luồng dữ liệu Điều này có thể đạtđược bằng cách sử dụng trường kích thước cửa sổ, với thuật toán được gọi là cửa sổtrượt Giá trị trong trường này xác định số các byte có thể truyền đi qua mạng trước khinhận được xác nhận từ phía thiêt bị nhận

Trong môi trường IPTV, giá trị trường kích thước cửa sổ chính là kích thướcvùng đệm trong IPTVCD trừ đi lượng nội dung đã có trong vùng đệm tại một thờiđiểm Dữ liệu này sẽ được giữ cho tới khi bản tin thông báo đã nhận được gửi về từIPTVCD

Khi giá trị của trường này bằng 0, IPTVCD ở phía đầu thu sẽ không đủ khảnăng xử lí các dữ liệu IPTV ở tốc độ đủ lớn Khi đó, TCP sẽ chỉ thị cho video serverdừng hoặc làm chậm lại tốc độ gửi các gói dữ liệu tới IPTVCD Điều này sẽ đảm bảorằng IPTVCD sẽ không bị tràn các gói dữ liệu tới Khi IPTVCD đã xử lí xong các cácgói dữ liệu trong vùng đệm và video server đã biết được điều đó thì giá trị tại vùngđệm sẽ tăng lên, và video server sẽ bắt đầu truyền tiếp các nội dung Trong môi trườngIPTV lí tưởng, số của cửa số được báo về từ IPTVCD sẽ báo cho server biết khônggian vùng đệm còn trống chính là tốc độ mà tại đó các nội dung video được gửi đi từvideo server

Các cổng TCP và Socket: Mỗi điểm cuối của một liên kết IPTV thì có một địachỉ IP và một giá trị cổng liên quan Vì thế mỗi liên kết có 4 thành phần khác nhau:

+ Địa chỉ IP của video server.

+ Số của cổng của video server

+ Địa chỉ IP của IPTVCD

+ Số của cổng của IPTVCD

Việc kết hợp địa chỉ IP và số của cổng cho phép một tiến trình trên IPTVCD cóthể liên lạc trực tiếp với tiến trình đang chạy trên một trong các máy server được đặt ởtrung tâm dữ liệu IPTV

Socket cũng là một thành phần quan trọng khác trong mô hình truyền thông IP.Một socket về cơ bản là một giao diện ứng dụng chương trình (API), được sử dụng đểlàm việc liên lạc giữa các tiến trình đang chạy trên một thiết bị IP Một socket đượcthiết lập bằng cách kết hợp địa chỉ IP với số của cổng

Hình 1.5: Quá trình truyền thông trong mạng IPTV

Để hiểu hơn về mối liên hệ giữa địa chỉ IP và socket xét các bước để thiết lậpmột kênh truyền thông giữa một tiến trình chạy trên IPTVCD và một tiến trình chạytrên trung tâm cung cấp dữ liệu IPTV Bước được mô tả như sau:

(1) Chuẩn bị dữ liệu: Tiến trình gửi chạy trên hệ thống server dòng IPTV chuẩn

bị nội dung và gọi module truyền thông TCP/IP để truyền các dữ liệu tới một tiến trìnhđang chạy trên một IPTVCD Các tiến trình truyền thông bắt đầu và thông tin headerđược thêm vào nội dung khi truyền qua các lớp trong IPTVCD

(2) Thiết lập kết nối logic TCP: Cả 2 đầu kết nối đều được định nghĩa bởi mộtđịa chỉ IP và một số cổng, kết hợp giữa địa chỉ IP và số cổng gọi là socket Hệ thốngđịa chỉ đối với liên kết truyền thông bao gồm các thành phần sau:

+ Giao thức

+ Địa chỉ IP của máy chủ IPTV

+ ID của tiến trình chạy trên máy chủ IPTV

+ Địa chỉ IP của IPTVCD

+ ID của tiến trình chạy trên IPTVCD

(3) Truyền dữ liệu: Truyền thông bắt đầu thông qua socket giữa 2 tiến trình từphía IPTV server đến IPTVCD

(4) Quản lí các dòng nội dung IPTV:Giao thức TCP quản lí các dòng IPTVtrong khi kết nối được thiết lập

(5) Hủy bỏ kết nối: Khi hoàn thành việc truyền các nội dung IPTV, IPTVCDhoặc trung tâm dữ liệu sẽ hủy bỏ socket và kết nối mạng

b) Sử dụng UDP để định hướng các gói IPTV:

UDP là giao thức thuộc về bộ giao thức Internet UDP cho phép máy chủ kếtnối với mạng băng rộng để gửi tới các IPTVCD dịch vụ truyền hình quảng bá có chất

lượng hài lòng người dùng UDP giống với TCP nhưng là phiên bản sơ lược hơn, đưa

ra cho số lượng tối thiểu các dịch vụ truyền tải UDP là giao thức không liên kết, điều

đó có nghĩa là kết nối giữa video server và IPTVCD không cần phải thiết lập trước khi

dữ liệu được truyền đi Video server đơn giản chỉ thêm vào địa chỉ IP đích và số cổngvào datagram và gửi tới cơ sở mạng để phân phát tới địa chỉ IP đích Khi trên mạng,UDP sử dụng cách tốt nhất để cố gắng thu được dữ liệu về điểm đích của nó Chú ýrằng UDP sử dụng các khối dữ liệu được gọi là các datagram để truyền nội dung quamạng

Ưu điểm và nhược điểm của UDP:

+ Ưu điểm của UDP:

Không có ngắt trong quá trình truyền nội dung video: không có trễ trong quátrình phân phối ngay cả khi trong mạng có các gói bị trễ hoặc bị hỏng Ngược lại, khi

sử dụng TCP, có thể xảy ra sự ngắt quãng khi phải chờ các gói bị trễ và các khung hìnhtới hoặc phải chờ các gói bị hỏng được thay thế

Dung lượng thấp: Kích thước header của UDP chỉ bao gồm có 8 byte trong khiTCP header chiếm tới 20 byte

Tốc độ thiết lập kết nối: thời gian thiết lập và hủy bỏ kết nối giữa IPTVCD vàcác thiết bị ở trung tâm dữ liệu IPTV ngắn Do đó, việc phân phối các gói sử dụng giaothức UDP thường nhanh hơn so với sử dụng giao thức TCP

Hỗ trợ truyền một chiều: UDP không yêu cầu đường về, do đó cho phép cáccông ty sử dụng vệ tinh có thể truyền nội dung IPTV truyền đa điểm tới khách hàngcủa mình

+ Nhược điểm của UDP:

Mặc dù UDP là nhanh chóng và hiệu quả đối với các ứng dụng cần thời gian, và

sẽ là không hiệu quả trong trường hợp:

Tính toàn vẹn của dữ liệu: Tính toàn vẹn của dữ liệu khi sử dụng UDP là khôngđược bảo đảm khi UDP chỉ cung cấp một dịch vụ duy nhất là kiểm tra tổng vàmultiplexing thông qua số cổng Bất kì vấn đề nào cũng có thể xảy ra trong quá trìnhtruyền thông ở tại đầu cuối nào cần được điều khiển độc lập với các ứng dụng Các vấn

đề thường gặp như là phát lại, đóng gói và lắp ráp lại, truyền lại các gói bị mất, sự tắcnghẽn, và điều khiển luồng nằm ngoài khả năng sửa lỗi của UDP

Khó khăn trong việc vượt qua các tường lửa: Nhiều loại tường lửa trên mạng chặn cácthông tin UDP gây ra các lỗi trong quá trình truyền thông Đây không phải là vấn đềlớn đối với các nhà cung cấp dịch vụ IPTV, tuy nhiên nó cũng ảnh hưởng tới các công

ty cung cấp dịch vụ Internet TV

Đối với IPTV, UDP tỏ ra hữu ích khi trung tâm dữ liệu cần gửi các nội dungvideo IP tới nhiều IPTVCD và là giao thức mức truyền tải phổ biến nhất mà các nhàcung cấp dịch vụ IPTV

c) Sự khác biệt giữa TCP và UDP

Khi các nhà cung cấp dịch vụ phát các nội dung IPTV tới các thuê bao, điềuquan trọng là các nội dung này phải đến thiết bị của người dùng đúng lúc và trong dạngđúng Nói cách khác, các gói video phải không bị ngắt quãng Do đó, các nhà cung cấpdịch vụ cần chắc chắn sử dụng giao thức hỗ trợ khả năng phân phối qua hạ tầng mạng

Mặc dù TCP cung cấp các ứng dụng với nhiều đặc trưng về mạng so với UDP,nhưng các nhà cung cấp dịch vụ IPTV không thường chọn TCP là giao thức truyền tải.Điều này chỉ ra một thực tế rằng IPTV là ứng dụng thời gian thực và không có trễ TCP

có thể đưa ngầm vào sự phân phối nội dung video IP do thực tế rằng giao thức sử dụng

cơ chế điều khiển dòng

Đặc điểm và hạn chế cuả TCP đối với phân phối chương trình thời gian thực:

o Cân bằng giữa độ nhạy và độ trễ IPTV ít nhạy với mất hoặc ngắt gói hơn làvới độ trễ Việc truyền lại các gói nâng cao độ tin cậy của kết nối giữa máy chủ

và thiết bị truy cập IPTV Tuy nhiên, khi việc truyền lại diễn ra nhiều thì sẽ làm

độ trễ tăng lên

o TCP là giao thức kết nối liên kết Như đã trình bày ở trên TCP yêu cầu thiếtlập kết nối logic giữa máy chủ và IPTVCD trước khi truyền các nội dung IPTV.Khi người xem chuyển từ kênh này sang kênh khác cũng sẽ gây ra độ trễ đối vớimôi trường truyền hình trực tiếp của IPTV

o Hỗ trợ sửa lỗi TCP cung cấp nhiều tính năng, đáng chú ý là khả năng sửa lỗi

và điều khiển luồng Tuy nhiên, việc sửa lỗi trong mạng IP video có thể làmgiảm chất lượng dịch vụ tới khách hàng

o Đặc điểm của truyền video: video bao gồm một chuỗi các ảnh liên tiếp, bất cứkhi nào xảy ra ngắt với tốc độ mà tại đó các hình ảnh này được xử lí và hiển thịtrên IPTVCD cũng làm giảm chất lượng hình ảnh hiển thị và ảnh hưởng tớingười sử dụng Thời gian xử lí mỗi ảnh riêng biệt chỉ mất khoảng một phần củagiây

o Nếu sử dụng TCP để sửa lỗi do ngắt, cơ chế sửa lỗi như sau:

 IPTVCD sẽ báo gói dữ liệu bị lỗi bằng việc đặt cờ

 Một bản tin sẽ được gửi tới máy chủ IPTV để thông báo cho ứng dụngbiết một trong các gói nhận được bị ngắt

 Dưới sự quản lí của TCP, máy chủ cần phải tìm ra và gửi lại gói bị ngắt

 IPTVCD nhận được gói mới trong vùng đệm và hiển thị nội dung videotrong gói đó

 Trong khi TCP thực hiện các bước ở trên, IPTVCD phải chờ gói bị lỗiđược truyền lại và phải để trống luồng video hoặc bỏ qua gói truyền lạikhi nhận được, Do đó kĩ thuật sửa lỗi của TCP là không cần thiết

o Mất gói IP - quá trình xử lí mất các gói IPTV nhiều hay ít cũng giống nhưquá trình sửa ngắt gói IPTV Các gói bị mất cũng cần được truyền lại, gây raảnh hưởng bất lợi tới dịch vụ phân phối IPTV

o Hỗ trợ điều khiển luồng Bên cạnh vấn đề sửa lỗi và thiết lập kết nối logic,giao thức TCP còn hỗ trợ điều khiển tốc độ bit luồng dữ liệu gửi đi, có thể gây

ra nhiều trở ngại trong việc truyền và nhận nội dung IPTV Trở ngại này xảy rakhi vùng đệm IPTV bắt đầu tràn các gói IPTV hoặc mạng bị nghẽn Khi xảy ratrường hợp này, máy chủ nhận được yêu cầu giảm tốc độ gửi các gói tin lênmạng Nếu máy chủ thực hiện yêu cầu giảm tốc độ, có một khả năng đó là: khitốc độ giảm xuống hình ảnh sẽ không thể hiển thị được Nếu bản tin dừng đượcthực hiện, dịch vụ IPTV sẽ bị tắt hoàn toàn

o Không hỗ trợ đa truyền thông TCP không hoạt động hiệu quả trong môitrường đa truyền thông, Do đó, UDP là lựa chọn tốt hơn TCP đối với các dịch

vụ truyền thông như các ứng dụng đa truyền thông IPTV và truyền quảng bá

Đây là những nguyên nhân chính TCP ít được sử dụng trong IPTV trực tiếp.TCP được dùng trong các ứng dụng khác như e-mail, download các chương trìnhInternet TV Mặc dù, độ tin cậy và khả năng sửa lỗi của UDP không bằng TCP nhưngUDP là giao thức được lựa chọn để phân phát các dịch vụ IPTV

UDP có các nhược điểm sau: không có khả năng tìm và sửa lỗi Vấn đề này đượckhắc phục bằng cách gắn các hàm sửa lỗi vào các ứng dụng IPTV chạy trên các mạnghoặc trong chính các dòng video

 Lớp IP

Sau lớp truyền tải là lớp IP (còn được gọi là lớp liên mạng ) Nhiệm vụ chínhcủa lớp này là đưa các dữ liệu tới các vị trí mạng riêng biệt thông qua nhiều mạng độclập được liên kết với nhau được gọi là liên mạng Lớp này được sử dụng để gửi các dữliệu thông qua các đường khác nhau tới đích IP là giao thức tốt nhất được sử dụngtrong lớp liên mạng, giao thức này cung cấp dịch vụ phân phát gói cơ bản cho tất cảcác dịch vụ IPTV Các loại dịch vụ này với hệ thống truyền đơn điểm, nơi các góiđược truyền từ nguồn tới một IPTVCD đích, khác với hệ thống truyền đa điểm nơi màcác gói được truyền từ máy chủ tới nhiều IPTVCD

IPv4 là giao thức phổ biến nhất được sử dụng trong mạng IPTV ngày nay.Nhiệm vụ chính của IP là phân phát các bit dữ liệu trong các gói từ nguồn tới đích IP

sử dụng kĩ thuật có hiệu quả cao nhất để phân phát dữ liệu Nói cách khác không cótiến trình nào đảm bảo quá trình phân phát chính xác thông tin qua mạng Các khối cơ

sở của giao thức IP là các đoạn bit dữ liệu được đặt trong các gói và được định địa chỉ

Gói IP là đơn vị dữ liệu bao gồm dữ liệu video thực và các thông tin của việcnhận video từ trung tâm cung cấp dữ liệu IPTV tới đích IPTVCD

Cách đánh địa chỉ IP: trong môi trường IPTV, địa chỉ IPv4 thường được dùng

để định nghĩa IPTVCD và trung tâm cung cấp dữ liệu Địa chỉ IPv4 là chuỗi 4 số đượcngăn cách với nhau bằng các dấu chấm để định nghĩa một cách chính xác vị trí vật lícủa một thiết bị, ví dụ như set-top box, trong mạng Địa chỉ IPv4 gồm 32 bit trong hệnhị phân Các số nhị phân này được chia thành 4 octet, mỗi octet 8 bit, mỗi octet đượcđại diện bởi 1 số hệ thập phân nằm trong khoảng từ 0 đến 255 Mỗi octet được ngăncách bởi 1 dấu chấm trong hệ thâp phân Địa chỉ IP được tổ chức thành 2 phần:

(1) Địa chỉ mạng dùng để định nghĩa mạng băng rộng mà IPTVCD kết nối tới.(2) Địa chỉ host dùng để định nghĩa các thiết bị IPTV

Một điểm đáng chú ý là một vài bit đầu tiên của địa chỉ sẽ định nghĩa các bit cònlại của trường địa chỉ sẽ được phân chia thế nào cho host và mạng Để thuận lợi choviệc sư dụng và quản lí, địa chỉ IP được chia thành các lớp khác nhau

Bên cạnh việc chia thành các lớp, một số địa chỉ IP được dành riêng cho cácmạng tư nhân Các địa chỉ này nằm trong dải:

10.0.0.0 to 10.255.255.255

172.16.0.0 to 172.31.255.255 192.168.0.0 to 192.168.255.255

Hình 1.6: Các lớp địa chỉ IP

a) Mạng con IPTV

Trong các mạng lớn IPTV với hàng ngàn IPTVCD trải rộng trên một khu vựcđịa lí rộng, mạng dựa trên IP này cần được chia thành các mạng nhỏ hơn gọi là mạngcon Mạng con của mạng IPTV cho phép nhà cung cấp dịch vụ định nghĩa và giám sátcác phần riêng biệt trong mạng mà không cần địa chỉ IPv4 mới Người điều hành mạngcũng sử dụng địa chỉ mạng con để giấu đi cấu trúc mạng nội bộ để tránh bị tấn công từmạng Internet công cộng Người quản trị mạng IPTV sử dụng các số riêng biệt được

gọi là địa chỉ subnet mask để tạo các mạng con trong môi trường IPTV Subnet mask

là địa chỉ IP 32 bit Giá trị mặc định của subnet mask của lớp A, B, C là:

b) Tương lai của địa chỉ IP

Khi cấu trúc địa chỉ IP của mạng Internet mới được phát triển trong những nămđầu của thập kỉ 80, người ta đã cho rằng nó đáp ứng được nhu cầu của người dùng hiệntại và trong tương lai Địa chỉ IP 32 bit trong vesion IPv4 có thể đánh địa chỉ cho hơn 4

tỉ máy trạm trong khoảng 16,7 triệu mạng khác nhau.Địa chỉ IPv4 không đáp ứng đượcnhu cầu tốc độ phát triển của mạng Internet như hiện nay.Tốc độ phát triển của mạngInternet đã nằm ngoài dự đoán của những người phát triển giao thức IP và số lượngmạng kết nối với mạng Internet tăng lên từng tháng

Để tìm giải pháp cho hạn chế của địa chỉ IPv4, Nhóm Kĩ Sư mạng Internet đãđưa ra version mới IPv6 với 128 bit địa chỉ IPv6 có thể cung cấp lượng địa chỉ gấphàng tỉ lần số địa chỉ IPv4 IPv6 có cả các khả năng cung cấp hỗ trợ việc xác thực, tínhtoàn vẹn QoS, mã hóa và bí mật Việc sử dụng IPv6 trên mạng IPTV là thích hợp bởi

vì cơ chế QoS bên trong nó và có khả năng hỗ trợ số lượng không giới hạn cácIPTVCD.Từ 5 tới 10 năm tới, IPv6 sẽ dần thay thế IPv4.

Tại sao lại sử dụng IPv6 khi triển khai IPTV ? IPv6 có tính năng vượt trộihơn so với IPv4 Các nguyên nhân chính khiến các nhà cung cấp dịch vụ xem xét việc

sư dụng IPv6:

Quy mô được tăng lên: IPv4 dùng địa chỉ 32 bit trong khi IPv6 dùng địa chỉ 128bit, lớn hơn gấp 4 lần Điều này cho phép nhà cung cấp dịch vụ IPTV mở rộng sốlượng thiết bị có thể quản lý

Cấu trúc header đơn giản: IPv6 giảm kích thước header xuống còn 40 byte cốđịnh và đơn giản cấu trúc của trường header

Tăng mức độ bảo vệ: IPv6 có 2 đặc điểm giúp tăng mức độ bảo vệ:

(1) Bao gồm header xác thực - bao gồm các bản tin xác nhận và kiểm trangười gửi gói

(2) Payload bảo mật được đóng gói - đặc điểm này đảm bảo tính toàn vẹncủa dữ liệu IPTV và bảo mật giữa các máy chủ trung tâm dữ liệu IPTV và cácIPTVCD khác

Lưu lượng thời gian thực tốt hơn: khả năng dán nhãn luồng của IPv6 cho phépnhà cung cấp dịch vụ đánh dấu các gói riêng, phụ thuộc vào từng loại dịch vụ Trongmôi trường triple-play, các router có thể coi các gói IP được dán nhãn với một nhậndạng video là các gói IP được dán nhãn khi mang nội dung web

Tự động cấu hình: Khả năng plug and play của IPv6 giúp giảm bớt độ phức tạpkhi cài đặt dịch vụ IPTV tại nhà của khách hàng.

Vì những ưu điểm kể trên IPv6 được xem như giải pháp lâu dài để hỗ trợ triểnkhai các thiết bị số ở quy mô lớn, có thể sử dụng nhiều loại ứng dụng dựa trên IP

Nhược điểm chính khi sử dụng giao thức IP là không có gì đảm bảo rằng khinào các gói tới đúng đích hay gói có đến đúng lúc không, ngay cả thứ tự các gói đượcchuyển đến cũng không được xác định Do đó, lớp IP làm việc cùng với giao thức lớptruyền tải để đảm bảo rằng các gói đến IPTVCD đúng lúc và theo trật tự đúng IP cũnglàm cho quá trình phân phát nội dung video bị trễ

 Lớp liên kết dữ liệu

Lớp liên kết dữ liệu lấy các dữ liệu thô từ lớp IP và định dạng chúng thành cácgói phù hợp để truyền qua mạng vật lí Chú ý, lớp liên kết dữ liệu khác với các giaothức mạng Kĩ thuật Ethetnet là một trong những kĩ thuật phổ biến hơn được sử dụngtrong hệ thống IPTV Lớp liên kết dữ liệu bao gồm các chức năng dành cho các mạngdựa trên Ethernet:

Encapsulation Lớp này thêm vào các gói IPTV một header Ethernet header

là loại Encapsulation phổ biến nhất dùng trong lớp liên kết dữ liệu của IPTVCD

Định địa chỉ Lớp liên kết dữ liệu xử lí các địa chỉ vật lí của mạng người sửdụng và các thiết bị chủ Hệ thống địa chỉ khác nhau với các topo mạng Ví dụ, địa chỉMAC được sử dụng trong mạng Ethernet Mỗi thiết bị kết nối với mạng IPTV thì có 1địa chỉ MAC Độ dài của địa chỉ MAC là 48 bit và thường được biểu diễn bằng 12 số

trong hệ 16 Trong 12 số hệ 16 này, 6 số đầu tiên để dành cho nhà sản xuất thiết bịIPTV và các số còn lại được dùng để định nghĩa giao diện mạng ảo.

Kiểm tra lỗi - chức năng kiểm tra lỗi được dùng trong vài lớp của mô hìnhIPTV, bao gồm cả lớp liên kết dữ liệu Các gói bị ngắt là lỗi thường gặp trong quátrình truyền các nội dung video qua mạng dựa trên IP Phương pháp sửa lỗi thườngdùng là kiểm tra dư thừa vòng (CRC) trong IPTV để tìm và loại bỏ các gói bị ngắt Sửdụng kĩ thuật CRC thiết bị gửi IPTV thực hiện việc tính toán trên các gói và lưu trữ kếtquả trong gói Các phép tính toán tương tự cũng được thực hiện trên thiết bị nhận khinhận được các gói Nếu kết quả tính toán là như nhau, thì các gói được xử lí bìnhthường Tuy nhiên, nếu kết quả này là khác nhau, thì gói bị lỗi sẽ bị loại bỏ.Thiết bị gửi

sẽ tạo một gói mới và gửi lại nó Thông báo với lớp trên trong mô hình IPTV khi cólỗi xảy ra là nhiệm vụ chính của lớp liên kết dữ liệu trong kĩ thuật kiểm tra lỗi mà các

hệ thống IPTV end to end

Điều khiển luồng Điều khiển luồng là một trong chức năng của lớp truyềntải Trong mạng IPTV, điều khiển luồng cho thiết bị IPTV của người sử dụng không bịtràn bởi các nội dung Lớp liên kết dữ liệu cùng với lớp truyền tải thực hiện bất kì yêucầu điều khiển luồng nào

 Lớp vật lý

Lớp vật lí quy định luật lệ truyền các bit số qua mạng Nó đề cập đến việc đưacác dữ liệu qua các mạng vật lí riêng biệt như xDSL, và không dây Lớp này địnhnghĩa cấu hình mạng vật lí, thông số kĩ thuật, điện trong môi trường truyền

Khi dòng bit được truyền qua mạng, các gói được chuyển từ lớp thấp đến lớpcao trong mô hình truyền thông IPTV Ví dụ lớp liên kết dữ liệu sẽ kiểm tra các gói vàloại bỏ đi phần header Ethernet và trường sửa lỗi CRC Tiếp đó sẽ kiểm tra trường kiểu

mã của Ethernet header và xác định gói cần được xử lí bởi giao thức IP Do đó gói dữliệu được chuyển lên lớp mang Lớp mạng kiểm tra và loại bỏ đi phần IP header vàchuyển gói đó lên lớp truyền tải Phương pháp bỏ đi phần header khi qua các lớp khácnhau gọi là bóc gói Quá trình này tiếp tục đươc thực hiện cho tới khi gói dữ liệu lênđến tầng trên cùng trong mô hình Hình ảnh gốc được thể hiện trên màn hình TV củangười xem

2 Các chuẩn nén thời gian thực

Nén cho phép các nhà cung cấp dịch vụ truyền các kênh hình và tiếng với chất lượng cao qua mạng IP băng rộng Do mắt người ko thể phân biệt được toàn bộ các phần của hình ảnh Do đó việc nén sẽ làm giảm độ lớn của tín hiệu ban đầu bằng cách

bỏ bớt các phần không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng của hình ảnh

Một hệ thống nén video tiêu biểu (hay bộ mã hoá nguồn) bao gồm: bộ chuyển đổi, bộ lượng tử hoá, bộ mã hoá

Hình 1.7: Sơ đồ khối hệ thống nén ảnh tiêu biểu.

+ Bộ chuyển đổi: thường dùng phép biến đổi Cosin rời rạc để tập trung năng lượng tín hiệu vào một số lượng nhỏ các hệ số khai triển để thực hiện phép nén hiệu quả hơn là dùng tín hiệu nguyên thủy.

+ Bộ lượng tử hoá: tạo ra một lượng ký hiệu giới hạn cho ảnh nén với hai kỹ thuật: lượng tử vô hướng (thực hiện lượng tử hoá cho từng phần dữ liệu) và lượng tử vectơ (thực hiện lượng tử hoá một lần một khối dữ liệu) Quá trình này không thuận nghịch

+ Bộ mã hoá: gán một từ mã, một dòng bit nhị phân cho mỗi ký hiệu

II.1 Khái quát, cấu trúc dòng bit MPEG

Cấu trúc dòng MPEG gồm 6 lớp: lớp dãy ảnh (sequence), lớp nhóm ảnh (GOP), lớp ảnh (picture), lớp cắt lát dòng bit (slice), lớp macroblock, lớp khối (Block)

a) Khối : Khối 8x8 các điểm ảnh tín hiệu chói và tín hiệu màu dùng cho phương

pháp nén DCT

b) Tổ hợp cấu trúc khối (macroblock): một cấu trúc khối là một nhóm các

khối tương ứng với lượng thông tin chứa đựng trong kích thước 16x16 điểm trên bức ảnh Cấu trúc khối này cũng xác định lượng thông tin chứa trong đó sẽ thay đổi tùy theo cấu trúc mẫu được sử dụng Thông tin đầu tiên trong cấu trúc khối mang dạng của

nó (là cấu trúc khối Y hay Cr, Cb) và các vector bù chuyển động tương ứng

c) Mảng (Slice): mảng bao gồm một vài cấu trúc khối kề nhau Kích thước lớn

nhất của mảng có thể bao gồm toàn bộ bức ảnh và kích thước nhỏ nhất của mảng là một cấu trúc khối Thông tin đầu của mảng chứa đựng vị trí của mảng trong toàn bộ ảnh, và hệ số cân bằng lượng tử

d) Ảnh (Picture): lớp ảnh cho phép bộ giải mã xác định loại của ảnh được mã

hóa là ảnh P, I hay ảnh B Thông tin đầu dùng để chỉ thứ tự truyền khung để bộ giải mã

có thể sắp xếp các ảnh lại theo một thứ tự đúng Trong thông tin đầu của ảnh còn chứa các thông tin về đồng bộ, độ phân giải và phạm vi của vector chuyển động

e) Nhóm ảnh (GOP): nhóm ảnh là tổ hợp của nhiều các khung I, P và B Cấu

trúc nhóm ảnh được xác định bằng hai tham số m và n Mỗi một nhóm ảnh bắt đầu bằng một khung I cho phép xác định điểm bắt đầu để tìm kiếm và biên tập Thông tin đầu gồm 25 bit chứa mã định thời và điều khiển

f) Đoạn (chương trình) video: đoạn video bao gồm thông tin đầu, một số nhóm

ảnh và thông tin kết thúc đoạn Thông tin đầu của đoạn video chứa đựng kích thước mỗi chiều của ảnh, kích thước của điểm ảnh, tốc độ bit của dòng video số, tần số ảnh

và bộ đệm tối thiểu cần có Đoạn video và thông tin đầu tạo thành một dòng bit được

mã hóa gọi là dòng cơ bản (Elementary Stream)

Hình 1.8: Kiến trúc dòng dữ liệu MPEG 2.2 Nguyên lý nén MPEG

Cơ sở của công nghệ nén video MPEG là sự kết hợp giữa nén trong ảnh (Intra Frame Compression) và công nghệ nén liên ảnh ( Inter-Frame Compression) Trong đó:

-Hình 1.9: Nén MPEG

Nén trong ảnh (Intra -Frame Compression): là loại nén nhằm giảm bớt thông tin

dư thừa trong miền không gian Nén trong ảnh sử dụng cả hai quá trình có tổn hao và không có tổn hao để giảm bớt dữ liệu trong ảnh Quá trình này không sử dụng thông tincủa các ảnh trước và sau ảnh đang xét

Nén liên ảnh (Intra -Frame Compression): Trong tín hiệu video có chứa thông tin dư thừa trong miền thời gian Nghĩa là với một chuỗi liên tục các ảnh, lượng thông tin chứa đựng trong mỗi ảnh thay đổi rất ít từ ảnh này sang ảnh khác Tính toán sự dịchchuyển vị trí của nội dung ảnh là một phần rất quan trọng trong kỹ thuật nén liên ảnh Trong thuật nén MPEG, quá trình xác định Vector chuyển động được thực hiện bằng cách chia hình ảnh thành các Macro-Block, mỗi Macro-Block có 16 x 16 phần tử ảnh (tương đương với 4 Block, mỗi Block có 8 x 8 phần tử ảnh) Để xác định chiều chuyển

động, người ta tìm kiếm vị trí của Macro-Block trong ảnh tiếp theo, kết quả của sự tìm kiếm sẽ cho ta Vector chuyển động của Macro-Block

Nguyên lý nén MPEG:

Dạng thức đầu vào là Rec- 601 4:2:2 hoặc 4:2:0 Ảnh hiện tại được so sánh với ảnh trước tạo ra ảnh khác biệt Ảnh này sau đó lại được nén trong ảnh qua các bước : biến đổi DCT, lượng tử hóa, mã hoá Dữ liệu của ảnh khác biệt và vector chuyển động (được xác định như trên ) mang thông tin về ảnh sau nén liên ảnh được đưa đến bộ đệm

ở đầu ra

Tốc độ bít của tín hiệu video được nén không cố định, phụ thuộc vào nội dung ảnh đang xét (ví dụ một phần nén ít hơn hoặc nhiều hơn), nhưng tại đầu ra bộ mã hoá dòng bít phải cố định để xác định tốc độ cho dung lượng kênh truyền

2.3 Nguyên lý giải nén MPEG

Hình 1.10: Giải nén MPEG

Nguyên lý giải nén MPEG:

- Đầu tiên là giải mã Entropy, sau đó tách dữ liệu ảnh (hệ số biến đổi DCT) ra khỏi các vector chuyển động Dữ liệu ảnh sẽ được giải lượng tử hoá và biến đổi DCT ngược

- Nếu ảnh là ảnh loại I bắt đầu ở mỗi nhóm ảnh trong chuỗi, ở đầu ra sẽ nhận được ảnh hoàn chỉnh bằng cách trên ( vì ảnh loại I chỉ là nén trong ảnh, không có bù chuyển động, không dùng dữ liệu của ảnh khác) Nó được lưu trữ trong bộ nhớ ảnh và được và được dùng để giải mã các ảnh tiếp theo

- Nếu ảnh là ảnh loại P thì cũng thực hiện giải lượng tử hóa và biến đổi DCT ngược kết hợp với việc sử dụng vector chuyển động và lưu vào bộ nhớ ảnh sớm hơn Trên cơ sở đó xác định được dự đoán ảnh đang xét Ta nhận đựơc ảnh ra sau khi cộng

dự đoán ảnh (ảnh dự đoán) và kết quả biến đổi DCT ngược Ảnh này cũng được lưu vào bộ nhớ để có thể sử dụng như là chuẩn khi giải mã các ảnh tiếp theo

2.4 Chuẩn MPEG-4

Chuẩn MPEC-4 là một chuẩn động dễ thay đổi Với MPEG-4, các đối tượngkhác nhau trong một khung hình có thể được mô tả, mã hoá và truyền đi một cáchriêng biệt đến bộ giải mã trong các dòng cơ bản ES (Elementary Stream) khác nhau.Cũng nhờ xác định, tách và xử lý riêng các đối tượng (như nhạc nền, âm thanh xa gần,

đồ vật, đối tượng ảnh video như con người hay động vật, nền khung hình …), nhờ vậyngười sử dụng có thể thực hiện các hoạt động tương tác riêng với từng đối tượng (thayđổi tỷ lệ, di chuyển, kết nối, loại bỏ, bổ xung các đối tượng …) ngay tại vị trí giải mãhay mã hoá Sự tổ hợp lại thành khung hình chỉ được thực hiện sau khi giải mã các đốitượng này

Hình 4.2: Cấu trúc của bộ mã hoá và giải mã video MPEG-4

Hình 4.3 là một ví dụ về mã hoá và tổng hợp khung hình video sử dụng trongMPEG-4 Nhiều đối tượng, như người, xe ô tô, nhà cửa, được tách ra khỏi video đầuvào Mỗi đối tượng video sau đó được mã hoá bởi bộ mã hoá đối tượng video VO(video object) và sau đó được truyền đi trên mạng Tại vị trí thu, những đối tượng nàyđược giải mã riêng rẽ nhờ bộ giải mã VO và gửi đến bộ tổ hợp compositor Người sửdụng có thể tương tác với thiết bị để cấu trúc lại khung hình gốc (a), hay để xử lý cácđối tượng tạo ra một khung hình khác (b) Ngoài ra, người sử dụng có thể downloadcác đối tượng khác từ các thư viện cơ sở dữ liệu (có sẵn trên thiết bị hay từ xa thôngqua mạng LAN, WAN hay Internet) để chèn thêm vào hay thay thế các đối tượng cótrong khuôn hình gốc (c)

Để có thể thực hiện việc tổ hợp khung hình, MPEG-4 sử dụng một ngôn ngữ mô tảkhung hình riêng, được gọi là Định dạng nhị phân cho các khung hình BiFS (BinaryFormat for Scenes) BiFS không chỉ mô tả ở đâu và khi nào các đối tượng xuất hiện trongkhung hình, nó cũng mô tả cách thức hoạt động của đối tượng (làm cho một đối tượng xoay

tròn hay chồng mờ hai đối tượng lên nhau) và cả điều kiện hoạt động đối tượng và tạo choMPEG-4 có khả năng tương tác Trong MPEG-4, tất cả các đối tượng có thể được mã hoávới sơ đồ mã hoá tối ưu riêng của nó – video được mã hoá theo kiểu video, text được mãhoá theo kiểu text, các đồ hoạ được mã hoá theo kiểu đồ hoạ - thay vì việc xử lý tất cả cácphần tử ảnh pixels như là mã hoá video ảnh động Do các quá trình mã hoá đã được tối ưuhoá cho từng loại dữ liệu thích hợp, nên chuẩn MPEG-4 sẽ cho phép mã hoá với hiệu quảcao tín hiệu ảnh video, audio và cả các nội dung tổng hợp như các bộ mặt và cơ thể hoạthình.

Hình 4.3: Mã hóa và tổng hợp khung hình trong MPEG-4

2.5 MPEG-4 Part10

Với đối tượng để truyền dẫn video là mạng Internet thì ứng cử viên hàng đầu là

chuẩn nén MPEG-4AVC hay còn gọi là H.264/MPEG-4 Part 10 Mục tiêu chính của chuẩnnén H.264 đang phát triển nhằm cung cấp Video có chất lượng tốt hơn nhiều so với nhữngchuẩn nén Video trước đây Điều này có thể đạt được nhờ sự kế thừa các ưu điểm của cácchuẩn nén video trước đó và một số ưu điểm như sau:

- Phân chia mỗi hình ảnh thành các Block bao gồm nhiều điểm ảnh, do vậy quátrình xử lý từng ảnh có thể được tiếp cận tới mức Block

- Khai thác triệt để sự dư thừa về mặt không tồn tại giữa các hình ảnh liên tiếp bởimột vài mã của những Block gốc thông qua dự đoán về không gian, phép biến đổi, quátrình lượng tử và mã hoá Entropy

- Khai thác sự phụ thuộc tạm thời các Block của hình ảnh liên tiếp, do đó chỉ cần mãhoá những chi tiết thay đổi giữa các ảnh liên tiếp Việc này được thực hiện thông qua dựđoán và bù chuyển động Với bất kỳ Block nào cũng có thể được thực hiện từ một hoặc vàiảnh mã hoá trước đó hay ảnh được mã hoá sau đó để quyết định Vector chuyển động, cácVector được sử dụng trong bộ mã hoá và giải mã để dự đoán các loại Block

- Khai thác tất cả sự dư thừa về không gian còn lại trong ảnh bằng việc giải mã các Block dư thừa Ví dụ như sự khác biệt giữa các Block gốc và Block dự đoán sẽ được mã hoá thông qua quá trình biến đổi, lượng tử hoá và mã hoá Entropy

 Ưu điểm của MPEG-4 part 10

+ Chất lượng hình ảnh tốt: H.264 là chuẩn nén sử dụng công nghệ âm thanh, hình ảnh mới khả năng nén tôt hơn so với các chuẩn nén trước đó Do đó, chuẩn nén cung cấp dịch vụ phân phát hình ảnh chất lượng cao qua mạng băng thông giới hạn.

+Yêu cầu băng thông thấp: Chất lượng hình ảnh của H.264 gần giống với MPEG-2 nhưng H.264 cần ít băng thông để truyền tải tín hiệu với cùng chất lượng Đặc điểm này rất phù hợp để sử dụng trong hệ thống IPTV

+ Có khả năng kết hợp với các thiết bị xử lí video có sẵn như MPEG-2 và hạ tầng mạng dựa trên IP đã có sẵn

+ Hỗ trợ truyên hình độ phân giải cao: Khi sử dụng tối ưu chuẩn nén có thể làm tăng khả năng truyền dữ liệu của mạng Do đó các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông

có thể sử dụng chuẩn nén này để cung cấp chương trình video độ phân giải cao qua mạng sẵn có

+ Hỗ trợ nhiều ứng dụng:Chuẩn nén H.264 được sử dụng trong nhiều ứng dụng,với nền khác nhau thì có những yêu cầu riêng Ví dụ, ứng dụng truyền đa điểm trong IPTV yêu cầu phải hiện thị hình ảnh ở dạng chuẩn truyền hình, trong khi, đối với các ứng dụng giải trí di động, hình ảnh phải hiển thị được trên các thiết bị di động Để phù hợp với mọi ứng dụng, chuẩn nén H.264 có rất nhiều profile và level Đặc điểm của profile và level là tốc độ bit và kích thước ảnh

+ Có thể truyền độc lập: Chuẩn nén H.264 có thể truyền qua nhiều giao thức như ATM, RTP, UDP, TCP

+ Dễ dàng thích nghi với các mạng chất lượng kém nhờ cơ chế sửa lỗi

 Kết luận

MPEG -4 với nhiệm vụ là nhằm phát triển các chuẩn xử lý, mã hoá và hiển thị ảnh động, audio và các tổ hợp của chúng MPEG -4 khác so với MPEG -2 là trong một khung hình thì nó không mã hoá toàn bộ khung hình mà nó miêu tả từng đối tượng riêng rẽ và sau đó mới mã hoá từng đối tượng đó MPEG -4 chia các Macro-Block thành các Block nhỏ hơn Trong khi bù chuyển động trong MPEG-2 Part 2 được hạn chế đến nội suy hai chiều ½ pixel thì H264/MPEG Part 10 cho phép các Vector chuyểnđộng chính xác đến ¼ pixel và sau đó dùng nội suy nhiều chiều(Bi-cubic) Và còn nhiều điểm ưu việt khác nữa Do đó hiệu quả nén của chuẩn nén MPEG -4 tốt hơn so với MPEG -2

Qua quá trình thực nghiệm đã cho rằng sự tiết kiệm tốc độ bít trung bình của H264/MPEG Part 10 so với MPEG-2 là khoảng 65% Như vậy hiệu quả của nén H264/MPEG Part 10 tăng lên đáng kể so với các chuẩn nén khác Hiệu quả nén tăng của H264/MPEG Part 10 tạo ra các phạm vi ứng dụng và các cơ hội kinh doanh mới như: ứng dụng H264/MPEG Part 10 cho truyền hình số và di động hay có thể cải tạo chất lượng truyền hình qua giao thức Internet để đạt được chất lượng hình ảnh tốt như truyền hình số hiện nay

Từ những đặc điểm và ưu điểm của MPEG-4 AVC đánh dấu một bước ngoặt trong lĩnh vực nén video, áp dụng các kỹ thuật tiên tiến nhằm mục đích sử dụng băng thông hiệu quả hơn và đem lại chất lượng ảnh cao hơn Với các kỹ thuật này, MPEG-4 AVC có thể giảm tốc độ bit xuống hơn 50% so với chuẩn MPEG-2 Do đó, MPEG-4 Part 10 được lựa chọn để ứng dụng trong IPTV

III Kiến trúc và chức năng các thành phần của hệ thống IPTV

Hình 1.16: Cấu trúc hệ thống IPTV

1 Các thiết bị tích hợp IRD

Những thiết bị này được sử dụng để nhận các tài sản video từ một số mạng khácnhau như: các vệ tinh đến các đường video riêng và các ănten viba

2 Các bộ mã hóa thời gian thực

Đây là một hệ thống nén nằm tại trung tâm dữ liệu IPTV, được dùng để tối thiểuhoá khả năng lưu trữ thông tin mà vẫn duy trì chất lượng của các luồng video và audio

để truyền tải đến các người dùng, do đó băng thông mạng yêu cầu để truyền các luồngvideo này được giảm bớt Hệ thống nén này được tạo ra từ một số bộ mã hoá thời gianthực được dùng để số hoá và nén các kênh video, audio và data Nội dung video sốhoặc tương tự chưa được nén được đưa vào thiết bị mã hoá để nén và sau đó được đóng