Nén video theo chuẩn MPEG 1, MPEG 2 và ứng dụng thử nghiệm

Nén video theo chuẩn MPEG 1, MPEG 2 và ứng dụng thử nghiệm MỤC LỤC 2 LỜI NÓI ĐẦU 4 PHÂN CÔNG THÀNH VIÊN TRONG NHÓM 5 CHƯƠNG 1. Tìm hiểu chung về các chuẩn MPEG 6 1.1. Giới thiệu về chuẩn nén video MPEG 6 1.2. Giới thiệu về các chuẩn MPEG 8 1.3. Cấu trúc dòng bit MPEG video 8 1.4. Các loại ảnh trong chuẩn MPEG 11 1.5. Nguyên lí nén MPEG 12 1.6. Ứng dụng của nén dữ liệu bằng MPEG 13 CHƯƠNG 2. II Tìm hiểu về các sơ đồ nén và đặc điểm nén video theo các chuẩn: MPEG1, MPEG2, MPEG2 có phát triển gì so với MPEG1? 15 2.1. Tìm hiểu về chuẩn nén video MPEG1 15 2.1.1. Giới thiệu khái quát 15 2.1.2. Định dạng trung gian SIF (Source Intermediate Format) 15 2.1.3. Qúa trình nén video theo chuẩn MPEG 1 19 2.1.4. Quá trình giải nén video theo chuẩn MPEG1 21 2.2. MPEG2 21 2.2.1. Cơ bản về MPEG2 21 2.2.2. Mã hóa và giải mã video 23 2.2.3. Profiles và Levels 27 2.3. MPEG2 có gì hơn? 29 CHƯƠNG 3. So sánh công nghệ nén video các chuẩn MJPEG, MPEG1 và MPEG2. 31 3.1. Giới thiệu tổng quan MJPEG 31 3.1.1. Đặc điểm 33 3.1.2. Ưu điểm 33 3.1.3. Nhược điểm 33 3.2. So sánh công nghệ nén video theo chuẩn MJPEC, MPEG 1, MPEG 2 34 CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG 35 4.1. Mục đích thử nghiệm 35 4.2. Quy trình thử nghiệm 35 4.2.1. Chuẩn bị 35 4.2.2. Nén video chuẩn MPEG1 bằng Xilisoft Video Converter 36 4.2.3. Nén video chuẩn MPEG2 bằng Xilisoft Video Converter 37 4.2.4. Nén video chuẩn MJPEG bằng VirtualDub. 38 4.2.5. Trích frame từ các video đã nén. 38 4.3. Kết quả thử nghiệm 39 4.3.1. So sánh về thuộc tính của video 39 4.3.2. So sánh về hình ảnh được trích từ video 40 4.4. Giải thích 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ──────── * ─────── BÁO CÁO MÔN: TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN Nén video theo chuẩn MPEG-1, MPEG-2 và ứng dụng thử nghiệm Sinh viên thực hiện : Lê Văn Quân - 20102035 Phạm Gia Lâm - 20111745 Vũ Trọng Luân - 20111826 Quách Trung Nguyên - 20111933 Lớp : CNTT & TT 1.1, 1.2 Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Nguyễn Thị Hoàng Lan Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Đề tài 04 – Nén video theo chuẩn MPEG-1, MPEG-2 và ứng dụng thử nghiệm MỤC LỤC 2 Nhóm 04 – CNTT&TT 1.1, 1.2 K56 2 Đề tài 04 – Nén video theo chuẩn MPEG-1, MPEG-2 và ứng dụng thử nghiệm LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay , cùng với sự phát triển vượt bậc của ngành công nghiệp công nghệ thông tin cùng sự ra đời của Internet thì vấn đề giải trí đi kèm cùng với nó mà không thể thiếu đó là video. Nhưng nếu để nguyên kích cỡ ban đầu của các đoạn video đó thì việc truyền tải đến người dùng là rất khó khăn vì dung lượng của nó là rất lớn đòi hỏi phải có cơ sở hạ tầng , đường truyền mạng đủ mạnh mới có thể đáp ứng được và nó cũng lỗi thời rất nhanh do công nghệ quay video ngày càng tiến tiến hơn. Chính vì thế các nhà phát triển côn nghệ đã xây dựng nên các kĩ thuật nén video. Các kỹ thuật nén video này đều cố gắng giảm lượng thông tin cần thiết cho một chuỗi các bức ảnh mà không làm giảm chất lượng ảnh cũng như thông tin mà nó mang theo. Mục đích của nén video là giảm bớt số bít khi lưu trữ và truyền bằng cách loại bỏ lượng thông tin dư thừa trong từng frame và dùng kỹ thuật mã hoá để tối thiểu hoá lượng thông tin quan trọng cần lưu giữ. Với một thiết bị lưu hình kỹ thuật số thông thường, ảnh sau khi được số hoá sẽ được nén lại. Quá trình nén sẽ xử lý các dữ liệu trong ảnh để đưa hình ảnh vào một không gian hẹp hơn như trong thiết bị nhờ kỹ thuật số hoặc qua đường dây điện thoại Với mỗi công nghệ truyền hình mới ra đời, sẽ có một công nghệ nén Video phù hợp. Nén Video từ những năm 1950 được thực hiện bằng công nghệ tương tự với tỷ số nén thấp. Ngày nay công nghệ nén đạt được hiệu quả cao hơn nhờ chuyển đổi tín hiệu Video từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số. Với đề tài “Nén video theo chuẩn MPEG-1, MPEG_2 và ứng dụng thử nghiệm”, mục đích của bài khoá luận của em là tìm hiểu một số các chuẩn nén MPEG ứng dụng nén video đã được sử dụng trong việc nén video phổ biến hiện nay. 3 Nhóm 04 – CNTT&TT 1.1, 1.2 K56 3 Đề tài 04 – Nén video theo chuẩn MPEG-1, MPEG-2 và ứng dụng thử nghiệm PHÂN CÔNG THÀNH VIÊN TRONG NHÓM MSSV Họ tên Công việc Tỉ lệ đóng góp 20111745 Phạm Gia Lâm Tìm hiểu chung về các chuẩn MPEG , nén video theo chuẩn MPEG-1 30% 20111933 Quách Trung Nguyên Tìm hiểu chuẩn MPEG -2, sự khác nhau giữa MPEG-1 và MPEG-2. 20% 20111826 Vũ Trọng Luân So sánh công nghệ nén video các chuẩn MJPEG, MPEG-1 và MPEG- 2. 20% 20102035 Lê Văn Quân Tổng hợp slide, trình bày báo cáo và thử nghiệm ứng dụng nén video, so sánh và giải thích. 30% 4 Nhóm 04 – CNTT&TT 1.1, 1.2 K56 4 Đề tài 04 – Nén video theo chuẩn MPEG-1, MPEG-2 và ứng dụng thử nghiệm CHƯƠNG 1. Tìm hiểu chung về các chuẩn MPEG 1.1. Giới thiệu về chuẩn nén video MPEG MPEG (Moving Picture Expert Group) là nhóm chuyên gia về hình ảnh, được thành lập từ tháng 2 năm 1988 với nhiệm vụ xây dựng tiêu chuẩn cho tín hiệu Audio và Video số. Ngày nay, MPEG đã trở thành một kỹ thuật nén Audio và Video phổ biến nhất vì nó không chỉ là một tiêu chuẩn riêng biệt mà tuỳ thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng thiết bị sẽ có một tiêu chuẩn thích hợp nhưng vẫn trên cùng một nguyên lý thống nhất. 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 Dữ liệu ra (a) (b) Dữ liệu vào Hình 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. 5 Nhóm 04 – CNTT&TT 1.1, 1.2 K56 5 Đề tài 04 – Nén video theo chuẩn MPEG-1, MPEG-2 và ứng dụng thử nghiệm 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 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. 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) Hình 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. 6 Nhóm 04 – CNTT&TT 1.1, 1.2 K56 6 Đề tài 04 – Nén video theo chuẩn MPEG-1, MPEG-2 và ứng dụng thử nghiệm 1.2. Giới thiệu về các chuẩn MPEG - Tiêu chuẩn đầu tiên được nhóm MPEG đưa ra là MPEG-1, mục tiêu của MPEG-1 là mã hoá tín hiệu Audio-Video với tốc độ khoảng 1.5Mb/s và lưu trữ trong đĩa CD với chất lượng tương đương VHS. - Tiêu chuẩn thứ 2 : MPEG-2 được ra đời vào năm 1990, không như MPEG-1 chỉ nhằm lưu trữ hình ảnh động vào đĩa với dung lượng bit thấp. MPEG-2 với “công cụ ” mã hoá khác nhau đã được phát triển. Các công cụ đó gọi là “Profiles” được tiêu chuẩn hoá và có thể sử dụng để phục vụ nhiều mục đích khác nhau. - Tiêu chuẩn tiếp theo mà MPEG đưa ra là MPEG-4, được đưa ra vào tháng 10 năm 1998, đã tạo ra một phương thức thiết lập và tương tác mới với truyền thông nghe nhìn trên mạng Internet, tạo ra một phương thức sản xuất, cung cấp và tiêu thụ mới các nội dung video trên cơ sơ nội dung và hướng đối tượng (content/object-based). - MPEG-7: là một chuẩn dùng để mô tả các nội dung Multimedia, chứ không phải là một chuẩn cho nén và mã hoá audio/ảnh động như MPEG- 1, MPEG-2 hay MPEG-4. MPEG-7 sử dụng ngôn ngữ đánh dấu mở rộng XML(Extansible Markup Language) để lưu trữ các siêu dữ liệu Metadata, đính kèm timecode để gắn thẻ cho các sự kiện, hay đồng bộ các dữ liệu. MPEG-7 bao gồm 3 bộ chuẩn sau: + Bộ các sơ đồ đặc tả (Description Schemes) và các đặc tả (Description). + Ngôn ngữ xác định DDL (Description Definition Language) để định nghĩa các sơ đồ đặc tả. + Sơ đồ mã hoá quá trình đặc tả. 1.3. Cấu trúc dòng bit MPEG video 7 Nhóm 04 – CNTT&TT 1.1, 1.2 K56 7 Đề tài 04 – Nén video theo chuẩn MPEG-1, MPEG-2 và ứng dụng thử nghiệm Hình 3 : Cấu trúc dòng Bit MPEG Video Trong đó : • Seq ( sequence) : là thông tin về chuỗi bit  Seq SC : sequence sevice class ( lớp seq )  Video Params : chứa thông tin về chiều cao, bề rộng, tỷ lệ khuôn hình các phần tử ảnh.  Bitstream params : thông tin về tốc độ bit và các thông số khác  QTs ,Misc : Nén trong ảnh (ảnh I – I Frame) , Nén liên ảnh (ảnh P – P Frame) • GOP ( group of picture ): thông tin về nhóm ảnh 8 Nhóm 04 – CNTT&TT 1.1, 1.2 K56 8 Đề tài 04 – Nén video theo chuẩn MPEG-1, MPEG-2 và ứng dụng thử nghiệm Là tổ hợp của nhiều các khung I, P, B. Cấu trúc nhóm ảnh gồm 2 tham số là: m và n (tham số m xác định số khung hình B và P xuất hiện giữa 2 khung hình I gần nhau nhất, tham số n xác định số khung B xuất hiện giữa 2 khung P). Mỗi một nhóm ảnh bắt đầu bằng một khung I và xác định điểm bắt đầu để tìm kiếm và biên tập. Các tham số của đoạn mào đầu của GOP:  Time codes : mã xác định thời gian  GOP params : miêu tả cấu trúc GOP  Picts : thông tin về ảnh • Picts : thông tin về ảnh , bao gồm các tham số :  Type: Cho phép bộ giải mã xác định ảnh đựơc mã hoá là ảnh I, P hay B.  Buffer Params: thông tin về Buffer(chỉ thứ tự truyền khung để bộ giải mã có thể sắp xếp các loại ảnh theo một thứ tự đúng).  Encode Params: chứa thông tin về đồng bộ, độ phân giải và phạm vi của vector chuyển động.  Slice: Mảng bao gồm một vài cấu trúc khối kề nhau. • Slice : Mảng bao gồm một vài cấu trúc khối kề nhau Các thông số bao gồm :  Vert PoS: Slice bắt đầu từ dòng nào.  Qscale: Thông tin về bảng lượng tử.  MB : (Macroblock) • MB (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. Các tham số của nhóm MB:  Addr Iner: Số lượng MB được bỏ qua.  Type : Loại vector chuyển động dung cho Macroblock.  Qscale : Bảng lượng tử dùng cho Macroblock.  Coded Block Pattern (CBP): chỉ rõ Block nào được mã hoá. 9 Nhóm 04 – CNTT&TT 1.1, 1.2 K56 9 Đề tài 04 – Nén video theo chuẩn MPEG-1, MPEG-2 và ứng dụng thử nghiệm 1.4. Các loại ảnh trong chuẩn MPEG Ảnh I (Intra-picture): là ảnh chỉ sử dụng nén trong ảnh, mang thông tin về một ảnh hoàn chỉnh. Ảnh I cho phép truy cập ngẫu nhiên, có độ nén thấp nhất. Ảnh P (Predicted-picture): ảnh dự đoán trước, là ảnh được mã hóa có bù chuyển động từ ảnh I hoặc ảnh P phía trước. Ảnh B (Bi-directional predicted picture): ảnh dự đoán hai chiều, là ảnh được mã hóa sử dụng bù chuyển động từ các ảnh I hoặc P trước và sau. Ảnh B cho hệ số nén là cao nhất. Hình 4: Cấu trúc ảnh MPEG 10 Nhóm 04 – CNTT&TT 1.1, 1.2 K56 10 [...]... DCT Một vài thông số theo chuẩn MPEG- 1 : 16 Nhóm 04 – CNTT&TT 1 .1, 1 .2 K56 16 Đề tài 04 – Nén video theo chuẩn MPEG- 1, MPEG- 2 và ứng dụng thử nghiệm 2. 1.3 Qúa trình nén video theo chuẩn MPEG -1 Đặc trưng của nén video theo chuẩn này là : + sử dụng chủ yếu cho lưu trữ và truyền thông tin video 17 Nhóm 04 – CNTT&TT 1 .1, 1 .2 K56 17 Đề tài 04 – Nén video theo chuẩn MPEG- 1, MPEG- 2 và ứng dụng thử nghiệm. .. có độ lớn lớn hơn file MPEG1 và MPEG2 song độ lớn file có thể chấp nhận được 32 Nhóm 04 – CNTT&TT 1 .1, 1 .2 K56 32 Đề tài 04 – Nén video theo chuẩn MPEG- 1, MPEG- 2 và ứng dụng thử nghiệm CHƯƠNG 4 THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG 4.1 Mục đích thử nghiệm Nén video từ video không nén sang video nén MPEG- 1, MPEG- 2 và MJPEG, so sánh kết quả và giải thích 4 .2 Quy trình thử nghiệm 4 .2. 1 Chuẩn bị Video gốc http://www.divx.com/en/devices/profiles /video. .. 1 .1, 1 .2 K56 34 Đề tài 04 – Nén video theo chuẩn MPEG- 1, MPEG- 2 và ứng dụng thử nghiệm 4 .2. 3 Nén video chuẩn MPEG- 2 bằng Xilisoft Video Converter Hình 4 .2 : Nén video Mpeg- 2 với Xilisoft Video Converter - Chọn Video cần nén bằng nút số 1 Chọn chuẩn nén MPEG- 1 – Video bằng nút số 2 Bắt đầu chạy chương trình nén bằng nút số 3 35 Nhóm 04 – CNTT&TT 1 .1, 1 .2 K56 35 Đề tài 04 – Nén video theo chuẩn MPEG- 1,. .. video theo chuẩn MPEG- 1, MPEG- 2 và ứng dụng thử nghiệm 4 :2: 0 4 :2: 2 4 :2: 0 4 :2: 0, 4 :2: 2 720 x 576 720 x 576 720 x 608 720 x 576 720 x 576 15 Mb/s Main 4 :2: 0 15 Mb/s 50Mb/s 15 Mb/s 20 Mb/s 4 :2: 0 3 52 x 28 8 3 52 x 28 8 4 Mb/s Low 4 :2: 0 4 Mb/s Hình 5 : Các Profile và Level trong MPEG- 2 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... digital …… 12 Nhóm 04 – CNTT&TT 1 .1, 1 .2 K56 12 Đề tài 04 – Nén video theo chuẩn MPEG- 1, MPEG- 2 và ứng dụng thử nghiệm CHƯƠNG 2 Tìm hiểu về các sơ đồ nén và đặc điểm nén video theo các chuẩn: MPEG- 1, MPEG2 , MPEG- 2 có phát triển gì so với MPEG- 1? 2. 1 Tìm hiểu về chuẩn nén video MPEG- 1 2. 1.1 Giới thiệu khái quát MPEG -1 được hình thành vào năm 1988, là tiêu chuẩn của nhóm chuyên gia về hình ảnh MPEG ở trong... chuyển định dạng video chuyên nghiệp của Xilisoft - 33 Nhóm 04 – CNTT&TT 1 .1, 1 .2 K56 33 Đề tài 04 – Nén video theo chuẩn MPEG- 1, MPEG- 2 và ứng dụng thử nghiệm 4 .2. 2 Nén video chuẩn MPEG- 1 bằng Xilisoft Video Converter Hình 4.1 : Giao diện chương trình Xilisoft Video Converter - Chọn Video cần nén bằng nút số 1 Chọn chuẩn nén MPEG- 1 – Video bằng nút số 2 Bắt đầu chạy chương trình nén bằng nút số 3... đàu vào khác nhau Tuy nhiên, mỗi định dạng tập tin cụ thể thường có một số tiêu chuẩn M-JPEG được mã hóa 31 Nhóm 04 – CNTT&TT 1 .1, 1 .2 K56 31 Đề tài 04 – Nén video theo chuẩn MPEG- 1, MPEG- 2 và ứng dụng thử nghiệm - M-JPEG sử dụng nhiều bit hơn để cung cấp chất lượng ảnh tương tự so với định dạng hiện đại hơn.( MPEG1 , MPEG2 ) 3 .2 So sánh công nghệ nén video theo chuẩn M-JPEC, MPEG 1, MPEG 2 • Tỉ lệ nén: ... Elementary Video Stream),.m2a (MPEG- 2 Elementary Audio Stream),.m2s (MPEG- 2 Elementary Data Stream), ts (MPEG- 2 Transport Stream), ps (MPEG- 2 Program Stream),.vob(DVD Video Object),.vro (Video Recording Object),.mod (MPEG- 2 với AC3 Audio z B ở JVC hoặc Panasonic máy ảnh video) ,.m2t (MPEG- 2 Transport z B trên máy ảnh Sony HD) 2. 2 .2 Mã hóa và giải mã video - Mã hóa MPEG- 2 : 21 Nhóm 04 – CNTT&TT 1 .1, 1 .2 K56 21 ... 04 – CNTT&TT 1 .1, 1 .2 K56 - Ứng dụng Video on Internet, MP3 28 Đề tài 04 – Nén video theo chuẩn MPEG- 1, MPEG- 2 và ứng dụng thử nghiệm CHƯƠNG 3 So sánh công nghệ nén video các chuẩn MJPEG, MPEG- 1 và MPEG- 2 3.1 Giới thiệu tổng quan MJPEG - Trong truyền thông đa phương tiện MJPEC (Motion joint Photographic Experts Group ) là một định dạng nén video , trong đó mỗi khung hình video được nén riêng biệt như... ảnh theo chiều ngang x điểm ảnh theo chiều dọc, vận tốc cao nhất của dòng dữ liệu sau khi nén, dòng cuối là các loại ảnh sử dụng để nén Profile Level Simple Main 4 :2: 2 SNR Spatial High 4 :2: 0 1 920 x11 52 1 920 x11 52 80 Mb/s High 4 :2: 0, 4 :2: 2 100 Mb/s 4 :2: 0 4 :2: 0, 4 :2: 2 1440 x11 52 1440 x11 52 1440 x11 52 60 Mb/s High – 1440 4 :2: 0 60 Mb/s 80 Mb/s 26 Nhóm 04 – CNTT&TT 1 .1, 1 .2 K56 26 Đề tài 04 – Nén video theo . 2014 Đề tài 04 – Nén video theo chuẩn MPEG-1, MPEG-2 và ứng dụng thử nghiệm MỤC LỤC 2 Nhóm 04 – CNTT&TT 1.1, 1.2 K56 2 Đề tài 04 – Nén video theo chuẩn MPEG-1, MPEG-2 và ứng dụng thử nghiệm LỜI. tài Nén video theo chuẩn MPEG-1, MPEG_2 và ứng dụng thử nghiệm , mục đích của bài khoá luận của em là tìm hiểu một số các chuẩn nén MPEG ứng dụng nén video đã được sử dụng trong việc nén video. DCT. Một vài thông số theo chuẩn MPEG-1 : 16 Nhóm 04 – CNTT&TT 1.1, 1.2 K56 16 Đề tài 04 – Nén video theo chuẩn MPEG-1, MPEG-2 và ứng dụng thử nghiệm 2.1.3. Qúa trình nén video theo chuẩn MPEG