ĐỀ TÀI-tìm hiểu về chuẩn mã hóa video MPEG

MPEG là tên viết tắt của "Nhóm các chuyên gia ảnh động"The Moving Picture Experts Group là một sản phẩm nhóm mang tính ISO/IEC được phát triển cho các thiết bị âm thanh và hình ảnh bằng

Sinh viên: Nguyễn Thế Bằng MSSV:20108015

Giảng viên: Trần Nguyên Ngọc

1

MPEG là tên viết tắt của "Nhóm các chuyên gia ảnh động"(The

Moving Picture Experts Group) là một sản phẩm nhóm mang tính

ISO/IEC được phát triển cho các thiết bị âm thanh và hình ảnh bằng

cách nén dữ liệuchuẩn Chuẩn MPEG lần đầu tiên được ra mắt vào

tháng 5 năm 1988 tại Ottawa, Canada Cho đến ngày nay, MPEG đã

phát triển hơn 350 thành viên từ các hội nghi trên tất cả các lĩnh vực

công nghiệp, các khu nghiên cứu, đến các trường đại học Tiêu chuẩn

chính thức của MPEG là ISO/IEC JTC1/SC29 WG11

3

1.Lịch sử ra đời và phát triển của các chuẩn nén

MPEG-4v1 (1998)

MPEG-4v2 (1999/2000)

MPEG-4 (H264) (2003)

MPEG-4v3 (2001)

2 Mục đích phát triển MPEG:

MPEG (Moving Picture Expert Group)-nhóm chuyên gia về hình ảnh

được thành lập với nhiệm vụ xây dựng tiêu chuẩn cho tín hiệu audio và video số Ngày nay, MPEG đã trở thành một kĩ thuật nén Audio và

video phổ biến nhất vì nó không chỉ là 1 tiêu chuẩn riêng biệt mà tùy thuộc vào yêu cầu của từng thiết bị sẽ có tiêu chuẩn thích hợp như

1 Cấu trúc bitstream của MPEG video

Trong đó:

 SEQUENCE: Thông tin về chuỗi bit

+Video Params: bao gồm chiều rộng, chiều cao, tỉ lệ hình ảnh

 GOP ( Group of Picture): Thông tin về nhóm ảnh

Là tổ hợp nhiều khung I P B Cấu trúc nhóm ảnh gồm 2 tham số m và n

Mỗi 1 nhóm ảnh bắt đầu bằng 1 khung I và xác định điểm bắt đầu để tìm

kiếm và biên tập

Header của GOP gồm:

Time code: Mã xác định thời gian ( giờ, phút, giây) của ảnh GOP params: Mô tả cấu trúc của GOP

 PICT: Chứa thông tin về ảnh, các tham số trong header của pict:

• Type: cho phép bộ giải mã xác định được ảnh mã hóa là ảnh I, P hay B

• Buffer Params: Thông tin về Buffer ( chỉ thứ tự truyền khung để bộ giải mã

• Vert PoS: Slice bắt đầu từ dòng nào

• Thông tin về bảng lượng tử

 MB ( MacroBlock): Tham số của header MB gồm

• Addr Iner: số lượng MB được bỏ qua

• Type: loại vector chuyển động dành cho MB

• Qscale: bảng lượng tử dung cho MB

• CBP (Coder Block Pattern): chỉ rõ block nào được mã hóa

Các cấu trúc lấy mẫu video đầu vào sử dụng trong

MPEG

1. Cấu trúc 4:2:2

2 Cấu trúc 4:2:0

9

2 Các loại ảnh trong cấu trúc nén MPEG:

Trong nén MPEG người ta sử dụng 3 loại ảnh khác nhau là:

 Ảnh I (Intra Pictures): Là thành phần quan trọng nhất chứa tất cả các

thông tin để tái tạo lại ảnh sau giải mã -> Tỉ lệ nén thấp

Ảnh P (Predicted piuctures): ảnh dự đoán dựa trên thuật toán đoán bù

chuyển động Tỉ lệ nén cao hơn ảnh I

Ảnh B (Bidirectionally Predicted Pictures): tạo ra dựa trên phép nội suy

giữa I và P Tỉ lệ nén là cao nhất

3 Nguyên lý nén MPEG

11

3 Nguyên lý nén MPEG ( tiếp)

Cơ sở trong nén video MPEG:

Là sự kết hợp giữa nén trong ảnh và nén liên ảnh

1. Nén trong ảnh (Intra frame compression): là loại nén nhằm giảm

bớt thông tin dư thừa trên miền không Phương pháp nén này sử dụng

cả 2 quá trình tổn hao và không tổn hao

1. Nén liên ảnh(central frame compression): Là quá trình nén đòi hỏi

sự tính toán sử dịch chuyển của nội dung ảnh cùng với việc xác định

vector chuyển động bằng cách chia hình ảnh thành các macro-block

(chứa 16x16 điểm ảnh)

4 Nguyên lý giải nén MPEG

13

4 Nguyên lý giải nén MPEG (tiếp)

 Nếu là ảnh I bắt đầu ở mỗi nhóm ảnh trong chuỗi thì ở đầu

ra sẽ nhận được ảnh hoàn chỉnh ( vì ảnh I chỉ có nén trong

ảnh), sẽ được lưu trong bộ nhớ ảnh và được dùng để giải mã

các ảnh tiếp theo

 Nếu là ảnh loại P thì cũng thực hiện giải lượng tử hóa và

biến đổi DCT ngược kết hợp sử dụng vector chuyển động và được lưu vào bộ nhớ ảnh => Nhận được ảnh dự đoán và kết

quả biến đổi DCT ngược lưu vào bộ nhớ ảnh để làm chuẩn

giải mã các ảnh tiếp

1 So sánh các chuẩn nén video sử dụng mã hóa MPEG

15

2 Thực nghiệm:

Ví dụ 1: Sử dụng phần mềm mã nguồn mở là MediaCoder 0.8.27.5570

Thực hiện nén 1 file video gốc wildwife.wmv thành 1 file video mới theo

chuẩn MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4

Các phép thử

Thay đổi bitrate

Thay đổi thông tin nhóm ảnh GOP

Thay đổi số lượng ảnh B trong cấu trúc ảnh

 Thông số Video đầu vào

17

 Nén MPEG-1: Điều chỉnh thông số video như sau:

Nhận xét: Hình ảnh video đầu ra có sự khác biệt rõ rệt Các khối block

ảnh có thể nhìn thấy rất rõ ràng Không còn độ mượt hình như trong video

gốc

Thông số video đầu ra

19

Hình ảnh cho video đầu ra:

 Nén MPEG-2: Điều chỉnh video đầu ra như sau

21

 Hình ảnh video đầu ra:

 Vẫn với nén MPEG-2 nhưng điều chỉnh B-flames = 0 GOP = 3:

23

 Hình ảnh video đầu ra

 Nén MPEG-4 điều chỉnh thông số đầu vào:

25

 Hình ảnh video đầu ra:

Ví dụ 2: chuyển đổi 1 file MPEG-4(.mp4) về dạng MPEG-1

1 Thông số video đầu vào:

27

2 Thông số video đầu ra:

Video đầu vào lúc đầu:

Video đầu ra:

Đánh giá:

 Với mpeg-4 có dung lượng lớn (59mB) và cho chất lượng

hình ảnh tốt (hình ảnh sắc nét không bị nhòe)

 Với mpeg-1 dung lượng thấp (33mB) và cho chất lượng

hình ảnh kém (với cùng độ phân giải 1920x1080) hình ảnh

bị nhòe cà chia thành nhiều ô nhỏ trên hình

31

 Đã tìm hiểu được về tổng quan cấu trúc cũng như các

nguyên lý nén và giải nén của chuẩn mã hóa video MPEG

 Đã thử nghiệm được nén video theo chuẩn MPEG

 Chưa tìm hiểu được các thuật toán về vector chuyển động

biến đổi DCT, mã hóa Entropy

 Thực nghiệm còn hạn chế, chưa so sánh được với các chuẩn

H261,h264