Đang tải... (xem toàn văn)
Kỹ thuật mã hóa độ dài thay đổi VLC dựa trên xác suất các giá trị biên độ giống nhau trong một ảnh để lựa chọn các từ mã để mã hoá
ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Tên đề tài : “Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn” GVHD : TS TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN MSSV : 103101088 LỚP : 03DDT2 Tp.HCM ngày tháng GVHD năm 2008 TS Trần Dũng Trình NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Tên đề tài : “Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn” GVHD : TS TRẦN DŨNG TRÌNH GVPB : KS TRẦN DUY CƯỜNG GVHD: TS TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN MSSV : 103101088 LỚP : 03DDT2 Tp.HCM ngày tháng GVPB năm 2008 KS Trần Duy Cường MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU CÁC THUẬT NGỮ TIẾNG ANH LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I CƠ SỞ VỀ NÉN TÍN HIỆU VIDEO I.1 SỰ CẦN THIẾT CỦA NÉN TÍN HIỆU GVHD: TS TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang I.2 Q TRÌNH SỐ HĨA TÍN HIỆU 10 I.3 TỐC ĐỘ BIT VÀ THƠNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TÍN HIỆU SỐ .12 I.4 Q TRÌNH BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU MÀU 13 I.5 CÁC TIÊU CHUẨN LẤY MẪU TÍN HIỆU VIDEO SỐ 15 I.6 MƠ HÌNH NÉN TÍN HIỆU VIDEO 16 CHƯƠNG II CÁC KỸ THUẬT NÉN VIDEO 20 II.1 PHÂN LOẠI CÁC KỸ THUẬT NÉN .20 II.2 QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI .21 II.3 QUÁ TRÌNH LƯỢNG TỬ 24 II.4 QUÁ TRÌNH MÃ HÓA .25 II.5 TIÊU CHUẨN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ẢNH NÉN 30 CHƯƠNG III CÁC CHUẨN NÉN THUỘC HỌ MPEG TRƯỚC MPEG-4 H.264/AVC 31 III.1 GIỚI THIỆU VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA KỸ THUẬT MPEG 31 III.2 CÁC TIÊU CHUẨN NÉN TRƯỚC MPEG-4 H.264/AVC 32 CHƯƠNG IV CHUẨN NÉN MPEG-4 H.264/AVC .38 IV.1 TỔNG QUAN VỀ CHUẨN NÉN MPEG-4 H.264/AVC 38 IV.2 NHỮNG ĐẶC TÍNH NỔI BẬT CỦA CHUẨN NÉN H.264/AVC 42 IV.3 KỸ THUẬT NÉN VIDEO H.264/AVC 44 CHƯƠNG V MỘT SỐ ỨNG DỤNG CHUẨN H.264/AVC 107 V.1 TRUYỀN HÌNH INTERNET IPTV 107 V.2 TRUYỀN HÌNH VỆ TINH DVB-S2 .108 V.3 TRUYỀN HÌNH DI DỘNG .108 CHƯƠNG VI MƠ PHỎNG Q TRÌNH NÉN-GIẢI NÉN CỦA H.264/AVC BẰNG MATLAB 111 VI.1 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 111 VI.2 CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG: 111 VI.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 112 PHỤ LỤC 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 120 GVHD: TS TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang H LỜI GIỚI THIỆU iện nay, sống kỷ nguyên “Kỷ nguyên truyền thông đa phương tiện” thiết bị mới, kỹ thuật đời nhằm mục đích đáp ứng nhu cầu giải trí cho người ngày tốt Các ứng dụng đa phương tiện thời gian thực truyền mạng di động, mạng Internet, mạng truyền hình…ngày phát triển rầm rộ, nhà sản xuất thiết bị trọng áp dụng công nghệ nén tiên tiến vào thiết bị nhằm thõa mãn nhu cầu “chất lượng trung thực âm thanh, hình ảnh” người khả đáp ứng yêu cầu thực tế công nghệ Thế nhu cầu đáp ứng cách thuận lợi, gắn liền độ phức tạp, tốn chi phí đầu tư sở hạ tầng, thiết bị đầu cuối…, kèm với cơng nghệ cao Bên cạnh vấn đề truyền thông nội dung đa phương tiện gặp số khó khăn: băng thơng đường truyền, nhiễu kênh, giới hạn pin cho ứng dụng… Trong băng thông kênh truyền phải chờ đợi công nghệ tương lai cải thiện, việc cải thiện giới hạn pin dường không đáp ứng phát triển dịch vụ tương lai, phương pháp giảm kích thước liệu kỹ thuật nén cách giải hiệu khó khăn Cho đến có nhiều kỹ thuật nén liệu đa phương tiện như: chuẩn JPEG, chuẩn JPEG2000 chuẩn MPEG… nhiên hiệu nén tiêu chuẩn chưa cao, chưa đáp ứng tốt yêu cầu truyền hình HDTV…cũng việc lưu GVHD: TS TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HỒNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang trữ dung lượng lớn Gần thành cơng tiêu chuẩn mã hóa MPEG-2 đánh dấu bật từ lần phóng thương mại hệ thống vệ tinh DTH vào năm 1990 thành công chuẩn nén MPEG-4 Part ứng dụng truyền hình số, ứng dụng đồ họa… Nhưng với yêu cầu mã hóa tương thích với ứng dụng tốc độ bit thấp, khơng đáp ứng hiệu Từ việc nghiên cứu khắc phục nhược điểm MPEG-2, phát triển bổ sung cho MPEG-4 Part đời chuẩn nén tiên tiến hơn, mà bật MPEG-4 H.264/AVC Nó kết hợp hồn hảo tổ chức tiếng: nhóm chuyên gia mã hóa video tổ chức ITU nhóm chuyên gia xử lý ảnh động ISO/IEC Ta thử xét ví dụ minh họa truyền hình số, sử dụng kỹ thuật nén MPEG-2 cung cấp định dạng SDTV với độ phân giải 640x480 pixel cần băng thơng 4.3Mbps kênh truyền cịn HDTV cần 19Mbps, sử dụng chuẩn nén H.264 băng thơng cho truyền hình SDTV có 1.5 – Mbps 6-9 Mbps HDTV Chính ưu điểm mà MPEG-4 H.264/AVC chứng tỏ vị số mình, ưu việt mà chuẩn nén mang lại chắn có ảnh hưởng tích cực đến thị trường phim ảnh, ngành cơng nghiệp chế tạo thiết bị đầu cuối Để hiểu biết tiêu chuẩn nén tiên tiến này, em chọn đề tài “Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn” làm đề tài tốt nghiệp Sau tháng nỗ lực hết mình, Đồ án cho ta nhìn tổng quát chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC, đồng thời với minh họa chương trình Matlab 7.01, giúp cho ta hiểu rõ ưu điểm chuẩn nén này, nhiên có hạn chế kinh nghiệm, thời gian,…nên khơng tránh khỏi sai sót, kính mong Q Thầy Cơ, bạn bè, đồng nghiệp tham khảo đóng góp ý kiến Em xin chân thành cảm ơn TS Trần Dũng Trình bỏ chút thời gian quý báu, hướng dẫn tận tình cung cấp tài liệu bổ ích trình làm Đồ án Đồng thời xin cảm ơn Quý Thầy Cô Trường Đại Học Kỹ Thuật Cơng Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh, tận tình dạy dỗ, truyền thụ kiến thức kinh nghiệm cho em suốt bốn năm qua, cảm ơn bạn bè quan tâm, chia xẻ, đóng góp ý kiến Kính chúc Quý Thầy Cô bạn bẻ nhiều sức khỏe GVHD: TS TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang Tp.hcm, tháng 01/2008 Sinh viên thực Nguyễn Quang Hoàng Sơn CÁC THUẬT NGỮ TIẾNG ANH BAC CA CC CIF DAB DCT DFT DPCM DS DTH DWT EOI ES Exp-Golomb FLC FMO GOP GMC HDS HDTV HEXBS ICT IDR IDCT IP ISDN JPEG Mã hóa số học nhị phân (Binary Arithmetic Coding) Mã hóa thích nghi theo nội dung (Context Adaptive) Mã xóa (Clear code) Định dạng mã hóa hình ảnh có kích thước 352 x 288 (Common Intermediate Format) Phát quảng bá âm số (Digital Audio Broadcasting) Biến đổi Cosine rời rạc (Discrete Cosine Transform) Biến đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transform) Điều xung mã vi sai (Differential Pulse Code Modulation) Thuật tốn tìm kiểu hình thoi (Diamond Search) Biến đổi Wavelet rời rạc (Discrete Wavelet Transform) Mã kết thúc (End Of Information) Dòng (Elemenatary Stream) Mã Exponential Golomb Mã hóa có chiều dài cố định (Fixed-Length Code) Thứ tự MB mềm dẻo (Flexible Macroblock Order) Nhóm ảnh (Group Of Pictures) Bù chuyển động tồn phần (Global Motion Compensation) Thuật tốn tìm hình thoi nằm ngang (Horizontal Diamond search) Truyền hình phân giải cao (High Definition Television) Thuật tốn tìm kiểu hình lục giác (Hexagon-Based Search) Biến đổi nguyên Cosine rời rạc (Integer Discrete Cosine Transform) Ảnh làm tươi tức thời giải mã (Instantaneous Decoder Refresh Picture) Biến đổi ngược Cosine rời rạc (Inverse Discrete Cosine Transform) Giao thức Internet ( Internet Protocol) Mạng tích hợp dịch vụ số (Integrated Service Digital Network) Chuẩn nén ảnh ủy ban JPEG quốc tế (Joint Photographic Experts Group) GVHD: TS TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang JPEG2000 LOSSLESS LOSSY MB MBAFF MC ME MMS MSE MPEG NAL NNS PCM PF MF PSNR QCIF QP RBSP RGB RLC RSVP RTP SDTV SMIL SRC TSS UMTS VCL VLC VO VOP YCbCr ISO IEC JTC1 SC29 WG11 Chuẩn nén ảnh JPEG2000 Kỹ thuật nén ảnh không tổn hao (không liệu) Kỹ thuật nén ảnh có tổn hao (có liệu) Đa khối (Macroblock) Mã hóa khung mành thích nghi (Macroblock-Adaptive Frame-Field coding) Bù chuyển động (Motion Compensation) Ước lượng chuyển động(Motion Estimate) Dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (Multimedia Messaging Services) Sai số bình phương trung bình (Mean Square Error) Nhóm chuyên gia nén ảnh động (Moving Pictures Experts Group) Lớp trừu tượng mạng (Network Abstraction Layer) Tìm khối gần (Nearest Neighbors Search) Điều xung mã (Pulse Code Modulation) Hệ số co dãn (Parameter Factor) Hệ số nhân(Multipy Factor) Tỷ số tín hiệu đỉnh nhiễu (Peak Signal to Noise Ratio) Định dạng hình ảnh có kích thước 176 x 144 (Quarter Common Intermediate Format) Thông số lượng tử (Quantization Parameter) (Raw Byte Sequence Payload) Ba màu màu đỏ/Xanh/Lam (Red/Green/Blue) Mã hoá dọc chiều dài (Run Length Coding) Giao thức dành riêng tài nguyên mạng (Resource Reservation Protocol) Giao thức truyền tải thời gian thực (Real Time Transport Protocol) Truyền hình tiêu chuẩn ( Standard Televison) Ngơn ngữ tích hợp Multimedia đồng (Synchronized Multimedia Integration Language) Điều khiển tốc độ bit biến đổi ( Scalable Rate Control) Thuật tốn tìm ba bước (Three-Step search) (Universal Mobile Telecommications System) Lớp mã hóa Video (Video Coding Layer) Mã có chiều dài thay đổi (Variable Length Code) Đối tượng Video (Video Object) Đối tượng mặt phẳng Video (Video Object Plane) Độ chói, màu lam, màu đỏ (Luminance, Blue chrominance, Red chrominance) Tổ chức quốc tế tiêu chuẩn chất lượng (International Organization for Standardization) Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (International Electro-technical Commission) Ủy ban kỹ thuật (Joint Technical Committee 1) Ủy ban phụ 29 (Sub-committee 29) Nhóm làm việc 11( Work Group 11) GVHD: TS TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HỒNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang LỜI MỞ ĐẦU Để sâu vào nghiên cứu chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC, cần nắm thuật ngữ, kỹ thuật cần thiết cho việc nén tín hiệu, ưu nhược điểm chuẩn nén trước mang lại.Vì đề tài lý thuyết, nên bước quan trọng trình làm Đồ án tốt nghiệp tìm kiếm tài liệu tổng hợp thành chuỗi kiến thức liên tục tránh lang man yếu tố thuyết phục người tham khảo quan trọng, bên cạnh trình bày chi tiết cách thức nén, em cố gắng mô phần ưu điểm chuẩn nén nhằm góp phần sinh động cho đề tài TỔ CHỨC ĐỒ ÁN Đồ án trình bày thành chương phụ lục Chương I: Trình bày sở nén tín hiệu video, thơng số đặc trưng tín hiệu số q trình biến đổi tín hiệu màu, phân loại nguyên lý nén Chương II: Trình bày kỹ thuật sử dụng nén Video, phép biến đổi kỹ thuật mã hóa, tiêu chuẩn đáng giá chất lượng ảnh nén MSE, PSNR, MAE,SAE … Chương III: Trình bày chuẩn nén thuộc họ MPEG, cấu trúc dòng bit, ưu điểm đạt Chương IV: Cũng chương quan trọng nhất, trình bày chuẩn nén tiên tiến nay: MPEG-4 H.264/AVC, đặc tính bật kỹ thuật chuẩn nén Chương V: Các ứng dụng MPEG-4 H.264/AVC thực tế tương lai GVHD: TS TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HỒNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang Chương VI: Mô phần trình nén giải nén MPEG-4 H.264/AVC, mơ kiểu mã hóa tiên tiến bù chuyển động với kích thước 4x4, sử dụng bảng lượng tử vô hướng 52 giá trị… Tuy nhiên, kinh nghiệm hạn chế, đồng thời MPEG-4 H.264/AVC kỹ thuật giai đoạn nghiên cứu phát triển, nên chắn Đồ án không tránh khỏi sai sót, kính mong Q Thầy Cơ, bạn bè đồng nghiệp đóng góp ý kiến nhằm hồn thiện tốt Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG I I.1 CƠ SỞ VỀ NÉN TÍN HIỆU VIDEO SỰ CẦN THIẾT CỦA NÉN TÍN HIỆU Một tín hiệu video số thường chứa lượng lớn liệu, gặp nhiều khó khăn việc lưu trữ truyền băng thông kênh truyền hạn chế Với phát triển khoa học kỹ thuật, ngày sản xuất cảm biến màu có độ phân giải lên đến 16 triệu pixel tương đương với ảnh có độ phân giải 4096x4096 pixels, thực tế ứng dụng cần độ phân giải cao dùng lại 1920x1080 pixel, để tiết kiệm không gian lưu trữ băng thông kênh truyền cần nén tín hiệu Q trình nén ảnh thực thông tin ảnh có tổ chức, có trật tự, xem xét kỹ tính trật tự, cấu trúc ảnh phát loại bỏ lượng thông tin dư thừa, lại thông tin quan trọng nhằm giảm số lượng bit lưu trữ truyền mà đảm bảo tính thẩm mỹ ảnh Tại đầu thu, giải mã tổ chức, xếp lại ảnh xấp xỉ gần xác so với ảnh gốc đảm bảo thơng tin cần thiết Tín hiệu video thường chứa đựng lượng lớn thông tin dư thừa, chúng thường chia thành loại sau: + Có dư thừa thông tin không gian: điểm ảnh lân cận phạm vi ảnh hay khung video, gọi thừa tĩnh bên frame + Có dư thừa thơng tin thời gian: điểm ảnh khung video chuỗi ảnh video, gọi thừa động frame GVHD: TS TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang 10 + Có dư thừa thơng tin phổ: mẫu liệu thu từ cảm biến camera, máy quay… + Có dư thừa thống kê: thân ký hiệu xuất dòng bit với xác suất xuất khơng đồng + Có dư thừa tâm thị giác: thông tin không phù hợp với hệ thống thị giác người, tần số cao so với cảm nhận mắt người Ưu điểm việc nén tín hiệu: + Tiết kiệm băng thông kênh truyền ( thời gian thực nhanh hơn) + Kéo dài thời giản sử dụng thiết bị lưu trữ, giảm chi phí đầu tư cho thiết bị lưu trữ + Giảm dung lượng thông tin mà khơng làm tính trung thực hình ảnh Có nhiều phương pháp nén tín hiệu, phương pháp nén cách số hóa tín hiệu tỏ hữu hiệu thời đại, mặt làm giảm lượng thông tin không quan trọng cách đáng kể, mặt khác cịn giúp cho tín hiệu bảo mật I.2 Q TRÌNH SỐ HĨA TÍN HIỆU Q trình số hố tín hiệu tương tự, bao gồm trình lọc trước (prefiltering), lấy mẫu, lượng tử mã hố minh họa hình I.1 Q trình lọc trước nhằm loại bỏ tần số không cần thiết tín hiệu nhiễu, lọc cịn gọi lọc chống nhiễu xuyên kênh Aliasing I.2.1 LẤY MẪU Thực chất phép toán rời rạc phép điều biên xung PAM thực mạch Op-amp có cực khiển strobe Nó tạo giá trị tín hiệu tương tự số hữu hạn giá trị có biến rời rạc gọi mẫu Các mẫu lấy cách gọi chu kỳ lấy mẫu Tần số lấy mẫu phải thoả mãn định lý Nyquist-Shannon : f s ≥ f maz Trong đó: + fs tần số lấy mẫu + fmax tần số cực đại phổ tín hiệu tương tự GVHD: TS TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HỒNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang 97 Bin Kiểu nội dung Kiểu Kiểu 4 Kiểu ≥5 Kiểu IV.3.5 BỘ LỌC TÁCH KHỐI TRONG VÒNG Mã hóa dựa sở biến đổi DCT cho khối 4x4 nhìn thấy cấu trúc khối đặc trưng mã hóa dựa khối tạo cấu trúc ngẫu nhiên, sai số mã hóa dự đốn gây nên hệ số lượng tử thơ Ngồi ra, q trình dự đoán bù chuyển động gây nên nhiễu khối minh họa hình IV.32 Ta thấy rằng, cạnh khối cấu trúc lại có độ xác điểm ảnh bên khơng phải tất pixel tham khảo hoàn hảo, chứa số điểm ảnh khơng liên tiếp Trong tiêu chuẩn H.264/AVC, sử dụng lọc tách khối vịng, nghĩa q trình mã hóa giải mã, ảnh cấu trúc lại lọc tách khối trước lưu trữ cho bù chuyển động tiếp theo, cường độ lọc điều khiển giá trị nhiều phần tử cấu trúc Bộ lọc sử dụng cho dự đoán bù chuyển động ảnh liên tiếp, làm giảm nhỏ sai số sau dự đoán Bộ lọc tách khối sử dụng thích nghi nhiều mức độ: Ở mức Slice: cường độ lọc tồn phần điều chỉnh theo đặc điểm + chuỗi ảnh + Ở mức mép khối: cường độ lọc tùy thuộc vào kiểu dự đoán Intra hay Inter, sai số chuyển động GVHD: TS TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HỒNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang 98 + Ở mức mẫu Phần định khác mẫu gốc mẫu lượng tử hóa từ hệ số biến đổi Hình IV.30 Hiện tượng nhiễu khối, gián đọan hai khối IV.3.5.1 Nguyên tắc lọc tách khối Nguyên tắc đo sai khác mẫu gần mép khối minh họa hình IV.33, cần phải hạn chế sai khác để tránh tượng kết khối mà độ bóng nội dung khơng thay đổi q1 − q < β (QP) β α p1 − p0 < β (QP) bS!= p − q < α (QP) β Hình IV.33 Nguyên lý lọc tách khối Trong đó: + Giá trị offset α β đặc trưng cho cường độ lọc, giá trị âm cho cường độ yếu giá trị dương cho cường độ mạnh, giá trị α β sau: α = f (QP + α _ offset ) + β = f (QP + β _ offset ) GVHD: TS TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang 99 α _ offset = [ −6, − 5, − 4, − 3, − 2, −1, 0, +1, + 2, + 3, + 4, + 5, + 6] + β _ offset = [−6, − 5, − 4, − 3, − 2, −1, 0, + 1, + 2, + 3, + 4, + 5, + 6] + Giá trị α β phụ thuộc vào tham số lượng tử QP trung bình khối bên cạnh IV.3.5.2 Quá trình lọc khối Mỗi MB thành phần tách riêng để lọc, mép theo chiều thẳng đứng lọc trước, bắt đầu mép nằm bên tay trái MB mép cuối nằm bên tay phải MB, sau lọc theo chiều ngang, bắt đầu với mép nằm phía MB mép nằm phía MB Trình tự bước lọc minh họa hình sau + Bước : Chia ảnh thành MB tìm khối bị nhiễu Khối cần lọc Bức ảnh chia thành MB + Bước : Lọc cạnh thành phần Luma theo chiều dọc + Bước :Lọc cạnh thành phần Luma theo chiều ngang GVHD: TS TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HỒNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang 100 + Bước : Lọc cạnh thành phần Chroma Lọc theo chiều dọc Lọc theo chiều ngang cho cạnh ngang cho cạnh dọc bS cường độ đường biên định kiểu mã hóa tham số lượng tử cho cạnh ngang khối kế bên, việc chọn tham số bS phải tuân theo quy định sau: Nếu p q mã hóa Intra có đường biên khối chúng bS = (Lọc Nếu p q mã hóa Intra khơng có đường biên khối chúng Hoặc p hay q mã hóa Intra, p q chứa hệ số mã hóa Hoặc p hay q mã hóa Intra, p hay q chứa hệ số mã hóa, p q sử dụng mạnh nhất) bS = bS = bS = (không ảnh tham khảo khác khác số lượng ảnh tham khảo… lọc) Quá trình lọc P0 Q0 xảy thỏa mãn điều kiện sau: P0 −Q < α(QP ) P1 − P1 < β(QP ) Q −Q < β(QP ) Trong β < α Nó tăng với giá trị lượng tử trung bình QP khối P Q Quá trình lọc P1 Q1 xảy thỏa mãn điều kiện sau: P2 − P0 < β(QP ) hay Q2 − Q0 < β(QP ) GVHD: TS TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang 101 Trường hợp bS ∈{1, 2, 3} Một lọc đáp ứng xung hữu hạn FIR-4 tap dùng để lọc giá trị p1, p0, q1, q0 tạo thành giá trị p’0 q’0 Nếu thành phần luma có |p2-p0|< β sử dụng FIR-4 tap khác để lọc giá trị p2, p1, p0 q0 để tạo p’1 Còn |q2q0| < β sử dụng FIR-4 tap khác để lọc giá trị q2, q1, q0 p0 để tạo q’1 Trường hợp bS = Nếu thành phần luma có |p2 - p0| < β , |p0 - q0| < round( α / ) + Sử dụng FIR-5 tap khác để lọc giá trị p2, p1, p0, q0 q1 tạo p’0 + Sử dụng FIR-4 tap khác để lọc giá trị p2, p1, p0 q0 tạo p’1 + Sử dụng FIR-5 tap khác để lọc giá trị p3, p2, p1, p0, q0 tạo p’2 + Sử dụng FIR-3 tap khác để lọc giá trị p1, p0, q1 tạo p’0 Nếu thành phần luma có |q2 - q0| < β , |p0 - q0| < round( α / ) + Sử dụng FIR-5 tap khác để lọc giá trị q2, q1, q0, p0 p1 tạo q’0 + Sử dụng FIR-4 tap khác để lọc giá trị q2, q1, q0 p0 tạo q’1 + Sử dụng FIR-5 tap khác để lọc giá trị q3, q2, q1, q0, p0 tạo q’2 + Sử dụng FIR-3 tap khác để lọc giá trị q1, q0, p1 tạo q’0 Hình IV.34 Tác dụng lọc tách khối ảnh nén nhịều Trái : Khơng có lọc tách khối Phải : Có lọc tách khối IV.3.6 CẤU TRÚC VÀ CÚ PHÁP CHUẨN H.264/AVC Để truyền môi trường khác hiệu quả, tích hợp giao thức cấu trúc mạng quan trọng H.264/AVC có phân biệt đặc tính mã hóa truyền tải lớp VCL NAL hình IV.35 mang lại hiệu cao môi trường mạng khắc nghiệt GVHD: TS TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HỒNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang 102 Video Coding Layer Control Data Data Partitioning Network Abstraction Layer (H.320, MP4FF,H.323/IP,MPEG2…) Hình IV.35 Cấu trúc dịng bit H.264 Ngồi H.264/AVC cịn hỗ trợ ảnh IDR, ảnh tạo từ ảnh I ảnh SP nhằm xóa nội dung vùng nhớ đệm ảnh tham khảo hay nói cách khác làm tươi nhớ Khi nhận ảnh IDR giải mã đánh dấu tất ảnh đệm “không sử dụng cho tham khảo” Tất chuỗi có slice truyền giải mã mà khơng cần ảnh tham khảo trước ảnh IDR Cấu trúc dịng bit H.264/AVC minh họa hình sau NAL header NAL NAL RBSP header header Hình IV.36 Cấu trúc dòng bit RBSP RBSP IV.3.6.1 Lớp trừu tượng mạng NAL Tất liệu chứa khối NAL, khối chứa số nguyên byte xác định định dạng chung cho hệ thống định hướng gói (packet - oriented) hệ thống định hướng dịng bit (bitstream), ngoại trừ khối NAL lớp truyền tải định hướng dịng bit có tiền tố mã hóa trước, định dạng sau: định dạng theo đơn vị NAL theo byte + Định dạng theo đơn vị NAL kiểu định dạng bản, bao gồm chuỗi cấu trúc cú pháp NAL xếp để giải mã GVHD: TS TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HỒNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang 103 + Định dạng theo byte xây dựng lại từ cấu trúc NAL cách xắp xếp đơn vị NAL trình giải mã thêm vào tiền tố mã bắt đầu cho NAL Một chuỗi video H.264 bao gồm chuỗi đơn vị NAL, đơn vị NAL chứa thành phần RBSP bảng 1, RBSP tập hợp liệu tương ứng với liệu video mã hóa hay thơng tin đầu mục, ví dụ chuỗi đơn vị RBSP hình IV.37, đơn vị truyền dạng đơn vị NAL riêng biệt Byte NAL hay gọi header có chiều dài 1byte loại RBSP sử dụng, cịn byte cịn lại chứa liệu cho việc truyền tải lưu trữ Sequence parameter set SEI Picture parameter set I slice Picture delimiter P slice P slice Hình IV.37 Minh họa chuỗi thành phần RBSP Bảng thành phần RBSP miêu tả sau: GVHD: TS TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang 104 Loại RBSP Thông số cài đặt Thông tin mở rộng Bộ phân đoạn ảnh Slice mã hóa Phân vùng liệu A, B, C Kết thúc chuỗi Kết thúc luồng liệu Dữ liệu lấp đầy Mô tả Thông số kích thước, định dạng video, vị trí ánh xạ MB, số lượng ảnh tham khảo, thông số lượng tử… Mảng báo tin Yếu tố không cần thiết cho việc giải mã thứ tự chuỗi video Đường biên ảnh, khơng có giải mã dựa vào số thứ tự frame tiền tố slice để phân đoạn Chứa tiền tố liệu mã hóa Ba dạng phân vùng nhằm tăng cường khả chống lỗi Chỉ định ảnh thứ tự giải mã ảnh IDR (Không cần thiết) Khơng cịn ảnh Chứa liệu “giả” nhằm tăng số lượng byte chuỗi (Không cần thiết) Bảng 1: Các thành phần RBSP IV.3.6.2 Lớp mã hóa video VCL (Video Coding Layer) Ngõ q trình mã hóa liệu VCL bao gồm chuỗi bits đặc trưng cho liệu video mã hóa ánh xạ vào NAL để truyền lưu trữ Nó kết hợp dự đốn theo thời gian khơng gian với mã chuyển vị Thuật tốn mã hóa nguồn dựa kỹ thuật nén liên ảnh để khai thác, thống kê phụ thuộc dư thừa thời gian dự đốn mã hóa biến đổi để khai thác dư thừa mặt khơng gian nhằm mục đích cuối nâng cao hiệu suất nén Hơn nữa, lớp VCL bao gồm nhiều đặc tính 17 kiểu dự đoán Intra, thuật toán biến đổi, lọc tách khối, mã hóa Entropy hay mã hóa thích nghi khung mành…cung cấp môi trường mạng thân thiện tăng cường khả chống lỗi phù hợp cho dịch vụ thời gian thực truyền luồng, quảng bá ứng dụng hội nghị… IV.3.6.3 Kỹ thuật FMO Data Partitioned Slices Kỹ thuật FMO mô tả cách phân chia ảnh thành slice MB cách sử dụng khái niệm nhóm slice Nhằm che giấu kênh có khuynh hướng bị lỗi với ứng dụng có độ trễ thấp Dữ liệu mã hóa từ Slice chi thành loại phân vùng A, B, C chứa tập hợp slice mã hóa Phân vùng A chứa slice header liệu header cho MB Phân vùng B chứa phần liệu sai khác mã hóa cho slice Intra SI phân vùng C chứa phần liệu sai khác mã hóa cho MB mã hóa GVHD: TS TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HỒNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang 105 Inter Mỗi phân vùng đặt riêng biệt truyền tách biệt NAL Nếu liệu phân vùng A bị mất, khó khăn cho việc cấu trúc lại Slice, phân vùng A ảnh hưởng sâu sắc đến sai số truyền Phân vùng B C chọn lựa thơng số mã hóa kỹ càng, giải mã độc lập, mã hóa A C A B IV.3.6.4 Kỹ thuật Arbitrary Slice Ordering Kỹ thuật xếp trật thứ tự slice ASO cho phép giải mã xử lý slice theo thứ tự mà nhận Do giải mã không cần phải chờ đợi slice theo thứ tự để bắt đầu xử lý chúng Điều làm giảm độ trễ xử lý giải mã, kết độ trễ tiềm ẩn ứng dụng truyền video thời gian thực nhỏ IV.3.6.5 Cấu trúc dòng bit H.264/AVC Cấu trúc dòng bit H.264/AVC minh họa hình IV.38 Trong đó: Seq : thông tin chuỗi ảnh (Squence) - Video Params : thông số chiều cao, rộng, tỷ lệ khuôn hình phần tử ảnh - Bistream Params : tốc độ bit thông số khác - QTs : có loại QTs + Nén ảnh + Nén liên ảnh GOP : thơng tin nhóm ảnh - Time code : SMPTE time code : Giờ, phút, giây, ảnh - GOP Params: Miêu tả cấu trúc thông số GOP PICT : thông tin ảnh (Picture information.) - Type :ảnh loại I, P hay B + Buffer Params : thông tin đệm + Encode Params : thông tin vector chuyển động Slice : thông tin Slice ảnh - Vert Pos : Slice dòng GVHD: TS TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HỒNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang 106 - Qscale : thông tin bảng lượng tử MB : thông tin MB - Addr Incr : Số lượng MB bỏ qua - Type : loại vector chuyển động dùng cho MB - Code Block Pattern (CBP) : rõ loại khối mã hoá Seq … Seq Seq QC GOP SC Seq Video Params Time Code Bitstream Params GOP Params PSC Type Buffer Params SSC Vert Pos Qscale Addr Iner Type Motion vector QTs Misc Pict GOP … … GOP Pict Encode Params Slice … MB MB Qscale CBP … b0 Slice … b5 Hình IV.38 Cấu trúc dịng bit MPEG-4 H.264/AVC GVHD: TS TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang 107 CHƯƠNG V MỘT SỐ ỨNG DỤNG CHUẨN H.264/AVC H 264/AVC đánh dấu bước ngoặt lĩnh vực nén video, nhờ áp dụng kỹ thuật tiên tiến nhằm mục đích sử dụng băng thơng hiệu đem lại chất lượng ảnh cao độ trễ thấp Với kỹ thuật này, H.264/AVC giảm tốc độ bit xuống 50% so với chuẩn MPEG-2 Tuy nhiên, H.264/AVC đòi hỏi cấp độ phức tạp cao trình mã hóa lẫn giải mã Mặc dù vậy, thử thách hồn tồn chinh phục nhờ có tiến liên tiếp khả xử lý phần mềm phần cứng Điều có nghĩa H.264/AVC ứng cử viên tiềm có khả thay MPEG-2 năm tới lĩnh vực truyền luồng Internet tốc độ bit thấp tới ứng dụng quảng bá HDTV Cinema số, truyền thơng video qua mạng Internet, truyền hình di động theo chuẩn DVBH, truyền hình số mặt đất, truyền hình theo yêu cầu, tin nhắn đa phương tiện MMS… qua mạng ISDN, DSL, Wireless, LAN vệ tinh… Cơng nghệ truyền hình số ta khắc phục nhiều khuyết điểm truyền hình tương tự mở cho ta tiềm phát triển vơ rộng lớn Có thể thấy hỗ trợ mang tính chất cho hoạt động tương tác khác chủ yếu, thể tính ưu việt cơng nghệ H.264/AVC so với MPEG-2, chuẩn áp dụng rộng rãi hệ thống truyền hình Trên thực tế hãng cung cấp dịch vụ truyền thơng theo dịng đa phương tiện hỗ trợ chuẩn H.264/AVC cấu trúc hạ tầng sản phẩm triển khai mình, nhằm khắc phục nhược điểm mơ hình truyền dẫn phát sóng phát truyền hình sử dụng Các ứng dụng H.264 thực tế triển khai như: V.1 TRUYỀN HÌNH INTERNET IPTV IPTV mạng truyền hình kết hợp chặt chẽ với mạng viễn thơng Nói rộng IPTV dịch vụ giá trị gia tăng sử dụng mạng băng rộng IP phục vụ cho nhiều người dùng Các user thơng qua máy vi tính PC máy thu hình phổ thông cộng với STB để sử dụng dịch vụ IPTV Đặc điểm bật IPTV dựa cơng nghệ IP có khả tương tác IPTV sử dụng chuẩn nén H.264/AVC làm giảm nửa băng thơng GVHD: TS TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang 108 cần thiết để phân phối video số chất lượng DVB đầy hình đến khách hàng, giảm u cầu băng thơng truyền dẫn truyền hình số chất lượng chuẩn SDTV xuống 700 kb/s hai nằm giới hạn vòng DSL 1.5 Mb/s H.264 mở hội giảm giá thành áp dụng giá thành điều hành so sánh với MPEG-2 H.264 nén video hiệu hơn, giảm giá thành truyền dẫn qua kết nối vệ tinh mặt đất Ở nước ta số Website cung cấp thử nghiệm chuơng trình truyền hình trực tuyến VietNamNet, Cơng ty VTC, Đài truyền hình HTV ghi nhận số lượng truy cập lớn, cho thấy sức hấp dẫn dịch vụ công chúng Với mạng băng hẹp truyền thống, số dịch vụ đơn giản IPTV thực Cịn để triển khai thành cơng dịch vụ IPTV mạng băng rộng đóng vai trị tiên quyết, với mạng băng rộng bảo đảm cung cấp đầy đủ băng thơng theo yêu cầu cho dịch vụ IPTV (như truyền hình, Video, Games, v.v ) V.2 TRUYỀN HÌNH VỆ TINH DVB-S2 DVB-S2 chọn H.264/AVC cho mã hoá nguồn audio video tốc độ 8Mb/s phù hợp với DVD thông thường.Với hiệu suất sử dụng băng thông tăng từ 30% đến 131%, số chương trình mà H.264/AVC mang lại tăng gấp ba so với việc dùng MPEG-2, ví dụ phát 21-26 chương trình SDTV 5-6 chương trình HDTV transponder 36Mhz Công nghệ thực công cụ hữu hiệu cho dịch vụ tương tác qua vệ tinh Truyền hình tương tác phương thức quảng cáo truyền hình kết hợp điểm mạnh tiếp thị trực tiếp truyền hình, qua người xem chọn mua, xem thơng tin chi tiết đơn giản qua thao tác click, xem chương trình truyền hình, người xem tham gia vao trị chơi qua hình thức gửi tin nhắn SMS …Truyền hình HDTV trở thành một sản phẩm thiết yếu gia đình Có khoảng 10 triệu hộ gia đình tồn cầu sử dụng HDTV, số dự kiến tăng lên 52 triệu vào năm 2009 Đây thực tiện ích hấp dẫn với khán giả truyền hình Sẽ ảnh hưởng tích cực đến thị trường phim ảnh, dịch vụ quảng bá giá thấp V.3 TRUYỀN HÌNH DI DỘNG Truyền hình số tới thiết bị di động với hình nhỏ có tương tự định với truyền hình cố định Để kênh truyền hình hiển thị rõ nét với chất lượng GVHD: TS TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HỒNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang 109 cao thiết bị xem truyền hình di động kèm với tiện ích tương tác đặc thù, luồng tín hiệu chứa nội dung phải đóng gói, truyền tải giải mã quy trình khép kín, đồng Đầu tiên, nội dung phải tạo phù hợp với thiết bị di động có hình nhỏ, điều u cầu phải có kỹ thuật thu hình tinh tế muốn hình ảnh thể tốt hình (ví dụ dùng camera để lấy cảnh, cho hình TV lớn, cho hình di động nhỏ với thông số kỹ thuật khác nhau) Thứ hai, cấu phân phối nội dung khác liên quan tới vấn đề sử dụng phổ tần số Thứ ba, có nhiều giao thức phân phối nội dung Và cuối cùng, khả phân phối kênh tương tác phong phú Với tốc độ bit thấp H.264/AVC cho phép tải nội dung đa phương tiện dụng cụ điện thoại, PDA, laptop, qua công nghệ Wireless, DAB, CDMA2000, UMTS DBV-T Mà hiệu suất nén tăng gấp đôi so với chuẩn trước Hiện truyền hình di động trở nên phổ biến nước ta với hai công nghệ 3G -CDMA 2000 1x EV-DO S-Fone công nghệ DVB-H - Nokia VTC Việt Nam nước châu Á nước thứ giới (sau Phần Lan) Nokia triển khai dịch vụ truyền hình di động Có thể hiểu nơm na THDĐ có chiều hướng, xem truyền bạn xem tivi nhà (công nghệ DVB-H DMB) vào mạng Internet xem tivi máy tính (Media- Flo 3G) DVB-H sử dụng mã hóa âm hình ảnh tiên tiến H.264, cho phép đến 50 kênh truyền hình liệu truyền qua DVB-H multiplex Theo Nokia, ưu điểm thiết bị tiết kiệm pin có tính mạnh mơi trường tiếp nhận khó khăn; giúp tiết kiệm chi phí cách hiệu mạng truyền hình; có dung lượng băng tần rộng cho nội dung hình ảnh, âm phong phú; sử dụng dải tần UHF, tồn cầu sử dụng cho truyền hình Ở 3G việc truyền liệu phụ thuộc vào tốc độ đường truyền mạng di động, 2G hay 2,5G khơng đủ mạnh để đáp ứng địi hỏi đường truyền dịch vụ này, tín hiệu video yêu cầu băng thông kênh truyền tương đối lớn (khoảng vài trăm kbps) Với kỹ thuật này, thuê bao cấp kênh trao đổi thông tin tài nguyên mạng điện thoại để trao đổi thông tin truyền hình Chất lượng hình ảnh khơng phụ thuộc vào cự ly phát sóng kênh truyền hình hay vật che chắn (như truyền hình thơng thường) Truyền hình theo cách GVHD: TS TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang 110 khơng cần phải có tần số riêng Kênh thơng tin cơng nghệ truyền hình 3G có tính chất chiều (tương tự kênh đàm thoại), kênh truyền liệu trạm thu phát gốc (BTS) cấp cho thuê bao Như vậy, thuê bao chiếm phần tài nguyên thông tin trạm BTS họ sử dụng dịch vụ, hạn chế số người dùng lúc Khi lượng người dùng lớn, để phục vụ tốt cho người sử dụng dịch vụ, bắt buộc nhà khai thác mạng phải nâng cấp hệ thống dẫn đến chi phí đầu tư tăng, đồng nghĩa GVHD: TS TRẦN DŨNG TRÌNH với phí dịch vụ cao SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang 111 CHƯƠNG VI MƠ PHỎNG Q TRÌNH NÉN-GIẢI NÉN CỦA H.264/AVC BẰNG MATLAB VI.1 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT Sau q trình mã hóa giải mã frame kỹ thuật H.246: Nạp file YUV Chuyển file YUV sang Matlab movie Phân chia thành frame Dự đốn chuyển động END Tìm vector chuyển động file“lastmov” Phân chia thành macroblock Cấu trúc lại block 4x4 để tham khảo Phân chia thành block 4x4 Biến đổi ICT block 4x4 dư thừa Mở file“lastmov” Lượng tử hệ số DCT Lưu lại thành file “lastmov” Mã hóa Entropy Biến đổi frame từ YUV sang RGB Lưu thành file “lastmov” Tái tạo lại MB từ block 4x4 Giải lượng tử Giải mã file“lastmov” VI.2 CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG: So với MPEG-2 H.264/AVC có nhiều ưu điểm bật cịn nhiều hạn chế, nên em mơ phần cách mã hóa tiên tiến H.264/AVC sử dụng 52 bước lượng tử, sử dụng biến đổi ICT cho khối 4x4 Để hồn thành chương trình mơ này, ngồi cố gắng thân, định hướng đắn TS Trần Dũng Trình, em cịn tham khảo số module Matlab có sẵn GVHD: TS TRẦN DŨNG TRÌNH Lượng tử hệ số DCT SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN ... NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang 21 Trong thực tế phương pháp nén tổn hao thường sử dụng nhiều kỹ thuật nén tổn hao thường sử dụng. .. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN ĐATN: Tổng quan chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC khả ứng dụng thực tiễn Trang LỜI MỞ ĐẦU Để sâu vào nghiên cứu chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC, cần nắm thuật ngữ,... 32 CHƯƠNG IV CHUẨN NÉN MPEG-4 H.264/AVC .38 IV.1 TỔNG QUAN VỀ CHUẨN NÉN MPEG-4 H.264/AVC 38 IV.2 NHỮNG ĐẶC TÍNH NỔI BẬT CỦA CHUẨN NÉN H.264/AVC 42 IV.3 KỸ THUẬT NÉN VIDEO H.264/AVC
