NÉN ẢNH VIDEO THEO CHUẨN MPEG

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN XỬ LÝ DỮ LIỆU ĐA PHƢƠNG TIỆN Đề tài 11: NÉN ẢNH VIDEO THEO CHUẨN MPEG Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Hoàng Lan Nhóm sinh viên thực hiện: Trƣơng Nhật Quang -20102025 Trƣơng Văn Lai - 20101751 Phạm Tiến Đạt -20101362 Hà Nội – 05/2014 MỤC LỤC NỘI DUNG I Tổng quan MPEG 1.1 Khái niệm chuẩn MPEG 1.2 Mục đích đời chuẩn MPEG 1.3 Quy định hệ màu 1.4 Cấu trúc frame I, P, B .7 1.5 Cấu trúc dòng liệu 1.5.1.Video Sequence (Cảnh): 1.5.2 GOP (Group of picture): 1.5.3 Frame/Picture (khung hình): 1.5.4 Slice 10 1.5.5 Macroblock 10 1.5.6 Block: .10 1.6 Phương pháp nén 11 1.6.1 Phương pháp mã hóa DPCM 11 1.6.2 Phép biến đổi DCT .14 II Chuẩn MPEG 15 2.1 Giới thiệu chuẩn MPEG 15 2.2 Sơ đồ nén .15 V So sánh phát triển chuẩn MPEG 17 5.1 MPEG MPEG 17 5.2 MPEG MPEG 19 VI Ảnh hưởng phương pháp nén tới chất lượng video 22 6.1 Vai trò nén video 23 6.2 Một số phần tử dư thừa video 23 6.2.1 Dư thừa thống kê 23 6.2.2 Dư thừa cảm nhận sinh lý mắt người 24 6.3 Những thành phần ảnh hưởng tới chất lượng nén chuẩn MPEG 24 6.3.1 Nén ảnh 25 6.3.2 Nén video theo thời gian 28 VII Ứng dụng chuẩn MPEG 31 Một số đặc điểm so sánh MPEG1 MPEG2 31 Quét xen kẽ vs quét 31 Độ phân giải 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO .34 NỘI DUNG I Tổng quan MPEG 1.1 Khái niệm chuẩn MPEG MPEG(motion picture experts group) nhóm chuyên gia hình ảnh thành lập từ tháng năm 1998 với nhiệm vụ xây dựng tiêu chuẩn cho tín hiệu Audio Video số Ngày nay, MPEG trở thành kỹ thuật nén Audio Video phổ biến không tiêu chuẩn riêng biệt mà tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể thiết bị có tiêu chuẩn thích hợp nguyên lý thống Các hệ chuẩn MPEG:  MPEG hệ lưu trữ phục hồi ảnh động Audio lưu trữ Media MPEG-1 nén tín hiêu video tới 1.5 Mbps với chất lượng VHS âm lập thể (stereo audio) với tốc độ 192 bps Được dùng để lưu trữ video âm CD-ROM  MPEG hệ cho TV số  MPEG hệ cho ứng dụng Multmedia MPEG-4 trở thành tiêu chuẩn cho nén ảnh kỹ thuật truyền hình số, ứng dụng đồ họa video tương tác hai chiều (Games, Video conferencing) ứng dụng Multimedia tương tác hai chiều (world wide web ứng dụng nhằm phân phát liệu video truyền hình cáp, internet video…) MPEG-4 trở thành tiêu chuẩn công nghệ trình sản xuất, phân phố truy cập vào hệ thống video Nó góp phần giải vấn đề dung lượng cho thiết bị lưu trữ, giải vấn đề băng thông đường truyền tín hiệu video kết hợp hai vấn đề  MPEG chứa đặc tả thông tin, giao diện cho việc tìm kiếm thông tin 1.2 Mục đích đời chuẩn MPEG Tín hiệu video sau số hóa có tốc độ lớn, để truyền kênh truyền hình thông thường mà đảm bảo chất lượng hình ảnh, tín hiệu video số cần nén để giảm tốc độ dòng bit tín hiệu xuống giá trị định đủ để tái tạo lại hình ảnh giải nén, giảm dung lượng liệu băng thông cần thiết giúp tiết kiệm chi phí lưu trữ truyền dẫn MPEG đời nhằm đáp ứng yêu cầu tín hiệu video truyền hình internet 1.3 Quy định hệ màu Hệ màu chuẩn MPEG sử dụng YUV YcrCb Mô hình YUV qui định không gian màu tạo thành phần độ chói hai thành phần màu (chrominance) YUV sử dụng hệ thống phát sóng truyền hình theo chuẩn PAL, chuẩn phần lớn nước Mô hình YUV giúp tạo màu với nhận thức người chuẩn RGB, loại dùng thiết bị đồ hoạ máy tính, không chuẩn không gian màu HSV Y diện cho thành phần độ chói, U V đại diện cho thành phần màu Không gian màu YCbCr hay YPbPr, sử dụng thiết bị phát hình, xuất phát từ (Cb/Pb Cr/Pr phiên biến thể U V), bị gọi cách không xác "YUV" Không gian màu YIQ dùng hệ thống truyền hình NTSC liên quan đến nó, nhiên lại đơn giản nhiều Các tín hiệu YUV xuất phát từ nguồn RGB Các giá trị trọng số R, G vàB cộng lại với để tạo tín hiệu Y đơn, để biểu diễn độ sáng chung điểm Tín hiệu U sau tạo trừ Y khỏi tín hiệu xanh lam (B RGB), nhân với tỉ lệ có sẵn; V tính cách trừ Y khỏi màu đỏ (R RGB), nhân tỉ lệ với hệ số khác Hình Ví dụ mặt phẳng màu U-V giá trị Y=0.5, nằm phổ màu RGB Các công thức sau dùng để tnh toán Y, U V từ R, G B : Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B U = 0.492(B − Y) = − 0.147R − 0.289G + 0.436B V = 0.877(R − Y) = 0.615R − 0.515G − 0.100B hay dùng ma trận Ở đây, R, G B giả sử nằm khoảng đến 1, với biểu diễn cường độ bé lớn Có hai điều cần ý: - Hàng đồng với công thức dùng không gian màu YUV - Nếu: = [1 1] Nói cách khác, hệ số hàng có tổng hai hàng sau có tổng Tuy chuyển từ RGB→YUV công thức toán, thường để tiện lợi dùng số xấp xỉ 1.4 Cấu trúc frame I, P, B I-frame (Intra frame - khung hình độc lập): I-frame khung hình mã hóa độc lập mà không cần tham khảo tới khung hình khác Hiệu nén tín hiệu ạược loại bỏ dư thừa không gian (không có yếu tố thời gian tham gia trình) I-frame dùng cách tuần hoàn để tạo điểm tựa cho dòng liệu trình giải mã I-frame cung cấp khả truy xuất ngẫu nhiên điểm liệu video nén cung cấp độ nén vừa phải dùng với bit pixel P-frame (Predicted frame - khung hình dự đoán): P-frame sử dụng Iframe hay P-frame trước để bù chuyển động Công nghệ gọi công nghệ dự đoán tiến (Forward prediction) Mỗi Macroblock P-frame mã hóa hóa theo kiểu tiên đoán (Predicted) mã hóa độc lập (intracoded) Cũng I-frame, P-frame dùng tham chiếu cho việc dự đoán B-frame P-frame P-frame dùng để bù chuyển động cấp nhiều khả nén I-frame sử nén không gian thời gian P-frame sinh lỗi P-frame dự đoán từ I-frame P-frame trước B-frame (Bidirectional frame - khung hình hai hướng): B-frame khung hình sử dụng khung hình khứ tương lai để tham khảo B-frame cung cấp khả nén lớn không sinh lỗi không dùng cho việc tham chiếu Hình Thứ tự truyền khung hình Thuật toán MPEG cho phép mã hóa để chọn tần số vị trí I-frame Việc lựa chọn dựa vào cần thiết ứng dụng truy xuất ngẫu nhiên vị trí cảnh Đối với ứng dụng mà việc truy xuất ngẫu nhiên quan trọng I-frame sử dụng lần giây B-frame sử dụng ảnh I-frame P-frame phía trước phía sau cho việc bù chuyển động cho kết nén cao Mỗi khối Bframe tiên đoán theo chiều ngược, xuôi, hai hướng mã hóa cách độc lập Để tiên đoán ngược từ khung hình phía sau nó, mã hóa tiến hành xếp lại khung hình từ thứ tự xuất cách tự nhiên sang thứ tự khác khung hình đường truyền Do từ đầu mã hóa, B-frame truyền sau khung hình dùng để tham khảo phía trước phía sau Điều tạo độ trễ phải xếp lại thông tin, độ trễ lớn hay nhỏ tùy thuộc vào số B-frame liên tiếp truyền Bộ mã hóa chọn số B-frame nằm cặp tham chiếu (I-frame P-frame) Việc lựa chọn dựa vào yếu tố khối lượng nhớ mã hóa đặc trưng thành phần mã hóa Chẳng hạn dãy khung hình thường có hai khung hình hai hướng xen khung hình tham chiếu 1.5 Cấu trúc dòng liệu Chuẩn MPEG định nghĩa kiểu phân cấp cấu trúc liệu Video sau: Hình Cấu trúc dòng liệu MPEG 1.5.1.Video Sequence (Cảnh): bắt đầu với Sequence Header, bao gồm một nhóm khung hình kết thúc với mã End-of-sequence 1.5.2 GOP (Group of picture): dãy liên tiếp ảnh (picture) cảnh Trong GOP định nghĩa tham số m n o m khoảng cách frame dự đoán tiến (p-frame) o n độ dài GOP 1.5.3 Frame/Picture (khung hình): thành phần mã hóa chính, thường phân biết thay đổi độ sáng ảnh (Brightness) tốt thay đổi màu (Chromiance), trước hết sơ đồ nén MPEG tiến hành chia khung hình thành thành phần độ sáng Y thành phần độ màu Cb, Cr; khung hình gồm có ba ma trận ứng với thành phần độ sáng Y độ màu Cb, Cr Hình Thành phần độ sáng thành phần độ màu Ma trận Y có số hàng cột (ma trận vuông) Ma trận Cb Cr có số hàng cột nửa ma trận Y Cứ giá trị Y i có giá trị kết hợp Cb Cr (Vị trí giá trị Cb Cr tương đương) 1.5.4 Slice: Dãy Macroblock, thứ tự Macroblock bên Slice xác định từ trái qua phải, từ xuống Slice quan trong việc định lỗi Nếu dòng liệu (Bitstream) có chứa lỗi, giải mã bỏ qua tiếp tục Slice Nhiều slice dòng liệu cho phép che giấu lỗi tốt dùng để cải thiện chất lượng hình ảnh 1.5.5 Macroblock: Mpeg tách video thành chuỗi khối 8x8 để lượng tử hóa Bởi thành phần màu sắc có cấu trúc lấy mẫu 4:2:0, cặp khối màu sắc(đỏ va xanh) tương ứng với khối độ sáng khác Một tập gồm khối(4 khối độ sáng, khối chứa thông tin màu) với độ phân giải 16x16 gọi marcoblock Macroblock thành phần độc lập nhỏ video Nếu chiều rộng chiều cao video bội số 16, mã hóa thêm vào frame pixel có giá trị để mã hóa giải mã không hiển thị 1.5.6 Block: Tập hợp 8x8 pixel hàng cột , chứa thông tin thành phần độ sáng Y thành phần màu sắc Cr, Cb  MPEG- coi chuẩn multimedia toàn cầu hệ kế tiếp, cách mạng media số Nó thiết kế để truyền tải video với chất lượng DVD (MPEG-2) qua mạng Ứng dụng cho : mobile device , video conferencing, internet streaming Trong frame sử dụng không gian 4x4, 16x16 Độ xác vecto chuyển động ½, ¼, pixel Dự đoán liên ảnh : 16x16, 8x16, 16x8, 8x8, 4x4 MPEG-4 có cải tiến so với MPEG-2 số điểm sau đ}y: Chất lượng : MPEG-2 chuẩn kinh doanh v{ c|c đoạn video mà bạn xem DVD truyền hình kỹ thuật số mã hóa chuẩn MPEG-2 Chất lượng MPEG-2 hoàn hảo, định dạng dành cho ứng dụng đa phương tiện mạng Nó không tạo dòng video điện thoại cho ứng dụng broadcast Vì vậy, chất lượng video nén định dạng MPEG-2, xem trực tuyến, bị ảnh hưởng Mặt kh|c, c|c định dạng MPEG-4 đ~ phát triển cho ứng dụng đa phương tiện trực tuyến Internet Vì vậy, đoạn video mã hóa theo định dạng MPEG-4 cung cấp chất lượng hình ảnh âm tốt xem trực tuyến, thiết kế cho ứng dụng mạng đa phương tiện Với định dạng MPEG-4,chúng ta sử dụng video conferencing Chất lượng hình ảnh cải thiện đ|ng kể cách dùng tỷ lệ nén liệu lớn mà không cần thay đổi độ phân giải MPEG công cụ nén đơn lẻ m{ ưu điểm nén MPEG chỗ có tập hợp công cụ mã hóa chuẩn , chúng kết hợp với c|ch linh động để phục vụ cho loạt ứng dụng khác , khả truyền dẫn tốt môi trường khắc nhiệt Nén : Nén hình ảnh hay âm tất biện pháp nhằm trì chất lượng âm video, sử dụng kích thước nhớ thấp MPEG-4 nén cải tiến so với định dạng MPEG-2 Nếu file âm liệu phòng thu phim phát hành mà không nén, 20 DVD! Trong đó, sử dụng định dạng MPEG, phim chưa đĩa DVD nhất! Làm n{o để định dạng MPEG-2 đạt điều n{y? Nó đạt điều cách loại bỏ số phần dư thừa từ khung lặp lại khung phía sau Đó l{, c|c phận khung hình tĩnh lưu trữ lần! Chỉ có khác biệt khung hình lưu trữ sau Có nhiều thủ thuật khác tham gia làm giảm kích thước tập tin mã hóa Bằng cách file hình ảnh mã hóa theo định dạng MPEG-2 v{ kích thước tập tin video giảm thiểu đ|ng kể Vì vậy, bạn chạy môt file đ~ mã hóa, thiết bị chạy video bạn phải có giải mã MPEG-2 để trả lại khung hình gốc từ dạng nén Nén MPEG-4 phức tạp so với nén MPEG-2 thiết kế để đạt video chất lượng cao cho ứng dụng đa phương tiện với bit rate tương đối thấp Để đơn giản, nén MPEG-4 loại bỏ c|c bit dư thừa cách so sánh nhiều khung hình so với MPEG-2 thời điểm c|ch điều chỉnh bit rate cho phù hợp So với MPEG-2, MPEG-4 định dạng mã hóa linh hoạt nhiều Kích thước tập tin : So sánh file MPEG-2, file MPEG-4 chiếm nhớ Điều thuật toán nén MPEG-4 thiết kế để tạo file mà vận chuyển qua Internet, xem trực tiếp tảng mạng khác Bit rate : C|c file mã hóa định dạng MPEG-2 có khoảng bitrate từ đến MB/s, file MPEG-4 có bit rate thấp đ|ng kể (một v{i kb/s) Điều n{y l{ định dạng n{y thiết kế cho ứng dụng mạng Băng thông : Nếu bạn so s|nh băng thông MPEG-2 với MPEG-4, bạn tìm thấy khác biệt đ|ng kể chúng thiết kế định dạng cho tảng khác nhau.Trong MPEG-2 có băng thông lên đến 40 MB/s, MPEG-4 có băng thông khoảng 64 kbps Chúng ta tham khảo thêm bảng đ}y Hình Bảng so sánh MPEG MPEG Cả hai định dạng sử dụng ngày cho ứng dụng khác MPEG-2 sử dụng mã hóa DVD TV broadcast, tảng Internet videophone thuộc c|c định dạng MPEG-4 VI Ảnh hưởng phương pháp nén tới chất lượng video Các tiêu chuẩn nén đời nhằm mục đích trình b{y chi tiết thông tin hạn chế hay loại bỏ phần thông tin dư thừa tín hiệu, thành phần dư thừa cảm nhận mắt người, giảm tốc độ dòng video số, đưa dòng tín hiệu video đ~ nén khuôn dạng định sử dụng để sản xuất chương trình lưu trữ hay truyền dẫn Để thực đ|nh gi| hiệu chuẩn nén video ta sử dụng số yếu tố sau:  Tốc độ bit  Mức độ xác video  Mức độ phức tạp tính toán hay mức độ tiêu thụ tài nguyên cho trình nén giải mã video 6.1 Vai trò nén video Nén video l{ qu| trình thực tín hiệu đ~ số hóa tín hiệu sau trình số hóa để truyền tốc độ lớn kênh truyền thiết bị khó để đ|p ứng Chẳng hạn tín hiệu theo tiêu chuẩn truyền hình PAL số cần tốc độ 270Mb/s với tín hiệu 10 bit 216Mb/s với tín hiệu bit Với dòng liệu có tốc độ cao cần độ rộng băng truyền lớn Thành phần nén với kỹ thuật sử dụng chuẩn giúp giải vấn đề trên, c|c chuỗi ảnh video thân ảnh có nhiều phần tử giống nhau, bên cạnh l{ khả cảm thụ hệ thống mắt người, thành phần tín hiệu dư thừa loại bỏ mà không thông tin ảnh hay video 6.2 Một số phần tử dư thừa video Các chuẩn nén video thường dựa c|c đặc điểm sinh lý mắt người giới hạn để loại bỏ thành phần tín hiệu không cân thiết video Ta xét hai loại l{ độ dư thừa entropy tín hiệu video Về độ dư thừa video phân làm hai loại 6.2.1 Dư thừa thống kê Do hầu hết ảnh chứa số lượng lớn giá trị liệu thông tin giống Trong hầu hết hệ thống không nén, liệu giống lặp lại tạo th{nh c|c vùng ảnh v{ có dư thùa không gian dòng liệu Dư thừa liệu tồn vùng không gian rộng gọi dư thừa không gian (spatial redundancy) v{ dư thừa chuỗi ảnh gọi l{ dư thừa thoiaf gian (tempozal redundancy) Các hệ thống nén sử dụng yếu tố liệu giống không cần phải lặp lặp lại toàn phần giải mã Quá trình nhận dạng pixel có giá trị giống khung hay frame hay chuỗi khung hay frame gọi giải tương quan dư liệu (data decorrelation) Ví dụ phép biến đổi Cosin rời rạc (DCT) tập trung lượng khối (block) pixel số hệ số biến đổi thấp 6.2.2 Dư thừa cảm nhận sinh lý mắt người Các giá trị mẫu số hóa ảnh không ho{n to{n đồng với hệ thống cảm nhận mắt người Khi hệ thống cảm nhận ánh sang không nhìn thấy lỗi n{o đó, lỗi không ảnh hưởng tới trình tái tạo Nhờ cắt bớt hay loại bỏ số mẫu mà không làm ảnh hưởng đến khả cảm nhận ảnh trung thực người xem Thực nghiệm cho thấy ảnh truyền hình chứa nhiều thông tin loại bỏ 6.3 Những thành phần ảnh hưởng tới chất lượng nén chuẩn MPEG Trong hệ thống chuẩn nén có sử dụng c|c phương ph|p nén có mát thông tin không mát thông tin, nhiên ứng với phương ph|p chất lượng hay hiệu nén có thay đổi Nén không mát thông tin cho phép khôi phục lại tín hiệu ban đầu sau nén Đ}y l{ trình mã hóa có tính thuận nghịch Hệ số nén phụ vào chi tiết ảnh nén Hệ số nén sử dụng phương ph|p nén không mát thông tin nhỏ 2:1 C|c kỹ thuật nén không mát thông tin MPEG sử dụng gồm có:  Bộ m~ hóa sư dụng mã hóa với độ d{i thay đổi (VLC)  Biến đổi Cosin rời rạc (DCT)  Sử dụng khoảng xóa dòng Nén có mát thông tin sử dụng hai hay nhiều c|c kỹ thuật xử lý nhằm đạt biểu diễn mã hóa thuận lợi cho tín hiệu hình ảnh Nén có mát thông tin cho tỉ số nén cao nén không mát thông tin từ 2:1 tới 100:1 tùy thuộc vào mục đích sử dụng video sau nén khả đ|p ứng máy hệ thống sở Sauk hi nén số thông tin bị chất lượng ảnh bị suy hao trình làm tròn loại bỏ giá trị phạm vi khung hình hay khung hình Suy hao chất lượng ảnh không trầm trọng kỹ thuật nén nằm giới hạn cảm nhận người Hệ số nén thay đổi tùy thuộc vào chi tiết ảnh cho phép tạo dòng bit có tốc độ không đổi, phục vụ cho ứng dụng lưu trữ truyền dẫn Tốc độ dòng liệu đạt hệ thống nén có mát thông tin tùy thuộc vào chất lượng ảnh video cần lấy Những trình gây mát thông tin trình nén video gồm:  Lấy mẫu (Supsampling)  Điều chế mã vi phân (DPCM)  Lượng tử hóa mã hóa VLC hệ số DCT Để giải thích ảnh hưởng phương ph|p nén đến chất lượng nén, em xin trình bày thành phần phương ph|p ảnh hưởng tới chất lượng nén video 6.3.1 Nén ảnh Nén ảnh loại nén nhằm giảm bớt liệu dư thừa miền không gian Nén ảnh sử dụng hai trình nén có tổn hao nén không tổn hao để giảm bớt liệu ảnh Quá trình không xét tới ảnh trước ảnh sau ảnh xét Trong trình sử dụng phương ph|p biến đổi DCT Phương ph|p biến đổi tối ưu cho m~ chuyển vị l{ phương ph|p đạt bình phương lỗi trình xây dựng ảnh nhỏ nhất, phương ph|p chuyển đổi tối ưu l{ phương pháp KL, chuyển đổi thông qua ma trận chuyển đổi làm giảm trật tự tương quan trình xử lý ngẫu nhiên liên tiếp dạng đường chéo Nhưng KL thuật toán biến đổi nhanh tổng qu|t, áp dụng chung cho tất ứng dụng nén ảnh số Và DCT với ưu điểm không sai số nhỏ, bên cạnh l{ thuật toán linh hoạt đ~ áp dụng hệ thống xử lý ảnh c|c chuẩn nén MPEG  Tiền xử lý Trước tiến hành biến đổi DCT, cần thông qua trình tiền xử lý nhằm hạn chế thành phần không cần thiết Ảnh chia thành khối riêng biệt không chồng (macro block) Tùy theo cách lấy mẫu MB có thê có khối màu tín hiệu độ chói Us 2, khối màu cho tín hiệu màu (Cr, Cb) Trong khối có kích thước ma trận điểm ảnh 8*8 từ ảnh theo chiều từ trái sang phải Thao tác nên chia thành khối điểm ảnh 8*8 do: Hàm hiệp phương sai (Covariance) suy giảm nhanh khoảng cách từ pixel mà hiệp phương sai định nghĩa vượt qu| Do phương ph|p nén ảnh loại bỏ thông tin dư thừa không gian không quan tâm tới khôi 8*8 Do việc tính toán thiết kế mạch phức tạp, độ phức tạp chi phí thực tính toán tăng kich thước khối tăng lên  Qu| trình lượng tử hóa khối DCT Qu| trình n{y đóng vai trò quan trọng thiết kế hệ thống nén video ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng ảnh khôi phục lại tốt hay xấu Các mã biến đổi cho chất lượng hình ảnh người cảm nhận tốt hay xấu phụ thuộc vào thành phần tần số biến đổi chi tiết vùng miền không gian Phương ph|p lượng tử hóa thích hợp sử dụng trọng số lượng tử thu thông qua tần số: trọng số tần số, tham số chuyển động nhận biết tham số trạng th|i đệm Chức lượng tử hóa thực chia hệ số DCT cho hệ số lớn để tạo số có giá trị gần cho làm tròn bỏ qua trình mã hóa Các hệ số có lượng thấp đặc trưng cho biến đổi c|c điểm ảnh loại bỏ mà không ảnh hưởng đến chất lượng cảm thụ mắt người Lượng tử hóa trình làm thông tin đồng thời gây nên hiệu ứng giả Để cân thành phần chi phí tính to|n, độ xác, hiệu quả…cần phải cân nhắc xem xét Yếu tố cần tính đến khả cảm thụ mắt người đ~ tổng quát hóa mảng, c|c th{nh phần DC thành phần tần số chất lượng thấp thông số có ý nghĩa ảnh ban đầu Hệ số DC lượng tử hóa vơi độ xác cao nhằm tránh hiệu tượng nhiễu ảnh thành phần tín hiệu tần số cao lượng tử hóa với bit Do c|c hệ số chia bảng lượng tử có giá trị nhỏ với hệ số DC hệ số thành phần tần số thấp giá trị cao với thành phần tần số cao Vơi cấu trúc khối gồm điểm chói, chi tiết ảnh tập trung lượng cao tạo lượng hóa thô xuất lỗi lượng tử hóa lớn tượng nhiễu không mong muốn khối lại Để tránh tượng n{y, lượng chứa khối đ|nh gi| cách xem xét hệ số AC có ý nghĩa tất khối chia thành mức điều khiển lượng tử  Mã hóa Entropy Lượng tử hóa biểu diễn rời rạc liệu truyền Các giá trị từ mã giá trị truyền v{ tạo luồng bit liệu, qu| trình lượng tử hóa gán từ mã có mối quan hệ chặt chẽ, lượng tử hóa tuyến tính với bước nhảy hợp lý chọn riêng phần tử mã hóa mã hóa entropy phù hợp cho kết gần tối ưu Mã hóa entropy sử dụng đặc tính thống kê tín hiệu mã hóa Một tín hiệu, chứa lượng thông tin (entropy) tùy theo xác suất việc xuật giá trị, chẳng hạn từ mã xuất chứa nhiều thông tin từ mã xuất nhiều Bộ mã hóa entropy thực với độ dư thừa thống kê thành phần truyền Sự phân bố không thành phần ảnh gây dư thừa Sự phân bố c{ng không hiệu suất cao nhờ mã hóa entropy M~ hóa Huffman v{ RLC trường hợp n{y cho hiệu mã hóa cao Để mã hóa entropy hệ số lượng tử hoa C’(u, v) trước hết cần biến đổi mảng hai chiều hệ số thành mảng chiều quét theo hình Zigzag Kỹ thuật RLC cần sử dụng cho hệ số sau qu| trình lượng tử hóa không nên dùng trực tiếp với liệu ảnh Trong đó, RLC thực chất trình thay hệ số có giá trị số lượng chữ số xuất  Bộ nhớ đệm Các từ m~ VLC tạo có độ d{i thay đổi với dòng liệu biến đổi, phụ thuộc v{o độ phức tập ảnh mã hóa Số liệu ghi vào bô đệm, bit số liệu đọc từ đệm với tốc độ cố định theo mã hóa Bộ đệm cần điều khiển cho không xuất tượng tràn hay rỗng Qu| trình điều khiển đươc thực hệ số cân cho bảng trọng số Nếu đệm n{y đầy, qu| trình lượng tử hóa thực với số bit nhỏ tạo tốc độ bit nhỏ c|ch tăng hệ số cân lượng tử 6.3.2 Nén video theo thời gian Do video có chứa thông tin dư thừa miền thời gian Điều n{y có nghĩa, chuỗi ảnh, lượng thông tin chứa ảnh thay đổi từ ảnh sang ảnh kh|c Theo tính to|n vị trí nội dung ảnh phần quan trọng kỹ thuật nén khung ảnh liên tiếp Hai kỹ thuật hay sử dụng kỹ thuật xấp xỉ chuyển động bù chuyển động  Kỹ thuật dự đo|n bù chuyển động Trong mã bù chuyển động, frame dự đo|n từ frame trước cách xấp xỉ chuyển động hai frame dự báo frame l{ th{nh phần dư thừa chuyển động v{ ph}n dư thừa n{y mã hóa Như qu| trình x|c định thành phần động trình xấp xỉ chuyển động Quá trình khôi phục ảnh cách sử dụng ảnh trước với thông tin chuyển động gọi bù chuyển động Trong hệ thống mã hóa giải m~, trước tiên giải mã cần phải lưu ảnh trước tái tạo ảnh Sao mã hóa phải tái tạo ảnh sau mã hóa để dự đo|n giải mã thực n{o Điều cần thiết giải mã ảnh gốc n{o để tạo lại khối bù chuyển động Một phương ph|p dự đo|n để tìm chi tiết ảnh thay hai khung hình liền tạo vector chuyển động rõ vị trí chi tiết ảnh hình Sau vector chuyển động phối hợp khối nén khung hình trước nhằm tái tạo vị trí Phương ph|p n{y gọi dự đo|n bù chuyển động khung hình Các vector chuyển động mã hóa DCT khác cấu trúc khối cấu trúc khối tham chiếu truyền tạo phương ph|p có hiệu m~ hóa cao c|c khối thực trực tiếp DCT Kỹ thuật sử dụng để x|c định vector thay cách phối hợp khối Khối số liệu điểm ảnh n{y lựa chọn gọi khối tham chiếu, khung hình chuyển động phạm vi tìm kiếm để tìm khối thích hợp tương ứng với mức độ sai khác nhỏ nhất, thông tin vector chuyển động truyền tơi giải mã với khối hệ số DCT sai lệch Các khối phối hợp khối khung hình trước sử dụng th{nh phần dự đo|n giải mã DPCM, thành phần dự đo|n lấy từ đầu vào để tạo khung hình dự đo|n Sai lệch khối dự đo|n thuộc khung hình trước tạo khối dự đo|n chuyển động Vùng tìm kiếm x|c định xung quanh cấu trúc khối khung hình bao phủ toàn chuyển động hai khung hình Các tọa độ vùng tìm kiếm x|c định truyền khung hình trước để tìm vị trí sau khối cấu trúc Kích thước vùng tìm kiếm x|c định độ phức tạp trình phối hợp khối Trên vùng tìm kiếm có kích thước 16*16 điểm, có 16 vị trí khối theo chiều ngang phối hợp với 16 vị trí khối theo chiều đứng Để làm giảm trình tính toán chuyển động giảm độ phân giải ảnh xuống theo chiều ngang thẳng đứng Từ làm giảm số bit cần xử lý dự đo|n th{nh phần thay khung hình Ảnh có độ phân giải thấp sử dụng với vùng dự đo|n lớn Nhưng đối tượng chuyển động nhỏ bỏ qua giai đoạn dự đo|n chuyển động gần đúng, tạo vector chuyển động có sai số, trường hợp sử dụng khối nhỏ hơn, vùng thay có kích thước, sai số trình phối hợp trở nên lớn khối có mức xám song liên hệ chuyển động Điều dẫn tới việc xung đột trình tìm kiếm Với MPEG có sử dụng trình dự đo|n hai frame l{ frame B v{ frame P  Frame dự đo|n trước (frame P) Phương ph|p m~ hóa ảnh dự đo|n sử dụng xác suất ảnh liên tục chuỗi ảnh Nhờ xác suất ảnh chuỗi ảnh nhận biết giống sở thông tin có từ ảnh trước Như ảnh dự đo|n trước frame dự đo|n theo hướng thuận Phương ph|p n{y phù hợp chuỗi ảnh sử dụng hoàn toàn ảnh tĩnh Trong trường hợp cần ảnh tĩnh l{ đủ thông tin ảnh không khác nhiều so với ảnh trước Khi xuất thêm vật thể chuyển động ảnh cần phải phát vật thể biểu diễn đặc trưng thay đổi vị trí Bằng c|ch n{y v{ sở phân tích ảnh trước, dự đo|n gần nội dung ảnh xét Nếu ảnh xét kh|c với ảnh dự đo|n cần phải truyền thêm thông tin khác ảnh nói Nếu tất vật thể chuyển động phát hiện, dự đo|n ảnh gần với ảnh thực cần truyền lượng nhỏ thông tin Tuy nhiên vật thể có nhiều loại, cần xây dựng phương ph|p để phát xếp loại chúng c|ch đơn giản Khi vị trí block biểu diễn vector biểu diễn dịch chuyển block so với vị trí MB ảnh dự báo trước, vector biểu diễn phối hợp MB gọi vector chuyển động Tuy nhiên chuyển động vùng tìm kiếm thực dự đo|n bù chuyển động từ khung hình trước Một khối điểm ảnh cho trước khung hình nằm vùng tìm kiếm không phối hợp khung hình trước, khối điểm ảnh mã hóa phương pháp nén ảnh  Ảnh dự đo|n hai chiều (frame B) Dự đo|n hai chiều theo thời gian hay gọi nôi suy chuyển động sử dụng thông tin khung hình trước khung hình tham chiếu xuất sau khung hình giảm mức độ nhiễu khung hình Tuy nhiên dự đo|n ngược thực khung tham chiếu xuất sau truyền trước khung hình B Sự kh|c hai mạch, mạch tạo ảnh dự đo|n trước mạch tạo ảnh dự đo|n hai chiều, nhớ ảnh để so s|nh Để tạo ảnh dự đo|n ta cần nhớ ảnh trước Để tạo ảnh dự đo|n hai chiều ta cần nhớ hai ảnh: ảnh trước ảnh sau ảnh xét Có thể coi ảnh dự đo|n hai chiều kết nội suy hai ảnh để x|c định chuẩn Vì để tạo ảnh dự đo|n hai chiều, giải mã phải xác định nội dung hai ảnh x|c định chuẩn nó, nên l{m thay đổi thứ tự truyền ảnh Bộ giải mã cần phải truyền hai ảnh sau truyền ảnh dự đo|n Kết trình là:  Bộ mã hóa giải mã phải đ|nh số lại frame dẫn tới tăng công việc xử lý  Bộ mã hóa giải mã phải dùng nhớ lớn phục vụ cho việc lưu trữ ảnh VII Ứng dụng chuẩn MPEG Phần tập trung phân tích ứng dụng MPEG truyền hình Một số đặc điểm so sánh MPEG1 MPEG2 Trước hết, ta xét lại số đặc điểm so sánh mpeg1 mpeg2: MPEG -1 tiêu chuẩn nén ảnh động có kích thước 320x240 tốc độ 11,5Mbit/s Trong đó, MPEG2 mã hóa video với tốc độ khoảng 2-15Mb/s, cung cấp nhiều độ phân giải khác cho video.MPEG -2 hỗ trợ kiểu quét video quét quét xen kẽ MPEG hỗ trợ kiểu quét Chế độ đ|nh gi| chuyển động MPEG xác tới ½ pixel, MPEG l{ full pixel Điều cho phép MPEG nén video tốt , chất lượng đầu tốt Quét xen kẽ vs quét Một đặc điểm quan trọng truyền hình tương tự l{ băng thông (đo MHz) Băng thông c{ng rộng độ phức tạp giá thành sản xuất toàn chương trình v{ truyền thông cao (bao gồm quay phim, hệ thống lưu trữ, tiếp nhận truyền sóng, hiển thị) Với giá trị số dòng tỉ lệ làm (refresh) (tỉ lệ khung hình) cho trước, kĩ thuật quét cách dòng làm giảm băng thông tín hiệu xuống lần Trong quét làm điều Với giá trị băng thông, quét c|ch dòng tạo tín hiệu video với tỉ lệ khung hình lớn lần (cùng số dòng quét, so với kĩ thuật quét tuần tự) Tỉ lệ khung hình lớn chuyển động c{ng thể giống thật, c|c đối tượng chuyển động chụp lại cập nhật vị trí hình thường xuyên V{ đối tượng tĩnh nhiều kết hợp thông tin từ nửa frame mang lại kết cảm nhận tương tự kỹ thuật quét thông thường Với băng thông cố định tốc độ khung hình cao, quét c|ch dòng xem cung cấp video có độ phân giải cao Ví dụ, video có độ phân giải 1920*1080 pixel quét cách dòng có tốc độ thể khung hình (trường) 60Hz có băng thông với video 1280*720 pixel quét với tốc độ khung hình 60Hz Với video chuyển động, tỉ lệ so s|nh độ phân giải gấp đôi Một đặc điểm ta xét đến cách thức truyền thông v{ môi trường truyền dẫn truyền hình Không xét đến dịch vụ truyền hình cáp ngày truyền hình truyền hình số truyền hình tương tự sử dụng dạng sóng để truyền thông tin đi, v{ môi trường truyền sóng không khí Do đặc điểm dạng tín hiệu v{ môi trường vậy, nên tín hiệu truyền hình luôn chịu ảnh hưởng nhiều từ môi trường, l{ nhiễu, sai số, m|t thông tin Kĩ thuật quét cách dòng làm giảm thiểu ảnh hưởng môi trường lên video L{m tăng tỉ lệ khung hình video lên lần, quét c|ch dòng l{m tăng số frame video lên lần so với quét Điều có nghĩa l{ với ảnh hưởng môi trường, số lượng frame bị ảnh hưởng kiểu quét l{ kỹ thuật quét cách dòng có tỉ lệ frame bị ảnh hưởng Ví dụ giây, video bị nhiễu làm frame bị ảnh hưởng Nếu video áp dụng kĩ thuật quét cách dòng, tỉ lệ bị ảnh hưởng 2/60 = 1/30 (giả sử quét cách dòng với tỉ lệ khung hình 60 frame/s) Trong quét lại có tỉ lệ bị ảnh hưởng 2/30 = 1/15, cao gấp lần so với quét cách dòng Thêm v{o đó, số lượng frame đơn vị thời gian nhiều hơn, nên trường hợp bị m|t thông tin, video quét c|ch dòng không bị ảnh hưởng nhiều Một video theo kĩ thuật quét cách dòng dù có bị 3-4 frame lại số frame đủ để làm cho hình ảnh không bị gi|n đoạn, sai lệch Hơn nữa, xem TV, ta xem lần, xem xem lại, khả phát sai sót video truyền hình nhỏ Độ phân giải MPEG1 áp dụng cho mã hóa video dùng truyền thông mạng MPEG1 có tỉ lệ nén video cao nhiều so với MPEG2, độ phân giải video lại Chính thế, ta sử dụng MPEG1 để nén video dùng mạng internet Đó l{ internet đòi hỏi dung lượng truyền nhỏ, thông thường c|c video internet độ phân giải cao v{ phụ thuộc vào máy tính hiển thị Trong đó, MPEG2 sử dụng truyền hình, thường không bị giới hạn nhiều dung lượng truyền dẫn MPEG2 cung cấp c|c độ phân giải khác cho video với mục đích hiển thị khác TÀI LIỆU THAM KHẢO MPEG-1 AND MPEG-2 Video Standards - Supavadee Aramvith and MingTing Sun Digital video: An introduction to MPEG – Barry G Haskell, Atul puri, Arun N Netravali The MPEG handbook – John Watkinson http://en.wikipedia.org/wiki/Moving_Picture_Experts_Group [...]... thích ảnh hưởng của phương ph|p nén đến chất lượng nén, em xin trình bày những thành phần trong phương ph|p ảnh hưởng tới chất lượng nén của video 6.3.1 Nén trong ảnh Nén trong ảnh là loại nén nhằm giảm bớt dữ liệu dư thừa trong miền không gian Nén trong ảnh sử dụng cả hai quá trình nén có tổn hao và nén không tổn hao để giảm bớt dữ liệu trong một ảnh Quá trình này không xét tới ảnh trước và ảnh sau ảnh. .. lưu trữ ảnh VII Ứng dụng chuẩn MPEG Phần này tập trung phân tích ứng dụng của MPEG 2 trong truyền hình Một số đặc điểm so sánh MPEG1 và MPEG2 Trước hết, ta sẽ xét lại một số đặc điểm so sánh giữa mpeg1 và mpeg2 : MPEG -1 là tiêu chuẩn nén ảnh động có kích thước 320x240 và tốc độ 11,5Mbit/s Trong khi đó, MPEG2 mã hóa video với tốc độ khoảng 2-15Mb/s, cung cấp nhiều độ phân giải khác nhau cho video. MPEG. ..  Chế độ đ|nh gi| chuyển động trong MPEG 2 chính xác tới ½ pixel, trong khi đó MPEG 1 chỉ l{ full pixel Điều này cho phép MPEG 2 nén video tốt hơn , chất lượng đầu ra tốt hơn  MPEG -2 hỗ trợ 2 kiểu quét video là quét tuần tự và quét xen kẽ trong khi MPEG 1 chỉ hỗ trợ kiểu quét tuần tự 5.2 MPEG 2 và MPEG 4 MPEG- 4 ra đời với sự phát triển vượt bậc , là chuẩn nén video yêu cầu các yếu tố tổng hơp thoại... này, khối điểm ảnh sau DCT được quét zig-zag và áp dụng m~ hóa RLC để tăng hiệu quả nén Ví dụ cho khối điểm ảnh sau: Như vậy, từ 64 hệ số, giờ ta chỉ cần truyền đi 15 số và một mã kết thúc khối (EOB) Rõ ràng số lượng mã cần truyền đi trong trường hợp n{y đ~ giảm đi rất nhiều II Chuẩn MPEG 1 2.1 Giới thiệu chuẩn MPEG 1 MPEG- 1 là thế hệ đầu tiên của các chuẩn MPEG MPEG-1 có thể nén tín hiêu video tới 1.5... phần ảnh hưởng tới chất lượng nén trong chuẩn MPEG Trong các hệ thống chuẩn nén có sử dụng c|c phương ph|p nén có mất mát thông tin và không mất mát thông tin, tuy nhiên ứng với mỗi phương ph|p thì chất lượng hay hiệu quả nén có sự thay đổi Nén không mất mát thông tin cho phép khôi phục lại đúng tín hiệu ban đầu sau khi nén Đ}y l{ một quá trình mã hóa có tính thuận nghịch Hệ số nén phụ vào chi tiết ảnh. .. phát triển các chuẩn MPEG 5.1 MPEG 1 và MPEG 2 MPEG- 1 là tiêu chuẩn nén ảnh động có kích thước 320x240 và tốc độ 11,5Mbit/s dung cho ghi hình trên bang từ v{ đĩa quang (CD), đồng thời truyền dẫn trong các mạng , như mạng máy tính Tuy nhiên chất lượng của nó hơi kém so với và kém xa chất lượng ti vi chuẩn MPEG- 1 được sử dụng cho dịch vụ như ph|t thanh số (DAB) .MPEG- 1 l{ định dạng cơ bản của chuẩn MP3 và... tiếp theo Tuy nhiên dự đo|n ngược chỉ thực hiện được khi khung tham chiếu xuất hiện sau được truyền đi trước khung hình hiện tại B Sự kh|c nhau cơ bản giữa hai mạch, mạch tạo ảnh dự đo|n trước và mạch tạo ảnh dự đo|n hai chiều, là nhớ ảnh để so s|nh Để tạo ảnh dự đo|n ta chỉ cần nhớ ảnh trước đó Để tạo ảnh dự đo|n hai chiều ta cần nhớ cả hai ảnh: ảnh trước và ảnh sau của ảnh đang xét Có thể coi ảnh. .. khi mã hóa Bằng cách này các file hình ảnh được mã hóa theo định dạng MPEG- 2 v{ kích thước của các tập tin video được giảm thiểu đ|ng kể Vì vậy, khi bạn chạy môt file đ~ được mã hóa, thiết bị chạy video của bạn phải có bộ giải mã MPEG- 2 để trả lại các khung hình gốc từ các dạng nén Nén MPEG- 4 là khá phức tạp so với nén MPEG- 2 khi nó được thiết kế để đạt được các video chất lượng cao cho các ứng dụng... tạo để tái tạo hình ảnh  MPEG- 4 tạo ra một bước ngoặt mới cho truyền thông video Trước đó chỉ có thể xem phim với c|c định dạng rút gọn như Real, Quick Time….Với kĩ thuật nén MPEG -4 , người ta có thể xem phim chất lượng cao trên Internet , đặc biệt là qua các giao thức băng rộng Wireless,vệ tinh, ADSL…  MPEG -4 là chuẩn thuật to|n đồ họa và video dựa trên hai chuẩn MPEG- 1 , MPEG- 2 và công nghệ... Internet MPEG- 2: là thế hệ cho TV số , phát triển dựa trên MPEG -1,về sơ đồ nén cơ bản giống với MPEG- 1 nhưng có sự tiến bộ về tốc độ và một số đặc điểm hơn MPEG- 1 như sau :  Mã hóa video với tốc độ khoảng 2-15Mb/s .MPEG- 2 được dùng trong truyền hình kỹ thuật số  MPEG- 2 cho video có độ phân giải 720x480 và 1280x720 pixel với tốc độ 60fps v{ }m thanh đạt chất lượng AudioCD Chuẩn này có thể nén được ... II Chuẩn MPEG 2.1 Giới thiệu chuẩn MPEG MPEG-1 hệ chuẩn MPEG MPEG-1 nén tín hiêu video tới 1.5 Mbps âm lập thể (stereo audio) với tốc độ 192 bps Nó dùng để lưu trữ video âm CD-ROM 2.2 Sơ đồ nén. .. V So sánh phát triển chuẩn MPEG 17 5.1 MPEG MPEG 17 5.2 MPEG MPEG 19 VI Ảnh hưởng phương pháp nén tới chất lượng video 22 6.1 Vai trò nén video 23 6.2... động MPEG xác tới ½ pixel, MPEG l{ full pixel Điều cho phép MPEG nén video tốt , chất lượng đầu tốt  MPEG -2 hỗ trợ kiểu quét video quét quét xen kẽ MPEG hỗ trợ kiểu quét 5.2 MPEG MPEG MPEG- 4