NGHIÊN cứu ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG của CHUẨN nén HEVCH 265 SO với MPEG 4 h 264AVC

Đồ án tốt nghiệp đại học LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần đây, với tiến khoa học kĩ thuật, phát triển mạnh mẽ công nghệ truyền thông nhu cầu trao đổi dịch vụ đa phương tiện mạng thông tin lớn, yêu cầu đòi hỏi người chất lượng dịch vụ ngày cao, đặc biệt với dịch vụ âm hình ảnh Vì vấn đề xử lý video cho có hiệu cao, đảm bảo tiết kiệm băng thông truyền dẫn, giảm bớt không gian lưu trữ để truyền tín hiệu cách dễ dàng, nhanh chóng mà đảm bảo chất lượng trở nên vô cấp thiết Sau thời gian học tập nghiên cứu trường, dạy dỗ, bảo tận tình thầy cô giáo khoa Viễn Thông - Học Viện Công Nghệ Bưu Viên Thông em kết thúc khóa học tích lũy cho vốn kiến thức định Được đồng ý nhà trường thầy cô giáo khoa em giao đề tài đồ án tốt nghiệp: “Nghiên cứu đánh giá hiệu chuẩn nén HEVC/H.265 so với MPEG-4 H.264/AVC” Đồ án giới thiệu kiến thức nén video vào số công nghệ nén video tiên tiến sử dụng nghiên cứu MPEG-4 H.264/AVC, HEVC/H.265 đặc biệt trọng đến việc so sánh đánh giá hiệu mã hóa hiệu chuẩn nén HEVC/H.265 so với chuẩn nén trước Cấu trúc đồ án tốt nghiệp trình bày theo chương: • Chương 1: Cơ sở nén video • Chương 2: Tìm hiểu hai chuẩn nén tiên tiến MPEG-4 H.264/AVC HEVC/H.265 • Chương 3: Đánh giá hiệu chuẩn nén HEVC/H.265 so với MPEG-4 H.264/AVC Bằng nỗ lực cố gắng thân giúp đỡ tận tình thầy cô khoa đặc biệt cô giáo ThS Lê Thanh Thủy em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Do thời gian làm đồ án có hạn với vốn kiến thức hạn chế nên không tránh khỏi nhiều thiếu sót Em mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô bạn sinh viên để đồ án tốt nghiệp hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn cô giáo Lê Thanh Thủy thầy cô khoa Viễn Thông - Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông dạy dỗ tạo điều kiện giúp đỡ cho em suốt thời gian em học tập trường Hà Nội, tháng 11 năm 2014 Sinh viên thực Nguyễn Văn Dân SVTH: Nguyễn Văn Dân – D10VT1 Đồ án tốt nghiệp Đại học MỤC LỤC SVTH: Nguyễn Văn Dân – D10VT1 Đồ án tốt nghiệp Đại học DANH MỤC HÌNH VẼ SVTH: Nguyễn Văn Dân – D10VT1 Đồ án tốt nghiệp Đại học DANH MỤC BẢNG BIỂU SVTH: Nguyễn Văn Dân – D10VT1 Đồ án tốt nghiệp Đại học TỪ NGỮ VIẾT TẮT, KÍ HIỆU A AMP Asymmetric motion partition - Đa xử lý không đối xứng 20, 40 AMVP Advanced MV prediction – Dự đoán vecto chuyển động nâng cao 18, 30 C CABAC Context-adaptive binary arithmetic coding - Mã hóa sô học nhị phân thích nghi nội dung 12, 18, 22, 23 CAVLC Context-adaptive Variable Length Coding – Mã hóa độ dài thay đổi thích ứng bối cảnh 12, 18 CPB Current picture buffer - Bộ đệm hình ảnh 21 CTU Coding tree Unit - Đơn vị mã hóa 16, 18 CU Coding Unit - Đơn vị mã hóa iv, 15, 19, 20, 21, 22, 23, 30 D DCT Discrete Cosine Transform - Biến đổi Cosin rời rạc 5, 6, 12, 14, 18, 22 DF Deblocking filter - Bộ lọc tách khối 18, 22, 23 DPB Decoded picture buffer - Bộ đệm giải mã hình ảnh 21 DSIS Double stimulus impairment scale 39 DST Discrete Sine Transform - Biến đổi sin rời rạc 18, 21 E ED Entropy decoder - Giải mã Entropy 22, 34, 35, 36 EPZS Enhanced predictive zonal search - Tìm kiếm khu vực dự đoán nâng cao 22, 32 F FME fractional ME .21, 22, 23, 32, 33, 34, 35 G GOP Group Of Pictures – Nhóm ảnh 23 H HDTV High Definition Television - Truyền hình phân giải cao 15, 42 SVTH: Nguyễn Văn Dân – D10VT1 Đồ án tốt nghiệp Đại học HEVC High Efficiency Video Coding - Mã hóa video hiệu suất cao i, ii, iii, iv, v, 11, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 30, 36, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44 I IDCT Inverse Discrete Cosine Transform - Biến đổi ngược Cosine rời rạc 14 Idxs Reference picture/prediction direction indices - Hình ảnh tham khảo/ tham số hướng dự đoán 20, 21, 22 IME integer ME 21, 22, 23, 32, 33, 34, 35 IP Inter Prediction - Dự đoán ảnh 21, 22, 32, 33, 34, 35, 36 IQ Inverse quantization - Giải lượng tử 22, 32, 33, 34, 35, 36 ISO International Organization for Standardization – Tổ chức chuẩn quốc tế 11, 15 IT Inverse transform - Biến đổi ngược 22, 32, 33, 34, 35, 36 L LF Loop filtering - Bộ lọc vòng 22, 32, 34, 35, 36 M MB Macroblock - Đa khối .13, 18, 19, 27 MC Motion Compensation - Bù chuyển động 21, 22, 34, 35, 36 Mcpf Million cycles per frame - Triệu chu kỳ khung 33, 34, 36 ME Motion estimation - Dự đoán chuyển động 21, 39 Misc Miscellaneous - nhóm đa dạng .32, 33, 34, 35 MOS Mean Opinion Score - Số điểm đánh giá trung bình 19, 40, 41 MPEG Moving Picture Experts Group – Nhóm chuyên gia ảnh động i, ii, iii, iv, v, 11, 12, 13, 14, 15, 18, 19, 38, 39, 40, 41, 42, 44 MSE Mean Square Error - Sai số bình phương trung bình MV Motion vectors - Vecto chuyển động .17, 20, 21, 22 N NAL Network Abstraction Layer - Lớp trừu tượng mạng 12, 14 SVTH: Nguyễn Văn Dân – D10VT1 Đồ án tốt nghiệp Đại học P PSNR Peak to signal to noise ratio - Tỉ số tín hiệu nhiễu đỉnh 9, 19, 25, 42 PU Prediction units - Đơn vị dự đoán 15, 20, 21, 22, 23, 30 Q QP Quantization Parameter - Thông số lượng tử v, 23, 25, 27, 28, 30, 32, 33, 34, 36, 38, 40 R RD rate-distortion - Tốc độ - Độ méo iii, 19, 24, 25, 26, 27 S SAD Sum of Absolute Differences - Tổng chênh lệch tuyệt đối .22, 23, 32, 35 SAE Sum of Absolute Errors - Tổng sai số tuyệt đối 10 SAO sample-adaptive offset - Bù thích ứng mẫu iv, 16, 18, 22, 23 SATD Sum of Absolute Transformed Differences - Tổng chênh lệch biến đổi tuyệt đối 22, 23, 32, 35 T TCOEFF Transform domain coefficients - Hệ số chuyển đổi 21, 22 TU Transform unit - Đơn vị chuyển đổi 16, 21, 22, 23, 30 U UHDTV Ultra high-definition television - Truyền hình độ nét siêu cao 42, 43 SVTH: Nguyễn Văn Dân – D10VT1 Đồ án tốt nghiệp Đại họcCHƯƠNG 1: CƠ SỞ NÉN TÍN HIỆU VIDEO CHƯƠNG 1: CƠ SỞ NÉN TÍN HIỆU VIDEO 1.1 Sự cần thiết 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 Vì để tiết kiệm không gian lưu trữ băng thông kênh truyền ta cần nén tín hiệu Quá trình nén ảnh thực thông tin ảnh có tổ chức, có trật tự, xem xét kỹ cấu trúc ảnh ta phát loại bỏ thông tin dư thừa, lại thông tin quan trọng nhằm giảm số lượng bit lưu trữ truyền mà đảm bảo tính trung thực, thẩm mỹ ảnh Tại phía thu, giải mã tổ chức, xếp lại ảnh gần xác so với ảnh gốc đảm bảo thông tin cần thiết Tín hiệu video thường chứa lượng lớn thông tin dư thừa, chúng thường chia thành loại: + Sự dư thừa thông tin thời gian: điểm ảnh khung video chuỗi ảnh video, gọi thừa động khung + Sự dư thừa thông tin không gian: điểm ảnh lân cận phạm vi ảnh hay khung video, gọi thừa tĩnh bên khung + Sự dư thừa thông tin phổ: mẫu liệu thu từ cảm biến thiết bị camera, máy quay… + Sự dư thừa thống kê: thân ký hiệu xuất dòng bit với xác suất xuất không + Sự 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 đem lại: + Tiết kiệm băng thông kênh truyền (trong 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 không làm tính trung thực hình ảnh Có nhiều phương pháp nén tín hiệu, phương pháp nén cách số hóa tín hiệu tỏ hữu hiệu nhất, mặt làm giảm lượng thông tin không quan trọng cách đáng kể, mặt khác hữu ích việc bảo mật tín hiệu 1.2 Quá trình số hóa tín hiệu Quá trình số hóa tín hiệu tương tự, bao gồm trình lọc trước (prefiltering), lấy mẫu, lượng tử mã hóa minh họa Hình 1.1 Quá trình lọc trước nhằm loại bỏ tần số không cần thiết tín hiệu nhiễu, lọc gọi lọc chống nhiễu xuyên kênh Aliasing Đồ án tốt nghiệp Đại họcCHƯƠNG 1: CƠ SỞ NÉN TÍN HIỆU VIDEO 1.2.1 Lấy mẫu Lấy mẫu trình chuyển đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu rời rạc 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 thỏa mãn định lý Nyquist-Shannon : [1] f s ≥ f max Trong đó: (1.1) + fs tần số lấy mẫu + fmax tần số cực đại phổ tín hiệu tương tự 1.2.2 Lượng tử hóa Quá trình lượng tử trình chuyển xung lấy mẫu thành xung có biên độ mức lượng tử gần hay nói cách khác lượng tử chuyển đổi mức biên độ tín hiệu lấy mẫu sang giá trị hữu hạn mức nhị phân Lượng tử hóa biến đổi tín hiệu liên tục theo thời gian thành tín hiệu có biên độ rời rạc, nhằm làm giảm ảnh hưởng tạp âm hệ thống, hạn chế mức cho phép tín hiệu lấy mẫu chuẩn bị truyền tín hiệu gốc từ tương tự sang số Giá trị thập phân mẫu sau lượng tử hóa biểu diễn dạng số nhị phân n bit (N= 2n), với n độ phân giải lượng tử hóa, n lớn độ chia mịn, độ xác cao Do có làm tròn mức nên tín hiệu bị méo dạng sai số lượng tử gọi méo lượng tử, tỷ số tín hiệu méo lượng tử (S/N) xác định công thức : S = 6,02n + 1, 76(dB) N (1.2) Đồ án tốt nghiệp Đại họcCHƯƠNG 1: CƠ SỞ NÉN TÍN HIỆU VIDEO Hình 1.2.1.1.1.1.1.1: Sơ đồ trình tạo tín hiệu số Lượng tử hóa có hai loại: + Lượng tử tuyến tính: phép nén tín hiệu theo quy luật đường cong đồng đều, bước lượng tử + Lượng tử phi tuyến: phép nén tín hiệu theo quy luật đường cong không đồng đều, tập trung nhiều mức lượng tử vùng tín hiệu nhỏ Trong kỹ thuật nén ảnh, nén video loại lượng tử phi tuyến dùng nhiều giảm dung lượng đến mức tối đa với độ méo lượng tử chấp nhận 1.2.3 Mã hóa Là trình thay mức điện áp cố định sau lượng tử dãy nhị phân gọi từ mã Tất từ mã chứa số xung nhị phân cố định truyền khoảng thời gian hai thời điểm lấy mẫu cạnh Bộ mã sử dụng để tái tạo xung nhị phân từ mã từ giá trị lượng tử xuất đầu lượng tử hóa 1.3 Tốc độ bit thông lượng kênh truyền tín hiệu số 1.3.1 Tốc độ bít Tốc độ bit số lượng bit truyền hay lưu trữ đơn vị thời gian Nó tính theo công thức : [1] Đồ án tốt nghiệp Đại học CHƯƠNG 3: HIỆU NĂNG CỦA HEVC/H265 SO VỚI MPEG4 H264/AVC 3.1.3 Phân tích phức tạp mã hóa a Phân tích phức tạp mã hóa HM MP Các giai đoạn phức tạp mã hóa IME, FME/MD, IP, T/Q/IQ/IT EC (xem Bảng 3.8) Phân bố hệ điều hành SATD đoạn FME MD đòi hỏi điểu chỉnh mã hóa nguồn HM, kết hợp với giai đoạn Tiền xử lý, ghi hậu xử lý không thuộc trực tiếp giai đoạn mã hóa nào, mà phân bố đến nhóm đa dạng (Misc) Ngoài ra, nhóm Misc bao gồm giai đoạn mã hóa có liên quan (ví dụ LF) chiếm khoảng 1% tổng thời gian mã hóa Bảng 3.10 kết tổng hợp giai đoạn mã hóa Điều kiện AI có phức tạp thấp vận hành mà dự đoán liên ảnh (IME FME) Trong điều kiện RA, LB LP, có mặt dự đoán liên ảnh làm tăng tính phức tạp tương ứng lên 3.6, 5.3, 3.4 lần so với điều kiện AI Các giai đoạn IME, FME MD chiếm khoảng 2/3 tổng thời gian mã hóa trường hợp RA LP Trong trường hợp LB thời gian giai đoạn chiếm 3/4 tổng thời gian mã hóa Do đó, việc tăng tốc độ trình ưu tiên Đặc biệt, tham số IME có ảnh hưởng lớn đến phức tạp mã hóa tổng thể Ví dụ, thay thật toán EPZS thuật toán tìm kiếm đầy đủ biến IME thành giai đoạn phức tạp Giá trị QP có tầm ảnh hưởng lên thời gian mã hóa Tăng giá trị QP từ 22 tới 27 làm giảm thời gian mã hóa trung bình khoảng 15% Khi QP tăng từ 27 đến 32 từ 32 lên 37, thời gian mã hóa giảm 10% 8% Như vậy, thời gian trung bình giảm khoảng 29% thay đổi giá trị QP từ 22 đến 37 Vai trò quan trọng trình IME, FME MD việc mã hóa giúp xác định hàm nội chúng cách xác Những hàm phức tạp giai đoạn IPOL giai đoạn FME, tính toán SATD giai đoạn FME/MD, tính toán SAD giai đoạn IME Các giá trị phức tạp trung bình cấu hình AI, RA, LB LP thể Bảng 3.11 Những hàm chiếm phần lớn phức tạp mã hóa (57-68%) Trung bình, IPOL SATD chiếm 95% phức tạp FME/MD, tính toán SAD chiếm khoảng 65% phức tạp IME % % SVTH: Nguyễn Văn Dân – D10VT1 % % % Mcpf % % % % % % Mcpf % % 39 % IP/T/IQ/IT TP FME / MD IME Total Misc LB EC IP/T/IQ/IT TP FME / MD IME Total EC TP % RA Misc QP IP/T/IQ/IT Quá trình FME / MD Formar t IME AI % % Đồ án tốt nghiệp Đại học 1600p Max (Peopleonstree t) Min (Trafic) Max (BasketballDrive) 1080p Min (ParkScene) Max (KristenAndSara) 720p Min (Johnny) Max (RaceHorses) WVGA Min (BQMall) Max (RaceHorses) WQVGA Min CHƯƠNG 3: HIỆU NĂNG CỦA HEVC/H265 SO VỚI MPEG4 H264/AVC 22 27 32 37 22 27 32 37 22 27 32 37 22 1 1 27 32 37 22 27 32 37 22 27 32 37 22 1 1 1 2 1 1 27 32 37 22 1 27 32 37 22 1 27 32 37 22 SVTH: Nguyễn Văn Dân – D10VT1 2 2 2 8 9 9 1 2 2 2 4 4 4 4 4 3 3 4 7 4 8 1 1 1 1 1 9 8 1 8 1 7 7 9 5 7 11548 98975 4 5 9 6 6 - 25963 2 2 3 6 2 2 3 - 1 1 8 1 1 1 1 1 2 8 8 1 9 - - - - 42776 36711 33032 30650 31036 27264 25503 24558 28123 24304 22435 21078 23022 20378 19045 18263 - 22952 - - - - - - - 21660 - - - - - - - 20347 - - - - - - - 25558 - - - - - - - 22713 - - - - - - - 21152 - - - - - - - 20047 - - - - - - - 15042 2 2 5 8 4 5 5 6 4 5 2 1 1 1 7 63238 54141 47416 43266 47424 42263 39333 37634 2 8 14812 12825 11158 10093 12633 87121 78767 11350 96657 85567 77447 70492 58456 49659 48597 78413 62100 56387 48094 12915 11308 10111 14383 12200 11072 9983 3859 3550 2900 2491 4320 1 1 1 2 1 1 2 1 4 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 7 7 6 5 5 5 9 2 4 4 5 6 6 6 6 4 5 5 6 4 5 1 1 1 1 1 6 1 1 2 1 9 2 40 1 1 1 2 2 2 3 Đồ án tốt nghiệp Đại học CHƯƠNG 3: HIỆU NĂNG CỦA HEVC/H265 SO VỚI MPEG4 H264/AVC (BQSquare) 27 32 37 9 2 4 1 1 3759 6 7 1 1 3235 2840 1 10317 9411 9037 3 6 7 1 Phân bố tỷ lệ độ phức tạp giai đoạn mã hóa HM MP trường hợp tốt xấu 22 1600p Max (Peopleonstreet ) 27 32 37 22 Min (Trafic) 27 32 37 Max (BQTerrace) 22 27 1080p 32 37 Min (Cactus) 22 Min (Johnny) Max (PartyScene) 37 22 32 1 37 22 27 32 37 22 1 27 WVGA 1 32 27 720p 1 27 Max ((FourPeople) % 32 37 % 2 2 2 2 8 2 2 3 SVTH: Nguyễn Văn Dân – D10VT1 % 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 % 7 6 1 5 6 3 4 1 % 2 3 2 2 2 2 2 Mcpf 1824 % % 1550 % 1363 5 1209 1825 6 1497 1278 1103 1170 834 687 595 1003 750 634 549 356 - - 310 - 275 LF IP/T/IQ/IT TP FME / MD IME Total Misc LF LB IP/T/IQ/IT TP FME / MD IME LF MC TP % 2 9 6 2 2 7 7 5 2 Total QP RA Misc Quá trình IQ/IT ED AI Formar t % 2 2 2 2 1 1 6 - % 27 Mcpf 1196 % - % - % - % - % - 25 971 - - - - - 23 840 - - - - - 21 751 - - - - - 23 841 - - - - - 21 680 - - - - - 20 593 - - - - - 20 533 - - - - - 24 642 19 383 4 17 326 17 312 25 449 24 315 23 271 23 249 - - - - - - - - 3 - - - - - - - 245 - - - - - - - 289 - - - - - - - 254 - - - - - - - 232 - - - - - - - 215 - - - - - - - 301 12 94 121 94 197 79 79 1 161 3 5 242 80 70 6 4 3 4 3 4 4 5 1 1 - % 3 4 5 6 4 - 9 6 3 4 3 4 1 1 41 4 4 6 6 3 1 1 Đồ án tốt nghiệp Đại học Min (BQMall) 22 27 32 37 Max (RaceHorses) 22 27 WQVGA 32 37 Min (BasketballPass ) 22 27 32 37 CHƯƠNG 3: HIỆU NĂNG CỦA HEVC/H265 SO VỚI MPEG4 H264/AVC 1 2 1 2 2 8 2 2 0 0 0 0 0 0 1 5 1 4 1 2 3 2 199 8 166 141 121 30 41 34 52 43 36 31 1 1 2 4 49 1 7 6 4 5 3 4 9 1 2 1 1 87 87 72 72 63 63 1 58 58 37 37 30 30 25 25 22 22 30 35 25 30 21 21 19 19 3 5 6 Phân bố tỷ lệ độ phức tạp giai đoạn giải mã HM MP trường hợp tốt xấu SVTH: Nguyễn Văn Dân – D10VT1 42 4 4 3 2 3 2 1 1 2 1 1 2 1 6 6 7 Đồ án tốt nghiệp Đại học CHƯƠNG 3: HIỆU NĂNG CỦA HEVC/H265 SO VỚI MPEG4 H264/AVC Bảng 3.1.1.2.1.1.1.3.6: Độ phức tạp trung bình đóng góp vào trình giai đoạn mã hóa AI 0% 9% 24% 41% 11% 15% Bảng 3.1.1.2.1.1.1.3.7: Độ phức tạp trung bình đóng góp vào trình hàm mã hóa Hàm AI Phép nội suy 0% 37 % 9% 16 % 0% 10 % 9% 63 % Tính toán SATD Tính toán SAD Tổng Bảng 3.1.1.2.1.1.1.3.8: RA LB LP 38 % 18 % 12 % 68 % 31 % 15 % 11 % 57 % Độ phức tạp trung bình đóng góp vào trình giai đoạn giải mã AI 13% 0% 25% 23% 13% 26% b Phân tích phức tạp giải mã HM MP SVTH: Nguyễn Văn Dân – D10VT1 43 Đồ án tốt nghiệp Đại học CHƯƠNG 3: HIỆU NĂNG CỦA HEVC/H265 SO VỚI MPEG4 H264/AVC Quá trình phức tạp giải mã HM ED, IQ/IT, IP, MC LF (Bảng 3.9) Các kết đánh giá tính phức tạp bước thể Bảng 3.12 Cấu hình AI phải giải với tốc độ bit cao có độ phức tạp cao giải mã Sự phức tạp giải mã cấu hình RA, LB LP nửa so với trường hợp AI Trong điều kiện RA, LB LP MC giai đoạn phức tạp Trong trình giải mã, giá trị QP có ảnh hưởng lên toàn thời gian giải mã Tăng giá trị QP từ 22 lên 27 làm giảm thời gian giải mã khoảng 23% Khi QP tăng từ 27 lên 32 từ 32 lên 37 độ giảm thời gian tương ứng 17% 13% Như độ giảm thời gian giải mã vào khoảng 44% QP tăng từ 22 lên 37 Tăng tốc độ cho hàm phức tạp MC khuyến khích giải mã, hiệu suất giải mã đạt thông qua tăng cường xử lý Tuy nhiên, mã hóa giải mã HEVC có độ phức tạp bất đối xứng, hiệu suất mã hóa vượt tầm kiểm soát hàm mã hóa phức tạp không giảm tải để tăng tốc phần cứng đặc biệt c So sánh hai mã hóa HM MP JM HiP Hình 3.5 độ phức tạp trung bình giá trị QP đặc trưng mã hóa HM MP JM HiP theo Mcpf độ phân giải 1080p WQVGA Biểu đồ cột độ phức tạp mã hóa tỷ lệ các giai đoạn mã hóa riêng rẽ Biểu đồ cột cho HM MP JM HiP giải mã vẽ Hình 3.6 Trong trường hợp, giá trị QPHM 22, 27, 32 37, giá trị QPJM tính Bảng 3.4 Nói tóm lại, so sánh chi tiết độ phức tạp HM MP JM HiP hạn chế với độ phân giải Với thử nghiệm hoàn chỉnh (Class A-E), tỷ lệ độ phức tạp trung bình mã hóa HM so với JM 3.2 lần trường hợp AI, 1.2 lần trường hợp RA, 1.5 lần trường hợp LB 1.3 lần trường hợp LP Tỷ lệ độ phức tạp không thay đổi hàm (đặc trưng) độ phân giải nhiên hầu hết chúng giảm giá trị QP tăng Khi QPHM = 22, tỷ lệ độ phức tạp cấu hình RA, LB LP 1.3 lần, 1.6 lần 1.5 lần Và tỷ lệ giảm xuống 1.1 lần, 1.5 lần 1.2 lần QPHM tăng từ 22 đến 37 Trong cấu hình AI, tỷ lệ không đổi QP tăng lên Tỷ lệ độ phức tạp giải mã HM so với JM 2.0 lần, 1.6 lần, 1.5 lần 1.4 lần cấu hình AI, RA, LB LP Tăng giá trị QP HM từ 22 tới 37 làm tăng tỷ độ lệ phức tạp lên 10% trường hợp AI lại làm giảm 11% trường hợp LB Trong trường hợp khác, tỷ lệ không đổi SVTH: Nguyễn Văn Dân – D10VT1 44 Đồ án tốt nghiệp Đại học CHƯƠNG 3: HIỆU NĂNG CỦA HEVC/H265 SO VỚI MPEG4 H264/AVC Hình 3.1.1.2.1.1.1.4: So sánh độ phức tạp trung bình mã hóa HM MP JM HiP (a) Chuỗi 1080p (b) Chuỗi WQVGA Hình 3.1.1.2.1.1.1.5: So sánh độ phức tạp trung bình giải mã HM MP JM HiP (a) Chuỗi 1080p (b) Chuỗi WQVGA SVTH: Nguyễn Văn Dân – D10VT1 45 Đồ án tốt nghiệp Đại học CHƯƠNG 3: HIỆU NĂNG CỦA HEVC/H265 SO VỚI MPEG4 H264/AVC 3.1.4 Tổng hợp kết Trên kết phân tích so sánh RDC mã hóa video HEVC MP (HM 6.0) AVC HiP (JM 8.0) cấu hình AI, RA, LB LP Độ phân giải chuỗi thử nghiệm biến thiên từ WQVGA lên tới 4K với giá trị QP 22, 27, 32, 37 So sánh công có cách cấu hình cài đặt mã hóa HM MP JM HP phù hợp với Hình 3.1.1.2.1.1.1.6: Sự cải thiện tốc độ bit không gian lưu trữ HEVC so với MPEG-4 H.264/AVC Hình 3.7 hình ảnh cắt từ đoạn video mã hóa với hai mã hóa HEVC H.264 có chất lượng tương đương Có thể thấy tốc độ bit không gian lưu trữ HEVC giảm đáng kể so với H264/AVC Bảng 3.1.1.2.1.1.1.6.1: Tóm tắt so sánh RDC HEVC MP (HM 6.0) AVC HIP (JM 18.0) AI 23% 3.2× 2.0× Các kết trình so sánh ghi lại Bảng 3.13 Trung bình, HM MP giảm tốc độ bit tới 37% so với JM HiP với chất lượng khách quan tương đương tỷ lệ tăng độ phức tạp mã hóa vào khoảng 1.4 lần tất công cụ cần thiết HM MP JM HiP sử dụng Những đặc điểm HEVC cân với lộ trình phát triển công nghệ tại, theo phát triển tương đối hiệu suất xử lý thiết bị đầu cuối cố định điện thoại di động nhanh so với công nghệ truyền tải lưu trữ SVTH: Nguyễn Văn Dân – D10VT1 46 Đồ án tốt nghiệp Đại học CHƯƠNG 3: HIỆU NĂNG CỦA HEVC/H265 SO VỚI MPEG4 H264/AVC Kết cho thấy hạn chế phần mềm mã hóa HM Nói chung, việc giảm tải các thuật toán mã hóa phức tạp ME để gia tăng tốc độ cần thiết, đặc biệt thiết bị di động để phù hợp với khó khăn , hạn chế thực tiễn trình thực kích cỡ chip lượng tiêu thụ 3.2 So sánh chất lượng chủ quan HEVC/H265 MPEG-4 H264/AVC dựa vào thống kê [7] 3.2.1 Mô tả trình so sánh kiểm tra 3.2.1.1 Cài đặt điều kiện kiểm tra so sánh Các điều kiện, môi trường thí nghiệm để đánh giá chất lượng chủ quan xây dựng sau ITU-R Rec BT.500 trừ thiết bị hình hiển thị máy chủ video Một hình Panasonic plasma 50 inch (TH - 50PF11KR) chuyên nghiệp sử dụng độ phân giải 1920 × 1080 pixel Bảng mô-đun đầu vào hiển thị video thiết bị Panasonic Dual Link HD-SDI (TYFB11DHD) Đoạn video ghi/phát không nén UDR - 5S sản xuất Keisoku Giken Co., Ltd., điều khiển thiết bị Dell Precision T3500 Double stimulus impairment scale (DSIS) sử dụng cho việc đánh giá chất lượng theo quy định HEVC Do đó, thang đánh giá chất lượng 11 mức từ mức (chất lượng thấp nhất) đến mức 10 (chất lượng cao nhất) sử dụng Cấu trúc kiểm tra phương pháp DSIS bao gồm hai trình diễn liên tiếp chuỗi kiểm tra Đầu tiên phiên gốc chuỗi video hiển thị sau video giải mã Sau đó, tin nhắn hiển thị giây yêu cầu người xem bỏ phiếu (xem Hình 3.8) Hình 3.1.1.2.1.1.1.7: Tiến trình thử nghiệm Mỗi thử nghiệm thử nghiệm chuỗi thử nghiệm kéo dài khoảng phút Tổng cộng có chín trình thử nghiệm sử dụng đánh giá chủ quan Tổng số đối tượng tham gia thử nghiệm 24 Các đối tượng chia thành nhóm bốn người cho lần kiểm tra, ngồi theo hàng Trong tất kiểm tra sử dụng cách xem 2H, với H chiều cao video hình hiển thị tinh thể lỏng SVTH: Nguyễn Văn Dân – D10VT1 47 Đồ án tốt nghiệp Đại học CHƯƠNG 3: HIỆU NĂNG CỦA HEVC/H265 3.2.1.2 Bộ mã kiểm tra điều kiện mã hóa SO VỚI MPEG4 H264/AVC Trong đánh giá chất lượng chủ quan, trình tự kiểm tra cho MPEG-4 H.264/AVC HiP mã hóa cách sử dụng mã hóa JM 18.2 Các trình tự kiểm tra cho HEVC MP mã hóa cách sử dụng mã hóa HM 5,0 Giá trị tham số lượng tử QP lựa chọn HEVC MP 31, 34, 37, 40 Trong giá trị QP MPEG-4 H.264/AVC HiP 27, 30, 33 36 Các giá trị xác định sàng lọc trước để thấy kết so sánh chất lượng chủ quan tỷ lệ giảm tốc độ bit mã hóa HEVC MP so với mã hóa MPEG-4 H.264/AVC HiP dao động từ 48% đến 65% (trung bình 53%) 3.2.2 Tổng hợp kết Hình 3.9 cho ta kết thức việc đánh giá chất lượng chủ quan Các giá trị MOS tính toán từ số phiếu thống kê từ đối tượng cho kiểm tra Ta tính toán khoảng tin cậy 95% thể thẳng đứng đồ thị Có thể thấy từ đồ thị, trình tự mã hóa kiểm tra HEVC có tốc độ bit thấp trung bình 53% so với mã hóa MPEG-4 H.264/AVC HiP chất lượng chủ quan xấp xỉ Hình 3.1.1.2.1.1.1.8: Số điểm đánh giá trung bình cho chuỗi kiểm tra theo tốc độ bit SVTH: Nguyễn Văn Dân – D10VT1 48 Đồ án tốt nghiệp Đại học CHƯƠNG 3: HIỆU NĂNG CỦA HEVC/H265 SO VỚI MPEG4 H264/AVC Hình 3.1.1.2.1.1.1.9:Tỷ lệ giảm tốc độ bit theo đánh giá chất lượng chủ quan Hình 3.10 thể tỷ lệ giảm tốc độ bit mã hóa HEVC so với H264/AVC theo thang điểm đánh giá chất lượng chủ quan (Tốc độ bit video HEVC ghi tương ứng hai đầu đồ thị) Bảng 3.1.1.2.1.1.1.9.1: Tỷ lệ giảm tốc độ bit trung bình chuỗi kiểm tra Chuỗi kiểm tra BQ Terrace Basketball Drive Kimono1 Park Scene Cactus BQ Mall Basketball Drill Party Scene Party Scene Trung bình SVTH: Nguyễn Văn Dân – D10VT1 Tỷ lệ giảm tốc độ bit HEVC/H.265 so với MPEG-4 H.264/AVC 63,1% 66,6% 55,2% 49,7% 50,2% 40,6% 44,9% 29,8% 42,7% 49,2% 49 Đồ án tốt nghiệp Đại học CHƯƠNG 3: HIỆU NĂNG CỦA HEVC/H265 SO VỚI MPEG4 H264/AVC Bằng cách kết hợp toàn phạm vi chồng chéo giá trị MOS, tính tỷ lệ giảm tốc độ bit trung bình chuỗi Bảng 3.14 kết tính toán tỷ lệ giảm tốc độ bit HEVC MP so với MPEG-4 H.264/AVC HiP Tỷ lệ dao động từ khoảng 30% lên gần 67%, tùy thuộc vào chuỗi video Như vậy, tỷ lệ giảm tốc độ bit trung bình tất trình kiểm tra 49,2% Nếu so sánh với kết thu trước từ việc so sánh hiệu suất mã hóa thông qua số khách quan PSNR tỷ lệ giảm tốc độ bít HEVC/H265 so với MPEG-4 H264 AVC trường hợp đánh giá chất lượng chủ quan cao nhiều Nhưng nhìn chung hai trình so sánh đem lại kết thống cho thấy hiệu mã hóa vượt trội HEVC so với tiêu chuẩn mã hóa trước MPEG-4 H264/ AVC 3.3 Ứng dụng HEVC/H.265 hiệu suất mã hóa cao đem lại Với tính ưu việt hiệu mã hóa cao so với chuẩn mã hóa cũ, chuẩn mã hóa HEVC nghiên cứu để ứng dụng thực tế hứa hẹn phát triển mạnh mẽ tương lại tới Đặc biệt, lĩnh vực truyền hình, HEVC thúc đẩy trình thương mại hóa truyền hình độ phân giải siêu cao UHDTV với hình ảnh 4K (4096 × 2160), 8K (7680 × 4320) tương lai gần Truyền hình UHDTV đem lại cho người xem hình ảnh rõ nét chân thực mượt mà truyền hình HDTV Nhưng thách thức tốc độ 24 khung hình/s 8bit cho pixel hệ thống cũ không phù hợp Với độ phân giải cao 4K hình ảnh hiển thị vùng chuyển động hình hiển thị không rõ nét với tốc độ 24 khung hình/s Tốc độ khuyến cáo tối thiểu phải 50, 60 khung hình/s, lý tưởng để thu hình ảnh mượt mà 120 khung hình/s Cùng với số bít điểm ảnh tăng từ lên 10 để đảm bảo độ tương thích với tốc độ khung độ phân giải dẫn đến tăng tốc độ luồng bit lên cao Chính mà MEEG-4 H.264 không đủ mạnh để đảm bảo tốc độ bít truyền hình UHDTV Như từ kết có từ việc so sánh phía trên, HEVC giải pháp phù hợp để giải thách thức cách giảm tốc độ bít xuống nửa so với MPEG-4 H264 Tốc độ bước tối ưu với mở rộng băng thông môi trường truyền dẫn giúp việc thực hóa việc truyền tải luồng bit tín hiệu có độ phân giải siêu cao UHDTV 3.4 Kết luận chương Qua kết thu nhận chương 3, ta thấy hiệu suất vượt trội HEVC/H.265 so với MPEG-4 H264/AVC HEVC mở xu hướng phát triển mạnh mẽ cho truyền hình với độ nét, độ trung thực hình ảnh ngày cao, SVTH: Nguyễn Văn Dân – D10VT1 50 Đồ án tốt nghiệp Đại học CHƯƠNG 3: HIỆU NĂNG CỦA HEVC/H265 SO VỚI MPEG4 H264/AVC phương pháp hiệu để giải toán đảm bảo nâng cao chất lượng sở hạ tầng hạn chế SVTH: Nguyễn Văn Dân – D10VT1 51 Đồ án tốt nghiệp Đại học CHƯƠNG 3: HIỆU NĂNG CỦA HEVC/H265 SO VỚI MPEG4 H264/AVC KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Đồ án dừng lại việc tìm hiểu lý thuyết chuẩn nén, hiệu mã hóa chúng, trọng HEVC - chuẩn nén Chính lĩnh vực có nhiều ứng dụng tương lai nhiều vấn đề cần tìm hiểu nghiên cứu để hoàn thiện lý thuyết ứng dụng công nghệ đại Việc sử dụng HEVC truyền hình độ phân giải siêu cao UHDTV thử nghiệm số quốc gia phát triển Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc… chưa đồng từ khâu sản xuất chương trình đến việc phát chương trình, cần nhiều thời gian để hoàn thiện đưa vào sử dụng phổ biến Vì vậy, nó mở hướng nghiên cứu ứng dụng HEVC để thúc đẩy trình thương mại hóa UHDTV Việt Nam tương lai tới SVTH: Nguyễn Văn Dân – D10VT1 52 Đồ án tốt nghiệp Đại học TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] H N TS Lê Nhật Thăng - Học viện công nghệ Bưu viễn thông, Bài giảng Xử lý âm hình ảnh, 7/2010 [2] T R G U A U Iain E G Richardson, H.264 and MPEG-4 Video Compression: Video Coding for Next-generation Multimedia, 2003 [3] F I J.-R O M I W.-J H M I a Gary J Sullivan, Writer, Overview of the High Efficiency Video Coding [Performance] 2012 [4] V S • M B G J Sullivan, High Efficiency Video Coding (HEVC): Algorithms and Architectures, Springer International Publishing Switzerland, 2014 [5] M I M V M I T D H M I Jarno Vanne, Writer, Comparative RateDistortion-Complexity Analysis [Performance] 2012 [6] F P Silva, Writer, Performance and Coding Efficiency Evaluation of HEVC Parallelization strategies [Performance] Universidade federal Rio grande Sul computer Engineering , 2014 [7] M I G J S F I H S Jens-Rainer Ohm, Writer, Comparison of the Coding Efficiency of Video Coding Standards—Including High Efficiency Video Coding (HEVC) [Performance] 2012 [8] Các trang web: https://www.google.com.vn , https://www.ieee.org SVTH: Nguyễn Văn Dân – D10VT1 http://en.wikipedia.org/ 53 [...]... HEVC /H2 65 SO VỚI MPEG4 H2 64/ AVC CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA CHUẨN NÉN HEVC /H .265 SO VỚI MPEG4 H. 2 64/ AVC Có hai phương pháp để đo lường đánh giá hiệu quả của mã h a của một tiêu chuẩn mã h a video Một là đánh giá hiệu quả dựa vào một số những số liệu đo lường khách quan, chẳng h n như thông số tín hiệu trên nhiễu đỉnh - PSNR hoặc một phương pháp khác là dựa vào đánh giá chủ quan chất lượng của video... CHƯƠNG 2: MPEG- 4 H. 2 64/ AVC VÀ HEVC /H2 65 CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU HAI CHUẨN NÉN TIÊN TIẾN NHẤT HIỆN NAY MPEG- 4 H. 2 64/ AVC VÀ H2 65/HEVC 2.1 Chuẩn nén MPEG- 4 H. 2 64/ AVC 1.1.1 Lịch sử phát triển của chuẩn nén MPEG- 4 H. 2 64/ AVC Các bộ mã h a đơn giản tuy hoạt động tốt nhưng nhiều khi có một số h nh ảnh mà nó không thể nén được hoặc nén không hiệu quả điều này đã thúc đẩy các nhà thiết kế phát triển các công cụ nén. .. khảo để nâng cao hiệu suất và chất lượng H. 2 64/ AVC cho phép sử dụng tối đa 32 h nh ảnh tham khảo trong khi MPEG- 2 chỉ sử dụng 2 h nh ảnh tham khảo Bù chuyển động với nhiều h nh ảnh tham khảo sẽ làm chậm quá trình mã h a và giải mã nhưng sẽ tăng chất lượng ảnh với cùng tỷ số nén + Tách riêng h nh ảnh tham khảo và h nh ảnh hiển thị: ở các tiêu chuẩn trước có sự phụ thuộc giữa h nh tham khảo và h nh hiển... Trong đó, phương pháp đánh giá chủ quan chất lượng có phần quan trọng h n do con người có thể tự cảm nhận được chất lượng của video thông qua cái nhìn chủ quan của mình Dưới đây sẽ là các quá trình thiết lập so sánh thực tế của phương pháp mà các nhà nghiên cứu đã thực hiện để so sánh hiệu năng của hai chuẩn nén tiên tiến nhất hiện nay đó là HEVC /H .265 và MPEG- 4 H. 2 64/ AVC 3.1 Đánh giá, so sánh tốc độ... mục đích dự đoán 2.2 Chuẩn nén HEVC /H .265 1.1 .4 Bối cảnh ra đời và sự phát triển của chuẩn nén HEVC /H .265 Thành công của MPEG- 4 H. 2 64 đã khiến cho nó trở nên phổ biến và xuất hiện trong h u h t các sản phẩm dịch vụ hiện nay như truyền h nh độ nét cao HDTV, truyền Đồ án tốt nghiệp Đại h c CHƯƠNG 2: MPEG- 4 H. 2 64/ AVC VÀ HEVC /H2 65 h nh cáp, internet, điện thoại di động, video mạng, truyền h nh h i nghị vv... chương 2, chúng ta đã đi tìm hiểu về sự ra đời và phát triển của hai chuẩn mã h a tín hiệu tiên tiến nhất hiện nay Trên đây là những đặc điểm chung nhất và những cải tiến của chuẩn nén mới so với chuẩn nén cũ để đem lại hiệu quả mã h a tốt h n Hiệu quả mã h a của HEVC tốt h n các chuẩn cũ như thế nào sẽ được trình bày trong chương tiếp theo Đồ án tốt nghiệp Đại h c CHƯƠNG 3: HIỆU NĂNG CỦA HEVC /H2 65... vùng h nh ảnh như slice dựa trên sự phân chia linh hoạt của h nh ảnh thành các CTU Ngoài ra, những thiết kế cấu trúc có khả năng mở rộng và các cấu h nh khác sẽ được thêm vào phần mở rộng trong tương lai Đồ án tốt nghiệp Đại h c CHƯƠNG 2: MPEG- 4 H. 2 64/ AVC VÀ HEVC /H2 65 1.1.6 Nguyên lí hoạt động cơ bản của chuẩn nén HEVC /H .265 H nh 2.2.1.1.1.1.1.2: Sơ đồ khối của bộ mã h a/ giải mã HEVC [4] H nh 2 .4 mô... hiển thị, còn trong H. 2 64/ AVC bộ mã h a có thể chọn h nh ảnh để tham khảo gần nhất với h nh ảnh được mã h a cho Đồ án tốt nghiệp Đại h c CHƯƠNG 2: MPEG- 4 H. 2 64/ AVC VÀ HEVC /H2 65 mục đích tham khảo dự đoán nên có thể hiển thị với tính linh hoạt cao, do đó khoảng thời gian trễ sẽ được loại bỏ + Giảm dư thừa về không gian tốt h n: sử dụng phép biến đổi nguyên thay vì sử dụng phép biến đổi DCT như MPEG- 2,... lượng bits so với 4: 4 :4, do đó mà kiểu lấy mẫu này thường được sử dụng phổ biến 1.8 Các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng ảnh nén Để đánh giá chất lượng video ta các giá trị cung cấp bởi h thống xử lý, và việc suy giảm chất lượng tín hiệu có thể nhìn thấy được (thông thường chúng được so sánh với tín hiệu gốc) Qua h thống ta có thể thấy được những thay đổi về h nh dạng, việc định chuẩn chất lượng video... ảnh h ởng do sai số làm tròn + Lượng tử h a thích nghi: trong quá trình mã h a với tốc độ bit biến thiên, khi sử dụng lượng tử h a thích nghi, mỗi khung có thể được nén với những bộ lượng tử khác nhau phụ thuộc vào bản chất h nh ảnh của chúng thông qua việc điều khiển tốc độ bit Ví dụ những phần chuyển động hay những phần h nh ảnh sẫm màu khó nhận biết sẽ được xử lý với h số lượng tử lớn h n (độ nén