Báo cáo thực tập “ truyền hình số cơ bản “

Báo cáo thực tập Truyền hình số Xử lý số liệu truyền hình I.Số hóa tín hiệu truyền hình Mở đầu Các hệ thống truyền hình màu đợc sử dụng ( NTSC, PAL, SECAM ) hệ truyền hình tơng tự Tín hiệu Video hàm liên tục theo thời gian Tín hiệu truyền hình tơng tự chịu nhiều ảnh hởng yếu tố: Nhiễu, can nhiễu từ nội hệ thống từ bên làm giảm chất lợng hình ảnh Tín hiệu Video số đợc tạo từ tín hiệu Video tơng tự Tín hiệu Viedeo số đợc biểu diễn dới dạng số logic ; 1, có tính chống nhiễu cao hẳn tín hiệu Video tơng tự Ngày nay, Nhiều nớc sử dụng truyền hình số thay cho truyền hình tơng tự nhiều thành phần hệ thống Biến đổi tơng tự - số Quá trình biến đổi tín hiệu tơng tự thành tín hiệu số bao gồm ba giai đoạn: 011 101 110 101 001 000 001 Lấy mẫu tín hiệu tơng tự : Đây trình gián đoạn ( rời rạc hoá ) theo thời gian tần số lấy mẫu fSA , kết cho ta chỗi mẫu Lợng tử hoá : Đây trình rời rạc hoá theo biên độ tín hiệu ( đợc rời rác hoá theo thời gian), nghĩa chia biên độ nhiều mức khác mức khác đợc gán gí trị biên độ Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 15 Báo cáo thực tập Truyền hình số Mã hoá : Đây trình biến đổi tín hiệu đợc lợng tử hoá thành tín hiệu số cách xếp mức tín hiệu tơng ứng theo hệ đếm nhị phân II Cơ sở biến đổi tín hiệu video Biến đổi tín hiệu video Biến đổi tín hiệu Video tơng tự thành tín hiệu Video số trình biến đổi thuận, biến đổi tín hiệu Video số sang tín hiệu Video tơng tự biến đổi ngợc Trong hệ thống truyền hình số có sử dụng nhiều biến đổi thuận ADC biến đổi ngợc Trong truyền hình màu, hình ảnh đợc truyền đợc biểu diễn ba tín hiệu màu bản: Đỏ (R), lục (G), lam B) Nó đợc truyền bắng ba khả sau: - Ba tín hiệu băng rộng R, G, B - Một tín hiệu chói băng rộng Y hai tín hiệu màu băng hẹp I,Q - Một tín hiệu Video màu tổng hợp Nh vậy, chia tín hiệu Video thành hai loại chính: Tín hiệu Video màu tổng hợp tín hiệu Video màu thành phần Vì vậy, Quá trình biến đổi tín hiệu Video tơng tự thành tín hiệu Video số có hai cách sau đây: - Biến đổi tín hiệu Video màu tổng hợp PAL, SECAM, NTSC - Biến đổi tín hiệu Video thành phần ( tín hiệu chói Y hai tín hiệu màu R-Y B-Y ba tín hiệu màu R,G,B ) Tần số lấy mẫu tín hiệu Video 2.1 Tín hiệu Video tổng hợp Đối với tín hiệu Video tổng hợp ( NTSC PAL), tần số lấy mẫu cho tín hiệu Video thờng 2, lần tần số sóng mang màu ( 2f S C , fS C, 4fS C ) Với cách chọn tần số nh không tối u đợc băng tần sử dụng ( Ví dụ nh NTSC, lấy 3fS C = 10,74 MHz với fSC = 3,58 MHz cha đủ lớn, lấy 4fS C = 14,3 MHz lại lớn) Số hoá tín hiệu Video tổng hợp có u điểm tốc độ bit thấp so với phơng pháp số hoá tín hiệu Video thành phần Nghĩa là, lợng băng từ cần sử dụng máy ghi hình hạn chế Tuy nhiên, tín hiệu Video số tổng hợp mang đầy đủ Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 16 Báo cáo thực tập Truyền hình số khiếm khuyết tín hiệu Video tơng tự nh: tợng can nhiễu chói màu Ngoài ra, Tín hiệu Video số bộc lộ nhiều nhợc điểm trình xử lý số, tạo kỹ xảo, dựng hình Vì vậy, năm gần đây, Ngời ta không sử dụng phơng pháp số hoá tín hiệu Video tổng hợp 2.2 Tín hiệu Video thành phần Với tín hiệu Video thành phần, tần số lấy mẫu thờng đợc biểu thị thông qua tỷ lệ tần số lấy mẫu tín hiệu chói tần số lấy mẫu tín hiệu màu (Ví dụ: Tỷ lệ lấy mẫu 14:7:7 tơng ứng tần số lấy mẫu tín hiệu chói 14 MHz hai tín hiệu màu 7MHz Tần số lấy mẫu định đến dải thông phổ tín hiệu, theo định lý Shanon- Nyquist, tần số lấy mẫu tối thiểu phải hai lần tần số cao tín hiệu Hiện nay, để lấy mẫu tín hiệu Video cho tối u dải thông nh độ phân giải hình ảnh ngời ta thờng dùng tiêu chuẩn 4: 2: ( tỉ lệ tần số lấy mẫu tín hiệu Video thành phần Y/CB / C R 4: 2: Trong đó, Tổ chức EBU chọn tần số lấy mẫu ứng với tín hiệu Video thành phần : fS ( Y ) = 13,5 MHz fS ( CB ) = 6,75 MHz fS ( CR ) = 6,75 MHz Tần số lấy mẫu fS = 13,5 MHz bội số tần số dòng cho hai hệ truyền hình 525 625 dòng Vì vậy, Thiết bị trung tâm truyền hình số hoàn toàn giống cho hai hệ thống ( 525 625 dòng ), tạo điều kiện thuận lợi cho việc hợp tác sản xuất, trao đổi chơng trình tiến tới tiêu chuẩn Video số chung cho toàn giới, loại bỏ cho xung đột gây nên tình trạng đa hệ nh truyền hình tơng tự Tín hiệu video số thành phần phơng pháp số hoá đợc sử dụng tơng lai Lợng tử hoá tín hiệu Video thành phần Dạng thức Video số đợc quy định thông số : - Mức danh định - Khoảng bảo vệ cần thiết - Số bit tơng ứng với mẫu - Mã cấm Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 17 Báo cáo thực tập Truyền hình số 3.1 Tín hiệu chói Y( Mã hoá bit ) Trong trờng hợp này, tín hiệu chói Y đợc sử dụng 220 mức Các mức lợng tử lại ( 36 mức) đợc dùng cho khoảng bảo vệ tín hiệu đồng Mức dao động tín hiệu chói Y từ ( 0ữ700 ) ( mV), mức lợng tử bằng: Mlt = 700 = 3,196 ( mV) 219 Mức 255 Mức cấm 235 700mV Mức trắng 16 Mức đen Mức cấm Hình 2-1 Mức lợng tử tín hiệu chói Y Các mã từ 1ữ15 236 ữ254 khoảng bảo vệ trên, bảo vệ dới Từ mã đồng đợc xuất khoảng tín hiệu chuẩn thời gian TRS Từ mã mở đầu TRS gồm: 00H FFH ( Đây mức cấm) Nh vậy, trờng hợp lợng tử hoá đồng mã nhị phân bit ta có 256 mức lợng tử phân bố Các từ mã nằm khoảng 00 H ữ FFH tơng đơng ứng với mức tính theo số thập phân ữ 256 Theo tiêu chuẩn : : 2, mức 255 đợc dành cho tín hiệu đồng bộ, mức từ 1ữ 154 đợc sử dụng để truyền tải thông tin Video Điên áp Mức cấm với dòng tích cực Khoảng trống dự phòng Mức Video Binary Hexa Thập phân 763,927( mV) 1111 1111 FF 255 760,731( mV) 703,196( mV) 700,000( mV) 0.000( mV) 1111 1110 1110 1100 1110 1011 0001 0000 FE EC EB 10 254 236 235 16 Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 18 Báo cáo thực tập Truyền hình số Khoảng trống dự -3,196( mV) 0000 1111 0F 15 phòng -47,945( mV) 0000 0001 01 Mức cấm với dòng -51,142( mV) 0000 0000 00 tích cực Bảng 2-1 : Giá trị từ mã ( Bin Hexa ) ứng với mức ữ 255 điện áp tơng ứng tín hiệu chói Y ( số hoá bit ứng với 3,196 ( mV)/ mức) 3.2 Tín hiệu màu CR CB ( Đối với mã hoá bit ) Mức điện tử danh định dành để mã hoá tín hiệu màu nằm khoảng 16 ữ 240 Tín hiệu màu đợc lợng tử hoá đối xứng qua trục ứng với mức 128 255 240 350mV Mức cấm Mức bão hoà 128 0mV Mức đen 16 -350mV Mức bão hoà Mức cấm Hình 2-2 Mức lợng tử tín hiệu màu CR C B Mỗi mức lợng tử tơng ứng với giá trị điện áp : m lt = 700 = 3,125 mV 224 Các mức 1ữ15 241 ữ254 đợc dành cho khoảng bảo vệ dới Các mức cấm bao gồm 00H FFH Điên áp Mức cấm với dòng tích cực Khoảng trống dự phòng Binary Hexa Thập phân 1111 1111 FF 255 393,750( mV) 1111 1110 353,125( mV) 1111 0001 FE F1 254 241 396,875( mV) Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 19 Báo cáo thực tập Truyền hình số 350,000( mV) 1111 0000 0.000( mV) 1000 0000 Mức cực đại dơng 0001 0000 cực đại Khoảng trốngMức dựâm phòng Mức cấm với dòng tích cực -353,125(mV) 0000 1111 -396,875(mV) 0000 0001 -400,000(mV) 0000 0000 F0 80 40 240 128 16 0F 01 00 15 Bảng 2- Giá trị từ mã ( Bin Hexa) ứng với mức từ 0ữ255 điện áp tơng ứng tín hiệu màu C R C B ( Số hoá bit ứng với 3,125 mV/ mức Cấu trúc lấy mẫu Theo tiêu chuẩn EBU.Tech3267 ba mẫu dòng đợc quy định CB / Y/ CR = 0/0/0 bốn mẫu cuối CB / Y/ CR/ Y = 359/718/359/719 Nh vậy, Mẫu sau xung xoá giá trị C B mẫu cuối giá trị Y Hình ảnh cấu trúc lấy mẫu đợc biểu thị dới hình sau: X O Mẫu tín hiệu chói Y Mẫu tín hiệu màu CR CB X X X X X X X X X X X X X X X X Hình 2-3 Cấu trúc lấy mẫu tín hiệu chói tín hiệu màu CR C B Sau lấy mẫu, dòng bit thành phần Y, CR CB đợc ghép kênh theo thời gian để tạo thành dòng số liệu Video có thứ tự xếp đan xen theo quy luật: CB1/ Y1/ CR1 Pixel Y2 Pixel Cb3/Y3/CR3 Y4 Pixel Pixel Mẫu dòng Video tích cực CB = xuất sau 132 mẫu kể từ sờn trớc xung đồng tín hiệu Video tơng tự Nh vậy, bề rộng xung xoá tín hiệu Video số 10,7( às) bề rộng xung xoá tín hiệu tơng tự 12( Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 20 Báo cáo thực tập Truyền hình số às) Thời gian dòng tín hiệu số tích cực lớn dòng Video tơng tự tích cực 1,3( às), 53( às) so với 52 ( às) Để thực đồng tín hiệu Video số ngời ta sử dụng tín hiệu TRS TRS bao gồm bốn từ mã ( ba từ mã mở đầu cố định từ mã XY ) xuất mẫu 360 / 720 / 360 / 721 ( EAV - kết thúc dòng Video tích cực ) mẫu 431 / 862 / 431 / 863 ( SAV- bắt đầu dòng Video tích cực ) Định giá trị tín hiệu thành phần Y CR , CB 5.1 Xác định Y, R, R- Y, B- Y từ tín hiệu thành phần gốc R,G, B( dấu biểu thị tín hiệu sửa Gamma) Công thức xác định tín hiệu chói: Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B Từ ta xác định đợc biểu thức hiệu màu: R - Y = R - ( 0,299R +0,587G +0,114B ) = 0,1701R - 0,587G - 0,114B B - Y = B - ( 0,299R +0,587G +0,114B ) = 0,299R - 0,587G + 0,886B Từ đó, Ta xác định đợc giá trị tín hiệu màu thành phần tơng ứng với hình ảnh có màu sắc khác Bảng 2-3 Giá trị tín hiệu thành phần tơng ứng với trờng hợp hình ảnh có màu: Trắng, đen, màu màu phụ trợ Tín hiệu hình ảnh R G B Y R-Y B-Y Trắng 1 1 0 Đen 0 0 0 0 0,299 0,701 -0,299 Lục( Green) Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 0,587 -0,587 -0,587 Đỏ( Red ) 21 Báo cáo thực tập Truyền hình số Lam ( Blue ) 0 0,114 -0,114 0,886 Vàng ( Yellow ) 1 0,886 0,114 -0,886 Xanh lơ ( Cyan ) 1 0,701 0,701 0,299 Tím ( Magenta ) 1 0,413 0,587 0,587 5.2 Chuẩn hoá giá trị hiệu màu Từ bảng trên, ta thấy giá trị Y dao động khoảng 0ữ1 Trong đó, giá trị R- Y dao động khoảng ( -0,701ữ 0,701 ) giá trị B- Y dao động khoảng ( - 0,886 ữ 0,886 ) Để phạm vi dao động mức tín hiệu nhau, có nghĩa tín hiệu màu dao động khoảng 0,5V, ta cần nhân giá trị cho hệ số tơng ứng: KR = 0,5 = 0,713 0,701 KB = 0,5 = 0,564 0,886 Từ đó, Ta có: CR = 0,713 ( R - Y ) = 0,5R - 0,419G - 0,081B CR = 0,564 ( B - Y ) = -0,169R - 0,331G - 0,5B Tín hiệu chuẩn thời gian TRS 6.1 Tín hiệu chuẩn thời gian cho tín hiệu Video Tín hiệu chuẩn thời gian sát bên dòng liệu Video ( có ) tồn thời gian xoá mành Tín hiệu chuẩn thời gian cho tín hiẹu Video số ký hiệu TRS, bao gồm bốn từ mã xếp theo thứ tự sau: FF 00 00 XY Ba từ mã đầu có giá trị cố định, từ mã XY mang thông tin sau: - Mành chẵn hay lẻ - Bắt đầu kết thúc xung xoá mành - Bắt đầu kết thúc xung xoá dòng Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 22 Báo cáo thực Vị trí Bit tập Truyền hình số Tín hiệu mở đầu XY 0 1 0 F 0 V 0 H 0 P3 0 P2 1 0 P1 0 P0 Ghi Có giá trị cố định F =1 tơng ứng với mành V =1 thời gian xoá mành H = bắt đầu xoá dòng Bít phát lỗi sửa sai Bảng - Tín hiệu chuẩn thời gian TRS cho tín hiệu Video Các bit P0, P1, P2, P3 có trạng thái phụ thuộc vào trạng thái bit F, V H để phát lỗi sửa lỗi Những bit có khả sửa bit lỗi phát hai bít lỗi 1 1 1 1 F 0 0 1 1 V H P3 P2 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 Bảng 2-6: Trạng thái bít sửa sai P1 0 1 1 0 P0 1 0 Sau lấy mẫu, lợng tử hoá mã hoá tín hiệu Y, C R CB cho ta dòng tín hiệu số Để thực truyền tín hiệu truyền hình số ta cần ghép kênh dòng tín hiệu số với với tín hiệu đồng tín hiệu phụ trợ khác 6.2 Tín hiệu chuẩn thời gian cho liệu phụ TRS- ANC Dữ liệu phụ đợc gửi chèn vào thời điểm dòng liệu , trừ thời gian dành cho tín hiệu chuẩn thời gian TRS liệu Video Mức liệu phụ không đợc ghép 00 FF ( mức dành cho TRS ) Mỗi chuỗi liệu phụ đợc khởi đầu tín hiệu chuẩn thời gian cho tín hiệu phụ TRS-ANC TRS-ANC bao gồm chuỗi sáu từ mã: 00 FF FF TT MM LL Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 23 Báo cáo thực tập Truyền hình số Ba từ mã đầu có giá trị không đổi, từ mã thứ t đợc ký hiệu TT từ mã nhận dạng liệu Dữ liệu số dòng, Audio số, Telex Từ mã thứ năm thứ sáu chứa thông tin số dòng số lợng mã Số dòng đối xứng số lợng từ mã có giá trị nằm khoảng từ 1ữ1440 đợc gửi hai từ mã, từ mã có bit, tổng cộng 12 bit Tín hiệu chuẩn thời gian cho liệu phụ TRS -ANC gồm từ mã tín hiệu khởi đầu cho tất dòng liệu phụ xuất thơì gian xoá dòng dòng Mối quan hệ tín hiệu Video số tính hiệu Video tơng tự hệ 625/25, ảnh Video số đợc chia làm hai mành, mành có 312 dòng mành hai có 313 dòng.Thì gian xoá mành có 24 dòng (Từ dòng 624ữdòng 22) Thời gian xoá mành hai có 25 dòng ( 311ữ335) Nh vậy, Tổng số dòng Video tích cực ảnh bằng: 625- ( 24+25 ) = 576 dòng Dòng Video số dòng Video tơng tự khác biệt thời gian tích cực dòng Sự chênh lệch thời gian tích cc 1,3às ( Tín hiệu Video số 53,3às so với tín hiệu tơng tự 52às) Do vậy, khhoảng thời gian xoá dòng khác Cấu trúc mành tín hiệu Video số so với mành tín hiệu Video tơng tự khác nhau.Sự khác thể cấu trúc sau: Từ hình dới đây,Ta thấy tín hiệu đồng dòng SAV EAV xuất điểm đầu điểm cuối dòng Dữ liệu Video không đợc truyền dòng 624 ữ22 311ữ 335 Dữ liệu phụ đợc chèn vào bất kỳMành thời điểm số tíchnào cựccủa dòng liệu trừ thời gian dành cho tín hiệu TRS Video 312 dòng ( 1ữ312) EAV H=1 SAV H=0 Dòng Dòng 22 Dòng 23 Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 Mành số tích cực 313 dòng ( 313 ữ625 ) 24 Báo cáo thực tập Truyền hình số Dòng 310 Dòng 311 Dòng 335 Dòng 336 Dòng 623 Dòng 624 Dòng 625 64 às Hình -6: Mối quan hệ mành số mành tơng tự Ta tính đợc thông số tín hiệu Video số: - Số dòng tích cực ảnh:625 - (24+25) = 576 dòng - Số từ mã tích cực dành cho liệu Video: 1440 x 576 = 829.440 từ mã / mành - Tổng số từ mã/ảnh: (1440 + 288) x625 = 1.080.000 từ mã/ảnh - Tổng số từ mã /giây: 1.080.000 từ mã/ảnh x 25 ảnh/ giây = 27.000.000 từ mã/ giây - Nếu từ mã có bit, tốc độ bit bằng: 27.000.000 từ mã/ giây x8 bit = 216.000.000 bit/ giây Khuyến cáo CCIR/ITU - R601 Trên sở xem xét yếu tố: - Tính thuận tiện trình sản xuất, trao đổi chơng trình - Tính tơng thích thiết bị Video số - Tính dễ dàng việc xử lý tín hiệu Tổ chức CCIR đa khuyến cáo CCIR.601 tiêu chuẩn mã hoá Video số chung cho hai hệ thống 525 625 dòng Theo tiêu chuẩn này, Tín hiệu Video đợc số hoá tín hiệu Video thành phần bao gồm tín hiệu chói Y hai tín hiệu màu CR CB ba thành phần màu ( R,G,B ) Sau bảng thông số cho tín hiệu truyền hình số theo tiêu chuẩn CCIR.601: Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 25 Báo cáo thực tập Truyền hình số TT Thông số Hệ 525/60 Tín hiệu đợc số hoá Tổng số mẫu dòng -Tín hiệu chói -Mỗi tín hiệu màu (R- Y, B- Y) Cấu trúc lấy mẫu Y, CR, CB Tần số lấy mẫu - Tín hiệu chói - Tín hiệu màu Phơng thức mã hoá 858 864 429 432 Trực giao mẫu CR,, CB đợc lấy thời điểm với mẫu Y lẻ ( 1,3,5 ) dòng 13,5MHz 6,75MHz Lợng tử đồng tất mức ( 8bit/ mẫu) Số mẫu thời gian tích cực dòng số: - Tín hiệu chói 720 360 - Tín hiệu hiệu màu Hệ 625/50 Khoảng cách từ điểm cuối dòng số ( thời gian tích cực) đến 16 chu kỳ nhịp 12 chu kỳ nhịp điểm bắt đầu dòng số -Tổng số mức 0ữ225 - Tín hiệu chói 220 - Mức đen Mức 16 - Mức trắng Mức 235 - Tín hiệu hiệu màu 225 mức, đối xứng qua trục mức 128 Từ mã tơng ứng với mức 225 tuyệt đối dùng cho tín hiệu đồng Từ Tín hiệu đồng mức 1ữ254 đợc sử dụng cho tín hiệu Video chơng III Nén tín hiệu số I Tổng quát nén tín hiệu số 1.Khái niêm chung a> Định nghĩa: Nén tín hiệu số biểu diễn tín hiệu tín hiệu số với số bit nhng thông tin phải đợc bảo toàn mát chấp nhận đợc Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 26 Báo cáo thực tập Truyền hình số Các loại nén: + Nén tín hiệu số : Digital Signal Compression + Nén số liệu : Data Compression + Giảm số liệu : Data Reduction + Giảm tốc độ bit : Bit Rale Reduction + Mã hoá nguồn : Source Coding b> Mục đích nén tín hiệu số ( có hai mục đích chính): + Để giảm dung lợng phải lu trữ + Giảm băng thông truyền dẫn Kênh truyền dẫn hay lu Nén (mã hoá nguồn) Phát Giải nén (giải mã nguồn) trữ Truyền dẫn hay lu trữ Thu Sơ đồ : Nén giải nén c> Các thông số nén: + Tỉ số nén: Ví dụ: 100Mbit/s nén 20Mbit/s ( tỷ số nén 5:1) + Phần trăn nén: Ví dụ: 100Mb/s nén 20Mb/s (tơng đơng nén 80%) + Số bit/Symbol: Ví dụ: cần 8bit/pixel nén 2bit/pixel (tỉ số nén 4:1, 75% ( Symbol ) ( Symbol ) Bản chất nén a> Các thành phần thông tin - Thông tin chứa tín hiệu đợc chia làm hai thành phần chính: + Lợng tin hay entropy hay độ bất định ( uncertainty ) + Độ d thừa ( redemdancy ) - Tuỳ theo nội dung thông tin, phần entropy lại đợc chia thành phần: Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 27 Báo cáo thực tập Truyền hình số + Thông tin không phù hợp ( irrelevancy): thông tin giá trị hệ thống cảm thụ chủ quan ngời + Thông tin cốt lõi tức phần lại entropy: thông tin chia thành nhiều phần nhỏ khác tuỳ theo mức độ quan trọng cảm thụ ngời b> Nén không tổn hao Tín hiệu Độ Độ dư dư thừa thừa entropy entropy Nén entropy c> Nén có tổn hao - Sau nén không tổn hao tín hiệu, kết đựpc đem sàng lọc thông tin không phù hợp thông tin cốt lõi, ta lại tiếp tục loại bỏ thông tin không phù hợp - Thông tin cốt lõi lại đợc tiếp tục sàng lọc để phân loại thông tin quan trọng thông tin quan trọng để loại bỏ thông tin quan trọng - Với mảng hình lớn ( tần số thấp) quan trọng hình chi tiết ( tần số cao) - Nén nhiều chất lợng thông tin giảm Vì tuỳ thuộc vào chất lợng thông tin yêu cầu mà ta nén nhiều hay nén Cơ sở toán học - Nén không tổn hao: + Tốc độ bit: R = H + R : Tốc độ bit H : Entropy : Một số dơng nhỏ tiến dần - Nén có tổn hao: R Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 28 Báo cáo thực tập Truyền hình số H Độ méo II Nén không tổn hao 100% - Nén không tổn hao hay mã hoá nguồn quy trình biểu diễn ký hiệu dòng bít nguồn thành dòng từ mã ( Codeword ) từ mã gồm số bit, cho giảm đợc tốc độ bit Mã hoá có hiệu cao số bít trung bình dùng biểu biễn ký hiệu tiến gần giá trị entropy a> Phân loại : - Nén theo mô hình thống kê ( Mã hoá Symbol ( VLC + RLC ) ) - Nén theo mô hình tự điển ( không dùng phát truyền hình ) b> Mã hoá VLC ( Variable Lenght Coding ) - Mã hoá Huffman Một Symbol ( bit ) có 256 Symbol khác nhau, có Symbol xuất nhiều, có Symbol xuất Những Symbol xuất nhiều gán cho từ mã có độ dài bit ngắn Symbol xuất it Trong dòng bít, lấy xác xuất xuất Symbol để gán từ mã, kết cho dòng bit ngắn nhng đảm bảo đợc thông tin đầy đủ c> Mã hoá RLC ( Run Lenght Coding ) - Loại mã hoá ký hiệu nguồn ( Hoặc ký hiệu đầu lợng tử ) có độ dài thay đổi đợc mã hoá thành từ mã có độ dài cố định, tiếp tục mã hoá từ mã thành lần mã hoá Huffman Loại mã hoá đợc áp dụng nhiều phơng pháp ảnh tĩnh, nén Video Mã hoá RLC hiệu gặp loạt ký hiệu giống ( RUN ) xuất liên tiếp ( Ví dụ: 100 bit liền đợc biểu diễn : (0,100); 80 bit liền đợc biểu diễn: ( 1,80 ) Tóm lại, Mỗi RUN đợc biểu diễn cặp Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 29 Báo cáo thực tập Truyền hình số ( LEVEL, RUN ), đó: LEVEL biểu thị giá trị bit hay ký hiệu; RUN biểu thị số lần lặp lại bit hay ký hiệu Các từ mã sau đợc mã hoá RLC lại đợc mã hoá VLC ( Mã hoá Huffman ) III Mã hoá có tổn hao Nguyên lý hệ thống nén giải nén ( mã hoá giải mã ) có tổn hao đợc mô tả nh sau: Dòng bít cha nén Biến Biến đổi đổi TT Lượng Lượng tử tử hoá Q hoá Q Dòng bít nén Mã Mã hoá hoá C C Hệ thống nén có tổn hao Dòng bit nén Giải Giải mã mã D D Giải Giải lượng lượng tử tử R R Biến Biến đổi đổi -1 ngược ngược TT -1 Dòng bít giải nén Hệ thống giải nén có tổn hao Bộ biến đổi T( Transformer ) Bộ biến đổi T áp dụng phép biến đổi 1-1 số liệu đầu vào đầu biến đổi T có cách biểu diễn số liệu thích hợp để nén Về phía giải nén, Ta có biến đổi ngợc T -1 , với chức ngợc số phép biến đổi tiêu biểu đợc liệt kê sau đây: a> Biến đổi dự đoán tuyến tính ( Linear Predictive Transfrom ) * DPCM ( Differrentral Pulse Modulation ) fn + - Sai số dự đoán en = f n - f n Bộ dự đoán Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 Dự đoán f n = f n - 30 Báo cáo thực tập Truyền hình số Thay truyền f n ta truyền sai số dự đoán e n fi 25 35 30 41 72 72 72 83 Dự đoán f i = f i - 25 35 30 41 72 72 72 83 Sai sô dd e n 25 10 -5 11 31 0 11 Trong dòng nhiều Pixel giống nên sai số dự đoán tập trung vào điểm nhiều * Đánh giá bù chuyển động ( Motion Estimation & Compensation ): Đây dạng dự đoán Inter có xét đến chuyển động vật thể ảnh nén Video Ta lấy ảnh cũ gần giống ảnh dự đoán thay truyền ảnh truyền sai số dự đoán véc tơ chuyển động b> Biến đổi Unita ( Unitary Transform ) Biến đổi Unita biến đổi tín hiệu số miền thời gian ( tín hiệu Audio số ) miền không gian 2D ( ảnh tĩnh) thành hệ số miền tần số Biến đổi DCT trờng hợp biến đổi Unita Biến đổi DCT ( Disscrete Cosine Transform ) dựa vào phép biến đổi Fourier để chuyển mảng ảnh từ không gian hai chiều sang miền tần số, để thấy đợc tần số cao đâu tần số thấp đâu, để sau loại bỏ tần số cao c> Biến đổi đa phân giải Biến đổi đa phân giải chia tín hiệu thành tập tín hiệu có độ phân giải khác Một số biến đổi tiêu biểu : + Mã hoá giải ( Subband Coding ) + Biến đổi Wavelet Lợng tử hoá Q( QUuantizer ) giải lợng tử hoá R - LTH trình biểu diễn tập giá trị liên tục ngõ vào lợng giới hạn ký hiêụ ký hiệu ngõ Đây khâu gây tổn hao loại bỏ thông tin không phù hợp ( độ d thừa tâm lý ) hay thông tin quan trọng dĩ nhiên phải chấp nhận độ méo (Độ suy giảm chất lợng) định Về phía giải nén ta có giải lợng tử với chức ngợc lại - Có thể phân biệt hai lợng tử chủ yếu: Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 31 Báo cáo thực tập Truyền hình số + Lợng tử vô hớng (Scalar Quantization ) lợng tử giá trị cách độc lập + Lợng tử vec tơ ( Vector Quantization ) trình biểu diễn tập Vector ( vector gồm nhiều giá trị ) số hữu hạn ký hiệu ngõ - Lợng tử hoá đợc áp dụng cho giá trị miền thời gian, không gian nh hệ số miền tần số Mã hoá ( Coder) giải mã D (Dicoder ) Bộ mã hoá có hai nhiệm vụ: - Loại bỏ độ d thừa ký tự ngõ lợng tử hoá - ánh xạ ký tự thành từ mã hợp thành dòng bit Bộ mã hoá mã hoá ký hiệu - mã hoá entropy sử dụng mô hình thống kê để mã hoá Các loại mã hoá thông dụng thờng đợc sử dụng VLC, RLC phía giải nén ta có giải mã D với chức ngợc lại IV Nén Video M- JPEC Nén M-JPEC xử lý ảnh độc lập Nguồn ảnh đen trắng Y ( bit, từ 0ữ255 mức ), nguốn ảnh màu ( Y: C R : CB = :2:2 ) - Ta dịch mức bỏ thành phần DC để thành tín hiệu AC - Từng khối Block ( 8x8) qua biến đổi DCT, ta có Block ( 8x8) hệ số DCT - Lợng tử hoá: * Nếu lợng tử hoá tinh có độ xác cao nhiều bit.Vì vậy, dùng cho miền tần số quan trọng ( DC tần số thấp ) * Nếu lợng tử hoá thô, độ xác thấp, bit Vì vậy, dùng cho miền tần số quan trọng ( tần số cao ) * Quá trình lợng tử hoá nh sau: + Block(8x8) giá trị độ chói Block ( 8x8) hệ số DCT Block ( 8x8) hệ số DCT lợng tử hoá - Sau lợng tử ta tách DC AC lấy DC ảnh trớc trừ DC ảnh sau - AC đợc quét ZIgZag tức ghi hệ số AC ra, sau đợc 64 ô - Hệ số DC đợc biến đổi DPCM, hệ số AC có ô đầu có giá trị, ô sau Ta cắt bỏ EOB ( EOB: Giá trị bắt đầu 0) Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 32 Báo cáo thực tập Truyền hình số - Tiến hành mã hoá ( Mã hoá VLC + RLC ) Vậy, Quá trình Nén Video M- JPECG có ba bớc chính: + Biến đổi DCT + Lợng tử hoá + Mã hoá V Cấu trúc dòng bit MPEG 1,2 1.Cấu trúc + GOP ( Group of Picture ) : Nhóm ảnh + Một Sequence có nhiều GOP ( 1GOP có nhiều ảnh- picture) + Một ảnh có nhiều Slice { Một Slice có nhiều Macro-Blook (16x16 pixel )} + Một Macro-Block gồm nhiều Blook ( 8x8pixel) Nếu ảnh đen trắng Macro -Blook gồm bốn Blook, ảnh màu tuỳ thuộc vào tiêu chuẩn (4 : : 4) hay( 4: : ) hay(4 : 1: ); (4:2:0 ) Trong đó: + Block (8x8 pixel) : đơn vị để tính DCT + Macro - Blook: Đơn vị để tính bù chuyển động + Slice: Đơn vị sửa lỗi đờng truyền + Picture ( I,P,B ): Để định đơn vị nén không gian hay thời gian + GOP: Đơn vị để truy nhập nhóm ảnh, bắt đầu ảnh I sau lần ảnh P,B Khi mà cắt, dán, dựng ta phải bắt đầu nhóm ảnh I ( Intra Coded Picture )- ảnh mã trong: Nén ảnh nén ảnh không gian hay nén Intra hay nén I, tức dựa vào thông tin ảnh để nén, ảnh đợc dùng để dự đoán ảnh P,B P ( Predected Picture ) -ảnh dự báo: Nén ảnh nén thời gian hay nén ảnh Inter - nén ảnh P, dựa vào thông tin ảnh ảnh trớc để thông báo B (Bidirectionlly Predected Picture )- ảnh dự đoán hai chiều: Nén ảnh nén ảnh thời gian hay nén Inter - nén ảnh B, dựa vào thông tin ảnh, ảnh trớc ảnh sau để nén Sau nén ảnh, ảnh nén phải đợc truyền theo thứ tự nén để đầu hiểu đợc ( giải mã đợc ) Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 33 Báo cáo thực tập Truyền hình số Nén không gian ( Nén Intra )- ảnh I CCIR -601 Y Cr Blook Blook và MB MB Bảng Huffman DPCM DPCM 2D 2D -DCT DCT Q Q Zig Zig -Zag -Zag RLC RLC VLC VLC Buffre Buffre Đệm Đệm Cb Điều khiển tốc độ bit - Nén tơng tự nén M- JPEG nhng có thêm số giá trị phụ khác chọn bảng lợng tử bảng Hufman để nén ảnh động - ảnh tĩnh nén đợc nhiều hơn, ảnh động nén đợc Vì vậy, có Blook nén đợc nhiều có Blook nén đợc Nên tốc độ bít Blook khác Vì vậy, cần có Bộ đệm để khống chế tốc độ bit tối thiểu tối đa để đầu thu nhận dạng đợc dễ dàng - Bộ đệm để chứa liệu đợc, nhng đầu ta phải khống chế tốc độ bit (có thời gian trễ ) Khi Bộ đệm tràn ta đa thông tin Q ( điều khiển lợng tử hoá ) để giảm tốc độ bit cho dù chất lợng ảnh xấu ngợc lại Tóm lại, Bộ đệm dùng để khống chế tốc độ bit đầu nh Khi ghép kênh ta phải khống chế tốc độ bit tối đa - Khi chọn tốc độ bit đệm, xảy trờng hợp Overflow Underflow( tràn cạn ) ta đa hệ thống Scaling Q để can thiệp vào bảng lợng tử, chia thêm hệ số giảm chất lợng hình ảnh giảm tốc độ bit tăng hệ số để tăng tốc độ bit - Hệ số thang độ lợng tử để khống chế tốc độ bit đầu không vợt dải thông cho phép Nén thời gian ( Nén Inter) - ảnh P,B - Cơ sở nén ảnh P,B đánh giá chuyển động bù chuyển động Thay truyền MB ( Macro Blook ) ảnh ta truyền véc tơ chuyển động ảnh so với ảnh trớc truyền sai số hai MB hai ảnh Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 34 Báo cáo thực tập Truyền hình số Trong ba loại nén I,P,B nén ảnh B tốt nhất, ảnh P đến ảnh I ( xét tốc độ bit Các đặc tính riêng MPEG a> Hỗ trợ đợc nhiều dạng Video vào, đặc biệt dạng thức có độ phân giải cao, quét xen kẽ ( MPEG- quét liên tục ) b> Cú pháp dòng bit MPEG- mở rộng dòng bit MPEG- c> MPEG - MPEG- tơng hợp với ( tơng thích thuận nghịch lên, xuống ) d> Khả co dãn ( Scalability)- phân chia thành nhiều lớp ( layer ) - Khả giải nén phần dòng tín hiệu, tạo tín hiệu có chất lợng Nh vậy, Ta có cấp chất lợng khác giải nén khác - Cộng lớp theo theo thời gian đến phía thu, nh phía phát lớn, tốn phức tạp nhng phía thu thuận tiện - Nếu phía thu muốn đơn giản phải nén lớp bản, phía thu phức tạp giải nén lớp nâng cao Nếu phía thu giải nén tịa lớp nâng cao ảnh nh cũ, có sai số Nén Nén Lớp ảnh nâng cao X4 X4 Chia Chia 44 Chia Chia 1/16 1/16 Nén Nén Giải Giải nén nén Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 Nén Nén X4 X4 Giải Giải nén nén 35 Báo cáo thực tập Truyền hình số Số ảnh 1/4 ảnh 1/4 ảnh 1/6 Lớp Lớp nâng cao Giải nén Giải Lớp nâng cao nén Giải nén X4 X4 ( ảnh 1/16 ) ( ảnh 1/4 ) ( ảnh ) - Co dãn co dãn không gian (chỉ co dãn không gian ảnh ) e> Phân chia thành nhiều Profile, nhiều level thích hợp với lĩnh vực ứng dụng Cao cao 1440 Chính Thấp Profile Đơn giản Chính Profile S/N Kgi cao Nén ảnh I,P : : Nén ảnh B : : Co dãn S/N Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 36 Báo cáo thực tập Truyền hình số Co dãn Kgi Hỗ trợ : : * Level : Đặc trng cho mức đọ phức tạp dạng thức Video (Độ phân giải không gian, thời gian ), có mức: - Low Level: 352 x240 x 30 352 x 288 x 25 - Main Level : 720 x 480 x 25 720 x 576 x25 - High 1440 level : 1440 x 1080 x 30 1440 x 1125 x 25 - High level: 1920 x 1080 x 30 1920 x 1152 x 25 * Profile : Đặc trng cho mức độ phức tạp công cụ nén ( kỹ thuật nén đợc sử dụng ).Các Profile cao gồm công cụ profile thấp Khi MPEG -2 đời có profile nh sau: - Simple Profile: Nén ảnh I, P : : - Main Profile: Nén ảnh I,P,B : : - SNR Scalable Profile : nén ảnh I, P, B : : 0, kết hợp co dãn SNR - High Profile : nén ảnh I, P, B : : : : kết hợp co dãn không gian co dãn SNR * Lỗi MPEG - dùng tiêu chuẩn : : 0, truyền dẫn phát sóng vấn đề gì, nhng làm kỹ xảo dựng chơng trình thờng bị kẹt ( giảm chất lợng) Vì vậy, để sản xuất chơng trình sử dụng : : nhng : : lại có co dãn mà sản xuất chơng trình không cần Vì thế, MPEG đa profile : : chèn thêm vào để giải vấn đề sản xuất chơng trình truyền hình * Lợng tử hoá bit: S/N = 6n + Ví dụ : Lớp : n = bit Lớp nâng cao 1: n = bit Lớp nâng cao 2: n = bit Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 37 Báo cáo thực tập Truyền hình số S/N lớp lớn S/N lớp nâng cao Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 38 [...]... Nén tín hiệu số I Tổng quát về nén tín hiệu số 1.Khái niêm chung a> Định nghĩa: Nén tín hiệu số là biểu diễn tín hiệu tín hiệu số với số bit ít hơn nhng thông tin phải đợc bảo toàn hoặc mất mát có thể chấp nhận đợc Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 26 Báo cáo thực tập Truyền hình số cơ bản Các loại nén: + Nén tín hiệu số : Digital Signal Compression + Nén số liệu : Data Compression + Giảm số liệu : Data... khuyến cáo CCIR.601 về tiêu chuẩn mã hoá Video số chung cho cả hai hệ thống 525 và 625 dòng Theo tiêu chuẩn này, Tín hiệu Video đợc số hoá là tín hiệu Video thành phần bao gồm tín hiệu chói Y và hai tín hiệu màu CR và CB hoặc ba thành phần màu cơ bản ( R,G,B ) Sau đây là bảng thông số chính cho tín hiệu truyền hình số theo tiêu chuẩn CCIR.601: Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 25 Báo cáo thực tập Truyền hình. . .Báo cáo thực tập Truyền hình số cơ bản Dòng 310 Dòng 311 Dòng 335 Dòng 336 Dòng 623 Dòng 624 Dòng 625 64 às Hình 2 -6: Mối quan hệ giữa mành số và mành tơng tự Ta có thể tính đợc các thông số của tín hiệu Video số: - Số dòng tích cực của một ảnh:625 - (24+25) = 576 dòng - Số từ mã tích cực dành cho dữ liệu Video: 1440 x 576 = 829.440 từ mã / mành - Tổng số từ mã/ảnh: (1440 +... thì phải nén tại lớp cơ bản, phía thu phức tạp hơn thì giải nén tại lớp nâng cao 1 Nếu phía thu giải nén tịa lớp nâng cao 2 thì ảnh nh cũ, chỉ có sai số Nén Nén Lớp ảnh nâng cao X4 X4 Chia Chia 44 Chia Chia 1/16 1/16 Nén Nén Giải Giải nén nén Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 Nén Nén X4 X4 Giải Giải nén nén 35 Báo cáo thực tập Truyền hình số cơ bản Số ảnh 1/4 ảnh 1/4 ảnh 1/6 Lớp cơ bản Lớp nâng cao 1... - f n Bộ dự đoán Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 Dự đoán f n = f n - 1 30 Báo cáo thực tập Truyền hình số cơ bản Thay truyền f n ta truyền sai số dự đoán e n fi 25 35 30 41 72 72 72 83 Dự đoán f i = f i - 1 0 25 35 30 41 72 72 72 83 Sai sô dd e n 25 10 -5 11 31 0 0 11 Trong một dòng nhiều Pixel giống nhau nên sai số dự đoán tập trung vào điểm 0 nhiều * Đánh giá bù chuyển động ( Motion Estimation &... Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 33 Báo cáo thực tập Truyền hình số cơ bản 2 Nén không gian ( Nén Intra )- ảnh I CCIR -601 Y Cr Blook Blook và và MB MB Bảng Huffman DPCM DPCM 2D 2D -DCT DCT Q Q Zig Zig -Zag -Zag RLC RLC VLC VLC Buffre Buffre Đệm Đệm Cb Điều khiển tốc độ bit - Nén này tơng tự nén M- JPEG nhng có thêm một số giá trị phụ khác và có thể chọn bảng lợng tử và bảng Hufman để nén ảnh động - ảnh... K9 31 Báo cáo thực tập Truyền hình số cơ bản + Lợng tử vô hớng (Scalar Quantization ) là lợng tử từng giá trị một cách độc lập + Lợng tử vec tơ ( Vector Quantization ) là quá trình biểu diễn một tập Vector ( mỗi vector gồm nhiều giá trị ) bằng một số hữu hạn các ký hiệu ngõ ra - Lợng tử hoá có thể đợc áp dụng cho các giá trị trong miền thời gian, không gian cũng nh các hệ số trong miền tần số 3 Mã... ảnh trớc trừ DC ảnh sau - AC đợc quét ZIgZag tức là ghi các hệ số AC ra, sau đó đợc 64 ô - Hệ số DC đợc biến đổi DPCM, còn các hệ số AC chỉ có các ô đầu là có giá trị, các ô về sau nó sẽ bằng 0 Ta cắt bỏ tại EOB ( EOB: Giá trị bắt đầu bằng 0) Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 32 Báo cáo thực tập Truyền hình số cơ bản - Tiến hành mã hoá ( Mã hoá VLC + RLC ) Vậy, Quá trình Nén Video M- JPECG có ba bớc chính:... 2bit/pixel (tỉ số nén 4:1, 75% ( Symbol ) ( Symbol ) 2 Bản chất của nén a> Các thành phần thông tin - Thông tin chứa trong một tín hiệu có thể đợc chia làm hai thành phần chính: + Lợng tin hay entropy hay độ bất định ( uncertainty ) + Độ d thừa ( redemdancy ) - Tuỳ theo nội dung của thông tin, phần entropy lại đợc chia thành 2 phần: Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 27 Báo cáo thực tập Truyền hình số cơ bản +... P,B là đánh giá chuyển động và bù chuyển động Thay vì truyền MB ( Macro Blook ) của ảnh ta chỉ truyền véc tơ chuyển động của ảnh so với ảnh trớc và truyền sai số giữa hai MB của hai ảnh Trần Thanh Hơng Lớp KSII K9 34 Báo cáo thực tập Truyền hình số cơ bản Trong ba loại nén I,P,B thì nén ảnh B tốt nhất, ảnh P rồi đến ảnh I ( xét về tốc độ bit 4 Các đặc tính riêng của MPEG 2 a> Hỗ trợ đợc nhiều dạng