Nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật nén và truyền ảnh qua mạng internet

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN TUÂN ANH ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT NÉN VÀ TRUYỀN ẢNH QUA MẠNG INTERNET LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: NGUYỄN VĂN KHANG HÀ NỘI – 2010 MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.2 Nội dung nghiên cứu 1.3 Mục tiêu đề tài 15 CHƯƠNG II: KỸ THUẬT VIDEO SỐ 17 2.1 Kỹ thuật nén Video số .17 2.1.1 Khái niệm 17 2.1.2 Mô hình nén ảnh 17 2.2 Các đặc điểm nén tín hiệu số 18 2.2.1 Xác định hiệu trình nén tín hiệu số .18 2.2.2 Độ dư thừa số liệu .19 2.2.3 Sai lệch bình phương trung bình .19 2.3 Các phương pháp nén 20 2.3.1 Nén không tổn hao 20 2.3.2 Nén có tổn hao 21 2.4 Tiêu chuẩn nén MPEG 22 2.4.1 Cấu trúc ảnh 22 2.4.2 Nhóm ảnh (GOP- Group Of Picture) 23 2.4.3 Cấu trúc dòng bit MPEG Video 24 2.5 Tiêu chuẩn nén MPEG-2 .25 2.5.1 Đặc tính định mức (profile and level) 25 2.5.2 MPEG-2 4:2:2P@ML .27 2.6 Tiêu chuẩn nén H.264 28 2.6.1 Giới thiệu chung CODEC H.264 28 2.6.2 Cấu trúc .30 2.6.3 Profile 35 2.6.4 Một số kỹ thuật H.264 .36 2.6.5 Các đặc điểm bật thiết kế H.264 48 CHƯƠNG III: CẤU TRÚC GÓI DỮ LIỆU 53 3.1 Lớp mã hóa video 53 3.2 Lớp đóng gói Video 54 3.3 Lớp cấu trúc dòng truyền tải 57 3.4 Lớp giao thức truyền tải thời gian thực( tùy chọn) .61 3.5 Lớp truyền tải 65 3.6 Lớp IP .72 3.7 Lớp liên kết liệu 79 3.8 Lớp vật lí 81 CHƯƠNG IV: THỬ NGHIỆM NÉN ẢNH VÀ TRUYỀN ẢNH 83 4.1 Đặt vấn đề 85 4.2 Thử nghiệm nén ảnh 85 4.3 Truyền ảnh đánh giá đường truyền qua mạng .88 4.3.1 Cách thiết lập mạng vô tuyến hai máy tính .89 4.3.2 Truyền ảnh qua mạng Peer to Peer 92 KẾT LUẬN .102 TÀI LIỆU THAM KHẢO .105 DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG Hình 1.1: Hội tụ truyền thông Hình 1.2: Truyền tải chương trình IP .10 Hình 1.3: Mạng ngang hàng .14 Hình 2.1: Mô hình hệ thống nén Video 17 Hình 2.2: Sự phối hợp kỹ thuật JPEG MPEG 20 Hình 2.3: Dự đoán bù chuyển động chiều hai chiều 23 Hình 2.4: Kiến trúc dòng Video MPEG .24 Hình 2.5: Cấu trúc số liệu nén ảnh MPEG 24 Hình 6: Sơ đồ mã hoá 28 Hình 2.7: Sơ đồ mã hoá cụ thể 29 Hình 2.8: Sơ đồ giải mã 30 Hình 2.9: cấu trúc mã hoá liệu H.264 30 Hình 2.10: Chuỗi đơn vị NAL .31 Hình 11: Slices .31 Hình 2.12: Cấu trúc slice .33 Hình 2.13: MacroBlock .33 Hình 2.14: Ảnh tham chiếu bù chuyển động 34 Hình 2.15: Các profile 35 Hình 2.16: Dự đoán nội suy 36 Hình 2.17: Dự đoán intra 4x4 37 Hình 2.18: Các chế độ dự đoán intra_4x4 37 Hình 2.19: Các chế độ dự đoán intra_16x16 .38 Hình 2.20: Phân mảnh macroblock 39 Hình 2.21: Phân mảnh submacroblock 39 Hình 2.22: Tính nội suy cho chuyển động có khoảng cách không nguyên 40 Hình2.23: Minh họa dự đoán bù chuyển động đa khung 42 Hình 2.24: Dự đoán liên khung slice B .43 Hình 2.25: Ví dụ khung hình sử dụng lọc Deblocking .46 H.2.26: So với số chuẩn nén khác 52 Hình 3.1: Mô hình giao thức .53 Hình 3.2: Cấu trúc khối NAL 54 Hình 3.3: Định dạng gói MPEG PES 55 Hình 3.4: Định dạng gói MPEG TS 57 Hình 3.5: Ánh xạ gói truy cập AVC sang gói MPEG PES 58 Hình 3.6: Ứng dụng nhãn thời gian với gói MPEG PES .58 Hình 3.7: Mối liên hệ PMT PAT 60 Hình 3.8: Định dạng RTP header .62 Hình 3.9: Các gói MPEG TS .63 Hình 3.10: Ánh xạ nội dung H264/AVC ( khối NAL riêng biệt ) sang RTP payload 64 Hình 3.11: Ánh xạ nội dung H264/AVC ( nhiều khối NAL riêng biệt ) 64 sang RTP payload 64 Hình 3.12: Ánh xạ nội dung H264/AVC NAL sang nhiều RTP payload 65 Hình 3.13: Cơ chế điều khiển luồng TCP .66 Hình 3.14: Quá trình truyên thông mạng IPTV 68 Hình 3.15: Định dạng datagram dựa UDP 71 Hình 3.16: Định dạng gói video IPv4 73 Hình 3.17: Các lớp địa IP .76 Hình 3.18: Cấu trúc header IPv6 78 Hình 4.1: Mô hình đo PSNR 85 Hình 4.2 Một picture news_rev.mp4 ứng với PSNR >20(dB) 100 Hình 4.3 Một picture news_rev.mp4 ứng với PSNR > mp4trace -f -s 192.168.0 12346 –l 100 –t UDP –m stream a03.mp4 Bước 2: Tiến hành đánh giá gói bên sender >> windump.exe -n -tt -v udp port 12346 > sd_a03 92 Kết nhận file sd_a03 sau: Bước 3: Tiến hành đánh giá gói bên receiver >> windump -n -tt -v udp port 12346 > rd_a03 Kết nhận file rd_a03 sau: TỔNG KẾT Sau bước đánh giá liệu truyền file qua mạng ta thu kết cuối sau: 93 Bước 4: Đánh giá gói truyền bên sender receiver >> etmp4 -F -x sd_a03 rd_a03 st_a03 a03.mp4 a03e Kết nhận sau: Sau thực lệnh ta thu file: • Loss_a01e.txt • Delay_a01e.txt • Rate_s_a01e.txt • Rate_r_a01e.txt 94 Bước 5: Đánh giá tham số PSNR gói truyền Sử dụng file trình truyền sd_a03, rd_a03, st_a03 dùng chương trình Etmp4.exe để tái tạo lại file “news_rev.mp4” >> etmp4 sd_a03 rd_a03 st_a03 a03.mp4 news_rev Dùng ffmpeg.exe để giải nén file “news_rev.mp4” thành file “news_rev_cfi.yuv” Vào môi trường Linux cygwin chạy lệnh >> ffmpeg -i news_rev.mp4 news_rev_cfi.yuv Tiếp đến ta dùng psnr.exe để so sánh tính toán PSNR file phía thu sau giải mã “news_rev_cfi.yuv” file phía phát “a03_ref.yuv” >>psnr 352 288 420 a03_ref.yuv news_rev_cfi.yuv > psnr_news_rev_cfi.txt Ta có kết tính toán sau Frame PSNR Frame PSNR 11.08 151 33.17 11.07 152 32.84 11.08 153 48.67 11.06 154 32.86 11.06 155 33.12 11.06 156 33.16 11.06 157 34.85 11.09 158 33.51 11.06 159 33.44 10 11.07 160 31.28 11 11.07 161 29.64 12 11.08 162 29.4 95 13 11.09 163 28.89 14 11.08 164 29.66 15 11.08 165 29.57 16 11.08 166 29.35 17 11.07 167 29.27 18 11.09 168 29.37 19 11.07 169 29.45 20 11.08 170 29.69 21 11.07 171 29.57 22 11.08 172 29.44 23 11.09 173 29.49 24 11.07 174 29.3 25 11.06 175 29.12 26 11.06 176 28.98 27 11.05 177 28.95 28 11.08 178 28.41 29 11.05 179 27.91 30 33.05 180 26.38 31 33.73 181 24.86 32 33.64 182 23.88 33 49.89 183 23.29 34 34.32 184 23.08 35 35.14 185 22.74 36 32.43 186 22.53 37 31.91 187 22.35 38 30.62 188 22.25 39 31.71 189 22.13 40 31.36 190 22.05 41 31.16 191 22.01 42 30.91 192 21.91 43 31.43 193 21.76 44 31.72 194 21.74 45 30 195 21.58 46 29.16 196 21.51 47 28.82 197 21.51 48 28.64 198 21.58 49 28.96 199 21.55 50 29.25 200 21.67 51 29.28 201 21.69 96 52 29.21 202 21.7 53 28.16 203 21.62 54 28.11 204 21.62 55 27.49 205 21.53 56 27.2 206 21.47 57 27.17 207 21.43 58 26.87 208 21.39 59 27.16 209 21.42 60 26.75 210 21.4 61 26.36 211 21.47 62 25.94 212 21.46 63 25.23 213 21.39 64 25.52 214 21.3 65 25.41 215 21.36 66 25 216 21.37 67 24.86 217 21.25 68 24.73 218 21.26 69 24.64 219 21.26 70 24.62 220 21.31 71 24.72 221 21.36 72 25.06 222 21.38 73 24.96 223 21.4 74 24.99 224 21.44 75 24.96 225 21.41 76 24.99 226 21.41 77 25.24 227 21.41 78 25.37 228 21.36 79 24.99 229 21.35 80 25.06 230 21.27 81 24.86 231 21.27 82 24.82 232 21.3 83 25.19 233 21.37 84 24.92 234 21.42 85 24.89 235 21.48 86 24.91 236 21.54 87 24.95 237 21.58 88 25.38 238 21.54 89 25.18 239 21.59 90 18.8 240 21.63 97 91 25.09 241 17.8 92 25.94 242 17.87 93 35.57 243 17.95 94 27 244 17.96 95 28.34 245 18.05 96 29.75 246 18.06 97 27.66 247 18.07 98 26.41 248 17.98 99 26.25 249 17.97 100 27.66 250 17.97 101 26.99 251 18.12 102 26.91 252 18.25 103 27.51 253 18.32 104 26.3 254 18.3 105 25.92 255 18.22 106 25.27 256 18.26 107 25.2 257 18.31 108 28.42 258 18.25 109 25.41 259 18.27 110 25.52 260 18.14 111 25.44 261 17.98 112 25.11 262 17.9 113 28.8 263 17.93 114 25.37 264 17.93 115 25.7 265 17.97 116 25.7 266 17.93 117 25.78 267 17.85 118 28.4 268 17.83 119 26.01 269 17.83 120 29.94 270 17.77 121 30.17 271 17.78 122 30.4 272 17.84 123 50.14 273 17.82 124 29.91 274 17.8 125 29.61 275 17.85 126 29.5 276 17.84 127 28.38 277 17.78 128 44.94 278 17.6 129 27.93 279 17.59 98 130 27.73 280 17.66 131 27.84 281 17.61 132 26.57 282 17.62 133 42.18 283 17.72 134 26.02 284 17.72 135 26.1 285 17.64 136 26.44 286 17.7 137 26.23 287 17.93 138 43.71 288 17.91 139 25.92 289 17.79 140 25.61 290 17.79 141 25.4 291 17.87 142 25.61 292 18.05 143 26.04 293 18.46 144 26.04 294 18.4 145 27.19 295 18.55 146 28.71 296 18.35 147 18.24 297 18.32 148 18.09 298 18.1 149 18.11 299 18.09 150 18.17 Bảng 4.2 Kết PSNR file phía thu sau giải mã news_rev_cfi.yuv so với file phía phát a03_ref.yuv PSNR 60 PSNR(dB) 50 40 30 PSNR 20 10 18 35 52 69 86 103 120 137 154 171 188 205 222 239 256 273 290 Frame Bảng 4.3 Kết PSNR file phía thu sau giải mã news_rev_cfi.yuv so với file phía phát a03_ref.yuv 99 Xem lại đoạn video tái tạo lại ta thấy có số thời điểm chất lượng bị suy giảm nghiêm trọng, méo hình, dừng hình hình bị nhòe so với trước truyền Về tổng thể, trừ số thời điểm suy giảm nhiều, ta xem đoạn video Hình 4.2 Một picture news_rev.mp4 ứng với PSNR >20(dB) Hình 4.3 Một picture news_rev.mp4 ứng với PSNR