Nghiên cứu hoạt động và ứng dụng của chuẩn H.265

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc - NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Trần Quang Chiến.…………… MSHV: CB120613 Khoá: 2012B…… Viện: Điện tử - Viễn thông … Ngành: Điện tử - Viễn thông Đầu đề đồ án: ……………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………… Các số liệu liệu ban đầu: …………………………………… …………………………………………… …… …………… ……………………………………………………………………………………………………… ……………………….… ……………………… …………………………… Nội dung phần thuyết minh tính tốn: ……………………………………………………………………………………………………… ……… … ……………………………………………………………………………………………………… …………………………… ….………………………… Các vẽ, đồ thị ( ghi rõ loại kích thước vẽ ): ……………………………………………………………………………………………………… ………… …… … ……………………………………………………………………………………………………… ………………… ……….…………… Họ tên giảng viên hướng dẫn: TS NGÔ VŨ ĐỨC Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….……… Ngày hoàn thành đồ án: …………………………………………………………… Chủ nhiệm Bộ môn Ngày tháng năm Giảng viên hướng dẫn Sinh viên hoàn thành nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm Cán phản biện Nghiên cứu hoạt động ứng dụng chuẩn H.265 Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Trần Quang Chiến…………… MSHV: CB120613 Khố: 2012B……… Viện: Điện tử - Viễn thơng … Ngành: Điện tử viễn thông Giảng viên hướng dẫn: TS NGÔ VŨ ĐỨC Cán phản biện: Nội dung thiết kế tốt nghiệp: Nhận xét cán phản biện: Ngày tháng năm Cán phản biện ( Ký, ghi rõ họ tên ) Nghiên cứu hoạt động ứng dụng chuẩn H.265 Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ LỜI NĨI ĐẦU Để sâu vào nghiên cứu chuẩn nén H.265/HEVC, cần nắm thuật ngữ, kỹ thuật cần thiết cho việc nén tín hiệu, ưu nhược điểm chuẩn nén trước mang lại.Vì đề tài lý thuyết, nên bước quan trọng trình làm Đồ án tốt nghiệp tìm kiếm tài liệu tổng hợp thành chuỗi kiến thức liên tục tránh lang man yếu tố thuyết phục người tham khảo quan trọng, bên cạnh trình bày chi tiết cách thức nén, em cố gắng mô phần ưu điểm chuẩn nén nhằm góp phần sinh động cho đề tài TỔ CHỨC ĐỒ ÁN Đồ án trình bày thành chương phụ lục Chương I: Trình bày sở nén tín hiệu video, thơng số đặc trưng tín hiệu số q trình biến đổi tín hiệu màu, phân loại nguyên lý nén Chương II: Trình bày kỹ thuật sử dụng nén Video, phép biến đổi kỹ thuật mã hóa, tiêu chuẩn đáng giá chất lượng ảnh nén MSE, PSNR, MAE,SAE … Chương III: Trình bày chuẩn nén thuộc họ MPEG, cấu trúc dòng bit, ưu điểm đạt Chương IV: Trình bày chuẩn nén tiên tiến nay: H.265/HEVC, đặc tính bật kỹ thuật chuẩn nén Chương V: Nêu lên điểm tối ưu chuẩn H.265/HEVC so với chuẩn MPEG-4 H.264/AVC Chương VI: Mô để thấy rõ khác biệt HEVC H.264/AVC Tuy nhiên, kinh nghiệm hạn chế, đồng thời H.265/HEVC kỹ thuật giai đoạn nghiên cứu phát triển, nên chắn luận văn khơng tránh khỏi sai sót, kính mong Q Thầy Cơ, bạn bè đồng nghiệp đóng góp ý kiến nhằm hoàn thiện tốt luận văn tốt nghiệp Học viên thực hiện: Trần Quang Chiến Nghiên cứu hoạt động ứng dụng chuẩn H.265 Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ TÓM TẮT ĐỒ ÁN “ Nghiên cứu hoạt động ứng dụng chuẩn H.265” Nghiên cứu hoạt động ứng dụng chuẩn H.265 Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ ABSTRACT “ Reseach operations and applications of H.265 ” Nghiên cứu hoạt động ứng dụng chuẩn H.265 Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI NÓI ĐẦU TỔ CHỨC ĐỒ ÁN TÓM TẮT ĐỒ ÁN ABSTRACT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 10 Chương 1.1 Cơ sở nén tín hiệu Video .12 Sự cần thiết nén tín hiệu .12 1.2 Quá trính số hóa tín hiệu 13 1.2.1 Lấy mẫu 13 1.2.2 Lượng tử hóa 13 1.2.3 Mã hóa 15 1.3 Tốc độ bít thơng lượng kênh truyền tín hiệu số 15 1.3.1 Tốc độ bit 15 1.3.2 Thơng lượng kênh truyền tín hiệu số 15 1.4 Q trình biến đổi tín hiệu màu 16 1.5 Các tiêu chuẩn lấy mẫu video tín hiệu số 17 1.6 Mơ hình nén tín hiệu Video .18 1.6.1 Nén tín hiệu Video 19 1.6.2 Lượng tin trung bình 19 Chương 2.1 Các kĩ thuật nén Video 22 Phân loại kĩ thuật nén .22 2.2 Quá trình biến đổi .22 2.2.1 Điều xung mã vi sai DPCM 23 2.2.2 Mã hóa biến đổi 23 2.3 Quá trình lượng tử 25 2.3.1 Lượng tử vô hướng 25 2.3.2 Lượng tử vector 26 2.4 Quá trình mã hóa 27 2.4.1 Mã hóa độ dài thay đổi 27 2.4.2 Mã hóa số học 29 2.5 Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng ảnh nén 31 Chương 3.1 Các chuẩn nén thuộc họ MPEC trước H.265/HEVC 33 Giới thiệu lịch sử phát triển chuẩn MPEG 33 3.2 Các tiêu chuẩn nén trước H.265/HEVC 33 3.2.1 Tiêu chuẩn MPEC-1 33 Nghiên cứu hoạt động ứng dụng chuẩn H.265 Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ 3.2.2 3.2.3 3.2.4 Tiêu chuẩn MPEG-2 36 Tiêu chuẩn MPEC-4 38 Tiêu chuẩn H.264 39 Chương Chuẩn nén H.265/HEVC 44 4.1 Tổng quan chuẩn nén H.265/HEVC .44 4.1.1 Lịch sử phát triển chuẩn nén H.265/HEVC 44 4.1.2 Lịch trình triển khai sản phẩm liên quan 44 4.1.3 Các profiles levels chuẩn HEVC 50 4.2 Kĩ thuật nén video HEVC 52 4.2.1 Giải thích hoạt động 52 4.2.2 Cấu trúc Mã hóa (Coding Structure) 55 Chương 5.1 Những điểm tối ưu HEVC so với H.264/AVC 60 Sự tối ưu lý thuyết 60 5.2 Sự khác biệt qua mơ với hình ảnh cụ thể .62 5.2.1 Trong H.264/AVC 63 5.2.2 Trong HEVC 65 5.2.3 So sánh HEVC H.264/AVC 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT – ANH 75 PHỤ LỤC 79 Nghiên cứu hoạt động ứng dụng chuẩn H.265 Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Sơ đồ q trình tạo tín hiệu số 14 Hình 1-2 Q trình biến đổi tín hiệu màu 16 Hình 1-3 Các tiêu chuẩn lấy mẫu phổ biến 18 Hình 1-4 Sơ đồ khối nén tín hiệu video 18 Hình 2-1 Mơ hình hệ thống nén tổn hao 23 Hình 2-2 Bộ mã hóa giải mã DPCM 23 Hình 2-3 Quá trình lượng tử vector .26 Hình 2-4 Cây mã Huffman 27 Hình 2-5 Minh họa mã hóa RLC 28 Hình 2-6 Minh họa xếp khoảng [0-1] thành vùng nhỏ sau ký hiệu mã hóa 30 Hình 3-1 Quá trình phát triển kĩ thuật nén MPEG qua giai đoạn 33 Nghiên cứu hoạt động ứng dụng chuẩn H.265 Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ DANH MỤC BẢNG BIỂU Nghiên cứu hoạt động ứng dụng chuẩn H.265 Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh Thuật ngữ tiếng Việt IP TCP Internet Protocol Transmission Control Giao thức Internet Giao thức điều khiển truyền vận JPEG Protocol Joint Photographic Experts MJPEG Group Motion JPEG Ảnh JPEG động SOF Start Of Frame Bắt đầu khung EOF End Of Frame MAC Medium Access Control Kết thúc khung Điều khiển truy nhập môi ROM Read Only Memory trường Bộ nhớ đọc RAM Ramdom Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên 10 SDRAM Synchronous Dynamic RAM RAM động đồng 11 MMU Khối quản lý nhớ 12 IPC Memory Management Unit Inter-Process 13 USB Universal Serial Bus 14 MCU Microcontroller Unit 15 ADC Analog- Digital Converter 16 COM Component Object Model 17 EDK Embedded Development Kit phần Kit phát triển nhúng 18 IIC hay I2C Inter-Intergrated Circuit Mạch liên tích hợp 19 PC Personal Computer Máy tính cá nhân 20 RX Receive Data Nhận liệu 22 TX Transmit Data Truyền liệu 23 24 LAN TFTP Local Area Network Trivial File Transfer Mạng cục Giao thức truyền tệp tin đơn Communication Nghiên cứu hoạt động ứng dụng chuẩn H.265 Giao tiếp tiến trình nội Kênh truyền nối tiếp phổ biến Khối vi điều khiển Bộ chuyển đổ tương tự- số Mơ hình đối tượng thành Trang 10 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ 54 600 49 500 44 400 39 300 34 Time [s] PSNR [dB] Comparison 300 frames IBBBBBBB IDR Comparison 300 frames IBBBBBBB IDR HEVC-mobile H264-mobile 29 200 H264-mobile HEVC-mobile 100 24 2000400060008000 0 2000400060008000 Bitrate [kbit/s] Bitrate [kbit/s] Trong ví dụ thấy tốc độ bit thấp HEVC h.264 cung cấp gần chất lượng, thời gian HEVC nhanh nhiều Kể từ 400kbit / s HEVC tăng 1,5-2dB PSNR so với H.264 Nghiên cứu hoạt động ứng dụng chuẩn H.265 Trang 71 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ Comparison 300 frames IBBBBBBB IDR Comparison 300 frames IBBBBBBB IDR 69 2500 64 2000 59 1500 49 Time [s] PSNR [dB] 54 44 1000 39 34 29 HEVC-news H264-news 24 2000 4000 6000 500 0 Bitrate [kbit/s] H264-NEWS HEVC-news 2000 4000 6000 Bitrate[kbit/s] Trong ví dụ ta lại thấy HEVC đòi hỏi thời gian xử lý cao nhiều so với H.264/AVC Tuy nhiên hình bên trái ta thấy HEVC cho mức PSNR cao H.264 tốc độ bit tăng Nghiên cứu hoạt động ứng dụng chuẩn H.265 Trang 72 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Nguyễn Thanh Bình, Ths Võ Nguyễn Quốc Bảo, “Xử lý âm thanh, hình ảnh”, Học viện cơng nghệ Bưu viễn thơng, Hà Nội [2] KS Trương Thị Thủy, “Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến H.264-MPEG-4 AVC”, Tạp chí khoa học kỹ thuật truyền hình 1/2004 [3] KS Cao Văn Liết, “Bù chuyển động kỹ thuật mã hóa nội dung nguồn video tự nhiên sử dụng tiêu chuẩn nén MPEG-4”, Tạp chí khoa học kỹ thuật truyền hình 1/2005 [4]Th.S Nguyễn Minh Hồng, “Chuẩn nén H.264/AVC khả ứng dụng truyền hình”, Tạp chí khoa học kỹ thuật truyền hình 2/2005 [5] Gs.TS Nguyễn Kim Sách, “Truyền hình số có nén Multimedia”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội [6] TS Trần Dũng Trình, “Truyền hình Internet IPTV”, Tạp chí khoa học kỹ thuật truyền hình 3/2005 [7] Iain E G Richardson, “H.264 And MPEG-4 Video Compression”, The Robert Gordon University, Aberdeen, UK [8] John Arnold, Michael Frater, Mark Pickering, “Digital Television Technology and Standards”, The University of New South Wales, ADFA Canberra, ACT, Australia [9] JVT “Draft ITU-T recommendation and final draft international standard of joint video specification (ITU-T rec H.264– ISO/IEC 14496-10 AVC),” [10] THOMAS SIKORA, “MPEG-1 and MPEG-2 Digital Video Coding Standards”, McGraw Hill Publishing Company [11] T Wiegand, G.J Sullivan, G Bjontegaard, A Luthra, ”Overview of the H.264/AVC Video Coding Standard,” [12] Siwei Ma, Xiaopeng Fan, Wen Gao, “Low Complexity Integer Transform and High Definition Coding” [13] ITU 2013-06-07, “H.265 : High efficiency video coding” Retrieved 2013-0607 Nghiên cứu hoạt động ứng dụng chuẩn H.265 Trang 73 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ [14] “Overview of the High Efficiency Video Coding (HEVC) Standard” Gary J Sullivan, Fellow, IEEE, Jens-Rainer Ohm, Member, IEEE, Woo-Jin Han, Member, IEEE, and Thomas Wiegand, Fellow, IEEE [15] Các trang web : http://google.com, http://mathexchange.com http://forum.doom9.org, University of Illinois at Chicago (UIC), http://www.uic.edu/ http://www.chiariglione.org/mpeg/, http://en.wikipedia.org http://www.mathworks.com/, http://media.xiph.org/video/derf/ http://www.stanford.edu/class/ee398b/samples.html http://en.wikipedia.org/wiki/H.264/MPEG-4_AVC Lecture slides of subject Equipos Multimedia Tema 11: Estándar d e compresión de vídeo H.264 ITU-T Recommendations: H.264 : Advanced video coding for generic audiovisual services http://www.itu.int/rec/T-REC-H.264-201201-S/en “THE H.264 ADVANCED VIDEO COMPRESSION STANDARD” Iain Richardson [6.5.0-6.5.4];[7.4] http://www.worldbroadcastingunions.org/wbuarea/library/docs/isog/presentations/2 012B/2.4%20Vieron%20ATEME.pdf Nghiên cứu hoạt động ứng dụng chuẩn H.265 Trang 74 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT – ANH STT Thuật ngữ tiếng Anh HEVC VCEG BAC CA CC CIF 10 11 12 DAB DCT DFT DPCM DS Thuật ngữ tiếng Việt Chuẩn nén Video hiệu suất cao (High Efficiency Video Coding) Nhóm chuyên gia mã hóa Video (Video Coding Experts Groups) Mã hóa số học nhị phân (Binary Arithmetic Coding) Mã hóa thích nghi theo nội dung (Context Adaptive) Mã xóa (Clear code) Định dạng mã hóa hình ảnh có kích thước 352 x 288 (Common Intermediate Format) Phát quảng bá âm số (Digital Audio Broadcasting) Biến đổi Cosine rời rạc (Discrete Cosine Transform) Biến đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transform) Điều xung mã vi sai (Differential Pulse Code Modulation) Thuật toán tìm kiểu hình thoi (Diamond Search) DTH 14 EOI Biến đổi Wavelet rời rạc (Discrete Wavelet Transform) Mã kết thúc (End Of Information) 15 ES Dòng (Elemenatary Stream) 16 Exp-Golomb Mã Exponential Golomb FLC Mã hóa có chiều dài cố định (Fixed-Length Code) Thứ tự MB mềm dẻo (Flexible Macroblock Order) Nhóm ảnh (Group Of Pictures) 13 17 18 19 DWT FMO GOP GMC HDS Bù chuyển động tồn phần (Global Motion Compensation) Thuật tốn tìm hình thoi nằm ngang (Horizontal Diamond search) Nghiên cứu hoạt động ứng dụng chuẩn H.265 Trang 75 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ HDTV HEXBS ICT IDR IDCT IP ISDN JPEG 10 11 12 13 14 JPEG2000 LOSSLESS LOSSY MB MBAFF 15 16 17 18 19 20 21 22 MC ME MMS MSE MPEG NAL NNS Truyền hình phân giải cao (High Definition Television) Thuật tốn tìm kiểu hình lục giác (Hexagon-Based Search) Biến đổi nguyên Cosine rời rạc (Integer Discrete Cosine Transform) Ảnh làm tươi tức thời giải mã (Instantaneous Decoder Refresh Picture) Biến đổi ngược Cosine rời rạc (Inverse Discrete Cosine Transform) Giao thức Internet ( Internet Protocol) Mạng tích hợp dịch vụ số (Integrated Service Digital Network) Chuẩn nén ảnh ủy ban JPEG quốc tế (Joint Photographic Experts Group) Chuẩn nén ảnh JPEG2000 Kỹ thuật nén ảnh không tổn hao (không liệu) Kỹ thuật nén ảnh có tổn hao (có liệu) Đa khối (Macroblock) Mã hóa khung mành thích nghi (Macroblock-Adaptive FrameField coding) Bù chuyển động (Motion Compensation) Ước lượng chuyển động(Motion Estimate) Dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (Multimedia Messaging Services) Sai số bình phương trung bình (Mean Square Error) Nhóm chuyên gia nén ảnh động (Moving Pictures Experts Group) Lớp trừu tượng mạng (Network Abstraction Layer) Tìm khối gần (Nearest Neighbors Search) Nghiên cứu hoạt động ứng dụng chuẩn H.265 Trang 76 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ 23 PCM Điều xung Modulation) mã (Pulse Code 24 PF 25 MF Hệ số nhân(Multipy Factor) PSNR Tỷ số tín hiệu đỉnh nhiễu (Peak Signal to Noise Ratio) Định dạng hình ảnh có kích thước 176 x 144 (Quarter Common Intermediate Format) Thông số lượng tử (Quantization Parameter) (Raw Byte Sequence Payload) 26 QCIF 27 28 29 30 31 QP RBSP RGB RLC RSVP 32 33 34 RTP SDTV SMIL 35 36 37 38 39 40 41 42 SRC TSS UMTS VCL VLC VO VOP YCbCr 43 44 ISO Ba màu màu đỏ/Xanh/Lam (Red/Green/Blue) Mã hoá dọc chiều dài (Run Length Coding) Giao thức dành riêng tài nguyên mạng (Resource Reservation Protocol) Giao thức truyền tải thời gian thực (Real Time Transport Protocol) Truyền hình tiêu chuẩn ( Standard Televison) Ngơn ngữ tích hợp Multimedia đồng (Synchronized Multimedia Integration Language) Điều khiển tốc độ bit biến đổi ( Scalable Rate Control) Thuật tốn tìm ba bước (Three-Step search) (Universal Mobile Telecommications System) Lớp mã hóa Video (Video Coding Layer) Mã có chiều dài thay đổi (Variable Length Code) Đối tượng Video (Video Object) Đối tượng mặt phẳng Video (Video Object Plane) Độ chói, màu lam, màu đỏ (Luminance, Blue chrominance, Red chrominance) Tổ chức quốc tế tiêu chuẩn chất lượng (International Organization Nghiên cứu hoạt động ứng dụng chuẩn H.265 Trang 77 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ for Standardization) IEC 45 46 47 48 JTC1 SC29 WG11 Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (International Electro-technical Commission) Ủy ban kỹ thuật (Joint Technical Committee 1) Ủy ban phụ 29 (Sub-committee 29) Nhóm làm việc 11( Work Group 11) Nghiên cứu hoạt động ứng dụng chuẩn H.265 Trang 78 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ PHỤ LỤC Code lập trình mơ Matlab HEVC vs H.264/AVC function main() clear all; clc; fprintf('\nLUAN VAN TOT NGHIEP\n') fprintf('\nNGHIEN CUU HOAT DONG VA UNG DUNG CUA CHUAN H.265\n') fprintf('\nGVHD : TS NGO VU DUC\n') fprintf('\nHVTH : TRAN QUANG CHIEN\n') fprintf('\nMSSV : CB120613\n') chonf = input('\nNHAP SO LUONG FRAMES SE MA HOA = '); chonq = input('\nNHAP GIA TRI BUOC LUONG TU TRONG KHOANG 0