Số hóa tín hiệu và kỹ thuật nén ảnh số ứng dụng trong truyền hình số

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN KHOA KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ  ĐỀ TÀI: SỐ HĨA TÍN HIỆU VÀ KỸ THUẬT NÉN ẢNH SỐ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực Lớp Mã sinh viên : : : : Thạc Sĩ Lê Quang Tiêu Lưu Văn Bình Điện tử - Viễn thông 33A 3351080004 Quy Nhơn, ngày 26 tháng 06 năm 2019 MỤC LỤC Danh sách hình vẽ Danh sách bảng biểu Thuật ngữ viết tắt Lời mở đầu……………… Chương 1: Tổng quan truyền hình số 10 1.1 Truyền hình màu .10 1.2 Hệ thống truyền hình số 16 1.3.Đặc điểm truyền hình số 17 1.4 ảnh số 19 1.5 Các phương pháp biến đổi tín hiệu video .20 1.7 Chuyển đổi tương tự - số số - tương tự 21 Kết luận 23 Chương 2: Số hóa tín hiệu video 24 2.1 Lịch sử phát triển .24 2.2 Thiết bị hộp đen video số .25 2.3 Lấy mẫu tín hiệu video số .25 2.4 Lượng tử hóa 29 2.5 Mã hóa 31 2.6 Chuyển đổi D/A 37 2.7 Tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu video thành phần .37 2.8 CCIR 601 - tiêu chuẩn truyền hình số 49 2.9 Tín hiệu audio số .52 Kết luận 55 Chương 3: Kỹ thuật nén video số .56 3.1 Khái niệm nén tốc độ dòng bit 56 3.2 Lý thuyết thông tin - entropy 57 3.3 Các phương pháp nén video 58 3.4 Các mã dùng kỹ thuật nén .60 3.5 Nén ảnh 65 3.6 Kỹ thuật nén liên ảnh (Inter Franme Compression) .70 3.7 Kỹ thuật nén audio 74 Kết luận 76 Kết luận 77 Tài liệu tham khảo 78 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Trộn màu theo phương pháp cộng quang học 11 Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình màu 13 Hình 1.3 Sơ đồ khối lập mã màu 15 Hình 1.4 Sơ đồ khối giải mã màu 15 Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống truyền hình số 16 Hình 1.6 Biểu diễn ảnh hàm f (x,y) .19 Hình 1.7 Biến đỏi A/D tín hiệu màu tổng hợp .20 Hình 1.8 Biến đổi A/D tín hiệu màu thành phần 21 Hình 1.9 Sơ đồ khối mạch đổi tương tự - số 21 Hình 1.10 Sơ đồ khối mạch biến đổi số - tương tự .23 Hình 2.1 Sơ đồ khối hộp đen số 25 Hình 2.2 Phổ tín hiệu lấy mẫu 26 Hình 2.3 Hiện tượng chồng phổ (aliasing) trường hợp tần số lấy mẫu thấp 27 Hình 2.4 Cấu trúc lấy mẫu 28 Hình 2.5 Mã sơ cấp 36 Hình 2.6 Sơ đồ khối mạch biến đổi số - tương tự 37 Hình 2.7 Các tiêu chuẩn lấy mẫu 39 Hình 2.8 Phổ lấy mẫu 13,5 MHz tín hiệu chói 41 Hình 2.9 Chi tiết lọc thơng thấp tín hiệu chói tín hiệu màu .42 Hình 2.10 Quan hệ mức tín hiệu chói tương tự thành phần với thang chuẩn sọc màu 100% với giá trị mau số tương ứng dùng bit 10 bit lượng tử Các số 00 FF (8 bit) 000, 001, 002, 003 3FC, 3FD, 3FE, 3FF (10 bit) không phép xuất dòng liệu video 46 Hình 2.11 Mối quan hệ từ mã video dịng tích cực xung xố 47 Hình 3.1 Mơ hình hệ thống nén video 56 Hình 3.2 Ví dụ mã Shannon – Fano .62 Hình 3.3 Cây mã Huffman 63 Hình 3.4 Nén ảnh (Intra Frame Compression .65 Hình 3.5 Nén ảnh 68 Hình 3.6 Giải mã DCT 70 Hình 3.7 Mơ hình nén ảnh 70 Hình 3.8 Nén liên ảnh (ảnh dự đốn trước) 72 Hình 3.9 Nén lên ảnh (ảnh dự đoán hai chiều) 73 Hình 3.10 Hệ thống mã hố điểm động khối số liệu audio 75 Hình 3.11 Dạng dòng số liệu lớp audio MPEG 75 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Giá trị tín hiệu thành phần tương ứng với trường hợp hình ảnh có màu: Trắng, đen, màu màu phụ trợ 43 Bảng 2.2 Mức tín hiệu video thành phần giá trị số tương ứng lượng tử bit 10 bit 44 Bảng 2.3 Chỉ tiêu truyền hình số .50 Bảng 2.4 Các tần số Lấy mẫu số mẫu khung hình tiêu chuẩn 54 Bảng 3.1 Mã hóa với độ dài từ mã thay đổi 63 Bảng 3.2 Mã hóa với độ dài từ mã cố định 64 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt ATSC C/N CCIR COFDM D/A DCT DFT DPCM DQPSK DTTB DTV DVB Tiếng Anh Tiếng Việt Advanced Television Uỷ ban hệ thống truyền hình System Committee (của Mỹ) Carrier - to - Noiseratio Tỷ số sóng mang tạp âm Consultative Committee on Uỷ ban tư vấn điện thoại Intemational Telegraph and điện báo quốc tế Telephon Coded Orthogonal Frequency Multiplexing Digital - to - Analogue Chuyển đổi số - tương tự converter Discrete Cosine Tranform Chuyên đổi cosin rời rạc Discrete Fourier Tranform Chuyển đổi Fourier rời rạc Differential Pulse Code Chuyển đổi xung mã vi sai Modulation Differential Broadcasting Digital Television Digital Video Broadcasting DVB – Cable DVB-S DVB – Satellite EBU FDM FFT HDTV HL Quadratue Khoá dịch vi sai bốn mức Phase Shift Keying Digital Terestnal Television Truyền dẫn truyền hình số mặt DVB-C DVB-T Division Ghép đa tần trực giao có mã đất Truyền hình số Truyền dẫn truyền hình số Truyền dẫn truyền hình số qua cáp Truyền dẫn truyền hình số qua vệ tinh DVB - Ten estrial Truyền dẫn truyền hình số mặt đất The European Broadcasting Uỷ ban phát truyền hình Union Frequency Châu âu Division Multiplex Fast Fourier Transform High Definition Television High Level Ghép kênh phân chia tần số Chuyển đổi Fourier nhanh Truyền hình phân giải cao Mức cao (dùng MPEG 2) HP I LDFT ISI ISDB ISO ITU JPEG MB MPEG MUX OFDM PAL PRBS Q QAM QPSK RF SDTV VSB SNR Hig Priority bit stream In – phase Inverse DFT Inner Symbol Interference Intergeted Services Digital Broadcasting - ten estrial Dòng bit ưu tiên cao (dùng điều chế phân cấp) Đồng pha (dùng QAM) DFT ngược Nhiễu Symbol Hệ thống truyền hình số mặt đất sử dụng mạng đa dịch vụ Intemational (của Nhật) Standard Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế Organisation Intemational Liên minh viễn thông quốc tế Telecommunication Union Joint Photographic Experts Nhóm chuyên gia nghiên cứu Group tiêu chuẩn ảnh Khối macro (dùng MPEG Macro Block - 2) Moving Pictures Experts Nhóm chuyên gia nghiên cứu Group tiêu chuẩn hình ảnh động Multiplex Orthogonal Ghép kênh Frequency Ghép đa tần trực giao Division Multiplexing Phase Altemating Linh Hệ truyền hình màu PAL Pseudo - Ram don Binary Chuỗi giả ngẫu nhiên nhị phân Sequee Quadrature phase Quadrature Amplitude Modulation Quadrature Phase Shift Keying Radio Frequency Standard Definition Television Vertigial Side Band Signal Noise Ratio Vuông pha (dùng QAM Điều chế biên độ vuông góc Khố dịch pha vng góc Cao tần Truyền hình phân giải chuẩn Biên tần cụt Tỉ số tín hiệu nạp MỞ ĐẦU Ngày với phát triển khoa học kỹ thuật, đời sống người ngày nâng cao, chương trình truyền hình ngày giữ vai trị khơng thể thiếu đời sống xã hội Với phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật hệ thống truyền hình có nhiều thay đổi mạnh mẽ Trong năm gần cơng nghệ truyền hình nước ta trải qua chuyển đổi, q trình chuyển đổi từ công nghệ Analog sang Digital Đây thực cách mạng làm thay đổi cách suy nghĩa, cách tiếp cận, phương thức sản xuất chương trình truyền hình, nâng cấp chất lượng tín hiệu, tính linh họat khả hội nhập vào môi trường thông tin chung Ở Việt Nam công nghệ số dần xâm nhập vào công đoạn kỹ thuật truyền hình Trong tương lai khơng xa, giới nói chung Việt Nam nói riêng xu tiến tới hệ thống truyền hình hồn toàn kỹ thuật số tất yếu Để hiểu sâu trình chuyển đổi này, em chọn đề tài đồ án tốt nghiệp"Số hóa tín hiệu kỹ thuật nén ảnh số ứng dụng truyền hình số" Nội dung đồ án gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan truyền hình số ảnh số Chương 2: Số hóa tín hiệu video Chương 3: Kỹ thuật nén video số Trong thời gian thực tập làm đồ án, đặc biệt hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo Lê Văn Chương thầy cơ, em hồn thành đồ án tốt nghiệp Tuy nhiên thời gian ngắn, kinh nghiệm thân cịn hạn chế chắn khơng tránh khỏi sai sót Kính mong nhận bảo thầy giáo, góp ý chân thành bạn Em xin chân thành cảm ơn! SINH VIÊN THỰC HIỆN CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ VÀ ẢNH SỐ Truyền hình hệ thống biến đổi hình ảnh âm kèm theo thành tín hiệu điện, truyền đến máy thu, nơi thực biến đổi tín hiệu thành dạng ban đầu hiển thị lên hình dạng hình ảnh Truyền hình dựa đặc điểm cảm nhận ánh sáng mắt người độ chói màu vật để truyền thơng tin cần thiết Độ chói màu vật phụ thuộc vào cường độ thành phần phổ tia sáng Trong hệ thống truyền hình, tín hiệu, mang tin tức hình ảnh gọi tín hiệu video, tín hiệu mang tin tức âm gọi tín hiệu audio Các q trình chuyển đổi tín hiệu - ảnh hay ảnh - tín hiệu phải đồng đồng pha với đáp ứng phân tích ảnh phía phát khơi phục ảnh phía thu Sự đồng thực tạo xung đồng Chương trình bày truyền hình tương tự, truyền hình số ảnh số 1.1 Truyền hình màu Hệ thống truyền hình đen trắng thực phân tích hình ảnh cần truyền thành mẫu rời rạc truyền mẫu Thơng tin truyền thơng tin độ chói điểm ảnh, phía thu khơi phục hình ảnh truyền thành ảnh đen trắng Hệ thống truyền hình màu thực kết hợp tín hiệu chói hình ảnh tín hiệu mang tin tức màu sắc Tín hiệu chói tạo từ tín hiệu màu bản, hình ảnh màu tổng hợp từ màu 1.1.1 Lý thuyết ba màu a Thị giác màu Nhiều thực nghiệm chứng tỏ rằng, nhận gần tất màu sắc tồn thiên nhiên cách trộn ba chùm ánh sáng màu đỏ, lục, lam theo tỉ lệ khác Theo cấu tạo quang học, mắt có ba loại tế bào nhạy cảm màu bản, hệ thống thị giác người có khả phân tích tổng Bảng 3.2 Mã hóa với độ dài từ mã cố định Phần tử Số lần xuất Xác xuất A 0,5 B 0,25 C 0,125 D 0,125 Số lượng bit cần phát 8x2 = 16 bit Từ mã 01 10 11 Chiều dài từ mã 2 2 Số bit trung bình/ phần tử = 16/8 = bit Như vậy, mã hóa với độ dài từ mã thay đổi tiết kiệm được: (11,75/2)x100% = 12,5% dung lượng bit mà thông tin không bị tổn hao 3.4.4 Phương pháp mã dự đoán Phương pháp mã dự đốn cịn gọi điều xung mã vi sai (DPCMDifferential Pulse Code Modulation) khơng mã hóa thơng tin có biên độ mẫu, mã hóa thơng tin có biên độ vi sai (biên độ chênh lệch) mẫu cho mẫu báo trước DPCM sử dụng đặc điểm mắt người (kém nhạy với mức lượng tử có chênh lệch độ chói điểm ảnh gần nhau) phép dùng đặc trưng phi tuyến lượng tử hóa Để tránh lỗi xuất truyền, mẫu đầy đủ gửi theo chu kỳ định, cho phép cập nhật giá trị xác Để hồn thiện hơn, mã hóa DPCM sử dụng thêm kỹ thuật dự đoán lượng tử hóa thích nghi 3.4.5 Phương pháp mã chuyển vị - Transform coding Đối với việc mã hóa riêng rẽ điểm không đạt hiệu khơng tận dụng hết mối quan hệ khối điểm ảnh số Phương pháp mã chuyển vị cách có hiệu việc mã hóa khối điểm thơng qua biến đổi tuyến tính điểm thành hệ số chuyển vị mã hóa hệ số chuyển vị Như số bit dùng phương pháp tập trung vào số hệ số chuyển vị Hệ thống thị giác mắt người nhận biết hoàn toàn chi tiết ảnh chi tiết biến đổi nhanh so với biến đổi chậm Vì vậy, mã hóa hệ số chuyển vị tần số cao sử dụng bit mà chất lượng hình ảnh xem cao Trong mã chuyển vị, bước phải chọn chuyển đổi thích hợp để giảm đối lập điểm ảnh khối cách hiệu Quá trình chuyển đổi thành mã chuyển vị khơng xảy nén liệu mà bước chuẩn bị cho việc giảm liệu q trình lượng tử hóa Sau chọn biến đổi trực giao bước quan trọng xác định bit định thiết kế hệ thống lượng tử hóa cho hệ số để tồn trình nén liệu thực Bước cuối sử dụng mã entropy để giảm tốc độ liệu Phương pháp mã chuyển vị xuất méo việc chia ảnh thành khối ảnh kết giây nhòe, phản xạ khối ảnh 3.5 Nén ảnh 3.5.1 Nguyên lý Nén ảnh nhằm giảm bớt thông tin dư thừa miền không gian Sử dụng hai trình nén có tổn hao nén khơng tổn hao Không sử dụng thông tin ảnh trước sau ảnh xét Điều khiển tốc độ bit Bảng lượng tử Nguồn ảnh Tiền xử lý DCT thuận Lượng tử hóa Mã hóa entropy Mạch trộn Tín hiệu khuếch ảnh nén đại đệm Hình 3.4 Nén ảnh (Intra Frame Compression) Sử dụng phương pháp biến đổi DCT Phương pháp chuyển đổi tối ưu chuyển đổi KL (Karhunen - Loeve) Chuyển đổi thông qua ma trận chuyển đổi làm giảm trật tự tương qua trình xử lý ngẫu nhiên liên tiếp dạng đường chéo Sử dụng phương pháp chuyển đổi KL không thông dụng cho tất ứng dụng nén ảnh số Vì vậy, thay phương pháp DCT (Discrete Cosine Transfrom) - có nhiều thuật tốn biến đổi nhanh cho việc tính tốn 3.5.2 Tiền xử lý Trước thực biến đổi DCT, ảnh chia thành khối lớn riêng biệt không chồng lên (MB - Macro Block) Mỗi MB bao gồm block mẫu tín hiệu chói UY 2; block mẫu tín hiệu số màu (C R, CB) Số block tín hiệu màu phụ thuộc vào tiêu chuẩn tín hiệu video Các block có kích thước, block ma trận điểm ảnh 8x8 lấy từ hình từ trái sang phải, xuống Ví dụ: Chia thành block hình ảnh hệ PAL Phần tích cực tín hiệu video với độ phân giải 576 x 720 chia làm 72x90 block Như có 36x45MB tiêu chuẩn lấy mẫu 4:2:0 4:1:1 Cấu trúc MB phụ thuộc vào loại quét ảnh Nếu quét liên tục block bao gồm mẫu từ dòng liên tục (nén theo ảnh - frame) Ngược lại trường hợp quét xen kẽ, block có mẫu nửa ảnh (nén theo mành - field) 3.5.3 Quá trình biến đổi Cosin rời rạc Biến đổi Cosin rời rạc (DCT) xử lý giá trị khối điểm ảnh khối hệ số miền tần số Quá trình mã hóa DCT chiều gồm điểm ảnh biểu diễn tín hiệu chói tiêu chuẩn lấy mẫu 4:2:2 Sự thay đổi độ dọc theo bit phạm vi dải tần số tự đến fem/2 = 6,75 MHz Mã hóa DCT chia phổ thành dải băng nhỏ Tương ứng với giải băng tần có hệ số đặc trưng cho lượng tín hiệu dải băng tần Giá trị bên trái đặc trưng cho mức giá trị thành phần chiều tín hiệu gọi hệ số DC Từ trái sang phải, hệ số biểu diễn thành phần tần số cao tín hiệu ban đầu, gọi hệ số AC Phép biến đổi DCT hai chiều cho mức giải tương quan ảnh cao hơn, cho phép biến đổi cho khối x giá trị điểm chói Quá trình mã hóa thuận cho khối x xác định C uC v F(u,v) =  i 0 đó:  2i  1 u  2j  1 v  f  i, jCos 16 Cos 16 j 0 f(i,j) hàm mẫu ban đầu khối x điểm chói F(u,v) hệ số biến đổi DCT khối x u tần số chuẩn hóa theo chiều ngang (0 < u < 7) v tần số chuẩn hóa theo chiều đứng (0 < v < 7) (Cu, Cv) = (u, v) = (Cu, Cv) = u = 1,2,… Hệ số DC tính: F(0,0) =  j 0  j j, k k 0 Biến đổi DCT áp dụng cho tín hiệu video số thành phần U Y, CR, CB Các tín hiệu có biên độ cực đại 12,8 tín hiệu chói có biên độ từ  255 Bộ biến đổi A/B bit sử dụng để tạp khối tín hiệu chói U Y với giá trị nhị phân từ - 128 đến +127 Khi giải mã mức 128 cộng vào để thu tín hiệu chói ban đầu Trước biến đổi ngược DTC sử dụng lọc thông thấp loại bỏ hệ số thành phần tần số cao Q trình biến đổi DTC khơng giảm tốc độ dịng số liệu tính chất đảo ngược (Inverse DTC) tái tạo lại xác giá trị điểm ảnh ban đầu hệ số DCT giữ nguyên 3.5.4 Lượng tử hóa khối DCT Q trình lượng tử hóa khối DCT đóng vai trị quan trọng thiết kế hệ thống nến video ảnh hưởng trực tiếp đến việc tái tạo lại hình ảnh Bảng trọng số Bảng Huffman Phân lớp lượng khối Định dạng khối cấu trúc khối DTC Lượng tử hóa Quét zig-zag RLC Xác định khối Điều khiển đệm VLC Hệ số cân Mã DPCM hệ số DC Hình 3.5 Nén ảnh Lựa chọn tốc độ dòng bit Bộ đệm Dịng tín hiệu nén Bộ lượng tử hóa chia hệ số DCT cho số lớn để tạo số có giá trị gần làm trịn bỏ qua q trình Các hệ số có lượng thấp đặc trưng cho biến đổi điểm ảnh loại bỏ mà khơng ảnh hưởng đến cảm thụ chất lượng ảnh mắt người Thành phần DC tần số thấp thông số có ý nghĩa khối điểm ảnh ban đầu Hệ số DC lượng tử với độ xác 12 bit để tránh nhiễu xuất khối điểm ảnh Trong hệ số tương ứng với thành phần tần số cao lượng tử với độ xác bit (do khả cảm nhận tần số cao mắt người giảm) Hệ số băng lượng tử hóa thuận xác định theo biểu thức: Fq (u, v) = (F(u,v)/ Q(u,v)) = giá trị nguyên gần (F(u,v) + Q(u,v)/2/Q(u,v)) ảnh chi tiết hệ số thành phần tần số cao lớn, tràn nhớ đệm hệ số bảng lượng tử thấp Với cấu trúc gồm khối điểm chói, chi tiết ảnh tập trung lượng cao vào khối Tạo lượng tử hóa thơ xuất lỗi lượng tử lớn Để tránh tượng này, lượnt khối đánh giá cách xem xét hệ số AC có ý nghĩa tất khối 3.5.5 Mã hóa entropy Giá trị lượng tử hóa biểu diễn nhờ từ mã có độ dài cố định, tức giá trị lượng tử hóa biểu diễn số bit nhiên hiệu không cao Để hiệu người ta dùng mã hóa entropy, dùng đặc tính thống kê tín hiệu mã hóa Từ mã xảy nhiều thông tin từ mã hay xảy Mã hóa entropy làm tăng độ phức tạp, yêu cầu nhớ lơn so với mã có độ dài cố định tốc độ bit thay đổi theo thời gian Khi phân bố xác xuất lệch khỏi phân bố xuất tăng nhờ mã hóa entropy Các hệ số AC biểu diễn với từ mã RLC mã hóa mã Huffman nhờ bảng tìm kiếm Nhóm lấy phối hợp với giá trị số động để tạo số nhị phân Huffman biểu diễn hệ số AC tương ứng 3.5.6 Bộ nhớ đệm Các từ mã VLC tạo dòng số liệu với tốc độ biến đổi, phụ thuộc vào độ phức tạp ảnh mã hóa Số liệu ghi vào nhớ đệm, bit số liệu đọc từ nhớ đệm với tốc độ cố định theo mã hóa Bộ nhớ đệm khơng tràn, rỗng trình điều khiển thực nhờ hệ số cân cho bảng trọng số Nếu nhớ đệm đầy q trình lượng tử hóa thực với mức biểu diễn bit nhằm tạo tốc độ dòng bit nhỏ lại cách tăng hệ số cân lượng tử 3.5.7 Giải mã DCT Q trình lượng tử hóa ngược Rq(u,v) tiến hành theo biểu thức: Rq(u,v) = Fq(u,v) Q(u,v) Các hệ số biến đổi ngược (IDCT) trình f(j,k) để tạo lại khối giá trị điểm ban đầu theo biểu thức) f*(j,k) =  u0  C v0 u F(u,v)Cos Bảng mã Huffman Video nén VLC  2j  1 u Cos 2k  1 v 16 16 Bảng lượng tử RLC (Zig-zag)-1 Lượng tử hóa IDCT Tách khối cấu trúc khối Y CB CR Giải mã DPCM hệ số DC Hình 3.6 Giải mã DCT Biểu thức biểu diễn trình biến đổi DCT IDCT tương tự Hệ thống nén giải nén dùng chung thiết bị phần cứng, sai lệch khối ban đầu giá trị tạo lại nguyên nhân lỗi xuất trình nén Lỗi biểu diễn: e(j,k) = f(i, k) - f*(j, k) 3.6 Kỹ thuật nén liên ảnh (Inter Frame Compression) 3.6.1 Mô hình Với chuỗi ảnh liên tục, lượng thơng tin chứa ảnh từ ảnh sang ảnh khác Tính tốn dự định chuyển vị trí nội dung ảnh áp dụng kỹ thuật nén ảnh Nguồn ảnh Bù chuyển động Nén ảnh ảnh nén Hình 3.7 Mơ hình nén ảnh 3.6.2 Kỹ thuật dự đoán bù chuyển động Thay đổi cường độ ánh sáng từ frame đến frame chuyển động đối tượng Trong mã bù chuyển động frame hành dự báo từ frame trước cách xấp xỉ chuyển động hai frame bù chuyển động Sự khác frame hành dự báo frame gọi phần dư thừa bù chuyển động mã hóa phần lượng dư thừa thấp nhiều so với lượnt tín hiệu gốc loại bỏ thành phần dư thừa tạm thời Mã hóa phần dư thừa thay mã hóa video giúp đảm bảo thơng tin dư thừa tạm thời khơng phải mã hóa lặp lại Xác định phần ảnh chuyển động (xấp xỉ chuyển động) khôi phục ảnh cách dùng phần tử ảnh trước với thông tin chuyển động "bù chuyển động" Phương pháp dự đoán để tìm chi tiết ảnh thay hai khung hình liền từ tạo vectơ chuyển động ghi rõ vị trí chi tiết ảnh khung hình sau Vectơ chuyển động phối hợp tất khối nén khung hình trước mà khối điểm lặp lại vị trí Phương pháp gọi dự đốn bù chuyển động khung hình Dự đoán chuyển động thực cách sử dụng cấu trúc khối cho điểm cho vectơ chuyển động mã hóa DCT khác cấu trúc khối cấu trúc khối tham chiếu truyền Khối số liệu điểm ảnh chọn gọi tham chiếu, khung hình chuyển động phạm vi tìm kiếm khung hình trước đó, giá trị khối DCT tham chiếu so sánh với giá trị khối 8x8 điểm vùng tìm kiếm để tìm khối thích hợp với sai khác nhỏ Thông tin số liệu vectơ chuyển động truyền tới giải mã với hệ số DCT sai lệch Các khối phối hợp số khối khung hình trước sử dụng thành phần dự đốn sai số thơng tin Vùng tìm kiếm có kích thước 16x16 điểm Để đơn giản hóa q trình tính tốn, độ phân giải ảnh giảm xuống theo hai chiều ngang đứng Ví dụ ảnh với độ phân giải đầy đủ 720 x 240 sử dụng cho vùng dự đoán lớn Đầu tiên dự đoán gần thực ảnh có độ phân giải thấp Sau phép dự đốn vectơ chuyển động xác thực tính tốn vị trí thay đối tượng giữ hai khung hình 3.6.3 ảnh dự đốn trước Phương pháp mã hóa nhờ ảnh dự đoán trước sử dụng xác xuất ảnh liên tục chuỗi ảnh Nhờ xác xuất này, phần lớn ảnh chuỗi nhận biết gần giống sở thông tin chứa ảnh Phương pháp hiệu chuỗi ảnh ảnh tĩnh hoàn toàn, trường hợp cần truyền ảnh đầu đủ Khi xuất vật thể chuyển động phải xác định vật thể biểu diễn đặc trưng thay đổi vị trí ảnh + -  ảnh khác biệt ảnh dự đoán ảnh dự đoán Xác định vector chuyển động + +  Tạo ảnh để sử dụng cho dự đoán ảnh Ăn trước (ảnh so sánh) Vector chuyển động Hình 3.8 Nén liên ảnh (ảnh dự đoán trước) Các chuyển động ngồi vùng tìm kiếm khơng thể thực dự đốn bù chuyển động từ khung hình trước Trường hợp mã hóa phương pháp nén ảnh Trong khối xác định vectơ chuyển động Vectơ chuyển động tính tốn cho ảnh ảnh dự báo cho ảnh khác biệt đầu Số liệu vectơ chuyển động ảnh khác biệt truyền Hạn chế mơ hình khơng biểu diễn phần lớn chuyển động coi chuyển động quay, giảm tăng lên chuyển động phức tạp khác 3.6.4 ảnh dự đoán hai chiều Dự đoán hai chiều theo thời gian, gọi nội suy bù chuyển động sử dụng thơng tin khung hình cho trước khung hình để dự đốn Mơ hình cho khả nén số liệu cao Hiệu ứng nhiễu khung hình giảm mức nhiễu trung bình khung hình trước khung hình sau, có khả dự đốn ngồi phạm vi vùng tìm kiếm nhờ hình ảnh + -  ảnh dự đoán ảnh ảnh dự đoán +  + ảnh trước ảnh sau Xác định vector chuyển động Vectơr chuyển động Hình 3.9 Nén liên ảnh (ảnh dự đoán hai chiều) Sự khác hai mạch, mạch tạo ảnh dự đoán trước mạch tạo ảnh dự đoán hai chiều nhờ so sánh Để tạo ảnh dự báo trước cần nhớ ảnh trước Để tạo ảnh dự đoán hai chiều phải nhớ hai ảnh trước sau anh xét ảnh dự đoán hai chiều kết nội suy hai ảnh để xác định chuẩn nó, nên làm hay đổi thứ tự truyền ảnh Bộ mã hoá ảnh phải truyền hai ảnh chuẩn, sau truyền đến ảnh dự đốn hai chiều Q trình xếp lại mã hoá giải mã tạo thời gian trễ phụ thuộc vào khung hình hai khung tham chiếu Có thể có nhiều khung hình dự đốn hai khung hình tham chiếu xuất trước sau Khi số khung hình dự đoán tăng lên quan hệ chúng khung tham chiếu giảm xuống số bịt để mã hoá khung dự đoán tăng lên Mã hoá dự đoán khung hình áp dụng cho chương trình có chun động chun động chậm 3.7 Kỹ thuật nén Audio Kỹ thuật mã hoá nguồn sử dựng nhằm làm giảm lượng thơng tin dư thừa tín hiệu audio Loại bỏ thành phần tần số không nghe thấy Các tín hiệu nén số liệu nén audio bao gồm:  Mã hố dự đốn miền thời gian: phương pháp sử dụng mã hoá sai số mã liền Thông tin audio biểu diễn truyền dòng bit với tốc độ giảm xuống  Mã hoá miền tần số: kỹ thuật sử dụng khối mẫu audio PCM tuyến tính từ miền thời gian sang giải băng tần khác miền tần số 3.7.1 Phương pháp nén không thông tin Nén không thông tin cho phép phục hồi lại tín hiệu nh ban đầu sau giải nén Phương pháp loại bỏ dư thừa thống kê cách dự đoán trước giá trị tín hiệu từ mẫu trước Nén khơng thông tin chủ yếu dựa vào kỹ thuật mã hoá dự đoán miền thời gian: kỹ thuật DCPM hay ADPCM, mã hố entropy Ngồi nén audio sử dụng khối hệ thống điển lu động Trong hệ thống giá trị nhị phân từ q trình A/D nhóm thành khối số liệu miền thời gian miền tần số Mỗi giá trị biểu diễn phần định trị giá trị mẫu hệ số mũ thích hợp với biên độ mẫu Đây q trình lượng tử hố khơng bước lượng tử xác định số bil khối Số liệu giảm cách gửi giá trị mũ khối số liệu 16 bit Tín hiệu vào tương tự A/D 16 bít 16 bit Bộ đệm 12 bit phần định vị Cân số Ghép kênh Tính tốn cân Dịng bit mã hóa bit số mũ Cảm nhận âm Hình 3.10 Hệ thống mã hố điểm động khối số liệu audio 3.7.2 Phương pháp nén có thơng tin Nén có thơng tin dựa tính chất cảm thụ âm tai người Loại bỏ thành phần không nghe thấy tin hiệu âm Các kỹ thuật sử dụng bao gồm: kỹ thuật Marking (che) thành phần tín hiệu miền thời gian khơng gian Mã hóa phối hợp ứng dụng cho hệ thống audio nhiều kênh Thông tin trùng hợp kênh loại bỏ, chúng mã hoá lần mã hoá rõ lặp lại kênh xác định náo 3.7.3 Tiêu chuẩn nén audio MPEG-1 Thơng tin đầu CRC Vị trí bit Hệ số cân Các mẫu Số liệu phụ Lớp I Số liệu phụ Lớp II Hệ số cân Thông tin đầu CRC Vị trí bit Thơng tin đầu CRD Thông tin phụ SCIF Các mẫu Các bit dự trữ Lớp III Hình 3.11 Dạng dịng số liệu lớp audio MPEG Ba lớp tiêu chuẩn MPEG audio đáp ứng cho chế độ khác gồm:  Chế độ mono: Chỉ có kênh  Chế độ dua mono: Có hai kênh độc lập  Chế độ stereo: Các âm  Chế độ joint stereo: Phối hợp quan hệ kênh âm Lớp I: Tốc độ 32 448 Kbit/s sử dụng lớp audio MPEG Lớp : Tốc độ 32 : 384 Kbit/s sử dụng đĩa CD Lớp Ш: Tốc độ 32320 Kbit/s sử dụng ứng dụng nén intemel 3.7.4 Tiêu chuẩn nén audio MPEG-2 Nén MPEG-2 mở rộng MPEG-L Nén MPEG-2 áp dụng cho nhiều tốc độ khác Từ 32 : l066kbit/s Chất lượng âm biến đổi tuỳ theo ứng dụng Khung MPEG-2 audio chia làm hai phần, cho dòng bít tương thích với.chuẩn MPEG-L (384 Khịt cho lớp ) dòng bit mở rộng Với lớp Ш tốc độ 64kbit/s cho kênh audio, trình mã hóa phối hợp kênh audio tạo thành dòng bit cỏ tốc độ 320 Kbit/s Mỗi lớp tương ứng mở rộng với tính chất khác nhau, tần số lấy mẫu giảm nửa mức tần số lấy mẫu mức tiêu chuẩn MPEG- Nén MPEG-2 audio cho khả sử dụng nhiều kênh tốc độ bit mở rộng kênh lên tới Mbit/s Phục vụ cho ứng dụng tốc độ cao Các số liệu chèn vào khoảng chứa số liệu phụ cấu trúc khung audio MPEG-2 Kết luận Trong chương cuối đồ án trình bày phương pháp nén video, nén ảnh, kỹ thuật nén liên ảnh…Ngồi ra, cịn đưa kỹ thuật nén audio tiêu chuẩn nén audio MPEG-1, MPEG-2 KẾT LUẬN Trong giai đoạn nay, giai đoạn chuyển giao hệ thống truyền hình tương tự hệ thống truyền hình số Địi hỏi nhà chun mơn, kỹ sư phải có kiến thức sâu, hiểu biết rộng hệ thống để xây dựng triển khai hệ thống cách có hiệu Qua thời gian nghiên cứu tìm hiểu đồ án em hoàn thành đạt số nội dung chính: Trình bày tổng quan truyền hình số ảnh số Các phương pháp chuyển đổi tương tự- số chuyển đổi số- tương tự Số hóa tín hiệu video, lượng tử hóa, mã hóa kỹ thuật nén video số, nén ảnh, nén liên ảnh Các tiêu chuẩn nén audio Trong năm tới, hi vọng Việt Nam số hố truyền hình, đưa mạng truyền hình Việt Nam hồ vào hệ thống truyền hình nước giới TÀI LIỆU THAM KHẢO Đỗ Hoàng Tiến - Vũ Đức Lý, Truyền hình số, Khoa học kỹ thuật , 2006 Ngơ Thái Trị , Truyền hình số, truyền hình việt nam, 2008 3.Nguyễn Kim Sách, Truyền hình số HDTV Nguyễn Tiến, Các hệ màu Nguyễn Truyền Hình, Kỹ thuật truyền hình, trường Đại Học CNTPHCM, 2010 Ngơ Thái Trị, Đo lường truyền hình số Thơng tin khoa học truyền hình Đài truyền hình Việt Nam ... Television Truyền dẫn truyền hình số mặt DVB-C DVB-T Division Ghép đa tần trực giao có mã đất Truyền hình số Truyền dẫn truyền hình số Truyền dẫn truyền hình số qua cáp Truyền dẫn truyền hình số qua... tiến tới hệ thống truyền hình hồn tồn kỹ thuật số tất yếu Để hiểu sâu trình chuyển đổi này, em chọn đề tài đồ án tốt nghiệp "Số hóa tín hiệu kỹ thuật nén ảnh số ứng dụng truyền hình số" Nội dung đồ... diễn giá trị số: mức tín hiệu màu truyền sọc tín hiệu trắng sọc tín hiệu đen, tín hiệu màu truyền sọc tín hiệu màu ứng với mức nhỏ lớn Một số kết luận kiểm tra tín hiệu màu:  Các tín hiệu E’R,