MPEG2 là một tiêu chuẩn mã hóa nén(thường được gọi tắt là chuẩn nén)trong bộ tiêu chuẩn MPEG dùng để mã hóa luồng dữ liệu hình có kết hợp với các thông tin về âm thanh. Đây là một phương thức mã hóa dữ liệu có tổn hao cho phép lưu trữ và truyền phim ảnh trên nền hệ thống và băng thông hiện thời.
LỜI NÓI ĐẦU *Sự phát triển kỹ thuật số việc ứng dụng công nghệ số vào lĩnh vực kỹ thuật, làm cho khái niệm “nén” trở thành đề tài nóng hổi nhữnh năm gần Nhiều kỹ thuật nén khơng thơng tin đ• phát triển nhiều năm qua, có số chúng áp dụng cho việc nén tín hiệu audio số Những tiêu chuẩn nén audio số mà ta thường gặp MPEG, AC-3, hệ thống âm hệ thống âm có hình ảnh kèm, tiêu chuẩn nén audio dùng phổ biến tiêu chuẩn nén dòng số liệu audio số MPEG Trong lĩnh vực truyền thanh, truyền hình mạng đa dịch vụ khác, audio số xu phát triển mạnh, đặc biệt nước ta từ năm 2005 Đứng trước nhu cầu bách thực tế, đề tài “ Nén tín hiệu audio theo tiêu chuẩn MPEG -2 ứng dụng” mà tơi chọn, nhằm góp phần hồn thiện việc tập trung kiến thức, thông tin đầy đủ kỹ thuật audio số, đồng thời mở hướng nghiên cứu để tiếp cận nhanh với công nghệ đại thời đại ngày MPEG-2 tiêu chuẩn mã hóa nén(thường gọi tắt chuẩn nén)trong tiêu chuẩn MPEG dùng để mã hóa luồng liệu hình có kết hợp với thông tin âm Đây phương thức mã hóa liệu có tổn hao cho phép lưu trữ truyền phim ảnh hệ thống băng thông thời Ưu nhược điểm MPEG2 *Ưu điểm Được ứng dụng rộng rãi ngành truyền thông Phiên trước MPEG-2 MPEG-1 MPEG-1 thiết kế để truyền lưu trữ nội dung phim ảnh có độ phân giải trung bình (576x724 điểm ảnh) MPEG-2 hỗ trợ mã nén luồng âm kênh (stereo) mà chuẩn MPEG-1 khơng có Khi mạng truyền hình số mặt đất, cáp, số vệ tinh phát triển cần chuẩn nén Sau danh sách khu vực sử dụng MPEG-2: Truyền hình số mặt đất (digital terrestrial television) Truyền hình cáp Truyền hình số vệ tinh (DTH) Định dạng DVD Các đĩa DVD dùng để chứa phim ảnh áp dụng chuẩn nén MPEG-2 *Nhược điểm - Chuẩn MPEG2: Chuẩn MPEG chuẩn thông dụng Đã sử dụng rộng rãi thập kỉ qua Tuy nhiên, kích thƣớc fle lớn so với chuẩn xuất gần đây, gây khó khăn cho việc truyền liệu Ví dụ MPEG-2, nơi mà nội dung đƣợc tạo từ nhiều nguồn nhƣ video ảnh động, đồ họa, văn bản… đƣợc tổ hợp thành chuỗi khung hình phẳng, khung hình (bao gồm đối tượng ngƣời, đồ vật, âm thanh, khung hình…) chia thành phần tử ảnh pixels xử lý đồng thời, giống cảm nhận ngƣời thông qua giác quan thực tế Các pixels mã hoá thể tất chúng phần tử ảnh video ảnh động Tại phía thu ngƣời sử dụng, trình giải mã diễn ngược với q trình mã hố khơng khó khăn *Vì coi MPEG-2 cơng cụ hiển thị tĩnh, nhà truyền thông truyền phát lại chƣơng trình nhà truyền thơng khác kiện, logo nhà sản xuất chương trình khơng thể loại bỏ Với MPEG-2, bạn bổ sung thêm phần tử đồ hoạ văn vào chƣơng trình hiển thị cuối (theo phƣơng thức chồng lớp), nhƣng khơng thể xố bớt đồ hoạ văn có chương trình gốc CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MƠ HÌNH MPEG2 Khái quát nén MPEG MPEG (Moving Picture Expert Group) nhóm chun gia hình ảnh, đƣợc thành lập từ tháng năm 1988 với nhiệm vụ xây dựng tiêu chuẩn cho tín hiệu Audio Video số Ngày nay, MPEG trở thành kỹ thuật nén Audio Video phổ biến khơng tiêu chuẩn riêng biệt mà tuỳ thuộc vào yêu cầu cụ thể thiết bị có tiêu chuẩn thích hợp nhƣng nguyên lý thống - Tiêu chuẩn đƣợc nhóm MPEG đƣa MPEG-1, mục tiêu MPEG-1 mã hố tín hiệu AudioVideo với tốc độ khoảng 1.5Mb/s lƣu trữ đĩa CD với chất lƣợng tƣơng đƣơng VHS - Tiêu chuẩn thứ 2: MPEG-2 đƣợc đời vào năm 1990, không nhƣ MPEG-1 nhằm lƣu trữ hình ảnh động vào đĩa với dung lƣợng bit thấp MPEG-2 với “cơng cụ ” mã hố khác đƣợc phát triển Các cơng cụ gọi “Profiles” đƣợc tiêu chuẩn hố sử dụng để phục vụ nhiều mục đích khác - Tiêu chuẩn mà MPEG đƣa MPEG-4, đƣợc đƣa vào tháng 10 năm 1998, tạo phƣơng thức thiết lập tƣơng tác với truyền thơng nghe nhìn mạng Internet, tạo phƣơng thức sản xuất, cung cấp tiêu thụ nội dung video sơ nội dung hƣớng đối tƣợng (content/object-based) - MPEG-7: chuẩn dùng để mô tả nội dung Multimedia, chuẩn cho nén mã hoá audio/ảnh động nhƣ MPEG-1, MPEG-2 hay MPEG-4 MPEG-7 sử dụng ngôn ngữ đánh dấu mở rộng XML (Extansible Markup Language) để lƣu trữ siêu liệu Metadata, đính kèm timecode để gắn thẻ cho kiện, hay đồng liệu MPEG-7 bao gồm chuẩn sau: + Bộ sơ đồ đặc tả (Description Schemes) đặc tả (Description) + Ngôn ngữ xác định DDL (Description Definition Language) để định nghĩa sơ đồ đặc tả + Sơ đồ mã hố q trình đặc tả Việc kết hợp MPEG-4 MPEG-7 tạo giải pháp lý tƣởng cho dịch vụ Streaming Media, hệ thống lƣu trữ sản xuất Streaming Media thời gian tới Các cấu trúc ảnh: MPEG định nghĩa loại ảnh khác cho phép linh hoạt để cân nhắc hiệu mã hóa truy cập ngẫu nhiên Các loại ảnh sau: Ảnh loại I (Intra-picture): Là ảnh đƣợc mã hóa riêng, tƣơng tự nhƣ việc mã hóa ảnh tĩnh JPEG Ảnh I chứa đựng liệu để tái tạo lại toàn hình ảnh chúng đƣợc tạo thành thơng tin ảnh để dự báo cho ảnh B,P Ảnh I cho phép truy cập ngẫu nhiên, nhiên cho tỷ lệ nén thấp Ảnh loại P (Predicted-picture): Là ảnh đƣợc mã hóa có bù chuyển động từ ảnh I ảnh P phía trƣớc Ảnh P cung cấp cho hệ số nén cao ảnh I sử dụng làm ảnh so sánh cho việc bù chuyển động cho ảnh P B khác Ảnh loại B ( Bi-directional predicted picture): Là ảnh đƣợc mã hóa sử dụng bù chuyển động từ ảnh I P phía trƣớc phía sau Ảnh B cho tỷ lệ nén cao Ảnh loại D ( Dc-coded picture): Là ảnh đƣợc sử dụng MPEG-1 MPEG-4 nhƣng không đƣợc sử dụng MPEG-2 Nó giống nhƣ ảnh I, nhiên có thành phần chiều đầu DCT đƣợc thể Nó cho phép dị tìm nhanh nhƣng chất lƣợng ảnh thấp Nhóm ảnh (GOP): Đối với chuẩn MPEG, chất lƣợng ảnh phụ thuộc vào tỷ lệ nén khn hình mà cịn phụ thuộc vào độ dài nhóm ảnh Nhóm ảnh (GOP- Group of picture) khái niệm MPEG Nhóm ảnh đơn vị mang thông tin độc lập MPEG MPEG sử dụng ba loại ảnh I, B, P Trong đó, ảnh P ảnh B khơng phải ảnh hoàn chỉnh mà chứa khác biệt ảnh ảnh xuất trƣớc (đối với ảnh P) hay khác biệt khn hình xuất trƣớc sau (đối với ảnh B) Để có khn hình hồn chỉnh ảnh P B cần có liệu từ ảnh lân cận, MPEG khái niệm GOP (nhóm ảnh) đƣợc sử dụng Mỗi GOP bắt buộc phải bắt đầu ảnh hoàn chỉnh I tiếp sau loại ảnh P B Nhóm ảnh mở (Open) đóng (Closed) Nhóm ảnh mở ln ảnh I kết thúc ảnh trƣớc ảnh trƣớc ảnh I tiếp theo, tức ảnh cuối GOP dùng ảnh GOP làm ảnh chuẩn, Hình 2.15 Hình 2.15: Cấu trúc GOB mở Trong Hình 2.15, ảnh P (ảnh 4) đƣợc dự báo trƣớc sở ảnh I (ảnh 1) Ảnh B đƣợc dự đoán từ hai hƣớng, ảnh B (ảnh 2) ảnh B (ảnh 3) đƣợc dự đoán từ hai ảnh I (ảnh 1) ảnh P (ảnh 4) Ảnh B (ảnh 5,6) đƣợc dự đoán từ ảnh P (ảnh 4) ảnh I (ảnh 6) Một điều ý thứ tự truyền ảnh ảnh hình khơng giống Đối với cấu trúc khép kín (đóng), việc dự đốn ảnh không sử dụng thông tin GOP khác Trong trƣờng hợp này, theo quy định, ảnh cuối GOP ảnh P (Hình 2.16) Hình 2.16: Cấu trúc GOB đóng Nhóm ảnh đƣợc xác định hai thông số m n Thông số m xác định số khung hình P khung hình B xuất hai khung hình I gần Số n xác định số khung hình B hai khung hình P Tỷ lệ nén video MPEG phụ thuộc nhiều vào độ dài GOP Tuy nhiên, GOP dài thƣờng gây khó khăn cho q trình tua, định vị, sửa lỗi Do tùy thuộc vào khâu (sản xuất, dựng hình, truyền dẫn, phát sóng v v) mà ta chọn độ dài GOP thích hợp Trong sản xuất hậu kỳ, có yêu cầu truy cập ngẫu nhiên vào ảnh nào, điều có nghĩa u cầu dựng xác đến ảnh, GOP đƣơng nhiên phải có ảnh I Trong trƣờng hợp này, tỷ lệ nén đạt thấp Để tăng tỷ lệ nén cho truyền dẫn phát sóng, GOP số lƣợng ảnh P, B phải tăng lên Lúc không cho phép việc dựng hình nhƣ làm kỹ xảo chuỗi hình ảnh Trong trƣờng hợp ta có GOP gồm 12 ảnh Cấu trúc dòng bit MPEG: Để tạo khả chống lỗi truyền tín hiệu qua kênh có nhiễu, ƣớc đốn phải đƣợc xác lập lại (reset) thƣờng xuyên ảnh nén khung hay nén ƣớc đoán đƣợc phân đoạn thành nhiều lát nhỏ (slice) cho việc tái đồng giải mã phía thu Cấu trúc dịng MPEG gồm lớp: lớp dãy ảnh (sequence), lớp nhóm ảnh (GOP), lớp ảnh (pictrue), lớp cắt lát dòng bit (slice), lớp macroblock, lớp khối (Block) Mỗi lớp hỗ trợ chức định: chức xử lý tín hiệu (DCT, bù chuyển động) hai chức logic (tái đồng bộ, điểm truy xuất ngẫu nhiên) Q trình tạo dịng bit MPEG ghép kênh: kết hợp dòng liệu vào, dòng liệu ra, điều chỉnh đồng quản lý đệm Cú pháp dòng MPEG bao gồm: lớp dòng bit (stream), lớp gói (pack) lớp gói tin (packet) nhƣ Hình Khối Khối 8x8 điểm ảnh tín hiệu chói tín hiệu màu dùng cho phƣơng pháp nén DCT Tổ hợp cấu trúc khối (macroblock): cấu trúc khối nhóm khối tƣơng ứng với lƣợng thơng tin chứa đựng kích thƣớc 16x16 điểm ảnh Cấu trúc khối xác định lƣợng thơng tin chứa thay đổi tùy theo cấu trúc mẫu đƣợc sử dụng Thông tin cấu trúc khối mang dạng (là cấu trúc khối Y hay Cr, Cb) vector bù chuyển động tƣơng ứng Mảng (Slice): mảng bao gồm vài cấu trúc khối kề Kích thƣớc lớn mảng bao gồm tồn ảnh kích thƣớc nhỏ mảng cấu trúc khối Thông tin đầu mảng chứa đựng vị trí mảng tồn ảnh, hệ số cân lƣợng tử Ảnh (Picture): lớp ảnh cho phép giải mã xác định loại ảnh đƣợc mã hóa ảnh P, I hay ảnh B Thông tin đầu dùng để thứ tự truyền khung để giải mã xếp ảnh lại theo thứ tự Trong thông tin đầu ảnh cịn chứa thơng tin đồng bộ, độ phân giải phạm vi vector chuyển động Nhóm ảnh (GOP): nhóm ảnh tổ hợp nhiều khung I, P B Cấu trúc nhóm ảnh đƣợc xác định hai tham số m n Mỗi nhóm ảnh bắt đầu khung I cho phép xác định điểm bắt đầu để tìm kiếm biên tập Thơng tin đầu gồm 25 bit chứa mã định thời điều khiển Đoạn (chƣơng trình) video: đoạn video bao gồm thơng tin đầu, số nhóm ảnh thơng tin kết thúc đoạn Thơng tin đầu đoạn video chứa đựng kích thƣớc chiều ảnh, kích thƣớc điểm ảnh, tốc độ bit dòng video số, tần số ảnh đệm tối thiểu cần có Đoạn video thơng tin đầu tạo thành dịng bit đƣợc mã hóa gọi dịng (Elementary Stream) Hình 2.17: Kiến trúc dòng liệu MPEG Nguyên lý nén MPEG: Cơ sở công nghệ nén Video MPEG kết hợp nén ảnh công nghệ nén liên ảnh Trong đó: - Nén ảnh: Là loại nén nhằm giảm bớt thông tin dƣ thừa miền không gian Nén ảnh sử dụng hai q trình có tổn hao khơng có tổn hao để giảm bớt liệu ảnh Quá trình không sử dụng thông của ảnh trƣớc sau ảnh xét - Nén liên ảnh: Trong tín hiệu video có chƣa thơng tin dƣ thừa miền thời gian Nghĩa với chuỗi liên tục ảnh, lƣợng thông tin chƣa đựng thay đổi từ ảnh sang ảnh khác Tính tốn dịch chuyển vị trí nội dung ảnh phần quan trọng kỹ thuật nén liên ảnh Trong nén MPEG, trình xác định vector chuyển động đƣợc thực cách chia hình ảnh thành Macro-Block, Macro-Block có 16 x 16 phần tử ảnh (tƣơng đƣơng với Block, Block có x phần tử ảnh) Để xác định chiều chuyển động, ngƣời ta tìm kiếm vị trí Macro – Block ảnh tiếp theo, kết tìm kiếm cho ta vector chuyển động Macro – Block Dạng thức đầu vào Rec – 601 4:2:2 4:2:0 Ảnh đƣợc so sánh với ảnh trƣớc tạo ảnh khác biệt Ảnh sau lại đƣợc nén ảnh qua bƣớc: Biến đổi DCT, lƣợng tử hóa, mã hóa Dữ liệu ảnh khác biệt vector chuyển động mang thông tin ảnh sau nén liên ảnh đƣợc đƣa đến đệm đầu Hình 2.18: Quá trình nén MPEG Nguyên lý giải nén MPEG: - Đầu tiên giải mã Entropy, sau tách sữ liệu ảnh khỏi vecor chuyển động Dữ liệu ảnh đƣợc giải lƣợng tử hóa biến đổi DCT ngƣợc - Nếu ảnh loại ảnh I bắt đầu nhóm ảnh chuỗi, đầu nhận đƣợc ảnh hồn chỉnh cách (Vì ảnh I nén ảnh, khơng có bù chuyển động, khơng dùng liệu ảnh khác) Nó đƣợc lƣu trữ nhớ ảnh đƣợc dùng để giải mã ảnh - Nếu ảnh loại ảnh P thực giải lƣợng tử hóa biến đổi DCT ngƣợc kết hợp với việc sử dụng vector chuyển động cà lƣu vào nhớ ảnh sớm Trên có sử xác định đƣợc dự đồn ảnh xét Ta nhận đƣợc ảnh sau cộng dự đoán ảnh kết biến đổi DCT ngƣợc Ảnh đƣợc lƣu vào nhớ để sử dụng nhƣ chuẩn giải mã ảnh Hình 2.19: Giải nén MPEG Chuẩn nén MPEG-2 MPEG-2 chuẩn nén video có tổn thất Cơng ty Nethold‟s Multichoice truyền 20 kênh truyền hình số cho Bỉ, Hà Lan, Luxembourge, Scandinavia, Trung Đông, Châu Phi, qua vệ tinh Pan Amsat vào tháng 10/1995 Hệ thống sử dụng triệu giải mã MPEG-2 set-top Phillips, Panasonic, Pace Mạng truyền hình Dish Echostar có kế hoạch truyền 150 kênh truyền hình số Cả châu Âu (DVB), Mỹ (ATV), nhiều hãng khác giới (Galaxy, Shinawatra Satellite, ) dùng MPEG-2 hệ truyền hình có độ phân giải cao để phát sóng truyền hình số mặt đất Chuẩn MPEG-2 bao gồm phần : - Các hệ thống (ISO/IEC 13818-1) - Video (ISO/IEC 13818-2) - Audio (ISO/IEC 13818-3) - Các hệ thống kiểm tra (ISO/IEC 13818-4) Phần đƣa cấu trúc kết nối phức tạp liệu audio video đồng thời gian thực Phần đƣa cách mã hóa tín hiệu video trình giải mã để tái tạo lại khung ảnh Phần cấu trúc mã hóa tín hiệu audio phần hệ thống kiểm tra yêu cầu đặt MPEG-2 MPEG-2 hoạt động hoàn toàn dựa sở MPEG-1, nhiên có thêm vài yêu cầu tạo thành hệ thống đầy đủ cho dịch vụ nghe nhìn: - Hỗ trợ xử lý file frame - Áp dụng vào nhiều lĩnh vực từ tốc độ bit thấp đến cao (từ chất lƣợng ảnh thấp đến cao) MPEG-2 đƣa dạng thức ứng với profiles số level - MPEG-2 có tính tƣơng hợp (compatibility) tính co dãn (scalability) cao theo khơng gian thời gian Cấu trúc dòng bit video MPEG-2: Một khác biệt hai tiêu chuẩn MPEG-2 MPEG-1 chỗ MPEG-2 có khả xử lý chuỗi video xen kẽ, ví dụ nhƣ dạng thức ITU-R601 Sơ đồ mã hóa thích nghi với lựa chọn field frame, MPEG-1 có mode cố định Hình 2.20 cấu trúc dịng bit video MPEG-2 Hình 2.20: Cấu trúc dòng bit vdeo MPEG-2 57 - Chuỗi video đƣợc mã hóa bắt đầu Sequence Header, sau chuỗi mở rộng (nếu có) nhóm ảnh Nếu phần chuỗi mở rộng (Sequence extension) không đƣợc xác định (khơng có mã báo có thành phần mở rộng), lớp thực quy trình giống nhƣ MPEG-1 tƣơng hợp thuận Khi có thêm phần mở rộng phải có thêm đặc tính mở rộng để mã hóa hữu hiệu - Header nhóm ảnh (GOP) có chức tƣơng tự nhƣ header MPEG-1 Các thông số quan trọng dùng để mã hóa ảnh mở rộng đƣợc định nghĩa extension header ảnh Vì có hai loại ảnh, liên tục xen kẻ nên cấu trúc ảnh cần phải đƣợc xác định rõ field hay field dƣới frame Ứng dụng MPEG-2 nén tín hiệu video: Tính chất nén tín hiệu video (hoặc giảm tốc độ bit video BRR - Bit rate reduction) kết hợp nhiều yếu tố khác : - Tỉ lệ nén: tỉ lệ nén từ 2:1 đến 150:1, tùy thuộc vào chất lƣợng ảnh yêu cấu cho ứng dụng - Chất lƣợng ảnh: chất lƣợng ảnh cao thƣờng dùng cho khâu xử lý ảnh, khâu hậu kỳ (dựng hình); giảm khâu lấy tin (news), truyền dẫn phát sóng - Khả tạo nhiều lần: Trong trình sản xuất hậu kỳ, truyền dẫn phát sóng tín hiệu video gốc phải qua nhiều công đoạn, nén giải nén - Đối xứng/ không đối xứng: với sơ đồ nén đối xứng, số lƣợng xử lý phần mã hóa giải mã giống Sơ đồ MPEG-2 khơng đối xứng cơng đoạn giải mã so với mã hóa - Trễ mã hóa giải mã: độ trễ phụ thuộc vào cấu trúc độ phức tạp mã hóa, kích thƣớc GOP chuỗi GOP Trong truyền hình, độ trễ tổng cộng chấp nhận đƣợc