Chuẩn mã hóa video tiên tiến h 264

giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hà nội Bïi trung hiÕu Bïi Trung HiÕu ®iƯn tử viễn thông Chuẩn mà hóa video tiên tiến h.264 luận văn thạc sĩ Điện tử viễn thông 2007-2009 Hà nội 2009 Hà Nội 2009 giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hà néi Bïi Trung Hiªu ChuÈn m· hãa video tiªn tiÕn h.264 Chuyên ngành : Điện tử Viễn thông luận văn thạc sĩ điện tử viễn thông người hướng dẫn khoa học : TS Lê Bá Dũng Hà Nội 2007 - 2009 MỤC LỤC Trang Lời nói đầu ……………………………………………………………………………… Chương 1: CƠ BẢN VỀ NÉN VIDEO SỐ………………………………………… …….3 Kỹ thuật nén Video số………………………………………………………………….3 1.1 Khái niệm ……………………………………………………………………….3 1.2Mơ hình nén ảnh…………………………………………………………………3 1.3Các đặc điểm nén tín hiệu……………………………………………………4 1.3.1Xác định hiệu q trình nén tín hiệu số……………………………4 1.3.2Độ dư thừa số liệu………………………………………………………… 1.3.3 Sai lệch bình phương trung bình………………………………………… 1.4Các phương pháp nén ……………………………………………………………6 1.4.1Nén khơng tổn hao…………………………………………………………7 1.4.2Nén có tổn hao…………………………………………………………… 1.5 Tiêu chuẩn nén MPEG……………………………………………………………8 1.5.1 Cấu trúc ảnh……………………………………………………………….8 1.5.2 Nhóm ảnh (GOP: Group Of Picture)…………………………………….10 1.5.3 Cấu trúc dịng bit MPEG Video…………………………………………11 1.6 Tiêu chuẩn nén MPEG-2 ……………………………………………………….13 1.6.1 Đặc tính định mức (profile and level) ……………………………… 13 1.6.2 MPEG-2 4:2:2P@ML ………………………………………………… 16 CHƯƠNG 2: CHUẨN NÉN VIDEO H.264 ………………………………………… 18 2.1 Giới thiệu chung CODEC H.264……………………………………… 19 2.1.1Bộ mã hoá (Encoder) ……………………………………………………19 2.1.2Bộ giải mã (Decoder)…………………………………………………… 21 2.2 Cấu trúc ………………………………………………………………………22 2.2.1 Định dạng video (Video Format) ……………………………………… 22 2.2.2 Định dạng liệu mã hóa …………………………………………22 2.2.3 Slice …………………………………………………………………… 23 2.2.4 Macroblock …………………………………………………………… 25 2.2.5 Ảnh tham chiếu(Reference Picture) …………………………………….26 2.3 Profile …………………………………………………………………………….27 2.4 Lớp mạng trừu tượng (NAL) …………………………………………………… 28 2.4.1 Định nghĩa lớp mạng trừu tượng: ………………………………………28 2.4.2 Cấu trúc NAL unit ………………………………………………….29 2.4.3 Tập tham số (Parameter Set) ……………………………………………31 2.5 Một số kỹ thuật H.264 …………………………………………………… 39 2.5.1Dự đoán nội khung (intra prediction) ………………………………… 39 2.5.2 Chuyển đổi (transform) lượng tử ……………………………………46 2.5.3Mã hóa entropy ………………………………………………………… 48 2.5.4 Bộ lọc Deblocking ………………………………………………………49 CH Ư ƠNG 3:H.264 TRONG M Ơ H ÌNH IPTV ………………………………………….51 3.1 Lớp mã hóa video …………………………………………………………………51 3.2 Lớp đóng gói Video ………………………………………………………………… 53 3.3 Lớp cấu trúc dòng truyền tải ………………………………………………………… 55 3.4 Lớp giao thức truyền tải thời gian thực( tùy chọn) …………………………….61 3.5 Lớp truyền tải ……………………………………………………………………66 3.6 Lớp IP ……………………………………………………………………………74 3.7 Lớp liên kết liệu …………………………………………………………….83 3.8 Lớp vật lí …………………………………………………………………………86 CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ, KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ……………………………88 4.1 Đánh giá q trình mã hóa giải mã thông qua PSNR …………………………88 4.1.1 Khái niệm PSNR …………………………………………………………88 4.1.2 Đo PSNR q trình mã hóa giải mã …………………………………89 4.2 Các đặc điểm bật thiết kế H.264 ………………………………… 92 4.3 Kết luận kiến nghị …………………………………………………………….96 TÓM TẮT LUẬN VĂN LỜI NĨI ĐẦU Trong sống với băng thông dung lượng không đủ Nhu cầu người ngày tăng lên, ngày đòi hỏi dịch vụ với chất lượng cao Những liệu Video thường liệu có dung lượng lớn, ví dụ truyền hình có độ phân giải cao (HDTV) chưa nén tốc độ lên tới 1Gbps để truyền tải khó không nén Do chuẩn nén video đời nhằm loại bỏ liệu dư thừa mà đảm bảo chất lượng Chuẩn mã hóa (nén) H.264 chuẩn tiên tiến đời thức vào năm 2003 Nó tạo đột phá, cho phép nén video cách tốt đồng thời cải thiện chất lượng so với chuẩn trước Do chọn việc nghiên cứu chuẩn H.264 làm luận văn khoa học tốt nghiệp với đề tài “Chuẩn mã hóa video tiên tiến H.264” Nội dung luận văn gồm chương: Chương 1: Cơ nén Video số Chương trình bày kiến thức nén Video số khái niệm, đặc điểm, phương pháp nén giới thiệu chuẩn nén điển hình MPEG Chương 2: Chuẩn mã hóa Video tiên tiến H.264 Chương vào chi tiết chuẩn mã hóa H.264 như: cấu trúc Codec H.264 (bộ mã hóa giải mã hóa), cấu trúc liệu H.264, profile H.264 trình bày thành phần quan trọng cấu trúc liệu H.264 NAL (Network Astraction Layer) Chương 3: Ứng dụng H.264 mơ hình IPTV H.264 có tỉ lệ nén cao nên ứng dụng nhiều lĩnh vực Nhờ có đời H.264 mà IPTV trở nên hiệu thực tế Chương thể chuẩn H.264 ứng dụng mơ hình IPTV cho biết lớp mơ hình IPTV Bùi Trung Hiếu Luận văn thạc sĩ khoa học Chương 4: Đánh giá, kết luận kiến nghị Qua trình nghiên cứu chuẩn H.264, chương xây dựng mơ hình mã hóa file video thơ YUV theo chuẩn H.264 codec x264 Từ đưa đánh giá thơng qua việc tính tốn PSNR, tỉ số nén xem đoạn video sau nén Cuối đưa kiến nghị, kết luận hướng phát triển tương lai Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Lê Bá Dũng người hướng dẫn giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô giáo người trang bị kiến thức để làm luận văn Mặc dù cố gắng chắn luận văn nhiều thiếu sót, tơi mong thầy bạn đồng nghiệp bảo để tơi ngày hồn thiện vốn kiến thức Hà Nội, ngày 31/10/2009 Bùi Trung Hiếu Bùi Trung Hiếu Luận văn thạc sĩ khoa học CHƯƠNG I: CƠ BẢN VỀ NÉN VIDEO SỐ Kỹ thuật nén Video số 1.1 Khái niệm Nén q trình lượng số liệu (data) biểu diễn lượng thông tin ảnh nhiều ảnh giảm bớt cách loại bỏ số liệu dư thừa tín hiệu Video Các chuỗi ảnh truyền hình có nhiều phần ảnh giống nhau, tín hiệu truyền hình có chứa nhiều liệu dư thừa, ta bỏ qua mà khơng làm thơng tin ảnh Đó phần xố dịng, xố mành, vùng ảnh tĩnh chuyển động chậm, vùng ảnh giống nhau, mà phần tử liên tiếp giống khác Thường chuyển động ảnh truyền hình dự báo, cần truyền thông tin chuyển động Các phần tử lân cận ảnh thường giống nhau, cần truyền thông tin biến đổi Các hệ thống nén sử dụng đặc tính tín hiệu Video đặc trưng mắt người nhậy với sai số hình ảnh có nhiều chi tiết phần tử chuyển động Quá trình sau nén ảnh dãn ảnh để tạo lại ảnh gốc xấp xỉ ảnh gốc 1.2 Mơ hình nén ảnh BiĨu diƠn thuận lợi Lượng tử hoá Gán từ mà Xử lý kênh Giải từ mà Giải L.T.H Biểu diễn Hỡnh 1.1: Mơ hình hệ thống nén Video Ở tầng mã hố video, tín hiệu video trình bày dạng thuận tiện để nén có hiệu Điểm cốt yếu xác định mã hố Sự biểu diễn chứa nhiều mẩu thơng tin để mơ tả tín hiệu tín hiệu, hầu hết thơng tin quan trọng tập trung phần nhỏ Bùi Trung Hiếu Luận văn thạc sĩ khoa học mô tả Trong cách biểu diễn có hiệu quả, có phần nhỏ liệu cần thiết để truyền cho việc tái tạo tín hiệu video -Hoạt động thứ hai mã hoá lượng tử hoá, giúp rời rạc hố thơng tin biểu diễn Để truyền tín hiệu video qua kênh số, thông tin biểu diễn lượng tử hoá thành số hữu hạn mức -Hoạt động thứ gán từ mã Các từ mã chuỗi bit dùng để biểu diễn mức lượng tử hoá Các trình ngược lại giải mã video Mỗi hoạt động cố gắng loại bỏ phần dư thừa tín hiệu video tận dụng giới hạn hệ thống nhìn mắt người Nhờ bỏ phần dư thừa, thơng tin giống có liên quan đến không truyền Những thông tin bỏ mà không ảnh hưởng đến việc nhìn khơng truyền 1.3 Các đặc điểm nén tín hiệu số 1.3.1 Xác định hiệu q trình nén tín hiệu số Hiệu nén xác định tỉ lệ nén, nghĩa tỷ số số lượng liệu ảnh gốc trên số lượng liệu ảnh nén Độ phức tạp thuật toán nén xác định số bước tính tốn hai q trình mã hố giải mã Thơng thường thuật tốn nén phức tạp hiệu nén cao ngược lại giá thành thời gian thực lại tăng Đối với thuật tốn nén có tổn thất độ sai lệch xác định số thơng tin bị tái tạo lại hình ảnh từ liệu nén Với nén khơng tổn thất có thuật tốn má hố gần với Entropy thơng tin nguồn, lượng entropy nguồn tốc độ nhỏ mà thuật tốn nén khơng tổn thất đạt Ngược lại, nén có tổn thất mối quan hệ tỷ lệ nén độ sai lệch thông tin Shannon nghiên cứu biểu diễn dạng hàm RD (hàm độ sai lệch thông tin) Lý thuyết ông với thuật tốn nén có tổn thất Bùi Trung Hiếu Luận văn thạc sĩ khoa học có hiệu cao nhất, ngược lại ta bị thông tin trình tái tạo lại từ liệu nén Trong nén khơng tổn thất , đạt hiệu thấp ta lại không bị thông tin q trình tái tạo lại Vì vậy, ta phải tìm biện pháp nhằm trung hồ hai thuật tốn nén để tìm thuật toán nén tối ưu cho hiệu nén cao mà lại không bị mát thông tin 1.3.2 Độ dư thừa số liệu Nén số liệu trình giảm lượng số liệu cần thiết để biểu diễn lượng thông tin cho trước Số liệu thông tin không đồng nghĩa với nhau, số liệu phương tiện dùng để truyền tải thông tin Cùng lượng thơng tin cho trước biểu diễn lượng số liệu khác Độ dư thừa số liệu vấn đề trung tâm nén ảnh số Đánh giá cho trình thực giải thuật nén tỷ lệ nén (CN) xác định sau: Nếu N1 N2 lượng số liệu hai tập hợp số liệu biểu diễn lượng thơng tin cho trước độ độ dư thừa số liệu tương đối RD tập hợp số liệu thứ với tập hợp số liệu thứ hai định nghĩa sau: RD =1-1/ CN Trong đó: CN =N1/N2 Trong trường hợp N1=N2 CN =1 RD=0, có nghĩa so với tập số liệu thứ hai tập số liệu thứ khơng chứa số liệu dư thừa Khi N2