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 Mơ hình nén ảnh 17 2.2 Các đặc điểm nén tín hiệu số 18 2.2.1 Xác định hiệu q 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 vơ 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: Mơ hình hệ thống nén Video 17 Hình 2.2: Sự phối hợp kỹ thuật JPEG MPEG 20 Hình 2.3: Dự đốn 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 đốn 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 khơng ngun 40 Hình2.23: Minh họa dự đốn 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: Mơ 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: Q trình trun thơng 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: Mơ 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