Nghiên cứu các chuẩn mã hóa video và ứng dụng trong các hệ thống di động (tt)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Phạm Thị Huyên NGHIÊN CỨU CÁC CHUẨN MÃ HOÁ VIDEO VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC HỆ THỐNG DI ĐỘNG Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2012 Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: TS Vũ Văn Thỏa Phản biện 1: …………………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, nhu cầu dịch vụ liệu mạng di động, liệu đa phương tiện lớn Cùng với nhu cầu đó, vấn đề đặt làm tìm kỹ thuật mã hố liệu chuẩn, có hiệu để truyền liệu mạng di động Hiện nay, sống kỷ nguyên “Kỷ nguyên truyền thông đa phương tiện” Các thiết bị mới, kỹ thuật đời nhằm mục đích đáp ứng nhu cầu giải trí cho người ngày tốt Các ứng dụng đa phương tiện thời gian thực truyền mạng di động, mạng Internet, mạng truyền hình…ngày phát triển rầm rộ Các nhà sản xuất thiết bị trọng áp dụng công nghệ nén tiên tiến vào thiết bị nhằm thõa mãn nhu cầu “chất lượng trung thực âm thanh, hình ảnh” khách hàng khả đáp ứng yêu cầu thực tế công nghệ Trong thực tế, gắn liền độ phức tạp, tốn chi phí đầu tư sở hạ tầng, thiết bị đầu cuối…, kèm với công nghệ cao Bên cạnh vấn đề truyền thơng nội dung đa phương tiện gặp số khó khăn: băng thơng đường truyền, nhiễu kênh, giới hạn pin cho ứng dụng… Trong băng thông kênh truyền phải chờ đợi cơng nghệ tương lai cải thiện, việc cải thiện giới hạn pin dường không đáp ứng phát triển dịch vụ tương lai, phương pháp giảm kích thước liệu kỹ thuật nén cách giải hiệu khó khăn Để hiểu biết tiêu chuẩn nén tiên tiến này, em chọn đề tài “Nghiên cứu chuẩn mã hóa video ứng dụng hệ thống di động ” làm đề tài luận văn Từ phân tích trên, thấy đề tài “Nghiên cứu chuẩn mã hóa video ứng dụng hệ thống di động ” mang tính cấp thiết có ý nghĩa lý thuyết lẫn ứng dụng thực tế Luận văn bao gồm chương sau: Ch ơng 1: Các chuẩn mã hóa video Ch ơng 2: Ứng dụng chuẩn mã hóa video MobileTV Ch ơng 3: Nghi n cứu giải pháp ánh giá chất ộng ng video hệ thống di Sau thời gian nỗ lực hết mình, luận văn cho nhìn tổng quát chuẩn mã hóa MPEG2, MPEG-4 H.264, đồng thời với ứng dụng chuẩn mã hoá MobileTV giúp cho ta hiểu rõ ưu điểm chuẩn mã hóa Tuy nhiên có hạn chế kinh nghiệm, thời gian,…nên không tránh khỏi sai sót, kính mong Q Thầy Cơ, bạn bè, đồng nghiệp tham khảo đóng góp ý kiến để luận văn hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn TS Vũ Văn Thoả bớt thời gian quý báu, hướng dẫn tận tình cung cấp tài liệu bổ ích cho em trình làm luận văn Đồng thời xin cảm ơn Quý Thầy Cô Học viện cơng nghệ bưu viễn thơng tận tình dạy dỗ, truyền thụ kiến thức kinh nghiệm cho em thời gian học tập nghiên cứu trường 3 CH ƠNG 1- CÁC CHUẨN MÃ HÓA VIDEO 1.1 Chuẩn MPEG2 1.1.1 Tổng quan MPEG-2 1.1.1.1 Lịch sử phát triển chuẩn nén MPEG Thuật ngữ MPEG viết tắt cụm từ Moving Picture Experts Group nhóm chuyên nghiên cứu phát triển tiêu chuẩn hình ảnh số nén âm theo chuẩn ISO/IEC từ năm 1988 Cho đến nhóm làm việc MPEG phát triển phát hành nhiều tiêu chuẩn nén cho loại ứng dụng khác nhau, bật chuẩn MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.264/AVC MPEG tên riêng, tên thức là: ISO/IEC JTC1 SC29 WG11 1.1.1.2 Kỹ thuật mã hóa VIDEO MPEG-2 Tất chuẩn quốc tế cho nén video MPEG-1,2,4, ITU-T H261, H263, H264 sơ đồ mã hóa lai Các sơ đồ dựa nguyên lý dự đoán bù chuyển động mã hóa chuyển đổi sở khối Các khung mã hóa Intra (các khung I) phân chia thành khối 8x8 pixels Các khối nén sử dụng DCT, lượng tử hóa (Q), quét zig-zag, mã hóa Entropy (sử dụng kỹ thuật mã hóa có độ dài từ mã thay đổi VLC) Các khung mã hóa Inter kết bù chuyển động cách trừ dự đoán bù chuyển động Các khung dư (khung sai số) sau chia thành khối 8x8 pixel nén theo cách giống với khối khung I 1.1.2 Thuật toán Watermarking cho VIDEO MPEG-2 Ý tưởng chung Watermarking nhúng vài liệu mở rộng vào tin chủ Thông tin nhúng gọi watermark liệu chủ gọi vật mang Các ứng dụng Watermarking bảo vệ quyền, nhận thực, ẩn liệu, thông tin mật… Watermarking miền không gian Các thuật toán watermarking hệ làm việc miền khơng gian u cầu phức tạp đắt xử lý máy tính Một phương pháp mã hóa LSB: bit LSB byte liệu sửa đổi để nhúng watermark Mã hóa LSB dễ bị bẻ vỡ thực che phần LSB byte liệu, nhanh chóng thay kỹ thuật khác Watermarking miền DCT Chúng ta thấy sau chuyển đổi miền làm việc từ miền không gian sang miền DCT, tương quan pixel không gian giải tương quan thành phần tần số rời rạc Hệ số DC tần số thấp ma trận DCT định đặc tính tự nhiên ảnh Sau cắt xén hệ số tần số cao, tính trung thực ảnh cịn đủ tốt cho cảm thụ thị giác người thông qua biến đổi ngược IDCT Vì phương pháp tự nhiên nhúng ma trận hệ số DCT watermark vào ma trận hệ số DCT ảnh vùng tần số trung bình hay thấp để đạt watermark mạnh Tính chất mạnh watermarking DCT kẻ công cố gắng loại bỏ watermarking tần số trung bình phá tính trung thực ảnh, vài chi tiết thu nhận tần số trung bình 1.1.3 Cơng nghệ mã hóa giải mã Video MPEG2 • Mã hố MPEG -2: Tín hiệu Video Audio mã hóa (theo nguyên lý mã hóa MPEG ) tạo thành dòng liệu sở ES (Elementary Stream) Dòng ES sử dụng để tạo nên dịng liệu sở đóng gói PES (Packetized Elementary Stream) Dòng PES lại tiếp tục đóng gói tạo thành dịng truyền tải TS (Transport Stream) • Giải mã MPEG -2: MPEG -2 Coder Decoder khơng thiết phải có cấp chất lượng Tính phân cấp cho phép giải mã MPEG đơn giản, rẻ tiền, có khả giải mã phần tồn dịng bít có khả tạo hình ảnh chất lượng có thấp giải mã tồn dịng bít 1.1.4 Các Profiles Levels MPEG2  Profiles: Là khái niệm cho ta biết cấp chất lượng công cụ mã hóa sử dụng chuẩn mã hóa Ở có thoả hiệp tỷ số nén giá thành giải nén  Levels : Khái niệm Levels chuẩn MPEG-2 cho ta biết mức độ phân giải ảnh, bao gồm từ định dạng trung gian cho nguồn tín hiệu SIF ( Source Intermediate Format), định dạng sở MPEG -1 (360 x 288 @ 25Hz hay 360 x 240 @ 30Hz), đến truyền hình số phân giải cao HDTV (hệ thống truyền hình với 1000 dòng quét) 1.2 Chuẩn MPEG4 1.2.1 Tổng quan MPEG4 MPEG-4 chuẩn ISO/IEC phát triển nhóm MPEG (Moving Picture Expert Group), nhóm xây dựng chuẩn MPEG-1 MPEG-2 Các chuẩn mơ tả phương pháp tương tác hình ảnh CD-ROM, DVD truyền hình số MPEG-4 với tên gọi thức ISO/IEC đặt tên "ISO/IEC 14496" hoàn thành 10/1998 trở thành tiêu chuẩn quốc tế 1/1999 Các mở rộng để tương thích hồn tồn với chuẩn trước hồn thành vào cuối năm 1999, phiên gọi MPEG-4 Version 2, công nhận chuẩn quốc tế đầu năm 2000 Một số mở rộng nhóm làm việc MPEG tiếp tục đưa vào kể từ đến MPEG-4 dựa vào thành công ba lĩnh vực: - Truyền hình số - Các ứng dụng tương tác đồ hoạ (tổng hợp nội dung) - Tương tác đa phương tiện (World Wide Web, phân phối truy cập nội dung) Mã hoá video theo tiêu chuẩn MPEG-4 đề tài phức tạp có phạm vi rộng, đề cập nguyên lý mã hoá video theo tiêu chuẩn MPEG-4, sử dụng làm sở cho việc xem xét, nghiên cứu kỹ thuật nén video theo MPEG-4 cụ thể 1.2.2 Công nghệ mã hóa video MPEG-4 Khơng giống chuẩn MPEG trước đó, ví dụ MPEG-2, nơi mà nội dung tạo từ nhiều nguồn video ảnh động, đồ họa, văn bản… tổ hợp thành chuỗi khung hình phẳng, khung hình (bao gồm đối tượng người, đồ vật, âm thanh, khung hình…) chia thành phần tử ảnh pixels xử lý đồng thời, giống cảm nhận người thông qua giác quan thực tế Các pixels mã hoá thể tất chúng phần tử ảnh video ảnh động Tại phía thu người sử dụng, q 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 chương trình nhà truyền thơng khác kiện, logo nhà sản xuất chương trình khơng thể loại bỏ Với MPEG-2, bạn bổ xung thêm phần tử đồ hoạ văn vào chương trình hiển thị cuối (theo phương thức chồng lớp), xố bớt đồ hoạ văn có chương trình gốc 6 Chuẩn MPEG-4 khắc phục hạn chế chuẩn động dễ thay đổi Với MPEG-4, đối tượng khác khung hình mơ tả, mã hố truyền cách riêng biệt đến giải mã dòng ES (Elementary Stream) khác 1.2.3 Các PROFILE LEVEL MPEG4 Chuẩn MPEG-4 bao gồm nhiều tính ưu việt khác nhau, khơng phải ứng dụng đòi hỏi tất tính MPEG-4 Để sử dụng cơng cụ MPEG-4 cách hiệu nhất, thiết bị chuẩn MPEG-4 trang bị số tính phù hợp với phạm vi ứng dụng định, để tạo điều kiện cho người sử dụng lựa chọn công cụ MPEG-4, thiết bị MPEG-4 chia thành nhóm cơng cụ gọi profile, nhóm (profile) chứa vài tính cần thiết chuẩn mã hố thích hợp cho phạm vi ứng dụng Điều cho phép người sử dụng dễ dàng lựa chọn cơng cụ hỗ trợ tính mà họ cần từ vô số công cụ MPEG-4 khác Mỗi profile lại có mức levels khác nhau, thể mức độ phức tạp xử lý tính tốn liệu cơng cụ (thơng qua việc định rõ tốc độ bit, số tối đa đối tượng khung hình, độ phức tạp trình giải mã audio …) 1.2.4 Các phận cấu thành chuẩn MPEG4 MPEG-4 bao gồm phận riêng rẽ, có quan hệ chặt chẽ với triển khai ứng dụng riêng hay tổ hợp với phần khác Các phần là:  Phần 1: System;  Phần 2: Visual;  Phần 3: Audio;  Phần 4: Conformance xác định việc triển khai MPEG-4  Phần 5: Các phần mềm tham chiếu, đưa nhóm phần mềm tham chiếu quan trọng, sử dụng để triển khai MPEG-4 phục vụ ví dụ demo bước phải thực triển khai  Phần 6: Khung chuẩn cung cấp truyền thơng đa phương tiện tích hợp DMIF (Delivery Multimedia Integration Framework), xác định giao diện ứng dụng mạng/lưu trữ  Phần 7: Các đặc tính mã hoá video tối ưu (bổ xung cho phần mềm tham chiếu, triển khai tối thiểu cần thiết) 7 Các phần bổ xung tiếp cho chuẩn MPEG-4 sau là:  Phần 8: Giao vận (về nguyên tắc không xác định chuẩn, phần xác định cần ánh xạ dòng MPEG-4 vào giao vận IP)  Phần 9: Mô tả phần cứng tham chiếu (Reference Hardware Description)  Phần 10: MPEG-4 Advanced Video Coding/H.264 thành tựu nén video  Phần 11: Mơ tả khung hình (Scene Description - tách từ phần 1)  Phần 12: Định dạng file truyền thông ISO (ISO Media File Format)  Phần 13: Quản lý quyền nội dung IPMP (Intellectual Property Management and Protection Extentions)  Phần 14: Định dạng file MP4 (trên sở phần 12)  Phần 15: Định dạng file AVC (cũng sở phần 12)  Phần 16: AFX (Animation Framwork eXtensions) MuW (Multi-user Worlds) 1.2.5 Một số ứng dụng chuẩn MPEG4 Khả phân cấp phân chia độc lập khung hình thành đối tượng khiến cho MPEG-4 trở thành công cụ hữu hiệu việc tạo thuận lợi cho ứng dụng Internet nói riêng mơi trường mạng nói chung (kể mạng LAN, WAN, Intranet…) ứng dụng:  Truyền thơng multimedia theo dịng (Multimedia stream), dịng audio video biến đổi thích nghi với u cầu băng thơng chất lượng hình nhờ loại bỏ đối tượng (hình ảnh, âm thanh) khơng cần thiết khỏi dịng liệu đồng thơng tin nhúng dịng liệu  Lưu giữ phục hồi liệu audio video: MPEG-4 phân chia khung hình thành đối tượng, việc trình duyệt Browser sở nội dung (đối tượng) mong muốn thực cách dễ dàng nhờ vậy, ứng dụng lưu giữ hay phục hồi thông tin sở nội dung MPEG-4 thuận lợi hơn;  Truyền thông báo đa phương tiện: thông báo dạng text, audio video MPEG-4 truyền với u cầu băng thơng hơn, có khả tự điều chỉnh chất lượng cho phù hợp với khả băng thông thiết bị giải mã;  Thơng tin giải trí: trình diễn nghe nhìn tương tác (thế giới ảo, trị chơi tương tác …) triển khai sở chuẩn MPEG-4 làm giảm yêu cầu băng thông làm cho giới ảo trở nên sinh động giống thực tế trang web 1.3 Chuẩn H264 1.3.1 Tổng quan chuấn nén H264 Chuẩn nén video H264, biết với tên gọi MPEG-4 Part 10/AVC (Advanced Video Coding- Mã hóa video nâng cao) H264 mong đợi trở thành chuẩn nén video sử dụng rộng rãi thời gian tới H264 chuẩn mở hỗ trợ hầu hết công nghệ nén video Mã hóa H264 giảm kích cỡ file video tới 80% so với chuẩn MPEG 50% so với chuẩn MPEG Part mà giữ lại chất lượng hình ảnh Do đó, sử dụng H264 giúp giảm thiểu băng thông truyền tải mạng máy tính giúp khơng cịn tốn q nhiều dung lượng để lưu trữ file video Nhìn theo cách khác, với số bit rate thấp có chất lượng video tốt 1.3.2 Những đặc tính bật chuẩn H264 H264 kết dự án hợp tác tổ chức ITU-T’s Video Coding Experts Group ISO/IEC Moving Picture Experts Group (MPEG) Được thiết kế nhằm giải yếu điểm chuẩn mã hóa video trước đây, H264 đặt với tính bật sau:  Giảm số bit rates trung bình tới 50% đưa chất lượng video cố định so sánh với chuẩn video khác  Giảm thiểu lỗi truyền video qua nhiều mạng khác  Mang lại khả truyền video với độ trễ thấp (phù hợp video conferencing), độ trễ cao kèm với chất lượng tốt  Cấu trúc rõ ràng giúp đơn giản hóa q trình hoạt động  Có q trình giải mã tốn xác, đưa xác cần phép tính số học cần mã hóa giải mã thực hiện, tránh lỗi q trình tích lũy 1.3.3 Kỹ thuật nén video H264 Đầu tiên giải mã Entropy nhận dòng bit nén từ NAL, mặt giải mã Entropy để tách thông tin đầu mục vector dự đoán chuyển động đưa vào bù chuyển động, mặt khác hệ số DCT giải lượng tử biến đổi ngược IDCT để biến tín hiệu từ miền tần số thành tín hiệu miền khơng gian, hệ số biến đổi ngược thu cộng với tín hiệu dự đốn Sau phần đưa qua lọc tách khối để loại bỏ tượng nhiễu trước đưa vào lưu trữ, phần lại sử dụng cho mục đích dự đốn 1.3.4 So sánh đặc điểm bật chuẩn nén  Chuẩn MPEG2: Chuẩn MPEG chuẩn thông dụng sử dụng rộng rãi thập kỉ qua Tuy nhiên, kích thước fle lớn so với chuẩn xuất gần đây, gây khó khăn cho việc truyền liệu  Chuẩn MPEG4: MPEG-4 chuẩn cho ứng dụng MultiMedia MPEG-4 trở thành tiêu chuẩn cho nén ảnh kỹ thuật truyền hình số, ứng dụng đồ hoạ Video tương tác hai chiều (Games, Videoconferencing) ứng dụng Multimedia tương tác hai chiều (World Wide Web ứng dụng nhằm phân phát liệu Video truyền hình cáp, Internet Video ) MPEG -4 trở thành tiêu chuẩn cơng nghệ q trình sản xuất, phân phối truy cập vào hệ thống Video Nó góp phần giải vấn đề dung lượng cho thiết bị lưu trữ, giải vấn đề băng thơng đường truyền tín hiệu Video kết hợp hai vấn đề  Chuẩn H 264: Chuẩn H 264AVC, biết đến chuẩn MPEG 10, lên dẫn đầu lĩnh vực cơng nghệ nén hình ảnh H 264 cho chất lượng hình ảnh tốt nhất, kích thước file nhỏ nhất, hổ trợ DVD, truyền với tốc độ cao so với chuẩn trước H264 chuẩn phức hợp 10 CH ƠNG - ỨNG DỤNG CÁC CHUẨN MÃ HÓA VIDEO TRONG MOBILETV 2.1 Tổng quan Mobi eTV 2.1.1 Giới thiệu chung Truyền hình di động (Mobile TV) cơng nghệ mã hố truyền dẫn chương trình truyền hình video để thu thiết bị di động điện thoại di động, thiết bị hỗ trợ số cầm tay (PDA), thiết bị đa phương tiện vô tuyến, máy điện thoại có khả thu tín hiệu truyền hình di động Với Mobile TV người xem truy nhập dải rộng chương trình truyền hình di chuyển Các chương trình truyền hình truyền tải dịng (streaming) tới máy di động để xem tốc độ giống phát chương trình xem với trễ thời gian ghi lại toàn giống băng cassette video đĩa DVD Mobile TV không cho phép truyền dẫn chiều thơng thường mà cịn cho phép truyền tín hiệu truyền hình tương tác nhờ sử dụng kênh phản hồi cung cấp mạng tế bào Các yêu cầu mặt cơng nghệ hỗ trợ việc truyền dẫn tín hiệu truyền hình di động là: - Truyền dẫn theo khn dạng lý tưởng phù hợp với thiết bị truyền hình di động - Cơng nghệ tiêu thụ cơng suất thấp; - Thu nhận tín hiệu ổn định di động; - Chất lượng hình ảnh rõ nét bị tổn hao tín hiệu fading hiệu ứng đa đường; - Hỗ trợ di động tốc độ lên tới 250 km/h cao hơn; - Có khả thu tín hiệu vùng rộng di chuyển Hiện có hai phương pháp để phát tín hiệu truyền hình di động Phương pháp thứ phát qua mạng tế bào hai chiều phương pháp thứ hai phát qua mạng quảng bá dành riêng, chiều Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng: - Phát tín hiệu truyền hình qua mạng tế bào có ưu điểm sử dụng sở hạ tầng mạng thiết lập, giảm chi phí triển khai Đồng thời, nhà khai thác có sẵn thị trường truy nhập tới thuê bao tại, thuê bao cần đăng ký dịch vụ truyền hình di động mà họ muốn sử dụng 11 - Các hệ thống Mobile TV dành riêng thiết kế để tối ưu hoá phân phát tín hiệu truyền hình di động Các hệ thống phát mặt đất, phát qua vệ tinh kết hợp mặt đất vệ tinh Một ưu điểm hệ thống Mobile TV dành riêng nội dung Mobile TV phát quảng bá tới nhiều người sử dụng đồng thời Nhược điểm hệ thống yêu cầu đầu tư đáng kể vào sở hạ tầng mạng lựa chọn nội dung bị hạn chế Như vậy, Mobile TV phân loại thành Mobile TV dựa mạng 3G, mạng quảng bá mặt đất vệ tinh, mạng vô tuyến băng rộng Đối với mạng 3G, dịch vụ chia thành chế độ quảng bá, multicast chế độ unicast Tất công nghệ tiếp tục phát triển phát triển dịch vụ truyền hình di động 2.1.2 Các tiêu chuẩn MobileTV Mobile TV có khoảng 30 loại khuôn dạng file âm gồm dạng file đơn giản có wav, mpg, Real, QuickTime, Windows Media khuôn dạng file khác Các tiêu chuẩn sử dụng làm tảng chung cho việc phân phát dịch vụ Mobile TV Các tiêu chuẩn khác dựa công nghệ đạt thống chung Các tiêu chuẩn Mobile TV tổng kết khuyến nghị ITU-R BT.1833, tiêu chuẩn khuyến nghị này, cịn có cơng nghệ truyền hình di động tiêu chuẩn hố triển khai nhiều nước giới công nghệ VSB tiên tiến, hệ thống quảng bá đa phương tiện di động Trung Quốc (CMMB) 2.1.3 Các nguồn tài nguyên MobileTV Đối với Mobile TV, nguồn tài nguyên chung quan trọng phổ tần số Ở Anh Mỹ phổ tần số dành cho truyền hình truyền thống nằm dải VHF UHF Ở Anh công ty BT Movio sử dụng phổ tần dành cho quảng bá âm số (DAB) để phát tín hiệu truyền hình di động sử dụng tiêu chuẩn DAB-IP Ở Hàn Quốc phổ tần DAB dành cho dịch vụ vệ tinh sử dụng để phát dịch vụ truyền hình di động theo khn dạng tín hiệu quảng bá đa phương tiện số qua vệ tinh (DMB-S) Hàn Quốc cho phép sử dụng phổ tần VHF để cung cấp dịch vụ truyền hình di động sử dụng công nghệ quảng bá đa phương tiện số mặt đất (DVB-T) Công nghệ quảng bá đa phương tiện số cho máy cầm tay (DVB-H) tiêu chuẩn thiết kế sử dụng mạng DVB-T để phát dịch vụ DVB-H sử dụng chung phổ tần DVB-T Ở Mỹ, Modeo, nhà khai thác DVB-H, 12 thiết lập mạng hoàn toàn dựa DVB-H sử dụng băng tần L 1670 MHz; HiWire, nhà khai thác khác sử dụng phổ tần 700 MHz để phát dịch vụ DVB-H 2.1.4 Công nghệ broadcast unicast Mobile TV Có hai chế độ phân phát nội dung tới thiết bị Mobile TV là: chế độ broadcast chế độ unicast Ở chế độ broadcast, nội dung giống phát tới số lượng không hạn chế người sử dụng, chế độ unicast nội dung phát theo yêu cầu tới người sử dụng cụ thể dựa việc lựa chọn nội dung 2.1.4.1 Công nghệ broadcast Công nghệ cung cấp tới nhiều người sử dụng nội dung thời điểm gọi broadcast, ví dụ quảng bá tín hiệu truyền hình tương tự radio Cơng nghệ có tính cá nhân thấp tất người sử dụng thu nội dung Tuy nhiên, công nghệ phù hợp với thị trường khơng bị hạn chế kỹ thuật số lượng người sử dụng thu nội dung thời điểm 2.1.4.2 Công nghệ unicast Công nghệ cung cấp tín hiệu truyền hình di động theo chế độ một-tới-một gọi unicast Công nghệ có tính cá nhân cao người sử dụng xem dịng truyền tải unicast Unicast có ưu điểm nguồn tài nguyên mạng sử dụng người sử dụng kích hoạt việc sử dụng dịch vụ Hơn nữa, với unicast, mạng tối ưu mặt truyền dẫn người sử dụng đơn lẻ Tuy nhiên mạng unicast bị hạn chế số lượng người sử dụng hỗ trợ nguồn tài nguyên hữu hạn (băng thông hạn chế) 2.1.5 Mobile TV sử dụng công nghệ vô tuyến băng rộng Các mạng vô tuyến sử dụng rộng rãi toàn cầu Các mạng xem có tiềm lớn để truyền tải dịch vụ đa phương tiện dịch vụ truyền hình di động 2.1.5.1 Mobile TV sử dụng công nghệ WiFi Các mạng WiFi (802.11x) trở nên phổ biến việc cung cấp dịch vụ truy nhập Internet Các mạng WiFi ngày sử dụng nhiều khu vực công cộng nhà, quán càfê, bệnh viện, khách sạn, sân bay…WiFi cho phép truyền dẫn tốc 13 độ cao so với mạng di động Do truyền dẫn liệu tốc độ cao, WiFi xem phương thức để truyền dẫn tín hiệu truyền hình di động Với WiFi người sử dụng di động tải nội dung truyền hình qua Internet sử dụng máy di động cầm tay Tuy nhiên tồn vấn đề cần giải chuyển vùng mạng WiFi mạng tế bào, vấn đề tính cước… 2.1.5.2 Mobile TV sử dụng cơng nghệ WiMAX Cơng nghệ WiMAX (Liên hoạt động tồn cầu truy nhập vi ba) công nghệ cho phép truyền dẫn dịch vụ liệu vùng phủ rộng so với WiFi WiMAX cung cấp dung lượng cao đắt so với WiFi WiMAX phù hợp để truyền dẫn video nội dung đa phương tiện Các ứng dụng điển hình WiMAX âm video theo yêu cầu Với WiMAX, người sử dụng di động tải xem dịng video trực tiếp di chuyển tàu, ôtô… WiMAX hỗ trợ chuyển vùng mạng WiMAX mạng di động, máy cầm tay di động chuyển từ mạng di động tới kết nối vô tuyến Tuy nhiên, nhược điểm WiMAX việc sử dụng dải phổ tần số cần cấp phép, không giống WiFi WiMAX di động công nghệ tiềm cung cấp dịch vụ đa phương tiện với lý sau : - Đa số công nghệ phân phát đa phương tiện di động dựa chế độ IP unicast multicast - Các công nghệ WiMAX cung cấp môi trường để phân phát dịch vụ đa phương tiện IP, xem công nghệ tiềm phổ tần mạng 3G DVB-H hạn hẹp - Các máy điện thoại di động bắt đầu cung cấp giao diện WiFi (802.16b), WiMAX WiBro (tiêu chuẩn vô tuyến băng rộng phát triển Viện nghiên cứu điện tử viễn thông Hàn Quốc ETRI) - Các ứng dụng khả dụng cung cấp dịch vụ Mobile TV WiMAX vô tuyến băng rộng với tương thích tồn cầu Ưu điểm WiMAX WiFi chúng cung cấp chế độ unicast điểm-tới-điểm phát nội dung quảng bá mạng Điều làm cho WiMAX WiFi phù hợp để cung cấp dịch vụ quảng bá truyền hình di động, truyền tải dòng video video theo yêu cầu với tương tác người sử dụng di động 14 Tại Việt Nam, việc phát triển dịch vụ 3G năm tới không chiến lược mạng di động việc bắt kịp với xu hướng cơng nghệ mà cịn yếu tố then chốt việc cải thiện chất lượng dịch vụ khu vực đô thị, giữ gìn khách hàng VIP, thu hút thêm khách hàng trẻ tuổi Đây lý mạng di động lớn Việt Nam có cam kết đầy tâm cho việc đầu tư 3G Chuẩn 3G mà Bộ TT-TT cấp phép cho nhà cung cấp dịch vụ viễn thông WCDMA (tiêu chuẩn IMT-2000) sử dụng băng tần 1900-2200 MHz Các đơn vị không cấp phép lần cung cấp dịch vụ 3G băng tần khác liên danh với đơn vị có giấy phép 3G muốn sử dụng băng tần 1900-2200 MHz Sau thức nhận giấy phép 3G tháng, VinaPhone cung cấp dịch vụ công nghệ 3G tới khách hàng Thời điểm triển khai 3G MobiFone tháng sau cấp phép Trong đó, Viettel tháng Vietnamobile (cũng EVN Telecom) triển khai dịch vụ 3G muộn tháng sau nhận giấy phép Theo nhận định chuyên gia viễn thơng, dự đốn mạng di động triển khai phủ sóng cung cấp dịch vụ 3G vào số yếu tố Thứ nhất, thử nghiệm triển khai thành cơng 3G trước với đối tác quốc tế Thứ hai, kinh nghiệm triển khai dịch vụ 2G Thứ ba, đội ngũ nhân có trình độ tiếp nhận, triển khai công nghệ sao… Viễn cảnh kinh doanh 3G không đơn giản, năm đầu khơng có q 8% người sử dụng chuyển đổi sang 3G với sụt giảm doanh số cạnh tranh cộng với việc phải đầu tư lớn cho 3G gây sức ép khơng nhỏ cho doanh nghiệp, khiến tốn kinh doanh trở nên phức tạp khó khăn 2.2 Mã hóa MobileTV Các nguồn âm video máy quay phim video máy thu/giải mã tín hiệu từ vệ tinh nội dung video, băng video lưu giữ cần phải mã hóa thành gói IP truyền qua hệ thống di động đến thiết bị đầu cuối Hình mơ tả q trình truyền tải tín hiệu MobileTV hệ thống di động Các tín hiệu video/audio thu thiết bị di động điện thoại di động, thiết bị hỗ trợ số cầm tay (PDA), thiết bị đa phương tiện vơ tuyến, máy điện thoại có khả thu tín hiệu truyền hình di động Tuy nhiên, máy thu di động có cơng 15 suất pin hạn chế, kích thước hình nhỏ, anten nhỏ tích hợp bên máy có nhớ giới hạn Hơn máy thu chuyển động với tốc độ chí lên tới 200 km/h Do đó, chuẩn mã hóa video có vai trị quan trọng công nghệ Mobile TV 3G Trong luận văn khảo sát công nghệ MobileTV truyền dẫn mạng 3G vấn đề mã hóa dựa theo chuẩn 3GPP 2.2.1 Mã hố nội dung Để truyền tải file đa phương tiện âm video tín hiệu truyền hình trực tiếp truyền tải dòng, mạng di động 3G cần đáp ứng yêu cầu sau đây: - Mạng cần có giao thức tiêu chuẩn hoá thống để thiết lập gọi, trả lời, thiết lập gọi video truyền tải dòng video Các giao thức cần tuân theo đồng qua mạng để gọi thiết lập người sử dụng mạng khác - Mạng phải có tiêu chuẩn để mã hố âm video ứng dụng khác truyền tải dòng video gọi video Các giao thức sử dụng thuật toán nén hiệu cao MPEG-4 H.264 để giảm băng thông yêu cầu âm video mã hoá - Mạng phải đáp ứng tốc độ liệu phù hợp để truyền tải khung video liên tục không bị ngắt quãng 2.2.2 Mã hố video Với MPEG-4 có chế khác để cung cấp tốc độ bit cao tới client mạng có băng thơng cao Server truyền tải dịng MPEG-4 phát dịng sở có độ phân dải thấp số dòng phụ Client thu dòng sở dịng phụ băng thơng khả dụng làm cho chất lượng hình ảnh tốt Vì MPEG-4 có nhiều profile lớp, 3GPP tiêu chuẩn hoá đặc tả sau cho việc sử dụng mạng 3G (các mã hoá/giải mã 3G-324M): Mã hoá video: Với profile MPEG-4 đơn giản lớp 1, hỗ trợ khuyến nghị MPEG-4 profile hiển thị đơn giản lớp (ISO/IEC 14496-2) Tốc độ khung lên tới 15 fps độ phân giải 176 x 144 pixels Mã hoá tiếng: Mã hoá giải mã AMR yêu cầu bắt buộc, G723.1 khuyến nghị 16 2.3 Bảo mật Mobi eTV 2.3.1 Bảo mật đường truyền tín hiệu Sau người sử dụng thu thông tin truy nhập qua thông báo dịch vụ, hệ thống khơng thể hạn chế việc thu dịng media Các dòng media phải mật mã để giới hạn khả thu tới người sử dụng đăng ký sử dụng dịch vụ Nói khác đi, tất máy thu thu dịng media có người sử dụng đăng ký sử dụng dịch vụ giải mật mã chi trả cho dịch vụ 2.3.2 Bảo mật nội dung Có phương pháp để bảo mật nội dung : Cách bảo mật bảo mật phát sóng cung cấp phương pháp truyền thống tùy thuộc vào hệ thống truy cập thay đổi để phù hợp với điều kiện môi trường di động Điều dẫn tới thiết bị cầm tay độc quyền cho mạng cụ thể Phương pháp thứ hai sử dụng mã hóa thơng thường cấp truyền dẫn ISMAcrypt sử dụng tính độc quyền hay DRM mở cấp nội dung Phương pháp thứ ba sử dụng mã công khai IPsec lớp phát sóng sử dụng DRM 2.0 công khai để bảo vệ nội dung Phương pháp thứ hai thứ ba có ưu điểm hệ thống phát sóng thơng thêm vào thiết bị cầm tay triển khai cho nhà khai thác mạng 2.3.3 Bảo mật thiết bị đầu cuối Cấu trúc thu điện thoại di động DVB-H gồm phần:  Một giải điều chế DVB-H (gồm khối điều chế DVB-T, mođun Time slicing  Mođun MPE-FEC) đầu cuối DVB-H Tín hiệu vào tín hiệu DVB-T Khối điều chế DVB-T thu lại gói dịng truyền tải MPEG-2, tín hiệu cung cấp mode truyền dẫn (2K, 8K 4K) với tín hiệu mang thông số truyền dẫn –TPS tương ứng Mođun Time Slicing giúp tiết kiệm công suất tiêu thụ hỗ trợ việc chuyển giao mạng linh hoạt Mođun MPE-FEC cung cấp mã sửa lỗi tiến cho phép thu đương đầu với điều kiện thu đặc biệt khó khăn Hiện nhiều hãng sản xuất điện thoại hệ điện thoại di động DVB-H đầu tiên: NOKIA 7700 7710, PHILIPS HoTMAN 2, SIEMENS… 17 CH ƠNG - NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ÁNH GIÁ CHẤT L ỢNG VIDEO TRONG CÁC HỆ THỐNG DI ỘNG Trong hai chương trước luận văn nghiên cứu chuẩn mã hóa video ứng dụng MobileTV Một vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu tín hiệu video phân phát hệ thống di động có bảo đảm chất lượng khơng? Vì cần phải nghiên cứu giải pháp đánh giá chất lượng chất lượng video hệ thống di động Đây nội dung trình bày chương 3.1 Các ph ơng pháp o ánh giá chất ng video Chất lượng ảnh video tác động tới chất lượng dịch vụ hệ thống di động đo theo hai cách chủ yếu sau:  Định tính: sử dụng thực nghiệm quan sát người tham gia đánh giá chất lượng theo thang điểm MOS  Định lượng: lớp dịch vụ, sử dụng thiết bị đo để đo tham số khác ảnh hưởng tới chất lượng tổng thể tín hiệu video 3.1.1 Phương pháp đo chất lượng video định tính Giải pháp sử dụng nhóm người tham gia xếp loại đánh giá chất lượng hình ảnh Mơi trường người dùng để kiểm tra định tính thay đổi tùy theo nhà cung cấp dịch vụ Các bước tiến hành để xác định số đo định tính chất lượng video sau:  Xác định loạt mẫu video để tiến hành kiểm tra  Lựa chọn số tham số cấu hình  Thiết lập môi trường kiểm tra tuân thủ với tham số cấu hình mong muốn  Tập hợp người tham gia vào kiểm tra  Tiến hành kiểm tra phân tích kết 3.1.2 Phương pháp đo chất lượng video định lượng Để đánh giá chất lượng video môi trường di động, điều quan trọng cần thực phép đo chất lượng video cách hiệu theo thời gian Các kỹ thuật đo chất lượng video định lượng dù khơng xác phép đo chất lượng video định tính, tạo hài hòa thực phép đo đánh giá chất lượng video 18 Có thể phân loại kỹ thuật đo chất lượng video định lượng thành bốn nhóm chính:  Các kỹ thuật dựa mơ hình cảm nhận video người  Các kỹ thuật dựa tham số tín hiệu video  Các kỹ thuật dựa tham số suy giảm chất lượng mạng  Các kỹ thuật dựa khoảng thời gian suy giảm chất lượng tín hiệu video 3.2 Khảo sát phần mềm ánh giá chất ng video 3.2.1 Giới thiệu chung - T n v phi n phần mềm MSU Video Quality Measurement Tool 2.7.2 - Nh sản uất qu ền  Phần mềm MSU Video Quality Measurement Tool 2.7.2 sản phẩm công ty MSU Graphics & Media Lab (Video Group)  Bản dùng thử phần mềm download miễn phí địa chỉ: http://compression.ru/video/quality_measure/ - Mơ tả chức phần mềm Chức phần mềm so sánh sai khác file video gốc với file video nhận sau q trình mã hóa giải mã theo chuẩn khác Cụ thể là:  Chức tính tốn:  Các giá trị tham số cho khung  Giá trị trung bình cho chuỗi  Các giá trị tham số cho thành phần màu cụ thể  Hỗ trợ 20 tham số đối tượng:  Hỗ trợ 20 mẫu video: - Y u cầu hệ thống  Máy tính với hệ điều hành Windows 2000, XP  Tệp chương trình: netspeed_tool.exe với dung lượng 746 KB 3.2.2 Khảo sát tính phương pháp đo phần mềm - C i ặt tham số o  File selection:  Original file: file video gốc Các file khác so sánh với 19  Processed (compressed): file xử lý, so sánh với file gốc  Comparative analysis: Cho phép so sánh lần hai file với file gốc (ví dụ nén mã khác nhau)  Second processed (another codec): file thứ hai xử lý để phân tích so sánh  Use mask file: Kích hoạt masking  Use black mask: Các vùng đen mask file đưa vùng mà nên đánh dấu  Open with AviSynth: Chương trình cố gắng phát AviSynth script thích hợp mở file sử dụng script Checkbox kích hoạt AviSynth cài đặt máy tính Người dùng điều chỉnh tạo script cách dùng nút Advanced  Preview: Sử dụng nút Preview để duyệt trước nội dung file chọn  Metric selection: Lựa chọn mức độ, đơn vị đo  Output Selection:  Save CSV file: Lưu kết vào file CSV  Save metric visualization video/image: lưu video với metric visualization chọn  Save “bad frames”: Tự động chọn lưu khung với sai khác lớn file gốc file xử lý - Thực o  Nhấn nút Process - Kết o:  Per-frame values: file CVS (comma separated values), bao gồm giá trị tham số chọn cho khung file tham chiếu  Avarage values: file CVS, bao gồm giá trị trung bình tham số chọn cho file tham chiếu  Visualization: file video (*.AVI) cho biết giá trị tham số pixel khung video tham chiếu Visualization video tạo cho tham số thành phần màu file tham chiếu - Xử ý kết quả: Thống kê giá trị sau  Số mã có bị mờ mã gốc khung mặt nạ trung bình 20  Số mã có nhiều blocking mã gốc khung mặt nạ trung bình  Số mã có chất lượng thấp mã gốc khung nào, mặt nạ trung bình PSNR, VQM, SSIM 3.2.3 Đánh giá tính đo kiểm phần mềm - ánh giá chung: Phần mềm MSU Video Quality Measurement Tool 2.7.2 có ưu, nhược điểm sau đây:  Phần mềm cho phép thực đánh giá chất lượng video qua hệ thống truyền dẫn/xử lý thông qua việc so sánh file video gốc file video nhận thiết bị di động đầu cuối  Phần mềm có tính kết xuất liệu thực phép đo nhiều dạng theo độ đo khác Do thuận tiện cho việc phân tích đánh giá tìm lỗi truyền tín hiệu video hệ thống di động - Kết uận:  Có thể sử dụng phần mềm MSU Video Quality Measurement Tool 2.7.2 làm công cụ đo đánh giá chất lượng video thống di động Trong chương trình bày phương pháp đo đánh giá chất lượng video hệ thống di động Để đánh giá chất lượng video môi trường di động, điều quan trọng cần thực phép đo chất lượng video cách hiệu theo thời gian Các kỹ thuật đo chất lượng video định lượng dù khơng xác phép đo chất lượng video định tính, tạo hài hòa thực phép đo đánh giá chất lượng video Các phép đo chất lượng video định lượng có ưu điểm thực nhanh chóng để hỗ trợ cho việc điều chỉnh tối ưu trình phát thu tín hiệu video hệ thống di động Các phép đo định lượng đánh giá định tính hỗ trợ cho q trình đánh giá chất lượng tín hiệu video hệ thống di động 21 KẾT LUẬN + Kết ạt c uận văn Luận văn ã ạt c kết sau: - Nghiên cứu chuẩn mã hoá video bao gồm MPEG 2, MPEG H264 - Nghiên cứu ứng dụng chuẩn mã hóa MobileTV - Đề xuất giải pháp đánh giá chất lượng tín hiệu video phần mềm đo chất lượng tín hiệu video hệ thống di động + Một số h ớng nghi n cứu tiếp theo: Sau nghiên cứu xong đề tài, em xin đưa số hướng nghiên cứu tiếp theo: - Biện pháp đảm bảo chất lượng cho mạng di động 3G - Xây dựng phần mềm đánh giá chất lượng video - Các tiêu chuẩn bảo mật mạng 3G 22 DANH MỤC 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 thông, Hà Nội, 2007 [2] 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 [3] 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 [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, 2000 [6] Ths Phạm Đình Chung, Ths Vũ Anh Tuấn, “Nghiên cứu cơng nghệ truyền hình di động (MobileTV) khả ứng dụng Việt Nam” - Đề tài cấp Bộ, Mã số 108-09KHKT-RD, Viện KHKTBĐ, 2009 [7] Iain E G Richardson, “H.264 And MPEG-4 Video Compression”, The Robert Gordon University, Aberdeen, UK, 2003 [8] JVT “Draft ITU-T recommendation and final draft international standard of joint video specification (ITU-T rec H.264– ISO/IEC 14496-10 AVC),” [9] THOMAS SIKORA, “MPEG-1 and MPEG-2 Digital Video Coding Standards”, McGraw Hill Publishing Company, 2004 [10] T Wiegand, G.J Sullivan, G Bjontegaard, A Luthra, ”Overview of the H.264/AVC Video Coding Standard” Senior Member, IEEE, 2003 [11] http://google.com: [12] http://mathexchange.com [13] http://forum.doom9.org, University of Illinois at Chicago (UIC) [14] http://www.uic.edu [15] http://www.chiariglione.org/mpeg ... video ứng dụng hệ thống di động ” làm đề tài luận văn Từ phân tích trên, thấy đề tài ? ?Nghiên cứu chuẩn mã hóa video ứng dụng hệ thống di động ” mang tính cấp thiết có ý nghĩa lý thuyết lẫn ứng dụng. .. luận văn nghiên cứu chuẩn mã hóa video ứng dụng MobileTV Một vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu tín hiệu video phân phát hệ thống di động có bảo đảm chất lượng khơng? Vì cần phải nghiên cứu giải... lượng tín hiệu video hệ thống di động 21 KẾT LUẬN + Kết ạt c uận văn Luận văn ã ạt c kết sau: - Nghiên cứu chuẩn mã hoá video bao gồm MPEG 2, MPEG H264 - Nghiên cứu ứng dụng chuẩn mã hóa MobileTV