Công nghệ nén ảnh tiên tiến h 264 MPEG 4 AVC và ứng dụng

CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG Chƣơng CÁC PHƢƠNG PHÁP NÉN ẢNH CƠ SỞ 1.1 TIÊU CHUẨN VIDEO SỐ THÀNH PHẦN Trong kỹ thuật viễn thơng, truyền hình số thường sử dụng tín hiệu video số thành phần cho hai tiêu chuẩn 625/50 525/60 Các tiêu chuẩn khác tỷ lệ tần số lấy mẫu phương pháp lấy mẫu tín hiệu chói tín hiệu màu (Y:Cb:Cr) Các tiêu chuẩn dùng cấu trúc lấy mẫu loại trực giao với mã PCM lượng tử hoá đều, sử dụng 16 bít/ mẫu cho tín hiệu chói màu 1.1.1.Tiêu chuẩn 4:4:4 Lấy mẫu Y, Cb,Cr Lấy mẫu Y Lấy mẫu Cb Lấy mẫu Cr Hình 1.1 Tiêu chuẩn 4:4:4 - Tần số lấy mẫu: Y:13,5 MHz ; Cr/Cb: 13,5 MHz - Phân bố lấy mẫu: Mật độ lấy mẫu Y, Cr, Cb - Tốc độ truyền (phụ thuộc hệ màu): + Lấy mẫu bít: (720 + 720 + 720) x 576 x x 25 = 249 Mbit/s + Lấy mẫu 10 bít: (720 + 720 + 720) x 576 x 10 x 25 = 311 Mbit/s Nhận xét: Tốc độ dịng bít lớn nhất, chất lượng ảnh màu tốt Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG 1.1.2.Tiêu chuẩn 4:2:2 Lấy mẫu Y, Cb,Cr Lấy mẫu Y Lấy mẫu Cb Lấy mẫu Cr Hình 1.2 Tiêu chuẩn 4:2:2 - Tần số lấy mẫu: Y:13,5 MHz ; Cr/Cb: 6,75 MHz - Phân bố lấy mẫu: Mật độ lấy mẫu Y gấp đôi Cr, Cb Khi giải mã màu điểm ảnh sau suy từ điểm ảnh trước - Tốc độ truyền (phụ thuộc hệ màu): + Lấy mẫu bít: (720 + 360 + 360) x 576 x x 25 = 166 Mbit/s + Lấy mẫu 10 bít: (720 + 360 + 360) x 576 x 10 x 25 = 207 Mbit/s Nhận xét: Tốc độ truyền tiêu chuẩn 4:2:2 nhỏ tiêu chuẩn 4:4:4 Vì chất lượng ảnh màu 1.1.3.Tiêu chuẩn 4:2:0 Lấy mẫu Y, Cb,Cr Lấy mẫu Y Lấy mẫu Cb Lấy mẫu Cr Hình 1.3 Tiêu chuẩn 4:2:0 - Tần số lấy mẫu: Y:13,5 MHz ; Cr/Cb: 3,375 MHz - Phân bố lấy mẫu: Mật độ lấy mẫu Y gấp lần Cr, Cb xếp xen kẽ Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG - Tốc độ truyền (phụ thuộc hệ màu): + Lấy mẫu bít: (720 + 360) x 576 x x 25 = 124,4 Mbit/s + Lấy mẫu 10 bít: (720 + 360) x 576 x 10 x 25 = 155,5 Mbit/s Nhận xét: Tốc độ truyền thấp nhất, chất lượng ảnh màu tiêu chuẩn 4:2:2 1.1.4.Tiêu chuẩn 4:1:1 Lấy mẫu Y, Cb,Cr Lấy mẫu Y Lấy mẫu Cb Lấy mẫu Cr Hình 1.4 Tiêu chuẩn 4:1:1 - Tần số lấy mẫu: Y:13,5 MHz ; Cr/Cb: 3,375 MHz - Phân bố lấy mẫu: Mật độ lấy mẫu Y gấp lần Cr, Cb - Tốc độ truyền (phụ thuộc hệ màu): + Lấy mẫu bít: (720 + 180 + 180) x 576 x x 25 = 124,4 Mbit/s + Lấy mẫu 10 bít: (720 + 180 + 180) x 576 x 10 x 25 = 155,5 Mbit/s Nhận xét: Tốc độ truyền tiêu chuẩn 4:1:1 tốc độ truyền tiêu chuẩn 4:2:0 Nhưng giải mã màu điểm ảnh sau phải suy từ điểm ảnh màu trước nên độ thật màu kkông tiêu chuẩn 4:2:0 Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG 1.2 CÁC KHÁI NIỆM 1.2.1 Mơ hình nén ảnh Nguồn Biểu diễn thuận lợi Lượng tử hoá Gán từ mã Xử lý kênh Mã hoá video Giải L.T.H Giải từ mã Biểu diễn thuận lợi Video khôi phục Giải mã video Hình 1.5 Mơ hình hệ thống nén video - Mã hố video: + Ban đầu, tín hiệu video biểu diễn dạng thuận tiện để nén có hiệu Sự biểu diễn chứa nhiều mẩu thơng tin để mơ tả tín hiệu thơng tin quan trọng tập trung cho phần nhỏ mơ tả Trong cách biểu diễn tín hiệu có hiệu quả, có phần nhỏ liệu cần thiết để truyền cho việc tái tạo lại tín hiệu video Vì điểm cốt yếu phải xác định mã hóa + Lượng tử hố q trình rời rạc hố thơng tin biểu diễn thành số hữu hạn mức để truyền tín hiệu video qua kênh số + Gán từ mã việc biến từ mã thành chuỗi bít để biểu diễn mức lượng tử hố - Bộ giải mã video q trình diễn ngược lại 1.2.2 Dƣ thừa thông tin tín hiệu video Nén số liệu q trình giảm lượng số liệu cần thiết để biểu diễn lượng thông tin cho trước Giữa số liệu thông tin có khác nhau, số liệu phương tiện để truyền tải thông tin Cùng lượng thông tin cho trước biểu diễn lượng số liệu khác Và điều gây dư thừa số liệu Độ dư thừa số liệu vấn đề trung tâm nén ảnh số Để đánh giá độ dư thừa người ta đưa tỉ lệ nén (CN) Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG Gọi N1 N2 lượng số liệu hai tập hợp số liệu biểu diễn lượng thơng tin cho trước độ dư thừa số liệu tương đối (R D) tập hợp số liệu thứ so với tập hợp số liệu thứ hai định nghĩa hệ thức sau: RD  Nhận xét: • Nếu N1 = N2 • Nếu N1 N2 N1 N2 1 CN Trong đó: C N N1 N2 CN = RD = Khơng có số liệu dư thừa CN = RD Độ dư thừa số liệu tương đối tập số liệu thứ lớn so với tập liệu thứ hai  Lưu ý: Tỉ lệ nén cao làm giảm chất lượng hình ảnh ngược lại Trong chất lương hình ảnh tính số bít cho điểm ảnh ảnh nén, ký hiệu Nb Nb = Số bít nén/ Số điểm a) Dư thừa thống kê Hầu tất ảnh thông tin trùng lặp tạo dư thừa thông tin Sự dư thừa không tồn phạm vi ảnh (gọi dư thừa khơng gian) mà cịn ảnh liền chuỗi ảnh tạo thành khung cảnh truyền hình (gọi dư thừa theo thời gian) Tập hợp dư thừa gọi dư thừa thống kê b) Dư thừa cảm nhận sinh lý mắt người Mắt người phân biệt có giới hạn tín hiệu chói tín hiệu màu Do khái niệm lưu ảnh mắt loại bỏ thông tin vượt khả nhận biết mắt người 1.2.3 Sai lệch bình phƣơng trung bình (RMS) Sai lệch bình phương trung bình hệ số cho phép đánh giá giải thuật nén, khác thống kê ảnh nén ảnh gốc Ký hiệu RMS (Root Mean Square) tính biểu thức: Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG RMS Trong đó: n n (Xi ' X i )2 i RMS: sai lệch bình phương trung bình Xi : Giá trị điểm ảnh ban đầu Xi’ : Giá trị điểm ảnh sau giải nén n : Tổng số điểm ảnh ảnh 1.3 LÝ THUYẾT THÔNG TIN - ENTROPY Lượng thông tin chứa đựng chi tiết ảnh tỉ lệ nghịch với khả xuất Lượng thơng tin hình ảnh tổng số lượng thơng tin phần tử ảnh Khi ta xét đến: - Entropy đo giá trị thông tin trung bình chứa đựng ảnh entropy xác định lượng thơng tin trung bình nhỏ biểu diễn giá trị nhị phân qua trình mã hố để bảo tồn khả khơi phục ảnh gốc Từ ta có nhận xét: • Độ dài trung bình từ mã qua phương pháp nén nhỏ entropy ảnh mã hố • Tốc độ bít sau nén nhỏ giới hạn entropy ảnh - Lƣợng thông tin phần tử ảnh: l ( xi ) log P( xi ) log P( xi ) Trong đó: l(xi): lượng thơng tin phần tử ảnh xi P(xi): xác suất xuất phần tử ảnh xi Nếu hình ảnh biểu diễn phần tử x1, x2, x3 … xác suất phần tử ảnh tương ứng P(x1), P(x2), P(x3), … - Lƣợng tin tức bình quân hình ảnh (entropy hình ảnh): n H ( x) n P( xi ).l ( xi ) i P( xi ) log P( xi ) i Entropy hình ảnh xác định số lượng bít trung bình tối thiểu cần thiết để biểu diễn phần tử ảnh Trong công nghệ nén không tổn hao, entropy Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG giới hạn tỉ số bit/pixel Nếu tín hiệu video nén với tỉ số bít/phần tử nhỏ entropy, hình ảnh bị thơng tin q trình nén có tổn hao 1.4 CÁC PHƢƠNG PHÁP NÉN VIDEO Các hệ thống nén phối hợp nhiều kỹ thuật xử lý nhằm giảm tốc độ bit tín hiệu số mà đảm bảo chất lượng ảnh phù hợp với ứng dụng định Hình 1.6 phân loại kỹ thuật nén sử dụng chuẩn nén JPEG (Joint photographic Expert Group) MPEG (Moving Picture Expert Group) Nén Video Nén không thông tin DCT VLC RLC Nén có thơng tin Tách vùng xố Lấy mẫu JPEG, MPEG-1/2, DV • Huffman Các giá trị mã hố theo số • Mã hố entropy chạy (RUN) Các giá trị = truyền dọc theo dịng qt Lượng tử hóa, VLC DPCM Cho hệ số DCT Sử dụng cho tín hiệu màu C Hình 1.6 Các phƣơng pháp nén phối hợp kỹ thuật JPEG & MPEG 1.4.1 Nén không thông tin Cho phép khôi phục lại tín hiệu ban đầu sau giải nén Hệ số nén nhỏ 2:1 Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG a) Mã hóa với độ dài biến đổi (VLC) Phương pháp gọi mã hoá Huffman mã hoá Entropy dựa khả xuất biên độ trùng hợp ảnh Nó thiết lập từ mã ngắn cho giá trị có tần suất xuất cao từ mã dài cho giá trị lại b) Mã hoá với độ dài động (RLC) RLC dựa lặp lại giá trị mẫu để tạo từ mã đặc biệt biểu diễn bắt đầu kết thúc giá trị lặp lại Vì mẫu có giá trị khác khơng mã hố, mẫu có giá trị khơng truyền dọc theo dịng qt c) Sử dụng khoảng xố dịng mành Các thơng tin xố dịng xố mành khơng ghi giữ truyền mà thay liệu đồng ngắn tuỳ theo ứng dụng d) Biến đổi cosin rời rạc (DCT) DCT phương pháp biến đổi tín hiệu rời rạc hàm cosin Trong mảng x điểm ảnh mã hóa phương pháp DCT Quá trình DCT thuận nghịch coi khơng thông tin độ dài từ mã hệ số 13 14 băng tần dòng video số sử dụng bít biểu diễn mẫu 1.4.2 Nén có thông tin Là sau nén số thông tin bị chất lượng ảnh bị suy hao q trình làm trịn loại bỏ giá trị phạm vi khung hình hay khung hình Hệ số nén cho phép từ 2:1 đến 100:1 a) Lấy mẫu (Subsampling) Đây phương pháp nén có hiệu độ phân giải ảnh sau giải nén giảm so với hình ảnh ban đầu Kỹ thuật áp dụng cho lấy mẫu tín hiệu màu với tín hiệu video số thành phần, nhờ cấu trúc lấy mẫu cho phép giảm tốc độ liệu dịng bít (ví dụ cấu trúc 4:2:0; 4:1:1) Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG b) Điều xung mã visai (DPCM) DPCM phương pháp mã hóa dự đốn thay truyền khung mẫu, kỹ thuật mã hóa truyền khác giá trị mẫu Giá trị sai lệch cộng vào giá trị mẫu giải mã trình giải nén để tạo lại giá trị mẫu cần thiết Quá trình DPCM làm giảm lượng entropy tín hiệu ban đầu Để hồn thiện thêm kỹ thuật nén DPCM sử dụng kỹ thuật dự đốn lượng tử hố thích nghi c) Lượng tử hoá mã hoá VLC hệ số DCT Phối hợp kỹ thuật cho phép biểu diễn khối điểm ảnh số bít tạo hình ảnh nén cao 1.5 MỘT SỐ MÃ DÙNG TRONG KỸ THUẬT NÉN 1.5.1 Mã hóa loạt dài RLC (Run Length Coding) - Nguyên tắc: Bước 1: Phát loạt (loạt bít hai bít ngược lại) Bước 2: Ký hiệu lặp Thay loạt chuỗi gồm chiều dài loạt (run length) ký tự lặp Ví dụ 12 giá trị cần ghi ESC120 thay cho phải ghi 12 từ mã - Đặc điểm: + Chỉ có hiệu với chiều dài loạt lớn + Tỷ lệ nén chưa cao  mã hóa loạt dài thích nghi hay biến đổi VLC (Mã hóa Huffman mã hóa entropy) 1.5.2 Mã Huffman - Nguyên tắc: Dựa vào mơ hình thống kê liệu gốc, ký tự có xác suất cao mã hóa với từ mã ngắn - Thuật toán: Bước 1: Sắp xếp xác suất ký hiệu theo thứ tự giảm dần Bước 2: Xét từ lên trên, hai ký hiệu có xác suất bé Qui định nhánh (hoặc 1) hợp lại với thành nút có xác suất tổng hai xác suất hợp thành (nhánh có xác suất lớn nhánh dưới) Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG Bước 3: Lặp lại hết (khi tập nút cịn chứa nút) Xét ví dụ trên: Ký hiệu Xác suất A 15/39 B 7/39 C 6/39 E 6/39 D 5/39 0 13/39 0 24/39 1 11/39 Mã Tổng bít 15 000 21 001 18 010 18 011 15 Số bít trung bình: 87 / 39 = 2,23 (< 2,28) Hiệu Shannon-Fano  Đặc điểm: Độ dài trung bình từ mã giới hạn bởi: H + P + log[2.log e/e] = H + P + 0,086 Trong đó: H: entropy nguồn P: xác suất tất ký hiệu nguồn 1.5.3 Mã hóa DCT (Q trình biến đổi cosin rời rạc) Trong mảng x điểm ảnh mã hóa phương pháp DCT thuận theo hệ thức sau: F (u , v) Trong đó: C (u )C (v) 7 f (i, j )cos i j (2i 1)u (2 j 1)v cos 16 16 f(i,j): Các mẫu ban đầu khối x điểm ảnh F(u,v): Các hệ số biến đổi DCT khối x u: Tần số chuẩn hóa theo chiều ngang (0 < u < 7) v: Tần số chuẩn hoá theo chiều đứng (0 < v < 7) Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 10 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG dùng phép dịch chuyển (shift) bảng look – up So sánh với CAVLC, CABAC thường cho giảm tốc độ bit khoảng 10 – 15% mã hóa tín hiệu truyền hình có chất lượng 2.5.6 Bộ lọc tách khối vòng (In – loop deblocking filter) Một đặc trưng riêng mã hóa dựa sở khối nhìn thấy cấu trúc khối Các mép khối cấu trúc lại với độ xác pixel bên nhìn chung “dạng khối” (blocking) xem nhiễu (artifact) dễ thấy với phương pháp nén Hình 2.8 Tác dụng lọc tách khối ảnh đƣợc nén nhiều Trái khơng có lọc tách khối Phải có lọc tách khối Do nguyên nhân mà H.264/AVC xác định lọc tách khối thích nghi vịng, cường độ lọc điều khiển giá trị nhiều phần tử cấu trúc Tính khối bị giảm mà khơng ảnh hưởng nhiều tới độ sắc nét nội dung Hậu chất lượng chủ quan cải thiện đáng kể Đồng thời lọc giảm tốc độ bit khoảng 10 – 15% tạo chất lượng ảnh chủ quan với video không lọc Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 41 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG 2.6 KỸ THUẬT NÉN LIÊN ẢNH 2.6.1 Đánh giá chuyển động (ME-Motion estimation): Hình ảnh chia thành khối (macroblock) Để xác định tọa độ từ ảnh n sang ảnh n+1 cách so sánh tương quan mẫu macroblock (hình 2.9) Hình 2.9 Nguyên lý đánh giá chuyển động Giá trị so sánh thường 1/2 lên tới 1/4 hay 1/8 pixel  Kết cho vector gọi vector chuyển động 2.6.2 Nguyên lý bù chuyển động: (hình 2.10) - Ảnh Fn đưa đến trừ (Subtract) ME - Ảnh tham chiếu F’n-1 khung hình mã hóa trước (Lấy từ nhớ ảnh) đồng thời đưa vào ME MC (Bù chuyển động) Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 42 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG  Fn F’n-1 qua ME xác định vector chuyển động để đưa vào MC  Vector chuyển động với F’n-1 qua MC xác định phần khác biệt ảnh (hình 2.10) Hình 2.10 Nguyên lý bù chuyển động - Phần khác biệt từ MC ảnh Fn vào trừ đưa thông tin khác biệt ảnh Dn  Dn thực theo chế nén ảnh 2.6.3 Bù chuyển động slice P: Macroblock P mã hóa tham chiếu tới ảnh trước Các macroblock P phân chia linh hoạt thành khối thích hợp thực chế bù chuyển động a/ Phân chia macroblock H.264 chia thành phần chói macroblock thành cỡ: + Mẫu 16x16, 16x8, 8x16 8x8 + Khi sử dụng khối 8x8, cịn chia tiếp khối 8x8 thành cỡ 8x8, 8x4, 4x8 4x4 Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 43 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG Hình 2.11 Phân chia macroblock cho bù chuyển động Việc phân chia macroblock cho phép lập mã xử lý vài loại chuyển động tuỳ theo độ phức tạp chuyển động nguồn lực tốc độ bit Hình 2.12 Sự lựa chọn kích thƣớc block bù chuyển động Nhìn chung, kích cỡ phân chia lớn phù hợp với việc xử lý chuyển động khu vực giống ảnh, kích cỡ phân chia nhỏ lại có Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 44 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG ích xử lý chuyển động chỗ có nhiều chi tiết Kết chất lượng hình ảnh cao hơn, bị vỡ khối Các thử nghiệm việc xếp hợp lý khung tăng tỷ lệ nén thêm 15% b/ Chọn nhiều hình tham chiếu Chuẩn nén MPEG-2 dựa khung tham chiếu để dự đốn chuyển động mang tính chu kỳ Tuy nhiên, camera thay đổi góc quay hay chuyển qua chuyển lại cảnh, việc sử dụng khung tham chiếu khơng cịn phù hợp để dự đốn xác chuyển động Tương tự vậy, để đốn trước chuyển động phức tạp sóng biển hay vụ nổ, ta cần phải có nhiều khung tham chiếu Vì thế, chuẩn MPEG-4 AVC cho phép có tới khung tham chiếu phục vụ cho việc mã hoá khung Kết chất lượng video tốt hiệu suất nén cao Hình 2.13 Bù chuyển động nhiều Frame Ngoài vector chuyển động, tham số tham chiếu ảnh (Δ)cũng đƣợc truyền Ngồi mode macroblock bù chuyển động mơ tả trên, macroblock P – slice mã hóa mode gọi SKIP Đối với mode tín hiệu lỗi dự đốn lượng tử hóa lẫn vectơ chuyển động tham số số tham chiếu không truyền Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 45 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG 2.6.4 Bù chuyển động slice B: (Hình 2.14) Hình 2.14 Bù chuyển động slice B: (a) khứ, tương lai, (b) khứ, (c) tương lai Các slice B mã hóa theo cách số macroblock block dùng trung bình trọng số hai giá trị dự đoán bù chuyển động riêng biệt Trong slice B, bốn dạng dự đoán ảnh inter khác hỗ trợ: dự đoán list 0, list 1, hai hướng (bi-predictive) trực tiếp (direct) + Dự đốn list  hiển thị tín hiệu dự đoán tạo thành nhờ dùng bù chuyển động từ ảnh nhớ đệm ảnh tham chiếu + Dự đoán list  ảnh tham chiếu thứ hai sử dụng cho việc xây dựng tín hiệu dự đốn + Trong mode dự đốn hai hướng, tín hiệu dự đốn tạo thành trung bình trọng số tín hiệu dự đốn bù chuyển động list list + Mode dự đoán trực tiếp  quy nạp từ phần tử cấu trúc truyền trước dự đoán list list 1, dự đoán hai hướng Các slice B dùng phân nhỏ macroblock tương tự với slice P Ngoài mode Inter – 16 x 16, Inter – 16 x 8, Inter – x 16, Inter – x Intra, cịn có dạng macroblock dùng dự đốn trực tiếp, có nghĩa mode trực tiếp Ngoài Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 46 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG ra, phân chia 16 x 16, 16 x 8, x 16 x 8, phương pháp dự đoán (list 0, list 1, hai hướng) chọn lựa riêng biệt Sự phân chia x macroblock slice B mã hóa mode trực tiếp Nếu khơng có tín hiệu lỗi dự đốn truyền cho mode macroblock trực tiếp, quy nạp đến mode SKIP slice B mã hóa hiệu quả, tương tự mode SKIP slice P Việc mã hóa vectơ chuyển động tương tự slice P với biến đổi thích hợp khối bên cạnh mã hóa dùng mode dự đốn khác 2.7 SÁNH HIỆU QUẢ MÃ HĨA CỦA H.264/AVC VỚI CÁC TIÊU CHUẨN MÃ HÓA TRƢỚC ĐÓ 2.7.1 Những ƣu điểm kỹ thuật H.264/AVC so với MPEG-2 Video: Trong phần so sánh ưu điểm kỹ thuật H.264/AVC so với MPEG-2 video, chuẩn nén dùng phổ biến Từ phân tích đặc điểm kỹ thuật tiêu chuẩn H.264/AVC, ta thấy có số cơng cụ sử dụng, làm tăng hiệu nén nó: • Dự đốn hệ số AC/DC mà hệ số macroblock dự đoán từ hệ số macroblock bên cạnh từ số liệu thân macroblock Tất nhiên việc giải mã macroblock phải thay đổi khác với thuật tốn dịng bit đơn giản trước để đưa vào số tính tốn cho hệ số • Các cơng cụ tốn học CAVLC CABAC cho cải thiện đáng kể mã hóa entropy • Trong bù chuyển động MPEG-2 Part hạn chế đến nội suy hai chiều ½ pixel H.264/AVC cho phép vectơ chuyển động đến xác ¼ pixel sau dùng nội suy nhiều chiều (bi–cubic) Nội suy nhiều chiều tạo thích hợp cho macroblock, giảm lượng lưu Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 47 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG ảnh lỗi, làm giảm số bit cần phải mã hóa Tuy nhiên nội suy nhiều chiều địi hỏi nhiều thuật tốn hơn, phức tạp thực bù chuyển động cao • Việc dùng lọc tách khối phía mã hóa giải mã làm giảm khơng liên tục biên khối hệ số chất lượng khác sử dụng cho khối cạnh gây Cơng cụ có ảnh hưởng đáng kể đến tính phức tạp mã hóa giải mã • Kích thước khối thay đổi từ 16 x 16 xuống x Kích thước khối giảm cung cấp độ lợi mã hóa mà khơng có tăng đáng kể tính phức tạp 2.7.2 So sánh hiệu mã hóa H.264/AVC tiêu chuẩn mã hóa trƣớc Từ ưu việt kỹ thuật trên, nhà nghiên cứu phát triển H.264/AVC cho tiết kiệm tốc độ bit trung bình H.264/AVC so với MPEG-2 khoảng 65% Điều có nghĩa tốc độ bit cho video truyền hình HD (ở mức chất lượng quảng bá DVD) giảm theo hệ số 2.25 2.5 dùng mã hóa H.264/AVC so với MPEG-2 Tất nhiên mức tiết kiệm phụ thuộc vào sản phẩm hãng Ví dụ hãng iVAST, California, USA hiển thị video chất lượng quảng bá tốc độ bit không đổi (CBR – Constant Bit Rate) 1.5 Mb/s so với MPEG-2 tốc độ bit thay đổi (VBR – Variable Bit Rate) 3.0 Mb/s Trong vào tháng 09/2002, IBC Amsterdam, Hà Lan, công ty VideoLocus trình diễn codec H.264/AVC tối ưu hóa cao riêng họ, demo dòng video chất lượng DVD tốc độ Mb/s so sánh với dòng truyền video MPEG-2 tốc độ Mb/s bên cạnh Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 48 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG Chƣơng ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG-4 AVC H.264/MPEG-4 AVC đánh dấu bước ngoặt lĩnh vực nén video, áp dụng kỹ thuật tiên tiến nhằm mục đích sử dụng băng thơng hiệu đem lại chất lượng ảnh cao Điều có nghĩa MPEG-4 AVC ứng cử viên nặng ký có khả thay MPEG-2 năm tới 3.1 CÁC PHẠM VI ỨNG DỤNG VÀ CÁC MODEL KINH DOANH MỚI Hiệu nén tăng H.264/AVC tạo phạm vi ứng dụng hội kinh doanh Ví dụ: truyền tín hiệu video chất lượng TV (ví dụ PAL) tốc độ Mb/s, cho phép streaming qua đường ADSL Một phạm vi kinh doanh đáng quan tâm khác truyền dẫn truyền hình qua vệ tinh Bằng việc chọn điều chế 8–PSK mã hóa Turbo (hiện nghiên cứu cho tiêu chuẩn DVB-S2) dùng H.264/AVC, số chương trình qua vệ tinh tăng gấp ba so với hệ thống DVB-S dùng MPEG-2 Nếu điều xảy tất dẫn đến cách mạng việc thay đổi máy thu DVB-S có, có nghĩa đẩy mạnh cơng nghiệp sản xuất máy thu hình vệ tinh số Đối với DVB-T, H.264/AVC lựa chọn thú vị Giả sử tham số truyền dẫn chọn Đức (mode 8K, 16 – QAM, tỷ lệ mã 2/3, khoảng bảo vệ ¼), ta có tốc độ bit 13.27 Mb/s cho kênh MHz Nếu dùng mã hóa MPEG-2 số chương trìnhtruyền hình/kênh tần số bĩ hạn chế tới bốn Trong dùng H.264/AVC số chương trình tăng lên đến mười hơn, khơng độ lợi mã hóa mà độ lợi ghép kênh thống kê cho tốc độ bit thay đổi cao có nhiều chương trình khác Một tùy chọn khác dùng QPSK, tỷ lệ mã ½ với H.264/AVC cho phép đạt Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 49 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG bốn chương trình / kênh, giảm công suất phát khoảng 15% so với mode truyền 16-QAM, 2/3 nhắc tới Một phạm vi kinh doanh đáng quan tâm khác truyền dẫn lưu trữ truyền hình có độ phân giải cao (HD) Có thể mã hóa tín hiệu HD tốc độ Mb/s, thích hợp với DVD thơng thường Điều làm tăng tốc thị trường home cinema Cũng truyền bốn chương trình HD qua kênh vệ tinh cáp, làm cho dịch vụ hấp dẫn nhà quảng bá giá thành truyền dẫn thấp nhiều so với MPEG-2 Trong lĩnh vực thơng tin di động, H.264/AVC có vai trị quan trọng hiệu nén tăng gấp đơi so với sơ đồ mã hóa xác định hệ thống điện thoại di động 3GPP cho streaming, có nghĩa H.263 Baseline, H.263+ MPEG-4 Simple Profile Điều quan trọng tốc độ liệu có sẵn hệ thống 3G đắt Với tốc độ bit thấp H.264/AVC cho phép tải nội dung multimedia cho dụng cụ di động điện thoại, PDA (Personal Digital Assistant) PC laptop qua công nghệ mạng LAN không dây, DAB (Digital Audio Broadcasting), UMTS (Universal Mobile Telecommications System) DVB-T Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 50 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG 3.2 TRUYỀN HÌNH INTERNET-IPTV 3.2.1 Sơ đồ hệ thống: đƣợc thể hình 3.1 Hình 3.1 Hệ thống truyền hình Internet- VTV4 3.2.2 Mơ tả hoạt động hệ thống: • Các chương trình truyền hình (được đưa vào dạng tín hiệu tương tự hay băng từ …) đưa qua thiết bị dựng PC (nếu cần) sau đưa vào thiết bị mã hóa Non Real-time Encoder để tạo chương trình dạng file theo định dạng MPEG-4 AVC/H.264 Nhờ máy chủ Web Server (được cài đặt phần mềm Apache Web Server, phần mềm hệ thống website VTV4 Online, Database server Application Server), file gửi đến thiết bị lưu trữ video Disk Array thông qua FO switch/cáp quang/converter LX/TX lưu dạng thư mục (tùy theo tổ chức CSDL hệ thống) Khi khách hàng có nhu cầu xem chương trình truyền hình lưu hệ thống, máy chủ Video Server (có cài đặt phần mềm quản lý dòng video) tạo kết nối để khách hàng download chương trình máy tính Do nhu cầu dựng khơng nhiều, Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 51 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG máy tính PC để dựng phi tuyến cịn dùng để update liệu cho trang website VTV4 Online Khi dịch vụ phát triển (số lượng người truy cập tăng cao, khối lượng video lưu trữ nhiều…), tính đến việc tách chức quản trị web quản trị sở liệu hai máy chủ (cùng đặt Trung tâm THDL VTV) • Vấn đề cung cấp điện an toàn, an ninh cho thiết bị đặt Trung tâm Tích hợp liệu (VTV) bảo đảm hệ thống an ninh mạng chung Đài THVN Với máy chủ Video Server đặt cổng Internet quốc tế, vấn đề an ninh hệ thống chống xâm nhập đảm nhận hệ thống an ninh nhà cung cấp dịch vụ ISP phần mềm an ninh cài đặt trực tiếp máy chủ, qui định kiểm soát cổng vào dòng liệu 3.3 TRUYỀN HÌNH DI ĐỘNG DVB- H DVB–H hệ thống truyền dẫn quảng bá cho datagram Các datagram datagram IP datagram khác, chứa liệu liên quan với dịch vụ multimedia, dịch vụ nạp file, dịch vụ khác Mục đích DVB–H cung cấp phương thức hiệu để mang liệu multimedia qua mạng quảng bá mặt đất số đến thiết bị handheld Các đặc trưng chủ yếu liên quan với tính hiệu cần xem xét hạn chế nguồn cung cấp điều kiện truyền dịng truyền khác tính di động thiết bị thu Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 52 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG Hình 3.2 Mơ hình mạng DVB-H riêng biệt Để thực mục đích đề ra, DVB–H bổ sung thêm số giải pháp kỹ thuật vào tiêu chuẩn DVB–T, bao gồm: Time – slicing để tiết kiệm nguồn hỗ trợ cho chuyển vùng trơn tru; MPE - FEC cho tính mạnh khỏe mơi trường truyền dẫn bổ sung thêm tính di động, hỗ trợ cho tính di động; mode 4K tăng cường tính di động tính mềm dẻo thiết kế mạng; báo hiệu DVB–H để giúp máy thu DVB-H dễ hoạt động chức DVB sử dụng mã hóa nguồn cho DVB-H H.264/MPEG-4 AVC với level thông số tương ứng cho bảng Dự kiến dịch vụ DVBH khởi đầu dùng máy thu mức B (điện thoại di động UMTS thiết bị số cá nhân (Personal Digital Assistant – PDA)), sau mở rộng sang máy thu dạng A B Ví dụ ta dùng ¼ thông lượng kênh DVB-T Đức dùng (dung lượng tổng cộng 15 Mb/s) cho DVB-H có 3.7 Mb/s cho DVB-H, đủ cho truyền tải DVB-H video stream 15 stereo audio signal với mã FEC mạnh bổ sung Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 53 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 54 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H.264/MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG TÀI LIỆU THAM KHẢO H.264 and MPEG-4 video compression Lai E.G Richardson Giáo trình KT truyền hình, Đỗ Hồng Tiến, Vũ Đức Lý NXB KHKT-2001 http://www.phatthanhtruyenhinh.vn/ Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 55 ... NÉN ẢNH H. 2 64/ MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG Chƣơng ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H. 2 64/ MPEG- 4 AVC H. 2 64/ MPEG- 4 AVC đánh dấu bước ngoặt lĩnh vực nén video, áp dụng kỹ thuật tiên tiến nhằm mục đích sử dụng. .. 2 .4 MÃ H? ?A H. 2 64 2 .4. 1 Sơ đồ khối mã h? ?a H. 2 64: H? ?nh 2.5 Mã h? ?a H. 2 64 Sinh viên: Phùng Duy Thịnh - Lớp: ĐT1001 34 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H. 2 64/ MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG Trong đó: - Fn (current): Ảnh. .. 24 CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH H. 2 64/ MPEG - AVC VÀ ỨNG DỤNG - Tập h? ??p khung I, P ,B cách h? ??p lý tạo thành nhóm ảnh GOP (Group Of Picture) Nhóm ảnh tập h? ??p thành chuỗi, thứ tự ảnh đầu khác với thứ tự ảnh