Ứng dụng kỹ thuật mã hóa video h 265HEVC xây dựng hệ thống truyền hình số tại tỉnh quảng ngãi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM  VÕ NGỌC TUẤN ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MÃ HÓA VIDEO H.265/HEVC XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ TẠI QUẢNG NGÃI Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 848.01.04 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HỆ THỐNG THƠNG TIN Đà Nẵng - Năm 2019 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH Trần Quốc Chiến Phản biện 1: TS NGUYỄN TRẦN QUỐC VINH Phản biện 2: GS.TS NGUYỄN THANH THỦY Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Hệ thống thông tin họp Trường Đại học Sư phạm vào ngày 07 tháng 04 năm 2019 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Sư phạm - Thư viện Khoa Hệ thống thông tin, Trường Đại học Sư phạm - ĐHĐN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong năm gần mà lĩnh vực công nghệ truyền thông ngày phát triển, với phát triển mạnh Internet tồn cầu việc truyền tải lưu trữ video ngày trở nên phổ biến giúp cho việc phát triển dịch vụ truyền hình cơng nghệ số với nhiều ưu điểm vượt trội số lượng chương trình, chất lượng tín hiệu, hiệu kỹ thuật kinh tế nhanh chóng chiếm lĩnh thị trường, thay dần kỹ thuật tương tự truyền thống Hiện nay, H.264/AVC tiêu chuẩn nén mã hóa video sử dụng phổ biến tồn giới Tuy nhiên nhu cầu video chất lượng cao hơn, tốc độ khung hình cao H.264/AVC chưa có khả nén tốt Vì chuẩn nén video H.265/HEVC phát triển sản phẩm liên quan đến chuẩn nén này, điều nói lên tính khả thay tương lai chuẩn nén tiền nhiệm H.264/AVC Phân tích khâu quan trọng kỹ thuật nén tín hiệu video H.265/HEVC sở vừa phân tích vừa so sánh với chuẩn nén tiền nhiệm H.264/AVC Việc phân tích so sánh chuẩn nén H.264/AVC H.265/HEVC để thấy rõ điểm trội chuẩn nén cải tiến chuẩn nén mới, tảng phân tích phân tích đánh giá so sánh thấy rõ ràng Dựa sở hạ tầng hệ thống DVB-T2 phát sóng số mặt đất sử dụng chuẩn nén H.264/AVC, xây dựng mơ hình nâng cấp thay chuẩn nén H.265/HEVC vào hệ thống truyền hình số sẵn có Đài phát truyền hình Quảng Ngãi theo hướng: Tăng lượng chương trình, tiết kiệm chi phí thay nhiều nâng cấp mã khơng ảnh hưởng đến quy hoạch phủ sóng số đặt Đây lý luận văn tập trung nghiên cứu Mục đích nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu vấn đề sau:  Phân tích đánh giá kỹ thuật nén video chuẩn nén H.265/ HEVC So sánh với chuẩn nén video H.264/AVC, đưa ưu điểm chuẩn nén H.265/HEVC  Ứng dụng H.265/HEVC xây dựng mơ hình truyền dẫn tín hiệu video HDTV truyền hình số mặt đất DVB-T2 đánh giá chất lượng video thu qua hệ thống Đối tượng phạm vi nghiên cứu  Các chuẩn nén video chuẩn nén H.265/HEVC, so sánh chuẩn nén H.265/HEVC với chuẩn nén H.264/AVC sử dụng  Chuẩn nén video H.265/HEVC hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2 Đài phát truyền hình Quảng Ngãi  Đánh giá kết ứng dụng  Đánh giá chất lượng hình ảnh thu Phương pháp nghiên cứu Với mục tiêu phương pháp nghiên cứu kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để thực đề tài theo bước sau:  Nghiên cứu lý thuyết kỹ thuật mã hóa giải mã loại tín hiệu video  Phân tích so sánh với chuẩn nén H.264/AVC đưa ưu điểm chuẩn nén H.265/HEVC  Ứng dụng kỹ thuật nén H.265/HEVC xây dựng mơ hình truyền dẫn tín hiệu video độ phân giải cao qua hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu Ngày kỷ thuật mã hóa nén video phát triển cải thiện nhiều thập kỷ qua để khắc phục vấn đề này, giảm thiểu dung lượng video, giúp cho việc truyền dẫn qua mạng đơn giản H.264/AVC chuẩn nén tiên tiến sử dụng phổ biến nước ta Tuy nhiên, nhu cầu chất lượng video ngày cao, tốc độ khung hình cao hơn, chẳng hạn video HD, UltraHD, 4K 8K chuẩn nén H.264/AVC chưa hiệu Vì vậy, chuẩn nén video phát triển, khơng cung cấp mã hóa tốt video độ phân giải cao mà giảm 50% dung lượng so với chuẩn nén H.264/AVC Việc phân tích đánh giá chuẩn nén H.265/HEVC có ý nghĩa quan trọng giúp giảm băng thông truyền phát video HD, Ultra-HD (4K, 8K) qua mạng internet, qua vệ tinh qua dịch vụ truyền hình trả tiền, giảm dung lượng lưu trữ tăng lượng chương trình, tiết kiệm chi phí cơng tác truyền dẫn tín hiệu truyền hình Đài phát truyền hình Quảng Ngãi CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ VÀ CƠ SỞ NÉN VIDEO 1.1 Tổng quan hệ thống truyền hình số 1.1.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình số Tín hiệu truyền hình tương tự Thiết bị phát Biến đổi A/D Mã hóa nguồn Mã hóa kênh Điều chế số Kênh thơng tin Tín hiệu truyền hình tương tự Biến đổi D/A Giải mã hóa nguồn Giải mã hóa kênh Giải điều chế số Thiết bị thu Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình số[1] 1.1.2 Đặc điểm truyền hình số 1.1.3 Q trình số hóa tín hiệu 1.1.4 Tốc độ bit độ rộng băng thơng 1.1.5 Q trình biến đổi tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu màu 1.2 Nén tín hiệu video 1.2.1 Các kỹ thuật nén tín hiệu video Tín hiệu video thường chứa đựng lượng lớn thông tin dư thừa, chúng thường chia thành loại sau: Có dư thừa thơng tin khơng gian; Có dư thừa thơng tin thời gian; Có dư thừa thơng tin phổ; Có dư thừa thống kê; Có dư thừa tâm thị giác Có nhiều phương pháp nén tín hiệu, phương pháp nén cách số hóa tín hiệu tỏ hữu hiệu thời đại, mặt làm giảm lượng thơng tin khơng quan trọng cách đáng kể, mặt khác cịn giúp cho tín hiệu bảo mật 1.2.2 Tỷ số nén tín hiệu video 1.2.3 Phân loại kỹ thuật nén tín hiệu video 1.2.4 Biến đổi cosin rời rạc 1.2.5 Q trình lượng tử hóa 1.2.6 Tiêu chuẩn đánh giá tín hiệu video Đánh giá chất lượng video thông qua giá trị cung cấp hệ thống xử lý, việc suy giảm chất lượng tín hiệu nhìn thấy (thơng thường chúng so sánh với tín hiệu gốc) Qua hệ thống ta thấy thay đổi hình dạng, việc định chuẩn chất lượng video quan trọng Để đánh giá chất lượng ảnh (hay khung ảnh video) đầu mã hoá, người ta thường sử dụng tham số truyền thống sau để đánh giá: Sai số bình phương trung bình (mean square error– MSE) định nghĩa cho cường độ sai khác ảnh gốc ảnh dự đoán N 1 N 1 MSE    (Ci j  Ri j ) N i 0 j 0 (1.9) Tỉ số tín hiệu nhiễu đỉnh (peak to signal to noise ratio– PSNR) PSNR  10 log 10 (2 b  1) (dB) MSE (1.10) Trong NxN kích thước bù chuyển động; hệ số Ci, j Ri, j tương ứng với mẫu vùng mẫu tham khảo; b số lượng bit/ mẫu.Thông thường, nếu:  PSNR ≥ 40dB hệ thống mắt người gần không phân biệt ảnh gốc ảnh khơi phục, tức ảnh nén có chất lượng xuất sắc  30 dB  PSNR < 33 dB chất lượng ảnh nén bình thường, mắt người có phân biệt  PSNR < 30 dB chất lượng ảnh nén 1.3 Mơ hình cấu trúc DVB-T2 DVB-T2 tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất cho hệ thứ 2, thành nghiên cứu nhiều nhà khoa học thuộc tổ chức DVB (Digital Video Broadcasting ) suốt năm (2006-2009) DVBT2 cho phép tăng dung lượng liệu kênh truyền (30%) độ tin cậy mơi trường truyền sóng mặt đất DVB-T2 chủ yếu dành cho truyền hình số có độ phân giải cao HDTV Kết luận chương Chương trình bày cách tổng quát hệ thống truyền hình số, số đặc trưng truyền hình số so với truyền hình tương tự, trình biến đổi tiêu chuẩn lấy mẫu, kỹ thuật sử dùng để xử lý tín hiệu video, sở để đánh giá chất lượng video sau q trình mã hóa giải mã Đồng thời chương giới thiệu sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2, sở việc ứng dụng nén tín hiệu video vào hệ thống truyền hình số cho chương CHƯƠNG CÁC KỸ THUẬT MÃ HÓA VIDEO 2.1 Lịch sử phát triển chuẩn nén phát triển sản phẩm liên quan đến mã hóa H.265/HEVC 2.1.1 Lịch sử phát triển Hình 2.1 Lịch sử phát triển chuẩn nén [3] MPEG-2/H.262, H.264/AVC H.265/HEVC chuẩn nén video phát triển ISO/IEC Moving Picture Experts Group (MPEG) ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG) MPEG VCEG thành lập nhóm cộng tác viên mã hóa video để phát triển chuẩn H.26x 2.1.2 Quá trình phát triển sản phẩm liên quan đến mã hóa H.265/HEVC 2.2 Kỹ thuật mã hóa video H.264/AVC 2.2.1 Sơ đồ mã hóa giải mã chuẩn H.264/AVC 2.2.2 Cấu trúc H.264/AVC 2.2.2.1 Các profiles level 2.2.2.2 Slices 2.3 Kỹ thuật mã hóa video H.265/HEVC 2.3.1 Sơ đồ mã hóa giải mã chuẩn H.265/HEVC Hình 2.3 Sơ đồ khối mã hóa giải mã HEVC [7] Trong phần này, giải thích nguyên lý hoạt động trình mã hóa giải mã từ hình 2.3 Từ sơ đồ khối tổng quát mã hóa, ta tiến hành phân tích kỹ thuật mã hóa H.265/HEVC so sánh với kỹ thuật mã hóa H.264/AVC 2.3.2 Các profiles level 2.3.3 Phân vùng ảnh 2.3.4 Biến đổi lượng tử hóa 2.3.5 Các chế độ dự đoán 2.3.5.1 Chế độ dự đoán ảnh 2.3.5.2 Chế dự đốn liên ảnh 2.3.6 In-loop Filtering 2.3.7 Mã hóa Entropy 2.4 So sánh đặc điểm H.264/AVC H.265/HEVC Trên sở phân tích kỹ thuật mã hóa H.265/HEVC H.264/AVC, ta rút so sánh đặc điểm hai chuẩn mã hóa video điểm khác biệt 2.4.1.So sánh phân vùng hình ảnh - cấu trúc mã hóa ảnh 10 Mã hóa Entropy CAVLC, CABAC CABAC Bộ lọc lặp Bộ lọc giải khối Bộ lọc giải khối Bù mẫu thích nghi Cấu trúc xử lí song song Profiles Độ phức tạp mã hóa Hiệu nén Slice Slice, Tile, WPP Phức tạp Cao Rất phức tạp Rất cao (gấp lần H.264) Kết luận chương Trong chương 2, tìm hiểu lịch sử phát triển chuẩn nén, đời chuẩn nén video tiên tiến H.265/HEVC phát triển chuẩn nén sản phẩm liên quan đến H.265/HEVC để nói lên tính khả thi đời thiết bị giải mã xử lý video thời gian thực Việc phân tích kỹ thuật mã hóa video H.265/HEVC theo hướng đặc tính khác biệt so với chuẩn mã hóa trước H.264/AVC, để có đặc điểm khác biệt chung cải tiến chuẩn nén so với chuẩn nén cũ để đem lại chất lượng mã hóa tốt Từ lựa chọn thơng số mã hóa chung cho phần mềm mã hóa H.265 H.264 để so sánh phân tích mã hóa khách quan xác Tiếp theo, để thấy hiệu ứng chuẩn nén H.265 ứng dụng thực tế chất lượng mã hóa vượt trội, chương ứng dụng thực cụ thể 11 CHƯƠNG ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MÃ HÓA H.265/HEVC XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ Qua so sánh, đánh giá đặc điểm bật chuẩn nén video H.265/HEVC so với chuẩn nén ứng dụng phổ biến H.264/AVC giới thiệu chương Trong chương đề xuất ứng dụng kỹ thuật mã hóa video H.265/HEVC để xây dựng hệ thống truyền hình số DVB-T2 tỉnh Quảng Ngãi Để thực điều này, luận văn đề xuất cần giảm tốc độ bit cho chương trình cách tăng hiệu mã hóa nguồn tăng cường lực sử dụng dung lượng kênh đồng thời kiểm nghiệm mơ hình thực tế để chứng minh tính khả thi giải pháp 3.1 Hệ thống truyền dẫn số mặt đất DVB-T2 Hình 3.1 Mơ hình truyền dẫn số mặt đất DVB-T2 Mơ hình truyền dẫn số mặt đất Đài truyền hình Việt Nam thể hình 3.1 Các trạm phát sóng số mặt đất DVB-T2 đặt tỉnh thành nước, nguồn 12 tín hiệu gốc thu từ hệ thống vệ tinh Vinasat phát lên từ trạm phát vệ tinh Giảng Võ Tốc độ bitrate tối cho phép 33.8Mbp/s Hiện chương trình VTV nén theo chuẩn H.264/AVC Đối với chương trình HDTV nén với tốc độ bitrate 4.5Mbit/s, chương trình SDTV với tốc độ bitrate 1.5Mbit/s Như vậy, máy phát số DVB-T2 phát tối đa 07 chương trình HDTV bitrate 4.5Mbit/s, phát tối đa 22 chương trình SDTV bitrate 1.5Mbit/s 3.2 Giải pháp đề xuất hiệu áp dụng mã hóa H.265/HEVC 3.2.1 Giải pháp đề xuất Như luận văn đưa giải pháp sau đây: - Giảm tốc độ bit cho chương trình cách tăng hiệu mã hóa nguồn - Tăng dung lượng kênh, tăng cường lực sử dụng dung lượng kênh 3.2.2 Hiệu đạt Đối với máy phát số DVB-T2 Quảng Ngãi tốc độ bitrate tối đa cho phép 33,8Mbp/s Vì chuẩn nén H264/AVC chương trình HDTV phát chương trình tổng số tốc độ bít lên đến 31.5Mbp/s Việc áp dụng mã hóa nguồn H.265/HEVC để giảm khoảng 50% tốc độ bit cho chương trình tổng bitrate khoảng 17.5Mbp/s, thể bảng 3.3 Bảng 3.3 So sánh Bitrate chương trình HD máy phát số DVB-T2 Quảng Ngãi STT Chương trình VTV1 HD Bitrate HEVC(Mbp/s) 2.5 Bitrate AVC (Mbp/s) 4.5 13 VTV2 HD 2.5 4.5 VTV3 HD 2.5 4.5 VTV6 HD 2.5 4.5 VTV7 HD 2.5 4.5 VTV8 HD 2.5 4.5 PTQ HD 2.5 4.5 Tổng Bitrate 17.5Mbp/s 31.5 Mbp/s Với việc chuyển đổi H.265/HEVC truyền dẫn DVB-T2 nén chương trình lên đến 2.5Mbp/s đảm bảo chất lượng hình ảnh với dung lượng 33.8Mbp/s máy phát số phát đến 13 chương trình HDTV chiếm dung lượng khoảng 32.5Mbp/s 3.3 Xây dựng hệ thống DVB-T2 kỹ thuật mã hóa H.265/HEVC Dựa giải pháp đề xuất, hiệu đạt Luận văn giới thiệu mơ hình trạm phát sóng DVB-T2 sử dụng mã hóa H.265 so với mơ hình cũ giới thiệu hình 3.1 thành phần mơ hình cần xử lý, nâng cấp thay Trong phần giới thiệu thông số thu phát vệ tinh Band C với dung lượng bitrate có, giới thiệu số thiết bị có phục vụ việc nâng cấp tính tốn để tăng dung lượng bitrate máy phát DVB-T2 mà bị ảnh hưởng đến quy hoạch phủ sóng đặt 3.3.1 Mơ hình trạm phát sóng DVB-T2 sử dụng H.265/HEVC 3.3.3 Hệ thống vệ tinh Vinasat Band C 3.3.4 Tăng dung lượng cho máy phát sóng số mặt đất DVB-T2 Tăng dung lượng kênh, tăng cường lực sử dụng dung lượng kênh, liên quan đến việc lựa chọn thông số cấu hình cho hệ thống máy phát số Việc lựa chọn thơng số cấu hình cho hệ thống 14 máy phát ảnh hưởng đến quy hoạch bán kính phủ sóng, mạng DVBT2 đơn tần hay đa tần số, mục đích thu cố định hay di động, ăng ten nhà hay nhà điều quan trọng tốc độ bit truyền tải hệ thống máy phát DVB-T2 để đáp ứng chương trình HDTV Trong phần tính tốn lựa chọn thơng số phù hợp để tăng dung lượng kênh phát sóng mã khơng ảnh hưởng nhiều đến đến hệ thống 3.4 Phân tích, so sánh đánh giá khách quan kết ứng dụng 3.4.1 Thiết lập điều kiện để thực 3.4.1.1 Mơ hình mã hóa Để đưa kết phân tích đánh giá khách quan so sánh chất lượng mã hóa H.265/HEVC H.264/AVC, luận văn dựa vào phần mềm mã nguồn mở tham chiếu tổ chức chuẩn hóa chạy C++ Đối với H.265/HEVC phần mềm mã nguồn mở tham chiếu gọi HM (HEVC Test Model),Đối H.264/AVC phần mềm mã nguồn mở tham chiếu gọi JM (Joint Test Model) Trong chương này, để phục vụ cho việc so sánh đánh giá, phiên phần mềm mã nguồn mở H.265/HEVC H.264/AVC HM 16.7 JM 19 sử dụng 3.4.1.2 Cấu trúc dự đoán Để đánh giá so sánh chất lượng mã hóa ta dựa vào cấu trúc dự đoán sau (1) All Intra (AI) (2) Low Delay P picture (LDP) (3) Low Delay B picture (LDB) (4) Random Access (RA) Trong cấu hình này, giá trị QP (Thơng số lượng tử hóa) điều chỉnh thêm giá trị “QP Offset” Có nghĩa điều 15 kiện thử nghiệm chung định nghĩa ảnh (QP ảnh I QPI) QP ảnh xuất phát từ: QP = QPI +QPoffset với QP offset xác định qua kiểu ảnh P, hay ảnh Hình ảnh I đề cập đến hình ảnh giải mã độc lập mà khơng u cầu liệu dự đốn từ ảnh giải mã khác Thơng thường, hình ảnh P (predicted) yêu cầu liệu mẫu hình ảnh từ ảnh I, P B khác để tạo khối mẫu dự đoán Một ảnh B (bi-predicted), yêu cầu liệu mẫu hình ảnh từ hai hình I, P B khác để tạo khối mẫu dự đốn 3.4.1.3 Chuỗi video quy trình đánh giá Chuỗi video đánh giá Các chuỗi video kiểm tra định nghĩa theo kích thước ảnh ứng dụng Chúng phân thành loại video: Bảng 3.9 Chuỗi video tham chiếu kiểm tra [25] Phâ n Tên Video Loại A B crowd run_yuv ducks_take_of f Tỷ lệ Số khung khun hình g 1920x108 Tốc Tỷ Số độ lệ bit khun lấy mẫ g mẫu u 200 50 1280x720 200 50 C akiyo_yuv 352x288 300 50 D news_yuv 352x288 300 50 4:2: 4:2: 4:2: 4:2: 8 8 16 Quy trình đánh giá Trình tự thực chạy mã hóa phần mềm HM 16.7 JM 19.0 loại video, cách thay đổi giá trị thông số lượng tử hóa QP để thu giá trị PSNR Bitrate loại video mã hóa video được thực cấu trúc dự đoán theo kiểm tra sau: - TEST 1: All Intra (AI) - TEST 2: Low-Delay P (LDP) - TEST 3: Low-Delay B (LDB) - TEST 4: Random Access (RA) Việc phân tích kết dựa giá trị PSNR_YUV cho video bitrate tính trung bình cho tất khung Để trực quan việc so sánh, sử dụng phép nội suy để tính tốn vẽ đồ thị PSNR_YUV bitrate Đánh giá trị tiết kiệm bitrate (BitSaving) mã hóa H.265/HEVC so với H.264/AVC 3.4.2 Phân tích kết đánh giá khách quan 3.4.2.1 Mã hóa All Intra (AI-TEST 1) Hình 3.7 Kết mã hóa AI Trong trường hợp All Intra Main video mã hóa theo ảnh I độc lập với nên cải thiện bitrate mã hóa 17 H.265/HEVC cải thiện 21,45% lượng bit tiết kiệm so với H.264/AVC Đồng thời, H.265/HEVC cho chất lượng ảnh tốt so với H264/AVC tốc độ bit 3.4.2.2 Mã hóa Low delay P (LDP- TEST 2) Hình 3.8 Kết mã hóa LDP Trong trường hợp mã hóa ảnh P, có dự đốn liên ảnh từ ảnh trước đó, hiệu trường hợp cao trường hợp dự đốn AI Trung bình lượng tiết kiệm bit mã hóa H.265/HEVC đạt 73,94% so với mã hóa H.264/AVC Đồng thời, H.265/HEVC cho chất lượng ảnh tốt so với H264/AVC tốc độ bitrate 3.4.2.3 Mã hóa Low delay B (LDB- TEST 3) Hình 3.9 Kết mã hóa LDB 18 Trong kiểu mã hóa này, dự đoán hai chiều ảnh B, hiệu suất bitrate đạt trường hợp cao với trường hợp mã hóa LDP, lượng tiết kiệm bit trung bình H.265 so với H.264 đạt -93,78 % 3.4.2.4 Mã hóa Random Access (RA- TEST 4) Hình 3.10 Kết mã hóa RA Trong kiểu mã hóa RA, xu hướng tiết kiệm bit loại video có độ phân giải cao, lượng chuyển động lớn Điều nói lên khả nén video H.265 vượt trội loại video có độ phân giải lớn video độ phân giải cao hiệu suất nén mã hóa video H.265 tốt so với H.264 3.4.2.5 Kết luận đánh giá khách quan Bảng 3.14 Tổng hợp kết lượng tiết kiệm bit hai loại Video Độ phân Được mã giải (pixel) hóa Loại C 352x288 Loại D 352x288 Loại B 1280x720 Loại A 1.920x1080 Trung bình mã hóa Lượng bit tiết kiệm H.265/HEVC so với H.264/AVC AI ( %) LDP (%) LDB(%) RA (%) -22,19 -65,42 -170,69 -31,82 -20,58 -55,10 -120,77 -21,84 -21,69 -108,03 -52,18 -118.87 -67,24 -31,50 -77,63 -21,49 -73,94 -93,78 -32,82 19 Trong bốn trường hợp mã hóa với kiểu dự đốn khác nhau, dự đoán ảnh I, dự đoán ảnh P, dự đoán ảnh B đoán kết hợp ngẫu nhiên RA với video kiểm tra khác kích thước, độ phân giải, mức độ chuyển động ảnh lượng bit tiết kiệm H.265/HEVC lớn H.264/AVC giá trị QP Qua kết phân tích nhận xét sau: - Cùng chất lượng mã hóa, giá trị QP khả nén H.265/HEVC tốt chuẩn nén H.264/AVC - Cùng giá trị bitrate, chất lượng nén H.265 tốt chuẩn H.264 - Lượng bit tiết kiệm H.265 so với H.264 trung bình 21,49% mã hóa AI, 73,94% mã hóa LDP, 93,78% mã hóa LDP 32,82% mã hóa RA Kết khách quan mang tính định lượng, kết mã hóa video cuối mang đến cảm nhận người giải nhu cầu giải trí người 3.5 Kết ứng dụng mơ hình DVB-T2 với H.265/HEVC Quảng Ngãi 3.5.1 Thiết bị mơ hình thử nghiệm Hình 3.11 Mơ hình Thử nghiệm phát sóng số mặt đất DVB-T2 sử dụng mã hóa nguồn H.265/HEVC Máy phát test DVB-T2 R&S®SFC-U Compact USB Modulator nhận dịng truyền tải đóng gói MPEG-2 TS 20 điều chế DVB-T2 phát Anten phát định hướng R&S HE100 Tín hiệu thu từ anten thu định hướng Promax AMC/1, giải mã hiển thị dịng Tivi tích hợp DVB-T2 4K HEVC, đồng thời đưa vào máy đo tín hiệu truyền hình số DVB-T2 R&S EFL340 3.5.2 Tín hiệu vào kiểm tra Dịng tín hiệu đóng gói thành với tốc độ bitrate 26Mbit/s, gồm chương trình HDTV mã hóa nguồn H.265/HEVC 8bit tỷ lệ lấy mẫu 4:2:0, phát thử nghiệm kênh 25, 26, 27 UHF 3.5.3 Thiết lập cấu hình Các cấu hình thiết lập thơng qua phần mềm máy tính giao tiếp USB với máy phát test DVB-T2 R&S SFC, Bảng 3.16 Mơ hình thiết lập thử nghiệm máy phát số mặt đất Thơng số Dịng truyền tải Điều chế FEC Khoảng bảo vệ (GI) FFT Băng thông (BW) Pilot Partern (PP) Tổng bitrate Cấu hình MPEG2-TS 64 QAM 5/6 1/16 16K MHz PP4 33,9 Mbp/s Cấu hình MPEG2-TS 64 QAM 5/6 1/32 16K MHz PP7 36,1 Mbp/s 3.5.4 Kết thử nghiệm nhận xét Bảng 3.17 Kết cấu hình thu từ thiết bị đo R&S EFL340 Phía phát Kênh Tần Mức số phát (MHz) (dBm) 25 506 -5 Phía thu MứcC/N (dB) 16 Mức thu (dBuV) 31.4 MER (dB) 27,9 LDPCBER 1.8E-3 C/N (dB) 16.9 BCHBER 2.4E-8 21 26 514 -5 16 31.4 26,5 1.8E-3 16.5 2.4E-8 27 522 -5 16 33.7 25,4 1.7E-3 16.1 2.4E-8 49 689 -5 16 30.5 24,2 2.3E-3 9.8 2.3E-8 Bảng 3.18 Kết cấu hình thu từ thiết bị đo R&S EFL340 Phía phát Kênh Tần Mức số phát (MHz) (dBm) Phía thu MứcC/N (dB) Mức thu (dBuV) MER (dB) LDPCBER C/N (dB) BCHBER 25 506 -5 16 31.4 27,9 1.8E-3 16.9 2.4E-8 26 514 -5 16 31.4 26,5 1.8E-3 16.5 2.4E-8 27 522 -5 16 33.7 25,4 1.7E-3 16.1 2.4E-8 49 689 -5 16 30.5 24,2 2.3E-3 9.8 2.3E-8 - Nhận thấy kết thu giải mã kênh DVB-T2 R&S EFL340 có giá trị khơng thay đổi thay đổi cấu hình, giá trị mức thu giá trị MER thay đổi hai cấu hình khác - Kết đo thực với Tivi Samsung 4K UA55JU7500K Tuy nhiên, thấy Tivi 4K bán thị trường Việt nam hãng Samsung số hãng khác tích hợp thu DVB-T2, giải mã HEVC cho phép thu tín hiệu HDTV phát sóng số mặt đất Đây thuận lợi triển khai phát sóng H.265/HEVC hệ thống truyền hình số mặt đất - Kết thu hiển thị Tivi có tích hợp giải mã kênh DVB-T2 giải mã nguồn HEVC quan sát khơng có tượng vỡ dừng hình Như vậy, ứng dụng mã hóa nguồn H.265/HEVC hệ thống truyền hình số mặt đất, thơng số cao tần hồn tồn 22 tương tự phát sóng HDTV hay SDTV mã hóa nguồn H.264/AVC khác số lượng chương trình kênh mã hóa H.265/HEVC lớn mã hóa nguồn H.264/AVC Kết luận chương Trên sở hạ tầng hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2 với mã hóa nguồn H.264/AVC, ta ứng dụng nâng cấp thay theo chuẩn H.265/HEVC vào hệ thống có giải pháp mơ hình đề xuất đưa Với mơ hình này, đảm bảo tiết kiệm chi phí đầu tư, lựa chọn tốc độ bit tối đa để truyền tải nhiều chương trình HDTV đáp ứng với nhu cầu hướng tới tương lai chương trình UHDTV 4K Kết chương phân tích đánh giá chất lượng chuẩn nén video H.265 so với chuẩn nén H.264 đánh giá khách quan Do tính linh hoạt chuẩn nén mới, nên phương pháp cho ta khả lựa chọn thơng số mã hóa tốt cho ứng dụng cụ thể Về việc giảm tốc độ bit dựa đánh giá khách quan cho thấy hiệu suất tăng khoảng 21,49% kiểu dự đoán AI, 73,94% LDP, 93,78% LDB 62,54% RA 62,59% so với H.264 Cịn phương pháp kiểm tra thơng qua thị giác người cho thấy H.265 có chất lượng vượt trội so với chuẩn nén H.264 Đồng thời cho thấy chất lượng mã hóa H.265 so với H.264 thường tăng lên video có độ phân giải cao HD720p, 1080p hướng tới video độ phân giải 4K 8K 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận văn thực theo trình tự có mối quan hệ quan hệ chặt chẽ chương Chương 1, giới thiệu tảng truyền hình số nén tín hiệu video đồng thời giới thiệu tổng quát hệ thống truyền hình số mặt đất ứng dụng Quảng Ngãi DVB-T2 Chương 2, tìm hiểu lịch sử phát triển chuẩn nén H.265/HEVC sản phẩm liên quan đến chuẩn nén, Ngồi tập trung tìm hiểu phân tích khâu quan trọng kỹ thuật nén tín hiệu video H.265/HEVC sở vừa phân tích vừa so sánh với chuẩn nén H.264/AVC sử dụng phổ biến để thấy rõ điểm trội ưu việt chuẩn nén H.265/HEVC chương 3, dựa sở hạ tầng sẵn có hệ thống DVB-T2 phát sóng số mặt đất Quảng Ngãi sử dụng chuẩn nén H.264/AVC, xây dựng mô hình nâng cấp thay chuẩn nén H.265/HEVC vào hệ thống sẵn có theo hướng: Tiết kiệm chi phí thay nâng cấp mã khơng ảnh hưởng nhiều đến quy hoạch phủ sóng số đặt Đồng thời, luận văn thực thí nghiệm đo thông số SNR, MER (tỷ số lỗi điều chế), quan sát chất lượng hình ảnh Với kết thu cho thấy ưu việt mã hóa video H.265/HEVC, đưa số kết luận sau - H.265/HEVC cho chất lượng ảnh tương đương với H.264/AVC với tốc độ bit nửa - H.265/HEVC cho chất lượng ảnh tốt so với H.264/AVC tốc độ bít -Theo lộ trình phát triển cơng nghệ truyền hình số mặt đất DVBT2, chuẩn nén H.265/HEVC thay H.264/AVC - Để nâng cấp chuyển đổi sang chuẩn H.265/HEVC dễ dàng tiết kiệm chi phí Hiện thị trường có số hãng lớn cho đời mã hóa H.265 Harmonic Ericsson (Encoder Electra X hãng Harmonic) 24 - Mặc dù cố gắng nghiên cứu, song hiểu biết cịn hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong bổ sung góp ý quý thầy cô đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Cuối tác giả xin chân thành cảm ơn quan tâm giúp đỡ bảo tận tình Thầy giáo PGS-TSKH Trần Quốc Chiến, cảm ơn Thầy cô khoa Hệ thống thông tin-Trường Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Kiến nghị hướng phát triển đề tài Hiện nay, tiêu chuẩn mã hóa video H.264/AVC thơng dụng phổ biến ứng dụng Mặc dù H.265/HEVC công bố vào đầu năm 2013, gần có nhiều nghiên cứu để nâng cấp H.265/HEVC, thuật toán cho phần mềm phần cứng Mặt khác, luận văn phân tích video độ phân giải đến HD1080p để phù hợp với phát sóng số mặt đất HD1080p cho DVBT2 Do đó, tốn đặt cần phải tìm ý tưởng để phát triển H.265/HEVC lên tốt Vì luận văn đề xuất số hướng phát triển đề tài như: Nghiên cứu đánh giá video độ phân giải cao Ultra-HD 4K, 8K ứng dụng phát sóng truyền hình số mặt đất, truyền hình cáp, truyền hình internet; Nghiên cứu giải pháp để cải thiện hiệu suất giảm độ phức tạp, kỹ thuật dự đoán ảnh intra, inter số thuật toán rate control ... tín hiệu truyền h? ?nh Đài phát truyền h? ?nh Quảng Ngãi 4 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN H? ?NH SỐ VÀ CƠ SỞ NÉN VIDEO 1.1 Tổng quan h? ?? thống truyền h? ?nh số 1.1.1 Sơ đồ tổng qt h? ?? thống truyền h? ?nh số. .. chuẩn nén H. 265 ứng dụng thực tế chất lượng mã h? ?a vượt trội, chương ứng dụng thực cụ thể 11 CHƯƠNG ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MÃ H? ?A H. 265/HEVC XÂY DỰNG H? ?? THỐNG TRUYỀN H? ?NH SỐ Qua so sánh, đánh giá đặc... mã HEVC [7] Trong phần này, giải thích nguyên lý hoạt động trình mã h? ?a giải mã từ h? ?nh 2.3 Từ sơ đồ khối tổng quát mã h? ?a, ta tiến h? ?nh phân tích kỹ thuật mã h? ?a H. 265/HEVC so sánh với kỹ thuật