Tài liệu luận văn Cách Nén Video Trong Hệ Thống Hội Nghị Truyền Hình Ứng Dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VŨ NAM DƢƠNG CÁCH NÉN VIDEO TRONG HỆ THỐNG HỘI NGHỊ TRUYỀN HÌNH ỨNG DỤNG TRONG VIỆC HỌP GIAO BAN TRỰC TUYẾN, TẬP HUẤN, ĐÀO TẠO CÁN BỘ TRONG NGÀNH GIÁO DỤC TỈNH QUẢNG NINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN - 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VŨ NAM DƢƠNG CÁCH NÉN VIDEO TRONG HỆ THỐNG HỘI NGHỊ TRUYỀN HÌNH ỨNG DỤNG TRONG VIỆC HỌP GIAO BAN TRỰC TUYẾN, TẬP HUẤN, ĐÀO TẠO CÁN BỘ TRONG NGÀNH GIÁO DỤC TỈNH QUẢNG NINH Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 8480101 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Năng Toàn THÁI NGUYÊN - 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tên là: Vũ Nam Dƣơng Sinh ngày: 30/12/1986 Học viên lớp cao học CK17B - Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin Truyền thông - Đại học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trƣờng THPT Vũ Văn Hiếu, thành phố Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh Xin cam đoan: Đề tài “Cách nén video hệ thống hội nghị truyền hình (HNTH) - Ứng dụng việc họp giao ban trực tuyến, tập huấn, đào tạo cán ngành giáo dục tỉnh Quảng Ninh” PGS TS Đỗ Năng Toàn hƣớng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tác giả xin cam đoan tất nội dung luận văn nhƣ nội dung đề cƣơng yêu cầu thầy giáo hƣớng dẫn Nếu sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trƣớc hội đồng khoa học trƣớc pháp luật Thái Nguyên, ngày 16 tháng năm 2020 Tác giả luận văn Vũ Nam Dƣơng ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu làm việc nghiêm túc, đƣợc động viên, giúp đỡ hƣớng dẫn tận tình Thầy giáo hƣớng dẫn PGS TS Đỗ Năng Toàn, luận văn với Đề tài “Cách nén video hệ thống hội nghị truyền hình - Ứng dụng việc họp giao ban trực tuyến, tập huấn, đào tạo cán ngành giáo dục tỉnh Quảng Ninh” Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hƣớng PGS TS Đỗ Năng Tồn tận tình dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Phịng đào tạo Sau đại học Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin Truyền thơng giúp đỡ tơi q trình học tập nhƣ thực luận văn Sở Giáo dục Đào tạo tỉnh Quảng Ninh, trƣờng THPT Vũ Văn Hiếu nơi công tác tạo điều kiện tối đa cho tơi thực khóa học Tơi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp gia đình động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tơi suốt q trình học tập, thực hoàn thành luận văn Thái Nguyên, ngày 16 tháng năm 2020 Tác giả luận văn Vũ Nam Dƣơng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT v LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG I KHÁI QUÁT VỀ HỘI NGHỊ TRUYỀN HÌNH VÀ BÀI TOÁN NÉN VIDEO 1.1 Khái quát hội nghị truyền hình 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Các thành phần hệ thống Hội nghị truyền hình 1.2 Bài toán nén video 1.2.1 Nén video hệ thống hội nghị truyền hình 1.2.2 Một số cách tiếp cận nén video Hội nghị truyền hình CHƢƠNG II KỸ THUẬT NÉN VÀ GIẢI NÉN MPEG-4 H.264/AVC 21 2.1 Nguyên lý hoạt động 21 2.1.1 Tổng quan chuẩn nén 21 2.1.2 Sơ đồ mã hóa 36 2.1.3 Sơ đồ giải mã 37 2.2 Khối nén thời gian 38 2.2.1 Dự đốn chiều (mã hóa ảnh Prediction) 38 2.2.2 Dự đoán hai chiều( mã hóa ảnh Bidiriectional Prediction) 39 2.2.3 Sơ đồ nguyên lý nén ảnh B 40 2.2.4 Bù chuyển động slice B 40 2.2.5 Dự đoán liên ảnh (Inter-Frame) 43 2.2.6 Mã hóa ảnh SP (switching P) SI (switching I) 46 2.3 Khối nén không gian 47 2.3.1 Chia ảnh thành MacroBlock 48 2.3.2 Dự đoán ảnh (Intra-frame) 49 iv 2.3.3 INTRA LUMA x 50 2.3.4 INTRA LUMA 16 x 16 54 2.3.5 INTRA CHROMA 8x8 56 2.3.6 INTRA-PCM 56 2.3.7 Dự đoán trọng số 57 CHƢƠNG III CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 59 3.1 Phân tích yêu cầu 59 3.1.1 Nén – giải nén H.264/AVC 59 3.1.2 Lưu đồ giải thuật 63 3.2 Chƣơng trình mô nén-giải nén H.264/AVC Matlab 64 3.3 Một số kết 66 PHẦN KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 PHỤ LỤC 71 v DANH MỤC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT DCT Biến đổi Cosine rời rạc (Discrete Cosine Transform) DPCM Điều xung mã vi sai (Differential Pulse Code Modulation) DWT Biến đổi Wavelet rời rạc (Discrete Wavelet Transform) FLC Mã hóa có chiều dài cố định (Fixed-Length Code) GMC Bù chuyển động toàn phần (Global Motion Compensation) ICT Biến đổi nguyên Cosine rời rạc (Integer Discrete Cosine Transform) IDCT Biến đổi ngược Cosine rời rạc (Inverse Discrete Cosine Transform) IP Giao thức Internet ( Internet Protocol) JPEG Chuẩn nén ảnh ủy ban JPEG quốc tế (Joint Photographic Experts Group) JPEG2000 Chuẩn nén ảnh JPEG2000 LOSSLESS Kỹ thuật nén ảnh không tổn hao (không liệu) LOSSY Kỹ thuật nén ảnh có tổn hao (có liệu) MB Đa khối (Macroblock) MC Bù chuyển động (Motion Compensation) ME Ước lượng chuyển động(Motion Estimate) MSE Sai số bình phương trung bình (Mean Square Error) MPEG Nhóm chun gia nén ảnh động (Moving Pictures Experts Group) NAL Lớp trừu tượng mạng (Network Abstraction Layer) NNS Tìm khối gần (Nearest Neighbors Search) vi PCM Điều xung mã (Pulse Code Modulation) PSNR Tỷ số tín hiệu đỉnh nhiễu (Peak Signal to Noise Ratio) QP Thông số lượng tử (Quantization Parameter) RGB Ba màu c màu đỏ/Xanh/Lam (Red/Green/Blue) RLC Mã hoá dọc chiều dài (Run Length Coding) VCL Lớp mã hóa Video (Video Coding Layer) VLC Mã có chiều dài thay đổi (Variable Length Code) VO Đối tượng Video (Video Object) ISO Tổ chức quốc tế tiêu chuẩn chất l ợng (International Organization for Standardization) IEC Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (International Electro-technical Commission) LỜI MỞ ĐẦU Một đặc điểm bật thời đại ngày phát triển nhanh khoa học công nghệ Các cách mạng khoa học lĩnh vực: tin học, truyền thông, công nghệ… không làm thay đổi mặt đời sống kinh tế - xã hội mà cịn có tác động mạnh mẽ đến giáo dục đào tạo, góp phần đổi phƣơng pháp, nâng cao hiệu chất lƣợng giáo dục Dƣới ảnh hƣởng cách mạng khoa học, nhiều phƣơng tiện kỹ thuật dạy học đại xuất hiện,việc sử dụng phƣơng tiện nhƣ: Hệ thống trang thiết bị nghe nhìn, thiết bị giảng tƣơng tác, học tập qua mạng, tìm kiếm khai thác tài ngun vơ q giá bổ ích từ Internet… q trình học dạy học yếu tố địi hỏi phải có đổi mơi trƣờng giáo dục, đổi cách dạy cách học cấp học Hội nghị truyền hình nhƣ đóng góp phần làm cho khoảng cách địa lý khơng cịn trở ngại q lớn Sử dụng giải pháp hội nghị truyền hình tiết kiệm đƣợc nhiều thời gian lại, học, họp đào tạo đồng thời giải đƣợc vấn đề chi phí lại, ăn ở, sinh hoạt đại biểu tham gia buổi học, đào tạo địa điểm khác nhau, giảm rủi ro tai nạn đƣờng cho ngƣời tham gia Ngoài ra, có chiến lƣợc đắn việc triển khai giải pháp giúp cho tỉnh Quảng Ninh có mơi trƣờng chia sẻ thơng tin hiệu quả, tận dụng đƣợc tối đa chi phí đầu tƣ Với hạ tầng truyền thông ngày đƣợc củng cố phát triển, kinh phí thuê đƣờng truyền ngày giảm việc triển khai hệ thống hội nghị truyền hình tỉnh Quảng Ninh mang tính thực tiễn khả thi cao, góp phần thành cơng cơng đổi phát triển tỉnh, đất nƣớc Tuy nhiên, với việc triển khai hệ thống hội nghị truyền hình tảng sở hạ tầng có việc tín hiệu (video, hình ảnh, giảng ) đƣợc truyền thông qua nhà mạng Internet Điều làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng thơng tin đến Có nhiều giải pháp để giải vấn đề nhƣ: Tăng băng thông, nâng cấp thiết bị, áp dụng chuẩn nén để nén tín hiệu âm hình ảnh xuống mức thấp mà đảm bảo chất lƣợng… Với việc tăng băng thông hay nâng cấp thiết bị địi hỏi chi phí lớn nhƣ thiết bị tiên tiến mới, em lựa chọn phƣơng pháp áp dụng kỹ thuật nén để áp dụng cho tốn Hiện có nhiều chuẩn nén để áp dụng vào toán này, nhiên em chọn nghiên cứu chuẩn nén MPGE-4 H.264/AVC để đƣa vào ứng dụng Để sâu vào nghiên cứu chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC, cần nắm đƣợc thuật ngữ, kỹ thuật cần thiết cho việc nén tín hiệu, nhƣ ƣu nhƣợc điểm chuẩn nén trƣớc mang lại Vì đề tài lý thuyết, nên bƣớc quan trọng trình làm luận văn tìm kiếm tài liệu tổng hợp thành chuỗi kiến thức liên tục tránh lan man yếu tố thuyết phục ngƣời tham khảo quan trọng, bên cạnh trình bày chi tiết cách thức nén, em cố gắng mô phần ƣu điểm chuẩn nén nhằm góp phần sinh động cho đề tài TỔ CHỨC LUẬN VĂN Luận văn đƣợc trình bày thành chƣơng phụ lục Chƣơng I: KHÁI QUÁT VỀ HỘI NGHỊ TRUYỀN HÌNH VÀ BÀI TỐN NÉN VIDEO Chƣơng II: KỸ THUẬT NÉN VÀ GIẢI NÉN MPEG-4 H.264/AVC Chƣơng III: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM Tuy nhiên, kinh nghiệm hạn chế, đồng thời MPEG-4 H.264/AVC kỹ thuật giai đoạn nghiên cứu phát triển, nên chắn luận văn không tránh khỏi sai sót, kính mong Q Thầy Cơ bạn bè đồng nghiệp đóng góp ý kiến nhằm hồn thiện tốt luận văn 67 3.3.2 Một số kết thực tế Trƣớc áp dụng chuẩn nén H.264/AVC Sau áp dụng chuẩn nén H.264/AVC 68 Trƣớc áp dụng chuẩn nén H.264/AVC Sau áp dụng chuẩn nén H.264/AVC 69 PHẦN KẾT LUẬN Những nội dung thực đƣợc luận văn: - Tìm hiểu đƣợc khó khăn q trình triển khai phát triển hệ thống HNTH việc họp giao ban trực tuyến, tập huấn, đào tạo cán ngành giáo dục tỉnh Quảng Ninh: Chất lƣợng tín hiệu (video, hình ảnh, giảng ) truyền nhận lại điểm cầu cịn chƣa đảm bảo: Nhịe, vỡ hình, tiếng trƣớc hình sau - Nghiên cứu Hội nghị truyền hình số kỹ thuật nén - Nghiên cứu kỹ thuật nén giải nén MPGE – H.264/AVC - Mơ q trình nén giải nén H.264/AVC MATLAB Kết cho thấy QP (thông số lƣợng tử) giống ảnh đƣợc nén kỹ thuật H.264/AVC có chất lƣợng tốt dung lƣợng nhỏ Chính việc áp dụng chuẩn nén H.264/AVC vào hệ thống hội nghị truyền hình hợp lý giải đƣợc vấn đề đặt toán Những nội dung cịn chƣa thực đƣợc: - Việc mã hóa video (bức ảnh) có q nhiều cơng đoạn phức tạp, việc mã hóa tốn nhiều thời gian, yêu cầu xử lý tốc độ cao nên khơng thể tách riêng q trình để mơ - Với thiết bị tiên tiến việc can thiệp vào kỹ thuật dùng thiết bị điều khó khăn (liên quan đến quyền) Chính luận văn nghiên cứu chạy thử nghiệm đƣợc phần nhỏ chuẩn nén Hƣớng phát triển: - Nghiên cứu chuẩn nén (nhƣ H.265) để áp dụng vào hệ thống - Tách riêng trình biến đổi (Cosi rời rạc, biến đổi ngƣợc, biến đổi lƣợng tử, bù trừ chuyển động… ) để mô 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tài Liệu Xử Lý Ảnh PGS TS Đỗ Năng Tồn Và TS Phạm Việt Bình trƣờng Đại Học Thái Nguyên biên soạn; [2] TS Nguyễn Thanh Bình, Ths Võ Nguyễn Quốc Bảo, “Xử lý âm thanh, hình ảnh”, Học viện cơng nghệ Bưu viễn thông, Hà Nội; [3] KS Trƣơng Thị Thủy, “Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến H.264-MPEG-4 AVC”, Tạp chí khoa học kỹ thuật truyền hình 1/2004; [4] 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; [5]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; [6] Gs.TS Nguyễn Kim Sách, “Truyền hình số có nén Multimedia”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội; [7] TS Trần Dũng Trình, “Truyền hình Internet IPTV”, Tạp chí khoa học kỹ thuật truyền hình 3/2005; [8] Iain E G Richardson, “H.264 And MPEG-4 Video Compression”, The Robert Gordon University, Aberdeen, UK; [9] John Arnold, Michael Frater, Mark Pickering, “Digital Television Technology and Standards”, The University of New South Wales, ADFA Canberra, ACT, Australia; [10] JVT “Draft ITU-T recommendation and final draft international standard of joint video specification (ITU-T rec H.264– ISO/IEC 14496-10 AVC),” ; [11] T Wiegand, G.J Sullivan, G Bjontegaard, A Luthra, ”Overview of the H.264/AVC Video Coding Standard,”; [12] Siwei Ma, Xiaopeng Fan, Wen Gao, “Low Complexity Integer Transform and High Definition Coding”; [13] Các trang web : http://forum.doom9.org, http://en.wikipedia.org http://www.stanford.edu/ http://google.com, University of https://www.mathworks.com/ Illinois at Chicago (UIC), http://media.xiph.org/video/derf/ 71 PHỤ LỤC function main() clear all; clc; fprintf('\nLUAN VAN TOT NGHIEP\n') fprintf('\n NGHIEN CUU MOT SO KI THUAT NEN VIDEO – UNG DUNG TRONG VIEC HOP GIAO BAN TRUC TUYEN, TẠP HUAN, DAO TAO CAN BO TRONG NGANH GIAO DUC TINH QUANG NINH \n') fprintf('\nGVHD : PGS.TS DO NANG TOAN\n') fprintf('\nHVTH : VU NAM DUONG\n') fprintf('\nMSSV : CK17B.01\n') chonf = input('\nNHAP SO LUONG FRAMES SE MA HOA = '); chonq = input('\nNHAP GIA TRI BUOC LUONG TU TRONG KHOANG 0