Số hóa tín hiệu và kỹ thuật nén ảnh số ứng dụng trong truyền hình số luận văn tốt nghiệp đại học

Trờng đại học vinh Khoa điện tử viễn thông đồ án tốt nghiệp đại học Đề t à i : Số HóA TíN HIệU Và Kỹ THUậT NéN ảNH Số ứNG DụNG TRONG TRUYềN HìNH Số Ngời hớng dẫn : KS. LÊ VĂN CHƯƠNG Sinh viên thực hiện: Trần Anh Tuấn Lớp : 47K - ĐTVT vinh - 05/ 2011 2 MỤC LỤC Danh sách hình vẽ .3 Danh sách bảng biểu 5 Thuật ngữ viết tắt .6 Lời mở đầu……………… 9 Chương 1: Tổng quan về truyền hình số .10 1.1. Truyền hình màu 10 1.2. Hệ thống truyền hình số .16 1.3.Đặc điểm của truyền hình số .17 1.4. ảnh số 19 1.5. Các phương pháp biến đổi tín hiệu video .20 1.7. Chuyển đổi tương tự - số và số - tương tự 21 Kết luận 23 Chương 2: Số hóa tín hiệu video .24 2.1. Lịch sử phát triển .24 2.2. Thiết bị hộp đen video số .25 2.3. Lấy mẫu tín hiệu video số .25 2.4. Lượng tử hóa 29 2.5. Mã hóa 31 2.6. Chuyển đổi D/A 37 2.7. Tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu video thành phần .37 2.8. CCIR 601 - tiêu chuẩn truyền hình số cơ bản 49 2.9. Tín hiệu audio số .52 Kết luận 55 Chương 3: Kỹ thuật nén video số .56 3.1. Khái niệm về nén tốc độ dòng bit .56 3.2. Lý thuyết thông tin - entropy 57 3.3. Các phương pháp nén video .58 3.4. Các mã dùng trong kỹ thuật nén .60 3 3.5. Nén trong ảnh .65 3.6. Kỹ thuật nén liên ảnh (Inter Franme Compression) .70 3.7. Kỹ thuật nén audio .74 Kết luận 76 Kết luận .77 Tài liệu tham khảo .78 4 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1. Trộn màu theo phương pháp cộng quang học 11 Hình 1.2. Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình màu 13 Hình 1.3. Sơ đồ khối bộ lập mã màu. 15 Hình 1.4. Sơ đồ khối bộ giải mã màu 15 Hình 1.5. Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống truyền hình số .16 Hình 1.6. Biểu diễn ảnh bằng hàm f (x,y) .19 Hình 1.7. Biến đỏi A/D tín hiệu màu tổng hợp .20 Hình 1.8. Biến đổi A/D tín hiệu màu thành phần 21 Hình 1.9. Sơ đồ khối mạch đổi tương tự - số 21 Hình 1.10. Sơ đồ khối mạch biến đổi số - tương tự .23 Hình 2.1. Sơ đồ khối hộp đen số .25 Hình 2.2. Phổ của tín hiệu lấy mẫu. .26 Hình 2.3. Hiện tượng chồng phổ (aliasing) trong trường hợp tần số lấy mẫu thấp 27 Hình 2.4. Cấu trúc lấy mẫu 28 Hình 2.5 Mã sơ cấp 36 Hình 2.6 Sơ đồ khối mạch biến đổi số - tương tự 37 Hình 2.7 Các tiêu chuẩn lấy mẫu 39 Hình 2.8. Phổ lấy mẫu 13,5 MHz của tín hiệu chói 41 Hình 2.9. Chi tiết bộ lọc thông thấp tín hiệu chói và tín hiệu màu .42 Hình 2.10. Quan hệ giữa các mức tín hiệu chói tương tự thành phần với thang chuẩn sọc màu 100% với giá trị các mau số tương ứng dùng 8 bit và 10 bit lượng tử. Các số 00 và FF (8 bit) và 000, 001, 002, 003 và 3FC, 3FD, 3FE, 3FF (10 bit) không được phép xuất hiện trong dòng dữ liệu video .46 Hình 2.11. Mối quan hệ giữa các từ mã video trong một dòng tích cực và xung xoá .47 5 Hình 3.1. Mô hình hệ thống nén video 56 Hình 3.2. Ví dụ mã Shannon – Fano .62 Hình 3.3. Cây mã Huffman .63 Hình 3.4. Nén trong ảnh (Intra Frame Compression .65 Hình 3.5. Nén trong ảnh 68 Hình 3.6. Giải mã DCT .70 Hình 3.7. Mô hình nén ảnh 70 Hình 3.8. Nén liên ảnh (ảnh dự đoán trước) 72 Hình 3.9 Nén lên ảnh (ảnh dự đoán hai chiều) 73 Hình 3.10 Hệ thống mã hoá điểm động khối số liệu audio 75 Hình 3.11 Dạng dòng số liệu của các lớp audio MPEG 75 6 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Giá trị tín hiệu thành phần tương ứng với các trường hợp hình ảnh có màu: Trắng, đen, màu cơ bản và các màu phụ trợ .43 Bảng 2.2 Mức tín hiệu video thành phần và giá trị số tương ứng khi lượng tử 8 bit và 10 bit .44 Bảng 2.3 Chỉ tiêu truyền hình số cơ bản .50 Bảng 2.4. Các tần số Lấy mẫu và số mẫu trên một khung hình trong tiêu chuẩn 54 Bảng 3.1. Mã hóa với độ dài từ mã thay đổi 63 Bảng 3.2. Mã hóa với độ dài từ mã cố định 64 7 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ATSC Advanced Television System Committee Uỷ ban hệ thống truyền hình mới (của Mỹ) C/N Carrier - to - Noiseratio Tỷ số sóng mang trên tạp âm CCIR Consultative Committee on Intemational Telegraph and Telephon Uỷ ban tư vấn điện thoại và điện báo quốc tế COFDM Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép đa tần trực giao có mã D/A Digital - to - Analogue converter Chuyển đổi số - tương tự DCT Discrete Cosine Tranform Chuyên đổi cosin rời rạc DFT Discrete Fourier Tranform Chuyển đổi Fourier rời rạc DPCM Differential Pulse Code Modulation Chuyển đổi xung mã vi sai DQPSK Differential Quadratue Phase Shift Keying Khoá dịch vi sai bốn mức DTTB Digital Terestnal Television Broadcasting Truyền dẫn truyền hình số mặt đất DTV Digital Television Truyền hình số DVB Digital Video Broadcasting Truyền dẫn truyền hình số DVB-C DVB - Cable Truyền dẫn truyền hình số qua cáp DVB-S DVB - Satellite Truyền dẫn truyền hình số qua vệ tinh DVB-T DVB - Ten estrial Truyền dẫn truyền hình số mặt đất EBU The European Broadcasting Union Uỷ ban phát thanh truyền hình Châu âu FDM Frequency Division Multiplex Ghép kênh phân chia tần số FFT Fast Fourier Transform Chuyển đổi Fourier nhanh HDTV High Definition Television Truyền hình phân giải cao HL High Level Mức cao (dùng trong MPEG - 8 2) HP Hig Priority bit stream Dòng bit ưu tiên cao (dùng trong điều chế phân cấp) I In - phase Đồng pha (dùng trong QAM) LDFT Inverse DFT DFT ngược ISI Inner Symbol Interference Nhiễu cùng Symbol ISDB Intergeted Services Digital Broadcasting - ten estrial Hệ thống truyền hình số mặt đất sử dụng mạng đa dịch vụ (của Nhật) ISO Intemational Standard Organisation Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế ITU Intemational Telecommunication Union Liên minh viễn thông quốc tế JPEG Joint Photographic Experts Group Nhóm chuyên gia nghiên cứu tiêu chuẩn ảnh MB Macro Block Khối macro (dùng trong MPEG - 2) MPEG Moving Pictures Experts Group Nhóm chuyên gia nghiên cứu về tiêu chuẩn hình ảnh động MUX Multiplex Ghép kênh OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép đa tần trực giao PAL Phase Altemating Linh Hệ truyền hình màu PAL PRBS Pseudo - Ram don Binary Sequee Chuỗi giả ngẫu nhiên nhị phân Q Quadrature phase Vuông pha (dùng trong QAM QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khoá dịch pha vuông góc RF Radio Frequency Cao tần SDTV Standard Definition Television Truyền hình phân giải chuẩn 9 VSB Vertigial Side Band Biên tần cụt SNR Signal Noise Ratio Tỉ số tín hiệu nạp 10