Giao trinh th

LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp truyền hình đã có những thành tựu to lớn với những tiến bộ vượt bậc: đó là quá trình chuyển đổi từ công nghệ analog sang công nghệ digital từ các khâu trong công đoạn sản xuất chương trình, truyền dẫn tín hiệu (bằng các hệ thống vi ba, vệ tinh), cho đến công đoạn phát sóng quảng bá. Cùng với xu thế phát triển của ngành công nghiệp truyền hình trên thế giới, trong những năm 1997 đến năm 1998, Đài truyền hình Việt Nam đã đi sâu nghiên cứu và ứng dụng các công đoạn sản xuất chương trình, phát sóng công nghệ số qua vệ tinh (chương trình VTV3). Cùng trong thời gian đó hệ thống truyền hình số mặt đất đang trong giai đoạn nghiên cứu, thử nghiệm để chọn ra tiêu chuẩn phù hợp với hệ thống truyền hình của Việt Nam. Đến năm 2001, Đài truyền hình Việt Nam đã chính thức chọn tiêu chuẩn phát sóng số mặt đất theo tiêu chuẩn Châu Âu (DVB-T), và cũng từ thời điểm này Đài truyền hình Việt Nam sẽ có một quá trình chuyển đổi từ máy phát hình tuơng tự sang máy phát hình số, hoặc là thay thế dần bằng máy phát hình số. Với sự phát triển như vũ bão của truyền hình kỹ thuật số như vậy, nhưng vẫn còn nhiều vấn đề đặt ra trong quá trình số hoá. Với tham vọng là cung cấp những kiến thức cơ bản nhất về công nghệ truyền hình (cả tương tự và số) cho sinh viên ngành ĐTVT ( và cả nhưng người yêu thích công nghệ truyền hình). Giáo trình sẽ là nền tảng kiến thức để sinh viên tiếp cận và giải quyết những vấn đề đặt ra trong “công cuộc số hoá” truyền hình. PHẦN I Cơ sở kỹ thuật truyền hình Chương I Máy thu hình đen trắng 1-1. ánh sáng và màu sắc 1.1.1 - Ánh sáng và sóng điện từ Ánh sáng và sóng điện từ có nhiều tính chất giống nhau nên nó được mang tên chung là bức xạ điện từ. Các bức xạ điện từ có dải tần rộng, từ vài chục hez(Hz) đến vài GHz dải tần đó được gọi là phổ điện từ. Ánh sáng thấy được chỉ chiếm một phần rất nhỏ từ 3,8.1014Hz đến 7,8.1014 Hz tương ứng với bước sóng từ 780nm đến 380 nm. tốc độ ánh sáng 300.000 km/s f: tần số sóng điện từ (hz) Ta có phổ của sóng điện từ và ánh sáng thấy được. F(hz) 105 1014 1016 (m) 3000m 3m 30nm 0,3nm Sóng radio Hồng ngoại Cực tím Tia X Tia 760 nm Đỏ Cam Vàng Lục Lam Chàm Tím 380nm Ứng với mỗi một màu sắc sẽ có một bước sóng khác nhau như vậy sẽ có một tần số khác nhau. Ánh sáng trắng là một dạng của sóng điện từ, được tổng hợp từ các màu sắc khác nhau mỗi màu có một bước sóng riêng biệt gọi là ánh sáng đơn sắc. Truyền hình đen trắng chỉ là truyền hình đơn sắc, không phải là truyền hình màu vì đen trắng chỉ có thông tin về độ sáng tối của hình ảnh, những thông tin này thay đổi từ tối (đen) đến sáng (trắng). Đặc tính của mắt người Mắt người không phải nhạy cảm với tất cả các màu là như nhau, mà ứng với mỗi màu sắc nó sẽ có một độ nhạy khác nhau, hình (1. 2) dưới đây sẽ minh hoạ điều đó. Qua hình vẽ ta thấy: mắt người nhạy cảm nhất đối với màu xanh lá cây là màu có bước sóng 550 Nm. Và độ nhạy cảm giảm dần ở màu có bước sóng 400Nm và bước sóng 700Nm Độ nhạy tương phản - Contrast Trong đó Lmax là cường độ chói lớn nhất của chi tiết ảnh Lmin là cường độ chói nhỏ nhất của chi tiết ảnh Độ nhạy sáng: Độ chênh lệch tối thiểu về độ chói giữa 2 chi tiết ảnh mà mắt có thể phân tích được. L = L0-Ln trong đó L0 là độ chói của chi tiết ảnh Ln độ chói của nền Độ nhạy tương phản: Khả năng phân giải của mắt: Là khả năng mắt có thể phân biệt được 2 chi tiết A và B khi rút gần khoảng cách giữa chúng mà khi rút ngắn nữa thì mắt không phân biệt được hai chi tiết Avà B này nữa. Góc nhìn nhỏ nhất: Là góc nhỏ nhất mà mắt người có thể phân biệt được hai chi tiết A và B. Thực tế góc nhìn nhỏ nhất là từ 1 phút đến 1,3 phút. Quán tính của mắt Khi ta nhìn một vật nếu vật đó đột ngột mất đi thì hình ảnh đó trong mắt chưa mất đi ngay mà còn lưu lại trên võng mạc khoảng 1s, hiện tượng đó gọi là hiện tượng lưu ảnh trên võng mạc. Nhờ vậy mà có thể truyền hình ảnh đến mắt một cách không liên tục nhưng mắt vẫn cho là liên tục. 1.1.2 - Màu sắc a. Khái niệm về màu sắc: Màu sắc là những sóng điện từ mà mắt thường có thể phân biệt được. b. Các thông số đặc trưng cho màu sắc: ã Độ chói ã Sắc thái- cảm giác chủ quan của mắt và được đặc trưng bởi bước sóng. ã Độ bão hoà màu: Mức độ ánh sáng trắng lẫn vào ánh sáng đơn sắc. 1.1.3 - Lý thuyết màu a. Cấu trúc của hệ thống thị giác. Võng mạc chứa các phần tử thụ cảm nối liền với bán cầu não bằng dây thần kinh thị giác. Tâm võng mạc có chứa các tế bào hình que (khoảng 150.000.000 tế bào) và các tế bào hình nón và chỉ có tế bào hình nón là cảm nhận được màu sắc và có khoảng 6,5 triệu tế bào hình nón tập trung ở hoàng điểm và các vùng lân cận. b. Khả năng thích ứng của mắt với màu sắc Mắt chỉ phân biệt được màu sắc tốt nhất khi ảnh ở ngay trước mắt. Mắt không thể cảm nhận đồng thời nhiều chi tiết và màu sắc tinh vi. c. Lý thuyết 3 màu. Nếu ta cộng đủ các màu: đỏ , cam, vàng, lục, lam, tràm, tím với cùng một năng lượng như nhau thì ta sẽ được ánh sáng trắng. Nhưng theo thuyết 3 màu về thị giác thì tất cả các màu đều tạo thành từ 3 màu cơ bản là red (R), green (G), blue (B) và được gọi là 3 màu cơ bản. d. Phương pháp trộn màu Hình 1. 4 biểu diễn sự pha trộn màu. Để hình thành màu trắng ta có thể pha trộn ba màu là R,B,G. Khi trộn màu đỏ với màu xanh dương ta được màu vàng. Khi trộn màu đỏ với màu xanh dương ta được màu đỏ thẫm, còn gọi là màu Violet. Khi trộn hai màu xanh dương và màu xanh lục ta được màu xanh lá mạ còn gọi là màu xanh da trời (Cyance). 1-2. Nguyên lý truyền hình ảnh trong truyền hình màu. 1.2.1 - Nguyên lý truyền hình ảnh Để truyền được một bức ảnh từ máy phát đến máy thu người ta phải thực hiện theo nguyên tắc sau: - Chia bức ảnh thành nhiều phần tử ảnh (điểm ảnh: point picture và có khoảng 500 nghìn phần tử , hay là 500 nghìn điểm ảnh) có biên độ chói trung bình của từng phần tử ảnh thành các tín hiệu điện tương ứng. - Truyền lần lượt thông tin về độ chói trung bình của từng phần tử ảnh từ máy phát đến máy thu. - Ở máy phát phải có quá trình phân tích ảnh. Người ta dùng tia điện tử quét trên hình ảnh theo quy luật nhất định và khi quét đến đâu sẽ chuyển đổi độ chói trung bình của từng phần tử ảnh thành tín hiệu điện tương ứng với điểm ảnh (phần tử ảnh) đó. - Ở máy thu: Thông tin về hình ảnh ở máy phát chuyển đến sẽ được đưa đến để khống chế chùm tia điện tử trong đèn hình. Khi chùm tia điện tử quét trên màn hình sẽ làm cho từng điểm ảnh trên màn hình phát sáng. Độ chói của từng điểm ảnh sẽ tỷ lệ với cường độ của chùm tia điện tử. Để đảm bảo khôi phục được hình ảnh ở máy thu giống như phía

Lời mở đầu Trong năm gần đây, ngành công nghiệp truyền hình đà có thành tựu to lớn với tiến vợt bậc: trình chuyển đổi từ công nghệ analog sang công nghệ digital từ khâu công đoạn sản xuất chơng trình, trun dÉn tÝn hiƯu (b»ng c¸c hƯ thèng vi ba, vệ tinh), công đoạn phát sóng quảng bá Cùng với xu phát triển ngành công nghiệp truyền hình giới, năm 1997 đến năm 1998, Đài truyền hình Việt Nam đà sâu nghiên cứu ứng dụng công đoạn sản xuất chơng trình, phát sóng công nghệ số qua vệ tinh (chơng trình VTV3) Cùng thời gian hệ thống truyền hình số mặt đất giai đoạn nghiên cứu, thử nghiệm để chọn tiêu chuẩn phù hợp với hệ thống truyền hình Việt Nam Đến năm 2001, Đài truyền hình Việt Nam đà thức chọn tiêu chuẩn phát sóng số mặt đất theo tiêu chuẩn Châu Âu (DVB-T), từ thời điểm Đài truyền hình Việt Nam có trình chuyển đổi từ máy phát hình tuơng tự sang máy phát hình số, thay dần máy phát hình số Với phát triển nh vũ bÃo truyền hình kỹ thuật số nh vậy, nhng nhiều vấn đề đặt trình số hoá Với tham vọng cung cấp kiến thức công nghệ truyền hình (cả tơng tự số) cho sinh viên ngành ĐTVT ( nhng ngời yêu thích công nghệ truyền hình) Giáo trình tảng kiến thức để sinh viên tiếp cận giải vấn đề đặt công số hoá truyền hình Phần I Cơ sở kỹ thuật truyền hình Chơng I Máy thu hình đen trắng 1-1 ánh sáng màu sắc 1.1.1 - ánh sáng sóng điện từ ánh sáng sóng ®iƯn tõ cã nhiỊu tÝnh chÊt gièng nªn nã đợc mang tên chung xạ điện từ Các xạ điện từ có dải tần rộng, từ vài chục hez(Hz) đến vài GHz dải tần đợc gọi phổ điện từ ánh sáng thấy đợc chiếm phần nhỏ từ 3,8.1014Hz đến 7,8.1014 Hz tơng ứng với bớc sóng từ 780nm đến 380 nm C(m/s) (m) tốc độ ánh sáng 300.000 km/s f(Hz) f: tần số sóng điện từ (hz) Ta có phổ sóng điện từ ánh sáng thấy đợc F(hz) (m) Sãng radio 105 3000m Hång ngo¹i 1014 3m 1016 30nm Cùc tÝm Tia X 0,3nm Tia  760 nm Đỏ Cam Vàng Lục Lam Chàm Tím 380n m Hình 1 ứng với màu sắc cã mét bíc sãng kh¸c nh vËy sÏ cã tần số khác ánh sáng trắng dạng sóng điện từ, đợc tổng hợp từ màu sắc khác màu có bớc sóng riêng biệt gọi ánh sáng đơn sắc Truyền hình đen trắng truyền hình đơn sắc, truyền hình màu đen trắng có thông tin độ sáng tối hình ảnh, thông tin thay đổi từ tối (đen) đến sáng (trắng) Đặc tính mắt ngời Mắt ngời nhạy cảm với tất màu nh nhau, mà ứng với màu sắc có độ nhạy khác nhau, hình (1 2) dới minh hoạ điều Qua hình vẽ ta thấy: mắt ngời nhạy cảm màu xanh màu có bớc sóng 550 Nm Và độ nhạy cảm giảm dần màu có bớc sóng 400Nm bớc sãng 700Nm §é nhËy 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Violet Red 40 450 500 550 600 650 700 H×nh  Độ nhạy tơng phản - Contrast L K max L Trong Lmax cờng độ chói lớn chi tiết ảnh Lmin cờng độ chói nhỏ chi tiết ảnh Độ nhạy sáng: Độ chênh lệch tối thiểu độ chói chi tiết ảnh mà mắt phân tích đợc L = L0-Ln L0 độ chói chi tiết ảnh Ln độ chói Độ nhạy tơng phản: L Ln Khả phân giải mắt: Là khả mắt phân biệt đợc chi tiết A B rút gần khoảng cách chúng mà rút ngắn mắt không phân biệt đợc hai chi tiết Avà B Góc nhìn nhỏ nhất: Là góc nhỏ mà mắt ngời phân biệt đợc hai chi tiết A B Thực tế góc nhìn nhỏ từ phút đến 1,3 phút Quán tính mắt Khi ta nhìn vật vật đột ngột hình ảnh mắt cha mà lu lại võng mạc khoảng 1s, tợng gọi tợng lu ảnh võng mạc Nhờ mà truyền hình ảnh đến mắt cách không liên tục nhng mắt cho liên tục 1.1.2 - Màu sắc a Khái niệm màu sắc: Màu sắc sóng điện từ mà mắt thờng phân biệt đợc b Các thông số đặc trng cho màu sắc: Độ chói Sắc thái- cảm giác chủ quan mắt đợc đặc trng bớc sóng Độ bÃo hoà màu: Mức độ ánh sáng trắng lẫn vào ánh sáng đơn sắc 1.1.3 - Lý thuyết màu a Cấu trúc hệ thống thị giác Thu ỷ tinh dịc h Giác mạc Mống mắt Thấu kính Võnh mạc Hoàng điểm Thần kinh thị giác Hình Võng mạc chứa phần tử thụ cảm nối liền với bán cầu nÃo dây thần kinh thị giác Tâm võng mạc có chứa tế bào hình que (khoảng 150.000.000 tế bào) tế bào hình nón có tế bào hình nón cảm nhận đợc màu sắc có khoảng 6,5 triệu tế bào hình nón tập trung hoàng điểm vùng lân cận b Khả thích ứng mắt với màu sắc Mắt phân biệt đợc màu sắc tốt ảnh trớc mắt Mắt cảm nhận đồng thời nhiều chi tiết màu sắc tinh vi c Lý thuyÕt mµu NÕu ta céng đủ màu: đỏ , cam, vàng, lục, lam, tràm, tím với lợng nh ta đợc ánh sáng trắng Nhng theo thuyết màu thị giác tất màu tạo thành từ màu red (R), green (G), blue (B) đợc gọi màu d Phơng pháp trộn màu Lam (Cyance) Xanh dơng (Blue) B Trắng (White) T đỏ thẫm (Violet)Red R G Xanh (Green ) Vàng (Yellow) Hình Hình biểu diễn pha trộn màu Để hình thành màu trắng ta pha trộn ba màu R,B,G Khi trộn màu đỏ với màu xanh dơng ta đợc màu vàng Khi trộn màu đỏ với màu xanh dơng ta đợc màu đỏ thẫm, gọi màu Violet Khi trộn hai màu xanh dơng màu xanh lục ta đợc màu xanh mạ gọi màu xanh da trời (Cyance) 1-2 Nguyên lý truyền hình ảnh truyền hình màu 1.2.1 - Nguyên lý truyền hình ảnh Để truyền đợc ảnh từ máy phát đến máy thu ngời ta phải thực theo nguyên tắc sau: - Chia ảnh thành nhiều phần tử ảnh (điểm ảnh: point picture có khoảng 500 nghìn phần tử , 500 nghìn điểm ảnh) có biên độ chói trung bình phần tử ảnh thành tín hiệu điện tơng ứng - Truyền lần lợt thông tin độ chói trung bình phần tử ảnh từ máy phát đến máy thu - máy phát phải có trình phân tích ảnh Ngời ta dùng tia điện tử quét hình ảnh theo quy luật định quét đến đâu chuyển đổi độ chói trung bình phần tử ảnh thành tín hiệu điện tơng ứng với điểm ảnh (phần tử ảnh) - máy thu: Thông tin hình ảnh máy phát chuyển đến đợc đa đến để khống chế chùm tia điện tử đèn hình Khi chùm tia điện tử quét hình làm cho điểm ảnh hình phát sáng Độ chói điểm ảnh tỷ lệ với cờng độ chùm tia điện tử Để đảm bảo khôi phục đợc hình ảnh máy thu giống nh phía đầu vào máy phát phải có điều kiện: * Tốc độ quét ảnh phải cao, cho đảm bảo đợc 24 hình/s * Quy luật quét máy phát máy thu phải giống Nh thông tin độ chói hình ảnh máy phát phải phát tin tức gốc thời gian đợc gọi tín hiệu đồng Synchronous Signal để ®ång bé viƯc qt cđa chïm tia ®iƯn tư ë máy thu giống nh phía máy phát 1.2.2 - Nguyên lý quét liên tục Quét thuận(có data) Quét ngợc(không data) Quy luật đọc sách Quy luật quét liên tục Hình Quy luật quét liên tục tia điện tử truyền hình giống nh quy luật đọc trang sách có điều khác trình quét từ trái sang phải tia điện tử ®ång thêi qt tõ trªn xng díi, ®Õn mÐp phải hình tia điện tử đồng thời quét từ xuống dới, đến mép phải hình tia điện tử quay bên trái, tiếp tục quét dòng Quá trình quét từ trái qua phải trình quét thuận trình mang thông tin hình ảnh Quá trình quét từ phải qua trái trình quét ngợc, trình không mang thông tin hình ảnh nên ngời ta phải làm cho tia điện tử không xuất ảnh ta không nhìn thấy đợc tia quét ngợc Khi tia điện tử đà quét hết ảnh tia điện tử mép phía dới, bên phải hình quay vị trí mép bên trái hình bắt đầu quét tiếp dòng thứ ảnh thứ Tuy nhiên phơng pháp quét liên tục không đợc dùng truyền hình quét ảnh thứ cờng độ sáng ảnh thứ đà giảm nên mắt cảm thấy độ nhấp nháy hình gây cảm giác khó chịu cho ngời xem 1.2.3 - Phơng pháp quét xen dòng Mỗi ảnh đợc quét làm lần Mỗi lần quét quét bán ảnh (2 bán ảnh hình ảnh Two half opicture are make picture) Lần 1: Quét dòng chẵn: (2,4,6 hình ) đợc gọi bán ảnh chẵn hay mành chẵn Tia điện tử bắt đầu quét từ mép bên trái kết thúc điểm mép dới hình Sau tia điện tử quay điểm mép để quét dòng lẻ n Hình Hình Lần 2: Quét dòng lẻ, hay gọi bán ảnh lẻ (Hình 1.7) Khi quét mành lẻ tia điện tử bắt đầu xuất phát từ điểm mép hình kết thúc mép dới phía phải hình sau ®ã tia ®iƯn tư lËp tøc quay vỊ phÝa trªn bên phải hình để tiếp tục quét mành chẵn ảnh Mành chẵn Mành lẻ Hình Kết hợp hai mành quét ta đợc ảnh nh hình (1 8) Trong truyền hình ngời ta đà sử dụng 25 h/s để tạo ảnh chuyển động, để quét hết 25 h/s tần số mành : fmành = 25x2 bán ảnh = 50Hz Chú ý: nớc Mỹ Nhật fMành = 60Hz 1.2.4 - Xác định số dòng quét, số phần tử ảnh Xác định số dòng quét Trong thực tế ảnh có kích thớc hình có tỉ lệ /4 4/6 thực nghiệm ngời ta đà chứng minh đợc ngời ngồi xem TV cách TV khoảng L tõ (4-:6) h lµ tèt nhÊt (víi h lµ chiỊu cao hình) h - góc trông lớn nhÊt  - gãc tr«ng bÐ nhÊt  L  Hình 9 góc trông lớn góc trông bé Ta tính nh sau:  h H tg     = (10-:-14)0 2L 2.(4 6)h Ta l¹i cã : gãc trông nhỏ mắt =1 từ tính đợc số dòng quét N: 10 14 N 600 840 dòng Có 60 Với hệ thống truyền hình khác có lựa chọn tiêu chuẩn truyền hình khác Việt Nam theo tiêu chuẩn OIRT lấy N = 625 dòng Tiêu chuÈn NhËt - Mü (FCC ) lÊy N = 525 dòng Tiêu chuẩn HDTV(Hight Definition Television) truyền hình có độ nét cao ngời ta chọn N =1070 dòng (cho FCC) or N = 2700 dòng (cho OIRT) Tần số quÐt dßng OIRT: fH = 25x625 = 15625 dßng FCC: fH = 525x30 = 15750 dòng Tần số quét mành OIRT: fv = 50Hz FCC: Fv = 60Hz TÇn sè Video cực đại: Ta biết số phần tử ảnh theo chiều dọc 625 số phần tử ảnh theo chiều ngang (625x4)/3 tổng số điểm ảnh là(giao điểm dòng quét dọc ngang): (625x625x4)/3=520.833 điểm ảnh Tần số Video cực đại: 52083325 f 6,5(Mhz) videomax Theo tiªu chuÈn OIRT  chän fvideo max = (Mhz) FCC  chän fvideo max = 4,2(Mhz) 1-3 TÝn hiệu thị tần 1.3.1 - Sự hình thành tín hiệu thị tần 10 Các phần tử đợc xếp thành cột theo trật tự giảm dần tần số xuất nh hình 6.12 Mỗi phần tử đợc gán nút Tần số xuất ký tự ta gọi trọng lợng nút tơng øng Hai nót l¸ ë ci danh s¸ch ta gäi c(1) d(1) hợp thành nút nhánh nhánh nhánh Nút nhánh sÏ cã träng lỵng b»ng tỉng träng lỵng cđa hai nút thành phần (2) Một cột đợc tạo gåm nút nhánh nút lại cột thứ đợc xếp theo trật tự giảm dần trọng lợng Thủ tục Nút gốc (8) đợc lặp lại nút nút gốc (2) b (2) Để đabra từ mà phần tư, chóng ta xt ph¸t tõ (4) nót l¸ tơng ứng với phần tử ngợc lên theo nhánh c (1) để đến đợc nút gốc Khi(2) qua nhánh cần tích luỹ lại a (4) a (4) a (4) giá trị nhánh (0 1) Đảo ngợc trật tự bit tích luỹ đợc từ mà cần tìm Chẳng hạn với phần tử d (1) a, từ nút đến nút gốc qua nhánh 1, từ 6.12 dựnggốc mà ĐốiHình với phần tửThủ c, từtục nútxây đến phải mà Huffman qua ba nhánh: nhánh 1, nhánh nhánh 0, từ mà 001 b) Giải mà theo mà Huffman Bởi từ mà có độ dài khác nhau, bên thu phải giải mà luồng bit nhận đợc bit Các từ mà Huffman có tính chất gọi tính "prefix", nghĩa từ mà ngắn trung với phần đầu từ mà dài Chẳng hạn, ví dụ trên, a có từ mà từ mà b, c, d từ mà bắt đầu 187 Nhờ vào tính chất prefix, việc giải mà bên thu trở nên đơn giản, xuất phát từ nút gốc lần lợt theo nhánh tơng ứng với bit nhận đợc đến đợc nút (nghĩa đà nhận đợc đủ từ mà hợp lệ) Giả sử, với Thời mà mà luồng bit nhận đợc là: 1000001011001 đợc giải mà nh hình 6.13 0 a gian d c 1 b a c Hình 6.13 Ví dụ giải mà theo mà Huffman 6.6 - nén ảnh 1- Nguyên lý nén ảnh Nén ảnh loại nén nhằm giảm bớt thông tin d thừa miền không gian Nén ảnh sử dụng hai trình có tổn hao không tổn hao để giảm bớt liệu ảnh Quá trình không sử dụng thông tin ảnh trớc sau ảnh xét Thuật ngữ "ảnh" cần hiệu cách xác, lữ kỹ thuật nén ảnh cho phép sử dụng hoạc mành (field) ảnh (frame) nh ảnh gốc Nếu kỹ thuật nén dùng mành nén ảnh tạo hai ảnh ảnh Vì vậy, bàn nén thuật ngữ "ảnh" không luôn đồng nghĩa với thuật ngữ ảnh lĩnh vực truyền 188 hình Hình 6.14 sơ đồ nguyên lý trình nén ảnh Điều khiển tốc độ bit Bảng lợng tử Nguồn ảnh Tiền xử lý DCT thuật Lợng tử hoả Mà hoá entro py Mạch trộn Khuy ếch đại đệm Hình 6.14 Nén ảnh (intra Frame Compression) Trong sơ đồ nguyên lý ta thấy sử dụng phơng pháp biến Tín hiệu ảnh nén đổi DCT Phơng pháp chuyển đổi tối u cho mà chuyển vị phơng pháp mà đạt đợc bình phơng lỗi trình xây dựng lại ảnh với số bit đà cho nhỏ Ngời ta đà nghiên cứu thấy phơng pháp chuyển đổi tối u chuyển đổi KL (Karhunen - Loeve), chuyển đổi thông qua ma trận chuyển đổi làm giảm trật tự tơng quan trình xử lý ngẫu nhiên liên tiếp dới dạng đờng chéo Nhng sử dụng phơng pháp chuyển đổi KL gặp vấn đề chuyển đổi KL thuật toán biến đổi nhanh tổng quát, hay nói cách khác không thông dụng cho tất ứng dụng việc nén ảnh số Do phơng pháp chuyển đổi tối u không thông dung, ngời ta đà nghiên cứu đa phơng pháp chuyển đổi gần tối u để thay Những phơng pháp chuyển đổi nh đà đợc sử dụng cho việc nén ảnh số, nhng phơng pháp thông dụng biến đổi DCT (Discrete Cosine Transfrom) Biến đổi DCT đà đợc đa vào năm 1974 từ 189 tới đà có nhiều thuật toán biến đổi nhanh cho việc tính toán DCT ta xem xét dới 2- TiỊn xư lý Tríc thùc hiƯn biÕn ®ỉi DCT, ảnh đợc chia thành khối lớn riêng biệt không chồng (MB - Macro Block) Mỗi MB bao gåm block c¸c mÉu tÝn hiƯu chãi (U Y) 2; block mẫu tín hiệu hiệu số màu (C R, CB), hình 6.15 Số block tín hiệu hiệu màu phụ thuộc vào tiêu chuẩn tín hiệu video Tất block có kích thớc block ma trận điểm ảnh x8 đợc lấy từ ảnh hình theo chiều từ trái sang phải, từ xuống dới Kích thớc block x đợc chọn bëi hai lý sau: a) 4: : (4: : 1) 5 b) 4: : 2 104: : c) 11 H×nh 6.15 Cấu tạo Macro Block a) Thứ nhất, việc nghiên cứu đà hàm hiệp phơng sai (Covariance) suy giảm nhanh khoảng cách từ pixel mà hàm hiệp phơng sai đợc định nghĩa vợt Chính mà phơng pháp nén sử dụng loại bỏ thông tin d thừa không gian không cần quan tâm tới khối pixel cã kÝch thíc lín h¬n x 190 b) Thứ hai, tiện lợi cho việc tính toán thiết kế mạch cứng Nói chung, mức nén lẫn độ phức tạp tính toán tăng kích thớc block tăng Ví dụ việc chia thành block hình ảnh hệ PAL Phần tích cực tín hiệu video với độ phân giải 576 x 720 đợc chia làm 72 x 90 block Vµ nh vËy sÏ cã 36 x 45 MB tiêu chuẩn lấy mẫu 4: 2: 4: : Hình 6.16 Cấu trúc block tín hiệu chói (quét liên tục) Hình 6.17 Cấu tróc c¸c block tÝn hiƯu chãi (qt xen kÏ) CÊu trúc MB phụ thuộc vào loại quét ảnh Nếu quét liên tục block bao gồm mẫu từ dòng liên tục (lúc nén theo ảnh - frame), hình 6.16 Ngợc lại, trờng hợp quét xen kẽ, block có mẫu nửa ảnh (nén theo - fied), hình 6.17 191 Tóm lại việc chia hình ảnh thành ảnh (block MB) thực có ý nghĩa cho bớc chuyển vị 3- Lợng tử hoá khối DCT Quá trình lợng tử hoá khối DCT ®ãng vai trß quan träng thiÕt kÕ hƯ thèng nén video ảnh hởng trực tiếp đến việc cho lại chất lợng ảnh khôi phục tốt hay xấu Các mà biến đổi cho chất lợng hình ảnh mắt ngời cảm nhận tốt, phụ thuộc vào thành phần tần số biến đổi chi tiết ảnh vùng miền không gian Phơng pháp lợng tử hoá thích nghi sử dụng trọng số lợng tử thu đợc, đợc xác định ba yếu tố bao gồm: Các trọng số tần số, tham số chuyển động nhận biết tham số trạng thái đệm (hình 6.18) 192 Khối x 92điểm 95 chói 80 75 98 82 68 97 81 91 67 95 79 89 65 93 63 50 94 49 92 47 87 90 45 91 75 85 31 88 43 89 73 83 59 86 41 87 71 81 57 85 69 79 55 Y CR CB 84 39 82 37 79 74 14 18 35 77 72 -1 70 77 68 -1 66 0 67 64 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 B¶ng 0 träng sè 0 0 0 Phân lớp năng0 lợng khối Định dạng khối cấu trúc khối Lợng DCT Quét zic zắc tử ho¸  M· DPCM hƯ sè DC 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1011 1010 2 01 11 11111000 01 -1 EOB 01 01 0 0 11111001 0 0 0 RLC Xác định khối 0 0 0 0 0 0 0 1110 11001 10 0 0 25 0 0 0 0 -1 62 0 69 0 71 0 73 0 75 Khối DCT đợc lợng 40 10 tử -2 -1 Các hệ số biến 591 106đổi -18 DCT 28 - 34 Điều khiển đệm 0 Bảng Huffman 101 0 VLC Lựa chọn tốc độ dòng bit Bộ đệm Dòng tín hiệu nén Hệ số cần Hình 6.18 Quá trình nén ảnh phơng pháp DCT Chức lợng tử hoá thực chia hệ số DCT cho số lớn để tạo số có giá trị gần cho đợc làm tròn bỏ qua trình mà hoá Các hệ số có lợng thấp, đặc trng cho biến đổi điểm ảnh có 193 thể loại bỏ mà không gây ảnh hởng đến cảm thụ chất lợng ảnh tái tạo lại mặt ngời Lợng tử hoá trình làm thông tin tạo hiệu ứng giả Nhằm đạt đợc hệ thống nén không ảnh hởng nhiều đến chất lợng ảnh, nhiều yếu tố cần đợc tính đến thiết kế, phụ thuộc vào ứng dụng, tính hiệu quả, độ phức tạp giá thành v.v Yếu tố tính đến đặc tính cảm thụ mắt ngời đợc tổng quát bảng (chẳng hạn nh bảng khối DCT cho tÝn hiƯu Y vµ C R, CB dïng chn nén JPEG) Thành phần C thành phần tần số thấp thông số có ý nghĩa khối điểm ảnh ban đầu Hệ số DC đợc lợng tử với độ xác 12 bit nhằm tránh nhiễu xuất khối điểm ảnh Trong hệ số tơng ứng với thành phần tần số cao đợc lợng tử với độ xác bit - khả cảm nhận mắt ngời giảm tần số cao Theo đó, hệ số chia bảng lợng tử có giá trị nhỏ hệ số DC thành phần tần số thấp; giá trị cao cho hệ số tơng ứng thành phần tần số cao Trong hình 6.18 hệ số bảng lởng tử hoá thuận đợc xác ®Þnh theo biĨu thøc: 194  F ( u,v ) = giá trí nguyên gần Fq (u,v) =   Q( u , v )      F ( u , v )  Q( u , v ) /   Q( u , v )      (6.9) Trong hình 6.19 giá trị khối xác định cho phép giá trị tín hiệu chói tín hiệu màu đợc lợng tử khác Nhiễu lợng tử tín hiệu màu khó nhìn thấy tín hiệu chói, thực lợng tử hoá thô tín hiệu màu j i 17 18 24 47 99 16 11 16 24 k k 99 99 99 40 51 18 21 26 66 99 12 12 14 19 26 58 99 99 99 60 55 7 24 26 66 99 99 14 13 16 24 40 99 99 99 57 69 56 Bảng lợng tử đợc đa vào lợng tử giá 47với 66 99 trị 99 trọng 99 14 17 22 29 51 99 99 87 thuéc 80 62 sè phụ vào vị trí hệ số khối99 DCT 18 22 37 56 68 99 99 99 99 99 109 103 77 99 99 99 B¶ng träng sè (theo chuÈn B¶ng träng sè (theo chuÈn 99 99 mÉu 99 tÝn 99 hiÖu 99 chãi ) 24 35 55 64 81 JPEG cho mÉu tÝn hiƯu mµu) JPEG cho 99 99 99 104 113 92 Hình 6.19 Các bảng lợng tử 99 cho 99 tÝn 99 hiÖu 99 chãi 99 49 64 78 87 103 vµ tÝn hiƯu mµu theo chn JPEG 99 99 99 121 120 101 99 99 99 99 99 72 92 95 98 112 195 99 99 99 100 103 99 10 61 Các ảnh chi tiết hệ số thành phần tần số cao lớn, dẫn đến tràn đệm hệ số bảng lợng tử tơng ứng thấp Một thông tin hồi tiếp trạng thái đệm cho phép điều khiển hệ số cần qua tối u trạng thái đệm Hệ số cân đa vào thành phần AC mà Hệ số cân số cấu trúc khối chứa đựng hai khối màu số thay đổi khối phụ thuộc vào cấu trúc lấy mẫu ảnh ban đầu Với cấu trúc khối gồm khối điểm chói, chi tiết ảnh đợc tập trung lợng cao vào khối, tạo lợng tử hoá thô nh xuất lỗi lợng tử lớn tợng nhiễu không mong muốn khối lại Để tránh tợng này, lợng chứa khối đợc ®¸nh gi¸ b»ng c¸ch xem xÐt hƯ sè AC cã ý nghĩa tất khối chia thành mức điều khiển lợng tử 4- Mà hoá entropy Lợng tử hoá biểu diễn rời rạc liệu đợc truyền Gán từ mà lấy giá trị lợng tử hoá tạo luồng bit truyền Thật lợng tử hoá gán từ mà có tơng quan gần gũi không cần tách biệt rõ ràng Nói cách khác, liên kết tối u lợng tử hoá gán từ mà xử lý có độ phi tuyến cao Một lợng tử hoá tuyến tính với bớc nhảy thích hợp đợc chọn riêng cho phần tử đợc mà hoá, mà hoá entropy phù hợp cho kết gần tối u 196 Giá trị lợng tử hoá biểu diễn nhờ từ mà có độ dài cố định hay đồng đều, tức giá trị lợng tử hoá biểu diễn số bit Tuy nhiên hiệu việc mà hoá không cao Để cải tiến hiệu ngời ta dùng mà hoá entropy Mà hoá entropy dùng đặc tính thống kê tín hiệu đợc mà hoá Một tín hiệu, giá trị pixel hệ số chuyển vị, có chứa lợng thông tin (entropy) tuỳ theo xác suất giá trị hay kiện khác xuất Ví dụ từ mà xảy có nhiều thông tin từ mà hay xảy Khi dùng mà hoá entropy có hai vấn đề đặt ra: Thứ nhất, mà hoá entropy làm tăng độ phức tạp yêu cầu nhớ so với mà độ dài cố định Thứ hai, mà hoá entropy gắn liền với tính không ổn định tín hiệu video làm tốc độ bit thay đổi theo thời gian Do đó, cần cấu điều khiển ®Ưm m· ho¸ ngn tèc ®é bit biÕn ®ỉi đợc ghép với kênh tốc độ bit Bộ mà hoá entropy đợc thực cho độ d thừa thống kê cố hữu phần tử đợc mà hoá để truyền Sự d thừa phân bố xác suất không đồng giá trị phần tử Phân bố xác suất lệch lạc khỏi phân phân bố hiệu suất tăng nhờ mà hoá entropy Mà Huffman sơ đồ đợc sử dụng phổ biến Ngoài mà hoá entropy cßn sư dơng m· RLC (Run Length Code) sÏ cho hiệu suất nén cao Để mà hoá entropy hệ số đợc lợng tử hoá C'(u, v), trớc hết cần biến đổi mảng hai chiều hệ số C'(u, v) thành chuối số chiều cách quÐt zig - zag 197 H×nh 6.20 QuÐt zig -zag hệ số l ợng tử hoá DCT Lúc đầu, chuỗi hệ số khác 0, sau chuỗi số liên tiếp Viêc xư lý 64 hƯ sã cđa khèi x pixel cách quét zig -zag (hình 6.20) làm tăng tối đa chuỗi giá trị làm tăng hiệu nén dùng RLC Kỹ thuật RLC đợc dùng cho hệ số lợng tử hoá tốt dùng trực tiếp cho số liệu ảnh Trong trình quét zig - zag trên, RLC đợc thực thi Cụ thể đây, RLC thực chất việc thay thễ hệ số có giá trị số lợng chữ số xuất hiƯn Ta lÊy mét vÝ dơ vỊ RLC, h×nh 6.21 Trong ví dụ này, chuỗi chiều hệ số DCT sau qt zig - zag víi c¸c gi¸ trị giống đợc gom lại với RLC Lúc này, chuỗi chiều có đoạn chuỗi dài có dùng giá trị cacsymbol có dạng: < chiều dài chuỗi 0, giá trị> 198 giá trị 10 giá trị trớc đợc biểu diễn : Giá trị - có hai giá trị đứng trớc đợc biểu diễn v.v Riêng dấu đặc biệt End of Block (EOB) đợc dùng để đánh dấu vị trí bắt đầu chuỗi số liên tiếp Trong ví dụ này, ta có chuỗi 49 từ mà với gía trị Nh xét riêng + 49 từ mà giá trị đợc nén xuống từ mà Điều chứng tỏ hiệu st nÐn rÊt cao cđa tõ m· RLC TÊt nhiªn trình nén không tổn hao Các từ mà với độ dài thay đổi RLC có tần suất xuất cao sau đợc mà hoábằng mà ngắn, từ mà RLC có tần xuất xuất thấp tơng ứng đợc mà hoá từ mà dài Quá trình đợc gọi trình mà hoá với độ dài từ mà thay đổi (VLC) Bảng 6-5 minh hoạ phân nhóm hệ số AC, bảng 6-6 ví dụ bảng mà Huffman tơng ứng cho nhóm Từ mà ngắn báo hiệu kết thúc khối (EOB) cho biết tất hệ số lại khối mang giá trị 199 Tài liệu tham khảo TING VIT Nguyễn Kim Sách(2001), Truyền hình số multimedia, NXB Khoa học kỹ thuật Ngô TháI Trị (2005), DVB-T ứng dụng truyền hình số mặt đất, NXB Bu điện Vữ Đức Lý, Đỗ Hoàng Tiến , Nguyên lý trun h×nh, NXB Khoa häc kü tht TIẾNG ANH ATSC (1999), Modulation and Coding Requirements for Digital TV (DTV) Application Over satellite, ATSC document A/80 DVB (1997), Framing structure, channel coding and modulation for 12/12 GHz satelleta services, DVB - EN 300 421 DVB (1999), Framing structure, channel coding and modulation for Digital Satellite News Gathering (DSNG) and other contribution applications by satellite, DVB, EN 301 210 Maral G.,Bousquet M (1993), Satellite Communications System, John Wiley & Sons Ltd, England Michael Robin, Michel Poulin (1998), Digital Television Fundamentals, Mc Graw Hill 10 ITU-T Reports S series 11 ITU-T Reports P series 200 12 Stephen G Wilson (1996), Digital Modulation and coding, Department of Electrical engineering university of Virginia 13 Websites of ITU, DVB, Satellite Companies 201 ... Lý thuyết màu a Cấu trúc hệ th? ??ng th? ?? giác Thu ỷ tinh dịc h Giác mạc Mống mắt Th? ??u kính Võnh mạc Hoàng điểm Th? ??n kinh th? ?? giác Hình Võng mạc chứa phần tử th? ?? cảm nối liền với bán cầu nÃo dây th? ??n... đồng dòng 13 Th? ?i gian quÐt thuËn: TT = 59s Th? ?i gian quÐt ngợc: TN = 5s Th? ??i gian dòng quét hay gọi chu kỳ quét dòng TH = 64s Vsync: xung đồng mành Th? ??i gian xung xoá hình 2 5TH Thời gian xung... Xung tắt mành (23 -30 )TH 1T H Xung cân trớc Xung đồng Xung cân sau mành (2,5 3 )TH Hình 14 H×nh 14 cho ta: Th? ?i gian quÐt hÕt mét dòng TH = 64s Th? ??i gian quét thuận dòng : 59s Th? ??i gian quét ngợc