Nguyên lý và phương pháp mã hóa và giải mã video trong truyền hình số
MỤC LỤC
Mã hoá và giải mã NTSC a. Bộ lập mã màu
Tín hiệu Y’ qua qua đờng truyền có dải thông tần rộng nhất, còn tín hiệu Q qua đờng truyền có dải thông tần hẹp nhất cho nên tín hiệu Q truyền với tốc độ. Mạch lọc chắn dải sóng mang phụ và các thành phần phổ của tín hiệu màu gần fSC nhắm giảm ảnh hởng của tín hiệu màu đến chất lợng truyền ảnh truyền hình màu.
Đặc điểm của truyền hình số a. Yêu cầu về băng tần
Với ảnh đen trắng, thì ảnh đợc biểu diễn bằng một hàm cờng độ sáng hai chiều f(x,y), trong đó x, y là các giá trị toạ độ không gian và giá trị f sẽ tỷ lệ với. Một ảnh số đợc xem nh một ma trận với hàng và cột bểu diễn một điểm trong ảnh và giá trị điểm ma trận tơng ứng với mức xám tại điểm đó.
Các phơng pháp biến đổi tín hiệu vi deo
Ưu điểm: Biến đổi tín hiệu video thành phần cho dòng số có tốc độ bit cao hơn tín hiệu số tổng hợp, xử lý dễ dàng các chức năng ghi, dựng, tạo kỹ xảo ., không chịu ảnh hởng của can nhiễu chói. Các kỹ thuật của phơng pháp biến đổi tín hiệu thành phần đợc sử dụng rộng rãi và hình thành nên các tiêu chuẩn thống nhất cho truyền hình số.
Các tham số cơ bản
Chỉ cần một sợi cáp cũng có thể truyền đợc của tín hiệu audio và video. Khâu thiết kế, lắp đặt và khai thác thiết bị nhờ vậy đơn giản và thuận tiện hơn nhiều.
Nguyên tắc làm việc của ADC
• Giữ cho biên độ điện áp tại các điểm lấy mẫu không đổi trong quá trình chuyển đổi tiếp theo (nghĩa là trong quá trình lợng tử hoá và mã hoá). Quá trình lợng tử hoá thực chất là quá trình làm tròn số, lợng tử hoá đợc thực hiện theo nguyên tắc so sánh, tín hiệu cần chuyển đổi đợc so sánh với một loạt các đơn vị chuẩn Q.
Các phơng pháp chuyển đổi tơng tự - số
Điện áp chuẩn Uch đợc đa đến đầu vào thứ hai qua thang điện trở R, do đó điện áp đặt vào bộ so sánh lân cận khác nhau một lợng không đổi và giảm dần từ S1 ữSn. Mạch AND thứ hai chỉ cho ra các xung nhịp khi tồn tại xung UC, nghĩa là trong khoảng thời gian mà 0<UC <UA mạch đếm đầu ra sẽ đếm xung nhịp đó, số xung này tỷ lệ với độ lớn của UA.
Các phơng pháp chuyển đổi số- tơng tự a. Nguyên lý chuyển đổi DAC
Ngợc lại nếu tín hiệu điều khiển là “1” thì I0 tơng ứng với bit đó đợc dẫn đến đầu vào bộ khuếch đại thuật toán qua mạng điện trở.Mạng điện trở làm nhiệm vụ phân dòng, dòng điện đi qua mỗi khâu điện trở thì giảm đi một nửa. Nhợc điểm: Trong sơ đồ này, số điện trở phải dùng khá lớn, nếu phải chuyển đổi N bit thì số điện trở phải dùng là 2(N-1) trong khi theo phơng pháp thang điện trở thì chỉ phải dùng N điện trở mà thôi.
Giới thiệu
Trong sơ đồ, điện trở ở nhánh ngang cuối cùng có trị số là 2R bằng điện trở nhánh dọc.
Thấu kính và các tham số của thấu kính
Độ mở của thấu kính là đờng kính của màng ngăn ánh sáng, nó có thể điều chỉnh đợc kích thớc để khi ánh sáng chiếu vào, độ rọi trên catot quang điện của dụng cụ biến đổi quang- điện phù hợp với yêu cầu. Khắc phục: Phủ lên bề mặt các thấu kính một màng mỏng có hệ số khúc xạ n’’ khác với hệ số khúc xạ n’ của thuỷ tinh làm thấu kính.
Dụng cụ biến đổi quang điện CCD
Khoảng cách dọc theo trục quang của thấu kính mà mọi vật trong đó đều có. Khi ánh sáng chiếu vào thấu kính, một phần xuyên qua, một phần phản xạ còn một phần bị hấp thụ.
Xử lý tín hiệu trong camera số
- Giảm bớt mức thấp của các tín hiệu hiệu chỉnh này nhằm ngăn chặn sự tăng lên của tạp âm. - Xén các mức cao của tín hiệu nhằm ngăn ngừa sự vợt quá giới hạn trong quá trình chuyển đổi sang mức biên độ cao của tín hiệu cao của tín hiệu video.
LÊy mÉu
(Thực tế, tần số lấy mẫu tín hiệu video lớn hơn các giá trị này).
Sai số trong quá trình lợng tử hoá
Mã hoá là khâu cuối cùng trong biến đổi AD, là quá trình biến đổi cấu trúc nguồn mà không làm thay đổi tin tức, mục đích là cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống truyền tin. Độ dài của dãy tín hiệu nhị phân này (gọi là từ mã nhị phân) đợc tính bằng số lợng các con số “0”, “1” là một trong các chỉ tiêu chất lợng của kỹ thuật số hoá tín hiệu, nó phản ánh mức sáng, tối, màu sắc của hình ảnh đợc ghi nhận và biến đổi.
Các đặc tính cơ bản của mã
Dữ liệu sau mã hoá có nhiều u điểm: Tính chống nhiễu cao hơn, tốc độ hình thành tơng đơng khả năng thông qua của kênh. Đó là các phần xoá dòng, xoá mành, các phần ảnh tĩnh hay chuyển động chậm, vùng ảnh nền giống nhau mà ở đó các phần tử liên tiếp giống nhau hay khác nhau rất ít.
Mô hình nén ảnh
Điểm cốt yếu là phải xác định cái gì đợc mã hoá, trong cách biểu diễn hiệu quả, chỉ một phần nhỏ dữ liệu là cần thiết để truyền cho việc tái tạo lại tín hiệu video. Công nghệ nén tín hiệu video dựa trên việc loại bỏ phần d thừa trong tín hiệu video và sự giới hạn của hệ thống mắt ngời trong việc quan sát.
Các tham số đặc điểm
Độ d thừa số liệu là phần loại bỏ trong quá trình nén tín hiệu, là vấn đề trung tâm trong nén ảnh số. - D thừa mã: Nếu các mức của tín hiệu video đuợc mã hoá bằng các tập hợp bit nhiều hơn mức cần thiết thì kết quả là có độ d thừa mã.
Các phơng pháp nén a. Nén không tổn hao
Nén có tổn hao chấp nhận mất mát thông tin để tăng hiệu quả nén, thích hợp với nguồn thông tin là hình ảnh và âm thanh, cho tỷ lệ nén cao để truyền dẫn và phát sóng, đồng thời cho tỷ lệ nén thích hợp để xử lý và lu trữ ảnh trong studio. RLC tách các giá trị giống nhau và biểu diễn nh là một tổng, kỹ thuật này chỉ áp dụng cho các chuỗi simbols tuyến tính.
Mã shannon- fano
Năm 1952, Huffman phát triển một kỹ thuật mã hoá mới mà có thể tạo ra độ dài trung bình của từ mã ngắn nhất đối với tập symbol nguồn và kết hợp với xác suất của chúng. Đây là loại mã entropy hay mã thống kê, t tởng chính là dùng VLC (Variable length Coding), sử dụng ít bit để mã các giá trị hay xảy ra (xác suất xuất hiện cao), và sử dụng nhiều bit để mã hoá các giá trị ít xảy ra (xác suất xuất hiện thấp).
Phơng pháp mã dự đoán
Nếu tập nút chỉ chứa một nút thì kết thúc, ngợc lại thì ta quay lại b- íc 2. Phơng pháp DPCM còn sử dụng đặc điểm của mắt ngời (kém nhạy với mức lợng tử có chênh lệch về độ chói giữa các điểm ảnh gần nhau, so với mức lợng tử hoá chênh lệch nhỏ) và cho phép dùng đặc trng phi tuyến về lợng tử hoá.
Biến đổi cosin rời rạc DCTTiền
Mục đích của quá trình biến đổi là tách liên kết các Pixels của từng ảnh con hoặc gói càng nhiều năng lợng của ảnh con vào một phần nhỏ các hệ số truyền. Mục đích: Để đạt đợc mức giải tơng quan cao hơn của nội dung một ảnh, ta có thể sử dụng phép biến đổi DCT hai chiều cho khối 9ì9 giá trị điểm chói.
Lợng tử hoá
Việc mã hoá và truyền chỉ thực hiện đối với các hệ số năng lợng này và có thể cho kết quả tốt khi tái tạo lại tín hiệu video có chất lợng cao. Lợng tử hoá đợc thực hiện bằng việc chia các hệ số F(u,v) cho các số ở vị trí tơng ứng trong bảng lợng tử (Q(u,v)) để biểu diễn số lần nhỏ hơn các giá trị cho phép của hệ số DCT, hình ……….
Mã hoá entropy
Các hệ số có tần số thấp đợc chia cho các giá trị nhỏ, các hệ số ứng với tần số cao đợc chia cho các giá trị lớn hơn. Bộ mã hoá entropy đợc thực hiện cho độ d thừa thống kê cố hữu trong các phần tử đợc mã hoá để truyền.
Điều khiển tốc độ bit
Sự d thừa chính là phân bố xác suất không đồng đều trên giá trị của mỗi phần tử. Phân bố xác suất càng lệch khỏi phân đều thì hiệu suất càng tăng nhờ mã hoá entropy.
Mô hình
Sau quá trình bù chuyển động, để tăng hiệu quả nén cần sử dụng kỹ thuật nén trong ảnh để xử lý độ d thừa trong không gian trong phần thừa bù chuyển.
Xấp xỉ và bù chuyển động
Qúa trình mã hoá và giải mã là hai quá trình ngợc nhau, đặc trng dùng trong quá trình mã hoá cho ra dòng số liệu sau khi nén và sau đó đợc đa tới phần giãn (giải nén). Đầu ra ta có một khối 9ì9 pixels có thể không tạo lại một ảnh chính xác tín hiệu gốc vì thông tin bị mất trong quá trình mã hoá (nén có tổn hao).
Phân cấp cấu trúc số liệu video
Trên quan điểm coi hình ảnh động là một chuỗi liên tiếp các hình ảnh tĩnh. Khi đó tiêu chuẩn JPEG đợc áp dụng cho việc nén ảnh động và nó có tên gọi M- JPEG.
Đặc điểm của M-JPEG
Chuẩn nén M-JPEG có u điểm trong công nghệ sản xuất chơng trình truyền hình: Xây dựng đợc chính xác tới từng ảnh sử dụng trong các chơng trình, tiện dụng cho Studio và dựng hậu kỳ, làm kỹ xảo với giá thành hệ thống phù hợp;. • Các thiết bị ở các hãng khác nhau rất khó trao đổi trực tiếp số liệu cho nhau, khi cần ghép nối các thiết bị này trực tiếp với nhau, tín hiệu video đ- ợc nén phải qua quá trình mã hoá, giải mã phức tạp và làm giảm chất lợng hình ảnh.
Giới thiệu chung về M-JPEG
• Khi chuyển đổi về dạng không nén để truyền dẫn giữa các thiết bị với nhau, tốc độ bit sẽ lớn gây trở ngại cho hoạt động của hệ thống các máy tính trong hệ thống truyền hình. • Các thiết bị sử dụng phơng pháp nén theo định dạng M-JPEG không thể sử dụng cho truyền dẫn, phát sóng vì tốc độ dòng bit sau khi đợc nén còn cao.
Các cấu trúc ảnh
• Giải quyết đợc vấn đề thay đổi hình ảnh hay không dự báo trớc đợc nội dung thay đổi hình ảnh. • Việc sử dụng bù chuyển động từ hai ảnh cho tỷ số tín hiệu/tạp âm tốt hơn nếu nh chỉ sử dụng bù chuyển động từ một ảnh.
Nhóm ảnh (GOP)
• Vì ảnh B không sử dụng là ảnh so sánh cho các ảnh khác, nó có thể mã.
Nguyên lý nén MPEG a. Quá trình mã hoá
Cũng nh trong trờng hợp các ảnh loại I, tín hiệu ra từ bộ lợng tử hoá đợc giải lợng tử hoá và biến đổi DCT ngợc rồi cộng với dự báo ảnh đang xét và. Trong trờng hợp ảnh loại P sẽ thực hiện giải lợng tử hoá và biến đổi DCT ng- ợc với việc sử dụng các vector chuyển động và lu vào bộ nhớ ảnh sớm hơn.
Đặc tính của âm thanh
Âm thanh là do vật thể rung động phát ra tiếng và lan truyền đi trong không khí, tai ta cảm nhận âm thanh qua màng nhĩ và truyền đến hệ thần kinh. Không khí chính là môi trờng truyền dẫn âm thanh (tuy nhiên các chất khí khác, chất lỏng và chất rắn cũng truyền âm).
Sơ đồ khối máy phát tín hiệu âm thanh
Âm thanh có năng lợng càng lớn thì áp suất âm thanh, công suất âm thanh và cờng độ âm thanh càng lớn. Trong khối trung gian có thể có tầng khuếch đại điện áp và công suất cao tần để đảm bảo yêu cầu cung cấp cho khối công suất trớc khi ra anten.
Những chỉ tiêu chất lợng của máy phát tín hiệu âm thanh a. Độ ổn định tần số
Khi có sóng hài phát ra sẽ làm giảm hiệu suất phát sóng của bản thân máy phát và gây can nhiễu cho các đài khác, nếu sóng trùng tần số hay kế cận tần số công tác của đài khác. Các u điểm trên đã cải thiện chất lợng ghi và xử lý chất lợng âm thanh, đồng thời nó còn đáp ứng đợc các yêu cầu lu trữ và các yêu cầu sản xuất chơng trình bằng máy tính.
Lấy mẫu lý tởng
Tuy nhiên trong miền tần số, tập hợp các tần số mẫu (hoặc sóng mang) nằm trong băng tần của chúng. Dạng tín hiệu này đợc vẽ trong miền tần số bao gồm tập hợp của các thành phần tần số là bội của các thành phần tần số lấy mÉu.
Mã hoá
PCM là hệ thống mã hoá tín hiệu tiếng đợc dùng phổ biến và rộng rãi nhất nhng có hiệu quả thấp nhất. Độ phân giải chính xác của một hệ thống biến đổi A/D xác định số mức lợng tử sẵn sàng để mã hoá biên độ tín hiệu audio t-.
Các tần số lấy mẫu chuẩn
Một bộ biến đổi D/A đơn giản tạo thành từ các điện trở chính xác kết hợp với nguồn dòng điện tạo ra từ bộ chuyển mạch theo xung nhịp của bộ mã nhị phân. Khi đó cần điều khiển n bộ chuyển mạch, tại các vị trí on hay off của chuyển mạch số sẽ tơng ứng với giá trị 1 hay 0 của tín hiệu số.
Bộ lọc thông thấp
Để thấy đợc vị trí và hoạt động của bộ lọc thông thấp ta xem sét sơ đồ hoạt.
Kỹ thuật nén số liệu audio
Nguyên lý cơ bản của nó là loại bỏ các thành phần d thừa trong tín hiệu audio bằng cách bỏ đi các tín hiệu nằm dới đờng cong ngỡng âm, điều này giải thích tại sao ngời ta gọi các hệ thống nén số liệu có tổn hao là mất các thành phần âm. • Mã hoá nối: Công nghệ này khai thác sự d thừa trong hệ thống audio đa kênh, ngời ta thấy rằng có rất nhiều các phần số liệu ở trong các kênh là giống nhau, do đó ngời ta có thể nén số liệu bằng cách mã hoá một phần số liệu chung đó trên một kênh và chỉ định cho bộ giải mã lặp lại tín hiệu.
ChuÈn nÐn MPEG-1
Lọc băng con: Phổ tín hiệu đợc chia thành các băng con có độ rộng dải thông bằng nhau (32 băng con trong mức I và II chuẩn MPEG). Nó tơng tự nh quá. trình phân tích tần số của HAS, chia phổ tín hiệu Audio thành các băng tới hạn, độ rộng của các băng tới hạn có thể thay đổi. 2, Với mỗi băng con, ngời ta xác định mức biên độ tín hiệu và mức nhiễu bằng “Mô hình tâm sinh lý nghe – Psychoacaustic model”. Đây là thành phần chính của bộ mã hoá MPEG Audio và chức năng của nó là phân tích tín hiệu vào. Mô hình này xác định tỷ lệ signal-mask cho mỗi băng sử dụng để xác định số bit cho quá trình lợng tử hoá mỗi băng với mục đích tối thiểu khả năng nghe thấy của. 3, Cuối cùng là mỗi băng con đó đợc lợng tử hoá thông qua lợng tử các thành phần nghe thấy trong mỗi băng. Nó đi kèm với mã Huffman để mã hoá các giá trị phổ tín hiệu và cho nén số liệu tốt hơn và định dạng số liệu. Bộ chỉ định, dùng để đánh giá ngỡng mức chặn và chỉ định các bit trên phần cơ bản của năng lợng phổ tín hiệu audio và chế độ “Mô hình tâm sinh lý nghe”. Hệ số tỷ lệ của khối đợc truyền trong dòng số liệu và đợc sử dụng tại bộ giải mã để tạo lại các giá trị số liệu trong khối. Chuyển đổi từ miền tần số sang miền. thêi gian Tái tạo. Các mẫu audio PCM. Số liệu phụ. Hình 3.10: Cấu trúc cơ sở của bộ giải mã MPEG tín hiệu audio Khung. Ngợc lại, bên giải mã sẽ giải mã entropy sau đó tái tạo lại giá trị của băng đã. lợng tử hoá và chuyển các giá trị của băng này thành tần số tín hiệu audio. Tuy nhiên nếu chúng ta đạt đợc tỷ lệ nén cao thì chi phí cũng tăng theo cho các bộ mã. hoá và giải mã. Ba mức riêng biệt trong tiêu chuẩn MPEG audio này phụ thuộc trong từng chế độ với các ứng dụng khác nhau:. • Mức I: Dùng trong các thiết bị dân dụng. • Mức II: Dùng trong các thiết bị chuyên dụng và Multimedia. • Mức III: Dùng trong các hệ thống mã hoá tiếng nói 64 Kbit/s và thấp hơn, dùng mã hoá chất lợng cao cho tín hiệu âm nhạc. Mức I đợc tạo ra từ các thuật toán cơ bản trong khi mức II và mức III là sự kết hợp giữa các mức I. Sơ đồ khối của bộ mã hóa audio:. Đặc điểm của mức I:. Mức I có một số tính chất nh sau:. • Tín hiệu vào chia thành các khung bao gồm 394 mẫu trên một kênh. con) Bộ đếm Lượng. • Sử dụng trong các ứng dụng cần tốc độ bit thấp nh mạng ISDN, viễn thông, đờng truyền vệ tinh và âm thanh chất lợng cao qua mạng Internet.
Ưu diểm của 2 tiêu chuẩn MPEG
• Sử dụng cho các kênh đơn (mono) hay đa kênh stereo. • Sử dụng trong các ứng dụng cần tốc độ bit thấp nh mạng ISDN, viễn thông, đờng truyền vệ tinh và âm thanh chất lợng cao qua mạng Internet. = Hệ thống lịch của đài), lời các bài hát, thông tin về các loại chơng trình, thông tin fax hoặc modem. • Tiêu chuẩn MPEG đợc sử dụng rộng rãi trong những năm tới cho phép sử dụng phát thanh số trên mặt đất và qua vệ tinh DAB (Digital Audio Broadcasting) và DVB cho truyền hình vệ tinh, truyền hình cáp và phát sóng trên mặt đất kỹ thuật số.
Mã hoá
• Mỗi khung đợc gắn một tiêu đề, bao gồm các thông tin (tốc độ bit, tốc độ mẫu, số kênh mã hoá audio và các số liệu khác) đòi hỏi đồng bộ mã hoá và giải mã dòng bit. • Có thể thực hiện đợc các bit chỉ số phức tạp hơn, và các thông số của trọng tâm của các bit chỉ định thông thờng có thể đợc sửa đổi nhằm đa ra một bit chỉ định tối u hơn.
Giải mã
Yêu cầu của truyền hình số là truyền các dữ liệu số, là các xung điện mà khi có xung sẽ đợc gán bằng “1” còn không có xung sẽ đợc gán bằng “0”. Để thực hiện các phơng thức truyền trên, hiện nay trên thế giới đã xuất hiện các tiêu chuẩn phát hình quảng bá nh DVB của châu Âu, ATSC của Mỹ và đã phát thử nghiệm trong thực tế thành công.
Giới thiệu về hệ thống truyền hình cáp
Hệ thống phân phối cáp bao gồm: Bộ phận trung chuyển, các đờng cung cấp chính và các đờng cung cấp tín hiệu cuối cùng phân phối chơng trình đến từng máy thu. Các đờng trung chuyển, đờng cung cấp tín hiệu có thể sử dụng cáp đồng trục, cáp quang, riêng đờng truyền siêu trục có thể sử dụng đ- ờng truyền viba.
Hệ thống cáp quang
Kết luận: Cáp quang có nhiều u điểm nổi bật trong việc truyền dẫn tín hiệu số nh: Băng tần rộng, cho phép truyền các tín hiệu số có tốc độ bit cao; Độ suy giảm thấp trên một đơn vị chiều dài, độ suy giảm giữa các sợi quang dẫn cao; Thời gian trễ qua cáp quang thấp. Sự ra đời các chuẩn truyền hình số mặt đất nh DVB- T (Digital- Video Broadcasting- Terrestrial) của châu Âu và ATSC của Mỹ (Advanced Television Commitee) đã khắc phục đợc các nhợc điểm trên của truyền hình số mặt đất so với truyền hình cáp và vệ tinh.
Hệ thống vệ tinh a. Trạm mặt đất
Đặc điểm chỉ tiêu quan trọng nhất của một đờng truyền vệ tinh đợc xác định bằng tỷ số tín hiệu trên nhiễu, chủ yếu dựa trên chỉ tiêu của trạm mặt đất. T (4.2) Trong đó, Fn đợc biểu thị bởi hệ số bằng thơng của tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại đầu ra của hệ thống chia cho tỷ số tín hiệu trên nhiễu tai đầu vào ở nhiệt độ tiêu chuÈn.
Truyền tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh
Việc sử dụng băng KU có lợi thế cơ bản là khi thu tần số cao (vệ tinh phát ở tần số 12 GHZ) chỉ cần anten thu có kích thớc nhỏ hơn anten thu ở băng tần C, từ đó mở ra khả năng tăng nhanh các trạm thu ở mọi miền đất n- ớc, làm giảm giá thành của các đầu thu. Các trạm phát lên vệ tinh sử dụng điều chế pha và chủ yếu dùng điều chế QPSK ở tần số 70 MHz, tức là pha của tần số 70 MHz thay đổi theo tần số đã nén và ghép lại.
Đặc điểm của hệ thống DVB a. Đặc điểm chung
Hệ thống có thể truyền một cách tin cậy với tốc độ 19 Mbit/s trong một kênh truyền hình mặt đất 6 MHz và với tốc độ 39 Mbit/s trong một kênh truyền hình cáp 6 MHz. Ghép kênh và truyền tải: Các thông tin đợc chia nhỏ thành các gói dữ liệu, tơng ứng sẽ có một phần tiêu đề để nhận biết cho mỗi gói hay mỗi loại gói, và tơng ứng với thứ tự thích hợp các gói dữ liệu video, audio và dữ liệu phụ đợc ghép vào một dòng dữ liệu đơn.
Đặc điểm truyền dẫn trong hệ thống phát sóng mặt đất
Dữ liệu sau đó qua bộ mã hoá sử dụng mã Trellis với tỷ lệ 2/3, 2 bit đầu vào cho 3 bit đầu ra (đợc dùng trong hệ thống truyền dẫn sử dụng phơng pháp điều chế 9-VSB). Sau đó tín hiệu đợc đa đến giải Pilot, lọc tự động điều chỉnh chất lợng, điều chế VSB và nâng tần để phát sóng.