3.3.1. Tiờu chuẩn nộn Video MPEG - 2
Tiờu chuẩn MPEG - 2 cũn được gọi là ISO/ITEC 13818 là sự phỏt triển tiếp theo của MPEG - 1 ứng dụng độ phõn giải tiờu chuẩn của truyền hỡnh do CCIR - 601. MPEG - 2 gồm 3 phần:
Phần 1: Hệ thống (ISO/ITEC 13818 - 1), xỏc định cấu trỳc ghộp kờnh Audio, Video và cung cấp đồng bộ thời gian thực.
Phần 2: Video (ISO/ITEC 13818 - 2), xỏc định những thành phần mó hoỏ đại diện cho dữ liệu Video và phõn loại xử lý giải mó để khụi phục lại khung hỡnh ảnh.
Phần 3: Audio (ISO/ITEC 13818 - 3), định nghĩa quỏ trỡnh tỡm kiểm tra cỏc yờu cầu của MPEG - 2
So với MPEG - 1, MPEG - 2 cú nhiều cải thiện về kớch thước ảnh, độ phõn giải ảnh, tốc độ bớt tối đa, tớnh phục hồi lỗi, khả năng co gión dũng bớt. Khả năng co gión dũng bớt của MPEG - 2 cho phộp khả năng giải mó một
phần dũng bớt mó hoỏ để nhận được ảnh khụi phục cú chất lượng tuỳ thuộc mức độ yờu cầu. Sau đõy là một số đặc điểm chủ yếu của tiờu chuẩn này:
+ Hỗ trợ nhiều dạng thức Video, đặc biệt là cỏc dạng thức video độ phõn giải khụng gian cao, dạng thức video xen kẽ của truyền hỡnh.
+ Cỳ phỏp dũng bớt MPEG - 2 là sự mở rộng của dũng bớt MPEG - 1.
+ Nộn video MPEG - 2 tương hợp với nộn video MPEG - 1, được thể hiện qua bốn hỡnh thức tương hợp.
+ Tương hợp thuận: Bộ giải mó MPEG - 2 cú khả năng giải mó được một phần dũng bớt (hoặc một phần dũng bớt MPEG - 1).
+ Tương hợp ngược: Bộ giải mó độ phõn giải cao cú khả năng giải mó được một phần dũng bớt MPEG - 2.
+ Tương hợp lờn: Bộ giải mó độ phõn giải cao cú khả năng giải mó được dũng bớt của bộ mó hoỏ cú độ phõn giải thấp.
+ Tương hợp xuống: Bộ giải mó độ phõn giải thấp cú thể giải mó được một phần dũng bớt của bộ mó hoỏ cú độ phõn giải cao.
+ MPEG - 2 hỗ trợ khả năng co gión (Scalability): Co gión khụng gian, co gión SNR (Signal to Noise Ratio), co gión phõn chia số liệu...
+ Ngoài ra cũn cú nhiều cải tiến khỏc trong MPEG - 2 bao gồm: - Cho phộp nhiều cấu trỳc lấy mẫu: 4:4:4, 4:2:2 và 4:2:0. - Hệ số DC được mó hoỏ với độ chớnh xỏc đặc biệt.
- Bảng lượng tử riờng biệt cho cỏc thành phần chúi và màu nờn lợi dụng được đặc điểm của mắt người ớt nhạy cảm hơn với tớn hiệu màu.
- Cho phộp cả hai dạng quột: Quột xen kẽ và quột liờn tục. - Cú khả năng hồi phục lỗi.
Cỳ phỏp đầy đủ của MPEG - 2 về cơ bản tương hợp với MPEG - 1, tức là cũng gồm cấu trỳc 6 lớp như đó trỡnh bày.
Sequence header (đầu đề cuối) Dòng bít Extended cequence (chuỗi mở rộng) MPEG-1 ISO/IEC 11172-2 Bảng 3.4. Dạng lớp của cỳ phỏp dúng bớt MPEG - 2 Lớp Chức năng
Lớp chuỗi (Sequence Layer) Đơn vị nội dung
Lớp nhúm ảnh (GOP Layer) Đơn vị truy cập ngẫu nhiờn dũng video mó hoỏ
Lớp ảnh (Picture Layer) Đơn vị mó hoỏ cơ bản
Lớp lỏt Đơn vị tỏi đồng bộ
Lớp (MB layer) Đơn vị bự chuyển động
Lớp khối (Block Layer) Đơn vị chuyển đổi DCT
+ Lớp chuỗi là đại diện mó hoỏ cho một chuỗi ảnh ( Video sequence).
+ Lớp nhúm ảnh cung cấp điểm truy cập ngẫu nhiờn. Ảnh I này cung cấp điểm truy cập vào dũng bớt mó hoỏ.
+ Lớp Lỏt cú chức năng hồi phục đồng bộ. Khi dũng bớt cú lỗi, bộ giải mó cú thể bỏ qua slice cú lỗi và bắt đầu bằng một Slice mới. Mỗi Lỏt chứa một hoặc một số MB.
+ Mỗi Macro Block (MB) là một đơn vị được ước ượng chuyển động và cú vộc tor chuyển động riờng trong phần Hearder của nú.
+ Lớp khối là lớp thấp nhất, mỗi khúi là một đơn vị DCT gồm 64 hệ số của khối ảnh I hoặc khối sai số dự bỏo ( ảnh P,B). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
So với MPEG - 1, cỳ phỏp dũng bớt MPEG - 2 cú thờm một số chức năng mở rộng. Do đú cú 2 hướng đi trong dũng bớt MPEG - 2 như hỡnh vẽ dưới đõy: Hoặc theo quy trỡnh MPEG - 1 hoặc theo cỏc chức năng mở rộng riờng của MPEG - 2.
Hỡnh 3.10. Cỳ phỏp dũng bớt MPEG - 2
3.3.2. Khả năng co gión của MPEG - 2
Một trong những đặc điểm quan trọng nhất của MPEG - 2 là sự phự hợp với nhiều ứng dụng video. Cú thể sử dụng MPEG - 2 cho phõn phối truyền hỡnh tiờu chuẩn (Standard Televison), truyền hỡnh phõn giải cao (HDTV: High Delinition Televison) hoặc cho truyền dẫn tớn hiệu truyền hỡnh thụng qua cỏc mạng truyền thụng.
Tớnh co gión của dũng bớt MPEG - 2 là khả năng giải mó được một phần dũng bớt MPEG - 2 độc lập với phần cũn lại của dũng bớt đú nhằm khụi phục video với chất lượng hạn chế (hạn chế độ phõn giải khụng gian, độ phõn giải thời gian hoặc hạn chế về SNR ...). Dựa trờn tớnh co gión, dũng bớt được phõn thành hai hay nhiều lớp. Tập con nhỏ nhất của cỳ phỏp dũng bớt cú thể giải mó một cỏch độc lập được gọi là lớp cơ bản. Cỏc lớp cũn lại gọi là cỏc lớp nõng cao, cú nhiều loại co gión khỏc nhau như:
+ Co gión khụng gian: Dũng bớt gồm hai hay nhiều lớp video cú độ phõn giải khụng gian khỏc nhau.
+ Co gión SNR: Dũng bớt gồm hai hay nhiều lớp video cú cựng độ phõn giải khụng gian nhưng tỷ số tớn hiệu/nhiễu SNR là khỏc nhau.
+ Co gión thời gian: Dũng bớt gồm hay hay nhiều lớp video cú cựng độ phõn giải khụng gian nhưng cú độ phõn giải thời gian là khỏc nhau.
+ Co gión phõn chia số liệu: Dũng bớt video được chia làm hai phần: - Phần ưu tiờn cao (lớp cơ bản) gồm cỏc hệ số DCT tần số thấp - Phần ưu tiờn thấp (lớp nõng cao) gồm cỏc hệ số DCT tần số cao. + Co gión phõn chia số liệu chớnh là dạng cơ bản của co gión tần số
+ Tiờu chuẩn MPEG - 2 đó quy định chớnh thức hai loại co gión: Co gión khụng gian và co gión SNR. Cỏc loại co gión khỏc chỉ mới ở dạng dự thảo.
3.3.3. Profile và Level
Phạm vi ứng dụng của MPEG - 2 rất rộng, mỗi ứng dụng đũi hỏi mức độ phức tạp khỏc nhau. Bởi vậy, MPEG - 2 định nghĩa cỏc mức (level) và cỏc tập con (profile) phự hợp cho từng lĩnh vực ứng dụng. Profile xỏc định cỳ phỏp dũng bớt và level xỏc định cỏc tham số hạn chế độ phõn giải khụng gian, tốc độ bớt.
Cú 4 mức: Low (thấp), Main (chớnh), High - 1440 (cao) và High (cao). Kớch cỡ ảnh quy định bởi mức bốn mức tương ứng sau:
Bảng 3.5. Cỏc mức của kớch cỡ ảnh.
Level Cỡ khung
Low 352 x 288 (bằng 1/4 cơ ảnh TV chuẩn)
Main 720 x 576 (cỡ ảnh TV chuẩn)
High – 1440 1440 x 1152
High 960 x 576 hoặc 1920 x 1152
Cú 5 Profile: + Simple (đơn giản) + Main (chớnh)
+ SNR Scalabe (co gión SNR)
+ High profile
Tổng cộng cú 12 tổ hợp profile, level. Trong đú:
+ MP@ML (Main profile @ Main level) lấy mẫu 4:2:0, độ phõn giải 720*576, tốc độ bớt 15 Mb/s, dạng ảnh: I, B, P. Ứng dụng vào việc số hoỏ truyền hỡnh tiờu chuẩn (Standard television).
+ MP@HL (Main profile @ High level) lấy mẫu 4:2:0, độ phõn giải 1920*1152, tốc độ bớt 80 Mb/s, dạng ảnh: I, B, P. ứng dụng vào HDTV .
+ Sau này cú bổ sung 4:2:2 P @ ML (4:2:2 Profile @ Main level) ỏp dụng vào việc sản xuất chương trỡnh truyền hỡnh (Studio) vỡ cỏc lý do sau:
- Chất lượng cao, độ phõn giải màu tốt hơn so với MP@ML (lấy mẫu 4:2:0), chất lượng tổng quỏt cao hơn do sử dụng tốc độ bớt lớn hơn.
- Cú khả năng sao chộp nhiều lần mà vẫn đảm bảo chất lượng y như video gốc.
- Tớnh linh hoạt: Nhúm ảnh (GOP) ngắn hơn nờn thuận iện cho việc dàn dựng, biờn tập chương trỡnh truyền hỡnh.
- Tớnh kinh tế: giỏ thành lưu trữ và truyền dẫn giảm, cú khả năng tương hợp giữa cỏc thiết bị của nhiều hóng sản xuất khỏc nhau. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cỏc tham số cơ bản của 4:2:2 và ML + Cấu trỳc lấy mẫu: 4:2:2
+ Độ phõn giải ảnh: 720 x 576 + Tốc độ dũng bớt: 20Mb/s + Dạng ảnh sử dụng: I, B, P
3.4. Ghộp kờnh Audio – Video số theo tiờu chuẩn MPEG - 23.4.1. Hệ thống truyền tớn hiệu MPEG - 2. 3.4.1. Hệ thống truyền tớn hiệu MPEG - 2.
Giả định dạng nguồn Phân kênh dòng chương trình Phân kênh Bộ mở gói Giải m hóa nénã Lớp nén (compress layer) Lớp hệ thống (system layer) Ghép kênh tạo Ghép kênh tạo dòng chương trình Bộ đóng gói M hóa nénã Định dạng nguồn
AUDIO, VIDEO, DATA
Hệ thống MPEG - 2 sử dụng cấu trỳc dữ liệu dạng gúi như dữ liệu của cỏc mạng truyền thụng. Cỏc gúi dữ liệu luụn luụn bao gồm phần đầu đề (Header) và phần tải (Payload).
+ Phần Header chứa thụng tin cần thiết để xử lý dữ liệu ở phần Payload (thụng tin phõn loại ảnh trong phần Header gúi ảnh).
+ Kớch thước phần Payload cú thể cố định hoặc thay đổi.
Hỡnh 3.11. Mụ tả kớch thước Payload.
Trong tiờu chuẩn MPEG - 2, dũng bớt tại đầu ra bộ mó hoỏ Video/Audio được gọi là dũng sơ cấp ES và là một khung Audio trong dũng Audio cơ bản. Cỏc dũng ES được đúng gúi trở thành: “Packetized Elementary Stream”, gọi là cỏc gúi PES. Cũng như mọi dạng thụng tin khỏc, PES bao gồm phần Header và phần Payload. Phần Payload của PES cú độ dài thay đổi. Cỏc gúi PES sau đú được chia ra thành cỏc gúi nhỏ hơn cú độ dài cố định gọi là gúi truyền tải TSP (Transport Stream Packet).
Mỗi loại gúi cấu trỳc nờn một dạng dũng dữ liệu sử dụng cho những ứng dụng khỏc nhau. Cỏc gúi PES cấu thành dũng chương trỡnh (Program Stream). Nếu chỳng được chia nhỏ thành cỏc gúi TS (Tranport Packet) thỡ tạo thành dũng truyền tải (Transport Stream). Ở phớa phỏt hiện đúng gúi và ghộp kờnh, cũn bờn thu sẽ mở gúi và giải mó.
Packet header Packet payload
Hỡnh 3.12. Hệ thống truyền tải MPEG -2
Lớp hệ thống (System layer) là phần mở rộng của MPEG -2 so với MPEG -1. MPEG -1 chỉ quy định quỏ trỡnh nộn, giải nộn và đồng bộ cho tớn hiệu video, audio trong lớp nộn. Lớp này mụ tả cỳ phỏp và cỏc dũng video và audio trong lớp nộn. Mỗi dũng này, một cỏch độc lập nhau, cấu thành cỏc dũng cơ bản (Elementary Stream - ES).
MPEG -2 trong lớp tăng cường của mỡnh là System Layer, xỏc định ký phỏp kết nối cỏc dũng video, audio riờng lẻ thành cỏc dũng đơn cho lưu trữ (dũng chương trỡnh - Program Stream) hoặc truyền dẫn (dũng truyền tải - Transport Stream) cũng như cỏc thụng tin cần thiết cho phõn kờnh và đồng bộ tại bờn thu. Cuối lớp hệ thúng (System Layer), cỏc thụng tin đồng hồ tham chiếu (System Clock Reference - SCR) và tem thời gian trỡnh diễn (Presentation Time Stamp) được xen vào dũng bit.
3.4.2. Dũng dữ liệu đúng gúi, dũng chương trỡnh và dũng truyền tải
Dữ liệu phần Payload Gói có dung lượng Max là 8 Kbyte
Số byte SC SI PL BS 3 2 2 1 SC SI Bắt đầu mã Xác định dòng Độ dài gói Dung lượng bộ đệm Mục đích PL BS 8 byte header Dòng #1 trình chương Dòng truyền tải #1 Đóng gói Đóng gói Đóng gói Đóng gói Đóng gói Video Audio M hóa và nénã M hóa và nénã Audio Dữ liệu Video M hóa và nénã Định dạng M hóa và nénã Audio PES Video PES G hé p kê nh #n #2 hé p kê nh Audio PES G hé p kê nh Data PES #2 Video PES G hé p kê nh T S
Dũng Video, Audio cơ bản qua bộ đúng gúi sẽ được phõn tỏch thành cỏc gúi PES với kớch cỡ bất kỳ. Nội dung của PES khởi nguyờn từ dữ liệu õm thanh, hỡnh ảnh MPEG - 2 gốc.
Cấu trỳc PES trong tiờu chuẩn MPEG - 2 như sau:
Hỡnh 3.13. Cấu trỳc gúi PES
Sau khi được đúng gúi, cỏc dũng Video, Audio cơ bản (Elementary Stream) trở thành cỏc dũng được đúng gúi PES (Packetized Elementary Stream).
b. Dũng chương trỡnh (Program Stream - PS) và dũng truyền tải (Transport Stream - TS)
Thụng thường, cú hai phương thức cung cấp thụng tin video tới người sử dụng: Từ mỏy phỏt VCR hoặc từ mạng truyền hỡnh quảng bỏ thụng qua cỏp, vệ tinh hay truyền thụng mặt đất. MPEG - 2 định nghĩa hai cụng cụ cho hai phương thức truyền tớn hiệu này là:Dũng chương trỡnh cho lưu trữ dữ liệu trờn ổ cứng hay đĩa CD-ROM và dũng truyền tải (Transport Stream) cho mạng cung cấp tớn hiệu video thời gian thực
truyềntải TS của gói Phần deader 2 2 1 1 1 13
Gói có độ dài 188 byte
Từ đồng bộ 47H
Số bít 4 byte
Cờ báo lỗi truyền dẫn (Error indicator) Bắt đầu gói PES (Packet start indicator) Chỉ định ưu tiên truyền dẫn Chỉ mục gói PES (Packet indentifier) Điều khiển trộn (Scramb control) Điều khiển trường thích nghi (Adaptation field control)
Phần header thích nghi có độ dài thay đổi Số liệu truyền tải (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mục đích 184 byte
Hỡnh 3.14. Định dạng dũng chương trỡnh, dũng truyền tảitừ dũng đúng gúi PES
Dũng chương trỡnh bao gồm cỏc gúi PES cú độ dài thay đổi. Dũng chương trỡnh được cấu thành từ sự ghộp nối cỏc dũng video và audio đúng gúi (PES), được thiết kế để truyền trờn cỏc kờnh tương đối ớt bị nhiễu (vớ dụ trong cỏc ứng dụng CD - ROM) bởi vỡ dũng chương trỡnh cú độ dài gúi thay đổi làm giảm tớnh chống nhiễu và bất cứ sự thất thoỏt, cấu trỳc dữ liệu nào cũng gõy ra những tỏc động vụ cựng xấu tới chất lượng hỡnh ảnh và õm thanh.
Dũng truyền tải: Nếu chia cỏc gúi PES cú độ dài khỏc nhau thành cỏc gúi TS cú độ dài khụng đổi (Mỗi gúi TS được bắt đầu bằng TS Header) và truyền cỏc gúi này đi, ta sẽ cú dũng truyền tải TS.
Hỡnh 3.15. Cấu trỳc gúi truyền tải (Tranport stream packet - TS) trong tiờu chuẩn MPEG - 2
Cỏc gúi TS cú độ dài khụng đổi là 188 byte, trong đú chứa thụng tin định thời, đồng bộ cũng như cụng cụ chớnh xỏc độ Jiter để đảm bảo truyền trờn cỏc truyền nhiễu như: Kờnh truyền hỡnh thụng thường ( thụng qua trạm mặt đất) cũng như cỏc kờnh truyền hỡnh cỏp.
Một trong những trường quan trọng nhất trong phần Header gúi TS là PID (Packet Identifie) và PCR (Presentation Clock Pefference). Tất cả cỏc gúi truyền tải đều cú số PID, sử dụng để xỏc định cỏc gúi truyền tải mang dữ liệu của cựng một dũng sơ cấp, đồng thời cũng định dạng loại dữ liệu được truyền tải trong phần Payload. Một số giỏ trị PID cú ý nghĩa đặc biệt trong MPEG - 2.
Bảng 3.6. Cỏc giỏ trị của số PID
Giỏ trị PID Mụ tả
0 x 0000 Bảng hiệp hội chương trỡnh
0 x 0000 Bảng truy cập cú điều kiện
0x0002 ữ 0x000 F Dành riờng
0x0010 ữ 0 x 1 FFE Dành cho dong PES, bảng MAP,
bảng mạng
Chuỗi Video #n
Chuỗi Video #n
Chuỗi Video #n+1
Chuỗi Video #n+1 Gói PES (độ dài thay đổi, lớn hơn 64Kbit)
Gói PES (độ dài thay đổi, lớn hơn 64Kbit) Chuỗi Video #n-1 Chuỗi Video #n-1 188 byte/gói Dòng sơ cấp Video Dòng sơ cấpVideo đ đóng góiã Các gói truyền tải Video Dòng sơ cấp Audio 188 byte/gói Các gói truyền tải Audio Dòng sơ cấp Audio đ đóng góiã Audio Video Video Audio Video Audio Dòng chương trình #3 Video Dữ liệu Audio 2 Audio 1 Video Dòng chương trình #1 Dòng chương trình #2
Cỏc gúi truyền tải cú PID = 0 mang dữ liệu của bảng hiệp hội chương trỡnh (Program Association Tabe)
Cỏc gúi TS cú số PID = 0 x10, trong phần payload mang dữ liệu audio, video của cỏc dũng sơ cấp.
Tốc độ truyền tải luụn luụn khụng đổi nờn cỏc gúi rỗng được thờm vào để duy trỡ tốc độ bớt ổn định cho dự tốc độ cỏc dũng sơ cấp là thay đổi. Trường PCR chứa thụng tin thời gian sử dụng cho đồng hồ đồng bộ 27 MHz trong bộ giải mó và giải mó.
Một chương trỡnh bao gồm một hay nhiều dũng cơ cấp với cựng thụng tin tham chiếu định thời. Nghĩa là một bộ PCR cung cấp thụng tin định thời cho tất cả cỏc loại số liệu: video, audio, được suy ra từ xung đồng bộ chủ. Hỡnh vẽ dưới đõy mụ tả quỏ trỡnh ghộp kờnh Audio, video tạo thành dũng truyền tải.
Hỡnh 3.16. Định dạng truyền tải MPEG - 2
3.4.3. Dũng truyền tải MPEG - 2
Dũng truyền tải MPEG - 2 với độ dài cỏc gúi TS (Transport Stream Packet) khụng đổi cú một số ưu điểm nổi bật sau:
+ Cấp phỏt dung lượng động:
Cỏc gúi TS với độ dài cố định tạo khả năng linh hoạt trong việc cấp