f Fr Rg Gb B′ +′ (2.1.9)
2.3CÁC KỸ THUẬT NÉN ẢNH 1Giới thiệu chung về kỹ thuật nén ả nh
Các hệ truyền hình (tương tự) NTSC, PAL, SECAM sử dụng nén thơng tin video bằng cách giảm độ rộng băng tần thành phần màu xuống ≤ 1,2 MHz do độ nhạy của mắt người cĩ giới hạn đối với tín hiệu màu ở tần số cao. Tiêu chuẩn định dạng video thành phần 4:2:2 ( CCIR-601) dùng độ rộng băng tần tín hiệu chĩi và màu là 5,75 MHz và 2,75 MHz (± 0,1 dB). Sau khi số hĩa, tốc độ bit tổng cộng của tín hiệu chĩi và màu là 270 Mbps. Giá trị này rất cao, khơng thể thực hiện được việc truyền tín hiệu video số qua vệ tinh với độ rộng dải tần một kênh 27 MHz hoặc qua hệ thống truyền hình quảng bá trên mặt đất với tiêu chuẩn 7÷8 MHz cho một kênh truyền hình tiêu chuẩn. Do vậy, nén tín hiệu video là cơng đoạn khơng thể thiếu
để khắc phục được những khĩ khăn trên.
Nén video trong những năm 1950 được thực hiện bằng cơng nghệ tương tự với tỉ số nén thấp. Sự phát triển của kỹ thuật số và việc sử dụng cơng nghệ số vào kỹ thuật truyền hình làm cho khái niệm “ nén video” trở thành đề tài nĩng hổi trong những năm gần đây. Từ những năm 1980, các nhà khoa học đã đạt được những thành tựu quan trọng trong việc nén tín hiệu video và audio. Cĩ rất nhiều hãng sản xuất thiết bị nén, nhưng đều dựa trên hai định dạng nén rất phổ biến là JPEG và MPEG.
Trong lĩnh vực truyền thơng video, kỹ thuật xử lý tín hiệu chủ yếu tập trung vào mục
đích nén. Người ta thường sử dụng 3 phương pháp nén đối với hình ảnh dựa vào các loại độ
dư: dư thừa khơng gian, dư thừa phổ và dư thừa tâm sinh lý nhìn.
Nén về cơ bản là một quá trình trong đĩ số lượng số liệu (data) biểu diễn lượng thơng tin của một ảnh hoặc nhiều ảnh được giảm bớt bằng cách loại bỏ những số liệu dư thừa trong tín hiệu video. Các chuỗi ảnh truyền hình cĩ nhiều phần ảnh giống nhau. Vậy tín hiệu truyền hình cĩ chứa nhiều dữ liệu dư thừa, ta cĩ thể bỏ qua mà khơng làm mất thơng tin hình ảnh. Đĩ là các phần xĩa dịng, xĩa mành, vùng ảnh tỉnh hoặc chuyển động rất chậm,vùng ảnh nền giống nhau, mà ởđĩ các phần tử liên tiếp hoặc khác nhau rất ít. Ngồi ra, để tăng hệ số nén
ảnh động, chuyển động trong ảnh truyền hình phải được dự báo, khi đĩ, ta chỉ cần truyền các thơng tin về hướng và mức độ (vector) chuyển động của các vùng ảnh khác nhau. Các phần tử
lân cận trong ảnh thường giống nhau, do đĩ chỉ cần truyền các thơng tin biến đổi. Các hệ
thống nén sử dụng đặc tính này của tín hiệu video và các đặc trưng của mắt người (là kém nhạy với sai số trong hình ảnh cĩ nhiều chi tiết và các phần tử chuyển động). Quá trình giải nén ảnh là quá trình xấp xỉđể khơi phục ảnh gốc (thường thực hiện ở phía thu).
Một hệ thống nén video tiêu biểu (hay bộ mã hố nguồn) bao gồm: bộ chuyển đổi, bộ
lượng tử hố, bộ mã hố (Hình 2.4.1) Bộ chuyển đổi Bộ lượng tử hĩa Tín hiệu nén Bộ mã hĩa Tín hiệu gốc Hình 2.3.1: Sơđồ khối hệ thống nén ảnh tiêu biểu
- Bộ chuyển đổi: thường dùng phép biến đổi Cosin rời rạc để tập trung năng lượng tín hiệu vào một số lượng nhỏ các hệ số khai triển để thực hiện phép nén hiệu quả hơn là dùng tín hiệu nguyên thủy.
- Bộ lượng tử hố: tạo ra một lượng ký hiệu giới hạn cho ảnh nén với hai kỹ thuật: lượng tử vơ hướng (thực hiện lượng tử hố cho từng phần dữ liệu) và lượng tử vectơ (thực hiện lượng tử hố một lần một khối dữ liệu). Quá trình này khơng thuận nghịch.
- Bộ mã hố: gán một từ mã, một dịng bit nhị phân cho mỗi ký hiệu.
Các hệ thống nén được phân biệt dựa trên sự kết hợp khác nhau giữa 3 bộ xử lý trên và
được phân loại như sau:
- Hệ thống nén khơng mất thơng tin (lossless data reduction): thực hiện tối thiểu tốc độ bit mà khơng làm méo ảnh, hệ thống cịn gọi là nén tồn bit hay cĩ tính chất thuận nghịch.
- Hệ thống nén cĩ mất thơng tin (loss data reduction): đạt được độ trung thực tốt nhất đối với tốc độ bit cho trước, hệ thống phù hợp áp dụng cho tín hiệu âm thanh và hình ảnh vì cĩ hệ số nén cao.
Trong sơđồ Hình 2.3.1, tầng chuyển đổi và tầng mã hố là nơi tín hiệu xử lý khơng bị
tổn thất, tầng lượng tử là cĩ tổn thất. Ngồi ra, dưa trên quan điểm về tổn thất chúng ta cĩ thể
phân biệt hai loại mã hố như sau: mã hố entropy (mã hố khơng tổn thất) và mã hố nguồn (mã hố cĩ tổn thất).