Số hoá tắn hiệu videọ

Lấy mẫu tắn hiệu Videọ

Tắn hiệu video tương tự ựược chia thành 2 loại chắnh: Tắn hiệu video thành phần (component video) và tắn hiệu video tổng hợp (composite video).Có 2 dạng thức lấy mẫu: Lấy mẫu tắn hiệu video tổng hợp (PAL, NTSC) và lấy mẫu tắn hiệu video thành phần : Y, R-Y và B-Y

Lấy mẫu tắn hiệu video tổng hợp ( video composite). Theo ựịnh lý lấy mẫu Nyquist -

Shannon thì tần số lấy mẫu phải ≥ 2 lần tần số lớn nhất của tắn hiệu (sẽ tránh ựược hiện tượng chồng phổ). Với dải thông video là 6 MHz thì tần số lấy mẫu tối thiểu cho tắn hiệu video phải lớn hơn hoặc bằng 12 MHz. Tuy nhiên nếu chọn tần số lấy mẫu ( f_sa ) không có quan hệ với tần số sóng mang màu (f_sc) thì có hiện tượng xuyên ựiều chế giữa fsa và fsc, gây ra méo tắn hiệu sau khi khôi phục. Có thể chọn tần số lấy mẫu f_sa = 3f_sc, tuy nhiên chất lượng không ựáp ứng ựược cho Studiọ Tiêu chuẩn tần số lấy mẫu ựược áp dụng cho video số composite là: f_sa = 4f_sc .

Như vậy tần số lấy mẫu ựối với tắn hiệu tổng hợp hệ PAL: 4,433.MHz ừ 4 = 17,7344 MHz .Sử dụng cấu trúc lấy mẫu trực giao, mỗi mẫu ựược lượng tử hoá 8 bit hoặc 10 bit sẽ tạo ra dòng bit nối tiếp có tốc ựộ 141,76 Mbps hoặc 177,2 Mbps. Tắn hiệu Video tổng hợp dưới dạng số có chất lượng hạn chế do không thể giải quyết các vấn ựề pha tải màu, can nhiễu giữa tắn hiệu chói và màu nên không còn ựược sử dụng rộng rãi trong những năm gần ựâỵ

Lấy mẫu tắn hiệu video thành phần (component)

Lấy mẫu và mã hoá tắn hiệu video thành phần có ưu ựiểm là loại bỏ ựược sự phức tạp về tải tần màu và các méo khác mà lấy mẫu tắn hiệu video tổng hợp không thể ựạt ựược. Theo khuyến nghị 601 của ITU ( ITU-R.BT601/656) việc số hoá tắn hiệu của cả hai hệ thống 625 dòng và 525 dòng dựa trên việc số hoá các thành phần Y, C_R C_B, với

C_R= 0,71(R-Y) và C_B = 0,564(B-Y ). Tần số lấy mẫu tắn hiệu chói ựược chọn chung, bằng bội số nguyên của tần số dòng cho cả hai hệ 625 dòng & 525 dòng. Tần số lấy mẫu của tắn hiệu chói Y:

f_{Sa luminance} = 858 f_{h 525} = 864f_{h 625} = 13,5 MHz.

Tần số lấy mẫu tắn hiệu màu tuỳ thuộc theo chuẩn lấy mẫu ( tỷ lệ lấy mẫu giữa tắn hiệu chói và các tắn hiệu màu) . Cấu trúc lấy mẫu trực giao các tắn hiệu Y, C_R C_B theo chuẩn lấy mẫu 4:4:4 ; 4:2:2 ; 4:2:0 ; 4:1:1. Cấu trúc này ựược mô tả ở hình vẽ dướị Trong tiêu chuẩn này, các mẫu ựược lượng tử và biểu diễn bằng 8 bit hoặc 10 bit/mẫụ Lượng tử hoá 8 bit ta có 256 mức lượng tử và 10 bit là 1024 mức lượng tử, các mức này ựược qui ựịnh khoảng bảo vệ cần thiết phù hợp với từng thành phần tắn hiệu videọTốc ựộ dòng dữ liệu theo chuẩn lấy mẫu 4: 2: 2 (PAL) Khi lấy mẫu 10 bit: (864 + 432+ 432) ừ 625 ừ25ừ10 = 270 (Mbit/s) Với hệ PAL 625 dòng: có 576 dòng tắch cực, mỗi dòng tắn hiệu chói ựược biểu diễn bằng 720 mẫu ta có tốc ựộ dòng dữ liệu tắch cực theo chuẩn lấy mẫu 4: 2: 2 khi lấy mẫu 8 bit: (720 + 360+ 360) ừ576

ừ25ừ 8 = 166 (Mbit/s) , khi lấy mẫu 10 bit: (720 + 360+ 360) ừ576 ừ25ừ10 = 207 (Mbit/s) . Chuẩn 4:2:2 cho chất lượng hình ảnh cao nên ựược sử dụng là chuẩn trong sản xuất chương trình (Studio), chuẩn 4:1:1 có chất lượng màu kém hơn so với 4: 2: 2 nhưng có tốc ựộ bit thấp hơn nên ựược sử dụng làm các chương trình thời sự, khoa học giáo dục ....Trong công ựoạn phát sóng sử dụng chuẩn 4: 2: 0, chất lượng hình khi phát sóng tương ựương với sử dụng thiết bị Betacam Analog. Tuy nhiên tốc ựộ bit lớn sẽ ựòi hỏi bộ nhớ lớn khi lưu trữ và dải thông dải rộng khi truyền dẫn. Do ựó cần phải nén dòng bit video, tức là cần phải biểu diễn dòng bit video với tốc ựộ bit thấp hơn mà chất lượng hình ảnh không bị suy giảm hoặc suy giảm ở mức chấp nhận ựược.

Lượng tử hoá & mã hoá

Lượng tử hoá là quá trình biến ựổi biên ựổi tắn hiệu tương tự thành một tập hợp các mức rời rạc hữu hạn. Khoảng cách giữa hai mức kề nhau ựược gọi là bước lượng tử. Số các mức lượng tử ựược xác ựịnh theo biểu thức: n

diễn 1 mẫu . Có 2 phương thức lượng tử : Lượng tử hoá tuyến tắnh- các bước lượng tử ựều bằng nhau và Lượng tử hoá phi tuyến- các bước lượng tử khác nhau . Quá trình lượng tử tắn hiệu tương tự sẽ tạo ra sai số , gọi là sai số lượng tử (e_q) là sự khác nhau giữa tắn hiệu ựầu ra ựã lượng tử Q(x) so với ựầu vào (x) e_q = x - Q(x) .

Với nguồn tắn hiệu video có phân bố ngẫu nhiên thì sai số lượng tử phụ thuộc vào số bit biểu diễn mẫu, khoảng cách giữa các bước lượng tử, tắnh thống kê của nguồn tắn hiệụ Sai số lượng tử (e_q) là một nguồn nhiễu (nhiễu lượng tử) không thể tránh khỏi trong hệ thống số. Với các ứng dụng trong truyền hình người ta sử dụng lượng tử hoá 8 bit, 10 bit hoặc 12bit. Hầu hết các thiết bị có chất lượng cao ựều sử dụng lượng tử hoá 10bit/mẫu ( 2¹⁰ = 1024 mức lượng tử ) .

Sau quá trình lượng tử hoá là quá trình mã hoá các mẫu ựể tạo thành chuỗi dữ liệu nhị phân gồm các bit 0 và 1.

1.3.2.3.Nén tắn hiệu videọ

Tắn hiệu Video ựã từng ựược nén từ những năm 1950. Cùng với sự ra ựời của hệ truyền hình mầu (PAL,NTSC và SECAM), ba tắn hiệu (R,G,B) với tổng bề rộng dải thông 15MHz ựã ựược nén xuống còn ~5MHz. Kỹ thuật nén thực hiện bằng công nghệ Analog nên ựạt ựược tỷ lệ nén thấp. Kỹ thuật nén sử dụng công nghệ số ựạt hệ số nén rất cao .

Các phương pháp nén tắn hiệu video số

Nén video về cơ bản là một quá trình loại bỏ các thông tin dư thừa trong tắn hiệu Video . Việc loại bỏ ựộ dư thừa về cảm nhận của hệ thống thị giác con người, ựộ dư thừa về mặt không gian - gọi là loại nén không tổn hao (lossless compression). để có hiệu quả nén cao hơn, nghĩa là có tỷ số nén cao hơn, người ta loại bỏ các thông tin ắt quan trọng và chấp nhận một mức ựộ suy giảm nhất ựịnh của chất lượng hình ảnh,

ựây là phương pháp nén có tổn hao (lossy compression).Nén không tổn hao cho tỷ

nội dung của ảnh ựược nén, kết quả sau nén là tốc ựộ bit thay ựổị Các kỹ thuật nén không tổn hao bao gồm:

-Sử dụng phép biến ựổi thuận DCT (Discrete Cosine Transform) biểu diễn các giá trị ựiểm ảnh (picxel) bằng các hệ số DCT.

- Áp dụng mã hoá RLC (Run Length Coding). Kỹ thuật này dựa vào sự lặp lại cùng giá trị mẫu dữ liệu ựể tạo ra các mã ựặc biệt chỉ thị ựiểm bắt ựầu và kết thúc các giá trị ựược lặp lạị

-VLC (Variable Length Coding) còn ựược gọi là mã hoá Huffman và mã hoá Entropy dựa trên xác suất các giá trị biên ựộ giống nhau trong một ảnh, gán một mã ngắn cho các giá trị có xác suất xuất hiện cao nhất và các từ mã dài cho các xác suất xuất hiện còn lại trong ảnh.

-Trong các quá trình trên, tắn hiệu không tắch cực (vắ dụ như thông tin xoá dòng, mành) ựược loại bỏ, như vậy tốc ựộ dòng bit gốc là tốc ựộ của nội dung vùng ảnh tắch cực. Thông tin nhận biết khoảng xoá dòng và xoá mành ựược thay bằng các từ mã ựồng bộ ngắn hơn.

Nén có tổn hao ựược thực hiện bằng cách loại bỏ các thông tin không quan

trọng của hình ảnh và giữa các ảnh ựể tăng hiệu quả nén. Nén có tổn hao có thể ựạt tỷ lệ nén từ 2:1 ựến 100:1 và kết quả là có tổn hao dữ liệu và giảm chất lượng ảnh sau khi giải nén vì có sự làm tròn và giảm dữ liệu trong ảnh và giữa các ảnh .Tốc ựộ dữ liệu trong các hệ thống nén có ựộ tổn hao là sự thoả hiệp về yêu cầu chất lượng hình ảnh. Kỹ thuật nén có tổn hao bao gồm:

- Áp dụng lấy mẫu băng con cho các tắn hiệu: Các ảnh ựược chia thành các tổ hợp khối lớn MB (Macro Block), mỗi MB lại ựược chia thành 4 khối (Block) con không chồng nhaụ Kắch thước của block ựược qui ựịnh là 8ừ8 pixel.

- Lượng tử hoá các hệ số DCT và làm tròn.

- Sử dụng phương pháp ựiều chế xung mã vi sai DPCM (Differential Pulse Code Modulation): Chỉ truyền các phần chênh lệch giữa các mẫụ Thực hiện truyền 1 giá

trị mẫu ựầy ựủ theo chu kỳ. Các thành phần tần số cao của tắn hiệu ựược lượng tử hoá thô và biểu diễn bằng các tắn hiệu vi saị Sau ựó nén các dữ liệu này bằng cách mã hóa Entropy, sử dụng các mã không tổn hao Huffman, RLC, quá trình này sẽ cho phép biểu diễn một khối các Bytes của ựiểm ảnh (pixel) bằng số lượng bit nhỏ và giảm tốc ựộ dữ liệu hiệu quả và kinh tế nhất.

Nén video số MPEG

MPEG là từ viết tắt cho Nhóm những chuyên gia nghiên cứu về hình ảnh chuyển ựộng. MPEG (Moving Picture Expert Group) ựược thành lập vào năm 1988 bởi các tổ chức ISO, IEC có nhiệm vụ nghiên cứu soạn thảo tiêu các chuẩn nén Audio, Video số. MPEG có tắnh linh hoạt cao, với tốc ựộ bit truyền có thể ựược ựiều chỉnh ựể thỏa mãn yêu cầu ứng dụng. Chuẩn MPEG-2 4: 2: 0 MP @ ML (main profile at high level ) ựược chọn là chuẩn tắn hiệu ựầu vào của hệ thống truyền dẫn DVB.

Nén video số theo tiêu chuẩn MPEG-2

NĐn ờnh I (NĐn trong ờnh)

Hình vẽ: Quị trừnh giờm dọ liỷu thùc hiỷn vắi ờnh I

Y CR C_B ậỡnh dỰng Block & MB AC 2D DCT VLC Buffer ậiÒu khiÓn tèc ệé bit Scaling Factor DPCM L−ĩng tỏ hoị Zig-Zag Scanning ^RLC Bờng Huffman Block Entropy Classes NhẺn dỰng block ^{Bờng l−ĩng} tỏ hãa DC ITỤRẹ601

Nén ảnh I (Intra-Picture):Là kỹ thuật nén trong ảnh nhằm giảm bớt thông tin dư thừa trong miền không gian. Nén trong ảnh sử dụng cả hai quá trình có tổn hao và không có tổn hao ựể giảm bớt dữ liệu trong ảnh. Quá trình này không sử dụng thông tin của ảnh trước và sau ảnh ựang xét và co tất cả các thông tin cần thiết ựể tái tạo lại ảnh sau giải mã. Vì mang ựầy ựủ các thông tin cho quá trình tái tạo lại ảnh nên tỉ lệ nén ựạt ựược rất thấp.

+ 1 Macroblock bao gồm 4 khối (block) các mẫu (samples). Mỗi block có kắch thước 8ừ 8 = 64 mẫụ Cấu trúc của macroblock phụ thuộc vào phương thức quét ảnh. Nếu quét liên tục thì các block bao gồm các mẫu từ các dòng liên tục. Trong trường hợp nếu quét xen kẽ, trong một block chỉ có các mẫu của một nửa ảnh.

+ DCT Là quá trình xử lý giá trị các khối dữ liệu các pixel thành các khối hệ số trong miền tần số. Quá trình biến ựổi DCT thuận cho quá trình mã hoá ựược xác ựịnh như sau: 16 v ) 1 k 2 ( 7 0 j 7 0 k ¹⁶ u ) 1 j 2 ( 4 ) v ( C ) u ( C Cos . Cos ) k ,j ( f ) v , u ( F ^{+ π} = = π +

∑ ∑

Áp dụng cho quá trình giải mã: biến ựổi ngược

trong ựó: f(j,k) - các mẫu gốc trong khối 8x8 pixel F(u,v) - các hệ số của khối DCT 8x8 0< u <7 , 0 <v <7

2

1 nếu u,v = 0

1 nếu u,v = 1, 2, 3. . ,7

Hệ số DC có giá trị lớn, biểu diễn giá trị trung bình của khối 8x8 pixel, trong khi các hệ số AC có giá trị rất nhỏ thể hiện năng lượng tập trung ắt ở các thành phần tần số cao theo chiều ngang và ựứng.

C(u), C(v) : 16 v ) 1 k 2 ( 7 0 u 7 0 v ¹⁶ u ) 1 j 2 ( v , u 4 1

C(u)C(v)F Cos .Cos

)

k

,j

(

f

∑ ∑

=

Hừnh 2.7

(a) QuĐt zigzag _{(b) QuĐt lẵn l−ĩt thay ệữi}

+ Lượng tử hoá(Quantizer) là bước tiếp theo trong quá trình mã hoá ảnh loại I là lượng tử hoá các hệ số F(u,v). Các hệ số tương ứng với tần số thấp có các giá trị lớn hơn, và như vậy nó chứa phần năng lượng chắnh của tắn hiệu, do ựó phải lượng tử hoá với ựộ chắnh xác caọ Ngược lại, ựối với các hệ số tương ứng với tần số cao và có các giá trị nhỏ, thì có thể biểu diễn lại bằng tập giá trị nhỏ hơn hẳn các giá trị cho phép hay là lượng tử hoá ắt mức hơn (thô hơn).

Lượng tử hoá ựược thực hiện bằng việc chia hệ số F(u,v) cho ău,v) trong ựó ău,v) là giá trị trong bảng lượng tử hóạ Các hệ số có tần số thấp ựược chia cho các số nhỏ, ngược lại các hệ số tần số cao ựược chia cho các số lớn. Kết quả ta nhận ựược bảng FỖ(u,v) mới, trong ựó phần lớn các hệ số có tần số cao sẽ bằng 0.

+ Quét các hệ số DCT . Các hệ số DCT ựược lượng tử hóa, sau ựó thực hiện quét zigzag hoặc quét lần lượt thay ựổị Cách quét lần lượt thay ựổi (alternate) biến ựổi mức pixel ựến pixel theo chiều ựứng của các ảnh gốc, cho kết quả giải tương quan tốt hơn. Hình 2.7 là hai cách quét các hệ số DCT.

Trong tiêu chuẩn nén MPEG-2: quét Zigzag ựược áp dụng cho hình ảnh quét liên tục ( ảnh frame). Kiểu quét lần lượt thay ựổi (alternate) ựược áp dụng cho các Block của hình ảnh quét xen kẽ ( ảnh Field)

+ MP hoị ệé dội chỰy RLC vộ mP hãa ệé dội thay ệữi VLC ệ−ĩc thùc hiỷn bỪng bờng mP Huffman nhỪm giờm tèc ệé bÝt . Quị trừnh giời mP ờnh loỰi I dùa trến cể sẻ thùc hiỷn thuẺt toịn ng−ĩc vắi quị trừnh ệP nãi ẻ trến, sỏ dông phĐp biạn ệữi DCT ng−ĩc.

+ Bé ệỷm (Buffer) .Tõ mP VLC ệ−ĩc tỰo vắi tèc ệé thay ệữi, phô thuéc vộo mục ệé phục tỰp cựa ờnh, vộ ệ−ĩc ghi vộo bé nhắ ệỷm. Dưng dọ liỷu ệ−ĩc ệảc ra tõ bé nhắ ệỷm vắi tèc ệé khềng ệữị Cể chạ ệiÒu khiÓn bé nhắ ệỷm lộ ệờm bờo bé nhắ khềng d−ắi ng−ìng (underflow) hoẳc khềng trộn (overflow) bỪng cịch thay ệữi hỷ sè

thang ệé (scanning factor) dỉng cho bờng trảng sè. Nạu bé nhắ sớp ệẵy, thừ sỳ l−ĩng tỏ hãa thề hển ệÓ tỰo it bit hển bỪng cịch tẽng hỷ sè thang ệé cựa bé l−ĩng tỏ, do vẺy ệiÒu hoộ ệ−ĩc dưng bit ệi vộo bé ệỷm.

NĐn ờnh loỰi P (nĐn liến ờnh)

ờnh loỰi P (Predicted-Picture): Lộ cịc ờnh dù ệoịn ệ−ĩc tõ ờnh I hoẳc ờnh P

tr−ắc ệã nhê sỏ dông cịc thuẺt toịn dù ệoịn bỉ chuyÓn ệéng ( nĐn liến ờnh ). NĐn ờnh P cho hỷ sè nĐn cao hển ờnh I vộ cã thÓ sỏ dông lộm mét ờnh so sịnh cho viỷc bỉ chuyÓn ệéng cho cịc ờnh P vộ B khịc. Hừnh 2.8 mề tờ nguyến lý ệịnh giị chuyÓn ệéng vộ bỉ chuyÓn ệéng cho ờnh loỰi P.

Macro Block 16 x16 pixel Motion Vector

Hừnh 2.8

ậÓ dù ệoịn chÝnh xịc thừ cẵn so sịnh tõng pixel (phẵn tỏ nhá nhÊt cựa ờnh) cựa 2 ờnh liến tiạp. Nh−ng nạu thùc hiỷn nh− vẺy thừ ta lỰi phời truyÒn mét sè l−ĩng ệă sé cịc vector chuyÓn ệéng. Nạu so tõng vỉng lắn thừ chÊt l−ĩng hừnh ờnh thÊp. MPEG ệP chản vỉng dù ệoịn bỉ chuyÓn ệéng lộ 16x16 pixel (1 Macroblock). MP hoị ờnh loỰi P

dùa trến viỷc truyÒn cịc vector chuyÓn ệéng vộ cịc mÉu ờnh chếnh lỷch. Trong hẵu hạt cịc tr−êng hĩp , ph−ểng phịp nộy cho phĐp nĐn sè liỷu vắi tũ lỷ nĐn lắn hển ph−ểng phịp mP hoị ờnh loỰi I.

NĐn ờnh B

ờnh B lộ ờnh dù ệoịn hai chiÒu (Bi-directional predicted picture) ệ−ĩc mP hoị sỏ dông phĐp néi suy giọa cịc ờnh I vộ ờnh P ẻ tr−ắc vộ sau ệã (nĐn liến ờnh). ờnh B

khềng ệ−ĩc sỏ dông ệÓ mP hoị cịc ờnh tiạp theọ Cịc ờnh B cho tử lỷ nĐn cao nhÊt.

Ph−ểng phịp mP hoị ờnh loỰi B còng gièng nh− ph−ểng phịp mP hoị ờnh P. Tuy nhiến ệiÓm khịc nhau lộ ẻ chẫ ệèi vắi mẫi macroblock ờnh loỰi B sỳ từm cịc macroblock gièng nhau cựa cịc pixel trong 2 ờnh tr−ắc vộ saụ Mẫi macroblock ta

Xịc ệỡnh vector chuyÓn

Hừnh 2.9

Xịc ệỡnh dù bịo ờnh Bé nhắ ờnh ∑ ∑ ∑