H.264 là tiêu chuẩn nén hình ảnh, được biết đến như MPEG-4 Part 10 hoặc AVC (Advanced Video Coding). Phiên bản đầu tiên của H.264/AVC được hoàn thiện vào tháng 5/2003. H.264/AVC tạo ra một tiêu chuẩn có khả năng cung cấp chất lượng hình ảnh tốt tại tốc độ bít thấp hơn các tiêu chuẩn trước đó như MPEG-2, H.263, hoặc MPEG-4 mà không cần tăng độ phức tạp về cấu trúc. Hơn nữa tiêu chuẩn này được áp dụng cho các ứng dụng trên các hệ thống và mạng đa chủng loại, gồm tốc độ bít cao và thấp, lưu trữ DVD, quảng bá, hình ảnh với độ phân giải thấp và
H.264 được đặt tên theo dòng tiêu chuẩn H.26x của ITU-T, trong khi AVC theo phía ISO/IEC MPEG. Mục đích của H.264 là tạo ra một chuẩn có khả năng cung cấp chất lượng video cao ở tốc độ bit thấp hơn hẳn (bằng một nửa hoặc thấp hơn nữa) so với yêu cầu của các chuẩn trước đó (MPEG-2, H.263 hay MPEG-2 Part 2) mà không làm tăng nhiều sự phức tạp trong thiết triển khai. Một mục tiêu khác đó là cho phép tiêu chuẩn được áp dụng cho nhiều kiểu ứng dụng (cho cả tốc độ bit thấp và cao, và cả độ phân giải video thấp và cao) và có thể làm việc tốt trên nhiều kiểu mạng và hệ thống (quảng bá, lưu trữ DVD, mạng gói RTP/IP, các hệ thống điện thoại đa phương tiện của ITU-T).
JVT gần đây đã hoàn thiện việc phát triển một số mở rộng so với chuẩn ban đầu, được biết đến với tên gọi Mở rộng phạm vi độ trung thực (Fidelity Range Extensions, FRExt). Các mở rộng này hỗ trợ mã hóa video trung thực cao bằng cách tăng độ chính xác lấy mẫu (bao gồm mã hóa 10 bit và 12 bit) và thông tin mầu sắc độ phân giải cao (bao gồm các cấu trúc lấy mẫu YUV 4:2:2 và YUV 4:4:4). Nhiều đặc điểm khác cũng được thêm vào trong các mở rộng FRExt như chuyển đổi thích ứng giữa các khối 4x4 và 8x8, các ma trận trọng số lượng tử hóa dựa trên cảm biến của các bộ mã hóa cụ thể, hỗ trợ thêm nhiều không gian mầu sắc, ...
Một số tính năng mới của H.264/MPEG-4 Part 10 cho phép chuẩn này nén các tín hiệu video hiệu quả hơn so với các chuẩn cũ và và linh hoạt hơn cho các ứng dụng trong các môi trường mạng. Một số các tính năng quan trọng đó là:
* Bù chuyển động đa hình sử dụng các hình ảnh đã được mã hóa trước đó làm tham chiếu theo cách linh hoạt hơn các chuẩn cũ, cho phép lên tới 32 hình ảnh tham chiếu được sử dụng (các chuẩn cũ chỉ sử dụng 1, hoặc 2 với trường hợp B picture). Tính năng đặc biệt này cho phép cải thiện tốc độ bit và chất lượng trong hầu hết các trường hợp.
* Bù chuyển động block có kích thước biến đổi với kích thước block rộng đến 16x16 và nhỏ đến 4x4, cho phép phân mảnh chính xác các vùng chuyển động.
* Cấu trúc cặp macroblock, cho phép các macroblock kích thước 16x16 (so với 16x8 ở MPEG-2).
* Độ chính xác bù chuyển động lên đến 1/4 pixel, cho phép thể hiện chính xác các dịch chuyển của vùng chuyển động.
* Đánh số khung, cho phép tạo ra các chuỗi con (điều chỉnh về thời gian bằng cách gộp một ảnh giữa các ảnh khác), phát hiện và giấu các hình bị mất (xảy ra do mất gói trên mạng hoặc lỗi kênh).
được chuyển đi và điều khiển độc lập bởi hệ thống mà không ảnh hưởng đến nội dung hình ảnh được giải mã).
Các kỹ thuật này, cùng với nhiều kỹ thuật khác, làm cho H.264 hoạt động tốt hơn so với các tiêu chuẩn trước, trong nhiều trường hợp và môi trường ứng dụng khác nhau. H.264 thường làm việc tốt hơn rất nhiều so với MPEG-2, cho chất lượng tốt hơn ở tốc độ bít chỉ bằng một nửa hoặc thấp hơn so với yêu cầu của MPEG-2. H.264 cung cấp các profile sau:
* Baseline profile (BP): Dùng cho các ứng dụng chi phí thấp đòi hỏi ít tài nguyên hơn, chủ yếu dùng cho các ứng dung hội nghị truyền hình và di động.
* Main Profile (MP): Dùng cho các ứng dụng quảng bá và lưu trữ.
Extended profile (XP): Có khả năng nén khá cao, giảm thiểu khả năng mất dữ liệu. * High Profile (HiP): Dùng cho các ứng dụng quảng bá và lưu trữ đĩa, đặc biệt cho các ứng dụng truyền hình yêu cầu độ nét cao (HD-DVD, Bluray disc).
* High 10 Profile (Hi10P): Được xây dựng bên trên của HiP, hỗ trợ độ 10 bit trên một mẫu của độ chính xác của hình ảnh được giải mã.
* High 4:2:2 Profile (Hi422P): dùng cho các ứng dụng chuyên nghiệp sử dụng video quét xen kẽ, được xây dựng bên trên của Hi10P, hỗ trợ khuôn dạng lấy mẫu sắc độ 4:2:2 trong khi sử dụng 10 bit trên một mẫu của độ chính xác của hình ảnh được giải mã.
* High 4:4:4 Profile (Hi444P): được xây dựng bên trên của Hi422P, hỗ trợ lấy mẫu sắc độ 4:4:4, lên đến 12 bit trên một mẫu.
MPEG đã tích hợp đầy đủ các hỗ trợ của H.264/AVC vào các hệ thống tiêu chuẩn của mình (MPEG-2 và MPEG-4) và các tập tin đa phương tiện theo tiêu chuẩn ISO.
ITU-T đã đưa H.264/AVC vào bộ tiêu chuẩn H.32x cho hệ thống điện thoại đa phương tiện. Dựa trên các tiêu chuẩn ITU-T, H.264/AVC được sử dụng rộng rãi cho ứng dụng hội nghị truyền hình, và đã được ứng dụng trong các sản phẩm của các công ty chiếm ưu thế trên thị trường (như Polycom và Tendberg). Điều quan trọng hơn cả là tất cả các sản phẩm hội nghị truyền hình mới đều hỗ trợ H.264/AVC.
H.264 cũng được sử dụng trong nhiều loại dịch vụ Video-on-Demand trên Internet để cung cấp phim và các show diễn truyền hình trực tiếp đến máy tính và máy thu hình và có khả năng sẽ thay thế chuẩn mã hóa H.262/MPEG-2 hiện tại đang sử dụng trong các hệ thống truyền hình số quảng bá mặt đất và vệ tinh.
Yêu cầu về băng thông của các chuẩn nén:
ở dải băng thông thấp. Chất lượng video của chuẩn H.264 tại băng thông 1,5 Mbps tốt hơn so với chuẩn MPEG-2 ở băng thông 3 Mbps. Sử dụng chuẩn nén H.264 có thể tiết kiệm được hơn một nửa băng thông.
Các lợi ích của H.264/AVC:
* Hiệu quả nén gấp đôi, tốc độ nén bằng một nửa so với chuẩn MPEG-2 yêu cầu đối với hình ảnh chất lượng cao và giảm được được dung lượng lưu trữ cần thiết.
* Cho phép nhiều nội dung hơn được truyền đi trên hệ thống có sẵn với tốc độ bít thấp hơn.
* Chi phí truyền dẫn thấp hơn do thời gian truyền giảm một nửa.
* Chi phí triển khai thấp hơn với công nghệ H.264/AVC xây dựng trên nền tảng tiêu chuẩn, phần cứng xử lí không độc quyền.
* Kết hợp hợp với một lớp thích ứng mạng (Network Adaptation Layer) để cung cấp một cách linh hoạt khả năng truyền tải qua mạng chuyển mạch gói và luồng bít, cho phép nâng cấp một cách dễ dàng các giải pháp phân phối dựa trên MPEG-2.
* Sử dụng một thiết lập chung về công nghệ giữa mobile và IPTV : luồng TCP/ UDP + H.264/AVC.
Bảng 4:Yêu cầu về băng thông đối với các chuẩn nén
Độ nét tiêu chuẩn Độ nét cao Ứng dụng
MPEG-1 Lên đến 1,5 Mbps - Video on Internet, MP3
MPEG-2 4 - 5 Mbps 18 - 20 Mbps Digital TV, DVD MPEG-4 Part 10; H.264 2 - 4 Mbps 8 - 10 Mbps Multi video Tempete CIF 30Hz 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Bit-rate [kbps] Quality Y-PSNR [dB] MPEG-2 H.263 MPEG-4 ASP JVT/H.264/AVC Tempete CIF 30Hz 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Bit-rate [kbps] Quality Y-PSNR [dB] MPEG-2 H.263 MPEG-4 ASP JVT/H.264/AVC
Hình 12:So sánh về yêu cầu băng thông, lưu trữ và thời gian tải của các chuẩn nén
2.5.Giao thức mạng
Dịch vụ IPTV bao gồm cả truyền hình trực tiếp (live TV) và truyền hình được lưu trữ sẵn (Video on Demand). Việc xem truyền hình qua IPTV cần một máy tính hoặc thiết bị “set-top-box” được kết nối tới TV. Các nội dung truyền hình được nén sử dụng chuẩn MPEG-2 hoặc MPEG-4 và được gửi đi dưới dạng luồng truyền tải MPEG qua IP Multicast trong trường hợp truyền hình trực tiếp hoặc qua IP Unicast trong trường hợp truyền hình theo yêu cầu. IP Multicast là phương pháp mà thông tin được truyền đến các máy tính trong cùng thời điểm.
Hình 13:So sánh các phương thức truyền dẫn
luồng multicast (TV channel) hoặc dùng để chuyển các kênh truyền hình. * VoD sử dụng giao thức luồng thời gian thực (RTSP)
* Ghi hình ảnh cá nhân trên mạng (NPRV)
Multicast, còn được gọi là multiplex broadcast, là cách truyền thông tin tới một nhóm các đích đến một cách đồng thời sử dụng một phương pháp hiệu quả để truyền các bản tin trên mỗi kết nối của mạng chỉ một lần và chỉ tạo ra các bản sao khi các kết nối đến các đích đến rẽ nhánh.
Thuật ngữ đa hướng (Multicast) thường được sử dụng để ám chỉ đến IP Multicast, vốn là một giao thức được sử dụng để truyền một cách hiệu quả số liệu đến nhiều người nhận cùng một lúc trên các mạng sử dụng giao thức TCP/IP bằng cách sử dụng một địa chỉ đa hướng. IP Multicast thường có liên quan đến các giao thức audio/video như RTP.
Có nhiều kỹ thuật đa hướng được sử dụng trên Internet. Trong khi IP Multicast sử dụng lớp địa chỉ đa hướng (lớp D) thì đa hướng rõ ràng (còn gọi là Xcast) lại sử dụng các địa chỉ đơn hướng của tất cả các đích đến thay vì các địa chỉ đa hướng được ấn định. Do kích thước gói IP nhìn chung bị giới hạn, Ecast không thể được sử dụng cho các nhóm với số lượng lớn các địa chỉ đa hướng.
Mô hình IP Multicast đòi hỏi phải giải quyết nhiều trạng thái bên trong mạng hơn so với mô hình IP unicast. Và cũng chưa có một cơ chế nào chứng tỏ được sẽ cho phép mô hình IP multicast có thể mở rộng với hàng triệu người gửi và hàng triệu nhóm multicast, do đó không thể tạo ra các ứng dụng multicast hoàn toàn dụng thực tế thương mại trên Internet. Kể từ 2003, những nỗ lực mở rộng multicast đến các mạng lớn đã tập trung vào một trường hợp multicast một nguồn đơn giản hơn và dễ kiểm soát hơn.
Ưu điểm của đa hướng:
* Sử dụng băng thông của mạng hiệu quả so với unicast - với unicast, tổng dung lượng băng thông tăng tuyến tính với số thuê bao.
* Yêu cầu sử dụng máy chủ là tối thiểu so với unicast - với unicast, kết nối của mỗi khách hàng yêu cầu một luồng riêng; với IP Multicast, chỉ có một luồng được gửi ra từ máy chủ.
* Yêu cầu sử dụng mạng là tối thiểu - đây là hiệu quả của việc sử dụng IP Multicast.
Nhược điểm của đa hướng:
* Phân phát gói thiếu độ tin cậy - do IP Multicast sử dụng UDP làm giao thức truyền tải nên nó kế thừa sự thiếu tin cậy của UDP.
hội tụ, có khả năng nhiều bản sao của một gói multicast sẽ đến khách hàng.
* Không có khả năng tránh tắc nghẽn: do IP Multicast sử dụng UDP làm giao thức truyền tải nên nó không có các cơ chế quay lui (backoff) và cửa sổ (window) của TCP.
So với đơn hướng thì đa hướng là phương thức truyền sử dụng ít băng thông của mạng hơn. Một ứng dụng unicast sẽ gửi một bản copy của mọi gói dữ liệu đến mọi người nhận. Ngược lại, multicast chỉ gửi một bản copy tới những người dùng muốn nhận. Đây là phương thức thường được sử dụng nhất cho hội nghị video và Video-on-Demand hiện nay. Đồ thị dưới đây so sánh lưu lượng sử dụng giữa multicast và unicast dùng cho audio streaming và mọi người dùng đều nghe nhạc ở cùng tốc độ 8 Kbps.
Một số cộng đồng trong mạng Internet công cộng vẫn thường sử dụng IP Multicast và IP Multicast được sử dụng cho nhiều ứng dụng đặc biệt bên trong mạng IP dùng riêng (private IP network). Các giao thức IP Multicast:
* Giao thức quản lý nhóm Internet (IGMP). * Giao thức đa hướng độc lập (PIM).
* Giao thức định tuyến đa hướng điều khiển khoảng cách (DVMRP). * Multicast OSPF (MOSPF).
* Multicast BGP (MBGP).
* Giao thức khôi phục nguồn đa hướng (MSDP). * Multicast Listener Discovery (MLD).
* Giao thức ghi nhận đa hướng (GMRP).
0 0.2 0.4 0.6 0.8 Traffic Mbps 1 20 40 60 80 100 # Clients Multicast Unicast
Reference:Cisco Systems, Introduction to IP Multicast, Networkers 2002
0 0.2 0.4 0.6 0.8 Traffic Mbps 1 20 40 60 80 100 # Clients Multicast Unicast
Reference:Cisco Systems, Introduction to IP Multicast, Networkers 2002
Hình 14:So sánh lưu lượng sử dụng giữa Unicast và Multicast
IGMP là giao thức truyền thông để thông báo cho các bộ định tuyến hướng lên rằng một host muốn nhận một luồng multicast. Một host trở thành một thành viên của một nhóm multicast (được định nghĩa bởi một địa chỉ IP Class D 224.0.0.0 đến
chế MPR (Multicast Routing Protocol) chỉ chạy trên các thiết bị định tuyến. Nói cách khác khi một host chỉ ra rằng nó muốn nhận một luồng multicast, tùy vào mạng các thiết bị định tuyến để quyết dịnh xử lý như thế nào và kết quả luôn là host sẽ nhận được một luồng.
IGMP sử dụng hai bản tin cơ sở cho các hoạt động tiêu chuẩn: các Report và Query, các host gửi các Report để gia nhập hoặc rời khỏi một nhóm. Một host nhận Query từ một thiết bị định tuyến nếu thiết bị đó muốn, cho dù host có muốn là thành viên của một nhóm multicast hay không.
Các giao thức định tuyến Multicast: Có hai kiểu giao thức định tuyến IP Multicast cơ bản là Dense Mode, Spare Mode.
* Phương thức dày đặc: sử dụng phương thức ”flood and prune”, nghĩa là khi một luồng multicast đi vào mạng, nó ngay lập tức được đẩy đến tất cả các điểm trên mạng cho đến khi các thiết bị định tuyến không có các mạng con, các thiết bị thu cắt bớt các nhánh của cây phân phối. Quá trình được lặp lại cứ sau mỗi khoảng thời gian 2 - 3 phút, dẫn đến sự không hiệu quả do các mạng con không cần phải liên tục nhận luồng đó. Mode này chỉ tốt cho các triển khai trên phạm vi nhỏ, với số chặng tối thiểu để hạn chế sự không hiệu quả của giao thức.
* Phương thức dự phòng: sử dụng cơ chế kéo (pull), nghĩa là mỗi thiết bị định tuyến mong muốn phải gia nhập một cây phân phối multicast (ngược lại so với các giao thức Dense Mode). Spare Mode cũng sử dụng cơ chế cây dùng chung, ở đó nhiều nguồn multicast có thể sử dụng cùng một cây phân phối. Điều này được thực hiện bằng cách ấn định một thiết bị định tuyến như một điểm gốc (RP) phục vụ ở đỉnh của cây phân phối. Các nguồn có thể gửi lưu lượng đến cây dùng chung, do đó tăng được hiệu quả tổng thể và yêu cầu duy trì ít trạng thái hơn trên thiết bị định tuyến. Mode này tốt cho việc triển khai nhiều nguồn vì nó sử dụng các cây dùng chung. Mode này cũng tốt cho việc triển khai trên phạm vi rộng hơn với các cây có tới hai hay nhiều mức sâu hơn.
2.6.Mạng truyền tải dịch vụ IPTV
Hình 15 mô tả chi tiết các lớp truyền tải, tập trung và phân bố của kiến trúc truyền tải dịch vụ IPTV:
Hình 15:Kiến trúc mạng truyền tải dịch vụ IPTV
Kiến trúc mạng truyền tải dịch vụ IPTV cung cấp các yêu cầu chức năng và các khuyến nghị về cấu hình đối với mỗi nút chuyển mạch trên đường truyền từ các server VoD tới các Set Top Box.
2.6.1.Video Sites
2.6.1.1.Thiết bị đầu cuối đặc biệt
Thiết bị đầu cuối đặc biệt (SHE) là nơi đặt các đường truyền trực tiếp đối với dịch vụ video băng rộng. SHE gồm các bộ mã hóa thời gian thực được sử dụng cho dịch vụ video băng rộng, cùng với các hệ thống phân phối đối với các dịch vụ theo yêu cầu. Tại SHE cũng có thể bao gồm các hệ thống phía sau văn phòng như cơ sở