VII. Các chuẩn MPEG
1.Giới thiệu chung về chuẩn MPEG
Chuẩn MPEG ( Moving Picture Expert Group) là chuỗi chuẩn video với mục đích là mã hoá tín hiệu hình ảnh và âm thanh cho DSM (Digital Storage Media) tốc độ từ 1,5 đến 50 Mbit / s và đợc biết đến nh là MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4,...Các chuẩn MPEG tiến tới tối u hoá cho các ứng dụng video động và các đặc điểm của nó cũng bao gồm một thuật toán cho việc nén dữ liệu Audio với tỷ lệ là 5:1 cho tới 10:1.
Trong chuẩn MPEG, ngời ta định nghĩa các loại ảnh khác nhau cho phép sự linh hoạt để cân nhắc giữa hiệu quả mã hoá và truy nhập ngẫu nhiên . Các loại ảnh đó nh sau:
1.1. ảnh loại I ( Intra-picture).
Là ảnh đợc mã hoá riềng. ảnh I có chứa đựng dữ liệu để tái tạo lại toàn bộ hình ảnh vì chúng đợc tạo thành bằng thông tin của chỉ một ảnh . ảnh I cho phép truy cập ngẫu nhiên, tuy nhiên đạt đợc tỷ lện nén thấp nhất.
1.2. ảnh loại P (Predicted - Picture).
Là ảnh mã hoá có bù chuyển động từ ảnh I hoặc ảnh P phía trớc (ảnh dự đoán trớc). ảnh P cung cấp các hệ số nén cao hơn ảnh I.
1.3. ảnh loại B (Bidiretional Predcited-picture).
Là ảnh đợc mã hoá sử dụng bù chuyển động từ ảnh I và ảnh P phía trớc và phía sau (ảnh dự đoán hai chiều). ảnh B có tỷ lệ nén cao nhất.
Sơ đồ khối quá trình mã hoá và giải mã chuẩn MPEG.
1.4 Nhóm ảnh (GOP).
Đối với chuẩn MPEG, chất lợng ảnh không những phụ thuộc vào tỷ lệ nén trong từng khuôn hình mà còn phụ thuộc vào độ dài của nhóm ảnh. Nhóm ảnh (Group Of Picture) là một khái niệm cơ bản của MPEG. GOP là đơn vị mang thông tin độc lập của MPEG.
Công nghệ MPEG sử dụng 3 loại ảnh I,P,B. Trong đó ảnh P, B không phải là một ảnh hoàn chỉnh, mà chỉ chứa thông tin về sự khác biệt giữa ảnh đó và ảnh trớc nó (đối với ảnh P), hay sự khác biệt với cả ảnh trớc và ảnh sau nó (đối với ảnh B). Để có một khuân hình hoàn chỉnh, ảnh P và ảnh B cần có dữ liệu từ các ảnh lân cận, vì vậy MPEG đã đa ra khái niệm GOP. Mỗi GOP bắt buộc phải bắt đầu bằng một ảnh hoàn chỉnh I và tiếp sau đó là một loạt các ảnh P và B. Nhóm ảnh có thể mở (Open) hoặc đóng (closed).
Nhóm ảnh mở luôn bắt đầu bằng một ảnh I và kết thúc ở một ảnh trớc ảnh I tiếp theo, có nghĩa là ảnh cuối cùng của GOP dùng làm ảnh đầu tiên của GOP tiếp theo làm ảnh chuẩn.
Thứ tự hiện ảnh Thứ tự truyền ảnh ảnh 59 7 5 1 1 1 I 2 3 B 3 4 B 4 2 P 1 1 1 2 3 B 3 4 B 4 2 P 5 6 B 6 7 B GOP GOP
Đồ án tốt nghiệp Truyền hình số qua vệ tinh
Đối với cấu trúc khép kín, việc dự đoán ảnh không sử dụng thông tin của GOP khác. Trong trờng hợp này theo quy định, ảnh cuối cùng của một GOP bao giờ cũng là ảnh P.
Nhóm ảnh này đợc xác định bởi 2 thông số m và n. Thông số m xác định số khung hình P và khung hình B xuất hiện giữa hai khung hình I gần nhau nhất. Số n xác định số khung B giữa hai khung P.
Tỷ lệ nén video của MPEG phụ thuộc rất nhiều vào độ dài của GOP. Tuy nhiên GOP dài thờng gây khó khăn cho quả trình tua, định vị, sửa lỗi Do đó…
tuỳ thuộc vào từng khâu (sản xuất, dựng, truyền dẫn, phát sóng ) mà ta chọn…
độ dài GOP thích hợp. Trong sản xuất hậu kì, nếu yêu cầu truy cập ngẫu nhiên vào bất cứ ảnh nào, điều đó có nghĩa là yêu cầu truy cập chính xác đến từng ảnh, GOP khi đó chỉ có ảnh loại I, trờng hợp này sẽ cho tỷ len nén rất thấp. Để tăng tỷ lệ nén, số lợng ảnh P và B phải tăng lên, lúc này sẽ không cho phép việc sự dựng hình cũng nh làm kỹ xảo trên chuỗi ảnh đó. Trong trờng hợp này GOP có thể bao gồm 12 ảnh.
1.5 Cấu trúc dòng bít MPEG video.
Cấu trúc dòng bít video bao gồm 6 lớp:
a. Khối: khối 8x8 các điểm ảnh tín hiệu chói và tín hiệu màu dùng cho
phơng pháp nén DCT. 60 Nhóm ảnh Khối điểm ảnh 8x8 Macroblock C R Y C B Mảng Khung …. …..
Kiến trúc dòng bít video
b. Cấu trúc khối (macroblock): Một cấu trúc khối là một nhóm các khối tơng ứng với lợng thông tin chứa đựng cho kích thớc 16x6 điểm trên ảnh. Cấu trúc khối cũng xác định lợng thông tin cha trong đó sẽ thay đổi tuỳ theo cấu trúc mẫu đợc sử dụng. Thông tin đầu tiên trong cấu trúc khối mang dạng của nó (là cấu trúc Y và Cr, Cb) và các vector bù chuyển động tơng ứng . c.
Mảng(Slice) : Mảng bao gồm một vài cấu trúc khối kề nhau. Kích thớc lớn nhất của mảng có thể gồm toàn bộ bức ảnh và kích thớc nhỏ nhất của mảng là một cầu trúc khối. Thông tin đầu của mảng chứa đựng vị trí của mảng trong toàn bộ ảnh và hệ số cân bằng lợng tử. Kích thớc thông tin đầu của mảng đợc xác định bằng số lỗi cho phép xuất hiện trong mảng đối với một ứng dụng nhất định theo đó, bộ giải mã có thể bỏ qua các mảng có nhiều lỗi, xác định tính hiệu quả của phơng pháp nén ảnh, theo đó hệ số cân bằng lợng tử có thể đợc điều chỉnh th- ờng xuyên với việc sử dụng mảng có kích thớc nhỏ hơn. Hệ số DC tham chiếu (dùng trong mã hoá DPCM) sẽ đợc so sánh chuẩn tại đầu mỗi mảng.
d. ảnh: Lớp ảnh cho phép bộ giải mã xác định loại của ảnh đợc mã hoá là ảnh I, P hay B. Thông tin đầu dùng để chỉ thứ tự truyền khung để bộ giải mã có thể sắp xếp các ảnh theo một thứ tự đúng. Thông tin đầu của ảnh còn chứa các thông tin đồng bộ, độ phân giải và phạm vi của vector chuyển động.
e. Nhóm ảnh : Nhóm ảnh là tổ hợp rất nhiều các khung I, P và B. Cấu trúc của nhóm ảnh đợc xác định bởi hai tham số m và n. Mỗi nhóm ảnh bắt đầu bằng khung I và xác định điểm bắt đầu để tìm kiếm và biên tập. Thông tin gồm 25 bít chứa mã định thời và điều khiển.
f. Đoạn video: đoạn video bao gồm thông tin đầu, một số nhóm ảnh và thông tin kết thúc đoạn. Thông tin đầu của đoạn video chứa kích thớc mỗi chiều của ảnh, kích thớc điểm ảnh, tốc độ bít của dòng video số, tần số ảnh và bộ đệm tối thiểu cần có. Đoạn video thông tin đầu tạo thành một dòng bits đợc mã hoá gọi là dòng cơ bản (Elementary Stream).
Đồ án tốt nghiệp Truyền hình số qua vệ tinh (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1.6. Nguyên lý nén dòng bít.
Với các loại ảnh đã nói ở trên, việc mã hoá theo loại nào là tuỳ thuộc vào nhà thiết kế. Tuy nhiên cấu trúc của bộ mã hoá MPEG có thể theo sơ đố sau: * Nguyên tắc hoạt động của mạch mã hoá MPEG
Cách hoạt động của bộ mã hoá phụ thuộc vào loại hình ảnh mã hoá tại thời điểm đang xét. Nén MPEG là sự kết hợp giữa nén trong ảnh và nén liên ảnh. Dạng thức đầu vào là Rec-601 4:2:2 hoặc 4:2:0 đợc nén liên ảnh trớc tạo ra ảnh khác biệt ở đầu ra bộ cộng. ảnh này sau đó lại đợc nén trong ảnh qua các b- ớc : biến đổi DCT, lợng từ hoá, mã hoá. Cuối cùng, ảnh này đợc trộn với vector chuyển động đa đến bộ khuyếch đại đệm sẽ thu đợc ảnh đã nén.
.
Sơ đồ khối của quá trình mã hoá MPEG
62 Điều khiển tốc độ bit
Khuyếch đại đệm Video nén 4:2:2 4:2:0 DCT Lường từ
hoá enteopyMã hoá Trộn Σ ảnh dự đoán Σ Giải lượng tử hoá IDCT ảnh so sánh Xác định vector chuyển động + - + + Vector chuyển động Video Điều khiển nhóm ảnh Bảng lượng tử
Tốc độ bít của tín hiệu video đợc nén không cố định, phụ thuộc vào nội dung ảnh đang xét. Ngợc lại, tại đầu ra của bộ mã hoá, dòng bít phải cố định để xác định tốc độ cho dung lợng kênh truyền. Do đó, tại đầu ra của bộ mã hoá phải có bộ nhớ đệm đủ lớn. Bộ mã hoá phải kiểm tra trạng thái đầy của bộ nhớ đệm Khi số liệu trong bộ nhớ đệm gần bằng dung lợng cực đại, thì các hệ số biến đổi DCT đợc lựng tử hoá ít chính xác hơn. Trong trờng hợp ngợc lại, có nghĩa là bộ nhớ đệm chứa số liệu quá ít, thì việc lợng tử hoá các hệ số sẽ tăng lên.
Quá trình giải mã theo lý thuyết là quá trình ngợc lại với quá trình mã hoá ở trên.