Tính Tốn Truyền Hình VINASATI -69 - GVHD:Ths.Trương Ngọc Bảo
‹ _ Số mẫu trong một dịng được tính giữa hai xung đồng bộ kề nhau : W _ 17.7344/5MH: Mẫu
tụ 15625H: =1135.0064 dịng
‹ - Số mẫu tơng cộng trên một ảnh là : Sốmẫu
Dịng
x Sốdịng
ảnh = 1135.0064 x 625 = 109379mẫu .
Nếu chọn số mẫu/dịng là 1135 thì số mẫu/ảnh là 709375, trong đĩ cĩ 948 mẫu/dịng
tích cực và 187 mâu/khoảng xố dịng. ¡ Lượng tử hĩa mV DEC HEX 933.5 | 1023 3FF 908.3 | 1019 3FB 700 844 34C 0 256 100 016 -300 4 004 -301.2 3 003 2 002 1 001 -304.8 0 000 ““Te=-~=====~e 100% mức rầu —...` ` Mức lượng tử hố cao nhất _. Mức xố = mức en ¬-... Mức ðng bộ = Mức lượng tử hố thấp nhất Khoảng dự phịng đồng bộ
Hình 5-11 : Quan Hệ Giữa Các Mức Của Analog PAL Sọc Màu 100% Và PAL 4£
Hình 5-11 minh hoạ một số thơng số của tín hiệu sọc màu composite tương tự và các mức PAL 4f tương ứng trong trường hợp độ phân giải 8 bít và 10 bít.
a Các mức lượng tử tương ứng với độ phân giải 10 bít gồm cĩ 2" = 1024 mức từ 0 + 1023 (hệ DEC) và từ 000 + 3FF (hệ HEX) với các chức năng như sau :
. _ Từ 000 +003 là mức bảo vệ, chứa thơng tin dự phịng đồng bộ, khơng chứa
dịng sơ.
.„ Từ 004 + 3FB (hay mức 4 + 1019 DEC) dùng biểu diễn tính hiệu video số.
Tính Tốn Truyền Hình VINASATI -70 - GVHD:Ths.Trương Ngọc Bảo
‹ Mức 004 + (HEXA) hay mức 4 (DEC) là đỉnh xung đồng bộ cũng là mức lượng tử hố thâp nhất.
- - Mức 100 hay 256 (DEC) là mức xố cũng là mức đen, tương ứng Ơmv. -e - Mức 34C (HEXA) hay 844 (DEC) là mức trăng, tương ứng 700mv. . _ Mức 3FB là mức lượng tử hố cao nhất.
Như vậy, cĩ 1016 mức số (004 + 3FB hay từ 4 +1019 DEC) dùng để biểu diễn tín
hiệu video tơng hợp.
. - Các mức từ 3FC + 3FF là các mức bảo vệ.
‹e Mức đỉnh tín hiệu màu vàng (Yellow) và xanh cẩm thạch (Cyan) là 933.5mv, nhưng khi lẫy mẫu tín hiệu vàng là 886mv nhỏ hơn mức lượng tử cao nhất tương ứng 908.3mv, nên ở đây tồn tại một headroom âm tại đỉnh tín hiệu số.
Ơ đây, với n = 10 bit/mẫu, f = 17.73 mhz, f„a„= 5 mhz, Vạ = 1.2131 V, Vụ — Vụ = 0.7 = 68.7114B.
V, ta cĩ
RMS
b. Tiêu Chuẩn Digital Composite f, = 4f,, NTSC (tiêu chuẩn NTSC 4£)
a Tần số lấy mẫu chuẩn f, = 14.3118 mhz ~ 14.32 mhz, f, = 15734.25 Hz, số
mẫu/dịng là : + =0910.
H
Cĩ 525 — 38 = 487 dịng tích cực, một dịng tích cực chứa 768 mẫu.
a Khoảng xố dịng là : 910 — 768 = 142 mẫu.
. _ Điểm chuẩn đồng bộ là điểm giữa sườn xung đơng bộ năm giữa mẫu thứ 784 và 785.
‹ Khoảng video tích cực từ 0 : 767
. Tiếp theo là khoảng xố từ mẫu 768 + 909 (142 mẫu).
¡ Lượng tử hố.
Các mức lượng tử hố theo độ phân giải 10 bit gồm 2'° = 1024 mức từ 0 +
1023 từ đưới lên cĩ các mức như sau :
‹ Từ 000 + 003 là khoảng dự phịng để chèn các mức đồng bộ, khơng chứa các dịng sơ.
Tính Tốn Truyền Hình VINASATI -71- GVHD:Ths.Trương Ngọc Bảo
‹ Từ 004 + 3FB (hay mức 1019 DEC) dùng cho tín hiệu số .
Va(mV)[ DEC HEX
998.1 1023 3FF 994.2 1020 3ƑC 992.9 1019 3FB 934.3 972 3CC Mức lượng tử hố cao nhất 100% mức màu 7143 320 Mức trắng 800 11A Mức đen 53.57 | 282 0F0 Mức xố 0 240 016 | -285.7 16 010 Ho Mức đơng bộ , -300.7 4 004 L---=---==~== XP... Mức lượng tử hố thấp -302.3 3 003 Ì nhất -306.1 0 000
Hình 5-12 : Quan hệ giữa các mức của analog NTSC và Các giá trị
mẫu digital 10 bit các sọc màu 100%
-‹ồ Từ004 +010 (4 : 16 DEC) là mức headroom đồng bộ. „e - Headroom đỉnh từ 3CC : 3FB (927 : 1019).
-e Từ3FC : 3FF là mức bảo vệ đỉnh.
‹ _ Mức 3CC là mức tín hiệu cao nhất (Yellow và Cyan).
«e Mức 0F0 là mức xố . « Mức l1A là mức đen.
Tý số tín hiệu trên nhiễu lượng tử được tính :
Ơ đây, với n = 10 bit/mẫu, f = 14.33 mhz, fna„ = 4.2 mhz, Vạ = 1.3042 V, Vy — Vụ = 0.7143 V, ta cĩ = 68.09đB
RMS
Kết Luận :
„ Đối với tín hiệu video tống hợp (NTSC hoạc PAL) tần số lấy mẫu cho tín hiệu video thường là 2, 3 hoặc 4 lần tần số sĩng mang màu (2£, 3£, hoặc4£,)
SVTH: NGUYÊN VĂN MỸ
Tính Tốn Truyền Hình VHNASATTI -72- GVHD:Ihslrương Ngọc Bảo
Tín hiệu video số tổng hợp cịn mang đầy đủ những khuyết điểm của tín hiệu video tương tự nhất là hiện tượng can nhiêu — chĩi màu.
° Tần số lấy mẫu càng tăng, chất lượng video càng cao, tuy nhiên tần số lấy mẫu lớn địi hỏi thiết bị, đường truyền phải cĩ dải thơng rộng và các bộ nhớ cĩ dung lượng lớn. Chi phí cho tồn bộ hệ thống do vậy tăng lên nhiều lần. Tân số lấy mẫu thích hợp nằm trong khoảng từ 12 mhz + 14 mhz.
.- _ Số hố tín hiệu video tổng hợp cĩ tốc độ bit thấp so với phương pháp số hố tín hiệu video thành phân.
‹ _ Tính hiệu số tổng hợp bộc lộ nhiều nhược điểm trong quá trình xử lý số, tạo
kỹ xảo, dựng hình...
5.2.4 Tiêu Chuẩn Component Số.
Tiêu chuẩn Component số được dùng ở châu Au và châu Mỹ theo chuẩn Recommendation 601 CCIR. Tiêu chuẩn này tương thích với tiêu chuẩn quét 625/50 và 525/60 với độ phân giải 8biVmẫu và 10 bit/mẫu.
a. Tỷ Lệ Lấy Mẫu
Các tổ chức phát thanh và truyền hình :
‹e SMPTE (Society of Motion Picture ang Television Engineer) với chuẩn ATSC (Advance Television standards Committee).
‹Ổ EBU (European Broadcasing Union) với chuẩn DVB (Digital Video Broadcasting) đã thơng nhật chọn chuân CCIR Rec. 601 từ năm 1982 trên cơ sở tân sơ chuân 3.375 mhz.
. Tỷ lệ lấy mẫu ở tiêu chuẩn component số là tỉ lệ mà ở đĩ tín hiệu Luminance (Y) và hai tín hiệu màu Cp và Cạ được lấy mẫu ở các tần số tương ứng với bội số của tần số chuẩn 3.375 mhz.
Thơng thường cĩ các tỷ lệ lấy mẫu sau :
- - 4:1:1, trong đĩ tín hiệu Y cĩ tần số lấy mẫu ty = 44x3.375 =13.5MH:¿,
hai tín hiệu số màu được lấy mẫu ở tần số f¿„ = f¿„ = 1x3.375 =
3.375mhz.
- 4:2:2, trong đĩ tín hiệu Y cĩ tần số lấy mẫu fy = 44x3.375 =13.5MH¿,
hai tín hiệu số màu được lấy mẫu ở tần số f¿ = f = 2x3.375 = 6.75
mhz.
- - 4:4:4, trong đĩ các tín hiệu Y, Cp, Cạ cĩ tần số là 4x 3.375 = 13.5MH¿:.
Tính Tốn Truyền Hình VINASA T1 -73 - GVHD:IhsTrương Ngọc Bảo
b. Các Tín Hiệu Mã Hố, Thời Gian Và Tần Số Lấy Mẫu Chuẩn 4:2:2. Thời gian và tần số lấy mẫu 4:2:2.
‹ Hệ 625/50 cĩ thời gian một dịng là 64 s, thời gian một dịng tích cực là 52 s, thời gian xố dịng là 12 .
. Hệ 525/60 cĩ thời gian một dịng là 63.56 /, thời gian một dịng tích cực là 52 z, thời gian xố dịng là 11.56 s.
«ồ Fw= 13.5 của hai hệ được tạo từ bộ dao động PLL-CO (Phase Locked Loop —- Controlled Oscillator). Với hệ 625/50 Íy = 864 x 15625 Hz =
13.5 mhz. Cịn hệ 525/60 f.y = 858 x 15734.265 = 13.5 mhz.
Chúng được đồng bộ từ tín hiệu video in. Đặc tính của mạch lọc Y bằng chăng đến 5.75 mhz, cịn Can, Cn đạt đên 2.75 mhz.
c. Lượng Tử Hố
œ Thành phần chĩi Y.
Các mức lượng tử theo 10 bit gồm 2° = 1024 mức từ 0 + 1023 (hệ DEC) và từ
000 + 3FF (hệ HEX) với chức năng của các mức như sau :
8 bít 10 bit mV | ĐEC | HEX
255 | FF | 766.3 | 1023 | 3FE H mức dự
763.9 | 1020 | 3FC phịng ‡ Mức lượng 254|FE|7631|1019|3FB[”” Headrom Headroom______ 7ˆ tử cao nhất 235|EB | 700 | 940 | 3AC Ƒ TT” „—— Mức đỉnh “=——_—¬--r——---=~~~~~~==~ Mức lượng Head - 6 liol o 64 | 040 |---4-- TƯ -===== tử thấp 1 |01|-479| 4 | 004 Ịrmứea Xung đồng bộ -48.9| 3 | 003 ]J phịng ~_
Hình 5-13 : Quan Hệ Giữa Các Mức Tín Hiệu Analog Component Y Của Sọc Màu 100% Và Các Giá Trị Lây Mẫu 10 Bịt Và 8 Bit
. Tứ 000 + 003 là 4 mức dự phịng dưới.
- Từ 004 + 3FB là dịng tín hiệu số.
Tính Tốn Truyền Hình VINASATI -74- CVHD-Ihslrương Ngọc Bảo - - Mức 004 HEX hay 64 DEC là mức xố.
‹ - Mức 3AC HEX hay 940 DEC là mức đỉnh trắng.
‹ _ Phần xung đồng bộ của tín hiệu chĩi khơng được lấy mẫu.
„ - Headroom dưới nhỏ là khỏng dự phịng cho phép chỉnh các mức analog, từ mức 004 + 040 HEX hay 4 + 64 DEC.
-Ổồ = Pừ3AC + 3FB HEX hay 940 + 1019 DEC là mức headroom trên. - - Mức 3FB HEX hay 1019 DEC là mức lượng tử cao nhất.
-ồ Từ3FC + 3FF HEX hay 1020 + 1023 DEC là 4 khoảng dự phịng. Ơ đây, với n = 10 bi/mẫu, f = 13.5mhz, f„„„ = 5.57 mhz, Vạ = 0.8174 V, Vụ — Vụ = 0.7 V, ta cĩ = 70.35đB.
RMS
Với n = 8 bịt, ta cĩ : =58.3đB
RĐMS
jœ Thành Phần Cp Và Cạ.
__ Cân chú ý rằng các tín hiệu Cp và Cạ là lưỡng cực, do đĩ phải dịch mức 350mv
đê đưa vào bộ ADC.Tương tự như thành phân chĩi, các mức lượng tử hố của Cp cụ¡ rÕ
ở hình 5-14a, của Cạ ở hình 5-14b. mV 8 bít 10 bịt
(10bi9)[ DEC[HEX | DEC |HEX
399.23 255 | FF |1023| 3FF Ì\ 4 mức dự
396.0 1020| 3FC lang |
396.1 FE 1019| 3FB Ƒ---~-Ÿ-~~+~--~~~~~-=======~= Mức lượng tử cao nhất
350 |254 | F0 | 960 | 3C0 |... Headrom___... Mức dương max
240 [ 80 | 512 | 200 `. 128 Ex-mr---F--†---|Ÿ-~-†~~-|--- --- Mức xổ -350 10 | 64 | 040 | cĩ. -396.9| 16 | 01 J 4 | 004 Ƒ---++——---¬¬T" He Mức âm max 3977| 1 3 {003 Ƒ---~-=~~~z~~~~=~=~=~~~agee~~ee=~~ Mức lượng tử thấp nhất -400 00 0 | 000 ¡ |4 mức dự | 0 phịng Hình 5-14a : Các Mức Tín Hiệu Cp
Tính Tốn Truyền Hình VINASATI -75- GVHD:Ths.Trương Ngọc Bảo mV 8 bit 10 bit
| (10619 Í DEC [HEX | DEC [HEX
399.2 [ 255 | FF 1023| 3FF Ì1 4 mức dự
396.9 1020| 3FC lo |
396.1 FE 1019| 3FB |~---~--~Ÿ.~~~~~~~~~~~~~~~~~=e Mức lượng tử cao nhất 350 |254| F0 | %0 |3C0|_____.____ Headoom_ ____ Mức dương max
240 FT +
" 80 |s12|200| [1 |. €..| re Mức xố
-350 10 | 64 | 040 _T | Mức
. ...aa ức âm max
-396.9| 16 | 01 | 4 | 004 Ha onk TU Su
-3977| 1 3 | 003 Ƒ---=~T=T~~=r~TT TT T*~*£ TP TT nnr Mức lượng tử thâp nhât
-400 00 0 000 | |4 mức dự Ỉ 0 phịng Hình 5-14b : Các Mức Tín Hiệu Cạ TỈ lệ : N=10biƯmẫu Vạ= 0.7792V Ísc„c, =6.75MH: Vụ. — Vụ =9.7V
gục Ÿ_ _6.02x10+10.8+101ogŠ: 5.5 2 —201og Ơ:7222 ~ 71+ 0.889 0.7 + 1.151 = 70.744B
d. Cấu Trúc p LÂY Mẫu Trực Giao
Các mẫu được sắp xếp trên các dịng kể nhau, thành các hàng thắng đứng. Cấu trúc này cố định theo mành (field) và theo frame.Các hàng thắng theo chiều đọc gọi là cầu trúc mẫu trực glao `»< `< `» »x—1 ï Ẵ 2S 2S 2S 2S Field I £ `»⁄ `»⁄ `»⁄ `»⁄ 2 ZN ZN ZX ZXx f 1 2S `»< 2S `»⁄ `⁄ 2S 7= »x⁄<— 2 í› >< >< >< >< Field 2 f 1 2S `»< 2S »⁄ 7S `»⁄ ra x¿_ 3 £ 2 `»⁄ 2 2S `»< 2S `»< 2S hs. f 1 2S `»< `⁄ 2S `⁄ 2S 2S ¿4
ị Hình 5-15 : Cấu Trúc Mẫu Trực Giao 5.2.5. Nền MPEG-2 Cho Video Số
> Tại sao cân nén?
Tính Tốn Truyền Hình VINASATI -76 - GVHD:Ths.Irương Ngọc Bảo
Tốc độ bít của video >200Mb/s địi hỏi bộ nhớ và băng tần kênh truyền
rộng do đĩ phải nén. Nén là một cách biểu diễn audio và video số băng cách dùng đata ít hơn gốc hay nĩi cách khác là quá trình loại bỏ các thơng tin dư thừa sao cho cĩ thê biểu diễn mơi khung (frame) đơn bằng một lượng dữ liệu xác định nhỏ hơn lượng cũ,hoặc với tốc độ data thấp hơn ở trường hợp audio hay ảnh thay đổi theo thời gian.
> Ưu Điểm:
. - Tiết kiệm bộ nhớ > kích thước máy nhỏ hơn (ghi hình băng nhỏ hơn hoặc dùng đĩa.)
. _ Tiết kiệm băng tần kênh truyền (trong thời gian thực hoặc nhanh hơn thực).
. Giảm tốc độ data
- _ Thuận tiện cho thơng tin gĩi: việc gĩi hố tín hiệu digital và việc làm giảm tốc độ gĩi rất quan trọng trong việc sử dụng chung kênh truyền với nhiều tín hiệu khác nhau.
a.ENTROPY
Trước khi nghiên cứu các phương pháp nén, ta cần đánh giá lượng thơng tin chủ yếu được chứa đựng trong hình ảnh, để từ đĩ xác định dung lượng tối thiểu cần sử dụng để miêu tả, truyền tải thơng tin về hình ảnh.
Gọi lượng thơng tin trung bình của hình ảnh là H(<), H(x) là ENTROPY của hình ảnh và được tính theo cơng thức :
HỆ)=Š.P(x)x16)
Iặx,)= log, PG]
I{x;) : Lượng thơng tin của phân tử ảnh x; (được tính = bịt). P(x;) : Xác xuất phần tử ảnh x; xuất hiện.
MN
Ta cĩ : H(x)=-> P(x,)xIog; P(x,)
¿=1
b. DCT (Discrete Transform)
DCT là phép biến đổi tốn học khơng tốn hao, cĩ tính thuận nghịch, sử dụng trong cơng việc nén khơng gian
Tính Tốn Truyền Hình VINASATI1 -77 - GVHD:Ihs.Irương Ngọc Bảo
- _ Phép biến đổi cosin rời rạc DCT được biểu thị bằng cơng thức :
2 —== (x+1z. (2y+1Èz
F”ẻ=— vi TỬ CC, » So COS 5N COS 2N
- _ Phép biến đổi nghịch DCT” được biểu thị bằng :
=== 1 2y+l1
ty -^* CC F„, cos x+1uz cos y+1}z
mm... 2N 2N
Biên độ
Biên độ
¡ Hệ số theo › BE Hệ số theo
chiêu ngang Hệ số theo ø Chiêu ngang _ '>
chiêu dọc chiêu dọc @,
Hình 5-16 : Biến Đối DCT
DCT biến đổi đữ liệu dưới dạng biên độ thành dữ liệu dưới dạng tần số. Các
phép tính được thực hiện trong phạm vi các khơi 8x8 mẫu tín hiệu chĩi Y và các khơi tương ứng của tín hiệu màu Cạ và Ca.
c. Lượng Tử Hố
Lượng tử hố là quá trình giảm bớt lượng bit cần thiết để biếu diễn các hệ số.
Trong quá trình lượng tử hố, ta cĩ thể dùng 11 bit cho hệ số một chiều (DC) và rất ít bit cho các hệ số cĩ thứ tự cao hơn. Mức lượng tử được xác định cho từng Macroblock (16x 16 pixels) hoặc một nhĩm lớn các Macroblock.
Hệ số một chiều (DC coefficient) trong DCT địi hỏi độ chính xác cao nhất bởi lẻ nĩ biểu thị giá trị độ chĩi trung bình của từng, khối phần tử ảnh (pixel block). Hệ số một chiều cần được mã hố khác so với các hệ số khác (hệ số xoay chiều coefficient).
Lượng tử hố cịn được thực hiện bằng cách chia các hệ số C(u,v) cho các hệ số ở vị trí tương ứng trong bảng lượng tử, hệ sơ ứng với tần số thấp được chia cho các giá trị nhỏ (10, 11, 12,...). Hệ số ứng với tần số cao được chia cho các giá trị lớn (100,
mammmzmmœmmmmmmmaararaaasrnmmemmmam—mmmmmeemmmmmmmmmmmmaaeéeaeanag
Tính Tốn Truyền Hình VHINASATTI -78- GVHD:lhslrương Ngọc Bảo
120, 121,...) và bỏ đi phần tử thập phân. Kết quả ta cĩ một tập hợp các hệ số cosin C”(u,v) sẽ được số hố và mã hố trong cơng đoạn tiếp theo.
Ví dụ về DCT coding và lượng tử hố, hình 5-17