II. Chuẩn nén sử dụng trong IPT
b/Nén theo miền không gian
Dư thừa về mặt không gian là các khối có chứa các điểm ảnh tương tự nhau hoặc giống hệt nhau. Trong nhiều trường hợp các điểm ảnh thường không thay đổi nhiều. Như vậy có nghĩa là tần
số thay đổi giá trị điểm ảnh trong khối này là rất thấp. Những khối như thế được gọi là khối có tần số không gian thấp. Bộ lập mã lợi dụng đặc điểm này bằng cách chuyển đổi các giá trị điểm ảnh của khối thành các thông tin tần số trong công đoạn biến đổi Cosine rời rạc.
* Biến đổi Cosine rời rạc (DCT)
Biến đổi Cosine là một hàm mà làm biến đổi dữ liệu hỉnh ảnh được thể hiện trong hệ toạ độ X-Y sang miền tần số. Công đoạn DCT biến đổi các giá trị điểm ảnh của khối thành một mạng lưới gồm các hệ số ngang dọc đặt trong không gian tần số. Khi khối ban đầu có tần số không gian thấp, DCT sẽ tập hợp năng lượng tần số vào góc tần số thấp của mạng lưới. Nhờ vậy, những hệ số tần số thấp ở góc đó sẽ có giá trị cao hơn. Một số lượng lớn các hệ số khác còn lại trên mạng lưới đều là các hệ số có tần số cao, năng lượng thấp và có giá trị thấp. Tại đây, hệ số DC và một vài hệ số tần số thấp sẽ hàm chứa phần lớn thông tin được mô tả trong khối ban đầu. Có nghĩa là bộ lập giải mã có thể loại bỏ phần lớn hệ số tần số cao còn lại mà không làm giảm chất lượng hình ảnh của khối. Bộ lập mã chuẩn bị các hệ số cho công đoạn này bằng cách quét chéo mạng lưới theo đường zig-zag, bắt đầu từ hệ số DC và qua vị trí của hệ số ngang dọc tăng dần. Do vậy nó tạo ra được một chuỗi hệ số được sắp xếp theo tần số.
* Lượng tử hoá
Quá trình lượng tử hoá là quá trình biến đổi có mất thông tin, làm giảm bớt số lượng bít cần thiết để biểu diễn các hệ số. Dựa trên một hệ số tỷ lệ xích (có thể điều chỉnh bởi bộ mã hoá), bộ lượng tử hoá sẽ cân đối tất cả các giá trị hệ số. Do phần lớn các hệ số đi ra từ DCT đều mang năng lượng cao nhưng giá trị thấp nên bộ lượng tử hoá bắt đầu bằng một số giá trị cao ở đầu chuỗi, theo sau là một hàng dài các hệ số đã được lượng tử hoá về 0. Bộ lập mã Entropy có thể theo dõi số lượng các giá trị 0 liên tiếp trong một chuỗi mà không cần mã hoá chúng, nhờ vật giảm bớt được khối lượng dữ liệu trong mỗi chuỗi. Để lượng tử hóa các hệ số biến đổi, H264/MPEG Part 10 dùng phương pháp lượng tử hóa vô hướng. Các bộ lượng tử hoá được lựa chọn cho mỗi Macro-Block là dựa vào các tham số lượng tử hoá QP (Quantization Parameter). Các bộ lượng tử hoá được sắp xếp sao cho có sự tăng khoảng 12.5% trong kích thước bước lượng tử hoá khi QP tăng một đơn vị. Nhìn chung các hệ số biến đổi được lượng tử hoá của khối được quét zig-zag và được truyền đi nhờ dùng phương pháp mã hoá Entropy.
* Mã hoá Entropy
Mã hoá Entropy trong các tiêu chuẩn trước đó như MPEG -1,2,4, H.261, và H.263 thì cơ bản là trên các bảng cố định mã hoá biến đổi theo chiều dài (VLC). Các tiêu chuẩn đó xác định các bộ mã hoá từ là cơ bản trên sự phân bố xác suất của các video chung thay cho mã Huffman chính xác đến các chuỗi video. Tuy nhiên H.264 sử dụng các VLC để mà khớp với một biểu tượng được mã hoá cơ bản trên các đặc trưng của ngữ cảnh. Tất cả các phần tử cú pháp, ngoại trừ các dữ liệu dư thừa, được mã hoá bằng mã Exp-Golomb. Để mà đọc được các dữ liệu dư thừa (các hệ số biến
đổi đã lượng tử hoá) thì ta sử dụng phương pháp quét Zig-Zag (xen kẽ nhau) hay quét lần lượt (không xen kẽ hay phân trường).
2.4.5 Bộ lọc tách khối
Một đặc trưng riêng của mã hoá dựa trên cơ sở khối là có thể nhìn thấy các cấu trúc khối. Các mép của khối được cấu trúc lại với độ chính xác kém hơn các phần tử ảnh (pixel) bên trong và nhìn chung dạng khối (blocking) được xem là một trong những nhiễu “artifact” dễ nhìn thấy nhất với các phương pháp nén hiện tại. Do nguyên nhân này mà H.264/MPEG-4 Part 10 sử dụng bộ lọc tách khối (Deblocking Filter) để làm giảm hiện tượng tách khối, ngăn chặn việc truyền của tạp âm mã hoá được tích luỹ. Tại bộ lọc này, cường độ lọc được điều khiển bởi giá trị của nhiều phần tử cấu trúc.
Các chuẩn nén trước đó đã không sử dụng bộ lọc tách khối bởi vì việc bổ sung rất phức tạp, mặt khác việc chia các nhiễu khối có thể được làm giảm bằng việc sử dụng MC chính xác một nửa phần tử ảnh. Một nửa phần tử ảnh thu được bằng cách lọc tuyến tính (bilinear filtering)của các phần tử ảnh nguyên vẹn bên cạnh đã phát huy vai trò làm “nhẵn” của mã hoá tạp âm trong miền phần tử ảnh nguyên vẹn.
H.264 sử dụng bộ lọc tách khối để việc thực hiện việc mã hoá cao hơn mặc dù việc thực hiện rất phức tạp. Việc lọc được áp dụng cho các mép của các Block 4 x 4 trong một Macro- Block. Quá trình điều khiển bộ lọc tách khối thành phần chói được thực hiện trên 4 cạnh của mẫu 16 x 16 (16-sample) và quá trình xử lý bộ lọc tách khối cho mỗi thành phần màu được thực hiện trên 2 cạnh của mẫu 8 x 8.
2.4.6 Giải mã video
Hình 3.29 Sơ đồ giải mã Video H264/MPEG -4 Part 10
2.4.7 Ưu điểm của H.264/AVC
Chất lượng hình ảnh tốt : H.264 là chuẩn nén sử dụng công nghệ âm thanh, hình ảnh mới khả năng nén tôt hơn so với các chuẩn nén trước đó. Do đó, chuẩn nén cung cấp dịch vụ phân
phát hình ảnh chất lượng cao qua mạng băng thông giới hạn.
Yêu cầu băng thông thấp : Chất lượng hình ảnh của H.264 gần giống với MPEG-2 nhưng H.264 cần ít băng thông để truyền tải tín hiệu với cùng chất lượng. Đặ điểm này rất phù hợp để sử dụng trong hệ thống IPTV.
Có khả năng kết hợp với các thiết bị xử lí video có sẵn như MPEG-2 và hạ tầng mạng dựa trên IP đã có sẵn .
Hỗ trợ truyên hình độ phân giải cao : Khi sử dụng tối ưu chuẩn nén thể làm có thể làm tăng khả năng truyền dữ liệu của mạng. Do đó các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông có thể sử dụng chuẩn nén này để cung cấp chương trình video độ phân giải cao qua mạng sẵn có.
Hỗ trợ nhiều ứng dụng : Chuẩn nén H.264 được sử dụng trong nhiều ứng dụng, với nền khác nhau thì có những yêu cầu riêng. Ví dụ, ứng dụng truyền đa điểm trong IPTV yêu cầu phải hiện thị hình ảnh ở dạng chuẩn truyền hình, trong khi, đối với các ứng dụng giải trí di động, hình ảnh phải hiển thị được trên các thiết bị di động. Để phù hợp với mọi ứng dụng, chuẩn nén H.264 có rất nhiều profile và level.Đặc điểm của profile và level là tốc độ bit và kích thước ảnh.
Có thể truyền độc lập : Chuẩn nén H.264 có thể truyền qua nhiều giao thức như ATM, RTP,UDP, TCP và các dong MPEG-2.
Dễ dàng thích nghi với các mạng chất lượng kém nhờ cơ chế sửa lỗi . 2.4.8 Các ứng dụng của H.264/AVC
Chuẩn nén này được thiết kế cho các ứng dụng sau:
• Truyền hình quảng bá qua qua vệ tinh, cáp, mặt đất… • Truyền hình tương tác, video theo yếu cầu (VoD). • Lưu trữ đĩa quang, băng từ, DVD.
• Tích hợp dịch vụ qua ISDN, LAN, DSL, mạng không dây, mạng di động, modem.
• Nhắn tin đa phương tiện MMS qua ISDN, DSL, LAN mạng di động.
Còn nhiều ứng dụng khác được phát triển trên mạng hiện tại như video phone,… và mạng tương lai.
Kết luận
Từ những đặc điểm và ưu điểm của MPEG-4 AVC đánh dấu một bước ngoặt trong lĩnh vực nén video, áp dụng các kỹ thuật tiên tiến nhằm mục đích sử dụng băng thông hiệu quả hơn và đem lại chất lượng ảnh cao hơn. Với các kỹ thuật này, MPEG-4 AVC có thể giảm tốc độ bit xuống hơn 50% so với chuẩn MPEG-2. Do đó, MPEG-4 Part 10 được lựa chọn để ứng dụng trong IPTV. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng video
2.5.1 Ảnh hưởng bởi hệ thống mã hóa/giải mã
Dữ liệu Video trong các ứng dụng đa phương tiện hiện nay thường được mã hóa và nén bằng MPEG2, MPEG4 Part 10/H.264, Microsoft WMV9/VC1 và một số chuẩn nén khác. Các bộ
mã hóa video thường hỗ trợ một khoảng khá rộng tốc độ nén, điều này cho phép những lựa chọn khác nhau giữa chất lượng và băng thông. Phần lớn các phương pháp nén video đều dựa vào việc mã khác nhau giữa các frame (inter-frame). Điều này có nghĩa là, thay vì phải gửi đi tất cả các frame, thì chỉ gửi đi sự sai khác của một frame với frame trước đó. Phương pháp mã hóa này làm việc tốt với những video có những thay đổi hình ảnh ít, tuy nhiên sẽ là ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng hình ảnh và băng thông nếu có sự thay đổi lớn giữa các frame hình ảnh. Đa số các chuẩn mã hóa vừa cho phép mã hóa với tốc độ bít cố định (chất lượng hình ảnh thay đổi) hay tốc bít thay đổi (chất lượng hình ảnh ít thay đổi).
Các phương pháp mã hóa video nói chung thường kết hợp cả kiểu mã hóa intra-frame và inter-frame. Trong kiểu mã hóa intra-frame, một frame ảnh được chia thành các khối, mỗi khối này được biến đổi thành tập các hệ số thông qua biến đổi Cosin rời rạc. Một nhóm các khối được kết hợp lại thành một thực thể duy nhất (slice), và đôi khi được đóng gói vào một gói. Nếu có lỗi trên đường truyền xảy ra thì có thể cả một nhóm các khối sẽ bị mất, tạo nên “sọc” trong các ảnh dải mã. Điều này xảy ra bởi vì các hệ số của biển đổi Cosin rời rạc trong mỗi khối được tính toán dựa trên khối đầu tiên trong slice, nếu lỗi làm mất thông tin của khối đầu tiên thì tất cả các khối còn lại trong slice là không xác định. Một vài lỗi có thể làm hỏng cấu trúc của frame, do đó không có khả năng tái tạo lại frame. Với kiểu mã hóa inter-frame (motion based coding), các vector chuyển động được xác định và mã hóa cho mỗi khối. Trong các hệ thống mã hóa kiểu inter-frame, việc mất một frame có thể làm cho các frame theo sau nó trở nên không sử dụng được cho đến khi I-frame tiếp theo được nhận, kết quả là có thể thu được hình ảnh video trắng hay hình ảnh bị đông cứng, chất lượng video bị suy giảm đáng kể. Trong hầu hết các trường hợp các tiêu chuẩn mã hóa video đều cung cấp khả năng linh động ở cả bộ mã hóa và giải mã cho việc cân bằng giữa chất lượng và tốc độ. Việc hiểu biết rõ ràng về ảnh hưởng của các bộ mã hóa và giải mã video là yếu tố quan trọng góp phần vào việc đánh giá chính xác các ảnh hưởng của mạng đến chất lượng truyền video trên mạng.
2.5.2 Giới hạn về băng thông
Sự giới hạn về băng thông thường xảy ra tại lớp truy nhập (thường là các kết nối DSL hay Cable). Nếu băng thông dành sẵn không đủ để truyền một stream video thì sẽ xảy ra mất gói tại các bộ đệm của bộ định tuyến, dẫn đến việc suy giảm chất lượng video. Một vấn đề khá tinh tế cũng xảy ra khi mã hóa video với tốc độ bít thay đổi. Trong trường hợp này, sự thay đổi hình ảnh hay sự thay đổi các frame là đáng kể sẽ làm tăng yêu cầu về băng thông trong một khoảng thời gian ngắn, điều này có thể gây lên hiện tượng mất gói và do đó làm suy giảm chất lượng hình ảnh.
2.5.3 Mất gói tin
Sự mất gói tin trên mạng có thể gây ra bởi nhiều nguyên nhân: sự nghẽn mạng, mất liên kết, không đủ băng thông hay lỗi trên đường truyền, v.v… Sự mất gói thường xảy ra bùng phát, mức độ tắc nghẽn mạng cao gây lên độ mất gói cao. Sự suy giảm chất lượng video gây ra bởi
hiện tượng mất gói tùy thuộc vào giao thức được sử dụng để truyền tải video:
• Khi giao thức UDP được dùng để truyền tải dữ liệu video, khi xảy ra hiện tượng mất gói thì một vài phần của video stream có thể bị mất.
• Khi giao thức TCP được dùng để truyền tải dữ liệu video, khi một gói bị mất thì sẽ có yêu cầu truyền lại gói đã bị mất, điều này làm sự thiếu hụt bộ đệm tại set-top-box, gây lên hiện tượng dừng hình.
Khi truyền video bằng giao thức UDP, hiện tượng mất gói có thể làm hỏng một phần hay thậm chí hoàn toàn các frame.
2.5.4 Nghẽn tại máy chủ
Không hẳn mọi yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng video đều gây ra bởi mạng, nếu máy chủ cung cấp dịch vụ VoD phải phục vụ tối đa số người dùng theo khả năng của nó, điều này sẽ gây ra sự tắc nghẽn tại máy chủ cung cấp dịch vụ. Sự tắc nghẽn này gây ra hiện tượng dừng hình quá lâu tại phía đầu cuối. Để giảm tải cho máy chủ dịch vụ có thể dùng các giao thức phù hợp như UDP Multicast. Nhưng giao thức này chỉ phù hợp khi có một số lượng lớn người dùng xem cùng một nội dung tại cùng một thời điểm.
2.5.5 Jitter và Timing drift
Jitter là khái niệm dung để mô tả sự khác nhau của khoảng thời gian đi từ nguồn đến đích của các gói tin. Jitter càng lớn khi xảy ra nghẽn mạng hay tắc nghẽn tại máy chủ dịch vụ. Jitter có thể gây ra tràn bộ đệm tại set-top-box, gây lên hiện tượng dừng hình tại đầu cuối. Hiện tượng Timing drift xảy ra khi đồng hồ tại đầu gửi và đầu nhận có sự sai khác nhau về tốc độ, gây ra sự tràn vùng đệm tại đầu nhận. Để hạn chế sự ảnh hưởng của hiện tượng này, yêu cầu phía đầu nhận phải hiệu chỉnh lại tốc độ của đồng hồ cho phù hợp để tránh hiện tượng tràn bộ đệm.