Mã dùng trong truyền hình số được chia thành các nhóm: -mã sơ cấp
-mã bảo vệ và sửa sai. -mã truyền tuyến tính.
Đầu tiên, tất cả tín hiệu video được mã hoá sơ cấp, sau đó mã hoá chuyển đổi. Mã sơ cấp là mã cơ sở từ đó hình thành mã bảo vệ (Protection code ).
Mã sơ cấp dùng trong truyền hình số là mã nhị phân (Binary code ). Mã nhị phân được chia thành mã cân bằng và mã không cân bằng.
-Mã cân bằng là các mã trong đó hệ số cân bằng được dùng cho mỗi liên kết mã, ví dụ mã nhị phân tự nhiên. 1 2 0 ) 2 ( n i i Ci F =∑− × = Với : Ci=0 hoặc 1 2i hệ số cân bằng i là số hạng của liên kết mã 36
Mã không cân bằng là các mã 2 trong đó các liên kết mã liên tục không có sự cân bằng. Ví dụ mã phản hồi.
Mã của tín hiệu là mã có cấu trúc. Cấu trúc của mã có thể là tuyệt đối hoặc tương đối. Mã có cấu trúc tuyệt đối là mã có sự thay đổi thông số đặc trưng cả mã xảy ra đồng thời sự thay đổi symbol. Mã có cấu trúc tương đối là mã mà sự thay đổi thông số mã đặc trưng chỉ xảy ra khi xuất hiện symbol 1 hoặc 0.
Trong truyền hình số người ta thường dùng mã có cấu trúc tuyệt đối.
• Mã NRZ (Non Return
Zero – không trở lại mức 0).
Mã NRZ có độ rộng mỗi xung bằng thời gian chu kỳ đồng bộ. Mức logic 0 ứng với điện áp thấp nhất, mức điện áp cao nhất ứng với mức logic 1.
UNRZ(t) = U(t) – U(t-T)
Mã NRZ có hai loại. Mã NRZ gián đoạn tích cực, và mã NRZ gián đoạn thụ động. Mã NRZ gián đoạn thụ động thì mức symbol ứng với 0 V, mã NRZ gián đoạn tích cực điện áp âm ứng với mức 0 điện áp dương với mức 1.
Các loại biến thứ của NRZ:
NRZ – M (NRZ-Mark ) hay NRZ – 1, NRZ –S (NRZ space) hay là NRZ – 0.
• mã NZ (return zero).
Độ rộng mỗi xung bằng ½ hoặc một phần thời gian xung của chu kỳ đồng hồ.
URZ(t) = U(t) – U(t-0.5T)
Các biến thứ của RZ: RZ-P, RZ-U.
• Mã BiPh (Binary phace )
Mã NRZ Mã NRZ-M Mã NRZ-S Mã NRZ-P Mã RZ Mã RZ-P Mã RZ-U Mã BiPh Mã BiPh-M Mã BiPh-S Từ mã 1 0 1 1 0 1 0 0 Hình 1.11: Mã sơ cấp 37
Mã có đặc điểm là có đôi xung bổ trợ nhau với điện áp RZ trong mỗi chu kỳ đồng hồ.
UBiPh(t) = U(t) – 2U(t-0.5T) + U(t-T)
Các biến thứ của BiPh: BiPh-M & BiPh-S.
Trong thiết bị truyền hình số, mã NRZ thường được dùng cho thiết bị studio và các thiết bị thông tin phụ trong tín hiệu truyền hình. Mã RZ được dùng trong một số trường hợp truyền tín hiệu số với khoảng cách xa. Mã BiPh dùng trong quá trình ghi tín hiệu số trên băng từ.
CHƯƠNG II: CÁC VẤN ĐỀ SỐ HOÁ TÍN HIỆU AUDIO. 2.1. Số hoá tín hiệu audio.
Tín hiệu audio thường đi kèm tín hiệu video trong truyền hình. Để có chất lượng âm thanh tốt người ta tìm cách nén tín hiệu audio.
2.1.1. Số hoá tín hiệu audio.
Để biến tín hiệu audio sang tín hiệu số, người ta dùng PCM đơn giản. Tín hiệu âm thanh thường có băng tần 40Hz15KHz. Nếu theo Nyquist,
fsa≥2×15KHz=30KHz. Để giảm méo do lồng phổ, ta chọn fsa=32KHz±2.6× 10-
6.Muốn đạt chất lượng cao về âm thanh khôi phục, thì tỷ số tín hiệu trên méo
lượng tử phải có giá trị lớn. do đó phải mã hoá mỗi mẫu với độ chính xác ít nhất là 14 bit. Tốc độ bit của tín hiệu là 500KB/s,nhỏ hơn nhiều tốc độ video (220Mb/s). Tín hiệu Audio thường được nén và dãn nhờ đặc tuyến (phi tuyến) lượng tử hoá tín hiệu .
Trong tín hiệu âm thanh, các mức có giá trị lớn ít hơn nhiều các mức có giá trị nhỏ. Nên có thể mã hoá với độ chính xác thấp.
Đặc tuyến nén thích hợp được biểu diễn dưới đây:
Hình 2.1: Đặc tuyến nén tín hiệu. 0 1/8 ¼ ½ 1 1/64 1/32 1/16 512 448 384 320 256 192 128 64 Ura Uv oà a) Y X X Y 1/A 1 -1 -1/A 1 dy 1 dx 1 -1 -1 1 b) c) 39
a) Một phần của đặc tuyến A. b) Nguyên tắc nén. c) Đặc tuyến A Ta có sự phụ thuộc: Uu x X = và Uu y y Y =
Trong đó ux, uy : trị tức thời tín hiệu vào và ra của mạch co dãn tín hiệu Ux Uy : biên độ cực đại của tín hiệu vào và ra của mạch co dãn. Mỗi biến x và y có thể có giá trị từ -1 đến +1. Vị trí dương và âm của tín hiệu video có cùng công suất. Nên đặc tính nén sẽ đối xứng qua điểm gốc của hệ toạ độ. Cần chọn đặc tính nén sao cho chất lượng tín hiệu âm thanh có chất lượng cao là đặc tuyến A.
2.1.2. Truyền tín hiệu âm thanh trong tín hiệu video.
Trong trường hợp truyền các tín hiệu video số với một hoặc một vài tín hiệu âm thanh số di kèm, thì tốt nhất là ghép kênh theo thời gian với tín hiệu video, nhằm tạo một tia số liên tục.
Các tín hiệu âm thanh số có thể được truyền trong tín hiệu video tương tự. Trong tín hiệu video, khoảng 20% thời gian dùng để truyền các xung đồng bộ và xung xoá. Các khoảng thời gian này có thể sử dụng để truyền âm thanh số. Việc làm này phải đảm bảo không gây nhiễu cho hoạt động kênh video và máy thu.
Tín hiệu âm thanh cần cấy vào tín hiệu Video tương tự phải được biến đổi thành tín hiệu số. Tần số lấy mẫu có thể đồng bộ có thể đồng bộ với tần số dòng hoặc không. Nếu chuyển tín hiệu âm thanh thanh tín hiệu số một cách trực tiếp, tốt nhất chọn tần số lấy mẫu bằng nhiều lần tần số lấy mẫu fH. Ví dụ fsa=2fH=2x15.625KHz=31.250. Nếu tín hiệu âm thanh đã ở dạng số rồi, thì nó được lấy mẫu với tần số không đồng bộ fH với fH. Để cấy tín hiệu âm thanh số vào tín hiệu Video càn phải nén tín hiệu. Để không gây méo tín hiệu Video do cấy tín hiệu Video vào nó, các xung có sườn dốc của tín hiệu số phải được tạo dạng nhờ mạch lọc có đặc trưng gần với đặc trưng phổ tín hiệu Video. Ví dụ mạch lọc có đặc trưng sin22T (T=1/fgh), fgh là tần số cao nhất của tín hiệu Video , ví dụ fgh=6MHz đối với hộ PAL.
Có nhiều công trình nghiên cứu truyền tín hiệu âm thanh số trong tín hiệu Video . Các phương pháp này cho phép truyền tín hiệu âm thanh trong các hệ thống NTSC, PAL, SECAM.
Có các phương pháp đa năng, cho phép cấy và truyền tín hiệu âm thanh cho mọi hệ thống truyền hình. Có thể truyền thêm từ 1 đến 8 kênh âm thanh cùng với một tín hiệu Video .
Một trong các phương pháp đa năng nói trên là hệ thống SIS (Sound - In- Sync). Nó cho phép truyền một tín hiệu âm thanh cùng với tín hiệu PAL, và NTSC mà không cần thay đổi vị trí xung đồng bộ màu.
Hình 2.2: Vị trí tín hiệu SIS trong xung đồng bộ dòng Xung đồng bộ dòng 4.7μs chuẩn 3.8μs 3.62μs±10ns 1V±30mV 300mV ±9mV
Hình 2.3: Tín hiệu của hệ thống SIS
PHẦN III: NÉN TÍN HIỆU TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NÉN.
1.1. Mở đầu.
Trong tất cả các dạng tín hiệu thì tín hiệu truyền hình chiếm dải tần lớn nhất cho một kênh thông tin. Tín hiệu Video số thành phần (số hoá 8 bit ) có tốc độ bằng 216Mbit/s. Dải phổ cần thiết để truyền tín hiệu này phải có bề rộng không dưới (3/4)x216=162MHz. Trong studio, truyền tín hiệu bằng cáp, giắc nối chất lượng cao và với khoảng cách ngắn việc nén dải tần chỉ mang tính kinh tế, việc truyền tín hiệu có thể thực hiện mà không cần nén. Song sẽ rất khó khăn, thậm trí không thể thực hiện thực hiện được việc truyền tín hiệu Video số qua vệ tinh với độ rộng dải tần một kênh 27MHz hoặc qua hệ thống truyền hình quảng bá trên mặt đất với tiêu chuẩn 7-8MHz cho một kênh truyền hình tiêu chuẩn. Do vậy, nén tín hiệu là công đoạn không thể thiếu để khắc phục được những khó khăn trên.
Nén về cơ bản là một quá trình trong đó lượng số liệu (data ) biểu diễn lượng thông tin của một ảnh hoặc nhiều ảnh được giảm bớt bằng cách loại bỏ những số liệu dư thừa trong tín hiệu Video. Các chuỗi ảnh truyền hình có nhiều phần ảnh giống nhau, vậy tín hiệu truyền hình có chứa nhiều dữ liệu dư thừa, ta có thể bỏ qua mà không làm mất thông tin ảnh. Đó là các phần xoá dòng, xoá mành, vùng ảnh tĩnh hoặc chuyển động rất chậm, vùng ảnh nền giống nhau, mà ở đó các phần tử liên tiếp giống nhau hoặc khác nhau rất ít. Thường thì chuyển động trong ảnh truyền hình có thể được dự báo, dó đó chỉ cần truyền các thông tin về chuyển động. Các phần tử lân cận trong ảnh thường giống nhau, do đó chỉ cần truyền các thông tin biến đổi. Các hệ thống nén sử dụng đặc tính này của tín hiệu Video và các đặc trưng của mắt người là kém nhậy với sai số trong hình ảnh có nhiều chi tiết và các phần tử chuyển động. Quá trình sau nén ảnh là dãn ảnh để tạo lại ảnh gốc hoặc xấp xỉ ảnh gốc.
Sự phát triển của kỹ thuật số và việc sử dụng công nghệ số vào kỹ thuật truyền hình làm cho khái niệm “nén Video ” trở thành đề tài nóng hổi trong những năm gần đây. Thật ra khái niệm nén Video đã có từ những năm 1950 cùng với sự ra đời của truyền hình mầu, đó là nén độ rộng băng tần bằng kỹ
thuật tương tự. Ở đây, ba tín hiệu thành phần mầu cơ bản (R,G,B ) với tổng bề rộng dải thông 15MHz đã được nén trong một tín hiệu Video mầu tổng hợp duy nhất với bề rộng dải thông bằng 5MHz. Giải thông tần được giảm 3 lần, hay nói một cách khác hệ số nén bằng 3:1.
Nén Video trong những năm 1950 được thực hiện bằng công nghệ tương tự với tỷ số nén thấp. Ngày nay , công nghệ nén đã đạt được những thành tựu cao hơn bằng việc chuyển đổi tín hiệu Video tương tự sang tín hiệu Video số. Công nghệ nén số đòi hỏi năng lực tính toán nhanh, song với sự phát triển của công nghệ thông tin, nhất là từ khi Shannon trình bày quan niệm xác suất về thông tin và cách biểu diễn truyền và nén chúng, thì điều này đã không còn là trở ngại và nén ảnh càng trở nên quan trọng.
1.2. Mô hình nén ảnh.
Hình 1.1: Mô hình hệ thống nén Video.
Ở tầng đầu tiên của bộ mã hoá video, tín hiệu video được trình bày dưới dạng thuận tiện để nén có hiệu quả nhất. Điểm cốt yếu là chỉ xác định cái gì được mã hoá. Sự biểu diễn có thể chứa nhiều mẩu thông tin để mô tả tín hiệu hơn là chính tín hiệu, nhưng hầu hết thông tin quan trọng chỉ tập trung trong một phần nhỏ của sự mô tả này. Trong cách biểu diễn có hiệu quả, chỉ có phần nhỏ dữ liệu cần thiết để truyền cho việc tái tạo tín hiệu video .
-Hoạt động thứ hai của bộ mã hoá là lượng tử hoá, giúp rời rạc hoá thông tin được biểu diễn. Để truyền tín hiệu video qua một kênh số, những thông tin biểu diễn được lượng tử hoá thành một số hữu hạn các mức.
-Hoạt động thứ 3 là gán các từ mã. Các từ mã này là một chuỗi bit dùng để biểu diễn các mức lượng tử hoá.
Các quá trình sẽ ngược lại trong bộ giải mã video.
Mỗi hoạt động cố gắng loại bỏ phần dư thừa trong tín hiệu video và tận dụng sự giới hạn của hệ thống nhìn của mắt người. Nhờ bỏ đi các phần dư thừa,
Xử lý
kênh Giải L.T.H Biểu diễn thuận lợi Biểu diễn
thuận lợi Lượng tử hoá Gán từ mã Giải từ mã
các thông tin giống nhau hoặc có liên quan đến nhau sẽ không được truyền đi. Những thông tin bỏ đi mà không ảnh hưởng đến việc nhìn cũng không được truyền đi.
1.3. Các đặc điểm của nén tín hiệu số.
1.3.1.Xác định hiệu quả của quá trình nén tín hiệu số.
Hiệu quả nén được xác định bằng tỉ lệ nén, nghĩa là tỷ số giữa số lượng dữ liệu của ảnh gốc trên trên số lượng dữ liệu của ảnh nén.
Độ phức tạp của thuật toán nén được xác định bằng số bước tính toán trong cả hai quá trình mã hoá và giải mã. Thông thường thì thuật toán nén càng phức tạp bao nhiêu thì hiệu quả nén càng cao nhưng ngược lại giá thành và thời gian thực hiện lại tăng. Đối với thuật toán nén có tổn thất thì độ sai lệch được xác định bằng số thông tin bị mất đi khi tái tạo lại hình ảnh từ dữ liệu nén. Với nén không tổn thất thì chúng ta có thể có những thuật toán má hoá càng gần với Entropy của thông tin nguồn, bởi vì lượng entropy của nguồn chính là tốc độ nhỏ nhất mà bất cứ một thuật toán nén không tổn thất nào cũng có thể đạt được.
Ngược lại, trong các nén có tổn thất thì mối quan hệ giữa tỷ lệ nén và độ
sai lệch thông tin được shannon nghiên cứu và biểu diễn dưới dạng hàm RD
( hàm về độ sai lệch thông tin ). Lý thuyết của ông cũng chỉ ra rằng với thuật toán nén có tổn thất thì chúng ta sẽ có hiệu quả cao nhất, nhưng ngược lại ta bị mất thông tin trong quá trình tái tạo lại nó từ dữ liệu nén. Trong khi đó nén không tổn thất , mặc dù đạt hiệu quả thấp nhưng ta lại không bị mất thông tin trong quá trình tái tạo lại nó. Vì vậy, ta phải tìm ra một biện pháp nhằm trung hoà giữa hai thuật toán nén này để tìm ra một thuật toán nén tối ưu sao cho hiệu quả nén cao mà lại không bị mất mát thông tin.
1.3.2. Độ dư thừa số liệu.
Nén số liệu là quá trình giảm lượng số liệu cần thiết để biểu diễn cùng một lượng thông tin cho trước. Số liệu và thông tin không đồng nghĩa với nhau, số liệu chỉ là phương tiện dùng để truyền tải thông tin. Cùng một lượng thông tin cho trước có thể biểu diễn bằng các lượng số liệu khác nhau.
Độ dư thừa số liệu là vấn đề trung tâm trong nén ảnh số. Đánh giá cho quá trình thực hiện giải thuật nén là tỷ lệ nén (CN) được xác định như sau: Nếu N1 và
N2 là lượng số liệu trong hai tập hợp số liệu cùng được biểu diễn một lượng thông tin cho trước thì độ độ dư thừa số liệu tương đối RD của tập hợp số liệu thứ nhất với tập hợp số liệu thứ hai có thể được định nghĩa như sau:
RD=1-1/CN
Trong đó: CN=N1/N2
Trong trường hợp N1=N2 thì CN=1 và RD=0, có nghĩa là so với tập số liệu thứ hai thì tập số liệu thứ nhất không chứa số liệu dư thừa. Khi N2<<N1 thì CN tiến tới vô cùng và RD tiến tới 1, có nghĩa là độ dư thừa số liệu tương đối của tập số kiệu thứ nhất là khá lớn hay tập số liệu thứ hai đã được nén khá nhỏ.
1.3.3. Sai lệch bình phương trung bình
Một đánh giá thống kê khác có thể đánh giá cho nhiều giải thuật nén là sai lệch bình phương trung bình so với ảnh gốc RMS (Root Mean square ) được tính bởi biểu thức: ∑ = − × = n i i Xi n RMS 1 2 ' ) ( 1 X Trong đó:
RMS – sai lệch bình phương trung bình Xi – Giá trị điểm ảnh ban đầu
Xi’ – Giá trị điểm ảnh sau khi nén n - Tổng số điểm ảnh trong một ảnh
RMS chỉ ra sự khác nhau thống kê giữa ảnh ban đầu và ảnh sau khi nén. Đa số trường hợp khi nén chất lượng của ảnh nén là tốt với RMS thấp. Tuy nhiên, trong một số trường hợp có thể xảy ra là chất lượng ảnh nén với RMS cao tốt hơn ảnh với RMS thấp hơn.
1.4. Lí thuyết thông tin Entropy .
Trước khi nghiên cứu các phương pháp ta cần đánh giá lượng thông tin chủ yếu chứa đựng trong hình ảnh, để từ đó xác định dung lượng dữ liệu tối