V. Nén trong ảnh
1. giới thiệu chung về chuẩn MPEG
Chuẩn MPEG (Moving Picture expert Groug) lμ chuổi Video với mục đích lμ mã hoá tín hiệu hình ảnh vμ âm thanh cho DSM(Digital storage Media) tốc độ từ 1,5 đến 50Mbit/svμ đ−ợc biết đến nh− lμ MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4,...Các chuẩn MPEG tiến tới tối −u hoá cho các ứng dụng videođộng vμ các đặc điểm của nó cũng bao gồm một thuật toán cho việc nén dự liệu Audio với tỷ lệ lμ 5:1 cho tới 10:1.
Trong chuẩn MPEG, ng−ời ta định nghĩa các loại ảnh khác nhau cho phép sự linh hoạt để cân nhắc giữa hiệu quả mã hoá vμ truy nhập ngẫu nhiên. Các loại ảnh đó nh− sau:
1.1 ảnh loại I (Intra-picture).
Lμ ảnh đ−ợc mã hoá riêng. ảnh loại I có chứa đựng dữ liệu để tái tạo lại toμn bộ hình ảnh vì chúng đ−ợc tạo thμnh bằng thông tin của chỉ một ảnh. ảnh I cho phép truy cập ngẫu nhiên, tuy nhên đạt đ−ợc tỷ lệ nén thấp nhất.
1.2. ảnh loại P(Predicter-picture).
Lμ ảnh mã hoá có bù chuyển động từ ảnh I hoặc ảnh P phía tr−ớc (ảnh đ−ợc dự đoán tr−ớc). ảnh P cung cấp các hệ số nén cao hơn ảnh I
1.3. ảnh loại B(Bidiretional Predcited-picture)
Lμ ảnh đ−ợc mã hoá sử dụng bù chuyển động từ ảnh I vμ ảnh phía tr−ớc vμ phía sau(ảnh dự đoán hai chiều). ảnh B có tỷ lệ nén cao nhất.
1.4 Nhóm ảnh (GOP).
Đối với chuẩn MPEG, chất l−ợng ảnh không những phụ thuộc vμo tỷ lệ nén trong từng khuôn hình mμ còn phụ thuộc vμo chiều dμi của nhóm ảnh. Nhóm ảnh (Group of picture) lμ một khái niệm cơ bản của MPEG. GOP lμ đơn vị mang thông tin độc lập của MPEG.
Công nghệ MPEG sử dụng ba loại ảnh I, P, B. Trong đó ảnh P, B không phải lμ một ảnh hoμn chỉnh, mμ chỉ chứa thông tin về sự khác biệt giữa ảnh đó vμ ảnh tr−ớc nó(đối với ảnh P), hay sự khác biệt với cả ảnh tr−ớc vμ ảnh sau nó (đối với ảnh B). Để có một khuân hình hoμn chỉnh, ảnh P vμ ảnh B cần có dữ liệu từ các ảnh lân cận, vì vậy MPEG đã đ−a ra khái niệm GOP. Mỗi GOP bắt buộc phải bắt
đầu bằng một ảnh hoμn chỉnh I vμ tiếp sau đó lμ một loạt các ảnh P vμ B. Nhóm ảnh có thể mở(Open) hoặc đóng (closed).
Nhóm ảnh mở luôn bắt đầu bằng một ảnh I vμ kết thúc ở một ảnh tr−ớc ảnh I tiếp theo, có nghĩa lμ ảnh cuối cùng của GOP dùng lμm ảnh đầu tiên của GOP tiếp theo lμm ảnh chuẩn. Thứ tự hiện ảnh Thứ tự truyền ảnh 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 1 3 4 2 6 7 1 3 4 2 1 B B p b b i b b p GOP GOP
H28. Cấu trúc GOP mở H29.Cấu trúc GOP đóng
Đối với cấu trúc khép kín, việc dự đoán ảnh không sử dụng thông tin của GOP
khác. Trong tr−ờng hợp nμy theo quy định, ảnh cuối cùng của một GOP bao giờ cũng lμ ảnh P.
Nhóm ảnh nμy đ−ợc xác định bởi hai thông số m vμ n. Thông số m xác định khung hình P vμ 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 vμo độ dμi của GOP.
Tuy nhiên GOP dμi th−ờng gây khó khăn cho quá trình tua, định vị , sửa lỗị.. Do đó tuỳ thuộc vμo từng khâu (sản xuất, dựng, truyền dẫn, phát sóng...) mμ ta chọn độ dμi GOP thích hợp. Trong sản xuất hậu kì, nếu yêu cầu truy cập ngẫu nhiên vμo bất cứ ảnh nμo, điều đó có nghiã lμ yêu cầu truy cập chính xác đến từnh ảnh , GOP khi đó chỉ có ảnh loại I, tr−ờng hợp nμy sẽ cho tỷ lệ nén rất thấp. Để tăng tỷ lệ nén, số l−ợng ảnh Pvμ B phải tăng lên, lúc nμy sẽ không cho phép việc sử dụng hình cũng nh− lμm kỹ xảo trên chuổi ảnh đó. Trong tr−ờng hợp nμy GOP có thể bao gồm 12 ảnh.
1.5 Cấu trúc dòng bit MPEG videọ Cấu trúc dòng bit video bao gồm 6 lớp: Cấu trúc dòng bit video bao gồm 6 lớp:
ạKhối :khối 8x8 các điểm ảnh tín hiệu chói vμ tín hiệu mμu dùng cho ph−ơng pháp nén DCt. Khối điểm ảnh8x8 nhóm ảnh H30.Kiến trúc dòng bít vi deo
b. Cấu trúc khối (macroblock):Mổi cấu trúc khối lμ một nhóm các khối t−ơng ứng với l−ợng thông tin chứa đựng cho kích th−ớc 16x6 điểm trên ảnh. Cấu trúc khối cũng xác định l−ợng thông tin chứa trong đó sẽ thay đổi tuỳ theo cấu trúc mẫu đ−ợc sử dụng. Thông tin đầu tiên trong cấu trúc khối mang dạng của nó ( lμ cấu trúc Y vμ Cr’ Cb) vμ các vector bù chuyển động t−ơng ứng
c. Mảng(Slice): Mảng bao gồm một vμi cấu trúc khối kề nhaụ Kích th−ớc lớn nhất của mảng có thể gồm toμn bộ bức ảnh vμ kích th−ớc nhỏ nhất của mảng lμ một cấu trúc khốị Thông tin đầu của mảng chứa đựng vị trí của mảng trong toμn bộ ảnh vμ hệ số cân bằng l−ợng tử. Kích th−ớc thông tin đầu của mảng đ−ợc 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 địng tín hiệu quả của ph−ơng pháp nén ảnh, theo đó hệ số cân bằng l−ợng tử có thể đ−ợc điều chỉnh th−ờng xuyên với việc sử dụng mảng có kichs th−ớc nhỏ hơn. Hệ số DC tham chiếu (dùng trong mã hoáDPCM) sẽ đ−ợc so sánh chuẩn tại đầu mổi mảng.
CR Y CB
d. ảnh: Lớp ảnh cho phép bộ giải mã xác định loại ảnh của ảnh đ−ợc mã hoá lμ 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 đông bộ, độ phân giải vμ phạm vi của vector chuyển động.
ẹ Nhóm ảnh: Nhóm ảnh lμ một tổ hợp rất nhiều các khung I, P vμ B. Cấu trúc của nhóm ảnh đ−ợc xác định bởi hai tham số m vμ n. Mỗi nhóm ảnh bắt đầu bằng khung I vμ xác địng điểm bắt đầu để tìm kiếm vμ biên tập. Thông tin gồm 25 bít chứa mã định thời vμ điều khiển.
f. Đoạn Video: đoạn video bao gồm thông tin đầu, một số nhóm ảnh vμ thông tin kết thúc đoạn. Thông tin đầu của đoạn video chứa kích th−ớc mổi chiều của ảnh, kích th−ớc điểm ảnh, tốc độ bit của dòng video số, tần số ảnh vμ bộ đệm tối thiểu cần có. Đoạn video thông tin đầu tạo thμnh một dòng bít đ−ợc mã hoá gọi lμ dòng cơ bản (Elementary stream).
1.6 Nguyên lý nén dòng bit.
Với các loại ảnh đã nói ở trên, việc mã hoá theo loại nμo lμ tuỳ thuộc vμo nhμ thiết kế. Tuy nhiên cấu trúc của bộ mã hoá MPEG có thể theo sơ đồ sau:
• Nguyên tắc hoạt động của mạch mã hoá MPEG
Cách hoạt động của bộ mã hoá phụ thuộc vμo loại hình ảnh mã hoá tại thời điểm đang xét. Nén MPEG lμ sự kết hợp giữa nén trong ảnh vμ nén liên ảnh. Dạng thức đầu vμo lμ Rec-601 4:2:2 hoặc 4:2:0 đ−ợc nén liên ảnh tr−ớc tạo ra ảnh khác biệt ở đầu ra bộ cộng. ảnh nμy sau đó lại đ−ợc nén trong ảnh qua các b−ớc: Biến đổi DCT , l−ợng tử hoá, mã hoá. Cuối cùng ảnh nμy đ−ợc trộn với vector chuyển động đ−a đến bộ khuếch đại đệm sẽ thu đ−ợc ảnh đã nén.
Điều khiển tốc độ bí Bảng điện tử
H31. Sơ đồ khối củaquá trìnhmã hoá MPEG
Tốc độ bit của tín hiệu video đ−ợc nén không cố định, phụ thuộc vμo nội dung ảnh đanh xét. Ng−ợc lại, tại đầu ra của bộ mã hoá, dòng bit phải cố định để xác định tốc độ cho dung l−ợng kênh truyền. Do đó, tại đầu ra của bộ mã hoá phải có bộ nhớ đệm độ lớn. Bộ mã hoá phải kiểm tra trạng tháy đầy của bộ nhớ đệm khi số liệu trong bộ nhớ đệm gần bằng dung l−ợng cực đại, thì các hệ số biến đổi DCT đ−ợc l−ợng tử hoá ít chính xác hơn. Trong tr−ờng hợp ng−ợc lại, có nghiã lμ bộ nhớ đệm chứa số liệu quá ít, thì việc l−ợng tử hoá các hệ số sẽ tăng lên.
Quá trình giải mã theo lý thuyết lμ quá trình ng−ợc lại với quá trình mã hoá ở trên. 4:2:2 4:2:0 ∑ DTC l−ợ n g t ử h o á m ã h o á e n t r o p y Trộn K h u y ế c h đ ạ i đ ệ m ∑ g i ả i l−ợ n g t ử h o á I D T C ả n h d ự đ o á n ả n h s o s á n h X á c đ ị n h v e c t o r c h u y ể n đ ộ n g Vector chuyển động Điều khiển nhóm ảnh