6. Bố cục luận văn
3.4.2. Phân tích kết quả đánh giá khách quan
Để trực quan trong việc so sánh, sử dụng phép nội suy để tính toán và vẽ đồ thị PSNR_YUV và bitrate.
Ngoài ra dựa trên kết quả thu được sau mã hóa video, tiến hành đánh giá trị tiết kiệm bitrate (BitSaving) của mã hóa H.265/HEVC so với H.264/AVC, và được tính như sau [19].
(3.5)
3.4.2. Phân tích kết quả đánh giá khách quan
Để đưa ra kết quả phân tích đánh giá khách quan trong so sánh chất lượng mã hóa H.265/HEVC và H.264/AVC, luận văn dựa vào phần mềm mã nguồn mở tham chiếu đã được các tổ chức chuẩn hóa chạy trên nền C++.
Đối với H.265/HEVC phần mềm mã nguồn mở tham chiếu được gọi là HM (HEVC Test Model), được phát triển trên nền tảng C++ mã nguồn mở dùng cho cải tiến và nghiên cứu.
Đối H.264/AVC phần mềm mã nguồn mở tham chiếu được gọi là JM (Joint Test Model). Được phát triển như một nền tảng thử nghiệm thông dụng cho đánh giá mã hóa H.264/AVC, trong phiên bản JM19 đã phát triển cấu hình gọi là “HM-Like” để thống nhất trong việc so sánh mã hóa với phần mềm HM. Phiên bản phần mềm mã nguồn mở mới nhất của H.265/HEVC và H.264/AVC là HM 16.7 và JM 19 được sử dụng.
3.4.2.1. Mã hóa All Intra (AI-TEST 1)
Trong kết quả kiểu dự đoán AI, các đoạn video được mã hóa trong hai chuẩn H.264 và H.265 chỉ sử dụng chế độ dự đoán trong ảnh (Intra), các ảnh I mã hóa độc lập nhau, lần lượt mã hóa cho các video loại B (720p), loại C (352x288), loại D (352x288). Các giá trị QP thay đổi từ 24, 26, 28, 30, 32 để thu được các đoạn video có giá trị PSNR_YUV và các giá trị bitrate khách nhau thể hiện trên hình 3.7. Giá trị chi tiết thể hiện ở phụ lục D.
Hình 3.7. Kết quả mã hóa AI
Các đồ thị ở bên phải hình 3.7 cho ta thấy, tại cùng một giá trị bitrate được mã hóa nhưng chất lượng mã hóa của H.265 tốt hơn so với mã hóa H.264.
Các đồ thị ở phía trái hình 3.7 thể hiện tại các giá trị khác nhau của QP ta có được các đoạn video có chất lượng PSNR_YUV tương đương nhau ( Phần PSNR trong mã hóa H.265 có phần lớn hơn).
Ba hàng trên hình 3.7 tương ứng với mã hóa video loại B, loại C và loại D. Nhưng điều quan trọng là tại các giá trị QP như nhau (cùng chất lượng hình ảnh) thì khả năng nén của H.265/HEVC như thế nào.
Xem xét bảng chi tiết kết quả mã hóa video loại B (720p), cùng chất lượng mã hóa AI (cùng QP) thì mã hóa H.265 trung bình tiết kiệm được 21,69% lượng bit so với H.264.
Bảng 3.6. Bảng kết quả mã hóa AI video loại B
QP
H.265/HEVC H.264/AVC Tiết kiệm bit
H.265 so với H264 (%) YUV_PSNR (dB) Tốc độ bit (Mbp/s) YUV_PSNR (dB) Tốc độ bit (Mbp/s) 24 39.38 61.16 39.41 75.23 -23.01 26 38.10 48.03 38.01 59.21 -23.29 28 36.99 38.46 36.84 47.81 -24.31 30 36.00 31.65 35.72 38.49 -21.62 32 34.85 25,01 34.52 30.27 -21.06 36 32.71 15.84 32.33 18.51 -16.85
Xu hướng kết quả của mã hóa đối với video loại C và loại D cũng tương tự như loại B (thể hiện trên hình 3.7), nhưng do mức độ chuyển động, kết cấu của từng loại ảnh khác nhau nên giá trị tiết kiệm bitrate sẽ khác nhau. Tiết kiệm bit của H.265/HEVC so với H.264/AVC đối với loại C đạt 22,19% và loại D đạt 20,58%.
Kết luận trường hợp mã hóa AI.
Trong trường hợp của All Intra Main các video được mã hóa theo các ảnh I độc lập với nhau nên sự cải thiện về bitrate mã hóa H.265/HEVC đã cải thiện được 21,45% lượng bit tiết kiệm so với H.264/AVC. Đồng thời, H.265/HEVC sẽ cho chất lượng ảnh tốt hơn so với H264/AVC ở cùng một tốc độ bit.
3.4.2.2. Mã hóa Low delay P (LDP- TEST 2)
Trong trường hợp này, các khung ảnh được mã hóa dựa vào ảnh trước đó, ảnh được mã hóa bắt đầu với ảnh I sau đó là các ảnh P, chỉ dự đoán một chiều và có sự dự đoán trong ảnh và liên ảnh trong trường hợp này.
Kết quả mã hóa tại các giá trị QP khác nhau, theo thứ tự Loại A, loại B, loại C, loại D tương ứng với 4 hàng của hình 3.8.
Các đồ thị bên phải hình 3.8 cho ta thấy, tại cùng một giá trị bitrate được mã hóa nhưng chất lượng mã hóa của H.265 vượt trội so với mã hóa H.264
Các đồ thị bên trái hình 3.8, trong trường hợp này thể hiện cùng một giá trị QP ta thu được giá trị PSNR_YUV của mã hóa H.264/AVC lớn hơn mã hóa H.265/HEVC. Nhưng trong các trường hợp này các giá trị PSNR_YUV đều lớn hơn 30dB và khoảng sai khác không nhiều nên chất lượng video mã hóa khó mã phân biệt được bằng mắt người. Như vậy trong trường hợp này có thể xem chất lượng gần tương đương nhau tại cùng một giá trị QP. Nhưng điều quan trọng là tại các giá trị QP như nhau (cùng chất lượng hình ảnh) thì khả năng nén của H.265/HEVC như thế nào.
Xem xét kết quả mã hóa video loại A, thể hiện bảng sau:
Bảng 3.7. Bảng kết quả mã hóa LDP video loại A
QP
H.265/HEVC H.264/AVC
Tiết kiệm bitrate H.265 so với H.264 (%) PSNR_YUV (dB) Tốc độ bit (Mbp/s) PSNR_YUV (dB) Tốc độ bit Bitrate (Mbp/s) 30 34,72 15,28 37,48 24,81 -62,35 32 33,38 11,55 36,09 19,26 -66,73 34 32,18 8,81 34,77 14,89 -68,87 36 31,03 6,66 33,46 11,39 -71,02
Trong bảng 3.11 thể hiện, chất lượng tương đương nhau, cùng giá trị QP trong mã hóa LDP thì mã hóa H.265 trung bình tiết kiệm được 67,24% lượng bit so với H.264.
Xu hướng kết quả của mã hóa đối với các loại video loại B, loại C, loại D cũng tương đương với loại A (thể hiện hình 3.8). Nhưng do mức độ chuyển động, kết cấu từng loại ảnh khác nhau nên có những giá trị tiết kiệm bit khác nhau, mặt khác trong trường hợp này sử dụng dự đoán liên ảnh (inter) và trong ảnh (intra) nên kết quả tiết kiệm bit trung bình vượt trội so với mã hóa AI và kết quả là: loại B đạt -108,03%, loại C đạt -65,42%, loại D đạt -55,10%
Kết luận trong trường hợp mã hóa LDP
Trong trường hợp mã hóa các ảnh P, có sự dự đoán liên ảnh từ các ảnh trước đó, hiệu quả trong trường hợp này cao hơn trường hợp dự đoán AI. Trung bình lượng tiết kiệm bit trong mã hóa H.265/HEVC đạt 73,94% so với mã hóa H.264/AVC. Đồng thời, H.265/HEVC sẽ cho chất lượng ảnh tốt hơn so với H264/AVC ở cùng một tốc độ bitrate.
3.4.2.3. Mã hóa Low delay B (LDB- TEST 3)
Trong trường hợp này, ảnh đầu tiên được mã hóa theo ảnh I, ảnh tiếp theo được mã hóa theo ảnh B, là kiểu dự đoán hai chiều và kết quả mã hóa thể hiện ở hình 3.9 theo thứ tự loại A, loại B, loại C, loại D, tương với 4 hàng trong hình.
Phần bên phải hình 3.9 thể hiện cùng giá trị bitrate được mã hóa, chất lượng mã hóa H.265 tốt hơn H.264.
Phần bên trái hình 3.9 thể hiện tại các giá trị QP tương ứng với các giá trị PSNR_YUV. Trong trường hợp này giá trị PSNR_YUV trong mã hóa H.264 lớn hơn H.265, tuy nhiên sự chênh lêch PSNR_YUV nhỏ và các giá trị đều lớn hơn 30dB, vì vậy khả năng mắt người khó có thể phân biệt được, nên có thể xem chất lượng là tương đương nhau tại các giá trị QP được mã hóa. Điều quan trọng là tại các giá trị QP thì tốc độ bitrate đạt bao nhiêu trong hai chuẩn mã hóa.
Xét kết quả mã hóa loại A, thể hiện ở bảng 3.12 sau.
Bảng 3.8. Bảng kết quả mã hóa LDB video loại A (1080p)
QP
H.265/HEVC H.264/AVC Tiết kiệm bit
H.265 so với H.264 (%) PSNR_YUV (dB) Bitrate (Mbp/s) PSNR_YUV (dB) Bitrate (Mbp/s) 30 34,72 15,28 36,37 19,97 -30,65 32 33,38 11,55 34,92 15,21 -31,67 34 32,18 8,81 33,59 11,60 -31,65 36 31,03 6,66 32,30 8,79 -32,03
Trong bảng 3.12 thể hiện, chất lượng tương đương nhau, cùng giá trị QP trong mã hóa LDB thì mã hóa H.265 trung bình tiết kiệm được 31,5% lượng bit so với H.264.
Xu hướng kết quả đạt được tương tự như trường hợp mã hóa video loại A, giá trị tiết kiệm bit trung bình đạt -52,18% với loại B, -170,69% với loại C và -120,77% đối với loại D.
Kết luận trong mã hóa LDB.
Trong kiểu mã hóa này, được dự đoán hai chiều của ảnh B, hiệu suất bitrate đạt được trong trường hợp này cao hơn với trường hợp mã hóa LDP, lượng tiết kiệm bit trung bình của H.265 so với H.264 đạt -93,78 %.
3.4.2.4. Mã hóa Random Access (RA- TEST 4)
Trong trường hợp này có đầy đủ các loại dự đoán trong ảnh và liên ảnh, các ảnh I được chèn vào theo chu kỳ.
Kết quả đạt được cũng tương tự với các kết quả mã hóa AI, LDP, LDB là cùng giá trị QP thì chất lượng video tương đương nhau. Cùng giá trị bitrate thì chất lượng mã hóa H.265/HEVC tốt hơn mã hóa H.264/AVC.
Đánh giá kết quả mã hóa loại A với độ phân giải cao, chi tiết chuyển động cao, để xét cùng giá trị QP thì lượng bit tiết kiệm bao nhiêu.
Bảng 3.9. Bảng kết quả mã hóa RA video loại A
QP H.265/HEVC H.264/AVC Tiết kiệm bit
H.265 so với H.264 (%) YUV_PSNR (dB) Tốc độ bit (Mbp/s) YUV_PSNR (dB) Tốc độ bit (Mbp/s) 30 34,86 13,33 37,80 23,18 -73,87 32 33,50 10,05 36,40 17,71 -76,30 34 32,19 7,46 34,85 13,23 -77,31 36 30,95 5,43 33,60 9,93 -83,05
Trong bảng 3.13 thể hiện, cùng chất lượng tương đương nhau, cùng giá trị QP trong mã hóa RA thì mã hóa H.265 trung bình tiết kiệm được 77,76 % lượng bit so với H.264.
Xu hướng kết quả cũng xảy ra tương tự, kết quả tiết kiệm bit H.265 so với H.264 với loại C đạt -31,82 %, loại D đạt -21,82%, loại B đạt 118,87%.
Kết luận trong mã hóa RA
Trong kiểu mã hóa RA, xu hướng tiết kiệm bit đối với loại video có độ phân giải cao, lượng chuyển động lớn. Điều này nói lên khả năng nén video của H.265 vượt trội đối với loại video có độ phân giải lớn. video độ phân giải càng cao thì hiệu suất nén của mã hóa video H.265 tốt hơn so với H.264.
3.4.2.5. Kết luận đánh giá khách quan
Bảng 3.10. Tổng hợp kết quả lượng tiết kiệm bit trong hai loại mã hóa
Video Được mã hóa
Độ phân giải (pixel)
Lượng bit tiết kiệm của H.265/HEVC so với H.264/AVC
AI ( %) LDP (%) LDB(%) RA (%) Loại C 352x288 -22,19 -65,42 -170,69 -31,82 Loại D 352x288 -20,58 -55,10 -120,77 -21,84 Loại B 1280x720 -21,69 -108,03 -52,18 -118.87 Loại A 1.920x1080 -67,24 -31,50 -77,63 Trung bình -21,49 -73,94 -93,78 -32,82 Trong bốn trường hợp mã hóa với các kiểu dự đoán khác nhau, dự đoán chỉ ảnh I, dự đoán ảnh P, dự đoán ảnh B và sự đoán kết hợp ngẫu nhiên RA và với các video kiểm tra khác nhau về kích thước, độ phân giải, mức độ chuyển động của ảnh thì lượng bit tiết kiệm của H.265/HEVC lớn hơn H.264/AVC tại cùng một giá trị QP. Qua kết quả phân tích có thể nhận xét như sau:
- Cùng chất lượng mã hóa, cùng giá trị QP thì khả năng nén của H.265/HEVC tốt hơn chuẩn nén H.264/AVC
- Cùng giá trị bitrate, nhưng chất lượng nén của H.265 tốt hơn chuẩn H.264.
- Lượng bit tiết kiệm của H.265 so với H.264 trung bình là 21,49% mã hóa AI, 73,94% đối với mã hóa LDP, 93,78% đối với mã hóa LDP và 32,82% đối với mã hóa RA. Kết quả khách quan mang tính định lượng, kết quả mã hóa video cuối cùng cũng mang đến sự cảm nhận của con người và giải quyết nhu cầu giải trí của con người.
3.5. Kết quả ứng dụng mô hình DVB-T2 với H.265/HEVC tại Quảng Ngãi.
3.5.1. Thiết bị và mô hình thử nghiệm
Trong luận văn xây dựng mô hình hóa dựa trên cấu hình hệ thống máy phát sóng số mặt đất hiện nay để thử nghiệm khả năng phát sóng tín hiệu mã hóa nguồn H.265/HEVC trên hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2. Với yêu cầu kết hợp các thiết bị phát sóng số mặt đất DVB-T2 hiện đang sử dụng. Đo kiểm tra các thông số tại phòng thử nghiệm, mức tín hiệu, tỷ số C/N, tỷ số lỗi điều chế MER tối thiểu khi thay đổi các thông số, khảo sát về dung lượng truyền dẫn 1 kênh truyền hình HDTV trên hệ thống truyền hình số mặt đất.
Mô hình và thiết bị yêu cầu được mô tả như sau: - Máy phát test DVB-T2 R&S SFC và phần mềm. - Máy tính điều khiển.
- Máy đo tín hiệu truyền hình số DVB-T2 R&S EFL340. - Anten phát định hướng R&S HE100.
- Anten thu định hướng Promax AMC/1. - Tivi LCD DVB-T2 HEVC.
Hình 3.11. Mô hình Thử nghiệm phát sóng số mặt đất DVB-T2 sử dụng mã hóa nguồn H.265/HEVC.
Để đo và kiểm tra các thông số điều chế và mã hóa kênh, sử dụng thiết bị máy đo tín hiệu truyền hình số DVB-T2 R&S EFL340.
Để đo và kiểm tra thông số mã hóa nguồn sử dụng Tivi tích hợp DVB-T2 4K HEVC hiện đã có bán trên thị trường Việt Nam.
Máy phát test DVB-T2 là bộ R&S®SFC-U Compact USB Modulator nhận dòng truyền tải được đóng gói MPEG-2 TS và được điều chế DVB-T2 và phát ra Anten phát định hướng R&S HE100. Tín hiệu thu từ anten thu định hướng Promax AMC/1, giải mã và hiển thị trên dòng Tivi tích hợp DVB-T2 4K HEVC, đồng thời đưa vào máy đo tín hiệu truyền hình số DVB-T2 R&S EFL340.
3.5.2. Tín hiệu vào kiểm tra
Bảng 3.11. Thông số dòng video 1080p HDTV
Video Format MPEG2-TS, HEVC
Width 1920 pixels
Height 1080 pixels
Display aspect ratio 16:09
Color space YUV
Chroma subsampling 4:2:0
Bit depth 8 bits
FrameRate (Frame/sec) 25
Dòng tín hiệu được đóng gói thành với tốc độ bitrate 26Mbit/s, gồm các chương trình HDTV mã hóa nguồn H.265/HEVC 8bit tỷ lệ lấy mẫu 4:2:0, được phát thử nghiệm trên các kênh 25, 26, 27 UHF và kênh 49.
3.5.3. Thiết lập cấu hình
Tín hiệu phát sóng truyền hình số mặt đất theo Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T2 của đài truyền hình đang sử dụng, anten cố định thu ngoài trời.
Các cấu hình này được thiết lập thông qua phần mềm trên máy tính giao tiếp USB với máy phát test DVB-T2 R&S SFC, chi tiết thực hiện giới thiệu ở phụ lục C
Bảng 3.16 mô tả hai cấu hình máy phát để đạt được các tốc độ bitrate khác nhau, được sử dụng thực hiện thử nghiệm.
Bảng 3.12. Mô hình thiết lập thử nghiệm đối với máy phát số mặt đất
Thông số Cấu hình 1 Cấu hình 2
Dòng truyền tải MPEG2-TS MPEG2-TS
Điều chế 64 QAM 64 QAM
FEC 5/6 5/6
Khoảng bảo vệ (GI) 1/16 1/32
FFT 16K 16K
Băng thông (BW) 8 MHz 8 MHz
Pilot Partern (PP) PP4 PP7
3.5.4. Kết quả thử nghiệm và nhận xét
Bảng 3.13. Kết quả cấu hình 1 thu được từ thiết bị đo R&S EFL340
Phía phát Phía thu
Kênh Tần số (MHz) Mức phát (dBm) Mức C/N (dB) Mức thu (dBuV) MER (dB) LDPCBER C/N (dB) BCHBER 25 506 -5 16 31.4 27,9 1.8E-3 16.9 2.4E-8 26 514 -5 16 31.4 26,5 1.8E-3 16.5 2.4E-8 27 522 -5 16 33.7 25,4 1.7E-3 16.1 2.4E-8 49 689 -5 16 30.5 24,2 2.3E-3 9.8 2.3E-8
Bảng 3.14. Kết quả cấu hình 2 thu được từ thiết bị đo R&S EFL340
Phía phát Phía thu
Kênh Tần số (MHz) Mứcphát (dBm) MứcC/N (dB) Mức thu (dBuV) MER (dB) LDPCBER C/N (dB) BCHBER 25 506 -5 16 31.4 27,9 1.8E-3 16.9 2.4E-8 26 514 -5 16 31.4 26,5 1.8E-3 16.5 2.4E-8 27 522 -5 16 33.7 25,4 1.7E-3 16.1 2.4E-8 49 689 -5 16 30.5 24,2 2.3E-3 9.8 2.3E-8
- Nhận thấy kết quả thu được ở bộ giải mã kênh DVB-T2 R&S EFL340 có giá trị