6. Bố cục luận văn
2.4.7. Cấu trúc xử lí song song
Với H.264 mỗi hình ảnh có thể được phân thành số nguyên lần các slice, việc này rất có giá trị cho việc tái đồng bộ trong trường hợp lỗi dữ liệu. H.264 hỗ trợ 5 dạng mã hóa Slice khác nhau. Đơn giản nhất là Slice I, trong đó tất cả Macro-Block được mã hoá không có sự tham chiếu tới các ảnh khác trong chuỗi ảnh. Tiếp theo là hai dạng Slice P và Slice B có sự tham chiếu tới các ảnh khác; với Slice P thì chỉ tham chiếu tới các ảnh trước đó; còn Slice B thì tham chiếu tới cả ảnh trước và ảnh sau nó. Hai dạng khác của H.264 là SI (Switching I) và SP (Switching P) được dùng để cho chuyển mạch hiệu quả giữa các dòng bít được mã hoá ở các tốc độ bít khác nhau.
Trong khi đó H.265 cũng chia hình ảnh thành các Slice với chức năng tái đồng bộ trong trường hợp lỗi dữ liệu. Nhưng H.265 chỉ hỗ trợ 3 dạng mã hóa Slice là I, P, B. Bên cạnh đó H.265 còn đưa ra khái niệm Tile và phương pháp xử lí song song đầu sóng (WPP) nhờ đó giúp xử lí hình ảnh linh động và nhanh chóng hơn so với H.264.
Với những thay đổi mới và mở rộng cả về cấu trúc mã hóa lẫn kĩ thuật mã hóa nên H.265 có độ phức tạp lớn hơn chuẩn H.264 rất nhiều dẫn đến khó khăn trong quá trình xử lí do phải yêu cầu cấu hình phần cứng cao. Tuy nhiên với những hiệu quả mà H.265 mang lại như xử lí tốt tín hiệu có độ phân giải 4K, 8K, tỷ lệ nén dữ liệu gấp đôi H.264 ở cùng một mức độ video, thì H.265 hứa hẹn mang đến cho người sử dụng nhiều lợi ích về việc truyền và lưu trữ dữ liệu.
Hình 2.23. Sự hiệu quả của H.265 trong mã hóa đi đôi với sự phức tạp [21] 2.4.8. Tóm tắt so sánh kỹ thuật mã hóa H.265/HEVC và H.264/AVC
Dưới đây là bảng tóm tắt những sự khác biệt cơ bản về kỹ thuật nén đã được nâng cấp cải tiến của mã hóa H.265/HEVC so với H.264/AVC.
Bảng 2.7. Bảng tóm tắt so sánh một số kỹ thuật mã hóa H.265/HEVC và H.264/AVC
Đặc điểm kĩ thuật H.264/AVC H.265/HEVC
Đơn vị mã hóa(CU) 16x16 only 8x8 tới 64x64, cấu trúc cây
Đơn vị dự đoán(PU)
4 x 4 tới 16x16 (7 loại bao gồm cả
hình chữ nhật)
4 x 4 tới 64x64 (28 loại bao gồm cả hình chữ nhật)
Đơn vị chuyển đổi
cấu trúc cây No Yes
Loại biến đổi DCT DCT, DST(4x4 only intra), transform skipping
Bộ lọc nội suy
phân số pixel chính xác 2 hoặc 6-tap 4-tap, 7-tap hoặc 8-tap Bộ lọc loại bỏ
nhiễu khối Yes
Yes
(trong phiên bản song song)
Bộ lọc loại bỏ
nhiễu mã hóa No Yes (SAO)
Sự phân chia Block Hình vuông, đối xứng Hình vuông, đối xứng, không đối xứng.
Chế độ
dự đoán trong ảnh 9
35, adaptive reference pixel smoothing
Dự đoán chuyển động Dựa trên 1 vector
Hợp nhất chuyển động. AMVP.
Hỗ trợ chế độ skip.
Biến đổi 4x4, 8x8 Int DCT 4×4,8×8, 16×16, và 32×32
Mã hóa Entropy CAVLC, CABAC CABAC
Bộ lọc lặp Bộ lọc giải khối Bộ lọc giải khối Bù mẫu thích nghi.
Cấu trúc
xử lí song song Slice Slice, Tile, WPP.
Profiles 4 3
Độ phức tạp
của mã hóa Phức tạp Rất phức tạp
Kết luận chương 2
Trong chương 2, đã tìm hiểu lịch sử phát triển các chuẩn nén, sự ra đời của chuẩn nén video tiên tiến H.265/HEVC và phát triển chuẩn nén và các sản phẩm liên quan đến H.265/HEVC để nói lên tính khả thi của sự ra đời các thiết bị giải mã và xử lý video thời gian thực.
Việc phân tích kỹ thuật mã hóa video H.265/HEVC theo hướng những đặc tính khác biệt so với chuẩn mã hóa trước đó H.264/AVC, để có được những đặc điểm khác biệt chung nhất và những cải tiến của chuẩn nén mới so với chuẩn nén cũ để đem lại chất lượng mã hóa tốt hơn. Từ đó lựa chọn thông số mã hóa chung cho phần mềm mã hóa H.265 và H.264 để so sánh phân tích mã hóa khách quan và chính xác hơn. Tiếp theo, để thấy được hiệu quả ứng của chuẩn nén mới H.265 trong ứng dụng thực tế và chất lượng mã hóa vượt trội, thì trong chương 3 sẽ ứng dụng thực hiện cụ thể hơn.
CHƯƠNG 3
ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MÃ HÓA H.265/HEVC XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ
Qua so sánh, đánh giá những đặc điểm nổi bật của chuẩn nén video H.265/HEVC so với chuẩn nén đang được ứng dụng phổ biến hiện nay là H.264/AVC được giới thiệu trong chương 2. Trong chương này đề xuất ứng dụng kỹ thuật mã hóa video H.265/HEVC để xây dựng hệ thống truyền hình số DVB-T2 tại tỉnh Quảng Ngãi. Luận văn đề xuất là cần giảm tốc độ bit cho mỗi chương trình bằng cách tăng hiệu quả mã hóa nguồn và tăng cường năng lực sử dụng dung lượng kênh.
3.1. Hệ thống truyền dẫn số mặt đất DVB-T2 hiện nay
Mô hình chung hệ thống thu phát mạng truyền hình số DVB-T2 được mô tả như sau.
Hình 3.1. Mô hình truyền dẫn số mặt đất DVB-T2
Mô hình truyền dẫn số mặt đất tại Đài truyền hình Việt Nam hiện nay được thể hiện ở hình 3.1. Các trạm phát sóng số mặt đất DVB-T2 được đặt hầu như trên các tỉnh thành trong cả nước, nguồn tín hiệu gốc thu từ hệ thống vệ tinh Vinasat được phát lên từ trạm phát vệ tinh Giảng Võ, nội dung các khối được miêu tả cơ bản như sau:
Tại trung tâm
- Khối Signal generation là các chương trình được sản xuất bao gồm các chương trình VTV HD (các chương trình HD) và các chương trình VTV SD (gọi các chương trình SD). Các chương trình đang ở dưới dạng video và audio chưa được mã hóa, hoặc ở dưới một dạng định dạng khác chưa được xử lý.
- Khối AV Encoding: Các chương trình video VTV HD và VTV SD được mã hóa nguồn theo chuẩn H.264/AVC theo từng chương trình một.
- Các chương trình được nén lại theo chuẩn H.264/AVC được đưa đến bộ ghép (Multiplexing), tại đây các chương trình được đóng gói thành dòng truyền tải MPEG2-TS.
- Modulation and Channel coding DVB-S2: Sau khi được mã hóa nguồn và đóng gói thành dòng truyền tải. Tín hiệu được đưa đến điều chế và mã hóa kênh theo chuẩn DVB-S2 qua khối Modulation and Channel coding và được truyền dẫn theo đường vệ tinh C-band.
Các trạm phát DVB-T2
- Demodulation and Channel decoding DVB-S2: Ở phía thu là các trạm phát DVB-T2 được đặt tại các tỉnh thành trong nước, tín hiệu thu và giải mã DVB-S2 từ vệ tinh band-C các dòng chương trình VTV HD và VTV SD.
- Demultiplexing và AV Decoding: Tùy thuộc vào nhu cầu các chương trình cần phát tại các trạm phát sóng DVB-T2, khối này có nhiệm vụ lựa chọn các chương trình cần thiết và loại bỏ các chương trình không cần thiết. Tại khối AV encoding các dòng chương trình được lựa chọn được giải mã nguồn theo chuẩn H.264/AVC đang được sử dụng hiện nay.
Tại Quảng Ngãi phát các chương trình gồm VTV1HD, VTV2 HD, VTV3 HD, VTV6 HD, VTV7 HD, VTV8 HD, VTV9 SD, PTQ1-SD, PTQ2-SD. Các chương trình của VTV được tách ra từ nguồn thu vệ tinh sau đó được ghép với chương trình PTQ1 SD và PTQ2 SD đóng gói giao tiếp và đưa đến bộ T2-Gateway.
- T2-Gateway: Dòng tín hiệu được đưa tới khối T2-Gateway để tạo ra dòng T2-MI, sau đó được đưa đến bộ điều chế DVB-T2 và phát ra antenna.
Về bản chất, dòng tín hiệu SDTV và HDTV sau mã hóa được chia vào các gói truyền tải và thực hiện ghép kênh, khi đó dòng dữ liệu sẽ là các gói truyền tải TS. Hệ thống phát sóng sẽ thực hiện với các gói TS. H.264/AVC không định nghĩa dòng truyền tải riêng mà chỉ định nghĩa phương thức truyền dòng bit mã hóa H.264/AVC trên dòng truyền tải MPEG2 hoặc IP.
Số lượng chương trình được lựa chọn để đưa vào hệ thống máy phát DVB-T2 tùy thuộc tốc độ bitrate tối đa cho phép của máy phát, tốc độ bitrate tối đa phụ thuộc cách cấu hình cho máy phát. Bảng 3.1 giới thiệu bản thông số máy phát thiết lập cho bộ thông số thiết lập cho các máy phát DVB-T2 của truyền hình Quảng Ngãi hiện nay.
Bảng 3.1. Bộ thông số cho máy phát DVB T2
TT Thông số Bộ thông số máy phát
1 DVB-T2/Configuration Network Mode MFN
T2-MI OFF
2 DVB-T2/Channel
Transmission System T2–SISO
Bandwith 8MHz
FFT 16k
FFT Extended No
Guard Interval 1/16 Pilot partent PP4
3 DVB-T2/PLP
Type Data Type 1
Modulation 64 QAM
Rotation ON
Code rate 5/6
FEC 64k
4 Maximum Bitrate 33.8 Mbit/s
Theo bảng 3.1, tốc độ bitrate tối đã cho phép là 33.8Mbp/s.
Hiện nay các chương trình của VTV nén theo chuẩn H.264/AVC. Đối với chương trình HDTV nén với tốc độ bitrate 4.5Mbit/s, đối với các chương trình SDTV với tốc độ bitrate 1.5Mbit/s. Như vậy, một máy phát số DVB-T2 chỉ phát được tối đa 07 chương trình HDTV bitrate 4.5Mbit/s, hoặc chỉ phát được tối đa 22 chương trình SDTV bitrate 1.5Mbit/s.
Bảng 3.2. Thông số bitrate chương trình máy phát số DVB-T2
STT Chương trình Bitrate H.264/AVC (Mbp/s)
1 VTV1 HD 4.5 2 VTV2 HD 4.5 3 VTV3 HD 4.5 4 VTV6 HD 4.5 5 VTV7 HD 4.5 6 VTV8 HD 4.5 7 VTV9 SD 1.5 8 PTQ1 SD 1.5 9 PTQ2 SD 1.5 Tổng Bitrate 31.5 Mbp/s
3.2. Giải pháp đề xuất và hiệu quả của áp dụng mã hóa H.265/HEVC
3.2.1. Giải pháp đề xuất
Hiện nay, máy phát số mặt đất DVB-T2 chỉ phát được 09 chương trình, thể hiện ở bảng 3.2, lúc đó tổng tốc độ bitrate lên tới 31.5Mbps. Trong khi đó nhu cầu giải trí càng cao của các kênh truyền hình địa phương như Đài PTTH Quảng Ngãi đang chuyển dần sang phát HDTV trên 2 chương trình PTQ1 HD và PTQ2 HD thì dung lượng máy phát số tại Quảng Ngãi không đáp ứng được. Có một số giải pháp đề xuất:
- Đầu tư thêm một hệ thống máy mới, trên một kênh mới. Nhưng nếu đầu tư thêm một kênh DVB-T2 nữa thì phát sinh chi phí quá lớn, trong khi lộ trình số hóa đến năm 2020 của Thủ Tướng Chính Phủ còn chưa hoàn thiện.
- Giảm tốc độ bitrate của từng chương trình, nhưng chất lượng chương trình không thay đổi, nâng cấp và cải thiện trên hệ thống sẵn có, tiết kiệm được chi phí đầu tư, đáp ứng nhu cầu của khách hàng HDTV và hướng tới 4K -UHDTV.
Các chuẩn nén đang được sử dụng hiện thời như H.264/AVC không đủ mạnh để chuyển đổi tốc độ của các chương trình HDTV và UHDTV về tốc độ của các hệ thống truyền dẫn hiện tại. Chuẩn nén mới H.265/ HEVC ra mắt với việc áp dụng các thuật toán nén mới sẽ giúp giải quyết bài toán này.
Bằng việc áp dụng các kỹ thuật mới đặc biệt là phân vùng ảnh, nâng cao các hướng dò tìm trong thuật toán vector chuyển động trong cùng một khung hình và giữa các khung hình liên tiếp được giới thiệu ở chương 2. Chuẩn HEVC giúp giảm tốc độ luồng bit được mã hóa xuống còn 50% so với H.264/AVC. Áp dụng HEVC vào tín hiệu HDTV và UHDTV thu được tốc độ luồng bit từng bước được tối ưu, cùng với sự mở rộng băng thông của các môi trường truyền dẫn sẽ giúp hiện thực hóa việc truyền tải luồng bit của tín hiệu có độ siêu phân giải trong tương lai gần và phù hợp với xu hướng phát triển của truyền hình số mặt đất trên thế giới.
Hình 3.2. Lộ trình phát triển công nghệ cốt lõi của truyền hình số mặt đất [14]
Theo khuyến cáo của lộ trình phát triển công nghệ cốt lõi thể hiện ở hình 3.2, đối với định dạng HD 1080p mà VTV lựa chọn cho chuẩn HDTV, thì trong giai đoạn 2016 đến 2020 mã hóa nguồn H.264/AVC phải được thay thế bởi H.265/HEVC trên phát sóng số DVB-T2. Bởi vì nhu cầu ngày càng cao, sự phát triển từ 720p, 1080i, 1080p, 4K và 8K UHDTV dòng bit dữ liệu ngày càng lớn. Một yếu tố chung của tất cả định dạng chương trình truyền hình mới và được cải tiến nâng cấp thì đều tăng bitrate, do đó nó làm giảm các chương trình được ghép vào kênh. Mặt khác, chúng ta mong muốn mở rộng các chương trình truyền hình trên một kênh DVB-T2 nhưng chất lượng mong muốn là tốt hơn.
Như vậy luận văn đưa ra giải pháp sau đây:
- Giảm tốc độ bit cho mỗi chương trình bằng cách tăng hiệu quả mã hóa nguồn. - Tăng dung lượng của kênh, tăng cường năng lực sử dụng dung lượng kênh.
3.2.2. Hiệu quả đạt được
Căn cứ vào điều kiện cơ sở hạ tầng truyền dẫn thực tế tại các Đài truyền hình, với thông số cấu hình máy phát đưa ra ở bảng 3.1, tốc độ bitrate tối đa 33.8Mbp/s đồng
thời cần đảm bảo khoảng cách phủ sóng theo tính toán quy hoạch, thì giải pháp giảm tốc độ bit cho mỗi chương trình bằng cách tăng hiệu quả mã nguồn. Việc chuyển đổi mã hóa nguồn từ MPEG-4 H.264 sang H.265/HEVC đảm bảo giảm chi phí đầu tư chuyển đổi, nâng số chương trình trên một kênh mà vẫn đảm bảo chất lượng.
Đối với máy phát số DVB-T2 tại Quảng Ngãi tốc độ bitrate tối đa cho phép là 33,8Mbp/s. Vì vậy chuẩn nén H264/AVC đối với chương trình HDTV thì chỉ phát được 7 chương trình vì tổng số tốc độ bít lên đến 31.5Mbp/s. Việc áp dụng mã hóa nguồn H.265/HEVC để giảm khoảng 50% tốc độ bit cho mỗi chương trình thì tổng bitrate khoảng 17.5Mbp/s, thể hiện ở bảng 3.3.
Bảng 3.3. So sánh Bitrate chương trình HD máy phát số DVB-T2 Quảng Ngãi
STT Chương trình Bitrate HEVC(Mbp/s) Bitrate AVC (Mbp/s)
1 VTV1 HD 2.5 4.5 2 VTV2 HD 2.5 4.5 3 VTV3 HD 2.5 4.5 4 VTV6 HD 2.5 4.5 5 VTV7 HD 2.5 4.5 6 VTV8 HD 2.5 4.5 7 PTQ HD 2.5 4.5 Tổng Bitrate 17.5Mbp/s 31.5 Mbp/s
Với việc chuyển đổi H.265/HEVC trong truyền dẫn DVB-T2 có thể nén một chương trình lên đến 2.5Mbp/s vẫn đảm bảo được chất lượng hình ảnh và với dung lượng 33.8Mbp/s của máy phát số thì có thể phát đến 13 chương trình HDTV chiếm dung lượng khoảng 32.5Mbp/s.
3.3. Xây dựng hệ thống DVB-T2 trên kỹ thuật mã hóa H.265/HEVC
Dựa trên giải pháp được đề xuất, hiệu quả đạt được. Luận văn sẽ giới thiệu mô hình một trạm phát sóng DVB-T2 sử dụng mã hóa H.265 mới so với mô hình cũ giới thiệu ở hình 3.1 và các thành phần trong mô hình cần được xử lý, nâng cấp và thay thế. Trong phần này cũng giới thiệu thông số thu phát vệ tinh Band C với dung lượng bitrate hiện có, giới thiệu một số thiết bị hiện có phục vụ việc nâng cấp và tính toán cơ bản để có thể tăng dung lượng bitrate của máy phát DVB-T2 mà ít bị ảnh hưởng đến quy hoạch phủ sóng đã đặt ra.
3.3.1. Mô hình trạm phát sóng DVB-T2 sử dụng H.265/HEVC
Dựa trên một khung cảnh và cơ sở hạ tầng thực tế trong phát sóng số mặt đất DVB-T2 đang triển khai, với cách nhìn tổng quát về thiết bị đầu cuối để đưa ra giải pháp hoàn chỉnh để phát sóng các chương trình HDTV và hướng tới phát sóng các chương trình UHDTV trên hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2, trong phạm vi luận văn xem xét nâng cấp một trạm phát sóng số mặt đất dựa trên hình 3.3 như sau.
Hình 3.3. Sơ đồ tổng quát nâng cấp trạm phát sóng DVB-T2 sử dụng mã hóa H.265/HEVC [15]
(1) Signal generation: Đối với phần tạo tín hiệu vào cho một máy phát số, sử dụng thu và giải mã từ hệ thống vệ tinh band C đã mã hóa nguồn H.265/HEVC tại trung tâm sản xuất chương trình truyền hình.
(2) Mã hóa tín hiệu nguồn H.265/HEVC thời gian thực của tín hiệu HDTV và ghép kênh vào dòng truyền tải T2-MI.
(3) Điều chế và phát sóng RF của tín hiệu HDTV trên hệ thống phát số DVB-T2 dựa theo các điều kiện thực tế.