Tên chuỗi video Foreman Hall Monitor Coastguard Soccer
Số khung hình 299 299 299 299
Kích cỡ QCIF (176 × 144)
Tốc độ khung hình 15 Hz
Kích cỡ nhóm ảnh 2 (Key – WZ – Key)
Tham số lƣợng tử QM1, QM3, QM5, QM7
Hình 3.1: Mô tả khung hình đầu tiên của 4 chuỗi video
Với bộ mã hóa DVC, bảng giá trị ma trận lƣợng tử (QM) đƣợc sử dụng nhƣ trong bài báo [9], trong khi các giá trị lƣợng tử tƣơng ứng đƣợc sử dụng trong bộ mã hóa chuẩn HEVC đƣợc sử dụng tƣơng ứng nhƣ bảng 3.2.
Bảng 3.2: Giá trị lượng tử cho khung chính tại GOP=2, QCIF 15Hz
Sequences QM1 QM3 QM5 QM7
Foreman 40 38 34 29
Hall Monitor 37 36 33 29
Coastguard 38 37 30 30
Soccer 44 41 36 31
Các bộ mã hóa tham chiếu:
- H.264/AVC Intra: H.264/AVC Intra là mô hình mã hóa theo chuẩn H.264/AVC [8] có độ phức tạp thấp, cho phép khai thác tính tƣơng quan về mặt không gian trong các khung hình video. Do vậy, hiệu năng mã hóa có thế thấp hơn so với việc khai thác tính tƣơng quan về mặt thời gian nhƣ trong mô hình H.264/AVC Inter. Tuy nhiên, với ƣu điểm là độ phức tạp thấp, mô hình H.264/AVC Intra thƣờng đƣợc sử dụng trong các mạng cảm biến không dây [13]. Đây cũng là mô hình mã hóa đƣợc dùng phổ biến trong việc đánh giá hiệu năng mã hóa DVC trƣớc đây.
- HEVC Intra:HEVC là mô hình mã hóa video mới nhất hiện này, cấu hình Intra cho phép mã hóa hiệu quả các video nhƣng với yêu cầu thời gian mã hóa thấp. Do vậy, đây chính là mô hình mã hóa tham chiếu chính với mô hình mã hóa đƣợc nghiên cứu và đề xuất trong luận văn này. Chƣơng II đã mô tả mô hình mã hóa HEVC và đặc biệt là cấu hình mã hóa toàn Intra.
- DVC-AVC: Đây là bộ mã hóa video phân tán thế hệ cũ, sử dụng chuẩn H.264/AVC Intra để mã hóa và giải mã hóa các key frames. Đây cũng là một tham chiếu cơ bản để đánh giá hiệu năng mã hóa cho mô hình mã hóa video đề xuất. Bộ mã hóa video DVC-AVC sử dụng để đánh giá trong luận văn này đƣợc
- DVC-HEVC:Đây là bộ mã hóa video phân tán thế hệ mới, đƣợc nghiên cứu và đƣa ra các giải pháp tạo thông tin phụ trong luân văn này. Bộ mã hóa này sử dụng chuẩn HEVC để mã hóa và giải mã hóa các khung chính. Đồng thời, để nâng cao hiệu năng mã hóa, chúng tôi đề xuất thêm phƣơng pháp tạo khung hình phụ, kết hợp hiệu quả các mô hình ƣớc lƣợng chuyển động từ cả hai chiều nhƣ mô tả ở chƣơng II.
3.2. Đánh giá chất lƣợng key frames
Việc mã hóa và giải mã hóa các khung chính có vai trò quan trọng, ảnh hƣởng trực tiếp tới việc mã hóa các khung hình WZ sau này. Trên cơ sở đó, chƣơng này sẽ đánh giá chất lƣợng giải mã khung chính với hai chuẩn mã hóa video phổ biến là chuẩn H.264/AVC [8] và chuẩn HEVC.
Phƣơng pháp đánh giá bao gồm cả đánh giá chủ quan và khách quan. Trong đó, đánh giá chủ quan sẽ dựa vào cảm nhận của mắt ngƣời khi xem xét các khung hình sau giải mã tƣơng ứng với chuẩn H.264/AVC và chuẩn HEVC. Còn đánh giá khách quan sẽ dựa vào đồ thị tƣơng ứng về số lƣợng bit thông tin cần mã hóa với chất lƣợng sau giải mã, đo bằng ma trận PSNR (Peak Signal to Noise Ration):
2 10 255 10 log PSNR MSE (7) Trong đó:
- MSE: Mean Squared Error là giá trị trung bình bình phƣơng lỗi (sự khác biệt) giữa tín hiệu trƣớc và sau giải mã.
Hình 3.2, 3.3, 3.4, 3.5 mô tả đánh giá khách quan trong khi hình 3.6 và hình 3.7 mô tả đánh giá chủ quan cho 4 chuỗi video đƣợc lựa chọn trong luận văn này.
Hình 3.2: So sánh mã hóa khung chính với chuẩn H.264/AVC và chuẩn HEVC (Chuỗi video Foreman)
Hình 3.3: So sánh mã hóa khung chính với chuẩn H.264/AVC và chuẩn HEVC (Chuỗi video Hall monitor)
Hình 3.4: So sánh mã hóa khung chính với chuẩn H.264/AVC và chuẩn HEVC (Chuỗi video Coastguard)
Hình 3.5: So sánh mã hóa khung chính với chuẩn H.264/AVC và chuẩn HEVC (Chuỗi video Soccer)
Hình 3.6: Đánh giá chất lượng khung hình giữa H.264/AVC và H.265/HEVC (Video Foreman)
Hình 3.7: Đánh giá chất lượng khung hình giữa H.264/AVC và H.265/HEVC (Video coastguard)
Từ kết quả thu đƣợc trên các hình, một số kết luận có thể đƣợc rút ra nhƣ sau:
Mô hình mã hóa H.265/HEVC cung cấp hiệu năng mã hóa tốt hơn nhiều so với mô hình cũ H.264/AVC, cả về đánh giá chủ quan lẫn đánh giá khách quan. Với đánh giá chủ quan, bằng mắt thƣờng có thể dễ dàng thấy sự khác biệt về
3.3. Đánh giá hiệu năng mã hóa mô hình DVC-HEVC
Để đánh giả tổng quan hiệu năng mã hóa mô hình mã hóa DVC-HEVC, các kết quả lƣợng bit mã hóa thông tin và chất lƣợng video sau giải mã đƣợc mô tả và đánh giá nhƣ hình 3.8 và hình 3.9.
Hình 3.8: Đánh giá tổng thể hiệu năng mã hóa mô hình DVC-HEVC (Video Foreman) (Video Foreman)
Hình 3.9: Đánh giá tổng thể hiệu năng mã hóa mô hình DVC-HEVC (Video Hall monitor) (Video Hall monitor)
Hình 3.10: Đánh giá tổng thể hiệu năng mã hóa mô hình DVC-HEVC (Video Coastguard) (Video Coastguard)
Hình 3.11: Đánh giá tổng thể hiệu năng mã hóa mô hình DVC-HEVC (Video Soccer) (Video Soccer)
3.4. Kết luận chƣơng
Chƣơng III đã đƣa ra 4 chuỗi video dùng để khảo sát hiệu năng của các bộ mã hóa khung chính, mã hóa khung WZ, và từ đó là hiệu năng chung của toàn hệ mã hóa DVC. Trong luận văn, hiệu năng mã hóa đƣợc đánh giá sử dụng PSNR là hàm đo chất lƣợng video thu đƣợc sau khi giải mã khung chính và khung WZ tƣơng ứng với tốc độ Bitrate của mỗi khung video.
Từ kết quả thu đƣợc, một số kết luận rút ra nhƣ sau: Về tổng thế, mô hình mã hóa DVC-HEVC tốt hơn so với mô hình mã hóa DVC-AVC trong mọi chuỗi video, đặc biệt là với chuỗi video có ít chuyển động nhƣ Hall monitor hay Coastguard. Lý do là việc tạo thông tin phụ sẽ dễ dàng và hiệu quả hơn với các chuỗi video có đặc trƣng này. Với chuỗi video có nhiều chuyển động nhƣ Soccer, mô hình mã hóa DVC vẫn chƣa thể bằng các mô hình mã hóa chuẩn nhƣ H.264/AVC hay HEVC. Điều này có thể đƣợc khắc phục trong tƣơng lai thông qua các phƣơng pháp tạo thông tin phụ tốt hơn.
KẾT LUẬN
Nhu cầu cao về một bộ mã hóa video có khả năng nén tốt nhƣng đòi hỏi thời gian mã hóa thấp đƣợc dùng trong các mạng cảm biến là trọng tâm xuyên suốt của luận văn. Luận văn này đã tập trung vào việc giới thiệu bộ mã hóa video dựa trên chuẩn HEVC, các khái niệm cơ bản, mô hình mã hóa video phân tán sử dụng HEVC. Từ đó đƣa ra cải tiến về việc tạo thông tin phụ, một trong các khối quan trọng quyết định đến chất lƣợng mã hóa DVC.
Chƣơng I trình bày về các kỹ thuật mã hóa video dùng đối với chuẩn HEVC, kiến trúc tổng quan của mã hóa video phân tán, lý thuyết nền tảng của mã hóa video phân tán. Chƣơng II trình bày về kiến trúc tổng quan mã hóa video phân tán sử dụng HEVC cho mã hóa intra và lý thuyết căn bản quá trình tạo thông tin phụ, ứng dụng DVC để giảm mức độ tiêu thụ năng lƣợng của cảm biến. Chƣơng III đƣa ra các kịch bản mô phỏng và đánh giá tính hiệu quả của mô hình mã hóa video phân tán thế hệ mới, DVC-HEVC.
Nhƣ đã trình bày, chƣơng I và chƣơng II đã đề cập đến hai mô hình mã hóa video phân tán với sự khác nhau nằm tại việc mã hóa khung chính sử dụng H.264 intra và H.265/HEVC intra với số lƣợng các mode dự đoán tăng lên trong H.265/HEVC intra so với H.264 intra. Chƣơng III bắt đầu bằng mục mô tả điều kiện đánh giá, tiếp theo là mục đánh giá chất lƣợng các khung chính đƣợc đƣa ra với chuẩn HEVC, cuối cùng là kết quả đo lƣợng hiệu năng nén và chất lƣợng giải mã của bộ mã hóa DVC-HEVC. Thực hiện so sánh chất lƣợng (theo PSNR) cho thấy: DVC-HEVC cho ra kết quả đánh giá chất lƣợng tốt hơn trong mọi chuỗi video so với mô hình DVC-AVC.
HEVC vẫn đang là chuẩn mã hóa video tiên tiến nhất hiện nay và hƣớng nghiên cứu về mã hóa video phân tán kết hợp HEVC vẫn sẽ tiếp tục đƣợc phát triển hơn nữa trong tƣơng lai.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] A. Habibi, “Hybrid coding of pictorial data”, IEEE Transactions on Communications, vol. 22, no. 5, pp. 614–624, May 1974.
[2] C. Brites and F. Pereira, “Distributed video coding: Bringing new applications to life”,
5th Conference on Telecommunications – ConfTele, Apr. 2005
[3] D. Slepian and J. Wolf, “Noiseless coding of correlated information sources”, IEEE Transactions on Information Theory, vol. 19, no. 4, pp. 471-480, 1973
[4] B. Girod, A. Aaron, S. Rane, and D. Rebollo-Monedero, “Distributed Video Coding,”
Proceedings of the IEEE, vol. 93, no. 1, pp. 71–83, Jan. 2005.
[5] A. D. Liveris, “Compression of binary sources with side information at the decoder using LDPC codes,” IEEE Communication Letters, vol. 6, no. 10, October 2002
[6] R. Puriand and K. Ramchandran, “PRISM: a new robust video coding architecture based on distributed compression principles”, Proceedings of the 40th Allerton Conference Communication, Control and Computing, 2002
[7] G.J. Sullivan et al, „Overview of the High Efficiency Video Coding (HEVC) Standard‟,
IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, vol. 22, no. 12, pp. 1649-1668, 2012.
[8] T. Wiegand et al, „Overview of the H.264/AVC video coding standard‟, IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, vol.13, no. 7, pp. 560-576, 2003.
[9] X. Artigas, J. Ascenso, M. Dalai, S. Klomp, D. Kubasov, and M. Ouaret, “The discover codec: architecture, techniques and evaluation,” in Proceedings of Picture Coding Symposium (PCS ’07), Portugal, Nov. 2007
[10] L. Wei, Y. Zhao, and A. Wang, “Improved side-information in distributed video coding”, in Proceedings of International Conference on Innovative Computing, Information and Control, Beijing, China, Sept. 2006
[11] J. Ascenso, C. Brites, and F. Pereira, „A flexible side information generation framework for distributed video coding‟, Multimedia Tools and Applications, vol. 48, no. 3, pp. 381-409, 2010.
[12] A. Wyner and J. Ziv, “The rate-distortion function for source coding with side information at the decoder”, IEEE Transactions on Information Theory, vol.22, no. 1, pp. 1-10, 1976.
[13] L. Alparone, M. Barni, F. Bartolini, V. Cappellini, “Adaptively Weighted Vector- Median Filters for Motion Fields Smoothing”, IEEE ICASSP, Georgia, USA, May 1996.
[14] J. J. Ahmad, H. A. Khan, S. A. Khayam, “Energy Efficient Video Compression for Wireless Sensor Networks” 43rd Annual Conference on Information Sciences and Systems, Baltimore, MD, USA, March 2009.