1.3 Chuẩn nén dữ liệu sử dụng trong IPTV
1.3.2.2 Phạm vi ứng dụng và các điểm tiêu biểu của H.264/AVC
Chuẩn này đƣợc thiết kế cho các giải pháp kỹ thuật của các lĩnh vực ứng dụng sau đây:
- Quảng bá trên các kênh vệ tinh, cáp, sóng mặt đất, DSL (Digital Subscriber Line)…
- Lƣu trữ nối tiếp hoặc tƣơng tác trên các thiết bị quang và từ, trên DVD… - Các dịch vụ hội nghị trên ISDL, Ethernet, LAN, DSL, không dây và mạng di động…
- Các dịch vụ đa phƣơng tiện hoặc video theo yêu cầu trên ISDL, cáp, DSL, LAN, mạng không dây…
- Các dịch vụ nhắn tin đa phƣơng tiện (Multimedia Messaging Service-MMS) trên ISDL, DSL, Ethernet, LAN, mạng di động và mạng không dây.
Hơn nữa, các dịch vụ mới cũng có thể đƣợc thực hiện trên các mạng hiện tại hoặc tƣơng lai. Điều này dẫn đến yêu cầu về việc làm thế nào để quản lý sự đa dạng trong ứng dụng và khai thác mạng.
Để thực hiện việc này, MPEG-4/H.264 đƣa ra lớp mã hoá video (Video Coding Layer-VCL), đƣợc thiết kế để trình diễn hiệu quả các nội dung video, và đƣa ra lớp mạng trừu tƣợng (Network Abstraction Layer-NAL) để định dạng sự trình diễn video của lớp VCL và cung cấp các thông tin mào đầu (Header) theo cách thích hợp cho việc truyền dữ liệu tại lớp truyền tải hoặc cho việc lƣu trữ dữ liệu.
Tƣơng quan với các giải pháp mã hoá trƣớc đây, ví dụ nhƣ MPEG-2, một số điểm tiêu biểu của MPEG-4/H.264 cho phép tăng hiệu quả nén, bao gồm cả khả năng dự đoán giá trị nội dung ảnh đƣợc trình bày sau đây:
1. Kích thƣớc Block bù chuyển động nhỏ hơn: Chuẩn này cho phép lựa chọn kích thƣớc block bù chuyển động và hình dạng một cách mềm dẻo hơn tất cả các chuẩn trƣớc đó, với kích thƣớc block bù chuyển động tối thiểu đạt tới 4x4.
2. Bù chuyển động chính xác đến ¼ mẫu: các chuẩn trƣớc cho phép độ chính xác bù chuyển động đến tối đa là ½ mẫu. Chuẩn mới cho phép điều này đạt đến mức ¼ mẫu, nhƣ có thế thấy ở MPEG-4 Visual. Tuy nhiên độ phức tạp trong xử lý việc này đã giảm đi với MPEG-4/H.264.
3. Vector chuyển động tại đƣờng bao ảnh: trong khi vector chuyển động tại MPEG-2 cần phải chỉ đúng vào vùng ảnh đã đƣợc giải mã trƣớc đó thì MPEG-4/H.264 cho phép chỉ tới đƣờng bao của ảnh.
4. Bù chuyển động đa ảnh: các ảnh P trong MPEG-2 chỉ sử dụng 1 ảnh I hoặc P trƣớc đó để dự đoán ảnh tiếp theo. Với MPEG-4/H.264, dự đoán bù chuyển động từ nhiều ảnh trƣớc đó đƣợc lƣu trong bộ nhớ. Tƣơng tự nhƣ vậy với ảnh B.
5. Tách riêng thứ tự mã hoá khỏi thứ tự trình diễn: trong MPEG-2, có một sự phụ thuộc chặt chẽ giữa thứ tự mã hoá và thứ tự trình diễn. MPEG-4/H.264 cho phép bộ mã hoá có thể lựa chọn thứ tự mã hoá hoàn toàn độc lập với thứ tự trình diễn, miễn là dung lƣợng bộ nhớ của bộ giải mã đủ lớn. Điều này sẽ giảm đƣợc thời gian trễ khi mã hoá các ảnh dự đoán 2 chiều.
6. Tách riêng các giải pháp trình diễn ảnh khỏi khả năng làm ảnh chuẩn: trong các chuẩn trƣớc, các ảnh B là các ảnh đƣợc mã hoá từ việc dự đoán 2 chiều các ảnh khác, không thể đƣợc sử dụng nhƣ một ảnh chuẩn để dự đoán các ảnh khác trong chuỗi video. Chuẩn mới loại trừ việc này, do đó làm tăng tính mềm dẻo cho việc dự đoán chuyển động.
7. Dự đoán có trọng số: bƣớc đột phá mới trong MPEG-4/H.264 là cho phép tín hiệu dự đoán bù chuyển động đƣợc kết hợp với một giá trị trọng số đƣợc mô tả bởi bộ mã hoá. Chế độ dự đoán này là hỗ trợ cần thiết khi nén các cảnh có sự mờ đi (khi 1 cảnh đƣợc mờ đi vào cảnh khác), nhờ vậy mà tăng đƣợc hiệu quả nén.
8. Suy đoán chuyển động trực tiếp: với các chuẩn trƣớc, một khu vực bị bỏ qua sẽ không chuyển động trong nội dung cảnh. Điều này sẽ có ảnh hƣởng không tốt khi mã hoá video có chứa chuyển động toàn thể. Thay vì suy luận vùng bị bỏ qua, MPEG-4/H.264 đƣa ra giải pháp suy đoán chuyển động mới, gọi là bù chuyển động trực tiếp (Direct).
9. Switching slices (còn đƣợc gọi là SP và SI): là chức năng cho phép bộ mã hoá có thể chỉ thị cho bộ giải mã xâm nhập vào dòng bít để chuyển tốc độ bit hay có thể giải mã đƣợc ảnh tại đúng vị trí xâm nhập đó mà không cần sử dụng các ảnh khác.
10. Ảnh dự phòng (Redundant Picture): MPEG-4/H.264 có khả năng cho phép bộ mã hoá gửi đi hình ảnh dự phòng của vùng ảnh đƣợc truyền, nhằm khôi phục lại vùng ảnh bị mất ở trên đƣờng truyền.
Nhằm cải tiến các giải pháp dự đoán, một số phần khác của chuẩn cũng đƣợc nâng cao để tăng hiệu quả nén.
11. Biến đổi với kích thƣớc block nhỏ: tất cả các chuẩn trƣớc đều sử dụng kích thƣớc block biến đổi là 8x8, trong khi MPEG-4/H.264 dựa trên kích thƣớc 4x4. Do có kích thƣớc block nhỏ hơn nên sẽ độ sai khác giữa ảnh thật và ảnh dự đoán giảm đi, nhờ vậy tăng hiệu quả nén.
12. Thực hiện các biến đổi với kích thƣớc block phân cấp: cho phép kích thƣớc block có thể tăng lên trong một số trƣờng hợp.
13. Phép biến đổi ngƣợc chính xác: trong các chuẩn mã hoá video trƣớc đây, các phép biến đổi đƣợc sử dụng cho trình diễn video thƣờng có ngƣỡng chấp nhận lỗi cho phía thu, do không thể đạt đƣợc phép biến đổi ngƣợc lý tƣởng trên lý thuyết. Vì
thế, mỗi bộ giải mã sẽ có tín hiệu video khác một chút so với bộ mã hoá, điều này làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng video. MPEG-4/H.264 là tiêu chuẩn đầu tiên đạt đƣợc sự chính xác về chất lƣợng của tín hiệu video giải mã từ tất cả các bộ giải mã.
14. Mã hoá entropy số học: một phép mã hoá entropy tiên tiến đƣợc áp dụng trong MPEG-4/H.264 là mã hoá số học nhị phân theo nội dung CABAC (Context Adaptive Binary Arithmetic Coding). Phƣơng pháp mã hoá này dựa trên khả năng chọn lựa các chế độ cho mỗi cú pháp dựa vào nội dung.
15. Mã hoá entropy theo nội dung: phƣơng pháp mã hoá entropy thứ 2 đƣợc áp dụng trong MPEG-4/H.264 là mã hoá độ dài thay đổi theo nội dung (CAVLC- Context Adaptive Variable Length Coding). Phƣơng pháp này đƣợc thiết kế để mã hoá độ dƣ thừa các hệ số chuyển đổi của các khối 4x4 và 2x2.
Một số cải tiến nhằm nâng cao việc truyền dữ liệu trên các mạng cũng đƣợc thêm vào MPEG-4/H.264.
16. Cấu trúc bộ thông số: đƣợc thiết kế để truyền các bit có tính chìa khoá trong dòng dữ liệu nhƣ thông tin header, một cách độc lập và mềm dẻo hơn, nhằm đảm bảo có thể khôi phục chính xác dữ liệu tại đầu thu.
17. Cấu trúc cú pháp đơn vị NAL: mỗi cấu trúc cú pháp trong MPEG- 4/H.264 đƣợc đặt trong một gói dữ liệu logic, đƣợc gọi là đơn vị NAL. Điều này cho phép sự tùy biến lớn hơn trong các giải pháp truyền nội dung video.
18. Kích thƣớc Slice mềm dẻo: khắc phục nhƣợc điểm trong MPEG-2, khi có nhiều header trong slice làm giảm hiệu quả mã hoá.