1.2.2.3. Các định dạng nén MPEG a. Định dạng nén MPEG–2 a. Định dạng nén MPEG–2
MPEG-2 là chuẩn nén chủ yếu cho video MPEG ngày nay. Nó được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm sản xuất TV kỹ thuật số và phát sóng truyền hình, HDTV, truyền hình vệ tinh và truyền hình cáp.
MPEG-2 hỗ trợ chuẩn tín hiệu NTSC và PAL ở độ phân giải đầy đủ, cũng như tín hiệu HD 720p và 1080i. MPEG-2 cũng cho phép ghép kênh nhiều dịng tín hiệu video và âm thanh nên có thể thực hiện các ứng dụng đa kênh truyền hình vệ tinh. MPEG- 2 cũng hỗ trợ tín hiệu âm thanh 5 kênh (âm thanh vòm) và chuẩn ACC.
b. Định dạng nén MPEG–4
Khơng giống các chuẩn MPEG-2 có nội dung được tạo ra từ nhiều nguồn như video ảnh động, đồ họa, văn bản… và được tổ hợp thành chuỗi các khung hình phẳng mà mỗi khung hình được chia thành các phần tử ảnh và xử lý đồng thời giống như cảm nhận của con người thông qua các giác quan trong thực tế. Với MPEG-4, các đối
tượng khác nhau trong một khung hình có thể được mơ tả, mã hóa và truyền đi một cách riêng biệt đến bộ giải mã trong các dòng cơ bản ES khác nhau. Cũng nhờ xác định, tách và xử lý riêng các đối tượng (như nhạc nền, âm thanh xa gần, đồ vật, đối tượng ảnh video như con người hay động vật, nền khung hình …), nên người sử dụng có thể loại bỏ riêng từng đối tượng khỏi khung hình. Sự tổ hợp lại thành khung hình chỉ được thực hiện sau khi giải mã các đối tượng này.
Hình 1. 5. Cấu trúc của bộ mã hố và giải mã video MPEG-4
Để có thể thực hiện việc tổ hợp khung hình, MPEG-4 sử dụng một ngơn ngữ mơ tả khung hình riêng, được gọi là định dạng nhị phân cho khung hình BiFS. BiFS khơng chỉ mô tả ở đâu và khi nào các đối tượng xuất hiện trong khung hình, nó cũng mơ tả cách thức hoạt động của đối tượng (làm cho một đối tượng xoay tròn hay chồng mờ hai đối tượng lên nhau) và cả điều kiện hoạt động đối tượng và tạo cho MPEG-4 có khả năng tương tác.
Trong MPEG-4 tất cả các đối tượng có thể được mã hố với sơ đồ mã hố riêng của nó (video được mã hố theo kiểu video, text được mã hoá theo kiểu text, các đồ hoạ được mã hố theo kiểu đồ hoạ) thay vì việc xử lý tất cả các phần tử ảnh như là mã hoá video ảnh động.
c. Định dạng nén MPEG-4 Part 10 (H.264/AVC)
Đầu năm 1998, hai tổ chức ITU-T và VCEG đã cùng đưa ra một chuẩn nén mới H.26L nhằm tăng gấp đôi hiệu suất nén. Do đó chuẩn nén này mở ra nhiều ứng dụng mới như truyền hình qua mạng Internet và truyền hình di động.
Cuối năm 2001, VCEG và MPEG đã thành lập JVT (Joint Video Team) có nhiệm vụ hồn thành chuẩn nén mới và chính thức được thơng qua với tên gọi là MPEG-4 Part 10 hoặc H.264/AVC vào tháng 3 năm 2003.
Cấu trúc phân lớp của H.264/AVC
Với sự gia tăng các ứng dụng và dịch vụ trên nhiều mạng thì câu hỏi đặt ra là làm thế nào quản lí được các ứng dụng đó. Do vậy, chuẩn H.264/AVC phải có độ linh hoạt cao và có thể ứng dụng trên nhiều mạng khác nhau. Do đó, chuẩn H.264/AVC được thiết kế theo phân lớp mã hóa video VCL và lớp NAL làm nhiệm vụ tương thích với mơi trường mạng khác nhau.
Hình 1. 6. Cấu trúc phân lớp của H.264
Lớp mạng NAL (Network Abstration Layer)
NAL có khả năng ánh xạ từ lớp VCL đến lớp truyền tải. Gói NAL: dữ liệu video mã hóa được tổ chức trong một đơn vị NAL (hay gói NAL). Mỗi gói có độ dài tính theo byte. Byte đầu tiên của mỗi gói NAL là byte mào đầu, nó chỉ rõ loại dữ liệu được chứa trong NAL, các byte còn lại chứa dữ liệu.
Cấu trúc của đơn vị NAL có định dạng chung cho việc sử dụng truyền trong hệ thống hướng bit và hướng gói.
Lớp mã hóa video
Lớp mã hóa video của H.264/AVC thì tương tự với các tiêu chuẩn khác như MPEG- 2 video. Nó là sự kết hợp dự đốn theo thời gian và theo khơng gian,và với mã chuyển vị. Ảnh được tách thành các khối. Ảnh đầu tiên của dãy hoặc điểm truy nhập ngẫu nhiên thì được mã hóa “Intra”, có nghĩa là khơng dùng thơng tin nào ngồi thơng tin chứa trong bản thân ảnh. Mỗi mẫu của một khối trong một khung Intra được dự đốn nhờ dùng các mẫu khơng gian bên cạnh của các khối đã mã hóa trước đó. Đối với tất cả các ảnh cịn lại của dãy hoặc giữa các điểm truy cập ngẫu nhiên, mã hóa “Inter” được sử dụng, dùng dự đốn bù chuyển động từ các ảnh được mã hóa trước.
Ưu điểm của H.264/AVC
Chất lượng hình ảnh tốt: H.264 là chuẩn nén sử dụng cơng nghệ âm thanh,
hình ảnh mới khả năng nén tốt hơn so với các chuẩn nén trước đó. Do đó, cung cấp dịch vụ phân phát hình ảnh chất lượng cao qua mạng băng thông giới hạn. Yêu cầu băng thông thấp: Chất lượng hình ảnh của H.264 gần giống với
MPEG-2 nhưng H.264 cần ít băng thơng để truyền tải tín hiệu với cùng chất lượng. Đặc điểm này rất phù hợp để sử dụng trong hệ thống IPTV.
Hỗ trợ truyền hình độ phân giải cao: Khi sử dụng tối ưu chuẩn nén có thể
làm tăng khả năng truyền dữ liệu của mạng. Do đó, các nhà cung cấp dịch vụ truyền thơng có thể sử dụng chuẩn nén này để cung cấp chương trình video độ phân giải cao qua mạng sẵn có.
Có khả năng kết hợp với các thiết bị xử lí video có sẵn như MPEG-2 và hạ
tầng mạng dựa trên IP đã có sẵn.
Có thể truyền độc lập: Chuẩn nén H.264 có thể truyền qua nhiều giao thức
Hỗ trợ nhiều ứng dụng: Chuẩn nén H.264 được sử dụng trong nhiều ứng dụng,
với nền khác nhau có những u cầu riêng. Ví dụ, ứng dụng truyền đa điểm trong IPTV yêu cầu phải hiển thị hình ảnh ở dạng chuẩn truyền hình, trong khi, đối với các ứng dụng giải trí di động, hình ảnh phải hiển thị được trên các thiết bị di động.
2.4.2.4. Nén dữ liệu hình ảnh
Nén dữ liệu
Nén dữ liệu nhằm làm giảm lượng thông tin “dư thừa” trong dữ liệu gốc. Do vậy, lượng thông tin thu được sau khi nén thường nhỏ hơn dữ liệu gốc rất nhiều. Với dữ liệu ảnh, kết quả thường là 10:1. Nghĩa là sau khi nén, dung lượng hình ảnh được giảm đi 10 lần so với dung lượng hình ảnh ban đầu.
Tỷ lệ nén
Tỷ lệ nén là một trong các đặc trưng quan trọng nhất của mọi phương pháp nén. Tuy nhiên, về cách đánh giá và các kết quả công bố trong các tài liệu cũng cần quan tâm xem xét. Nhìn chung, người ta định nghĩa tỷ lệ cơ bản của phương pháp nén. Nhiều khi tỷ lệ nén cao cũng chưa thể nói phương pháp đó hiệu quả hơn các phương pháp khác, vì cịn các chi phí khác như thời gian, khơng gian và thậm chí cả độ phức tạp tính tốn nữa.
Các loại dư thừa dữ liệu
Như trên đã nói, nén nhằm mục đích giảm kích thước dữ liệu bằng cách loại bỏ dư thừa dữ liệu. Việc xác định bản chất các kiểu dư thừa dữ liệu rất có ích cho việc xây dựng các phương pháp nén dữ liệu khác nhau. Nói một cách khác, các phương pháp nén dữ liệu khác nhau là do sử dụng các kiểu dư thừa khác nhau. Người ta phân ra thành 4 kiểu dư thừa chính:
Sự phân bố ký tự
Trong một dãy ký tự, có một số ký tự có tần suất xuất hiện nhiều hơn so với các dãy khác. Do vậy, ta có thể mã hóa dữ liệu một cách cơ đọng hơn. Các dãy ký tự có tần
suất xuất hiện thấp sẽ được mã hóa bởi từ mã có nhiều bit hơn. Đây chính là bản chất của phương pháp mã hóa Huffman.
Sự lặp lại của các ký tự
Kỹ thuật nén dùng trong trường hợp này là thay dãy lặp đó bởi dãy mới gồm hai thành phần : số lần lặp và kí hiệu dùng để mã hóa. Phương pháp mã hóa kiểu này có tên là mã hóa loạt dài RLC.
Các phương pháp nén dữ liệu
Phương pháp mã hóa loạt dài
Phương pháp mã hóa loạt dài lúc đầu được phát triển dành cho ảnh số 2 mức: Mức đen và mức trắng như các văn bản trên nền trắng, trang in, các bản vẽ kỹ thuật,... Nguyên tắc của phương pháp là phát hiện một loạt các bit lặp lại. Thí dụ như một loạt các bit 0 nằm giữa hai bit 1, hay ngược lại, một loạt bit 1 nằm giữa hai bit 0. Phương pháp này chỉ có hiệu quả khi chiều dài dãy lặp lớn hơn một ngưỡng nào đó. Dãy các bit lặp gọi là loạt hay mạch. Tiếp theo, thay thế chuỗi đó bởi một chuỗi mới gồm 2 thơng tin : chiều dài chuỗi và bit lặp (ký tự lặp). Như vậy, chuỗi thay thế sẽ có chiều dài ngắn hơn chuỗi cần thay.
Phương pháp mã hóa Huffman
Phương pháp mã hóa Huffman là phương pháp dựa vào mơ hình thống kê. Dựa vào dữ liệu gốc, người ta tính tần suất xuất hiện của các ký tự. Việc tính tần suất được thực hiện bởi cách duyệt tuần tự tệp gốc từ đầu đến cuối. Trong phương pháp này người ta gán cho các ký tự có tần suất cao một từ mã ngắn, các ký tự có tần suất thấp từ mã dài. Nói cách khác, các ký tự có tần suất càng cao được gán mã càng ngắn và ngược lại. Rõ ràng với cách thức này, đã làm giảm chiều dài trung bình của từ mã hóa bằng cách dùng chiều dài biến đổi. Tuy nhiên, trong một số tình huống khi tần suất là rất thấp, có thể khơng được lợi một chút nào, thậm chí cịn bị mất một vài bit.
Giải thuật nén LZW được sử dụng cho tất cả các loại file nhị phân. Nó thường được dùng để nén các loại văn bản, ảnh đen trắng, ảnh màu, ảnh đa mức xám, … và là chuẩn nén cho các dạng ảnh GIF và TIFF. Mức độ hiệu quả của LZW không phụ thuộc vào số bit màu của ảnh.
Giải thuật nén LZW xây dựng một từ điển lưu các mẫu có tần suất xuất hiện cao trong ảnh. Từ điển là tập hợp những cặp từ vựng và nghĩa của nó. Trong đó, từ vựng sẽ là các từ mã được sắp xếp theo thứ tự nhất định. Từ điển được xây dựng đồng thời với q trình đọc dữ liệu. Sự có mặt của một chuỗi con trong từ điển khẳng định rằng chuỗi đó đã từng xuất hiện trong phần dữ liệu đã đọc. Thuật toán liên tục “tra cứu” và cập nhật từ điển sau mỗi lần đọc một ký tự ở dữ liệu đầu vào.
Do kích thước bộ nhớ khơng phải vơ hạn và để đảm bảo tốc độ tìm kiếm, từ điển chỉ giới hạn 4096 phần tử dùng để lưu lớn nhất là 4096 giá trị của các từ mã. Như vậy độ dài lớn nhất của từ mã là 12 bits (4096 = 212).
Phương pháp mã hóa khối
Phương pháp này lúc đầu được phát triển cho ảnh số 2 mức xám. Sau đó hồn thiện thêm bởi các phương pháp thích nghi và mở rộng cho ảnh số đa cấp xám.
Ta có thể dùng phương pháp mã hóa Huffman cho từng khối của ảnh gốc, nghĩa là gán cho mỗi từ khối một từ mã nhị phân như ở phần trên. Một khó khăn gặp phải khi dùng mã hóa tối ưu Huffman đó là số lượng khối quá lớn. Giải pháp ở đây là dùng mã hóa gần tối ưu, đơn giản hơn để thực hiện mã hóa.
Phương pháp mã hóa dựa vào các phép biến đổi
Các phương pháp mã hóa dựa vào biến đổi làm giảm lượng thông tin dư thừa không tác động lên miền không gian của ảnh số mà tác động lên miền biến đổi. Các biến đổi được dùng ở đây là các biến đổi tuyến tính như biến đổi KL, biến đổi Fourrier, biến đổi Hadamard, Sin, Cosin, …
Vì ảnh số thường có kích thước rất lớn, nên trong cài đặt người ta thường chia ảnh thành các khối chữ nhật nhỏ. Thực tế, người ta dùng khối vng kích thước cỡ 16x16. Sau đó biến đổi từng khối một cách độc lập.
1.3. Các tiêu chuẩn phát sóng truyền hình số
1.3.1. Tiêu chuẩn DVB-S/DVB-S2 (phát sóng truyền hình số qua vệ tinh)
1.3.1.1. Hiện trạng sử dụng truyền hình số tiêu chuẩn DVB-S và DVB-S2
Dịch vụ truyền hình số vệ tinh trên Thế giới được phát sóng lần đầu tại Thái Lan và Nam Phi vào cuối năm 1994, ứng dụng tiêu chuẩn công nghệ DVB-S phiên bản đầu tiên của Châu Âu do tổ chức DVB phát triển. Trải qua thời gian, DVB-S trở nên hết sức phổ biến cho việc phân phối các dịch vụ truyền hình vệ tinh, với hơn 100 triệu máy thu được sử dụng trên khắp Thế giới cho tới thời điểm hiện nay. DVB-S2 đã được phát triển để ứng dụng những tiến bộ kỹ thuật mới nhất trong mã hóa kênh, điều chế và sửa lỗi để tạo ra hệ thống mới hoàn hảo hơn để cung cấp các dịch vụ mới băng thông rộng hơn. Bằng việc kết hợp với kỹ thuật mã hóa hình ảnh MPEG-4, tiêu chuẩn DVB-S2 mở ra khả năng sớm thương mại hóa các dịch vụ băng rộng như HDTV trên cùng tài nguyên băng thông tần số trước đây, điều mà DVB-S không thực hiện được. Tại Việt Nam, truyền hình số qua vệ tinh chính thức được Đài truyền hình Việt Nam ứng dụng từ năm 1998 để truyền dẫn các chương trình truyền hình đến các trạm phát lại trên phạm vi toàn quốc và đến 2002 bắt đầu triển khai phát sóng truyền hình số vệ tinh dạng thức DTH trên băng tần Ku vừa cung cấp dịch vụ truyền hình trực tiếp vừa làm chức năng truyền dẫn.
Theo thống kê của sách trắng Công nghệ thông tin, năm 2005 số lượng thuê bao truyền hình trả tiền của Việt Nam khoảng 2,1 triệu, nhưng đến năm 2012, con số này đã lên đến khoảng 5 triệu thuê bao. Nằm trong xu thế tăng trưởng nói chung của truyền hình trả tiền châu Á, truyền hình trả tiền Việt Nam đang trong giai đoạn phát triển với tốc độ chóng mặt. Theo ước tính của cơng ti nghiên cứu Pyramid Research
châu Á, truyền hình trả tiền tại Việt Nam sẽ tăng 13,5% trong 4 năm tới, đưa tổng số thuê bao lên 11 triệu vào năm 2017.
Đến thời điểm hiện nay, truyền hình số vệ tinh tiêu chuẩn DVB-S/S2 được ứng dụng phổ biến tại Việt Nam, hầu hết các đài PTTH lớn, các doanh nghiệp cung cấp dịch vụ truyền dẫn phát sóng đều đã và đang ứng dụng để cung cấp dịch vụ và tiêu chuẩn DVB-S/S2 đã được đưa vào định hướng phát triển công nghệ nêu trong Quy hoạch truyền dẫn phát sóng phát thanh, truyền hình đến năm 2020.
1.3.1.2. Thơng số kỹ thuật của tiêu chuẩn DVB-S và DVB-S2
Các yêu cầu về thông số kỹ thuật chung của hệ thống DVB-S/S2 cần thiết để đảm bảo chắc chắn các thiết lập chế độ phát tại phía phát phù hợp với tiêu chuẩn Châu Âu DVB-T và tương thích hồn tồn với thiết bị thu đáp ứng tiêu chuẩn này mà khơng cần có bất cứ hiệu chỉnh hoặc điều chỉnh nào bằng phần cứng hoặc phần mềm. Các thông số chung của hệ thống DVB-S được tham chiếu và áp dụng nguyên vẹn từ tài liệu ETSI EN 300 421 V1.1.2 về khuyến nghị cấu trúc khung, mã hóa kênh và điều chế đối với hệ thống truyền hình số vệ tinh DVB-S. Các thông số cơ bản hệ thống truyền hình số vệ tinh DVB-S, như Bảng 1.2.
Bảng 1. 2. Các thông số cơ bản của hệ thống truyền hình số DVB-S
Stt Thơng số u cầu
1 Hệ thống truyền hình số vệ tinh DVB-S
2 Dải tần số 11/12Ghz
3 Hệ số α 0.35