(b) Nộn liờn khung hỡnh làm việc với một chuỗi cỏc khung hỡnh.
1.3.3.2 Nộn trong khung hỡnh.
Đõy là loại nộn làm giảm độ dư thừa trong miền khụng gian, chỉ thực hiện nộn trờn dữ liệu của một ảnh, khụng sử dụng thụng tin của cỏc ảnh trước hoặc sau đú.
Phõn tớch hỡnh ảnh TV thụng thường chỉ ra rằng cỏc thành phần tần số cao thể hiện chi tiết của hỡnh ảnh và chỉ cú phần nhỏ năng lượng là của cỏc thành phần này. Trong hỡnh ảnh cũng tồn tại những vựng mà trong đú cỏc điểm là tương tự giống nhau, những điểm như thế này nằm ở vựng tần số thấp. Vựng cú độ sỏng như nhau nằm ở tần số bằng 0. Việc bỏ qua những vựng cú tần số cao là khụng thể được bởi nú tạo nờn độ rừ ràng, mềm mại của hỡnh ảnh.
Tuy vậy cỏc thành phần tần số cao chỉ chiếm một phần nhỏ năng lượng nờn cần ớt bit để mó húa hơn, đồng thời sai số ở những vựng cú tần số cao thỡ con người cũng khú nhận biết hơn. Nhờ sử dụng đặc điểm này mà việc nộn trở nờn cú hiệu quả.
(a) Nộn trong khung hỡnh, loại bỏ phần dư
thừa của khung hỡnh.
(b) Nộn liờn khung,
loại bỏ phần dư thừa
14
1.3.3.3 Nộn liờn khung hỡnh.
Dữ liệu video được tạo thành từ cỏc khung hỡnh video. Nộn liờn ảnh sử dụng tớnh chất tương tự giữa cỏc ảnh kế tiếp. Trong trường hợp đơn giản nhất, mỗi khung hỡnh video lưu trữ một hỡnh ảnh được hiển thị trong thời gian phỏt khung hỡnh (bằng nghịch đảo của tốc độ khung hỡnh) trờn màn hỡnh. Tuy nhiờn, cú một sự tương quan mạnh mẽ giữa cỏc khung hỡnh ảnh liờn tiếp bởi vỡ những cảnh – scence - thường thay đổi chậm theo thời gian. Vỡ vậy, truyền mỗi khung hỡnh độc lập với tất cả cỏc khung lõn cận của nú rất lóng phớ – cỏc khung hỡnh kế tiếp mang nhiều thụng tin dư thừa khụng cần thiết. Bộ mó hoỏ video hiệu quả sẽ loại bỏ sự dư thừa này và làm giảm kớch thước (số byte) của video. Với phương phỏp mó hoỏ liờn khung hỡnh một chuỗi video cú 3 kiểu khung hỡnh: khung hỡnh I (khung chớnh), P (khung hỡnh dự đoỏn) hoặc B (hai chiều) trong đú:
Khung hỡnh I (Intra-picture): là khung hỡnh chỉ sử dụng nộn trong ảnh, mang thụng tin về một khung hỡnh hoàn chỉnh. Khung hỡnh I cho phộp truy cập ngẫu nhiờn, cú độ nộn thấp nhất. Khung hỡnh P (Predicted-picture): khung hỡnh dự đoỏn trước, là khung hỡnh được mó húa cú bự chuyển động từ khung I hoặc khung P trước đú.
Khung hỡnh B (Bi-directional predicted picture): khung hỡnh dự đoỏn hai chiều, là khung hỡnh được mó húa sử dụng bự chuyển động từ cỏc khung hỡnh I hoặc P trước và sau. Cỏc khung hỡnh B cho hệ số nộn là cao nhất.
Trật tự xỏc định và tần số xuất hiện của cỏc khung I, P, B trong cỏc tập tin video. I-frame, xuất hiện đều đặn tại cỏc đoạn, phõn chia cỏc đoạn video thành "Nhúm cỏc hỡnh ảnh" hay GOP mụ tả trong hỡnh 1.5. Khung hỡnh I được mó húa một cỏch độc lập với cỏc khung hỡnh khỏc và vỡ vậy nú cú thể được giải mó một cỏch độc lập. Khung P-frame được mó húa bằng cỏch lưu trữ delta giữa khung hỡnh trước và khung hỡnh đang được mó húa, bởi vậy việc giải mó một khung hỡnh P phụ thuộc vào sự chớnh xỏc trong việc giải mó cỏc khung hỡnh trước đú. Một khung hỡnh B-frame được mó húa dựa trờn cỏc khung I và P đó mó húa thành cụng trước đú, do đú việc giải mó một khung hỡnh B (B-frame) bắt buộcyờu cầu khung hỡnh I hoặc P phải được giải mó một cỏch chớnh xỏc. Trong một GoP khoảng cỏch giữa 2 khung hỡnh I là N, khoảng cỏch giữa I và khung hỡnh P là M. Nếu N lớn thỡ sẽ dẫn tới suy giảm chất lượng hỡnh ảnh mặc dự đũi hỏi ớt băng thụng mạng, cũn nếu N nhỏ thỡ chất lượng khung hỡnh nhận được tốt hơn nhưng lại đũi hỏi tiờu tốn nhiều băng thụng mạng. Trong hỡnh 1.5 trỡnh bày cấu trỳc mó húa của một GoP.
). 1 ( and , 1 1, NI M M N N M N NP B (1.1) B B P B B P B B P B B I B B P B B P B B P B B I ... GoP GoP Hỡnh 1.5 Cấu trỳc GoP
Chỳ ý: khung hỡnh B thường cú tỷ lệ nộn nhiều nhất, tiếp theo là khung hỡnh P. Kớch thước khung hỡnh I lớn hơn nhiều so với cỏc khung hỡnh P và B. Khung hỡnh I là quan trọng nhất vỡ chỳng sửa lỗi tạm thời và cú thể truyền từ frame đến frame trong khi giải mó khung hỡnh P hoặc B. Khung hỡnh I cũng được gọi là khung "neo" vỡ một bộ giải mó video cú thể định vị và sau đú bắt đầu phỏt lại video bắt đầu từ khung hỡnh I.
Từ cấu trỳc mó húa phõn cấp của MPEG, một khung hỡnh video cú thể được coi khụng giải mó được (undecodable) trực tiếp hoặc giỏn tiếp. Undecodable trực tiếp của một khung cho
15
biết/chỉ ra rằng khụng cú đủ cỏc gúi dữ liệu của khung hỡnh video nhận được để giải mó cỏc khung hỡnh đú. Mặt khỏc, undecodable giỏn tiếp một khung hỡnh video sẽ xảy ra khi một khung được xem là undecodable bởi vỡ một số khung nú phụ thuộc vào trực tiếp undecodable. Sự phụ thuộc của khung hỡnh P và B vào cỏc khung hỡnh khỏc khi giải mó cú nghĩa là nếu cú bất kỳ khung hỡnh nào mà khung P hoặc B phụ thuộc vào, mà khụng được giải mó bởi bờn nhận, thỡ khi đú nú khung P hoặc B này cũng sẽ khụng thể giải mó. Vớ dụ, nếu khung I bị mất, thỡ khi đú tất cả cỏc khung khỏc trong GOP cũng khụng được giải mó. Khung phụ thuộc sẽ đúng một vai trũ quan trọng khi thiết kế bộ giải mó giả để phõn tớch chất lượng video. Ảnh hưởng của sự phụ thuộc khung, I P và B được minh họa trong hỡnh 1.6 [34]; việc mất đi một khung hỡnh I hay P sẽ gõy ảnh hưởng trong toàn bộ GoP. Do vậy mặc dự tỷ lệ mất gúi tin thấp 5.% vẫn cú thể gõy ra một tỷ lệ tổn thất lớn đến xấp xỉ 30% trờn cỏc khung hỡnh [19]. Chỳng tụi đó nghiờn cứu kỹ vấn đề này và đề xuất một số giải phỏp khắc phục trong cỏc chương 3 và 4.
I B B P B B P B B P Mất khung I I B B P B B P B B P Mất khung P I B B P B B P B B P Mất khung B = khụng giải mó được
Hỡnh 1.6 Sự phụ thuộc khung hỡnh trong mó húa video
1.4 Chất lượng dịch vụ truyền video trờn mạng IP
1.4.1 Kỹ thuật truyền dũng video trờn mạng IP
Đối với kỹ thuật truyền dũng video (Video Streaming) [11, 69] cho phộp bờn gửi truyền cỏc dũng dữ liệu trờn mạng Internet một cỏch liờn tục và cú thể hiển thị ngay lập tức khi tới phớa người dựng, để xem một đoạn video chỳng ta khụng cần phải download toàn bộ nội dung rồi mới xem mà chỉ cần hiển thị trực tiếp trong vài giõy. Chớnh vỡ vậy cụng nghệ Streaming giỳp con người giảm chi phớ về thời gian. Cụng nghệ này sử dụng cỏc cụng nghệ giải nộn kết hợp với player để hiển thị dữ liệu đồng thời trong lỳc vẫn tiếp tục download, quỏ trỡnh này được gọi là buffering tức là: thay vỡ gửi một lần duy nhất, dữ liệu streaming video sẽ được truyền đi thành cỏc gúi nhỏ, ban đầu player sẽ lấy về một phần chia nhỏ đú của dữ liệu video trước khi hiển thị, đồng thời trong lỳc hiển thị, cỏc gúi tin dữ liệu cũn lại sẽ lần lượt được lấy về để hiển thị tiếp theo.
Ngày nay, cụng nghệ streaming phỏt triển rất nhanh, do đú chất lượng video trờn mạng Internet dần dần được hoàn thiện và đạt chất lượng rất tốt và cú thể gần tương ứng với video trờn ti vi truyền thống và video HD.
Cụng nghệ streaming video thường được sử dụng trong lĩnh vực giải trớ, học tập và cỏc phương tiện nghe nhỡn như di động và laptop cũng như cỏc phương tiện nghe nhỡn khỏc, hỗ trợ
16
cho người dựng cỏc chức năng tiện dụng như tỡm kiếm, thống kờ, hiển thị lại theo yờu cầu. Streaming thể hiện theo 2 dạng: video theo yờu cầu và video theo thời gian thực.
Video theo yờu cầu: là cỏc dữ liệu video được lưu trữ trờn server và được truyền khi người dựng yờu cầu và do đú người dựng cú thể tua, dừng, phỏt lại, bỏ qua trờn file video này. Video theo thời gian thực: dữ liệu video được phỏt trực tiếp từ nhiều nguồn cung cấp như webcam, camera, điện thoại cú chức năng truyền video và cỏc thiết bị truyền phỏt khỏc, cỏc dữ liệu này được phỏt quảng bỏ thành cỏc kờnh, người dựng cú thể cú quyền truy xuất bất kỡ kờnh ưa thớch nào để hiển thị mà khụng thể thực hiện cỏc thao tỏc tua, dừng.
Cụng nghệ video Streaming sử dụng cỏc giao thức RTP, MMS, hay HTTP... để truyền dữ liệu theo dạng streaming qua mạng Internet, đồng thời sử dụng cỏc chuẩn nộn để giảm kớch thước và dung lượng dữ liệu, cung cấp khả năng nộn dữ liệu tại nhiều mức nộn sao cho phự hợp với băng thụng mạng nhằm nõng cao chất lượng truyền video qua mạng Internet. Do đú, việc sử dụng phần mềm nào để truyền video là vấn để cần quan tõm để nõng cao chất lượng truyền tại server. Trong số cỏc phần mềm đú, cú một số chuẩn cụng nghệ ra đời với cỏc player như: Realmedia, Quicktime, VLC, Windows media player cải tiến.
Hiện nay, chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service) đang trở thành một vấn đề rất được quan tõm trong cụng nghệ thụng tin và truyền thụng, đặc biệt là trong cỏc ứng dụng truyền dữ liệu multimedia trờn mạng IP. Trong lĩnh vực ứng dụng truyền phỏt video, để cú khả năng đỏp ứng yờu cầu của người dựng cuối thỡ việc đảm bảo QoS là yờu cầu bắt buộc. Trong phần tiếp theo chỳng ta sẽ đi vào nghiờn cứu một số vấn đề về chất lượng dịch vụ trong truyền video trờn mạng.
1.4.2 Cỏc tham số QoS
í nghĩa:
Cỏc tham số QoS cú thể được dựng để đo lường chất lượng của một dịch vụ, đỏnh giỏ khả năng cung cấp dịch vụ của hệ thống mạng viễn thụng… Đặc biệt, việc theo dừi cỏc tham số QoS giỳp nhà cung cấp dịch vụ cú thể đưa ra cỏc giải phỏp thớch hợp nhằm đảm bảo cung cấp QoS cho khỏch hàng (QoS mechanisms). Do tớnh quan trọng của ứng dụng này, mà đụi khi thuật ngữ “QoS” cũn được dựng thay cho “QoS mechanisms).
1.4.3 Cỏc đặc tớnh QoS:
QoS phụ thuộc vào chất lượng hỗ trợ dịch vụ, chất lượng khai thỏc dịch vụ, chất lượng phục vụ và chất lượng an toàn.
Chất lượng hỗ trợ dịch vụ: khả năng cung cấp một dịch vụ và hỗ trợ việc sử dụng cỏc tớnh năng của dịch vụ đú. Vớ dụ cung cấp cỏc tớnh năng hỗ trợ hoặc cung cấp cỏc dịch vụ bổ trợ. Chất lượng khai thỏc dịch vụ: khả năng người dựng cú thể sử dụng một dịch vụ thành cụng một cỏch dễ dàng.
Chất lượng phục vụ: khả năng thực hiện dịch vụ khi người dựng trong một điều kiện cụ thể, khả năng duy trỡ dịch vụ khụng xảy ra suy yếu, giỏn đoạn trong suốt thời gian yờu cầu. Chất lượng phục vụ được chia nhỏ thành: khả năng truy nhập, khả năng duy trỡ và mức độ hoàn hảo dịch vụ.
Chất lượng an toàn: đảm bảo tớnh an toàn thụng tin cho khỏch hàng, chống lại việc giỏm sỏt trỏi phộp và sử dụng gian lận dịch vụ, an toàn cho hệ thống thiết bị và an toàn cho người sử dụng.
Đõy là những đặc tớnh tương đối, do đú, để đỏnh giỏ QoS bằng những con số cụ thể, người ta cần xột những tham số cú thể đo đạt được.
17
QoS nhỡn từ những khớa cạnh khỏc nhau:
QoS cú thể được nhỡn từ những gúc độ khỏc nhau, khuyến nghị G.1000 đưa ra 4 quan điểm cho QoS bao gồm: yờu cầu QoS của khỏch hàng, QoS nhà cung cấp đưa ra, QoS nhà cung cấp đạt được và cảm nhận QoS của khỏch hàng. Cỏc quan điểm này cú quan hệ nhõn quả với nhau trờn cơ sở yờu cầu của khỏch hàng là điểm khởi đầu.
Yờu cầu QoS của khỏch hàng QoS do nhà cung cấp đề xuất
Cảm nhận QoS của khỏch hàng QoS nhà cung cấp đạt được
KHÁCH HÀNG NHÀ CUNG CẤP DỊCH VỤ
Hỡnh 1.7 Cỏc quan điểm QoS
a. Quan điểm nhà cung cấp dịch vụ:
Từ quan điểm cỏc nhà cung cấp dịch vụ,QoS là một cam kết về mức độ chất lượng dự kiến sẽ được cung cấp cho cỏc khỏch hàng của nhà cung cấp dịch vụ. Mức độ chất lượng được thể hiện bằng giỏ trị được gỏn cho cỏc tham số QoS. Mỗi dịch vụ sẽ cú thiết lập cỏc thụng số QoS riờng của mỡnh (như trong lớp QoS của ITU-T Rec. Y.1540 cho dịch vụ cung cấp IP). Nhà cung cấp dịch vụ cần phải đưa ra cỏc tham số chất lượng mạng sao cho vừa đảm bảo được lợi ớch kinh tế vừa đỏp ứng được nhu cầu của khỏch hàng.
Thụng thường, cú năm giỏ trị đỏnh giỏ QoS mạng được xem như cú ảnh hưởng quan trọng nhất đến QoS (đặc biệt với cỏc dịch vụ mạng dựa trờn cụng nghệ gúi).
Độ khả dụng (Availability): là độ tin cậy và độ ổn định của hệ thống, thể hiện khả năng sẵn sàng phục vụ. Độ khả dụng thường được tớnh trờn cơ sở tỷ số thời gian ngừng hoạt động trờn tổng số thời gian hoạt động của hệ thống mạng.
Thụng lượng (Throughput): tốc độ truyền tải dữ liệu thực tế mà hệ thống cú thể cung cấp.
Tỷ lệ mất gúi (Packet loss): là tỷ số dữ liệu gúi bị mất do tắc nghẽn ở cỏc node hoặc xảy ra trờn chớnh trờn tổng số gúi được truyền đi trờn đường truyền dữ liệu.
Trễ (Delay): là khoảng thời gian để dữ liệu truyền từ nguồn tới đớch.
Biến động trễ (Jitter): là sự khỏc biệt về trễ của cỏc gúi khỏc nhau trong cựng một luồng lưu lượng.
b. Quan điểm người sử dụng dịch vụ:
Người sử dụng thụng thường khụng quan tõm đến việc một dịch vụ được thực thi cụ thể như thế nào. Họ chỉ quan tõm so sỏnh cựng một dịch vụ được cung cấp bởi cỏc nhà cung cấp khỏc nhau, với cỏc thụng số chất lượng định hướng người dựng. Cỏc tham số này đi vào tất cả cỏc khớa cạnh của dịch vụ từ quan điểm của người dựng, tập trung vào cỏc yếu tố tỏc động đến cảm nhận của người dựng chứ khụng phải nguyờn nhõn của chỳng trong hệ thống, độc lập với kiến trỳc và cụng nghệ mạng, cú thể được đo lường khỏch quan hoặc chủ quan, từ cỏc thụng số này, cú thể dễ dàng liờn hệ đến cỏc thụng số NP.
Theo viện tiờu chuẩn viễn thụng ETSI Chõu Âu (European Telecommunications Standards Institute), cỏc dịch vụ khỏc nhau cú đặc trưng và yờu cầu NP khỏc nhau cú thể được chia thành 8 nhúm. (hỡnh 1.8)
18
Dựa vào sự khỏc nhau này, lưu lượng được chia thành cỏc lớp khỏc nhau (Class of Service). Trờn cơ sở cỏc lớp này mà tiến hành phõn chia tài nguyờn, đảm bảo tận dụng tối đa tài nguyờn mạng. Hội thoại và đàm thoại video Tin nhắn Thoại và video Dũng
Audio và video Fax
Cõu lệnh điều khiển
(vd: Telnet, game tương tỏc) Giao dịch (vd: thương mại điện tử) Nhắn tin, Download (vd: FPT, hỡnh ảnh) Ứng dụng nền (vd: Usenet) Cú khả năng chấp nhận lỗi Nhạy cảm với lỗi Đỏp ứng (delay ~ 2s) Thời gian thực (delay ~ 10s) Khụng quan trọng (delay >> 10s) Tương tỏc (delay << 1s) Hỡnh 1.8 Mụ hỡnh cỏc nhúm dịch vụ QoS
1.4.4 QoS trong mạng IP:
Cú hai thành phần quan trọng ảnh hưởng đến QoS mạng IP: phương tiện truyền dẫn và thiết bị chuyển mạch. Đối với mỗi phần, cú cỏc yờu cầu về QoS tương ứng.
Thiết bị khỏch hàng
Kết nối người dựng - người dựng Mạng đầu cuối - đầu cuối (Teleservice QoS)
Network section IP Netwwork Cloud Mạng IP NI NI LAN LAN
Network section Network section Customer Installation
TE Terminal Equiment GW
Thiết bị đầu cuối
Gateway Router
Protocol Stack
Chồng giao thức Network Interface NI
TE GW GW ... GW GW ... GW GW TE
19
QoS mạng IP được hiểu là QoS dịch vụ vận chuyển, chỉ được xột từ NI (Network Interface) đến NI, thiết bị khỏch hàng (Customer Installation) chỉ mang tớnh chất tham khảo đối với mụ hỡnh này. Mạng IP cú thể bao gồm nhiều phõn đoạn mạng NS (Network Section), mỗi NS cú