Triển khai một kiến trúc hệ thống VoD dựa trên mô hình truyền thông Client- Server với một kết nối điểm - điểm riêng lẽ được thiết lập giữa IPTVCD và máy chủ tại trung tâm dữ liệu IPTV. Để tương tác với máy chủ trung tâm dữ liệu qua kết nối này thì yêu Dịch vụ truyền hình: các nội dung truyền hình được quảng bá theo lịch trình thời gian cố định như truyền hình truyền thống. Sự lựa chọn các gói kênh theo yêu cầu của khách hàng có thể bao gồm các kênh truyền hình công cộng (public), các kênh truyền hình trả
tiền (pay TV), các kênh truyền hình được ưa thích, các kênh về mua sắm, các kênh về
thời trang…
Dịch vụ truyền hình theo yêu cầu: việc phát các nội dung truyền hình được lựa chọn bắt đầu khi người sử dụng lựa chọn nội dung đó. Thông thường, nội dung là các bộ phim hay các phim đã được ghi lại từ một thư viện. Dịch vụ này có thểđược sử dụng trong một thời gian giới hạn. Các chức năng thường giống như chức năng của máy ghi hình (VCR) hay đầu DVD (DVD player): phát hình (play), dừng hình (pause), tua hình (fast forward), v.v...
Công nghệ truyền hình IPTV
dân dụng cho phép ghi lại các nội dung quảng bá để xem lại ở một thời điểm sau đó. Máy ghi hình cá nhân qua mạng (Network PVR, NPVR): đây là phiên bản sử dụng trên mạng của PVR. Nó có thể được xem như là một VCR ảo với việc lưu trữ và các chức năng khác cung cấp từ mạng. Nội dung truyền hình quảng bá có thểđược ghi và xem lại
sau đó.
Hướng dẫn chương trình điện tử (Electronic Program Guide, EPG): một hướng dẫn để
cung cấp cho người sử dụng các thông tin về các chương trình IPTV đang và sắp phát. Có thể nói một EPG là phương thức để người sử dụng tìm kiếm các nội dung của nhà cung cấp.
Các dịch vụ thông tin: các dịch vụ thông tin có thể bao gồm tin tức thời sự, tin thể
thao, dự báo thời tiết, thông tin về các chuyến bay, các sự kiện trong khu vực/địa phương, v.v...
Truyền hình tương tác: “kênh phụ” (back-channel) IP không chỉ cung cấp khả năng lấy thông tin mà còn cho phép tương tác với các show truyền hình hoặc khởi tạo các ứng dụng liên kết đến các chương trình đang chạy. Các ví dụđiển hình của truyền hình tương tác là tham dự vào các trò chơi truyền hình, bình chọn qua truyền hình, phản hồi của người xem truyền hình, các chương trình thương mại, v.v...
Các ứng dụng tương tác: sự tương tác không chỉ được liên kết đến một chương trình truyền hình truyền thống. Đấu giá, mua sắm, dịch vụ ngân hàng là các ứng dụng truyền hình được sử dụng rộng rãi, tạo ra sự hội tụ của thiết bị và sự phát triển các giao diện người sử dụng mới. Truyền hình khiến cho việc sử dụng các ứng dụng tương tác (giống như việc sử dụng Internet) trở thành một trong những thành phần chiếm ưu thế của IPTV/VoD tương lai. Đây cũng là một yếu tố khác biệt chủ yểu nhất so với truyền hình quảng bá truyền thống vốn không có một “kênh phụ” nào (có chăng là một đường điện thoại).
Công nghệ truyền hình IPTV
có thểđược thực hiện thông qua hạ tầng IPTV/VoD như hội nghị truyền hình, đào tạo từ
xa, giám sát an ninh, v.v...
Pay-per-View (PPV): là hình thức trả tiền để xem một phần chương trình truyền hình, ví dụ: trả tiền để xem một sự kiện thể thao hay trả tiền để nghe một bản nhạc. Hệ thống cung cấp một kênh phim truyền hình theo hình thức PPV cho các thuê bao. Trò chơi theo yêu cầu (Games on Demand): dịch vụ này sẽ cung cấp nhiều loại game tùy chọn đến thuê bao từ một danh sách có sẵn. IPTV yêu cầu game đơn giản dựa trên HTML.
Âm nhạc theo yêu cầu (Music on Demand): các thuê bao có thể xem những clip ca nhạc theo yêu cầu, giống như dịch vụ VoD.
Truyền hình của hôm trước (TV of Yesterday, TVoY): dịch vụ này cho phép thuê bao xem phim truyền hình đã được phát những ngày trước.
Karaoke theo yêu cầu (Karaoke on Demand): các thuê bao có thể chọn và xem các bài Karaoke qua Set-top Box (STB) trên TV. Từ list các bài karaoke đã được giới thiệu, thuê bao có thể mua một hoặc nhiều bài hát cùng lúc. Dịch vụ sẽ được triển khai trong tương lai.
3.4 Tính toán băng thông mạng:
Tổng số kênh IPTV xác định tổng băng thông mạng cần để cung cấp dịch vụ. Thông thường truyền hình trực tuyến sẽ chiếm một lượng băng thông cốđịnh trên mạng, vì tất cả các kênh đều được các thuê bao sử dụng. Với dịch vụ xem phim theo yêu cầu (VoD), việc truyền tải luồng (stream) dữ liệu video đến người xem dùng unicast, mỗi người xem sẽ chiếm băng thông trên mạng tương một kênh IPTV. Do đó, dịch vụ VoD sẽ chiếm tài nguyên mạng nhiều hơn: Thông thường để tính toán băng thông cho dịch vụ VoD, người ta đưa ra con số dự báo số khách hàng xem VoD bằng 10% tổng số thuê bao IPTV.
Như vậy công thức để tính băng thông cần để cung cấp dịch vụ với các kênh truyền hình được mã hóa H.264 như sau:
Công nghệ truyền hình IPTV
BW = {[Tổng kênh trực tuyến] + [Tổng số thuê bao] x 10%} x 200Mbps
Ví dụ: Nếu hệ thống có 100 kênh IPTV được mã hóa bằng H.264 (2Mbps/STV) và có 10.000 thuê bao IPTV thì băng thông cần để cung cấp dịch vụ là: (100 + 10.000 x 10%) x 200Mbps = 2.2Gbps
Tóm lại khi tính toán băng thông mạng để triển khai cung cấp dịch vụ IPTV và VoD nhà cung cấp dịch vụ viễn thông cần quan tâm đến các vấn đề sau:
Chọn chuẩn mã hóa:
- MPEG-2: 3.5-5Mbps/kênh truyền hình chuẩn (STV) - H.264 (MPEG-4 part 10): 2Mbps/STV
8-12Mbps/kênh truyền hình phân giải cao (HDTV)
Như vậy, nếu dùng chuẩn mã hóa H.264 băng thông mạng sẽđược tiết kiệm hơn,
nhưng giá STP/H.264 lại đắt hơn STP/MPEG-2. Lợi về băng thông cho nhà cung cấp
dịch vụ, nhưng chi phí đầu tư ban đầu của khách hàng cao.
Băng thông mạng:
- Dịch vụ IPTV: ảnh hưởng đến băng thông mạng kết tập và mạng truy cập và phụ
thuộc vào số lượng kênh IPTV phát trên mạng.
- Dịch vụ VoD: ảnh hưởng rất lớn đến băng thông mạng trục và phụ thuộc vào số
lượng thuê bao sử dụng dịch vụ VoD.
Bài toán tính lưu lượng dịch vụ cho toàn mạng là một bài toán phức tạp, đôi khi cần phải dựa vào thực tế khai tác và thói quen sử dụng dịch vụ của từng địa bàn dân cư, từng khu vực cụ thểđể tính toán và tùy tình hình thức tế khai thác cần có các điều chỉnh lưu lượng hợp lý.
Để tối ưu băng thông mạng đáp ứng đủ băng thông mạng cung cấp dịch vụ IPTV, thiết bị mạng cần hỗ trợ tính năng Multicast (đối với mạng trục) và IGMP (đối với mạng kết tập và mạng truy cập, trong tương lai sẽ là mạng thuê bao).
Công nghệ truyền hình IPTV
CHƯƠNG IV – CÁC CHUẨN NÉN SỬ DỤNG TRONG IPTV
Nén cho phép các nhà cung cấp dịch vụ truyền các kênh hình và tiếng với chất lượng cao qua mạng IP băng rộng.Chuẩn MPEG (Moving Picture Experts Group) là chuẩn nén, giải nén và đồng bộ hoá các tín hiệu Video và Audio. MPEG được sử dụng rộng rãi trong thông tin vệ tinh, truyền hình cáp và truyền hình mặt đất.
Các chuẩn MPEG hiện có gồm:
+Mpeg-1 là chuẩn lưu trữ và phục hồi ảnh động và Audio trong lưu trữ Media. Mpeg-1 có thể nén tín hiệu video tới 1.5Mbit/s với chất lượng VHS và âm thanh lập thể (stereo audio) với tốc độ 192 bit/s. Nó được dùng để lưu trữ video và âm thanh trên CD-ROM. +Mpeg-2 là chuẩn cho TV số.
+Mpeg-4 là chuẩn cho các ứng dụng MultiMedia. Mpeg-4 trở thành một tiêu chuẩn cho nén ảnh kỹ thuật truyền hình số, các ứng dụng về đồ hoạ và Video tương tác hai chiều (Games, Videoconferencing) và các ứng dụng Multimedia tương tác hai chiều (World Wide Web hoặc các ứng dụng nhằm phân phát dữ liệu Video như truyền hình cáp, Internet Video...). Mpeg-4 đã trở thành một tiêu chuẩn công nghệ trong quá trình sản xuất, phân phối và truy cập vào các hệ thống Video. Nó đã góp phần giải quyết vấn đề về
dung lượng cho các thiết bị lưu trữ, giải quyết vấn đề về băng thông của đường truyền tín hiệu Video hoặc kết hợp cả hai vấn đề trên.
+Mpeg-7 chứa đặc tả thông tin, giao diện cho việc tìm kiếm thông tin.
Do trong truyền hình sử dụng nén MPEG-2 và MPEG-4 nên ta tìm hiểu hai loại nén này.
4.1 Chuẩn MPEG-2:
MPEG 2 chủ yếu dùng cho nén tín hiệu số video, được mở rộng dựa trên chuẩn MPEG
để hỗ trợ việc nén dữ liệu để truyền Video số chất lượng cao. Chuẩn MPEC-2 được chia thành hai loại nén hình và nén tiếng.
Công nghệ truyền hình IPTV
4.1.1 Quá trình nén MPEG:
+Phần đầu tiên của nén bao gồm 1 quá trình tiền đồng bộ. Quá trình này cơ bản bao gồm việc làm giảm kích thước của các frame. Làm giảm kích thước của các frame chính là làm giảm số lượng bit , điều này cũng giúp giảm băng thông cần thiết để truyền tín hiệu. Tuy nhiên, quá trình này không phải không có trở ngại. Ví dụ, sự giảm kích thước của khung có thể
thường xuyên gây ra những lỗi tỉ số cạnh (giống như sai tỉ lệ 4/3 hay 16/9) khi được thể hiện trên màn hình TV có độ phân giải thấp.
+Phần 2 của quá trình nén tin hiệu là chia 1 frame ảnh ra thành các block có kích thước 8 nhân 8 pixel –khối mã hóa nhỏ nhất trong giải thuật của MPEG. Có 3 loại block; độ chói Y, thành phần màu đỏ Cr hoặc xanh Cb. Các loại block thành phần màu mang thông tin về những màu khác nhau của hình ảnh trong khi độ chói mang thông tin về những phần màu đen hoặc trắng của hình ảnh.
+Khi hoàn thành 2 phần trên, MPEG sẽ thực hiện 1 hàm toán được gọi là DCT (Discrete cosine transform: biến đổi cosin rời rạc) với mỗi block riêng biệt. Biến đổi DCT
được thực hiện trên một block gồm 8 pixel và 8 dòng của ảnh thật đã lấy mẫu để cho ra một ma trận 8 x 8 với các điểm là các hệ số DCT. Các hệ số DCT nói lên sự biến đổi tần số giữa các mẫu theo chiều ngang và dọc. Phép toán DCT được mô tả như sau:
Các block ban đầu sẻđược tái tạo lại một cách chính xác sử dụng phép biến đổi DCT ngược hay còn gọi là IDCT:
Công nghệ truyền hình IPTV
Trong đó:
x,y : là tọa độ của ảnh gốc
u,v : tọa độ của hệ số DCT
N : kích thước ma trận thực hiện phép biến đổi
Nguyên tắc thực hiện hàm này bao gồm việc chia các block thành các phần tùy theo mức
độ quan trọng. Những phần quan trọng sẽđươc giữ nguyên cho tới bước tiếp theo trong khi các phần còn lại sẽ bị giảm bớt. Điều này sẽđảm bảo rằng mắt người không chú ý tới việc những phần không quan trọng của block bị bỏ bớt khi tốc bít bị hạn chế.
+ Bước tiếp theo trong MPEG là quá trình lượng tử hóa làm giảm số bit của các block: Ví dụ: cho 1 DCT:
Khi truyền các hệ số DCT, MPEG thực hiện theo các đường zig-zag: 12, 6, 6, 0, 4, 3, 0, 0………, 0
Việc lượng tử hóa được thực hiện theo 2 bước:
Bước 1: nhóm các hệ số khác 0, các hệ sốđi theo số 0 và các hệ số 0. (12), (6), (6), (0,4), (3), (0,…,0)
Bước 2: tiến hành truyền các nhóm: .
Công nghệ truyền hình IPTV
+ Khi tất cả các block trong frame đều đã được nén lại, MPEG sẽ ngắt các frame thành 1 dạng mới gồm nhiều block gọi l à macro block. Mỗi macroblock có kích thước 16 x16 chứa các block độ chói và block thành phần màu. Nếu có sự khác biệt giữa frame cuối cùng và frame hiện tại, các thiết bị nén MPEG sẽ chuyển những block mới này tới 1 vị trí mới trên frame hiện tại. Điều này giúp không phải gửi đi những hình ảnh mới hoàn toàn, do đó có thể tích kiệm băng thông. Có 2 cách để thực hiện điều đó:
Nén theo không gian là làm giảm các bít trên từng frame riêng biệt. điều này có thể đạt
được do các pixel luôn đứng cạnh nhau trong các frame thường có giá trị giống nhau. Do đó thay về mã hóa từng pixel riêng biệt. Kĩ thuật nén theo không gian này mã hóa sự khác biệt giữa các pixel cạnh nhau. Số lượng bít cần thiết để mã hóa những khác biệt này ít hơn số
lượng bít cần thiết để mã hóa từng pixel riêng biệt.
Nén theo thời gian là làm giảm các bit giữa các frame liên tục. Trong quá trình sản xuất video có những thông tin được lặp lại giữa những frame liên tiếp. VD: nếu trên hình có 1 bức tường , bức tường vẫn xuất hiện liên tục trong 30 hình tiếp theo, mà không thay đổi ( bức tường đó không thay đổi trong vòng 1s) . thay vì mã hóa 30 lần liên tục trong 1s, nên nén theo thời gian chỉ gửi đi các thông tin dựđoán chuyển động giữa những frame hình, trong trương hợp của bức tường trong VD trên, dựđoán chuyển động được đặt = 0.
Có nhiều phuơng thức khác nhau để nén 1 frame hình. VD như với 1 frame hình có độ phức tạp cao thì cần phương pháp nén có yếu tố nén theo không gian thấp bởi vì chỉ có 1 phần rất nhỏ
các pixel được lặp lại. Nếu tốc đọ bit có sự thay đổi lớn thì khó có thể truyền đi trong mạng IP, vì thế nhiều bộ mã hóa bao gồm cả chức năng đệm để có thểđiều khiển và quản lí tốc độ chung mà tại đó các bit được truyền đi tới tầng tiếp theo của hệ thống sản xuất video.
+Bước tiếp theo của quá trình nén MPEG là mã hóa các macroblock thành các slice. Slice là 1 chuỗi ảnh đặt nằm ngang cạnh nhau từ trái sang phải. Nhiều slice kết hợp với nhau tạo thành 1 hình. Mỗi slice được mã hóa độc lập với nhau để hạn chế lỗi. Nếu dòng dữ liệu (Bitstream) có chứa lỗi, bộ giải mã có thể bỏ qua và tiếp tục ở Slide kế tiếp. Nhiều Slide trên dòng dữ liệu cho phép che dấu lỗi tốt hơn và được dùng để cải thiện chất lượng hình ảnh
Công nghệ truyền hình IPTV
4.1.2 Các ảnh trong chuẩn nén MPEG:
Chuẩn nén MPEG định nghĩa 3 loại ảnh:
Intra-frame (I-frame)---- frame được mã hóa riêng biệt không phụ thuộc các frame trước đó hoặc tiếp theo.Mã hóa theo hệ thống được sử dụng gần giống như nén JPEG. Đây là frame độc lập và được sử dụng để tạo ra các loại frame khác.
P-frame ( forward predicted frame)---- khung dựđoán ảnh tiếp theo là khung dựđoán ảnh dựa trên các frame I trước đó. MPEG không thực sự mã hóa ảnh mà chứa các thông tin về
chuyển động cho phép IPTVCD có thể tái tạo lại frame. P-frame yêu cầu ít băng thông hơn I- frame, điều này là yếu tố quan trọng đối với mạng dựa trên IPTV.
B-frame (Bi-directional predicted frame )---- frame dự đoán hướng: B-frame là frame
đc tạo thành từ việc kết hợp các thông tin từ cả I-frame và P-frame. Mã hóa B-frame thì tương tự với P-frame, ngoại trừ các vecto chuyển động phụ thuộc vào các vùng trong các khung tham khảo sau đó. B-frame chiếm ít dung lượng hơn là I-frame va P-frame. Vì thế
dòng Mpeg video gồm nhiều B-frame thì chiếm dung lượng thấp hơn so với dòng chứa các frame I va P. Thậm chí, B-frame giúp làm tối thiểu băng thông cần thiết đối với các dòng MPEG video. Tuy nhiên, B-frame cũng có hạn chế đó là độ trễ. Do IPTVCD phải kiểm tra 2 khung trước và sau trước khi tạo ra B-frame.
3 loại ảnh trên kết hợp với nhau tạo thành 1 chuỗi các frame đc gọi là nhóm ảnh (GOP). Mỗi nhóm ảnh bắt đầu bằng một frame I và có một số các frame B và P, Mỗi nhóm ảnh MPEG có
