1.4. Các kỹ thuật dùng trong IPTV
1.4.3. Kỹ thuật mã hóa
Mã hóa hay thường gọi là nén là các kỹ thuật loại bỏ dư thừa có trong tín hiệu Video/Audio (dư thừa mã, dư thừa thông tin…) làm giảm thiểu khối lượng thông tin cho một chuỗi các bức ảnh hoặc âm thanh mà không làm giảm chất lượng.
Nguồn thu tương tự
Nguồn thu số
Số hóa Mã hóa ,
Đóng gói
Đóng gói IP
Tín hiệu tương tự
Tín hiệu Số
Tín hiệu Số
Luồng TS
Luồng IP
26
Mục đích của nén là giảm bớt số bít khi lưu trữ và truyền, dùng kỹ thuật mã hoá để tối thiểu hoá lượng thông tin quan trọng cần lưu giữ.
Với nhiều ứng dụng khác nhau người ta áp dụng nhiều kỹ thuật nén khác nhau để thỏa mãn được các yêu cầu của ứng dụng (yêu cầu về dung lượng, băng thông truyền tải, chất lượng và độ phân phải).
1.4.3.1. Chuẩn nén MPEG-1
Moving Picture Experts Group (MPEG ) là một nhóm làm việc từ hai tổ chức ISO và IEC nhằm thiết lập các tiêu chuẩn nén và truyền cho âm thanh và hình ảnh có được chất lượng tốt hơn thông qua việc sử dụng các phương pháp mã hóa phức tạp hơn. MPEG-1 ra đời đầu tiên và trở thành chuẩn nén cơ bản của MPEG và cũng có thể coi là chuẩn MPEG.
Trong nén MPEG một chuỗi video được chia thành các nhóm ảnh. Mỗi ảnh trong nhóm sau đó được chia thành các mảng (slices). Do vậy nén MPEG đáp ứng được kỹ thuật streaming và được ứng dụng nhiều trong các dịch vụ truyền hình số.
MPEG định nghĩa 3 loại hình ảnh. Các loại ảnh khác nhau thường xảy ra trong một chuỗi lặp đi lặp lại, được gọi là nhóm ảnh (GOP). Các kỹ thuật nén như DCT - Discrete Cosine Transform (chuyển đổi cosin riêng rẽ DCT), sự lượng tử hóa (Quantization), mã hóa Huffman, mã hóa dự đoán bù chuyển động (Motion compensated predictive coding), dự đoán hai chiều (Bi-directional prediction) sẽ được áp dụng đối với từng loại khung ảnh.
Khung I (Intra frame) - khung độc lập được mã hóa mà không cần tham chiếu đến các khung ảnh khác. Trung bình nén đạt được bằng cách giảm sự dư thừa không gian, nhưng không giảm được sự dư thừa thời gian. Nó được sử dụng theo định kỳ để cung cấp các điểm truy cập trong dòng bit, nơi giải mã có thể bắt đầu.
Khung P (Predicted frame) - khung dự đoán ảnh tiếp theo: là khung dự đoán 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 bộ giải mã có thể tái tạo lại frame. Ảnh khung P có tỷ lệ nén cao và yêu cầu ít băng thông hơn I-frame.
27 Hình 1.5: Nhóm ảnh GOP
Khung B (Bidirectional frame )- Khung hình hai hướng sử dụng các khung hình trong quá khứ và tương lai để tham khảo. B-frame cung cấp khả năng nén lớn hơn và không sinh ra lỗi do nó không được dùng cho việc tham chiếu. Dự đoán hai hướng cũng làm giảm ảnh hưởng của tạp âm trung bình giữa hai khung hình.
1.4.3.2. Chuẩn nén MPEG–2
MPEG-2 được mở rộng dựa trên chuẩn MPEG-1 để hỗ trợ việc nén dữ liệu để truyền Video số chất lượng cao.
MPEG-2 cung cấp cách nén các tín hiệu Video số thành các mức có thể quản lý được. Do chuẩn MPEG-2 cung cấp khả năng nén rất cao bằng cách dùng các thuật toán tiêu chuẩn, nó trở thành chuẩn cho TV số với các đặc tính:
- Nén Video tương thích với MPEG-1.
- Chế độ Full-screen kết hợp với cải tiến chất lượng Video (cho TV và màn hình PC).
- Cải tiến mã hoá Audio (chất lượng cao, mono, stereo...).
- Truyền phối hợp nhiều thành phần.
28
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, truyền hình số.
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 dòng 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.
Nhìn chung, MPEG-2 là một hệ thống nén ổn định trong nhiều ứng dụng.
1.4.3.3. Chuẩn nén MPEG–4
Chuẩn MPEG-4 được phát triển từ MPEG-2 nhưng có nhiều ưu điểm hơn:
- Giảm được dung lượng lưu trữ và băng thông truyền tín hiệu video
- Trong MPEG-4, các đối tượng khác nhau trong một khung hình có thể được mô tả, mã hoá và truyền đi một cách riêng biệt đến bộ giải mã trong các dòng cơ bản ES (Elementary Stream) khác nhau
MPEG-4 là chuẩn cho các ứng dụng Multimedia, 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, các công nghệ trong sản xuất, phân phối và truy cập vào các hệ thống Video
1.4.3.4. Chuẩn nén H.264/MPEG-4 AVC
Là sự kết hợp của chuẩn H.264 của ITU và MPEG-4 part 10 với các đặc điểm nổi bật sau:
- Cho dung lượng lưu trữ và tốc độ thấp hơn so với H.262/MPEG-2 ở cùng chất lượng và độ phân giải và hỗ trợ các chuẩn phân giải cao hơn.
- Nhờ hoạt động trên mô hình phân lớp: lớp mã hóa video VCL giống như MPEG-2 và lớp mạng NAL làm nhiệm vụ tương thích với nhiều môi trường mạng khác nhau. Thông qua lớp NAL các dòng bit H.264 dễ dàng được truyền tải mạng IP với nhiều giao thức khác nhau như RTP, UDP, TCP . Đây là phần tiên tiến trong chuẩn này: AVC (Advanced Video Coding)
29
Hình 1.6: Mô hình phân lớp H.264-AVC
- Hỗ trợ nhiều ứng dụng: Chuẩn nén H.264 được truyền tải qua truyền hình số vệ tinh, mặt đất, mạng IP riêng, mạng Internet…. Và được sử dụng với nhiều nền tảng khác nhau như ứng dụng trong các hệ thống độ phân giải cao SD, HD, 4K cho TV, PC…, hoặc trong các ứng dụng di động.
- Có tốc độ truyền Video chất lượng SD, HD cho IPTV phù hợp với hạ tầng nhiều mạng viễn thông hiện nay.
- Tận dụng được nền tảng phần cứng H.262/MPEG-2 làm giảm chi phí . - H.264/MPEG-4 cung cấp những công cụ cần thiết để đối phó với việc mất gói video do mất gói tin và lỗi bít trong mạng.
1.4.3.5. Một số chuẩn nén âm thanh
MPEG-1 (MPEG audio Layer 1)
MPEG là nhóm các chuẩn mã hóa audio cảm quan chất lượng cao, kỹ thuật lợi dụng những đặc điểm cảm quan của tai người về hiệu ứng mặt nạ tần số và mặt nạ thời gian để thực hiện nén âm thanh đạt được tỷ lệ cao và chất lượng tốt.
MPEG-1 định nghĩa chuẩn nén cho cả Video và Audio, trong đó mã hóa trong âm thanh MPEG-1 hoạt động ở 3 chế độ khác nhau gọi là lớp (layer) với mức độ phức tạp và hiệu quả tăng dần từ lớp 1 đến lớp 3.
MPEG-1 hỗ trợ các tần số lấy mẫu 32, 44.1 và 48 kHz, trong khi MPEG-1 layer 1 (MP1) có tốc độ bit có thể thay đổi từ 32 kbit/s đến 448 kbit/s, thì MPEG-1
30
layer 2 (MP2) chỉ cần đến 348 kbit/s và MPEG-1 layer 3 (MP3) là đến 320 kbit/s, mode mã hóa bao gồm âm thanh mono và stereo.
Đặc biệt, trong MPEG-1 layer 2 sử dụng một phương pháp gọi là chuyển tốc độ bit, tức là mỗi khung âm thanh có thể được tạo ra với một tốc độ bit khác nhau.
Do vậy mặc dù MP3 có hiệu quả nén và chất lượng tốt hơn được ứng dụng phổ biến trong PC và internet, nhưng MP2 được khuyến nghị áp dụng cho các ứng dụng broadcast kiểu như IPTV..
ACC (Advanced Audio Coding)
AAC được định nghĩa theo tiêu chuẩn MPEG-2, có kiến trúc tương tự như MP3, tuy nhiên AAC dùng phương pháp modul hóa, phát triển thêm nhiều công cụ mã hóa mới, giúp cải thiện chất lượng audio ở tốc độ bit thấp.
AAC hỗ trợ thêm các tần số lấy mẫu từ 8 kHz đến 96 kHz, có thể tích hợp tới 48 kênh âm thanh, ngoài ra AAC có khả năng mở rộng tỷ lệ lấy mẫu dành cho việc streamming cho phép đưa lại dữ liệu liên tục mà không bị vấp bằng cách giảm độ bitrate nếu như băng thông đường truyền giảm.
AC-3, DTS
Đây là các chuẩn âm thanh mới, hỗ trợ âm thanh chất lượng cao với khả năng cung cấp âm thanh vòm đa kênh, tuy nhiên do tốc độ bit lớn và thiết bị phần cứng mã hóa, giải mã phức tạp, nên các chuẩn này chủ yếu được sử dụng trong hệ thống nghe nhìn chuyên dụng, và chưa phổ biến trong các ứng dụng streamming.
Tuy vậy đây cũng là chuẩn tương tai khi mà sự phát triển ngày càng nhanh của mạng băng thông rộng và sự giảm giá thành của các phần cứng giải mã.
1.4.3.6. Ứng dụng trong IPTV
Sự phát triển của các công nghệ mã hóa cho ra đời nhiều chuẩn mã hóa có nhiều ưu điểm vượt trội về chất lượng nhưng đòi hỏi băng thông thấp hơn như H.265/MPEG-H, DTS , AC-3. Tuy nhiên do chi phí phần cứng quá lớn, cũng như nhu cầu thị trường chưa có, nên hiện nay các chuẩn H.262/MPEG-2, H.264/MPEG- 4 AVC, MP2, ACC được khuyến nghị sử dụng trong IPTV. Ngoài ra một số hãng
31
viễn thông lớn, hoặc một quốc gia có thể nguyên cứu và áp dụng các chuẩn nén riêng cho mình như chuẩn AVS của Trung Quốc, VC-1 của Microsoft.
Các chuẩn nén trên cơ bản được hỗ trợ đóng gói IP, việc lựa chọn chuẩn nào chủ yếu phụ thuộc vào nhu cầu của chất lượng hình ảnh phía người dùng và khả năng truyền tải trên mạng truy nhập. IPTV cung cấp dịch vụ truyền hình, đầu cuối là các TV có độ phân giải và kích thước lớn, nên tín hiệu đầu ra tương đương SD hoặc cao hơn là HD và 4K. Riêng phần âm thanh IPTV chủ yếu cung cấp âm thanh stereo 2 kênh, nên các chuẩn nén nói trên hầu như đáp ứng hoàn toàn và cũng ít đòi hỏi về băng thông hơn so với video.
Độ nét tiêu chuẩn SD 720×576@25.0
Độ nét cao HD 1,920×1,080@25.0
Max Cho IPTV Max Cho IPTV
H.262/MPEG-2 15 Mbps 4 - 5 Mbps 80 Mbps 18 - 20 Mbps H.264/MPEG-4 AVC 10 Mbps 2 - 4 Mbps 20 Mbps 8 - 10 Mbps
VC-1 10 Mbps 2 - 4 Mbps 20 Mbps 8 - 10 Mbps
H.265/MPEG-H 6 Mbps
(720×576@37.5)
12 Mbps
(1,920×1,080@32.0)