CHƯƠNG 2. NGHIÊN C Ứ U CÔNG NGH Ệ TRUY Ề N HÌNH 3 CHI Ề U (3DTV)
2.3.1. T ổng quan về các phương pháp truyền tải cơ bản
Người ta cho rằng 3DTV sẽ thâm nhập vào môi trường gia đình trước tiên thông qua các phương tiện lưu trữ nội dung (tức là đĩa Blu-ray). Có thể mất vài năm để các nhà cung cấp dịch vụ phát sóng quảng bá thương mại 3DTV (qua vệ tinh/
DTH, qua không gian, qua cáp, hay qua IPTV), do phát sóng qua các phương thức này cần phải có hạ tầng cơ sởtương đối lớn và do sự hạn chế của các TV hỗ trợ 3D tại nhà (số thuê bao ít, lợi nhuận nhỏ). Truyền tải các tập tin 3DTV có thể tải xuống được qua Internet có thể sớm trở thành hiện thực, nhưng chất lượng phát sóng quảng bá qua Internet có thể không kiểm soát được trong tương lai gần.
86 Có một số cấu trúc truyền dẫn tín hiệu 3DTV khác tùy phụ thuộc vào công nghệ truyền dẫn nền tảng. Dịch vụ 3DTV có thể được hỗ trợ bởi các cấu trúc phát sóng quảng bá truyền thống như là cấu trúc DVB, truyền dẫn không dây 3G/4G như là DVB-H, dịch vụ IPTV được hỗ trợ bởi giao thức Internet (IP) (bao gồm cả giao thức IPv6), và cấu trúc IP để truyền dẫn qua Internet (cả cho dịch vụ không thời gian thực và tạo dòng). Việc lựa chọn phương pháp truyền dẫn nào phụ thuộc vào phương pháp thu nhận video, như được minh họa trong Bảng 7. Video lập thể truyền thống ban đầu (với ghép kênh thời gian hoặc nén không gian) sẽ được sử dụng bởi tất cả các nhà cung cấp dịch vụ 3DTV thương mại; sau đó với sự phát triển của công nghệ các phương pháp khác có thể được sử dụng. Cũng vậy, trong điều kiện Mỹđã phát triển mạnh hệ thống truyền hình cáp trong tất cảcác đô thị ở khu vực 1, khu vực 2 và các vùng ngoại ô; ở châu Âu/Á, phát triển mạnh DTH (ở Mỹ DTH có xu hướng phát triển ở vùng ngoại ô và nông thôn) thì việc đưa ra dịch vụ 3DTV phải tính tới các sự khác nhau này và/ hoặc chấp nhận cả hai.
Chú ý rằng, trình diễn dữ liệu V+D có thểđược sử dụng để tạo ra cuộc cách mạng truyền dẫn 3DTV trên hạ tầng DVB đang tồn tại. Các ảnh 3D tại nhà được tái tạo ở phía thu bằng cách sử dụng DIBR. MPEG đã thiết lập một hoạt động chuẩn hóa tập trung vào 3DTV sử dụng trình diễn V+D.
Nói chung có hai phương pháp tiềm năng để truyền dẫn tín hiệu 3DTV: (i) theo hướng kết nối (ghép kênh phân chia theo thời gian/ tần số) qua hạ tầng DVB đang tồn tại thông qua các kênh truyền thống (như là vệ tinh, cáp, phát sóng trong không gian, DVB-H/ di động), và (ii) không kết nối/ gói sử dụng IP (như là mạng IPTV dành riêng, tạo dòng Internet, các máy chủ Internet theo yêu cầu/P2P, ví dụ như mạng ngang hàng). Các mạng này tạo ra nhiều lựa chọn để truyền dẫn video qua mạng chuyển mạch gói/ATM (chế độ chuyển giao không đồng độ)/IPTV/vệ tinh/Internet; nhiều tiếp cận và kỹ thuật trong số này có thể được mở rộng/ thích nghi để sử dụng cho dịch vụ 3DTV.
Hình 42-48 mô tả mức hệ thống của các cơ chế truyền dẫn có thể sử dụng cho 3DTV. Chúng ta sử dụng thuật ngữ “phức tạp” sơ đồ này để nhắc nhở người đọc là không dễdàng để triển khai các mạng này trên diện rộng toàn quốc.
Một thách thức trong việc triển khai các dịch vụvideo đa cảnh, bao gồm 3D và TV điểm nhìn tự do, là chúng yêu cầu băng tần tương đối lớn cùng với việc truyền tải nhiều dòng video. Việc truyền tải các tín hiệu gồm hai dòng CSV, V+D,
87 và LDV là có thể thực hiện được: vận chuyển một dòng video 3D đơn trong khoảng 20Mbps không nằm ngoài khảnăng của đa số các nhà cung cấp hiện nay, nhưng để vận chuyển một số lớn các kênh theo chế độ không chuyển mạch (yêu cầu dung lượng tới 2Gbps) sẽ phải cần mạng FTTH. Không thể vận chuyển nội dung này qua các mạng cáp đồng xDSL(đường thuê bao số) đang tồn tại trừ khi nhà cung cấp có thể triển khai ADSL2+. Một cách để xử lý vấn đề này là cung cấp khả năng phát sóng đa điểm người dùng có thể lựa chọn được trong đó một người sử dụng có thể lựa chọn một kênh nội dung thích hợp sử dụng IGMP (giao thức quản lý nhóm Internet). Khi đó, với một hộ gia đình có thể có nhiều TV (3 hoặc 4 cái) bật đồng thời (và có thể có cả máy ghi hình số hoặc DVR), băng tần yêu cầu cũng chỉ là 15- 60Mbps. Với định dạng MV+D, trong đó người ta muốn vận chuyển 3 hoặc thậm chí nhiều hơn các cảnh gốc, sẽ có nhiều thách thức lớn hơn và khó giải quyết cho các ứng dụng thương mại thực tế.
Bảng 7 _ Các khảnăng thu hình và truyền dẫn
DVB mặt đất
DTH theo chuẩn DVB
3G/4G+
DVB-H
IPTV (IPv4 hoặc IPv6)
Tạo dòng Internet
thời gian thực
Internet không
thời gian thực
Truyền hình cáp
Video lập thể truyền thống (CSV)
Rất tốt Rất tốt Hạn chế Rất tốt Rất tốt Rất tốt Rất tốt Video cộng
thêm độ sâu (V+D)
Tốt Tốt Rất tốt Tốt Tốt Tốt Tốt
Video đa góc nhìn cộng thêm độ sâu (MV+D)
Tốt Tốt Rất tốt Tốt Rất tốt Tốt Tốt
Phân lớp độ sâu video (LDV)
Tốt nhất Tốt nhất Rất tốt Tốt nhất Rất tốt Tốt Tốt nhất Rất tốt, có thể thực hiện được; Tốt, tiếp cận tốt hơn; Tốt nhất, tiếp cận tốt nhất.
88
Hình 42_ Sơ đồđơn giản hóa của hệ thống 3DTV tại nhà.
Hình 43 _ Sự phức tạp của môi trường truyền dẫn 3DTV thương mại sử dụng IPTV.
Phát sóng qua không gian có thể thực hiện được bằng cách sử dụng toàn bộ băng tần HDTV cho một kênh 3DTV đơn. Với phương pháp này, nhiều TV trong một hộgia đình có thể điều chỉnh đểthu được các chương trình khác nhau.
Hệ thống truyền hình cáp truyền thống cũng gặp khó khăn khi truyền dẫn một gói (nhiều) các kênh 3DTV, nhưng với một sốlượng nhất định các kênh 3DTV (khoảng 20 hoặc 30 kênh) thì hệ thống truyền hình cáp truyền thống có thể truyền dẫn được bằng cách phân bổbăng tần hợp lý. Điều này cũng đúng vơi phương thức DTH.
89 Với IP, có thể sử dụng một nhà cung cấp dịch vụ - mạng kỹ thuật. Ởđây, nhà cung cấp có thể điều khiển độ trễ, trôi, băng tần, mất gói, và các thông số dịch vụ khác. Tuy nhiên, nếu tiếp cận là sử dụng Internet, các vấn đề hiệu suất là vấn đề được xem xét chủ yếu, ít nhất là cho các dịch vụ thời gian thực.
Hình 44 _ Sự phức tạp của một môi trường truyền dẫn 3DTV thương mại sử dụng hạ tầng truyền hình cáp.
Hình 45 _ Sự phức tạp của một môi trường truyền dẫn 3DTV thương mại sử dụng hạ tầng truyền dẫn DTH.
90
Hình 46 _ Sự phức tạp của một môi trường truyền dẫn 3DTV thương mại sử dụng môi trường truyền dẫn qua không gian.
Hình 47 _ Sự phức tạp của một môi trường truyền dẫn 3DTV sử dụng Internet
Có một số các chiến lược tạo dòng và mã hóa đa cảnh sử dụng RTP (giao thức truyền tải thời gian thực)/UDP (giao thức dữ liệu đồ người dùng)/IP hoặc RTP/DCCP (giao thức điều khiển tắc nghẽn dữ liệu đồ)/IP dùng cho tiếp cận này.
Các cấu trúc tạo dòng video có thể được phân loại như là (i) từ máy chủ tới một máy trạm đơn, (ii) từ máy chủ tới một vài máy trạm, (iii) phân phối P2P, trong đó mỗi máy trạm ngang hàng chuyển tiếp các gói tới các máy trạm ngang hàng khác, và (iv) phát đa điểm P2P, trong đó mỗi máy trạm ngang hàng chuyển tiếp các gói
91 tới một vài máy trạm ngang hàng khác. Các giao thức phát đa điểm có thểđược hỗ trợở lớp mạng hay lớp ứng dụng. Hình 1.4.8 cung cấp sơ đồ tổng quan và hệ thống truyền tải dòng 3DTV qua IP.
Hình 48 _ Sự phức tạp của một môi trường 3DTV thương mại sử dụng DVB-H (hoặc các cấu trúc dành riêng)
Hình 49 _ Sơ đồ nguyên lý và hệ thống truyền tải dòng 3DTV qua IP.
Hiện tại, có nhiều nghiên cứu và quan tâm trong việc truyền dẫn nội dung 3DTV bằng các kết nối không dây qua các mạng chia sẻ gói. Có nhiều vấn đề cần phải giải quyết khi truyền dẫn nội dung 3D qua các kênh này. Nội dung 3DTV cần phải được bảo vệ khi được truyền dẫn qua các kênh thông tin không tin cậy. Hiệu
92 ứng của lỗi truyền dẫn ảnh hưởng tới chất lượng của 3DTV cũng không ít hơn so với các ứng dụng 2D video tương ứng, do các lỗi sẽảnh hưởng tới một vài thông tin nhận thức nội dung 3D khác nhau (như là sự tự nhiên, sự xuất hiện, nhận thức độ sâu, sựcăng thẳng của mắt và trải nghiệm quan sát).
Người ta đã biết rằng truyền dẫn trên nền IP có thể thích hợp với nhiều ứng dụng. Truyền dẫn và vận chuyển video theo nhiều định dạng là một ưu thế của Internet. Tuy nhiên, (i) chất lượng vận chuyển nội dung (trôi, mất gói), đặc biệt là HD hoặc thậm chí 3D; (ii) vận chuyển nội dung an toàn cho các ứng dụng theo nền tảng thuê bao; và (iii) vận chuyển các dòng dịch vụ thời gian thực cho hàng nghìn kênh (toàn thế giới) và hàng triệu khách hàng đồng thời vẫn là các vấn đề cần phải giải quyết. Rõ ràng là, ở mức lý thuyết, truyền dẫn video qua Internet (2D hay 3D) hiện tại vẫn là một lĩnh vực đang được nghiên cứu và phát triển tích cực và đã đạt được những kết quả quan trọng. Một vài dịch vụ video theo yêu cầu sử dụng Internet, cả cho ứng dụng giải trí và tin tức, đã xuất hiện với mong muốn (i), (ii), và (iii) chưa được đáp ứng. Đương nhiên, cần phải phân biệt giữa việc sử dụng giao thức IP (IPv4 hoặc IPv6) và việc sử dụng Internet (dựa trên nền IP), như là một cơ chế vận chuyển (một kênh vận chuyển). Các dịch vụ IPTV vận chuyển nội dung qua hạ tầng mạng IP với các yêu cầu chặt chẽ có khảnăng đứng vững được trong tương lai gần, cả theo nghĩa chất lượng dịch vụ (QoS) và chất lượng trải nghiệm (QoE).
Hiện tại, người ta đang ủng hộ các nghiên cứu về 3D IPTV. Việc truyền dẫn các tín hiệu 3DTV qua các mạng gói IP được coi như là sự mở rộng tự nhiên của các ứng dụng truyền dẫn video qua IP; nhưng mô hình sử dụng IPTV (chứ không phải Internet) có vẻ như thích hợp hơn trong thời gian này. Ngưởi tiêu dùng sẽ không sẵn lòng mua các màn hình hiển thị 3D mới (khá đắt) cho 3D, nếu chất lượng dịch vụ không đảm bảo. Công nghệ phải đứng đằng sau, không xuất hiện để hỗ trợ dịch vụ, đảm bảo QoE có thể chấp nhận được.
Với điện thoại dùng giao thức Internet (VoIP) cũng vậy, các nhà cung cấp VoIP thương mại thường có xu hướng sử dụng Internet chủ yếu để truy cập (trừ khi gọi quốc tế tới các khu vực địa lý thứ2). Đa số các nhà cung cấp hàng đầu VoIP sử dụng IP trên mạng riêng của họ với thiết kế riêng, kỹ thuật riêng, cũng như lõi truyền dẫn riêng.
Một vài vấn đề cần phải nghiên cứu liên quan tới vận chuyển với giao thức IP nói chung và tạo dòng IP/Internet nói riêng như sau:
93 1. Xác định cấu hình mã hóa video tốt nhất cho mỗi dòng: các phương pháp mã hóa video đa cảnh có hiệu suất nén cao hơn nhưng chúng tạo ra sự phụ thuộc giữa các góc nhìn cản trở việc truy cập ngẫu nhiên các cảnh để xem.
2. Xác định phương pháp thích nghi tốc độ tốt nhất: việc thích nghi bao gồm việc thích nghi tốc độ của mỗi cảnh cũng như tốc độ trong cảnh phân định phụ thuộc vào tốc độ mạng sẵn có và nội dung video, và thích nghi của sốlượng và chất lượng của các cảnh được truyền dẫn phụ thuộc vào tốc độ mạng có sẵn và công nghệ hiển thị tại phía người dùng và điểm nhìn mong muốn.
3. Các chiến lược tạo dòng và mã hóa video chống mất gói cũng như các phương pháp giấu lỗi tốt hơn ở phía máy thu: một vài nghiên cứu công nghiệp đang tiến hành bao gồm:
- Các nghiên cứu liên quan tới Mã hóa nguồn tăng cường. Trong một mạng không kết nối, các gói có thể bị mất; mạng bị gián đoạn. Một sốcác phương pháp mã hóa nguồn tiêu chuẩn hiện có cung cấp mã hóa nguồn tăng cường cho video 2D giải quyết được vấn đề này, và nhiều phương pháp có thểđược sử dụng cho các ứng dụng 3D V+D (các cấu trúc như là mã hóa cắt lớp, các ảnh dư thừa, Thứ tự các khối linh hoạt (FMO - Flexible Macroblock Ordering), làm mới trong khung và Mã hóa đa mô tả (MDC – Multiple Description Coding) rất hữu ích cho các ứng dụng này). Việc tối ưu hóa cảnh báo tốc độ méo thường được sử dụng cho video 2D để tối ưu hóa ứng dụng các kỹ thuật tăng cường mã hóa nguồn. Tuy nhiên, các mô hình này không sử dụng được với video 3D nói chung và FVV nói riêng.
- Các nghiên cứu liên quan tới Tăng cường chịu lỗi lớp chéo (Cross-Layer Error Robustness) cũng được quan tâm thực hiện để truyền dẫn các tín hiệu V+D qua một mạng không kết nối. Trong những năm gần đây, người ta tập trung vào việc tối ưu hóa lớp chéo để nâng cao chất lượng video 2D. Các nghiên cứu này đã tạo ra thuật toán tối ưu mã hóa kênh và ưu tiên hóa dữ liệu video. Các công việc tương tự là cần thiết để tìm ra/ đánh giá các phương pháp thích hợp để truyền tải video 3D qua các mạng.
- Các nghiên cứu khác liên quan tới việc Giấu lỗi (Error Concealment) là cần thiết để truyền tải các tín hiệu V+D qua một mạng không kết nối. Đa số các thuật toán giấu lỗi hiện có có thểđược sử dụng cho video 3D. Tuy nhiên, có các thông tin khác có thể được sử dụng trong video 3D để tăng cường chất
94 lượng giấu lỗi: ví dụ, các thông tin như là các vector chuyển động có thể được chia sẻ giữa mầu sắc và độ sâu video; nếu thông tin mầu bị mất, khi đó các vector độ sâu chuyển động có thể được sử dụng để vận chuyển thông tin giấu lỗi. Với MVC người ta sử dụng các cảnh lân cận để giấu một cảnh bị mất.
- Cần có các phương pháp thiết kế hệ thống phát đa điểm ngang hàng tốt nhất, với khả năng phát hiện cấu hình mạng, bảo dưỡng cấu hình mạng, các kỹ thuật chuyển tiếp, sử dụng phân đường, các phương pháp ngang hàng hấp dẫn để gửi dữ liệu và giữ kết nối, và sử dụng các nút xác định như là nút chuyển tiếp.
Có một số tranh luận về việc sử dụng dòng video lập thể sẽ cho phép các phương pháp điều khiển tắc nghẽn linh hoạt hơn, như là thích nghi tốc độ video với tốc độ mạng sẵn có, các phương pháp xử lý mất gói, và xử lý giấu lỗi sau nhưng với cách nào thì cũng phải đảm bảo một dịch vụthương mại dành cho các khách hàng trả tiền (có thể phải trả tiền nhiều hơn cho dịch vụ 3DTV) luôn có được chất lượng dịch vụ tốt nhất.
Truyền dẫn nội dung tới nhiều khách hàng với các màn hình hiển thị lập thể qua các máy chủ thử nghiệm phát triển trong phòng thí nghiệm có thể thực hiện được dễ dàng. Các thử nghiệm này đã cho thấy kết quả truyền dẫn là phân cấp, tin cậy (độ sẵn sàng 99.999%), các hạ tầng truyền dẫn hỗ trợ các dịch vụ thương mại giá cả chấp nhận được.
Tóm lại, có thể sử dụng vệ tinh, cáp, phát sóng quảng bá, IP, IPTV, Internet, và các công nghệ không dây để vận chuyển nội dung 3DTV thời gian thực. Bất cứ các yêu cầu duy nhất nào dành cho 3DTV cũng cần phải nghiên cứu, xem xét. Các yêu cầu dành cho 3DTV cũng giống như những yêu cầu để vận chuyển video chất lượng giải trí (tức là, với tham chiếu tới độ trễ, trôi, và mất gói), nhưng một số kỹ thuật mã hóa yêu cầu nhiều băng tần hơn. Băng tần tăng lên như sau: (i) từ20% đến 100% cho các cảnh lập thể so với các cảnh 2D; và (ii) từ50% đến 200% cho các hệ thống đa cảnh so với hệ thống 2D; và (iii) nhiều băng tần hơn nữa với các thiết kế toàn ký (hiện tại không được coi là dịch vụ3DTV thương mại trong tương lai gần).
Chúng ta đã đề cập tới việc mã hóa: cần phải cải thiện hơn nữa hiệu suất, nhưng như đã nói, đa số các hệ thống video được sử dụng hiện nay (hay các hệ thống có thể xuất hiện trong tương lai gần) sử dụng các phương pháp mã hóa hiện có. Việc
95 tạo ra các video tổng hợp dựa trên các kỹ thuật CGI cần ít băng tần hơn các video thực tế. Cũng có những nội dung được tạo ra với kỹ thuật Thực tại hỗn hợp (Mixed Reality)/ Thực tại tăng cường (Augmented Reality) pha trộn các đồ họa với các ảnh thật, các nội dung này sử dụng thông tin độ sâu cùng với dữ liệu hình ảnh để tạo ra các cảnh 3D. Các hệ thống này có thể yêu cầu ít băng tần hơn các video lập thể đúng nghĩa. Video lập thể (CSV) có thể sử dụng như là một chuẩn tham chiếu. Các hệ thống toàn ký yêu cầu nhiều băng tần nhất. Cũng cần phải lưu ý rằng với các kỹ thuật đồ họa và/ hoặc mã hóa yêu cầu băng tần truyền dẫn rất lớn, dung sai thông tin (mất gói) thông thường là rất thấp.
Chúng ta kết luận phần này bằng cách nhấn mạnh, một lần nữa rằng trong khi các mạng gói không kết nối đưa ra nhiều cơ hội hỗ trợ cho dịch vụ 3DTV, nhưng các dịch vụ3DTV thương mại sẽđược đưa ra thị trường tiêu dùng trong các môi trường truyền dẫn có kết nối (tức là DTH, truyền hình cáp) và/ hoặc một môi trường IPTV có điều khiển.