- Với mụ ờt mảng hỡnh lớn (tần số thấp) thỡ quan trọng hơn những hỡnh ch
4.2.1.Cỏc thành phần ảnh cơ bản trong chuẩn nộn MPEG
Cỏc tiờu chuẩn MPEG cấu trỳc dữ liờ ờu dạng lớp, bao gồm cỏc thành phần cơ bản sau đõy:
* Khối (Bock): Đõy là đơn vị cơ bản cho chuyển đổi DCT, bao gồm 8x8 điểm ảnh tớn hiệu hoă ờc tớn hiờ ờu màu.
* Macro Block: Đõy là nhúm cỏc khối DCT tương ứng với thụng tin của
mụ ờt cửa sổ 16 x 16 điểm ảnh gốc, cú nhiều dạng Macro Block khỏc nhau phụ thuụ ờc vào cấu trỳc lấy mẫu được sử dụng
Hỡnh 4.1 Cấu trúc Macroblock của cỏc dạng lấy mõ̃u.
Phần đầu đề (Header) của Macroblock chứa thụng tin phõn loại (Y, CB và CR) và vector bự chuyển đụ ờng tương ứng.
* Lỏt (Slice):
Slice được cấu thành tư mụ ờt hay mụ ờt số MB liờn tiếp nhau. Phần header của Slice chứa thụng tin về vị trớ của nú trong ảnh và tham số quột lượng tử (quantized scaling factor). Kớch cỡ của Slice quyết định bởi mức bảo vờ ờ lỗi cần cú trong ứng dụng vỡ bụ ờ giải mó sẽ bỏ qua Slice bị lỗi. Hờ ờ số mụ ờt chiều DC được định vị tại điểm bắt đầu mỗi Slice.
4:2:2 Macroblock Y CB CR 1 2 4 3 5 6 8 7 4:4:4 Macroblock 125691034781112 Y/G C B C R 4:2:0 Macroblock 125634YCBCR 4:1:1 Macroblock 12345 6 YCB CR
Khung đã nén Khung CCIR-601 nguyên thuỷ
Cấu trúc IBBPBBPBBI
Cấu trúc IB Cấu trúc IBP Cấu trúc IP
* Ảnh:
Lớp ảnh cho bờn thu biết về loại mó húa khung I, P, B. Phần header mang thứ tự truyền tải của khung để bờn thu hiển thị theo đỳng thứ tự, ngoài ra cũn cú mụ ờt số thụng tin bổ sung như thụng tin đồng bụ ờ, đụ ờ phõn giải và vector chuyển đụ ờng.
* Nhúm ảnh :
Bao gồm cấu trỳc cỏc ảnh I, B và P. Mỗi nhúm bắt đầu bằng ảnh I cung cấp điểm vào ra và tỡm kiếm. Phần header chứa 25 bit thời gian và chế đụ ờ điều khiển cho VTR và thụng tin thời gian.
Trong MPEG cú cấu trỳc nhúm ảnh điển hỡnh như sau:
Hỡnh 4.2 Cấu trúc cỏc nhúm ảnh.
* Chuỗi Video.
Lớp chuỗi bao gồm phần header, mụ ờt hoă ờc mụ ờt số nhúm ảnh và phần kết thỳc chuỗi. Thụng tin quan trọng nhất của phần header là kớch thước (dọc, ngang) của mỗi ảnh. Tốc đụ ờ bit, tốc đụ ờ ảnh và dung lượng đũi hỏi bụ ờ đờ ờm dữ
Nhóm ảnh (GOP) Khối 8x8 điểm ảnh ảnh (khung) Đ iều khiển tốc độ bít Q ZigZag RLC VLC Buffer đệm DPCM 2D- DCT Block và MB Y Cr Cb CCIR-601 Bảng Huffman
liờ ờu bờn thu. Thụng tin chuỗi ảnh và phần header của chuỗi là dũng bit đó mó húa, cũn gọi là dũng vector cơ bản.
Hỡnh 4.3 Cấu trúc dòng dữ liờ ờu Video MPEG.
Bụ ờ đờ ờm để khống chế tốc đụ ờ tối thiểu và tối đa để đầu thu cú thể nhõ ờn dạng được dễ dàng.
Bụ ờ đờ ờm để chứa dữ liờ ờu bao nhiờu cũng được, nhưng đầu ra ta phải khống chế tốc đụ ờ bit (cú thời gian trễ). Khi bụ ờ đờ ờm tràn thỡ ta đưa thụng tin về Q (điều khiển lượng tử húa) để giảm tốc đụ ờ bit cho dự chất lượng ảnh xấu đi và ngược lại.
Sequence header Sequence end code Dòng sơ cấp
Chuỗi Video #1 Chuỗi Video #2 Chuỗi Video #n
Lớ p chuỗi ảnh Lớ p nhóm ảnh Lớ p khung Lớ p MB (Macroblock layer) Lớ p lát Lớ p khối DCT
Dữ liệu khung CCIR-601 Frame header
GOP header
slice header
GOP #P GOP #P+1 GOP #P+2 GOP #P+3 GOP #P+4 GOP #P+5
Khung I Khung B Khung P Khung B Khung I Khung B
mb mb mb mb mb mb mb mb mb mb
Đặc điểm MB Vector chuyển động Khối Y Khối Y Khối Y Khối Y Khối Cb Khối Cr Các hệ số DCT Khối Y
8x8 điểm chói
Túm lại, Bụ ờ đờ ờm dựng để khống chế tốc đụ ờ bit ở đầu ra là như nhau. Khi ghộp kờnh ta phải khống chế tốc đụ ờ bit tối đa. Khi chọn tốc đụ ờ bit ra ở bụ ờ đờ ờm, nếu xảy ra trường hợp Overflow hoă ờc Underflow (tràn hoă ờc cạn) ta đưa hờ ờ thống Scaling về Q để can thiờ ờp vào bảng lượng tử, cú thể chia thờm hờ ờ số giảm chất lượng hỡnh ảnh và giảm tốc đụ ờ bit hoă ờc tăng hờ ờ số để tăng tốc đụ ờ bit. Hờ ờ số thang đụ ờ lượng tử để khống chế tốc đụ ờ bit đầu ra khụng vượt quỏ giải thụng cho phộp.
Ảnh I (Intra - Conder Picture) được mó húa theo mode Intra để cú thể giải mó
mà khụng cần sử dụng dữ liờ ờu từ bất kỳ mụ ờt ảnh nào khỏc. Đă ờc điểm của phương phỏp mó húa này như sau:
+ Chỉ loại bỏ sự dư thừa khụng gian.
+ Dựng cỏc điểm trong cựng mụ ờt khung để tạo dự bỏo. + Khụng cú bự chuyển đụ ờng.
+ Cỏc thụng tin được mó húa rừ ràng, minh bạch nờn số lượng bit yờu cầu lớn.
+ Do được mó húa Intra, ảnh I bao giờ cũng là ảnh đầu tiờn trong mụ ờt nhúm ảnh hay mụ ờt chuỗi ảnh. Nú cung cấp thụng tin khởi đụ ờng cỏc ảnh tiếp theo trong nhúm.
Hỡnh 4.4 Cấu trúc lớp dữ liờ ờu trong MPEG. 4.2.2. Sự phõn loại ảnh MPEG.
Tiờu chuẩn nộn MPEG định nghĩa 3 loại ảnh: ảnh I, ảnh B và ảnh P. * Nộn khụng gian. (Nộn Intra) - ảnh I.
Nộn này tương tự nộn M - JPEG nhưng cú thờm mụ ờt số giỏ trị phụ khỏc và cú thể chọn bảng lượng tử và bảng Hufman để nộn ảnh đụ ờng. Ảnh tĩnh thỡ cú thể nộn được nhiều hơn, ảnh đụ ờng nộn được ớt hơn. Vỡ võ ờy, cú Block nộn được nhiều cú Block nộn được ớt, nờn tốc đụ ờ bit của từng Block là khỏc nhau.
* Nộn thời gian (Nộn Inter) - ảnh P, B.
Cơ sở nộn ảnh P, B là đỏnh giỏ chuyển đụ ờng và bự chuyển đụ ờng. Thay vỡ truyền MB (Macro Block) của ảnh ta chỉ truyền vector chuyển đụ ờng của ảnh so với ảnh trước và truyền sai số giữa hai MB của hai ảnh.
Ảnh P (Predictive Code Picture) được mó húa liờn ảnh mụ ờt chiều. * Dự bỏo Inter mụ ờt chiều.
Khung kề tr ớ c
Khung
hiện hành Khung kề sau Vị trí nội suy
Khung kề tr ớ c (n) Khung hiện
hành (n+1)
Vù ng không phủ sóng
Dự báo bù chuyển động ảnh P
Dự báo bù chuyển động ảnh B
Đ ờng di chuyển của vật thể Khung dự báo (B)=khung tr ớ c-khung sau +véctơ chuyển động hai chiều Khung dự báo (P)=khung tr ớ c-khung hiện hành +véctơ chuyển động
* Ảnh dự bỏo được tạo ảnh tham chiếu trước đú (dự bỏo nhõn quả), ảnh tham chiếu này cú thể là ảnh I hoă ờc ảnh P gần nhất.
* Cú thể sử dụng bự chuyển đụ ờng thụng tin ước lượng chuyển đụ ờng của cỏc khối nằm trong vector chuyển đụ ờng (Motion Vector). Vector này xỏc định Macroblock nào được sử dụng từ ảnh trước.
Do võ ờy ảnh P bao gồm cả những MB mó húa Inter (I - MB) là những Macroblock chứa thụng tin lấy từ ảnh tham chiếu và những MB mó húa Intra là những MB chứa những thụng tin khụng thể mượn từ ảnh trước. Ảnh P cú thể được sử dụng làm ảnh tham chiếu tạo dự bỏo ảnh sau.
Ảnh B (Bidirectionnally Predicted Pictures) là ảnh mó húa liờn ảnh hai chiều, tức là:
* Cú sử dụng bự chuyển đụ ờng.
* Dự bỏo khụng nhõn quản, ảnh dự bỏo gồm cỏc Macroblock của cỏc khung hỡnh trước đú và sau đú.
Hỡnh 4.5 Nụ ời suy bự chuyển đụ ờng.
Viờ ờc sử dụng thụng tin lấy từ ảnh trong tương lai hoàn toàn cú thể thực hiờ ờn được vỡ tại thời điểm mó húa thỡ bụ ờ mó húa đó sẵn sàng truy cõ ờp tới ảnh phớa sau. Ảnh B khụng được sử dụng làm ảnh tham chiếu tạo dự bỏo cho cỏc ảnh sau.
Thứ tự truyền dõ̃n và thứ tự hiển thị ảnh.
Thứ tự khung gốc
Thứ tự hiển thị
Thứ tự truyền dẫn
Chuỗi ảnh MPEG thường cú cấu trỳc IBBPBBPBBI nhưng thứ tự truyền dẫn và thứ tự hiển thị ảnh là khỏc nhau do khi tạo ảnh B cần thụng tin từ cả khung quỏ khứ và tương lai. Như võ ờy ảnh trong tương lai cần phải được truyền dẫn trước, khi hiển thị phải theo đỳng thứ tự nguồn. Để thực hiờ ờn điều này, lớp ảnh của dũng dữ liờ ờu MPEG cú thụng tin về số thứ tự ảnh để trợ giỳp hiển thị .
Hỡnh 4.6 Thứ tự truyền dõ̃n và thứ tự hiển thị ảnh.
Trong ba loại nộn I, P, B thỡ nộn ảnh B tốt nhất, ảnh P rồi đến ảnh I (xột về tốc đụ ờ bit).
4.2.3. Tiờu chuẩn MPEG - 1.
MPEG - 1 cú phạm vi ứng dụng rụ ờng rói cho dạng thức CSIF (Common Source Intermediete Format). CSIF là mụ ờt định dạng nguồn dữ liờ ờu đầu vào của cỏc bụ ờ nộn và giải nộn do CCITT quy định phự hợp với hai dạng quột TV 525/60 và 625/500. Dạng thức này gắn với cấu trỳc lấy mẫu 4:2:0 được quy định như sau: CCIR- 601 525 CSIF - 525 4:2:0 CCIR -601 625 CSIF – 625 4:2:0 Số điểm/ dũng tớch cực + Chúi Y 720 352 720 352 + Màu Cb, Cr 360 176 360 176
Tần số lấy mẫu (MHz) + Chúi Y 13,5 6,75 13,5 6,75 + Màu Cb, Cr 6,75 3,38 6,75 3,38 Số dũng tớch cực + Chúi Y 480 240 576 288 + Màu Cb, Cr 480 120 576 144 Tốc đụ ờ khung (Hz) 30 30 25 25 Tử ảnh số (kớch cỡ ảnh) 4:3 4:3 4:3 4:3
Bảng 4.1 Dạng thức cơ bản của CSIF.
Đối với MPEG - 1, dũng dữ liờ ờu truyền hỡnh chuẩn theo CCIR - 601 phải được biến đổi sang dạng CSIF bằng mụ ờt bụ ờ chuyển đổi (Converter). Điều này được thực hiờ ờn bằng cỏch sử dụng bụ ờ lọc dũng (Horizontal Decimation Filter) cho tớn hiờ ờu chúi mành lẻ, bụ ờ lọc dũng và màng cho tớn hiờ ờu CR, CB mảnh lẻ. Quỏ trỡnh giải mó tại bụ ờ thu phải dự bỏo mành chẵn từ mành lẻ nụ ời suy. Để giảm mức đụ ờ phức tạp và giỏ thành bụ ờ giải mó, trong MPEG - 1 mụ ờt số tham số được mă ờc định thành hằng số như sau:
Tham số Giỏ trị cực đại
Đụ ờ rụ ờng ảnh 768 điểm
Chiều cao ảnh 576 dũng
Tốc đụ ờ ảnh 30 ảnh/s
Số lượng MB (Macroblock) 396
Dải vector chuyển đụ ờng + 64 điểm
Kớch thước bụ ờ đờ ờm đầu vào 327.680 bớt
Tốc đụ ờ bớt 1,8 Mb/s
Bảng 4.2 Cỏc tham số mă ờc định trong chuẩn MPEG – 1.
Dũng bit gồm 6 lớp (như đó mụ tả trong mục 4.2.1). Sử dụng cả hai dạng nộn:
Nộn Intra: Biến đổi DCT, lượng tử hoỏ, mó hoỏ VLC cho ảnh I
Nộn Inter: Ước lượng chuyển đụ ờng, tạo dự bỏo cú bự chuyển đụ ờng cho ảnh B và ảnh P
MPEG - 1 cú mụ ờt số tiờu chuẩn cơ bản như sau:
Chỉ cú mụ ờt cấu trỳc lấy mẫu 4:2:0
Đụ ờ chớnh xỏc mẫu đầu vào 8 bit
Kớch cỡ ảnh tối đa là 720pixel với 576 dũng sử dụng cỏc tham số mă ờc định và cỡ 4095 x 4095 dựng tham số đầy đủ.
Đụ ờ chớnh xỏc lượng tử hoỏ và DCT: 9 bit.
Sử dụng lượng tử hoỏ DPCM tuyến tớnh cho hờ ờ số DC.
Lượng tử thớch nghi cho lớp Macroblock (16 x 16 điẻm)
Đụ ờ chớnh xỏc cực đại của hờ ờ số DC là 8 bit.
Ma trõ ờn lượng tử chỉ cú thể thay đổi ở lớp chuỗi.
Sử dụng khung P và B.
Đụ ờ chớnh xỏc dự bỏo chuyển đụ ờng là nửa điểm.
Tốc đụ ờc bit tối đa là 1,85 Mb/s khi dựng tham số mă ờc định cho ảnh 720 x 576 và 100 Mb/s khi dựng tham số đầy đủ cho ảnh 4095 x 4095 MPEG - 1 cho phộp cú sự truy cõ ờp ngẫu nhiờn cỏc khung Video, tỡm kiếm nhanh thuõ ờn ngược theo dũng bit đó nộn, phỏt lại ngược dũng Video và khả năng dời bỏ dũng bit nộn.
4.2.4. Hờ ờ thống nộn MPEG - 1.
Sơ đồ khối chi tiết bụ ờ Codec (Bụ ờ mó hoỏ và giải mó) trong chuẩn MPEG - 1 như sau: Bụ ờ phõn loại Intrer/Intra căn cứ vào thụng tin phõn loại ảnh (I, B, P) sẽ cho tớn hiờ ờu ra Intrer/Intra xỏc định ảnh được mó hoỏ theo mode Inter hay mode Intra. Thụng tin này là tỏc nhõn chuyển mạch kớch hoạt bụ ờ tạo dự bỏo tương ứng. Nếu ảnh I (mó hoỏ intra): Sử dụng dự bỏo Intra, lấy MB lõn cõ ờn trước đú làm dự bỏo cho MB hiờ ờn hành. MB lõn cõ ờn này được phục hồi nhờ bụ ờ giải lượng tử và biến đổi DCT ngược (IDCT).
Nếu ảnh B, P (mó hoỏ Inter): sử dụng bụ ờ dự bỏo Inter cú bự chuyển đụ ờng. Bụ ờ tạo dự bỏo này hoạt đụ ờng như sau:
+ Chuyển đụ ờng cỏc MB được tớnh toỏn nhờ bụ ờ ước lượng chuyển đụ ờng theo cỏc thuõ ờt toỏn Blocking, kết quả cho vector chuyển đụ ờng.
+ Vector chuyển đụ ờng này được đưa đến khối dự bỏo cú bự chuyển đụ ờng để tạo giỏ trị dự bỏo cú bự chuyển đụ ờng.
L ợng tử hóa Bộ cảm nhận đặc tính mã hoá Tham số l ợng tử Loại ảnh (I, B0, 90)
DCT: Biến đổi cosin rời rạc IDCT: Biến đổi cosin rời rạc ng ợc
Loại ảnh Ư ớc l ợng chuyển động Véctor chuyển động Dự báo bù chuyển động Inter/Intra Thông tin về loại ảnh Dòng vector vào (I,B,P) L ợng tử hoá thích nghi DCT lựơng tử Tham số Bộ phân loại Inter - Intra Inter/Intra ICDT L u trữ ảnh t ơng lai L u trữ ảnh quá khứ Write Future Vector chuyển động Bộ nhớ đệm Inter/Intra Giải l ợng tử hoá Inter/Intra Mã hóa VLC và ghép kênh Write Previous
+ Do quỏ trỡnh ước lượng chuyển đụ ờng cần so sỏnh giữa khung hiờ ờn hành với khung quỏ khứ (ảnh P) hoă ờc với cả khung quỏ khứ lẫn tương lai (ảnh B) nờn cần cú hai bụ ờ lưu trữ ảnh.
Sai số MB dự bỏo và hiờ ờn hành được biến đổi DCT, lượng tử hoỏ, mó hoỏ VLC rồi đưa đến bụ ờ nhớ đờ ờm. Đầu ra bụ ờ nhớ đờ ờm là dũng bit đó được mó hoỏ và cú tốc đụ ờ ổn định. Tham số lượng tử, thụng tin phõn Inter/Intra và vector chuyển đụ ờng sẽ được ghộp kờnh thụng tin ảnh đưa tới bờn thu phục vụ cho quỏ trỡnh tạo dự bỏo và giải mó khụi phục ảnh.
Dòng bit Vector chuyển động Bộ nhớ đệm Loại ảnh (I,P,B) Giải mã và tách kênh L u trữ ảnh qúa khứ L u trữ ảnh t ơng lai L u trữ ảnh qúa khứ INTER/INTRA Giải l ợ ng tử hóa IDCT INTER/INTRA Dòng Video ra Tham số l ợ ng tử
Hỡnh 4.8 Sơ đồ khối bụ ờ giải mã MPEG – 1.
Trong dũng bit truyền đi từ bờn phỏt sẽ cú thụng tin ảnh gốc cũng như cỏc tham số quy định bước lượng tử và vector chuyển đụ ờng. Vector chuyển đụ ờng này được bờn thu sử dụng để tạo dự bỏo cú bự chuyển đụ ờng tương tự như phớa phỏt.
Giỏ trị sai số dự bỏo từ bờn thu sau khi giải lượng tử biển đổi DCT ngược được cụ ờng với giỏ trị dự bỏo. Kết quả thu được ảnh cần hồi phục.
4.3. Nộn tớn hiờ ờu Video theo MPEG – 2.4.3.1. Tiờu chuẩn nộn Video MPEG – 2. 4.3.1. Tiờu chuẩn nộn Video MPEG – 2.
Tiờu chuẩn MPEG - 2 cũn được gọi là ISO/ITEC 13818 là sự phỏt triển tiếp theo của MPEG - 1 ứng dụng đụ ờ phõn giải tiờu chuẩn của truyền hỡnh do CCIR - 601. MPEG - 2 gồm 4 phần:
Phần 1: Hờ ờ thống (ISO/ITEC 13818 - 1), xỏc định cấu trỳc ghộp kờnh Audio,
Video và cung cấp đồng bụ ờ thời gian thực.
Phần 2: Video (ISO/ITEC 13818 - 2), xỏc định những thành phần mó hoỏ đại
diờ ờn cho dữ liờ ờu Video và phõn loại xử lý giải mó để khụi phục lại khung hỡnh ảnh.
Phần 3: Audio (ISO/ITEC 13818 - 3), định nghĩa quỏ trỡnh tỡm kiểm tra cỏc
yờu cầu của MPEG – 2.
So với MPEG - 1, MPEG - 2 cú nhiều cải thiờ ờn về kớch thước ảnh, đụ ờ phõn giải ảnh, tốc đụ ờ bit tối đa, tớnh phục hồi lỗi, khả năng co gión dũng bit. Khả năng co
gión dũng bit của MPEG - 2 cho phộp khả năng giải mó mụ ờt phần dũng bit mó hoỏ để nhõ ờn được ảnh khụi phục cú chất lượng tuỳ thuụ ờc mức đụ ờ yờu cầu. Sau đõy là mụ ờt số đă ờc điểm chủ yếu của tiờu chuẩn này: