Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển luồng đa phương tiện qua mạng INTERNET

Vấn đề đặt ra là làm sao phải đ a kỹ thuật điều khiển luồng vào sử dụng sau khi đã điều chỉnh và điều khiển tốc độ bit đầu ra của những nguồn đa ph ơng tiện qua Internet nhằm đạt đ ợc sự

-

Mai Thị Diệu Hương

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG MẠNG UBIQUITOUS VÀ KHẢ

NĂNG ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI – 2012

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Vàolúc: giờ ngày tháng năm

Cóthểtìmhiểuluậnvăntại:

- ThưviệncủaHọcviệnCôngnghệBưuchínhViễnthông

MỞ ĐẦU

Internet và đa ph ơng tiện đ ợc xem là động lực thúc đẩy tiềm năng khai thác tài nguyên mạng Truyền thông đa ph ơng tiện có những yêu cầu khắt khe về chất l ợng dịch

vụ bao hàm các chỉ tiêu về băng thông, độ trễ, biến thiên trễ và tỷ lệ mất thông tin

Ứng dụng truyền thông đa ph ơng tiện tạo ra luồng thông tin với tốc độ bit biến đổi

và có yêu cầu tài nguyên thay đổi theo thời gian Vấn đề đặt ra là làm sao phải đ a kỹ thuật điều khiển luồng vào sử dụng sau khi đã điều chỉnh và điều khiển tốc độ bit đầu ra của những nguồn đa ph ơng tiện qua Internet nhằm đạt đ ợc sự cân bằng tốt nhất giữa chất

l ợng và hiệu quả sử dụng băng thông tránh tắc nghẽn

Vậy bài toán đặt ra cho các nhà khoa học cần phải tìm giải pháp kỹ thuật nào dung hòa đ ợc các yêu cầu trên Chính vì vậy em đã lựa chọn đề tài luận văn tốt nghiệp là:

“Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển luồng đa ph ơng tiện qua mạng Internet” Để đi sâu tìm hiểu kỹ các kỹ thuật điều khiển luồng Video nén qua mạng Internet

Đề tài nghiên cứu luận văn đ ợc chia làm 3 phần:

Ch ơng I Sự cần thiết của điều khiển luồng đa ph ơng tiện

Ch ơng II Các kỹ thuật điều khiển luồng trong truyền thông đa ph ơng tiện

Ch ơng III: Điều khiển luồng Video nén qua mang Internet

Nội dung luận văn đề cập đến nhiều vấn đề, với điều kiện thời gian cũng nh năng lực có hạn nên luận văn không tránh khỏi còn nhiều thiếu sót Em rất mong nhận đ ợc ý kiến đóng góp từ phía thầy cô để em hoàn thiện hơn nữa kiến thức cho bản thân, phục vụ cho quá trình học tập, nghiên cứu sau này

Em xin đ ợc gửi lời cảm ơn tới thầy Nguyễn Tiến Ban đã h ớng dẫn em thực hiện luận văn này Hơn nữa, em cũng xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô giáo trong khoa Viễn thông

và các bạn cùng lớp đã giúp đỡ em trong việc tìm kiếm thông tin tài liệu, các giáo trình tham khảo trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

CH ƠNG I VẤN ĐỀ VÀ SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐIỀU

KHIỂN LUỒNG ĐA PH ƠNG TIỆN

n-Một luồng thông tin đa ph ơng tiện đ ợc đặc tr ng bởi sự có mặt của nhiều loại hình thông tin: Video, Audio, voice Ngày nay, đa số các ứng dụng mới đều sử dụng đa ph ơng tiện thay vì chỉ dùng một ph ơng tiện trong truyền thông Do đó trong truyền thông đa ph ơng tiện, có một số yêu cầu về chất l ợng, tốc độ, độ méo…

1) Độ trễ và thời gian thực

2) Độ méo và tồn thất thông tin cho phép

3) Độ rộng băng thông linh hoạt

Một số định h ớng phát triển trong thời gian gần đây cho thấy việc phát triển công nghệ truyền thông đa ph ơng tiện dựa trên nền tảng công nghệ IP kết hợp với các cơ chế điều khiển thích hợp là một trong những yếu tố góp phần thúc đẩy và phát triển truyền thông

đa ph ơng tiện, mạng Internet ngày nay

1.1.2 Các yếu tố ảnh h ởng đến chất l ợng truyền thông đa ph ơng tiện

Môi tr ờng truyền thông là một trong những yếu tố có tác động lớn đến chất l ợng truyền trông đa ph ơng tiện Các loại hình dịch vụ đa ph ơng tiện qua mạng Internet, đều

có đặc tr ng là tỷ lệ lỗi bít cao, kênh truyền biến đổi, độ rộng băng thông bị hạn chế, các liên kết với mạng cố định không đ ợc đồng nhất

1 Sự hạn chế của băng thông và chất lượng đường truyền

2 Sự thiếu đồng nhất trong liên kết với các mạng cố định

3 Ảnh hưởng của lỗi bít

Các yếu tố này kết hợp lại với nhau là nguyên nhân chủ yếu gây ra tỉ lệ lỗi bit cao, đặc biệt khi truyền qua mạng không dây

1.1.3 Một số giải pháp cho nhà cung cấp dịch vụ

Yêu cầu thực tế đặt ra cho những nhà cung cấp dịch vụ là làm sao để tăng tính cạnh tranh của các loại hình dịch vụ đ ợc đ a ra, qua đó thu hút đ ợc sự quan tâm và nhu cầu sử dụng của càng nhiều khách hàng càng tốt Nghiên cứu và tìm ra những ph ơng thức mới mang tính hiện đại và mang lại hiệu quả kinh tế cao đó là:

“Cải thiện tầng liên kết với các ph ơng thức sửa lỗi thích hợp, cải thiện tầng MAC, cải thiện tầng mạng, cải thiện tầng giao vận, cải thiện tầng trên, cải thiện và nâng cao hiệu quả sử dụng các ph ơng thức mã hóa, giải thuật kiểm soát lỗi và kỹ thuật điều khiển luồng

đa ph ơng tiện qua mạng Internet”…

đ ợc áp dụng để luồng đa ph ơng tiện qua mạng đạt đ ợc hiệu quả tối u và tránh tắc nghẽn, nghĩa là ng ời sử dụng dịch vụ sẽ đ ợc cung cấp và sử dụng một dịch vụ truyền thông chất l ợng tốt

Internet

Hình 1.1 Luồng đa ph ơng tiện qua mạng Internet.

1.2.2 Vai trò của điều khiển luồng đa ph ơng tiện

Đối với các luồng đa ph ơng tiện nén và không nén thì yêu cầu tỉ lệ mất thông tin cũng khác nhau Luồng tin nén đặc biệt nhạy cảm với tỉ lệ mất thông tin, vì một lỗi cũng đã

có thể dẫn đến mất đồng bộ các ph ơng tiện khác nhau nh Video, Audio

Để đảm bảo các yêu cầu về tỉ lệ tổn thất và độ trễ của thông tin, nhà cung cấp dịch vụ

đa ph ơng tiện cần áp dụng các cơ chế điều khiển luồng l u l ợng thích hợp sao cho chất

l ợng dịch vụ và hiệu suất sử dụng mạng là tối u Có thể nói kỹ thuật điều khiển luồng đa

ph ơng tiện đóng một vai trò rất quan trọng trong truyền thông đa ph ơng tiện và mạng Internet

1.3 Kết luận ch ơng I

Nh vậy việc điều khiển luồng đa ph ơng tiện là vấn đề thực tế và hết sức cần thiết nhằm đáp ứng những đòi hỏi của khách hàng về chất l ợng dịch vụ nên vấn đề chính đặt ra cho các nhà cung cấp dịch vụ là phải là sao đảm bảo vấn đề truyền tải và việc cung cấp dịch

vụ với một chất l ợng hợp lý Hơn nữa giải pháp đ ợc đ a ra là phải t ơng thích với cho từng hệ thống và đáp ứng đ ợc thực trạng của truyền thông đa ph ơng tiện

CH ƠNG II CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN LUỒNG ĐA

PH ƠNG TIỆN QUA MẠNG INTERNET2.1 Một số kỹ thuật điều khiển

2.1.1 Điều khiển tốc độ

1) Tính biến thiên tốc độ Bit của những bộ mã Video

Kỹ thuật điều khiển tốc độ l ợng tử hoá biến thiên mới đã đ ợc đề xuất để tạo một tốc độ bít đầu ra nhỏ nhất cho một mục tiêu chất l ợng cố định Bổ sung hiệu chỉnh cho chất

l ợng hằng số của sự thay đổi tốc độ Video, sự lên xuống của tốc độ bit thì cũng hữu ích cho phân bố động của băng thông biến thiên

Tính biến thiên tốc độ truyền theo bit trong những giải thuật mã hoá Video là sự có mặt của của mã hoá Huffman Mã hoá độ dài thay đổi đ ợc sử dụng để tối u hoá hiệu quả nén bằng việc đạt đ ợc một chiều dài bit trung bình tối u mỗi từ mã hiệu

2) Tốc độ mã cố định

Mặc dù tốc độ bit thay đổi thì đôi khi mong muốn cho việc cấp phát băng thông động, việc truyền dẫn tốc độ bit không đổi hữu ích cho các kênh băng thông cố định nhPSTN (Public Switching Telephone Networks) Để đạt đ ợc truyền dẫn video tốc độ cố định, một bộ điệm giữa các bộ mã hoá video và kênh đ ợc sử dụng để làm m ợt đầu ra tốc

độ bit dao động thăng giáng

Rõ ràng, tạo đệm cho các luồng video bị nén tr ớc khi truyền dẫn gây ra một l ợng trễ nhất định, điều đó phải đ ợc ngăn ngừa hay ít nhất đ ợc tối giản trong những dịch vụ video thời gian thực

Đây là bộ đệm chỉ có thể điều chỉnh tốc độ bit đầu ra cho sự biến đổi trong thời gian ngắn Trong một số chuỗi video, tốc độ bit dao động thăng giáng có thể kéo dài cho vài khung và nh vậy một bộ đệm lớn có thể sau đó yêu cầu hấp thu dài hạn dao động thăng giáng Kỹ thuật thông th ờng sử dụng nhiều nhất là điều chỉnh một số tham số mã hoá video

nh một chức năng của bộ đếm đầy đủ, đó là bởi sự điều khiển hồi tiếp

3) Hiệu chỉnh các tham số mã hoá cho điều khiển tốc độ

Bất kỳ sự nỗ lực nào để điều khiển tốc độ truyền theo bit đầu ra của một bộ mã hoá cần phải cân bằng chất l ợng và hiệu năng nén Giảm bớt tốc độ truyền theo bit làm tổn hại cho giảm sút chất l ợng Trong những bộ mã hoá Video chuyển đổi khối, có bốn tham số

mã hoá khác nhau mà đã có thể đ ợc điều chỉnh để điều khiển tốc độ truyền theo bit đầu ra

Tốc độ khung quyết định số khung đ ợc mã hóa trên mỗi giây, là một tham số mã hóa mà có thể đ ợc điều chỉnh để thích ứng với tốc độ bít Từ mục tiêu của ph ơng pháp điều khiển tốc độ khung, các d thừa thời gian và không gian của những tín hiệu Video nói chung th ờng đ ợc sử dụng khi chất l ợng các hình ảnh độc lập không thể đạt đ ợc sự thoả hiệp

Sự điều chỉnh các tham số mã hoá dẫn đến thay đổi chất l ợng cảm quan, tuy nhiên

sự thay đổi này là “nhẹ nhàng” so với hiện t ợng suy giảm chất l ợng tạo ra bởi tắc nghẽn Phần lớn hệ thống thông tin truyền thông Video dựa ttrên điều chỉnh các tham số mã hoá Video nh là một phần của điều khiển tốc độ đầu ra áp dụng các kỹ thuật ngăn ngừa điều khiển luồng

h ởng đến số l ợng của các bit yêu cầu để mã một khung Video

Do vậy, kỹ thuật điều khiển tốc độ l ợng tử hoá cổ điển cung cấp hay không thể dự báo và đôi khi tốc độ bit giao động rất cao, do đó sự tăng lên có thể xảy ra của bộ đệm cục

bộ chảy tràn ra là kết quả của việc dữ liệu bị mất đi rất nhiều trong tr ờng hợp mạng nghẽn

1) Điều khiển tốc độ bộ đệm cơ sở

Một kỹ thuật điều khiển tốc độ bộ đệm cơ sở đ ợc thừa nhận rộng rãi đ ợc gọi là giải thuật điều khiển tốc độ theo thang độ SRC (Scaleable Rate Control) (ISO/IEC 14496, Annex L) cho sự truyền dẫn Video MPEG-4 thời gian thực Kỹ thuật này có thể xử lý các khung I,P và B và chỉ áp dụng cho mục đích điều khiển tốc độ của các đối t ợng đơn lẻ

Ngoài SRC, một sơ đồ điều khiển sự l ợng tử hoá t ơng tự áp dụng trong bộ mã hoá Video MPEG-2 là giải thuật kiểm tra mô hình (Test Model 5: TM5) [TMOD] cho mục đích điều khiển tốc độ TM5 miêu tả một quá trình điều khiển tốc độ bit thích ứng với tham số

l ợng tử hoá của một MB

2) Điều khiển tốc độ hồi tiếp dương

Trong những giải thuật điều khiển tốc độ l ợng tử hoá biến đổi cổ điển các tham số

l ợng tử hoá của khung tiếp theo đ ợc tính toán dựa trên số l ợng các của các bit phát sinh Trong các giải thuật hồi tiếp d ơng, một giá trị Qp ban đầu của một khung đ ợc lựa chọn dựa trên Qp và tốc độ bit của khung mã hoá cuối cùng

Giải thuật điều khiển tốc độ bit này mang lại một độ chính xác hơn kém 15% cho các bit đ ợc sử dụng để chuyển đổi mã hoá hệ số và tốc độ thay đổi thất th ờng ít hơn kỹ thuật điều khiển tốc độ bit l ợng tử hoá biến đổi theo tục lệ Giải thuật điều khiển tốc độ cho thấy một sơ đồ điều khiển tốc độ đ ợc cải thiện so với ph ơng pháp kỹ thuật Qp thay đổi truyền thống

2.2 Các kỹ thuật điều khiển luồng

2.2.1 Điều khiển luồng sử dụng mã hóa ROI

Với một vài loại chuỗi Video, kinh nghiệm cho thấy để nâng cao chất l ợng của việc

mã hóa hình ảnh bằng cách mã hóa vùng hình ảnh đ ợc quan tâm nhiều hơn vùng còn lại

Bởi vậy, cần u tiên nhiều bít cho việc mã hóa những khu vực này hơn những khu vực khác Tuy nhiên, để định dạng vùng quan tâm trong cảnh Video

Để có thể sử dụng mã hóa ROI, khung hình ảnh cần đ ợc chia thành những phân đoạn để định dạng vị trí và hình dạng của những khu vực này trong các khung Video đây là một tr ờng hợp sử dụng giải thuật nén hình ảnh h ớng đối t ợng giống nh ISO MPE-4 Các giá trị của hai kích cỡ b ớc l ợng tử này phụ thuộc vào các tham số Qp thiết lập bởi giải thuật điều khiển tốc độ cho khung hình tiếp theo để phù hợp với yêu cầu về tốc độ bít chuẩn

Kỹ thuật điều khiển tốc độ đơn giản bằng việc sử dụng mã hóa ROI này đã đem lại kết quả mong đợi, xem kết quả thể hiện trong bảng 2.1 với 150 khung của chuỗi Miss America đ ợc mã hóa với tốc độ bít đích khác nhau

nhau với các giải thuật điều khiển tốc độ khác nhau.

Sự tiến bộ chủ quan đạt đ ợc nhờ kỹ thuật điều khiển tốc độ này miêu tả trong hình

Cả giải thuật qui ớc TMN5 và mã hóa ROI làm tăng c ờng sự nổi bật của khuôn mặt đã đ ợc sử dụng cho mục đích điều khiển tốc độ Kết quả đ ợc tạo bảng hiển thị một sự cải thiện trong mức độ PSNR sáng rõ xung quanh vùng mặt mà không làm xáo lộn hiệu quả

Mức PSNR dao động không gây ảnh h ởng tới hiệu quả của việc điều khiển tốc độ

Sự trợ giúp Kỹ thuật này điều chỉnh dao động của tốc độ truyền theo bít trong khi mang lại một chất l ợng hình ảnh mịn hơn, rõ nét hơn quanh vùng mặt, vùng đ ợc quan tâm đặc biệt,

là nhiệm vụ của mã hoá ROI

2.1 cho ta thấy một khung của chuỗi giải mã Miss American tại tốc độ 14.4 Kbit/s sử dụng TMN5 truyền thống và giải thuật điều khiển tốc độ ROI cải thiện vùng mặt

Tổng cộng PSNR (dB)

Tốc độ bit thực

tế (kbit/s)

vùng mặt PSNR (dB)

Tổng cộng PSNR (dB)

Tốc độ bit thực

Hình 2.1 Khung của Hoa hậu Mỹ chuỗi giải mã tại tốc độ 14.4 kbit/s: (a) qui ớc biến Qp

điều khiển tốc độ TMN5 (b) mã hóa ROI cho điều khiển tốc độ tăng c ờng vùng mặt.

giải thuật điều khiển tốc độ khác nhau: (a)Tổng quan PSNR (b) miền chính PSNR.

Hình 2.2 cho thấy giá PSNR của chuỗi Foreman sử dụng ba giải thuật điều khiển tốc

độ khác nhau Có thể thấy rằng giải thuật điều khiển tốc độ đ ợc thiết lập là cao hơn của mã hoá ROI, xem hiển thị trên hình 2.2(a) Tuy nhiên giá trị PSNR xung quanh vùng mặt luôn luôn tốt hơn của những vùng khác vì một giải thuật tốc độ bít đ ợc thiết lập để tăng mã hoá vùng mặt nh hiển thị ở hình 2.2(b)

2.2.2 Điều khiển luồng bằng cách đẩy thông tin đ ợc u tiê n

Luồng bít đầu ra của một giải thuật mã hóa hình ảnh chuẩn chính là sự sắp xếp những

từ mã hóa đ ợc cố định và những từ mã có độ dài thay đổi (VLCs) Mỗi VLC biểu diễn một phần khác nhau của thông tin kết hợp với những chi tiết về thời gian và không gian của chuỗi hình ảnh

Giải thuật điều khiển tốc độ thực thi nh một kỹ thuật điều khiển sự tắc nghẽn có thể phòng tránh Giải thuật điều khiển tốc độ bít của thiết bị mã hóa trong khi giảm đến mức tối thiểu việc mất thông tin ảnh h ởng đến chất l ợng hình ảnh

2.2.3 Điều khiển luồng dùng vòng lặp phản hồi bên trong

Trong phần 2.2.2 thì việc đ a các tham số hình ảnh đ ợc biểu diễn trong một cấu trúc lặp mở

Diễn đạt theo một cách khác, bộ nhớ hình ảnh dựng lại một cách cục bộ không đ ợccập nhật theo cách mà duy trì biểu diễn giữa khung tin dựng lại trong bộ mã hóa và khung tin t ơng ứng trong bộ giải mã Sự ghép nối không t ơng xứng giữa hai khung mã hóa và giải mã là nguyên nhân hàng đầu dẫn đến làm hỏng khung tin hình ảnh đ ợc mã hóa

Tốc độ tổn thất ớc tính phần trăm MV mất trên tổng số dữ liệu MV Khi kiểu khung

PB đ ợc dùng, kết quả mong đợi là dữ liệu hình ảnh nén sẽ trở nên nhạy hơn để đạt đ ợc tỉ

lệ nén cao nh khung B

Khi đ ợc dùng với tùy chọn có thể thay đổi, H.263 trở nên dễ bị lỗi Tuy nhiên tùy chọn có thể thay đổi phân bổ góp phần làm giảm tốc độ bít đầu ra, băng cách này có thể đảm bảo kết quả mã hóa tốt hơn trong điều kiện nghẽn mạng

Tr ớc hết, một chuỗi Video số hợp nhất với một số lớn những thống kê và sự d thừa của thời gian lẫn không gian, loại bỏ mà làm ảnh h ởng đến tốc độ của luồng bit mã hoá Từ quá trình nén là sự cân bằng giữa tốc độ bit đ ợc mã hoá và chất l ợng

Các giải thuật điều khiển luồng, trong đó có giải thuật điều khiển hồi tiếp đã đạt đ ợc một sự cải tiến hơn các giải thuật điều khiển tốc độ truyền thống trong việc làm trôi chảy ở ngoài tốc độ bit giao động của bộ mã hoá hình ảnh

Thêm nữa khả năng điều khiển tốc độ của ph ơng pháp kỹ thuật hồi tiếp, cải thiện chất l ợng có thể đ ợc đ a ra nhờ việc sử dụng mã hoá vùng truyền thông (ROI) Tuy nhiên, khi băng thông của mạng có những yêu cầu là thay đổi thời gian thì tốc độ bit đầu ra của một bộ mã Video phải thích ghi với những điều kiện thay đổi băng thông tại bất kỳ thời gian nào Vì mục đích này: làm cho các giải thuật điều khiển tốc độ phải đ ợc sử dụng cho

l u l ợng và tối u hoá chất l ợng

CH ƠNG III ĐIỀU KHIỂN LUỒNG VIDEO QUA

MẠNG INTERNET

3.1 Kỹ thuật nén Video và đặc điểm truyền dẫn

3.1.1 Vài nét về các kỹ thuật nén Video số hiện nay

Nén ảnh số mục đích là làm thế nào để l u trữ bức ảnh d ới dạng có kích th ớc nhỏ hơn hay d ới dạng biểu diễn mà chỉ yêu cầu số bit mã hóa ít hơn so với ảnh gốc Nén ảnh thực hiện là do thực tế: thông tin trong bức ảnh không phải là ngẫu nhiên mà có trật tự, có tổ chức

Hơn nữa, Video số là chuỗi các ảnh số hoá liên tiếp nhau theo thời gian, mỗi ảnh số bao gồm nhiều dòng, nhiều phần tử ảnh (pixel); mỗi pixel đ ợc biểu diễn bởi ba màu cơ bản

R, G, B Vì vậy thực chất của kỹ thuật nén Video số là loại bỏ các thông tin d thừa, nhằm

h ớng đến các mục tiêu :