Ứng dụng kỹ thuật mã hóa video h 265 HEVC xây dựng hệ thống truyền hình số tại tỉnh quảng ngãi

MỞăĐ U 1.ăLýădoăch năđ ătƠi Trong những năm gần đây khi mà lĩnh vực công nghệ và truyền thông ngày càng phát triển, với sự phát triển m nh c a Internet toàn cầu thì việc truyền t i và l

TR NGăĐ IăH CăS ăPH M

VẪăNG CăTU N

NGăD NGăK ăTHU TăMẩăHịAăVIDEOăH.265/HEVC XÂYăD NGăH ăTH NGăTRUY NăHỊNHăS

T IăT NHăQU NGăNGẩI

LU NăVĔNăTH CăSƾăH ăTH NGăTHỌNGăTIN

ĐƠăN ng - Nĕmă2019

TR NGăĐ IăH C S ăPH M

VẪăNG CăTU N

NGăD NGăK ăTHU TăMẩăHịAăVIDEOăH.265/HEVC XÂYăD NGăH ăTH NGăTRUY NăHỊNHăS

T IăT NHăQU NGăNGẩI

ChuyênăngƠnh:ăH ăth ngăthôngătin

Mưăs :ă848.01.04

LU NăVĔNăTH CăSƾă

ĐƠăN ng- nĕm 2019

XAY DNG Ht THONG TRUYEN HINH SO T-1 TINH QUANG NG.I

H9c vien: Vo NgQc Tu§n Chuyen nganh: H� Th6ng Thong Tin

Ma s6: 60.48.01.04 Kh6a: K34, D�i hQc Str phlm

Tom tlt- Cac ky thu�t ma h6a nen video da dtr'C phat triSn va cai thi�n trong nhiSu th�p ky dS giam thiSu

dung luqng video, giup cho vi�c truySn d�n video qua m�ng truySn thong don gian hon Hi�n nay, H.264/ A vc la tieu chuin nen ma h6a video dtr'C S' d,mg ph6 bi€n tren toan th€ gi6i Tuy nhien, nhu cAu vs video chrt lu9ng cao hon, t6c dQ khung hlnh cao han, chu1g h�n nhu video HD, UltraH, 4K va 8K, thi

H.264/AVC v�n chua c6 kha nang nen t6t nhit Vl v�y, m9t chu§n nen video m&i H.265/HEVC da duqc

phat triSn, khong chi co kha nang ma hoa t6t nhilng video co do phan giai cao ma con giam duqc dung luqng video ma hoa m>t nua so v6i chuin nen H 2 64/ A VC.

Tim hiSu lich SU phat triSn cua chu§n H.265/HEVC va cac san ph§n lien quan d€n chu§n nen nay, di€u nay n6i Jen tfnh kha nang thay th€ trong t uan g lai d6i v&i chuin nen ti€n nhi�m H.264/AVC Phan tfch ca ban cac khau quan tr9ng trong kT thu�t nen tin hi�u video H.265/HEVC tren ca so vua phan tfch vua so sanh v&i chuin nen ti€n nhi�m H.264/AVC Vi�c phan tfch va so sanh chuin nen H.264/AVC va H.265/HEVC dS thry ro cac diSm n6i tr>i han cua chuin nen va nherng cai tiin m&i cua chuAn nen moi, la n€n tang trong

phan tfch phan tfch danh gia va so sanh duqc ro rang hon Trong chuong 3, D1,1a tren ca so h� tAng s�n c6

cua h� th6ng DVB-T2 phat s6ng s6 m�t drt t�i Dai phat thanh va truy€n hlnh Quang Ngai ( PTQ) dang su di,mg chu§n nen H.264/AVC, xay d1,1ng mo hlnh nang crp thay th€ bing chuin nen m&i H.265/HEVC vao trong h� th6ng s�n c6 theo hu6ng: Ti€t ki�m chi phi thay th€ va nang crp ma khong anh hu6ng nhi€u d€n quy ho�ch phu s6ng s6 da d?t ra >6ng thoi th[ nghi�m tren thiit bi thvc ti va do cac thong s6 va quan sat chrt lu9ng hlnh anh th1,1c t� qua cac thi�t bi thf r nghi�m Tac gia da t6m Hit k€t qua d�t duqc va dua ra hu6ng phat triSn ti�p theo

Tr h6a- ma h6a nen tien ti€n H.264/AVC; Ma h6a hi�u suit cao H.265/HEVC; s6 m�t drt DVB-T2; truy€n hlnh s6 do phan giai cao HDTV; Dai phat thanh va truySn hlnh Quang Ngai PTQ (5 tu kh6a)

�

TECHNIQUE TO BUILD DIGITAL TELEVISION SYSTEM IN QUANG NGAI PROVINCE

Full name of Master student : VO NGOC TUAN Major : Inormation System

Supervisors: PGS.TSKH TRAN QUOC CHIEN

Training institution: Pedagogical University

Abstract- Video coding techniques have been developed and improved over the years to reduce video

capacity, making video transmission over the network simpler At present, H.264 I A VC is the video coding standard widely used in the world However, with the demand or higher quality video, higher frame rates, such as HDTV video, UltraH, 4K and 8K, H.264 I AVC still does not have the best compression So a new H.265 I HEVC video compression ormat has been developed not only to encode high-deinition video but also to reduce the video encoding capacity by a half compared to H 264/ A VC video compression

Studying the development history of the H.265/EVC standard and its related products would lead to a possibility of uture replacement or the H.264/AVC compression standard, which is in widespread use today Basic analysis of the key aspects of H.265/HEVC video compression technology is based on both analytical and comparative H.264/A VC compression The analysis and comparison of the H.264/AVC and H.265/HEVC compression standards aims at showing the highlights and enhancements of the new compression standard It is the foundation or analyzing and evaluating video coding perormance in Chapter

4 In chapter 3, Based on the existing infrastructure of the terrestrial DVB-T2 syste m at Quang Ngai Radio and Television (PTQ) is using H.264 I A VC compression standard, the upgrade model is replaced by the new H.265 I HEVC standard in the existing system in such a way that cost saving and code upgrade do not afect Jhe digital coverage planning At the same time, practical experiments and measurement of parameters and visual observation of actual images were carried out through the test equipments The author has summarized

the results achieved and proposed recommendations for urther development.Key words- Advance Video

Coding 1264/AVC; High Eiciency Video Coding H.265/HEVC; Terrestrial broadcasting system DVB-T2 high-deinition digital television HDTV; Quang Ngai Radio and Television PTQ (5 keywords)

M CăL C

L IăCAMăĐOAN i

TịMăT TăĐ ăTĨIăB NGăHAIăNGỌNăNG ăTI NGăVI TăiiVĨăTI NGăANH ii

M CăL C iv

DANHăM CăCÁCăKụăHI U,ăCÁCăCH ăVI TăT T vii

DAN HăM CăCÁCăB NG ix

DANHăM CăCÁCăHỊNH x

MỞăĐ U 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên c u 1

3 Đối t ợng và ph m vi nghiên c u 2

4 Ph ơng pháp nghiên c u 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn c a đề tài nghiên c u 2

6 Bố cục luận văn 2

CH NGă1.ăT NGăQUANăV ăTRUY NăHỊNHăS ăVĨăC ăSỞăNÉNăVIDEO 4

1.1 Tổng quan về hệ thống truyền hình số 4

1.1.1 Giới thiệu chung 4

1.1.2 Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình số 4

1.1.3 Đặc điểm truyền hình số 5

1.1.4 Quá trình số hóa tín hiệu 6

1.1.5 Tốc độ bit và độ rộng băng thông 7

1.1.6 Quá trình biến đổi và tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu màu 8

1.2 Nén tín hiệu video 9

1.2.1 Các kỹ thuật nén tín hiệu video 9

1.2.2 Tỷ số nén tín hiệu video 9

1.2.3 Phân lo i kỹ thuật nén tín hiệu video 10

1.2.4 Biến đổi cosin r i r c 10

1.2.5 Quá trình l ợng tử hóa 11

1.2.6 Tiêu chuẩn đánh giá tín hiệu video 12

1.3 Mô hình cấu trúc DVB-T2 12

CH NGă2 CÁCăK ăTHU TăMẩăHịAăVIDEO 15

2.1 Lịch sử phát triển các chuẩn nén và sự phát triển các s n phẩm liên quan đến mư hóa H.265/HEVC 15

2.1.1 Lịch sử phát triển 15

2.2 Kỹ thuật mư hóa video H.264/AVC 17

2.2.1 Sơ đồ mư hóa và gi i mư chuẩn H.264/AVC 17

2.2.2 Cấu trúc H.264/AVC 18

2.3 Kỹ thuật mư hóa video H.265/HEVC 20

2.3.1 Sơ đồ mư hóa và gi i mư chuẩn H.265/HEVC 20

2.3.2 Các profiles và level 20

2.3.3 Phân vùng nh 22

2.3.3.1 Phân vùng nh m c cao 22

2.3.3.2 Các tập tham số trong H.265/HEVC 24

2.3.3.3 Cấu trúc khối và phân vùng các khối nh 25

2.3.4 Biến đổi và l ợng tử hóa 27

2.3.5 Các chế độ dự đoán 30

2.3.5.1 Chế độ dự đoán trong nh 31

2.3.5.2 Chế dự đoán liên nh 32

2.3.6 In-loop Filtering 33

2.3.7 Mã hóa Entropy 35

2.4 So sánh, đánh giá những đặc điểm cơ b n H.264/AVC và H.265/HEVC 36

2.4.1 So sánh phân vùng hình nh - cấu trúc mư hóa nh 36

2.4.2 So sánh dự đoán trong nh 36

2.4.3 So sánh dự đoán liên nh 37

2.4.4 So sánh biến đổi và l ợng tử hóa 38

2.4.5 So sánh mã hóa Entropy 38

2.4.6 So sánh In-loop Filtering 39

2.4.7 Cấu trúc xử lí song song 39

2.4.8 Tóm tắt so sánh kỹ thuật mư hóa H.265/HEVC và H.264/AVC 39

CH NGă3 NGăD NGăK ăTHU TăMẩăHịAăH.265/HEVC XÂYăD NGăH ă TH NGăTRUY NăHỊNHăS 42

3.1 Hệ thống truyền dẫn số mặt đất DVB-T2 hiện nay 42

3.2 Gi i pháp đề xuất và hiệu qu c a áp dụng mư hóa H.265/HEVC 44

3.2.1 Gi i pháp đề xuất 44

3.2.2 Hiệu qu đ t đ ợc 45

3.3 Xây dựng hệ thống DVB-T2 trên kỹ thuật mư hóa H.265/HEVC 46

3.3.1 Mô hình tr m phát sóng DVB-T2 sử dụng H.265/HEVC 46

3.3.2 Một số thiết bị mư hóa nguồn sử dụng mư HEVC 48

3.4 Phân tích, so sánh đánh giá khách quan kết qu ng dụng 48

3.4.1 Thiết lập các điều kiện để thực hiện 48

3.4.2 Phân tích kết qu đánh giá khách quan 52

3.5 Kết qu ng dụng mô hình DVB-T2 với H.265/HEVC trong thực tế 61

3.5.1 Thiết bị và mô hình thử nghiệm 61

3.5.2 Tín hiệu vào kiểm tra 62

3.5.3 Thiết lập cấu hình 62

3.5.4 Kết qu thử nghiệm và nhận xét 63

K TăLU NăVĨăKI NăNGH 65 DANHăM CăTĨIăLI UăTHAMăKH O

QUY TăĐ NHăGIAOăĐ ăTĨIăLU NăVĔNă(B năsao)

DANHăM CăCÁCăKụăHI U,ăCÁCăCH ăVI TăT T

AMP : Đa xử lý không đối x ng

Asymmetric motion partition AMVP : Dự đoán vecto chuyển động nâng cao

Context-adaptive Variable Length Coding

Coding Block

Coding Tree Block

Coding Tree Unit

Coding Unit

Discrete Cosine Transform

Deblocking filter DST : Biến đổi sin r i r c

Discrete Sine Transform DVB-T2 : Chuẩn truyền hình số thế hệ 2

EPZS : Tìm kiếm khu vực dự đoán nâng cao

Enhanced predictive zonal search

Group Of Pictures HDTV : Truyền hình độ phân gi i cao

high-definition television HEVC : Mư hóa video hiệu suất cao

High Efficiency Video Coding

Loop filtering

Mean Opinion Score MPEG : Nhóm chuyên gia về nh động

Moving Picture Experts Group

Motion vectors NAL : Lớp trừu t ợng mư hóa m ng

Network Abstract Layer

Transform Block TCOEFF : Hệ số chuyển đổi

Transform domain coefficients

Transform Unit UHDTV : Truyền hình độ phân gi i siêu cao

Ultra high-definition television

Video Coding Layer

Wave-front Parallel Processing

DANH M C CÁC B NG

S ăhi uă

2.3 Kích th ớc nhóm l ỡng tử hóa cho kích th ớc CTU khác nhau 282.4 Giá trị EdgeIdx đ ợc liệt kê trong bộ lọc SAO edge 352.5 So sánh kỹ thuật dự đoán trong nh H.264/AVC và H.265/HEVC 37

2.6 Kích th ớc khối bù chuyển động trong H.265/HEVC và

2.7 B ng tóm tắt so sánh một số kỹ thuật mư hóa H.265/HEVC và

3.2 Thông số bitrate ch ơng trình máy phát số DVB-T2 44

3.3 So sánh Bitrate ch ơng trình HD máy phát số DVB-T2 Qu ng

3.4 Thiết lâp cấu hình hai bộ mư hóa tham chiếu HM 16.7 và JM 19 49

3.8 B ng kết qu mư hóa LDB video lo i A (1080p) 58

3.10 Tổng hợp kết qu l ợng tiết kiệm bit trong hai lo i mư hóa 60

3.12 Mô hình thiết lập thử nghiệm đối với máy phát số mặt đất 623.13 Kết qu cấu hình 1 thu đ ợc từ thiết bị đo R&S EFL340 633.14 Kết qu cấu hình 2 thu đ ợc từ thiết bị đo R&S EFL340 63

DANHăM C CÁC HÌNH

S ăhi uă

2.9 Phân vùng hình nh thành nhiều macro 16x16 và CTU 64x64 252.10 Ví dụ về phân vùng CTU theo th tự chiều sâu 26

2.12 Mối quan hệ giữa CU, PU và TU trong H.265/HEVC 27

2.13 Sơ đồ tổng quát biến đổi và l ợng tử hóa block video (a) Encoder,

2.15 I_PCM, lossless and transform skip modes in decoder 302.16 Cấu trúc khối PU và các pixel lân cận sử dụng để dự đoán 31

2.18 Sơ đồ tổng quát dự đoán inter trong H.265/HEVC 32

2.19 CU đ ợc mư hóa Inter có thể sử dụng phân chia chuyển động đối

2.20 Ví dụ minh họa về hình nh tr ớc và sau khi qua bộ lọc SAOS 34

3.2 Lộ trình phát triển công nghệ cốt lõi c a truyền hình số mặt đất 45

3.3 Sơ đồ tổng quát nâng cấp tr m phát sóng DVB-T2 sử dụng mư hóa

3.6 Cấu trúc dự đoán Low-delay P và Low-delay B 51

3.11 Mô hình Thử nghiệm phát sóng số mặt đất DVB-T2 sử dụng mư

MỞăĐ U

1.ăLýădoăch năđ ătƠi

Trong những năm gần đây khi mà lĩnh vực công nghệ và truyền thông ngày càng phát triển, với sự phát triển m nh c a Internet toàn cầu thì việc truyền t i và l u trữ video cũng ngày càng tr nên phổ biến hơn giúp cho việc phát triển c a dịch vụ truyền hình công nghệ số với nhiều u điểm v ợt trội về số l ợng ch ơng trình, chất l ợng tín hiệu, hiệu qu kỹ thuật và kinh tế đang nhanh chóng chiếm lĩnh thị tr ng, thay thế dần kỹ thuật t ơng tự truyền thống

Các kỹ thuật mư hóa nén video đư đ ợc phát triển và c i thiện trong nhiều thập

kỷ để gi m thiểu dung l ợng video, giúp cho việc truyền dẫn video qua m ng truyền thông đơn gi n hơn Hiện nay, H.264/AVC là tiêu chuẩn nén mư hóa video đ ợc sử dụng phổ biến trên toàn thế giới Tuy nhiên nhu cầu về video chất l ợng cao hơn, tốc

độ khung hình cao hơn thì H.264/AVC vẫn ch a có kh năng nén tốt nhất Vì vậy một chuẩn nén video mới H.265/HEVC đư đ ợc phát triển, không chỉ có kh năng mư hóa tốt mà còn có độ phân gi i cao và gi m đ ợc dung l ợng video mư hóa một nữa so với chuẩn nén H.264/AVC

Tìm hiểu lịch sử phát triển c a chuẩn nén H.265/HEVC và các s n phẩm liên quan đến chuẩn nén này, điều này nói lên tính kh năng thay thế trong t ơng lai đối với chuẩn nén tiền nhiệm H.264/AVC Phân tích cơ b n các khâu quan trọng trong kỹ thuật nén tín hiệu video H.265/HEVC trên cơ s vừa phân tích vừa so sánh với chuẩn nén tiền nhiệm H.264/AVC Việc phân tích và so sánh chuẩn nén H.264/AVC và H.265/HEVC để thấy rõ các điểm nổi trội hơn c a chuẩn nén và những c i tiến mới

c a chuẩn nén mới, là nền t ng trong phân tích phân tích đánh giá và so sánh thấy rõ ràng hơn Dựa trên cơ s h tầng c a hệ thống DVB-T2 phát sóng số mặt đất đang sử dụng chuẩn nén H.264/AVC, xây dựng mô hình nâng cấp thay thế bằng chuẩn nén mới H.265/HEVC vào trong hệ thống truyền hình số sẵn có t i Đài phát thanh và truyền hình Qu ng Ngưi hiện nay theo h ớng: Tăng l ợng ch ơng trình, gi m dung l ợng l u trữ, tiết kiệm chi phí trong công tác truyền dẫn và nâng cấp mư không nh h ng đến quy ho ch ph sóng số đư đặt ra Đây là lý do luận văn tập trung nghiên c u

2.ăM căđíchănghiênăc u

Đề tài tập trung nghiên c u các vấn đề sau:

 Phân tích đánh giá kỹ thuật nén video và chuẩn nén H.265/ HEVC

So sánh với chuẩn nén video H.264/AVC, đ a ra những u điểm c a chuẩn nén

H.265/HEVC

 ng dụng H.265/HEVC xây dựng mô hình truyền dẫn tín hiệu video HDTV trong truyền hình số mặt đất DVB-T2 và đánh giá chất l ợng video thu

đ ợc qua hệ thống

3.ăĐ iăt ngăvƠăph măviănghiênăc u

 Các chuẩn nén video và chuẩn nén H.265/HEVC, so sánh chuẩn nén H.265/HEVC với chuẩn nén H.264/AVC đang sử dụng hiện nay

 Chuẩn nén video H.265/HEVC trong hệ thống truyền hình số mặt đất T2 t i Đài phát thanh và truyền hình Qu ng Ngưi

DVB- Đánh giá kết qu ng dụng

 Đánh giá chất l ợng hình nh thu đ ợc

4.ăPh ngăphápănghiênăc u

Với các mục tiêu trên ph ơng pháp nghiên c u là kết hợp ph ơng pháp nghiên

c u lý thuyết và ph ơng pháp nghiên c u thực nghiệm để thực hiện đề tài theo các

b ớc sau:

 Nghiên c u lý thuyết các kỹ thuật mư hóa và gi i mư các lo i tín hiệu video

 Phân tích và so sánh với chuẩn nén H.264/AVC và đ a ra những u điểm

c a chuẩn nén H.265/HEVC

 ng dụng kỹ thuật nén H.265/HEVC xây dựng mô hình truyền dẫn tín hiệu video độ phân gi i cao qua hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2

5.ăụănghƿaăkhoaăh căvƠăth căti năc aăđ ătƠiănghiênăc u

Ngày nay các kỷ thuật mư hóa nén video đư đ ợc phát triển và c i thiện trong nhiều thập kỷ qua để khắc phục vấn đề này, gi m thiểu dung l ợng video, giúp cho việc truyền dẫn qua m ng đơn gi n hơn H.264/AVC là chuẩn nén tiên tiến đang sử dụng phổ biến n ớc ta hiện nay Tuy nhiên, nhu cầu chất l ợng video ngày càng cao, tốc độ khung hình cao hơn, chẳng h n nh video HD, UltraHD, 4K và 8K thì chuẩn

nén H.264/AVC vẫn ch a hiệu qu Vì vậy, một chuẩn nén video mới đư đ ợc phát triển, nó không chỉ cung cấp mư hóa tốt video độ phân gi i cao mà còn gi m 50% dung l ợng so với chuẩn nén H.264/AVC

Việc phân tích đánh giá chuẩn nén H.265/HEVC có ý nghĩa quan trọng giúp chúng ta gi m băng thông truyền phát video HD, Ultra-HD (4K, 8K) qua m ng

internet, qua vệ tinh và qua các dịch vụ truyền hình tr tiền, gi m dung l ợng l u trữ

và tăng l ợng ch ơng trình, tiết kiệm chi phí trong công tác truyền dẫn tín hiệu truyền

hình t i Đài phát thanh và truyền hình Qu ng Ngưi hiện nay

6.ăB ăc călu năvĕn

CH NGă1ă- T NGăQUANăV ăTRUY NăHỊNHăS ăVĨăC ăSỞăNÉN

Ch ơng này giới thiệu nền t ng c a truyền hình số và nén tín hiệu video đồng

th i giới thiệu tổng quát hệ thống truyền hình số mặt đất đang ng dụng rộng rưi t i Việt Nam là DVB-T2

1.1.T ngăquanăv ăh ăth ngătruy năhìnhăs

2.1.ăNénătínăhi uăvideo

3.1.ăMôăhìnhăc uătrúcăDVB-T2

Kết luận ch ơng 1

CH NGă2ă- CÁCăK ăTHU TăMẩăHịAăVIDEO

Ch ơng này tìm hiểu lịch sử phát triển c a chuẩn H.265/HEVC và các s n phẩm liên quan đến chuẩn nén này, điều này nói lên tính kh năng thay thế trong t ơng lai đối với chuẩn nén tiền nhiệm H.264/AVC Đồng th i đư tập trung tìm hiểu và phân tích cơ b n các khâu quan trọng trong kỹ thuật nén tín hiệu video H.265/HEVC trên cơ

s vừa phân tích vừa so sánh với chuẩn nén H.264/AVC Việc phân tích và so sánh chuẩn nén H.264/AVC và H.265/HEVC để thấy rõ các điểm nổi trội c a chuẩn nén và những c i tiến mới c a chuẩn nén mới H.265/HEVC

2 1.ă L chă s ă phátă triểnă cácă chu nă nénă vƠă s ă phátă triểnă cácă s nă ph mă liênă quanăđ nămưăhóaăH.265/HEVC

2.2.ăK ăthu tămưăhóaăvideoăH.264/AVC

2.3.ăK ăthu tămưăhóaăvideoăH.265/HEVC

2.4.ăSoăsánh,ăđánhăgiáănh ngăđặcăđiểmăc ăb năH.264ăvƠăH.256

Kết luận ch ơng 2

CH NGă3ă- NGăD NGăK ăTHU TăMÃ HÓA H.265/HEVC

XÂYăD NGăH ăTH NGăTRUY NăHỊNHăS

Dựa trên cơ s h tầng sẵn có c a hệ thống DVB-T2 phát sóng số mặt đất đang

sử dụng chuẩn nén H.264/AVC, xây dựng mô hình nâng cấp thay thế bằng chuẩn nén mới H.265/HEVC vào trong hệ thống sẵn có t i Đài phát thanh và truyền hình Qu ng

Ngãi

3.1 H ăth ngătruy năd năs ămặtăđ tăDVB-T2ăhi nănay

3.2 Xơyăd ngăh ăth ngăDVB-T2ătrênăk ăthu tămưăhóaăH.265/HEVC

3.3 Phơnătích,ăsoăsánhăđánhăgiáăk tăqu ă ngăd ng

Kết luận ch ơng 3

CH NGă1ă

T NGăQUANăV ăTRUY NăHỊNHăS ăVĨăC ăSỞăNÉNăVIDEO

1.1 T ngăquanăv ăh ăth ngătruy năhìnhăs

1.1.1 Giới thiệu chung

Ngày nay, công nghệ kỹ thuật số ngày càng thâm nhập sâu vào trong nhiều lĩnh vực c a cuộc sống, nhiều ho t động c a con ng i sẽ không tồn t i nếu không có kỹ thuật số và sự phát triển v ợt bậc c a nó nh hiện nay Kỹ thuật xử lý tín hiệu số và các thuật toán nén tín hiệu hình nh ra đ i đư làm xuất hiện kỹ thuật truyền hình số

Kỹ thuật truyền hình số ra đ i đư gi i quyết yêu cầu trên một cách triệt để Nh ta đư biết độ rộng băng tần c a một kênh truyền hình t ơng tự là 8 MHz, với băng tần này ta

có thể truyền một vài ch ơng trình truyền hình số có nén bằng cách thực hiện ghép kênh và điều chế số chúng.Truyền hình số là tên gọi một hệ thống truyền hình mà tất

c các thiết bị kỹ thuật từ Studio cho đến máy thu đều làm việc theo nguyên lí kỹ thuật

số Trong đó, một hình nh quang học do camera thu đ ợc qua hệ thống ống kính, thay

vì nó đ ợc biến đổi thành tín hiệu điện biến thiên t ơng tự nh hình nh quang học (c

về độ chói và màu sắc), nó sẽ đ ợc biến đổi thành một dưy tín hiệu nhị phân (dưy các

số 0 và 1) nh quá trình biến đổi t ơng tự sang số Dưy tín hiệu này qua nhiều b ớc biến đổi nh kỹ thuật nén để làm gi m tốc độ bit tới giá trị phù hợp với độ rộng kênh truyền Sau đó qua các b ớc xử lí, điều chế số để có thể phát đi trên một ph ơng th c truyền dẫn nh cáp quang, vệ tinh hay phát trên mặt đất.Và bên thu thực hiện quá trình

ng ợc l i để khôi phục l i tín hiệu hình nh ban đầu

Mặt khác truyền hình số tiết kiệm đ ợc phổ tần nh sử dụng các kỹ thuật nén băng tần, tỉ lệ nén cao mà hầu nh ng i xem không nhận biết đ ợc sự suy gi m chất

l ợng Từ đó có thể thấy đ ợc nhiều ch ơng trình trên một kênh sóng, trong khi truyền hình t ơng tự mỗi ch ơng trình ph i dùng một kênh sóng riêng Ngoài ra còn

có kh năng truyền hình đa ph ơng tiện, t o ra lo i hình thông tin hai chiều, dịch vụ

t ơng tác, thông tin giao dịch giữa điểm và điểm Do sự phát triển c a công nghệ truyền hình số, các dịch vụ t ơng tác này ngày càng phong phú đa d ng và ngày càng

m rộng Trong đó có sự kết hợp giữa máy thu hình và hệ thống máy tính, truyền hình

từ ph ơng tiện thông tin đ i chúng tr thành thông tin cá nhân

1.1.2 Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình số

Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình số

Bộ biến đổi tín hiệu t ơng tự thành tín hiệu số (A/D) sẽ biến đổi tín hiệu truyền hình t ơng tự thành tín hiệu truyền hình số, các tham số và đặc tr ng c a tín hiệu này

đ ợc xác định từ hệ thống truyền hình đ ợc lựa chọn, tín hiệu truyền số t i đầu ra bộ chuyển đổi A/D đ ợc đ a đến bộ mư hóa nguồn, t i đây tín hiệu truyền hình số có tốc

độ dòng bit cao sẽ đ ợc nén thành dòng bít có tốc độ thấp hơn phù hợp cho từng ng dụng Dòng bit t i đầu ra bộ mư hóa nguồn đ ợc đ a đến thiết bị phát (mư hóa kênh thông tin và điều chế tín hiệu) truyền đến thu qua kênh thông tin

1.1.3 Đặc điểm truyền hình số

Đặc điểm c a truyền hình số đ ợc xem xét thông qua các u nh ợc điểm c a nó,

vì nó gi i thích lý do c a việc cần thiết ph i thay thế truyền hình t ơng tự sang truyền hình số, những đặc điểm d ới đây chính là tính u việt c a truyền hình số so với truyền hình t ơng tự, bao gồm:

Có thể tiến hành rất nhiều quá trình xử lý trong Studio (trung tâm truyền hình)

mà tỷ số S/N không gi m Trong truyền hình t ơng tự thì việc này gây méo tích luỹ (mỗi khâu xử lý đều gây méo)

Thuận lợi cho quá trình ghi, đọc: có thể ghi đọc nhiều lần mà chất l ợng không

bị gi m

Dễ sử dụng thiết bị tự động kiểm tra và điều khiển nh máy tính

Có kh năng l u tín hiệu số trong các bộ nhớ có cấu trúc đơn gi n và sau đó đọc

Biến đổi A/D

Mã hóa nguồn Mã hóa kênh

Điều chế

số

Biến đổi D/A

Gi i mư hóa nguồn

Thiết bị phát

Gi i điều chế số

Gi i mư hóa kênh Thiết bị thu

Tín hiệu

t ruyền hình

Tín hiệu

truyền hình

Các thiết bị số làm việc ổn định, vận hành dễ dàng và không cần điều chỉnh các thiết bị trong khi khai thác.Có kh năng xử lý nhiều lần đồng th i một số tín hiệu (nh ghép kênh phân chia theo th i gian)

Có kh năng thu tốt trong truyền sóng đa đ ng Hiện t ợng bóng ma th ng

x y ra trong hệ thống truyền hình t ơng tự do tín hiệu truyền đến máy thu theo nhiều

đ ng Việc tránh nhiễu đồng kênh trong hệ thống thông tin số cũng làm gi m đi hiện

t ợng này trong truyền hình qu ng bá

Có kh năng truyền hình đa ph ơng tiện, t o ra lo i hình thông tin hai chiều, dịch

vụ t ơng tác, thông tin giao dịch giữa điểm và điểm Do sự phát triển c a công nghệ truyền hình số, các dịch vụ t ơng tác này ngày càng phong phú đa d ng và ngày càng

m rộng Trong đó có sự kết hợp giữa máy thu hình và hệ thống máy tính, truyền hình

từ ph ơng tiện thông tin đ i chúng tr thành thông tin cá nhân

1.1.4 Quá trình số hóa tín hiệu

Quá trình số hoá tín hiệu t ơng tự, bao gồm quá trình lọc tr ớc lấy mẫu, l ợng tử

và mư hoá Quá trình lọc tr ớc nhằm lo i bỏ các tần số không cần thiết tín hiệu cũng

nh nhiễu, bộ lọc này còn gọi là bộ lọc chống nhiễu xuyên kênh Aliasing

Lấy mẫu

Lấy mẫu tín hiệu t ơng tự là quá trình r i r c hóa theo th i gian bằng tần số lấy mẫu fs Nó t o ra giá trị tín hiệu t ơng tự t i một số hữu h n các giá trị có biến r i r c gọi là các mẫu Các mẫu đ ợc lấy cách đều nhau gọi là chu kỳ lấy mẫu Tần số lấy mẫu ph i tho mưn định lý Nyquist-Shannon :

max

2 f

Trong đó: + fslà tần số lấy mẫu

+ fmaxlà tần số cực đ i c a tín hiệu t ơng tự

Lượng tử hóa

Trong quá trình này biên độ tín hiệu đ ợc chia thành các m c gọi là m c l ợng

tử Kho ng cách giữa hai m c kề nhau gọi là b ớc l ợng tử Các mẫu có đ ợc từ quá trình lấy mẫu sẽ có biên độ bằng m c l ợng tử

Số m c l ợng tử N đ ợc biểu diễn: N= 2n, Trong đó n là số bit biểu diễn mỗi mẫu Tín hiệu số nhận đ ợc là một giá trị xấp xỉ c a tín hiệu ban đầu, nguyên nhân do quá trình l ợng tử hóa xác định các giá trị số r i r c cho mỗi mẫu Tất c các giá trị biên độ nằm trong ph m vi giới h n c a một m c l ợng tử đều đ ợc thiết lập một giá trị nh nhau

L ợng tử hóa có hai lo i:

- L ợng tử tuyến tính: có các b ớc l ợng tử bằng nhau

- L ợng tử phi tuyến: có các b ớc l ợng tử khác nhau

Quá trình l ợng tử sẽ gây ra sai số gọi là sai số l ợng tử, sai số l ợng tử là nguồn nhiễu không tránh khỏi trong hệ thống số Các giá trị l ợng tử có thể ch a sai số trong

hỏi kênh truyền rộng

Các mư sử dụng trong truyền hình số có thể chia thành 4 nhóm:

- Các mư để mư hóa tín hiệu truyền hình

- Các mư để truyền có hiệu qu theo kênh thông tin

- Các mư thuận tiện cho việc gi i mư và đồng bộ bên thu

- Các mư để xử lý số tín hiệu trong các bộ phận khác nhau c a hệ thống truyền

hình số

1.1.5 Tốc độ bit và độ rộng băng thông

Tốc độ bit: Tốc độ bit là số l ợng bit đ ợc truyền đi hay l u trữ trong một đơn vị

th i gian

n f

Trong đó : +f slà tần số lấy mẫu (Hz)

+ n là số bit nhị phân trong một ký hiệu

+ C là tốc độ bit (bits/s)

Dung l ợng kênh truyền tín hiệu số: Là tốc độ số liệu cực đ i có thể truyền đ ợc trên kênh truyền có độ rộng băng tần B

) 1 ( log 2

N S B

Trong đó: + Cb: Dung l ợng kênh truyền tín hiệu số

+

N

S : là tỷ số tín hiệu trên nhiễu trắng

+ B : là băng thông kênh truyền (Hz)

Tốc độ bit càng lớn thì tín hiệu t ơng tự khôi phục l i càng trung thực tuy nhiên

nó sẽ là cho dung l ợng l u trữ và băng thông kênh truyền càng lớn Trong thực tế để truyền tín hiệu có tốc độ bit là C (bits/s) thì cần băng thông kênh truyền

1.1.6 Quá trình biến đổi và tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu màu

Một b c nh đ ợc chuyển từ RGB sang YUV nhằm gi m dung l ợng l u trữ cũng nh truyền đi, trong quá trình gi i mư, tr ớc khi hiển thị nh thì nó đ ợc biến đổi

ng ợc l i thành RGB

Hình 1 2 Quá trình biến đổi tín hiệu màu

Công th c minh họa quá trình biến đổi nh sau:

) ( 1

5 0

) ( 1

5 0

) 1

(

Y R k C

Y B k C

B k G k k R

k Y

r r

b b

b r

b r

Trong đó: Y-chói và 2 tín hiệu thành phần màu Cr và Cb

Với k b  k r  k g  1, kb = 0.114, kr = 0.299, khi thế vào công th c (1.4) thì ta đ ợc:

BG

RY

RC

BG

RY

BC

BG

RY

r

b

081.0419.05.0)(299.01

5.0

5.0331.0169.0)(114.01

5.0

114.0587.0299.0

CbY

081.0419.05

.0

5.0331.0169.0

114.0587.0299

.0

GR

0772.11

714.0344.01

402.10

1

Có nhiều kiểu lấy mẫu tín hiệu video số thành phần, điểm khác nhau ch yếu tỷ

lệ giữa tần số lấy mẫu và ph ơng pháp lấy mẫu tín hiệu chói và các tín hiệu màu, trong

R, G, B

đó bao gồm: Tiêu chuẩn 4:4:4; 4:2:2; 4:2:0; 4:2:1 Các định d ng số video có nén chỉ lấy mẫu tích cực c a video

- Tiêu chuẩn lấy mẫu 4:1:1 - tần số lấy mẫu tín hiệu chói là 13,5MHz, và mỗi tín hiệu hiệu màu là 3,375MHz

- Tiêu chuẩn lấy mẫu 4:2:2 - tần số lấy mẫu tín hiệu chói là 13,5MHz, và mỗi tín hiệu hiệu màu là 6,75MHz

- Tiêu chuẩn lấy mẫu 4:4:4 - c 3 thành phần có cùng độ phân gi i, nghĩa là tần

số lấy mẫu tín hiệu chói là 13,5MHz, và mỗi tín hiệu hiệu màu là 13,5MHz

- Tiêu chuẩn lấy mẫu 4:2:0 - là kiểu phổ biến, tần số lấy mẫu tín hiệu chói là 13,5MHz, và mỗi tín hiệu hiệu màu là 6,75MHz theo c 2 chiều [1]

1.2 Nénătínăhi uăvideo

1.2.1 Các kỹ thuật nén tín hiệu video

Tín hiệu video th ng ch a đựng một l ợng lớn các thông tin d thừa, chúng

Có sự d thừa thông tin về phổ: giữa các mẫu c a các dữ liệu thu đ ợc từ các bộ

c m biến trong camera, máy quay…

Có sự d thừa do thống kê: do b n thân c a các ký hiệu xuất hiện trong dòng bit với các xác suất xuất hiện không đồng đều

Có sự d thừa tâm thị giác: thông tin không phù hợp với hệ thống thị giác con

ng i, những tần số quá cao so với c m nhận c a mắt ng i

u điểm c a việc nén tín hiệu:

Tiết kiệm băng thông kênh truyền (trong th i gian thực hoặc nhanh hơn)

Kéo dài th i gian sử dụng c a thiết bị l u trữ, gi m chi phí đầu t thiết bị l u trữ

Gi m dung l ợng thông tin mà không làm mất tính trung thực c a hình nh

Có nhiều ph ơng pháp nén tín hiệu, ph ơng pháp nén bằng cách số hóa tín hiệu vẫn tỏ ra hữu hiệu trong mọi th i đ i, một mặt nó có thể làm gi m l ợng thông tin không quan trọng một cách đáng kể, mặt khác nó còn giúp cho tín hiệu đ ợc

%100.1

1

2 1 1

n

nnn

Nếu n1 = n2 thì ta có Cn =1, và R = 0 nghĩa là không có sự d thừa dữ liệu

Nếu n2 << n1 thì Cn , R , ta nói rằng có sự d thừa dữ liệu lớn 1

1.2.3 Phân loại kỹ thuật nén tín hiệu video

Nén video đ ợc chia thành hai họ lớn: Nén không tổn hao và nén tổn hao

Nén không tổn hao là quy trình biểu diễn các ký hiệu trong dòng bit nguồn thành dòng các từ mư sao cho nh đ ợc khôi phục hoàn toàn giống nh gốc, các thuật toán chỉ phụ thuộc vào cách thống kê nội dung dữ liệu và th ng dựa trên việc thay thế một nhóm các ký tự trùng lặp b i một nhóm các ký tự đặc biệt khác ngắn hơn mà không quan tâm đến ý nghĩa c a dòng bit dữ liệu, nên đòi hỏi ph i có thiết bị l u trữ và

đ ng truyền lớn hơn

Nén có tổn hao, t c là nh đ ợc khôi phục không hoàn toàn giống nh gốc, d ng nén này thích hợp cho việc l u trữ và truyền nh tĩnh, nh video qua một m ng có băng thông h n chế Các d ng nén này th ng có hệ số nén cao hơn (từ 2:1 đến 100:1)

và gây nên tổn hao dữ liệu và sự suy gi m nh sau khi gi i nén do việc xóa và làm tròn

dữ liệu trong một khung hay giữa các khung

Trong thực tế ph ơng pháp nén tổn hao th ng đ ợc sử dụng nhiều hơn và các

kỹ thuật nén tổn hao th ng sử dụng nh : mư hóa vi sai, biến đổi cosin r i r c DCT,

l ợng tử vô h ớng, quét zig-zag, mư hóa Entropy…

1.2.4 Biến đổi cosin rời rạc

Nhằm biến đổi các hệ số trong miền th i gian (video số), không gian 2D (b c

nh tĩnh) thành các hệ số trong miền tần số Các hệ số này ít t ơng quan hơn có phổ năng l ợng tập trung hơn, thuận tiện cho việc lo i bỏ thông tin d thừa

Phép biến đổi DCT ho t động dựa trên cơ s ma trận vuông c a mẫu sai số dự đoán, kết qu cho ta một ma trận Y là những hệ số DCT đ ợc minh họa nh sau:

Trong đó A là ma trận hệ số biến đổi, các thành phần c a A nh sau:

N

ijC

Ai j i

2

)12(cos

N C

0 1

0 , ,

2

) 1 2 ( 2

) 1 2 (

N

i N

J j y

x y x

N

x i Cos N

y j Cos X C

C

Phép biến đổi DCT nguyên 4x4 c a chuỗi ngõ vào X đ ợc cho b i công th c:

1 8

15 cos 2

1 8

9 cos 2

1 8

3 cos 2 1

8

14 cos 2

1 8

10 cos 2

1 8

6 cos 2

1 8

2 cos 2 1

8

7 cos 2

1 8

5 cos 2

1 8

3 cos 2

1 8

cos 2 1

0 cos 2

1 0

cos 2

1 0

cos 2

1 0

cos 2 1

0

, ,

2

) 1 2 ( 2

) 1 2 (

N

x N

y

y x y x j

i

N

x i Cos N

y j Cos Y C C

1.2.5 Quá trình lượng tử hóa

Sau khi thực hiện biến đối DCT, các hệ số sẽ đ ợc l ợng tử hoá dựa trên một

b ng l ợng tử Q(u,v) với 0≤u, v≤ n-1, n là kích th ớc khối B ng này đ ợc định nghĩa

b i từng ng dụng cụ thể, các phần tử trong b ng l ợng tử có giá trị từ 1 đến 255 đ ợc gọi là các b ớc nh y cho các hệ số DCT Quá trình l ợng tử đ ợc coi nh là việc chia các hệ số DCT cho b ớc nh y l ợng tử t ơng ng, kết qu này sau đó sẽ đ ợc làm tròn xuống số nguyên gần nhất Các hệ số năng l ợng thấp này, t ợng tr ng cho các

sự thay đổi pixel - pixel cỡ nhỏ, có thể bị xóa mà không nh h ng đến độ phân gi i

c a nh phục hồi T i bộ mư hoá sẽ có một b ng mư và b ng các chỉ số nội bộ, từ đó

có thể ánh x các tín hiệu ngõ vào để chọn đ ợc các từ mư t ơng ng một cách tốt nhất cho tập hợp các hệ số đ ợc t o ra và có 2 lo i l ợng tử hóa ch yếu

Lượng tử vô hướng: Là thực hiện biến đổi một giá trị c a tín hiệu vào X thành

một tập các giá trị đư đ ợc l ợng tử cho tín hiệu ra Y Mô t c a l ợng tử vô h ớng là

sự làm tròn c a một số thực tới số nguyên gần nhất với nó Quá trình l ợng tử vô

h ớng sẽ làm mất mát thông tin vì giá trị sau khi đ ợc l ợng tử không thể khôi phục

về giá trị ban đầu

Công th c tính l ợng tử vô h ớng:

Qcoeff = round (coeff / Qstep) (1.8)

Với: coeff: ma trận các giá trị tr ớc khi l ợng tử

Qcoeff: tập các giá trị sau khi l ợng tử

Qstep: b ớc l ợng tử

Trong nén và gi i nén video, quá trình l ợng tử vô h ớng đ ợc chia thành 2 b ớc:

L ợng tử xuôi FQ (Forward Quantiser) t i bộ nén còn gọi là ‘scaled’

L ợng tử ng ợc IQ (Inverse Quantiser) t i bộ gi i nén còn gọi là ‘rescaled’

Dữ liệu xuất c a quá trình l ợng tử xuôi FQ là một m ng các hệ số đư đ ợc

l ợng tử hóa, trong đó phần lớn là các giá trị 0

Lượng tử vector:Là một quá trình biểu diễn một tập vector (mỗi vector gồm

nhiều giá trị) bằng một tập các số hữu h n các ký hiệu ngõ ra, b ng mư ánh x sẽ có các giá trị xấp xỉ với giá trị gốc

1.2.6 Tiêu chuẩn đánh giá tín hiệu video

Để đánh giá chất l ợng c a b c nh (hay khung nh video) đầu ra c a bộ mư hoá, ng i ta th ng sử dụng các tham số truyền thống sau để đánh giá:

Sai số bình ph ơng trung bình (mean square error– MSE) định nghĩa cho c ng

độ sai khác giữa nh gốc và nh dự đoán

i

R C N

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu đỉnh (peak to signal to noise ratio– PSNR)

MSEPSNR

b 2 10

)12(log

PSNR < 30 dB thì chất l ợng nh nén kém

1.3 Môăhìnhăc uătrúcăDVB-T2

Hình 1 3 Mô hình cấu trúc cơ bản DVB-T2 [21]

DVB-T2 là tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất cho thế hệ th 2, là thành qu nghiên c u c a nhiều nhà khoa học thuộc tổ ch c DVB (Digital Video Broadcasting) trong suốt 3 năm (2006-2009) DVB-T2 cho phép tăng dung l ợng dữ liệu trên kênh

truyền (30%) và độ tin cậy trong môi tr ng truyền sóng trên mặt đất DVB-T2 ch yếu dành cho truyền hình số có độ phân gi i cao HDTV

DVB-T2 ph i kế thừa những gi i pháp đư tồn t i trong các tiêu chuẩn DVB khác

DVB-T2 kế thừa 2 gi i pháp kỹ thuật có quan trọng c a DVB-S2, cụ thể:

Cấu trúc phân cấp trong DVB-S2, đóng gói dữ liệu trong khung BB (Base Band Frame) và Sử dụng mư sửa sai LDPC (Low Density Parity Check)

Mục tiêu ch yếu c a DVB-T2 là dành cho các đầu thu cố định và di chuyển, cho phép sử dụng đ ợc các anten thu hiện đang tồn t i mỗi gia đình và sử dụng l i các cơ

s anten phát hiện có

Trong cùng một điều kiện truyền sóng, DVB-T2 ph i đ t đ ợc dung l ợng cao hơn thế hệ đầu (DVB-T) ít nhất 30%

DVB-T2 ph i đ t đ ợc hiệu qu cao hơn DVB-T trong m ng đơn tần SFN

(Single Frequency Network)

SS1: Mã hóa và ghép kênh

Khối SS1 có ch c năng mư hóa tín hiệu video/audio cùng các tín hiệu phụ trợ kèm theo nh PSI/SI hoặc tín hiệu báo hiệu lớp 2 (L2 Signalling) với công cụ điều khiển chung nhằm đ m b o tốc độ bit không đổi đối với tất c các dòng bit Khối này

có ch c năng hoàn toàn giống nhau đối với tất c các tiêu chuẩn c a DVB Đầu ra c a khối là dòng truyển t i MPEG-2TS (MPEG - 2 Transport Stream)

SS2: Basic T2 – Gateway

Đầu ra c a khối SS2 là dòng T2 - MI Mỗi gói T2-MI bao gồm Baseband Frame,

IQ Vector hoặc thông tin báo hiệu (LI hoặc SFN) Dòng T2-MI ch a mọi thông tin liên quan đến T2-FRAME Mỗi dòng T2-MI có thể đ ợc cung cấp cho một hoặc một vài bộ điều chế trong hệ thống DVB-T2

SS3: Bộ điều chế DVB-T2 (DVB-T2 Modulator)

Bộ điều chế DVB-T2 sử dụng Baseband Frame và T2- Frame mang trong dòng

T2-MI đầu vào để t o ra DVB-T2 Frame

SS4: Giải điều chế DVB-T2 (DVB-T2 Demodulator)

Bộ gi i điều chế SS4 nhận tín hiệu cao tần (RF Signal) từ một hoặc nhiều máy

phát (SFN Network) và cho một dòng truyền t i (MPEG-TS) duy nhất t i đầu ra

SS5: Giải mã dòng truyền tải (Stream Decoder)

Bộ gi i mư SS5 nhận dòng truyền t i (MPEG-TS) t i đầu vào và cho tín hiệu video/audio t i đầu ra

Đối với các khối giao tiếp, các khung băng tầng cơ s DVB-T2 ( Baseband Frame) đóng gói các đầu vào hệ thống DVB-T2 (TS hoặc Generic Stream) Các khung băng tầng cơ s DVB-T2 này đ ợc vận chuyển trong giao tiếp điều chế DVB-T2 (T2-

MI) Ngoài các thông tin này, T2-MI cũng thu thập dữ liệu T2 khác:

Dữ liệu tín hiệu L1: Nó cho phép xây dựng các khung T2 theo modulator

Dữ liệu vector IQ: đối với bất kỳ luồng phụ trợ

Dấu th i gian DVB-T2: cho các sự cố đồng bộ

Dữ liệu Khung Khung M rộng trong t ơng lai (FEF)

Hình 1 4 Khối giao thức T2-MI hệ thống DVB-T2 [21]

Đầu tiên, dữ liệu T2 đ ợc gói gọn thành các gói tin T2-MI, và sau đó các gói tin

T2-MI đ ợc gói gọn trong các gói truyền t i DVB/MPEG bằng cách sử dụng Data Piping Các gói DVB TS đ ợc vận chuyển tự nhiên qua bất kỳ giao diện truyền t i tiêu chuẩn DVB (ASI) Ngoài ra, nó có thể đ ợc đóng gói trong các gói tin qua m ng dựa

trên IP

K tălu năch ngă1

Ch ơng này trình bày một cách tổng quát về hệ thống truyền hình số, một số đặc

tr ng c a truyền hình số so với truyền hình t ơng tự, quá trình biến đổi và các tiêu chuẩn lấy mẫu, các kỹ thuật đ ợc sử dụng để xử lý tín hiệu video, các cơ s để đánh giá chất l ợng video sau quá trình mư hóa và gi i mư Đồng th i giới thiệu sơ đồ và cấu trúc cơ b n hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2, là cơ s trong việc ng dụng

kỹ thuật mư hóa video vào hệ thống truyền hình số cho ch ơng 2

CH NGă2ă CÁCăK ăTHU TăMẩăHịAăVIDEOă

2.1 L chăs ăphátătriểnăcácăchu nănénăvƠăs ăphátătriểnăcácăs năph măliênăquanăđ nă

Tiêu chuẩn H.264/AVC

H.264/MPEG-4 AVC đ ợc phát triển b i sự hợp tác c a VCEG ITU-T và ISO/IEC MPEG Đội dự án này đ ợc biết đến với cái tên Joint Video Team (JVT) Các tiêu chuẩn c a phiên b n đầu tiên c a H.264/ MPEG-4 AVC đ ợc hoàn thành tháng 5 năm 2003 Mục đích c a đội dự án JVT là t o ra một tiêu chuẩn nén có kh năng cung cấp chất l ợng hình nh tốt tốc độ bit thấp hơn đáng kể so với tiêu chuẩn

tr ớc đó Và cuối cùng sau đó H.264/MPEG-4 AVC cũng đ ợc t o ra và đư cung cấp đầy đ linh ho t các tính năng cần thiết để cho tiêu chuẩn này đ ợc áp dụng cho một

lo t các ng dụng trên một lo t các m ng và hệ thống Bên c nh đó H.264/AVC còn

đ ợc sử dụng trong truyền t i video chất l ợng cao nh trong các ch ơng trình phát

sóng HDTV: DVB-T, DVB-T2, DVB-C, DVB-S và DVB-S2 [4]

Tiêu chuẩn H.265/HEVC

Phiên b n chuẩn H.265/HEVC đầu tiên đ ợc phê chuẩn vào tháng 1/2013.HEVC

đ ợc nghiên c u và phát triển nhằm mục đích làm tăng gấp đôi hiệu qu mư hóa video

so với H.264/AVC đang tồn t i Mặc dù hiệu suất nén phụ thuộc vào nội dung, thiết lập bộ mư hóa, tuy nhiên cùng một m c độ chất l ợng video, HEVC có tỷ lệ nén dữ liệu gấp 2 lần so với H.264/AVC Hoặc có thể hiểu HEVC (H.265) đ ợc sử dụng để cung cấp chất l ợng hình nh đ ợc c i thiện đáng kể t i cùng một tốc độ bit Khi nén một file có kích th ớc hoặc tốc độ bit t ơng tự nh H.264/AVC thì H.265/HEVC cung cấp chất l ợng hình nh tốt hơn đáng kể

2.1.2 Quá trình sự phát triển các sản phẩm liên quan đến mã hóa H.265/HEVC

Sự phát triển và hình thành chuẩn H.265/HEVC có mối liên hệ đối với sự phát triển công nghệ, nhu cầu thị tr ng, đặc biết là nhu cầu nghe nhìn trong những năm gần đây, sự phát triển truyền hình HDTV, UHDTV Tháng 10 năm 2005 UHDTV

đ ợc đ a vào sử dụng đầu tiên t i b o tàng quốc gia Kyushu (Nhật B n)

Trongănĕmă2012

- 29/2/2012, t i Đ i hội di động thế giới 2012, Qualcomm trình diễn một bộ gi i

mư HEVC ch y trên một máy tính b ng Android, với một Qualcomm Snapdragon xử

lý lõi kép S4 tốc độ 1,5 GHz

- 24/4/2012, Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) đư giới thiệu công nghệ truyền hình độ nét siêu cao (UHDTV), một tiến bộ quan trọng trong công nghệ truyền Các nhà nghiên c u và các hưng đư bắt đầu quan tâm đến các độ phân gi i cao hơn 1080p

nh là độ phân gi i siêu nét UHDTV (còn đ ợc gọi với các tên khác nh SHV-Super

Hi-Vision, Extreme Definition Video, )

- 22/8/2012, Ericsson thông báo rằng bộ mư hóa HEVC đầu tiên c a thế giới,

Ericsson SVP 5500 Các Ericsson SVP 5500 HEVC mư hóa đ ợc thiết kế để mư hóa

th i gian thực c a video cho các thiết bị di động

- 06/9/2012, Tổng công ty Rovi thông báo rằng một Main Concept SDK-

Software Development Kit cho HEVC sẽ đ ợc phát hành vào đầu năm 2013 ngay sau khi HEVC đ ợc chính th c phê chuẩn Các HEVC MainConcept SDK bao gồm một

bộ gi i mư, mư hóa, và đa vận chuyển cho Microsoft Windows, Mac OS, Linux, iOS,

và Android

- 09/09/2012, ATEME ch ng minh t i triển lưm th ơng m i một bộ mư hóa HEVC với độ phân gi i 3840x2160p 60 fps

Trongănĕmă2013.ăPhiên b n chuẩn H.265/HEVC đầu tiên phê chuẩn vào1/2013

- 08/01/2013, Vanguard công bố sự sẵn có c a V.265, một phần mềm mư hóa chuyên nghiệp HEVC có kh năng hiệu suất th i gian thực

- 04/02/2013, NTT DoCoMo công bố bắt đầu từ tháng ba sẽ cấp giấy phép thực hiện các phần mềm gi i mư HEVC Trong một tài liệu JCT-VC NTT DoCoMo cho thấy bộ gi i mư phần mềm HEVC c a họ có thể gi i mư 3840×2160 60 fps

- 19/04/2013, SES công bố lần đầu tiên UltraHD sử dụng các tiêu chuẩn HEVC với độ phân gi i 3840×2160 và tốc độ bit 20 Mbp/s

- 09/05/2013, NHK và Mitsubishi Electric thông báo rằng họ đư cùng nhau phát triển bộ mư hóa HEVC đầu tiên cho 8K Ultra HDTV, còn đ ợc gọi là Super Hi-Vision (SHV) cho phép nó để mư hóa 10-bit video với độ phân gi i 7680×4320 60 fps

- 21/08/2013, Microsoft phát hành một DirectX Video Acceleration (DXVA) cho HEVC hỗ trợ hồ sơ cá nhân chính DXVA 2.0 ng dụng cho các ho t động: phân tích bitstream, deblocking, nghịch đ o l ợng tử m rộng quy mô, và bù chuyển động

- 11/09/2013, ViXS System công bố XCode 6400SoC hỗ trợ 4K 60 fps

- 29/10/2013, Elemental Technologies công bố hỗ trợ xử lý video th i gian thực

2.2.1 Sơ đồ mã hóa và giải mã chuẩn H.264/AVC

Hình 2 2 Sơ đồ khối của bộ mã hóa và giải mã MPEG-4 H.264/AVC [5]

Bộ mã hóa: Một b c nh đầu vào gồm có 3 thành phần màu cơ b n R, G, B, sẽ

đ ợc biến đổi thành Y, U, V sau đó nh sẽ đ ợc tách thành các khối MB có kích th ớc

N × N với N = 2, 4, 8, và 16 tùy thuộc vào độ ph c t p c a b c nh nh đầu tiên hoặc

điểm truy nhập ngẫu nhiên thì đ ợc mư hóa Intra, các nh còn l i c a dưy dùng dự đoán bù chuyển động từ các nh đư mư hóa tr ớc để mư hóa Inter Dữ liệu từ các MB cần đ ợc mư hóa sẽ đ ợc đ a đến bộ dự đoán chuyển động Tín hiệu sai khác này sẽ

đ ợc biến đổi nguyên để t o ra tập hệ số biến đổi sau đó đ ợc đ a qua bộ l ợng tử để làm gi m số l ợng bit cần truyền Sau đó đ a vào bộ cộng với tín hiệu dự đoán và

đ ợc lọc tách khối trong vòng nhằm làm gi m hiệu ng khối t o thành nh cấu trúc l i,

đ ợc l u trữ nhằm mục đích ớc l ợng và dự đoán chuyển động Dữ liệu t i đầu ra bộ

mư hóa Entropy sẽ kết hợp với vector chuyển động và các thông tin khác nh thông tin

về nh I, nh P, và nh B rồi truyền ra ngoài kênh truyền d ới d ng dòng bit nén c a các đơn vị NAL, gửi tới bộ gi i mư

Bộ giải mã: Đầu tiên bộ gi i mư Entropy nhận đ ợc các dòng bit nén từ NAL,

một mặt sẽ gi i mư Entropy để tách thông tin tiêu đề và vector dự đoán chuyển động

đ a vào bù chuyển động, mặt khác các hệ số DCT đ ợc gi i l ợng tử và biến đổi

ng ợc IDCT để biến tín hiệu từ miền tần số thành tín hiệu miền không gian, các hệ

số biến đổi ng ợc thu đ ợc sẽ cộng với tín hiệu dự đoán Sau đó một phần đ ợc đ a qua bộ lọc tách khối để lo i bỏ hiện t ợng nhiễu tr ớc khi đ a vào l u trữ, phần còn

l i đ ợc sử dụng cho mục đích dự đoán

2.2.2 Cấu trúc H.264/AVC

2.2.2.1 Các profiles và level

Chuẩn H264/AVC bao gồm 3 profile Mỗi profile hỗ trợ một tập các ch c năng

và công cụ mư hóa xác định cho bộ nén và bộ gi i nén nhằm để t o ra luồng bit nén

ng với profile đó

Profile cơ bản (Baseline Profile)

Hỗ trợ mư hóa Inter và mư hóa Intra (dùng các slice I và slice P), mư hóa entropy

sử dụng thuật toán mư hóa chiều dài thay đổi ng ngữ c nh (Context Adaptive

Variable Length Coding-CAVLC) Các ng dụng c a profile này là trong điện tho i

video, hội nghị trực tuyến và các hệ thống truyền thông không dây

Profile chính (Main Profile)

Ngoài các slice I, P đ ợc mư hóa, profile này còn mư hóa video dùng các slice

B Mã hóa Entropy dùng thuật toán mư hóa số học ngữ c nh (CABAC) Profile chính đ ợc ng dụng trong các hệ thống truyền hình kỹ thuật số, các hệ thống l u trữ dữ liệu

Profile mở rộng (Extended Profile)

Ngoài các kỹ thuật đ ợc sử dụng trong profile cơ b n và một phần c a profile chính, profile m rộng còn sử dụng thêm các slice SI và SP trong mư hóa nh Profile

m rộng đ ợc dùng trong các ng dụng xem hoặc truyền t i video trực tuyến, có kh năng nén cao và một số c i tiến riêng để xử lý việc mất dữ liệu và đồng bộ hóa các dòng dữ liệu khi gặp sự cố về đ ng truyền Internet

Có 16 level trong H264/AVC xác định số khung hình, tốc độ xử lý, độ phân gi i, tốc độ bit video Trong luận văn sử dụng level 5.1 để mư hóa so sánh với H.265, chi tiết các giới h n m c H.264/AVC xem phụ lục H.2.2.2.2 Slices

nh khi mư hóa đ ợc chia thành một hoặc nhiều slice Một slice có thể ch a một hoặc nhiều macroblock Trong tr ng hợp nh chỉ có một slice, slice sẽ ch a tất c các macroblock trong nh đó Số l ợng các macroblock trong các slice c a nh không cần thiết ph i giống nhau

Có 5 lo i slice và một nh có thể ch a nhiều lo i slice khác nhau Các nh đ ợc

mư hóa c a profile cơ b n ch a các slice lo i P và I, các nh đ ợc mư hóa c a profile chính và profile m rộng có thể ch a tập các slice kiểu I, P, B, SI và SP

Bảng 2.1 Các loại slice mã hóa trong H264/AVC [3]

Ch a các macroblock P (mỗi macroblock hoặc phần

chia macroblock đ ợc dự đoán từ danh sách nh tham chiếu list 0 và /hoặc từ các macroblock I)

Tất c

B(Bi-predictive )

Ch a các macroblock B (mỗi macroblock hoặc phần chia macroblock đ ợc dự đoán từ danh sách nh tham chiếu list 0 và/hoặc list 1 và/hoặc các

Ch a các macroblock SI (lo i maroblock đặc biệt

trong mư hóa Intra), cung cấp kh năng chuyển đổi

dễ dàng giữa những luồng bit đ ợc mư hóa Profile m rộng

2.3 ăK ăthu tămưăhóaăvideoăH.265/HEVC

2.3.1 Sơ đồ mã hóa và giải mã chuẩn H.265/HEVC

Hình 2.3 Sơ đồ khối của bộ mã hóa và giải mã H.265/HEVC [7]

Hình 2.3 mô t sơ đồ khối c a một bộ mư hóa video lai ghép giữa mư hóa và gi i

mư, để t o ra một luồng dữ liệu c a HEVC Mỗi b c nh đầu vào sẽ đ ợc chia thành các khối hình với các phân vùng khối chính xác rồi đ a tới bộ mư hóa Những hình nh đầu tiên c a một chuỗi video đ ợc truy cập ngẫu nhiên và đ ợc mư hóa bằng cách sử dụng dự đoán trong nh (intra-picture) Đối với các hình còn l i c a một chuỗi hoặc giữa các điểm truy cập ngẫu nhiên hầu hết sẽ đ ợc mư hóa bằng dự đoán liên nh (inter-picture) Bộ gi i

mư (khối màu xám trong hình 2.3) thực hiện các b ớc ng ợc l i so với bộ mư hóa nh

gi i mư Entropy, gi i l ợng tử hóa và biến đổi ng ợc Phần d này sau đó đ ợc bổ sung vào dự đoán Kết qu c a việc bổ sung sau đó có thể sẽ đ ợc đ a vào một hoặc hai vòng lọc để làm mịn hình nh Một b n sao đầu ra c a bộ gi i mư đ ợc l u trữ trong bộ đệm

hình nh để sử dụng trong việc dự đoán các hình nh tiếp theo

2.3.2 Các profiles và level

Phiên b n đầu c a H.265/HEVC gồm 3 profiles là: Main, Main 10 và Main Still Picture Tháng 4 năm 2014 ph m vi profiles đ ợc m rộng thành 19 profiles (phiên

b n th 2) gồm : Monochrome 12, Monochrome 16, Main 12, Main 4:2:2 10, Main

4:2:2 12, Main 4:4:4, Main 4:4:4 10,Main 4:4:4 12, Monochrome 12 Intra, Monochrome 16 Intra, Main 12 Intra, Main 4:2:2 10 Intra, Main 4:2:2 12 Intra, Main 4:4:4 Intra, Main 4:4:4 10 Intra, Main 4:4:4 12 Intra, Main 4:4:4 16 Intra, Main 4:4:4 Still Picture, và Main 4:4:4 16 Still Picture

Các profiles đ ợc m rộng đi kèm với các tùy chọn công cụ mư hóa mới đó là :

- Hỗ trợ số l ợng bit lên tới 10 bits trên một mẫu

- Hỗ trợ tỉ lệ lấy mẫu 4:0:0, 4:2:2, 4:4:4

- Hỗ trợ mư hóa chỉ toàn intra và mư hóa chỉ toàn still-picture cho các ng dụng

mà không cần dự đoán inter-picture

- M rộng quá trình xử lí chính xác, sử dụng một d i động m rộng cho nội suy inter prediction và chuyển đổi ng ợc

- Dự đoán chéo thành phần, sử dụng dự đoán giữa các thành phần chroma/luma

để hỗ trợ cho hiệu qu mư hóa Gi m bitrate lên đến 7% cho Video YcbCr 4:4:4 và lên tới 26% cho video RGB

Đối level trong luận văn sử dụng level 5.1 t ơng đ ơng với level 5.1 c a H.264 dùng để so sánh đánh giá

Bảng 2.2 Giới hạn level trong H.265/HEVC [8]

T căđ ăl nă

nh tăv iă Main và Main 10 profiles (kbit/s)

Đ ăphơnăgi i@ăt că

2.1 7,372,800 3,0

Mbit/s 3000 kbit/s -

352x288@60fps 640x360@30fps

3 16,588,800 6,0

Mbit/s 6 000 kbit/s -

640x360@67.5fps 960x540@30fps

3.1 33,177,600 10,0

Mbit/s 10,000 kbit/s -

720x576@75fps 1280x720@33.7fps

4 66,846,720 12,0

Mbit/s 12,000 kbit/s

30000 kbit/s 2048x1080 @ 30fps

4.1 133,693,440 20,0

Mbit/s 20,000 kbit/s

50,000 kbit/s 2048x1080 @ 60fps

5 267,386,880 25,0

Mbit/s 25,000 kbit/s

100,000 kbit/s

1,920x1,080@256fps 4,096x2,160@60fps

5.1 534,773,760 40,0

Mbit/s 40,000 kbit/s

160,000 kbit/s

1,920x1,080@300fps 3,840x2,160@128fps 4,096x2,160@120fps

5.2 1,069,547,520 60,0

Mbit/s 60,000 kbit/s

240,000 kbit/s

1,920x1,080@300fps 3,840x2,160@128fps 4,096x2,160@120fps

6 1,069,547,520 60,0

Mbit/s 60,000 kbit/s

240,000 kbit/s

3,840x2,160@128fps 7,680x4,320@32fps 8,192x4,320@30fps

2.3.3 Phân vùng ảnh

Bộ mư hóa video lai ghép đ ợc dựa trên sự mư hóa và gi i mư các block nh, sự phân vùng các khối khác nhau và xử lý độc lập hoặc phụ thuộc Bộ mư hóa video lai ghép sử dụng thiết kế hệ thống cao cấp hai lớp để phân chia hình nh đó là: Lớp mư hóa video (VCL) và lớp trừu t ợng m ng (NAL)

Trong H.265/HEVC, có tổng cộng 64 lo i gói NAL, đ ợc chia thành hai lo i: mư

hóa video (VCL NAL) và mã hóa phi video (non-VCL NAL) Các gói VCL NAL

mang một phần c a một dữ liệu hình nh c a video đư đ ợc mư hóa, trong khi các gói

non-VCL NAL ch a các dữ liệu kiểm soát, thông số sử dụng trong quá trình gi i mư

Dữ liệu c a một hình nh đư đ ợc mư hóa với non-VCL NAL (những thông số kiểm soát quá trình mư hoá hình nh đó) t o ra một gói truy cập c a H.265/HEVC Do

đó, gói truy cập c a H.265/HEVC bao gồm nhiều hơn một gói VCL NAL

2.3.3.1 Phân vùng ảnh mức cao

Để xử lý song song và gói tin, yêu cầu phân vùng hình nh m c cao Trong tiêu chuẩn video mới nhất HEVC cũng nh tiêu chuẩn tr ớc c a nó sử dụng Slice để phân chia nh m c cao

Slice: Một slice cung cấp một phần c a một nh theo cách mỗi slice đ ợc mư hóa độc lập Do đó, nếu một nh đ ợc phân ra N slice, thì N slice này có thể đ ợc xử lý song song Hình 2.4 minh họa tr ng hợp một nh đ ợc chia thành 3 slice và mỗi slice đ ợc xử

lý độc lập Về mặt khái niệm, một slide bao gồm slice header và dữ liệu c a nó, thông tin

gi i mư Slice có trong slice header, trong H.265/HEVC có 2 kiểu slice, đó là :

Hình 2.4 Cấu trúc Slice của một ảnh [7]

Ngoài ra các slice có thể đ ợc mư hóa d ới d ng các lo i mư hóa khác nhau nh

I-Slice, P-Slice và B-Slice đ ợc mô t theo hình sau:

Hình 2 5 Các kiểu mã hóa slice khác nhau [7]

Tile : Cơ chế phân chia hình nh c a Tile khá giống với các slice, nh ng đây đ ợc phép phân chia theo hình chữ nhật, thể hiện hình 2.6 Một slice không bị h n chế khuôn d ng hình chữ nhật Tile là vùng có thể gi i mư độc lập trong một b c nh, u điểm chính là tăng c ng xử lý song song và nó có thể đ ợc sử dụng cho việc truy cập không gian ngẫu nhiên (random access) Về kh năng phục hồi lỗi thì Tile không tốt bằng Slice

nh ng về hiệu suất mư hóa thì việc phân chia theo kiểu Tile v ợt trội hơn Slice

Hình 2.6 Cấu trúc tile của một ảnh [7]

Wavefont Parallel Processing (WPP)

Đây là đặc tr ng mới trong bộ mư hóa H.265/HEVC so với chuẩn tr ớc đó, với thuộc tính có thể lựa chọn Một slice có thể chia thành các hàng c a các phần tử (CTUs) Dòng đầu tiên đ ợc xử lý thông th ng, thuật toán bắt đầu xử lý từ hàng th hai tr đi Sau khi xử lý phần tử th 2 c a hàng th nhất, thì việc xử lý hàng th 2 có thể bắt đầu T ơng tự, sau khi xử lý phần tử th hai c a hàng th 2, thì hàng th 3 có thể bắt đầu xử lý t ơng tự đối với hàng tiếp theo và biểu diễn trên hình 2.7

Hình 2.7 Cấu trúc WPP trong một slice [7]

Nội dung cơ b n c a WPP là bắt đầu quá trình xử lí (mư hóa hoặc gi i mư) một hàng CTU mới ngay khi hai CTU c a hàng trên đư đ ợc xử lí Việc yêu cầu 2 CTU

b i vì dự đoán intra và dự đoán vector chuyển động c a CTU đang xử lí phụ thuộc dữ liệu trên từ c CTU phía trên nó và CTU phía trên bên ph i c a nó Thông số mư hóa Entropy đ ợc kh i t o dựa trên các thông tin thu đ ợc từ 2 CTU hàng trên cho phép

xử lí tình huống tốt hơn trong hàng mư hóa mới

Xử lý song song trong H.265/HEVC: Là một trong những kỹ thuật quan trọng

t o nên sự khác biệt về hiệu qu mư hóa trong H.265/HEVC, so với những tiêu chuẩn

mư hóa khác tr ớc đó Nh các bộ xử lý nhiều nhân trong một CPU, xử lý đa luồng,

một hình nh, một m nh hay một khối có thể đ ợc mư hóa một cách độc lập trong một lõi Điều này làm gi m th i gian mư hóa, gi m độ trễ mư hóa trong H.265/HEVC, so với quá trình mư hóa đồng bộ c a các tiêu chuẩn cũ

Trong H.265/HEVC, có ba cấp độ cấu trúc có thể thực hiện theo xử lý song song:

- Song song cấp hình nh: nhiều hình nh có thể đ ợc mư hóa cùng một lúc Do

đó, các thành phần phụ thuộc th i gian cho dự đoán bù chuyển động đ ợc đáp ng Mỗi lõi trong một bộ xử lý có trách nhiệm mư hóa một hình nh

- Song song cấp m nh: Nh đư th o luận, trong H.265/HEVC, một hình nh đ ợc phân chia thành nhiều m nh Những m nh này có thể đ ợc mư hóa một cách độc lập với những m nh khác trong cùng một hình nh, do đó các m nh có thể đ ợc sử dụng

để song song hóa Tất c các dữ liệu cần thiết để gi i mư ch a trong tiêu đề m nh, dữ liệu m nh và các lo i tập tham số

- Song song cấp khối: Dựa vào các quá trình độc lập c a một khối mư hóa, song song cấp khối có nghĩa là một khối có thể đ ợc dự đoán trong một lõi, trong vòng lọc trong một lõi, và entropy đ ợc mư hóa trong một lõi khác Mỗi b ớc mư hóa một khối

có thể đ ợc xử lý đồng th i trên các lõi khác nhau

2.3.3.2 Các tập tham số trong H.265/HEVC

Các tập tham số trong H.265/HEVC cơ b n là giống với các tập tham số trong H.264/AVC, ngo i trừ một tập mới đ ợc gọi là tập tham số video (Video Parameter Set- VPS), các tập khác giữ nguyên: tập tham số chuỗi (Sequence Parameter Set- SPS), tập tham số hình nh (Picture Parameter Set- PPS) Mục tiêu c a việc sử dụng các tập tham

số là làm tăng hiệu qu tỷ lệ bit, kh năng phục hồi lỗi, và cung cấp các giao diện lớp cho hệ thống Cụ thể là những tham số có thể đ ợc sử dụng nhiều lần trong quá trình

mư hoá những nh khác nhau, m nh (slice) khác nhau nên tuỳ vào ph m vi sử dụng

c a các tham số mà phân chia vào các tập khác nhau, tránh truyền đi lặp l i nhiều lần,

bit-rate tăng Một m nh hoặc mẫu (sample) có thể dễ dàng lấy đ ợc giá trị c a tham số cầnn dùng bằng cách truy cập vào các tập tham số thông qua ID, nh thể hiện trong hình

trên hình 2.8 sau

Hình 2.8 Các tập tham số trong H.265/HEVC [7]

- Tập tham số video (VPS) là một tập mới đ ợc xác định trong H.265/HEVC Các thông số c a nó đ ợc áp dụng trong quá trình mư hoá toàn bộ video

- Tập tham số chuỗi (SPS) ch a thông tin áp dụng cho quá trình mư hoá một nhóm các hình nh

- Tập tham số hình nh (PPS) ch a các thông số áp dụng cho quá trình mư hoá một hình nh cụ thể PPS thay đổi theo hình nh, nh ng những hình nh khác vẫn có thể tham chiếu tới PPS đó (thông qua ID)

2.3.3.3 Cấu trúc khối và phân vùng các khối ảnh

H.265/HEVC là một ph ơng pháp mư hóa video hỗn hợp theo khối, nền t ng c a

mư hoá video, giống nh những chuẩn mư hoá tr ớc Cũng nh H.264/AVC, hình nh

đ ợc chia thành nhiều khối Tuy nhiên, H.265/HEVC đề xuất một cấu trúc dữ liệu, có thể c i thiện đáng kể kh năng dự đoán và chuyển đổi c a tiêu chuẩn nén

H.265/HEVC này

a.ăKh iămưăhóaăcơyă(CTB)ăvƠăđ năv ămưăhóaăcơyă(CTU)

Thay vì sử dụng khối macroblock nh H.264/AVC và tất c các tiêu chuẩn mư hóa video tr ớc, trong H.265/HEVC, một hình nh đ ợc phân chia thành nhiều khối vuông, gọi là khối mư hóa cây (Coding Tree Blocks-CTB) Những khối vuông CTB trong H.265/HEVC có kích th ớc từ 4x4 đến 64x64, lớn hơn so với kích th ớc lớn nhất c a một macroblock (16x16) đ ợc sử dụng trong H.264/AVC Một CTB, chính

nó có thể chia ra các CTB khác dựa trên độ ph c t p c a nh theo cấu trúc dữ liệu

d ng cây (quadtree structure) Những CTB nhỏ hơn này giống nhau về c thành phần

độ sáng (luma) và màu sắc (chroma) Do đó, một thành phần sáng CTB và 2 thành phần màu CTB t ơng ng sẽ t o ra một đơn vị mư hóa cây (Coding Tree Units -CTU) nếu định dang nén video là 4:2:0, giống nh macroblock, là đơn vị xử lý trong H.265/HEVC Một nhóm các CTU liền kề cùng nhau cấu thành nên một m nh, t ơng

tự nhiều macroblock t o nên m nh trong H.264/AVC

Hình 2.9 Phân vùng hình ảnh thành nhiều macro 16x16 và CTU 64x64 [1]

Cụ thể nh trong hình 2.9, hình nh có nhiều vùng giống nhau nên việc sử dụng khối kích th ớc lớn sẽ hiệu qu hơn, bao ph đ ợc rộng hơn so với khối kích th ớc nhỏ, từ đó gi m số khối, gi m số xử lý mư hóa Bộ mư hoá sẽ cân bằng giữa điều kiện phần c ng và yêu cầu c a định d ng video mư hoá mà chia nh ra thành các CTB một cách hợp lý Kích th ớc CTU đ ợc xác định b i bộ mư hóa, sau đó truyền đến bộ gi i

mư thông qua các tập tham số chuỗi (SPS)

b.ăKh iăd ăđoánă(CU)ăvƠăđ năv ăd ăđoán(PB)

Cũng nh CTB, CTU thể đ ợc phân chia thêm thành các đơn vị hình vuông nhỏ hơn, đ ợc gọi là đơn vị mư hóa (Coding Unit-CU) dựa theo cấu trúc dữ liệu d ng cây để

gi i quyết một số vấn đề: nh việc lựa chọn chế độ dự đoán cho khối là trong nh (intra) hay liên nh (inter) là không thích hợp do gặp vấn đề bất lợi trong quá trình dự đoán tỷ l biến d ng (rate-distortion) Phân vùng đệ quy chia CTU thành nhiều CU có kích th ớc khối khác nhau, nhỏ hơn, làm cho H.265/HEVC có thể quyết định một cách linh ho t và hiệu qu về dự đoán nội nh hay liên nh, đặc biệt là làm gi m mối t ơng quan giữa các khối trong cùng một nh

Hình 2.10 Ví dụ về phân vùng CTU theo thứ tự chiều sâu [8]

Tr ng hợp CU đ ợc mư hóa theo dự đoán liên nh (inter-picture prediction), thành phần sáng (luma) và màu (chroma) c a CU đó có thể đ ợc chia thành các đơn vị nhỏ hơn làm cơ s để dự đoán, gọi là các khối dự đoán (Prediction Blocks-PB) Do đó,

PB đ ợc định nghĩa là các mẫu ch a thành phần sáng hoặc màu mà sử dụng thông số chuyển động (motion parameters) giống nhau Trong đó, các thông số chuyển động bao gồm các vector chuyển động đ ợc dự đoán và những nh tham chiếu c a các vector đó Theo chế độ dự đoán liên nh, H.265/HEVC có tám hình d ng chia tách từ

CU thành PU, xem hình 2.10 Với số l ợng kích th ớc PU đa d ng hơn thì hiệu qu

mư c a c a H.265/HEVC cũng cao hơn Hiệu qu dự đoán bù chuyển động trong H.265/HEVC cao hơn Tuy nhiên, có sự cân nhắc giữa số l ợng nhỏ hơn các ph ơng

th c dự đoán và hiệu qu mư hóa Kích th ớc khối tối thiểu c a PU trong

H.265/HEVC là 4x4

c.ăKh iăbi năđ iă(TB)ăvƠ đ năv ăbi năđ iă(TU)

Một block mư hóa (CB) có thể đ ợc chia thành nhiều khối biến đổi (Transform

Blocks -TB) Một TB đ ợc miêu t là một khối hình vuông ch a thành phần sáng hoặc màu, mà t i đó ánh x hai chiều đ ợc sử dụng để mư hóa Việc chia CB thành nhiều

TB đ ợc dựa trên cấu trúc d ng cây, nh trên hình 2.11 Trong đó, vị trí gốc là CB và các lá cây là các TB Một nút lá đ ợc xác định trong RQT (Residual Quadtree Structure) khi kích th ớc khối biến đổi nhỏ nhất, tuy nhiên sự phân chia RQT bị h n chế b i độ sâu tối đa Ví dụ, nếu độ sâu tối đa c a RQT là 1, thì CB 2Nx2N chỉ có thể

đ ợc phân chia một lần thành một TB có cùng kích th ớc hoặc 4 NxN Tr ng hợp đặc biệt nếu độ sâu tối đa là 0, kích th ớc c a CB hiện t i là 64x64, trong khi kích

th ớc biến đổi tối đa là 32 T i th i điểm này, CB bị ép chia thành 4 TB 32x32 để đáp

ng giới h n về kích th ớc biến đổi tối đa Cũng nh CB, TB sáng và các TB màu

t ơng ng cấu thành nên đơn vị chuyển đổi (Transform Unit- TU)

Hình 2 11 Ví dụ về chia một CTB thành nhiều TBs [8]

Trong ví dụ trên cho phân vùng 64x64 khối mư hóa cây m c sáng-luna (màu đen) vào các khối mư hóa (màu xanh) và khối chuyển động (màu đỏ) Trong hình minh họa bên ph i các đ ng xanh biểu thị cây mư hóa t ơng ng với khối cây mư hóa (hình đen vuông) gốc c a nó và các khối mư hóa (các đ ng tròn màu xanh) t i các nút lá c a nó

Các đ ng màu đỏ biểu thị các phần d không phân hóa với các khối biến đổi (hình tròn màu đỏ) nh nút lá L u ý rằng các khối chuyển đổi đ ợc chọn giống hệt với các khối mư hóa t ơng ng không đ ợc đánh dấu rõ trong hình này Các con số nhận ra th tự mư hóa và các khối biến đổi

Hình 2.12 Mối quan hệ giữa CU, PU và TU trong H.265/HEVC [8]

2.3.4 Biến đổi và lượng tử hóa

Trong cách tiếp cận mư hóa lai ghép các khối nh, các phép biến đổi đ ợc áp dụng cho những tín hiệu sai khác giữa từ kết qu dự báo liên nh và trong nh đ ợc biểu thị trong hình 2.13 T i khối mư hóa, phần d c a một nh đ ợc chia thành 2 khối

vuông có kích th ớc NxN với N=2M với M là số nguyên Mỗi khối d (U) đ ợc sát nhập vào một chuyển đổi hai chiều NxN Việc chuyển đổi hai chiều có thể thực hiện tách r i bằng cách áp dụng một phép biến đổi theo chiều dọc N điểm cho mỗi hàng và