Báo cáo thực tập tổng hợp cồng nghệ truyền hình số

Lêi nãi ®Çu Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi Khoa §IÖN Tö VIÔN TH¤NG B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp §Ò tµi C«ng NghÖ TruyÒn H×nh Sè Gi¸o viªn híng dÉn PGS TS NguyÔn V¨n Khang Sinh viªn thùc hiÖn TrÇn Do n[.]

Khoa §IÖN Tö VIÔN TH¤NG

-B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp

§Ò tµi: C«ng NghÖ TruyÒn H×nh Sè

Gi¸o viªn híng dÉn : PGS TS NguyÔn V¨n

Líp : §iÖn Tö ViÔn Th«ng- K3 UNESCO

Hµ Néi - 12/2012

Lời Cảm Ơn

Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp em đã vận dụng

đợc các kiến thức cơ bản mà thầy, cô đã truyền đạt trong nhữngnăm vừa qua đồng thời em cũng hiểu thêm đợc nhiều kiến thứcmới, đặc biệt là các kỹ thuật nén tín hiệu audio, video và cách

xử lý tín hiệu trong truyền dẫn phát sóng các chơng trình truyềnhình số

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Văn Khang đã trực tiếp hớng dẫn em làm bản đồ án này Đồng

thời em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong trờng Đại HọcBách Khoa Hà Nội đã truyền đạt cho em những kiến thức cơ bảntrong những năm qua để em có thể hoàn thành đề tài đợc giao

Sinh viên Trần DoãnBộ

MỤC LỤC

Lời nói đầu 1

Chương 1:Tổng Quan Về Công Nghệ Truyền Hình Số 3

Chương 2:Xử lý tín hiệu video 10

2.1 Số hoá tín hiệu video 10

2.1.1 Lấy mẫu 11

2.1.2 Lượng tử hoá 17

2.1.3 Tín hiệu chuẩn thời gian TRS (Time Reference Signal) 20

2.1.4 Dữ liệu phụ ANC (Ancillary Data) 21

2.1.5 Quan hệ giữa mành số và mành tương tự 21

2.2 Nén tín hiệu video 23

2:2:1 Mã hoá dự báo DPCM 26

2:2:2 Mã chuyển vị (Transform Coding) 28

2.2.3 Nén trong ảnh (Intra-frame Compression) 32

2.2.5 Chuẩn nén video MPEG 40

Kết Luận 44

DANH MỤC HèNH, BẢNG

HèNH

Hình 1.1 : Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống truyền hình số 8

Hình 2.1: Biến đổi A/D tín hiệu video màu tổng hợp 10

Hình 2.2: Biến đổi A/D tín hiệu video màu thành phần 10

Hình 2.3: Cấu trúc trực giao 12

Hình 2.4: Cấu trúc “ quincunx “ mành 12

Hình 2.5: Cấu trúc “ quincunx “ dòng 12

Hình 2.6: Quan hệ giữa dòng video số và dòng video tơng tự hệ 525 dòng / 60 mành 14

Hình 2.7: Quan hệ giữa dòng video số và dòng video tơng tự hệ 625 dòng / 50 mành 14

Hình 2.8 : Tiêu chuẩn 4:4:4 15

Hình 2.9 : Tiêu chuẩn 4::2:2 16

Hình 2.10 : Tiêu chuẩn 4:2:0 16

Hình 2.11 : Tiêu chuẩn 4:1:1 16

Hình 2.12 : Quan hệ giữa mành số và mành tơng tự hệ 525 dòng / 60 mành 22

Hình 2.13 : Quan hệ giữa mành số và mành tơng tự hệ 625 dòng / 50 mành 22

Hình 2.14 : Sự phối hợp các kĩ thuật nén 24

Hình 2.15 : Mã hoá DPCM 27

Hình 2.17 : Sơ đồ khối DPCM liên mành 28

Hình 2.18 : Quá trình mã hoá DCT một chiều 31Hình 2.19 : Biến đổi DCT hai chiều 32

Hình 2.20 : Nén theo ảnh (Frame) 33

Hình 2.21 : Nén theo mành (Field) 33

Hình 2.22 : Nén trong ảnh (Intra-frame Compression) 33

Hình 2.23 : Cấu tạo của MB theo các chuẩn lấy mẫu 34

Hình 2.24 : Quét zig-zag các hệ số lợng tử hoá DCT 35

Hình 2.25 : Quá trình nén trong ảnh 36

Hình 2.27 : Sự bù chuyển động 38

Hình 2.28 : Các khung hình I, B và P 39

Hình 2.29 : Nén liên ảnh 39

Hình 2.30 : Bộ mã hoá Video MPEG cơ bản 42

Hình 2.31 : Cấu trúc nhóm ảnh 43

Hình 2.32 : Giải nén MPEG 43

B¶ng 2.1: Gi¸ trÞ c¸c tõ m· øng víi c¸c møc vµ ®iÖn ¸p tÝn hiÖu Y 18 B¶ng 2.2 : Gi¸ trÞ c¸c tõ m· øng víi c¸c møc vµ ®iÖn ¸p tÝn hiÖu Y Sè ho¸ 10 bit; 0,799 mV / møc 18 B¶ng 2.3 : Gi¸ trÞ c¸c tõ m· øng víi c¸c møc vµ ®iÖn ¸p tÝn hiÖu C B , C R Sè ho¸ 8 bit, 3,125 mV / møc 19 B¶ng 2.4 : Gi¸ trÞ c¸c tõ m· øng víi c¸c møc vµ ®iÖn ¸p tÝn hiÖu C B , C R Sè ho¸ 10 bit; 0,781 mV / møc 19

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây, với chính sách mở cửa đúng

đắn của Đảng và nhà nớc nền kinh tế của nớc nhà đã và đangphát triển với một tốc độ cao Các thành tựu khoa học kỹ thuật mớitrên thế giới đã nhanh chóng thâm nhập vào nớc ta Đặc biệttrong lĩnh vực điện tử-viễn thông, sự xuất hiện những côngnghệ hiện đại, những dây chuyền sản xuất mới có mức độ tự

động hóa cao với hệ thống điều khiển tự động tiên tiến đã tạo

điều kiện thúc đẩy các thành phần kinh tế trong nớc phát triển

v-ợt bậc cả về số lợng lẫn chất lợng

Sự phát triển không ngừng của kỹ thuật số đã xâm nhập vàohầu hết tất cả các lĩnh vực khoa học kĩ thuật, kĩ thuật truyềnhình cũng không nằm ngoài quá trình đó Công nghệ số diễn ratrong truyền hình ngày nay không chỉ do yêu cầu ngày càng cao

về chất lợng của dịch vụ truyền hình mà còn do sức ép đangtăng lên đối với nguồn tài nguyên phổ tần số Đối với những nớc cónền công nghiệp truyền hình-viễn thông phát triển mạnh, vấn

đề này đang trở nên gay gắt hơn bao giờ hết Bên cạnh đó, nhucầu cạnh tranh trong nền kinh tế thị trờng đã thúc ép các nớc nàyphải nhanh chóng xác lập và lựa chọn chuẩn số thích hợp, để sớmtung ra các thiết bị hay dịch vụ số để chiếm thế thợng phongtrên thị trờng Hầu hết các nớc hiện nay đã đặt ra lộ trình

chuyển đổi sang số và sẽ chấm dứt truyền hình tơng tự trongkhoảng thời gian từ 10 đến 15 năm tới.

Đối với Việt Nam, một nớc nghèo với những đặc thù riêng củamình, vấn đề số hoá lại còn có một ý nghĩa khác Về tài nguyênphổ tần, có lẽ trong vòng 10 đến 15 năm tới, chúng ta cũng cha

bị thúc ép gay gắt nh các nớc có ngành truyền hình-viễn thôngphát triển hiện nay Bên cạnh mục đích nâng cao chất lợng phục

vụ ngời xem, truyền hình Việt Nam trong 10 đến 15 năm nữa sẽbuộc phải chuyển sang số vì các thiết bị tơng tự sẽ không đợcsản suất nữa Nh vậy, số hoá truyền hình là con đờng tất yếu

mà truyền hình Việt Nam cần phải đi mặc dù còn rất nhiều khókhăn trớc mắt nh điều kiện kinh tế còn eo hẹp, nền công nghiệp

và trình độ khoa học kỹ thuật còn non trẻ

Trong khuôn khổ của đồ án, em đề cập tới các vấn đề của quátrình thực hiện số hoá đối với tín hiệu truyền hình tơng tự,

đồng thời trình bày khái quát về các phơng thức truyền dẫn, cáctiêu chuẩn truyền hình số Bố cục đồ án bao gồm 6 chơng:

Chơng1:Tổng quan về công nghệ truyền hình số

Chơng2: Xử lý tín hiệu video : bao gồm số hoá và thực hiện

nén tín hiệu video

Mặc dù bản thân đã có nhiều cố gắng song do trình độchuyên môn còn giới hạn, tài liệu tham khảo hạn chế cộng với thời

gian thực hiện không dài nên trong quá trình thực hiện chắckhông tránh đợc những sai lầm, thiếu sót Vì điều kiện thực tếkhông cho phép nên đồ án của em chỉ dừng lại ở mức độ lýthuyết Rất mong đợc sự thông cảm và hớng dẫn, chỉ bảo thêmcủa các thầy cô và bè bạn để em có thể hiểu rõ hơn về lĩnh vựcnày.

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô, bạn bè đãgiúp đỡ em trong quá trình thực hiện Đặc biệt là sự hớng dẫn tận

tình của thầy PGS.TS Nguyễn Văn Khang, thầy đã trực tiếp

chỉ dẫn, định hớng, tạo mọi điều kiện để em hoàn thành đồ

án

tù vµ ®ang dÇn chiÕm lÜnh u thÕ t¹o nªn mét cuéc c¸ch m¹ngthùc sù trong c«ng nghiÖp truyÒn h×nh.

Sù dÞch chuyÓn tõ c¸c dÞch vô truyÒn h×nh dùa trªn c¸c øngdông cña kü thuËt t¬ng tù sang c¸c dÞch vô truyÒn h×nh dùa trªnøng dông c¸c kü thuËt sè ®ang ph¸t triÓn mét c¸ch nhanh chãng

Sự dịch chuyển của các dịch vụ truyền hình này một phần lànhờ kết quả của sự hội tụ của các lĩnh vực: truyền hình, viễnthông, các ngành khoa học và đồ hoạ máy tính thông qua việc sửdụng kỹ thuật số.

Tín hiệu đầu vào và đầu ra của các hệ thống truyền hình, tạicamera và tại đầu thu tơng ứng vốn là là tín hiệu tơng tự Nhvậy, có một câu hỏi tự nhiên đợc đặt ra tại sao phải số hoá Trongkhi sự suy giảm tín hiệu của các tín hiệu tơng tự đợc tích luỹthì khả năng để tái tạo lại một chuỗi xung số một cách chính xácrất dễ dàng Luồng bit số có thể đợc xen kẽ trong một kênh, quátrình xen kẽ này cho phép phát xạ, truyền dẫn, lu trữ , hoặc xử lýtín hiệu phụ cùng với tín hiệu video và audio Hơn nữa, các kỹthuật nén số dựa trên sự cắt giảm độ d thừa có thể đợc ứng dụng

để số hoá các dịch vụ video và audio cho phép truyền một dịch

vụ HDTV hoặc nhiều dịch vụ truyền hình bình thờng trên mộtkênh có độ rộng bằng kênh phát hình tơng tự quảng bá hiện tại

Sử dụng phơng pháp số để tạo,lu trữ và truyền tín hiệu củachơng trình truyền hình trên kênh thông tin mở ra một khả năng

đặc biệt rộng rãi cho các thiết bị truyền hình Trong một số ứngdụng tín hiệu số đợc thay thế hoàn toàn cho tín hiệu tơng tự vì

nó có khả năng thực hiện đợc các chức năng mà tín hiệu tơng tựhầu nh không thể làm đợc hoặc rất khó thực hiện, nhất là trongviệc xử lý tín hiệu và lu trữ

So với tín hiệu tơng tự, tín hiệu số cho phép tạo, lu trữ, ghi

đọc nhiều lần mà không làm giảm chất lợng hình ảnh Tuy nhiên,không phải trong tất cả các trờng hợp tín hiệu số đều đạt đợchiệu quả cao hơn với tín hiệu tơng tự (ví dụ nh bộ lọc) Mặc dùvậy xu hớng chung cho sự phát triển công nghiệp truyền hìnhtrên thế giới, nhằm đạt đợc một sự thống nhất chung, là một hệthống truyền hình hoàn toàn kĩ thuật số có chất lợng cao và dễdàng phân phối trên kênh thông tin

Sự ra đời của các đầu ghi băng video số thế hệ hai và ba, các

bộ chuyển mạch, đồ hoạ chuyển động và các bộ tạo kỹ xảo đặcbiệt và sự thoả thuận sử dụng giao diện số nối tiếp năm 1990 đã

đẩy nhanh việc cài đặt các thiết bị sản xuất chơng trìnhtruyền hình số Việc sản xuất chơng trình truyền hình số sửdụng các đầu ghi hình số đã cho phép các nhà sản xuất chơngtrình có thể sao chép nhiều lần hơn so với đầu ghi hình tơng tự

mà vẫn đảm bảo chất lợng Các ứng dụng của kỹ thuật số chophép giảm thời gian cài đặt camera từ vài giờ xuống gần nh tứcthời Các hệ thống th viện số làm cho các phơng tiện đợc ghi, bảoquản t liệu một cách tiện lợi và tìm kiếm thông tin nhanh và dễdàng

Các lĩnh vực chính trong phát quảng bá còn lại đối với thế giới

t-ơng tự là truyền dẫn giữa các trung tâm sản xuất cht-ơng trình

và truyền dẫn đến đến ngời sử dụng Các ngăn cản cuối cùng này

dụng của kỹ thuật nén số, nhìn chung đợc xây dựng dựa trênứng dụng của mã hoá chuyển dạng cosin rời rạc (DCT), sử dụng

điều chế biên độ vuông góc (QAM) và các kỹ thuật điều chế đamức gần đây

Vào khoảng năm 1990, các tổ chức truyền hình Bắc Mỹ với nỗlực của mình đã tìm ra phơng tiện phát hình ảnh HDTV trongkênh truyền hình 6Mhz hiện tại, kênh truyền hình UHF đợc tậptrung chủ yếu vào việc sử dụng các phơng thức và kỹ thuật nén

số để đáp ứng đợc các yêu cầu của hệ thống Các kết quả môphỏng có tính khả thi thực tế của các hệ thống khác nhau ở Bắc

Mỹ đã nhanh chóng đợc phát triển ở nhiều nơi nh ở Châu Âu vàcác nớc và vùng châu á Thái Bình Dơng

Kết quả quá trình số hoá hình ảnh truyền hình 525 dòng, 625dòng tạo ra dòng số liệu video 270Mbit/s, số hoá hình ảnh HDTVtạo ra luồng số liệu 1200Mbit/s Một kênh có độ rộng 6, 7, 8Mhzchỉ có thể thể mang đợc tốc độ số liệu tối đa cỡ khoảng20Mbit/s Do vậy yêu cầu phải nén số liệu với tỷ lệ 60:1 đối với cácdịch vụ truyền hình HDTV

Vào giữa năm 1991, các báo cáo về công việc đang đợc làm ở

Mỹ, các nớc Bắc Âu, Anh, Pháp,ý, Nhật và các nớc khác đã chỉ rarằng phơng thức giảm tốc độ bit với tỷ lệ 60:1 có thể đợc áp dụngcho cả hình ảnh HDTV và các hình ảnh truyền hình thông th-ờng Kết quả này cho thấy hình ảnh của truyền hình có độ

hẹp với tốc độ bit từ 15 đến 25Mbits/s và các dịch vụ truyềnhình analog thông thờng có thể có thể đợc truyền với tốc độ 1,5

- 12Mbit/s tuỳ thuộc vào chất lợng của dịch vụ Sử dụng các tiêuchuẩn, các kỹ thuật điều chế đa mức sẽ có thể truyền một kênhtruyền hình HDTV hoặc nhiều kênh truyền hình thông thờngtrong các kênh truyền hình dải VHF và UHF hiện tại có băng thông

6, 7 hoặc 8Mhz

Trong khoảng thời gian từ 1991 tới 1995 sự phát triển của cácchuẩn giao tiếp chung giữa các hệ thống vệ tinh số, cáp và phátquảng bá mặt đất đã mở ra một bớc ngoặt mới Nhóm làm việc11/3 của ITU đã đa ra các khuyến nghị đối với các thành phầnchung của hệ thống quảng bá truyền hình số mặt đất Nhữngchi tiết đối với phục vụ quảng bá bằng vệ tinh số, cáp đợc chấpthuận ở một số vùng lãnh thổ theo các khuyến nghị của ITU vàchuẩn theo vùng địa lý

Những ứng dụng của kỹ thuật số đối với truyền hình đã đemlại công nghệ truyền hình số với rất nhiều u điểm Công nghệtruyền hình số đã và đang bộc lộ thế mạnh tuyệt đối so với côngnghệ truyền hình tơng tự trên nhiều lĩnh vực:

 Chất lợng của dịch vụ cao, cung cấp hình ảnh rõ nét, âmthanh trung thực do tín hiệu số ít nhạy cảm với các dạng méoxảy ra trên đờng truyền, có khả năng phát hiện lỗi và sửa sai(nếu có)

 Giá thành hoạt động thấp thông qua việc sử dụng các kỹthuật nén và độ tin cậy của hệ thống cao.

 Mật độ chơng trình đợc gia tăng, khả năng cung cấp nhiềudịch vụ trên một kênh dịch vụ truyền hình hiện tại, hiệu quả

sử dụng dải thông cao, gia tăng hiệu quả sử dụng tần số

 Có tính phân cấp, ví dụ: một dòng dữ liệu có thể đợc sửdụng để truyền một chơng trình truyền hình có độ phângiải cao duy nhất hoặc một vài chơng trình truyền hình có

độ phân giải tiêu chuẩn

 Khả năng truyền tải nhiều dạng thông tin khác nhau, có khảnăng cung cấp nhiều loại hình dịch vụ cho đông đảo khángiả hoặc từng cá nhân tạo ra một thị trờng đa dạng

 Tiết kiệm năng lợng,với cùng một công suất phát sóng, diệnphủ sóng rộng hơn so với công nghệ tơng tự

đa phơng tiện rất khó khăn Để theo kịp xu hớng phát triển của

ngành công nghiệp truyền thông kĩ thuật truyền hình cũng cần

có sự cải tiến về công nghệ trong toàn bộ hệ thống từ ghi, dựng,truyền dẫn và phát sóng Các tổ chức quốc tế đã thống nhất cáctiêu chuẩn truyền hình số để tạo đà phát triển cho hệ thống mớinày Trớc những vấn đề trên, truyền hình số ngày càng thể hiện

rõ các u điểm của mình và chắc chắn sẽ dần thay thế hệ thốngtruyền hình tơng tự trong một tơng lai không xa để kết hợp vớicác mạng truyền thông khác tạo thành một thế giới thông tin số đaphơng tiện phục vụ cho con ngời một cách hữu hiệu Để dịch vụtruyền hình số phát triển nhanh chóng bắt buộc phải có sự hợpnhất giữa các chuẩn về mã hoá kênh, mã hoá nguồn, phơng thức

điều chế, nhận dạng trong, chống lỗi và sửa sai

Số hoá toàn bộ hệ thống truyền hình có nghĩa là chuyển tínhiệu tơng tự sang dạng số từ camera truyền hình, máy pháthình, kênh truyền đến máy thu hình Việc số hoá hệ thốngtruyền hình hiện nay (các hệ truyền hình PAL, NTSC, SECAM)chủ yếu là các khâu phân tích ảnh cho đến đầu vào máy pháthình (điều chế, sửa và xử lý tín hiệu) Số lợng các máy thu hìnhhiện nay là rất lớn, nên việc số hoá hệ thống truyền hình phải đ-

ợc thực hiện qua từng giai đoạn (ngoại trừ các hệ thống truyềnhình mới, ví dụ hệ thống truyền hình chất lợng cao HDTV)

Sử dụng các hệ thống số trong truyền hình đòi hỏi phải biến

đổi video tơng tự (từ camera truyền hình ở studio) thành tín

đầu vào máy phát hình Các thông số của hệ thống số phải đợcchọn sao cho chất lợng hình ảnh bằng hoặc tốt hơn so với hệthống số tơng tự Đó là giai đoạn sử dụng hỗn hợp truyền hình t-

và cung cấp các mức thích hợp của hiệu năng hệ thống

 Phải có sự nhận dạng của ghép kênh hình ảnh, âm thanh,

số liệu , các đặc điểm mã hoá kênh và điều chế đáp ứng yêucầu của hệ thống

 Tìm hiểu phổ và các khía cạnh đặt kế hoạch của cácdịch vụ truyền hình số bao gồm vùng phủ sóng cho bộ thukhác nhau và các điều kiện môi trờng khác nhau

 Khả năng cung cấp hệ thống phát số trong dải VHF và UHFcho phép khả năng hoạt động đồng thời với các dịch vụtruyền hình tơng tự đang tồn tại

Tuỳ theo phơng pháp biến đổi tín hiệu mà đặc điểm của hệthống truyền hình số cũng thay đổi theo Cấu trúc,nguyên lý cấutạo của hệ thống và các thiết bị truyền hình số tổng quát nhsau:

Gia công

t ơng tự

ADC

Ghép kênh

Xử lý tín hiệu

ADC

Gia công

t ơng tự

Gia côngsố

Gia côngsố

PhátMôi tr ờng

Chọn

đồng bộ

Phát

đồng bộ

Gia côngsố

Gia công

t ơng tựADC

Gia côngsố

ADC

Gia công

t ơng tự

Xử lý tín hiệu

Tín hiệu hình

Tín hiệutiếngTín

hiệuTín hiệu đo

kiểm tra

Hình 1.1 : Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống truyền hình số Đầu vào của thiết bị truyền hình số sẽ tiếp nhận tín hiệutruyền hình tơng tự Trong thiết bị mã hoá (biến đổi A/D), tínhiệu hình sẽ đợc biến đổi thành tín hiệu truyền hình số, cáctham số và đặc trng của tín hiệu này đợc xác định từ hệ thốngtruyền hình đã đợc lựa chọn.

Tín hiệu truyền hình số đợc đa tới thiết bị phát Sau đó quakênh thông tin rồi đợc đa tới thiết bị thu cấu tạo từ thiết bị biến

đổi tín hiệu ngợc lại với quá trình xử lý tại phía phát

Giải mã tín hiệu truyền hình thực hiện biến đổi tín hiệutruyền hình số thành tín hiệu truyền hình tơng tự Hệ thốngtruyền hình số sẽ trực tiếp xác định cấu trúc mã hoá và giải mãtín hiệu truyền hình

Mã hoá kênh đảm bảo chống các sai sót cho tín hiệu trongkênh thông tin Thiết bị mã hoá kênh phối hợp đặc tính của tínhiệu số vói kênh thông tin Khi tín hiệu số đợc truyền đi theokênh thông tin, các thiết bị biến đổi trên đợc gọi là bộ điều chế

và giải điều chế Khái niệm mã hoá trong kênh đợc phổ biếnkhông những trong đờng thông tin mà trong cả một số khâu của

hệ thống truyền hình số ví dụ nh máy ghi hình số, bộ điều

chỉnh khoảng cách thời gian số, gia công tín hiệu truyền hìnhsố

Chơng 2

Xử lý tín hiệu video.

2.1 / Số hoá tín hiệu video.

Số hoá tín hiệu video là việc thực hiện biến đổi tín hiệu videotơng tự sang dạng số Có hai phơng pháp biến đổi:

 Biến đổi trực tiếp tín hiệu video màu tổng hợp thành tínhiệu video số tổng hợp.

Hình 2.1: Biến đổi A/D tín hiệu video màu tổng hợp

 Biến đổi riêng từng tín hiệu video màu thành phần thànhcác tín hiệu video thành phần số:

Hình 2.2: Biến đổi A/D tín hiệu video màu thành phần

Việc lựa chọn phơng pháp biến đổi tín hiệu video phụ thuộcvào nhiều yếu tố: yêu cầu về khả năng thuận lợi khi xử lý tín hiệu,

Đồng bộ

Lọc thông thấp

Tín hiệu

t ơng tự

Tín hiệu số

Đồng bộ

Lọc thông thấp

Tín hiệu

t ơng tự

Tín hiệu số

Đồng bộ

Lọc thông thấp

Lọc thông thấp

Lọc thông thấp

Tín hiệu

t ơng tự

Tín hiệu số

yêu cầu về truyền dẫn phát sóng Số hoá tín hiệu video tổng hợp

có u điểm là tốc độ bít thấp, điều đó cũng có nghĩa là dung ợng cần để lu trữ nhỏ hơn, lợi hơn về dải tần Tuy nhiên tín hiệuvideo số tổng hợp bộc lộ nhiều nhợc điểm trong quá trình xử lý

l-số, tạo kĩ xảo, dựng hình và nó còn mang đầy đủ nhữngkhiếm khuyết của video tơng tự nhất là hiện tợng can nhiễu chói -màu

Số hoá tín hiệu video thành phần khắc phục đợc các nhợc điểmtrong số hoá tín hiệu video tổng hợp nhng nó lại tạo ra dòng số cótốc độ bit cao hơn Với sự phát triển của công nghệ điện tử nhngày nay, các chíp có tốc độ cao ra đời cho phép truyền toàn bộchuỗi số liệu video số thành phần nối tiếp nhau trên một dây dẫnduy nhất đã tạo thuận lợi cho quá trình xử lý số tín hiệu videothành phần

Mặc dù cả hai phơng pháp trên đều đợc nghiên cứu và áp dụngtrong kĩ thuật truyền hình số nhng do nhờ những tính chất uviệt nên phơng pháp biến đổi tín hiệu video thành phần đợckhuyến khích sử dụng Các kĩ thuật của phơng pháp này đang

đợc sử dụng rộng rãi và hình thành nên các tiêu chuẩn thống nhấtcho truyền hình số Video số thành phần đợc coi là phơng pháp

số hoá sử dụng trong hiện tại cũng nh trong tơng lai tại các studiohoàn toàn số Chính vì vậy trong phần xử lý tín hiệu video emchỉ trình bày các kĩ thuật xử lý tín hiệu video thành phần

Quá trình chuyển đổi tín hiệu video thành phần từ tơng tựsang số gồm nhiều vấn đề cần xem xét nghiên cứu, nó phải quanhiều công đoạn và có một số mấu chốt nh: tần số lấy mẫu, ph-

ơng thức lấy mẫu, tỷ lệ giữa tần số lấy mẫu tín hiệu chói và tínhiệu màu, lợng tử hoá,mã hoá

2.1.1 / Lấy mẫu.

Tín hiệu video do có đặc trng riêng nên ngoài việc thoả mãn

định lý lấy mẫu Nyquist, quá trình lấy mẫu còn phải thoả mãncác yêu cầu về cấu trúc lấy mẫu, tính tơng thích giữa các hệthống Quá trình này phải xác định đợc tần số lấy mẫu, cấu trúclấy mẫu nhằm đạt đợc chỉ tiêu về chất lợng hình ảnh,tính tơngthích giữa các hệ truyền hình, tốc độ bít thích hợp và mạchthực hiện đơn giản Việc chọn tần số lấy mẫu tối u sẽ khác nhauvới các thành phần tín hiệu khác nhau đồng thời nó cũng phụthuộc vào hệ thống truyền hình màu Cấu trúc lấy mẫu chính là

sự phân bổ toạ độ các điểm lấy mẫu Vị trí các điểm lấy mẫu

đợc xác định dựa trên các dòng,mành và thời điểm lấy Cấu trúclấy mẫu phù hợp với tần số lấy mẫu sẽ cho phép khôi phục hình

ảnh tốt nhất Có ba dạng liên kết vị trí các điểm lấy mẫu đợc sửdụng phổ biến cho cấu trúc lấy mẫu tín hiệu video:

Cấu trúc trực giao

Các mẫu đợc sắp xếp trên các dòng kề nhau thẳng hàng theochiều đứng.Cấu trúc này là cố định theo mành

Hình 2.3: Cấu trúc trực giao.

Cấu trúc “ quincunx “ mành

Các mẫu trên dòng kề nhau thuộc cùng một mành xếp thẳnghàng theo chiều đứng nhng các mẫu thuộc mành 1 lại dịch đimột nửa chu kì lấy mẫu so với các mẫu của mành thứ hai

Hình 2.4: Cấu trúc “ quincunx “ mành.

Cấu trúc “ quincunx “ dòng

Các mẫu trên dòng kề nhau của một mành sẽ lệch nhau nửa chukì lấy mẫu Các mẫu trên 1 dòng của mành 1 lệch so với các mẫutrên dòng kế tiếp với nó của mành 2 cũng một nửa chu kì lấymẫu

Hình 2.5: Cấu trúc “ quincunx “ dòng.

Với cấu trúc trực giao độ phân giải ảnh bị giảm, cần sử dụngtốc độ bit lớn Với cấu trúc “quincunx” mành sẽ xuất hiện nhấpnháy các điểm ảnh, phổ tần của mành 2 bị dịch so với phổmành 1 và có thể lồng với phổ tần cơ bản gây ra méo ở các chitiết ảnh khi hình ảnh có các sọc hoặc các đờng thẳng đứng.Còn đối với cấu trúc “quincunx” dòng sẽ xuất hiện các vòng tròntheo chiều ngang (méo đờng biên) tuy nhiên không xảy ra lồngphổ biên với phổ chính Tóm lại cấu trúc trực giao cho chất lợng ảnhcao nhất vì đối với mắt ngời thì độ phân giải bị giảm dễ chấpnhận hơn là hai loại méo trên Chính vì vậy cấu trúc lấy mẫu trựcgiao hay đợc sử dụng hơn cả

Sự lựa chọn tần số lấy mẫu tín hiệu video cho các hệ truyềnhình không chỉ thoả mãn tiêu chuẩn Nyquist và cấu trúc lấy mẫu

mà còn phải đạt điều kiện là tần số lấy mẫu chung cho cả haitiêu chuẩn truyền hình 525 và 625 dòng để có thể tiến tới mộttiêu chuẩn video số chung cho toàn thế giới Nhiều cuộc tranh luận

về xác định tần số lấy mẫu đã xảy ra tại các hội nghị quốc tế về

phát thanh truyền hình Tần số lấy mẫu càng cao chất lợng videocàng cao,tuy nhiên tần số lấy mẫu lớn đòi hỏi thiết bị, đờngtruyền phải có dải thông rộng và các bộ nhớ có dung lợng lớn do đóchi phí cho toàn bộ hệ thống tăng lên nhiều lần Tần số lấy mẫuthích hợp đợc xác định trong khoảng 12  14 MHz Từ năm 1982các tổ chức phát thanh truyền hình (SMPTE, EBU, CCIR) đã thốngnhất lựa chọn tần số lấy mẫu fs = 13,5 MHz cho cả hai tiêu chuẩn

525 và 625 dòng 13,5 MHz là tần số duy nhất trong khoảng 12MHz  14 MHz có giá trị bằng một số nguyên lần tần số dòng chocả hai tiêu chuẩn:

13,5 MHz = 864 fH với chuẩn 625 dòng (fH = 15625 Hz).13,5 MHz = 858 fH với chuẩn 525 dòng (fH = 15750 Hz) Thời gian một dòng của hệ 625 dòng là 64 s, hệ 525 dòng là63,56 s Thời gian tích cực của một dòng trong hệ 625 dòng là

52 s Nếu cả hai hệ đều lấy thời gian tích cực bằng 52s thìthời gian xoá dòng tơng ứng với từng hệ là 12 và 11,56 s và cácthông số cơ bản đối với mỗi hệ là :

 Tæng sè mÉu trong thêi gian xo¸ dßng.

Hình 2.7: Quan hệ giữa dòng video số và dòng video tơng tự hệ

625 dòng / 50 mành

Với tín hiệu video thành phần, tần số lấy mẫu thờng đợc biểuthị thông qua tỉ lệ giữa tần số lấy mẫu tín hiệu chói và tần sốlấy mẫu các tín hiệu hiệu màu Tần số lấy mẫu sẽ quyết định bềrộng tối đa của dải phổ tín hiệu Theo tiêu chuẩn Nyquist tần sốlấy mẫu tối thiểu phải gấp 2 lần tần số cao nhất của tín hiệu Cónhiều tiêu chuẩn lấy mẫu cho tín hiệu video thành phần, điểmkhác nhau chủ yếu ở tỉ lệ giữa tần số lấy mẫu và phơng pháp lấymẫu tín hiệu chói và các tín hiệu hiệu màu trong đó bao gồmtiêu chuẩn 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0, 4:1:1 Số 4 đầu tiên biểu thị tần sốlấy mẫu tín hiệu chói là 13,5 MHz, hai con số tiếp biểu thị tỉ lệgiữa tần số lấy mẫu tín hiệu hiệu màu so với tín hiệu chói Các

định dạng số video có nén chỉ lấy mẫu cho các dòng tích cựccủa video.

Tiêu chuẩn 4:4:4

Tín hiệu chói Y và các tín hiệu hiệu màu CR, CB đợc lấy mẫu tạitất cả các điểm lấy mẫu trên dòng tích cực của tín hiệu videovớicùng tốc độ lấy mẫu là 13,5 MHz

Hình 2.8 : Tiêu chuẩn 4:4:4

Tiêu chuẩn 4::2:2

Việc lấy mẫu trên 1 dòng tích cực đợc thực hiện nh sau:

 Điểm đầu tiên lấy mẫu toàn bộ ba tín hiệu Y, CR, CB

 Điểm kế tiếp chỉ thực hiện lấy mẫu tín hiệu Y Khi giải mã,màu suy ra từ màu của điểm ảnh trớc

 Điểm tiếp theo lại lấy mẫu đủ cả ba tín hiệu

Tuần tự nh vậy cứ 4 lần lấy mẫu Y thì có hai lần lấy mẫu CR vàhai lần lấy mẫu CB tạo nên cơ cấu 4:2:2

Hình 2.9 : Tiêu chuẩn 4::2:2.

Tiêu chuẩn 4:2:0

Tín hiệu Y đợc lấy mẫu tại tất cả các điểm ảnh của dòng còntín hiệu hiệu màu thì cứ cách một điểm thì lấy mẫu cho mộttín hiệu hiệu màu Tín hiệu hiệu màu đợc lấy xen kẽ, nếu hàngchẵn lấy mẫu cho tín hiệu CR thì hàng lẻ sẽ lấy mẫu cho tín hiệu

CB

Hình 2.10 : Tiêu chuẩn 4:2:0

Tiêu chuẩn 4:1:1

Trong điểm ảnh đầu lấy mẫu đủ cả ba tín hiệu Y, CR, CB Ba

điểm ảnh tiếp theo chỉ lấy mẫu tín hiệu Y Khi giải mã, màu của

ba điểm ảnh sau phải suy từ điểm ảnh đầu

Hình 2.11 : Tiêu chuẩn 4:1:1

Trong các tiêu chuẩn trên tiêu chuẩn 4:4:4 có khả năng khôi phụclại chất lợng hình ảnh tốt nhất đợc dùng cho hậu kỳ (xử lý phứctạp), thiết bị studio có chất lợng cao, chơng trình gốc

Tiêu chuẩn 4:2:2 đã đợc sử dụng trong nhiều năm qua nh là yêucầu tối thiểu cho khả năng khoá màu tốt trong môi trờng sản xuấtchơng trình truyền hình

Tiêu chuẩn 4:1:1 thích hợp cho trờng hợp độ rộng băng tần tínhiệu hiệu màu số nhỏ hơn 1,5 MHz (thiết bị chất lợng thấp) Nhờ

xử lý hình ảnh mà có thể sử dụng lấy mẫu 4:1:1 với khoá màuchất lợng chấp nhận đợc sử dụng cho làm tin và hậu kì không đòihỏi chất lợng cao

Tiêu chuẩn 4:2:0 đợc dùng trong các ứng dụng đặc biệt nh:

định dạng phân phối tín hiệu số có nén tốc độ bit MPEG

Trong hầu hết các thiết bị video số chất lợng studio quá trình ợng tử hoá là lợng tử hoá đồng đều Méo lợng tử xuất hiện trongtín hiệu video ở 2 dạng chính: hiệu ứng đờng viền và nhiễu hạtngẫu nhiên Hiệu ứng đờng viền đợc khắc phục bằng cách tăng

l-số mức lợng tử khi sử dụng từ mã 8 bit để biểu diễn mẫu thì hiệuứng đờng viền sẽ gần nh không còn nhận biết đợc nữa Nhiễu hạtngẫu nhiên đợc sử dụng để hiệu chỉnh chất lợng ảnh bằng cáchcộng tín hiệu “dither” vào tín hiệu video

Dạng thức video số đợc quy định bởi các thông số:

 Mức danh định

 Khoảng bảo vệ cần thiết (biên bảo hiểm)

 Số bit tơng ứng với mỗi mẫu

 Mã “cấm”

Thông số chi tiết của các dạng thức video số đợc thể hiện quacác bảng dới đây

B¶ng 2.1: Gi¸ trÞ c¸c tõ m· øng víi c¸c møc vµ ®iÖn ¸p tÝn

hiÖu Y.

Sè ho¸ 8 bit, 3,196 mV / møc

§iÖn ¸p( mV) Binary

1111 1110:

1110 1100

FE:EC

254:236

Møc video

700,000:0,000

1110 1011:

0001 0000

EB:10

235:16Kho¶ng

trèng dù

phßng

-3,196:-47,945

0000 1111:

0000 0001

0F:01

15:1Møc cÊm

B¶ng 2.2 : Gi¸ trÞ c¸c tõ m· øng víi c¸c møc vµ ®iÖn ¸p tÝn

hiÖu Y.

Sè ho¸ 10 bit; 0,799 mV / møc

§iÖn ¸p( mV) Binary

11 11111111:

11 11111100

3FF:3FC

1023:1020

Kho¶ng

trèng dù

phßng

763,128:700,799

11 11111011:

11 10101101

3FB:3AD

1019:941

Møc video

700,000:0,000

11 10101100:

00 01000000

3AC:040

940:64

Kho¶ng

trèng dù

phßng

-0,799:-47,945

00 00111111:

00 0000

03F:004

63:4

00 00000011:

0000 0000

003:000

1111 1110:

1110 1100

FE:EC

254:236

Mức video

350,000:0,000:-350,000

1110 1011:

1000 0000:

0001 0000

EB:80:10

235:128:16

Khoảng trống

dự phòng

-353,125:-396,875

0000 1111:

0000 0001

0F:01

15:1Mức cấm đối

với dòng tích

11 11111111:

11 11111100

3FF:3FC

1023:1020

Kho¶ng trèng dù

phßng

396,094:350,781

11 11111011:

11 11000001

3FB:3C1

1019:961

Møc video

350,000:0,000:-350,000

11 11000000:

10 00000000:

00 01000000

3C0:200:040

940:512:64

Kho¶ng trèng dù

phßng

-350,781:

00 00111111

03F:

63:

:

00 00000100

Mức cấm đối

với dòng tích cực

-397,656:-400,000

00 00000011:

00 00000000

003:000

Giá trị Y’ dao động từ 0  1 trong khi đó giá trị (R’ - Y’) dao

động trong khoảng 0.701  -0.701 và giá trị B’ - Y’ dao độngtrong khoảng 0.886  -0.886 Để phạm vi dao động của các mứctín hiệu bằng nhau, có nghĩa là các tín hiệu hiệu màu chỉ dao

động trong khoảng 0.5  -0.5 ta cần nhân các giá trị đó với các

2.1.3 / Tín hiệu chuẩn thời gian TRS (Time Reference Signal).

Tiêu chuẩn số hoá tín hiệu video thành phần không thực hiệnlấy mẫu các xung đồng bộ Để đồng bộ dòng tín hiệu video tại

đầu và cuối mỗi dòng số tích cực tín hiệu chuẩn thời gian đợcghép vào cùng với dòng video số tổng hợp.Trong mỗi khoảng xoádòng có 8 từ mã dùng làm chuẩn thời gian Tín hiệu SAV (Start ofActive Video) gồm 4 từ mã xuất hiện ở điểm đầu mỗi dòng Tínhiệu EAV (End of Active Video) cũng gồm 4 từ mã xuất hiện ở

điểm cuối mỗi dòng Nh vậy khoảng thời gian bắt đầu từ EAV vàkết thúc tại SAV là khoảng xoá dòng

Tín hiệu chuẩn thời gian cho tín hiệu video bao gồm 4 từ mã, mãhoá hệ hex đợc sắp xếp nh sau:

 Mã hoá 8 bit : FF 00 00 XY

 Mã hoá 10 bit : 3FF 000 000 XYZ

Trong cả 2 trờng hợp dùng mã hoá 8 bit và 10 bit 3 từ mã đầu đều