phương pháp nén và mã hóa tín hiệu trong truyền hình qua mạng internet băng thông hữu hạn (iptv)

Ngoài ra nhu cầu thưởng thức các chương trình truyền hình của người dân càngđược nâng cao.Trước đây,các chương trình truyền hình có độ phân giải tiêu chuẩnSDthì nay những

MỤC LỤC

Trang

LỜI MỞ ĐẦU 3

Chương I: INTERNET VÀ CÁC CÁCH TRUYỀN TÍN HIỆU 5

1.1.CÁP ĐỒNG TRỤC SỢI QUANG HỖN HỢP:TV CÁP,MÔDEM CÁP 5

1.2 ĐƯỜNG DÂY THUÊ BAO SỐ (xDSL) 6

1.3 ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN BĂNG RỘNG (BPL) 8

1.4.CÁP QUANG TỚI THUÊ BAO 8

1.5.CÁC CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY 9

1.5.1.Vệ tinh quảng bá trực tiếp 9

Chương II:TỔNG QUAN VỀ IPTV 11

2.1.GIỚI THIỆU VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ THEO GIAO THỨC IP 11

2.2.MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CỦA IPTV 11

2.3.SỰ KHÁC BIỆT GIỮA IPTV VÀ TRUYỀN HÌNH INTERNET 12

2.4.CƠ SỞ HẠ TẦNG MỘT MẠNG IPTV 13

2.4.1.Trung tâm dữ liệu IPTV 14

2.4.2.Mạng truyền dẫn băng thông rộng 14

2.4.3.Thiết bị người dùng IPTV 14

2.4.4.Mạng gia đình 14

2.5 ƯU ĐIỂM CỦA IP VÀ VIỆC CHỌN IP CHO IPTV 15

2.6.CÁC DỊCH VỤ CỦA IPTV 16

Chương III: CHUẨN NÉN SỬ DỤNG TRONG IPTV 17

3.1.KHÁI NIỆM CHUNG 17

3.1.1.Mục đích của nén 17

3.1.2.Bản chất của nén 17

3.1.3.Phân loại nén 18

3.2.NÉN MPEG 19

3.1.1.Công nghệ nén “Điều xung mã vi sai”DPCM 19

a.Xử lý giải tương hỗ trong công nghệ DPCM 19

b.Kỹ thuật tạo dự báo 19

c.Lượng tử hóa sai số dự báo 21

d.Khái niệm bù chuyển động và vecto chuyển động 22

e.Ước lượng chuyển động bằng phương pháp tìm kiếm khối tương đồng(block matching) 23

f.Hệ thống DPCM có bù chuyển động 24

3.1.2.Công nghệ nén theo mã hóa chuyển đổi(TC_transform coding) 24

a.Xử lý giải tương hỗ trong công nghệ TC 25

b.Biến đổi cosin rời rạc (Discrete cosine transform-DCT) 25

c.Lượng tử hóa các hệ số DCT 29

d.Quét các hệ số DCT 31

e.Mã hóa các hệ số DCT 32

f.Hệ thống nén video công nghệ mã hóa chuyển đổi 33

3.2.CHUẨN NÉN MPEG-2 35

3.2.1.Tiêu chuẩn nén video MPEG-2 35

3.2.2.Cấu trúc dòng bit video MPEG-2 37

3.2.3.Khả năng co giãn của dòng bit MPEG-2 38

3.2.4.MPEG-2:Profile và Level 38

3.2.5.Quá trình nén MPEG 40

3.2.6.Các ảnh trong chuẩn nén MPEG 41

3.3.CHUẨN NÉN MPEG-4 43

3.4.TỔNG QUAN VỀ MPEG-4 48

3.4.1.Cấu trúc phân lớp của H.264/AVC 48

a Lớp mạng NAL ( Network Abstration Layer) 48

b.Lớp mã hóa video 49

c.Khái niệm về ảnh, khung, bán ảnh, macroblock 49

3.4.2.H.264 CODEC 50

3.4.3.Các đặc điểm chính của MPEG-4 Part 10 53

a.Kích thước block ảnh có thể thay đổi được 53

b.Độ chính xác của vector bù chuyển động cao 54

c.Tham chiếu nhiều ảnh bù chuyển động 54

d.Dự đoán trong ảnh 55

e.loại bỏ dư thừa không gian 56

f.Mã hóa Entropy 58

g.Bộ lọc deblocking 59

h.Thứ tự macroblock mềm dẻo 59

2.4.4.Ưu điểm của H.264/AVC 59

2.4.5.Các ứng dụng của H.264/AVC 60

Chương IV: MÃ HÓA TÍN HIỆU TRONG IPTV 61

4.1.TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ DẠNG MÃ HÓA ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG MPEG-4 61

4.2.KHÁI NIỆM ENTROPY CỦA NGUỒN TÍN HIỆU 61

4.3.MÃ HÓA LỌAT DÀI RLC (RUN LENGTH CODING) 61

4.4.MÃ HÓA ĐỘ DÀI THAY ĐỔI VLC(VARIABLE LENGTH CODING) (MÃ HUFFMAN) 62

4.5.MÃ HÓA DỰ ĐOÁN (predictive coding) 64

4.6.MÃ HÓA CHUYỂN ĐỔI (TRANSFORM CODING) 65

4.7.MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHỐNG NHIỄU KHÁC 66

KẾT LUẬN 68

LỜI MỞ ĐẦU

Sự phát triển của mạng Internet toàn cầu nói riêng và công nghệ thông tin nóichung đã đem lại tiến bộ và phát triển vượt bậc của khoa học kĩ thuật.Internet khôngnhững đã rút ngắn khoảng cách về không gian ,thời gian mà còn mang lại cho mọingười,mọi quốc gia và cả thế giới những lợi ích to lớn.Tốc độ phát triển nhanh chóngcủa công nghệ thông tin là một trong những lợi ích to lớn ,có vai trò quan trọng và tầmảnh hưởng rộng khắp.Các dịch vụ dựa trên nền Internet phát triển một cách nhanhchóng và rộng khắp,người ở mọi quốc gia được liên kết và có thể trao đổi thông tin vớinhau một cách nhanh chóng và tiện lợi nhờ sử dụng Internet

Ngoài ra nhu cầu thưởng thức các chương trình truyền hình của người dân càngđược nâng cao.Trước đây,các chương trình truyền hình có độ phân giải tiêu chuẩn(SD)thì nay những chương trình độ phân giải cao (HD) đang ngày càng được mở rộng.Bêncạnh đó các phương thức truyền hình ảnh cũng thay đổi theo từ truyền đơn kênh đơntần đến đa kênh đơn tần,truyền qua cáp,qua vệ tinh

Dựa vào nhu cầu thực tiễn khi đời sống người dân ngày càng được nâng cao màđã có một sự kết hợp táo bạo giữa Internet và truyền hình để đưa ra một phương thứctruyền hình mới-truyền hình Internet (IPTV-Internet Protocol Television).Cũng chính

vì sự mới mẻ này mà em đã chọn đề tài : ‘‘Phương pháp nén và mã hóa tín hiệu trongtruyền hình qua mạng Internet băng thông hữu hạn (IPTV)’’ để hiểu rõ hơn về loạihình truyền hình mới này

Đồ án gồm 4 chương :

CHƯƠNG I :Internet và các cách truyền tín hiệu

CHƯƠNG II :Tổng quan về IPTV

CHƯƠNG III :Chuẩn nén sử dụng trong IPTV

CHƯƠNG IV:Mã hóa tín hiệu IPTV

Với đề tài tương đối rộng, điều kiện thời gian và kiến thức có hạn nên chắc chắnbản đồ án này không tránh khỏi thiếu sót Rất mong được sự đóng góp ý kiến của cácthầy cô giáo và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn Thầy-Th.S Nguyễn Đình Thạch đã tận tình chỉ bảo

em trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài, cùng các Thầy, Cô trong ngành Điện tửViễn thông giúp đỡ em hoàn thành bản đồ án này

Hải Phòng, ngày 11 tháng 01 năm 2011

Sinh viên Trần Trung Long

Chương I

INTERNET VÀ CÁC CÁCH TRUYỀN TÍN HIỆU

Cùng với tốc độ phát triển hiện nay thì sự đòi hỏi về dung lượng cũng như tốc độtruyền trên Internet ngày càng cao,nó luôn đặt các nhà đầu tư trước những thách thứclớn liên quan tới công nghệ để có thể nâng cao được băng thông,mở rộng diện tíchvùng bao phủ,nhờ vậy mà một loạt các công nghệ Internet được ứng dụng vào thực tếnhư modem cáp,đường dây thuê bao số(xDSL) và đường dây tải điện băngrộng(broadband powerline-BPL)…đã được phát triển để sử dụng một dạng kết nối thuêbao hiện hữu làm phương tiện truyền thông.Các hệ thống modem cáp sử dụng cácmạng TV cáp bằng cáp đồng trục và sợi quang hỗn hợp hiện có,các hệ thống xDSL sửdụng đôi dây đồng xoắn truyền thống vốn được các POTS dùng cho các dịch vụ điệnthoại.Công nghệ BPL sử dụng các đường dây điện dẫn đến nhà thuê bao để vận chuyểncác tín hiệu băng rộng.Cả 3 công nghệ kể trên đều cố gắng sử dụng mạng đườngdây(điện thoại,điện) đã có nhằm tiết kiệm chi phí lắp đặt.Trong khi đó các mạng FTTHhoặc FTTC (cáp quang tới vỉa hè) đòi hỏi việc lắp đặt các tuyến nối sợi quang mới từtổng đài nội hạt(tổng đài trung tâm) tới tận hoặc tới gần nhà thuê bao.Kết quả là mặc

dù sợi quang nổi tiếng cung cấp cái tốt nhất trong các khả năng băng thông rộng,nhưngchi phí lắp đặt của những mạng như vậy cho tới gần đây vẫn cao một cách khó chấpnhận

1.1.CÁP ĐỒNG TRỤC SỢI QUANG HỖN HỢP:TV CÁP,MÔDEM CÁP

Các mạng TV cáp số có khả năng cung cấp băng thông truyền số liệu hai chiềubên cạnh các dịch vụ thoại và TV số.Sử dụng một modem cáp tại nhà khách hàng vàmột hệ thống kết cuối Modem cáp tại head-end của mạng thông qua các chuẩn sẽ cungcấp một dịch vụ truyền dữ liệu với các tốc độ lên tới 30Mbit/s trên một kênh 8MHz,sửdụng các kĩ thuật điều chế QAM

Truyền số liệu trên các mạng TV cáp có ưu điểm là ở đâu có cáp đồng trục đang ởtrạng thái tốt và đang có(hoặc có thể lắp đặt) các bộ khuyếch đại RF để mở rộng tầmvới của mạng thì các băng rộng tương đối cao có thể được cung cấp tới người dùng đầucuối mà không bị giới hạn nào về cự li.Tuy nhiên,dịch vụ băng rộng của TV cáp dựavào một kiến trúc mạng dùng chung đã dẫn đến sự hạn chế là lượng băng thông phânphát tới khách hàng phụ thuộc vào việc có bao nhiêu người dùng chung một kết nốingược tới head-end.Thông thường một dịch vụ 1Mbit/s luồng xuống và 128kbit/s luồnglên được cung cấp(gần đây nhất là 3-5Mbit/s luồng xuống),nhưng cao nhất chỉ 1000

người dùng có thể dùng chung kết nối này tới head-end và do vậy băng thông thực tếcó thể đạt được thấp hơn do tải của hệ thống bị vượt quá bởi các người dùng khác.

1.2 ĐƯỜNG DÂY THUÊ BAO SỐ (xDSL)

Công nghệ DSL sử dụng kiến trúc điện thoại cáp đồng hiện có để tạo thuận lợicho các kết nối dữ liệu tốc độ cao.Thiết bị DSL làm được việc này nhờ phân chia cáctín hiệu thoại và dữ liệu trên đường dây điện thoại thành ba băng tần riêng biệt.Thí dụđối với ADSL các cuộc đàm thoại được vận chuyển trong băng tần 0-4kHz(như trongtất cả các mạch POTS),kênh dữ liệu luồng lên được vận chuyển trong một băng tầngiữa 25 và 160kHz,kênh dữ liệu luồng xuống được bắt đầu tại 240kHz và lên tớikhoảng 1,1MHz.Các kĩ thuật điều chế số liệu phức tạp cho phép các tốc độ dữ liệu lêntới 12Mbit/s.Các khối truy nhập DSL(các DSLAM) được bố trí tại tổng đài nội hạthoặc tại các nút trong mạng truy nhập để phát và thu các tín hiệu dữ liệu.Tuynhiên,xDSL có một nhược điểm ở chỗ nó là môt công nghệ nhạy cảm với cự li.Khi độdài kết nối từ người dùng tới DSLAM tăng lên thì chất lượng tín hiệu giảm đi và tốc độcủa kết nối tụt xuống

Có nhiều công nghệ DSL khác nhau mà chủ yếu là ADSL (không đốixứng),SDSL(đối xứng),VDSL(tốc độ bít rất cao) và ADSL2+.Mới đây người ta đưa raADSL2++

Công nghệ ADSL có thể cung cấp các tốc độ luồng xuống tối đa là 12Mbit/s vàluồng lên tối đa là 640kbit/s tại cự li khoảng 0,3km.Giới hạn cự li tột cùng đối với dịchvụ ADSL là 5,4km,nhưng tại cự li này các tốc độc truyền dẫn bị giới hạn ở xấp xỉ500kbit/s.Để tối đa hóa vùng bao phủ mạng tới cự li 5,4km trọn vẹn,các tốc độ ADSLđược cung cấp rộng rãi ở châu Âu là 500kbit/s luồng xuống với các tốc độ đường lên từ128kbit/s

Đối với các ứng dụng doanh nghiệp(DN),có thể dùng DSL đối xứng (SDSL),chophép các tải xuống và lên tốc độ cao nhưg đạt được băng thông khả dụng tối đa làkhoảng 3Mbit/s

Với VoD cần ít nhất 3Mbit/s và HDTV cần khoảng từ 15 đến 20Mbit/s thì rõ rànglà cả ADSL,cả SDSL đều không thể đáp ứng các yêu cầu băng thông cho HDTV vàphải gắng gượng để có thể cung cấp cho VoD(truyền hình theo yêu cầu) và dịch vụvideo căn bản qua toàn mạng

VDSL và ADSL2+ được giới thiệu mới đây có thể cung cấp băng thông đủ lớncho các dịch vụ video.VDSL có thể cung cấp tới 52Mbit/s nhưng chỉ trên các cự li rấtngắn.Do vậy,để cung cấp VDSL tới một tỷ lệ dân cư đáng kể thì cácDSLAM cần đượcbố trí lại tại các hộp đường phố(gần với thuê bao hơn) và các sợi quang tiếp sóng phảiđược lắp đặt tới tận các hộp đường phố.Các chi phí nâng cấp và lắp đặt cáp sợi quangnhư vậy là quá đắt đỏ so với công nghệ ADSL và việc triển khai VDSL đã bị hạn chế.Các công nghệ mới nhất xuất phát từ họ DSL là ADSL2+ và ADSL2++.ADSL2++ vẫn đang trong thời kì sơ khai và chưa được một chuẩn thích hợp nào hỗ trợ.CònADSL2+ thì đã được tiêu chuẩn hóa và cho phép truyền dẫn băng thông đủ lớn chomột số dịch vụ video qua các cự li lớn hơn so với VDSL mà không cần bố trí lạiDSLAM.Kết quả là ADSL2+ đang trở thành phương thức nâng cấp cho các nhà khaithác muốn cải thiện việc cung cấp dịch vụ ADSL tiêu chuẩn của họ.

Với sự phát triển nhanh chóng của mạng Internet băng rộng còn làm thay đổi cảvề nội dung và kĩ thuật truyền hình.Hiện nay truyền hình có nhiều dạng khácnhau:truyền hình số,truyền hình vệ tinh,truyền hình cáp,truyền hình của tương lai.Sựvượt trội trong kĩ thuật truyền hình của IPTV.IPTV đang là cấp độ cao nhất và là côngnghệ truyền hình của tương lai.Sự vuợt trội trong kĩ thuật truyền hình của IPTV là tínhnăng tương tác giữa hệ thống với người xem,cho phép người xem chủ động về thờigian và khả năng triển khai nhiều dịch vụ giá trị gia tăng tiện ích khác trên hệ thốngnhằm đáp ứng nhu cầu của người sử dụng

Hiện nay trên thế giới đã có một số quốc gia triển khai thành công IPTV.Theo cácchuyên gia dự báo thì tốc độ phát triển thuê bao IPTV sẽ tăng theo cấp số nhân theotừng năm.Ở Việt Nam hiện nay,một số nhà cung cấp đang thử nghiệm dịch vụ IPTVtrên mạng băng rộng ADSL(ADSL+) và đã thu được những kết quả rất khả quan.Quađó chúng ta có thể tin tưởng vào một loại hình dịch vụ tương tác truyền hình mới cả vềnội dung cũng như cách tiếp cận các dịch vụ của nó

Công nghệ Dung lượng

luồng lên tốiđa

Dung lượngluồng xuống tối

đa

Khoảng cách tối

SDSL 3Mbit/s 3Mbit/s 2,7km 1,1MHz

Bảng 1.1:Bảng các số liệu về tốc độ và cự ly của công nghệ xDSL

1.3 ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN BĂNG RỘNG (BPL)

Các hệ thống BPL cho phép truyền số liệu tốc độ cao qua các đường dây tải điệnđang có và không cần đến sự xếp chồng mạng khi chúng có truy nhập trực tiếp tới cácvùng bao trùm của ngành điện ở khắp mọi nơi.Các hệ thống BPL đang được đề xướngnhư một cách thức rẻ tiền để phục vụ số lượng lớn thuê bao băng rộng.Trong một hệthống BPL,dữ liệu được phát qua đường dây điện đang có như một tín hiệu tần số caođiện áp thấp,tín hiệu này được ghép với tín hiệu điện lưới tần số thấp điện áp cao.Băngtần truyền dẫn đã được chọn lọc để đảm bảo can nhiễu tối thiểu tới tín hiệu điện lướiđang hoạt động.Các tốc độ dữ liệu điển hình đang được thử nghiệm hiện nay là 2-3Mbit/s,song các nhà sản xuất chỉ ra rằng các hệ thống thương mại được chào hàng lêntới 200Mbit/s rồi sẽ thành khả dụng.Tuy nhiên,không có một cách thức nâng cấp rõràng nào để đi tới các tốc độ dữ liệu cao hơn.Hầu hết các hệ thống BPL hiện tại chỉgiới hạn ở cự li 1km trong phạm vi lưới điện hạ áp,nhưng một số nhà khai thác đangmở rộng tầm với này sang lưới điện trung áp.Thử nghiệm đã cho thấy rằng BPL đòi hỏimột chi phí đầu tư cao,để nâng cấp mạng truyền tải điện và vòng qua các máy biếnthế,để hỗ trọ các dịch vụ băng rộng tốc độ cao và tin cậy.Ngoài ra,các tần số dùng choBPL thường gây can nhiễu với truyền dẫ vô tuyến nghiệp dư và do vậy,một số cuộc thửBPl đã bị phản đối đáng kể.Hiện tại,do chi phí cao và do thiếu một đường lối nâng cấpcho nên dường như nó không thể xuất hiện như một công nghệ băng rộng dẫnđầu,nhưng vẫn là một lựa chọn băng rộng đường dây cố định thích hợp

1.4.CÁP QUANG TỚI THUÊ BAO

FTTx là một thuật ngữ chung chỉ những công nghệ đưa sợi quang tới thuêbao.Tuy nhiên,không phải tất cả các giải pháp sợi quang trong các mạng truy nhập đềuđem thẳng cáp sợi quang tới nhà thuê bao

Một số công nghệ truy nhập nào đó có dựa vào cáp sợi quang như VDSL đem cápsợi quang từ tổng đài nội hạt(tổng đài trung tâm) xuống một nút trong mạng truy nhậphoặc tới vỉa hè,nơi các thiết bị được lắp đặt trong một số hộp đường phố để biển đổi

các tín hiệu từ quang sang điện,được chuẩn bị sẵn cho chặng cuối cùng tới thuê baobằng đôi dây đồng xoắn.Mức cung cấp cáp sợi quang như thế này trong mạng có thểđược gọi là FTTC(cáp quang tới vỉa hè) hoặc FTTN(cáp quang tới nút mạng).Các kiếntrúc khác gồm có FTTB(cáp quang tới cao ốc) hoặc FTTP(cáp quang tới tư gia),trongđó cáp sợi quang được đem tới tận cao ốc và sau đó được phân bổ giữa các thuê bao cưtrú qua đôi dây đồng xoắn hoặc sử dụng công nghệ không dây.FTTH là giải pháp truynhập cáp sợi quang căn bản nhất,trong đó mỗi thuê bao được kết nối tới một sợi quang.

1.5.CÁC CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY

Ngoài các công nghệ truyền tín hiệu sử dụng các đường dây hữu tuyến còn một sốcác công nghệ không dây sử dụng sóng điện từ để truyền các thông tin và dữ liệu như:

- Các tuyến viba

- MMDS(Dịch vụ phân bố đa kênh đa điểm)

- LMDS(Dịch vụ phân bố đa điểm cục bộ)

- FSO(Quang học không gian tự do)

- WiFi(Wireless Fidelity)

- WiMAX(Worldwide Interoperability for Microware Access)

- Vệ tinh

- 3G(Mạng di động thế hệ thứ ba)

1.5.1.Vệ tinh quảng bá trực tiếp

Vốn là một giải pháp vô tuyến phát quảng bá TV số trực tiếp tới từng nhà,ác dịchvụ này mới hơn còn cung cấp truyền dẫn số liệu tốc độ cao hai chiều.Dịch vụ này sửdụng các vệ tinh địa tĩnh hoạt động ở băng tần Ku với một tuyến lên 12GHz và mộttuyến xuống là 14GHz.Vệ tinh chuyển tiếp tín hiệu phức hợp của các dịch vụ dữ liệuvà video số hóa từ một head-end qua một trạm mặt đất rồi sau đó phát quảng bá tínhiệu này tới vùng thuê bao mục tiêu.Có thể đạt được các tốc độ dữ liệu nằm giữa16kbit/s và 155Mbit/s,nhưng trở ngại chính là ở chỗ các vệ tinh địa tĩnh cách bề mặttrái đất 22.300km đưa vào mạng một độ trễ 250ms.Đối với hầu hết các dịch vụ băngrộng,thời gian trễ này là không thể chấp nhận.Việc sử dụng một mạng có các vệ tinhLEO(quỹ đạo tầm thấp) quay xung quanh trái đất ở độ cao 1000km sẽ giảm thời giantrễ này xuống còn 50ms,nhưng cho đến bây giờ các hệ thống như vậy vẫn chưa được

sử dụng rộng rãi.Tuy nhiên,cũng giống như tất cả các hệ thống khác sử dụng phổ vôtuyến,các vệ tinh cũng bị hạn chế về dung lượng bởi băng thông khả dụng.Đối với cácvệ tinh hoạt động ở băng Ku đó là giới hạn 2GHz băng thông khả dụng.

Hình 1.1:Kiến trúc mạng vệ tinh quảng bá trực tiếp

Trong IPTV thì phương thức truyền được thực hiện như sau:Ban đầu các tín hiệuhình ảnh và âm thanh được mã hóa theo các chuẩn nhất định phù hợp với nhà sảnxuất.Sau đó chúng được ghép vào các sóng mang cao tần để phát từ một trạm phát gốclên vệ tinh,từ vệ tinh các tín hiệu này được phân phối đến các trạm phát thành phần đặttại các thành phố như:Hải Phòng,Thanh Hóa,Đà Nẵng…Tại các trạm phát này thì tínhiệu sẽ được chia nhỏ và đóng gói để truyền trong mạng như truyền một gói dữ liệu(cócác mã bảo vệ,mã chống nhiễu để không lẫn với các gói khác đồng thời bên thu có thể

dễ dàng nhận được).Bên thu chỉ cần có một bộ giải mã thích hợp để thu nhận các góinày và chuyển lại thành các tín hiệu ban đầu

Như vậy trong IPTV có một đoạn tín hiệu được truyền thông qua vệ tinh,vì vậymà phương thức truyền sóng qua vệ tinh được trình bày.Các phương pháp truyền bằng

vô tuyến khác chỉ được nêu ra mà không được đi sâu nghiên cứu

Chương II TỔNG QUAN VỀ IPTV

2.1.GIỚI THIỆU VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ THEO GIAO THỨC IP

IPTV là tên viết tắt của cụm từ Internet Protocol Television_truyền hình qua giaothức Internet

IPTV theo định nghĩa chính thức như sau:IPTV được định nghiã là các dịch vụ đaphương tiện như truyền hình ảnh ,tiếng nói,văn bản,dữ liệu được phân phối qua cácmạng dựa trên IP mà được quản lí để cung cấp các cấp chất lượng dịch vụ,bảo mật,tínhtương tác,tính tin cậy theo yêu cầu

Như vậy,IPTV đóng vai trò phân phổi các dữ liệu,kể cả hình ảnh,âm thanh,vănbản qua mạng sử dụng giao thức Internet.Điều này nhấn manhcj vào việc Internetkhông đóng vai trò chính trong việc truyền tải thông tin truyền hình hay bất kì loại nộidung truyền hình nào khác.Thay vào đó,IPTV sử dụng IP là cơ chế phân phối mà theođó cỏ thể sử dụng mạng riêng dựa trên IP

Có thể thấy IPTV là một dich vụ số mà có khả năng cung cấp những tính năngvượt trội hơn khả năng của bất kì cơ chế phân phối truyền hình nào khác.Ví du:Set-Top-Box IPTV có thể thông qua phần mềm để cho phép xem đồng thời 4 chương trìnhtruyền hình trên màn hình hiển thị,hay có thể nhận tin nhắn email,sms

Tiềm năng của IPTV là rất lớn.Nếu chúng ta trả phí 50$ mỗi tháng cho dịch vụIPTV,để cả một Set-Top-Box,thì ngân sách thu về khoảng 12 tỉ $/năm

2.2.MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CỦA IPTV

Hỗ trợ truyền hình tương tác:Khả năng hai chiều của hệ thống IPTV cho phép nhàcung cấp dịch vụ phân phối toàn bộ các ứng dụng TV tương tác.Các loại dịch vụ đượctruyền tải thông qua một dịch vụ IPTV có thể bao gồm TV trực tiếp chuẩn,TV chấtlượng cao(HDTV),trò chơi tương tác,và khả năng duyệt Internet tốc độ cao

Sự dịch thời gian:IPTV kết hợp với một máy ghi video kĩ thuật số cho phép dịchthời gian nột dung chương trình-một cơ chế cho việc ghi và lưu trữ nội dung IPTV đểxem sau

Cá nhân hóa :Một hệ thống IPTV từ kết cuối đến kết cuối hỗ trợ truyền thông tinhai chiều và cho phép người dùng ở kết cuối cá nhân hóa những thói quen xem TV củahọ bằng cách cho phép họ quyết định những gì họ muốn xem và khi nào họ muốn xem.Yêu cầu về băng thông thấp:Thay vì phân phối trên mọi kênh để tới mọi ngườidùng,công nghệ IPTV cho phép nhà cung cấp dịch vụ chỉ truyền trên một kênh mà

người dùng yêu cầu.Đặc điểm hấp dẫn này cho phép nhà điều hành mạng có thể tiếtkiệm băng thông mạng.

Có thể truy xuất qua nhiều thiết bị:Việc xem nội dung IPTV bây giờ không chỉgiới hạn ở việc sử dụng TV.Người dùng có thể sử dụng máy PC hay thiết bị di động đểtruy xuất vào các dịch vụ IPTV

2.3.SỰ KHÁC BIỆT GIỮA IPTV VÀ TRUYỀN HÌNH ẢNH QUA

INTERNET

Do đều được truyền trên mạng dựa trên giao thức IP ,người ta đôi lúc hay nhầmIPTV là truyền hình ảnh qua Internet.Tuy nhiên,2 dịch vụ này có nhiều điểm khácnhau:

-Các nền khác nhau:

Truyền hình ảnh qua Internet sử dụng mạng Internet công cộng để phân phát cácnội dung video tới người sử dụng cuối

IPTV sử dụng mạng riêng bảo mật để truyền các nội dung video đến kháchhàng.Các mạng riêng này thường được tổ chức và vận hành bởi nhà cung cấp dịch vụIPTV

-Về mặt địa lí:

Các mạng do nhà cung cấp dịch vụ viễn thông sở hữu và điều khiển không chophép người sử dụng Internet truy nhập.Các mạng này chỉ giới hạn trong các khu vựcđịa lí cố định

Trong khi mạng Internet không có giới hạn về mặt địa lí,người dùng Internet nàocũng có thể xem truyền hình Internet ở bất kì đâu trên thế giới

-Quyền sở hữu hạ tầng mạng:

Khi nội dung video được gửi qua mạng Internet công cộng,các gói sử dụng giaothức Internet mạng nội dung video có thể bị trễ hoặc mất khi nó di chuyển trong cácmạng khác nhau tạo nên mạng Internet công cộng.Do đó,nhà cung cấp các dịch vụtruyền hình ảnh qua mạng Internet không đảm bảo chất lượng truyền hình như vớitruyền hình mặt đất,truyền hình cáp hay truyền hình vệ tinh.Thực tế là các nội dungvideo truyền qua mạng Internet khi hiển thị trên màn hình TV có thể bị giật và chấtlượng hình ảnh thấp

Trong khí IPTV chỉ được phân phối qua một hạ tầng mạng của nhà cung cấp dịchvụ.Do đó người vận hành mạng có thể điều chỉnh để có thể cung cấp hình ảnh với chấtlượng cao.

-Cơ chế truy nhập:

Một Set-Top-Box số thường được sử dụng để truy nhập và giải mã nội dung videođược phân phát qua hệ thóng IPTV ,trong khi PC thường được sử dụng để truy cập cácdịch vụ Internet.Các loại phần mềm được sử dụng trong PC thường phụ thuộc loại nộidung truyền hình Internet.Ví dụ như để download các chương trình TV từ trên mạngInternet,đôi khi cần phải cài đặt các phần mềm media cần thiết để xem được nội dungđó.Hay hệ thống quản lí bản quyền cũng cần hỗ trợ cơ chế truy nhập

-Giá thành:

Phần trăm nội dung chương trình được phân phát qua mạng Internet công cộng tự

do thay đổi.Điều này khiến các công ty truyền thông đưa ra các loại dịch vụ dựa trênmức giá thành.Giá thành các loại dịch vụ IPTV cũng gần giống với mức phí hàng thángcủa truyền hình truyền thống.Các nhà phân tích mong rằng truyền hình Internet vàIPTV có thể hợp lại thành một loại hình dịch vụ giải trí

2.4.CƠ SỞ HẠ TẦNG MỘT MẠNG IPTV

Service provider’s

IPTV data

center (Headend)

Broadband Access Network

IPTVCD

TV

Home Network

Máy in

Điện thoại di động

Máy tính

Hình 2.1: Sơ đồ khối đơn giản của một hệ thống IPTV

2.4.1.Trung tâm dữ liệu IPTV

Cũng được biết đến là “đầu cuối header”.Trung tâm dữ liệu IPTV nhận nội dung

từ nhiều nguồn khác nhau,bao gồm truyền hình địa phương,các nhà tập hợp nội

dung,nhà sản xuất,qua đường cáp,trạm số mặt đất hay vệ tinh.Ngay khi nhận được nộidung,một số các thành phần phần cứng khác nhau từ thiết bị mã hóa và các máy chủvideo tới bộ định tuyến IP và thiết bị bảo mật giành riêng được sử dụng để chuẩn bị nộidung video cho việc phân phối qua mạng dựa trên IP.Thêm vào đó,hệ thống quản líthuê bao được yêu cầu để quản lí và hồ sơ và phí thuê bao của những người sửdụng.Chú ý rằng địa điểm thực của trung tâm dữ liệu IPTV được yêu cầu bởi hạ tầng

cơ sở mạng được sử dụng bởi nhà cung cấp dịch vụ

2.4.2.Mạng truyền dẫn băng thông rộng

Việc truyền dẫn dịch vụ IPTV yêu cầu kết nối điểm-điểm.Trong trường hợp triểnkhỉa IPTV trên diện rộng,số lượng các kết nối điểm-điểm tăng lên đáng kể và yêu cầuđộ rộng băng thông của cơ sở hạ tầng khá rộng.Sự tiến bộ trong công nghệ mạng trongnhững năm vừa qua cho phép những nhà cung cấp viễn thông thỏa mãn một lượng lớnyêu cầu độ rộng băng thông mạng.Hạ tầng truyền hình cáp dựa trên cáp đồng trục laicáp quang và các mạng viễn thông dựa trên cáp quang rất phù hợp để truyền tải nộidung IPTV

2.4.3.Thiết bị người dùng IPTV

Thiết bị người dùng IPTV (IPTVCD) là thành phần quan trọng trong việc chophép mọi người có thể truy xuất vào các dịch vụ IPTV.Thiết bị này kết nối vào mạngbăng rộng và có nhiệm vụ giải mã và xử lý dữ liệu video dựa trên IP gửi đến.Thiết bịngười dùng hỗ trợ công nghệ tiên tiến để có thể tối thiểu hóa hay loại bỏ hoàn toàn ảnhhưởng của lỗi,sự cố mạng khi đang xử lí nội dung IPTV

2.4.4.Mạng gia đình

Mạng gia đình kết nối với một số thiết bị kĩ thuật số bên trong một diện tíchnhỏ.Nó cái tiến việc truyền thông và cho phép chia sẻ tài nguyên (các thiết bị) kĩ thuậtsố đắt tiền giữa các thành viên trong gia đình.Mục đích của mạng gia đình là để cungcấp việc truy cập thông tin,như là tiếng nói,âm thanh,dữ liệu,giải trí,giữa những thiết bịkhác nhau trong nhà.Với mạng gia đình,người dùng có thể tiết kiệm tiền và thời gianbởi vì các thiết bị ngoại vi như là máy in và máy scan,cũng như kết nối Internet băngrộng,có thể được chia sẻ một cách dễ dàng

2.5 ƯU ĐIỂM CỦA IP VÀ VIỆC CHỌN IP CHO IPTV

Truyền hình số được định thời một cách chính xác,là dòng dữ liệu liên tục có tốcđộ bit không đổi,thường hoạt động trên các mạng mà mỗi tín hiệu được truyền đều

phục vụ cho mục đích truyền hinh.Trái với truyền hình,mạng IP truyền những loại dữliệu khác nhau từ rất nhiều nguồn trên một kênh chung,bao gồm thư điện tử,trangweb,tin nhắn trực tiếp,tiếng nói qua IP(VoIP) và nhiều loại dữ liệu khác.Để truyềnđồng thời những dữ liệu này mạng Internet phân thông tin thành các gói.Như vậy,rõràng là IP và truyền hình không phải là sự kết hợp hoàn hảo về mặt công nghệ.

Mặc dù không tương thích về mặt căn bản,nhưng thị trường IPTV vẫn bùngnổ.Như vậy phải có những lí do nhất định để chọn các mạng trên IP để truyền tín hiệutruyền hình

-Mạng IP băng rộng đã vươn tới rất nhiều gia đình ở nhiều nước,các nhà cung cấp dịchvụ truyền hình mà không cần xây dựng hệ thống mạng riêng của họ

-IP có thể đơn giản công việc phát các dịch vụ truyền hình mới,như là truyền hìnhtương tác,truyền hình theo yêu cầu…

-Giá thành của mạng IP tiếp tục giảm do số thiết bị được sản xuất mỗi năm rất lớn vàsự tồn tại của các chuẩn trên toàn thế giới

- Mạng IP có mặt trên toàn thế giới,và số lượng người sử dụng mạng Internet tốc độccao tiếp tục tăng nhanh

-IP là công nghệ hoàn hảo cho nhiều ứng dụng khác nhau,bao gồm sự trao đổi dữliệu,mạng cục bộ,chia sẻ tập tin,lướt web…

IP cung cấp cơ chế để định hướng truyền gói giữa các thiết bị được liên kết trongmạng.IP là một giao thức phổ biến được dùng khắp các mạng Internet và hàng triệu cácmạng khác có sử dụng IP.Không có IP,mọi việc sẽ hỗn loạn bởi vì không có một cáchnào để thiết bị gửi dữ liệu một cách riêng biệt tới một thiết bị khác

Với việc sử dụng các mạng IP để truyền dẫn tín hiệu truyền hình,việc xem truyềnhình hiện đại sẽ rất khác so với xem truyền hình trước đây.Các tín hiệu truyền hinh bâygiờ không khác gì những dữ liệu khác.Nhờ đó ,ngoài các kênh truyền hình quảng bátruyền thống,chúng ta sẽ có thêm những kênh truyền hình riêng biệt,tương tác để thỏamãn nhu cầu của từng người

2.6.CÁC DỊCH VỤ CỦA IPTV

IPTV được triển khai với băng thông 2M với kĩ thuật nén MPEG4 part 10 cho TVthường và 6M với HDTV.Như vậy với tùy từng yêu cầu của khách hàng về mức chất

lượng dịch vụ cũng như nhu cầu của người sử dụng mà có các tiêu chuẩn SD(độ phângiải tiêu chuẩn) và HD(độ phân giải cao) để khách hàng chọn lựa.

Các dịch vụ triển khai trên IPTV đến với người dùng:

+ LiveTV:truyền hình trực tuyến

+VoD:truyền hình theo yêu cầu

+RoD:dịch vụ ghi hình theo yêu cầu

+NVoD:xem chương trình theo lịch phát sóng

Chương III CHUẨN NÉN SỬ DỤNG TRONG IPTV

3.1.KHÁI NIỆM CHUNG

3.1.1.Mục đích của nén

Với công nghệ hiện nay,các thiết bị đều có dải thông nhất định.Các dòng số tốcđộ cao yêu cầu dải thông rất rộng vượt quá khả năng cho phép của thiết bị.Một cách sơbộ nén là quá trình làm giảm tốc độ bít của các dòng dữ liệu tốc độ cao mà vẫn đảmbảo chất lượng hình ảnh hoặc âm thanh cần truyền tải

3.1.2.Bản chất của nén

Khác với nguồn dữ liệu một chiều như nguồn âm,đặc tuyến đa chiều của nguồnhình ảnh cho thấy:nguồn ảnh chứa nhiều sự dư thừa hơn các nguồn thông tin khác.Đólà:

-Sự dư thừa về mặt không gian:

Các điểm ảnh kề nhau trong một mành có nội dung gần giống nhau

-Sự dư thừa về mặt thời gian:

Các điểm ảnh có cùng vị trí ở các mành kề nhau rất giống nhau

-Sự dư thừa về mặt cảm nhận của con người:

Mắt người nhạy cảm hơn với các thành phần tần số thấp và ít nhạy cảm với sựthay đổi nhanh,tần số cao

Do vậy,có thể coi nguồn hình ảnh là nguồn có nhớ

Nén thực chất là quá trình sử dụng các phép biến đổi để loại bỏ đi các sự dư thừavà loại bỏ tính có nhớ của nguồn dữ liệu,tạo ra nguồn dữ liệu mới có lượng thông tinnhỏ hơn.Đồng thời sử dụng các dạng mã hóa có khả năng tận dụng xác suất xuất hiệncủa các mẫu sao cho số lượng bít sử dụng để mã hóa một lượng thông tin nhất định lànhỏ nhất mà vẫn đảm bảo chất lượng theo yêu cầu

Nhìn chung quá trình nén và giải nén được hiểu đơn giản như sau:

Hình 3.1:Sơ đồ khối quá trình nén và giải nén

-Biến đổi:Một số phép biến đổi và kỹ thuật được sử dụng để loại bỏ tính có nhớcủa nguồn dữ liệu ban đầu,tạo ra một nguồn dữ liệu mới tương đương chứa lượngthông tin ít hơn.Ví dụ như kĩ thuật tạo sai số dự báo trong công nghệ DPCM hay phépbiến đổi cosin rời rạc của công nghệ mã hóa chuyển đổi.Các phép biến đổi phải có tínhthuận nghịch để có thể khôi phục tín hiệu ban đầu nhờ phép biến đổi ngược

-Mã hóa:Các dạng mã hóa được lựa chọn sao cho có thể tận dụng được xác suấtxuất hiện của các mẫu.Thông thường sử dụng mã RLC(run length coding:mã hóa loạtdài) và mã VLC(variable length coding):gắn cho mẫu có xác suất xuất hiện cao từ mãcó độ dài ngắn sao cho chứa đựng một khối lượng thông tin nhiều nhất với số bittruyền tải ít nhất mà vẫn đảm bảo chát lượng yêu cầu

3.1.3.Phân loại nén

Các thuật toán nén có thể phân làm hai loại:Nén không tổn thất và nén có tổn thất.Thuật toán nén không tổn thất không làm suy giảm,tổn hao dữ liệu.Do vậy,ảnhkhôi phục hoàn toàn chính xác với ảnh nguồn

Các thuật toán nén có tổn thất chấp nhận loại bỏ một số thông tin không quantrọng như các thông tin không quá nhạy cảm với cảm nhận của con người để đạt đượchiệu suất nén cao hơn.Do vậy ảnh khôi phục chỉ rất gần chứ không phải ảnh nguyênthủy

Đối với nén có tổn thất,chất lượng ảnh là một yếu tố vô cùng quan trọng.Tùy theocầu ứng dụng mà các mức độ loại bỏ khác nhau được sử dụng,cho mức độ chất lượngtheo yêu cầu

Nén cho phép các nhà cung cấp dịch vụ truyền các kênh hình và tiếng với chấtlượng cao qua mạng IP băng rộng.Do mắt người không thể phân biệt được toàn bộ cácphần của hình ảnh.Do đó việc nén sẽ làm giảm độ lớn của tín hiệu ban đầu bằng cách

bỏ bớt các phần của hình ảnh

3.2.NÉN MPEG

Nếu sử dụng một cách tách biệt,không có công nghệ nén nào có khả năng tạo mộtquá trình nén có dùng bit ra tốc độ thấp mà vẫn đảm bảo chất lượng ảnh đạt yêucầu.Bởi cậy mọi cách thức nén hiện này đều là sự kết hợp chuẩn xác giữa các công

nghệ nén.Sự kết hợp này sau đó được chuẩn hóa trở thành các tiêu chuẩnnén:JPEG,JBIG,MPEG.

Có thể hiểu một cách đơn giản,kết hợp các công nghệ nén là tạo ra một quá trìnhnén nhiều bậc nhằm đạt được hiệu suất nén cao

Tiêu chuẩn nén phổ biến hiện nay là MPEG sử dụng kết hợp hai công nghệ nén:”Điềumã xung vi sai”DPCM và “Mã hóa chuyển đổi”(Transform coding)

3.1.1.Công nghệ nén “Điều xung mã vi sai”DPCM

Đây là một phương pháp nén ảnh quan trọng và hiệu quả.Nguyên lý cơ bản của nólà:chỉ truyền tải tín hiệu vi sai giữa mẫu đã cho và trị dự báo(được tạo ra từ các mẫutrước đó)

Hầu hết các cách thức nén ảnh đều có sử dụng vòng lặp DPCM

a.Xử lý giải tương hỗ trong công nghệ DPCM

Công nghệ DPCM thực hiện loại bỏ tính có nhớ và các thông tin dư thừa củanguồn tín hiệu bằng một bộ lọc đặc biệt có đáp ứng đầu ra là hiệu số giữa mẫu đầu vàovà giá trị dự báo của chính nó.Rất nhiều giá trị vi sai này gần 0 nếu các điểm ảnh biếnđổi đồng đều.Còn với ảnh có nhiều chi tiết,giá trị sai số dự báo có thể lớn.Khi đó có thểlượng tử hóa chúng bằng bước lượng tử cao hơn do đặc điểm của mắt người khôngnhạy cảm với những chi tiết có độ tương phản cao,thay đổi nhanh.Sự giảm tốc độ bit ởđây thu được từ quá trình lượng tử hóa và mã hóa

b.Kỹ thuật tạo dự báo

Như đã đề cập,nếu trực tiếp lượng tử hóa và mã hóa các mẫu của một nguồn ảnhvới đầy đủ thông tin dư thừa và quan hệ tương hỗ giữa các điểm ảnh thì hiệu suất nénsữ rất thấp do lượng thông tin của nguồn quá lớn.Do vậy trong các công nghệ nén cầnloại bỏ đi tính có nhớ của nguồn tín hiệu,tức thực hiện”giải tương hỗ” giữa các mẫuđiểm lân cận nhau

Trong công nghệ nén “điều xung mã vi sai”DPCM,quá trình giải tương hỗ đượcthực hiện bằng một bộ lọc có đáp ứng đầu ra là hiệu số giữa các mẫu điểm liên tiếp đầuvào và một giá trị “dự báo” của mẫu điểm đó tạo được dựa trên giá trị các mẫu lân cậntheo một quy luật nhất định

Chúng ta sẽ xét các luật tạo giá trị dự báo cho mẫu điểm hiện hành từ các điểmlân cận nó

*, Sai số dự báo

Bộ tạo dự báo có nhiệm vụ tạo ra giá trị điểm tiếp theo từ giá trị các điểm đãtruyền tải trước đó được lưu trữ.Quá trình tạo dự báo càng tốt thì sự sai khác giữa giátrị thực của mẫu hiện hành và trị dự báo của nó(gọi là sai số dự báo) càng nhỏ.Khi đótốc độ dòng bit càng được giảm nhiều.

Chúng ta cần phải phân biệt giữa sai số dự báo và sai số lượng tử.Hai khái niệmnày có bản chất khác nhau:

-Sai số dự báo chỉ sự chênh lệch giữa giá trị dự báo và giá trị thực.Nó không làm tổnthất thông tin dẫn đến suy giảm chất lượng hình ảnh.Giá trị sai số này quyết định tốcđộ bit giảm đi nhiều hay ít,tức ảnh hưởng đến hiệu suất nén

-Sai số lượng tử là sai số đặc trưng cho sự tổn thất dữ liệu dẫn đến làm suy giảm chấtlượng ảnh phục hồi

Chúng ta có thể quan sát chất lượng tạo dự báo bằng màn hiển thị tín hiệu sai sốdự báo.Ảnh tạo được càng đen tức giá trị tín hiệu này càng nhỏ và việc tạo dự báo càngchính xác

*,Tạo dự báo cho ảnh truyền hình

Dự báo cho ảnh truyền hình được thực hiện với dòng dữ liệu ảnh đơnthuần(không chưa đựng tín hiệu âm thanh).Phương pháp quét điển hình trong truyềnhình là quét cách dòng.Các dòng không được quét liên tiếp nhau mà chia làm haimành:mành chẵn chứa thông tin của dòng chẵn,mành lẻ gồm các dòng lẻ xuất hiệngiữa hai mành chẵn liên tiếp nhau.Một khung(frame) tương ứng với một ảnh sẽ gồmmột mành chẵn và một mành lẻ kề nhau

Từ phương pháp quét đó,có các phương pháp tạo dự báo như sau:

-Tạo dự báo trong mành

Chỉ sử dụng các điểm thuộc nửa ảnh(một mành) để tạo dự báo.Dự báo trong mànhkhông tận dụng được quan hệ giữa các điểm ảnh lân cận nhau theo chiều đứng nên cóthể cho sai số dự báo cao

-Tạo dự báo trong ảnh

Với sự hỗ trợ của một bộ nhớ mành,dự báo trong ảnh sử dụng tất cả các điểmthuộc cả hai mành của một khung để tạo dự báo.Như vậy sẽ lợi dụng được quan hệtương hỗ của các điểm lân cận theo cả phương ngang và phương đứng nên dự báochính xác hơn,cho sai số dự báo nhỏ hơn

-Tạo dự báo liên mành

Phương pháp tạo dự báo này sử dụng cả khung hiện hành và khung tham chiếukhác.Dự báo liên mành chỉ sử dụng một mành(chẵn hoặc lẻ) ở các khung khác nhau.-Tạo dự báo liên ảnh.

Phương pháp này sử dụng cả hai mành ở các ảnh kề nhau

c.Lượng tử hóa sai số dự báo

Giá trị biên độ vi sai phụ thuộc vào tính chất ảnh.Trong vùng ảnh thuần nhất,giátrị này thường nhỏ.Đối với các rìa ảnh và ảnh có nhiều chi tiết,giá trị dự báo sẽ kémchính xác đi dẫn tới sai số dự báo sẽ lớn lên.Do những đặc điểm này nếu sử dụng bộlượng tử hóa tuyến tính với một bước lượng tử sẽ gây ra nhiều lỗi:

-Tại vùng ảnh thuần nhất,giá trị dự báo vi sai xấp xỉ bằng 0.Bước lượng tử lớn gây ranhiễu hạt

-Tại vùng ảnh có rìa hoặc nhiều chi tiết,bậc độ tương phản giữa các điểm ảnh cao dẫntới một giá trị sai số dự báo lớn làm quá tải thang lượng tử.Độ dốc tín hiệu giải mãkhông theo kịp độ dốc tín hiệu thực tế tại các rìa.Bởi vậy các ảnh nét không rõràng,nhòe nhoẹt

Tất cả vấn đề này sẽ giải quyết được nếu sử dụng bộ lượng tử phi tuyến có bướclượng tử lớn dần theo độ lớn mẫu đưa vào lượng tử.Mặt khác sử dụng lượng tử hóa phituyến còn tận dụng được đặc tính của mắt người là kém nhạy cảm với các sai số tạivùng ảnh có rìa và nhiều chi tiết.Do vậy tiết kiệm được số bit cần dùng để mã hóathông tin

Hình 3.2:Ảnh hưởng của lượng tử hóa

d.Khái niệm bù chuyển động và vecto chuyển động

Trong dòng tín hiệu video thông thường,các khung liền nhau thường giốngnhau.Do vậy trong dự báo Interframe một chiều(tức là lấy khung liền trước làm ảnh dựbáo cho khung liền sau),giá trị dự báo rất gần giá trị ảnh thực tế dẫn tới sai số dự báonhỏ,tốc độ dòng bit dữ liệu nhỏ

Khi có chuyển động xảy ra,các điểm có cùng vị trí trong hai khung liền nhau là rấtkhác biệt.Do vậy sai số dự báo tăng lên,tốc độ bit tăng lên và hiệu suất nén giảm.Vớitrường hợp ảnh động,nếu chọn ảnh dự báo là khung liền trước sẽ không hợp lý,Để tạomột khung dự báo tối ưu ở đây ta phải sử dụng khái niệm “bù chuyển động”

Do chuyển động,sự tương đồng giá trị điểm ảnh của hai khung kề nhau sẽ giảmnhưng nội dung ảnh chỉ thay đổi theo nguyên tắc:vật thể đã xuất hiện ở khung trước chỉthay đổi vị trí ở khung ảnh kế sau.Như vậy có thể tái tạo lại sự tương đồng giữa haikhung ảnh bằng phép dự báo hướng chuyển động của vật thể,di chuyển vật thể tới vị trímới.Đó là khái niệm “bù chuyển động”

Quá trình tìm kiếm hướng chuyển động của vật thể gọi là “ước lượng chuyểnđộng”.Kết quả về sự chuyển dịch của vật thể theo hai hướng x,y được phản ánh bằnggiá trị vecto gọi là vecto chuyển động

Khi có chuyển động,ảnh dự báo không phải là ảnh kề trước đó mà là ảnh có bùchuyển động.

Giá trị sai số dự báo:

P=khung trước đó-khung hiện hành+vecto chuyển động

Nếu quan sát sai số dự báo,ta dễ thấy được chất lượng dự báo có bù chuyểnđộng.Ảnh tạo bởi tín hiệu sai số biến đổi có bù chuyển động đen hơn rất nhiều vớitrường hợp dự báo không bù chuyển động

e.Ước lượng chuyển động bằng phương pháp tìm kiếm khối tương đồng(block matching)

Có nhiều thuật toán”ước lượng chuyển động”nhưng sử dụng phổ biến nhất là

“block matching”.Kỹ thuật “block matching” dự đoán chuyển động của một khối kíchthước(nxm) điểm ảnh trong khung hình hiện tại bằng sự tương quan với các điểm ởkhung hình trước đó và sau đó.Khối này được so sánh với khối tương ứng bằng cáchtìm kiếm trong vùng kích thước(m+2p x n+2p)(2p là do có sự sai số dự đoán nên phảidự đoán về cả 2 chiều) ở khung hình trước đó hoặc sau như minh họa dưới đây:

Hình 3.3:Vecto chuyển động giữa hai khung liên tiếp

Trong các hệ thống triển khai MPEG điển hình,macroblock là 16x16 điểm

Có nhiều kỹ thuật block matching cho dự đoán vecto chuyển động đã được pháttriển và có giá trị trong khoa học

f.Hệ thống DPCM có bù chuyển động

Bộ tạo dự báo ở bên thu có khối nhớ khung lưu trữ dữ liệu khung trước đó để tínhtoán đo đạc chuyển động bằng cách so sánh giữa khung cũ và khung mới.Từ đó tạodựng khung dự báo có bù chuyển động ở đầu ra bộ tạo dự báo

Việc thực hiện đo đạc chuyển động ở bên phát căn cứ vào khung hiện tại mà bênthu chưa có,bởi vậy một phép đo như vậy không thể đồng thời tiến hành ở cả bên thuvà bên phát mặc dù thông tin vecto chuyển động là cần cho bên thu để tạo dự báo.Chonên thông tin về chuyển động(các vecto chuyển động của các MB(macroblock)) đượctruyền tới bên thu nhờ một kênh phụ

Hình 3.4:mã hóa và giải mã DPCM

3.1.2.Công nghệ nén theo mã hóa chuyển đổi(TC_transform coding)

Công nghệ mã hóa chuyển đổi có một vai trò quan trọng trong nén ảnh truyềnhình.Nếu công nghệ DPCM chỉ cho ảnh chất lượng cao tại tốc độ dòng bit cao thì công

nghệ nén “mã hóa chuyển đổi-transform coding” có khả năng sử dụng cùng một thuậttoán cho một dải tốc độ bit và chỉ làm suy giảm chất lượng ảnh phục hồi tại tốc độdòng bit vô cùng thấp.

a.Xử lý giải tương hỗ trong công nghệ TC

Trong khi công nghệ”điều xung mã vi sai”DPCM xử lý tín hiệu trong miền thờigian thì công nghệ “mã hóa chuyển đổi TC” xử lý tín hiệu trong miền tần số

Việc loại bỏ tính có nhớ của nguồn tìn hiệu được thực hiện bằng một phép biếnđổi có tính thuận nghịch chuyển một khối các điểm ảnh trong miền thời gian thànhkhối các hệ số trong miền tần số(mỗi hệ số đại diện cho một tần số tín hiệu của khối)bằng phép biến đổi thuận và hồi phục các điểm ảnh tử khối các hệ số bằng phép chuyểnđổi nghịch

Phép biến đổi phù hợp nhất cho nén tín hiệu video là phép biến đổi cosin rờirạc(discrete cosine transform-DCT).Thay vì lượng tử hóa và mã hóa trực tiếp biên độđiểm ảnh,người ta sẽ lượng tử hóa và mã hóa các hệ số DCT

b.Biến đổi cosin rời rạc (Discrete cosine transform-DCT)

DCT là phép biến đổi giá trị một khối các điểm ảnh thành một khối các hệ sốtrong miền tần số

Công thức tính toán cho DCT 2 chiều với ma trận vuông giá trị điểm NxN sinh ra

ma trận vuông hệ số tuần tự như sau:

F(u,v)=hệ số của khối DCT NxN

F(x,y)=giá trị mẫu của khối NxN điểm ảnh

u=tần số trục ngang (0<u<7)

v=tần số trục đứng (0<v<7)

C(u),C(v)=1 nếu u,v=1,2,…,7

DCT có một tính chất quan trọng.Đó là tính biến đổi thuận nghịch.Có nghĩa là từkhối các hệ số,có thể hồi phục giá trị các điểm ảnh ban đầu theo công thức chuyển đổingược như sau:

Trong kĩ thuật nén ảnh số,kích cỡ khối được chọn là 8x8 vì các lý do sau:

-Thứ nhất,việc nghiên cứu đã chỉ ra rằng hàm hiệp phương sai suy giảm rất nhanh khikhoảng cách pixel mà ở đó hàm hiệp phương sai được định nghĩa vượt quá 8.Vì vậymà phương pháp nén sử dụng việc loại bỏ các thông tin dư thừa về không gia khôngcần quan tầm đến các khối pixel lớn hơn 8

-Thứ hai là tiện lợi cho việc tính toán và thiết kế mạch cứng

Khối 8x8 sau đó được biến đổi tới vùng tần số bằng biến đổi 2_D DCT.Đầu ra bộbiến đổi sẽ là 64 giá trị biểu diễn các hệ số của các thành phần tần số trong khôi8x8.Như đã nói,hầu hết các thông tin về khối nằm ở vùng tần số thấp và giá trị các hệsố tần số cao rất nhỏ do giá trị các pixel gần nhau thường giống nhau

Như vậy,biểu thức biến đổi DCT thuận cho nén ảnh số như sau:

Sau đây là ví dụ về phép biến đổi DCT 1 chiều cho 8 giá trị tín hiệu chói của dãy

8 điểm ảnh liên tiếp nhau:

Trong đó:

b,c:biểu diễn giá trị trung bình DC và sự thay đổi mức chói của các điểm ảnh

d: sự biến đổi biên độ giữa 8 điểm ảnh trong dải tần từ 0Hz đến 6,75Hz

Phép biến đổi DCT chia dải phổ này ra làm 8 băng,sẽ cho 8 hệ số xác định năng lượngphổ của sóng trong từng dải băng tần này

Hình3.5:Phép biến đổi DCT 1 chiều

Phép biến đổi DCT 2 chiều thực chất được xây dựng từ hai biến đổi DCT(1 chiềutheo chiều ngang và theo chiều thẳng đứng)

Phép biến đổi cosin rời rạc hai chiều cho một khối 8x8 điểm ảnh được minh họabằng ví dụ sau đây:

Hình 3.6:Phép biến đổi DCT 2 chiều khối 8x8 điểm ảnh

Trên thực tế,phép biến đổi DCT cho một giá trị hệ số DC cao và các giá trị hệ số

AC rất nhỏ.Giá trị điểm điểm của khối thay đổi theo hướng nào càng nhiều thì giá trịcác hệ số AC theo hướng tương ứng càng cao

Bản thân DCT không nén dữ liệu,nó không làm giảm tốc độ bit.Bởi vậy,để nén dữliệu người ta phải lượng tử hóa các hệ số DCT theo một bảng trọng số nhất định saocho số các hệ số khác 0 ứng với lượng thông tin trong một khối là nhỏ nhất.Đồngthời,các hệ số DCT cũng được quét theo một cách đặc biệt để số hệ số 0 đi liền nhaunhiều nhất nhằm giảm số bit cần dùng cho mã hóa hệ số DCT

c.Lượng tử hóa các hệ số DCT

Quá trình lượng tử hóa và mã hóa các hệ số DCT chính là các quá trình làm giảmtốc độ bit vì bản thân phép biến đổi DCT không nén thông tin.Đây là khâu nhạy cảmnhất trong một hệ thống nén vì nó quyết định trực tiếp chất lượng ảnh khôi phục

*,Đặc tính thị giác của mắt người.

Mắt người không nhạy cảm với các thành phần tần số cao tức là kém phát hiện saisố tại những vùng ảnh có nhiều chi tiết,biến đổi nhanh.Hơn nữa sự phân giải theohướng xiên ít ảnh hưởng tới chất lượng ảnh hơn các hướng ngang và thẳng đứng.Điềunày có nghĩa rằng,sai số lượng tử của các hệ số DCT khác nhau là không đều.Sai sốcủa các hệ số tần số cao cũng như hệ số theo đường chéo ít ảnh hưởng hơn tới chấtlượng ảnh khôi phục

*,Lượng tử hóa lấy mẫu từng vùng.

Phương pháp lượng tử hóa các hệ số DCT đơn giản nhất là lấy mẫu theo từngvùng theo nguyên tắc như sau:loại bỏ một phần hệ số tần số cao mà mã hóa phần cònlại bằng số lượng bit cố định.Có thể hiểu đây như một bộ lượng tử chứa một bướclượng tử duy nhất.Mặc dù phương pháp này đơn giản nhưng nó có rất nhiều hạn chế:-Không tận dụng được đặc tính thị giác của con người là không nhạy cảm với tần sốcao,cũng như không tận dụng được đặc tính khó nhận biết sai số trong vùng ảnh có độlinh hoạt cao

-Từ mã có độ dài cố định không cho sự tối ưu trong việc giảm tốc độ bít.Đặc biệt khidùng đồng bộ lượng tử hóa tuyến tính.Một từ mã sẽ được truyền đi cho dù giá trị hệ sốlượng tử là 0.Có rất nhiều hệ số DCT sau khi lượng tử trở về giá trị 0 dẫn tới hiệu suấtnén rất thấp

*,Lượng tử hóa có trọng số.

Đây là phương pháp lượng tử hóa tối ưu cho nén ảnh.Trong đó sử dụng bộ lượngtử hóa tuyến tính có một dải các bước lượng tử.Mỗi hệ số DCT khác nhau sẽ đượclượng tử tuyến tính theo bước lượng tử phù hợp.Bước lượng tử này được quyết địnhdựa trên nhiều yếu tố

Đó là:

-Bảng trọng số HVS weighting table

Đặc tính cảm nhận của mắt người chỉ nhạy cảm với tần số thấp và hướng biến đổidọc,ngang mà không nhạy cảm với tần số cao cũng như sự thay đổi theo hướng

chéo,dẫn tới mức độ quan trọng của các hệ số tùy thuộc vào vị trí.Những hệ số tần sốcao và theo hướng chéo có thể được lượng tử hóa theo bước lượng tử thô hơn.

Điều này đã được nghiên cứu và liệt kê trong một bảng trọng số dành cho lượngtử hóa gọi là HVS weighting table.Ví dụ bảng trọng số được mặc định trong tiêu chuẩnnén JPEG như sau:

Bảng 3.1:Trọng số lượng tử hóa của chuẩn JPEG cho tín hiệu chói và tín hiệu màu

-mức độ linh hoạt của từng vùng ảnh

Như ta đã biết,lỗi mã hóa khó nhận biết hơn trong vùng ảnh có độ linh hoạt caonên tại đây có thể sử dụng bước lượng tử lớn hơn

Người ta đã tiến hành phân đoạn ảnh và đo đạc mức linh hoạt M cho từngđoạn.Từ đó tạo ra một tác nhân trọng số ak (k=1,…,M) cho M mức.Tham số ak này sẽcàng nhỏ nếu mức linh hoạt càng cao và chỉ được đánh giá cho hệ số AC bởi hệ số DCchứa năng lượng trung bình của khối.Chỉ có các hệ số AC xác định độ tương phản vàbiến thiên giá trị các điểm ảnh trong khối

-Đặc tuyến của bộ đệm dữ liệu

Có thể dễ dàng nhận thấy số bit truyền tải của mỗi đoạn ảnh tùy thuộc vào nộidung của đoạn ảnh đó.Ví dụ:với đoạn ảnh có độ tương phản thấp,số bit mã hóa sẽ thấp

vì năng lượng của cả đoạn sẽ tập trung hết vào hệ số DC.Với vùng ảnh có hoạt tínhcao,ngoài hệ số DC còn có một số các hệ số AC cần mã hóa dẫn đến làm tăng sốbit.Trong khi đó,tốc độ các kênh truyền tải luôn là hằng số,nên các bit mã hóa phải

được đưa qua một bộ nhớ đệm để điều chỉnh tốc độ bit đầu ra không thay đổi cho dù cósự biến thiên của tốc độ bit đầu vào.

Dung lượng của bộ nhớ này hạn chế nên khả năng tràn bộ nhớ là hoàn toàn có thểxảy ra khi tốc độ bit đầu vào quá lớn.Để tránh điều này,cần có sự điều khiển bộ nhớđệm.Trạng thái B của bộ nhớ tạo ra một tác nhân trọng số f(B) tác động lên thanglượng tử.B càng lớn(bộ đệm càng đầy) thì trọng số càng nhỏ tức bước lượng tử cànglớn để giảm bớt tốc độ bit đầu vào

Tổng hợp tất cả các tác nhân đã xét:

+,Trọng số từ bảng HVS:wij

+,Trọng số mức linh hoạt:ak

+,Trọng số tình trạng bộ đệm:f(B)

Kết hợp với nhau tác động lên thang lượng tử để có bước lượng tử phù hợp nhấtcho các hệ số DCT.Chất lượng bộ lượng tử càng cao nếu sự kết hợp này càng chínhxác.Khi đó,chất lượng ảnh khôi phục là tốt nhất trong khi vẫn đạt được tốc độ dòng bitthấp

Thông thường,bước lượng tử thấp cho hệ số DC và AC tần số thấp,bước lượng tửthô dành cho các hệ số AC tần số cao

d.Quét các hệ số DCT

Dòng số là dòng truyền tải các bit nối tiếp theo thời gian.Do vậy cần một quátrình sắp xếp các hệ số DCT đã lượng tử trong ma trận hai chiều thành dãy một chiềunối tiếp nhau.Quá trình đó gọi là quét hệ số DCT

Theo nghiên cứu,có hai dạng thức quét cho số hệ số “0” đứng cạnh nhau lớnnhất,tạo thuận lợi cho việc giảm tốc độ bit khi mã hóa.Đó là quét “zig_zag” và quétluân phiên(alternate)

Hình 3.7:Quét các hệ số DCT

e.Mã hóa các hệ số DCT

Sau khi quét,các hệ số DCT gồm rất nhiều hệ số 0 đi liền nhau nên được mã hóabằng loạt dài RLC(run length coding) rồi tiếp tục mã hóa bằng mã HuffmanVLC(variable length coding) sao cho giảm tối thiểu được tốc độ dòng bit

Việc mã hóa được quy định bởi các bảng mã.Ứng với mẫu đầu vào đối chiếu theobảng mã sẽ cho từ mã đầu ra tương ứng

Bảng 3.2:Giá trị hệ số AC và phân hạng

Hình vẽ sau đây minh họa quá trình quét và mã hóa một khối các hệ số DCT

Hình 3.8:Quét zig_zag và mã hóa Huffman

f.Hệ thống nén video công nghệ mã hóa chuyển đổi

Sơ đồ khối hệ thống nén ảnh sử dụng công nghệ “mã hóa chuyển đổi” như sau:Các tín hiệu chói Y và màu(CR,CB) được đưa vào bộ định dạng khối (block).MộtMacroblock gồm hai khối Y và hai khối tín hiệu màu CR,CB.Đầu ra bộ định dạngkhối,các mẫu điểm sẽ được sắp xếp thành các khối 8x8.Bốn khối (hai khối Y và haikhối màu CR,CB ) tạo nên một khối Macroblock(MB).Các MB sẽ được xử lý lượngtử,mã hóa độc lập với nhau

Các MB điểm ảnh được chuyển đổi sang vùng tần số bằng bộ chuyển đổi cosinrời rạc DCT.Khối hệ số DCT được lượng tử hóa và mã hóa theo mã RLC và VLC.Bộlượng tử hóa sẽ chịu sự tác động của 4 yếu tố sau:

 Trọng số của bảng HVS

 Sự phân loại năng lượng khối

 Tín hiệu điều khiển chiếm cứ bộ nhớ.

 Khối ID

Để cho bước lượng tử phù hợp với từng hệ số DCT

Block ID(identification Block) là các khối điểm cho phép tín hiệu chói và màuđược lượng tử hóa độc lập với nhau

Do tốc độ dòng bit mã hóa thay đổi nên cần phải sử dụng một bộ nhớ đệm để giữcố định tốc độ dòng bit đầu ra

Hình 3.9:Sơ đồ nén ảnh theo công nghệ Transform coding

Hình 3.10:Giải mã DCT

Trên đây là hai công nghệ nén phổ biến trong truyền hình số,kết hợp các côngnghệ nén này sẽ cho ra các tiêu chuẩn nén:JPEG,JBIG,MPEG

MPEG là một chuẩn nén được sử dụng rộng rãi trong thông tin vệ tinh,truyền hinhcáp và trong các hệ thống truyền hình mặt đất.MPEG (moving picture exrt group) đượcthành lập nhằm phát triển các kĩ thuật nén cho phù hợp với việc truyền hình ảnh.Từ khiđược thành lập,MPEG đã đưa ra các chuẩn nén như:MPEG1,MPEG2,MPEG4(part 2và part 10),MPEG7 và MPEG21.Trong các chuẩn này,MPEG2 và MPEG4 part 10được sử dụng rộng rãi trong IPTV

3.2.CHUẨN NÉN MPEG-2

MPEG2 là một công nghệ đạt được thành công lớn và là một chuẩn nén có ưu thếvượt trội dành cho truyền hình số được truyền qua nhiều mạng truyền thông băngrộng.Chuẩn nén MPEG-2 được chia thành 2 loại nén hình và nén tiếng

Nén hình:Video ở dạng cơ bản là chuỗi các ảnh liên tục.một frame được định nghĩa vớimột chuỗi bit header.Mắt người thường thấy thoải mái khi xem TV với tốc độ 25hình/s.Sẽ không có lợi nếu phát với tốc độ nhanh hơn vì người xem không thể nhận rasự khác biệt.Do đó có thể giảm dung lượng của những hình ảnh bằng cách nén chúnglại.Các bộ nén hình được sử dụng với mỗi frame mà vẫn giữ chất lượng hình ảnh cao

3.2.1.Tiêu chuẩn nén video MPEG-2

Tiêu chuẩn MPEG-2 còn được gọi là ISO/IEC 13818 là sự phát triển tiếp theo củaMPEG-1 ứng dụng cho độ phận giải tiêu chuẩn của truyền hình do CCIR-601 quyđịnh

- Phần 3:Audio (ISO/IEC 13818-3):mã hóa và giải mã dữ liệu âm thanh.

- Phần 4:Biểu diễn (ISO/IEC 13818-4):định nghĩa quá trình kiểm tra các yêu cầu củaMPEG-2

So với MPEG-1,MPEG-2 có nhiều cải thiện,ví dụ về kích thước ảnh và độ phângiải ảnh,tốc độ bit tối đa,tính phục hồi lỗi,khả năng co giãn dòng bit.Khả năng co giãndòng bit của MPEG-2 cho phép khả năng giải mã một phần dòng bit mã hóa để nhậnđược ảnh khôi phục có chất lượng tùy thuộc mức độ yêu cầu

Sau đây là một số đặc điểm chủ yếu của tiêu chuẩn này:

- Hỗ trợ nhiều dạng thức video,đặc biệt là các dạng thức video độ phân giải không giancao,dạng thức video xen kẽ của truyền hình

- Cú pháp dòng bit MPEG-2 là sự mở rộng của dòng bit MPEG-1

- Nén video MPEG-2 tương hợp với nén video MPEG-1.Được thể hiện qua 4 hình thứctương hợp

* Tương hợp thuận:bộ giải mã MPEG-2 có khả năng giải mã dòng bit(hoặc mộtphần dòng bit MPEG-1)

* Tương hợp ngược:bộ giải mã MPEG-1 có khả năng giải mã được một phầndòng bit MPEG-2

* Tương hợp lên:bộ giải mã độ phân giải cao có khả năng giải mã được dòng bitcủa bộ mã hóa có độ phân giải thấp

* Tương hợp xuống :bộ giải mã độ phân giải thấp có thể giải mã được một phầndòng bit của bộ mã hóa độ phân giải cao

- MPEG-2 hỗ trợ khả năng co giãn(scalability):co giãn không gian,co giãn SNR(signal

to noise ratio),co giãn phân chia số liệu…

- Ngoài ra còn có nhiều cải tiến khác trong MPEG-2 bao gồm:

* Cho phép nhiều cấu trúc lấy mẫu: 4:4:4,4:2:2 và 4:2:0

* Hệ số DC được mã hóa với độ chính xác đặc biệt

* Bảng lượng tử riêng biệt cho các thành phần chói và màu nên lợi dụng được đặcđiểm của mắt người là ít nhạy cảm hơn với tín hiệu màu