Ứng dụng HDTV trên nền công nghệ truyền hình kỹ thuật số mặt đất DVB thông qua mô phỏng

Nội dung Luận văn bao gồm bao gồm 4 chương: Chương I: Trình bày tổng quan truyền hình số độ phân giải cao HDTV Chương II : Trình bày quá trình số hóa tín hiệu HDTV và kỹ thuật nén dò

Viện đại học mở hà nội Khoa điện tử viễn thông

LỜI CAM ĐOAN

Tôi : Nguyễn Thị Thuý , học viên lớp Cao học Kỹ Thuật Điện

tử - Viễn thông khoá 2010 - 2012 xin cam đoan:

Bản luận văn “Ứng dụng HDTV trên nền công nghệ kỹ thuật

số mặt đất DVB thông qua mô phỏng” là do chính tôi viết với sự

hướng dẫn khoa học nhiệt tình của PGS TS Nguyễn Vũ Sơn Nội dung của luận văn không được sao chép từ bất kỳ tài liệu nào đã được công bố

Các số liệu trong bản luận văn là kết quả chạy chương trình mô phỏng bằng MATLAB@ & SIMULINK@ Rm2008a

Hà Nội, tháng 10 năm 2012

Học viên

Nguyễn Thị Thúy

MỤC LỤC

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC HÌNH VẼ

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN TRUYỀN HÌNH ĐỘ PHÂN GIẢI CAO 3

1.1 Lịch sử phát triển 3

1.1.1 HDTV tại Nhật Bản 3

1.1.2 HDTV tại Mỹ 3

1.2.2 Phương pháp quét 5

1.2.3 Tỉ lệ khuôn hình 6

2.1 Số hóa tín hiệu HDTV 8

2.1.1 Mành HDTV tương tự 8

2.1.2 Số hóa tín hiệu HDTV 9

2.1.2.1 Độ phân giải hình và băng thông tín hiệu 9

2.1.2.2 Tần số lấy mẩu và cấu trúc lấy mẫu 9

2.1.2.3 Lượng tử hoá và dung lượng video số HDTV 11

2.2 Nén tín hiệu video số HDTV 12

2.2.1 Giới thiệu 12

2.2.2 Kỹ thuật nén MPEG-2 12

2.2.2.1 Nguyên lý nén video 12

2.2.2.2 Nén trong ảnh (Intra Frame Compression) 13

2.2.2.3 Nén liên ảnh (Inter Frame Compression) 15

2.2.2.4 Dự đoán chuyển động 16

2.2.2.5 Profile & Level của MPEG-2 16

2.2.2.6 Dự đoán bù chuyển động với ảnh quét xen kẽ 17

2.2.3 Kỹ thuật nén MPEG-4 (Part 10) hay MPEG-4/AVC 19

2.2.3.1 NAL (Network Abstraction layer) 19

2.2.3.2 VCL (Video Coding Layer) 19

2.2.3.3 Ảnh, khung và mành 20

2.2.3.4 Phân chia ảnh vào các Macroblock 20

2.2.3.5 Slice và nhóm Slice 20

2.2.3.6 Chu trình mã hóa và giải mã Macroblock 21

2.2.3.7 Dự đoán trong ảnh Ilntra) 21

2.2.3.8 Dự đoán liên khung (Inter) 22

2.3.4.9 Biến đối Cosin 23

2.2.3.10 Mã hóa Entropy 24

2.2.3.11 Bộ lọc Deblocking 24

2.2.4.12 Các công cụ mã hóa quét xen kẽ 24

2.2.3.13 Các profiles và levels 25

2.2.4.14 Những kỹ thuật làm tăng hiệu quả nén MPEG-4/AVC so với MPEG-2 25

2.2.4 Phương pháp nén tín hiệu video HDTV để phát sóng quảng bá 28

Chương 3: ỨNG DỤNG HDTV TRÊN NỀN CÔNG NGHỆ TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB 30

3.1 Phương thức truyền dẫn truyền hình số mặt đất DVB-T 30

3.1.1 Giới thiệu 30

3.1.2.1 Nguyên lý OFDM 31

3.1.2.2 Chuỗi bảo vệ và tiếp đầu tuần hoàn (CP – Cyclic Prefix) 32

3.1.3 Tổng quan mã hóa và điều chế tiêu chuẩn DVB-T 36

3.1.3.1 Ngẫu nhiên hoá dữ liệu và phân tán năng lượng 36

3.1.3.2 Mã hóa ngoài và tráo ngoài 37

3.1.3.3 Mã trong 38

3.1.3.4 Tráo trong 39

3.1.3.5 Ánh xạ dữ liệu và đồ thị chòm sao 43

3.1.3.6 Cấu trúc khung OFDM 45

3.1.3.7 Tín hiệu pilot 47

3.1.3.8 Đặc tính phổ và mặt nạ phổ 50

3.2 Phân tích tác nhân ảnh hưởng chất lượng hệ thống truyền dẫn DVB-T 51 3.2.1 Ảnh hưởng của các tham số M-QAM, FEC, Tg 52

3.2.2 Ảnh hưởng của phương thức truyền dẫn 2K, 8K 55

3.2.2.1 Khả năng thu di động 55

3.2.2.2 Khả năng chống nhiễu đột biến 56

3.2.2.3 Khả năng thực hiện mạng đơn tần (SFN). 56

3.2.3 Ảnh hưởng tạp nhiễu pha 57

3.2.3.1 Tín hiệu không có tập nhiễu pha 57

3.2.3.2 Tín hiệu có tạp nhiễu pha 57

3.2.3.3 Sai pha chung (CPE) 58

3.2.4 Ảnh hưởng offset cửa sổ FFT 60

3.3 Phân tích hiệu suất truyền dẫn HDTV trên nền công nghệ DVB-T 63

3.4 Công nghệ truyền dẫn kỹ thuất số mặt đất thế hệ thứ hai DVB-T2 70

3.4.1 Tổng quan hệ thống DVB-T2 70

3.4.1.1 Giới thiệu 70

3.4.1.2 Những tiêu chí cơ bản để xây dựng DVB-T2 70

3.4.1.3 So sánh DVB-T và DVB-T2 71

3.4.1.4 Mô hình cấu trúc DVB-T2 72

3.4.1.5 Cấu trúc lớp vật lý DVB-T2 73

3.4.2 Phân tích một số giải pháp kỹ thuật sử dụng trong DVB-T2 74

3.4.2.1 Ông dẫn vật lý PLPs (Physical Layer Pipes) 74

3.4.2.2 Băng tần phụ 76

3.4.2.3 Các mode sóng mang mở rộng 76

3.4.2.4 256-QAM 76

3.4.2.5 Các mẫu pilot 77

3.4.2.6 Symbol khởi đầu P1 và P2 (Preamble) 78

3.4.2.7 Kích thước FFT16K, 32K và phân số khoảng bảo vệ 1/128 78

3.4.2.8 Kỹ thuật mã hóa LDPC 79

3.4.2.10 Vấn đề PAPR trong hệ thống OFDM 89

3.4.2.11 Kỹ thuật MISO dựa trên Alamouti code (trục tần số) 96

3.4.3 Kết luận 99

Chương 4: MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 101

4.1 Mô hình mô phỏng 101

4.1.1 Mô hình hệ thống DVB-T 101

4.1.2 Mô hình mô phỏng hiệu suất mã LDPC trong DVB-S2 102

LỜI KẾT 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO 109

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

BBFRAME Baseband Frame

FFT Fast Fouiier Transíorm

Coding

MUX Multiplexer

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Độ phân giải và phương pháp quét HDTV 6

Bảng 2.1 Thông số quét ảnh của HDTV tương tự 8

Bảng 3.1 Mẫu xoắn lỗ tương ứng với từng tỉ lệ mã 39

Bảng 3.2 Giá trị Cm l k tương ứng các phương pháp điều chế 46

Bảng 3.3 Quy hoạch DVB-T theo các điều kiện thu tín hiệu 66

Bảng 3.5 So sánh DVB-T và T2 hoạt động trong mạng SFN 72

Bảng 3.6 Góc quay ứng với mỗi sơ đồ điều chế 88

Bảng 3.7 Mã hóa space - time 98

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Tương quan về độ phân giải 5

Hình 1.2 So sánh HDTV và SDTV về tỷ lệ khuôn hình 7

Hình 2.1 Đặc tuyến biên tần của tín hiệu Y, C’B, C’R 11

Hình 2.2 Biến đổi DCT 13

Hình 2.3 Lượng tử hóa các hệ số biến đổi DCT 14

Hình 2.4 Thứ tự trình chiếu các loại ảnh 16

Hình 2.5 Dự đoán bù chuyển động 16

Hình 2.6 Cấu trúc khung 18

Hình 2.7 Cấu trúc mành 18

Hình 2.8 Phân chia slice và nhóm slice 20

Hình 2.9 Sơ đồ mã hóa Macroblock 21

Hình 2.10 Kích thước dự đoán MB 22

Hình 2.11 Dự đoán bù chuyển động 23

Hình 2.12 Mối tương quan giữa nén MPEG-2, MPEG-4, và MPEG-4/AVC 28 Hình 2.13 So sánh tốc độ bits của 2 chuẩn nén MPEG-2 và MPEG-4/AVC 29 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T 30

Hình 3.2 Hiệu quả sử dụng phổ của OFDM 31

Hình 3.3 Mô tả khái niệm về chuỗi bảo vệ 33

Hình 3.4 Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI có multipath 33

Hình 3.5 Loại bỏ ICI khi thêm tiếp đầu tuần hoàn CP 34

Hình 3.6 Truyền OFDM trên kênh truyền fading đa đường với CP 35

Hình 3.7 Mô tả hệ thống OFDM ảnh hưởng ICI và ISI 35

Hình 3.8 Mô hình hệ thống OFDM 35

Hình 3.9 Sơ đồ cấu trúc phân tán năng lượng 36

Hình 3.10a Gói ghép kênh truyền tải PEG-2 204 byte 37

Hình 3.10b Gói truyền tải đã được ngẫu nhiên hóa 37

Hình 3.10b Gói truyền tải đã được ngẫu nhiên hoá 38

Hình 3.10d Cấu trúc dữ liệu sau bộ tráo ngoài (với độ sâu 1=12 byte) 38

Hình 3.11 Sơ đồ khối tiến trình tráo và giải tráo ngoài 38

Hình 3.12 Mã xoắn mẹ tỉ lệ 1/2 39

Hình 3.13 Mã hóa trong và tráo trong 40

Hình 3.14 Ánh xạ các bit đầu vào thành các symbol của tín hiệu điều chế trong phương thức truyền dẫn không phân cấp 41

Hình 3.15 Ánh xạ các bit đầu vào thành các symbol của túi hiệu điều chế trong phương thức truyền dẫn có phân cấp 42

Hình 3.16a Đồ thị chòm sao QPSK, 16-QAM, 64-QAM và các mẫu bit tương ứng 44

Hình 3.16b Định vị 16-QAM, 64-QAM và không đồng đều α =2 45

Hình 3.17 Tạo chuỗi giả ngẫu nhiên 47

Hình 3.18 Phân bố các kết quả mã hóa vi sai 48

Hình 3.19 Phân bố các pilot phân tán 48

Hình 3.20 Phân bố các pilot liên tục, phân tán và TPS trong chòm sao 64-QAM 50

Hình 3.21 Mật độ phổ công suất 50

Hình 3.22 Tốc độ bit hữu ích, C/N yêu cầu tương ứng với các tham số DVB-T 52

Hình 3.23 Quan hệ giữa sự ảnh hưởng của tín hiệu phản xạ và độ trễ tương đối 53

Hình 3.24 Các trường hợp offset ánh xạ symbol 61

Hình 3.25 Chòm sao chịu ảnh hưởng của offset FFT; 61

Hình 3.26 Sơ đồ ghép kênh phát quảng bá 2 kênh HDTV trên 1 kênh DVB-T 66

Hình 3.27 Điều chế phân cấp 64-QAM 68

Hình 3.28 Sơ đồ cấu trúc DVB - T2 72

Hình 3.32 Mật độ công suất phổ DVB-T2 76

Hình 3.33 Sơ đồ chòm sao 256-QAM 77

Hình 3.34 Các mẫu pilot phân tán của DVB-T (trái) và DVB-T2 (phải) 77

Hình 3.35 Kích thước FFT lớn sẽ giảm overhead khoảng bảo vệ 78

Hình 3.36 Ma trận kiểm tra chẵn lẻ của một mã LDPC đều (20,3,4) 79

Hình 3.37 Mạng belief của mã LDPC 81

Hình 3.38 Một ví dụ về mạng Belief 82

Hình 3.39 Hiệu suất mã điều khiển lỗi DVB-T và DVB-T2 84

Hình 3.40 Cấu trúc bộ phát BICM 84

Hình 3.41 Mã Gray 16-QAM 85

Hình 3.43 Chòm sao 16-QAM sau khi quay; và chòm sao 16-QAM “ảo” sau khi quay và “delay cyclic” trục Q 87

Hình 3.44 Cấu trúc sơ đồ BICM-SSD: (a) phát; (b) thu truyền thống 87

Hình 3.45 Sơ đồ bộ thu vòng lặp đối với BICM-SSD 88

Hình 3.46 So sánh hiệu suất quay chòm sao QPSK 89

Hình 3.47 Mô tả kỹ thuật ACE với mã hoá chòm sao 16-QAM 91

Hình 3.48 Sơ đồ thuật toán ACE 91

Hình 3.49 Nguyên lý thuật toán AC 93

Hình 3.50 Cấu trúc máy phát OFDM sử dụng kỹ thuật TR 94

Hình 3.51 Sơ đồ khối thuật toán “peak-cancellation” 96

Hình 3.52 Mô hình kênh MISO 97

Hình 3.53 Cấu hình MISO sử dụng lược đồ Alamouti 98

Hình 4.1 Mô hình DVB-T, mode 2K, kênh truyền Guassian 101

Hình 4.2 Bộ mã hóa Convolutional Code và mẫu đục lỗ (puncture) 102

Hình 4.3 Mô hình mô phỏng hiệu suất LDPC trong tiêu chuẩn DVB-S2 103

Hình 4.4 Sự phụ thuộc của BER vào Eb/No trong kênh Guassian sau bộ sửa lỗi Viterbi, sử dụng 64-QAM 103

Hình 4.5 Sự phụ thuộc của BER vào Eb/No trong kênh Guassian sau bộ sửa

lỗi Viterbi, sử dụng 16-QAM 104 Hình 4.6 Sự phụ thuộc của BER vào Eb/No trong kênh Guassian sau bộ sửa

lỗi Viterbi, sử dụng QPSK 104 Hình 4.7 Sự phụ thuộc của BER vào Eb/No trong kênh Guassian sau bộ sửa

lỗi LDPC, sử dụng QPSK 105

LỜI NÓI ĐẦU

Những công trình nghiên cứu khoa học, các chuyên đề phân tích, lựa chọn tiêu chuẩn truyền hình của nhiều nhà khoa học trong nước cho thấy: DVB- T là công nghệ truyền dẫn truyền hình số mặt đất phù hợp với điều kiện tự nhiên và kinh tế của Việt Nam Ngày nay, truyền hình độ phân giải cao (HDTV) đang phát triển mạnh mẽ và là một xu thế tất yếu, sẽ dần thay thế SDTV giống như truyền hình màu bây giờ đã thay thế truyền hình trắng đen Việc truyền dẫn dịch vụ HDTV trên công nghệ kỹ thuật số mặt đất DVB-T đang gặp khó khăn về yêu cầu cân bằng giữa hiệu quả sử dung lượng kênh truyền và chất lượng dịch vụ Tuy nhiện, với sự ra đời và phát triển kỹ thuật nén tiên tiến MPEG-4/AVC, hiệu suất nén dòng túi hiệu HDTV đã được cải thiện rất nhiều, kèm theo đó là hiệu quả sử dụng kênh truyền cũng được cải thiện Đầu năm 2009, tiêu chuẩn kỹ thuật số mặt đất thế hệ thứ 2 (DVB-T2) chính thức được tổ chức DVB giới thiệu và đã được BBC phát sóng thử nghiệm Dung lượng kênh truyền của hệ thống DVB-T2 được cải thiện rất nhiều so với DVB- T (tăng khoảng 50%), bên cạnh đó độ tin cậy và khả năng chống nhiễu cũng tốt hơn nhờ sử dụng những kỹ thuật tiên tiến Do đó, các dịch vụ HDTV hứa hẹn sẽ phát triển mạnh trên nền kỹ thuật truyền dẫn số mặt đất, đặc biệt khi các dịch vụ truyền hình tương tự kết thúc Nhằm góp phần đánh giá hiệu quả truyền dẫn các dịch vụ HDTV trên nền công nghệ kỹ thuật số mặt đất, tác giả của luận văn đã chọn đề tài nghiên cứu “Ứng dụng HDTV thông qua kết quả mô phỏng”

Nội dung Luận văn bao gồm bao gồm 4 chương:

Chương I: Trình bày tổng quan truyền hình số độ phân giải cao

HDTV

Chương II : Trình bày quá trình số hóa tín hiệu HDTV và kỹ thuật

nén dòng tín hiệu video bằng tiêu chuẩn MPEG-2 và MPEG-4/AVC Phân tích và lựa chọn phương thức nén

cho dòng tín hiệu video HDTV

Chương III: Tổng quan tiêu chuẩn kỹ thuật số mặt đất DVB-T, phân

tích một số nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn hệ thống Đánh giá hiệu quả truyền dẫn tín hiệu truyền hình độ phân giải cao HDTV trên nền kỹ thuật

số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T Phân tích, đánh giá một số giải pháp kỹ thuật được sử dụng trong công nghệ kỹ thuật số mặt đất thế hệ thứ 2 (DVB-T2)

Chương IV: Trình bày một số kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu

suất về tiêu chuẩn DVB-T và mã hóa LDPC

Qua lời nói đầu, tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn khoa học nhiệt tình của PGS.TS Nguyễn Vũ Sơn - Khoa Điện Tử Viên Thông; sự giúp đỡ, góp ý quý báu của các thày cô giáo trong thời gian học tập tại trường cũng đã giúp tôi định hướng rõ ràng hơn trong nghiên cứu và xin cảm ơn các đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên tôi hoàn thành bản luận văn này!

Hà Nội, tháng 10 năm 2012

Học viên Nguyễn Thị Thuý

Chương 1 TỔNG QUAN TRUYỀN HÌNH ĐỘ PHÂN GIẢI CAO

1.1 Lịch sử phát triển

Các hệ thống HDTV ngày nay xuất phát từ hướng nghiên cứu của Dr Fujio thuộc hãng truyền hình NHK, Nhật Bản HDTV lúc bấy giờ có độ phân giải ngang và dọc gấp 2 lần độ phân giải của TV truyền thống, tỉ lệ khuôn hình 5:3 (sau này thay đổi thành 16:9), và có ít nhất 2 kênh audio chất lượng

CD Sự phát triển của HDTV gắn liền với các nền công nghiệp truyền hình Nhật Bản, Mỹ và Châu Âu

1.1.1 HDTV tại Nhật Bản

Năm 1968, hãng NHK của Nhật Bản đã cho ra đời chuẩn kỹ thuật HDTV đầu tiên dành cho studio : số dòng quét/ảnh - 1125, tỉ lệ khuôn hình - 5/3, phương pháp quét - xen kẽ, tần số mành - 60Hz, độ rộng băng tần - 20MHz

Và cho đến tháng 2 năm 1984 đã công bố chính thức hệ thống phát sóng và thu tín hiệu truyền hình tương tự có độ phân giải cao, là hệ MUSE (Multiple SubNyquist Sampling Encoding) Đến tháng 10/1984, hệ MUSE đã được nhiều nước công nhận là hệ truyền hình có độ phân giải cao đầu tiên trên thế giới Cho đến đầu những năm 2000 thì Nhật Bản đã chính thức chuyển sang phát sóng HDTV số mặt đất theo tiêu chuẩn ISDB-T, và phát sóng số HDTV qua vệ tinh theo tiêu chuẩn ISDB-S

1.1.2 HDTV tại Mỹ

Chính phủ Mỹ đã quyết định nghiên cứu một định dạng HDTV mới so với cùa NHK để có thể phù hợp với các hệ thống phát sóng số hiện tại Các nhà nghiên cứu và các nhà sản xuất đã tập hợp lại thành 4 nhóm riêng biệt để thực hiện công việc này Bản thân 4 nhóm đã xây dựng nên 4 hệ truyền hình HDTV riêng là: DigiCipher HDTV System, DSC HDTV System, Advance Digital (AD) HDTV, và CCDC HDTV System Đó là tiền thân của tổ chức

The Grand Alliance với hệ GA HDTV, được thành lập vào ngày 24/5/1993 từ việc thống nhất 4 nhóm nói trên

Trong quá trình xây dựng hệ thống HDTV, Grand Alliance đã nhận thấy rằng, công nghệ mới này phải được chuyển sang số hoá để có thể tương thích với các hệ thống truyền hình số hiện tại Đến năm 1996 thì FCC chính thức lập tiêu chuẩn cho HDTV, được phát số mặt đất theo tiêu chuẩn ATSC

1.1.3 HDTV tại châu Âu

Vào năm 1986, 19 nước ở châu Âu đã tổ chức hội nghị bàn thảo về chương trình nghiên cứu HDTV mang tên “Eureka 95”, nhằm phát triển hệ thống HDTV tại châu Âu Giống như Nhật Bản, châu Âu cũng bắt đầu với hệ truyền hình HDTV tương tự phát sóng qua vệ tinh Vào tháng 5/1992, EƯ đưa ra tiêu chuẩn D2-MAC, được phát triển bởi SGS-Thomson của Pháp và Philips của Hà Lan,

để phát sóng truyền hình màn rộng và các dịch vụ vệ tinh Hệ HDTV của châu

Âu khi đó có số dòng quét là 1250 với 1152 dòng tích cực, tỉ lệ khuôn hình là 16:9, và tần số mành là 50Hz Thời điểm đó, EU có kế hoạch chuyển đổi các hệ thống truyền hình tương tự hiện tại sang hệ thống D2-MAC thậm chí sang cả HD-MAC là hệ thống HDTV tương tự đầy đủ Đến năm 1993 thì hệ truyền hình HDTV tương tự HD-MAC chính thức dừng lại, EU và EBU khi đó tập trang vào phát triển truyền hình số với hệ DVB

Cho đến năm 2003, HDTV mới lại được bắt đầu được phát số thử nghiệm tại châu Âu theo tiêu chuẩn DVB trên cả vệ tinh, cáp và sóng mặt đất

1.2 Các khái niệm cơ bản về HDTV

1.2.1 Định dạng ảnh

Truyền hình độ phân giả tiêu chuẩn (SDTV) chỉ sử dụng quét xen kẽ (Interlaced) mà không quét liên tục (Progressive), tần số quét đứng (quét mành) cố định Một ảnh của truyền hình SDTV theo hệ PAL có tổng số dòng

là 625, thực hiện quét xen kẽ mành chẵn, mành lẻ với tần số quét mành là 50Hz (tức là 25 ảnh/lgiây) Tuy hệ PAL có 625 dòng, nhưng số dòng nhìn thấy trên màn hình, hay còn gọi là các dòng tích cực (Active Lines) chỉ là 576

dòng Số dòng dùng vào việc chèn xung đồng bộ, tín hiệu đo là 49 dòng Chuẩn SDTV có 720 điểm ảnh trên một dòng và 576 dòng (tích cực)

Truyền hình có độ phân giải cao HDTV có sự khác biệt với SDTV ở

số dòng quét và hình thức quét ảnh Hiện nay có 3 định dạng cơ bản cho HDTV đó là: 720 dòng và quét liên tục (720p); 1080 dòng và quét xen kẽ (1080i) và 1080 dòng và quét liên tục (1080p) Với 1080p sẽ cho chất lượng ảnh vượt trội, tuy nhiên chuẩn này chỉ có thể ứng dụng để phát quảng bá thực

tế trong tương lai

Định dạng ảnh 1920x1080 được chọn là định dạng ảnh chuẩn cho HDTV, được ITU thừa nhận và lần đầu tiên được chấp nhận cả đối với truyền hình và film Vậy 1920x1080 xuất phát từ đâu?

720 X 3/4 X 16/9 X 2 = 1920 điểm/dòng

Chuẩn SDTV có tỉ lệ khuôn hình là 4:3 và độ phân giải là 720 điểm/dòng Tỉ lệ khuôn hình của HDTV là 16:9, và tăng số điểm lên gấp đôi, nên HDTV tỉ lệ khuôn hình 16:9 phải có 1920 điểm/dòng Cách lấy số điểm như thế, có thể sẽ thuận lợi cho việc chuyển định dạng ảnh từ HDTV về SDTV Sau khi đã tìm ra số điểm/dòng sẽ có số dòng tích cực:

1920 X 9/16 = 1080 dòng

Hình 1.1 Tương quan về độ phân giải 1.2.2 Phương pháp quét

Có 2 phương pháp để quét màn hình là quét xen kẽ (interlaced = i) và

quét liên tục (Progressive = p) Với quét xen kẽ, mỗi khung hình được chia ra

thành 2 mành, một mành quét các dòng chẵn và một mành quét các dòng lẻ Quét liên tục sẽ thực hiện quét toàn bộ khung hình Tốc độ quét là 50Hz, điều

đó có nghĩa là có 50 mành được truyền trong lsề Hiện nay HDTV có 2 định dạng cơ bản là 1080i và 720p HDTV đích thực (true HDTV ) sẽ là quét 1080 dòng xen kẽ hoặc quét 720 dòng liên tục Định dạng quét 1080i có số dòng cao hơn nên sẽ mang nhiều thông tin hơn, có chất lượng ảnh tĩnh cao hơn Định dạng 720p có số hình trong 1s nhiều hơn do vậy sẽ thích hợp với các chương trình có nhiều chuyển động

Một số ưu điểm của khuôn hình rộng là:

• Góc nhìn thấy của con người khoảng xung quanh 120o, nhưng khi nhìn

màn hình nhỏ tỉ lệ 4:3 từ khoảng cách vài mét, chúng ta sẽ phải làm hẹp góc nhìn một cách đáng kể thậm chí lên đến 10° Điều này làm giảm khả năng cảm thụ hình ảnh

• Tỉ lệ khuôn hình 16:9 (1.78:1) gần hơn với tỉ lệ khuôn hình sử dụng

trong điện ảnh (thường là 1.85:1 hoặc 2.35:1) Phần lớn các chuyển động trên màn hình được thực hiện theo chiều ngang (ví dụ bóng đá, đua xe), do đó màn hình rộng sẽ có thể đáp ứng tốt hơn

Màn hình rộng cũng có nghĩa giảm bớt số lượng các hình cận cảnh và chuyển cảnh Mặt khác các chuyển động trên màn hình rộng là liền mạch và liên tục với chương trình mang tính phim ảnh Nói một cách đơn giản là có thể giảm bớt được các chuyển cảnh nhanh do ta có thể nhìn được nhiều hơn trên màn hình rộng

Hình 1.2 So sánh HDTV và SDTV về tỷ lệ khuôn hình

• Định dạng 720p, tần số mành cũng là tần số khung, mỗi khung hình

truyền đi bao gồm 1 mành quét với 750 dòng tín hiệu

• Định dạng 1080i, một khung hình gồm 1125 dòng tín hiệu, được

truyền đi bằng 2 mành Mành 1 gồm các dòng lẻ, 563 dòng và mành 2 gồm các dòng chẵn, 562 dòng Tần số khung tương ứng với 2 hệ tần số là 25Hz và 30Hz Tần số dòng với định dạng 1080/30i: fH = 30 X 1125 = 33750Hz Tương tự như vậy, tần số dòng với các định dạng 1080/25i là 28125Hz, với định dạng 720/60p là 45000Hz, với định dạng 720/50p là 37500Hz

Bảng 2.1 Thông số quét ảnh của HDTV tương tự

564-720 745)

(26-1080

(21-560, 1123)

564-6 Dòng trống 30 (1-25, 746 750)

45 (1-20, 561- 563,1124- 1125)

30 25,746- 750)

(1-45 (1- 0,561- 563,1124- 1125)

2.1.2 Số hóa tín hiệu HDTV

2.1.2.1 Độ phân giải hình và băng thông tín hiệu

Độ phân giải đứng tương đương với số lần chuyển đổi giữa dòng tín hiệu mức trắng và mức đen trong toàn ảnh Từ những năm 1930, đã xác định độ phân giải chiều đứng được tính bằng 70% của số dòng tích cực Hệ số 0.7 được gọi là hệ số K (Kell Factor)

Độ phân giải chiều đứng được thể hiện ở dạng số dòng của chiều cao 1 ảnh (LPH - Lines per piture height), giá tri này được dùng để xác định mức phân giải đứng tối đa có thể hiển thị được Nếu 1 ảnh yêu cầu độ phân giải cao hơn giá trị phân giải đứng của mành thì ảnh sẽ bị mờ

Độ phân giải ngang của mành sẽ quyết định bề rộng băng thông cần thiết

để truyền tín hiệu Hệ 1080/25i có: số dòng tích cực 1080, độ phân giải đứng 1080x0.7 = 756 LPH, với tỉ lệ khuôn hình 16:9, chiều ngang của mành phải đảm bảo hiển thị số điểm ảnh là: 756 X 16/9 = 1344 điểm ảnh

Tần số mành của hệ 1080/25i là: 28125Hz, do đó thời gian tích cực 1 dòng là: (1/28125) X (1920/2640) = 25.858^1S

Do chiều ngang có số điểm ảnh là 1344, nên số lần chuyển đổi điểm ảnh đen trắng trên 1 dòng là 1344/2 = 672 lần

Thời gian 1 lần chuyển đổi là: 25.858/672 = 0.0384p.s

2.1.2.2 Tần số lấy mẩu và cấu trúc lấy mẫu

Việc lấy mẫu tín hiệu có thể thực hiện với tín hiệu chói (Y’) và 2 tín hiệu màu thành phần (C’B, C’R) hoặc có thể thực hiện với 3 tín hiệu màu cơ bản (R\ G\ B’) Đồng thời tần số lấy mẫu cũng phải lớn hơn 2 lần độ rộng dải phổ túi hiệu

• Với HDTV, tần số lấy mẫu túi hiệu chói là 74.25MHz cho tất cả các

định dạng tương tự Tần số này là bội số của tần số dòng với cả 4 định dạng nói trên

• Với tín hiệu thành phần, tần số lấy mẫu cũng thường được biểu diễn

thông qua tỉ số giữa tần số lấy mẫu tín hiệu chói và tần số lấy mẫu tín hiệu hiệu màu Với tín hiệu HDTV thành phần, tần số lấy mẫu 2 tín hiệu hiệu màu

là 37.125MHz, cụ thể như sau:

• Cấu trúc lấy mẫu là trực giao, các mẫu tín hiệu màu được lấy cùng với

các mẫu tín hiệu chói lẻ trên mỗi dòng Các cấu trúc lấy mẫu gồm có 4:2:0,4:2:2,4:4:4

Theo Shanon và Nyquist, dải tần cho tín hiệu chói sẽ không được vượt quá một nửa tần số lấy mẫu là 37.125MHz, và dải tần cho 2 tín hiệu hiệu màu không được vượt quá 18.5625MHz Với việc sử dụng một bộ lọc thông thấp, tần số cutoff của đặc tuyến biên tần với túi hiệu chói sẽ là 30MHz, với túi hiệu màu là 15MHz

Hình 2.1 Đặc tuyến biên tần của tín hiệu Y, C’B, C’R

2.1.2.3 Lượng tử hoá và dung lượng video sốHDTV

Tuỳ theo mục đích lưu trữ hay truyền dẫn, số bít lượng tử có thể là 10

hoặc 8 bít Thành phần được lượng tử hoá sẽ bao gồm tín hiệu chói, tín hiệu

hiệu màu và các túi hiệu về chuẩn thời gian (Time Reíerence Signal - TRS)

bao gồm tín hiệu kết thúc dòng video tích cực (EAV - End of Active Line) và

bắt đầu một dòng video tích cực (SAV - Start of Active Line)

Tốc độ bít video với chuẩn 1080/25i được tính toán như sau:

Thời gian của 1 dòng tích cực: 1/28125 = 35.55 sµ

Tổng số mẫu tín hiệu chói được lấy tại mỗi dòng :

Số mẫu trong 1s là: 5702400 X 25 = 142.56 M mẫu

Với một mẫu được mã hóa 10 bit thì tốc độ video HDTV là 1425.6Mbps,

còn nếu mã hoá bằng 8bít, tốc độ video HDTV là 1140.48Mbps

Tính toán với các hệ khác cũng tương tự như trên

2.2 Nén tín hiệu video số HDTV

2.2.1 Giới thiệu

Tốc độ của 1 luồng SDTV sau khi số hoá khoảng từ 216Mbps đến 270Mbps, của luồng HDTV khoảng l.lGbps đến 1.4Gbps Vấn đề mấu chốt trong việc truyền dẫn tín hiệu HDTV trên các kênh số mặt đất, vệ tinh hay cáp đó là việc nén dòng tín hiệu video số

Nhóm các chuyên gia về ảnh động (Motion Pictures Expert Group - MPEG) làm việc cho tổ chức tiêu chuẩn Quốc tế ISO (ISO/IEC) có nhiệm vụ nghiên cứu và phát triển các tiêu chuẩn nén, giải nén tín hiệu video động, audio,

dữ liệu Hiện nay các chuẩn nén MPEG đang được sử dụng phổ biến và được các tổ chức ISO/IEC, ITU (International Telecommunication Union) công nhận

là chuẩn nén quốc tế, áp dụng cho các hệ truyền hình tại Mỹ, Nhật Bản, châu

Âu Hiện nay, phương thức nén MPEG-2 (MP@HL) đang được sử dụng phổ biến, dòng tín hiệu HDTV sẽ được nén xuống còn khoảng 16-20 Mbps

2.2.2 Kỹ thuật nén MPEG-2

2.2.2.1 Nguyên lý nén video

Nguyên lý của nén video là loại bỏ các thành phần dư thừa trong chuỗi hình ảnh trước khi truyền đi hay lưu trữ Đó chính là dư thừa có tính thông kê

và dư thừa thuộc về cảm nhận của mắt người

MPEG sử dụng 3 phương pháp để loại trừ các dư thừa nói trên

• Nén trong ảnh: các dư thừa không gian là các thành phần giống nhau

trong ảnh hoặc các thành phần nằm ngoài khả năng cảm nhận của mắt người Nén trong ảnh sử dụng cả hai quá trình nén có tổn hao và không tổn hao

• Nén liên ảnh: với một chuỗi ảnh liên tục, lượng thông tin chứa đựng

trong các ảnh thay đổi không nhiều Do đó thay vì truyền đi cả chuỗi ảnh thì chỉ cẫn truyền đi một ảnh và vector dự đoán hướng chuyển động - thành phần

có dung lượng nhỏ hơn nhiều so với ảnh Kỹ thuật dự đoán và bù chuyển động là phần rất quan trọng trong nén MPEG

• Sử dụng các phương pháp thôhg kê ịHuffman Coding): Thông qua

việc xác định lượng thông tin của ảnh để lựa chọn số bít mã hoá thích hợp

2.2.2.2 Nén trong ảnh (Intra Frame Compression)

a Biến đổi cosin rời rạc

Hình 2.2 Biến đổi DCT

DCT là phép biến đổi toán học không tổn hao và có tính thuận nghịch DCT biến đổi dữ liệu dưói dạng biên độ thành dữ liệu dưới dạng tần số Các phép tính được thực hiện trong phạm vi các khối block 8x8 tín hiệu chói và các khối tương ứng của tín hiệu màu Hệ số góc trái phía trên là thể hiện thành phẩn 1 chiều trong block, các hệ số còn lại thể hiện các thành phần tần

số cao trong block ảnh theo chiều ngang và chiều đứng

b Lượng tử hoá

Lượng tử hoá là quá trình làm giảm bớt số lượng bit cần thiết để biểu diễn các hệ số của ma trận DCT Hệ số 1 chiều là thông số quan trọng nhất, lượng bít đủ lớn Do đặc trưng của mắt người, các hệ số biểu thị thành phần tần cao cần số lượng bít ít hơn hoặc loại bỏ Quá trình lượng tử hoá sử dụng một bảng các hệ số lượng tử, trong đó các hệ số ứng với thành phần tần thấp

có giá trị nhỏ và các hệ số ứng với thành phần tần cao có giá trị lớn Các hệ số tương ứng trong bảng DCT sẽ được chia cho các hệ số trong bảng lượng tử, kết quả thu được sẽ được loại bỏ phần thập phân Do vậy, sau quá trình lượng

tử hoá, bảng ma trận thu được sẽ có các hệ số ứng với thành phần tần cao là rất nhỏ và phân lớn là bằng 0

Hình 2.3 Lượng tử hóa các hệ số biến đổi DCT

Quá trình lượng tử hoá gây tổn hao, tuỳ theo giá trị của bảng trọng số lượng tử mà mức độ tổn hao sẽ khác nhau, đồng thời cũng đạt hiệu quả nén khác nhau

c Mã hoá

Bảng hệ số sau quá trình lượng tử được chuyển đổi sang dòng tín hiệu nối tiếp bằng quét Zig-zag Nhờ đó có thể tạo ra dòng tín hiệu gồm một chuỗi các giá trị liên tiếp

Các phương pháp mã hoá được sử dụng cho nén trong ảnh là mã hoá với

độ dài từ mã thay đổi (Variable Length Coding - VLC) và mã hoá theo chiều dài (Run Length Coding)

VLC (được biết đến với tên Huffma Coding) là phương pháp mã hoá dựa trên xác suất xuất hiện giá trị biểu thị Những giá trị biểu thị có xác suất xuất hiện cao sẽ được mã hoá bằng một từ mã có số lượng bít ít, các giá trị biểu thị

có xác suất xuất hiện thấp sẽ được biểu thị bằng từ mã có số lượng bít nhiều hơn Nhờ đó mà tăng hiệu quả nén mà không gây tổn hao dữ liệu

RLC là phương pháp mã hoá áp dụng trong trường hợp có một chuỗi các giá trị giống nhau liên tiếp Khi đó thay vì phải truyền đi cả chuỗi thì chỉ cần

truyền đi 1 giá trị và 1 từ mã cho biết số lượng giá trị đó

2.2.2.3 Nén liên ảnh (Inter Frame Compression)

Nén liên ảnh về cơ bản là dựa trên ảnh ngụyên bản chưa qua các quá trình nén, nên bản chất không gây tổn hao Tuy nhiên do có yếu tố dự đoán chuyển động nên có thể ảnh khôi phục phía đầu thu không hoàn toàn đúng như ảnh nguyên bản ban đầu Nén liên ảnh được thực hiện với các Macroblock (MB) gồm 16x16 phần tử ảnh, tương đương với 4 Block Với một chuỗi các ảnh của chuyển động, ảnh đầu tiên sẽ được truyền đi với đầy

đủ thông tin Các ảnh tiếp theo sẽ chỉ phải truyền giá trị biểu thị sự khác biệt với ảnh trước đó và vector dự đoán hướng chuyển động

MPEG định nghĩa 3 loại ảnh là I, p, B:

• Ảnh I (Intra): chứa các thông tin cần thiết cho việc khôi phục lại ảnh

tại phía đầu thu Là điểm truy cập vào chuỗi ảnh nén, ảnh I chỉ được nén theo phương pháp nén trong ảnh Hiệu quả nén đạt không cao

• Ảnh P (Predicted): Có thể được nén trên cơ sở dự đoán chuyển động

của ảnh I và p trước đó, thông qua kỹ thuật dự đoán bù chuyển động Các ảnh

p có thể làm phần tử cơ bản để dự đoán ảnh tiếp theo, tuy nhiên việc bù chuyển động trong trường hợp này là không đảm bảo Vì vậy không thể tăng nhiều ảnh p giữa 2 ảnh I Nén ảnh p đạt hiệu quả cao hơn ảnh I

Ảnh Bidirectional Predicted): Cổ thể nhận được từ việc nội suy 2 hướng giữa

2 ảnh I hoặc 2 ảnh p ở ngay trước và sau nó ảnh B đạt hiệu suất nén cao nhất

Để có thể khôi phục lại chuỗi ảnh tại đầu thu, thứ tự truyền các ảnh và nhận các ảnh tại phía phát và phía thu sẽ không đúng như trình tự xuất hiện ảnh

Hình 2.4 Thứ tự trình chiếu các loại ảnh

Thứ tự trên là thứ tự mà các ảnh được trình chiếu, ta có thể đánh số như sau: B2, B3, P4, B5, B6, P7, B8, B9, P10, Bll, B12,113 ảnh II là ảnii gốc, các ảnà từ B2 đến B12 được dự đoán từ ảnh II Thứ tự mã hoá và giải mã: II, P4, B2, B3, P7, B5, B6, P10, B8, B9,113, Bll, B12

2.2.2.4 Dự đoán chuyển động

Dự đoán chuyển động trong nén liên ảnh được thực hiện trên đơn vị MB của mỗi ảnh I, B, p

Hình 2.5 Dự đoán bù chuyển động

Phần MB trong ảnh I được dự đoán tới vị trí mới trong ảnh p, khi đó thay

vì truyền đi cả 4 ảnh (đã được mã hoá thành chuỗi dữ liệu), chỉ cần truyền đi ảnh I đầu tiên, vector chuyển động, và phần sai lệch giữa ảnh p nguyên bản và ảnh p được dự đoán

Tại phía thu, từ ảnh I và vector chuyển động sẽ khôi phục lại ảnh P, cộng với phần sai lệch được truyền đi sẽ có được ảnh p gần nhất với nguyên bản

Từ ảnh I và p vừa khôi phục, sẽ thực hiện nội suy để tìm ra 2 ảnh B ở giữa

2.2.2.5 Profile & Level của MPEG-2

Chuẩn MPEG 2 có 4 level, định nghĩa các độ phân giải ảnh khác nhau từ SIF đến HDTV Có 5 Profile để đưa ra các bộ công cụ, nhờ đó đạt được sự thống nhất giữa hiệu suất nén và giá thành của bộ giải mã

Các level của MPEG 2 có thể được mô tả như sau:

• Low level: Tương ứng với độ phân giải SIF, đạt 360x288

• Main level: tương ứng với chế độ 4:2:0, độ phân giải đật 720x576

• High 1440 level: hỗ trợ chuẩn HDTV, độ phân giải lên đến 1440x1152

• High level: Dành cho HDTV màn hình rộng, độ phân giải đạt

1920x1152 Các Protile được mô tả sau đây:

• Simple profile: được định nghĩa để đơn giản hoá bộ mã hoá và giải mã

trong trường hợp tốc độ bit gia tăng do không có dự đoán 2 chiều (ảnh B)

• Main profile: là sự phối hợp tốt nhất giữa 2 yếu tố là tốc độ nén và giá

thành Sử dụng cả 3 loại ảnh I, B, p

• Scalable profile (mã hoá phân cấp): được dự định để cho tương lai

Profile này sẽ cho phép truyền ảnh chất lượng cơ bản dưới dạng phân giải không gian (Spatial Scalable profile) hoặc giá trị lượng tử (SNR Scalable profile) hoặc các dữ liệu thêm vào và cho phép các đặc tính của ảnh được nâng cao Nó có thể sử dụng để truyền đi cùng một chương trình theo phương thức thích hợp, với các chất lượng khác nhau như độ phân giải cơ bản để cho các đầu thu tiêu chuẩn, độ phân giải cao hơn cho các bộ giải mã HD, hoặc có thể sử dụng để cho phép các chất lượng thu khác nhau như thu chất lượng cơ bản trong trường hợp điều kiện thu khó khăn hoặc thu chất lượng cao nếu điều kiện thu tốt

• High profile: dự định dành cho quảng bá HDTV với các định dạng

4:2:0, 4:2:2

2.2.2.6 Dự đoán bù chuyển động với ảnh quét xen kẽ

Với nén trong ảnh, MPEG-2 cho phép lựa chọn 1 trong 2 cấu trúc cắt các Block từ MB là cấu trúc khung và cấu trúc mành

• Cấu trúc khung: là lựa chọn thích hợp khi không có nhiều sự thay đổi

giữa 2 mành của khung Phép biến đổi DCT được thực hiện với từng Block gồm các phần tử chiều đứng liên tiếp từ 2 mành mà không có vấn đề gì, do ít

có sự thay đổi giữa 2 mành

Hình 2.6 Cấu trúc khung

• Cấu trúc mành: Thích hợp với các ảnh có các sự chuyển động quan trọng giữa 2 mành quét Trong trường hợp này, để tránh việc tạo ra những nội dung có tần số theo chiều đứng cao, do có sự thay đổi quan trọng giữa 2 mành, các Block sẽ được cắt ra từ MB thành các mành hoàn chỉnh gồm thông

số liên tiếp từ một mành chẵn hay lẻ

Hình 2.7 Cấu trúc mành

Với nén liên ảnh, MB cũng có thể được dự đoán theo các chế độ khung, mành hoặc chế độ phối hợp

• Với chế độ khung, 1 MB từ mành lẻ sẽ được dùng để dự đoán MB

tương ứng ở mành lẻ tiếp theo Vector chuyển động tương ứng với thời gian của 2 mành là 40ms (thời gian trong các hệ 50Hz)

• Với chế độ mành, việc dự đoán MB được thực hiện trong mành đó,

vector chuyển động tương ứng với thời gian 1 mành là 20ms

• Với chế độ phối hợp, MB được dự đoán từ MB thuộc cả 2 mành chẵn

và lẻ

2.2.3 Kỹ thuật nén MPEG-4 (Part 10) hay MPEG-4/AVC

Năm 2001, với mục đích phát triển một hệ thống nén có hiệu suất cao hơn, các cơ quan tiêu chuẩn ISO/ IEC (MPEG) và rru cùng nhau phát triển một hệ thống mã gọi là Mã hóa Video nâng cao ( Advanced Video Coding — AVC) Năm 2003, hệ thống AVC được tích hợp vào hệ thống chuẩn nén MPEG-4 gọi là MPEG- 4 ISO/IEC-14496 part 10, nu gọi nó là H.264 (dưới đây sử dụng tên MPEG- 4/AVC) Hệ thống nén MPEG-4/AVC có tốc độ bit giảm một nửa so với MPEG-2 nhưng chất lượng tương đương Chuẩn MPEG-4/AVC hỗ trợ nhiều ứng dụng khác nhau như truyền hình quảng bá, video stream, hội nghị truyền hình 50Hz)

Các dịch vụ mới có thể được thực hiện trên các kiến trúc mạng hiện tại hoặc tương lai Điều này dẫn đến yêu cầu làm thế nào để quản lý sự đa dạng trong các ứng dụng và khai thác mạng Để giải quyết vấn đề này, MPEG-4/AVC đưa ra hai khái niệm mới đó là lớp mã hoá video (Video Coding Layer-VCL) và lớp mạng trừu tượng (Network Abstraction Layer-NAL)

2.2.3.1 NAL (Network Abstraction layer)

NAL định dạng dữ liệu mà VCL trình diễn nội dung dữ liệu video và cung cấp các thông tin mở đầu (Header) theo cách thức thích hợp để truyền

dữ liệu bởi lớp truyền tải hoặc lưu trữ dữ liệu Tất cả dữ liệu chứa trong các đơn vị NAL, mỗi đơn vị chứa một số nguyên byte Một đơn vị NAL chỉ rõ một định dạng chung và giống nhau để sử dụng trong cả các hệ thống gói định hướng và dòng bit, ngoại trừ mỗi đơn vị có thể đặt một mã khỏi đầu ở phía trước trong một lớp dòng bit truyền tải có định hướng

2.2.3.2 VCL (Video Coding Layer)

Trong các chuẩn mã hóa trước của ITU-T và ISO/IEC (kể từ H.261), VCL dựa trẽn việc mã hóa video lai ghép các khối Thuật toán mã hóa là sự lai ghép của dự đoán liên ảnh để loại trừ dư thừa thời gian và phép biến đổi DCT để loại trừ dư thừa không gian Đối với VCL trong MPEG-4/AVC,

không có sự cải tiến nào mang tính đột phá nhưng có một số điểm bổ sung được kết hợp lại để cải tiến hiệu quả nén

2.2.3.3 Ảnh, khung và mành

Một chuỗi video được mã hoá trong MPEG-4/AVC bao gồm chuỗi các ảnh được mã hoá Một bức ảnh được mã hoá có thể trình diễn dưới 1 trong 2 dạng là khung hình hoặc mành đơn Một khung hình quét liên tục bao gồm 2 mành quét xen kẽ Mã hoá tại VCL không dựa trên thời gian mà dựa trên cơ

sở về hình học

2.2.3.4 Phân chia ảnh vào các Macroblock

Một bức ảnh video (có thể là một khung hoặc mành) được phân chia vào các Macroblock(MB) có kích thước cố định là một khu vực gồm 16x16 mẫu chói và 8x8 mẫu cho mỗi 2 thành phần màu

2.2.3.5 Slice và nhóm Slice

Một slice là nột chuỗi các MB được xử lý theo thứ tự quét Trong mỗi slice

có chứa các thông tin cần thiết để giải mã ra vùng ảnh chứa trong slice đó

Hình 2.8 Phân chia slice và nhóm slice

Nếu có sử dụng kỹ thuật FMO (Flexible Macroblock Ordering), việc chia nội dung ảnh vào các MB và các slice sẽ mềm dẻo hơn với cơ sở nhóm slice Nhóm slice là một tập hợp các MB được xác định từ bản đồ xắp xếp

MB vào nhóm slice (macroblock to slice group map) Bản đồ này cũng chứa con số nhận dạng nhóm slice mà chứa các MB đó

MPEG-4/AVC hỗ trợ 5 loại mã hóa Slice khác nhau :

• I slice: slice đơn giản nhất, tất cả các MB của nó đều được mã hoá theo

phương pháp dự đoán trong ảnh

• P slice: một số MB trong slice mã hoá theo phương pháp dự đoán liên ảnh

• B slice: một số MB được mã hoá từ các MB khác theo dự đoán 2 chiều

• SP, SI slice: là kỹ thuật cho phép đầu thu có thể truy cập ngẫu nhiên

vào dòng bit để thay đổi tốc độ, khôi phục lỗi hay các mục đích khác

2.2.3.6 Chu trình mã hóa và giải mã Macroblock

Tất cả các mẫu màu và chói của các MB được dự đoán không gian và thời gian, kết quả dự đoán sẽ được mã hoá biến đổi Để thực hiện mã hoá biến đổi, các tín hiệu dự đoán được chia thành các block 4x4 Sau đó được biên đổi bằng phép biến đổi thứ nguyên; kết quả được lượng tử hoá và mã hoá entropy

Hình 2.9 Sơ đồ mã hóa Macroblock

2.2.3.7 Dự đoán trong ảnh Ilntra)

thước 4x4 phù hợp với các phần ảnh có độ chi tiết cao còn chế độ dự đoán với kích thước 16x16 phù hợp với các phần ảnh mịn

MPEG-4/AVC còn có thêm chế độ mã hoá trong ảnh I_PCM, chế độ này

không thực hiện mã hoá theo các giá trị đã được biến đổi I_PCM cho phép truyền trực tiếp các giá trị được mã hoá

Chế độ mã hoá cho phép đạt được các mục đích sau:

• Cho phép bộ mã hoá có thể biểu thị một cách chính xác giá trị của các mẫu

• Đưa ra phương thức để biểu thị một cách chính xác nội dung bất

thường của ảnh mà không làm tăng đáng kể dữ liệu

• Nó cho phép giới hạn tuyệt đối số lượng bit trong MB mà không làm

ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh

Các chuẩn mã hoá trước đây đều thực hiện trên một miền đã biến đổi, còn MPEG-4/AVC với chế độ mã hoá I_PCM vẫn thực hiện hoàn toàn trên miền không gian

2.2.3.8 Dự đoán liên khung (Inter)

a Dự đoán liên khung với Slice p

MPEG-4/AVC hỗ trợ nhiều kích thước dự đoán nhỏ hơn, từ 16x16 đến 4x4 Mỗi MB có thể chia thành 4 phân đoạn 8x8, mỗi phân đoạn 8x8 lại có thể chia thành 4 phân đoạn 4x4 Mỗi phân đoạn đều yêu cẩu phải có vector chuyển động riêng Như vậy 1 MB có thể có tối đa là 16 vector chuyển động

trong bộ nhớ đệm Trên cơ sở đó sẽ khôi phục lại ảnh gốc

Hình 2.11 Dự đoán bù chuyển động

Ảnh P cũng có thể được mã hoá theo chế độ P- ip Với chế độ mã hoá này, không phải bảng các giá trị lượng tử sai số, hay vector bù chuyển động, hay các thông số trình diễn được truyền đi, mà tín hiệu khôi phục ảnh tại đầu thu chính là tín hiệu dự đoán chuyển động của microblock P_16xl6 lưu tại vị trí đầu tiên của chuỗi trong bộ nhớ đêm của đầu thu Chế độ P_skip phù hợp

với các trường hợp có một vùng ảnh rộng không có thay đổi

b Dự đoán liên khung với ảnh B

Dự đoán khung ảnh B sử dụng 2 danh sách:

- Danh sách 0 chứa các ảnh gần nhất trước đó

- Danh sách 1 chứa các ảnh gần nhất sau đó

Dự đoán khung ảnh B có thể theo 1 trong 4 phương thức: dự đoán từ các ảnh trong danh sách 0, từ các ảnh trong danh sách 1, dự đoán 2 chiều và dự đoán trực tiếp Với chế độ dự đoán 2 chiều, tín hiệu dự đoán được tạo nên từ giá tri trung bình của các tín hiệu bù chuyển động theo danh sách 0 và danh sách 1, có bổ sung trọng số Chế độ dự đoán trực tiếp, ảnh được suy ra từ các

cú pháp dự đoán ảnh truyền trước đó, có thể là theo danh sách 0 hoặc 1 hoặc theo chế độ 2 chiều

Các slice B cũng sử dụng phân chia MB như slice p Dự đoán liên khung với ảnh B cũng có chế độ B_skip tương tự như với ảnh p

2.3.4.9 Biến đối Cosin

MPEG-4/AVC cũng sử dụng biến đổi cosin để loại trừ các dư thừa trong ảnh Tuy nhiên khác với MPEG 2, phép biến đổi DCT được thực hiện với các block 4x4 Thay vì sử dụng DCT cho khối 4x4, một phép biến đổi thứ nguyên với các đặc tính tương tự như phép DCT cho block 4x4 được sử dụng

Việc sử dụng DCT với block có kích thước nhỏ đem lại một số lợi ích sau:

• Giảm tương quan về không gian trong khối

• Giảm nhiễu đường biên của phần ảnh mà block đó mang thông tin

• Giảm sự phức tạp trong tính toán và sai lệch giữ mã hoá và giải mã

2.2.3.10 Mã hóa Entropy

MPEG-4/AVC sử dụng 2 loại mã hoá có cấu trúc phức tạp hơn nhưng hiệu quả hơn là:

• Mã hoá độ dài thay đổi theo nội dung (Context Adaptive Variable

Length Coding - CAVLC)

• Mã hoá nhi phân tương thích nội dung (Context Adaptive Binary

Arithmetic Coding - CABAC)

2.2.3.11 Bộ lọc Deblocking

Nét đặc biệt của mà hóa dựa trên khối đó là các cấu trúc khối có thể nhìn thấy được Các cạnh của khối nói chung được tái tạo lại mà không ít chính xác hơn các pixel bên trong và blocking là một trong các ảnh hưởng có thể

nhận thấy rõ với hầu hết các phương pháp nén khác MPEG-4/AVC hỗ trợ

một bộ lọc deblocking thích nghi, khả năng của bộ lọc được điều khiển bằng các giá tri của một số thành phần cú pháp Blockiness sẽ giảm đi mà không tác động nhiều đến độ nét của ảnh Do đó, chất lượng nén được cải thiện và

bộ lọc cũng sẽ làm giảm tốc độ bit khơnảg 5-10 % nhưng chất lượng hình ảnh vẫn không giảm so với khi không dùng bộ lọc

2.2.4.12 Các công cụ mã hóa quét xen kẽ

Khung có thể được mã hóa như một đơn vị hoặc có thể được phân chia

thành hai mành để má hóa riêng biệt Mã hóa mành đặc biệt có hiệu quả nếu mành đầu tiên mã hóa sử dụng các slice I và mành thứ hai thực hiện một dự đoán từ việc sử dụng bù chuyển động MPEG-4/AVC hỗ trợ chuyển mạch

MB thích nghi giữa mã hóa khung và mành

2.2.3.13 Các profiles và levels

MPEG-4/AVC định nghĩa 4 profile đó là Baseline, Main, X và High:

• Baseline profile: được sử dụng cho các ứng dụng đầu cuối có trể thấp,

hỗ trợ tất cả các tính năng trong MPEG-4/AVC, ngoại trừ 2 tập tính năng sau :

Tâp tính năng 1: các slice B, khả năng dự đoán, CABAC, mã hóa mành

và bộ chuyển mạch MB thích nghi giữa mã hóa khung và mã hóa mành

Main profile: hỗ trợ tập tính năng 1, tuy nhiên không hỗ trợ tính năng FMO mà được hỗ trợ bởi Baseline profile Main profile được sử dụng cho các ứng dụng quảng bá chất lượng SD

ngoại trừ CABAC, bộ chuyển mạch MB thích nghi giữa mã hóa khung và mã hóa mành X profile được ứng dụng cho mobile và e-streaming

• High profile: MPEG-4/AVC hỗ trợ tập 4 profile khác nhau

High profile (HP): hỗ trợ video 8 bit/mẫu, lấy mẫu 4:2:0, các ứng dụng HD

High 10 profile (HilOP): hỗ trợ lên đến 10 bit/mẫu, lấy mẫu 4:2.ẻ0

High 4:2:2 profìle (H422P) : hỗ trợ 10 bit/mẫu, định dạng lấy mẫu 4:2:2

High 4:4:4 profile (H444P): hỗ trợ 12 bit/mẫu, định dạng lấy mẫu 4:4:4

2.2.4.14 Những kỹ thuật làm tăng hiệu quả nén MPEG-4/AVC so với MPEG-2

Hiện nay, MPEG-4/AVC là một bước tiến quan trọng trong việc phát triển các chuẩn nén video So với các chuẩn nén trước đây, đặc biệt so với chuẩn nén MPEG-2, MPEG-4/AVC đạt được hiệu suất nén cao gấp 2 lần

Một số kỹ thuật sau được cải tiến nhằm tăng hiệu quả nén :

• Kích thước Block bù chuyển động nhỏ hơn: Chuẩn này cho phép lựa

chọn kích thước block bù chuyển động và hình dạng một cách mềm dẻo hơn

tất cả các chuẩn trước đó, với kích thước block bù chuyển động tối thiểu đạt

tới 4x4

• Bù chuyển động chính xác đến 114 pixel: các chuẩn trước cho phép độ

chính xác bù chuyển động đến tối đa là 1/2 pixel, với MPEG-4/AVC là 1/4 pixel

• Vector chuyển động tại đường bao ảnh: trong khi vector chuyển động

tại MPEG-2 cần phải chỉ đúng vào vùng ảnh đã được giải mã trước đó thì MPEG- 4/AVC cho phép chỉ tới đường bao của ảnh

• Bù chuyển động đa ảnh: các ảnh p trong MPEG-2 chỉ sử dụng 1 ảnh I

hoặc p trước đó để dự đoán ảnh tiếp theo Với MPEG-4/AVC, dự đoán bù

chuyển động từ nhiều ảnh trước đó được lưu trong bộ nhớ, tương tự với ảnh B

• Tách riêng thứ tự mã hoá khỏi thứ tự trình diễn: trong MPEG-2, có

một sự phụ thuộc chặt chẽ giữa thứ tự mã hoá và thứ tự trình diễn 4/AVC cho phép bộ mã hoá có thể lựa chọn thứ tự mã hoá hoàn toàn độc lập với thứ tự trình diễn, miễn là dung lượng bộ nhớ của bộ giải mã đủ lớn Điều này sẽ giảm được thời gian trễ khi mã hoá các ảnh dự đoán 2 chiều

MPEG-• Tách riêng các giải pháp trình diễn ảnh khỏi khả năng làm ảnh chuẩn:

trong các chuẩn trước, các ảnh B là các ảnh được mã hoá từ việc dự đoán 2 chiều các ảnh khác, không thể được sử dụng như một ảnh chuẩn để dự đoán các ảnh khác trong chuỗi video Chuẩn mới loại trừ việc này, do đó làm tăng tính mềm dẻo cho việc dự đoán chuyển động

• Dự đoán có trọng số: bước đột phá mới trong MPEG-4/AVC là cho

phép tín hiệu dự đoán bù chuyển động được kết hợp với một giá trị trọng số được mô tả bởi bộ mã hoá Chế độ dự đoán này là hỗ trợ cần thiết khi nén các cảnh có sự mờ đi (khi 1 cảnh được mờ đi vào cảnh khác), nhờ vậy mà tăng được hiệu quả nén

• Suy đoán chuyển động trực tiếp: với các chuẩn trước, một khu vực bị