CÁC CHUẨN BIỂU DIỄN VÀ NÉN VIDEO

CÁC CHUẨN BIỂU DIỄN VÀ NÉN VIDEO 1.Giới thiệu chung về MPEG MPEG (Moving Picture Expert Group) là nhóm chuyên gia về hình ảnh, được thành lập từ tháng 2 năm 1988 với nhiệm vụ xây dựng tiêu chuẩn cho tín hiệu Audio và Video số. Ngày nay, MPEG đã trở thành một kỹ thuật nén Audio và Video phổ biến nhất vì nó không chỉ là một tiêu chuẩn riêng biệt mà tuỳ thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng thiết bị sẽ có một tiêu chuẩn thích hợp nhưng vẫn trên cùng một nguyên lý thống nhất. Tiêu chuẩn đầu tiên được nhóm MPEG đưa ra là MPEG1, mục tiêu của MPEG1 là mã hoá tín hiệu AudioVideo với tốc độ khoảng 1.5Mbs và lưu trữ trong đĩa CD với chất lượng tương đương VHS. Tiêu chuẩn thứ 2 : MPEG2 được ra đời vào năm 1990, không như MPEG1 chỉ nhằm lưu trữ hình ảnh động vào đĩa với dung lượng bit thấp. MPEG2 với “công cụ ” mã hoá khác nhau đã được phát triển. Các công cụ đó gọi là “Profiles” được tiêu chuẩn hoá và có thể sử dụng để phục vụ nhiều mục đích khác nhau. Tiêu chuẩn tiếp theo mà MPEG đưa ra là MPEG4, được đưa ra vào tháng 10 năm 1998, đã tạo ra một phương thức thiết lập và tương tác mới với truyền thông nghe nhìn trên mạng Internet, tạo ra một phương thức sản xuất, cung cấp và tiêu thụ mới các nội dung video trên cơ sơ nội dung và hướng đối tượng (contentobjectbased). MPEG7: là một chuẩn dùng để mô tả các nội dung Multimedia, chứ không phải là một chuẩn cho nén và mã hoá audioảnh động như MPEG1, MPEG2 hay MPEG4. MPEG7 sử dụng ngôn ngữ đánh dấu mở rộng XML(Extansible Markup Language) để lưu trữ các siêu dữ liệu Metadata, đính kèm timecode để gắn thẻ cho các sự kiện, hay đồng bộ các dữ liệu. MPEG7 bao gồm 3 bộ chuẩn sau: + Bộ các sơ đồ đặc tả (Description Schemes) và các đặc tả (Description). + Ngôn ngữ xác định DDL (Description Definition Language) để định nghĩa các sơ đồ đặc tả. + Sơ đồ mã hoá quá trình đặc tả. Việc kết hợp MPEG4 và MPEG7 sẽ tạo ra các giải pháp lý tưởng cho các dịch vụ Streaming Media, các hệ thống lưu trữ và sản xuất Streaming Media trong thời gian tới. MPEG21 (Multimedia Framework): hiện tại tiêu chuẩn này đang được phát triển. MPEG21 mô tả các thành phần cần thiết và mối quan hệ giữa chúng, để tạo nên cơ sở hạ tầng cho việc chuyền tải và sử dụng nội dung đa phương tiện.

CÁC CHUẨN BIỂU DIỄN VÀ NÉN VIDEO

1.

G i ới th i ệu chung về MPEG

- MPEG (Moving Picture Expert Group) là nhóm chuyên gia về hình ảnh, được thành lập từ tháng 2 năm 1988 với nhiệm vụ xây dựng tiêu chuẩn cho tín hiệu Audio và Video số Ngày nay, MPEG đã trở thành một kỹ thuật nén Audio và Video phổ biến nhất vì nó không chỉ là một tiêu chuẩn riêng biệt mà tuỳ thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng thiết bị sẽ có một tiêu chuẩn thích hợp nhưng vẫn trên cùng một nguyên lý thống nhất

- Tiêu chuẩn đầu tiên được nhóm MPEG đưa ra là MPEG-1, mục tiêu của MPEG-1 là mã hoá tín hiệu Audio-Video với tốc độ khoảng 1.5Mb/s và lưu trữ trong đĩa CD với chất lượng tương đương VHS

- Tiêu chuẩn thứ 2 : MPEG-2 được ra đời vào năm 1990, không như MPEG-1 chỉ nhằm lưu trữ hình ảnh động vào đĩa với dung lượng bit thấp MPEG-2 với “công cụ ” mã hoá khác nhau đã được phát triển Các công cụ đó gọi là “Profiles” được tiêu chuẩn hoá và có thể

sử dụng để phục vụ nhiều mục đích khác nhau

- Tiêu chuẩn tiếp theo mà MPEG đưa ra là MPEG-4, được đưa

ra vào tháng 10 năm 1998, đã tạo ra một phương thức thiết lập và tương tác mới với truyền thông nghe nhìn trên mạng Internet, tạo ra

một phương thức sản xuất, cung cấp và tiêu thụ mới các nội dung video trên cơ sơ nội dung và hướng đối tượng

(content/object-based)

- MPEG-7: là một chuẩn dùng để mô tả các nội dung Multimedia, chứ không phải là một chuẩn cho nén và mã hoá audio/ảnh động như MPEG-1, MPEG-2 hay MPEG-4 MPEG-7 sử dụng ngôn ngữ đánh dấu mở rộng XML(Extansible Markup Language) để lưu trữ các siêu dữ liệu Metadata, đính kèm timecode để gắn thẻ cho các sự kiện, hay đồng bộ các dữ liệu MPEG-7 bao gồm 3 bộ chuẩn sau: + Bộ các sơ đồ đặc tả (Description Schemes) và các đặc tả (Description)

+ Ngôn ngữ xác định DDL (Description Definition Language) để định nghĩa các sơ đồ đặc tả

+ Sơ đồ mã hoá quá trình đặc tả

Việc kết hợp MPEG-4 và MPEG-7 sẽ tạo ra các giải pháp lý tưởng cho các dịch vụ Streaming Media, các hệ thống lưu trữ và sản xuất Streaming Media trong thời gian tới

- MPEG-21 (Multimedia Framework): hiện tại tiêu chuẩn này đang được phát triển MPEG-21 mô tả các thành phần cần thiết và mối quan hệ giữa chúng, để tạo nên cơ sở hạ tầng cho việc chuyền tải và

sử dụng nội dung đa phương tiện

MPEG cung cấp video có chất lượng cao hơn các định dạng video số thông dụng trước đó như Video for Windows của Microsoft, Indeo, QuickTime, Các file MPEG có tính tương thích cao, có thể giải mã bằng phần cứng hay phần mềm

* MPEG-1:Khởi động thiết bị số

Đây là chuẩn của VideoCD và đĩa CD-I (Compact Disc –

interactive, đĩa CD tương tác) Nó được thiết kế để mã hóa video với tốc độ khoảng 1,5 M bit/s Với tốc độ truyền tải đồng bộ video và audio 150KB/s, nó tương đương với tốc độ của ổ CD-ROM 1x

MPEG-1 cho video có độ phân giải 353x240 pixels với tốc độ 30 khuôn hình một giây (fps) Tuy nhiên, chất lượng của nó hơi kém hơn

so với băng video VCR và kém xa chất lượng tivi chuẩn

Mục tiêu: cung cấp giải pháp cho công nghệ điện tử dân dụng ,tìm

giải pháp nén âm thanh chất lượng cao cho phát sóng

Đặc điểm:

MPEG-1 đã tập hợp được nhiều yếu tố “đầu tiên” như sau:

Đây là chuẩn tích hợp nghe-nhìn đầu tiên

Chuẩn đầu tiên định nghĩa cho bên thu chứ không phải cho bên phát Quá trình hiểu nhau chuẩn hóa bên thu chứ không phải từ bên phát

Nó là chuẩn đầu tiên có thể thực hiện mã hóa tín hiệu video mà không phụ thuộc vào định dạng video (NTSC/PAL/SECAM)

Đây là chuẩn đầu tiên phát triển với sự tham gia của tất cả các ngành công nghiệp trong lĩnh vực nghe-nhìn

Đây cũng là chuẩn đầu tiên phát triển hoàn toàn trên phần mềm (sản phẩm phần mềm cho chuẩn)

Đây là chuẩn đầu tiên có mức chất lượng được công nhận (cho audio)

Ứng dụng của MPEG-1:

+ Lưu trữ phim trên CD với chất lượng VHS và âm thanh Audio số + Là định dạng video và audio chuẩn

+ Audio của MPEG-1 được sủ dụng rộng rãi đặc biệt là mp3

+ Các camera cầm tay dùng chuẩn MPEG-1 chỉ có trọng lượng vài trăm gram

MP3 là tên tắt từ “MPEG-1 audio layer-3” (lớp âm thanh thứ ba của MPEG-1)

* MPEG-2:

MPEG-2 là chuẩn nén phát triển sau MPEG-1 kế thừa tất cả các tiêu chuẩn của MPEG-1 Nó chia thành hai cấp: cao nhất là DVD Video và thấp hơn một chút là SuperVCD (SVCD) Nó mã hóa video với tốc độ 4 M bit/s MPEG-2 cũng được dùng trong truyền hình kỹ thuật số

MPEG-2 cho video có độ phân giải 720x480 và 1280x720 pixel với tốc độ 60fps và âm thanh đạt chất lượng AudioCD Chuẩn này có thể nén một bộ phim dài 2 giời thành một file có dung lượng vài GB

Mục tiêu:

Nhắm hỗ trợ việc truyền video số tốc độ bít lớn hơn 4Mbit/s bao gồm các ứng dụng DSM(phương tiện lưu trữ số); các hệ thống truyền hình hiện tại(NTS6,PAL,SECAM) cáp,thu lượm tin tức điện tử ,truyền hình trược tiếp từ vệ tinh, truyền hình mở rộng(EDTV)……

Cấu trúc:

MPEG-2 tương tự MPEG-1 nhưng có thêm một số phần mới Phần 1 định nghĩa 2 loại ghép kênh Loại đầu tiên gọi là “Program Stream” tương tự hệ thống MPEG-1 Loại thứ hai gọi là “Transport Stream” định nghĩa lớp truyền nằm ở giao diện của các hệ thống tương tự-số (mạng cáp, vệ tinh, mặt đất,…) Phần này cũng bao gồm

cả cấu trúc về độ ưu tiên khi truy cập vào hệ thống điều khiển

Phần 2 nâng cấp từ MPEG-1 bằng cách hỗ trợ công cụ mã hóa video quét xen kẽ Phần 3 nâng cấp MPEG-1 từ âm thanh stereo thành âm thanh đa kênh có khả năng tương thích ngược (nghĩa là bộ giải mã MPEG-1 có thể lấy được thông tin âm thanh stereo từ dòng bit audio của MPEG-2)

Phần 4 và 5 tương tự những phần tương ứng trong MPEG-1 Phần 6 có tên “Digital Storage Media Command and Control – DMS-CC” hỗ trợ nghi thức để điều khiển các dòng thông tin nghe-nhìn nhằm thiết lập các chương trình nghe-nhìn trên mạng và phát sóng Phần 7 có tên là “Advanced Audio Coding - ACC”, không tương thích với MPEG-1 theo cách mã hóa stereo và audio đa kênh Với ACC, chỉ cần ½ tốc độ bit như mã hóa audio MPEG-1 Layer II cũng

có thể đạt được chất lượng tương đương

Phần 9 có tên là “Real Time Interface for System Decoders - RTI”, xác định mức jitter (trượt) mà hệ thống giải mã có thể chấp nhận

Ứng dụng của MPEG-2:

+ đầu giải mã (set top boxs) cho vệ tinh và cáp

+ đầu DVD

+ Các dịch vụ truyền hình mặt đất MPEG-2

+ Profile 4:2:2 dùng trong studio truyền hình và dựng với chất lượng cao

* MPEG-4:

MPEG-4 tạo ra một bước ngoặc mới cho truyền thông video Trước nay, trên mạng Internet, người ta chỉ có thể xem phim với các định dạng rút gọn tới mức não lòng (xem bằng Real, Quick Time, Windows Media Player, ) Với kỹ thuật nén MPEG-4, người ta có

thể thưởng thức các bộ phim điện ảnh chất lượng cao trên mạng Internet, đặc biệt là qua các giao thức băng rộng Wireless, vệ tinh, ADSL,

MPEG-4 là chuẩn thuật toán đồ họa và video dựa trên hai chuẩn MPEG-1, MPEG-2 và công nghệ QuickTime của Apple Nhờ

có kích thước nhỏ hơn và tốc độ truyền tải thấp hơn, MPEG-4 có thể truyền qua một băng thông hẹp hơn, có thể trộn video với text, đồ họa, các lớp 2D và 3D động, Nó đã được tổ chức ISO công nhận vào tháng 10-1998

MPEG-4 được coi là một cuộc cách mạng mới trong media số

Nó là chuẩn multimedia toàn cầu thế hệ kế tiếp Nó được thiết kế để truyền tải video với chất lượng DVD (MPEG-2) qua mạng

Các đặc điểm:

đặc điểm chính của MPEG-4 là mã hóa video và audio với tốc

độ bit rất thấp.Thực tế tiêu chuẩn đưa ra với 3 dãy tốc độ bit

- Dưới64 kbps

- 64 đến384 kbps

- 384 Kbps đến4 Mbps

Đặc điểm quan trọng củachuẩn MPEG-4 là cho phép khôi phục lỗi tại phía thu, vì vậy chuẩn nén này đặc biệt thích hợp đối với môi trường dễ xãy ra lỗi như truyền dữ liệu qua các thiết bị cầm

tay.Những profile và level khác trong MPEG-4 cho phép sử dụng tốc

độ bit lên đến 38.4 Mbps

MPEG-4 là chuẩn quốc tế đầu tiên dành cho mã hoá các đối tượng(object) video Với độ linh động và hiệu quả do mã hoá từng đối tượng video, MPEG-4đạt yêu cầu ứng dụng cho các dịch vụ nội dung video có tính tương tác và các dịch vụ truyền thông video trực tiếp hay lưu trữ.Trong MPEG-4, khung ảnh của một đối tượng video (hay còn gọi là phẳng đối tượng video) được mã hoá riêng lẽ Sự cách ly các đối tượng video như vậy mang đến độ mềm dẻo hơn cho việc thực hiện mã hoá thích nghi làm tăng hiệu quả nén tính hiệu Mặc dù tập trung vào những ứng dụng tốc độ bit thấp nhưng MPEG-4 cũng bao gồm cả studio chất lượng cao và HDTV

Các đối tượng khác nhau trong một cảnh gốc có thể được mã hóa và truyền đi riêng biệt như là video object và audio object và được kết hợp trở lại tại bộ giải mã.Các loại object khác nhau sẽ được

mã hóa với những kỹ thuật khác nhau và với các công cụ phù hợp nhất.Những object khác nhau có thể được tạo ra một cách độc lập và trong một vài trường hợp một cảnh có thể phân tích riêng thành object nền(background) vào bject cận cảnh.Vídụ:đoạnvideo quay trận bóng đá được xử lý để tách riêng quả bóng ra khỏi cảnh sân

cỏ.Background(cảnh không có quả bóng) sẽ được truyền đi và ai cũng có thể thấy game để thu hút khan giả nhưng chỉ những người

có trả tiền mới thấyquả bóng

Hình 3-13 Nguyên lý mã hóa tín hiệu hình ảnh trong MPEG-4

Ba đặc tính rất quan trọng của MPEG-4 là:

- Nhiều object có thể được mã hóa với các kỹ thuật khác nhau

và kết hợp lại ở bộ giải mã

- Các object có thể là các cảnh có được từ camera hay tự tạo như text

-Các thông tin trong luồng bit có thể hiển thị nhiều dạng khác nhau từ cùng một luồng bit(tùy theo lựa chọn người xem chẳng hạn như ngôn ngữ)

MPEG-4 cho khả năng mã hóa video và audio hơn hẳn MPEG-2 cũng như khả năng khôi phục lỗi.Tuy nhiên sức mạnh thật sự của MPEG-4 là các ứng dụng mới mà có thể xây dựng dựa vào việc mã hóa độc lập các object cho hiệu suất mã cao hơn,và việc tách riêng các object cho phép tương tác các object với nhau đặc biệt là các chương trình giáo dục và các trò chơi

Tuy nhiên cũng có một số nhược điểm là bộ giải mã phải có khả năng giải mã hết tất cả các luồng bit mà nó hổ trợ và có khả năng kết hợp.Do đó phần cứng của bộ giải mã MPEG-4 phức tạp hơn so với

bộ giải mã MPEG-2.Và ngày nay thì càng có nhiều bộ mã thực hiện giải mã bằng phần mềm nhưng bộ giải mã bằng phần cứng có thể bị hạn chế về khả năng linh hoạt

MỘT SỐ ỨNG DỤNG CHUẨN MPEG-4

Khả năng phân cấp và phân chia độc lập các khung hình thành các đối tượng khiến cho MPEG-4 trở thành một công cụ hữu hiệu trong việc tạo thuận lợi cho các ứng dụng trên Internet nói riêng và trên môi trường mạng nói chung (kể cả các mạng LAN, WAN, Intranet…)

đó là các ứng dụng:

· Truyền thông multimedia theo dòng (Multimedia stream), trong đó dòng audio và video sẽ được biến đổi thích nghi với yêu cầu băng thông và chất lượng hình nhờ loại bỏ những đối tượng (hình ảnh, âm thanh) không cần thiết khỏi dòng dữ liệu và đồng bộ các thông tin được nhúng trong dòng dữ liệu đó Thêm vào đó, MPEG-4 sẽ cho phép người sử dụng khả năng tương tác trực tiếp với dòng dữ liệu (dừng tiến hay lùi nhanh, kích chuột để kích hoạt các tuỳ chọn video

và audio…)

· Lưu giữ và phục hồi dữ liệu audio và video: do MPEG-4 phân chia các khung hình thành các đối tượng, việc trình duyệt Browser trên cơ

sở nội dung (đối tượng) mong muốn sẽ được thực hiện một cách dễ dàng và nhờ vậy, các ứng dụng lưu giữ hay phục hồi thông tin trên

cơ sở nội dung MPEG-4 sẽ được thuận lợi hơn;

· Truyền thông báo đa phương tiện: các thông báo dưới dạng text, audio và video MPEG-4 sẽ được truyền đi với yêu cầu băng thông ít hơn, và có khả năng tự điều chỉnh chất lượng cho phù hợp với khả năng băng thông của thiết bị giải mã;

· Thông tin giải trí: những sự trình diễn nghe nhìn tương tác (thế giới

ảo, trò chơi tương tác …) có thể được triển khai trên cơ sở chuẩn MPEG-4 sẽ làm giảm yêu cầu về băng thông và làm cho thế giới ảo trở nên sinh động và giống như thực tế trên các trang web;

Ngoài các ứng dụng trên môi trường mạng nói chung và môi trường tương tác nói riêng – theo APB (04/2004) – các đài truyền hình Nhật Bản như NHK, TBS, NTV TV Asahi, Fuji và TV Tokyo đã chính thức chấp nhận đưa chuẩn MPEG-4/H.264 (Phần 10) cho phát sóng số

mặt đất cho thu di động, đây cũng là một khả năng lớn còn tiềm ẩn trong chuẩn mã hoá và trình diễn video này

MPEG-7:chuẩn mô tả nội dung multimedia

chuẩn này được đề nghị vào tháng 10 – 1998 và thành chuẩn quốc

tế vào tháng 9 – 2001

Tiêu chuẩn MPEG-7 là một chuẩn dùng để mô tả các nội dung

Multimedia, chứ không phải là một chuẩn cho nén và mã hóa

Audio/ảnh dộng như MPEG-1, MPEG-2 hay MPEG-4 MPEG-7 sử dụng ngôn ngũ đánh dấu mở rộng XML ( Extansible Markup

Language) để lưu trữ các siêu dữ liệu Metadata, đính kèm timecode

để gán thể cho các sự kiện, hay đồng bộ các dữ liệu

Mục đích

để mô tả các nội dung Multimedia,

Mpeg 7 là giải pháp cho việc tìm kiếm các thông tin nguyên bản trên Web mở rộng toàn cầu

MPEG-7 đưa ra một tiêu chuẩn cho bộ mô tả có thể được dùng để

mô tả nhiều loại thông tin truyền thông khác nhau

Phạm vi, ứng dụng:

MPEG-7 sẽ gửi ứng dụng có thể được lưu trữ và khai thác ở trong hai môi trường thời gian thực và không thực một môi trường thời gian thực có nghĩa là thông tin được kết hợp với nội dung trừ khi nó

bị lưu giữ lại

Nhờ có MPEG-7 mà chúng ta có thể tương tác với dữ liệu đa phương tiện qua nội dung của chúng Với sự xuất hiện của MPEG-7, rất nhiều ứng dụng hay có thể thực hiện được, đơn giản hơn hãy tưởng tượng một vài ứng dụng được mô tả dưới đây:

- Bạn bước vào một kho dữ liệu khổng lồ để tìm một bài hát

nhưng quên mất thông tin về bài hát đó như là: tên, tác giả, ca sỹ,

mà chỉ nhớ một đoạn giai điệu của bài hát đó Không sao, bạn hãy hát lên giai điệu đó qua một hệ thống recorder, âm thanh của bạn sẽ được lấy mẫu rồi trích các đặc trưng rồi hệ thống tự động so sánh và tìm trong kho dữ liệu những bài hát "thích hợp" nhất với những đặc trưng tìm kiếm

- Bạn không muốn xem hết một trận đá bóng mà chỉ muốn xem những bàn thắng trong trận đấu đó? Chỉ cần gửi câu truy vấn đến hệ thống với từ khóa "Goal" hay gì đó (theo hệ thống định nghĩa), lần lượt các bàn thắng sẽ được trình chiếu trước bạn

- Bạn muốn tìm một picture nào đó giống một ảnh cho trước hoặc giống một hình do bạn tự vẽ ra? Hệ thống cũng có thể thực hiện được thông qua trích chọn đặc trưng và so sánh với kho dữ liệu đã

có và trả về kết quả

MPEG-21:chuẩn tổ chức multimedia

Chuẩn MPEG-21 là tiêu chẩn nén dùng chung cho đa dịch

vụ (Multimedia) Ðây là nguyên tắc tổng thể của các tiêu chuẩn nén hiện có và là đề xuất hòan thiệt, nhằm mục đích tạo cấu trúc hạ tầng chung cho thiết bị Multimedia-Internet, CD-ROM, đĩa CD vàDVD, Mục đích: nhằm cho phép sử dụng các tài nguyên đa phương tiện trên một phạm vi rộng các mạng và các thiết bị khác nhau

Chuẩn H.261

Khuyến cáo H.261 của CCITT là chuẩn nén cho các dịch vụ hội nghị truyền hình và điện thoại truyền hình qua mạng số dịch vụ tích hợp ISDN ở tốc độ n × 64Kbps Chuẩn này có 2 đặc tính quan trọng

là ngưỡng trễ mã hoá tối đa là 150ms vì trễ này phù hợp với truyền thông video hai chiều dựa vào cảm nhận của người xem về hình ảnh phản hồi trực tiếp và dễ dàng thực hiện mạch tích hợp VLSI chi phí thấp cho việc thương mại hoá sản phẩm rộng rãi

Chuẩn H.263

H.263 là chuẩn dành cho video tốc độ thấp 46 Kbp s dùng trong các ứng dụng hội nghị từ xa qua mạng PSTN.Chuẩn này có cả đặc tính của MPEG-1và MPEG-2 Mã hoá video của H.263 dựa trên chuẩn H.261 và thực chất nó là phiên bản mở rộng của H.261với phương pháp mã hoá video kết hợp DPCM/DCT Cả hai chuẩn này đều dùng kỹ thuật chính như DCT,bù chuyển động, mã hoá chiều dài

từ mã thay đổi, lượng tử hoá vô hướng và xử lý trên cấp macro

block Duy chỉ có khái niệm về khung PB trong H.263 là khá đặc biệt, tên PB có nguồn gốc từ P và B,là sự kết hợp của P và B

Chuẩn nén mới H.264/MPEG-4Part10