BÀI CÁO CÁO THỰC TẬP-nén tín hiệu số - chuẩn nén MPEG4 trong truyền hình số mặt đất thế hệ thứ 2 DVB-T2

Ra đời vào cuối thập kỷ 90, truyền hình số mặt đất đang ngày càng đượcchấp nhận, phát triển rộng rãi và trở thành xu thế không thể thay đổi của truyềnhình thế giới trong tương lai.Theo đ

Họ và tên : Lê Quang Minh

b Nhiệm vụ và quyền hạn :

1 Tham mưu giúp tổng giám đốc trong lĩnh vực ứng dụng và phát triển côngnghệ thông tin, lập kế hoạch ngắn hạn và dài hạn về nghiên cứu và ứng dụng củalĩnh vực công nghệ thông tin trong ĐTHVN, tham gia tư vấn thẩm định các dự

án công nghệ thông tin theo các quy định của tổng giám đốc Tổ chức triển khaichương trình và kế hoạch ứng dụng công nghệ thông tin đã được tổng giám đốcphê duyệt

2 Quản lý, duy trì và đảm bảo hoạt động của mạng máy tính ĐTHVN Tổ chứctriển khai các ứng dụng chung và phối hợp với các đơn vị trực thuộc Đài triểnkhai các ứng dụng riêng

3 Nghiên cứu triển khai truyền hình trên mạng và truyền hình tương tác

4 Đảm bảo về kỹ thuật của mạng Internet dùng riêng cho ĐTHVN

5 Tổ chức tư vấn, thẩm định, đo lường về khoa học kỹ thuật truyền hình, tin họcvới các đơn vị trong và ngoài Đài.

6 Quản lý các mặt công tác tiêu chuẩn đo lường chất lượng chuyên ngànhtruyền hình

7 Thực hiện nhiệm vụ đo lường, thử nghiệm kỹ thuật truyền hình gồm :

+) giám định chất lượng kỹ thuật ban đầu, định kỳ và sau sửa chữa, lắpráp các thiết bị chuyên ngành truyền hình

+) xây dựng các chỉ tiêu chất lượng kỹ thuật của các thiết bị chuyên dùngthuộc lĩnh vực truyền hình

8 Soạn thảo nhiệm vụ cụ thể, quy chế hoạt động, lề lối làm việc và mối quan hệcông tác của trung tâm trình tổng giám đốc phê duyệt

9 Cùng với ban tổ chức cán bộ xây dựng kế hoạch đào tạo, đào tạo lại và bồidưỡng nghiệp vụ cho cán bộ nhân viên của trung tâm theo quy định chung củaĐài.

c Tổ chức bộ máy trung tâm tin học và đo lường :

Trung tâm gồm 4 phòng :

Chương II: Tóm tắt lý thuyết

1.Giới thiệu chung về truyền hính số mặt đất:

Ra đời vào cuối thập kỷ 90, truyền hình số mặt đất đang ngày càng đượcchấp nhận, phát triển rộng rãi và trở thành xu thế không thể thay đổi của truyềnhình thế giới trong tương lai.

Theo đánh giá của các chuyên gia, truyền hình số có nhiều ưu điểm hơnhẳn so với công nghệ truyền hình thông thường mà nổi bật trước hết là khả năngchống nhiễu cao, ít nhạy cảm với nhiễu, có khả năng phát hiện sửa lỗi và thu tốttrong truyền sóng đa đường Ngoài ra, truyền hình số còn cho phép tiết kiệm phổtần, truyền được nhiều chương trình trên cùng một kênh sóng trong khi truyềnhình tương tự phải dùng một kênh cho mỗi chương trình Hơn thế nữa, truyềnhình số còn có khả năng khoá mã, quản lý chương trình theo yêu cầu đồng thờicòn cho phép truyền hình đa phương tiện

Hiện nay, đang thịnh hành 3 tiêu chuẩn cho truyền dẫn truyền hình số mặtđất là DVB-T của châu Âu, ATSC của Mỹ và ISDB-T của Nhật Bản Trong các

hệ phát hình số mặt đất, tiêu chuẩn châu Âu DVB-T tỏ ra có nhiều ưu điểm vàđược hầu hết các nước trên thế giới chấp nhận

Hiện nay ,chuẩn DVB-T2 đã ra đời là thế hệ thứ 2 của chuẩn DVB-T vớinhững cải tiến về chất lượng và kỹ thuật.

2.Tổng quát về chuẩn DVB-T:

Năm 1997, khối các nước châu Âu đã giới thiệu tiêu chuẩn truyền hình sốphát song quảng bá mặt đất DVB-T (Digital Video Broadcasting-Terrestrial).DVB-T dựa trên kỹ thuật mã hóa kênh, kỹ thuật điều chế ghép kênh phân hiatheo tần số trực giao OFDM và được gọi chung là điều chế mã COFDM

Chuẩn DVB được sử dụng ở châu Âu, truyền tải tín hiệu video số néntheo chuẩn MPEG-2 qua cáp, vệ tịnhvà phát truyền hình mặt đất

Chuẩn DVB-T có một số đặc điểm như sau:

-Mã hóa Audio tiêu chuẩn MPEG-2 lớp II

-Mã hóa Video chuẩn MP@ML

-Độ phân giải tối đa 720x576 điểm ảnh

3.Tổng quát về chuẩn DVB-T2 :

a Sơ đồ cấu trúc DVB-T2

b.Các tiêu chí của chuẩn DVB-T2:

- DVB-T2 phải tuân thủ tiêu chí đầu tiên có tính nguyên tắc là tính tươngquan giữa các chuẩn trong họ DVB Điều đó có nghĩa là sự chuyển đổi giữa cáctiêu chuẩn DVB phải thuận tiện cao nhất đến mức có thể, ví dụ giữa DVB-S2(tiêu chuẩn truyền hình số qua vệ tinh thế hệ thứ 2 vẫn lấy) và DVB-T2.

- DVB-T2 phải kế thừa những giải pháp đã tồn tại trong các tiêu chuẩnDVB khác DVB-T2 phải chấp nhận 2 giải pháp kỹ thuật có tính then chốt củaDVB-S2, cụ thể:

+ Cấu trúc phân cấp trong DVB-S2, đóng gói dữ liệu trong khung BB (BaseBand Frame)

+ Sử dụng mã sửa sai LDPC (Low Density Parity Check)

- Mục tiêu chủ yếu của DVB-T2 là dành cho các đầu thu cố định và dichuyển được, do vậy, DVB-T2 phải cho phép sử dụng được các anten thu hiệnđang tồn tại ở mỗi gia đình và sử dụng lại các cơ sở anten phát hiện có

- Trong cùng một điều kiện truyền sóng, DVB-T2 phải đạt được dunglượng cao hơn thế hệ đầu (DVB-T) ít nhất 30%.

- DVB-T2 phải đạt được hiệu quả cao hơn DVB-T trong mạng đơn tầnSFN (Single Frequency Network)

- DVB-T2 phải có cơ chế nâng cao độ tin cậy đối với từng loại hình dịch

vụ cụ thể Điều đó có nghĩa là DVB-T2 phải có khả năng đạt được độ tin cậycao hơn đối với một vài dịch vụ so với các dịch vụ khác

- DVB-T2 phải có tính linh hoạt đối với băng thông và tần số

- Nếu có thể, phải giảm tỷ số công suất đỉnh/ công suất trung bình của tínhiệu để giảm thiểu giá thành truyền sóng

Với những công nghệ sử dụng trong DVB-T2, dung lượng dữ liệu đạtđược tại UK lớn hơn khoảng 50% so với DVB-T, ngoài ra DVB-T2 còn có khả

năng chống lại phản xạ nhiều đường (Multipaths) và can nhiễu đột biến tốt hơnnhiều so với DVB-T.

Chương III : Tổng quan về nén tín hiệu số :

1 Khái niệm chung :

Nén tín hiệu số (digital signal compression) hay “nén dữ liệu” (data compression) nghĩa là biểu diễn tín hiệu số đó bằng 1 số lượng lớn bit ít hơn Với ý nghĩa như vậy, nén tín hiệu số còn được gọi là “giảm dữ liệu” (data

reduction) Nén tín hiệu số còn được gọi là “mã hóa nguồn” (source coding) tức

là biểu diễn nguồn tín hiệu dưới dạng thích hợp với từng loại nguồn tín hiệu khác nhau

Như vậy quy trình nén tín hiệu số được thực hiện ở phía nguồn, tức là phía phát, trước khi cung cấp tín hiệu cho kênh (cung cấp cho truyền dẫn để truyền đi hay cung cấp cho kênh lưu trữ để ghi lại tín hiệu trên băng, đĩa …) Ở

phía thu tồn tại 1 quá trình ngược lại là giải nén (decompression) hay giải mã nguồn (source decoding).

2 Tại sao phải nén, nén có tác dụng gì ?

Hai mục đích chính của nén tín hiệu số là giảm dung lượng lưu trữ và giảm dải thông (bandwith) truyền dẫn Giảm bớt dung lượng lưu trữ dẫn đến thugọn phương tiện lưu trữ, tiết kiệm chi phí lưu trữ, mở rộng khả năng ứng dụng của các phương tiện lưu trữ đắt tiền như RAM Giảm dải thông truyền dẫn cho

phép tiết kiệm chi phí truyền dẫn, có thể truyền được nhiều kênh truyền dải rộngkhông đổi, giảm được thời gian truyền trên kênh dải hẹp, cho phép truyền dẫn trong thời gian thực (real time) hoặc thậm chí nhanh hơn thời gian thực Thí dụ tín hiệu truyền hình số chưa nén cần dải thông khoảng 100MHz trong khi kênh truyền hình tương tự hiện nay chỉ rộng khoảng 6 – 8MHz, tuy nhiên nếu sử dụngbiện pháp nén tín hiệu thích hợp, hoàn toàn có thể sử dụng kênh 8MHz để

truyền vài chương trình truyền hình số

3 Nén trong các thiết bị truyền hình.

Tín hiệu truyền hình, dù là tương tự hay số đều mang một lượng thông tinrất lớn, vì vậy kỹ thuật làm giảm băng tần luôn được sử dụng trong mọi phạm vi hoạt động Có thể kỹ thuật quét cách dòng là ví dụ đầu tiên thực hiện việc làm giảm độ rộng băng tần của tín hiệu truyền hình Với một số lượng dòng quét và

tỷ lệ khuôn hình xác định, quét cách dòng đã giảm độ rộng băng tần yêu cầu xuống còn một nửa Qúa trình này không làm mất thông tin, quét cách dòng đã tạo ra một cảm giác giả do sự tác động giữa thông tin về mặt (vertical) và thông tin về thời gian, vì vậy đã giảm được độ phân giải về mặt (vertical) của hình

Ví dụ đáng kể tiếp theo là việc giảm băng tần đối với tín hiệu màu

Camera màu tạo ra tín hiệu RGB, bình thường thì ba tín hiệu này tạo ra lượng thông tin lớn gấp ba lần tín hiệu chói - nhưng trong truyền dẫn, ba tín hiệu màu được truyền đi với băng thông chỉ bằng tín hiệu đen trắng

Về mặt sinh học, hệ thống mắt người rất nhạy cảm đối với độ sáng, và có thể nhìn hình ảnh với độ phân giải rất cao Nhưng mắt người lại không nhạy cảmvới thành phần màu và nó cảm nhận màu sắc với độ phân giải tương đối thấp Kết quả là với một giới hạn băng tần, tín hiệu đen trắng thu nhận được là không

rõ ràng thì các thông tin về màu sắc vẫn sắc nét Rõ ràng là không thể tận dụng

được đặc điểm này khi ta làm việc với tín hiệu RGB khi mỗi tín hiệu đều bao gồm cả thành phần độ sáng và màu sắc.

Một số kỹ thuật trong thế giới số là hoàn toàn khác nhau nhưng lại có chung một nguyên lý Ví dụ MPEG chuyển đổi tín hiệu sang dạng hiệu để đơn lập thông tin không liên quan

Trong hệ thống truyền hình truyền thống, tín hiệu RGB của Camera đượcchuyển đổi thành tín hiệu Y, Pb, Pr thành phần dùng cho quá trình sản xuất và

mã hóa thành tín hiệu Video composite để truyền dẫn Trong các thiết bị hiện đại ngày nay, tín hiệu này được chuyển đổi thành Y, Cr, Cb dưới dạng tín hiệu

số nối tiếp (SDI) cho quá trình sản xuất hay mã hoá MPEG cho truyền dẫn Rõ ràng MPEG là giải pháp để các nhà quảng bá lựa chọn để thay thế hiệu quả cho tín hiệu Video composite Nhìn chung, MPEG có khả năng linh hoạt hơn rất nhiều so với mã hoá Video composite vì tốc độ bit có thể điều chỉnh một cách tuỳ ý để phù hợp với lĩnh vực ứng dụng Với tốc độ bit và độ phân giải thấp, MPEG có thể dùng cho các hội thảo Video hay ứng dụng Video phone

DVB và ATSC (tiêu chuẩn truyền hình số quảng bá của Châu Âu và Mỹ) sẽ

không thể tồn tại được nếu không áp dụng nén tín hiệu vì giải thông yêu cầu là quá lớn.

Nén tín hiệu còn cho phép kéo dài thời gian phát của các DVD (Digital Versatile Disk), cho phép ghi chọn một phim dài lên một đĩa, không gây cảm giác khó chịu cho người xem khi phải dừng lại để thay đĩa

Chương IV : Chuẩn nén MPEG4 :

1 Tổng quan về nén ảnh trong MPEG:

_ Mô hình nén ảnh :

Nguyên lý của nén video là loại bỏ các thành phần dư thừa trong chuỗihình ảnh trước khi truyền đi hay lưu trữ

Hệ thống nén video gồm 3 thành phần cơ bản:

- Đầu tiên của bộ mã hóa video, tín hiệu video được trình bày dưới dạng thuậntiện để nén có hiệu quả nhất Điểm cốt yếu là phải xác định cái gì được mã hóa

- Hoạt động thứ hai của bộ mã hóa là lượng tử hóa, giúp rời rạc hóa thông tinđược biểu diễn

- Hoạt động thứ ba là gán các từ mã Các từ mã là một chuỗi bit dùng để biểu

diễn các mức lượng tử hóa

2 Sự phát triển của H.264

_ H.264 cung cấp khả năng nén tuyệt vời mà không làm suy hao chất lượng cóthể cảm nhận được Nó đạt được gần 50% giảm tốc độ bit khi so sánh với các

chuẩn trước đây Điều đó có nghĩa là bằng cách sử dụng H.264, có thể phátnhiều kênh hơn qua các đường truyền dẫn đang tồn tại, các nhà cung cấp dịch vụ

di động có thể truyền dẫn Video chất lượng tốt hơn với cùng tốc độ bit và cácnhà xuất bản có thể lưu trữ nhiều hơn các phim trên DVD Tất cả các vấn đề nàyđược thực hiện bằng cách kết nối các kỹ thuật tốt nhất trong lĩnh vực nén nénVideo

_ Những khuyến nghị của ITU được thiết kế dành cho các ứng dụng truyềnthông Video thời gian thực như : Video Conferencing hay điện thoại truyềnhình Mặt khác, những tiêu chuẩn MPEG được thiết kế hướng tới mục tiêu lưutrữ Video chẳng hạn như trên đĩa quang DVD, quảng bá Video số trên mạngcáp, đường truyền số DSL, truyền hình vệ tinh hay những ứng dụng truyền dòngVideo trên mạng Internet hoặc thông qua mạng không dây (wireless) Với đốitượng để truyền dẫn Video là mạng Internet thì ứng cử viên hàng đầu là chuẩnnén MPEG-4 AVC, còn được gọi là H.264, MPEG-4 part 10, H.26L hoặc JVT

• Tính kế thừa của chuẩn nén H.264 :

_ Mục tiêu chính của chuẩn nén H.264 đang phát triển nhằm cung cấp Video cóchất lượng tốt hơn nhiều so với những chuẩn nén Video trước đây Điều này cóthể đạt được nhờ sự kế thừa các lợi điểm của các chuẩn nén Video trước đây.Không chỉ thế, chuẩn nén H.264 còn kế thừa phần lớn lợi điểm của các tiêuchuẩn trước đó là H.263 và MPEG-4 bao gồm 4 đặc điểm chính như sau:

_ Phân chia mỗi hình ảnh thành các Block, do vậy quá trình xử lý từng ảnh cóthể được tiếp cận tới mức Block

_ Khai thác triệt để sự dư thừa về mặt không gian tồn tại giữa các hình ảnh liêntiếp bởi một vài mã của những Block gốc thông qua dự đoán về không gian._ Khai thác sự phụ thuộc tạm thời của các Block của các hình ảnh liên tiếp bởivậy chỉ cần mã hoá những chi tiết thay đổi giữa các ảnh liên tiếp

_ Khai thác tất cả sự dư thừa về không gian còn lại trong ảnh bằng việc mã cácblock dư thừa

• Tổng quan kỹ thuật mã hóa của H.264/AVC :

H.264 chấp nhận các kỹ thuật cơ bản của mã hoá Video Tuy nhiên kỹthuật để đạt được các kết quả mã hoá này đã có nhiều thay đổi.

a Cấu trúc H.264 :

 Nhóm các macroblock vào các Slice với thứ tự macroblock mềm dẻo

 Các Slice I/ P/ SP/ SI/ B

 Dự đoán chuyển động kích thước block thay đổi

 Tham chiếu đa khung

 Dự đoán chuyển động với độ chính xác 1/4 pixel

 Các chế độ dự đoán Intra tăng cường

 Chuyển đổi nguyên 4x4

 Kỹ thuật mã hoá entropy VLC/ CABAC tiên tiến

 Lọc tách khối theo vòng lặp

b Cơ chế nén ảnh của H.264 (MPEG-4 AVC)

Với chuẩn nén H264, mỗi hình ảnh được phân chia thành nhiều Block, mỗi block tương ứng với một số lượng nhất định các MacroBlock Thêm vào đó mỗi hình ảnh có thể được phân thành số nguyên lần các lát mỏng (slice), việc này rất có giá trị cho việc tái đồng bộ trong trường hợp lỗi dữ liệu.

Mỗi hình ảnh thu được được xem như một ảnh I Ảnh I là ảnh được mã hoá bởi việc áp dụng trực tiếp các phép biến đổi lên các MacroBlock khác nhau trong ảnh Các ảnh I được mã hoá sẽ có kích cỡ lớn bởi nó được xây dựng từ một khối lượng lớn thông tin của bản thân ảnh hiện tại mà không sử dụng bất cứthông tin nào từ miền thời gian trong quá trình xử lý mã hoá để tăng hiệu quả xử

lý mã hoá bên trong H.264

c Giảm bớt độ dư thừa

Cũng giống như các bộ lập giải mã khác, H.264 nén video bằng cách giảmbớt độ dư thừa cả về không gian và thời gian trong hình ảnh Những dư thừa về mặt thời gian là những hình ảnh giống nhau lặp đi lặp lại từ khung (frame) này

sang khung khác Dư thừa về không gian là những chi tiết giống nhau xuất hiện trong cùng một khung.

d Chọn chế độ, phân chia và chế ngự

Bộ lập giải mã bắt đầu bằng việc quyết định loại khung cần nén tại một thời điểm nhất định và chọn chế độ mã hoá phù hợp Chế độ "trong khối" tạo ra ảnh "I", trong khi chế độ "giữa khối" tạo ra khung "P" hoặc "B" Sau đó, bộ mã hoá sẽ chia ảnh thành hàng trăm hàng và cột các điểm ảnh của ảnh video số chưanén thành các khối nhỏ hơn, mỗi khối có chứa một vài hàng và cột điểm ảnh

e Nén theo miền thời gian

Khi bộ mã hoá đang hoạt động ở chế độ "giữa khối" (inter), khối này sẽ phải qua công đoạn hiệu chỉnh chuyển động Quá trình này sẽ phát hiện ra bất

kỳ chuyển động nào diễn ra giữa khối đó và một khối tương ứng ở một hoặc hơnmột ảnh tham chiếu đã được lưu trữ từ trước, sau đó tạo ra một khối "chênh

lệch" hoặc "lỗi" Tiếp đến là công đoạn biến đổi côsin rời rạc (DCT) để bắt đầu nén theo miền không gian Khi bộ mã hoá hoạt động ở chế độ "trong khối" (intra), khối này sẽ bỏ qua công đoạn hiệu chỉnh chuyển động và tới thẳng công đoạn DCT.

Sơ đồ khối mã hoá MPEG, đường đứt nét đặc trưng cho phần bổ sung của MPEG-4 AVC trong việc nén theo miền không gian.

f Nén theo miền không gian

_ Các khối thường có chứa các điểm ảnh tương tự hoặc thậm chí giống hệt nhau Trong nhiều trường hợp, các điểm ảnh thường không thay đổi mấy (nếu có) Như vậy có nghĩa là tần số thay đổi giá trị điểm ảnh trong khối này là rất thấp Những khối như thế được gọi là khối có tần số không gian thấp Bộ lập mãlợi dụng đặc điểm này bằng cách chuyển đổi các giá trị điểm ảnh của khối thành các thông tin tần số trong công đoạn biến đổi côsin rời rạc.

• Biến đổi cosin rời rạc:

_ Công đoạn DCT biến đổi các giá trị điểm ảnh của khối thành một ma trận gồm các hệ số tần số ngang, dọc đặt trong không gian tần số Khi khối ban đầu

có tần số không gian thấp, DCT sẽ tập hợp phần lớn năng lượng tần số vào góc tần số thấp của mạng Nhờ vậy, những hệ số tần số thấp ở góc đó sẽ có giá trị cao hơn

_ Một số lượng lớn các hệ số khác còn lại trên ma trận đều là các hệ số có tần

số cao, năng lượng thấp và có giá trị thấp Hệ số DC và một vài hệ số tần số thấp