trình bày về quá trình phát triển, giới thiệu khái quát về hệ thống truyền hình số

Truyền dẫn tín hiệu truyền hình số : trình bày về các phương thức dịch vụ truyền dẫn như qua cáp, vệ tinh, phát mặt đất

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây, với chính sách mở cửa đúng đắn của Đảng và nhà nướcnền kinh tế của nước nhà đã và đang phát triển với một tốc độ cao Các thành tựu khoahọc kỹ thuật mới trên thế giới đã nhanh chóng thâm nhập vào nước ta Đặc biệt tronglĩnh vực điện tử-viễn thông, sự xuất hiện những công nghệ hiện đại, những dây chuyềnsản xuất mới có mức độ tự động hóa cao với hệ thống điều khiển tự động tiên tiến đãtạo điều kiện thúc đẩy các thành phần kinh tế trong nước phát triển vượt bậc cả về sốlượng lẫn chất lượng

Sự phát triển không ngừng của kỹ thuật số đã xâm nhập vào hầu hết tất cả các lĩnhvực khoa học kĩ thuật, kĩ thuật truyền hình cũng không nằm ngoài quá trình đó Côngnghệ số diễn ra trong truyền hình ngày nay không chỉ do yêu cầu ngày càng cao vềchất lượng của dịch vụ truyền hình mà còn do sức ép đang tăng lên đối với nguồn tàinguyên phổ tần số Đối với những nước có nền công nghiệp truyền hình-viễn thôngphát triển mạnh, vấn đề này đang trở nên gay gắt hơn bao giờ hết Bên cạnh đó, nhucầu cạnh tranh trong nền kinh tế thị trường đã thúc ép các nước này phải nhanh chóngxác lập và lựa chọn chuẩn số thích hợp, để sớm tung ra các thiết bị hay dịch vụ số đểchiếm thế thượng phong trên thị trường Hầu hết các nước hiện nay đã đặt ra lộ trìnhchuyển đổi sang số và sẽ chấm dứt truyền hình tương tự trong khoảng thời gian từ 10đến 15 năm tới

Đối với Việt Nam, một nước nghèo với những đặc thù riêng của mình, vấn đề số hoálại còn có một ý nghĩa khác Về tài nguyên phổ tần, có lẽ trong vòng 10 đến 15 nămtới, chúng ta cũng chưa bị thúc ép gay gắt như các nước có ngành truyền hình-viễnthông phát triển hiện nay Bên cạnh mục đích nâng cao chất lượng phục vụ người xem,truyền hình Việt Nam trong 10 đến 15 năm nữa sẽ buộc phải chuyển sang số vì các

thiết bị tương tự sẽ không được sản suất nữa Như vậy, số hoá truyền hình là conđường tất yếu mà truyền hình Việt Nam cần phải đi mặc dù còn rất nhiều khó khăntrước mắt như điều kiện kinh tế còn eo hẹp, nền công nghiệp và trình độ khoa học kỹthuật còn non trẻ

Trong khuôn khổ của đồ án, em đề cập tới các vấn đề của quá trình thực hiện số hoáđối với tín hiệu truyền hình tương tự, đồng thời trình bày khái quát về các phương thứctruyền dẫn, các tiêu chuẩn truyền hình số Bố cục đồ án bao gồm 6 chương:

Chương1: Giới thiệu chung : trình bày về quá trình phát triển, giới thiệu khái

quát về hệ thống truyền hình số

Chương2: Xử lý tín hiệu video : bao gồm số hoá và thực hiện nén tín hiệu

video

Chương3: Xử lý tín hiệu audio : số hoá và thực hiện nén tín hiệu audio.

Chương4: Ghép kênh và truyền tải các dịch vụ : trình bày về quá trình ghép

kênh các kênh video, audio,số liệu phụ của một hay nhiều chương trình truyềnhình

Chương5: Các hệ thống truyền hình số : trình bày về các hệ thống truyền hình

số ATSC, DVB, ISDB

Chương6: Truyền dẫn tín hiệu truyền hình số : trình bày về các phương thức

dịch vụ truyền dẫn như qua cáp, vệ tinh, phát mặt đất

Mặc dù bản thân đã có nhiều cố gắng song do trình độ chuyên môn còn giới hạn, tàiliệu tham khảo hạn chế cộng với thời gian thực hiện không dài nên trong quá trìnhthực hiện chắc không tránh được những sai lầm, thiếu sót Vì điều kiện thực tế khôngcho phép nên đồ án của em chỉ dừng lại ở mức độ lý thuyết Rất mong được sự thôngcảm và hướng dẫn, chỉ bảo thêm của các thầy cô và bè bạn để em có thể hiểu rõ hơn

về lĩnh vực này

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô, bạn bè đã giúp đỡ em trong quá

trình thực hiện Đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Tiến Khải, thầy đã

trực tiếp chỉ dẫn, định hướng, tạo mọi điều kiện để em hoàn thành đồ án

Chương 1

Giới thiệu chung.

Trong những năm gần đây kĩ thuật số đã có những bước phát triển nhảy vọt với cácsản phẩm công nghệ cao, giá thành hạ đang được ứng dụng mạnh mẽ vào các ngành kĩthuật khác Trước khi kĩ thuật số được áp dụng vào kĩ thuật truyền hình, công nghệ kĩ

thuật số đã phát triển ở mức độ cao trong các hệ thống xử lý dữ liệu và hệ thống truyềntin Kết quả là truyền hình số đã phát triển rất nhanh, thể hiện nhiều ưu điểm so vớitruyền hình tương tự và đang dần chiếm lĩnh ưu thế tạo nên một cuộc cách mạng thực

sự trong công nghiệp truyền hình

Sự dịch chuyển từ các dịch vụ truyền hình dựa trên các ứng dụng của kỹ thuật tương

tự sang các dịch vụ truyền hình dựa trên ứng dụng các kỹ thuật số đang phát triển mộtcách nhanh chóng Sự dịch chuyển của các dịch vụ truyền hình này một phần là nhờkết quả của sự hội tụ của các lĩnh vực: truyền hình, viễn thông, các ngành khoa học và

đồ hoạ máy tính thông qua việc sử dụng kỹ thuật số

Tín hiệu đầu vào và đầu ra của các hệ thống truyền hình, tại camera và tại đầu thutương ứng vốn là là tín hiệu tương tự Như vậy, có một câu hỏi tự nhiên được đặt ra tạisao phải số hoá Trong khi sự suy giảm tín hiệu của các tín hiệu tương tự được tíchluỹ thì khả năng để tái tạo lại một chuỗi xung số một cách chính xác rất dễ dàng.Luồng bit số có thể được xen kẽ trong một kênh, quá trình xen kẽ này cho phép phát

xạ, truyền dẫn, lưu trữ , hoặc xử lý tín hiệu phụ cùng với tín hiệu video và audio Hơnnữa, các kỹ thuật nén số dựa trên sự cắt giảm độ dư thừa có thể được ứng dụng để sốhoá các dịch vụ video và audio cho phép truyền một dịch vụ HDTV hoặc nhiều dịch

vụ truyền hình bình thường trên một kênh có độ rộng bằng kênh phát hình tương tựquảng bá hiện tại

Sử dụng phương pháp số để tạo,lưu trữ và truyền tín hiệu của chương trình truyềnhình trên kênh thông tin mở ra một khả năng đặc biệt rộng rãi cho các thiết bị truyềnhình Trong một số ứng dụng tín hiệu số được thay thế hoàn toàn cho tín hiệu tương tự

vì nó có khả năng thực hiện được các chức năng mà tín hiệu tương tự hầu như khôngthể làm được hoặc rất khó thực hiện, nhất là trong việc xử lý tín hiệu và lưu trữ

So với tín hiệu tương tự, tín hiệu số cho phép tạo, lưu trữ, ghi đọc nhiều lần mà

hợp tín hiệu số đều đạt được hiệu quả cao hơn với tín hiệu tương tự (ví dụ như bộ lọc).Mặc dù vậy xu hướng chung cho sự phát triển công nghiệp truyền hình trên thế giới,nhằm đạt được một sự thống nhất chung, là một hệ thống truyền hình hoàn toàn kĩthuật số có chất lượng cao và dễ dàng phân phối trên kênh thông tin

Sự ra đời của các đầu ghi băng video số thế hệ hai và ba, các bộ chuyển mạch, đồhoạ chuyển động và các bộ tạo kỹ xảo đặc biệt và sự thoả thuận sử dụng giao diện sốnối tiếp năm 1990 đã đẩy nhanh việc cài đặt các thiết bị sản xuất chương trình truyềnhình số Việc sản xuất chương trình truyền hình số sử dụng các đầu ghi hình số đã chophép các nhà sản xuất chương trình có thể sao chép nhiều lần hơn so với đầu ghi hìnhtương tự mà vẫn đảm bảo chất lượng Các ứng dụng của kỹ thuật số cho phép giảmthời gian cài đặt camera từ vài giờ xuống gần như tức thời Các hệ thống thư viện sốlàm cho các phương tiện được ghi, bảo quản tư liệu một cách tiện lợi và tìm kiếmthông tin nhanh và dễ dàng

Các lĩnh vực chính trong phát quảng bá còn lại đối với thế giới tương tự là truyềndẫn giữa các trung tâm sản xuất chương trình và truyền dẫn đến đến người sử dụng.Các ngăn cản cuối cùng này cũng đã được vượt qua vào đầu những năm 1990 vớinhững ứng dụng của kỹ thuật nén số, nhìn chung được xây dựng dựa trên ứng dụngcủa mã hoá chuyển dạng cosin rời rạc (DCT), sử dụng điều chế biên độ vuông góc(QAM) và các kỹ thuật điều chế đa mức gần đây

Vào khoảng năm 1990, các tổ chức truyền hình Bắc Mỹ với nỗ lực của mình đã tìm

ra phương tiện phát hình ảnh HDTV trong kênh truyền hình 6Mhz hiện tại, kênhtruyền hình UHF được tập trung chủ yếu vào việc sử dụng các phương thức và kỹthuật nén số để đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống Các kết quả mô phỏng có tínhkhả thi thực tế của các hệ thống khác nhau ở Bắc Mỹ đã nhanh chóng được phát triển

ở nhiều nơi như ở Châu Âu và các nước và vùng châu Á Thái Bình Dương

Kết quả quá trình số hoá hình ảnh truyền hình 525 dòng, 625 dòng tạo ra dòng sốliệu video 270Mbit/s, số hoá hình ảnh HDTV tạo ra luồng số liệu 1200Mbit/s Mộtkênh có độ rộng 6, 7, 8Mhz chỉ có thể thể mang được tốc độ số liệu tối đa cỡ khoảng20Mbit/s Do vậy yêu cầu phải nén số liệu với tỷ lệ 60:1 đối với các dịch vụ truyềnhình HDTV

Vào giữa năm 1991, các báo cáo về công việc đang được làm ở Mỹ, các nước Bắc

Âu, Anh, Pháp,Ý, Nhật và các nước khác đã chỉ ra rằng phương thức giảm tốc độ bitvới tỷ lệ 60:1 có thể được áp dụng cho cả hình ảnh HDTV và các hình ảnh truyền hìnhthông thường Kết quả này cho thấy hình ảnh của truyền hình có độ phân giải caoHDTV có thể được truyền trên các kênh tương đối hẹp với tốc độ bit từ 15 đến25Mbits/s và các dịch vụ truyền hình analog thông thường có thể có thể được truyềnvới tốc độ 1,5 - 12Mbit/s tuỳ thuộc vào chất lượng của dịch vụ Sử dụng các tiêuchuẩn, các kỹ thuật điều chế đa mức sẽ có thể truyền một kênh truyền hình HDTVhoặc nhiều kênh truyền hình thông thường trong các kênh truyền hình dải VHF vàUHF hiện tại có băng thông 6, 7 hoặc 8Mhz

Trong khoảng thời gian từ 1991 tới 1995 sự phát triển của các chuẩn giao tiếp chunggiữa các hệ thống vệ tinh số, cáp và phát quảng bá mặt đất đã mở ra một bước ngoặtmới Nhóm làm việc 11/3 của ITU đã đưa ra các khuyến nghị đối với các thành phầnchung của hệ thống quảng bá truyền hình số mặt đất Những chi tiết đối với phục vụquảng bá bằng vệ tinh số, cáp được chấp thuận ở một số vùng lãnh thổ theo cáckhuyến nghị của ITU và chuẩn theo vùng địa lý

Những ứng dụng của kỹ thuật số đối với truyền hình đã đem lại công nghệ truyềnhình số với rất nhiều ưu điểm Công nghệ truyền hình số đã và đang bộc lộ thế mạnhtuyệt đối so với công nghệ truyền hình tương tự trên nhiều lĩnh vực:

 Chất lượng của dịch vụ cao, cung cấp hình ảnh rõ nét, âm thanh trung thực dotín hiệu số ít nhạy cảm với các dạng méo xảy ra trên đường truyền, có khả năngphát hiện lỗi và sửa sai (nếu có)

 Tính linh hoạt, đa dạng trong quá trình xử lý tín hiệu

 Giá thành hoạt động thấp thông qua việc sử dụng các kỹ thuật nén và độ tincậy của hệ thống cao

 Mật độ chương trình được gia tăng, khả năng cung cấp nhiều dịch vụ trên mộtkênh dịch vụ truyền hình hiện tại, hiệu quả sử dụng dải thông cao, gia tăng hiệuquả sử dụng tần số

 Có tính phân cấp, ví dụ: một dòng dữ liệu có thể được sử dụng để truyền mộtchương trình truyền hình có độ phân giải cao duy nhất hoặc một vài chương trìnhtruyền hình có độ phân giải tiêu chuẩn

 Khả năng truyền tải nhiều dạng thông tin khác nhau, có khả năng cung cấpnhiều loại hình dịch vụ cho đông đảo khán giả hoặc từng cá nhân tạo ra một thịtrường đa dạng

 Tiết kiệm năng lượng,với cùng một công suất phát sóng, diện phủ sóng rộnghơn so với công nghệ tương tự

 Khoá mã đơn giản

 Hoàn toàn có khả năng hoà nhập vào môi trường truyền thông đa phương tiện Truyền hình đã và đang đáp ứng nhu cầu của toàn thể nhân loại trong việc cập nhậtthông tin, giải trí Thế giới đã bước vào một kỉ nguyên mới của thời đại thông tin bằng

sự hội tụ của các phương tiện truyền thông Tuy nhiên, với hệ thống truyền hình quảng

bá tương tự, sự hội nhập của công nghệ truyền hình vào hệ thống đa phương tiện rấtkhó khăn Để theo kịp xu hướng phát triển của ngành công nghiệp truyền thông kĩthuật truyền hình cũng cần có sự cải tiến về công nghệ trong toàn bộ hệ thống từ ghi,dựng, truyền dẫn và phát sóng Các tổ chức quốc tế đã thống nhất các tiêu chuẩn

truyền hình số để tạo đà phát triển cho hệ thống mới này Trước những vấn đề trên,truyền hình số ngày càng thể hiện rõ các ưu điểm của mình và chắc chắn sẽ dần thaythế hệ thống truyền hình tương tự trong một tương lai không xa để kết hợp với cácmạng truyền thông khác tạo thành một thế giới thông tin số đa phương tiện phục vụcho con người một cách hữu hiệu Để dịch vụ truyền hình số phát triển nhanh chóngbắt buộc phải có sự hợp nhất giữa các chuẩn về mã hoá kênh, mã hoá nguồn, phươngthức điều chế, nhận dạng trong, chống lỗi và sửa sai

Số hoá toàn bộ hệ thống truyền hình có nghĩa là chuyển tín hiệu tương tự sang dạng

số từ camera truyền hình, máy phát hình, kênh truyền đến máy thu hình Việc số hoá

hệ thống truyền hình hiện nay (các hệ truyền hình PAL, NTSC, SECAM) chủ yếu làcác khâu phân tích ảnh cho đến đầu vào máy phát hình (điều chế, sửa và xử lý tínhiệu) Số lượng các máy thu hình hiện nay là rất lớn, nên việc số hoá hệ thống truyềnhình phải được thực hiện qua từng giai đoạn (ngoại trừ các hệ thống truyền hình mới,

ví dụ hệ thống truyền hình chất lượng cao HDTV)

Sử dụng các hệ thống số trong truyền hình đòi hỏi phải biến đổi video tương tự (từcamera truyền hình ở studio) thành tín hiệu video số Biến đổi tín hiệu số thành tínhiệu tương tự ở đầu vào máy phát hình Các thông số của hệ thống số phải được chọnsao cho chất lượng hình ảnh bằng hoặc tốt hơn so với hệ thống số tương tự Đó là giaiđoạn sử dụng hỗn hợp truyền hình tương tự và truyền hình số

Các ứng dụng của kĩ thuật số vào ngành truyền hình có một số nguyên tắc kỹ thuật

và các tiến trình riêng biệt bao gồm :

 Sự phát triển của phương thức nén số liệu , hình ảnh, âm thanh tương thích vớicác nhu cầu của hệ thống phát hình số và cung cấp các mức thích hợp của hiệunăng hệ thống

 Phải có sự nhận dạng của ghép kênh hình ảnh, âm thanh, số liệu , các đặc điểm

Tuỳ theo phương pháp biến đổi tín hiệu mà đặc điểm của hệ thống truyền hình

số cũng thay đổi theo Cấu trúc,nguyên lý cấu tạo của hệ thống và các thiết bị

truyềnhình sốtổng quát

Gia côngsố

Mã hoá chống nhiễu

Điều chếĐồng bộ

truyền dẫn

Giải

điều chế

Giải mãhoá kênh

Phânkênh

Chọnđồng bộ

Phát

Gia côngsố

Gia côngtương tựADC

Gia côngsố

ADC

Gia côngtương tự

Xử lý tín hiệu

Tín hiệu hình

Tín hiệutiếngTín hiệu đo

kiểm tra

Hình 1.1 : Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống truyền hình số Đầu vào của thiết bị truyền hình số sẽ tiếp nhận tín hiệu truyền hình tương tự Trongthiết bị mã hoá (biến đổi A/D), tín hiệu hình sẽ được biến đổi thành tín hiệu truyềnhình số, các tham số và đặc trưng của tín hiệu này được xác định từ hệ thống truyềnhình đã được lựa chọn

Tín hiệu truyền hình số được đưa tới thiết bị phát Sau đó qua kênh thông tin rồiđược đưa tới thiết bị thu cấu tạo từ thiết bị biến đổi tín hiệu ngược lại với quá trình xử

lý tại phía phát

Giải mã tín hiệu truyền hình thực hiện biến đổi tín hiệu truyền hình số thành tín hiệutruyền hình tương tự Hệ thống truyền hình số sẽ trực tiếp xác định cấu trúc mã hoá vàgiải mã tín hiệu truyền hình

Mã hoá kênh đảm bảo chống các sai sót cho tín hiệu trong kênh thông tin Thiết bị

mã hoá kênh phối hợp đặc tính của tín hiệu số vói kênh thông tin Khi tín hiệu số đượctruyền đi theo kênh thông tin, các thiết bị biến đổi trên được gọi là bộ điều chế và giảiđiều chế Khái niệm mã hoá trong kênh được phổ biến không những trong đườngthông tin mà trong cả một số khâu của hệ thống truyền hình số ví dụ như máy ghi hình

số, bộ điều chỉnh khoảng cách thời gian số, gia công tín hiệu truyền hình số

Chương2

Xử lý tín hiệu video.

2.1 / Số hoá tín hiệu video.

Số hoá tín hiệu video là việc thực hiện biến đổi tín hiệu video tương tự sang dạng số

Có hai phương pháp biến đổi:

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

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

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

Đồng bộ

Lọc thông thấp

Tín hiệu

tương tự

Tín hiệu số

Đồng bộ

Lọc thông thấp

Tín hiệu

tương tự

Tín hiệu số

Đồng bộ

Lọc thông thấp

Lọc thông thấp

Lọc thông thấp

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

Việc lựa chọn phương pháp biến đổi tín hiệu video phụ thuộc vào nhiều yếu tố: yêucầu về khả năng thuận lợi khi xử lý tín hiệu, yêu cầu về truyền dẫn phát sóng Số hoátín hiệu video tổng hợp có ưu điểm là tốc độ bít thấp, điều đó cũng có nghĩa là dunglượng cần để lưu trữ nhỏ hơn, lợi hơn về dải tần Tuy nhiên tín hiệu video số tổng hợpbộc lộ nhiều nhược điểm trong quá trình xử lý số, tạo kĩ xảo, dựng hình và nó cònmang đầy đủ những khiếm khuyết của video tương tự nhất là hiện tượng can nhiễuchói - màu

Số hoá tín hiệu video thành phần khắc phục được các nhược điểm trong số hoá tínhiệu video tổng hợp nhưng nó lại tạo ra dòng số có tốc độ bit cao hơn Với sự pháttriển của công nghệ điện tử như ngày nay, các chíp có tốc độ cao ra đời cho phéptruyền toàn bộ chuỗi số liệu video số thành phần nối tiếp nhau trên một dây dẫn duynhất đã tạo thuận lợi cho quá trình xử lý số tín hiệu video thành phần

Mặc dù cả hai phương pháp trên đều được nghiên cứu và áp dụng trong kĩ thuậttruyền hình số nhưng do nhờ những tính chất ưu việt nên phương pháp biến đổi tínhiệu video thành phần được khuyến khích sử dụng Các kĩ thuật của phương pháp nàyđang được sử dụng rộng rãi và hình thành nên các tiêu chuẩn thống nhất cho truyềnhình số Video số thành phần được coi là phương pháp số hoá sử dụng trong hiện tạicũng như trong tương lai tại các studio hoàn toàn số Chính vì vậy trong phần xử lý tínhiệu video em chỉ trình bày các kĩ thuật xử lý tín hiệu video thành phần

Quá trình chuyển đổi tín hiệu video thành phần từ tương tự sang số gồm nhiều vấn

đề cần xem xét nghiên cứu, nó phải qua nhiều công đoạn và có một số mấu chốt như:tần số lấy mẫu, phương thức lấy mẫu, tỷ lệ giữa tần số lấy mẫu tín hiệu chói và tín hiệumàu, lượng tử hoá,mã hoá

2.1.1 / Lấy mẫu.

Tín hiệu video do có đặc trưng riêng nên ngoài việc thoả mãn định lý lấy mẫuNyquist, quá trình lấy mẫu còn phải thoả mãn các yêu cầu về cấu trúc lấy mẫu, tínhtương thích giữa các hệ thống Quá trình này phải xác định được tần số lấy mẫu, cấutrúc lấy mẫu nhằm đạt được chỉ tiêu về chất lượng hình ảnh,tính tương thích giữa các

hệ truyền hình, tốc độ bít thích hợp và mạch thực hiện đơn giản Việc chọn tần số lấymẫu tối ưu sẽ khác nhau với các thành phần tín hiệu khác nhau đồng thời nó cũng phụthuộc vào hệ thống truyền hình màu Cấu trúc lấy mẫu chính là sự phân bổ toạ độ cácđiểm lấy mẫu Vị trí các điểm lấy mẫu được xác định dựa trên các dòng,mành và thờiđiểm lấy Cấu trúc lấy mẫu phù hợp với tần số lấy mẫu sẽ cho phép khôi phục hình ảnhtốt nhất Có ba dạng liên kết vị trí các điểm lấy mẫu được sử dụng phổ biến cho cấutrúc lấy mẫu tín hiệu video:

Hình 2.5: Cấu trúc “ quincunx “ dòng.

Với cấu trúc trực giao độ phân giải ảnh bị giảm, cần sử dụng tốc độ bit lớn Với cấutrúc “quincunx” mành sẽ xuất hiện nhấp nháy các điểm ảnh, phổ tần của mành 2 bịdịch so với phổ mành 1 và có thể lồng với phổ tần cơ bản gây ra méo ở các chi tiết ảnhkhi hình ảnh có các sọc hoặc các đường thẳng đứng Còn đối với cấu trúc “quincunx”dòng sẽ xuất hiện các vòng tròn theo chiều ngang (méo đường biên) tuy nhiên khôngxảy ra lồng phổ biên với phổ chính Tóm lại cấu trúc trực giao cho chất lượng ảnh caonhất vì đối với mắt người thì độ phân giải bị giảm dễ chấp nhận hơn là hai loại méotrên Chính vì vậy cấu trúc lấy mẫu trực giao hay được sử dụng hơn cả

Sự lựa chọn tần số lấy mẫu tín hiệu video cho các hệ truyền hình không chỉ thoả mãntiêu chuẩn Nyquist và cấu trúc lấy mẫu mà còn phải đạt điều kiện là tần số lấy mẫuchung cho cả hai tiêu chuẩn truyền hình 525 và 625 dòng để có thể tiến tới một tiêuchuẩn video số chung cho toàn thế giới Nhiều cuộc tranh luận về xác định tần số lấymẫu đã xảy ra tại các hội nghị quốc tế về phát thanh truyền hình Tần số lấy mẫu càngcao chất lượng video càng cao,tuy nhiên tần số lấy mẫu lớn đòi hỏi thiết bị, đườngtruyền phải có dải thông rộng và các bộ nhớ có dung lượng lớn do đó chi phí cho toàn

bộ hệ thống tăng lên nhiều lần Tần số lấy mẫu thích hợp được xác định trong khoảng

12  14 MHz Từ năm 1982 các tổ chức phát thanh truyền hình (SMPTE, EBU,CCIR) đã thống nhất lựa chọn tần số lấy mẫu fs = 13,5 MHz cho cả hai tiêu chuẩn 525

và 625 dòng 13,5 MHz là tần số duy nhất trong khoảng 12 MHz  14 MHz có giá trịbằng một số nguyên lần tần số dòng cho cả hai tiêu chuẩn:

13,5 MHz = 864 fH với chuẩn 625 dòng (fH = 15625 Hz)

13,5 MHz = 858 fH với chuẩn 525 dòng (fH = 15750 Hz)

Thời gian một dòng của hệ 625 dòng là 64 s, hệ 525 dòng là 63,56 s Thời giantích cực của một dòng trong hệ 625 dòng là 52 s Nếu cả hai hệ đều lấy thời gian tíchcực bằng 52s thì thời gian xoá dòng tương ứng với từng hệ là 12 và 11,56 s và cácthông số cơ bản đối với mỗi hệ là :

Hệ 525 dòng: 11,56  13,5 = 156 mẫu

Như vậy mối quan hệ giữa dòng của video số và dòng của video tương tự trong 2 hệnhư sau:

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

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

Với tín hiệu video thành phần, tần số lấy mẫu thường được biểu thị thông qua tỉ lệgiữa tần số lấy mẫu tín hiệu chói và tần số lấy mẫu các tín hiệu hiệu màu Tần số lấymẫu sẽ quyết định bề rộng tối đa của dải phổ tín hiệu Theo tiêu chuẩn Nyquist tần sốlấy mẫu tối thiểu phải gấp 2 lần tần số cao nhất của tín hiệu Có nhiều tiêu chuẩn lấymẫu cho tín hiệu video thành phần, điểm khác nhau chủ yếu ở tỉ lệ giữa tần số lấy mẫu

và phương pháp lấy mẫu tín hiệu chói và các tín hiệu hiệu màu trong đó bao gồm tiêuchuẩn 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0, 4:1:1 Số 4 đầu tiên biểu thị tần số lấy mẫu tín hiệu chói là13,5 MHz, hai con số tiếp biểu thị tỉ lệ giữa tần số lấy mẫu tín hiệu hiệu màu so với tínhiệu chói Các định dạng số video có nén chỉ lấy mẫu cho các dòng tích cực của video

Việc lấy mẫu trên 1 dòng tích cực được thực hiện như sau:

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

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

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

Tuần tự như vậy cứ 4 lần lấy mẫu Y thì có hai lần lấy mẫu CR và hai lần lấy mẫu CB

tạo nên cơ cấu 4:2:2

Hình 2.9 : Tiêu chuẩn 4::2:2

Tiêu chuẩn 4:2:0

Tín hiệu Y được lấy mẫu tại tất cả các điểm ảnh của dòng còn tín hiệu hiệu màu thì

cứ cách một điểm thì lấy mẫu cho một tín hiệu hiệu màu Tín hiệu hiệu màu được lấyxen kẽ, nếu hàng chẵn lấy mẫu cho tín hiệu CR thì hàng lẻ sẽ lấy mẫu cho tín hiệu CB

Hình 2.10 : Tiêu chuẩn 4:2:0

Tiêu chuẩn 4:1:1

Trong điểm ảnh đầu lấy mẫu đủ cả ba tín hiệu Y, CR, CB Ba điểm ảnh tiếp theo chỉlấy mẫu tín hiệu Y Khi giải mã, màu của ba điểm ảnh sau phải suy từ điểm ảnh đầu

Hình 2.11 : Tiêu chuẩn 4:1:1

Trong các tiêu chuẩn trên tiêu chuẩn 4:4:4 có khả năng khôi phục lại chất lượng hìnhảnh tốt nhất được dùng cho hậu kỳ (xử lý phức tạp), thiết bị studio có chất lượng cao,chương trình gốc

Tiêu chuẩn 4:2:2 đã được sử dụng trong nhiều năm qua như là yêu cầu tối thiểu chokhả năng khoá màu tốt trong môi trường sản xuất chương trình truyền hình

Tiêu chuẩn 4:1:1 thích hợp cho trường hợp độ rộng băng tần tín hiệu hiệu màu sốnhỏ hơn 1,5 MHz (thiết bị chất lượng thấp) Nhờ xử lý hình ảnh mà có thể sử dụng lấymẫu 4:1:1 với khoá màu chất lượng chấp nhận được sử dụng cho làm tin và hậu kìkhông đòi hỏi chất lượng cao

Tiêu chuẩn 4:2:0 được dùng trong các ứng dụng đặc biệt như: định dạng phân phốitín hiệu số có nén tốc độ bit MPEG

2.1.2 / Lượng tử hoá.

Trong hầu hết các thiết bị video số chất lượng studio quá trình lượng tử hoá là lượng

tử hoá đồng đều Méo lượng tử xuất hiện trong tín hiệu video ở 2 dạng chính: hiệu ứngđường viền và nhiễu hạt ngẫu nhiên Hiệu ứng đường viền được khắc phục bằng cáchtăng số mức lượng tử khi sử dụng từ mã 8 bit để biểu diễn mẫu thì hiệu ứng đườngviền sẽ gần như không còn nhận biết được nữa Nhiễu hạt ngẫu nhiên được sử dụng đểhiệu chỉnh chất lượng ảnh bằng cách cộng tín hiệu “dither” vào tín hiệu video

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

 Mức danh định

 Khoảng bảo vệ cần thiết (biên bảo hiểm)

 Số bit tương ứng với mỗi mẫu

 Mã “cấm”

Thông số chi tiết của các dạng thức video số được thể hiện qua các bảng dưới đây

Bảng 2.1: Giá trị các từ mã ứng với các mức và điện áp tín hiệu Y

1111 1110:

1110 1100

FE:EC

254:236

Mức video

700,000:0,000

1110 1011:

0001 0000

EB:10

235:16Khoảng trống

dự phòng

-3,196:-47,945

0000 1111:

0000 0001

0F:01

15:1Mức cấm đối

11 1111 1111

:

11 1111 1100

3FF:3FC

1023:1020Khoảng trống

dự phòng

763,128:700,799

11 1111 1011

:

11 1010 1101

3FB:3AD

1019:941

Mức video

700,000:0,000

11 1010 1100

:

00 0100 0000

3AC:040

940:64Khoảng trống

dự phòng

-0,799:-47,945

00 0011 1111

:

00 0000 0100

03F:004

63:4Mức cấm đối

với dòng tích

cực

-48,744:-51,142

00 0000 0011

:

0000 0000

003:000

30

Bảng 2.3 : Giá trị các từ mã ứng với các mức và điện áp tín hiệu CB, CR

1111 1110:

FE:

254:

Mức video

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

1110 1011:

1000 0000:

0001 0000

EB:80:10

235:128:16Khoảng trống

dự phòng

-353,125:-396,875

0000 1111:

0000 0001

0F:01

15:1Mức cấm đối

11 1111 1111

:

11 1111 1100

3FF:3FC

1023:1020Khoảng trống

dự phòng

396,094:350,781

11 1111 1011

:

11 1100 0001

3FB:3C1

1019:961Mức video

350,000:0,000

11 1100 0000

:

10 0000 0000

3C0:200

940:512

:-350,000

:

00 0100 0000

:040

:64Khoảng trống

dự phòng

-350,781:-396,875

00 0011 1111

:

00 0000 0100

03F:004

63:4Mức cấm đối

với dòng tích

cực

-397,656:-400,000

00 0000 0011

:

00 0000 0000

003:000

30

Tín hiệu chói sau khi sửa méo gama được biểu diễn bằng:

CR’ = KR (R’ - Y’) = 0.5R’ - 0.419G’ - 0.081B’

CB’ = KB (B’ - Y’) = -0.169R’ - 0.331G’ - 0.5B’

Với KR = 0.713

KB = 0.564

R’, G’, B’ là các tín hiệu màu cơ bản sau khi sửa méo gama

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

Tiêu chuẩn số hoá tín hiệu video thành phần không thực hiện lấy mẫu các xung đồng

bộ Để đồng bộ dòng tín hiệu video tại đầu và cuối mỗi dòng số tích cực tín hiệu chuẩnthời gian được ghép vào cùng với dòng video số tổng hợp.Trong mỗi khoảng xoá dòng

có 8 từ mã dùng làm chuẩn thời gian Tín hiệu SAV (Start of Active Video) gồm 4 từ

mã xuất hiện ở điểm đầu mỗi dòng Tín hiệu EAV (End of Active Video) cũng gồm 4

từ mã xuất hiện ở điểm cuối mỗi dòng Như vậy khoảng thời gian bắt đầu từ EAV vàkết thúc tại SAV là khoảng xoá dòng

Tín hiệu chuẩn thời gian cho tín hiệu video bao gồm 4 từ mã, mã hoá hệ hex đượcsắp xếp như sau:

 Mã hoá 8 bit : FF 00 00 XY

 Mã hoá 10 bit : 3FF 000 000 XYZ

Trong cả 2 trường hợp dùng mã hoá 8 bit và 10 bit 3 từ mã đầu đều có giá trị cố định

Các bit P0, P1, P2, P3 dùng để phát hiện và sửa lỗi

2.1.4 / Dữ liệu phụ ANC (Ancillary Data).

Có hai dạng dữ liệu phụ: Dử liệu phụ theo dòng và dữ liệu phụ theo mành Dữ liệuphụ được gửi chèn vào bất kì thời điểm nào trong dòng số trừ thời gian dành cho tínhiệu TRS và dữ liệu video.Mức của dữ liệu phụ cũng không được phép bằng 00 và FF(mức dành cho TRS) Một chuỗi dữ liệu phụ được khởi đầu bằng tín hiệu chuẩn thờigian cho tín hiệu phụ TRS – ANC gồm 6 từ mã:

00 FF FF TT MM LL

Ba từ mã đầu có giá trị không đổi Từ mã thứ tư TT là mã nhận dạng dữ liệu Dữ liệu

có thể là tín hiệu audio số,chữ viết,thông tin phụ khác Từ mã thứ 5 và thứ 6 là MM và

LL chứa thông tin về số dòng hoặc số lượng từ mã

ANC có thể xuất hiện nhiều lần trong một dòng nếu ta truyền nhiều dòng dữ liệukhác nhau

2.1.5 / Quan hệ giữa mành số và mành tương tự.

Hệ 525 dòng

Trong hệ 525 dòng một ảnh video số được chia làm 2 mành: mành 1 có 262 dòng vàmành 2 có 263 dòng Thời gian xoá của mỗi mành là 19 dòng Số dòng tích cực tươngứng với mỗi mành bằng243 và 244 dòng

tỉ lệ nén và chất lượng hình ảnh sau khôi phục Nói chung tỉ lệ nén càng cao chấtlượng ảnh khôi phục càng giảm và ngược lại Chất lượng và quá trình nén có thể thayđổi tuỳ thuộc vào đặc điểm của hình ảnh nguồn và nội dung ảnh

Trong nén ảnh số có các loại dư thừa sau:

 Dư thừa dữ liệu theo thống kê: gần như tất cả các ảnh đều chứa một số lượnglớn các giá trị dữ liệu thông tin giống nhau Dư thừa dữ liệu tồn tại trong các vùngrộng của một ảnh (dư thừa không gian) và giữa một chuỗi các ảnh liên tiếp (dưthừa thời gian) Các hệ thống nén sử dụng yếu tố dữ liệu giống nhau không cầnphải lặp lại và không cần truyền hết mà chỉ mã hoá một dữ liệu đó và lặp lại toàn

bộ ở phần giải mã Quá trình nhận dạng sự giống nhau đó được gọi là giải tươngquan dữ liệu

 Dư thừa tâm sinh lý: giá trị của các mẫu trong cùng một ảnh được hệ thốngnhìn của mắt người HVS (Human Visual System) tiếp nhận không đều nhau Hiệntượng này xuất phát từ sự thật là HVS không đáp ứng được với cùng độ nhậy củatất cả các thông tin nhìn thấy Nếu HVS không thể nhận thấy một sai số thì sai sốnày không tác động lên chất lượng thu nhận của ảnh khôi phục Do đó, một số giá

I (xi) = - Log2P(x) Trong đó : I (xi) là lượng thông tin của phần tử ảnh xi.

P(xi) là xác suất xuất hiện của phần tử ảnh xi Lượng tin tức bình quân của cả tập hợp các phần tử ảnh trong hình ảnh được gọi làentropy và tính theo công thức:

Các hệ thống nén dữ liệu là sự phối hợp của nhiều kĩ thuật xử lý nhằm làm giảm tốc

độ bit của các tín hiệu số xuống một giá trị dung hoà được với mức chất lượng của ảnhtrong các ứng dụng

Nhiều kĩ thuật nén có tổn thất và không có tổn thất đã được đề xuất trong những nămvừa qua tuy nhiên chỉ có một số là thích hợp cho các ứng dụng video Ngoài ra còn

nhiều kĩ thuật khác vẫn còn tiếp tục được nghiên cứu hoặc khó thực hiện như: biến đổiKLT (Karhuren-Loève Transform), WHT(Walsh-Hadamard Transform), lượng tử hoávector, wavelets, fractal Riêng lẻ từng kĩ thuật giảm dữ liệu không có ứng dụng đáng

kể trong thực tế Tuy nhiên khi phối hợp một số các kĩ thuật này sẽ mang lại những hệthống nén rất hiệu quả như JPEG,MPEG-1, MPEG-2

JPEG, MPEG-1, MPEG-2Hình 2.14 : Sự phối hợp các kĩ thuật nén

Trong kĩ thuật nén video cần phân biệt 2 nhóm đó là nén có tổn thất và nén không cótổn thất

Nén không tổn thất.

Nén không tổn thất cho phép khôi phục lại thông tin như ban đầu sau khi đã giải nén

Đó là một quá trình mã hoá đảo ngược được Nén không tổn thất đối với ảnh có chấtlượng truyền hình sẽ không cho tỷ lệ nén cao (nhỏ hơn 2:1) Hệ số nén phụ thuộc vàochi tiết ảnh được nén Các kĩ thuật nén không tổn thất bao gồm:

 Mã hoá chiều dài thay đổi (VLC : Variable Length Coding): trên thực tế mộtvài giá trị nhất định sẽ xảy ra thường xuyên hơn các giá trị khác sau khi khunghình được mã hoá dự đoán, chuyển dạng DCT và lượng tử hoá VLC sử dụng đặcđiểm này để thực hiện mã hoá, các giá trị xảy ra thường xuyên được gán với các

từ mã ngắn, các giá trị ít xảy ra sẽ được gán với các từ mã dài Khi thực hiện giảinén, các thiết lập mã trùng hợp sẽ được sử dụng để tạo lại giá trị ban đầu Mã hoáVLC được xem như là mã hoá entropy và mã hoá Huffman Mã hoá và giải mãHuffman được thực hiện một cách dễ dàng bằng cách sử dụng các bảng tìm kiếmtrong phần cứng

 Mã hóa chiều dài động (RLC : Run Length Coding): kĩ thuật này dựa vào sựlặp lại cùng giá trị mẫu dữ liệu để tạo ra các mã đặc biệt chỉ thị sự bắt đầu và kếtthúc một giá trị được lặp lại Chỉ các mẫu có giá trị khác không mới được mã hoátheo số chạy Số mẫu có giá trị bằng không sẽ được truyền đi dọc theo cùng dòngquét Các chuỗi 0 được tạo ra bằng quá trình giải tương quan như phương phápDCT hay DPCM

 Sử dụng khoảng xoá dòng và mành: vùng xoá dòng và mành của tín hiệuvideo sẽ không được ghi và truyền

 Mã hóa chuyển dạng cosin rời rạc (DCT: Discrete Cosine Transfom): DCT sẽchuyển các khối 8x8 điểm ảnh từ miền không gian hai chiều sang miền tần số Cácgiá trị tần số gia tăng theo trục hoành từ trái sang phải, các giá trị tần số theo trụctung tăng từ trên xuống dưới Do vậy góc trái trên cùng sẽ đại diện cho tần số 0hay một chiều DC, góc phải phía dưới sẽ là tần số cao nhất.Chú ý rằng, quá trìnhchuyển dạng không làm giảm tốc độ bít, bởi vì cùng một số giá trị bít trên một hệ

số được yêu cầu cho khối được chuyển dạng Điểm mấu chốt của quá trình này làcác hệ số tần số được chuyển dạng sẽ phù hợp hơn cho kỹ thuật giảm tốc độ bit.Đặc biệt là ở chỗ các khối hình ảnh được chuyển dạng có chứa các giá trị hệ số

bằng 0 và gần bằng 0 Thực tế trong bộ mã hoá tín hiệu video MPEG, DCT được

áp dụng cho khung hình sau khi nó được đưa đến mã hoá dự đoán giữa các khunghình Do vậy các giá trị biên độ thường là nhỏ điều này dẫn đến khối được chuyểndạng có chứa nhiều giá trị nhỏ

Nén có tổn thất.

Nén có tổn thất được thực hiện bằng cách liên kết 2 hoặc nhiều kĩ thuật xử lý để biểudiễn tín hiệu hình Nén có tổn thất có thể đạt tỷ lệ nén cao từ 2:1 đến 100:1 Tỉ số nénphụ thuộc vào nội dung ảnh được dùng trong các ứng dụng Chất lượng ảnh khôi phụckhông được như ban đầu vì có sự làm tròn và giảm dữ liệu trong một frame và giữacác frame Kĩ thuật nén có tổn thất bao gồm:

 Lấy mẫu băng tần con: đây là phương pháp giảm tốc độ dữ liệu rất có hiệu quảnhưng sự tổn thất độ phân giải ảnh và các thanh phần chồng phổ sẽ làm giảm chấtlượng nội dung ảnh gốc Vì lý do này nên người ta không dùng lấy mẫu băng tầncon cho tín hiệu chói Các phương pháp lấy mẫu băng tần con tín hiệu hiệu màutrong các định dạng 4:2:0 và 4:1:1 hiện được sử dụng trong các ứng dụng ghi

 Mã hoá dự báo DPCM (Defferencial Pulse Code Modulation): chỉ truyền phầnchênh lệch giữa các mẫu mà không truyền giá trị mẫu đầy đủ Phần chênh lệchđược cộng vào giá trị mẫu đã giải mã và tại đầu cuối giải mã tạo một giá trị mẫu

đã khôi phục lại Quá trình nén được thực hiện bằng cách lượng tử hoá thô tín hiệu

vi sai và dùng kĩ thuật VLC cho tín hiệu kết quả Để loại bỏ sai số truyền, sẽtruyền một giá trị mẫu đầy đủ theo chu kì nhất định

 Lượng tử hoá và thực hiện VLC cho các hệ số DCT: kết hợp ba quá trình này

sẽ cho phép biểu diễn một khối các byte của pixel bằng một số lượng nhỏ brt vàtạo được kĩ thuật nén hiệu quả và kinh tế nhất

Để có sự nhìn nhận trực quan hơn về nén tín hiệu video, dưới đây em xin trình bày

cụ thể một số kĩ thuật và hệ thống nén thông dụng

2:2:1 / Mã hoá dự báo DPCM.

Trên thực tế mã hoá DPCM cũng sử dụng kết hợp với các kĩ thuật dự đoán và lượng

tử hoá thích nghi để hoàn thiện thêm kĩ thuật nén này, tuy nhiên thì độ phức tạp cótăng lên Sơ đồ khối bộ mã hóa và giải mã DPCM như sau:

Hình 2.15 : Mã hoá DPCM

Bộ dựđoán

Bộ dựđoán

Bộ dựđoán



+

Tín hiệu dự báo được tạo từ các mẫu nằm trong cùng một mành, các mẫu được biếnđổi nằm trên cùng một dòng quét (mã giữa các pixel) và cùng với các dòng quét lâncận (mã giữa các dòng) Tín hiệu dự báo sử dụng cho tín hiệu video là tín hiệu tuyếntính Có hai phương pháp tạo tín hiệu dự báo:

 Dự báo cố định hay còn gọi là dự báo độc lập với ảnh truyền hình

 Dự báo thích nghi hay còn gọi là dự báo phụ thuộc ảnh truyền hình

Việc chọn thuật toán tối ưu tạo tín hiệu dự báo phụ thuộc vào hệ truyền hình đang sửdụng

Bước tiếp theo của DPCM là chọn phương pháp lượng tử hoá tối ưu Dựa trên đặcđiểm của mắt người ta có thể sử dụng đặc trưng lượng tử hoá tuyến tính lẫn phi tuyến.Đặc tuyến cần lựa chọn sao cho khi mã hoá tín hiệu bằng số bít nhỏ nhất mà méolượng tử vẫn có thể ở mức chấp nhận được Trong DPCM, ngoài méo lượng tử tínhchất của PCM còn xuất hiện méo đặc trưng đối với các phương pháp vi sai như: nénđường biên (stope over-load), nhiễu hạt (granular noise), nhiễu chuyển động đườngbiên (edge busyness)

Cũng giống như việc tạo dự báo, đặc trưng của lượng tử trong DPCM có thể là cốđịnh độc lập với ảnh lượng tử hay phụ thuộc vào tín hiệu lượng tử hoá

DPCM giữa các mành (Interframe DPCM).

Tín hiệu dự báo được tạo trên cơ sở các mẫu nằm ở các mành kề trước đó Phươngpháp này tận dụng quan hệ chặt chẽ giữa các mành kế nhau của ảnh và đặc trưng củamắt(nhạy với méo trong ảnh tĩnh hơn ảnh động).Nghiên cứu thống kê về cấu trúc ảnh

và tín hiệu video cho thấy rằng sự khác nhau giữa các ảnh là không lớn Để tạo lại cácảnh một cách trung thực chỉ cần truyền các điểm ảnh làm biến đổi và khôi phục lại tạiphía thu tất cả các điểm ảnh còn lại từ mành trước hoặc ảnh trước trong bộ nhớ

Phương pháp cơ bản của DPCM giữa các mành là mã hoá trực tiếp vi sai giữa cácmành kề nhau Nguyên tắc hoạt động được trình bày như trong sơ đồ sau:

Hình 2.17 : Sơ đồ khối DPCM liên mành

Trong nhiều biến thể của DPCM giữa các mành, có thể thực hiện việc mã hoá tiếtkiệm Nó dựa trên đặc điểm của mắt người, cho phép giảm độ phân giải đối với ảnhchuyển động nhiều hơn so với ảnh tĩnh Phương pháp này chỉ truyền các điểm ảnh cầnthiết và ở phía thu khôi phục tất cả các điểm ảnh còn lại bằng phương pháp nội suy.Đối với tín hiệu video thường sử dụng hàm nội suy tuyến tính

2:2:2 / Mã chuyển vị (Transform Coding).

Việc mã hoá riêng rẽ các điểm ảnh sẽ không tận dụng được mối quan hệ giữa cáckhối điểm trong ảnh số Mã chuyển vị là một cách có hiệu quả trong việc mã hoá khốiđiểm thông qua biến đổi tuyến tính các điểm này thành các hệ số chuyển vị và thựchiện mã hoá các hệ số chuyển vị đó Phương pháp này tập trung vào một số ít các hệ

số chuyển vị chứ không phải là các điểm ảnh của ảnh gốc, trong khi đó lượng thông tinchỉ có trong một số ít các hệ số chuyển vị như vậy số bit dùng cho quá trình mã hoá sẽ

ít đi Một lý do nữa là HVS không thể nhận biết được hoàn toàn các chi tiết của ảnhkhi những chi tiết đó biến đổi nhanh so với các biến đổi chậm, bởi vậy để mã hoá các

Mạchtrừ

Lượng tửhoá m mức

Kênhtruyền

Cộng

Trễmành

CộngTrễ

dự báo

n: số mẫu trên dòng quét.

X: xác định n vector

T phải thoả mãn là ma trận trực giao

Với biến đổi 2D các khối điểm n * n mẫu được biểu diễn dưới dạng ma trận X có cácphần tử xij Ma trận Y với các phần tử ykl được xác định theo công thức:

ykl =  





n j

Trong hệ thống mã chuyển vị hai chiều cho ảnh số, trước tiên một ảnh số được chia

ra làm nhiều khối hình chữ nhật, sau đó các khối này được chuyển vị Trong mãchuyển vị bước đầu tiên là phải chọn một chuyển đổi thích hợp để giảm sự đối lậpgiữa các điểm trong khối một cách hiệu quả Quá trình chuyển đổi thành mã chuyển vịkhông làm nén dữ liệu mà nó chỉ là bước chuẩn bị cho việc giảm dữ liệu trong quátrình lượng tử hoá

Phương pháp chuyển đổi tối ưu cho mã chuyển vị là phương pháp mà đạt được bìnhphương của lỗi trong quá trình xây dựng lại ảnh (với một số bit đã cho) là nhỏ nhất.Theo nghiên cứu người ta thấy rằng phương pháp chuyển đổi tối ưu là chuyển đổi KL

DCT một chiều.

DCT một chiều biến đổi một bảng số biểu diễn các biên độ tín hiệu của các điểmkhác nhau theo thời gian hoặc theo không gian thành một bảng khác của các số, mỗi sốbiểu diễn biên độ của một thành phần tần số nhất định từ tín hiệu gốc.Bảng kết quảchứa đựng cùng số giá trị như bảng gốc, phần tử thứ nhất là trung bình của tất cả cácmẫu trong bảng đầu vào và được coi như hệ số điều chế DC, các phần tử còn lại, mỗiphần tử biểu thị biên độ của một thành phần tần số đặc trưng của bảng đầu vào vàđược gọi là các hệ số AC

Phép biến đổi được tính theo công thức:

X(k) = N2 C(k) x m m N k

N

)12(cos)(

1 0

1 0

) 1 2 ( cos ).

, ( )

( ).

(

Trong đó: C(u), C(v) nhận giá trị 12 với u=0, v=0

C(u), C(v) nhận giá trị 1 với u,v còn lại

Phương trình trên là một liên kết của hai phương trình DCT một chiều Hệ số u=v=0

là hệ số điều chế của tín hiệu video (hệ số DC)

Phép biến đổi ngược được tính toán theo công thức:

)12(cos)

,()

()

(

0

1 0

-40 -4.1 -1.1 43.8

Khi biến đổi DCT áp dụng cho các tín hiệu video số thành phần Y, CR, CB các tínhiệu màu CR, CB có biên độ cực đại là 128 giá trị nhị phân trong hệ thống sử dụng 8bit biểu diễn mẫu, và biên độ chói Y có biên độ từ 0255 Để đơn giản cho các bộ mãhoá DCT, tín hiệu chói Y được dịch xuống mức ngang bằng với mức tín hiệu CR, CB Như vậy khi giải mã DCT giá trị 128 sẽ được cộng với từng giá trị điểm ảnh để thuđược tín hiệu Y ban đầu.

Khối các hệ số DCT thu được có hệ số DC lớn đặc trưng cho giá trị trung bình thànhphần một chiều, còn lại các hệ số AC có giá trị rất nhỏ và phần lớn bằng 0 biểu diễncho các thành phần tần số cao theo hướng ngang và theo hướng thẳng đứng Mặc dù

có nhiều hệ số tần số bằng 0, giá trị của các hệ số có tần số cao đóng vai trò quan trọngtrong việc tạo lại hình ảnh trong quá trình biến đổi DCT ngược Các hệ số AC theohướng ngang thường lớn hơn các hệ số AC theo chiều thẳng đứng

Tóm lại DCT làm giảm độ tương quan không gian của thông tin trong khối điểmảnh Điều đó cho phép biểu diễn thích hợp ở miền DCT do các hệ số DCT có xuhướng có phần dư thừa ít hơn Hơn nữa, các hệ số DCT chứa thông tin về nội dung tần

số không gian của thông tin trong khối điểm ảnh Nhờ đặc tính tần số không gian của