DSpace at VNU: Ứng dụng mã hóa chống lỗi trong truyền video thời gian thực

DSpace at VNU: Ứng dụng mã hóa chống lỗi trong truyền video thời gian thực tài liệu, giáo án, bài giảng , luận văn, luận...

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN VĂN LUYỆN

ỨNG DỤNG MÃ HÓA CHỐNG LỖI TRONG TRUYỀN VIDEO THỜI GIAN THỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ

THÔNG TIN

HÀ NỘI - 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN VĂN LUYỆN

ỨNG DỤNG MÃ HÓA CHỐNG LỖI TRONG TRUYỀN VIDEO THỜI GIAN THỰC

Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính

Mã số : 60 48 15

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ

THÔNG TIN Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Hoàng Xuân Tùng

HÀ NỘI - 2015

LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Hoàng Xuân Tùng, người đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này Thầy dành nhiều thời gian cho tôi, mang đến cho tôi những thách thức, ý tưởng, kinh nghiệm quí báu Thầy rất nghiêm khắc Nhưng chính nhờ sự nghiêm khắc của thầy mà tôi tiến bộ, gặt hái được nhiều kiến thức về công nghệ, kĩ thuật Có lẽ tôi là người hoàn thành luận văn chậm nhất trong những học trò mà thầy đã hướng dẫn và có thể thầy hơi thất vọng về điều đó Thầy kính mến! em chân thành xin lỗi thầy về sự chậm trễ này và mong thầy rộng lòng thông cảm

Tôi biết ơn toàn thể gia quyến của tôi đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập Mọi người đã làm thay phần việc của tôi ở nhà, ngoài đồng ruộng…

để tôi có nhiều thời gian nhất dành cho việc học hành

Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô, nhân viên trong Khoa Công nghệ thông tin, Phòng Đào tạo sau đại học và Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Công nghệ - ĐH Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ tận tình, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành khóa học và khóa luận tốt nghiệp

Đồng thời, tôi cảm ơn những người bạn đã chia sẻ kinh nghiệm, học thức, kĩ năng, tài liệu, đã hỏi thăm và động viên Cảm ơn cộng đồng những người dùng mạng Internet, các học giả…đã mang đến cho tôi một kho tàng kiến thức, kĩ năng

vô tận

Hà Nội, ngày 20 tháng 12 năm 2015

Học viên

Nguyễn Văn Luyện

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng những nội dung kiến thức trong luận văn này được trình bày lại theo cách hiểu của tôi Phương pháp mã hóa nội khung dựa theo đường biên được trình bày ở chương III là phương pháp do tôi xây dựng trên cơ sở tham khảo ý tưởng mã hóa đường biên trong tài liệu tham khảo số [1] Các kết quả được sinh ra bằng thực nghiệm và chưa từng được công bố

Hà Nội, ngày 20 tháng 12 năm 2015

Học viên

Nguyễn Văn Luyện

MỞ ĐẦU Ngày nay, mạng internet rất phát triển, đáp ứng nhu cầu truy cập mọi lúc, mọi nơi, đa dạng, phức tạp của người dùng Trong đó có nhu cầu truy cập dữ liệu đa phương tiện (âm thanh, hình ảnh, video…) Đặc biệt, việc truyền thông video thời gian thực ngày càng trở nên phổ biến

Có hai phương thức cơ bản truyền tải video là: downloading và streaming Downloading là hình thức tải toàn bộ file video, sau đó lưu trữ và hiển thị trên phía đầu thu Phương thức này có nhược điểm là tốn thời gian, và không thể truyền video thời gian thực Streaming là phương thức cho phép hiển thị nội dung video ở đầu thu trong khi quá trình truyền video ở đầu phát vẫn đang được thực hiện Video được chia thành nhiều phần nhỏ, truyền tải liên tục thành một dòng dữ liệu; bên nhận hiện thị phần video vừa nhận được hoặc tạm thời lưu trữ để chờ hiển thị Phương thức này cho phép truyền tải video thời gian thực và được ứng dụng rộng rãi

Video thường có dung lượng rất lớn nên thường được nén lại trước khi truyền tải Có nhiều cách thức, chuẩn nén video Trong đó, H.264 là một chuẩn nén khá phổ biến Theo đó, mỗi video được phân tách thành các chuỗi frame Mỗi chuỗi frame bao gồm một số frame, bắt đầu bởi một frame được gọi là I-frame, các frame tiếp theo là frame, hoặc B-frame Các I-frame được mã hóa nội khung Còn các P-frame, B-frame được mã hóa liên khung Nếu I-frame bị mất thì không khôi phục đượccác P-frame, B-frame trong chuỗi, nghĩa là không khôi phục được cả chuỗi video tương ứng ở đầu thu

Vì vậy, vấn đề chống lỗi trong streaming video nói chung và chống mất I-frame trở nên rất đáng quan tâm Để chống mất I-I-frame, có thể sử dụng giải pháp truyền đi nhiều I-frame dự phòng Nhưng truyền dự phòng I-frame sẽ tốn kém thời gian, băng thông Luận văn này nghiên cứu việc mã hóa I-frame sao cho đạt tỉ lệ nén cao nhằm có thể truyền đi nhiều I-frame dự phòng

Nội dung của luận văn gồm 4 chương:

Chương I: Tổng quan về video thời gian thực và vấn đề chống lỗi trong video thời

gian thực

Giới thiệu về video thời gian thực, một số phương pháp chống lỗi

Chương II: Phương pháp nén nội khung (intra coding) trong chuẩn H.264

Trình bày về phương pháp intra coding của chuẩn H.264

Chương III: Mã hóa dựa trên đường biên

Xây dựng phương pháp nén nội khung bằng cách phân chia frame thành các vùng, và mã hóa đường biên cũng như giá trị màu đại diện của mỗi vùng.Phương pháp này dựa trên ý tưởng của phương pháp chain coding được trình bày ở tài liệu tham khảo [1]

Chương IV: Thực nghiệm

Trình bày kết quả thực nghiệm của phương pháp nén đã xây dựng ở chương III

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VIDEO THỜI GIAN THỰC VẤN ĐỀ CHỐNG LỖI TRONG VIDEO THỜI GIAN THỰC

I TỔNG QUAN VỀ VIDEO THỜI GIAN THỰC

1 Video thời gian thực

Video thời gian cho phép tường thuật trực tiếp các sự kiện, hội thoại bằng video, giám sát và điều khiển từ xa qua video Trong hệ thống video thời gian thực, các máy thu hình tạo ra các đoạn video tại những khoảng thời gian nhỏ phản ánh trực tiếp sự kiện đang diễn ra trước ống kính Các đoạn video này được nén, mã hóa

và truyền đi ngay lập tức theo kiểu streaming Tại nơi nhận, các đoạn video nén được giải mã và trình chiếu theo đúng thứ tự được tạo ra của chúng Độ trễ giữa nơi nhận và nơi gửi là rất thấp Vì thế, người dùng theo dõi được sự kiện gần như tức thời khi nó diễn ra Điều này cho phép cuộc hội thoại video được liên tục, hội nghị trực tuyến, giám sát từ xa, interactive game…

2 Truyền video thời gian thực theo kiểu streaming [2]

Streaming video là phương pháp truyền phát video bằng cách chia nhỏ video thành nhiều phần nhỏ, truyền những phần này một cách liên tục tạo thành một dòng

dữ liệu; trong khi bên nhận dữ liệu giải mã những phần dữ liệu video vừa nhận được rồi hiển thị hoặc tạm lưu trữ để đợi đến lượt được hiển thị Như vậy, việc streaming video có thể được mô tả bởi 3 bước cơ bản:

1 Chia nhỏ video thành những phần nhỏ

2 Truyền phát liên tục các phần dữ liệu video

3 Giải mã và hiển thị nội dung phần video nhận được ở bên nhận trong khi việc phát video vẫn tiếp diễn

Trong video thời gian thực, mỗi đoạn video mà máy quay thu được tại những thời điểm liên tục được mã hóa, chia nhỏ thành các phần nhỏ hơn và được truyền đi theo phương thức mô tả ở trên

3 Một số ứng dụng video thời gian thực

Hội Nghị Truyền Hình (Video conference)

Là phương thức liên lạc video thời gian thực cho phép người dùng ở các điểm khác nhau có thể nói chuyện, nhìn thấy nhau, chia sẻ các dữ liệu, hình ảnh, âm thanh… với nhau Video conference cho phép tổ chức các cuộc họp trực tuyến, các thành viên tham dự có thể biểu quyết, trao đổi thông tin với nhau Dữ liệu video và

âm thanh được truyền trực tiếp tại hiện trường phản ánh sự kiện đang diễn ra trong thời gian thực theo cả 2 chiều

Các thành phần của một hệ thống video conference gồm: Camera, microphone; màn hình, thiết bị hiển thị; máy tính; thiết bị điều khiển; bộ mã hóa và giải mã; gate way; Multipoints conference unit…Multipoint conference unit được sử dụng trong video conference đa điểm, thực hiện việc kết nối giữa các điểm với nhau

Gọi Điện Thoại Có Hình (Video phone)

Là dịch vụ cho phép đàm thoại có hình giữa 2 người dùng điện thoại Với video phone, người dùng có thể nghe và nhìn thấy hình ảnh thật của người đối thoại

Giám Sát Từ Xa Bằng Video (Remote monitoring video)

Cho phép giám sát từ xa thông qua truyền video thời gian thực từ hiện trường

về môt trung tâm giám sát, xử lý Từ trung tâm giám sát, tùy hệ thống, người dùng

có thể gửi đi các lệnh điều khiển từ xa, các phản hồi tới hiện trường

Truyền hình trực tiếp:

Cho phép truyền phát trực tiếp video, âm thanh từ các sự kiện đang diễn ra Ví

dụ như tường thuật trực tiếp một trận đấu bóng, một buổi biểu diễn…

4 Các giao thức truyền video thời gian thực

RTP [3]:

Real-time transport protocol có chức năng vận chuyển dữ liệu đầu cuối thời gian thực như video, âm thanh…RTP cung cấp các dịch vụ như gán nhãn thời gian cho các gói, đánh số thứ tự các gói, xác định tải trọng…RTP hỗ trợ việc truyền phát

dữ liệu đến nhiều đích với phân phối dữ liệu theo kiểu multicast Thông thường, RTP được sử dụng bên trên giao thức UDP Bản thân RTP không bảo đảm phân phát dữ liệu một cách kịp thời tới đích, mà phải dựa trên các dịch vụ của tầng thấp hơn để thực hiện điều này RTP cũng không cung cấp cơ chế đảm bảo các gói dữ liệu được truyền theo đúng thứ tự, nhưng thông tin về số thứ tự của gói cho phép bên thu khôi phục được đúng thứ tự của các gói RTP cung cấp các dịch vụ cơ bản nhất cho các ứng dụng truyền video, âm thanh thời gian thực; mỗi ứng dụng cụ thể

có thể bổ sung vào RTP những dịch vụ phù hợp với yêu cầu của nó RTP được thiết

kế độc lập với tầng mạng và giao vận (transport layer) bên dưới RTP hỗ trợ việc sử dụng các mixer và translator

RTCP [3]:

Real time control protocol là giao thức hỗ trợ cho giao thức RTP RTCP làm việc song hành với RTP Trong khi RTP vận chuyển các gói tin dữ liệu thì RTCP vận chuyển các gói tin điều khiển Chức năng chính của RTCP là thu nhận thông tin phản hồi về chất lượng dịch vụ RTP.RTCP cũng có chức năng thăm dò các thành viên tham gia vào phiên làm việc Các gói tin RTCP được gửi đi một cách định kì từ máy thu, máy phát báo cáo số lượng thống kê của ứng dụng như số gói nhận được,

số gói mất, độ thăng giáng trễ…Dựa vào thông tin này, máy phát có thể điều chỉnh quá trình truyền phát dữ liệu cho phù hợp

RTSP:

Real time streaming protocol là giao thức tầng ứng dụng, được thiết kế để điều khiển việc truyền dữ liệu thời gian thực Nó độc lập với các giao thức tầng thấp hơn RTSP hoạt động giống như một cơ chế điều khiển mạng từ xa mà không thực sự truyền dữ liệu media Nó cho phép thiết lập và điều khiển một hay nhiều stream media thời gian thực Trong RTSP, máy chủ duy trì phiên làm việc được xác định bởi một định danh Trong một phiên làm việc, máy khách có thể gửi các gói tin yêu cầu thông qua việc mở và đóng nhiều kết nối truyền thông đáng tin cậy TCP và không đáng tin cậy UDP đến máy chủ

RSVP:

Resource reservation protocol là giao thức điều khiển mạng, cho phép bên nhận yêu cầu chất lượng dịch vụ đầu cuối cho dòng dữ liệu RSVP không phải là giao thức định tuyến Chức năng cơ bản của nó là thiết lập và duy trì đường đi, hủy

bỏ đường đi và báo lỗi Khi một nút gửi dữ liệu, nó gửi một bản tin qua các nút trung gian tới máy nhận, mô tả đặc điểm lưu lượng sẽ gửi, đặc điểm của các nút trung gian trên đường truyền Căn cứ vào những thông tin này, nút nhận sẽ gửi một bản tin đăng kí tài nguyên Nếu việc đăng kí thành công, nút gửi bắt đầu gửi dữ liệu đến nút nhận Mỗi phiên làm việc của RSVP được xác định bởi bộ tham số như địa chỉ Ip nguồn, địa chỉ Ip đích, cổng nguồn, cổng đích…Việc đặt trước tài nguyên của RSVP cho phép một cơ chế làm việc gần giống chuyển mạch kênh ngay trên mạng chuyển mạch gói Một thiết lập RSVP sẽ hết hiệu lực sau một khoảng thời gian nếu

nó không được làm tươi một cách định kì

II Mã hóa chống lỗi cho truyền video thời gian thực

Các kĩ thuật chống lỗi có thể được phân ra làm 3 loại sau:

Loại 1 gồm các kĩ thuật được thực hiện tại bộ mã hóa nguồn hoặc bộ mã hóa kênh nhằm tạo ra dòng bít có sức đề kháng tốt với lỗi

Loại 2 gồm các kĩ thuật được thực hiện tại bộ giải mã nhằm phát hiện lỗi, che giấu những tác động của lỗi

Loại 3 gồm các kĩ thuật đòi hỏi sự tương tác giữa bên giải mã và bên mã hóa Căn cứ vào những lỗi, trạng thái của bên giải mã, bên mã hóa có thể đưa ra các hoạt động thích ứng nhằm giảm thiểu tác động của lỗi

1 Một số kĩ thuật chống lỗi thực hiện trên bộ mã hóa

Sửa Lỗi Trước (FEC)

Forward error correction là kĩ thuật thêm vào dữ liệu chính những dữ liệu bổ sung trước khi truyền phát Khi sự mất mát, hư hại dữ liệu xảy ra, thì căn cứ vào các

dữ liệu bổ sung này có thể khôi phục lại được dữ liệu đã mất hoặc hỏng Việc sử dụng FEC làm tăng dung lượng thông tin phải truyền tải

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Saif Zahir, Kal Dhou, Prince George Lisbon - Portugal : PCS, 2007, "A new chain coding based method for binary image compression and reconstruction",

pp 1321-1324

2 Dapeng Wu, Yiwei Thomas Hou, Wenwu Zhu, Ya-Qin Zhang, Jon M Peha s.l : Circuits and systems for video technology, IEEE Transactions, 11 3, 2001,

"Streaming video over the Internet: Approaches and Direction", pp 282-300

3 H Schulzrinne, S Casner, R Frederick, V Jacobson."RTP: a transport protocol for real time applications" United States : RFC 3550, 2003

4 E Iain, Richardson."The H.264 advance video compression standard" 2

s.l : Wiley, 2010

5 L Agostini, R Porto, M Porto, T Silva, L Rosa, J Guntzel, I Silva, S Pampi Bahía Blanca : Lat am appl res v.37 n.1 , 2007, "Forward and inverse 2D-DCT architectures targeting HDTV for H.264/AVC video compression standard"

6 ISO/IEC."Information technology-coding of audio-visual objects-part 10: Advance video coding" s.l : ISO/IEC 14496-10, 2004

7 Chunbo Zhu, Ye-Kui Wang, Miska M.hannuksela, Houqiang Li s.l : Circuits and systems for video technology, IEEE transactions, 1 19, 2009, "Error resilient video coding using redundant pictures", pp 3-14