Nghiên cứu và đánh giá chất lượng mã hóa video dùng chuẩn h 265 HEVC

Hiện nay, việc nắm vững phương pháp mã hóa của chuẩn H265 và đánh giá chất lượng của nó cùng với hệ thống truyền dẫn DVB-T2 có ý nghĩa quan trọng việc lựa chọn và triển khai kỹ thuật nén

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



HOÀNG LAM SƠN

NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÃ HÓA

VIDEO DÙNG CHUẨN H.265/HEVC

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử

Mã số : 60 52 02 03

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS Hồ Phước Tiến

Phản biện 1: TS Ngô Minh Trí

Phản biện 2: TS Ngô Văn Sỹ

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điện tử họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày

15 tháng 07 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách

khoa

 Thư viện Khoa Điện tử-Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

H.265/HEVC là một chuẩn nén video hoàn toàn mới với tên gọi đầy đủ là High Efficiency Video Coding (HEVC) được Ủy ban Viễn thông Quốc tế ITU-T thông qua và bắt đầu được các nhà phát triển đưa vào sản phẩm thương mại H.265/HEVC mang lại khả năng nén cao gấp đôi so với kỹ thuật nén video H.264/AVC (Advance Video Coding) hiện đang được dùng phổ biến H.265/HEVC có tỷ lệ nén dữ liệu gấp đôi so với H.264/MPEG-4 AVC ở cùng một mức độ chất lượng video Nói cách khác nó có thể được sử dụng để cung cấp chất lượng hình ảnh được cải thiện đáng kể khi xét cùng một bitrate Nó

có khả năng hỗ trợ 8K UHD (Ultra high definition television) và độ phân giải lên đến 8192x4320 (4320P)

Hiện nay, việc nắm vững phương pháp mã hóa của chuẩn H265

và đánh giá chất lượng của nó cùng với hệ thống truyền dẫn DVB-T2

có ý nghĩa quan trọng việc lựa chọn và triển khai kỹ thuật nén H.265 trong lĩnh vực truyền dẫn tín hiệu truyền hình và công tác lưu trữ video của Đài truyền hình Việt Nam hiện nay Đây là lý do luận văn tập trung nghiên cứu và đánh giá chất lượng mã hóa dùng chuẩn H.265/ HEVC

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Chuẩn nén H.265/HEVC, so sánh chuẩn nén H.265/HEVC với chuẩn nén H.264/AVC

Chuẩn nén video H.265/HEVC trong hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2

Đánh giá chất lượng hình ảnh thu được

4 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để thực hiện đề tài theo các bước sau:

 Nghiên cứu lý thuyết các kỹ thuật mã hóa và giải mã các loại tín hiệu video

 Phân tích và so sánh với chuẩn nén H.264/AVC và đưa ra những

ưu điểm của chuẩn nén H.265/HEVC

 Mô phỏng việc nén và giải nén tín hiệu video bằng chương trình

mã nguồn mở C++ từ đó đánh giá chất lượng và hiệu quả của chuẩn nén

 Ứng dụng kỹ thuật nén H.265/HEVC xây dựng mô hình truyền dẫn tín hiệu video độ phân giải cao qua hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2, đánh giá kết quả thu được

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Việc phân tích đánh giá chuẩn nén H.265/HEVC, và so sánh với chuẩn nén trước đó có ý nghĩa quan trọng trong việc lựa chọn và triển khai trong công tác truyền dẫn tín hiệu truyền hình tại Đài truyền hình Việt Nam hiện nay Ngoài ra, H.265/HEVC là một chuẩn nén mới và còn rất nhiều kỹ thuật có thể cải tiến tốt hơn, nên thông qua tìm hiểu so sánh có thể là một tiền đề nghiên cứu các giải pháp để cải thiện hiệu suất và giảm độ phức tạp, như là trong kỹ thuật dự đoán ảnh intra, inter hoặc một số thuật toán rate control

Chương 1-TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ VÀ CƠ SỞ

NÉN VIDEO 1.1 Tổng quan về hệ thống truyền hình số

1.1.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình số

Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình số[1]

1.1.2 Đặc điểm truyền hình số

1.1.3 Quá trình số hóa tín hiệu

1.1.4 Tốc độ bit và độ rộng băng thông

1.1.5 Quá trình biến đổi và tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu màu

1.2 Nén tín hiệu video

1.2.1 Các kỹ thuật nén tín hiệu video

Tín hiệu video thường chứa đựng một lượng lớn các thông tin dư thừa, chúng thường được chia thành 5 loại như sau: Có sự dư thừa thông tin về không gian; Có sự dư thừa thông tin về thời gian; Có sự

dư thừa thông tin về phổ; Có sự dư thừa do thống kê; Có sự dư thừa tâm thị giác

Có nhiều phương pháp nén tín hiệu, phương pháp nén bằng cách

số hóa tín hiệu vẫn tỏ ra hữu hiệu trong mọi thời đại, một mặt nó có thể làm giảm lượng thông tin không quan trọng một cách đáng kể, mặt khác nó còn giúp cho tín hiệu được bảo mật hơn

Thiết bị phát

Kênh thông tin

Giải điều chế số Giải mã

hóa kênh Thiết bị thu

Tín hiệu

truyền hình

tương tự

1.2.2 Tỷ số nén tín hiệu video

1.2.3 Phân loại kỹ thuật nén tín hiệu video

1.2.4 Biến đổi cosin rời rạc

1.2.5 Quá trình lượng tử hóa

1.2.6 Tiêu chuẩn đánh giá tín hiệu video

Đánh giá chất lượng video thông qua các giá trị cung cấp bởi

hệ thống xử lý, và việc suy giảm chất lượng tín hiệu có thể nhìn thấy được (thông thường chúng được so sánh với tín hiệu gốc) Qua hệ thống ta có thể thấy được những thay đổi về hình dạng, việc định chuẩn chất lượng video là rất quan trọng Để đánh giá chất lượng của bức ảnh (hay khung ảnh video) ở đầu ra của bộ mã hoá, người ta thường sử dụng tham số truyền thống sau để đánh giá:

Sai số bình phương trung bình (mean square error– MSE) định

nghĩa cho cường độ sai khác giữa ảnh gốc và ảnh dự đoán

i

R C N

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu đỉnh (peak to signal to noise ratio– PSNR)

MSE PSNR

10

) 1 2 ( log

10 

Trong đó NxN kích thước bù chuyển động; hệ số Ci, j và Ri, j tương ứng với mẫu hiện tại và vùng mẫu tham khảo; b số lượng bit/ mẫu.Thông thường, nếu:

 PSNR ≥ 40dB thì hệ thống mắt người gần như không phân biệt được giữa ảnh gốc và ảnh khôi phục, tức là ảnh nén có chất lượng xuất sắc

(Digital Video Broadcasting ) trong suốt 3 năm (2006-2009) T2 cho phép tăng dung lượng dữ liệu trên kênh truyền (30%) và độ tin cậy trong môi trường truyền sóng trên mặt đất DVB-T2 chủ yếu dành cho truyền hình số có độ phân giải cao HDTV

DVB-Kết luận chương 1

Chương này trình bày một cách tổng quát về hệ thống truyền hình

số, một số đặc trưng của truyền hình số so với truyền hình tương tự, quá trình biến đổi và các tiêu chuẩn lấy mẫu, các kỹ thuật được sử dùng để xử lý tín hiệu video, các cơ sở để đánh giá chất lượng video sau quá trình mã hóa và giải mã Đồng thời chương 1 giới thiệu sơ đồ

và cấu trúc cơ bản hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2, là cơ sở trong việc ứng dụng nén tín hiệu video vào hệ thống truyền hình số cho chương 3

Chương 2 - KỸ THUẬT MÃ HÓA VIDEO H.265/HEVC VÀ

SO SÁNH VỚI H.264/AVC 2.1 Lịch sử phát triển các chuẩn nén và sự phát triển các sản phẩm liên quan đến mã hóa H.265/HEVC

2.1.1 Lịch sử phát triển

Hình 2.1 Lịch sử phát triển các chuẩn nén [3]

MPEG-2/H.262, H.264/AVC và H.265/HEVC là chuẩn nén video được phát triển bởi ISO/IEC Moving Picture Experts Group (MPEG) và ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG) MPEG và

VCEG đã thành lập một nhóm cộng tác viên về mã hóa video để phát triển chuẩn H.26x

2.1.2 Quá trình sự phát triển các sản phẩm liên quan đến mã hóa H.265/HEVC

2.2 Kỹ thuật mã hóa video H.264/AVC

2.2.1 Sơ đồ mã hóa và giải mã chuẩn H.264/AVC

2.2.2 Cấu trúc H.264/AVC

2.2.2.1 Các profiles và level

2.2.2.2 Slices

2.3 Kỹ thuật mã hóa video H.265/HEVC

2.3.1 Sơ đồ mã hóa và giải mã chuẩn H.265/HEVC

Hình 2.3 Sơ đồ khối của bộ mã hóa và giải mã HEVC [7]

Trong phần này, giải thích nguyên lý hoạt động cơ bản của quá trình mã hóa và giải mã từ hình 2.3 Từ sơ đồ khối tổng quát của bộ

mã hóa, ta tiến hành phân tích những kỹ thuật cơ bản mã hóa H.265/HEVC và so sánh với kỹ thuật mã hóa H.264/AVC

2.3.2 Các profiles và level

2.3.3 Phân vùng ảnh

2.3.4 Biến đổi và lượng tử hóa

2.3.5 Các chế độ dự đoán

2.3.5.1 Chế độ dự đoán trong ảnh

2.3.5.2 Chế dự đoán liên ảnh

2.3.6 In-loop Filtering

2.3.7 Mã hóa Entropy

2.4 So sánh những đặc điểm cơ bản H.264/AVC và H.265/HEVC

Trên cơ sở phân tích các kỹ thuật mã hóa H.265/HEVC và H.264/AVC, ta rút ra so sánh những đặc điểm cơ bản của hai chuẩn

mã hóa video và điểm khác biệt

2.4.1 So sánh phân vùng hình ảnh - cấu trúc mã hóa ảnh 2.4.2 So sánh dự đoán trong ảnh

2.4.3 So sánh dự đoán liên ảnh

2.4.4 So sánh biến đổi và lượng tử hóa

2.4.5 So sánh mã hóa Entropy

2.4.6 So sánh In-loop Filtering

2.4.7 Cấu trúc xử lí song song

2.4.8 Tóm tắt so sánh kỹ thuật mã hóa H.265/HEVC và

H.264/AVC

Bảng 2.7 Bảng tóm tắt so sánh một số kỹ thuật mã hóa H.265/HEVC

và H.264/AVC

Đặc điểm kĩ thuật H.264/AVC H.265/HEVC

Đơn vị mã hóa(CU) 16x16 only 8x8 tới 64x64, cấu trúc cây Đơn vị dự

đoán(PU)

4 x 4 tới 16x16 (7 loại bao gồm cả hình chữ nhật)

4 x 4 tới 64x64 (28 loại bao gồm cả hình chữ nhật)

Đơn vị chuyển đổi

Biến đổi 4x4, 8x8 Int DCT 4×4,8×8, 16×16, và 32×32

Mã hóa Entropy CAVLC, CABAC CABAC

Bộ lọc lặp Bộ lọc giải khối Bộ lọc giải khối

Trong chương 2, đã tìm hiểu lịch sử phát triển các chuẩn nén, sự

ra đời của chuẩn nén video tiên tiến H.265/HEVC và phát triển chuẩn nén và các sản phẩm liên quan đến H.265/HEVC để nói lên tính khả thi của sự ra đời các thiết bị giải mã và xử lý video thời gian thực, làm lý thuyết cơ bản nghiên cứu cho chương 3 tiếp theo

Phân tích sơ đồ tổng quát mã hóa lai ghép H.264/AVC và H.265/HEVC để thấy được cơ bản sự giống nhau và khác nhau trong cấu trúc mã hóa giữa hai chuẩn

Việc phân tích kỹ thuật mã hóa video H.265/HEVC theo hướng những đặc tính khác biệt so với chuẩn mã hóa trước đó H.264/AVC,

để có được những đặc điểm khác biệt chung nhất và những cải tiến

của chuẩn nén mới so với chuẩn nén cũ để đem lại chất lượng mã hóa tốt hơn Từ đó lựa chọn thông số mã hóa chung cho phần mềm mã hóa H.265 và H.264 trong so sánh phân tích mã hóa chương 4 khách quan và chính xác hơn Tiếp theo, để thấy được hiệu quả ứng của chuẩn nén mới H.265 trong ứng dụng thực tế và chất lượng mã hóa vượt trội, thì trong chương 3 và chương 4 sẽ thực hiện cụ thể hơn

Chương 3 - XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SỐ MẶT ĐẤT TRÊN KỸ THUẬT MÃ HÓA H.265/HEVC VÀ

CÔNG NGHỆ DVB-T2

Qua phân tích so sánh những kỹ thuật nổi bật của chuẩn nén video H.265/HEVC so với chuẩn nén đang được ứng dụng phổ biến hiện nay là H.264/AVC được giới thiệu trong chương 2 Trong chương này đề xuất ứng dụng kỹ thuật mã hóa video H.265/HEVC để xây dựng và nâng cấp hệ thống phát số mặt đất DVB-T2 đang sử dụng tại Đài THVN theo định hướng tối thiểu chí phí đầu tư cơ sở hạ tầng Để thực hiện được điều này, luận văn đề xuất đó là cần giảm tốc độ bit cho mỗi chương trình bằng cách tăng hiệu quả mã hóa nguồn và tăng dung lượng của kênh RF, tăng cường năng lực sử dụng dung lượng kênh và đồng thời kiểm nghiệm bằng mô hình thực tế để chứng minh tính khả thi của giải pháp

Hình 3.1 Mô hình truyền dẫn số mặt đất DVB-T2

3.1 Hệ thống truyền dẫn số mặt đất DVB-T2 hiện nay

Mô hình truyền dẫn số mặt đất tại Đài truyền hình Việt Nam hiện nay được thể hiện ở hình 3.1 Các trạm phát sóng số mặt đất DVB-T2 được đặt hầu như trên các tỉnh thành trong cả nước, nguồn tín hiệu gốc thu từ hệ thống vệ tinh Vinasat-Band C, được phát lên từ trạm phát vệ tinh giảng võ

Tốc độ bitrate tối hiện nay tối đa cho phép là 33.8Mbp/s, hiện nay các chương trình của VTV nén theo chuẩn H.264/AVC Đối với chương trình HDTV nén với tốc độ bitrate 4.5Mbit/s, đối với các chương trình SDTV với tốc độ bitrate 1.5Mbit/s Như vậy một máy phát số DVB-T2 chỉ phát được tối đa 07 chương trình HDTV bitrate 4.5Mbit/s, hoặc chỉ phát được tối đa 22 chương trình SDTV bitrate 1.5Mbit/s

3.2 Giải pháp đề xuất và hiệu quả của áp dụng mã hóa H.265/HEVC

3.2.1 Giải pháp đề xuất

Trên cơ sở hạ tầng sẵn có, quy hoạch phủ sóng tại các trạm phát

số đã được thực hiện, đảm bảo tính tiết kiệm kinh tế, luận văn đưa ra giải pháp sau đây:

 Giảm tốc độ bit cho mỗi chương trình bằng cách tăng hiệu quả mã hóa nguồn

 Tăng dung lượng của kênh RF, tăng cường năng lực sử dụng dung lượng kênh

3.2.2 Hiệu quả đạt được

Hiệu quả đạt được thể hiện qua ví dụ trạm phát số tại Đà Nẵng Đối với máy phát số tại Đà Nẵng, khi các chương trình VTV9SD, QRTSD, DRTSD chuyển sang HDTV thì tổng tốc độ bit lên đến 40.5Mbp/s vượt quá dung lượng cho phép Việc áp dụng mã hóa nguồn H.265/HEVC để giảm khoảng 50% tốc độ bit cho mỗi chương trình thì tổng bitrate khoảng 22.5Mbp/s, thể hiện ở bảng 3.3

Bảng 3.3 So sánh Bitrate chương trình HD máy phát số DVB-T2 Đà Nẵng STT Chương trình Bitrate HEVC(Mbp/s) Bitrate AVC (Mbp/s)

3.3 Xây dựng hệ thống DVB-T2 trên kỹ thuật mã hóa H.265/HEVC

Dựa trên giải pháp được đề xuất, hiệu quả đạt được Luận văn sẽ giới thiệu mô hình một trạm phát sóng DVB-T2 sử dụng mã hóa H.265 mới so với mô hình cũ giới thiệu ở hình 3.1 và các thành phần trong mô hình cần được xử lý, nâng cấp và thay thế Trong phần này cũng giới thiệu thông số thu phát vệ tinh Band C với dung lượng bitrate hiện có, giới thiệu một số thiết bị hiện có phục vụ việc nâng cấp và tính toán cơ bản để có thể tăng dung lượng bitrate của máy phát DVB-T2 mã ít bị ảnh hưởng đến quy hoạch phủ sóng đã đặt ra

3.3.1 Một số thiết bị mã hóa nguồn sử dụng mã HEVC

3.3.2 Hệ thống vệ tinh Vinasat Band C

3.3.3 Tăng dung lượng cho máy phát sóng số mặt đất DVB-T2

Tăng dung lượng của kênh RF, tăng cường năng lực sử dụng

dung lượng kênh, liên quan đến vệc lựa chọn thông số cấu hình cho

hệ thống máy phát số Việc lựa chọn các thông số cấu hình cho hệ thống máy phát ảnh hưởng đến quy hoạch bán kính phủ sóng, mạng DVB-T2 đơn tần hay đa tần số, mục đích thu cố định, hay di động, ăng ten trong nhà hay ngoài nhà, và điều quan trong làm sao tốc độ bit dòng truyền tải hệ thống máy phát DVB-T2 để đáp ứng các dòng chương trình HDTV Trong phần này sẽ tính toán lựa chọn thông số phù hợp để tăng dung lượng kênh phát sóng mã không ảnh hưởng nhiều đến đến hệ thống

3.4 Kiểm nghiệm mô hình DVB-T2 với H.265 trong thực tế

3.4.1 Thiết bị và mô hình thử nghiệm

Trong luận văn xây dựng mô hình hóa dựa trên cấu hình hệ thống máy phát sóng số mặt đất hiện nay để thử nghiệm khả năng phát sóng tín hiệu mã hóa nguồn H.265/HEVC trên hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2 Đo kiểm tra các thông số tại phòng thử nghiệm, mức tín hiệu, tỷ số C/N, tỷ số lỗi điều chế MER tối thiểu khi thay đổi các thông số, khảo sát về dung lượng truyền dẫn 1 kênh truyền hình HDTV trên hệ thống truyền hình số mặt đất

3.4.2 Thiết lập cấu hình

3.4.3 Kết quả thử nghiệm và nhận xét

 Nhận thấy kết quả thu được ở bộ giải mã kênh DVB-T2 R&S EFL340 có giá trị không thay đổi khi thay đổi các cấu hình, các giá trị mức thu và giá trị MER ít thay đổi ở các kênh tần số khác nhau

 Kết quả thu được hiển thị trên Tivi có tích hợp giải mã kênh DVB-T2 và giải mã nguồn HEVC quan sát được không có hiện tượng vỡ và dừng hình

Kết luận chương 3

Với mô hình này, đảm bảo được tiết kiệm chi phí đầu tư, đáp ứng với nhu cầu hiện tại với các chương trình HDTV và hướng tới tương lai đối với các chương trình UHDTV 4K

Ngoài ra việc nâng cấp thay thế này đảm bảo được khoảng cách