NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU ẢNH H264 - H265/MP-4 VÀ CÁC CHUẨN NÉN, ĐI SÂU CHUẨN MP4 - ỨNG DỤNG TRUYỀN HÌNH TRÊN MẠNG INTERNET

- Tiết kiệm chi phí trong lưu trữ và truyền dẫn dữ liệu trong khi vẫn duy trì chấtlượng ảnh ở mức chấp nhận đựơc.Với nguyên nhân và mục đích của việc nén tín hiệu được trình bày như ở tr

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

PHẠM TUẤN HÙNG

“NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU ẢNH H264-H265/MP4AVC VÀ CÁC CHUẨN NÉN ĐI SÂU CHUẨN MP4 - ỨNG DỤNG TRUYỀN HÌNH TRÊN

INTERNET”

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ; MÃ SỐ: 60520203 CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Quốc Vượng

HẢI PHÒNG - 2016HẢI PHÒNG - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án thạc sỹ này là của riêng tôi Các lý thuyết cũngnhư mô phỏng trong luận văn là chưa từng được sử dụng cho bất cứ một luận ánnào khác

Tôi xin cam đoan đã ghi rõ nguồn gốc của tất cả các trích dẫn

Hải Phòng, ngày 5 tháng 9 năm 2016

Học viên : Phạm Tuấn Hùng

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành cám ơn các thầy giáo Viện Đào tạo sau đại học và Khoa Kỹ thuật Điện tử Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam đã giảng dạy và giúp đỡ trong suốt quá trình học tập tại trường Đặc biệt là các thầy trong bộ môn và PGS.TS Lê Quốc Vượng đã hướng dẫn tận tình cho tôi hoàn thành khóa luận.

Vì thời gian có hạn, khả năng bản thân còn hạn chế bài luận của em vẫn còn nhiều khiếm khuyết Rất mong nhận được sự góp ý của các thầy và các bạn.

Hải Phòng, ngày 5 tháng 9 năm 2016

Học viên : Phạm Tuấn Hùng

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Cấu trúc dòng Bít MPEG Video 3

Hình 1.2: Cấu trúc ảnh MPEG 6

Hình 1.3: Nén MPEG 6

Hình 1.4: Giải nén MPEG 8

Hình 1.5: Sự tổ hợp khung hình trong MPEG - 4 10

Hình 1.6: Cấu trúc của bộ mã hoá và giải mã Video MPEG - 4 11

Hình 1.7: Profiles và Levels trong MPEG -4 12

Hình 2.1: Cấu trúc dòng video h.264 16

Hình 2.2: Chuyển mạch cho slice P 17

Hình 2.3: Chuyển mạch cho slice I 17

Hình 2.4: Cấu trúc dòng bit H.264 18

Hình 2.5 Mã hoá H.264 19

Hình 2.6 Lịch sử của các chuẩn nén Video 25

Hình 2.7 Xu hướng tốc độ bit của các chuẩn nén video 25

Hình 2.8 Tổng quan mức cao của hệ thống các lớp trong HEVC 27

Hình 2.9 Cấu trúc tích hợp hệ thống các lớp trong HEVC 28

Hình 2.10 Cấu trúc bộ mã hóa HEVC 29

Hình 2.11 a) Slice; b) Tile 31

Hình 2.12 Phân chia đơn vị mã hóa (CU: Coding Unit) 32

Hình 2.13 So sánh kích thước CU của H.264 với HEVC 33

Hình 2.14 Các thành phần PU đồng bộ 33

Hình 2.15 Các thành phần PU bất đồng bộ 34

Hình 2.16 RQT 34

Hình 2.17 NRQT (a) Thành phần 2N x N; (b) N x N 35

Hình 2.18 Hướng dự đoán bên trong của HEVC 36

Hình 2.19 Nguồn gốc của dự đoán dùng Mode 2 chiều 38

Hình 2.20 Bốn cấu trúc 1 D - 3 pixel cho phân loại điểm ảnh ở trong EO 38

Hình 2.21 Chất lượng hình ảnh HEVC và H.264 42

Hình 2.22 Chất lượng hình ảnh HEVC tốt hơn H.264 khi so sánh cùng tốc độ bit 45

Hình 3.1 Tiêu chuẩn 4:4:4 47

Hình 3.2 Tiêu chuẩn 4:2:2 48

Hình 3.3 Tiêu chuẩn 4:2:0 48

Hình 3.4 Tiêu chuẩn 4:1:1 49

Hình 3.5 Truyền hình trực tiếp trên mạng 51

Hình 3.6 Sơ đồ khối của CABAC 58

Hình 3.7: Tác dụng của bộ lọc tách khối đối với ảnh được nén 60

Hình 3.8 Sơ đồ giải mã Video H264/MPEG -4 Part 10 60

Hình 3.9: Ví dụ về Mã hoá chiều dài biến đổi ngược 62

Hình 3.10: Mô hình dịch vụ phát trỉển và lưu trữ websỉte/Trang TTĐT 64

Hình 3.11: Sơ đồ toàn hệ thống 64

Hình 3.12: Quy trình làm việc hiện tại – dự phòng 68

Hình 4.1 Các bảng quảng cáo điện tử trong hành lanh chờ tàu điện ngầm 70

Hình 4.2 Bảng đặc tính kĩ thuật của một bo mạch họ ARM 70

Hình 4.3 Mức tiêu hao bộ nhớ không được làm tươi cho tập tin 10MB đến 50MB….74

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 So sánh các đặc điểm mã hoá cơ bản 43

Bảng 2.2 So sánh HEVC Profile với H.264/AVC định dạng Random - Access 44

Bảng 2.3 So sánh HEVC Profile với H.264/AVC với đỉnh dạng Low - Delay 45

Bảng 4.1 Mức tiêu hao bộ nhớ không được làm tươi từ 10MB đến 50MB 73

Bảng 4.2 Mức tiêu hao bộ nhớ được làm tươi từ 10MB đến 50MB 73

Bảng 4.3 Bảng tham số cho tiêu hao bộ nhớ không được làm tươi 75

Bảng 4.4 Bảng tham số cho tiêu hao bộ nhớ được làm tươi 76

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ii

DANH MỤC BẢNG iv

MỤC LỤC v

MỞ ĐẦU vii

Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ NÉN TÍN HIỆU VIDEO VÀ CHUẨN NÉN MPEG 1

1.1 Mục đích nén Video 1

1.1.1 Chuẩn nén MPEG 2

1.1.2 Cấu trúc dòng bit MPEG video 3

1.2 Các loại ảnh trong chuẩn MPEG: 5

1.3 Nguyên lý nén MPEG 6

1.4 Nguyên lý giải nén MPEG 8

1.5 Chuẩn nén MPEG-4 9

1.5.1 Khái quát về MPEG-4 9

1.5.2 Công nghệ mã hóa và giải mã video trong MPEG-4 9

1.5.3 Các Profiles và Levels trong MPEG-4 12

1.5.3 Kết luận chương 1……… 13

CHƯƠNG 2: CHUẨN NÉN MP-4, ỨNG DỤNG XỬ LÝ TÍN HIỆU H264 -H265/MP- 4 14

2.1 Ứng dụng xử lý tín hiệu ảnh H264/MP-4 AVC 14

2.1.1 Giới thiệu chung 14

2.1.2 Cấu trúc dữ liệu và các kiểu nén 15

2.1.3 Ứng dụng công nghệ nén ảnh H.264/MPEG – 4 AVC 21

2.2 Ứng dụng xử lý tín hiệu ảnh H265 22

2.2.1 Tiêu chuẩn 23

2.2.2 Ứng dụng và cấu trúc mức cao 26

2.3 Những đặc điểm mã hóa chính 31

2.3.1 Đơn vị mã hóa 32

2.3.2 Đơn vị chuyển đổi 35

2.4 Chuyển đổi tín hiệu không gian và lượng tử hóa 36

2.4.1 Thực hiện PCM 37

2.4.2 Dự đoán trong ảnh 37

2.4.3 Dự đoán liên ảnh 38

2.4.4 Mã hóa Entropy 40

2.4.5 Lọc vòng lặp 40

2.4.6 So sánh với H.264/AVC 42

2.5 Kết luận chương 2 46

CHƯƠNG 3: TRUYỀN HÌNH TRÊN MẠNG INTERNET HIỆN TẠI VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 47

3.1 Tiêu chuẩn video số thành phần truyền hình internet 47

3.1.1 Tiêu chuẩn 4:4:4 47

3.1.2 Tiêu chuẩn 4:2:2 48

3.1.3 Tiêu chuẩn 4:2:0 48

3.1.4 Tiêu chuẩn 4:1:1 49

3.2 Truyền hình trên Internet 49

3.3 Các kỹ thuật nén video truyền trên internet 53

3.3.1 Nén theo miền thời gian 53

3.3.2 Nén theo miền không gian 53

3.3.3.Bộ lọc tách khối 57

3.3.4 Kỹ thuật giải mã video 59

3.3.5 So sánh hiệu quả mã hoá của H264/MPEG Part 10 với các tiêu chuẩn trước đó 61

3.3.6 Giải pháp phát triển và lưu trữ website 63

3.4 Qui trình sản xuất chương trình dựa trên nền tảng File và quản lỹ dữ liệu Media Asset Management (MAM) 63

3.4.1 Sơ đồ toàn hệ thống 64

3.4.2 Qui trình làm việc 64

3.4.3 Thông số kỹ thuật 65

3.4.4 So sánh qui trình làm việc hiện tại và qui trình mới 65

3.5 Kết luận chương 3……… 67

CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP KỸ THUẬT HIỀN THỊ NỘI DUNG SỐ CHUẨN MPEG4 68

4.1 Các tham số kỹ thuật……… 68

4.2 Giải pháp thực hiện 68

4.3 Tính ưu việt của bo mạch ARM 70

4.4 Đánh giá định hướng cho hoạt động hiển thị nội dung số chuẩn MPEG – 4 của bo đơn mạch họ ARM cho DCDDS 71

4.5 Kết luận chương 4 75

KẾT LUẬN 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN 79

ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN 80

MỞ ĐẦU

Ngành truyền hình Việt Nam đã qua nhiều giai đoạn phát triển, từ truyền hìnhđen trắng, truyền hình màu và hiện nay truyền hình số đang phát triển mạnh mẽtrên tất cả mọi lĩnh vực: truyền hình cáp, truyền hình số mặt đất DVB-T, truyềnhình số qua vệ tinh Khi Internet phát triển mạnh và trở thành hệ thống có quy môtoàn cầu, trở nên phổ cập rất nhanh trong mọi lĩnh vực, bằng việc kết nối cácchương trình hình với hệ thống viễn thông - Internet, một công nghệ truyền hìnhmới ra đời đó là truyền hình Internet

Hiện nay ở Việt Nam có thể nói chưa bao giờ xem truyền hình trực tuyếntrên intenet lại phổ cập và chất lượng ổn định như vậy Kỹ thuật Truyền hình có rấtnhiều loại: ghi hình, cắt dựng hình, các kiểu nén Video, kỹ thuật truyền tải Với

đề tài “NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU ẢNH H264 H265/MP-4 VÀ CÁC CHUẨN NÉN, ĐI SÂU CHUẨN MP4 - ỨNG DỤNG TRUYỀN HÌNH TRÊN MẠNG INTERNET” em xin đi vào nghiên cứu ứng

-dụng xử lý tín hiệu ảnh H264-H265/MP4AVC trong truyền hình để đạt được hiệuquả cao hơn đồng thời trình bày về một số ứng dụng truyền hình trên mạng internethiện nay

Sau một thời gian tìm hiểu và cùng với sự hướng dẫn của các thầy giáo trongngành và thầy giáo PGS.TS Lê Quốc Vượng trực tiếp hướng dẫn, đến nay em đãhoàn thành đồ án này với nội dung gồm 5 chương:

o Chương I: Khái quát chung

o Chương II: Phân tích chuẩn nén MP4, ứng dụng xử lí tín hiệu H264 H265/MP- 4 AVC

-o Chương III: Truyền hình với internet hiện nay

o Chương IV: Giải pháp kỹ thuật hiển thị nội dung số chuẩn MP4

Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ NÉN TÍN HIỆU VIDEO VÀ CHUẨN NÉN MPEG

1.1 Mục đích nén Video

Tín hiệu video sau khi được số hoá 8 bit có tốc độ 216 Mb/s Để có thể truyềntrong một kênh truyền hình thông thường, tín hiệu video số cần phải được néntrong khi vẫn phải đảm bảo chất lượng hình ảnh

Như chúng ta biết tín hiệu video có dải phổ từ 0 - 6 MHz, tuy nhiên trong nhiềutrường hợp năng lượng phổ chủ yếu tập trung ở miền tần số thấp và chỉ có rất ítthông tin chứa đựng ở miền tần số cao

Đối với tín hiệu video số, số lượng bit được sử dụng để truyền tải thông tin đốivới mỗi miền tần số khác nhau, có nghĩa là: miền tần số thấp, nơi chứa đựng nhiềuthông tin, được sử dụng số lượng bít lớn hơn và miền tần số cao, nơi chứa đựng ítthông tin, được sử dụng số lượng bít ít hơn Tổng số bít cần thiết để truyền tảithông tin về hình ảnh sẽ giảm một cách đáng kể và dòng dữ liệu được “nén ” màchất lượng hình ảnh vẫn đảm bảo Thực chất của kỹ thuật “nén video số” là loại bỏ

đi các thông tin dư thừa Các thông tin dư thừa trong nén video số thường là:

- Độ dư thừa không gian giữa các pixel

- Độ dư thừa thời gian do các ảnh liên tiếp nhau

- Độ dư thừa do các thành phần màu biểu diễn từng pixel có độ tương quanCao

- Độ dư thừa thống kê do các kí hiệu xuất hiện trong dòng bít với xác suấtxuất hiện không đều nhau;

- Độ dư thừa tâm lý thị giác (các thông tin nằm ngoài khả năng cảm nhận củamắt).vv

Như vậy, mục đích của nén tín hiệu video là:

- Giảm tốc độ dòng bít của tín hiệu gốc xuống một giá trị nhất định đủ để có thểtái tạo ảnh khi giải nén

- Giảm dung lượng dữ liệu trong lưu trữ cũng như giảm băng thông cần thiết

- Tiết kiệm chi phí trong lưu trữ và truyền dẫn dữ liệu trong khi vẫn duy trì chấtlượng ảnh ở mức chấp nhận đựơc.

Với nguyên nhân và mục đích của việc nén tín hiệu được trình bày như ở trên,ngày nay có nhiều các chuẩn nén đã ra đời như: JPEG, M-JPEG, MPEG, DV Trong đó chuẩn nén MPEG được sử dụng nhiều trong nén video trong truyền hìnhvới thành công của chuẩn nén video MPEG-2 trong truyền hình số và chuẩn nénMPEG-4 trong truyền hình trên mạng Internet

1.1.1 Chuẩn nén MPEG

* Khái quát về nén 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 hiệuAudio và Video số Ngày nay, MPEG đã trở thành một kỹ thuật nén Audio vàVideo phổ biến nhất vì nó không chỉ là một tiêu chuẩn riêng biệt mà tuỳ thuộc vàoyêu cầu cụ thể của từng thiết bị sẽ có một tiêu chuẩn thích hợp nhưng vẫn trêncùng một nguyên lý thống nhất

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

Tiêu chuẩn thứ 2 : MPEG-2 được ra đời vào năm 1990 MPEG-2 với “công

cụ ” mã hoá khác nhau đã được phát triển Các công cụ đó gọi là “Proíĩles” đượctiêu 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 truyềnthông nghe nhìn trên mạng Internet, tạo ra một phương thức sản xuất, cung cấp vàtiêu 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 khôngphải là một chuẩn cho nén và mã hoá audio/ảnh động như MPEG-1, MPEG-2 hayMPEG-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 chocác 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 nghĩacác 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 thờigian tới

1.1.2 Cấu trúc dòng bit MPEG video

Hình 1.1: Cấu trúc dòng Bít MPEG Video

Trong đó :

♦ Sequence: Thông tin về chuỗi bit

Video Params: chứa thông tin về chiều cao, bề rộng, tỷ lệ khuôn hình các

♦ GOP (Group Of Picture): Thông tin về nhóm ảnh

Là tổ hợp của nhiều các khung I, P, B Cấu trúc nhóm ảnh gồm 2 tham số là:

m và n (tham số m xác định số khung hình B và P xuất hiện giữa 2 khung hình Igần nhau nhất, tham số n xác định số khung B xuất hiện giữa 2 khung P) Mỗi mộtnhóm ảnh bắt đầu bằng một khung I và xác định điểm bắt đầu để tìm kiếm và biêntập

Các tham số của đoạn mào đầu của GOP:

- Time code: mã định thời, xác định giờ, phút, giây, ảnh

- GOP Params: miêu tả cấu trúc GOP

♦ Pict: thông tin về ảnh, các tham số trong phần mào đầu của Pict:

Type: Cho phép bộ giải mã xác định ảnh đựơc mã hoá là ảnh I, P hay B.Buffer Params: thông tin về Buffer(chỉ thứ tự truyền khung để bộ giải

mã có thể sắp xếp các loại ảnh theo một thứ tự đúng)

Encode Params: chứa thông tin về đồng bộ, độ phân giải và phạm vi củavector chuyển động

♦ Slice: Mảng bao gồm một vài cấu trúc khối kề nhau.

Kích thước lớn nhất của mảng có thể bao gồm toàn bộ bức ảnh và kích thước nhỏ nhất của mảng là một cấu trúc khối Các thông số của đoạn mào đầu củaSlice gồm:

- Vert PoS: Slice bắt đầu từ dòng nào

- Qscale: Thông tin về bảng lượng tử

Kích thước thông tin đầu của mảng được xác định bằng số lỗi cho phép xuấthiện trong mảng đối với một ứng dụng nhất định, do đó bộ giải mã có thể bỏ quacác mảng có nhiều lỗi và xác định bằng tính hiệu quả của phương pháp nén ảnh.

Do đó hệ số cân bằng lượng tử có thể được điều chỉnh thường xuyên với việc sửdụng các mảng có kích thước nhỏ hơn Hệ số DCT tham chiếu dùng trong mã hóaDPCM sẽ được so chuẩn tại mỗi mảng

♦ MB (Macroblock)

Một cấu trúc khối là một nhóm các khối tương ứng với lượng thông tin chứađựng trong kích thước 16x16 điểm trên bức ảnh

Các tham số của đoạn mào đầu của nhóm MB:

Addr Iner: Số lượng MB được bỏ qua

Type : Loại vector chuyển động dung cho Macroblock

Qscale : Bảng lượng tử dùng cho Macroblock

Coded Block Pattern (CBP): chỉ rõ Block nào được mã hoá

1.2 Các loại ảnh trong chuẩn MPEG:

Trong nén MPEG người ta sử dụng 3 loại ảnh sau:

“Ảnh I (Intra Pictures): được mã hóa mà không có sự so sánh tham khảo

các ảnh khác, dùng trong nén trong ảnh Chúng chứa tất cả các thông tin cần thiết

để tái tạo lại ảnh sau giải mã, nên tỷ lệ nén các ảnh I tương đối thấp Vì vậy, ảnh I

là điểm nút quan trọng phục vụ việc truy cập vào một đoạn Video.”

“Ảnh P (Predicted Pictures): được mã hoá từ ảnh I, ảnh P trước đó, nhờ sửdụng các thuật toán dự đoán bù chuyển động Các ảnh P có thể được sử dụng như

là cơ sở dữ liệu cho việc dự đoán ảnh tiếp theo Tuy nhiên do hạn chế của kỹ thuật

bù chuyển động, số ảnh P giữa hai ảnh I không thể quá lớn Tỷ lệ nén của các ảnh

P tương đối lớn so với tỷ lệ nén các ảnh I.”

“Ảnh B (Bidirectionally Predicted Pictures): được mã hoá bới phép nộisuy giữa các ảnh I và P ở trước và sau đó Vì không được sử dụng để mã hoá cácảnh tiếp theo, ảnh B không phải là nguồn gốc sinh ra các lỗi ảnh trong quá trình mãhoá Các ảnh B cho tỷ lệ nén cao nhất.”N = khoảng cách giữa

Hình 1.2 Cấu trúc ảnh MPEG

1.3 Nguyên lý nén MPEG

Hình 1.3: Nén MPEG

Cơ sở của công nghệ nén video MPEG là sự kết hợp giữa nén trong ảnh (Intra-Frame Compression) và công nghệ nén liên ảnh ( Inter-Frame Compression).Trong đó:

- “Nén trong ảnh (Intra -Frame Compression): là loại nén nhằm giảm bớtthông tin dư thừa trong miền không gian Nén trong ảnh sử dụng cả hai quá trình

có tổn hao và không có tổn hao để giảm bớt dữ liệu trong ảnh Quá trình này không

sử dụng thông tin của các ảnh trước và sau ảnh đang xét.”

- “Nén liên ảnh (Intra -Frame Compression): Trong tín hiệu video có chứathông tin dư thừa trong miền thời gian Nghĩa là với một chuỗi liên tục các ảnh,lượng thông tin chứa đựng trong mỗi ảnh thay đổi rất ít từ ảnh này sang ảnh khác.Tính toán sự dịch chuyển vị trí của nội dung ảnh là một phần rất quan trọng trong

kỹ thuật nén liên ảnh Trong thuật nén MPEG, quá trình xác định Vector chuyểnđộng được thực hiện bằng cách chia hình ảnh thành các Macro-Block, mỗi Macro-Block có 16 x 16 phần tử ảnh (tương đương với 4 Block, mỗi Block có 8 x 8 phần

tử ảnh) Để xác định chiều chuyển động, người ta tìm kiếm vị trí của Macro-Blocktrong ảnh tiếp theo, kết quả của sự tìm kiếm sẽ cho ta Vector chuyển động củaMacro-Block ”

Nguyên lý nén MPEG :

“Dạng thức đầu vào là Rec- 601 4:2:2 hoặc 4:2:0 Ảnh hiện tại được so sánhvới ảnh trước tạo ra ảnh khác biệt Ảnh này sau đó lại được nén trong ảnh qua cácbước : biến đổi DCT, lượng tử hóa, mã hoá Dữ liệu của ảnh khác biệt và vectorchuyển động (được xác định như trên ) mang thông tin về ảnh sau nén liên ảnhđược đưa đến bộ đệm ở đầu ra.”

“Tốc độ bít của tín hiệu video được nén không cố định, phụ thuộc vào nộidung ảnh đang xét (ví dụ một phần nén ít hơn hoặc nhiều hơn), nhưng tại đầu ra bộ

mã hoá dòng bít phải cố định để xác định tốc độ cho dung lượng kênh truyền.”

1.4 Nguyên lý giải nén MPEG

Hình 1.4: Giải nén MPEG

Nguyên lý giải nén MPEG:

“Đầu tiên là giải mã Entropy, sau đó tách dữ liệu ảnh (hệ số biến đổi DCT)

ra khỏi các vector chuyển động Dữ liệu ảnh sẽ được giải lượng tử hoá và biến đổiDCT ngược.”

“Nếu ảnh là ảnh loại I bắt đầu ở mỗi nhóm ảnh trong chuỗi, ở đầu ra sẽ nhậnđược ảnh hoàn chỉnh bằng cách trên ( vì ảnh loại I chỉ là nén trong ảnh, không có

bù chuyển động, không dùng dữ liệu của ảnh khác) Nó được lưu trữ trong bộ nhớảnh và được và được dùng để giải mã các ảnh tiếp theo.”

“Nếu ảnh là ảnh loại P thì cũng thực hiện giải lượng tử hóa và biến đổi DCTngược kết hợp với việc sử dụng vector chuyển động và lưu vào bộ nhớ ảnh sớmhơn Trên cơ sở đó xác định được dự đoán ảnh đang xét Ta nhận đựơc ảnh ra saukhi cộng dự đoán ảnh (ảnh dự đoán) và kết quả biến đổi DCT ngược Ảnh nàycũng được lưu vào bộ nhớ để có thể sử dụng như là chuẩn khi giải mã các ảnh tiếptheo.”

1.5 Chuẩn nén MPEG-4

Video

1.5.1 Khái quát về MPEG-4

“Ngày nay, khi nhu cầu truyền phát các ứng dụng video và đa phương tiện mớitrên hạ tầng kỹ thuật Internet đã làm nảy sinh các yêu cầu chức năng mới không cótrong các chuẩn nén MPEG -1 và MPEG -2 hay các chuẩn nén trước đó Tháng 10năm 1998 với sự xuất hiện của chuẩn nén MPEG -4 đã tạo ra một phương thứcthiết lập và tương tác mới với truyền thông nghe nhìn trên mạng Internet, tạo ramột phương thức sản xuất, cung cấp và tiêu thụ mới các nội dung video trên cơ

sở nội dung vàhướng đối tượng (content/object-based) Đây chính là một côngnghệ trình diễn truyền thông đa phương tiện phức hợp, có khả năng truyền thôngtại các môi trường truyền thông đa phương tiện phức hợp, có khả năng truyềnthông tại các môi trường : truyền hình số, đồ hoạ tương tác, World Wide Web Vìvậy, nhiệm vụ của MPEG -4 là nhằm phát triển các chuẩn xử lý, mã hoá và hiển thịảnh động, audio và các tổ hợp của chúng.MPEG -4 đang được triển khai bởi nhiềunhà vận hành mạng và dịch vụ trên thế giới với các dịch vụ mới đang được bổxung để chiếm các lợi thế cấu trúc hạ tầng băng rộng đang phát triển.”

1.5.2 Công nghệ mã hóa và giải mã video trong MPEG-4

“Chuẩn MPEG -4 là một chuẩn động, dễ thay đổi: với MPEG -4 các đốitượng khác nhau trong một khung hình có thể được mô tả, mã hoá và truyền đi mộtcách riêng biệt đến bộ giải mã trong các dòng cơ bản ES (Elementary Stream) khácnhau.”

Hình 1.5: Sự tổ hợp khung hình trong MPEG - 4

“Cũng nhờ xác định, tách và xử lý riêng các đối tượng (như nhạc nền, âmthanh xa gần, đồ vật, đối tượng ảnh video như con người hay động vật, nền khunghình ) nên người sử dụng có thể loại bỏ riêng từng đối tượng khỏi khuôn hình Sự

tổ hợp lại thành khung hình chỉ được thực hiện sau khi giải mã các đối tượng đó.”

“Trên hình 5 là ví dụ về sự tổ hợp khuôn hình MPEG -4 Trong hình cónhiều đối tượng như: bàn, quả cầu, bảng đen, người hướng dẫn và audio được đặtvào một hệ thống toạ độ không gian 3 chiều (3-D) đối với vị trí người xem giảđịnh.”

Hình 1.6: Cấu trúc của bộ mã hoá và giải mã Video MPEG - 4

“Trên hình 6 là cấu trúc của bộ mã hoá và giải mã Video MPEG - 4, cácthiết bị mã hoá và giải mã video đều áp dụng sơ đồ mã hoá như nhau cho mỗi đốitượng video (video-object) riêng biệt.Ví dụ khi ta mã hoá và tổng hợp một khunghình, nhiều đối tượng đầu vào như: ôtô, nhà, người được tách ra khỏi video đầuvào Mỗi đối tượng video sau đó được mã hoá riêng rẽ bởi bộ mã hoá đối tượngvideo VO (video object) và được truyền đi trên mạng Tại vị trí thu, những đốitượng này được giải mã riêng rẽ nhờ bộ giải mã VO decoder và gửi đến bộ tổnghợp Compositor Vì vậy người sử dụng có thể thực hiện các hoạt động tương tácriêng với từng đối tượng (thay đổi tỷ lệ, di chuyển, kết nối, loại bỏ, bổ xung cácđối tượng.) ngay tại vị trí giải mã hay mã hoá Ngoài ra, người dùng có thểdownload các đối tượng khác từ thư viện cơ sở dữ liệu (có sẵn trên thiết bị hay từ

xa thông qua mạng LAN, WAN hay Internet) để chèn thêm vào hay thay thế cácđối tượng có trong khuôn hình gốc.”

Các bộ phận chức năng chính trong các thiết bị MPEG -4 bao gồm:

- Bộ mã hoá hình dạng ngoài Shape coder dùng để nén đoạn thông tin, giúpxác định khu vực và đường viền bao quanh đối tượng trong khung hìnhscene

- Bộ dự đoán và tổng hợp động để giảm thông tin dư thừa theo thời gian.

- Bộ kết cấu mặt ngoài Texture coder dùng để xử lý dữ liệu bên trong và các

dữ liệu còn lại sau khi đã bù chuyển động

“Trong MPEG -4, tất cả các đối tượng có thể có thể được mã hoá với sơ đồ mãhoá tối ưu riêng của nó: videođược mã hoá theo kiểu video, text được mã hoá theokiểu text, các đồ hoạ được mã hoá theo kiểu đồ hoạ thay vì việc xử lý tất cả cácphần tử ảnh pixels như là mã hoá ảnh động Do các quá trình mã hoá đã được tối

ưu hoá cho từng loại dữ liệu thích hợp, nên chuẩn MPEG -4 sẽ cho phép mã hoávới hiệu quả cao tín hiệu ảnh video, audio và cả các nội dung tổng hợp như các bộmặt và cơ thể hoạt hình.”

1.5.3 Các Profiles và Levels trong MPEG-4

Trên hình vẽ (Hình 1.7) nói về một số bộ công cụ của thiết bị MPEG -4 Có

nhiều Proílles như: Media Proílles , Scene Graph Proílles, MPEG-J Proílles

Hình 1.7: Profiles và Levels trong MPEG -4

Chuẩn nén MPEG -4 bao gồm nhiều tính năng khác nhau và không phải bất

kỳ ứng dụng nào cũng đòi hỏi tất cả các tính năng của MPEG -4 Để sử dụng công

cụ MPEG -4 một cách hiệu quả nhất, mỗi thiết bị chuẩn MPEG -4 chỉ được trang

bị một số tính năng phù hợp với một phạm vi ứng dụng nhất định và để tạođiều kiện cho người sử dụng lựa chọn công cụ MPEG -4, các thiết bị MPEG -4chia thành các nhóm công cụ gọi là các Proílles, mỗi nhóm Proílles chỉ chứa mộtvài tính năng cần thiết của chuẩn mã hoá thích hợp cho một phạm vi ứng dụng nào

đó Mỗi Proílles lại chỉ có một số các mức Levels khác nhau, thể hiện mức độ phứctạp xử lý tính toán dữ liệu của công cụ đó (thông qua việc xác định rõ tốc độ bít,con số tối đa của các đối tượng trong khung hình, độ phức tạp của quá trình giải

mã audio.)”

1.6 Kết luận chương 1:

Cho tới nay có rất nhiều các chuẩn nén đã được đưa vào ứng dụng cho nén video (tùy theo yêu cầu của mục đích) mà áp dụng phù hợp với nội dung truyền video Đối với truyền hình trên mạng internet đòi hỏi chất lượng xem các ảnh phải

ở chất lượng cao, dung lượng lớn vì vậy qua chương 1 khái quát về các chuẩn nén MPG Có thể khẳng định rằng chuẩn nén MP4 là phù hợp với yêu cầu xử lí tín hiệucủa thực tế trong công nghiệp Truyền thông hiện nay

Chương 2 CHUẨN NÉN MP-4, ỨNG DỤNG XỬ LÝ TÍN HIỆU

H264 -H265/MP- 4

2.1 Ứng dụng xử lý tín hiệu ảnh H264/MP-4 AVC

2.1.1 Giới thiệu chung

“Kể từ khi mới xuất hiện vào đầu những năm 90, chuẩn nén video MPEG-2

đã hoàn toàn thống lĩnh thế giới truyền thông Chuẩn nén MPEG-2 đã được cải tiến

về nhiều mặt Việc ứng dụng nó được mở rộng hơn nhờ có các kỹ thuật như đoánchuyển động, tiền xử lý, xử lý đối ngẫu và phân bổ tốc độ bit tùy theo tình huốngthông qua ghép kênh thống kê.”

“Tuy nhiên, chuẩn nén MPEG-2 cũng không thể được phát triển một cách

vô hạn định Thực tế hiện nay cho thấy chuẩn nén này đã đạt đến hết giới hạn ứngdụng của mình trong lĩnh vực truyền truyền hình từ sản xuất tiền kỳ đến hậu kỳ vàlưu trữ Video số Bên cạnh đó, nhu cầu nén Video lại đang ngày một tăng cao kèmtheo sự phát triển mạnh mẽ của mạng IP mà tiêu biểu là mạng Internet.”

Chuẩn video MPEG-2 bị hạn chế bởi hai yếu tố trong định nghĩa ban đầu(original definition) của nó:

- “Tốc độ bit nhắm tới của video được nén là khoảng 2-15 Mb/s (đốivới main profile ở mail level) Tiêu chuẩn này không chứa giới hạn tốc độ bitthấp hơn bất kỳ vì điều này không được yêu cầu trong định nghĩa của bộ mãhóa tương thích Hiển nhiên MPEG-2 cũng không hiệu quả với tốc độ bit thấphơn.”

- “Silicon cho thực hiện MPEG-2 đã bị giới hạn đến trình độ công nghệcủa những ngày đó Điều này có nghĩa là trong năm 1994 ASIC (applicationSpecific Integrated Circuit) được sử dụng trong thiết kế bộ giải mã với mật độ120.000 gate/chip với kích thước gate 0.5 - 1 m Trong khi đó công nghệ tiêntiến ngày nay đã đạt 25.000.000 gate/ASIC với kích thước gate nhỏ hơn 0.1m.”

Như vậy các kỹ thuật dựa trên MPEG-2 đã bị hạn chế trong việc thực hiện thực tế trong công nghệ ngày hôm nay.

“Nhiều tiêu chuẩn mã hóa mới đã và đang nghiên cứu để khắc phục cácnhược điểm của MPEG-2 Trong đó H.264/AVC Cái tên H.264/AVC chính là sựkết hợp tiêu chuẩn nghiên cứu riêng của từng nhóm: nhóm ITU là H.264, nhómMPEG là AVC (Advanced Video Compression) tức MPEG-4 part 10 Các mụcđích chính của việc nỗ lực tiêu chuẩn hóa này là phát triển một tiêu chuẩn mã hóavideo đơn giản, với chỉ tiêu kỹ thuật nén tăng cường, và để có thể trình diễn video

“thân thiện mạng” (network - friendly), nhắm tới các ứng dụng “hội thoại” (videotelephone) và “không hội thoại” (lưu trữ, quảng bá hoặc streaming).”

“H.264/AVC đã thực hiện sự cải thiện đáng kể trong hiệu quả giảm tỷ lệ bit

và méo ở tốc độ bit đó, cung cấp (một cách gần đúng) hệ số tiết kiệm tốc độ bitkhoảng hai lần so với các tiêu chuẩn đang tồn tại như MPEG-2 video.”

2.1.2 Cấu trúc dữ liệu và các kiểu nén

a Chia ảnh thành các macroblock

Mỗi ảnh video, frame hoặc field, được chia thành các macroblock (MB) cókích thước cố định bao trùm một diện tích ảnh hình chữ nhật gồm 16 x 16 mẫuthành phần luma và 8 x 8 mẫu cho mỗi một trong hai thành phần chroma

Hình 2.1 Cấu trúc dòng video h.264

Tất cả các mẫu macroblock luma hoặc chroma được dự đoán theo khônggian hoặc thời gian, và dự đoán tại chỗ hợp thành được truyền đi nhờ dùng mãchuyển vị

Các macroblock được tổ chức thành các slice, biểu diễn các tập con của ảnh

đã cho và có thể được giải mã độc lập Thứ tự truyền các macroblock trong dòngbit phụ thuộc vào bản đồ phân phối Macroblock (Macroblock Allocation Map) vàkhông nhất thiết phải theo thứ tự quét

H.264 / AVC hỗ trợ năm dạng mã hóa slice khác nhau:

- I (Intra): Là slice đơn giản nhất, trong đó tất cả macroblock được mã hóakhông có tham chiếu tới các ảnh khác trong dãy video

- P (Predicted): Các macroblock được mã hóa tham chiếu tới các ảnh trướcnó

- B ( Bi- Predictive): Các macroblock được mã hóa tham chiếu tới cả ảnh trước lẫn ảnh sau.

- SP (switching P) và SI (switching I), được xác định cho chuyển mạch hiệu quả giữa các dòng bit được mã hóa ở các tốc độ bit khác nhau

Hình 2.2 Chuyển mạch cho slice P

Các tín hiệu dự đoán Inter của các dòng bit cho một frame SP được chọnđược lượng tử hóa trong miền biến đổi, đưa chúng vào dải biên độ thô hơn để chophép mã hóa tốc độ bit thấp tín hiệu khác nhau giữa các dòng bit

Hình 2.3 Chuyển mạch cho slice I

Các frame SI được xác định để thực hiện sự thích nghi hoàn thiện cho các frame SP trong trường hợp mà dự đoán Inter không thể được sử dụng do các lỗi truyền dẫn.

Cấu trúc các chuỗi bit:

Hình 2.4 Cấu trúc dòng bit H.264

Trong đó:

+ mb_type: Xác định xem macroblock được mã hóa trong ảnh hay liên ảnh

(P hoặc B); Xác định kích thước phân vùng macroblock

+ mb_pred: Xác định phương thức dự báo trong ảnh (macroblocks trong

ảnh) và xác định các list 0 / hoặc list 1 để mã hóa phần khác biệt của ảnh chuyểnđộng so với ảnh tham chiếu.Vector cho mỗi phân vùng macroblock (Cácmacroblocks liên ảnh, trừ MBs liên ảnh với kích thước 8x8 pixel)

+ sub_mb_pred: (Liên ảnh MBs với kích thước 8x8) Xác định kích thước

các sub-macroblock cho mỗi phân vùng macroblock-sub, các list 0 hoặc list 1 của

ảnh tham chiếu cho mỗi phân vùng macroblock; mã hóa sự khác biệt của vectorchuyển động cho mỗi phân vùng sub-macroblock.

+ coded_block_pattern: Xác định được khối 8x8 (Luma và sắc) chứa

vertors chuyển động được mã hóa cho mỗi phân vùng sub- macroblock

+ mb_qp_delta: Thay đổi các tham số lượng tử.

+ residual: mã hóa chuyển đổi hệ số tương ứng với các mẫu ảnh còn sót lại

sau khi dự đoán

b Mã hóa H.264

* Sơ đồ khối mã hóa H.264:

Hình 2.5 Mã hoá H.264

Trong đó:

- Fn (current): Ảnh hiện tại

- F’n-1(reference): Ảnh tham chiếu của 1 hoặc 2 khung hình được mã hóatrước đó

- F’n(reconstoncted): Ảnh khôi phục

- Intra prediction: Dự đoán trong ảnh

- Choose Intra Prediction: Chọn dự đoán trong ảnh

- Deblocking íỉlter: Bộ lọc tách khối

- T, Q và T-1, Q-1: mã hóa separable integer transform-biến đổi nguyêntách biệt , lượng tử hóa và giải mã T , giải lượng tử hóa tương ứng.

- Dn, D’n: Phần ảnh sai khác vào mã hóa và ra từ giải mã

- Reorder: Sắp xếp lại

- Entropy encode: Mã hóa entropy

- MC(Motion Compensation): Bù chuyển động

- ME(Motion estimation): Đánh giá chuyển động

c Định dạng mã hóa dữ liệu:

“Thiết kế H 264/ AVC hỗ trợ mã hóa video (trong định dạng 4:2:0) có chứacác frame liên tục hoặc xen kẽ, hoặc có thể được trộn với nhau trong cùng một dãy.Nhìn chung một frame video chứa hai field đan xen, được cách ly về mặt thời gianbởi một chu kỳ field (nửa thời gian của chu kỳ frame), có thể được mã hóa riêngbiệt như hai ảnh field, hoặc cùng với nhau như một ảnh frame Một frame liên tụcphải luôn luôn được mã hóa như một ảnh frame đơn; tuy nhiên nó vẫn được xemnhư gồm hai field ở cùng một thời điểm.”

“Lớp trừu tượng mạng (NAL): được xác định để định dạng dữ liệu này vàcung cấp thông tin header trong cách thích hợp cho việc chuyên chở bởi các lớptruyền tải hoặc môi trường lưu trữ Tất cả dữ liệu được chứa trong các khối NAL,mỗi khối chứa một số nguyên byte Một khối NAL xác định định dạng chung choviệc sử dụng trong cả hệ thống định hướng gói (packet - oriented) và hệ thống địnhhướng dòng bit (bitstream) Định dạng của các khối NAL là đồng nhất cho cả việcphân phối dòng truyền tải định hướng gói và định hướng dòng bit, ngoại trừ rằngmỗi khối NAL trong lớp truyền tải định hướng dòng bit có thể có một tiền tố mãhóa khởi hành ở trước.”

“Lớp mã hóa video (VCL-Video Coding Layer): được định rõ để biểudiễn hiệu quả nội dung của dữ liệu video.Lớp mã hóa video của H.264/AVC thìtương tự với các tiêu chuẩn khác như MPEG-2 video Nó là sự kết hợp dự đoántheo thời gian và theo không gian, và với mã chuyển vị.”

“Ảnh được tách thành các khối Ảnh đầu tiên của dãy hoặc điểm truy nhậpngẫu nhiên thì được mã hóa (trong khối) “Intra”, có nghĩa là không dùng thông tinnào ngoài thông tin chứa trong bản thân ảnh Mỗi mẫu của một khối trong mộtframe Intra được dự đoán nhờ dùng các mẫu không gian bên cạnh của các khối đã

mã hóa trước đó Đối với tất cả các ảnh còn lại của dãy hoặc giữa các điểm truycập ngẫu nhiên, mã hóa “Inter” được sử dụng, dùng dự đoán bù chuyển động từcác ảnh được mã hóa trước.”

2.1.3 Ứng dụng công nghệ nén ảnh H.264/MPEG – 4 AVC

H.264/MPEG-4 AVC đánh dấu một bước ngoặt trong lĩnh vực nén video, ápdụng các kỹ thuật tiên tiến nhằm mục đích sử dụng băng thông hiệu quả hơn vàđem lại chất lượng ảnh cao hơn Điều này có nghĩa là MPEG-4 AVC là một tất yếuthay thế MPEG-2

Các phạm vi ứng dụng và các Model kinh doanh mới.

“Hiệu quả nén tăng của H.264/AVC tạo ra các phạm vi ứng dụng và các cơhội kinh doanh mới Ví dụ: bây giờ đã có thể truyền tín hiệu video chất lượng TV(ví dụ PAL) ở tốc độ 1 Mb/s, cho phép streaming qua các đường ADSL.”

“Một phạm vi kinh doanh đáng quan tâm khác là truyền dẫn truyền hình qua

vệ tinh Bằng việc chọn điều chế 8-PSK và mã hóa Turbo (hiện đang được nghiêncứu cho tiêu chuẩn DVB-S2) và dùng H.264/AVC, số chương trình qua vệ tinh cóthể tăng gấp ba so với các hệ thống DVB-S hiện tại dùng MPEG-2 Nếu điều nàyxảy ra tất sẽ dẫn đến cuộc cách mạng trong việc thay đổi các máy thu DVB-S hiện

có, cũng có nghĩa là đẩy mạnh công nghiệp sản xuất máy thu hình vệ tinh số.”

“Đối với DVB-T, H.264/AVC là một sự lựa chọn thú vị Giả sử các tham sốtruyền dẫn như đã được chọn ở Đức (mode 8K, 16 - QAM, tỷ lệ mã 2/3, khoảngbảo vệ A), ta có tốc độ bit 13.27 Mb/s cho mỗi kênh 8 MHz Nếu dùng mã hóaMPEG-2 thì số chương trìnhtruyền hình/kênh tần số bĩ hạn chế tới bốn Trong khi

đó nếu dùng H.264/AVC thì số chương trình có thể tăng lên đến mười hoặc hơn, vì

không chỉ độ lợi mã hóa mà cả độ lợi ghép kênh thống kê cho các tốc độ bit thayđổi đều cao hơn do có nhiều hơn các chương trình khác nhau.”

“Một tùy chọn khác là dùng QPSK, tỷ lệ mã ^2 với H.264/AVC sẽ cho phép đạt được bốn chương trình / kênh, nhưng giảm công suất phát khoảng 15% so với mode truyền 16-QAM, 2/3 được nhắc tới ở trên.”

“Một phạm vi kinh doanh đáng quan tâm khác là truyền dẫn và lưu trữtruyền hình có độ phân giải cao (HD) Có thể mã hóa tín hiệu HD ở tốc độ 8 Mb/s,thích hợp với một DVD thông thường Điều này sẽ làm tăng tốc thị trường homecinema Cũng có thể truyền bốn chương trình HD qua một kênh vệ tinh hoặc cáp,làm cho dịch vụ này hấp dẫn hơn đối với các nhà quảng bá vì giá thành truyền dẫnthấp hơn nhiều so với MPEG-2.”

“Trong lĩnh vực thông tin di động, H.264/AVC có vai trò quan trọng vì hiệuquả nén tăng gấp đôi so với các sơ đồ mã hóa được xác định bởi hệ thống điệnthoại di động 3GPP cho streaming, có nghĩa là H.263 Baseline, H.263+ và MPEG-

4 Simple Profile Điều này là cực kỳ quan trọng vì tốc độ dữ liệu có sẵn trong các

hệ thống 3G là rất đắt Với tốc độ bit thấp như vậy H.264/AVC sẽ cho phép tải nộidung multimedia cho các dụng cụ di động như điện thoại, PDA (Personal DigitalAssistant) hoặc PC laptop qua các công nghệ mạng LAN không dây, DAB (DigitalAudio Broadcasting), UMTS (Universal Mobile Telecommications System) và cảDVB-T.”

2.2 Ứng dụng xử lý tín hiệu ảnh H265

“Tiêu chuẩn mã hóa video hiệu quả cao HEVC (High Efficiency Video

Coding) hay còn gọi là H.265 là một chuẩn nén video mới nhất hiện tại đang được cộng tác phát triển bởi nhóm ITU-T VCEG (Video Coding Expert Group) và nhóm ISO/IEC MPEG (Moving Picture Experts Group) HEVC là tiêu chuẩn

video thế hệ tiếp theo sau H.264/AVC Mục tiêu của nỗ lực tiêu chuẩn hóa HEVCnhằm làm tăng gấp đôi hiệu quả mã hóa video so với H.264/AVC đang tồn tại,trong khi có thể hỗ trợ cho tất cả những ứng dụng tiềm năng khác như: Cuộc gọiVideo, lưu trữ, quảng bá, streaming nhất là cho video kích thước hình lớn (định

dạng 4k x 2k) Trong tháng 02-2012, quá trình tiêu chuẩn hóa HEVC phát triển ởgiai đoạn bản nháp HEVC được ISO/IEC và ITU-T hoàn thành nghiên cứu bảnnháp tiêu chuẩn quốc tế phiên bàn cuối cùng trong tháng 01-2013 HEVC đượcmong đợi là 1 công cụ mạnh cải thiện hiệu quả mã hóa, giảm tỷ lệ méo hình ảnh sovới H.264/AVC Bài viết này cung cấp cái nhìn tổng quan về những đặc điểm kỹthuật của HEVC, bao gồm cấu trúc mức cao, đơn vị mẵ, đơn vị dự đoán, đơn vịchuyển đổi, truyền tải tín hiệu không gian và thực hiện PCM, dự đoán trong ảnh,

dự đoán liên ảnh, mã hóa entropy và lọc vòng Hiệu năng thực hiện mã hóa HEVCcũng được so sánh với

H.264/AVC.”

Phát triển các tiêu chuẩn mã hoá video nổi bật sau chu kỳ 10 năm:

- 1993: MPEG-2 (Digital Broacast TV)

tháng 07-2013 Tuy nhiên, thông thường khi một tiêu chuẩn bản nháp đã đượcchấp thuận, định dạng chung của một tiêu chuẩn mã hóa video sẽ được định hình.

Tiêu chuẩn mã hóa video cho lĩnh vực truyền thông đã được phát triển thôngqua các chuẩn ITU-T H.261, H.262 (MPEG-2), H.263 và H.264/AVC Với chuẩn

mã hóa video như MPEG-2 và H.264/AVC hiện nay được sử dụng rộng rãi choviệc truyền dẫn các tín hiệu truyền hỉnh SD và HD qua mạng vệ tinh, mạng cáp,truyền hình mặt đất, cũng như cho việc lưu trữ các tín hiệu chất lượng cao trongcác môi trường thông thường như DVD, đĩa Blue-ray, đĩa cứng Bên cạnh đó, nhucầu đang phát triển của những định dạng video yêu cầu độ phân giải cao hơn (4k x2k) và gam màu rộng hơn và các ứng dụng streaming linh hoạt qua các thiết bị đầucuối khác nhau liên tục gia tăng đòi hỏi hiệu quả mã hóa video cao hơn với cấutrúc mã hóa linh hoạt, điều mà có thể được đáp ứng bởi chuẩn HEVC đang pháttriển (hình 1)

Những cuộc hội đàm cho việc đề xuất phát triển HEVC cuối cùng được thựchiện vào tháng 01-2010 Các mô hình thí nghiệm dưới sự tính toán kỹ lưỡng đượcthiết lập vào 3 tháng sau đó Vào tháng 08-2010, mô hình thí nghiệm HEVC đầutiên đươc khởi tạo Sau 5 bản nháp và phát triển phần mềm tham khảo các môhình, mã hóa HEVC được cải thiện liên tục Điều mà cần thiết đảm bảo việc thiết

kế nội dung đầy đủ cho bản nháp để trình lên hội đồng đánh giá tiêu chuẩn (hình2)

Mục tiêu phát triển HEVC:

- Cải thiện hiệu quả nén Video: gấp 2 lần so với H.264/AVC

- Độ phân giải lên đến 4k x 2k và tốc độ khung lên tới 60 fps (hoặc cao hơn)

- Độ sâu màu: 8 bit hoặc 10 bit (có thể lên tới 14 bit)

Hình 2.6 Lịch sử của các chuẩn nén Video.

Hình 2.7 Xu hướng tốc độ bit của các chuẩn nén video

(Nguồn : Ericsson tại hội thảo Technology Conference 12)

2.2.2 Ứng dụng và cấu trúc mức cao.

So với những tiêu chuẩn mã hóa video thành công trước đó, tiêu chuẩnHEVC được thiết kế để cung cấp các giải pháp kỹ thuật cho ít nhất các ứng dụngbên dưới:

- Truyền hình cáp (CTV) qua mạng cáp quang và cáp đồng

- Dịch vụ video vệ tinh quảng bá trực tiếp (DBS: Direct BroadcastSatellite)

- Dịch vụ video đường dây thuê bao số (DSL: Digital Subscriber Line)

- Quảng bá truyền hình số mặt đất (DTTB: Digital Terrestrial TelevisionBroadcasting)

- Môi trường lưu trữ tương tác (ISM: Interactive storage Media), ví dụ nhưđĩa quang

- Hệ thống e-mail đa dịch vụ (Multimedia Mailing)

- Dịch vụ đa phương tiện qua mạng gói

- Dịch vụ đàm thoại thời gian thực, ví dụ như Video hội nghị, videotelephone

- Dịch vụ giám sát video từ xa

- Môi trường lưu trữ nối tiếp (SSM: Serial storage Media), ví dụ như VTRsố

- Phát triển cho các ứng dụng 3DTV, Ultra HDTV

- Phát triển kết hợp giữa HEVC và MPEG DASH cho streaming video.Tất cả những ứng dụng này sẽ được triển khai trong các mạng hiện tại vàmạng tương lai Điều này đặt ra những câu hỏi cho việc xử lý đa dạng dịch vụ vàmạng Để thực hiện những yêu cầu này với tính linh hoạt cao, HEVC được thiết kếbao gồm một lớp mã hóa video (VCL: Video Coding Layer) cũng như lớp trừu

tượng mạng (NAL: Network Abstraction Layer), cái mà gần giống với cấu trúc

phân lớp trong H.264/AVC

Giao diện hệ thống của HEVC là 1 thành phần quan trọng trong chuỗi truynhập môi trường, và là điều kiện tiên quyết cho triển khai thành công những ứngdụng thiết bị điện tử khách hàng khác nhau

Hình 2.8 Tổng quan mức cao của hệ thống các lớp trong HEVC.

- Ở trong hình 8, RTP là giao thức internet cho truyền dẫn thời gian thựcthông qua giao thức IP đã được triển khai trên mạng IPTV cũng như cácứng dụng đàm thoại như Video Conference, Video chat

- MPEG-2 được dùng để lưu trữ đĩa Blu-ray cũng như truyền dẫn kênhtruyền hình số

- ISO Base Media File Format và MPEG DASH, cho phép người dùng download liên tục trong các ứng dụng VoD và HTTP Streaming qua mạng internet hoặc các ứng dụng download

Ở trong cấu trúc mức cao của một bộ mã hóa HEVC, lớp NAL được định vịbên dưới lớp VCL cung cấp giao diện mạng thân thiện để hỗ trợ những tiêu chuẩnkhách hàng đơn giản và hiệu quả của việc dùng VCL cho sự thay đổi đa dạng của

hệ thống, ở đây những khái niệm tương tự như trong chuẩn H.264/AVC được sửdụng lại như: đơn vị NAL, đơn vị truy nhập (access unit) được dùng lại TrongVCL, những khái niệm tương tự và ứng dụng của thiết lập các thông số tuần tự(SPS: Sequence Parameter Set) và thiết lập thông số hình ảnh (PPS: PictureParameter Set) được chấp thuận bởi JCT- vc trong HEVC để mang thông tin hiếmkhi thay đổi và được tham khảo để giải mã một số lượng lớn đơn vị NAL củaVCL

Hình 2.9 Cấu trúc tích hợp hệ thống các lớp trong HEVC.

Để đạt được hiệu quả mã hóa cao, HEVC cũng giới thiệu một vài công cụ

mã hóa mức hình ảnh bao gồm danh sách, tỷ lệ, độ lệch tương thích mẫu (SAO:Sample Adaptive Offset), và bộ lọc vòng lặp tương thích Những thông số này cóthể giống nhau khi mã hóa từng phần cắt nhỏ (slice) trong một hình ảnh nhưng sẽthay đổi khi dịch chuyển dọc theo bức hình Để chia sẽ những thông tin này dọctheo các Slice một cách hiệu quả nhằm hỗ trợ xử lý các slice song song trong khitạo thuận lợi cho cập nhật và tham khảo đến thông số công cụ, bộ thiết lập thông sốtương thích (APS: Adaptation Parameter Set) cũng được thiết kế và giới thiệutrong HEVC Như là một bộ thông số mới dùng cho dữ liệu tương thích hình ảnh(nhất là bộ lọc vòng tương thích ALF: Adaptive Loop Filter), APS tạo thành đặctính chủ yếu trong cấu trúc bộ thông số HEVC

Trong một bộ mã hóa HEVC, mỗi hình ảnh đã được mã hóa sẽ đại diện cho

1 đơn vị dạng khối phù hợp với các mẫu chói và mẫu màu được gọi là đơn vị mã

hóa (CU: Coding Unit) kích thước của CU lớn nhất (LCU: Largest CU) và cu nhỏ nhất (SCU: Smallest CU) có thể thiết lập linh hoạt trong bộ SPS, điều mà khác so với khái niệm khối macro (Macro block: MB) của một con số cố định

16x16 điểm ảnh vuông trong các tiêu chuẩn trước đó Một hình vuông - cây dựatrên sự xấp xỉ phân chia đệ quy được dùng để phân cắt LCU cho đến khi các phầnđạt đến kích thước SCU Thuật toán mã hóa nguồn cơ bản trong HEVC là hỗn hợpkhông gian khai thác dự đoán trong ảnh và liên ảnh và sự phụ thuộc thống kê tạmthời và mã chuyển đổi của việc loại bỏ những khoảng trống dư thừa sau dự đoán.Một phương pháp mã hóa entropy hợp nhất, ví dụ như mã hóa số nhị phân dựa trên

tương thích nội dung (CABAC: Context - based Adaptive Binary Arithmetic Coding) tương tự như trong H.264/AVC, cũng được tận dụng để tạo dòng bit mã

hóa

Hình 5 mô tả một bộ mã hóa HEVC, mỗi hình ảnh sẽ được phân chia thànhcác khối, với sự phân chia khối chính xác để vận chuyển đến bộ giải mã

Hình 2.10 Cấu trúc bộ mã hóa HEVC.

Hình ảnh đầu tiên của dãy video (và hình đầu tiên tại mỗi lần “xoá” điểmtruy nhập ngẫu nhiên bên trong dãy video) được mã hoá chỉ dùng dự đoán bên