CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ IPTV
1.4 Kĩ thuật nén dữ liệu trong IPTV
1.4.2 Các kỹ thuật nén cơ bản
Tính chất chung của các ảnh số là tương quan giữa các ô pixel gần nhau là lớn, điều này dẫn đến dƣ thừa thông tin để biễu diễn ảnh. Việc dƣ thừa thông tin dẫn đến việc mã hóa không tối ưu. Do vậy, cần phải tìm ra phương án biễu diễn ảnh với tương quan nhỏ nhất để giảm thiểu độ dư thừa thông tin của ảnh. Có 2 kiểu dư thừa thông tin đó là: dư thừa trong miền không gian là tương quan giữa không gian của pixel của ảnh (các pixel lân cận của ảnh có giá trị gần giống nhau trừ những pixel ở giáp đường biên ảnh) và dư thừa trong miền tần số là tương quan giữa các dải màu hoặc các dải phổ khác nhau.
Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng dịch vụ SVTH: HUỲNH HỮU LỢI IPTV trên nền mạng truy nhập cáp đồng
Trọng tâm của các nghiên cứu về nén ảnh là giảm bớt một số bit để biểu diễn ảnh bằng việc loại bỏ dƣ thừa trong miền không gian và miền tần số càng nhiều càng tốt. Các chuẩn nén JPEG và Wavelet đều tuân theo nguyên tắc tìm ra các phần từ dƣ thừa trong miền không gian.Trong khi đó các chuẩn nén MPEG vừa xử lí cả dƣ thừa trong miền không gian lẫn dƣ thừa trong miền tần số. Do đó khả năng nén ảnh của MPEG tốt hơn.
Đối với chuẩn nén JPEG, ảnh đƣợc phân chia thành các khối vuông ảnh, mỗi khối vuông có kích thướt 8 x 8 pixel, biểu diễn mức xám của 64 điểm ảnh.
Dùng mã hóa chuỗi biến đổi cosin rời rạc DCT (Discrete Cosin Tranform) để khai thác sự tương đồng giữa các pixel trong mỗi khối, từ đó đưa ra các biểu diễn ảnh với tương quan nhỏ giữa các pixel. Nếu dùng chuỗi biểu diễn ngắn thì quá trình nén sẽ nhanh nhưng hình ảnh sau khi giải nén thường có nhiều sai lệch so với ảnh gốc.
Với chuẩn nén Wavelet, mã hóa đƣợc thực hiện trên toàn bộ mặt ảnh thay vì theo từng khối 8 x 8, nó phân tích các dữ kiện về điểm ảnh và cho ra một tập các hệ số tương ứng. Do chuẩn Wavelet phân tích trên toàn bộ bề mặt ảnh nên các sai lệch ở ảnh giải nén sẽ khác với chuẩn JPEG. Ở chuẩn Wavelet không gặp hiệu ứng ghép mảnh nhƣ chuẩn JPEG nhƣng độ phân giải hình ảnh giảm cũng nhƣ một vài vết mờ sẽ xuất hiện.
Nhƣ vậy cả JPEG và Wavelet đều gây ra hiện tƣợng mất thông tin ở ảnh giải nén.
1.4.2.2 MPEG-x và H.26x
MPEG không phải là một công cụ nén đơn lẻ, ƣu điểm của ảnh nén dùng MPEG là ở chỗ MPEG có một tập các công cụ mã hóa chuẩn, chúng có thể kết hợp với nhau một cách linh động để phục vụ cho một loạt các ứng dụng khác nhau.
Chuẩn MPEG xử lí nén ảnh dựa trên 2 nguyên lí chung của nén tín hiệu video và loại bỏ sự dƣ thừa về không gian và dƣ thừa về thời gian (nén liên ảnh).
Việc loại bỏ sự dư thừa về thời gian được thực hiện trước hết nhờ sử dụng tính chất
Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng dịch vụ SVTH: HUỲNH HỮU LỢI IPTV trên nền mạng truy nhập cáp đồng
tương quan giữa các ảnh liên tiếp, sử dụng tính chất này để tạo ra các bức ảnh mới nhờ vào thông tin từ những bức ảnh gửi trước đó. Do vậy ở phía bộ mã hóa chỉ cần giữ lại những hình ảnh có sự thay đổi so với ảnh trước sau đó dùng phương pháp nén về không gian trong những bức ảnh sai khác này, nghĩa là mỗi khung ở tại một thời điểm nhất định thường có nhiều khả năng giống với các khung đứng ngay trước và sau đó.
Khi mã hóa tiến hành quét lần lƣợt những phần khối nhỏ trong mỗi khung và phát hiện ra các khối nào không thay đổi từ khung này tới khung khác. Khi giải nén, sử dụng các thông tin không thay đổi từ khung này tới khung khác, sẽ đƣợc dùng để điền thêm vào vị trí trống trong ảnh đƣợc khôi phục.
Ở chuẩn nén H.26x và MPEG-x có dung lƣợng kênh truyền và không gian lưu giữ nhỏ hơn
Chuẩn nén H26x (gồm các thế hệ H261, H 262 và H263), thường có tốc độ mã hóa tín hiệu thấp hơn MPEG –x
1.4.2.3 MPEG-1
Thành lập năm 1988, nhóm chuyên gia về hình ảnh động MPEG (Moving Picture Expert Group) đã phát triển chuẩn nén hình ảnh và âm thanh số. MPEG đƣợc chuẩn hóa bởi các chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực truyền thông và nén âm thanh hình ảnh, hoạt động dưới sự ủng hộ của tổ chức chuẩn hóa quốc tế ISO (International Organization of Standardization).
MPEG-1 và MPEG-2 là hai chuẩn cơ bản chú tâm đến việc nén âm thanh và hình ảnh, thành phần của các chuẩn này chú tâm đến truyền thông và phương tiện phát. Tiếp theo là chuẩn MPEG-4, cho phép trình bày việc tương tác nhằm cải tiến chuẩn nén âm thanh và hình ảnh.
Chuẩn nén MPEG-1 là chuẩn đầu tiên đƣợc phát triển bởi tổ chức MPEG.
Chuẩn MPEG-1 dành cho việc mã hóa video ở tốc độ 1,2Mbps và mã hóa âm thanh nổi tại 250Kbps, tương thích tốc độ bit với đầu đọc CD-ROM tốc độ kép.
Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng dịch vụ SVTH: HUỲNH HỮU LỢI IPTV trên nền mạng truy nhập cáp đồng
1.4.2.4 MPEG -2
MPEG – 2 tên của một nhóm các tiêu chuẩn mã hóa cho tín hiệu âm thanh và hình ảnh số đƣợc công bố trong tiêu chuẩn quốc tế ISO/IEC 13818. MPEG -2 thường được sử dụng để mã hóa âm thanh và hình ảnh cho các tín hiệu broadcast bao gồm truyền hình vệ tinh quảng bá và truyền hình cáp.
EMPEG -2 bao gồm 2 thành phần chính:
MPEG -2 Video: không đƣợc tối ƣu hóa cho các bit có tốc độ thấp (nhỏ hơn 1Mbps), nhƣng lại thực hiện tốt hơn MPEG -1 ở tốc độ 3 Mbps và tốc độ cao hơn. Các bộ giải mã tín hiệu video tuân theo tiêu chuẩn MPEG -2 cũng có thể giải mã luồng video MPEG -1.
MPEG -2 Audio: cải tiến chức năng âm thanh của MPEG -1 bằng cách cho phép mã hóa các chương trình âm thanh với nhiều hơn 2 kênh. Bộ giải mã âm thanh MPEG -2 cũng tương thích với chuẩn trước (giải mã âm thanh MPEG -1)
Giống nhƣ MPEG -1, một luồng video MPEG -2 đƣợc tạo nên bởi một chuỗi các khung số liệu mã hóa hình ảnh. Có 3 khung hình ảnh là: Intra-coded (I picture), forward Predictive (P picture) và Bidirectional (B picture). Ngoài ra hình ảnh của luồng video đƣợc phân ra thành một kênh chứa thông tin về độ sáng (luminace còn gọi là kênh Y) và hai kênh thành phần màu (chrominace còn gọi là tín hiệu màu phân biệt Cb và Cr)
1.4.2.5 MPEG -4
So sánh với các chuẩn nén nói trên, chuẩn nén MPEG -4 có định dạng hình ảnh tiên tiến nhất, đáp ứng những đòi hỏi về kĩ thuật cũng nhƣ phù hợp với nhiều loại hình dịch vụ.
MPEG -4 thực sự là một dạng nén ảnh mang tính đột phá của công nghệ nén hình hiện đại, điều này thể hiện qua những tiêu chuẩn sau: áp dụng những tiêu chuẩn có tính mở cao nhƣng vẫn đảm bảo các đặc tính kĩ thuật an ninh, có hiệu suất
Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng dịch vụ SVTH: HUỲNH HỮU LỢI IPTV trên nền mạng truy nhập cáp đồng
lớn, hỗ trợ truyền theo dòng và truyển theo mạng lưới, tối thiểu hóa dung lượng kênh truyền và không gian lưu trữ trong khi vẫn giữ được tính trung thực hình ảnh.
Ở chuẩn MPEG -4, mỗi hình ảnh được mã hóa dưới dạng đa lớp (scalable) hoặc đơn lớp (non scalable).
Lớp đối tƣợng video (VOP –Video object layer) hỗ trợ quá trình mã hóa đa lớp. Một vật thể ảnh được mã hóa dưới dạng đa lớp không gian hoặc đa lớp thời gian, đi từ phân giải thô tới phân giải tinh. Bộ phân giải mã có thể đạt đƣợc độ phân giải hình mong muốn, tùy theo thông số nhƣ dải thông tần hiện có, hiệu suất máy và theo mong muốn của người dùng.
Mặt phẳng đối tƣợng video (VOP – Video object plane) hỗ trợ ảnh đƣợc mã hóa độc lập hoặc mã hóa trên cơ sở tham khảo các ảnh khác nhau qua khâu bù chuyển động ở bộ giải mã. Một khung ảnh thông thường được biễu diễn bởi một VOP dạng chữ nhật. Có 3 kiểu khác nhau để mã hóa cho khối ảnh:
VOP được mã hóa độc lập. Trong trường hợp này VOP được mã hóa đƣợc gọi là Intra VOP (I-VOP).
VOP đƣợc tiên đoán qua kĩ thuật bù chuyển động nhờ một VOP khác đã được tiên đoán trước đó. Đó là loại P-VOP (Predicted VOP).
VOP được tiên đoán qua các VOP trước và sau nó thuộc dạng B- VOP (Bidirectional Interpolated VOP).
Nhằm nâng cao chất lƣợng hình ảnh khi dùng, B-VOP đƣợc thêm vào dựa trên I-VOP và P-VOP hay sử dụng kĩ thuật đa lớp thời gian tăng cường khung dữ liệu cho B-VOP.
Định dạng nén ảnh MPEG -4 hỗ trợ quá trình lƣợng tử hóa, do vậy cũng giúp đáp ứng những đòi hỏi khác nhau về tốc độ bit. Bộ phận định dạng nén của MPEG -4 cũng tương thích với những bộ mã hóa trong các chuẩn nén trước đây.
Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng dịch vụ SVTH: HUỲNH HỮU LỢI IPTV trên nền mạng truy nhập cáp đồng
1.4.2.6 H.264/MPEG-4 Part 10/AVC
Chuẩn H.264 hay MPEG -4 Part 10 là sản phẩm của nhóm hợp tác JVT (Joint Video Team) giữa tổ chức viễn thông quốc tế về các tiêu chuẩn viễn thông ITU-T và nhóm chuyên gia về mã hóa hình Video VCEG (Video Coding Exterts Group) cùng với nhóm chuyên gia về ảnh động theo tiêu chuẩn quốc tế ISO_MPEG. Chuẩn H.264 hay MPEG -4 Part 10 còn đƣợc gọi là AVC (Advanced Video Coding) sẽ đƣợc viết gọn lại là H264/AVC là chuẩn mã hóa tín hiệu video số đƣợc dùng để nén các tín hiệu số ở mức cao.
Mục đích nghiên cứu của nhóm JVT là tạo ra một chuẩn có khả năng cung cấp chất lượng video cao ở tốc độ bit thấp hơn hẳn so với các yêu cầu chuẩn trước đó (MPEG -2, H.263) mà không làm tăng nhiều sự phức tạp trong thiết bị. Một mục tiêu khác nữa của H.264/AVC là cho phép tiêu chuẩn đƣợc áp dụng cho nhiều điều kiện ứng dụng (cho cả tốc độ bit thấp và cao, cả độ phân giải video thấp và cao) và có thể làm việc tốt trên nhiều kiểu mạng và hệ thống (quảng bá, lưu trữ DVD, mạng gói RTP/IP).
Một số tính năng mới của H.264/MPEG -4 Part 10 là cho phép nén hiệu quả các tín hiệu video hơn so với chuẩn cũ và hoạt động linh hoạt hơn cho các ứng dụng trong môi trường mạng khác nhau.
1.4.2.7 Yêu cầu băng thông khi sử dụng các chuẩn nén
Yêu cầu về băng thông của các chuẩn nén đƣợc đƣa ra trong bảng 1.1.
Bảng 1.1 Yêu cầu về băng thông của các chuẩn nén
Chuẩn nén Độ nét tiêu chuẩn Độ nét cao Ứng dụng
MPEG -1 1,5 Mbps - MP3, Video on
Internet
MPEG -2 4 -5 Mbps 18 -20 Mbps DVD, Digital TV
MPEG -4 Part 10 (H.264/AVC)
2 -4 Mbps 8 -10 Mbps Multi Video
Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng dịch vụ SVTH: HUỲNH HỮU LỢI IPTV trên nền mạng truy nhập cáp đồng