TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ MÔN KỸ THUẬT THƠNG TIN ************ PHƯƠNG PHÁP MÃ HĨA VIDEO THEO ĐỐI TƯỢNG ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VIDEO NÉN Giáo viên hướng dẫn: SV thực hiện: Nghiên cứu khoa học sinh viên 2008-2009 Hà Nội 2009 Lời nói đầu Với phát triển công nghệ thông tin , với phát triển ngày mạnh mẽ ứng dụng truyền thông đa phương tiện , địi hỏi người khơng ngừng tìm tòi sáng tạo để đáp ứng kịp với xu phát triển Nhờ vào phát triển ứng dụng truyền thông đa phương tiện mà đưa âm thanh, hình ảnh, hay đoạn video xa cách nhanh chóng thuận tiện Song với việc truyền tải đoạn video có dung lượng lớn xa gặp nhiều khó khăn khả có hạn kênh dẫn.Vì nhà sản xuất áp dụng số kỹ thuật nén để giúp tối ưu hóa đoạn video trên, làm giảm dung lượng phải truyền mà chất lượng hình ảnh tương đương với hình ảnh gốc Một kỹ thuật nén sử dụng rộng rãi kỹ thuật nén chuyển động mà tiêu biểu chuẩn nén MPEG Qua trình nghiên cứu chuyên gia cho đời chuẩn nén MPEG-4 với nhiều tính ưu việt nhanh chóng ứng dụng rộng rãi hệ thống thông tin video nén.MPEG-4 sử dụng phương pháp mã hóa video theo đối tượng thay mã hóa tồn đoạn video, dung lượng video giảm đáng kể mà chất lượng lại khơng có nhiều thay đổi Vì chúng tơi chọn đề tài nghiên cứu “ phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén” để sâu tìm hiểu kỹ thuật mã hóa chuẩn nén MPEG-4 Đề tài nghiên cứu chia làm phần Chương : tổng quan video Chương : cơng nghệ mã hóa video MPEG-4 Chương : ứng dụng Chúng xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo Đặng Văn Hiếu hướng dẫn giúp đỡ thực đề tài Và xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô giáo môn Kỹ Thuật Thông Tin bạn lớp giúp đỡ chúng tơi việc tìm kiếm thơng tin, tài liệu , giáo trình tham khảo suốt q trình thực đề tài Chúng tơi mong nhận ý kiến đóng góp thầy giáo bạn sinh viên đề tài nghiên cứu hồn thiện Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén Nghiên cứu khoa học sinh viên 2008-2009 Hà Nội, ngày tháng năm 2009 Nhóm nghiên cứu MỤC LỤC Chương : Tổng quan mã hóa video 1.1 Mục đích nghiên cứu video nén theo hướng đối tượng…………………………… 1.2 Tổng quan chuẩn nén…………………………………………………… ….6 1.3 Kĩ thuật mã hóa video nén theo hướng đối tượng MPEG-4 ưu điểm……… … Chương : Cơng nghệ mã hóa video MPEG-4………………………………… …12 2.1 Mã hố hình dạng ngồi (Shape Coder ).……………………………………………….15 2.1.1 Biến đổi Cosin rời rạc ( DCT )……………………………………… ………… 16 2.1.2 Lượng tử hố…………………………………………………………… ….… 18 2.1.3 Mã hóa…………………… ………………………………………………………20 2.2 Dự đoán tổng hợp động……… …………………………………………………………21 2.2.1 Ước lượng chuyển động…………………………………… … …………… ….21 2.2.2 Kỹ thuật đệm…………………………….…………………………………… .22 2.2.3 Kỹ thuật chuyển động bản…………………… ……………………….… ….22 2.2.3.1 Kỹ thuật thay đổi khối thích ứng với cấu trúc đa cạnh VOP.….… 22 2.2.3.2 ước lượng chuyển động điểm ảnh…………………….……… …… … 23 2.2.3.3 chế độ INTRA / INTER………………………………….…….……… … …24 2.2.3.4 Tìm kiếm nửa điểm ảnh………………………………….… ….…….….……25 2.2.3.5 Dự đoán MV………………………………………….……………… ….….26 2.2.3.6 Chế độ vector chuyển động không giới hạn…………….……… …………….26 2.2.3.7 Chế độ nâng cao chất lượng dự đoán………………….………….…… ….…27 2.3 Mã hóa cấu trúc………………………………………………………….……….…… 27 2.4 Giải mã MPEG-4 VOP………………………………………………….….… 28 2.5 Mã hóa theo lớp video ………………………………………… ……… ………… 28 2.6 Đánh giá hiệu quả…………………………………………….…………… 29 2.7 Điều khiển tốc độ……………………………………………………………………… 31 Chương : Ứng dụng………………………………………………………………….………37 3.1 IP TV……………………………………………………………… ………… … …37 Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén Nghiên cứu khoa học sinh viên 2008-2009 3.2Video yêu cầu……………………………………………………… ………….… … 39 3.3 Mobile TV……………………………………………………… ……………… … 40 3.4 Truyền hình hội nghị …………………………………………….…………… … … 41 Mục lục hình vẽ Hình 1.1: công cụ nén MPEG-4 so với MPEG 2………………………….…………….9 Hình 1.2 :DCT MPEG………………………………………………………………………… Hình 1.3.a : Đầu vào mã hóa MPEG-2……………………………………………….….10 Hình 1.3.b : Bộ mã hóa MPEG-4……………………………………………………………… …11 Hình 1.4: Các đối tượng lưới MPEG4………………………………………… ………… 11 Hình 2.1: Cấu trúc mã hố giải mã video MPEG-4……………………………… 13 Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc giải mã video MPEG-4……………………………………… 14 Hình 2.3: Sơ đồ thuật tốn nén ảnh(a)…………………………………………………….…… 16 Hình 2.4: Sơ đồ thuật toán nén ảnh(b)……………….……………………………… 17 Hình 2.5 : Quá trình giải lượng tử thứ tự xếp zigzag…………….…………….….…….19 Hình 2.6: Cấu trúc mã hóa VOP………………………………………………………….… 21 Hình 2.7 : Kỹ thuật thay đổi khối thích ứng với cấu trúc đa cạnh VOP…………….23 Hình 2.8 : cửa sổ mở rộng cho việc tìm kiếm thay đổi theo phương Y……………… .23 Hình 2.9 : Tìm kiếm giá trị nửa điểm ảnh phép nội suy………………………….…….….25 Hình 2.10 : Dự đốn thành phần MV chế độ dự đoán nâng cao……………… …… 26 Hinh 2.11 : Mã hóa khung hình MPEG-4………………………………………… ………27 Hình 2.12 : Cấu trúc giải mã VOP…………………………………………………………….… 28 Hình 2.13 : Chất lượng đạt mã hóa video MPEG-4………………………………….30 Hình 2.14: Chất lượng đạt hai H.263 MPEG-4 tốc độ 128 kbit / s…… 30 Hình 2.15 : Cận cảnh đối tượng……………………………………………………………….……31 Hình 2.16 : Sự biến đổi tốc độ truyền theo bit Frolife đơn giản MPEG-4……….….32 Hình 2.17 : Đầu giải mã đầu vào đệm mã hóa…………………… …….32 Hình 2.18 : Ví dụ đệm (mã hóa, kênh dẫn bit 100kbps)……………………….….… 33 Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén Nghiên cứu khoa học sinh viên 2008-2009 Hình 2.19 : Hình 2.20 : giải mã nội dung đệm cho kênh 100kbit/s ………………….….….34 Hình 2.20 : Ví dụ đệm (giải mã, kênh dẫn bit 1000kbps)…………………………… 34 CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT MV : Motion vector (vector chuyển động ) VOP : Video object planes (đối tượng video) DCT: Discrete cosine transform ( biến đổi cosin rời rạc) MSE : Mean square error (sai số bình phương trung bình) BM : Block Matchinh ( khối phù hợp) SAD : Sum of Absolute Difference ( tổng khác tuyệt đối) MB : Macro Block ( Khối vĩ mô) GOB : Groups Of Block ( nhóm khối) OBMC: Overlapped block motion compensation (sự bù chuyển động khối) MPEG: Motion Picture Experts Group (Nhóm chuyên gia điện ảnh) ITU: International Telecommunication Union (hiệp hội viễn thông quốc tế) ISO: International Standard Organisation (tổ chức tiêu chuẩn quốc tế) IEC: International Electrotechnical Commission (ủy ban kỹ thuật điện tử quốc tế) EOB: End Of Block (khối kết thúc) MRG: Management Research Group(nhóm quản lý nghiên cứu) IPTV: Internet Protocol Television (Truyền hình Giao thức Internet) MSE : mean square error (sai số bình phương trung bình) VOD: video on demand (video theo yêu cầu) ISDN Integrated Services Digital Network (là công nghệ băng hẹp) BM : Block Matchinh ( khối phù hợp) FTTH: Fiber-To-The-Home (mạng viễn thông cáp quang nối đến tận nhà) ISDN : Integrated Services Digital Network (mạng đa dịch vụ số) NGN: Dịch vụ truyền hình hội nghị Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén Nghiên cứu khoa học sinh viên 2008-2009 LAN: Local Area Network (mạng máy tính cục bộ) WAN: Wide Area Network (Mạng diện rộng) Chương : Tổng quan mã hóa video 1.1 Mục đích nghiên cứu video nén theo hướng đối tượng Tại cần phải nén video ? Để xem đoạn video có chất lượng cao mà dung lượng không lớn điều quan trọng cần thiết Đó lí cần phải sử dụng công cụ nén video nhằm giảm tối đa dung lượng đoạn video mà chất lượng đáp ứng yêu cầu Nhu cầu truyền phát dịch vụ Multimedia hạ tầng kỹ thuật mạng Internet làm nảy sinh yêu cầu chức khơng có chuẩn MPEG-1, MPEG-2,H.26X chuẩn nén video trước Sự xuất chuẩn MPEG-4 (10/1998) H264 tạo phương thức thiết lập tương tác với truyền thơng nghe nhìn mạng internet, tạo phương thức sản xuất, cung cấp ứng dụng nội dung video sở nội dung hướng đối tượng (content/objectbased) Đây cơng nghệ trình diễn truyền thơng đa phương tiện phức hợp, có khả truyền thông môi trường băng thông khác nhờ kết hợp tốt môi trường: Truyền hình số, đồ hoạ tương tác World Wide Web 1.2 Tổng quan chuẩn nén Hiệp hội viễn thông quốc tế (ITU) tổ chức tiêu chuẩn quốc tế/ Uỷ ban kỹ thuật điện tử quốc tế (ISO/IEC) hai tổ chức phát triển tiêu chuẩn mã hoá Video Theo ITU-T, tiêu chuẩn mã hoá Video coi khuyến nghị gọi tắt chuẩn H.26x (H.261, H.262, H.263 H.264) Với tiêu chuẩn ISO/IEC, chúng gọi MPEG-x (như MPEG-1, MPEG-2 MPEG-4) MPEG hay gọn MPG có xuất xứ từ Moving Picture Experts Group (Nhóm chuyên gia điện ảnh) Tổ chức đời hồi năm 1988 chuyện phát triển tiêu chuẩn vụ nén phim số (digital video) âm số (digital audio) Nó hoạt động “đỡ đầu” Tổ chức Quốc tế Tiêu chuẩn hóa (ISO) Mpeg-4 chuẩn cho ứng dụng MultiMedia Mpeg-4 trở thành tiêu chuẩn cho nén ảnh kỹ thuật truyền hình số, ứng dụng đồ hoạ Video tương tác haichiều(Games,Videoconferencing) ứng dụng Multimedia tương tác hai chiều Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén Nghiên cứu khoa học sinh viên 2008-2009 (World Wide Web ứng dụng nhằm phân phát liệu Video truyền hình cáp, Internet Video ) Mpeg-4 trở thành tiêu chuẩn công nghệ trình sản xuất, phân phối truy cập vào hệ thống Video Nó góp phần giải vấn đề dung lượng cho thiết bị lưu trữ, giải vấn đề băng thông đường truyền tín hiệu Video kết hợp hai vấn đề Với MPEG-4, đối tượng khác khung hình mơ tả, mã hoá truyền cách riêng biệt đến giải mã dòng ES (Elementary Stream) khác Cũng nhờ xác định, tách xử lý riêng đối tượng (như nhạc nền, âm xa gần, đồ vật, đối tượng ảnh video người hay động vật, khung hình …), nên người sử dụng loại bỏ riêng đối tượng khỏi khn hình Sự tổ hợp lại thành khung hình thực sau giải mã đối tượng H.264 ( MPEG-4 AVC hay MPEG-4 part 10), phương thức tiên tiến lĩnh vực nén video H.264 cho chất lượng hình ảnh tốt có dung lượng so với chuẩn nén khác H.264 ứng dụng thuật nén video độ phân giải cao (HD) Mục tiêu chuẩn nén H.264 phát triển nhằm cung cấp Video có chất lượng tốt nhiều so với chuẩn nén Video trước Điều đạt nhờ kế thừa lợi điểm chuẩn nén Video trước Không thế, chuẩn nén H.264 kế thừa phần lớn lợi điểm tiêu chuẩn trước H.263 MPEG-4 Trong đề tài chúng tơi xin phép trình bày kĩ thuật mã hóa video nén theo hướng đối tượng MPEG-4 mà đuợc sử dụng nhiều cơng cụ mã hóa với nhiều tính ưu việt 1.3 Kĩ thuật mã hóa video nén theo hướng đối tượng MPEG-4 ưu điểm MPEG-4 coi cách mạng media số Nó chuẩn multimedia tồn cầu hệ Nó thiết kế để truyền tải video với chất lượng DVD (MPEG-2) qua mạng MPEG-4 có khả nén cao tối ưu hóa dung lượng băng thông dung lượng file lưu trữ mà lại đưa chất lượng video chập nhận Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén Nghiên cứu khoa học sinh viên 2008-2009 MPEG-4 có phương thức mã hóa nén video hoàn toàn tối ưu chuẩn khác trước việc chia nhỏ lớp video thành đối tượng riêng biệt,Thay thực truyền tải tất lớp video MPEG-2 MPEG-4 truyền thay đổi đối tượng tách ra.MPEG-4 đời với nhiều tính ưu việt: 1.3.1 Tính mềm dẻo có khả nâng cấp Các nhà thiết kế mã hoá MPEG phải đối mặt với nhiều vấn đề, vấn đề quan trọng thiết kế thuật tốn nén mềm dẻo có khả nâng cấp tương lai Họ thường mong muốn có mã hố MPEG thích hợp cho nhiều ứng dụng, từ TV ảnh rộng, chất lượng cao tới hệ thống nhỏ, tín hiệu video đen trắng cho hệ thống camera an ninh Hiển nhiên hệ thống nén thiết kế dành cho phim ảnh rộng phải có phần cứng mạnh, nhớ lớn hệ thống thiết kế cho hệ thống camera dành cho mục đích an ninh.Các nhà thiết kế giải vấn đề cách định nghĩa "Level" "Profile" cho hệ thống Các "Level" xác định giới hạn lực xử lý phần cứng nhớ cần thiết để mã hố tín hiệu Các "Profile" xác định độ phức tạp q trình mã hố giải mã.Đối với MPEG-4 có 19 profile (nhưng H.264 có profile) Về khả nâng cấp mã hoá MPEG, họ thiết kế theo hai bước Bước thứ thay cho xác định tiêu mã hố giải mã, họ xác định loại tín hiệu nằm hai thiết bị Bước thứ hai thực cải tiến mã hoá giải mã cho tương thích với chuẩn cũ (backward compatible).Chuẩn MPEG có qui tắc giao thức cho tín hiệu truyền mã hoá giải mã Các quy tắc này, thực chất giống loại ngôn ngữ dành riêng cho mã hoá giải mã Các mã hoá tương thích phải có khả “nói” ngơn ngữ Các giải mã tương thích phải có khả hiểu toàn "từ vựng" mà mã hoá phát ngữ cảnh định.MPEG-4 thực điều cách tạo cơng cụ dùng để nén tín hiệu trường hợp khác Một công cụ này, chuyển đổi cosine rời rạc (DCT - discrete cosine transform), có nhiệm vụ chuyển đổi khối 8x8 pixel thành tập hệ số 1.3.2 MPEG-4 đem lại công cụ nén Ta xem xét cộng cụ nén mà chuẩn MPEG-4 mang tới lĩnh vực nén ảnh Hình so sánh cơng cụ chuẩn MPEG-2 MPEG-4 Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén Nghiên cứu khoa học sinh viên 2008-2009 Hình 1.1: công cụ nén MPEG-4 so với MPEG-2 Chuẩn MPEG-4 xa hơn, theo hình 2, dự đốn hệ số tồn khối hàng hay hệ số khối cột bên trái từ khối Hình 1.2: MPEG4 dự đốn tham số hàng, hay thông số cột bên trái từ khối Việc dự đoán hệ số hàng hay cột dựa nội dung hình ảnh Ví dụ, ảnh chứa vật thể theo chiều đứng cọc chẳng hạn Khi quét ảnh Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén Nghiên cứu khoa học sinh viên 2008-2009 theo chiều ngang tạo thay đổi lớn hệ số sau DCT gặp hình ảnh cọc Trái lại, quét theo chiều đứng khối nằm cột có hệ số DCT gần giống nhau, từ nén với tỉ lệ nén cao MPEG-4 mở rộng cách dự đoán vector chuyển động MPEG-4 dự đốn vector cho macroblock từ macroblock hay bên trái, gửi sai khác so với vector cũ mà thơi Do giảm liệu cần thiết dùng để mã hoá vector, cho phép dùng vector cho khối DCT Việc dự đoán chuyển động tốt với vector, giảm nhỏ lỗi dự đoán Chất lượng hình ảnh cải thiện đáng kể cách dùng tỉ lệ nén liệu lớn mà không cần thay đổi độ phân giải Mpeg công cụ nén đơn lẻ mà ưu điểm nén Mpeg chỗ có tập hợp cơng cụ mã hố chuẩn, chúng kết hợp với cách linh động để phục vụ cho loạt ứng dụng khác nhau, khả truyền dẫn tốt môi trường truyền dẫn khắc nhiệt 1.3.3 Tiềm chuẩn MPEG-4 Trong chuẩn MPEG-1 MPEG-2 thao tác với ảnh tồn vẹn, chuẩn MPEG-4 làm việc với hình ảnh tạo ra, hay máy tính xử lý mạnh chuẩn MPEG-4.So với chuẩn MPEG-2 MPEG-4 có ưu xử lý đồ họa trực tiếp Hình 1.3.a : Đầu vào mã hóa MPEG-2 ảnh hoàn chỉnh lặp lại theo tần số ảnh (frame rate) Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén 10 Nghiên cứu khoa học sinh viên 2008-2009 Hình 2.15 : Cận cảnh đối tượng (a) ban đầu (b) mã hóa với mã MPEG-4 tốc độ 20kbit/s 25 VOP/s 2.7 Điều khiển tốc độ Các MPEG-4 Visual H.264 standards phụ thuộc vào khung video đối tượng để xử lý đơn vị macroblock Nếu việc điều khiển thông số video mã hóa giữ ngun (ví dụ, dự đốn khu vực tìm kiếm chuyển động , kích thước khơng gian lượng tử hóa, vv), sau số lượng bít mã hóa cho macroblock thay đổi tùy thuộc vào nội dung khung video , gây tốc độ bit đầu mã hóa ( bit / giây) Thơng thường, mã với thông số cố định đưa nhiều bit hơn, chuyển động mức cao / chi tiết đầu vào chuỗi bít ngắn., chuyển động chậm Hình 2.17 cho thấy ví dụ biến đổi đầu , tốc độ bít đưa chuỗi mã hóa (25 khung / giây) cách sử dụng mã hóa MPEG-4 đơn giản, với lượng tử hóa Đầu tiên khung mã hóa I-VOP khung mã hóa P-VOPs Số lượng bít mã hóa cho P-VOP khác 1300 9000 (tương đương tốc độ bit từ 32-225 kbits / giây) Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén 31 Nghiên cứu khoa học sinh viên 2008-2009 Hình 2.16 : Giá trị tỷ lệ bit ( profile MPEG-4 đơn) Hình 2.17 : Đầu giải mã đầu vào đệm mã hóa Sự thay đổi tốc độ bit vấn đề việc tiến hành phân phối lưu trữ Ví dụ, kênh Bitrate (chẳng hạn mạch phân kênh) khơng truyền thay đổi tốc độ bit dịng liệu Một gói-chuyển mạng hỗ trợ thơng qua tốc khác có nghĩa thơng qua điểm thời gian bị giới hản yếu tố tốc độ liên kết tắc nghẽn Trong trường hợp cần thiết để điều chỉnh tốc độ bít đưa mã hóa video để phù hợp với tốc độ bit chế độ truyền tải Đĩa CD-ROM DVD có phương tiện truyền thơng cố định khả lưu trữ cần thiết để điều Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén 32 Nghiên cứu khoa học sinh viên 2008-2009 khiển tốc độ chuỗi video mã hóa (ví dụ, phim lưu trữ đĩa DVD-Video) để phù hợp với khả phương tiện truyền thông Tốc độ liệu khác đưa mã xếp đệm để mã hóa liệu trước truyền Hình 2.18 cho thấy cách xếp, thay đổi bitrate đầu mã hóa để thông qua 'đầu vào / đầu "(FIFO) đệm đệm rỗng bitrate cố định phù hợp với cơng suất kênh FIFO khác đặt đầu vào giải mã điền vào kênh Bitrate giải mã biến Bitrate (từ giải mã lấy P bit để giải mã cho khung P thay đổi) Một biến mã Bitrate điều chỉnh phù hợp cho Bitrate trung bình khơng đổi cách sử dụng mã hóa giải mã đệm Tuy nhiên, điều sửa đổi phù hợp với đệm không gian lưu trữ chậm trễ rộng lớn biến Bitrate, Hơn nữa, khơng thể để đối phó với thay đổi Bitrate cách sử dụng phương pháp này, trừ kích thước đệm trễ giải mã đặt mức cao ( khơng thực tế) Nó thường cần thiết để triển khai thực kỹ thuật điều khiển mã hóa đầu Bitrate để ngăn không cho đệm từ hay Hình 2.18 : Ví dụ đệm (mã hóa, kênh dẫn bit 100kbps) Thơng qua tốc độ khác từ kênh xử lý cách sử dụng đệm giải mã Ví dụ, kỹ thuật sử dụng rộng rãi-cho hình ảnh truyền qua mạng IP giải mã cho đệm vào vài giây liệu mã hóa trước bắt đầu giải mã Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén 33 Nghiên cứu khoa học sinh viên 2008-2009 Nếu lưu lượng liệu bị giảm tạm thời (ví dụ mạng bị tắc nghẽn) sau tiếp tục giải mã miễn liệu cịn đệm Hình 2.19 : giải mã nội dung đệm cho kênh 100kbit/s Hình 2.20 : Ví dụ đệm (giải mã, kênh dẫn bit 1000kbps Điều khiển tốc độ liên quan đến việc sửa đổi tham số mã hóa để trì mục tiêu tốc độ bit đầu Nhất tham số để thay đổi tham số Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén 34 Nghiên cứu khoa học sinh viên 2008-2009 lượng tử hóa kích thước từ (QP) tăng dần, giảm mã Bitrate (ở tiêu hao giải mã chất lượng thấp hơn) ngược lại Một phương pháp gần để điều khiển tốc độ để sửa đổi thời gian mã hóa để QP (a) trì mục tiêu Bitrate (hoặc có nghĩa Bitrate) (b) giảm thiểu bóp méo chuỗi giải mã Tối ưu hóa tradeoff Bitrate chất lượng công việc đầy thử thách nhiều phương pháp tiếp cận khác thuật toán đưa thực Sự lựa chọn thuật toán điều khiển tốc độ phụ thuộc vào chất ứng dụng video, ví dụ: a) Bộ mã đoạn video cho việc lưu trữ đĩa DVD Thời gian xử lý nén đặc biệt thuật tốn phức tạp sử dụng Mục đích để "phù hợp với 'một chuỗi video nén vào dung lượng có sẵn tăng chất lượng hình ảnh đảm bảo giải mã đệm đầu DVD overflow hay underflow giải mã Hai mã hóa (trong có mã thu thập số liệu thống kê đoạn video chuỗi sau thực mã hóa lần thứ hai ) lựa chọn tốt trường hợp b) Mã hóa video trực tiếp cho chương trình có chương trình phát q trình phát có mã hóa nhiều giải mã; giải mã chế biến đệm giới hạn mã hóa thực tốn kém, Sự trễ vài giây thường chấp nhận có phạm vi cho thuật tốn điều khiển tốc độ phức tạp, kết hợp hai mã khung c) Mã hóa cho video hội nghị chiều Mỗi đầu thực hai loại mã hóa mã hóa điều chế lượng hạn chế Sự chậm trễ phải giữ đến mức tối thiểu (lý tưởng thường khoảng 0,5 giây từ khung chụp mã hóa để hiển thị giải mã) Trong kịch thuật toán điều khiển tốc độ thích hợp mã hóa giải mã đệm nên giảm thiểu (để giữ cho chậm trễ nhỏ) mã hóa phải điều khiển chặt chẽ tốc độ đầu Điều gây chất lượng giải mã video thay đổi đáng kể, ví dụ giảm đáng kể có tăng thêm chi tiết video cảnh Lưu ý: H.264 (hiện nay) không rõ đề nghị thuật toán điều khiển tốc độ (tuy nhiên, đề xuất H.264 cho điều khiển chuyển động diễn tả trong) MPEG-4 Visual mơ tả thuật tốn điều khiển chuyển động (tức sử dụng thuật toán khơng phải bắt buộc) Thuật tốn này, gọi điều khiển tốc độ mở rộng (SRC) chương trình, phù hợp cho đối tượng video loạt bit chuyển động, cố gắng điều khiển tốc độ mở rộng để đạt mục tiêu bít Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén 35 Nghiên cứu khoa học sinh viên 2008-2009 chuyển động số khung hình định (một phân đoạn khung, thường bắt đầu với I-VOP) giả sử cơng thức sau cho mã hóa tốc độ R: Q bước lượng tử hóa kích thước, S khác biệt tuyệt đối khung sau dự đốn chuyển động (một biện pháp cho khung hình phức tạp) X1, X2 tham số Điều khiển tốc độ bao gồm bước sau thực sau dự đoán chuyển động trước mã hóa khung i: 1) Tính tốn mục tiêu bit chuyển động Ri, dựa số khung phân đoạn, số lượng bit sẵn có để dùng cho phần lại phân đoạn, tối đa chấp nhận đệm nội dung ước tính phức tạp khung i (Kích cỡ tối đa đệm ảnh hưởng đến trễ đầu vào mã hóa đầu vào giải mã Nếu khung hình phía trước phức tạp , giả định khung hình phức tạp cấp số lượng bit phù hợp: thuật toán cố gắng để cân yêu cầu so với tổng số giới hạn số lượng bit dành cho phân đoạn.) 2) Tính tốn bước lượng tử hóa kích thước Qi (sẽ áp dụng cho tồn khung hình) Tính tốn S cho hoàn thành dư khung giải chương trình (7,10) để tìm Q 3) Mã hóa khung 4) Cập nhật tham số X1, X2 dựa thực tế số lượng bit để tạo khung i Các thuật tốn SRC nhằm mục đích đạt mục tiêu tốc độ bit, phân đoạn khung hình (chứ khơng phải chuỗi chiều dài bất kì) khơng kéo dài bước lượng tử hóa khung mã hóa, đưa hình thức trực quan thống khung, làm cho khó giữ đệm có kích thước nhỏ qua chậm trễ thấp mở rộng cho SRC hỗ trợ kéo dài bước lượng tử hóa kích thước macroblock phù hợp cho chậm trễ thấp cho ứng dụng đòi hỏi điều khiển tốc độ chặt chẽ Các cấp độ thuật toán maccroblock dựa mơ hình cho số lượng bit Bi u cầu để mã hố macroblock i, Cơng thức Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén 36 Nghiên cứu khoa học sinh viên 2008-2009 Trong A số điểm ảnh maccroblock , σi sai số tiêu chuẩn độ chói độ màu sắc phần cịn lại maccroblock Q i bước lượng tử hóa kích thước , K, C tham số cố định công thức bước sau thực cho maccroblock thứ I : 1) đo σi 2) tính tốn Qi dựa B, K, C, σi maccroblock αi 3) mã hóa macroblock 4) cập nhật thông số K , C dựa số mã bít thực tế đưa cho macroblock Chương : Ứng dụng 3.1 IP TV - Internet Protocol TV cách mạng truyền thông truyền hình, coi cơng nghệ truyền hình hệ thứ (sau truyền hình analog truyền hình số),là dịch vụ truyền hình số truyền theo giao thức internet (IP) qua mạng liệu (data networks) thường internet băng thơng rộng Nói rộng IPTV dịch vụ giá trị gia tăng sử dụng mạng băng rộng IP phục vụ cho nhiều người dùng (user) Các user thơng qua máy vi tính PC máy thu hình phổ thơng cộng với hộp phối ghép set topbox để sử dụng dịch vụ IPTV Người sử dụng (user viewer) tự lựa chọn chương trình TV mạng IP băng rộng Với ý nghĩa phương tiện truyền thông (media) server user - IP TV có ưu điểm : + Sử dùng dễ dàng, hiển thị tivi hiệu cao máy vi tính thao tác hộp ghép nối bàn phím đơn giản, thực chuyển đổi nhanh luồng cao tốc/chương trình + Dễ quản lý, dễ khống chế, sử dụng hộp kết nối làm đầu cuối nhà cung cấp dịch vụ để tiến hành định chế hộp kết nối không cần đến nghiệp vụ an toàn kiểm tra chất lượng Đây sở kỹ thuật để dễ thu phí Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén 37 Nghiên cứu khoa học sinh viên 2008-2009 Với ưu điểm bật tốc độ phát triển IP TV ngày mở rộng với tỉ lệ người sử dụng thống kê năm 2007 sau : Ngày 20/4/2007 New MRG dự báo có 63,5 triệu người đăng ký sử dụng IPTV vào năm 2011 Châu Âu, Châu Á Nam Mỹ • Tháng 3/2007 dịch vụ IPTV truyền cáp quang đến tận nhà (FTTH Fible to the Home) Switzerland • Ngày 27/3/2007: IPTV triển khai Demark có khoảng 35.000 người đăng ký sử dụng • • Ngày 16/4/2007 Kosenna, HP Intel có triệu người đăngký sử dụng IPTV VoD Ngày 4/5/2007: Nokia, Simens network ký hợp đồng phát triển IPTV Ba Lan; Bồ Đào Nha Croatia chọn công nghệ Copper Gate Communication cho dịch vụ IPTV • • V.v… Tình hình phát triển dịch vụ IPTV Việt Nam: Tại Việt Nam, có nhiều nhà khai thác dịch vụ viễn thông lớn cạnh tranh nhằm cung cấp cho khách hàng dịch vụ băng rộng với chất lượng cao giá rẻ Họ nhận xu hướng phát triển truyền hình trực tuyến video theo yêu cầu, có bước mạnh mẽ Một số Website cung cấp thử nghiệm chuơng trình truyền hình trực tuyến VietNamNet, Cơng ty VTC, Đài truyền hình thành phố Hồ Chí Minh ghi nhận số lượng truy cập lớn, cho thấy sức hấp dẫn dịch vụ công chúng Tuy nhiên, Việt Nam có FPT Telecom doanh nghiệp viễn thơng thức khai thác cung cấp dịch vụ IPTV hệ thống mạng băng rộng ADSL/ADSL2+ từ ngày 03/03/2006 sau năm thử nghiệm có 500 khách hàng thử nghiệm FPT Telecom mua thiết bị nhận sóng từ vệ tinh để truyền mạng ký kết quyền từ VTV HTV để phát sóng 32 kênh truyền hình Internet để phục vụ cho khách hàng FPT Hiện FPT tìm kiếm phương thức hợp tác tương tự với VTC để có thêm số kênh phim truyện đài Với thuê bao ADSL 2+ FPT, khách hàng xem lúc kênh truyền hình đồng thời Hiện FPT có gần 100.000 thuê bao ADSL, FPT cung cấp dịch vụ giá trị gia tăng IPTV cho khách hàng Ngồi FPT, Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén 38 Nghiên cứu khoa học sinh viên 2008-2009 doanh nghiệp khác VNPT, Viettel chuẩn bị cho trình triển khai dịch vụ IPTV mạng băng rộng 3.2 Video yêu cầu Video yêu cầu dịch vụ IP TV Phát triển công nghệ IPTV, EOD khai thác hiệu mạng truyền thơng băng rộng mang lại lợi ích cao cho nhà cung cấp dịch vụ cách cung cấp dịch vụ giải trí đa phương tiện Giải pháp tổng thể cho ba loại hình dịch vụ: Giải trí, Điện thoại, truy cập Internet qua TV Dễ dàng linh hoạt tùy biến, thêm bớt, bổ sung dịch vụ khác theo nhu cầu mơ hình kinh doanh khách hàng Các công cụ, chức giao diện quản lý chuyên nghiệp giúp đơn giản hóa hoạt động vận hành hệ thống Công nghệ nén MPEG kết hợp công nghệ lưu trữ Raid, Network tạo khả cung cấp hàng nghìn phim chất lượng cao tương đương DVD Hoạt động tốt nhiều giải pháp mạng khác nhau: Ethernet, Cable TV, ATM, ISDN, xDSL, Fiber Lợi ích video u cầu : • Mở tiềm kinh doanh lợi tức cho nhà cung cấp dịch vụ • Thay cơng nghệ truyền hình giải trí cũ dần lỗi • Khai thác tận dụng triệt để tiềm mạng truyền thông băng rộng (Cable TV, ISDN, xDSL, Fiber ) • Tối ưu hóa lợi ích cho mơ hình kinh doanh khác giúp tạo giá trị lớn nhất, với chi phí nhỏ cho nhà cung cấp dịch vụ • Chi phí đầu tư thấp nhiều so với mua hệ thống tương tự giới • Nhà cung cấp nội dung (Content Provider) hưởng lợi lớn từ việc bán contents cho nhà cung cấp dịch vụ • Các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông, internet sản phẩm đầu cuối hưởng lợi ích từ giá trị gia tăng dịch vụ • Các dịch vụ phát triển EOD Dịch vụ VOD: Truyền hình theo u cầu • Dịch vụ BroadcastTV: Kết nối kênh truyền hình số, cáp, vệ tinh • Dịch vụ Web/MailTV: Duyệt Web, check Mail qua TV • Dịch vụ Home Shopping, Home Banking: Giao dịch Thương mại điện tử, Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén 39 Nghiên cứu khoa học sinh viên 2008-2009 toán qua TV • Dịch vụ E-Learning, D-Learning: Tham gia chương trình đào tạo, huấn luyện trực tuyến từ xa qua TV • Dịch vụ trùn thơng: IP Phone,Video Conferencing, Chatting, SMS, Gọi điện thoại, tham gia hội thảo, chatting hay gửi tin nhắn qua TV 3.3 Mobile TV Mobile TV giải pháp tổng thể cho ba loại hình dịch vụ: Giải trí, Điện thoại, truy cập Internet qua TV Bằng cách sử dụng công nghệ nén MPEG kết hợp công nghệ lưu trữ Raid, Network tạo khả cung cấp hàng nghìn phim chất lượng cao tương đương DVD Mobile đời thay cho cơng nghệ truyền hình giải trí cũ dần lỗi với lơi ích : • Khai thác tận dụng triệt để tiềm mạng truyền thông băng rộng (Cable TV, ISDN, xDSL, Fiber ) • Tối ưu hóa lợi ích cho mơ hình kinh doanh khác giúp tạo giá trị lớn nhất, với chi phí nhỏ cho nhà cung cấp dịch vụ • Chi phí đầu tư thấp nhiều so với mua hệ thống tương tự giới • Nhà cung cấp nội dung (Content Provider) hưởng lợi lớn từ việc bán contents cho nhà cung cấp dịch vụ • Các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông, internet sản phẩm đầu cuối hưởng lợi ích từ giá trị gia tăng dịch vụ • Các dịch vụ phát triển EOD • Dịch vụ VOD: Truyền hình theo u cầu • Dịch vụ BroadcastTV: Kết nối kênh truyền hình số, cáp, vệ tinh • Dịch vụ Web/MailTV: Duyệt Web, check Mail qua TV • Dịch vụ Home Shopping, Home Banking: Giao dịch Thương mại điện tử, tốn qua TV • Dịch vụ E-Learning, D-Learning: Tham gia chương trình đào tạo, huấn luyện trực tuyến từ xa qua TV • Dịch vụ truyền thông: IP Phone,Video Conferencing, Chatting, SMS, Gọi điện thoại, tham gia hội thảo, chatting hay gửi tin nhắn qua TV Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén 40 Nghiên cứu khoa học sinh viên 2008-2009 Ericsson nhà sản xuất thiết bị viễn thông tiên phong lĩnh vực Mobile TV, hãng cung cấp giải pháp toàn diện từ đầu tới cuối (end to end) như: khởi tạo dịch vụ, tích hợp, hệ thống nội dung cho khách hàng sản xuất thiết bị đầu cuối S-Fone – mạng ĐTDĐ CDMA Việt Nam triển khai dịch vụ TV ĐTDĐ vào quí 4/2006 Sự kiện thu hút ý đơng đảo người dùng lợi ích tính di động dịch vụ Tuy nhiên tính đến thời điểm này, người sử dụng dịch vụ Những nguyên nhân khiến Mobile TV S-Fone chưa phổ dụng Việt Nam dễ dàng nhận thấy: sách cước chưa hợp lý với người dùng Việt Nam cách tính cước phức tạp; có model ĐTDĐ sử dụng dịch vụ này; chất lượng đường truyền không tốt Nhưng ngun nhân có lẽ giá cước, nhiều người dùng cho với mức cước khoảng 5.000 đồng/phút Mobile TV cịn q xa vời Thậm chí việc S-Fone “cải thiện” mức cước cách phát hành gói cước liệu (chỉ dùng cho liệu khơng cho thoại) cước mobile TV S-Fone 1.200 đồng bị nhiều người cho cao Nhìn sang Hàn Quốc, quốc gia mà Mobile TV phổ dụng tồn cầu (dùng cơng nghệ DMB), người dùng dịch vụ SK Telecom (một chủ sở hữu quan trọng S-Fone) phải trả cước thuê bao 13 USD (khoảng 200.000 đồng) để xem truyền hình tháng mà khơng phải trả khoản tiền khác Nếu so với kết khảo sát tiến hành Nokia người dùng châu Âu kết cho thấy 4,90 Euro (cũng khoảng 200.000 đồng) mức đa số người hỏi cho hợp lý 3.4 Truyền hình hội nghị Dịch vụ truyền hình hội nghị (NGN) dịch vụ truyền dẫn tín hiệu hình ảnh âm hai nhiều điểm khác Dịch vụ cho phép nhiều người tham dự địa điểm trao đổi trực tiếp âm thanh, hình ảnh qua hình loa Hệ thống Truyền hình Hội nghị NGN cịn cung cấp nhiều tiện ích khác cho người sử dụng như: kết nối với máy tính để trình chiếu văn bản, kết nối với hệ thống âm ngoài, thiết bị lưu trữ (đầu ghi băng từ, đĩa quang VCD, DVD ổ cứng) để lưu phiên hội thảo quan trọng Truyền hình hội nghị triển khai nhiều tảng mạng khác mạng LAN, mạng WAN, mạng chuyển mạch, mạng IP, ATM hay ISDN Lợi ích dịch vụ : Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén 41 Nghiên cứu khoa học sinh viên 2008-2009 Với việc sử dụng tiết kiệm băng thơng, truyền hình hội nghị NGN mang lại cho khách hàng nhiều loại hình dịch vụ đa dạng với chi phí thấp • Dịch vụ giúp tổ chức, doanh nghiệp thực hội thảo chi nhánh, văn phòng tỉnh, thành phố khác thông qua hình Tivi • Dịch vụ truyền hình hội nghị NGN cơng cụ hiệu quả, hữu ích cơng tác đào tạo, giảng dạy trợ giúp y tế từ xa….như : • -Giảm thiểu thời gian lại - Giảm thiểu chi phí lại sinh hoạt mức cao ( khơng thực tế) Nó thường cần thiết để triển khai thực kỹ thuật điều khiển mã hóa đầu Bitrate để ngăn khơng cho đệm từ hay chảy - Lưu lại toàn nội dung họp - Tận dụng sở hạ tầng mạng khác - Thông tin suốt, liên tục toàn cầu - Mang lại khả ứng biến tức thời định nhanh chóng, kịp thời Tại Việt Nam, điều kiện kinh tế nước ta cịn khó khăn, chưa theo kịp nước phát triển giới, nguồn ngân sách Nhà nước cịn có hạn việc sử dụng hội nghị truyền hình tiết kiệm khoản chi phí khơng nhỏ Hiện nay, hạ tầng kỹ thuật mạng viễn thơng nước ta hồn tồn cho phép triển khai sử dụng phương thức hội nghị truyền hình qua ISDN IP Tính đến thời điểm nay, nước ta có số cơng ty tham gia khai thác loại dịch vụ đầy tiềm như: Công ty Viễn thông liên tỉnh (VTN), Công ty Viễn thông quốc tế(VTI), Công ty Viễn thông Sài Gịn (Saigon Postel), Cơng ty Viễn Thơng Qn đội(Viettel), Công ty Viễn thông Điện lực (EVN)… Kết luận Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén 42 Nghiên cứu khoa học sinh viên 2008-2009 Đề tài nghiên cứu “phương pháp mã hoá video theo hướng đối tượng hệ thống thông tin video nén” đạt số kết sau: Tổng quan mã hố video,mục đích nghiên cứu nén video theo đối tượng nhằm giảm tối đa dung lượng đoạn video giúp cho trình lưu trữ truyền dẫn thơng tin cách hiệu Tìm hiểu cách tổng quan chuẩn nén nay,MPEG-4 mã hoá đối tượng khác khung hình truyền cách riêng biệt đến giải mã sau chúng tổ hợp lại H.264 cho chất lượng hình ảnh tốt có dung lượng với chuẩn nén khác,H.264 ứng dụng thuật nén video độ phân giải cao Ưu điểm kỹ thuật mã hoá video nén theo hướng đối tượng MPEG-4 thể tính mềm dẻo,có khả nâng cấp, độ xác cao ( dự đốn xác đến ½ điểm ảnh) có khả tương tác cao,chuẩn nén có khả sử lý đối tượng có hình dạng Tìm hiểu cơng nghệ mã hố video MPEG-4,cơng việc mã hố chia mã hố khung hình,mã hố đối tượng (VOP) kèm theo thông tin chuyển động mã hoá kết cấu để xử lý liệu bên liệu lại sau bù chuyển động Mã hố khung hình thực theo trình tự: biến đổi cosin rời rạc (DCT),lượng tử hố mã hoá Mã hoá theo đối tượng (VOP) tập trung sâu vào mã hoá VOP, ước lượng chuyển động,bù chuyển động kỹ thuật chuyển động Việc tìm kiếm dự đốn thực xác đến ½ điểm ảnh Và kỹ thuật điều khiển tốc độ đưa để đảm bảo tỉ lệ nén tốc độ truyền video Tìm hiểu ứng dụng MPEG-4 IP TV,video theo yêu cầu,mobile TV ứng dụng truyền hình hội nghị Với nhiều tính ưu việt trên, hướng đặt là: liệu MPEG -4 sử dụng cho việc lưu trữ MPEG -1 hay dùng công nghệ truyền hình số MPEG -2 Thực tế cho thấy, ngồi ứng dụng mơi trường mạng nói chung truyền hình tương tác nói riêng – theo APB(04/2004)- Đài Truyền hình Nhật Bản NHK, TBS, NTV TV Asahi TV Tokyo thức chấp nhận đưa chuẩnH264/MPEG Part 10 cho phát sóng số mặt đất, cho thu di động, khả khả tiềm ẩn chuẩn mã hố trình diễn video H264/MPEG Part 10 Do vậy, đề tài nghiên cứu bước nghiên cứu ứng dụng H264/MPEG Part 10 cho truyền hình số cho thu di động hay cải tạo Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén 43 Nghiên cứu khoa học sinh viên 2008-2009 chất lượng truyền hình Internet để đạt chất lượng hình ảnh tốt truyền hình số TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Xử lý ảnh Biên soạn : PGS.TS Nguyễn Quang Hoan Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 2006 [2] Compressed Video Communications Biên soạn : Abdul H Sadka Trường đại học Surrey, Guildford UK năm 2002 [3] H.264 and MPEG-4 Iain E.G.Richardson Trường đại học Robert Gordon Aberdeen ,UK năm 2003 [4] Audio & Video số T.S Đỗ Hoàng Tiến, Nhà xuất khoa học kỹ thuật năm 2002 Các trang web tìm tham khảo tài liệu : http://www.tapchibcvt.gov.vn http://www.vtn.com.vn ( truyền hình hội nghị) http://www.elcom.com.vn ( IP TV ) http://www.vatgia.com ( mobile TV )s Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén 44 ... truyền đối tượng chiều nhờ đối tượng lưới Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén 11 Nghiên cứu khoa học sinh viên 2008-2009 1.3.4 Audio, video tất đối tượng. .. đổi Vì chúng tơi chọn đề tài nghiên cứu “ phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén” để sâu tìm hiểu kỹ thuật mã hóa chuẩn nén MPEG-4 Đề tài nghiên cứu chia... hình số, ứng dụng đồ hoạ Video tương tác haichiều(Games,Videoconferencing) ứng dụng Multimedia tương tác hai chiều Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng hệ thống thông tin video nén Nghiên