HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Nguyễn Quốc Chính NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG MÃ HÓA VIDEO SVC/H.264 CHO TRUYỀN TẢI VIDEO TRÊN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – NĂM 2013 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Thị Hằng Nga Phản biện 1: ……………………………………………….………… Phản biện 2: ………………………………………………………… Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 1 CHƯƠNG I: CƠ HỘI VÀ THÁCH THỨC KHI TRUYỀN TẢI VIDEO TRÊN MẠNG 4G Sự phát triển vượt bậc về công nghệ đã thúc đẩy xu hướng hội tụ công nghệ cố định và di động, dịch vụ viễn thông và công nghệ thông tin, tích hợp các thiết bị đầu cuối trở thành hiện thực. Nhu cầu sử dụng các dịch vụ đa phương tiện trên các thiết bị đầu cuối di động đã và đang bùng nổ trong những năm gần đây, điều này thúc đẩy việc nghiên cứu phát triển các hệ thống thông tin di động tế bào băng rộng như : LTE, WiMAX,…Trong đó, công nghệ LTE được các nhà khai thác di động ở Việt Nam (Viettel, VNPT,…) khá quan tâm và đã triển khai thử nghiệm do khả năng tương thích ngược với các hệ thống di động hiện có GSM và WCDMA/UMTS. Có rất nhiều nghiên cứu xảy ra trong truyền video trực tuyến (streaming video) không dây từ góc độ khác nhau. Hiện nay, bộ mã hóa H.264/AVC được sử dụng cho các dịch vụ video di động khác nhau. Tuy nhiên, xét tính chất không đồng nhất của màn hình hiển thị, khả năng tính toán khác nhau của thiết bị di động, và các điều kiện mạng không đồng nhất, SVC mở rộng của H.264 là một cách tiếp cận đầy hứa hẹn để cung cấp những nội dung khả năng điều chỉnh cho các ứng dụng di động trong tương lai. 1.1. Các công nghệ không dây thế hệ thứ 4 1.2. LTE và OFDMA Mạng LTE bao gồm mạng truy nhập và mạng lõi, được biết đến như mạng truy cập vô tuyến mặt đất UMTS phát triển (E-UTRAN) và lõi gói phát triển (Evolved Packet Core - EPC Hệ thống truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS phát triển (E-UTRA) của LTE sử dụng OFDMA cho đường xuống và FDMA sóng mang đơn (SCFDMA) cho đường lên. 2 1.3. Các giao thức trên giao diện vô tuyến LTE 1.4. Phân phối video qua mạng LTE Hình 1.5. Phân phối video thời gian thực qua mạng LTE 1.5. Chất lượng kênh trong mạng LTE 1.6. Thách thức khi truyền tải video qua mạng LTE 1.6.1. Truyền dẫn lại không mong muốn 1.6.2. Băng thông thay đổi 1.6.3. Đặc tính người dùng và thiết bị đầu cuối không đồng nhất 1.7. Kết luận Từ một số nội dung được trình bày trong chương về tổng quan mạng di động 4G LTE, phương thức truyền tải video qua mạng LTE và khó khăn thách thức khi truyền tải video H.264 qua mạng không dây, giúp ta thấy được bức tranh tổng quan và những vấn đề cần quan tâm khi truyền tải video qua mạng LTE. Hiện nay, có một số phương pháp đã được đề xuất để cải thiện truyền video trực tuyến qua mạng không dây. Người ta phân loại các phương pháp tiếp cận dựa trên các ngăn xếp giao thức mạng mà chúng làm việc trên đó và thiết kế hệ thống trên chip (SoC). Các ngăn xếp giao thức liên quan là lớp ứng dụng, lớp vận chuyển, lớp mạng và cross-layer (ví dụ, các cơ chế được thiết kế liên quan đến các hoạt động từ nhiều 3 ngăn xếp giao thức). Những vấn đề thiết kế chính nhằm: (1) Nâng cao khả năng thiết bị đầu cuối của người sử dụng điện thoại di động; (2) Tối giảm tác động tổng thể của việc rớt khung trong mạng không dây; (3) Nâng cao hiệu quả truyền tải và sử dụng tài nguyên cho việc phân phối video trực tuyến. Trong lớp ứng dụng, vấn đề chính là hiệu quả mã hóa của bộ codec đó. Mã hóa video có khả năng điều chỉnh (Scalable Video Coding - SVC) đã được đề xuất để cung cấp khả năng điều chỉnh của mã hóa video. Trong lớp truyền tải, khả năng phục hồi lỗi bit là một kỹ thuật chỉnh sửa và truyền các gói với lỗi bít tới các lớp cao hơn thay vì loại bỏ chúng. Đối với các lớp mạng, các vấn đề chính là tạo ra tuyến truyền tải video, lựa chọn nút chuyển tiếp và cấp phát tài nguyên để phân phối các dòng H.264/AVC cho các nhóm người sử dụng trong mạng chuyển tiếp với nguồn lực tối thiểu hoặc để phục vụ người dùng tối đa với một quỹ tài nguyên hạn chế. Trong thiết kế cross-layer, thông tin từ lớp ứng dụng, lớp MAC và lớp vật lý được cùng xem xét để cải thiện hiệu quả phân phối video qua mạng. Cuối cùng, khả năng thiết bị đầu cuối cũng là một vấn đề quan trọng trong thông tin liên lạc không dây vì giải mã video đòi hỏi khả năng tính toán mạnh mẽ. Kiến trúc phần cứng nâng cao của thiết kế SoC được đề xuất với công nghệ VLSI để tăng cường phân phối video đến người dùng cuối. Với khuôn khổ hạn hẹp của luận văn này, tôi đi vào nghiên cứu về chuẩn mã hóa video H.264/SVC và tìm hiểu được ưu điểm của phương pháp mã hóa này để truyền video qua mạng di động 4G LTE. Từ đó, đề xuất áp dụng khi triển khai 4G tại Việt Nam. 4 CHƯƠNG II: TÌNH HÌNH TIÊU CHUẨN MÃ HÓA VIDEO TIÊN TIẾN 2.1. Kỹ thuật nén video số 2.1.1. Khái niệm 2.1.2. Mô hình nén ảnh 2.2. Các đặc điểm của nén tín hiệu số 2.2.1. Xác định hiệu quả của quá trình nén ảnh số 2.2.2. Độ dư thừa số liệu 2.2.3. Sai lệch bình phương trung bình 2.3. Các phương pháp nén 2.3.1. Nén không tổn hao 2.3.2. Nén có tổn hao 2.4. Tiêu chuẩn nén MPEG 2.4.1 Cấu trúc ảnh 2.4.2 Các thành phần cơ bản trong chuẩn nén MPEG 2.5. Chuẩn nén video H.264 H.264/MPEG-4 Part 10 hoặc AVC/H.264 (AVC - Advanced Video Coding) là một tiêu chuẩn cho nén video, và hiện nay là một trong các định dạng được sử dụng phổ biến nhất được sử dụng để ghi, nén và phân phối video độ nét cao. Công việc soạn thảo cuối cùng về phiên bản đầu tiên của tiêu chuẩn này được hoàn thành tháng 5 năm 2003. H.264/MPEG-4 AVC được phát triển bởi nhóm các chuyên gia mã hóa video ITU-T cùng với nhóm các chuyên gia hình ảnh chuyển động MPEG của ISO / IEC JTC1. 5 2.5.1. Bộ mã hóa (encoder) 2.5.2. Bộ giải mã hóa (decoder) 2.6. Cú pháp H.264 H.264 cung cấp một định dạng được định nghĩa rõ ràng hoặc cú pháp cho thể hiện video đã được nén và các thông tin liên quan. 2.7. Các profiles của H.264 Tiêu chuẩn mã hóa video H.264 định nghĩa 21 tập các khả năng (21 sets of capabilities), được gọi là các profiles với mục tiêu phân loại các ứng dụng khác nhau. AVC/H.264 có 10 profiles không có khả năng điều chỉnh, 04 profiles chỉ có các khung I, 02 profiles multiview (đa hình ảnh) và 05 profiles có khả năng điều chỉnh 2.8. Ưu điểm của chuẩn nén H.264/AVC Có lẽ lợi thế lớn nhất của H.264 hơn tiêu chuẩn trước đó là hiệu quả nén của nó. So sánh với các tiêu chuẩn như MPEG-2 và MPEG-4 Visual, H.264 có thể cung cấp: Chất lượng hình ảnh tốt hơn ở cùng một bitrate nén, hoặc một bitrate nén thấp hơn cho cùng một chất lượng hình ảnh. 2.9. Tổng kết Nén video tiên tiến H.264/AVC là một tiêu chuẩn công nghiệp cho mã hóa video mà nó định nghĩa một định dạng hoặc cú pháp nén video và một phương pháp giải mã cú pháp này. Nó cung cấp một tập hợp các công cụ hoặc các thuật toán có thể được sử dụng để cung cấp nén video hiệu quả, linh hoạt và mạnh mẽ cho một phạm vi rộng các ứng dụng, từ các ứng dụng có độ phức tạp thấp, các ứng dụng video di động bitrare thấp tới các dịch vụ truyền hình quảng bá độ nét cao. 2.10. Tiêu chuẩn mã hóa SVC Sự phát triển của mã hóa video có khả năng điều chỉnh (Scalable Video Coding - SVC) mở rộng cho H.264, chuẩn hóa theo tiêu chuẩn H.264/SVC. SVC hỗ trợ mã hóa cho video theo một cách mà nhiều phiên bản của các tín hiệu video có 6 thể được giải mã ở một loạt các bitrate, độ phân giải không gian và / hoặc độ phân giải thời gian và tốc độ khung hình có hiệu quả. Bằng cách kết hợp nhiều phiên bản mã hóa, nó có thể được phân phối theo cách hiệu quả hơn so với phương án mã hóa và truyền mỗi phiên bản riêng biệt. H.264/SVC được đưa ra trong Phụ lục G của H.264/AVC và H.264/SVC có 05 profiles trong tổng số 21 profiles của AVC. 2.10.1. Truyền tải Simucast (Simucast transmission) 2.10.2. Truyền tải có khả năng điều chỉnh (Scalable transmission) Hình 2.14. Các luồng có khả năng điều chỉnh 2.10.3. Ứng dụng của mã hóa video có khả năng điều chỉnh SVC đã được đề xuất cho một số kịch bản ứng dụng. Nhiều bộ giải mã: Suy giảm nhẹ hoặc tăng cường (Graceful degradation / enhancement) Lưu trữ 2.10.4. Mã hóa video có khả năng điều chỉnh trong H.264 Mã hóa video có khả năng điều chỉnh (Scalable Video Coding - SVC) được đưa ra trong Phụ lục G của các phiên bản gần đây của tiêu chuẩn H.264/AVC và điều chỉnh khả năng của các tiêu chuẩn ban đầu. Một phần mềm thực hiện, mô hình video có khả năng điều chỉnh (the Joint Scalable Video Model), JSVM, hiện có sẵn để tải về và trải nghiệm. H.264 SVC hỗ trợ ba loại hoặc lớp chính cho khả năng điều chỉnh (hình 2.15): 7 1. Khả năng điều chỉnh thời gian: Lớp cơ bản được mã hoá ở độ phân giải thời gian thấp hoặc tốc độ khung hình thấp, các lớp tăng cường thêm vào làm tăng tốc độ khung hình của trình tự giải mã. 2. Khả năng điều chỉnh không gian: Các lớp cơ bản được mã hoá ở độ phân giải không gian thấp, các lớp tăng cường thêm vào làm tăng độ phân giải không gian của chuỗi được giải mã. 3. Khả năng điều chỉnh chất lượng: Các lớp cơ bản được mã hoá tại một chất lượng hình ảnh thấp bằng cách sử dụng một QP cao, các lớp tăng cường thêm vào làm tăng chất lượng hình ảnh của chuỗi được giải mã. Hình 2.15. Tổng quan các loại khả năng điều chỉnh 2.10.5. Khả năng điều chỉnh thời gian 2.10.6. Khả năng điều chỉnh chất lượng 2.10.7. Khả năng điều chỉnh không gian 2.10.7.1. Tổng quan về khả năng điều chỉnh không gian 2.10.7.2. Chi tiết khả năng điều chỉnh không gian 8 2.10.8. Chi tiết khả năng điều chỉnh chất lượng 2.10.9. Kết hợp các khả năng điều chỉnh (Combined scalability) 2.11.Kết luận Sự khác biệt cơ bản giữa SVC và AVC là việc mã hóa các tín hiệu video được thực hiện như là một tập các lớp. Các lớp khác nhau phụ thuộc vào nhau, tạo thành một hệ thống phân cấp. Một lớp đặc biệt, cùng với các lớp mà nó phụ thuộc vào cung cấp các thông tin cần thiết để giải mã tín hiệu video ở một độ trung thực cụ thể (particular fidelity). Độ trung thực ở đây liên quan đến một hoặc nhiều độ phân giải không gian, độ phân giải thời gian, hoặc tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR). Các lớp thấp nhất, tức là, lớp mà không phụ thuộc vào bất kỳ lớp nào khác, được gọi là lớp cơ sở và cung cấp các mức chất lượng thấp nhất. Mỗi lớp bổ sung cải thiện chất lượng của tín hiệu trong bất kỳ một trong ba chiều (không gian, thời gian, hoặc SNR). Theo thiết kế, một khía cạnh rất quan trọng của SVC là lớp cơ sở phù hợp với AVC. Nói cách khác, lớp cơ sở của một tín hiệu SVC được giải mã bởi một bộ giải mã AVC. Điều này đảm bảo một tín hiệu SVC là tương thích ngược với AVC, mặc dù ở mức thấp hơn của độ trung thực so với tín hiệu đầy đủ nếu có liên quan đến nhiều hơn một lớp. Lưu ý rằng một bộ mã hóa SVC không cần phải luôn luôn tạo ra các luồng bít được mã hóa theo lớp - nếu nó hoạt động trong một môi trường mà không cần thiết hoặc không yêu cầu phải có khả năng điều chỉnh thì nó có thể tạo ra các luồng bít AVC truyền thống. [...]... tiến h nh nghiên cứu, tổng h p được tình h nh nghiên cứu ứng dụng truyền tải video sử dụng SVC/ H. 264 trên mạng di động LTE, xu thế tất yếu của việc triển khai mạng LTE tại Việt Nam và đề xuất yêu cầu kỹ thuật.cần quan tâm khi đề xuất lựa chọn h thống LTE có khả năng cung cấp dịch vụ video Từ những lý do trên, tôi khẳng định việc áp dụng công nghệ mã h a H. 264 /SVC trên nền tàng mạng di động 4G LTE là... nhuận chính cho các nhà cung cấp dịch vụ di động nên việc nghiên cứu các kỹ thuật liên quan đến công nghệ truyền tải video qua mạng di động LTE, từ đó đề xuất phương án triển khai là một vấn đề mang tính thực tế cao tại thời điểm hiện nay 3.6 Đề xuất mô h nh ứng dụng SVC/ H. 264 cho truyền tải video trên h thống LTE Kết quả nghiên cứu ở các phần 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, là những kết quả nghiên cứu chuyên... cấp dịch vụ video như sau: 1 Sử dụng kỹ thuật mã h a video SVC/ H. 264 để truyền tải video qua h thống LTE nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng LTE; 2 Sử dụng dịch vụ eMBMS trong LTE để cung cấp hiệu quả tần số cao h n và truyền dẫn điểm - đa điểm đáng tin cậy h n cho LTE; 3 H thống ứng dụng các thuật toán h trợ truyền tải tối ưu SVC qua mạng LTE: thuật toán điều khiển dữ liệu thích ứng mạng... thiệu trong luận văn nhưng chưa có mô h nh áp dụng toàn trình về việc áp dụng video mã h a SVC truyền tải trên mạng LTE Do đó, trên cơ sở nghiên cứu nắm bắt các kỹ thuật, tác giả xin đề xuất mô h nh ứng dụng công nghệ SVC/ H. 264 cho truyền tải video trên mạng LTE trong h nh vẽ 3.14 Trên cơ sở mô h nh đề xuất, tác giả cũng đề xuất một số vấn đề cần quan tâm khi lựa chọn h thống LTE và thiết kế mạng LTE. .. để truyền tải video Và việc triển khai các thiết bị phần cứng thực hiện h trợ việc truyền tải video mã h a SVC/ H. 264 đã được ứng dụng trong lĩnh vực h i nghị truyền h nh, ví dụ như một số h ng công nghệ lớn đã có sản phẩm riêng của mình như h ng Vidyo, Polycom…Còn việc sử dụng SVC cho truyền tải trên mạng LTE đang ở trong quá trình thử nghiệm trong thực tế để đánh giá hiệu quả Các kết quả thử nghiệm... định liên quan đến điều chế được sử dụng 3.3 Kết quả nghiên cứu ưu điểm của SVC cho truyền tải luồng video qua mạng LTE thông qua phần mềm mô phỏng Do h n chế về điều kiện phần mềm mô phỏng Opnet h trợ mô phỏng mạng LTE, nên để thấy được ưu điểm của việc sử dụng mã h a video SVC/ H. 264 cho luồng video truyền tải qua mạng LTE, luận văn đã thực hiện tham khảo kết quả nghiên cứu của tài liệu tham khảo... giải mã Điều này cho thấy rằng SVC trên LTE cho phép truyền tải video rất mạnh mẽ Trong khu vực gần các trạm gốc, h thống sử dụng h u h t thời gian lớp truyền tải SVC cao nhất để cung cấp chất lượng video tốt nhất Trong trường h p chất lượng kênh xấu tạm thời, có thể dễ dàng gây ra bởi các hiệu ứng di 20 động hoặc che khuất tạm thời gây ra bởi các loại xe khác, các bộ giải mã SVC có thể chỉ có thể giải... này, các lớp chia sẻ thông tin với các lớp khác để có thể thích ứng và ổn định cao nhất trong các tình huống điều kiện kênh không ổn định Sơ đồ truyền tải luồng video mã h a theo chuẩn SVC/ H. 264 với sơ đồ lập biểu và thích ứng động dựa trên chất lượng kênh được đề xuất trong [34] Kết quả mô phỏng cho thấy chất lượng video được cải thiện cho số lượng nhiều người sử dụng h n với lưu lượng video tốc độ... PSNR chấp nhận được Mặc dù các tác giả đã phân tích khả năng điều chỉnh thời gian cho suy giảm nhẹ (graceful degradation), khả năng điều chỉnh chất lượng và khả năng điều chỉnh thời gian có thể được áp dụng đồng thời cho các loại h nh suy giảm nhẹ (graceful degradation) 17 H nh 3.7 Tổn hao gói của các video H. 264 đối với các UE cách trạm gốc 5km và 10km (với sự suy giảm nhẹ) H nh 3.8 So sánh thông lượng... lớp truyền tải SVC trong lúc di chuyển thông qua sector phục vụ Trong khu vực gần các trạm gốc, h thống sử dụng h u h t thời gian lớp truyền tải SVC cao nhất để cung cấp chất lượng video tốt nhất Trong trường h p chất lượng kênh xấu tạm thời, có thể dễ dàng gây ra bởi các hiệu ứng di động hoặc che khuất tạm thời gây ra bởi các loại xe khác, các bộ giải mã SVC có thể chỉ có thể giải mã thành công 2 lớp . H C VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Nguyễn Quốc Chính NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG MÃ H A VIDEO SVC/ H. 264 CHO TRUYỀN TẢI VIDEO. bộ mã h a H. 264/ AVC được sử dụng cho các dịch vụ video di động khác nhau. Tuy nhiên, xét tính chất không đồng nhất của màn h nh hiển thị, khả năng tính