Đang tải... (xem toàn văn)
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA CHUẨN NÉN MPEG4 PART 10H.264 KẾT HỢP VỚI VIDEO STREAMINGChương 1: Tổng quan về các chuẩn nén trong video streaming. Chương 2: Chuẩn nén video MPEG. Chương 3: Ứng dụng của bộ mã hóa MPEG4 Part 10H.264 và video streaming vào IPTV.
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - VŨ THỊ HƯƠNG GIANG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA CHUẨN NÉN MPEG-4 PART 10/H.264 KẾT HỢP VỚI VIDEO STREAMING CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THƠNG MÃ SỐ: 60.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2014 Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Quý Sỹ Phản biện 1: TS.Nguyễn Ngọc Minh Phản biện 2: PGS.TS Lê Mỹ Tú Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: .8 30 ngày 09 tháng 08 năm 2014 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Với phát triển nhanh chóng mạng Internet băng rộng làm thay đổi nội dung kĩ thuật truyền hình Hiện truyền hình có nhiều dạng khác nhau: truyền hình số, truyền hình vệ tinh, truyền hình cáp, truyền hình Internet IPTV IPTV cấp độ cao cơng nghệ truyền hình tương lai Vì liệu video thơ chiếm lượng lớn băng thông nên thường sử dụng nén để thu hiệu truyền dẫn Nén cho phép nhà cung cấp dịch vụ IPTV quảng bá kênh video audio chất lượng cao qua mạng IP băng rộng Chuẩn nén video MPEG-4 Part 10/H.264 định dạng hay sử dụng để ghi, nén, phân phối video độ nét cao với nhiều ứng dụng rộng rãi từ ứng dụng video streaming qua Internet tốc độ bit thấp tới quảng bá HDTV Chuẩn MPEG-4 Part 10/H.264 kế thừa ưu điểm chuẩn nén trước MPEG-2, MPEG-4, MPEG4 Part 10/H.264 có hiệu suất nén tốt linh hoạt việc lưu trữ truyền dẫn Với đề tài:" Nghiên cứu ứng dụng chuẩn nén MPEG-4 Part 10/H.264 kết hợp với video streaming", luận văn em gồm chương: Chương 1: Tổng quan chuẩn nén video streaming Chương 2: Chuẩn nén video MPEG Chương 3: Ứng dụng mã hóa MPEG-4 Part 10/H.264 video streaming vào IPTV CHƢƠNG - TỔNG QUAN VỀ CÁC CHUẨN NÉN TRONG VIDEO STREAMING 1.1 Giới thiệu Có mơ hình truyền dẫn video lưu trữ mạng Internet chế độ download chế độ streaming Video streaming có yêu cầu băng thông, độ trễ mát Tuy nhiên, mạng Internet nỗ lực tối đa không cung cấp đảm bảo QoS Nén video làm giảm số bit dùng để biểu diễn pixel ảnh Các thuật toán nén ảnh sinh tạp nhiễu (artifact) nhìn thấy Nén ln được-mất mức artifact băng thông 1.2 Các yêu cầu kỹ thuật chuẩn nén video streaming Băng thông: Để thu chất lượng chấp nhận theo cảm giác, ứng dụng streaming điển hình cần có u cầu băng thơng tối thiểu Trễ: Streaming video yêu cầu trễ end-to-end giới hạn để gói tới phía thu lúc để giải mã hiển thị Mất gói: Mất gói khơng thể tránh Internet Do đó, mong muốn video stream mạnh tránh gói Chức nhƣ video-cassette-recoder (VCR): Một số ứng dụng streaming yêu cầu chức giống VCR dừng, tạm dừng/tiếp tục lại, Độ phức tạp giải mã hóa: Một số thiết bị điện thoại di động, thiết bị số cá nhân (PDA) yêu cầu tốn lượng Do đó, yêu cầu độ phức tạp giải mã hóa thấp 1.3 Các chuẩn nén video streaming 1.3.1 Cơ sở nén Một video clip chuỗi ảnh khung Từng ảnh xử lý riêng biệt ảnh tĩnh Một ví dụ điển hình chuẩn JPEG Nén khung Nén ảnh đơn miền không gian gọi nén khung Nén liên khung Một chuỗi ảnh video có thay đổi nhỏ từ ảnh tới ảnh tiếp theo, ngoại trừ số thay đổi cảnh Nén theo thời gian liên khung loại bỏ dư thừa khung liên tiếp Thị giác Võng mạc vỏ não xử lý cảnh nhìn thấy theo cách phát biên đường Một kiến trúc nén tốt phải tận dụng chế thị giác 1.3.2 Các thuật tốn nén Có loại dư thừa tín hiệu video là: khơng gian, thời gian, giác quan, thống kê Mã hóa khung hay nén khơng gian Mã hóa biến đổi, block pixel biến đổi sang miền tần số, sau lượng tử hóa mã hóa entropy Mã hóa biến đổi Mã hóa biến đổi chuyển đổi mảng không gian pixel block, đồ bit sang miền tần số Biến đổi cosin rời rạc DCT thông qua rộng rãi cho video codec Một số biến đổi khác nghiên cứu DFT, KLT WHT Nén wavelet Cung cấp biểu diễn lại thời gian-tần số ảnh thu chất lượng ảnh DCT tỉ số nén cao nhiều Nén dựa vào mô hình Đây thay cho mã hóa dạng sóng Codec cố gắng mơ hình hóa cảnh sau phát ký hiệu mơ tả, thay biểu diễn lại ảnh không gian Chia nhỏ (fractal) Trong ảnh định, phần ảnh tương đồng với phần khác ảnh.Các phần giống ảnh định vị sau áp dụng thuật tốn chia nhỏ Mã hóa dựa đối tượng Mã hóa đối tượng thơng qua sở cho mã hóa MPEG-4 Một cảnh biểu diễn lại số đối tượng video Mỗi đối tượng miêu tả hình dạng, kết cấu di chuyển Thuật tốn DCT wavelet sử dụng để nén đối tượng Mã hóa entropy Mã hóa entropy mang lại biểu diễn ảnh ngắn nhiều với cách sử dụng từ mã ngắn cho chuỗi bit có khả từ mã dài cho chuỗi khả Biến đổi cosin rời rạc Biến đổi sở cho tất codec video phổ biến Ảnh chia thành block thông thường sau block biến đổi thành block hệ số biến đổi Các hệ số chuẩn hóa lượng tử hóa Mã hóa độ dài thay đổi (VLC) Bằng cách quét hệ số theo đường zigzag kết dần chạy tới Các hệ số sau chuyển đổi thành chuỗi cặp cường độ chạy Các hệ số cường độ chạy sau mã hóa với từ mã độ dài thay đổi Nén liên khung hay nén theo thời gian Cở sở loại nén phát sai khác khung Hầu hết sai khác khung từ đối tượng chuyển động Ƣớc tính chuyển động Để tạo vector chuyển động, mã hóa phải ước tính chuyển động phần tử ảnh Dự đoán chuyển động so sánh khung trước với khung tại, sau ước tính block ảnh di chuyển 1.3.3 Các codec nén 1) H.261 - hội nghị video Đây chuẩn mã hóa video khởi đầu cho chuẩn MPEG-1 H.261 cho điện thoại video hội nghị video qua đường ISDN Chuẩn định nghĩa kích thước hình định dạng trung bình chung (CIF) 352 x 288 Quarter CIF 176 x 144 pixel, sử dụng quét tiến lên lấy mẫu 4:2:0 Tốc độ liệu từ 64 kb/s tới Mb/s chuẩn hỗ trợ Nén dựa DCT với mã hóa độ dài thay đổi 2) MPEG-1 Độ phân giải thông thường nguồn định dạng đầu vào chuẩn (SIF) Độ phân giải không gian khác : 352 x 288 25 fps cho PAL 351 x 240 30 fps cho NTSC Chuẩn sử dụng quét tiến lên Nén video giống H.261 sử dụng DCT với mã độ dài thay đổi Chuẩn thiết kế cho ứng dụng lưu trữ CD-ROM, tốc độ liệu lên tới 1.5 Mb/s không hỗ trợ streaming 3) H.263 H.263 phát triển H.261 hướng tới ứng dụng tốc độ bit thấp, có từ năm 1992 Chuẩn H.263 hỗ trợ độ phân giải SQCIF, QCIF, CIF, 4CIF, 16 CIF H.263 chuẩn sở cho mã hóa video tự nhiên MPEG-4 4) MPEG-2 Một hệ thống độ phân giải cao hơn, chất lượng cao cho truyền hình quảng bá, MPEG-2 dành để thay cho hệ thống tổng hợp tương tự (NTSC, PAL) hệ thống truyền dẫn số, mã hóa DVD Ứng dụng sử dụng băng thơng kênh lớn Mb/s Profile mức (MP@ML) TV độ nét chuẩn với tốc độ liệu lên tới 15 Mb/s Chuẩn dành để hỗ trợ tốc độ bit TV độ nét cao (lên tới 80 Mb/s) profile studio có khung I (50 Mb/s) 5) MPEG-4 MPEG-4 hệ thống MPEG mà hỗ trợ streaming phần chuẩn MPEG-4 phiên hỗ trợ: Tốc độ bit điển hình từ kb/s tới 10 Mb/s; định dạng quét: video trộn lẫn lũy tiến Độ phân giải: điển hình từ sub-QCIF tới HDTV MPEG-4 khơng dùng đồ bit chiều vng góc chuẩn mã hóa trước mà thơng qua mã hóa đối tượng 6) AVC (Advanced Video Codec, H.264) Nhóm video kết hợp (JVT - Joint Video Team) thành lập để phát triển video codec tiên tiến hay AVC Nó gọi H.264 ITU MPEG-4 Part 10 tổ chức MPEG Các chuẩn MPEG khác MPEG-7 Đây hệ thống chuẩn hóa để mơ tả nội dung âm thanhhình ảnh Điều cho phép tìm kiếm nhanh hiệu Các ảnh âm trình bày trừu tượng: bố cục, mô tả văn nội dung, màu sắc MPEG-21 MPEG-21 framework cho tài nguyên đa phương tiện tích hợp qua dải rộng tảng dịch vụ Streaming media phần quan trọng framework Một trọng tâm MPEG-21 bán nội dung Chìa khóa quản lý sở hữu trí tuệ Chuẩn VC-1 VC-1 viết tắt Video Codec 1, chuẩn hóa cộng đồng kỹ sư truyền hình ảnh động SMPTE Chuẩn phát hành vào 2006 Một triển khai profile cao thông qua tảng mã hóa đa phương tiện WMV Microsoft Một số đặc điểm VC-1 sau: Triển khai qua dải rộng tảng Hỗ trợ profile riêng biệt: simple, main, advanced Hỗ trợ ASF để cấu trúc dòng IPTV Hỗ trợ dải kích thước block Loại khung bổ sung:VC-1 đưa loại khung BI Hoạt động qua dải rộng công nghệ truyền tải mạng 1.4 Kết luận Chương trình bày yêu cầu kỹ thuật nén video video streaming, sở nén video số chuẩn nén phổ biến Các công nghệ nén khác phát triển cho mục đích khác Đối với ứng dụng video streaming, video codec phải đảm bảo yêu cầu băng thơng, độ trễ, gói, độ phức tạp Chƣơng - CHUẨN NÉN VIDEO MPEG VÀ MPEG4 PART 10/ H.264 2.1 Giới thiệu MPEG nhóm chuyên gia hình ảnh, thành lập vào năm 1988 với nhiệm vụ xây dựng tiêu chuẩn cho tín hiệu audio video số Ngày nay, MPEG trở thành kỹ thuật nén audio video phổ biến nhất, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể thiết bị có tiêu chuẩn thích hợp nguyên lý thống 2.2 Mã hóa giải mã MPEG 2.2.1 Cấu trúc dòng bit video MPEG Seq Seq Seq SC Video Params GoP SC Time code PSC Type SSC Addr Iner Vert Pos Type Seq Bitstream Params GoP Params Buffer Params Qscale MB Motion Vector QTs, Misc Pict GoP Slice GoP Slice b0 Pict Encode Params Qscale MB CBP b5 Hình 2.1: Cấu trúc dịng bit video MPEG 2.2.2 Nguyên lý nén MPEG Nén MPEG chia chuỗi video thành nhóm ảnh Từng ảnh nhóm chia thành slice macroblock Một macroblock bao gồm block độ chói block U V MPEG định nghĩa loại khung nhóm: khung I (Intraframe), khung dự đoán hay khung P, khung hai hướng hay khung B Cơ sở công nghệ nén MPEG kết hợp nén khung (intra-frame) nén liên khung (inter-frame) Điều khiển tốc độ Video vào + + Lượng tử hóa DCT - Ảnh dự đốn Bộ giải mã cục Hệ số lượng tử Mã hóa Entropy Bộ đệm Dịng bit mã hóa Giải lượng tử hóa DCT ngược + Ước tính chuyển động Dự đoán bù chuyển động Bộ nhớ ảnh Vector chuyển động Hình 2.2: Sơ đồ nén MPEG Sơ đồ nén MPEG hình 2.2 Ảnh so sánh với ảnh trước tạo ảnh sai khác Ảnh sau nén ảnh qua bước: biến đối DCT, lượng tử hóa, mã hóa Dữ liệu ảnh sai khác vector chuyển động mang thông tin ảnh sau nén liên khung đưa tới đệm đầu 2.2.3 Nguyên lý giải nén MPEG Dòng bit vào Nhớ đệm Giải mã Entropy Giải lượng tử hóa DCT ngược Sai số dự đốn Video đầu ∑ Bộ nhớ ảnh Vector chuyển động Bù chuyển động Ảnh tham chiếu Hình 2.3: Sơ đồ giải nén MPEG Quá trình giải nén: giải mã entropy, sau tách liệu ảnh (hệ số biến đổi DCT) khỏi vector chuyển động Dữ liệu 10 2.3.2 Các profile level chuẩn MPEG-4 Hình 2.5: Các profile mức level MPEG-4 MPEG-4 chia thành nhóm cơng cụ gọi profile, profile chứa vài tính cần thiết chuẩn mã hóa thích hợp cho phạm vi ứng dụng Mỗi profile lại có số mức level khác Có nhiều nhóm profile media profile, scene graph profile, MPEG-J profile, Nhóm media profile có: audio profile, visual profile, graphics profile Trong visual profile gồm có profile sau: Simple profile Simple scalable profile, Core profile (profile lõi), Main profile, N-bit profile, Scalable texture profile Simple face, Hybrid profile, Basic animated texture profile 2.4 Chuẩn nén MPEG-4 Part 10/H.264 2.4.1 Giới thiệu chung MPEG-4 part 10/H.264 Để cung cấp nén video tốt chuẩn nén trước đó, chuẩn MPEG-4 part 10/H.264 hay H.264/AVC phát triển nhóm video kết hợp JVT bao gồm chuyên gia đến từ MPEG VCEG ITU-T H.264/AVC đáp ứng hiệu mã hóa, đặc tả cú pháp đơn giản, tích hợp mã hóa video với tất giao thức kiến trúc ghép 11 kênh Do đó, H.264/AVC hỗ trợ ứng dụng video broadcasting, video streaming, video conferencing qua mạng cố định, không dây qua giao thức truyền tải khác Tính kế thừa chuẩn nén MPEG-4 Part 10/H.264: Phân chia hình ảnh thành block bao gồm nhiều pixel Khai thác triệt để dư thừa mặt không gian tồn hình ảnh liên tiếp Khai thác phụ thuộc tạm thời block hình ảnh liên tiếp Khai thác tất dư thừa thống kê, giảm tương quan thống kê mã hóa entropy H.264 có thay đổi quan trọng chi tiết phần tử chức dự đoán ảnh, biến đổi số nguyên x mới, nhiều ảnh tham chiếu, kích thước block thay đổi, độ xác 1/4 cho bù chuyển động, lọc tách khối, cải tiến mã hóa entropy H.264 sử dụng số phương pháp để phục hồi lỗi Thiết lập tham số, thứ tự macroblock mềm dẻo, slice chuyển đổi, phương pháp slice dư thừa thêm vào 2.4.2 Cấu trúc mã hóa MPEG-4 part 10/H.264 Lớp mã hóa video MPEG-4/H.264 kết hợp mã hóa khơng gian mã hóa thời gian Bộ mã hóa lựa chọn mã hóa ảnh mã hóa liên ảnh cho miền khối Bộ lọc tách khối làm giảm nhiễu khối đường biên block Các vector chuyển động mode dự đốn ảnh làm biến đổi kích thước block ảnh Cuối cùng, vector chuyển động hay mode dự đoán liên ảnh liên kết với thông tin hệ số biến đổi lượng tử hóa mã hóa sử dụng mã entropy CAVLC hay CABAC 2.4.2.1 Các ảnh bù chuyển động dùng MEG-4 Part 10/H.264 Chia ảnh thành macro-block Mỗi ảnh video, frame chia thành macroblock có kích thước cố định bao phủ diện tích ảnh hình chữ nhật gồm 16 x 16 mẫu cho thành phần chói x mẫu cho hai thành phần màu 12 Các macroblock tổ chức thành slice MPEG-4 Part 10/H.264 hỗ trợ dạng mã hóa slice khác Slice I, B, P chuẩn trước Hai dạng SI SP Dự đoán ảnh Intra-frame H.264 sử dụng phương pháp dự đốn macroblock mã hóa ảnh để giảm lượng bit mã hóa tín hiệu gốc đưa vào Video đầu vào ∑ Biến đổi Lƣợng tử hóa Các hệ số lượng tử Mã hóa entropy Dịng bit đầu Biến đổi ngƣợc ∑ Dự đoán khung Bộ lọc tách khối Quyết định Intra/ inter mode Dự đoán bù chuyển động Ƣớc tính chuyển động Bộ nhớ ảnh Dữ liệu chuyển động Hình 2.6: Sơ đồ mã hóa MPEG-4 part 10/H.264 Bù chuyển động slice P (dự đốn liên ảnh) Các dạng mã hóa bù chuyển động xác định cho macroblock slice P Dự đoán liên ảnh làm giảm tương quan theo thời gian với trợ giúp việc ước tính vector chuyển động bù chuyển động - Chia macroblock thành block - Các giá trị dự đoán cho thành phần chói thành phần màu - Bù chuyển động MPEG-4 Part 10/H.264 cho phép vector chuyển động khơng hạn chế, tức chúng hướng ngồi miền ảnh MPEG-4 Part 10/H.264 hỗ trợ dự đốn bù chuyển động đa ảnh 13 Ngoài mode bù chuyển động mô tả trên, macroblock slice P mã hóa mode gọi SKIP Bù chuyển động slice B So với tiêu chuẩn trước đó, MPEG-4 Part 10/H.264 tổng quát khái niệm slice B không hỗ trợ cặp dự đoán theo hướng tiến/lùi mà hai cặp theo hướng tiến/tiến lùi/lùi Các mode dự đốn slice B: Trong slice B có mode dự đoán liên ảnh khác hỗ trợ: dự đoán list 0, list 1, hai hướng trực tiếp Dự đốn có trọng số (weighted prediction): MPEG-4 Part 10/H.264 sử dụng phương pháp dự đốn có trọng số khác cho macroblock slice P hay slice B Việc phân chia macroblock: tương tự với slice P Các vector chuyển động tương tự với slice P Các slice SP SI Trong tiêu chuẩn trước đó, việc chuyển đổi hồn tồn dịng bit ảnh I H.264 giới thiệu slice chuyển đổi SP SI để chuyển đổi dòng bit mã hóa tốc độ bit khác 2.4.2.2 Ước tính chuyển động (Motion Estimation) Ước tính vector chuyển động sử dụng cho nén dư thừa thời gian.Việc ước tính vector chuyển động thực phép phân tích hai khung liên tiếp xác định miền hình ảnh có thay đổi hay chuyển động ảnh 2.4.2.3 Nén video 1) Nén theo miền thời gian Khi mã hóa hoạt động chế độ "inter", khối phải qua công đoạn hiệu chỉnh chuyển động Khi mã hóa hoạt động chế độ "intra", khối bỏ qua công đoạn hiệu chỉnh chuyển động tới thẳng công đoạn DCT 2) Nén theo miền không gian Ưu điểm MPEG-4 Part 10/H.264 sử dụng biến đổi khơng gian ngun (gần giống với DCT) block 4x4 pixel 14 Lƣợng tử hóa Để lượng tử hóa hệ số biến đổi, MPEG-4 Part 10/H.264 dùng phương pháp lượng tử hóa vơ hướng Mã hóa entropy Mã hóa entropy tiêu chuẩn trước dựa bảng mã hóa VLC cố định Tuy nhiên, H.264 tất phần tử cú pháp mã hóa mã Exp-Golomb Để mã hóa liệu dư thừa, mã CAVLC phát triển Ngồi ra, mã hóa CABAC phát triển Main profile High profile 2.4.2.3 Bộ lọc tách khối Một đặc trưng riêng mã hóa dựa sở khối nhìn thấy cấu trúc khối MPEG-4 part 10/H.264 sử dụng lọc tách khối (deblocking filter) để làm giảm tượng tách khối, ngăn chặn việc truyền tạp âm mã hóa tích lũy 2.4.3 Bộ giải mã video MPEG-4 part 10/H.264 2.4.3.1 Bù chuyển động Bù chuyển động thực việc thiết lập lại khung sở vector nhận được, liệu delta (dữ liệu khác hai khung liên tiếp) hình ảnh mã hóa trước 2.4.3.2 Khơi phục lỗi Một nhiệm vụ quan trọng giải mã làm phù hợp khôi phục lại lỗi chắn xảy ra, đặc biệt kết nối qua liên kết dễ xảy lỗi mạng khơng dây Dịng bit đầu vào Giải mã hóa entropy Các hệ số lượng tử Biến đổi ngƣợc ∑ Bộ lọc tách khối Video đầu Dự đoán khung Quyết định Intra/ inter mode Dữ liệu chuyển động Bộ nhớ ảnh Dự đoán bù chuyển động Hình 2.7: Sơ đồ giãi mã video MPEG-4 Part 10/H.264 15 2.4.4 Các profile level chuẩn MPEG-4 part 10/H.264 High profile Extended profile Kích thước block biến đổi tương thích Ma trận tỉ lệ lượng tử Phân chia liệu SI slice SP slice Main profile B slice Dự đốn có trọng số CABAC I slice P slice CAVLC Thứ tự slice tùy ý Thứ tự macroblock mềm dẻo Slice dư thừa Baseline profile Hình 2.8: Các phần mã hóa profile H.264 2.5 Đánh giá chuẩn nén MPEG-4 Part 10/H.264 2.5.1 Hiệu mã hóa Hình 2.9 biểu diễn PSNR thành phần chói tốc độ bit trung bình cho ứng dụng video streaming Bảng 2.1 biểu diễn độ tiết kiệm tốc độ bit trung bình Có thể thấy H.264/AVC làm tốt mã hóa xem xét khác Bảng 2.1: Tiết kiệm tốc độ bit trung bình cho ứng dụng video streaming Tiết kiệm tốc độ bit trung bình tương đối: Bộ mã hóa MPEG-4 ASP H.263 HLP MPEG-2 H.264/AVC 37.44% 47.58% 63.57% MP MPEG-4 ASP -16.65% 42.95% H.263 HLP 30.61% 16 Hình 2.9: PSNR thành phần chói tốc độ bit trung bình chuẩn mã hóa khác cho ứng dụng video streaming Đối với ứng dụng video conferencing, H.264/AVC BP (Baseline Profile), MPEG-4 Visual SP (Simple Profile), H.263 Baseline, H.263 CHC xem xét Bảng 2.2: Tiết kiệm tốc độ bit trung bình cho ứng dụng video conferencing Tiết kiệm tốc độ bit trung bình tương đối: Bộ mã hóa H.263 CHC MPEG-4 SP H.263 base H.264/AVC BP 27.69% 29.37% 40.59% H.263 CHC -2.04% 17.63% MPEG-4 SP 15.69% Đối với ứng dụng giải trí, tiết kiệm tốc độ bit trung bình H.264/AVC so với MPEG-2 Video ML@MP HL@MP trung bình 45% 17 Hình 2.10: PSNR thành phần chói tốc độ bit trung bình chuẩn mã hóa khác cho ứng dụng video conferencing 2.5.2 Độ phức tạp phần cứng Độ phức tạp số cơng cụ mã hóa H.264/AVC Kích thước block thay đổi: độ phức tạp tăng 2.5% cho mode thêm vào Giảm tốc độ bit điển hình 20% Biến đổi Hadamard: Sử dụng biến đổi Hadamard làm tăng tần suất cập khoảng 20%, không ảnh hưởng đáng kể tới chất lượng tốc độ bit chuỗi kiểm tra B-frames: ảnh hưởng khung B lên tần suất truy cập thay đổi từ -16 tới 12% phụ thuộc vào trường hợp kiểm tra giảm tốc độ bit lên tới 10% CABAC: CABAC làm tăng tần suất truy cập từ 25 tới 30 Sử dụng CABAC làm giảm tốc độ bit lên tới 16% Giải pháp vector thay thế: mã hóa chọn để tìm kiếm vector chuyển động vị trí 1/2 phần tử ảnh thay vị trí 1/4 phần tử ảnh, làm giảm độ phức tạp khoảng 10% Tuy nhiên, sử dụng vector 1/4 phần tử ảnh làm tăng hiệu mã hóa lên 30% ngoại trừ với tốc độ bit thấp 18 Dải tìm kiếm: Việc tăng số khung tham chiếu kích thước tìm kiếm làm cho tần suất truy cập cao hơn, lên tới xấp xỉ 60 lần, ảnh hưởng nhỏ lên hiệu PSNR tốc độ bit Nhiều khung tham chiếu: làm tăng tần suất truy cập theo kiểu tuyến tính: độ phức tạp tăng 25% cho khung thêm vào Một độ lợi nhỏ 2% tốc độ bit tốc độ bit thấp trung bình, tiết kiệm đáng kể cho chuỗi tốc độ cao (lên tới 14%) Bộ lọc tách khối:ảnh hưởng không đo lên độ phức tạp mã hóa Tuy nhiên, lọc làm tăng đáng kể chất lượng hình ảnh theo đối tượng Đối với mã hóa, nút thắt cổ chai kết hợp nhiều ảnh tham chiếu kích thước tìm kiếm lớn Phân tích độ phức tạp số cơng cụ giải mã H.264/AVC CABAC: tần suất truy cập tăng lên tới 12%, so với phương pháp sử dụng bảng VLC thuận nghịch đơn B-frames: ảnh hưởng khung B lên độ phức tạp truyền liệu tăng biến động từ 11 tới 29% Biến đổi Hadamard: ảnh hưởng bỏ qua mặt truy cập nhớ, tăng thời gian giải mã lên 5% Bộ lọc tách khối: sử dụng lọc tách khối làm tăng tần suất truy cập giải mã 6% Giải pháp vector thay thế: trường hợp mã hóa gửi vector vị trí 1/2 phần tử ảnh, độ phức tạp giảm 15% 2.6 Kết luận chƣơng Chương trình bày mã hóa giải mã MPEG nói chung, MPEG-4 nói riêng sâu vào chuẩn MPEG-4 part 10/H.264 Chuẩn mã hóa video MPEG-4 part 10/H.264 hay H.264/AVC phát triển thông qua nhóm MPEG ISO/IEC nhóm VCEG ITU-T So sánh với chuẩn mã hóa video trước đó, H.264/AVC cung cấp hiệu mã hóa cải thiện cải thiện đáng kể độ mềm dẻo để sử dụng hiệu qua dải rộng mạng Tuy nhiên kèm với độ phức tạp tăng 19 CHƢƠNG - ỨNG DỤNG BỘ MÃ HÓA MPEG-4 PART 10/H.264 KẾT HỢP VỚI VIDEO STREAMING TRONG IPTV 3.1 Mơ hình truyền thơng IPTV 3.1.1 Các thành phần hệ thống IPTV Hình 3.1 biểu diễn thành phần phần cứng phần mềm giao diện liên quan yêu cầu để thực thi giải pháp từ đầu tới cuối hoàn chỉnh cho multicast TV VoD IP Hình 3.1: Nền tảng dịch vụ IPTV multicast VoD 3.1.1.1 Bộ mã hóa thời gian thực Q trình mã hóa trung tâm sữ liệu IPTV thường diễn bước sau: (1) Một video nhận từ nguồn cụ thể Định dạng thay đổi từ tín hiệu tương tự chất lượng thấp tới dòng số chất lượng cao 20 (2) Khi nhận video, mã hóa áp dụng sơ đồ nén cụ thể, MPEG-4 part 10/H.264 (3) Sai nén, video chuẩn bị cho truyền dẫn, nghĩa nội dung chèn vào gói liệu 3.1.1.2 Máy chủ streaming TV quảng bá Những máy chủ thường cấu hình thành cụm cho mục đích cơng việc liên tục có trách nhiệm streaming nội dung live IPTV sử dụng giao thức chọn tới người sử dụng Máy chủ video streaming nhận lệnh từ máy chủ middleware VoD, nhận đầu vào từ DRM máy chủ quản lý nội dung với dòng MPEG-2, MPEG-4, H.264 codec tương tự chọn nhà cung cấp dịch vụ IPTV 3.1.2 Các phương pháp khác để streaming nội dung IPTV 3.1.2.1 Unicast Trong unicast, tất dòng video IPTV gửi tới IPTVCD đơn Do đó, có nhiều người sử dụng cuối IPTV thu kênh video, IPTVCD cần nhận dòng unicast riêng biệt 3.1.2.2 Broadcast Mạng IP hỗ trợ chức broadcast, kênh IPTV stream tới tất thiết bị truy cập IPTV kết nối với mạng băng rộng Khi máy chủ cấu hình để broadcast, kênh gửi tới tất IPTVCD kết nối với mạng dù có u cầu hay khơng Đây vấn đề lớn tài nguyên IPTVCD 3.1.2.3 Multicast Các nhóm thành viên tạo thành sở cho multicast hoạt động Trong triển khai IPTV, nhóm multicast kênh TV quảng bá thành viên IPTVCD chọn xem kênh Do đó, kênh IPTV stream tới IP set-top box muốn xem kênh 21 3.2 Mơ hình tham chiếu IPTV truyền tải nội dung MPEG-4 MPEG-4 part 10/H.264 bao gồm hai lớp: lớp mã hóa video (VCL) lớp trừu tượng mạng (NAL) Bắt đầu H.264/AVC đưa khái niệm lớp trừu tượng mạng Lớp VCL quan tâm tới việc nén nội dung video Lớp NAL tương thích dịng bit tạo VCL với mạng môi trường ghép kênh khác Tải trọng video NAL NAL unit header Chứa phần toàn slice video bit bit bit Định nghĩa loại NALU Cờ báo hiệu NAL dùng lần hay không Bit thị lỗi có NAL header tải trọng bit Hình 3.2: Cấu trúc khối NAL Việc phân phát nội dung H.264/AVC chuẩn hóa cho giao thức phân phát nội dung, loại hướng tới lĩnh vực ứng dụng khác nhau: - Giao thức truyền tải thời gian thực RTP phương tiện triển khai mạng IP/chuyển mạch gói - Dịng truyền tải MPEG-2 (TS) sử dụng cho mạng quảng bá truyền hình số - Định dạng file H.264 (MPEG-4 part 15) dùng để lưu trữ phân phát H.264 thời gian thực 3.2.1 Định dạng file H.264/AVC ISO/IEC 14496-15 rõ định dạng lưu trữ cho dòng video H.264/AVC Việc lưu trữ nội dung H.264/AVC sử dụng dung lượng có định dạng file phương tiện sở ISO (ISO/IEC 14496-12) 22 định nghĩa mở rộng để hỗ trợ tính sau codec H.264/AVC: Chuyển đổi ảnh, chuỗi lớp, tập tham số Cấu trúc dòng phần tử (ES) Có hai loại dịng phần tử để lưu trữ nội dung AVC định dạng file AVC: dòng phần tử video, dòng phần tử tập tham số Định nghĩa cấu hình mẫu: Mẫu AVC: đơn vị truy cập Mẫu tập tham số AVC: mẫu dòng tập tham số mà chứa NALU tập tham số xem xét có mặt dòng phần tử video tham số thời gian 3.2.2 Đóng gói dịng phần tử ES H.264/AVC vào dịng truyền tải MPEG-2 Điều khiển xáo trộn truyền tải Byte đồng Điều khiển trường thích ứng Bộ đếm liên tục bit bit thị lỗi truyền tải 16 bit bit thị bắt đầu khối tải trọng bit bit bit bit độ ưu tiên truyền tải Độ dài thay đổi Nhận dạng chương trình (PID) Dữ liệu video Trường thích ứng Hình 3.3: Định dạng gói MPEG TS Từng dịng chuyển đổi thành dịng gói dịng đóng gói (PES) đánh dấu thời gian Tiếp theo, lớp cấu trúc dòng truyền tải xây dựng dịng truyền tải TS Gói TS tạo thành cách ngắt gói PES thành gói TS có kích thước cố định 188 byte độc lập với thời gian 3.2.3 Định dạng tải trọng RTP cho H.264/AVC Lớp RTP sử dụng rộng rãi nhiều ứng dụng IPTV khác Lớp trung gian nội dung mã hóa H.264/AVC, MPEG-2 VC-1 lớp cao phần thấp IPTVCM Giao thức RTP lõi lớp thường khối sở để hỗ trợ streaming thời gian thực nội dung phương tiện qua mạng IP 23 Đệm bit Mở rộng 1 bit bit bit bit Phiên Đánh dấu bit Danh sách nhận dạng nguồn phân phối (CSRC) Loại tải trọng (PT) 16 bit Bộ đếm nhận dạng nguồn phân phối (CSRC) 32 bit Số chuỗi Nhãn thời gian 32 bit 32 bit Nhận dạng nguồn đồng độ (SSRC) Hình 3.4: Định dạng điển hình RTP header RFC 3984 định nghĩa chế chèn khối NAL vào tải trọng RTP: - Gói khối NAL đơn: chế định nghĩa ánh xạ khối NAL đơn vào tải trọng RTP đơn - Gói khối NAl kết hợp: chế định nghĩa ánh xạ nhiều khối NAL vào tải trọng RTP đơn - Gói NAL phân tách: Cơ chế định nghĩa ánh xạ khối NAL đơn thành nhiều tải trọng RTP 3.3 Đánh giá mơ hình hệ thống IPTV kết đạt đƣợc Hệ thống IPTV hình 3.1 biểu diễn thành phần phần cứng phần mềm giao diện liên quan yêu cầu để thực thi giải pháp từ đầu tới cuối hoàn chỉnh cho multicast TV VoD IP Mơ hình mang tính lý thuyết Trong thực tế, việc triển khai IPTV tùy theo giải pháp nhà cung cấp dịch vụ 3.4 Kết luận chƣơng Chương trình bày thành phần video sử dụng hệ thống IPTV, phương pháp để streaming nội dung IPTV mơ hình tham chiếu IPTVCM để đóng gói truyền tải nội dung MPEG-4 part 10/H.264 Đối với VoD, hệ thống truyền thông unicast sử dụng để thiết lập liên kết phiên riêng rẽ IPTVCD máy chủ trung tâm liệu IPTV Phương pháp truyền thông không hiệu để phân phát kênh quảng bá truyền thống Do đó, kỹ thuật gọi IP multicast sử dụng rộng rãi để cung cấp kênh TV quảng bá đơn tới nhều khách hàng lúc 24 KẾT LUẬN Trong phạm vi luận văn nêu tổng quan chuẩn nén video streaming, chuẩn nén thuộc họ MPEG nói chung cơng nghệ nén video tiến tiến MPEG-4 Part 10/H.264, ứng dụng chuẩn nén MPEG-4 Part 10/H.264 kết hợp với video streaming IPTV Chuẩn nén MPEG-4 Part 10/H.264 kế thừa ưu điểm chuẩn nén trước đó, đồng thời bổ sung thêm cơng cụ làm tăng hiệu mã hóa, cho phép cung cấp dịch vụ video chất lượng cao qua mạng với băng thông hạn chế Tuy nhiên, kèm với độ phức tạp tăng MPEG-4 Part 10/H.264 khơng sử dụng IPTV mà cịn ứng dụng hầu hết cơng nghệ truyền hình số đại như: truyền hình số mặt đất, truyền hình số vệ tinh, truyền hình cáp, truyền hình di động đến truyền hình phân giải cao HDTV ứng dụng đa phương tiện khác ... chung cơng nghệ nén video tiến tiến MPEG-4 Part 10/H.264, ứng dụng chuẩn nén MPEG-4 Part 10/H.264 kết hợp với video streaming IPTV Chuẩn nén MPEG-4 Part 10/H.264 kế thừa ưu điểm chuẩn nén trước đó,... MPEG-4 Part 10/H.264 kết hợp với video streaming" , luận văn em gồm chương: Chương 1: Tổng quan chuẩn nén video streaming Chương 2: Chuẩn nén video MPEG Chương 3: Ứng dụng mã hóa MPEG-4 Part 10/H.264... mạng 1.4 Kết luận Chương trình bày yêu cầu kỹ thuật nén video video streaming, sở nén video số chuẩn nén phổ biến Các công nghệ nén khác phát triển cho mục đích khác Đối với ứng dụng video streaming,