Đang tải... (xem toàn văn)
Tìm hiểu chuẩn nén video ITU và ứng dụng thử nghiệm Lời nói đầu 3 1. Tìm hiểu chung về chuẩn nén video ITU 4 1.1. Giới thiệu về tổ chức ITU 4 1.2. Tổng quan về các chuẩn video 4 1.3. Các chuẩn nén video của ITU 5 1.3.1. Chuẩn H.261 5 1.3.2. Chuẩn H.263 6 1.3.3. Ưu điểm và nhược điểm của các chuẩn video H.26x 7 2. So sánh sơ đồ công nghệ nén video theo chuẩn ITU(H261) với sơ đồ nén video theo chuẩn MPEG(MPEG1) 8 2.1. Sơ đồ nén của H.261 và MPEG1 8 2.2. So sánh với phương pháp nén theo chuẩn H26X với chuẩn MPEG 10 2.2.1. Những điểm giống nhau 10 2.2.3. Những điểm khác nhau 11 3. Thử nghiệm ứng dụng. 14 KẾT LUẬN 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 17 Lời nói đầu Hiện nay, chúng ta đang sống trong thời đại khoa học kĩ thuật và công nghệ cao, con người đã đạt nhiều thành tựu trong rất nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong công nghệ thông tin. Truyền thông đa phương tiện là một một ngành trong công nghệ thông tin, có mặt ở hầu hết mọi nơi, đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải thông tin, xóa nhòa các khoảng cách địa lý và mang lại cho con người nhiều lợi ích to lớn. Trong truyền thông đa phương tiện, nén video là một công nghệ vô cùng quan trọng. Tại sao ta phải nén video? Những video gốc với dung lượng lớn không thể truyền tải nếu không có nén. Tùy theo nhu cầu và các kĩ thuật thực hiện, chúng ta đã phát minh ra nhiều chuẩn nén video khác nhau, phù hợp với nhiều mục đích sử dụng. Trong bài báo cáo này chúng em sẽ trình bày về chuẩn nén video ITU (H.26x), tìm hiểu xem chúng hoạt động ra sao, chất lượng hình ảnh và các ứng dụng của chúng trong thực tế như thế nào, sự khác biệt giữa chúng và các chuẩn nén video MPEG.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG BÁO CÁO MÔN HỌC Truyền thông đa phương tiện Đề tài:Tìm hiểu chuẩn nén video ITU và ứng dụng thử nghiệm Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS. Nguyễn Thị Hoàng Lan Sinh viên thực hiện : Nguyễn Thành Trung 20112384 Trần Anh Tuấn 20112451 Trần Xuân Sơn 20112090 Hà Nội 12/2014 1 Mục lục 2 Lời nói đầu Hiện nay, chúng ta đang sống trong thời đại khoa học kĩ thuật và công nghệ cao, con người đã đạt nhiều thành tựu trong rất nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong công nghệ thông tin. Truyền thông đa phương tiện là một một ngành trong công nghệ thông tin, có mặt ở hầu hết mọi nơi, đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải thông tin, xóa nhòa các khoảng cách địa lý và mang lại cho con người nhiều lợi ích to lớn. Trong truyền thông đa phương tiện, nén video là một công nghệ vô cùng quan trọng. Tại sao ta phải nén video? Những video gốc với dung lượng lớn không thể truyền tải nếu không có nén. Tùy theo nhu cầu và các kĩ thuật thực hiện, chúng ta đã phát minh ra nhiều chuẩn nén video khác nhau, phù hợp với nhiều mục đích sử dụng. Trong bài báo cáo này chúng em sẽ trình bày về chuẩn nén video ITU (H.26x), tìm hiểu xem chúng hoạt động ra sao, chất lượng hình ảnh và các ứng dụng của chúng trong thực tế như thế nào, sự khác biệt giữa chúng và các chuẩn nén video MPEG. Chúng em xin cảm ơn cô Nguyễn Thị Hoàng Lan đã giúp chúng em hoàn thành báo cáo này. 3 1. Tìm hiểu chung về chuẩn nén video ITU 1.1. Giới thiệu về tổ chức ITU ITU là Tổ chức viễn thông quốc tế thuộc Liên hiệp quốc, được thành lập vào năm 1865 (với tên gọi tiền thân là Liên minh Điện báo quốc tế - International Telegraph Union). Các hoạt động của ITU bao trùm tất cả các vấn đề thuộc ngành Công nghệ Viễn thông và Thông tin gồm có điều phối các quốc gia trên toàn cầu trong việc chia sẻ và sử dụng các tài nguyên Viễn thông như tần số vô tuyến điện, quỹ đạo vệ tinh, hỗ trợ phát triển cơ sở hạ tầng viễn thông tại các nước đang phát triển và xây dựng các tiêu chuẩn chung trên thế giới về kết nối các hệ thống liên lạc. ITU cũng đang tham gia nghiên cứu và tìm giải pháp cho các thách thức chung trên toàn cầu trong thời đại hiện nay như biến đổi khí hậu và bảo mật, an toàn thông tin. ITU có 3 lĩnh vực hoạt động chính gồm: ITU-T (Viễn thông - Telecom), ITU-R (Thông tin vô tuyến - Radio), ITU-D (Phát triển viễn thông - Telecommunications Development). 1.2. Tổng quan về các chuẩn video Hiện nay trên thế giới có hai tổ chức chịu trách nhiệm chính trong việc đưa ra các chuẩn về nén và giải nén video đó là ITU và ISO. • Tổ chức ITU – International Telecommunications Union o Chuyên tậptrung vào các ứng dụng truyền thông với dòng video chuẩn H.26x, vớidung lượng lưu trữ nhỏ và hiệu quả cao trong việc truyền tải trên mạng. o Dòng H.26x bao gồm các chuẩn H.261, H.262, H.263, và H.264. • Tổ chức ISO – International Standards Organization o Đưa ra dòng MPEG chủ yếu tập trung phát triển các ứng dụng đa người dùng (phim,video, ). o Dòng MPEG bao gồm các chuẩn MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4. 4 Hai tổ chức này cùng nhau lập nên nhóm JVT-Joint Video Team để đưa ra chuẩn H.264 - là chuẩn nén video mới nhất hiện nay và được xem là dòng nén video thế hệ thứ 3. Quá trình phát triển các dòng video H.26x và MPEG 1.3. Các chuẩn nén video của ITU 1.3.1. Chuẩn H.261 Chuẩn H.261 là chuẩn nén video hoàn chỉnh đầu tiên trên thế giới, được giới thiệu vào năm 1993 bởi tổ chức ITU. H.261 nằm trong chuẩn khuyến nghị H.323 của ITU. Ban đầu H.261 được thiết kế cho mạng ISDN, cho những ứng dụng hội nghị trực tuyến video hai chiều với tốc độ truyền dữ liệu bằng cấp số nhân của 64Kbit/s, độ trễ đầu cuối thấp và bitrate cố định. H.261 hỗ trợ hai độ phân giải là CIF (352x288) và QCIF (176x144),sử dụng kĩ thuật lấy mẫu 4:2:0. Thuật toán nén của chuẩn này không phức tạp do yêu cầu việc nén và giải nén phải được thực hiện theo thời gian thực. 5 1.3.2. Chuẩn H.263 H.263 là chuẩn mã hóa video/audio do nhóm VCEG (Video Coding Experts Group) thuộc tổ chức ITU đưa ra năm 1998. H.263 được coi là thế hệ tiếp theo của chuẩn H.261, cũng được dùng cho các hội nghị video trực tuyến. Năm 1998, ITU cải tiến chuẩn này và cho ra chuẩn H.263v2 (còn gọi là H.263+ hay H.263 1998). Năm 2000, chuẩn H.263v3 ra đời (còn gọi là H.263++ hay H.263 2000). H.263 được phát triển dựa trên những kinh nghiệm được rút ra từ các chuẩn H.261, MPEG-1 và MPEG-2. Thiết kế cơ bản giống với H.261, cộng thêm nhiều cải tiến về khả năng nén và tính linh hoạt. Những cải tiến của H.263 so với chuẩn H.261: • H.263 có chất lượng video tốt hơn và tốc độ bit (lượng bit lưu trữ cho một đơn vị thời gian) nhỏ hơn. • Mục tiêu của H.263 là truyền được video chất lượng chấp nhận được trên đường truyền điện thoại với tốc độ 28.8Kbps. • H.263 hỗ trợ độ phân giải từ 128x96 đến 1408x1152. • H.263 có những cải tiến trong việc dự đoán các chuyển động và thuật toán giảm dữ liệu dư thừa, phân lớp được tối ưu hơn nhiều so với các chuẩn trước đó. • Vector chuyển động có độ chính xác nửa pixel • Thuật toán mã hóa mới, thay thế RLE và Huffman • Tiên đoán nâng cao: sử dụng 4 blocks 8x8 thay vì 1 block 16x16 => chi tiết hơn • Tiên đoán dựa vào frame trước và sau, tương tự như MPEG Các độ phân giải mà H.263 hỗ trợ 1.3.3. Ưu điểm và nhược điểm của các chuẩn video H.26x 6 H.26x được thiết kế với mục đích sử dụng cho dịch vụ hội nghị trực tuyến, vì thế nó có những ưu điểm phù hợp với nhu cầu trên: • Độ trễ thấp • Mã hóa từng khung hình • Chỉ sử dụng một phần nhỏ trong bộ đệm để làm mượt (gây ra một chút trễ) • Bitrate cố định • Chỉ gửi một số lượng ít các block được mã hóa intra trong mỗi khung, do đó sự biến đổi của tốc độ dữ liệu chỉ phụ thuộc vào nội dung của video Bên cạnh đó, chuẩn nén H.26x cũng có một số mặt hạn chế: • Không được thiết kế cho việc ghi lại và xem lại video. o Không có cách nào để quay ngược hoặc tua nhanh video, vì ta không mã hóa các khung từ toàn bộ các block intra-coded của nó. o Tuy vậy vẫn có thể khắc phục được việc này, nhưng nó sẽ ảnh hưởng đến sự cố định của bitrate, nhất là với mạng ISDN • Hạn chế trong việc xử lý bit lỗi. • Những lỗi có thể phá hủy đoạn video (Ví dụ lỗi giải mã Huffman của GOB). Có thể xử lý bằng cách: o Dừng giải mã, tìm đến GOB tiếp theo để giải mã tiếp. o Intra blocks sẽ dần hồi phục vài giây sau đó. 7 2. So sánh sơ đồ công nghệ nén video theo chuẩn ITU(H261) với sơ đồ nén video theo chuẩn MPEG(MPEG-1) 2.1. Sơ đồ nén của H.261 và MPEG-1 Nhìn chung, quá trình nén của H.261 và MPEG-1 không có sự khác biệt nào đáng kể. Sơ đồ nén video theo chuẩn H.261 có thêm phần Coding control để điều khiển tốc độ dòng bit còn sơ đồ nén video theo chuẩn MPEG-1 không có. • Control : điểu khiển tốc độ dòng bit • Memory : Sử dụng để chứa các ảnh được tái tạo (block) cho mục đích của vector chuyển động để tìm ra P-frame tiếp theo. • Quantization: nén tốt hơn bằng các hệ số DCT (Discrete Cosine Transform) để đạt được chất lượng đòi hỏi. • Entropy: gán những từ mã ngắn hơn cho những sự kiện phổ biến và sử dụng những sự kiện ít phổ biến hơn. 8 Quá trình nén theo chuẩn MPEG-1 • Ảnh đầu vào được đưa vào bộ trừ và bộ đoán chuyển động • Bộ đoán chuyển động sẽ so sánh các khối ảnhmới được đưa vào này với các khối ảnh đã được đưa vào trước đó và được lưu lại như là cácảnh dùng để tham khảo (Reference Picture). Kết quả là bộ đoán chuyển động sẽ tìm ra các khốiảnh trong ảnh tham khảo gần giống nhất với khối ảnh mới này .Motion Vector sẽ đặc trưng cho sự dịch chuyểntheo cả hai chiều dọc và ngang của khối ảnh mới cần mã hoá so với ảnh tham khảo • Bộ đoán chuyển động cũng đồng thời gửi các khối ảnh tham khảo này mà chúng thường đượcgọi là các khối tiên đoán (Predicted macroblock) tới bộ trừ để trừ với khối ảnh mới cần mã hoá(thực hiện trừ từng điểm ảnh tương ứng tức là Pixel by pixel)chúng sẽ đặc trưng cho sự sai khác giữa khối ảnh cần tiên đoán và khối ảnh thực tế cần mã hoá • Bộ bù chuyển động gửi các Predicted macroblock đến bộ trừ để tính sai số dự đoán. • Sai số tiên đoán này sẽ đc biến đổi DCT sau đó lượng tử hóa rồi cùng với vector chuyển động được mã hóa entropy Sự khác nhau giữa MPEG1 và H261 chủ yếu nằm ở khâu tiên đoán các frame mới và cách thức tính toán sai lệch giữa các frame hiện tại và frame phỏng đoán. Điều này sẽ dẫn tới các khác nhau về chất lượng hình ảnh cũng như bit rates. MPEG1 sử dụng B-picture vì thế sơ đồ mã hóa cần dùng đến 2 frame memory để lưu trữ frame cho việc tiên đoán 2 chiều 9 MPEG1 có tốc độ quét,độ phân giải cao hơn h261 nên tôc độ truyền tín hiệu cao hơn_bit rate cao hơn, chất lượng hình ảnh tốt hơn, điều này thể hiện trong quá trình lấy mẫu và lượng tử hóa. 2.2. So sánh với phương pháp nén theo chuẩn H26X với chuẩn MPEG Các chuẩn H26X: H261 ,H262, H263, H264 được đưa ra trong các khuyến nghị của ITU-T. Còn các chuẩn MPEG: MPEG1, MPEG2, MPEG3, MPEG4 - Part2, MPEG4- Part 10 … được đưa ra trong các khuyến nghị của ISO. Tuy nhiên, các chuẩn MPEG và H26X lại có quan hệ chặt chẽ với nhau: cả MPEG1 và MPEG2 cùng có nguồn gốc từ chuẩn H261; chuẩn MPEG2 giống chuẩn H262; chuẩn MPEG 4- part10 giống chuẩn H264. 2.2.1. Những điểm giống nhau Các phương pháp nén theo chuẩn MPEG và H26x có nhiều điểm giống nhau. Có thể kể ra một số điểm giống nhau cơ bản như : • Do mắt người có thể phân biệt sự thay đổi về độ sáng của ảnh (brightness) tốt hơn so với sự thay đổi về màu (chromaticity) nên hầu hết các sơ đồ nén theo chuẩn MPEG và H26X đều tiến hành chia bức ảnh thành một thành phần về độ sáng Y (luminance) và hai thành phần về độ màu UV (chrominance). • Các tín hiệu video thành phần được lấy mẫu (samples) và số hoá (digitised) để tạo nên các điểm ảnh rời rạc theo tỷ lệ 4 : 2 : 2, 4 : 2 : 0 và 4 : 1 : 1. • Các sơ đồ nén theo MPEG, H26X đều dùng kỹ thuật subsampling và lượng tử hoá trước khi mã hoá nhằm giảm kích thước bức ảnh đầu vào theo cả chiều ngang và chiều dọc Những điểm giống nhau trong quá trình nén: • Đều tiến hành chia khung hình thành các khối điểm ảnh để việc xử lý các khung hình có thể được thực hiện ở cấp độ block. 10 [...]... trong viễn thông, truyền tải video giữa các thiết bị di động Trong khi đó, chuẩn MPEG dùng cho thị trường giải trí hay truyền hình chất lượng cao nên có độ phân giải hình cao hơn, và mang lại chất lượng hình ảnh tốt hơn 13 3 Thử nghiệm ứng dụng Đây là các video đã được nén theo chuẩn H.261 và được giải nén ra theo chuẩn MPEG với chất lượng cao để có thể xem dễ dàng hơn Nguồn video em lấy trên trang http://www-mobile.ecs.soton.ac.uk/peter/h261/h261.html... ratio là tỉ số nén video có thể là tỉ số nén về dung lượng hoặc tốc độ dòng bit Được tính bằng kích thước dữ liệu ban đầu / Kích thước dữ liệu sau khi nén Như trong video ví dụ 1:1, 25:1, 104:1, 113:1 15 KẾT LUẬN Các chuẩn nén video đang ngày càng được nghiên cứu và đạt nhiều thành tựu lớn hơn Các chuẩn nén về sau ra đời càng ngày càng có chất lượng cao hơn và thích hợp với nhiều mục đích sử dụng của con... http://www-mobile.ecs.soton.ac.uk/peter/h261/h261.html Các video ở đây được gồm video ban đầu Original, video High Quality, Low Quality và Low Quality với vector chuyển động Giải thích các thông số video: Giả sử dữ liệu gốc video có dạng X(m, n) với m [0, ,M], n [0,…,N] Ta có: X(m, n) Y(m, n) X’(m, n) Nếu X’(m, n) X(m, n): nén không tổn hao X’(m, n) X(m, n): nén có tổn hao Trong trường hợp thử nghiệm này là nén có tổn hao 14 PSNR(Peak... chuẩn mã hóa video H26X đều cung cấp khả năng linh động ở cả bộ mã hóa và giải mã cho việc cân bằng giữa chất lượng và tốc độ Việc hiểu biết rõ ràng về ảnh hưởng của các bộ mã hóa và giải mã video là yếu tố quan trọng góp phần vào việc đánh giá chính xác các ảnh hưởng của mạng đến chất lượng truyền video trên mạng 12 Tóm lại, chuẩn nén H26X thường có tốc độ mã hoá tín hiệu thấp hơn MPEG (khoảng 1.5 Mbit/s... thông Kỹ thuật nén trong hầu hết các phiên bản H26X dựa trên việc nén theo đối tượng, các đối tượng trong các cảnh video được theo dõi riêng rẽ và được nén lại cùng nhau H26X sử dụng bit rate control dùng để quản lý bộ đệm,kiểm soát quá trình lượng tử hóa Đây là công đoạn dùng để kiểm soát chất lượng video cũng như bit rate đầu ra thông qua kiểm soát quá trình lượng tử hóa và quản lý dữ liệu nén trong bộ... trong các khung hình video bằng cách mã hóa các khối còn lại … tức là sự sai khác giữa các khối tương ứng ban đầu và các khối dự đoán , một lần nữa thông qua biến đổi, lượng tử hóa và mã hóa dữ liệu ngẫu nhiên 2.2.3 Những điểm khác nhau Các chuẩn H26X thường được tối ưu hóa cho truyền tải video thời gian thực như hội nghi truyền hình, truyền tải video giữa các thiết bị di động Còn chuẩn MPEG chủ yếu... đã nén trong bộ đệm (buffer) Việc nén có thể được tiến hành với việc loại bỏ một vài thông tin đã được lựa chọn Ảnh hưởng nhỏ nhất đối với chất lượng toàn bộ khung hình có thể đạt được bằng cách bỏ bớt các thông tin chi tiết Điều này đảm bảo giới hạn tỉ lệ nén dữ liệu trong khi chất lượng của khung hình suy giảm tối thiểu 11 • Trong H26X, các bộ mã hóa video thường hỗ trợ một khoảng khá rộng tốc độ nén, ... chuyển động được xác định và mã hóa cho mỗi khối Trong các hệ thống mã hóa kiểu inter-frame, việc mất một frame có thể làm cho các frame theo sau nó trở nên không sử dụng được cho đến khi I-frame tiếp theo được nhận, kết quả là có thể thu được hình ảnh video trắng hay hình ảnh bị đông cứng, chất lượng video bị suy giảm đáng kể • Trong hầu hết các trường hợp các tiêu chuẩn mã hóa video H26X đều cung cấp... chắn bài báo cáo này sẽ có một số thiếu sót, chúng em sẽ bổ sung và tiếp tục nghiên cứu tiếp khi có cơ hội Một lần nữa chúng em chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Hoàng Lan về những góp ý và giúp đỡ của cô trong quá trình làm báo cáo này 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Tài liệu từ itu. int /itu- t: • ITU- T H261 • ITU- T H263 2 http://vi.wikipedia.org/wiki /ITU- T 3 Tập bài giảng Truyền Thông Đa Phương Tiện của cô Nguyễn... đại trên nhiễu và được tính bằng tỉ lệ giữa giá trị năng lượng tối đa 1 tín hiệu và năng lượng ảnh hưởng độ chính xác thông tin PSNR = 20 = 20 - 10 Trong đó: Max là giá trị điểm ảnh tối đa có thể có được Với chuẩn nén video H.261 dùng 8bit/pixel nên Max ở đây sẽ là = 255 MSE: là mean squared error MSE = Việc tính tính MSE được thực hiện với một vòng lặp đơn giản trên tất cả các điểm ảnh và sau đó chia . nén video mới nhất hiện nay và được xem là dòng nén video thế hệ thứ 3. Quá trình phát triển các dòng video H.26x và MPEG 1.3. Các chuẩn nén video của ITU 1.3.1. Chuẩn H.261 Chuẩn H.261 là chuẩn. về chuẩn nén video ITU (H.26x), tìm hiểu xem chúng hoạt động ra sao, chất lượng hình ảnh và các ứng dụng của chúng trong thực tế như thế nào, sự khác biệt giữa chúng và các chuẩn nén video MPEG. Chúng. KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG BÁO CÁO MÔN HỌC Truyền thông đa phương tiện Đề tài :Tìm hiểu chuẩn nén video ITU và ứng dụng thử nghiệm Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS.