TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ──────── * ──────── BÁO CÁO MÔN: TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU CHUẨN NÉN VIDEO ITU VÀ THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG NHÓM Sinh viên thực hiện: Giảng viên hướng dẫn: Giang Thanh Trường Nguyễn Thị Hạnh Nguyễn Trọng Anh Nguyễn Hiển Tường 20122645 20121661 20121220 20122776 PGS.TS Nguyễn Thị Hoàng Lan Hà Nội, tháng 11 năm 2015 Mục lục Danh mục hình ảnh Lời nói đầu Công nghệ thông tin ngày phát triển, truyền thông đa phương tiện nhu cầu thiếu Trong truyền thông đa phương tiện, công nghệ nén video vô quan trọng Những video có dung lượng lớn muốn truyền tải rộng rãi qua mạng internet phải nén Tùy nhu cầu, mục đích cụ thể có nhiều chuẩn nén video khác Trong báo cáo này, chúng em trình bày chuẩn nén video ITU (H.26x) so sánh chuẩn nén H.261 với MPEG-1 Chúng em xin cảm ơn cô Nguyễn Thị Hoàng Lan giúp chúng em hoàn thành báo cáo CHƯƠNG Tổng quan chuẩn nén video ITU (H26x) I Giới thiệu tổ chức ITU ITU Liên minh viễn thông quốc tế thuộc Liên hiệp quốc, thành lập vào năm 1865 (tiền thân Liên minh Điện báo quốc tế- International Telegraph Union) Hoạt động ITU bao trùm tất vấn đề thuộc ngành Công nghệ viễn thông Thông tin như: tần số vô tuyến điện, quỹ đạo vệ tinh, hỗ trợ phát triển sở hạ tầng viễn thông nước phát triển xây dựng tiêu chuẩn chung giới kết nối hệ thống liên lạc ITU tham gia nghiên cứu tìm giải pháp cho thách thức chung toàn cầu thời đại như: biến đổi khí hậu bảo mật, an toàn thông tin ITU hoạt động lĩnh vực chính: - Telecom - Viễn thông - Radio - Thông tin vô tuyến - Telecommunications Development - Phát triển viễn thông Chuẩn H.26x chuẩn mã hóa nén video đưa khuyến nghị ITU Chuẩn nén video H.26x gồm có chuẩn H.261, H.263, H.264, H.265 Trong đó, chuẩn H.264 biết đến chuẩn MPEG – Part 10/AVC (Advanced Video Coding) ITU – T hợp tác với ISO/ISE phát triển ITU tập trung vào ứng dụng với dòng video chuẩn H26x như: H261, H263, H264 chuẩn H265 II Tổng quan chuẩn nén video H261 Tổng quan - Chuẩn H261 chuẩn nén video ITU giới thiệu vào năm 1990, phần giao thức H.320 mô tả thành phần khác hệ thống video conference, thiết kế cho ứng dụng video telephony video conference qua đường ISDN - Chuẩn ban đầu thiết kế cho mạng ISDN với tốc độ truyền liệu - - bội số 64Kbit/s (p*64Kbit/s) Thuật toán nén theo chuẩn H.261 giúp giảm độ dư thừa không gian thời gian chuỗi video để đạt tỷ số nén cao Trong chuẩn chuối video định nghĩa theo chuẩn định dạng CIF QCIF Trong đó: CIF tiêu chuẩn cho kích thước video hình ảnh máy tính chứa 352x288 điểm ảnh (pixel) QCIF tiêu chuẩn có độ phân giải ¼ tiêu chuẩn CIF 176x144 pixel Sử dụng kĩ thuật lấy mẫu 4:2:0 (Trong chuẩn H261 sử dụng hệ màu YUV, kĩ thuật lấy mẫu lấy mẫu theo tỉ lệ độ chói Y thành phần màu lại) Tốc độ frame tối đa 30 fps giảm xuống phụ thuộc vào ứng dụng băng thông đường truyền khác Kĩ thuật mã hóa chuẩn nén video H261 - Dự đoán trước hình ảnh: nhằm loại bỏ việc lặp lại, giảm dư thừa thời - gian Biễn đổi mã: nhằm loại bỏ lặp lại, giảm dư thừa không gian Bù lại chuyển động: sử dụng véc tơ chuyển động để bù lại chuyển động Cấu trúc phân cấp video chuẩn H261 - Chuẩn H261 tổ chức liệu theo dòng frame, với loại frame I P frame: Hình 1: Dòng frame theo chuẩn H.261 - Cấu trúc phân cấp frame: Hình 2: Cấu trúc phân cấp frame theo chuẩn H.261 - Tùy theo tín hiệu đầu vào định dạng theo CIF hay QCIF, định dạng theo định dạng CIF frame có 12 GOBs theo định dang QCIF frame có GOBs Hình 3: Số GOB theo định dạng CIF Hình 4: Số GOB theo định dạng QCIF - Mỗi GOB gồm có 11x3=33 MB (Macro Block) - Mỗi MB tổ chức thành Block, có block Y có kích thước 16x16 pixels, block U có kích thước 8x8 pixels block V có kích thước 8x8 pixels Hình 5: Cấu trúc Macro Block Cấu trúc phân lớp liệu video theo chuẩn H.261 Hình 6: Cấu trúc phân lớp liệu video theo chuẩn H.261 - Picture-layer: gồm PSC (start of picture code- mã đầu ảnh), TR (time - stamp reference- nhãn thời gian tham chiếu), picture type (I/P) GOB GOB layer: gồm GOB start (GOB start code- mã bắt đầu GOB), group number (số nhóm), group quant (group quantization value- giá trị lượng tử) MB MB layer: gồm MBA (macroblock address- địa macroblock), MTYPE (intra/inter), MQUANT (quantizer), MVD (motion vector data- vecto chuyển động), CBP (coded block pattern- mẫu block mã hóa) Block Block- layer: gồm quét zig-zag với cặp hệ số (run, level), kết thúc block EOB 5 Sơ đồ nén theo chuẩn H.261 Hình 7: Sơ đồ nén theo chuẩn H.261 5.1 Nén Intraframe (frame I) Mã hóa frame (frame tham chiều) chuỗi frame video, tương tự mã hóa ảnh JPEG Hình 8: Sơ đồ nén intraframe Đặc điểm: - Quá trình biến đổi DCT: từ block có kích 8x8 pixel, qua phép biến - đổi cosin rời rạc để biến đổi từ miền số nguyên sang miền số thực Quá trình lượng tử hóa: không giống JPEG, chuẩn H.261 sử dụng bảng lượng tử hóa thống cho tất block - Ma trận liệu thu sau trình lượng tử hóa quét zig-zac nhằm mục đích tăng hiệu quét liệu tập trung chủ yếu phần tử Sau sử dụng phương pháp nén RLC, Huffman 5.2 Nén Interframe Nén Interframe nhằm mục đích giảm độ dư thừa thời gian frame chuỗi video Nén interframe mã hóa sai khác frame frame tham chiếu Với đầu vào frame chia thành marco block, sử dụng hai kỹ thuật: - Kỹ thuật ước lượng chuyển động: nhằm mục đích tính vector chuyển - động, sử dụng frame tham chiếu (frame I) để tìm frame dự đoán (frame P) Kỹ thuật bù chuyển động: nhằm mục đích khôi phục lại ảnh sau nén Sơ đồ giải nén theo chuẩn H.261 Hình 9: Sơ đồ giải nén theo chuẩn H.261 III Tổng quan chuẩn H263 Chuẩn nén video H.263 chuẩn mã hóa nén video/audio nhóm VCEG (Video Coding Experts Group) thuộc tổ chức ITU đưa năm 1998 H.263 coi hệ chuẩn H.261, dùng cho hội nghị video trực tuyến Năm 1998, ITU cải tiến chuẩn cho đời chuẩn H.263v2 (còn gọi H.263+ hay H.263 1998) Năm 2000, chuẩn H.263v3 đời (còn gọi H.263++ hay H.263 2000) H.263 phát triển dựa kinh nghiệm rút từ chuẩn H.261, MPEG-1 MPEG-2 Thiết kế giống H.261, cộng thêm nhiều cải tiến khả nén tính linh hoạt Tổng quan - Định dạng: H.263 hỗ trợ độ phân giải từ 128x96 đến 1408x1152 Hình 10: Định dạng H.263 hỗ trợ - Hệ màu: Chuẩn H.263 sử dụng hệ màu YUV giống chuẩn H.261 - Phân chia frame: H.263 có hai loại frame I-Frame P-Frame có thêm PB Frame PB frame có nguồn gốc từ P B frame kết hợp hai Hình 11: Chuỗi frame H.263 - Cấu trúc phân lớp: • Image (frame) • Group of Blocks (GOB) • Macroblock (MB) • Block ( chứa thông tin Y, Cr, Cb) - Cấu trúc lấy mẫu: 4:2:0, 4:2:1, 4:2:2 - Quá trình nén: H.263 có cải tiến việc dự đoán chuyển động thuật toán giảm liệu dư thừa, phân lớp tối ưu nhiều so với chuẩn trước - Vector chuyển động H.263 có độ xác nửa pixel Hình 12: Vị trí pixel nén H.263 Những tiến H.263 - H.263 sử dụng bù chuyển động với độ xác sub-pixel thay sử dụng - lọc vòng để làm mượt frame H.261 Thuật toán mã hóa mới, thay RLE Huffman Trong ước lượng chuyển động, H.263 sử dụng blocks 8x8 pixels thay block 16x16 pixels => chi tiết H.263 có sử dụng PB frame ◊ dự đoán dựa vào frame trước sau, tương tự MPEG Do độ xác cao hơn, chất lượng video tốt Chuẩn H.263 có sử dụng nhiều cấu trúc GOB khác H.261 H.263 hỗ trợ độ phân giải từ 128x96 đến 1408x1152 CHƯƠNG So sánh sơ đồ khối chung công nghệ nén ảnh video theo chuẩn ITU (H.261) với nén ảnh video theo chuẩn MPEG (MPEG-1) Hình 13: Sơ đồ nén theo chuẩn H.261 Hình 14: Sơ đồ nén theo chuẩn MPEG-1 I Giống Các phương pháp nén theo chuẩn MPEG H.26x có nhiều điểm giống Có thể kể số điểm giống như: - Sử dụng DCT để giảm thiểu độ dư thừa intraframe - Nén interframe dựa kỹ thuật ước lượng chuyển động kỹ thuật bù - - chuyển động Do mắt người phân biệt thay đổi độ sáng ảnh (brightness) tốt so với thay đổi màu (chromaticity) nên hầu hết sơ đồ nén theo chuẩn MPEG H26X tiến hành chia ảnh thành thành phần độ sáng Y (luminance) hai thành phần độ màu UV (chrominance) Các tín hiệu video thành phần lấy mẫu (samples) số hoá (digitised) để tạo nên điểm ảnh rời rạc theo tỷ lệ 4:2:2, 4:2:0 4:1:1 Các sơ đồ nén theo MPEG, H26X dùng kỹ thuật subsampling lượng tử hoá trước mã hoá nhằm giảm kích thước ảnh đầu vào theo chiều ngang chiều dọc Đều tiến hành chia khung hình thành khối điểm ảnh để việc xử lý khung hình thực cấp độ block Giảm thời gian phụ thuộc khối khung hình Điều thực kỹ thuật ước lương chuyển động bù chuyển động Đối với khối nào, việc tìm kiếm thực khung mã - hóa trước để xác định vector chuyển động mà sau sử dụng mã hóa giải mã để dự đoán khối chủ đề Giảm độ dư thừa không gian khung hình video cách mã hóa số khối gốc thông qua việc dự báo không gian, lượng tử hóa, phép biến đổi mã hóa liệu ngẫu nhiên, mã hóa độ dài thay đổi Giảm không gian dư thừa lại tồn khung hình video cách mã hóa khối lại… tức sai khác khối tương ứng ban đầu khối dự đoán, lần thông qua biến đổi, lượng tử hóa mã hóa liệu ngẫu nhiên II Khác Cấu trúc phân lớp liệu Chuẩn nén H.261 tổ chức liệu theo dòng frame, với hai loại frame là: frame I frame P, MPEG-1 sử dụng frame I, P, B Hình 15: Chuỗi frame theo chuẩn H.261 Hình 16: Chuỗi frame theo chuẩn MPEG-1 Trong frame chuẩn H.261, liệu tổ chức thành GOB (Group Of Block) có kích thước giống theo chuẩn định dạng Mỗi frame chuẩn MPEG-1 tổ chức thành GOP (Group Of Picture) có kích thước không giống Hình 17: Cấutr úc phân lớp liệu theo chuẩn H.261 Hình 18: Cấu trúc phân lớp liệu theo chuẩn MPEG-1 Định dạng video - H.261 sử dụng chuẩn định dạng CIF (352x288 pixels) QCIF (176x144 - pixels) MPEG-1 sử dụng chuẩn định dạng CIF, SIF (Source Input Format) thiết lập độ phân giải lên đến 4095x4095 pixels Quá trình lượng tử hóa Chuẩn H.261 sử dụng bảng lượng tử hóa cho tất block Nhưng chuẩn MPEG-1 sử dụng hai bảng lượng tử hóa khác cho block intraframe block interframe Độ xác kỹ thuật bù chuyển động Độ xác kỹ thuật bù chuyển động chuẩn nén video MPEG-1 lên đến ½ pixel, chuẩn nén H.261 pixel CHƯƠNG Thử nghiệm ứng dụng CHƯƠNG Kết luận Do nhiều thời gian tìm hiểu kỹ nên báo cáo chúng em chắn thiếu sót nhiều vấn đề Có nhiều chuẩn nén phù hợp với mục đích sử dụng cụ thể Chúng em tiếp tục tìm hiểu, bổ sung thêm chuẩn nén video truyền thông đa phương tiện Chúng em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Hoàng Lan góp ý giúp đỡ cô trình làm báo cáo Tài liệu tham khảo - Bài giảng Xử lý liệu đa phương tiện, PGS.TS Nguyễn Thị Hoàng Lan, - Viện Công nghệ thông tin truyền thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội H.261 Video Slide, Mark Handley, Department of Computer Science, London’s Global University H.261 Standards Presentation, Qaiser, Ahmed Patel Video Compression 1: H.261 Coding Basics Slide, Multimedia Systems Concepts Standards and Practice Course, Ramesh Yerraballi Chapter 11: MPEG Video Coding I – MPEG-1/2, CMPT 820: Multimedia Systems Course, Mohamed Hefeeda [...]... theo chuẩn ITU (H.261) với nén ảnh video theo chuẩn MPEG (MPEG-1) Hình 13: Sơ đồ nén theo chuẩn H.261 Hình 14: Sơ đồ nén theo chuẩn MPEG-1 I Giống nhau Các phương pháp nén theo chuẩn MPEG và H.26x có nhiều điểm giống nhau Có thể kể ra một số điểm giống nhau cơ bản như: - Sử dụng DCT để giảm thiểu độ dư thừa intraframe - Nén interframe dựa trên kỹ thuật ước lượng chuyển động và kỹ thuật bù - - chuyển... trình lượng tử hóa Chuẩn H.261 sử dụng một bảng lượng tử hóa cho tất cả các block Nhưng chuẩn MPEG-1 sử dụng hai bảng lượng tử hóa khác nhau cho các block của intraframe và các block của interframe 4 Độ chính xác của kỹ thuật bù chuyển động Độ chính xác của kỹ thuật bù chuyển động trong chuẩn nén video MPEG-1 lên đến ½ pixel, còn chuẩn nén H.261 là 1 pixel CHƯƠNG 3 Thử nghiệm ứng dụng CHƯƠNG 5 Kết... CHƯƠNG 5 Kết luận Do không có nhiều thời gian tìm hiểu kỹ nên báo cáo của chúng em chắc chắn còn thiếu sót nhiều vấn đề Có rất nhiều chuẩn nén và phù hợp với những mục đích sử dụng cụ thể Chúng em sẽ tiếp tục tìm hiểu, bổ sung thêm về các chuẩn nén video và truyền thông đa phương tiện Chúng em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Hoàng Lan về những góp ý và giúp đỡ của cô trong quá trình làm báo cáo... 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 II Khác nhau 1 Cấu trúc phân lớp dữ liệu Chuẩn nén H.261 tổ chức dữ liệu theo dòng các frame, với hai loại frame là: frame I và frame P, còn MPEG-1 sử dụng cả frame I, P, B Hình 15: Chuỗi frame theo chuẩn H.261 Hình 16: Chuỗi frame theo chuẩn MPEG-1 Trong mỗi frame của chuẩn H.261,... từng chuẩn định dạng Mỗi frame của chuẩn MPEG-1 được tổ chức thành các GOP (Group Of Picture) có kích thước có thể không giống nhau Hình 17: Cấutr úc phân lớp dữ liệu theo chuẩn H.261 Hình 18: Cấu trúc phân lớp dữ liệu theo chuẩn MPEG-1 2 Định dạng video - H.261 sử dụng 2 chuẩn định dạng CIF (352x288 pixels) và QCIF (176x144 - pixels) MPEG-1 sử dụng các chuẩn định dạng CIF, SIF (Source Input Format) và. .. sử dụng 4 blocks 8x8 pixels thay vì 1 block 16x16 pixels => chi tiết hơn H.263 có sử dụng PB frame ◊ dự đoán dựa vào frame trước và sau, tương tự như MPEG Do đó độ chính xác cao hơn, chất lượng video tốt hơn Chuẩn H.263 có sử dụng nhiều cấu trúc GOB khác nhau hơn là H.261 H.263 hỗ trợ độ phân giải từ 128x96 đến 1408x1152 CHƯƠNG 2 So sánh sơ đồ khối chung của công nghệ nén ảnh video theo chuẩn ITU. .. 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 H.261, cộng thêm nhiều cải tiến về khả năng nén và tính linh hoạt 1 Tổng quan - Định dạng: H.263 hỗ trợ độ phân giải từ 128x96 đến 1408x1152 Hình 10: Định dạng H.263 hỗ trợ - Hệ màu: Chuẩn H.263 cũng sử dụng hệ 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... 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 trong H.263 có độ chính xác nửa pixel Hình 12: Vị trí pixel khi nén H.263 2 Những cái tiến của H.263 - H.263 sử dụng bù chuyển động với độ chính xác sub-pixel thay vì sử dụng - bộ lọc vòng để làm mượt các frame như trong H.261 Thuật toán mã hóa mới, thay thế RLE và Huffman Trong... hệ màu YUV giống như chuẩn H.261 - Phân chia frame: H.263 có hai loại frame là I-Frame và P-Frame và có thêm PB Frame PB frame có nguồn gốc từ P và B frame và là sự kết hợp của cả hai Hình 11: Chuỗi frame H.263 - Cấu trúc phân lớp: • Image (frame) • Group of Blocks (GOB) • Macroblock (MB) • Block ( chứa thông tin về Y, Cr, Cb) - Cấu trúc lấy mẫu: 4:2:0, 4:2:1, 4:2:2 - Quá trình nén: H.263 có những cải ... Coding) ITU – T hợp tác với ISO/ISE phát triển ITU tập trung vào ứng dụng với dòng video chuẩn H26x như: H261, H263, H264 chuẩn H265 II Tổng quan chuẩn nén video H261 Tổng quan - Chuẩn H261 chuẩn nén. .. nghệ nén ảnh video theo chuẩn ITU (H.261) với nén ảnh video theo chuẩn MPEG (MPEG-1) Hình 13: Sơ đồ nén theo chuẩn H.261 Hình 14: Sơ đồ nén theo chuẩn MPEG-1 I Giống Các phương pháp nén theo chuẩn. .. đích khôi phục lại ảnh sau nén Sơ đồ giải nén theo chuẩn H.261 Hình 9: Sơ đồ giải nén theo chuẩn H.261 III Tổng quan chuẩn H263 Chuẩn nén video H.263 chuẩn mã hóa nén video/audio nhóm VCEG (Video