HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Mai Thị Diệu Hương ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG MẠNG UBIQUITOUS VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM Chuyênngành: Kỹ thuật điện tử Mãsố: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – 2012 Luậnvănđượchồnthànhtại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Ngườihướngdẫnkhoahọc: TS LÊ NHẬT THĂNG Phảnbiện 1: …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… Phảnbiện 2: ………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… LuậnvănsẽđượcbảovệtrướcHộiđồngchấmluậnvănthạcsĩtạiHọcviệnCơngnghệBưuchí nhViễnthông Vàolúc: ngày tháng năm Cóthểtìmhiểuluậnvăntại: - ThưviệncủaHọcviệnCơngnghệBưuchínhViễnthơng MỞ ĐẦU Internet đa ph ơng tiện đ ợc xem động lực thúc đẩy tiềm khai thác tài nguyên mạng Truyền thơng đa ph ơng tiện có u cầu khắt khe chất l ợng dịch vụ bao hàm tiêu băng thông, độ trễ, biến thiên trễ tỷ lệ thông tin Ứng dụng truyền thông đa ph ơng tiện tạo luồng thông tin với tốc độ bit biến đổi có yêu cầu tài nguyên thay đổi theo thời gian Vấn đề đặt phải đ a kỹ thuật điều khiển luồng vào sử dụng sau điều chỉnh điều khiển tốc độ bit đầu nguồn đa ph ơng tiện qua Internet nhằm đạt đ ợc cân tốt chất l ợng hiệu sử dụng băng thông tránh tắc nghẽn Vậy toán đặt cho nhà khoa học cần phải tìm giải pháp kỹ thuật dung hịa đ ợc u cầu Chính em lựa chọn đề tài luận văn tốt nghiệp là: “Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển luồng đa ph ơng tiện qua mạng Internet” Để sâu tìm hiểu kỹ kỹ thuật điều khiển luồng Video nén qua mạng Internet Đề tài nghiên cứu luận văn đ ợc chia làm phần: Ch ơng I Sự cần thiết điều khiển luồng đa ph ơng tiện Ch ơng II Các kỹ thuật điều khiển luồng truyền thông đa ph ơng tiện Ch ơng III: Điều khiển luồng Video nén qua mang Internet Nội dung luận văn đề cập đến nhiều vấn đề, với điều kiện thời gian nh lực có hạn nên luận văn khơng tránh khỏi cịn nhiều thiếu sót Em mong nhận đ ợc ý kiến đóng góp từ phía thầy để em hoàn thiện kiến thức cho thân, phục vụ cho trình học tập, nghiên cứu sau Em xin đ ợc gửi lời cảm ơn tới thầy Nguyễn Tiến Ban h ớng dẫn em thực luận văn Hơn nữa, em xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô giáo khoa Viễn thông bạn lớp giúp đỡ em việc tìm kiếm thơng tin tài liệu, giáo trình tham khảo suốt trình thực luận văn 2 CH ƠNG I VẤN ĐỀ VÀ SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐIỀU KHIỂN LUỒNG ĐA PH ƠNG TIỆN 1.1 nMột luồng thông tin đa ph ơng tiện đ ợc đặc tr ng có mặt nhiều loại hình thơng tin: Video, Audio, voice Ngày nay, đa số ứng dụng sử dụng đa ph ơng tiện thay dùng ph ơng tiện truyền thơng Do truyền thơng đa ph ơng tiện, có số yêu cầu chất l ợng, tốc độ, độ méo… 1) Độ trễ thời gian thực 2) Độ méo tồn thất thông tin cho phép 3) Độ rộng băng thông linh hoạt Một số định h ớng phát triển thời gian gần cho thấy việc phát triển công nghệ truyền thông đa ph ơng tiện dựa tảng công nghệ IP kết hợp với chế điều khiển thích hợp yếu tố góp phần thúc đẩy phát triển truyền thông đa ph ơng tiện, mạng Internet ngày 1.1.2 Các yếu tố ảnh h ởng đến chất l ợng truyền thông đa ph ơng tiện Môi tr ờng truyền thông yếu tố có tác động lớn đến chất l ợng truyền trơng đa ph ơng tiện Các loại hình dịch vụ đa ph ơng tiện qua mạng Internet, có đặc tr ng tỷ lệ lỗi bít cao, kênh truyền biến đổi, độ rộng băng thông bị hạn chế, liên kết với mạng cố định không đ ợc đồng Sự hạn chế băng thông chất lượng đường truyền Sự thiếu đồng liên kết với mạng cố định Ảnh hưởng lỗi bít Các yếu tố kết hợp lại với nguyên nhân chủ yếu gây tỉ lệ lỗi bit cao, đặc biệt truyền qua mạng không dây 3 1.1.3 Một số giải pháp cho nhà cung cấp dịch vụ Yêu cầu thực tế đặt cho nhà cung cấp dịch vụ để tăng tính cạnh tranh loại hình dịch vụ đ ợc đ a ra, qua thu hút đ ợc quan tâm nhu cầu sử dụng nhiều khách hàng tốt Nghiên cứu tìm ph ơng thức mang tính đại mang lại hiệu kinh tế cao là: “Cải thiện tầng liên kết với ph ơng thức sửa lỗi thích hợp, cải thiện tầng MAC, cải thiện tầng mạng, cải thiện tầng giao vận, cải thiện tầng trên, cải thiện nâng cao hiệu sử dụng ph ơng thức mã hóa, giải thuật kiểm soát lỗi kỹ thuật điều khiển luồng đa ph ơng tiện qua mạng Internet”… 1.2 1.2.1 Mục đích nhu cầu Trong truyền thông Video qua mạng Internet (nh hình 1.1) yêu cầu truyền tải đối lập cần phải đạt đ ợc vài cân để cung cấp ng ời sử dụng với chất l ợng yêu cầu dịch vụ Đối với loại ứng dụng Video số yêu cầu đ a phải thỏa mãn yêu cầu ng ời sử dụng dịch vụ có chất l ợng tốt Các kỹ thuật điều khiển mã hóa số hóa giải nén Video, Audio phải đ ợc áp dụng để luồng đa ph ơng tiện qua mạng đạt đ ợc hiệu tối u tránh tắc nghẽn, nghĩa ng ời sử dụng dịch vụ đ ợc cung cấp sử dụng dịch vụ truyền thơng chất l ợng tốt Internet Hình 1.1 Luồng đa ph ơng tiện qua mạng Internet 4 1.2.2 Vai trò điều khiển luồng đa ph ơng tiện Đối với luồng đa ph ơng tiện nén không nén u cầu tỉ lệ thơng tin khác Luồng tin nén đặc biệt nhạy cảm với tỉ lệ thơng tin, lỗi dẫn đến đồng ph ơng tiện khác nh Video, Audio Để đảm bảo yêu cầu tỉ lệ tổn thất độ trễ thông tin, nhà cung cấp dịch vụ đa ph ơng tiện cần áp dụng chế điều khiển luồng l u l ợng thích hợp cho chất l ợng dịch vụ hiệu suất sử dụng mạng tối u Có thể nói kỹ thuật điều khiển luồng đa ph ơng tiện đóng vai trị quan trọng truyền thông đa ph ơng tiện mạng Internet 1.3 Kết luận ch ơng I Nh việc điều khiển luồng đa ph ơng tiện vấn đề thực tế cần thiết nhằm đáp ứng đòi hỏi khách hàng chất l ợng dịch vụ nên vấn đề đặt cho nhà cung cấp dịch vụ phải đảm bảo vấn đề truyền tải việc cung cấp dịch vụ với chất l ợng hợp lý Hơn giải pháp đ ợc đ a phải t ơng thích với cho hệ thống đáp ứng đ ợc thực trạng truyền thông đa ph ơng tiện CH ƠNG II CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN LUỒNG ĐA PH ƠNG TIỆN QUA MẠNG INTERNET 2.1 Một số kỹ thuật điều khiển 2.1.1 Điều khiển tốc độ 1) Tính biến thiên tốc độ Bit mã Video Kỹ thuật điều khiển tốc độ l ợng tử hoá biến thiên đ ợc đề xuất để tạo tốc độ bít đầu nhỏ cho mục tiêu chất l ợng cố định Bổ sung hiệu chỉnh cho chất l ợng số thay đổi tốc độ Video, lên xuống tốc độ bit hữu ích cho phân bố động băng thơng biến thiên 5 Tính biến thiên tốc độ truyền theo bit giải thuật mã hố Video có mặt của mã hố Huffman Mã hoá độ dài thay đổi đ ợc sử dụng để tối u hoá hiệu nén việc đạt đ ợc chiều dài bit trung bình tối u từ mã hiệu 2) Tốc độ mã cố định Mặc dù tốc độ bit thay đổi đơi mong muốn cho việc cấp phát băng thông động, việc truyền dẫn tốc độ bit khơng đổi hữu ích cho kênh băng thông cố định nh PSTN (Public Switching Telephone Networks) Để đạt đ ợc truyền dẫn video tốc độ cố định, điệm mã hoá video kênh đ ợc sử dụng để làm m ợt đầu tốc độ bit dao động thăng giáng Rõ ràng, tạo đệm cho luồng video bị nén tr ớc truyền dẫn gây l ợng trễ định, điều phải đ ợc ngăn ngừa hay đ ợc tối giản dịch vụ video thời gian thực Đây đệm điều chỉnh tốc độ bit đầu cho biến đổi thời gian ngắn Trong số chuỗi video, tốc độ bit dao động thăng giáng kéo dài cho vài khung nh đệm lớn sau yêu cầu hấp thu dài hạn dao động thăng giáng Kỹ thuật thông th ờng sử dụng nhiều điều chỉnh số tham số mã hoá video nh chức đếm đầy đủ, điều khiển hồi tiếp 3) Hiệu chỉnh tham số mã hoá cho điều khiển tốc độ Bất kỳ nỗ lực để điều khiển tốc độ truyền theo bit đầu mã hoá cần phải cân chất l ợng hiệu nén Giảm bớt tốc độ truyền theo bit làm tổn hại cho giảm sút chất l ợng Trong mã hố Video chuyển đổi khối, có bốn tham số mã hố khác mà đ ợc điều chỉnh để điều khiển tốc độ truyền theo bit đầu Tốc độ khung định số khung đ ợc mã hóa giây, tham số mã hóa mà đ ợc điều chỉnh để thích ứng với tốc độ bít Từ mục tiêu ph ơng pháp điều khiển tốc độ khung, d thừa thời gian khơng gian tín hiệu Video nói chung th ờng đ ợc sử dụng chất l ợng hình ảnh độc lập khơng thể đạt đ ợc thoả hiệp 6 Sự điều chỉnh tham số mã hoá dẫn đến thay đổi chất l ợng cảm quan, nhiên thay đổi “nhẹ nhàng” so với t ợng suy giảm chất l ợng tạo tắc nghẽn Phần lớn hệ thống thông tin truyền thông Video dựa ttrên điều chỉnh tham số mã hoá Video nh phần điều khiển tốc độ đầu áp dụng kỹ thuật ngăn ngừa điều khiển luồng 2.1.2 Điều chỉnh kích th ớc Ph ơng pháp truyền thống để điều chỉnh tốc độ tryền theo bit đầu Video gốc để điều chỉnh tốc độ kích cỡ b ớc l ợng tử hoá khung tiếp theo, GOB MB, sử dụng đệm cục mà xác định đ ợc tình trạng mạng Để cung cấp số l ợng Video đầu ổn định, giải thuật điều chỉnh tốc độ tinh vi nên đ ợc sử dụng Trong giải thuật này, đệm đầy hoạt tính ảnh phải đ ợc sử dụng để chọn tham số l ợng tử hố thích hợp Qp cho kết tốc độ truyền theo bit gần tốc độ truyền theo bit mục tiêu Thêm vào đó, nội dung Video ảnh h ởng đến số l ợng bit yêu cầu để mã khung Video Do vậy, kỹ thuật điều khiển tốc độ l ợng tử hoá cổ điển cung cấp hay dự báo tốc độ bit giao động cao, tăng lên xảy đệm cục chảy tràn kết việc liệu bị nhiều tr ờng hợp mạng nghẽn 1) Điều khiển tốc độ đệm sở Một kỹ thuật điều khiển tốc độ đệm sở đ ợc thừa nhận rộng rãi đ ợc gọi giải thuật điều khiển tốc độ theo thang độ SRC (Scaleable Rate Control) (ISO/IEC 14496, Annex L) cho truyền dẫn Video MPEG-4 thời gian thực Kỹ thuật xử lý khung I,P B áp dụng cho mục đích điều khiển tốc độ đối t ợng đơn lẻ Ngoài SRC, sơ đồ điều khiển l ợng tử hoá t ơng tự áp dụng mã hố Video MPEG-2 giải thuật kiểm tra mơ hình (Test Model 5: TM5) [TMOD] cho mục đích điều khiển tốc độ TM5 miêu tả trình điều khiển tốc độ bit thích ứng với tham số l ợng tử hoá MB 7 2) Điều khiển tốc độ hồi tiếp dương Trong giải thuật điều khiển tốc độ l ợng tử hoá biến đổi cổ điển tham số l ợng tử hoá khung đ ợc tính tốn dựa số l ợng bit phát sinh Trong giải thuật hồi tiếp d ơng, giá trị Qp ban đầu khung đ ợc lựa chọn dựa Qp tốc độ bit khung mã hoá cuối Giải thuật điều khiển tốc độ bit mang lại độ xác 15% cho bit đ ợc sử dụng để chuyển đổi mã hoá hệ số tốc độ thay đổi thất th ờng kỹ thuật điều khiển tốc độ bit l ợng tử hoá biến đổi theo tục lệ Giải thuật điều khiển tốc độ cho thấy sơ đồ điều khiển tốc độ đ ợc cải thiện so với ph ơng pháp kỹ thuật Qp thay đổi truyền thống 2.2 Các kỹ thuật điều khiển luồng 2.2.1 Điều khiển luồng sử dụng mã hóa ROI Với vài loại chuỗi Video, kinh nghiệm cho thấy để nâng cao chất l ợng việc mã hóa hình ảnh cách mã hóa vùng hình ảnh đ ợc quan tâm nhiều vùng cịn lại Bởi vậy, cần u tiên nhiều bít cho việc mã hóa khu vực khu vực khác Tuy nhiên, để định dạng vùng quan tâm cảnh Video Để sử dụng mã hóa ROI, khung hình ảnh cần đ ợc chia thành phân đoạn để định dạng vị trí hình dạng khu vực khung Video tr ờng hợp sử dụng giải thuật nén hình ảnh h ớng đối t ợng giống nh ISO MPE-4 Các giá trị hai kích cỡ b ớc l ợng tử phụ thuộc vào tham số Qp thiết lập giải thuật điều khiển tốc độ cho khung hình để phù hợp với yêu cầu tốc độ bít chuẩn Kỹ thuật điều khiển tốc độ đơn giản việc sử dụng mã hóa ROI đem lại kết mong đợi, xem kết thể bảng 2.1 với 150 khung chuỗi Miss America đ ợc mã hóa với tốc độ bít đích khác 8 Cả giải thuật qui ớc TMN5 mã hóa ROI làm tăng c ờng bật khuôn mặt đ ợc sử dụng cho mục đích điều khiển tốc độ Kết đ ợc tạo bảng hiển thị cải thiện mức độ PSNR sáng rõ xung quanh vùng mặt mà không làm xáo lộn hiệu Mức PSNR dao động không gây ảnh h ởng tới hiệu việc điều khiển tốc độ Sự trợ giúp Kỹ thuật điều chỉnh dao động tốc độ truyền theo bít mang lại chất l ợng hình ảnh mịn hơn, rõ nét quanh vùng mặt, vùng đ ợc quan tâm đặc biệt, nhiệm vụ mã hoá ROI Bảng 2.1 150 khung chuỗi Miss America đ ợc mã hóa tốc độ bít khác với giải thuật điều khiển tốc độ khác Tăng c ờng vùng mặt Tốc độ bit đích TMN5 Tổng Tốc độ vùng mặt Tổng Tốc độ PSNR cộng bit thực PSNR cộng bit thực (dB) (mục tiêu) vùng mặt PSNR tế (dB) PSNR tế (kbit/s) (dB) (kbit/s) (kbit/s)/tốc độ khung (dB) (f/s) 20/10 34.69 36.82 20.29 32.36 37.89 20.2 17/10 33.37 36.53 17.29 31.51 37.22 17.18 14.4/10 31.83 36.02 14.57 30.52 36.43 14.53 9.6/06 30.96 35.71 9.73 29.77 35.91 9.73 Sự tiến chủ quan đạt đ ợc nhờ kỹ thuật điều khiển tốc độ miêu tả hình 2.1 cho ta thấy khung chuỗi giải mã Miss American tốc độ 14.4 Kbit/s sử dụng TMN5 truyền thống giải thuật điều khiển tốc độ ROI cải thiện vùng mặt 9 Hình 2.1 Khung Hoa hậu Mỹ chuỗi giải mã tốc độ 14.4 kbit/s: (a) qui ớc biến Qp điều khiển tốc độ TMN5 (b) mã hóa ROI cho điều khiển tốc độ tăng c ờng vùng (dB) BềmặtđộchóiPSNR(dB) TổngcộngđộchóiPSNR mặt Hình 2.2 Khơng khung Khơng khung Giá trị Y-PSNR chuỗi mã hóa Foreman với tốc độ 48 kbit/s sử dụng ba giải thuật điều khiển tốc độ khác nhau: (a)Tổng quan PSNR (b) miền PSNR Hình 2.2 cho thấy giá PSNR chuỗi Foreman sử dụng ba giải thuật điều khiển tốc độ khác Có thể thấy giải thuật điều khiển tốc độ đ ợc thiết lập cao mã hoá ROI, xem hiển thị hình 2.2(a) Tuy nhiên giá trị PSNR xung quanh vùng mặt luôn tốt vùng khác giải thuật tốc độ bít đ ợc thiết lập để tăng mã hoá vùng mặt nh hiển thị hình 2.2(b) 10 2.2.2 Điều khiển luồng cách đẩy thông tin đ ợc u tiên Luồng bít đầu giải thuật mã hóa hình ảnh chuẩn xếp từ mã hóa đ ợc cố định từ mã có độ dài thay đổi (VLCs) Mỗi VLC biểu diễn phần khác thông tin kết hợp với chi tiết thời gian không gian chuỗi hình ảnh Giải thuật điều khiển tốc độ thực thi nh kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn phịng tránh Giải thuật điều khiển tốc độ bít thiết bị mã hóa giảm đến mức tối thiểu việc thông tin ảnh h ởng đến chất l ợng hình ảnh 2.2.3 Điều khiển luồng dùng vịng lặp phản hồi bên Trong phần 2.2.2 việc đ a tham số hình ảnh đ ợc biểu diễn cấu trúc lặp mở Diễn đạt theo cách khác, nhớ hình ảnh dựng lại cách cục không đ ợc cập nhật theo cách mà trì biểu diễn khung tin dựng lại mã hóa khung tin t ơng ứng giải mã Sự ghép nối không t ơng xứng hai khung mã hóa giải mã nguyên nhân hàng đầu dẫn đến làm hỏng khung tin hình ảnh đ ợc mã hóa Tốc độ tổn thất ớc tính phần trăm MV tổng số liệu MV Khi kiểu khung PB đ ợc dùng, kết mong đợi liệu hình ảnh nén trở nên nhạy để đạt đ ợc tỉ lệ nén cao nh khung B Khi đ ợc dùng với tùy chọn thay đổi, H.263 trở nên dễ bị lỗi Tuy nhiên tùy chọn thay đổi phân bổ góp phần làm giảm tốc độ bít đầu ra, băng cách đảm bảo kết mã hóa tốt điều kiện nghẽn mạng 2.3 Kết luận ch ơng II Trong ch ơng đa dạng giải thuật điều khiển tốc độ đ ợc dùng truyền thông Video đ ợc giới thiệu phân tích Các giải thuật mã hoá Video hỗ trợ cho chất l ợng số đ ợc giải mã với tốc độ truyền theo bit biến thiên tốc độ bit không thay đổi thực với Video đ ợc giải mã có chất l ợng biến thiên 11 Tr ớc hết, chuỗi Video số hợp với số lớn thống kê d thừa thời gian lẫn không gian, loại bỏ mà làm ảnh h ởng đến tốc độ luồng bit mã hố Từ q trình nén cân tốc độ bit đ ợc mã hoá chất l ợng Các giải thuật điều khiển luồng, có giải thuật điều khiển hồi tiếp đạt đ ợc cải tiến giải thuật điều khiển tốc độ truyền thống việc làm trôi chảy ngồi tốc độ bit giao động mã hố hình ảnh Thêm khả điều khiển tốc độ ph ơng pháp kỹ thuật hồi tiếp, cải thiện chất l ợng đ ợc đ a nhờ việc sử dụng mã hố vùng truyền thơng (ROI) Tuy nhiên, băng thơng mạng có u cầu thay đổi thời gian tốc độ bit đầu mã Video phải thích ghi với điều kiện thay đổi băng thông thời gian Vì mục đích này: làm cho giải thuật điều khiển tốc độ phải đ ợc sử dụng cho l u l ợng tối u hoá chất l ợng CH ƠNG III ĐIỀU KHIỂN LUỒNG VIDEO QUA MẠNG INTERNET 3.1 Kỹ thuật nén Video đặc điểm truyền dẫn 3.1.1 Vài nét kỹ thuật nén Video số Nén ảnh số mục đích làm để l u trữ ảnh d ới dạng có kích th ớc nhỏ hay d ới dạng biểu diễn mà yêu cầu số bit mã hóa so với ảnh gốc Nén ảnh thực thực tế: thông tin ảnh khơng phải ngẫu nhiên mà có trật tự, có tổ chức Hơn nữa, Video số chuỗi ảnh số hoá liên thời gian, ảnh số bao gồm nhiều dòng, nhiều phần tử ảnh (pixel); pixel đ ợc biểu diễn ba màu R, G, B Vì thực chất kỹ thuật nén Video số loại bỏ thông tin d thừa, nhằm h ớng đến mục tiêu : 12 Giảm tốc độ dòng bit tín hiệu gốc xuống giá trị, đủ để tái tạo ảnh giải nén Giảm dung l ợng giữ liệu l u trữ nh giảm băng thong truyền dẫn cần thiết Tiết kiệm chi phí l u trữ truyền dẫn liệu trì chất l ợng ảnh mức chấp nhận đ ợc Để đánh giá kỹ thuật nén ng ời ta th ờng so sánh số bit trung bình dùng để biểu diễn ảnh với Entropy đ ợc xác định nh sau: Trong đó: N số phần tử ảnh P(xi) – xác xuất phần tử ảnh Về thực chất, ENTROPY đ ợc hiểu nh số bit tối thiểu cần thiết tái tạo ảnh Video Kỹ thuật mã có hiệu nén cao số bit trung bình tiến gần giá trị Entropy Mỗi giải pháp nén Video khác cho chất l ợng hình ảnh, độ rộng băng thơng kênh truyền Video khác D ới góc độ bảo tồn liệu ảnh, kỹ thuật nén Video đ ợc phân thành hai nhóm là: nén tổn hao nén khơng có tổn hao 3.1.2 Kỹ thuật nén không tổn hao Trong kỹ thuật nén không tổn hao (Losses Compression): ảnh khơi phục giống hồn tồn so với ảnh gốc Nén Video số khơng tổn hao cịn đ ợc gọi là: mã hố nguồn Đây q trình biểu diễn kí hiệu dịng bit nguồn thành dịng từ mã, từ mã bao gồm số bit định cho giảm đ ợc tốc độ bit mức Các kỹ thuật th ờng dùng nén Video số khơng tổn hao là: Mã hố độ dài thay đổi VLC (Variable Length Coding Nén liên ảnh (Inter - Frame Compression 13 Mã hoá chiều dài chạy RLC (Run Length Coding Biến đổi Cosine rời rạc DCT (Discrete Cosine Transforrm Loại bỏ chỗ trống Trong nén MPEG-2,tr ớc hết kỹ thuật nén ảnh (INTRA-Frame Compression) đ ợc thực cách độc lập ảnh (Frame) đoạn gồm nhóm ảnh (GOPGroup of picture), cho kết ảnh I (INTRA –Coded Pictures) Sau ảnh dự đốn tr ớc P (Predicted Frame) Nén liên ảnh tạo ảnh B (Bidirectionally- Coded Frame) đ ợc mã liên ảnh theo hai chiều 3.1.3 Kỹ thuật nén tổn hao Các kỹ thuật nén có tổn hao (Lossy Compression) đạt đ ợc hiệu nhiều so với kỹ thuật nén không tổn hao Mà điều kiện cảm nhận hình ảnh thong th ờng mát thơng tin khơng cảm nhận đ ợc đảm bảo chất l ợng hình ảnh Nén có tổn hao không loại bỏ thông tin d thừa, thông tin không phù hợp với khả cảm nhận mắt ng ời, mà loại bỏ phần thơng tin quan trọng tái tạo lại ảnh gần với ảnh gốc Các kỹ thuật nén tổn hao: Điều chế mã xung vy sai DPCM (Differential Pulse Code Modulation Lấy mẫu phụ (subsampling) L ợng tử hố (Quantization) 1) Kỹ thuật mã hóa băng Mã hóa băng là: ảnh đ ợc lấy mẫu đầu vào đ ợc phân ly thành băng tần khác (gọi tín hiệu băng con) Để phân ly tín hiệu mã hóa thành băng con, ảnh đ ợc cho qua lọc filter bank gọi lọc phân tích đầu bank lọc băng lấy mẫu xuống hệ số 14 Kỹ thuật phổ biến đ ợc áp dụng mã sử dụng biến đổi Wavelet Đầu băng sau giản l ợc đ ợc l ợng tử hoá mã hoá độc lập Mỗi băng sử dụng l ợng tử hoá riêng l ợng tử hố có tốc độ lấy mẫu riêng (bít/mẫu) Kỹ thuật mã hố băng khơng xác định đ ợc hệ thống mã hoá tối u cho ứng dụng tốc độ bít thấp Việc cấp phát bít tố u thay đổi tốc độ bít tổng thay đổi, điều làm q trình mã hố phải lặp lại hồn tồn cho tốc độ bít xác định Do luôn tồn t ơng quan nhỏ băng tần kề liệu khơng đ ợc nén hồn tồn Kỹ thuật mã hố băng khơng hiệu thực bù chuyển động Video khó để thực đánh giá chuyển động băng (sai số dự đoán lớn) 1) Kỹ thuật mã hoá dựa phép biến đổi (a) Kỹ thuật mã hoá dựa phép biến đổi cosine rời rạc – DCT JPEG chuẩn nén số quốc tế tiên cho ảnh tĩnh có màu liên tục gồm ảnh đơn sắc ảnh màu Quá trình xử lý thành phần độ chói phía mà hóa đ ợc giải thích nh sau: Ảnh gốc đ ợc chia thành khối ảnh (block) nhỏ kích th ớc 8x8 khơng chồng chéo lên Tiếp theo, giá trị điểm ảnh khỗi khối ảnh đ ợc trừ 128 Ở khối ảnh hai chiều kích th ớc 8x8, áp dụng biến đổi DCT để tạo mảng hai chiều hệ số biến đổi Hệ số có t ơng ứng với tần số không gian thấp nh ng lại có giá trị lớn đ ợc gọi hệ số DC (một chiều), tỉ lệ với độ chói trung bình khối ảnh 8x8 Hệ số lại gọi hệ số AC (xoay chiều) Ở phía giải mã, ng ợc lại luồng bít mã hố đ ợc giải mã entropy Chú ý bảng l ợng tử hoá mã hoá entropy cá phía mã hố giải mã đồng Hai thành phần màu đ ợc mã hóa t ơng tụ nh thành phàn chói ngoại trừ khác biệt chúng đ ợc lấy mẫu xuống hệ số chiều ngang dọc tr ớc biến đổi DCT phía giải mã, thành phần màu đ ợc nội suy thành kích th ớc gốc 15 (b) Biến đổi Fourier – FT (c) Kỹ thuật mã hoá dựa phép biến đổi DWT Khơng giống nh biến đổi Fourier thích hợp phân tích tín hiệu ổn định (stationary),Wavelet phép biến đổi đ ợc sử dụng để phân tích tín hiệu khơng ổn định (non-stationary) – tín hiệu có đáp ứng tần số thay đổi theo thời gian Để khắc phục hạn chế biến đổi FT, phép biến đổi Fourier thời gian ngắn – STFT đ ợc đề xuất Chỉ có khác biệt nhỏ STFT FT Tuy nhiên khác với mã hoá băng con, lọc DWT đ ợc thiết kế phải có đáp ứng phổ phẳng, trơn trực giao Gần cịn có thêm thuật tốn đề xuất LS (lifiting sheme) sử dụng để tạo biến đổi Wavelet số nguyên Kỹ thuật sử dụng lọc Wavelet trực giao đem lại hiệu cao cho ứng dụng nén ảnh có tổn hao 3.1.4 Kỹ thuật đệm Kỹ thuật đệm hình ảnh sẽ: đ ợc thực lặp lặp lại, VOP để thực việc dự đoán chuyển động bù chuyển động Mục đích kỹ thuật để điều chỉnh tốc độ luồng Video mã hóa hay điều chỉnh tốc độ nén Video 3.1.5 Kỹ thuật ớc l ợng chuyển động phát chuyển động Kỹ thuật đoán chuyển động dựa nguyên tắc khung hình cảnh Video (Video Sequence) d ờng nh có liên quan mật thiết với theo thời gian: Mỗi khung hình thời điểm định có nhiều khả giống với khung hình đứng phía tr ớc phía sau Các mã hoá tiến hành quét lần l ợt phần nhỏ khung hình gọi MB, Sau phát MB khơng thay đổi từ khung hình tới khung hình khác Nén tín hiệu Video: đ ợc thực nhờ việc loại bỏ d thừa không gian (Spatial Coding) thời gian (Temporal Coding) Trong MPEG, việc loại bỏ d thừa 16 thời gian (nén liên khung hình) đ ợc thực tr ớc hết nhờ sử dụng tính chất giống khung hình liên tiếp (INTER-Picture) Nén khơng gian dựa ngun tắc là: phát giống điểm ảnh (pixel) lân cận (INTRA-Picture) 3.2 Bài toán điều khiển luồng Video nén qua mạng Internet 3.2.1 Các yếu tố ảnh h ởng đến luồng Video bị nén qua mạng Internet 1) Ảnh hưởng hệ thống mã hóa giải mã Phần lớn ph ơng pháp nén Video dựa vào việc mã khác Frame (INTER - Frame) Điều có nghĩa: thay phải gửi tất Frame gửi sai khác Frame với Frame tr ớc Ph ơng pháp mã hóa này: làm việc tốt với Video có thay đổi hình ảnh ít, nhiên ảnh h ởng đáng kể đến chất l ợng hình ảnh băng thơng có thay đổi lớn Frame hình ảnh Đa số chuẩn mã hóa vừa cho phép mã hóa với tốc độ bít cố định (chất l ợng hình ảnh thay đổi) hay tốc bít thay đổi (chất l ợng hình ảnh thay đổi) Các ph ơng pháp mã hóa Video th ờng kết hợp đ ợc kiểu mã hóa INTRA-Frame INTER- Frame Trong kiểu mã hóa INTRA- Frame, Frame ảnh đ ợc chia thành khối, khối đ ợc biến đổi thành tập hệ số thông qua biến đổi Cosin rời rạc Trong hầu hết tr ờng hợp tiêu chuẩn mã hóa Video cung cấp khả linh động mã hóa giải mã cho việc cân chất l ợng tốc độ Việc hiểu biết rõ ràng ảnh h ởng mã hóa giải mã Video yếu tố quan trọng góp phần vào việc đánh giá xác ảnh h ởng mạng đến chất l ợng truyền Video mạng 2) Giới hạn băng thông Sự giới hạn băng thông th ờng xảy lớp truy nhập (th ờng kết nối DSL hay Cable) Nếu băng thông dành sẵn không đủ để truyền luồng Video xảy gói đệm định tuyến, dẫn đến việc suy giảm chất l ợng Video 17 Một vấn đề tinh tế xảy mã hóa Video với tốc độ bít thay đổi Trong tr ờng hợp này, thay đổi hình ảnh hay thay đổi Frame đáng kể làm tăng yêu cầu băng thông khoảng thời gian ngắn, điều gây lên t ợng gói làm suy giảm chất l ợng hình ảnh nh :  Mất gói tin  Nghẽn máy chủ  Jitter Timing drif 3.2.2 Sự cần thiết điều khiển luồng Video nén qua mạng Internet Trong truyền thông đa ph ơng tiện, luồng Video nén cần đ ợc truyền qua mạng mà mạng khác băng thông có biến đổi theo thời gian yêu cầu Để tạo việc sử dụng tốt tài nguyên mạng khả dụ vào thời gian đảm bảo chất l ợng Video cảm quan mức cao từ viễn cảnh ng ời sử dụng cuối nênkỹ thuật điều khiển luồng phải đ ợc đ a vào hệ thống truyền thông Video Qua hiệu suất đầu mã Video gây bùng nổ l u l ợng dẫn tới mạng tắc nghẽn Kỹ thuật điều khiển luồng phải đ ợc đ a vào sử dụng sau điều chỉnh điều khiển tốc độ bit đầu nguồn Video mạng nhằm đạt đ ợc cân tốt chất l ợng hiệu sử dụng băng thông Kỹ thuật tránh tắc nghẽn truyền thông Video phải bao gồm chế điều khiển luồng hiệu với điều chỉnh tốc độ nguồn Video hoạt động 3.2.3 Bài toán điều khiển luồng Video bị nén qua mạng Internet Điều khiển luồng trình việc định tốc độ truyền tin tối u cho phiên thông tin Điều khiể n t ắc nghẽn cố gắng điều khiển luồng nơi mục tiêu việc điều chỉnh tốc độ truyền dẫn : nhằm tránh giảm thiểu tình trạng tắc nghẽn 18 Khi thiết kế thuật tốn điều khiển luồng : thơng tin liên lạc qua trung gian Video qua Internet, nhiều khía cạnh khác cần đ ợc xem xét Một số mong muốn quan trọng thuật toán điều khiển luồng Internet là: Đáp ứng linh động băng thông sẵn có, sử dụng băng thơng mạng cao Nội giao thức công bằng, đảm bảo phân bổ băng thông công phiên cách sử dụng thuật tốn dịng điều khiển Liên giao thức công bằng, đảm bảo phân bổ băng thông công phiên cách sử dụng thuật toán điều khiển luồng khác nhau, nhanh chóng hội tụ vào điểm hoạt động tối u Nhẹ thực đặc điểm tính khả thi việc triển khai gia tăng Một lý Internet thành công việc hỗ trợ số l ợng lớn ng ời dùng đồng thời khả giao thức mạng để thích ứng với điều kiện thay đổi Vậy nên toán đặt phải điều khiển luồng Video bị nén qua mạng tức thực kỹ thuật ch ơng II cách hiệu tối u đòi hỏi việc điều khiển luồng phải giải đ ợc vấn đề qua mơ hình mơ kỹ thuật điều khiển luồng mục 3.4 cho thấy đ ợc phần hiệu việc sử dụng kỹ thuật 3.3 Ứng dụng giải thuật điều khiển luồng Video nén qua mạng Internet Kỹ thuật truyền nhận tín hiệu Video qua mạng Internet t ơng tự nh radio truyền hình, nghĩa luồng tín hiệu (dữ liệu) đ ợc truyền phát liên tục từ server, thiết bị đầu cuối client nhận tín hiệu đến đâu phát lại (hiển thị) ngay, đ ợc gọi luồng (streaming) Tùy theo kỹ thuật áp dụng mà nội dung ch ơng trình đ ợc số hóa d ới dạng file Video đ ợc l u hay không l u lại máy thu client ng ời sử dụng Cho đến hình thức cung cấp dịch vụ Video qua mạng Internet phổ biến là: dịch vụ Video theo yêu cầu VOD (Video-on-Demand) truyền Video trực tiếp (live Video) 19 Ứng dụng phổ biến dịch vụ Video theo yêu cầu, theo khách hàng yêu cầu nội dung Video đ ợc số hóa (và nén mã hóa), đ ợc l u giữ th ờng xuyên server Trong q trình xem khách hàng điều khiển luồng nội dung tạm dừng, quay lại hay tới giống nh với đầu máy Video nhà 3.4 M Video Internet Nh trình bày ch ơng II 3.2.3 ch ơng III, để điều khiển luồng video nén truyền thông đa ph ơng tiện ng ời ta phải sử dụng nhiều ph ơng pháp giải thuật khác nhau, mã hố biện pháp khơng thể thiếu Các giải thuật th ờng phức tạp trừu t ợng Trong ch ơng giới thiệu mô hình mơ số giải thuật điều khiển luồng video nhằm tạo nhìn trực quan điều khiển luồng truyền thông đa ph ơng tiện 3.4.1 Điều khiển luồng video nén Chuẩn H.263 + TMN5, TMN8 đ a vào sử dụng để ngăn chặn tổn thất thông tin gắn với tốc dộ bit liệu mà đ ợc truyền dẫn qua tốc độ bit kênh khơng đổi Do việc mang lại hình ảnh rõ nét truyền từ mạng đến khác đáp ứng đ ợc yêu cầu dịch vụ khác nên việc sử dụng Test Model TMN5 cho mục đích điều khiển tốc độ cần thiết Nó mang lại tốc độ bit đầu thích ứng Điều khiển luồng video kỹ thuật quan truyền thông đa ph ơng tiện Điều khiển luồng video điều khiển tốc độ bit đầu trôi chảy tr ờng mạng nghẽn, không nghẽn ứng dụng video thời gian thực T ơng tự nh đệm, mã hố ROI điều khiển tốc độ kỹ thuật: điều khiển sử dụng mã hoá ROI, điều khiển luồng dùng vòng lặp phản hồi bên trong, điều khiển tốc độ giảm dộ phân giải, điều khiển tốc độ bit điều chỉnh tham số mã hố, kích cỡ b ớc l ợng tử, tốc độ mã cố định 20 3.4.2 Mơ hình mơ điều khiển luồng Đây mơ hình minh hoạ sử dụng TMN8 nh TMN5 MPEG, H.263 + TMN5, điều khiển tốc độ luồng video Hình 3.1 hình máy phục vụ Shot thực mã hóa video đ ợc chuyển đổi mã điều khiển luồng Hình 3.1 Màn hình máy phục vụ Shot thực mã hóa video đ ợc chuyển đổi mã điều khiển luồng Hình 3.1 Cho thấy hình máy chủ shot hai video đ ợc yêu cầu luồng để hai khách hàng Thấp góc bên trái, danh sách hiển thị thơng tin cho tất hình ảnh đ ợc điều khiển, điều chỉnh mã hóa máy chủ Phía bên trái phần danh sách tất thông tin tất phiên, bao gồm khách hàng địa IP, ổ cắm mã, video đ ợc yêu cầu, khung số l ợng tốc độ khung bit Bằng cách nhấn "Transcoding" nút, transcoding tham số đ ợc hiển thị Bằng cách nhấn "Kênh" "Điều khiển luồng" nút, kênh khác đ ợc mô lỗi khác điều chỉnh tham số đ ợc áp dụng Hơn nữa, phần chức khơng cịn đ ợc triển khai thực hiện.Trong phiên cửa sổ thống kê, khung tốc độ bit, PSNR đ ợc biểu thị hai biểu đồ 21 Đối với nhiều phiên, trang đ ợc đ a vào phiên thống kê cửa sổ Ở bên phải, yêu cầu hình ảnh điều khiển, điều chỉnh mã hoá đ ợc giải mã hiển thị Hình 3.2 hình ảnh minh họa hiển thị có điều khiển hay khơng điều tốc độ đoạn Video clip đ ợc mã hóa giải mã Góp phần mơ số kỹ thuật điều khiển luồng Video qua mạng Internet (a) Hình 3.2 (b) Luồng video chạy giải mã hình khách hàng, tốc độ bit 32 Kbps, (a)không điều khiển, không kênh, có điều khiển, khơng kênh 3.5 Kết luận ch ơng III Ch ơng III trình bày kỹ thuật nén Video qua mạng giới thiệu mơ hình mô điều khiển luồng video nén truyền thông đa ph ơng tiện Đây mơ hình sử dụng giải thuật TMN8, cho phép so sánh quan sát kết hiển thị video tr ờng hợp có điều khiển khơng điều khiển luồng Kết mô luồng video cho thấy áp dụng chế điều khiển luồng ta nhận đ ợc chất l ợng hình ảnh tốt đặc biệt vùng mặt video rõ nét trung thực Điều khẳng định ý nghĩa kỹ thuật điều khiển luồng việc nâng cao chất l ợng dịch vụ video truyền thông đa ph ơng tiện 22 KẾT LUẬN Luận văn đề cập đến kỹ thuật điều khiển luồng đa ph ơng tiện qua mạng Internet, từ góp phần cải thiện nâng cao chất l ợng hệ thống truyền thông đa ph ơng tiện nh chất l ợng dịch vụ luồng đa ph ơng tiện qua mạng Internet Luận văn trình bày kỹ thuật điều khiển luồng Video nén qua mạng Internet đạt d ợc nội dung sau đây: Ch ơng đầu vấn đề cần thiết điều khiển luồng đa ph ơng đa ph ơng tiện nêu lên thực trạng, giải pháp cho truyền thông đa ph ơng tiện câng thiết việc điều khiển luồng Các kỹ thuật điều khiển kỹ thuật điều khiển luồng đ ợc trình bày ch ơng II Ch ơng III nội dung luân văn đ a kỹ thuật nén Video số đ ợc dùng cho việc điều khiển luồng Video qua mạng Internet toán điều khiển luồng Video qua mạng Internet với mô hình mơ kỹ thuật điều khiển luồng Video nén qua mạng Internet H ớng nghiên cứu tiếp theo: Một số ph ơng pháp điều khiển hệ thống truyền thông đa ph ơng tiện ứng dụng ph ơng pháp điêu khiển luồng Video qua mạng Internet  ... tốt nghiệp là: ? ?Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển luồng đa ph ơng tiện qua mạng Internet? ?? Để sâu tìm hiểu kỹ kỹ thuật điều khiển luồng Video nén qua mạng Internet Đề tài nghiên cứu luận văn đ ợc... a kỹ thuật nén Video số đ ợc dùng cho việc điều khiển luồng Video qua mạng Internet toán điều khiển luồng Video qua mạng Internet với mơ hình mơ kỹ thuật điều khiển luồng Video nén qua mạng Internet. .. thiết điều khiển luồng đa ph ơng đa ph ơng tiện nêu lên thực trạng, giải pháp cho truyền thông đa ph ơng tiện câng thiết việc điều khiển luồng Các kỹ thuật điều khiển kỹ thuật điều khiển luồng