Đang tải... (xem toàn văn)
Đánh giá hiệu năng của kỹ thuật mã hóa video hevch.265 truyền hình qua mạng IP (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng của kỹ thuật mã hóa video hevch.265 truyền hình qua mạng IP (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng của kỹ thuật mã hóa video hevch.265 truyền hình qua mạng IP (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng của kỹ thuật mã hóa video hevch.265 truyền hình qua mạng IP (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng của kỹ thuật mã hóa video hevch.265 truyền hình qua mạng IP (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng của kỹ thuật mã hóa video hevch.265 truyền hình qua mạng IP (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng của kỹ thuật mã hóa video hevch.265 truyền hình qua mạng IP (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng của kỹ thuật mã hóa video hevch.265 truyền hình qua mạng IP (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng của kỹ thuật mã hóa video hevch.265 truyền hình qua mạng IP (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng của kỹ thuật mã hóa video hevch.265 truyền hình qua mạng IP (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng của kỹ thuật mã hóa video hevch.265 truyền hình qua mạng IP (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng của kỹ thuật mã hóa video hevch.265 truyền hình qua mạng IP (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng của kỹ thuật mã hóa video hevch.265 truyền hình qua mạng IP (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng của kỹ thuật mã hóa video hevch.265 truyền hình qua mạng IP (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng của kỹ thuật mã hóa video hevch.265 truyền hình qua mạng IP (LV thạc sĩ)
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - NGUYỄN HỮU BẰNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA KỸ THUẬT MÃ HÓA VIDEO HEVC/H.265 TRUYỀN HÌNH QUA MẠNG IP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI - 2017 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - NGUYỄN HỮU BẰNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA KỸ THUẬT MÃ HÓA VIDEO HEVC/H.265 TRUYỀN HÌNH QUA MẠNG IP CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 60.52.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VŨ VĂN SAN HÀ NỘI - 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Hà Nội, tháng năm 2017 Sinh viên thực Nguyễn Hữu Bằng ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC THUẬT NGỮ, TỪ VIẾT TẮT iv DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC HÌNH VẼ vii MỞ ĐẦU ix CHƯƠNG 1: 1.1 KỸ THUẬT MÃ HÓA VIDEO HEVC/H.265 Giới thiệu chung mã hóa video 1.1.1 Tổng quan mã hóa video .1 1.1.2 GOP .2 1.1.3 Lớp mạng trừu tượng (NAL) 1.2 Chuẩn mã hóa video H.264/AVC 1.2.1 Bối cảnh đời phát triển 1.2.2 Nguyên lý hoạt động 1.2.3 Các đặc điểm bật .8 1.3 Chuẩn mã hóa video HEVC/H.265 10 1.3.1 Bối cảnh đời phát triển 10 1.3.2 Nguyên lý hoạt động .11 1.3.3 Các đặc điểm bật 12 1.4 Tổng kết chương 27 CHƯƠNG 2: 2.1 TRUYỀN HÌNH QUA MẠNG IP 28 Mô hình hệ thống truyền hình qua mạng IP .28 2.1.1 Internet video 28 2.1.2 IPTV 29 iii 2.1.3 Tình hình phát triển IPTV Việt Nam .31 2.2 Mã hóa giải mã 34 2.3 Ghép kênh 35 2.4 Truyền dẫn qua mạng IP 37 2.4.1 Giao thức giao vận 37 2.4.2 Đóng gói 42 2.4.3 Truyền thông điểm-điểm (unicast) điểm-đa điểm (multicast) .44 2.5 Một số đặc điểm truyền dẫn qua mạng IP 49 2.5.1 Mất gói 49 2.5.2 Jitter .50 2.5.3 Trễ .51 2.6 Tổng kết chương 52 CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA HEVC/H.265 TRONG KỊCH BẢN TRUYỀN HÌNH QUA MẠNG IP 53 3.1 Giới thiệu chung 53 3.2 Mô hình kịch mô 54 3.2.1 Kịch mô thứ .54 3.2.2 Kịch mô thứ hai 55 3.3 Kết phân tích, đánh giá khuyến nghị 56 3.3.1 Kết phân tích, đánh giá khuyến nghị mô thứ 57 3.3.2 Kết phân tích, đánh giá khuyến nghị mô thứ hai 60 3.4 Tổng kết chương 62 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 iv DANH MỤC THUẬT NGỮ, TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt CATV CTB CTU DPB ES FTTH GOP HDTV HEVC 10 IGMP 11 IPTV Tiếng Anh Community Access Television Coding Tree Blocks Coding Tree Units Decoded Picture Buffer Elementary Stream Fiber to The Home Group of Picture High-Definition Television High Efficiency Video Coding Internet Group Management Protocol Internet Protocol Television Tiếng việt Truyền hình cáp Khối mã hóa Đơn vị mã hóa Bộ đệm hình ảnh giải mã Luồng sở Cáp quang đến hộ gia đình Nhóm hình ảnh Truyền hình độ nét cao Mã hóa video hiệu suất cao Giao thức quản lý nhóm Internet Truyền hình giao thức Internet International Telecommunication Union Telecommunication Local Area Network Moving Picture Experts Group Liên minh Viễn thông Quốc tế 12 ITU-T 13 LAN 14 MPEG 15 MPLS Multi-Protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức 16 MSE Mean Square Error Sai số bình phương trung bình 17 MTU Maximum Tranmission Unit Đơn vị truyền tải tối đa 18 NAL Network Abstraction Layer Lớp mạng trừu tượng 19 PES Luồng sở đóng gói 20 PIM 21 PSNR Packetized Elementary Stream Protocol-Independent Multicast Peak Signal to Noise Ratio Mạng máy tính nội Nhóm chuyên gia hình ảnh động Tỉ số tín hiệu nhiễu đỉnh v 22 23 24 QoE QoS OTT Quality of Experience Quality of Service Over The Top 25 RTP Real-time Transport Protocol 26 TCP 27 UDP 28 UHDTV 29 30 31 xDSL VOD WAN 32 WiMAX Transmission Control Protocol User Datagram Protocol Ultra-High-Definition Television Digital Subcriber Line Video on Demand Wide Area Network Worldwide Interoperability for Microwave Access Chất lượng trải nghiệm Chất lượng dịch vụ Giao thức giao vận thời gian thực Giao thức điều khiển truyền vận Truyền hình độ nét siêu cao Kênh thuê bao số Video theo yêu cầu Mạng diện rộng Khả tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Kích thước khối HEVC chuẩn trước [4] 15 Bảng 1.2 Chế độ dự đoán ảnh [4] 17 Bảng 3.1 Các video mẫu sử dụng đánh giá 53 vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc GOP phẳng [2] Hình 1.2 Cấu trúc GOP phân cấp không theo cặp [2] .3 Hình 1.3 Cấu trúc GOP phân cấp theo cặp [2] Hình 1.4 Tổng quan mã hóa H.264/AVC HEVC [4] .4 Hình 1.5 Cấu trúc tiêu đề NAL [4] Hình 1.6 Sơ đồ mã hóa H.264/AVC [6] Hình 1.7 Sơ đồ giải mã H.264/AVC [6] Hình 1.8 Sơ đồ khối mã hóa/giải mã HEVC [8] 11 Hình 1.9 Sơ đồ khối giải mã [4] 12 Hình 1.10 Chia CTU thành CU theo cấu trúc tứ phân [4] 13 Hình 1.11 Chia CU thành PU [4] 14 Hình 1.12 Chia CTB thành TB CB theo cấu trúc tứ phân [4] .14 Hình 1.13 Đơn vị dự đoán [7] 18 Hình 1.14 Chế độ dự đoán hướng HEVC [7] 22 Hình 1.15 Nội suy dự đoán ảnh (theo trục dọc) [7] 22 Hình 1.16 Khái niệm dự đoán liên ảnh [4] .23 Hình 1.17 Dự đoán liên ảnh HEVC [4] 24 Hình 1.18 Vị trí ứng viên thông tin chuyển động a) Thời gian; b) Không gian [4] 25 Hình 1.19 Xác định ứng viên AMVP không gian A, B [4] 25 Hình 1.20 Vị trí phân số bù chuyển động chói với độ xác ¼ điểm ảnh [4] 26 Hình 2.1 Mạng cung cấp Internet Video [9] 29 Hình 2.2 Chuỗi giá trị IPTV 30 Hình 2.3 Mô hình mạng IPTV 31 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Thị phần truyền hình trả tiền Việt Nam tính đến tháng 12/2016 32 Mô hình cung cấp dịch vụ IPTV hạ tầng broadband VNPT 33 Mô hình cung cấp dịch vụ IPTV hạ tầng broadband FPT 33 Dòng liệu theo chuẩn MPEG [15] 36 Vị trí giao thức lớp giao vận [15] 38 Gói tin dài gói tin ngắn [15] .42 viii Hình 2.10 Mô hình mạng thiết kế cung cấp dịch vụ multicast PIM IGMP 47 Hình 3.1 Mô hình mô đánh giá thứ hai 55 Hình 3.2 Đường cong tỉ lệ HEVC H.264 video 720p .57 Hình 3.3 Đường cong tỉ lệ HEVC H.264 video 1080p .57 Hình 3.4 Đường cong tỉ lệ HEVC H.264 video 4K 58 Hình 3.5 Thời gian nén HEVC H.264/AVC .58 Hình 3.6 Thời gian giải nén HEVC H.264/AVC 59 Hình 3.7 Kịch gói ngẫu nhiên 60 Hình 3.8 Khả che giấu lỗi HEVC H.264/AVC video Sunflower 60 Hình 3.9 Khả che giấu lỗi HEVC H.264/AVC video BlueSky 61 57 3.3.1 Kết phân tích, đánh giá khuyến nghị mô thứ Hình 3.2 Đường cong tỉ lệ HEVC H.264 video 720p Hình 3.3 Đường cong tỉ lệ HEVC H.264 video 1080p 58 Hình 3.4 Đường cong tỉ lệ HEVC H.264 video 4K Hình 3.5 Thời gian nén HEVC H.264/AVC 59 Hình 3.6 Thời gian giải nén HEVC H.264/AVC Hiệu nén yêu cầu chuẩn mã hóa Trong Hình 3.2, Hình 3.3, Hình 3.4 thể đường cong biến dạng tỷ lệ cho hai tiêu chuẩn HEVC H.264/AVC Từ hình vẽ này, ta nhận thấy khoảng cách hiệu nén đáng ý hai tiêu chuẩn Cụ thể, hai tiêu chuẩn có giá trị PSNR tương đương nhau, tốc độ bit HEVC đáng kể so với H.264/AVC Ngoài ra, HEVC thể hiệu độ phân giải 4K thể việc tiết kiệm đáng kể tốc độ bit so với độ phân giải FHD HD Hình 3.5 Hình 3.6 thể tổng thời gian để thực trình nén giải nén hai tiêu chuẩn Có thể nhận thấy, thời gian cần để HEVC thực trình nén cao gấp nhiều lần so với H.264/AVC Điều thể phức tạp tính toán HEVC H.264/AVC Để cải thiện hiệu suất, HEVC cần phải có thuật toán phức tạp yêu cầu tính toán nhiều điều dẫn tới yêu cầu thời gian nén dài đáng kể Tuy nhiên, cần ý hai phần mềm JM HM phần mềm chủ yếu sử dụng nghiên cứu Hai phần mềm không tối ưu hóa để chạy đa luồng, dẫn tới thời gian mã hóa kéo dài không với thực tế Về mặt lý thuyết, HEVC có số cải tiến hỗ trợ xử lý đa luồng tốt hơn, hứa hẹn việc cắt giảm thời gian nén [4] 60 3.3.2 Kết phân tích, đánh giá khuyến nghị mô thứ hai Hình 3.7 Kịch gói ngẫu nhiên Hình 3.8 Khả che giấu lỗi HEVC H.264/AVC video Sunflower 61 Hình 3.9 Khả che giấu lỗi HEVC H.264/AVC video BlueSky Kết kịch gói ngẫu nhiên thể Hình 3.7 Nhìn chung, kịch này, khả che giấu lỗi HEVC H.264/AVC tương đồng HEVC có mức PSNR cao chút Như đề cập trên, kịch gói ngẫu nhiên tính thực tế tính xác cao xác suất xảy ngẫu nhiên Một kịch gói nghẽn, mà điểm nghẽn, xác suất gói tăng cao, phù hợp cho kịch thực tế Hình 3.8, Hình 3.9 mô tả kết phát video sunflower, bluesky qua môi trường gói Trong trình truyền, chế để phục hồi lỗi gói tin Tuy nhiên, thân giải mã trang bị sẵn khả che giấu lỗi Mục tiêu giữ lại trải nghiệm xem tốt cho người xem Hai video sử dụng kiểm tra có chung độ phân giải, tốc độ khung hình, mô hình lấy mẫu màu độ sâu màu Sunflower video có góc quay cố định với độ chi tiết mức trung bình Trong đó, bluesky video có góc quay di chuyển với độ chi tiết mức thấp Trong trường hợp video tĩnh, nhìn 62 chung HEVC thể hiệu ấn tượng H.264/AVC chút mức gói 1% 5% Ngược lại, bối cảnh video có nhiều yếu tố chuyển động độ chi tiết mức thấp, H.264/AVC cho thấy hiệu tốt hẳn so với HEVC Điều xảy khác biệt chế che giấu lỗi H.264/AVC HEVC sử dụng phần mềm FFMPEG Đối với trường hợp H.264/AVC, giải mã x264 che giấu lỗi ảnh chế nội suy khung [18] Trong đó, ảnh P bị lỗi, che giấu cách chép điểm ảnh khung tham chiếu trước đó, ảnh B bị lỗi, che giấu cách sử dụng nội suy thời gian khung trước sau Đối với trường hợp HEVC, tái tạo hình ảnh nhiều thông tin bị mất, chế che giấu lỗi áp dụng Bộ giải mã lặp lại hình ảnh giải mã trước [19] 3.4 Tổng kết chương Chương tập trung đánh giá hiệu HEVC dựa so sánh trực tiếp với chuẩn tiền nhiệm H.264/AVC Các tham số để đánh giá dựa vào bao gồm PSNR, tốc độ bit, tỷ lệ gói Hiệu đánh giá qua bốn video với đặc điểm khác để thể đặc tính mã hóa 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận văn giới thiệu đặc điểm bật chuẩn mã hóa video hiệu suất cao HEVC chuẩn mã hóa trước H.264/AVC Nói chung, nhiều kĩ thuật thực HEVC dựa cải tiến từ H.264/AVC Hầu tất cú pháp cấu trúc H.265/HEVC hỗ trợ mã hóa giải mã cách độc lập Hiệu đạt phù hợp với mục tiêu ban đầu giảm tốc độ bit nửa so với H.264/AVC Điều đáng nói hiệu HEVC video độ phân giải 4K ấn tượng Trong tương lai, truyền hình độ nét siêu cao trở nên phổ biến, HEVC đóng vai trò quan trọng, tiết kiệm đáng kể lưu lượng video truyền hạ tầng mạng Truyền hình qua mạng IP nói chung IPTV nói riêng xu công nghệ tương lai Nhu cầu truyền hình người tăng nhanh cao hết Trong bối cảnh truyền hình thời gian thực, giải pháp truyền thông multicast sử dụng cách rộng rãi Tuy nhiên, việc tăng hiệu suất nén cho tiêu chuẩn mã hóa thường làm giảm khả chống lỗi chuẩn mã hóa Như kết trình bày trên, video có nhiều thành phần dịch chuyển, H.264/AVC cho thấy hiệu cao chuẩn HEVC Điều đặt nghiên cứu tương lai nhằm cải thiện khả chống lỗi mã hóa mà giữ tỉ lệ nén cao 64 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] David Salomon, Giovanni Motta, David Bryant (2010), Handbook of Data Compression, Nhà xuất Springer [2] Alfredo Scaccialepre (2014), "Design and Implementation of a Fast HEVC Random Access Video Encoder," Luận văn Thạc sĩ, Stockholm, Sweden [3] Basak Oztas , Mahsa T Pourazad , Panos Nasiopoulos , Victor C M Leung (2012), "A Study on the HEVC Performance Over Lossy," TELUS Communications Inc., Canada [4] Gary J Sullivan; Madhukar Budagavi; Vivienne Sze (2013), High Efficiency Video Coding (HEVC), Nhà xuất Springer [5] Thomas Wiegand, Gary J Sullivan, Gisle Bjøntegaard, Ajay Luthra (2003), "Overview of the H.264/AVC Video Coding Standard," Tạp chí IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology [6] Iain E G Richardson (2003), H.264 and MPEG-4 Video Compression: Video Coding for Next-generation Multimedia, Nhà xuất John Wiley & Sons [7] Sharabayko, Maxim P (2013), "Intra Compression Efficiency in VP9 and HEVC," Tạp chí Applied Mathematical Sciences, vol 7, pp 6803-6824 [8] Gary J Sullivan; Jens-Rainer Ohm; Woo-Jin Han; Thomas Wiegand (2012), "Overview of the High Efficiency Video Coding," Tạp chí IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, vol 22, pp 1649-1668 [9] Simpson, Wes; Greenfield, Howard (2007), IPTV and Internet Video: New Markets in Television Broadcasting, Công ty Elsevier [10] Đình Anh, http://ictnews.vn, 15 2017 [Online] Available: http://ictnews.vn/vien-thong/so-hoa-truyen-hinh/tong-giam-doc-sctv-giuchuc-chu-tich-hiep-hoi-truyen-hinh-tra-tien-151673.ict [Accessed 20 2017] 65 [11] Doãn Phong, "http://vietnamnet.vn," [Online] Available: http://vietnamnet.vn/vn/thi-truong-tieu-dung/thi-truong-truyen-hinh-iptvphat-trien-manh-me-317954.html [Accessed 23 2017] [12] Trọng Hiền, http://tiepthithegioi.vn/, 28 12 2016 [Online] Available: http://tiepthithegioi.vn/mua-sam/hang-cong-nghe/ca-nui-tien-de-choi-truyenhinh-internet/ [Accessed 20 2017] [13] VASC (2009), "Giới thiệu dịch vụ IPTV," [Online] Available: http://mientayvn.com/Vat%20li/Tai_lieu/Tai_lieu_ly_moi_1/DIEN_TU/Vien _thong/IPTV/IPTV%20technical%20slide.pdf [Accessed 20 2017] [14] FPT (2013), "Nguyên tắc thiết kế triển khai mạng FTTH mới," [Online] Available: https://www.slideshare.net/bocap231286/nguyen-tac-thiet-ketrien-khai-mang-ftth-moi-tai-lieu-noi-bo [Accessed 20 2015] [15] Simpson, Wes (2008), Video Over IP IPTV, Internet Video, H.264, P2P, Web TV, and Streaming: A Complete Guide to Understanding the Technology, Công ty Elsevier [16] "http://ffmpeg.org/," [Online] Available: http://ffmpeg.org/ffmpeg.html [17] Andreasson, Oskar (2001-2006), Iptables Tutorial [18] Lin, Ting-Lan; Yueh-Lun; Cosman, Chang and Pamela C (2010), "Subjective experiment and modeling of whole frame packet loss visibility for H.264," Hội nghị Packet Video Workshop (PV) 18th International 2010 [19] Xavier Corbillon, Florian Boyrivent, Gr´ egoire Asselin de Williencourt, Gwendal Simon, G´ eraldine Texier, Jacob Chakareski (2016), "Efficient Lightweight Video Packet Filtering for Large-Scale Video Data Delivery," Hội nghị IEEE International Conference on Multimedia & Expo Workshops 2016 [20] "http://vnpt.vn/," VNPT, [Online] Available: http://vnpt.vn/noibo/Default.aspx?Page=NewsDetail&pmid=4&mid=13&id= 20213 [Accessed 2017] 66 [21] "https://www.itu.int/," [Online] Available: https://www.itu.int/en/ITUT/gsi/iptv/Documents/tech/1002-Singapore-IDA-APT-WS-IPTVOverview.pdf [Accessed 20 2017] ... Đánh giá hiệu kỹ thuật mã hóa video HEVC/H.265 truyền hình qua mạng IP. ” Tổng quan, luận văn gồm chương: Chương trình bày mã hóa video hiệu suất cao HEVC Chương giới thiệu truyền hình qua mạng. .. này, chuẩn mã hóa video hệ phát triển với tên gọi mã hóa video hiệu suất cao (HEVC/H.265) Với mục đích đưa đánh giá khách quan hiệu kỹ thuật mã hóa video HEVC/H.265 truyền hình qua mạng IP, em xin... - NGUYỄN HỮU BẰNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA KỸ THUẬT MÃ HÓA VIDEO HEVC/H.265 TRUYỀN HÌNH QUA MẠNG IP CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 60.52.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng