Tài liệu Truyền hình số dvb ở việt nam và xu hướng phát triển

Page 1 of 116 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- NGUYỄN NHƯ NHẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: ĐIỆN TỬ -VIỄN THÔNG ĐIỆN TỬ –VIỄN THÔNG ĐỀ TÀI TRUYỀN HÌNH SỐ DVB Ở VIỆT NAM VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN 2004-2006 NGUYỄN NHƯ NHẤT Hà Nội 2006 Nguyễn Như Nhất HÀ NỘI 2006 Luận văn thạc sĩ Page 2 of 116 MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN ....................................................................................... 4 MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ................................................................................. 7 CHƯƠNG 2 TẠO DÒNG MPEG-2 VÀ CẤU TRÚC MPEG-2 TS ................ 10 2.1. ĐẶC ĐIỂM CỦA TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH ......................................... 10 2.2. CHUYỂN ĐỔI SỐ ĐỐI VỚI TÍN HIỆU VIDEO ...................................... 10 2.2.1. Quá trình số hoá tín hiệu Video tổng hợp (composite signal). ............. 10 2.2.2. Quá trình số hoá tín hiệu Video thành phần (component signal) ......... 11 2.3. NÉN VIDEO CHUẨN MPEG................................................................... 14 2.3.1. Một số tiêu chuẩn nén. ........................................................................ 14 2.3.2. Cấu trúc dòng bít Video MPEG-2 ....................................................... 15 2.3.3. Nén theo không gian (Nén intra) - ảnh I.............................................. 16 2.3.5. Profile & Level ................................................................................... 20 2.4. NÉN AUDIO MPEG -2. ........................................................................... 22 2.4.1. Họ nén audio MPEG:.......................................................................... 22 2.4.2. Sơ đồ nén audio MPEG. ..................................................................... 23 2.4.3. Đặc điểm nén Audio MPEG. .............................................................. 24 2.5. CẤU TRÚC DÒNG TRUYỀN TẢI MPEG-2 TS ...................................... 25 2.5.1. Cấu trúc phân lớp hệ thống ................................................................. 26 2.5.2. Cấu trúc dòng truyền tải: .................................................................... 32 2.5.4. Thông tin đặc tả chương trình (PSI- Program Specific Information) ... 37 2.5.5. Đặc điểm của dòng MPEG-2 ............................................................. 40 2.5.6. Ứng dụng dòng truyền tải MPEG-2 TS ............................................... 41 CHƯƠNG 3 TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T ..................................... 42 3.1. ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT ................... 42 3.2. TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T .................................................. 43 3.2.1. Đặc điểm tiêu chuẩn DVB-T .............................................................. 44 3.2.2. Sơ đồ khối .......................................................................................... 45 3.2.3. Cấu trúc khung OFDM. ...................................................................... 59 3.2.4. Chất lượng đường truyền tiêu chuẩn DVB –T .................................... 67 CHƯƠNG 4 TRUYỀN HÌNH SỐ QUA VỆ TINH DVB-S .............................. 70 4.1. ĐẶC ĐIỂM CỦA TRUYỀN HÌNH VỆ TINH .......................................... 70 Nguyễn Như Nhất Luận văn thạc sĩ Page 3 of 116 4.2. TIÊU CHUẨN DVB-S (EN-300421) ........................................................ 73 4.2.1. Mã hoá kênh truyền ........................................................................... 74 4.2.2. Phần điều chế...................................................................................... 78 4.2.3. Chất lượng đường truyền .................................................................... 81 4.3. MỘT SỐ TIÊU CHUẨN KHÁC. .............................................................. 81 4.3.1. Tiêu chuẩn DVB-S (TR 101 198). ...................................................... 81 4.3.2. Tiêu chuẩn DVB-DSNG (EN 301 210)............................................... 81 4.4. TÍNH TOÁN CHẤT LƯỢNG ĐƯỜNG TRUYỀN TRONG DVB-S ........ 82 CHƯƠNG 5 TRUYỀN HÌNH SỐ QUA CÁP DVB-C .................................... 87 5.1. TIÊU CHUẨN DVB-C (EN 300 429). ...................................................... 87 5.1.1. Sơ đồ khối .......................................................................................... 87 5.1.2. Mã hóa kênh truyền ............................................................................ 88 5.1.3. Phần điều chế...................................................................................... 89 5.2. MỘT SỐ TIÊU CHUẨN KHÁC ............................................................... 91 CHƯƠNG 6 TRUYỀN HÌNH SỐ DVB Ở VIỆT NAM VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................................................................... 92 6.1 TƯƠNG LAI CỦA CÔNG NGHIỆP TRUYỀN HÌNH .............................. 92 6.2. TRUYỀN HÌNH SỐ DVB Ở VIỆT NAM HIỆN NAY ............................. 93 6.2.1. Truyền hình số qua vệ tinh DVB-S ..................................................... 94 6.2.2. Truyền hình số qua cáp DVB-C .......................................................... 99 6.2.3. Truyền hình số mặt đất DVB-T .......................................................... 99 6.3. XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CÁC DỊCH VỤ DVB TẠI VIỆT NAM ..... 104 6.4. KẾT LUẬN ............................................................................................. 107 MỘT SỐ THUẬT NGỮ ................................................................................... 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................ 116 Nguyễn Như Nhất Luận văn thạc sĩ Page 4 of 116 TÓM TẮT LUẬN VĂN Công nghệ Truyền hình số đang phát triển rất mạnh mẽ trên toàn thế giới, và Truyền hình Việt Nam cũng không thể đứng ngoài xu thế đó. Do vậy trong thời gian qua Truyền hình Việt Nam đã nghiên cứu, tìm hiểu, so sánh và cân nhắc để lựa chọn một chuẩn truyền hình số trong ba chuẩn hiện nay đang sử dụng trên thế giới: ATSC, DVB, ISDB-T. Năm 2001 truyền hình Việt Nam đã chọn chuẩn DVB được sử dụng trên lãnh thổ Việt Nam. Từ đó bản luận văn này trình bày về “Truyền hình kỹ thuật số DVB ở Việt Nam và xu hướng phát triển” bao gồm: - Giới thiệu chung về nguyên lý truyền hình. - Cách tạo ra dòng tín hiệu truyền hình số có nén MPEG-2 hiện đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới. - Các phương thức truyền dẫn tín hiệu truyền hình số tới người xem gồm: - Truyền dẫn phát sóng số trên mặt đất DVB-T. - Phát sóng tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh DVB-S. - Phát tín hiệu truyền hình số qua mạng cáp DVB-C. - Giới thiệu các cấu trúc, sơ đồ khối mà các mạng truyền dẫn này sử dụng, tập trung tìm hiểu chi tiết một số kỹ thuật quan trọng sử dụng trong mỗi phương thức truyền dẫn này. - Trình bày về xu thế hội nhập giữa truyền hình và công nghệ thông tin cùng với các dịch vụ sẽ được cung cấp trong tương lai. - Trình bày về hiện trạng các mạng truyền dẫn tín hiệu truyền hình số tại Việt Nam hiện nay, cũng như khả năng chuyển đổi từ mạng phát hình tương tự sang số. Các dịch vụ sẽ được các đài truyền hình, các nhà cung cấp phát triển trong thời gian tới. - Một số kiến nghị. Trân trọng cảm ơn! Nguyễn Như Nhất Nguyễn Như Nhất Luận văn thạc sĩ Page 5 of 116 MỞ ĐẦU Truyền hình ngày nay đã trở thành một nhu cầu không thể thiếu trong xã hội. Ngoài những nhu cầu tìm hiểu tin tức, truyền hình đã và sẽ mang lại cho người xem các chương trình giải trí bổ ích và các dịch vụ thông tin khác như nhiều loại dịch vụ tương tác theo hai chiều như video on demand, gameshow on demand, eshopping on demand, new on demand, webbrosing on demand... Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, nhất là công nghệ thông tin đã tạo ra sự thay đổi lớn rong lĩnh vực truyền hình và đem lại nhiều dịch vụ mới trong lĩnh vực truyền hình. Trong những năm gần đây công nghệ truyền hình đã chuyển sang một bước phát triển mới - đó là quá trình chuyển đổi từ công nghệ truyền hình tương tự sang công nghệ truyền hình số. Việc chuyển đổi này không chỉ xẩy ra trong lĩnh vực sản xuất các chương trình truyền hình mà còn trong cả lĩnh vực truyền dẫn và phát sóng tín hiệu truyền hình. Nhiều nhà nghiên cứu đã cho rằng đã bắt đầu một thời đại mới- thời đại của Digital Video, Digital Television. Truyền hình tương tự ngày càng ít được nhắc tới và đi dần vào quên lãng nhường đường cho truyền hình kỹ thuật số. Từ thập kỷ 80 các nước phát triển trên thế giới đã nghiên cứu, triển khai thử nghiệm truyền dẫn và phát sóng truyền hình số qua vệ tinh, qua cáp và mạng phát sóng mặt đất. Các công nghệ này đã và đang được hoàn thiện trong những năm cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 để những năm tới đây sẽ chuyển sang phát sóng số chính thức. Cùng với sự phát triển công nghệ nén tín hiệu Video, đã mở ra khả năng phát triển truyền hình số trong việc lưu trữ chương trình cũng như việc truyền dẫn và quảng bá tín hiệu truyền hình số đến người xem. Truyền hình số có những ưu điểm nổi bật so với truyền hình tương tự như: Có thể truyền nhiều chương trình trên cùng một băng tần. Có chất lượng cao ít bị ảnh hưởng bởi tạp âm đường truyền. Có thể lưu trữ chuyển đổi mà không làm giảm chất lượng. Có khả năng truyền được chương trình truyền hình độ phân giải cao (HDTV) trong băng tần 8MHz. Có thể kết hợp các dịch vụ truyền hình và các dịch vụ viễn thông khác. Vì vậy việc nghiên cứu về truyền hình số và tiếp cận với khoa học công nghệ đang thay đổi hết sức nhanh chóng là một việc hết sức quan trọng và cần được đẩy mạnh để đưa Truyền Hình Việt Nam (THVN) tiến kịp với các nước trong khu vực và trên thế giới, tránh tụt hậu và lãng phí. Ở Việt Nam kỹ thuật truyền hình số cũng đã được quan tâm từ những năm 1990, các trung tâm nghiên cứu phát triển và ứng dụng quản lý truyền hình cũng đã có nhiều đề tài về truyền hình số. Đài THVN (Truyền Hình Việt Nam) cũng đã đưa Nguyễn Như Nhất Luận văn thạc sĩ Page 6 of 116 ra lộ trình chuyển dịch từ truyền hình tương tự sang truyền hình số bắt đầu từ năm 1999. Sau nhiều hội nghị khoa học về việc lựa chọn chuẩn truyền hình số nào (ATSC, DVB, ISDB-T) được sử dụng tại Việt Nam. Năm 2001 Đài THVN đã ra quyết định chọn chuẩn DVB. Trước nhu cầu thực tế như vậy và bản thân là kỹ sư đang làm việc trong ngành truyền hình, cụ thể là tại Đài THVN, nên tôi chọn đề tài “Truyền hình số DVB ở Việt Nam và xu hướng phát triển” để nghiên cứu, tìm hiểu nhằm có được những đóng góp nhất định cho truyền hình Việt Nam. Nội dung luận văn đề cập đến: Cơ sở truyền hình số Các phương thức truyền dẫn tín hiệu truyền hình số DVB Truyền hình số DVB ở Việt Nam và Xu hướng phát triển Công nghệ truyền hình số là một một lĩnh vực mới và phức tạp nó hợp nhiều kiến thức mới của công nghệ thông tin và truyền thông, cho nên trong bản luận văn này sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy tôi mong muốn nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy, cô và các bạn đồng nghiệp để bản luận văn này có được những tác dụng nhất định. Qua đây tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, hướng dẫn của thầy, tiến sỹ Đỗ Hoàng Tiến đã tận tâm giúp đỡ, hướng dẫn để tôi hoàn thành cuốn luận văn này. HÀ NỘI, tháng 10 - 2006 Nguyễn Như Nhất Luận văn thạc sĩ Page 7 of 116 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Hệ thống truyền hình là một tập hợp các thiết bị cần thiết để đảm bảo quá trình phát và thu các tin tức hình ảnh. Lịch sử phát triển truyền hình đến nay cho ra đời nhiều tiêu chuẩn truyền hình khác nhau, nhưng dù thế nào thì cũng phải có sơ đồ khối như hình 1.1 ống kính Cảnh vật A Bộ chuyển đỏi ảnh - tín hiệu Bộ khuéch đại và gia công tín hiệu Bộ tạo xung đồng bộ Kênh truyền Bộ kh.đại và xử lý tín hiệu Bộ chuyển đỏi tín hiệu - ảnh Bộ tách xung đồng bộ Hình 1.1: Sơ đồ khối tổng quát hệ thống truyền hình đen trắng Truyền hình đen trắng ra đời từ những năm đầu của thập kỷ 20 với nhiều tiêu chuẩn truyền hình khác nhau: A, B, C, D, K, E, F, G, H, J, K, L, M, N. Tiếp theo đó là sự ra đời của các hệ truyền hình mầu với 3 hệ : NTSC, PAL, SECAM xuất hiện vào thập kỷ 50 của thế kỷ trước đã tạo nên một bước ngoặt mới trong quá trình phát triển của công nghệ truyền hình. Cả 3 hệ truyền hình này đều sử dụng các tín hiệu thành phần là tín hiệu chói và 2 tín hiệu mầu (Y, R-Y, B-Y). Điều khác nhau cơ bản giữa các hệ mầu là phương pháp điều chế và ghép kênh tín hiệu mầu với tín hiệu chói. Do sự phát triển nhanh chóng của công nghệ điện tử với sự ra đời của các vi mạch cỡ lớn, các bộ xử lý tín hiệu số với tốc độ cao, các bộ nhớ dung lượng lớn và nhất là sự bùng nổ của công nghệ thông tin trong nhưng năm gần đây, video số, truyền hình số đã hoàn toàn mang tính khả thi và từng bước trở thành hiện thực. Số hóa tín hiệu truyền hình trên thực tế không chỉ là sự biến đổi tín hiệu truyền hình tương tự sang tín hiệu số mà còn là quá trình xử lý tín hiệu đó để giảm các thông tin không cần thiết để đảm bảo tín hiệu truyền hình số có thể truyền được trên băng tần của truyền hình tương tự. So với hệ thống truyền hình tương tự (analog), truyền hình số có những ưu điểm như: - Tín hiệu số ít nhậy cảm với các dạng méo xẩy ra trên đường truyền. - Có khả năng tái tạo, không suy hao chất lượng khi truyền dẫn cũng như khi lưu trữ tín hiệu. - Có tính linh hoạt, mền dẻo trong quá trình xử lý tín hiệu. - Hiệu quả sử dụng băng tần cao khi truyền dẫn tín hiệu truyền hình số có nén. Nguyễn Như Nhất Luận văn thạc sĩ Page 8 of 116 - Có khả năng phân cấp chương trình khi sử dụng hệ truyền hình số mặt đất DVB-T hay ISDB-T. - Có khả năng truyền dẫn tín hiệu truyền hình có độ phân giải cao trên 1 kênh truyền hình tương tự. - Có khả năng kết hợp với nhiều dịch vụ thông tin khác nhau. - Khoá mã đơn giản. - Công nghệ truyền hình số có những khả năng mà truyền hình tương tự không thể thực hiện được. Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình số như hình 1.2 Đầu vào của thiết bị truyền hình số sẽ nhận tín hiệu truyền hình tương tự. Trong thiết bị mã hóa (biến đổi A/D) tín hiệu truyền hình analog sẽ được biến đổi thành tín hiệu truyền hình số Tín hiệu truyền hình analog Biến đổi A/D Nén, ghép kênh Thiết bị phát Mã hóa Điều chế kênh Kênh truyền Tín hiệu truyền hình analog Biến đổi D/A Tách kênh giải nén Thiết bị thu Giải mã kênh Giải điều chế Hình 1.2 – Sơ đồ khối tổng quát hệ thống truyền hình số Các tham số và đặc trưng của tín hiệu này được xác định từ hệ thống truyền hình đã chọn. Tín hiệu truyền hình số được đưa tới thiết bị phát, được chuyển tới kênh thông tin và tới thiết bị thu. Tại bên thu tín hiệu được biến đổi ngược lại với qúa trình xử lý tại phía phát, giải mã tín hiệu truyền hình, thực hiện biến đổi tín hiệu truyền hình số thành tín hiệu truyền hình tương tự. Hệ thống tín hiệu truyền hình số sẽ xác định trực tiếp cấu hình của bộ mã hóa và giải mã. Khi truyền qua kênh thông tin tín hiệu truyền hình số được mã hóa kênh để chống lỗi. Hiện nay trên thế giới tồn tại 3 tiêu chuẩn truyền hình số là ATSC do Mỹ đề xuất, DVB do châu Âu đề xuất và ISDB-T do Nhật Bản đề xuất. Truyền hình Việt Nam trong qua trình số hoá phải chọn cho mình một lộ trình thích hợp phù hợp với hoàn cảnh đất nước và kế thừa thành tựu của công nghệ truyền hình số trên thế giới. Do vậy trong khoảng hơn 10 năm trở lại đây Truyền Nguyễn Như Nhất Luận văn thạc sĩ Page 9 of 116 hình Việt Nam đã tập trung tìm hiểu, so sánh các ưu nhược điểm của các hệ thống truyền hình số trên thế giới và sau nhiều hội nghị khoa học chúng ta đã chọn tiêu chuẩn DVB là chuẩn truyền hình số duy nhất được sử dụng ở Việt Nam vào năm 2001. Ở thời điểm đó chuẩn DVB sử dụng tín hiệu truyền hình số được nén theo chuẩn MPEG-2. Từ đó đến nay Truyền hình Việt Nam đã tăng cường đầu tư các trang thiết bị theo chuẩn DVB MPEG-2 nhằm từng bước số hoá ngành công nghệ truyền hình trong nước. Trong những năm đầu việc số hoá được thực hiện ở khâu sản suất các chương trình truyền hình, đến nay đang số hoá dần công đoạn truyền dẫn và phát sóng tín hiệu truyền hình. Hiện nay toàn bộ hệ thống truyền hình số ở Việt Nam đều sử dụng chuẩn nén MPEG-2 của DVB. Trong khi hiện nay trên thế giới đã phát triển nhiều công nghệ mới như nén Video MPEG-4 có khả năng giảm được tốc độ bit xuống thấp hơn mà chất lượng hình ảnh không đổi. Tuy nhiên các sản phẩm thương mại của công nghệ mới này chưa phổ biến hơn nữa số lượng thiết bị đầu tư theo chuẩn MPEG-2 tại Việt Nam là rất lớn và sẽ tiếp tục phát triển trong một thời gian dài nữa. Do đó luận văn này chỉ tập trung vào lĩnh vực “Truyền dẫn tín hiệu truyền hình số theo chuẩn nén MPEG-2”. Nguyễn Như Nhất Luận văn thạc sĩ Page 10 of 116 CHƯƠNG 2 TẠO DÒNG MPEG-2 VÀ CẤU TRÚC MPEG-2 TS 2.1. ĐẶC ĐIỂM CỦA TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH Thiết bị truyền hình số dùng trong truyền chương trình truyền hình là thiết bị nhiều kênh, ngoài thiết bị truyền hình còn có các thông tin kèm theo là các kênh âm thanh và các thông tin phụ như tín hiệu điện báo thời gian chuẩn, tần số kiểm tra hình ảnh tĩnh. Tất cả các tín hiệu này được ghép vào các khoảng trống của đường truyền nhờ bộ ghép kênh . Truyền tín hiệu truyền hình số được thực hiện khi có sự tương quan giữa các kênh tín hiệu. Thông tin đồng bộ sẽ được truyền đi để đồng bộ các tín hiệu đó. Để kiểm tra về tình trạng của thiết bị truyền hình số sử dụng các hệ thống đo kiểm tra tương tự như hệ thống truyền hình tương tự thông qua đo kiểm tra tín hiệu chuẩn. Sau đây là một số đặc điểm của truyền hình số so với truyên hình tương tự - Tín hiệu số ít nhậy cảm với các dạng méo xẩy ra trên đường truyền. - Có khả năng tái tạo, không suy hao chất lượng khi truyền dẫn cũng như khi lưu trữ tín hiệu. - Có tính linh hoạt đa dạng trong quá trình xử lý tín hiệu. - Hiệu quả sử dụng băng tần cao khi truyền dẫn tín hiệu truyền hình số có nén. - Có khả năng phân cấp chương trình khi sử dụng hệ truyền hình số mặt đất DVB-T hay ISDB-T. - Có khả năng truyền dẫn tín hiệu truyền hình có độ phân giải cao trên 1 kênh truyền hình tương tự. - Có khả năng kết hợp với nhiều dịch vụ thông tin khác nhau. - Khoá mã đơn giản. - Công nghệ truyền hình số có những khả năng không thể thực hiện được trong truyền hình tương tự. 2.2. CHUYỂN ĐỔI SỐ ĐỐI VỚI TÍN HIỆU VIDEO 2.2.1. Quá trình số hoá tín hiệu Video tổng hợp (composite signal). Đối với tín hiệu video tổng hợp (NTSC hay PAL) tần số lấy mẫu tín hiệu Video được lấy bằng 4 lần tần số sóng mang tín hiệu mầu. Theo tiêu chuẩn Nyquist tần số lấy mẫu phải lớn hơn hoặc bằng 2 lần so với tần số cực đại của tín hiệu. Trong thực tế khi chuyển đổi A/D đối với tín hiệu video tổng hợp, qua nhiều lần thử nghiệm đã chứng tỏ rằng việc lấy mẫu với tần số có giá trị bằng n fSC là có hiệu quả hơn cả. Đối với tín hiệu truyền hình mầu hệ PAL có tần số lấy mẫu được lựa chọn là 4fSC = 17,734475 MHz. Đối với tín hiệu hệ mầu NTSC có tần số lấy mẫu là 4fSC = 14,32818 MHz. Đối với tín hiệu video tổng hợp, các pixel được lượng tử hoá 8 hay Nguyễn Như Nhất Luận văn thạc sĩ Page 11 of 116 10 bit. Do chất lượng của tín hiệu Composite thấp vì vậy tín hiệu này ít được sử dụng. Thay vào đó là việc chuyển đổi tương tự - số theo khuyến cáo CCIR 601 đối với các tín hiệu mầu thành phần. 2.2.2. Quá trình số hoá tín hiệu Video thành phần (component signal) Tín hiệu Video có đặc trưng riêng, nên ngoài việc thỏa mãn định lý lấy mẫu Nyquist, qỳa trình lấy mẫu còn phải tuân theo cấu trúc lấy mẫu, tính tương thích giữc các hệ thống ... a) Lấy mẫu Các chuẩn lấy mẫu Có nhiều chuẩn lấy mẫu tín hiệu Video thành phần số, điểm khác nhau chủ yếu ở tỷ lệ giữa tần số lấy mẫy và phương pháp lấy mẫu tín hiệu chói và tín hiệu màu. Trong đó bao gồm: Tiêu chuẩn 4:4:4; 4:2:2; 4:2:0; 4:1:1. Các định dạng số video có nén chỉ lấy mẫu cho các dòng tích cực của tín hiệu Video Trong các tiêu chuẩn đó, thường được sử dụng trong thiết bị Studio là 4:2:2 và trong các thiết bị truyền dẫn phát sóng là 4:2:0. Định dạng tín hiệu Video số CCIR- 601 4:2:2. Tín hiệu Video số CCIR-601 4:2:2 là tín hiệu Video số thành phần phù hợp với 2 hệ quét 525/60 hay 650/50 dùng trong phát sóng. Các thông số lấy mẫu: Lấy mẫu trực giao 4:2:2 (4 mẫu Y : 2 mẫu Cr : 2 mẫu Cb) điểm đầu lấy mẫu cả Y,Cr,Cb , điểm kế tiếp chỉ lấy mẫu Y(Khi giải mã tín hiệu màu của điểm này được suy ra từ điểm trước đó). Đối với cả 2 tiêu chuẩn quét mành 50/60 thì tần số lấy mẫu đối với các tín hiệu chói và mầu là: Đối với tín hiệu chói Y: fs = 13,5 MHz. Đối với tín hiệu mầu Cr hay Cb : fs = 6,75 MHz. Tốc độ dòng bít khi lấy mẫu với hệ PAL (625x720), có 576 dòng tích cực Khi mã hoá 8 bit/mẫu, tốc độ: (720 + 360 + 360) x 576 x 8 x 25 =165,888Mbit/s Khi mã hoá 10bit/mẫu, tốc độ: (720 + 360 + 360) x 576 x 10 x 25 = 207,36Mbit/s Các vị trí lấy mẫu theo tiêu chuẩn 4:2:2 được mô tả trong hình vẽ 2.1: Luma sample Cb sample Cr sample Hình 2.1: Các vị trí lấy mẫu theo chuẩn 4:2:2 Nguyễn Như Nhất Luận văn thạc sĩ Page 12 of 116 b) Lượng tử hoá Các tín hiệu được lượng tử hoá theo các mức: Đối với các tín hiệu chói Y Các mức 8 bit 10 bit Các mức bảo vệ cao FF 3FC-3FF Mức lượng tử cao nhất FE 3FB Mức trắng FB 3AC Mức xoá 10 040 Mức lượng tử thấp nhất 01 004 Mức bảo vệ thấp 00 000-003 8 bit 10 bit Các mức bảo vệ cao FF 3FC-3FF Mức lượng tử cao nhất FE 3FB Mức dương lớn nhất F0 3C0 Mức xoá 80 200 Mức âm lớn nhất 10 040 Mức lượng tử thấp nhất 01 004 Mức bảo vệ thấp 00 000-003 Đối với tín hiệu mầu Cr hay C b Các mức Dòng số liệu Video số được ghép từ tín hiệu chói và các tín hiệu màu nên dòng số liệu này có tốc độ lớn gấp 2 lần tốc độ lấy mẫu tín hiệu chói Y hay gấp 4 lần tốc độ lấy mẫu tín hiệu mầu Cr hay Cb. Do đó các đồng hồ kênh có tần số gấp 2 lần tần số lấy mẫu tín hiệu chói Y tức là : 13,5 x 2 = 27 MHz. Xung đồng bộ trong tín hiệu video tương tự được thay thế bằng tín hiệu chuẩn thời gian (TRS - Timing Reference Signal) các tín hiệu chuẩn thời gian là: - Bắt đầu tín hiệu Video (SAV- Start of Active Video). - Hết tín hiệu Video (EAV- End of Active Video). Tín hiệu chuẩn thời gian TRS gồm 4 từ mã. Trong trường hợp 8 bit, mã hoá hệ HEX bao gồm 4 từ mã được xắp xếp theo thứ tự Nguyễn Như Nhất Luận văn thạc sĩ Page 13 of 116 FF 00 00 XY Ba từ đầu có giá trị cố định, từ mã XY mang những thông tin: mành chẵn hoặc lẻ, bắt đầu hoặc kết thỳc xung xoá mành, bắt đầu hoặc kết thúc xung xoá dòng. Trong truờng hợp 10 bit 4 từ mã như sau: 3FF 000 000 XYZ. 3 từ bit đầu “3FF 000 000” là cố định , các giá trị 3FF và 000 dự phòng để nhận dạng thời gian và nhận dạng thông tin đồng bộ SAV và EAV. Các bit XYZ mang thông tin về nhận dạng field, trạng thái xoá mặt(mành), trạng thái xoá dòng. Các dữ liệu phụ (Ancillary data): Với hệ quét 625/50 trong thời gian xoá dòng có thể chèn 280 từ dữ liệu (HANC- Horiz Ancillary Data) và bắt đầu bằng 3 từ bit 000 3FF 3FF. Trong thời gian xoá mành, (ngoại trừ một số dòng đặc biệt) có thể chèn được 1440 từ bit dữ liệu (VANC- Vert. Ancillary Data) và cũng bắt đầu bằng 000 3FF 3FF. Nguyễn Như Nhất Luận văn thạc sĩ Page 14 of 116 2.3. NÉN VIDEO CHUẨN MPEG Trong tất cả các loại tín hiệu thì tín hiệu truyền hình là chiếm dải tần lớn nhất cho một kênh thông tin Ví dụ như dòng bit dạng thức video ITU- R 601 4:2:2 với mức lượng tử hoá 10 bit có tốc độ là 270 Mbit/s ( trường hợp số hoá cả các dòng không tích cực), như vậy dải phổ cần thiết để truyền tín hiệu này không dưới (3/4)x270 = 180 MHz dải phổ này là phi thực tế do vậy nén tín hiệu Video là không thể thiếu trong truyền hình số. Việc nén tín hiệu Video trước hết là loại bỏ các tín hiệu dư thừa trong dòng bit Video: độ dư thừa về khả năng cảm nhận hình ảnh của thị giác của con người, độ dư thừa về mặt không gian (các điểm ảnh kế cận nhau trong một ảnh thường có giá trị gần giống nhau), độ dư thừa về thời gian (các ảnh kế cận trong một chuỗi ảnh thường giống nhau), độ dư thừa bit xét về mặt xác suất thống kê. Đó là các nén không suy hao, không làm thay đổi cảm nhận của mắt đối với hình ảnh trước và sau khi nén (Lossless compression). Để tăng cường tỷ số nén, người ta sẽ loại bỏ các thông tin ít quan trọng và chấp nhận một mức suy giảm chất lượng nhất định đó là các kỹ thuật nén có suy hao. 2.3.1. Một số tiêu chuẩn nén. Tiêu chuẩn JPEG (Join Photographic Expert Group) ra đời khoảng những năm 1980: là một tiêu chuẩn dùng để nén các ảnh tĩnh (ảnh mầu và đen trắng) dùng để lưu trữ và sử dụng trong một số lĩnh vực như Fax màu, truyền ảnh báo chí, ảnh cho y học, camera số... Từ chuẩn JPEG người ta còn đưa ra chuẩn M-JPEG chỉ sử dụng trong khâu xản suất chương trình và hậu kỳ, không dùng được cho phát sóng vì tốc độ bít còn cao. Tiêu chuẩn MPEG (Motion Picture Expert Group): tiêu chuẩn MPEG do nhóm chuyên gia về ảnh động nghiên cứu và đề xuất với mục đích nén tín hiệu Video và Audio. Trong MPEG gồm các chuẩn sau: Chuẩn MPEG-1: Tiêu chuẩn nén ảnh động có kích thước 320x240 và tốc đọ bít còn từ 1- 1, 5 Mbit/s dùng cho ghi hình trên băng từ và đĩa quang (CD), đồng thời truyền dẫn trong các mạng, như mạng máy tính. Chuẩn MPEG-2: Là tiêu chuẩn nén được sử dụng cho các ứng dụng cao hơn với tốc độ bít còn ≤10 Mbit/s để truyền tín hiệu truyền hình số thông thường. Là tiêu chuẩn tiếp theo của MPEG -1 nhằm vào các ứng dụng cho các chương trình truyền hình trong hệ thống truyền hình số mặt đất, cáp và vệ tinh. Chuẩn MPEG-3: Là tiêu chuẩn nén tín hiệu số xuống còn≤ 50 Mbit/s để truyền tín hiệu truyền hình số có độ phân giải cao. Năm 1992 MPEG -3 được kết hợp với MPEG- 2 dùng cho truyền hình thông thường và truyền hình độ phân giải cao gọi chung là MPEG-2. Nguyễn Như Nhất Luận văn thạc sĩ Page 15 of 116 Chuẩn MPEG- 4: Chuẩn này cho phép nén ảnh Video với ít khung hình và yêu cầu làm tươi chậm nên tốc độ dữ liệu còn rất thấp, nhằm mục đích phát triển các tiêu chuẩn mã hóa mới có tốc độ bít thấp. Chuẩn MPEG-7: Được thiết kế cho mạng truyền thông đa phương tiện. Chuẩn MPEG-21: Cũng được thiết kế cho truyền thụng đa phương tiện. MPEG là chuẩn nén kết hợp giữa nén trong ảnh và nén liên ảnh là phương pháp nén có tổn hao dựa trên biến đổi DCT và bù chuyển động. 2.3.2. Cấu trúc dòng bít Video MPEG-2 Cấu trúc dòng bit MPEG-2 Video gồm 6 lớp: Lớp chuỗi (đoạn chương trình Video): Đoạn Video gồm thông tin đầu đoạn, một số nhóm ảnh (GOP), thông tin kết thúc đoạn. Thông tin đầu đoạn Video chứa kích thước mỗi chiều của ảnh, kích thước của điểm ảnh, tốc độ bít của dòng Video số, tần số ảnh và bộ đệm cần có. Đoạn Video và thông tin đầu đoạn tạo thành một dòng bít được mã hóa gọi là dòng cơ bản (Elementary Stream) Nhóm ảnh (GOP): Là tổ hợp của nhiều khung ảnh I,P và B, gồm nhiều ảnh, được bắt đầu bằng một khung I, thông tin đầu gồm 25 bít chứa mã định thời và điều khiển. Lớp ảnh: Gồm nhiều đoạn ảnh (slice) cho phép bộ giải mã xác định loại của ảnh được mã hóa là ảnh I,P hay B, thông tin đầu dùng để chỉ thứ tự khung truyền để bộ giải mã có thể xắp xếp lại ảnh theo một thứ tự đúng, ngoài ra header của ảnh còn chứa các thông tin về đồng bộ, độ phân giải và phạm vị của véc tơ chuyển động. Lớp Slice: Gồm nhiều Macroblock, mỗi Macroblock gồm một số block cho các tín hiệu màu và chói, phụ thuộc vào chuẩn lấy mẫu. Vị trí: vị trí bắt đầu của Slice. Thang lượng tử (QScale): bảng lượng tử hoá của Slice. Lớp Macroblock (MB): gồm nhiều Block. Địa chỉ tăng( Address Increase): số MB nhẩy tới. Loại MB: mô tả cấu trúc MB có sử dụng véc tơ bù trừ chuyển động. Thang lượng tử (QScale): bảng lượng tử hoá của MB. Block: Gồm 8x8 Pixel. Tuỳ theo dạng thức lẫy mẫu mà các Macroblock có cấu trúc khác nhau. Đối với dạng thức CCIR 601 4:2:0, mỗi MB sẽ gồm 4 Block Y, 1 Block Cr, 1 Block Cb. Đối với dạng thức CCIR 601 4:2:2, mỗi MB sẽ gồm 4 Block Y, 2 Block Cr, 2 Block Cb. Nguyễn Như Nhất Luận văn thạc sĩ Page 16 of 116 Kỹ thuật nén đối với tín hiệu Video theo tiêu chuẩn MPEG-2 sử dụng cả hai loại nén không suy giảm (nén theo không gian) và nén có suy giảm (nén theo thời gian). 2.3.3. Nén theo không gian (Nén intra) - ảnh I Sơ đồ tổng quát về nén intra hình 2.2 DPCM Y Cr Cb Block & MB formating Huff man 2D DCT Quanti zer Zig-zag Scaning RLC VLC Buffer Scaling Factor Quantizer Hình 2.2: Sơ đồ nén Intra frame Nguyên lý chung như sau Block và MB formating: trước khi thực hiện DCT, cả ảnh được chia thành các khối lớn riêng biệt không chồng nhau MB, mỗi MB gồm 4 block Y, 2 block Cr , 2 block Cb , số lượng các block màu phụ thuộc vào tiêu chuẩn lấy mẫu. Chuyển đổi 2D - DCT: Các block Y, Cr, Cb với kích thước 8 x 8 mẫu với độ phân giải lượng tử 8 bit sẽ được biến đổi ( 8 x 8 ) 2D - DCT để tạo ra ( 8 x 8 ) hệ số DCT có độ phân giải 11 bit. Năng lượng thường dùng tập trung ở thành phần một chiều DC và các thành phân tần số thấp nên các hệ số này thường có giá trị lớn hơn, các thành phần tần số cao ít tồn tại đồng thời ảnh hưởng ít đến cảm nhận của mắt nên có thể loại bỏ trong truờng hợp cần giảm thông tin trong khối lượng tử hoá. DPCM: Các hệ số DC của các block được mã hoá DPCM so với hệ số DC của block tương ứng trước đó. Lượng tử hoá (Quantizer): các thành phần tần số khác nhau được lượng tử hoá với các bước lượng tử khác nhau: - Lượng tử hoá tinh với các thành phần tần số thấp. - Lượng tử hoá thô với các thành phần tần số lớn. Nguyễn Như Nhất Luận văn thạc sĩ Page 17 of 116 Quá trình lượng tử hoá được thực hiện bằng cách chia 8 x 8 hệ số cho bảng lượng tử hoá (gồm 8 x8 giá trị tương ứng). Giá trị của các thành phần tần số lớn sau khi lượng tử hoá sẽ nhỏ và được làm tròn về “0”. MPEG sử dụng các bảng lượng tử hoá khác nhau khi lượng tử hoá Y,Cr,Cb. Tuỳ theo tình trạng đầy hay cạn của bộ đệm, các hệ số thang độ lượng tử (Scaling factor) sẽ được điều chỉnh lại. Quá trình này được thực hiện bằng cách chia 8 x 8 hệ số lượng tử hoá cho hệ số thang độ lượng tử. Hệ số thang độ lượng tử được áp dụng cho cả MB, do đó cần xét tính chất phân bố năng lượng của các Block để xác định hệ số thang độ lượng tử phù hợp nhất. Quét zigzag: (zig- zag scanning): chuyển (8 x 8) hệ số DCT lượng tử hoá (dạng ma trận - 2 chiều) thành một chiều để truyền dẫn tín hiệu với 1 dãy 64 phần tử (1 chiều) theo 1 thứ tự nhất định. Có 2 chế độ quét khác nhau là: Zigzag: áp dụng cho nguyên ảnh (frame). Alternate: áp dụng cho loại ảnh field. RLC + VLC (run length coding và variable length coding): Mã có độ dài chạy và mã có độ dài biết đổi dùng để loại bỏ các thông tin dư thừa xét về mặt thống kê. Bộ đệm (Buffer): điều chỉnh lượng bit ở đầu ra để luôn có tốc độ bit không đổi. Căn cứ vào tình trạng đầy hay cạn của bộ đệm được sử dụng để điều chỉnh lại hệ số thang độ lượng tử cho bộ lượng tử hoá phía trước. Các loại MB trong ảnh I: cần phân biệt 2 loại Macroblock được sử dụng trong ảnh I: Intra: chỉ sử dụng bảng lượng tử mặc định. Intra A (Adaptive): sử dụng bảng lượng tử mặc định kết hợp với hệ số thang độ lượng tử. Nguyễn Như Nhất Luận văn thạc sĩ Page 18 of 116 2.3.4. Nén theo thời gian (Nén Inter -ảnh P và B) Nén ảnh P: Hình 2.3 trình bày sơ đồ khối nguyên lý nén ảnh P ảnh hiện tại S b Motion Estimator Sai số dự đoán e = b- b ảnh dự đoán Motion Compensation Predictor S Picture Memory ảnh trước đó Vector chuyển động Hình 2.3 Sơ đồ nén ảnh P Đánh giá chuyển động (Motion estimator): đối với mỗi MBb trong ảnh thứ K, tìm trong vùng xung quanh ứng với ảnh thứ K-1 xem có MB nào gần giống nhất với MBb (giả sử đó là MCc), từ đó xác định được vec tơ chuyển động d. d = ( dx , dy ) Dự đoán bù chuyển động (Motion Compensation Predictor): tạo ra MB dự đoán b như sau: b = c, với c là c trong ảnh K-1 khi khôi phục lại. Như vậy, thay vì truyền đi toàn bộ thông tin MB sẽ được thay thế bằng véc tơ chuyển động và thông tin sai số dự đoán sẽ được DCT, lượng tử hoá, quét zig-zag và mã hoá RLC, VLC, tương tự như trong ảnh I Véc tơ chuyển động d được mã hoá DPCM so với véctơ chuyển động của MB trước đó, rồi ghép kênh chung lại để truyền đi. Các loại MB trong ảnh P: MB là đơn vị đánh giá chuyển động và bù chuyển động. Trong ảnh P, có 4 loại MB khác nhau được phân loại dựa vào 4 quyết định: - Có bù chuyển động hay không (MC/ No MC) - Nén kiểu intra hay không (intra / non - intra ) - Sai số dự đoán có được mã hoá hay không ( coded / not coded) - Có sử dụng hệ số thang độ lượng tử hay không (quant / no quant) . Có 8 loại MB trong ảnh P là: Intra: sử dụng bảng lượng tử mặc định. Intra A: sử dụng bảng lượng tử mặc định và hệ số thang độ lượng tử. Inter D: có ít nhất 1 block trong MB được mã hoá. Nguyễn Như Nhất Luận văn thạc sĩ Page 19 of 116 Inter DA: có ít nhất 1 block trong MB được mã hoá và có sử dụng hệ số thang độ lượng tử. Inter F: chỉ truyền vector chuyển động. Inter FA: truyền đi vector sai số dự đoán và cú sử dụng hệ số thang lượng tử. Skipped: bỏ qua MB này vì nó giống y như MB ở vị trí tương ứng trong ảnh trước đó. Nén ảnh B Đánh giá chuyển động: đối với mỗi MBb trong ảnh thứ K, tìm trong vùng xung quanh tương ứng trong ảnh thứ K-1 và thứ K+1, xem có MB nào gần giống nhất với MBb (giả sử MBc1 trong ảnh K-1 và MBc2 trong ảnh K+1 ). Từ đó xác định được 2 véc tơ chuyển động d 1 d2. Dự đoán bù chuyển động: tạo ra MB dự đoán b như sau: b = a1c1 + a2c2 Các loại MB trong ảnh B: trong ảnh B, có tất cả 12 loại MB khác nhau : Intra: giống như trong ảnh I, P. Intra A: giống như trong ảnh I,P. Inter F: giống như trong ảnh P. Inter FDA: giống như trong ảnh P. Inter B : chỉ truyền đi véc tơ chuyển động ngược . Inter BD: chỉ truyền đi véc tơ chuyển động ngược và sai số dự đoán. Inter BDA: chỉ truyền đi véc tơ chuyển động ngược, sai số dự đoán và có sử dụng hệ số thang độ lượng tử Inter I : chỉ truyền đi véc tơ chuyển động thuận và ngược. Inter ID : chỉ truyền đi cả 2 véc tơ chuyển động và sai số dự đoán . Inter IDA: chỉ truyền đi 2 véc tơ chuyển động, sai số dự đoán và có sử dụng hệ số thang độ lượng tử. Skipped : bỏ qua MB này, giống như trong ảnh P. Hình 2.4 đưa ra nguyên lý chung cho sơ đồ nén MPEG video, trong đó: A: sai số dự báo điểm điểm (Pixel-by-pixel prediction errors). B: hệ số DCT sai số dự báo (Prediction errors DCT co-efficients). C: hệ số DCT lượng tử (DCT co-efficients in quantized form). Nguyễn Như Nhất Luận văn thạc sĩ Page 20 of 116 D: Hệ số DCT sai số dự báo lượng tử (Quantized prediction error DCT coefficients). E: Sai số dự báo điểm điểm (Pixel-by-pixel prediction errors). F: Giá trị điểm để khôi phục lại (Reconstructed pixel values). G: Giá trị dự báo bù chuyển động (Motion compensated predicted pixel values). H: Véc tơ chuyển động (Motion vectors). F E + Video to be coded A + D IDCT Inverse quantizer + DCT B Quantizer C - Bitstream coder Coded video bitstream G Motion estimator H Motion compensator Anchor frame storage (2) Hình 2.4: Sơ đồ nén MPEG Đối với nén ảnh I, sau khi lấy mẫu tín hiệu được truyền đến khối biến đổi DCT cho các Macroblock độc lập, sau đó đến bộ lượng tử hoá (Quantizer) và mã hoá entropy. Tín hiệu ra từ bộ lượng tử được đưa tới bộ lượng tử hoá ngược (Invert Quantizer) và biến đổi DCT ngược sau đú lưu vào bộ nhớ ảnh. Bộ nhớ ảnh bao gồm ảnh xuất hiện trong bộ giải mã sau khi giải mã ảnh truyền loại I. Đối với loại ảnh P mạch nén hoạt động và làm việc trên cơ sở so sánh các ảnh có trong bộ nhớ, sau đó sẽ xác định véc tơ chuyển động, dự báo ảnh được biến đổi DCT lượng tử hoá và mã hoá entropy. Cũng như đối với ảnh I, các tín hiệu ra từ bộ lượng tử hoá sẽ được giải lượng tử hoá, biến đổi DCT ngược kết hợp với ảnh dự báo đang xét và lưu giữ trong bộ nhớ. 2.3.5. Profile & Level Mã hoá co dãn: tính co dãn của dòng bit MPEG-2 là khả năng giải mã được 1 phần dòng bit một cách độc lập với phần còn lại của dòng bit đó nhằm khôi phục lại video với chất lượng hạn chế (hạn chế về độ phân giải không gian, hạn chế về độ phân giải thời gian hay hạn chế về SNR..). Nguyễn Như Nhất Luận văn thạc sĩ