Tài liệu Chuẩn nén mpeg 2 đối với dữ liệu đa phương tiện trên môi trường mạng

Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o tr-êng ®¹i häc b¸ch khoa Hµ Néi Ly Vattana ChuÈn nÐn mpeg-2 ®èi víi d÷ liÖu ®a ph-¬ng tiÖn trªn m«I tr-êng m¹ng Chuyªn ngµnh: C«ng nghÖ th«ng tin Ng-êi h-íng dÉn khoa häc : PGS.TS. §ç TRUNG TUÊN Hµ néi, 10/2004 1 MỤC LỤC Trang Trang phụ bỡa Lời cam đoan Danh mục cỏc chữ viết tắt Danh mục cỏc bảng Danh mục cỏc hỡnh vẽ MỞ ĐẦU Chương I : GIỚI THIỆU................................................................................... 10 1.1. Cỏc dịch vụ và cụng nghệ mới ................................................................ 10 1.2. Cụng nghệ mạng băng rộng .................................................................... 12 1.3. Video trong cỏc hệ thống thụng tin tương lai .......................................... 13 Chương II : CHUẨN CỦA MPEG-2................................................................ 15 2.1. Khỏi quỏt về MPEG – 2........................................................................... 15 2.2. Những tiờu chuẩn của MPEG-2............................................................... 15 2.3. MPEG-2 Video ........................................................................................ 16 2.3.1. Giới thiệu ......................................................................................... 16 2.3.2. Cỏc khỏi niệm cơ sở của MPEG-2 Video ....................................... 17 2.3.3. Cỳ phỏp luồng bit Video.................................................................. 30 2.4. MPEG Audio............................................................................................ 31 2.4.1. Giới thiệu ......................................................................................... 31 2.4.2. Lớp 1,2, và 3 .................................................................................... 31 2.4.3. Nộn và mó hoỏ ................................................................................. 32 2.5. Hệ thống MPEG-2 ................................................................................... 38 2.5.1. Giới thiệu ......................................................................................... 38 2.5.2. Dũng truyền và dũng chương trỡnh ................................................. 39 2.5.2.1. Cấu trỳc phõn cấp cỳ phỏp hệ thống MPEG-2........................ 42 2.5.2.2. Gúi truyền tải ........................................................................... 43 2.5.2.3. Trường thớch ứng .................................................................... 45 2.5.2.4. Nối ghộp cỏc dũng truyền tải .................................................. 45 2 2.5.2.5. Gúi PES ................................................................................... 46 2.5.2.6. Thụng tin đặc biệt trong chương trỡnh .................................... 49 2.5.2.7. Chương trỡnh tớn hiệu đồng hồ chuẩn .................................... 51 2.5.2.8. Phỏt hiện lỗi trong hệ thống MPEG-2 ..................................... 53 Chương III : CễNG NGHỆ MẠNG BĂNG RỘNG ........................................ 55 3.1. Mụ hỡnh tham chiếu giao thức B-ISDN (B-ISDN PRM) ....................... 55 3.1.1. Lớp vật lý ........................................................................................... 56 3.1.1.1. Phõn lớp đường truyền vật lý (PM): ............................................. 57 3.1.1.2. Phõn lớp hội tụ truyền dẫn TC ..................................................... 58 3.1.2. Lớp ATM ........................................................................................... 61 3.1.2.1. Điều khiển luồng chung GFC (Generic Flow Control) ............... 63 3.1.2.2. Tạo/tỏch tiờu đề tế bào (Cell header Generation/Extraction) ..... 64 3.1.2.3. Biờn dịch VPI/VCI của tế bào (Cell VPI/VCI Translation) ......... 64 3.1.2.4. Ghộp/Tỏch kờnh tế bào ATM (Cell Multiplexing/Demuxing) ..... 66 3.1.3. Lớp thớch ứng ATM .......................................................................... 66 3.1.3.1. Phõn lớp kết hợp hội tụ CS ........................................................... 67 3.1.3.2. Phõn loại dịch vụ .......................................................................... 68 3.1.3.3. Cỏc thuộc tớnh quan trọng để phõn loại dịch vụ như .................. 69 3.1.4. Cỏc lớp cao B-ISDN PRM ................................................................ 78 3.2. Cơ sở lý thuyết chung về ATM ............................................................... 80 Chương IV : TRUYỀN VIDEO-AUDIO QUA MẠNG ATM .................... 84 4.1. Giới thiệu . ............................................................................................... 84 4.2. ATM Forum ............................................................................................ 85 4.2.1. Thớch ứng mạng .............................................................................. 85 4.2.2. Cỏc tham số lưu lượng và chất lượng dịch vụ ................................. 86 4.3. ITU-T Khuyến nghị J82 ........................................................................... 87 4.4. IEETF Nhúm cụng tỏc Video số trong mạng Internet ............................. 89 Kết luận ............................................................................................................... 92 Tài liệu tham khảo ............................................................................................. 93 3 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT • AAL (Atm Adaption Layer) • ADM (AddDrop Multiplexer) • ADPCM (Adaptive Differencial PCM) • AL (Aligment) • ATDM (Asynchronous Time Division Multiplexer ) • ATM (Asynchronous Transfer Mode) • BER (Bit Error Rate) • B-ISDN (Broad Band Intergrated Service Digital Network) • CBR (Constant Bite Rate) • CCITT (Commute Consultatif International Telephonique et Telegraphique) • CLP (Call Loss Priority) • • thớch ứng ATM • / ghộp luồng • chế Delta thớch nghi • đồng chỉnh sắp xếp • ghộp kờnh thời gian khụng đồng bộ • truyền tải khụng đồng bộ • lỗi bit • số đa dịch vụ băng rộng • bit cố định • đồng tư vấn quốc tế về điện thoại và điện bỏo • độ ưu tiờn tổn thất tế bào CP (Common • Part) chung của giao thức AAL • CPI • (Common Part chỉ thị phần chung Indicator) • CS • (Convergence con hội tụ 4 Sublayer) • CSI (Convergence Sublayer Indicator) • DAVIC (Digital AudioVisual Council) • DCT (Discrete Consine Transform) • DTS (Decoder Time Stamp) • GFC (Generic Flow Control) • HDTV (High Demsity Television) • thị lớp con hội tụ • nghe-nhỡn số • đổi Consin rời rạc • thời gian giải mó • điều khiển luồng chung • hỡnh độ phõn giải cao • HEC (Header • Error Control) điều khiển lỗi tiờu đề • IETF • (Internet cụng tỏc Video số trong mạng Internet Engineering Task Force) • IP (Internet • Protocol) thức Internet • ITUT(International Telecommunication UnionTelecommunication standard sector) • MPEG (Moving Picture Expert Group) • PAD (Pading) • tiờu chuẩn viễn thụng ITU • PDH (Plesiochronous Digital Hierachry) • PCR (Program Clock • thống truyền dẫn số cận đồng bộ • chuyờn gia ảnh động • đệm • chiếu đồng hồ chương trỡnh 5 Reference) • PDU (Protocol Data Unit) • PER (Packet Error Rate) • PES (Paketized Elementary Stream) • PHL (Physical Layer) • số liệu giao thức • lỗi gúi • sơ cấp gúi • vật lý • PID (Packet Indentifier) • dạng gúi • PLR (Packet Loss Rate) • tổn thất gúi • PRM (Protocol Reference Model) • PT (Payload Time Stamp ) • hỡnh tham chiếu giao thức • thời gian trỡnh bày • PVC (Permanet Virtual Chanel) • QoS (Quality of Service) • ảo cố định • RTS (Residual Time Stamp) • SDH (Synchronous Digital Hiearchy) • SDU (Service Data Unit) • thời gian chủ • SONET (Synchronous Optical Network) • ST (Seqment Type) • SVC • lượng dịch vụ • thống truyền dẫn phõn cấp số đồng bộ • số liệu dịch vụ • cỏp quang đồng bộ • kiểu gúi tin • 6 (Switched Virtual Channel) • TCP (Transmission Control Protocol) • UNI (User-toNetwork Interface) ảo chuyển mạch • thức điều khiển truyền dẫn • diện người dựng và mạng • VBR • (Variable Bit Rate) bit thay đổi • VC (Vitual • Channel) ảo • VCC (Vitual Channel Connection) • VCI (Vitual Channel Identifier) • VoD (Video on Demand) • VP (Vitual Path) • VPC (Vitual Path Connection) • VPI (Vitual Path Identifier) • WAN (Wide Area Network) • nối ảo • kờnh ảo • kờnh ảo theo yờu cầu • ảo • đường ảo • đường ảo • số liệu diện rộng 7 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Cỏc phần của MPEG – 2 chuẩn. ......................................................... 16 Bảng 2.2. Phõn loại theo đặc tớnh nộn số liệu .................................................... 24 Bảng 2.3. Cỏc đặc trưng 3 lớp mó hoỏ MPEG Audio......................................... 32 Bảng 2.4. Cỏc đặc trưng chi tiết của CPU ........................................................... 36 Bảng 2.5. Cỏc kiểu sử dụng kờnh trong MPEG Audio ....................................... 38 Bảng 2.6. Một số giỏ trị PID cú thể .................................................................... 44 Bảng 2.7. Cấu trỳc trường thớch ứng .................................................................. 46 Bảng 2.8. Cỏc ID dũng PES ................................................................................ 47 Bảng 2.9. Cỏc bộ chỉ thị tiờu đề gúi PES ............................................................ 47 Bảng 4.1. Cỏc phương phỏp phõn phỏt Video số ............................................... 84 Bảng 4.2. Truyền Video số trong mạng Internet ................................................. 91 DANH MỤC CÁC HèNH VẼ Hỡnh 1.1. Video trong cỏc mạng số .................................................................... 11 Hỡnh 2.1. Cỏc đối tượng cơ bản trong MPEG-2 ................................................ 17 Hỡnh 2.2. Mụ tả cỏc ma trận cho cỏc mành với mẫu 4:4:4 và 4:2:2 .................. 18 Hỡnh 2.3. Cỏc Format Macroblock 4:4:4, 4:2:2 và 4:2:0 ................................... 19 Hỡnh 2.4. Sử dụng B-ảnh trong MPEG-2 ........................................................... 20 Hỡnh 2.5. Thứ tự hiển thị cỏc ảnh....................................................................... 21 Hỡnh 2.6. Thứ tự truyền cỏc ảnh ........................................................................ 21 Hỡnh 2.7. Quan hệ giữa chất lượng và độ rộng băng yờu cầu............................ 24 Hỡnh 2.8. Quỏ trỡnh lượng tử hoỏ ...................................................................... 25 Hỡnh 2.9. Ma trận lượng tử hoỏ MPEG-2 Video ............................................... 26 Hỡnh 2.10. Mó hoỏ độ dài thay đổi .................................................................... 27 Hỡnh 2.11. Quỏ trỡnh giải mó MPEG-2 ............................................................. 29 Hỡnh 2.12. Cấu trỳc phõn cấp cỳ phỏp MPEG-2 Video .................................... 31 Hỡnh 2.13. Quỏ trỡnh mó hoỏ và nộn số liệu Audio .......................................... 33 Hỡnh 2.14. Cấu trỳc PDU của khung MPEG Audio .......................................... 35 Hỡnh 2.15. Phạm vi của đặc tớnh hệ thống MPEG-2 ......................................... 39 Hỡnh 2.16. Bộ xử lý hệ thống MPEG-2.............................................................. 41 Hỡnh 2.17. Quan hệ cỏc gúi dũng TS, gúi PES trong cỏc đơn vị truy nhập. ..... 42 Hỡnh 2.18. Phõn cấp hệ thống MPEG-2 ............................................................. 43 Hỡnh 2.19. Phõn cấp cỳ phỏp hệ thống MPEG-2 ............................................... 43 8 Hỡnh 2.20. Tiờu đề gúi truyền tải ....................................................................... 44 Hỡnh 2.21. Tiờu đề trường thớch ứng................................................................. 46 Hỡnh 2.22. Gúi PES Video đơn giản .................................................................. 47 Hỡnh 2.23. Mối quan hệ giữa cỏc bảng PSI ....................................................... 50 Hỡnh 2.24. Truyền PCR ...................................................................................... 53 Hỡnh 2.25. Cỏc bit sử dụng để ngăn chặn và chỉ thị lỗi ..................................... 53 Hỡnh 3.1. Mụ hỡnh tham chiếu giao thức B-ISDN (B-ISDN PRM) ................. 55 Hỡnh 3.2. Cỏc chức năng Lớp vật lý .................................................................. 57 Hỡnh 3.3. Cỏc chế độ hoạt động HEC ................................................................ 59 Hỡnh 3.4. Sơ đồ trạng thỏi xỏc định giới hạn tế bào .......................................... 60 Hỡnh 3.5. Cỏc chức năng của lớp ATM ............................................................. 61 Hỡnh 3.6. cấu trỳc tế bào ATM........................................................................... 62 Hỡnh 3.7. UNI: Giao diện Người dựng-Mạng .................................................... 62 Hỡnh 3.8. NNI: Giao diện Mạng-Mạng .............................................................. 63 Hỡnh.3.9. Khỏi niệm VPI/VC ............................................................................. 64 Hỡnh 3.10. Cỏc chức năng của lớp thớch ứng ATM .......................................... 67 Hỡnh 3.11. Cỏc chức năng của dịch vụ loại A ................................................... 68 Hỡnh 3.12. Cỏc chức năng của dịch vụ loại B .................................................... 68 Hỡnh 3.13. Cỏc chức năng của dịch vụ loại C & D ............................................ 68 Hỡnh 3.14. Chế độ khụng cú cấu trỳc AAL1 CS-SAR ...................................... 71 Hỡnh 3.15. Chế độ truyền dữ liệu cú cấu trỳc AAL1 SAR ................................ 73 Hỡnh 3.16. Giao thức AAL2 ............................................................................... 74 Hỡnh 3.17. Vớ dụ AAL3/4 CS-SAR................................................................... 75 Hỡnh 3.18. Giao thức AAL5 ............................................................................... 77 Hỡnh 3.19. Tổng quan về giao thức Control Plane ............................................ 79 Hỡnh 3.20. Cỏc giao thức lớp cao mặt phẳng Người dựng ................................ 79 Hỡnh 3.21. Tạo tế bào và ghộp kờnh ATM ........................................................ 81 Hỡnh 4.1. Mụ hỡnh tham chiếu chuẩn giao thức VoD ....................................... 85 Hỡnh 4.2. Sắp xếp cỏc gúi MPEG-2 trong ATM................................................ 86 Hỡnh 4.3. Cấu trỳc thụng tin Video và FEC ....................................................... 88 Hỡnh 4.4. Cỏc ứng dụng Video trong mạng Internet.......................................... 91 9 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian 2 năm học tập hệ đào tạo cao học ngành Cụng nghệ thụng tin tại Trường Đại học Bỏch Khoa Hà nội chỳng em đó được cỏc thầy cụ nhiệt tỡnh giảng dạy, truyền thụ kiến thức và phương phỏp tiếp cận, nghiờn cứu khoa học và cụng nghệ hiện đại. Nhõn dịp này em xin được bày tỏ sự biết ơn sõu sắc đối với tất cả cỏc thầy cụ đó trực tiếp giảng dạy và quan tõm giỳp đỡ em hoàn thành khoỏ học, đặc biệt em xin chõn thành cảm ơn PGS.TS. Đỗ Trung Tuấn đó trực tiếp hướng dẫn giỳp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. 10 MỞ ĐẦU Ngày nay sự phỏt triển của khoa học kỹ thuật và cụng nghệ cao đó và đang thỳc đẩy mạnh mẽ sự phỏt triển của nền kinh tế xó hội, trong đú cụng nghệ thụng tin đúng vai trũ rất quan trọng, mở đầu cho giai đoạn hỡnh thành và phỏt triển nền kinh tế tri thức thế giới. Trong những năm qua thế giới đó phỏt triển khỏ nhanh mạng lưới thụng tin như thoại,fax trong khi đú nhu cầu về thụng tin lại rất đa dạng và phong phỳ. Một những vấn đề đang được quan tõm nhất là việc truyền hỡnh ảnh dựa trờn cơ sở của cỏc thiết bị cú sẵn để phục vụ cho cỏc dịch vụ và cho cỏc mục đớch khỏc nhau. Mỗi loại dịch vụ cú đặc trưng riờng của nú, dịch vụ truyền ảnh động và õm thanh yờu cầu tốc độ cao, đặc trưng lưu lượng biến động, thời gian thực, giải phỏp để xõy dựng mạng để đỏp ứng dịch vụ như ATM là cụng nghệ chớnh được lựa chọn. Do vậy em đó chọn đề tài tốt nghiệp cao học là : Chuẩn nộn MPEG-2 đối với dữ liệu đa phương tiện trờn mụi trường mạng Luận văn gồm 4 chương sẽ được trỡnh bày như sau: 1. Chương I. Giới thiệu: Trỡnh bày về cỏc nhu cầu và động lực thỳc đẩy việc phải tạo ra một mạng viễn thụng thống nhất cú khả năng cung cấp mọi loại hỡnh dịch vụ Video trong thụng tin với chất lượng, hiệu quả kinh tế cao và cỏc dịch vụ mới trong hệ thống thụng tin tương lai. 2. Chương II. Chuẩn của MPEG-2: Một trong những khú khăn chớnh là đảm bảo cung cấp cỏc dịch vụ viễn thụng yờu cầu tốc độ cao, đặc trưng lưu lượng biến động, thời gian thực và tối ưu hoỏ sử dụng nguồn tài nguyờn của mạng. Dịch vụ ảnh động và õm thanh là cỏc dịch vụ cú những tớnh chất như đó nờu trờn. Tuy nhiờn nếu ứng dụng cỏc phương phỏp nộn để giảm bớt lượng thụng tin dư trong cỏc luồng số liệu gốc và ỏp dụng chế độ truyền tải tối ưu thỡ việc cung cấp cỏc dịch vụ ảnh động chất lượng cao, MPEG-2 là một chuẩn để giải quyết cỏc vấn đề trờn. 11 3. Chương III. Cụng nghệ mạng băng rộng: Chương này giới thiệu cỏc giải phỏp để xõy dựng mạng mục tiờu, mạng đa dịch vụ băng rộng, trong đú ATM là cụng nghệ chớnh được lựa chọn. Ở đõy sẽ cung cấp cỏc cơ sở khoa học và cụng nghệ mạng tớnh nguyờn tắc về chế độ truyền tải khụng đồng bộ ATM, cung cấp những kiến thức và phương phỏp được ứng dụng thực tế. 4. Chương IV. Truyền AUDIO và VIDEO qua mạng ATM:Chương 4 giới thiệu cỏc phương phỏp truyền số liệu, hỡnh ảnh, õm thanh qua cỏc mạng khỏc nhau. Đõy là một lĩnh vực khoa học cụng nghệ mới và phức tạp nờn nhiều vấn đề cũn đang được nghiờn cứu hoàn thiện đề từng bước đưa vào ỏp dụng thực tiễn. 5. Kết luận Tài liệu tham khảo 12 CHƯƠNG I . GIỚI THIỆU Chương này trỡnh bày về cỏc nhu cầu và động lực thỳc đẩy việc phải tạo ra một mạng viễn thụng thống nhất cú khả năng cung cấp mọi loại hỡnh dịch vụ Video trong thụng tin với chất lượng, hiệu quả kinh tế cao và cỏc dịch vụ mới trong hệ thống thụng tin tương lai. 1.1. Cỏc dịch vụ và cụng nghệ mới Video là một khỏi niệm ra đời đó lõu, tuy vậy Video số gần đõy mới sử dụng trong cỏc Studio. Với cỏc kỹ thuật nộn số liệu cũng như cỏc kỹ thuật mạng mới sẽ cú khả năng đưa Video số vào cỏc mụi trường ứng dụng khỏc. Với sự phỏt triển bựng nổ của Internet và cỏc trang Web đó tạo ra một nhu cầu lớn về việc tớch hợp Video số vào trong mụi trường Internet. Tất nhiờn cỏch dễ nhất bõy giờ là tải cỏc File chứa cỏc Video – Data vào mỏy tớnh của mỡnh và sau đú bắt đầu xem. Điều này chỉ thớch hợp với cỏc Video – Clip ngắn với một thời gian download chấp nhận được. Cũn nếu bạn muốn xem một bộ phim hoàn chỉnh thỡ chỉ cú cỏch duy nhất là dựng cỏi gọi là “Stream -Video”. Ở đõy, hỡnh ảnh Video được gửi một cỏch liờn tục, nối tiếp nhau (Streamed) từ mỏy chủ đến khỏch hàng sử dụng, ở đú dữ liệu sẽ được giải mó và hiển thị. Tuy vậy, cú một số vấn đề của Streamed Video đối với cỏc giao thức của mạng dữ liệu. Đú chớnh là cỏc dữ liệu số của Streamed Video rất nhạy cảm với việc trễ và lỗi trờn đường truyền. Do đú, nú đũi hỏi một số cỏc yờu cầu đặc biệt từ mạng. Hơn nữa, dũng dữ liệu số Video này đũi hỏi một dung lượng truyền từ 1.3 Megabit/giõy đến người sử dụng, đõy là một dung lượng vượt khỏ xa ngoài khả năng của cỏc băng thụng hiện nay và hội đồng Internet, gọi là IETF (Internet Engineering Task Force) đang tỡm cỏch giải quyết vấn đề này. Song song với việc cố gắng truyền Video số qua cỏc mạng dữ liệu thỡ người ta cũn đang cố gắng dựng cỏc dịch vụ của TV cỏp để phục vụ cho cỏc ứng dụng mới này. Thỏch thức chủ yếu đối với cỏc dịch vụ như TV cỏp, quảng bỏ, vệ tinh chớnh là vấn đề thực hiện thụng tin 2 chiều, núi 13 cỏch khỏc là đường truyền ngược từ khỏch hàng đến người cung cấp dịch vụ để bảo đảm sự tương tỏc. Ngày nay đó xuất hiện một vài cụng nghệ mới rất hứa hẹn để giải quyết vấn đề này. Và cỏc cụng nghệ này cũng sẽ giỳp cho việc phõn phối tớn hiệu Video số của cỏc mạng dữ liệu như của Internet. Túm lại, cỏc dịch vụ Multimedia hiện đại cú thể được thực hiện bằng hai cỏch sau: Data Server PC Net PC Digital Delivery System Video Server Settop Box Hỡnh 1.1. Video trong cỏc mạng số 1. Cỏch thứ nhất là dựng cụng nghệ xử lý và truyền thụng tin để thực hiện cỏc dịch vụ số liệu tương tỏc. Đõy chớnh là cỏch dựng cỏc dịch vụ World Wide Web. Trờn cơ sở Internet và cỏc dịch vụ On-line thương mại của cỏc nhà cung cấp khỏc nhau. Cỏc dịch vụ này được khởi nguồn từ việc truyền cỏc văn bản nhưng bõy giờ được ứng dụng cho cỏc giao diện đồ hoạ. Và sau nữa thỡ là đưa cả Video vào cỏc dịch vụ này. 2. Cỏch thứ hai là cung cấp dịch vụ TV băng rộng tương tỏc. Cựng với nú chớnh là cỏc giới thiệu chuẩn về cỏch phõn phối và lưu giữ cỏc thụng tin Audio và Video khi thờm vào thành phần tương tỏc, chỳng ta sẽ tạo nờn một loại dịch vụ mới. Lỳc này TV quảng bỏ sẽ trở thành một phần của cỏc dịch vụ được xõy dựng trờn yếu tố cơ bản: Video số chất lượng cao. Cả hai cỏch trờn cú điểm chung là sử dụng Video số để phõn phối thụng tin. Tuy nhiờn sự phõn phối được dựng khỏc sử dụng cụng nghệ số để lưu trữ, xử lý và truyền thụng tin sẽ tạo ra cỏc dịch vụ mới cũng như việc xử 14 lý thụng tin một cỏch mềm dẻo hơn. Cỏc dịch vụ ỏp dụng cỏch thứ hai thỡ tập trung chủ yếu vào việc dựng Video như phương tiện để cung cấp thụng tin. Trong cỏch này, cỏc dịch vụ giống như kiểu chỳng ta sử dụng TV ngày nay nhưng được thờm vào sự tương tỏc, thụng tin hai chiều. Cỏc dịch vụ mới này núi chung đũi hỏi một dung lượng thụng tin lớn, cỡ 20 – 30 ảnh màu một giõy. Do đú nú đũi hỏi một băng thụng rất lớn đến người sử dụng. Tuy vậy, đú cũng chưa phải là vấn đề đũi hỏi băng thụng duy nhất ở đõy. Nú cũn cú ớt nhất là hai vấn đề sau: Cấu trỳc của cỏc ứng dụng mạng ngày càng mở rộng với khỏch hàng, nú sẽ đũi hỏi càng nhiều thụng tin. Cỏc ứng dụng này được xõy dựng bởi cỏc phần mềm mà cỏc thành phần của nú cũng liờn lạc với nhau và sự liờn lạc này cũng đũi hỏi băng thụng. Sự tăng nhanh của cỏc khỏch hàng và dịch vụ mạng sẽ phải đối mặt với một số lượng người sử dụng và cỏc ứng dụng phần mềm. Với một dung lượng rất lớn tăng nhanh này đũi hỏi băng thụng và xử lý cụng suất được hợp thức cho tất cả cỏc phần khỏc nhau của cấu trỳc phõn phối dịch vụ Video. Cấu trỳc này bao gồm: Hệ thống phục vụ (Video), mạng lừi, mạng truy cập và thiết bị người sử dụng. Người ta sẽ đưa ra cỏc tiờu chuẩn yờu cầu về băng thụng dựa trờn cỏc cụng nghệ nộn hiện đại cũng như cỏc cụng nghệ mạng mới. 1.2. Cụng nghệ mạng băng rộng Cỏc cụng nghệ mạng: B-ISDN và ATM năm 1998, cỏc chế độ truyền khụng đồng bộ (ATM) được định nghĩa bởi Hội viễn thụng quốc tế (ITV) như là một cụng cụ cho B-ISDN được hy vọng trở thành mạng tổng hợp truyền tất cả cỏc loại dịch vụ bao gồm cả Video. Nú gồm cú: ▪ Điện thoại Video băng rộng ▪ Hội thảo Video băng rộng ▪ Video giỏm sỏt ▪ Thư Video ▪ TV chất lượng cao (PAL, SECAM, NTSC) ▪ … 15 Cụng nghệ ATM được chọn cho B-ISDN hứa hẹn sẽ đỏp ứng linh hoạt và nhanh tất cả cỏc yờu cầu mà cỏc dịch vụ mới đũi hỏi. ATM được mong chờ trở thành mạng trục (Core network). Mạng trục là hệ thống truyền dẫn trung tõm giữa những người cung cấp dịch vụ và cỏc mạng truy cập, nơi cũng nối với khỏch hàng. Tuy vậy, việc sử dụng ATM khụng chỉ hạn chế trong mạng hạt nhõn, nú cũng cú thể sử dụng trong mạng truy cập. Túm lại nú cú thể sử dụng tất cả cỏc đường đến người sử dụng. Tuy vậy, ngay cả với ATM, dung lượng dữ liệu tạo ra bởi cỏc dịch vụ Video chưa được nộn cũng rất lớn, để thể hiện một giõy dữ liệu Video chưa nộn đũi hỏi 270 triệu bit. Băng thụng và cỏc nguồn phần cứng để cung cấp cho việc truyền này sẽ là quỏ đắt. Do dú mục đớch ở đõy là phải làm giảm số lượng dữ liệu này. Một giải phỏp được ỏp dụng phổ biến là dựng cỏch nộn dữ liệu Video và Audio theo cỏc chuẩn MPEG (Moving pictures Experts Group). Năm 1988, ISO/IEC thành lập MPEG để lập ra cỏc tiờu chuẩn cho việc nộn Video và Audio. Nhúm đó phỏt triển tiờu chuẩn MPEG-1 mà ngày nay được ứng dụng chủ yếu trong cỏc CD-ROM Video. Tuy vậy, MPEG-1 khụng thớch hợp cho dịch vụ quảng bỏ cũng như cỏc ứng dụng TV vỡ nú khụng ỏp ứng được tất cả cỏc yờu cầu của những ứng dụng này. Do đú, ISO/IEC đó xõy dựng tiờu chuẩn MPEG-2 vào năm 1990, và cơ bản đó hoàn thành nú vào năm 1994. Video số ngày nay cú rất nhiều ứng dụng, trong lĩnh vực TV, cỏc hệ thống thụng tin tương tỏc hay trong cả hệ thống giải trớ. MPEG-2 được sử dụng làm cụng cụ để lưu trữ thụng tin mang cỏc đĩa DVD trong cỏc mỏy PC cỏ nhõn hay cỏc mỏy DVD. Tuy nhiờn MPEG-2 chưa phải là sản phẩm cuối. Người ta dự định xõy dựng MPEG-3 cho cỏc ứng dụng TV phõn giải cao, nhưng hoỏ ra MPEG-2 cũng đó cú những khả năng này. Do đú tiờu chuẩn MPEG-3 đó khụng được xõy dựng. Với MPEG-4 thỡ một trong cỏc yờu cầu ở đõy là phối hợp cỏc hỡnh ảnh thật và cỏc hỡnh ảnh hoạt hỡnh vào trong một dũng bit. Ứng dụng này được sử dụng cho cỏc trũ chơi, thư Video… 1.3. Video trong cỏc hệ thống thụng tin tương lai Khi cỏc mạng tốc độ cao được thành lập thỡ cỏc loại thiết bị cuối cũng 16 được phỏt triển để kết nối, truy cập vào cỏc dịch vụ mới. Về phớa cung cấp dịch vụ thỡ phải lưu trữ một lượng thụng tin rất lớn (cỡ vài Terabyte cho một thư viện Video) và phõn phối những dữ liệu này đến cỏc mạng. Cỏc mỏy chủ Video này với một dung lượng lưu trữ thụng tin khổng lồ và cỏc chức năng vào ra cần thiết sẽ được cung cấp bởi cỏc hóng sản xuất mỏy tớnh lớn. Về phớa người sử dụng, cỏc mỏy tớnh cỏ nhõn với cỏc phần mở rộng về Multimedia và mạng sẽ được sử dụng để cung cấp cỏc dịch vụ Multimedia trờn cơ sở cụng nghệ dữ liệu tương tỏc. Cỏc bộ giải mó MPEG cú thể được sử dụng bằng phần mềm hoặc phần cứng. Cỏc modem để kết nối với PC hoặc mỏy tớnh cỏ nhõn đang được cỏc cụng ty mỏy tớnh điện tử sản xuất với cỏc cụng nghệ truy cập mạng khỏc nhau. Ngoài cỏch xử lý bằng phần cứng như trờn thỡ việc xử lý bằng phần mềm cũng cú chỗ của mỡnh. Ngày nay cụng nghệ World Wide Web sử dụng trong cỏc mạng Internet cỏ nhõn và cụng cộng đang phỏt triển mạnh mẽ. Nú giống như hệ thống dõy cỏp trong mỏy tớnh cỏ nhõn được sử dụng để kết nối cỏc phần cứng với nhau. Cỏc giao thức Web và cỏc tiờu chuẩn của nú giỳp cho người sử dụng dễ dàng truy cập vào cỏc hệ thống cung cấp thụng tin. Và hệ thống phần mềm này cũng giỳp người cung cấp dịch vụ cú thể cung cấp được tất cả cỏc loại dịch vụ. Ở đõy, Video số chớnh là một trong cỏc dạng thụng tin mà sẽ được cỏc phần mềm giỳp đỡ bởi cỏc hệ thống thụng tin. Túm lại nếu chỳng ta xem xột toàn bộ cỏc vấn đề đó nờu ra ở trờn của cỏc hệ thống thụng tin Multimedia (như MPEG, ATM, SET, Top Units, mỏy chủ, cỏc cụng nghệ phần mềm, cụng nghệ Internet) thỡ sẽ nhận thấy một vấn đề rừ ràng là phải xõy dựng một khối cỏc hiểu biết và quan niệm chung như thế nào để chỳng cú thể hoạt động cựng với nhau. Vấn đề này được Uỷ ban nghe nhỡn số (DAVIC) coi như vấn đề quan trọng nhất. Mục tiờu của DAVIC là phỏt triển một mụ hỡnh tham chiếu chung cho toàn bộ cỏc hệ thống Multimedia. Nú bao gồm việc mụ tả cỏc thành phần khỏc nhau của hệ thống, việc tạo ra được cỏc giao diện chuẩn cỏc thành phần cũng như khuụn dạng của cỏc dữ liệu được trao đổi trờn cỏc giao diện này. 17 CHƯƠNG II . Chuẩn của MPEG-2 (Moving Pictures Experts Group-2) Chuẩn của MPEG-2: Một trong những khú khăn chớnh là đảm bảo cung cấp cỏc dịch vụ viễn thụng yờu cầu tốc độ cao, đặc trưng lưu lượng biến động, thời gian thực và tối ưu hoỏ sử dụng nguồn tài nguyờn của mạng. Dịch vụ ảnh động và õm thanh là cỏc dịch vụ cú những tớnh chất như đó nờu trờn. Tuy nhiờn nếu ứng dụng cỏc phương phỏp nộn để giảm bớt lượng thụng tin dư trong cỏc luồng số liệu gốc và ỏp dụng chế độ truyền tải tối ưu thỡ việc cung cấp cỏc dịch vụ ảnh động chất lượng cao, MPEG-2 là một chuẩn để giải quyết cỏc vấn đề trờn. 2.1. Khỏi quỏt về MPEG - 2 Cỏc tiờu chuẩn MPEG-2 mụ tả cụng nghệ nộn và cỳ phỏp dũng bit, nú sẽ cho phộp truyền Audio và Video trong cỏc mạng băng rộng, là nền tảng cho cả hai lĩnh vực quảng bỏ và viễn thụng. Những tiờu chuẩn này cũng miờu tả về những vấn đề cần thiết khi phối hợp cỏc chương trỡnh đồng bộ thời gian. 1. Phần Video: Phần này liờn quan đến cỏc thành phần sử dụng trong Video nộn số MPEG-2 (dóy ảnh, nhúm ảnh, ảnh, lỏt, macroblocks và blocks). 2. Phần Audio: Phần này liờn quan đến cỏc lớp 1, 2, 3 trong việc mó hoỏ MPEG Audio. Phần này tập trung vào cỏc phương phỏp nộn đó được sử dụng ở MPEG-1 và MPEG-2. 3. Phần hệ thống : Phần này xem xột cỏc chức năng của lớp hệ thống MPEG-2, đặc biệt là dũng truyền MPEG-2. Nú sẽ giải thớch cỏc thành phần chớnh của dũng truyền tải bao gồm cỏc dũng cơ sở, cỏc dũng cơ sở được đúng gúi. Cuối cựng nú cũn xem xột chức năng đồng bộ thời gian của cỏc dũng truyền tải MPEG-2. Phần lưu trữ số-Command and Control (DSM-CC):Phần này liờn quan đến cấu trỳc của DSM-CC-Network của DSM-CC. Ngoài ra nú cũng miờu tả chức năng User-to-User. 2.2. Những tiờu chuẩn của MPEG-2 18 MPEG-2 là tiờu chuẩn nộn tớn hiệu Video số do nhúm chuyờn gia về ảnh động soạn thảo đó nờu nguyờn tắc chung về cụng nghệ nộn và tổng hợp dũng bit cho phộp truyền tải Audio và Video trong mạng băng rộng ứng dụng cho cả lĩnh vực phỏt thanh truyền hỡnh quảng bỏ và viễn thụng. Cỏc tiờu chuẩn này cũng mụ tả cỏc khớa cạnh cần thiết để thực hiện cỏc chương trỡnh, đồng bộ hoỏ đồng hồ cũng như thiết lập và sử dụng cỏc tuyến mạng Logic để truyền tải tin Audio và Video. Cơ bản cú 8 phần khỏc nhau trong MPEG-2, mỗi phần đề cập tới một khớa cạnh riờng về xử lý và khụi phục tớn hiệu Audio-Video số. Bảng dưới đõy chỉ rừ cỏc lĩnh vực khỏc nhau của MPEG-2. Bảng 2.1. Cỏc phần của MPEG – 2 chuẩn MPEG – 2 ISO/IEC 13818-1 ISO/IEC 13818-2 ISO/IEC 13818-3 ISO/IEC 13818-4 ISO/IEC 13818-5 ISO/IEC 13818-6 ISO/IEC 13818-9 ISO/IEC 13818-10 Mụ tả System Video Audio Complicance Mụ phỏng phần mềm Phương tiện lưu trữ số-lệnh và điều khiển Giao diện thời gian thực cho bộ giải mó hệ thống Format bản tin tham chiếu DSM 2.3. MPEG-2 Video 2.3.1. Giới thiệu Mục đớch của MPEG-2 Video là xỏc định khuụn dạng cú thể sử dụng để mụ tả dũng bit Video đó được mó hoỏ. Dũng bit tớn hiệu Video này là tớn hiệu đầu vào của quỏ trỡnh mó hoỏ mà nú sẽ nộn thụng tin ảnh Video một cỏch đỏng kể. MPEG-2 khụng đặc trưng phương phỏp mó hoỏ mà nú chỉ xỏc định dũng bit kết quả. Tuy nhiờn nú xỏc định việc mó hoỏ dũng bit này thế nào để tạo điều kiện cải thiện chất lượng ảnh và giảm thời gian mó hoỏ. Khi bắt đầu phỏt triển MPEG-2, một trong cỏc yờu cầu đề ra là xử lý một cỏch mềm dẻo cần thiết cho cỏc ứng dụng Video, vớ dụ như: ▪ Dịch vụ truyền hỡnh cỏp ▪ Dịch vụ quảng bỏ ▪ Dịch vụ TV tương tỏc 19 Tớnh mềm dẻo được thực hiện nhờ việc giải quyết cỏc đặc trưng tổng hợp như độ phõn giải, năng lực thiết bị, độ rộng băng tần của mạng và chất lượng ảnhTiờu chuẩn của MPEG-2 được dựa trờn cỏc phần sau: ▪ Cỏc định nghĩa cơ bản: đối tượng cơ sở như ảnh và cỏc mành được định nghĩa ▪ Cỳ phỏp của MPEG-2 Video: cỏc thành phần cỳ phỏp được định nghĩa trong giả ngụn ngữ C ▪ Mụ tả ngữ nghĩa cho việc tạo luồng Video: mụ tả ngữ nghĩa được đưa ra cho mọi thành phần cỳ phỏp ▪ Mở rộng thang chia độ: cỏc phương ỏn khỏc nhau của thang độ chia bậc MPEG-2 được mụ tả và mó hoỏ của mỗi kiểu sẽ được giải thớch rừ ▪ Profiles và cỏc mức: cỏc tập hợp đặc trưng khỏc nhau và cỏc mức được sử dụng để xỏc định cỏc tập con của MPEG-2 Video sẽ được mụ tả ▪ Phụ chương: phụ chương cung cấp cỏc bảng mó hoỏ cú độ dài biến đổi, cỏc bảng xỏc định cỏc tập hợp đặc trưng, mức và cỏc hàm biến đổi cosin rời rạc DCT (Discreate Cosine Transform). Dưới đõy sẽ trỡnh bày cỏc quan điểm quan trọng nhất phần Video của tiờu chuẩn MPEG-2. 2.3.2. Cỏc khỏi niệm cơ sở của MPEG-2 Video Hỡnh 2.1. Cỏc đối tượng cơ bản trong MPEG-2 A. Dóy ảnh: Một dóy ảnh Video hợp thành bởi một số lượng ảnh Video hoặc cỏc nhúm ảnh Video. Dĩ nhiờn dóy chỉ bao gồm một số ảnh nhất định chứ khụng bao hàm trọn vẹn một bộ phim Video. B. Khung : Khung chứa tất cả cỏc thụng tin về độ sỏng và màu sắc cần thiết để cú thể hiện thị ảnh trờn màn hỡnh hiển thị. Cỏc thụng tin về màu sắc và độ sỏng của ảnh được tổ chức thành ba ma trận, mỗi ma trận chứa những số liệu