Tài liệu Nghiên cứu tiêu chuẩn nén h.264 và ứng dụng trong truyền hình có độ phân giải cao (HDTV)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- Nguyễn Đức Thiệp NGHIÊN CỨU TIÊU CHUẨN NÉN H.264 VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN HÌNH CÓ ĐỘ PHÂN GIẢI CAO (HDTV) LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI – 2017 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- Nguyễn Đức Thiệp NGHIÊN CỨU TIÊU CHUẨN NÉN H.264 VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN HÌNH CÓ ĐỘ PHÂN GIẢI CAO (HDTV) 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. NGUYỄN QUÝ SỸ HÀ NỘI – 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Học viên Nguyễn Đức Thiệp ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT vi DANH SÁCH BẢNG ix DANH SÁCH HÌNH VẼ x LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA SỐ HÓA TÍN HIỆU VIDEO VÀ NÉN VIDEO SỐ 1.1 Mục đích của nén tín hiệu 2 2 1.1.1 Nhu cầu của công nghệ nén trong truyền hình 2 1.1.2 Mục đích của nén tín hiệu 2 1.2 Quá trính số hóa tín hiệu 3 1.2.1 Lấy mẫu 3 1.2.2 Lượng tử hóa 4 1.2.3 Mã hóa 5 1.3 Tốc độ bít và thông lƣợng kênh truyền tín hiệu số 5 1.3.1 Tốc độ bit 5 1.3.2 Thông lượng kênh truyền tín hiệu số 5 1.4 Quá trình biến đổi tín hiệu màu 6 1.5 Các tiêu chuẩn lấy mẫu video tín hiệu số 7 1.6 Mô hình nén tín hiệu Video 9 1.6.1 Nén tín hiệu Video 10 1.6.2 Lượng tin trung bình 10 1.7 Phân loại kĩ thuật nén 13 1.8 Quá trình biến đổi 13 1.8.1 Điều xung mã vi sai DPCM 14 1.8.2 Mã hóa biến đổi 14 iii 1.9 Quá trình lƣợng tử 16 1.9.1 Lượng tử vô hướng 16 1.9.2 Lượng tử vector 16 1.10 Quá trình mã hóa 17 1.10.1 Mã hóa độ dài thay đổi 17 1.10.1.1 Mã hóa Huffman 18 1.10.1.2 Mã hóa mức dọc chiều dài RLC 18 1.11 Tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng ảnh nén 19 1.12 Kết luận chƣơng 1 20 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU TIÊU CHUẨN NÉN H.264/AVC 2.1 Tổng quan về các chuẩn video 2.1.1 Dòng H.26x 21 21 21 2.1.1.1 Chuẩn H.261 21 2.1.1.2 Chuẩn H.263 22 2.1.1.3 Chuẩn H.264/AVC 22 2.1.2 Dòng MPEG 23 2.1.2.1 Chuẩn MPEG – 1 23 2.1.2.2 Chuẩn MPEG – 2 23 2.1.2.3 Chuẩn MPEG – 4 23 2.2 Cấu trúc H.264 24 2.2.1 Không gian màu YCrCb và kiểu lấy mẫu 4:2:0 24 2.2.2 Macroblock 24 2.2.3 Slice 25 2.2.4 Profile 27 2.3 Qui trình nén và giải nén của H.264 2.3.1 Quy trình nén 28 28 2.3.1.1 Dự đoán 29 2.3.1.1.1 Dự đoán Inter 29 2.3.1.1.2 Dự đoán Intra 35 iv 2.3.1.2 Biến đổi và lượng tử hóa 38 2.3.1.2.1 Biến đổi DCT và lượng tử vô hướng 39 2.3.1.2.2 Quá trình biến đổi và lượng tử với block khác biệt 4x4 41 2.3.1.2.3 Biến đổi và lượng tử block 4x4 luma gồm các hệ số DC 45 2.3.1.2.4 Biến đổi và lượng tử các block 2x2 chroma gồm các hệ số DC 45 2.3.1.3 Tái sắp xếp 46 2.3.1.4 Mã hóa luồng bit nén hay mã hóa Entropy 47 2.3.1.4.1 Mã hóa Entropy Exp-Golomb 47 2.3.1.4.2 Mã hóa chiều dài thay đổi ứng ngữ cảnh CAVLC 49 2.3.1.4.3 Mã hóa nhị phân số học ứng ngữ cảnh CABAC 50 2.3.1.5 Lọc tách khối 50 2.3.2 Quy trình giải nén 51 2.3.2.1 Giải mã luồng bit nén 52 2.3.2.2 Rescaling và biến đổi ngược 52 2.3.2.3 Tái xây dựng 52 2.4 Những ƣu điểm của chuẩn nén H.264 so với các chuẩn trƣớc đó 52 2.5 Kết luận chƣơng 2 55 Chƣơng 3: ỨNG DỤNG TIÊU CHUẨN NÉN H.264/AVC TRONG TRUYỀN HÌNH CÓ ĐỘ PHÂN GIẢI CAO HDTV 56 3.1 Các thông số kỹ thuật cơ bản đặc trƣng cho hệ thống Truyền hình độ phân giải cao HDTV 3.1.1 Một số khái niệm cơ bản về truyền hình 3.1.1.1 Các thông số kỹ thuật của màn hình 56 56 56 3.1.1.1.1 Điểm ảnh (pixel) 56 3.1.1.1.2 Độ phân giải của màn hình 56 3.1.1.1.3 Tần số quét, cách quét 56 3.1.1.1.4 Tỉ lệ khuôn hình 57 3.1.1.1.5 Thời gian đáp ứng (Response Time) 57 v 3.1.1.2.6 Độ tương phản 3.1.2 Công nghệ HDTV 57 58 3.1.2.1 Khái niệm Truyền hình HDTV 58 3.1.2.2 Kỹ thuật xử lý tín hiệu và các thông số đặc trưng cơ bản 58 3.1.2.2.1 Đối với truyền hìn số độ phân giải tiêu chuẩn (SDTV) 58 3.1.2.2.2 Đối với truyền hình số độ phân giải cao (HDTV) 58 3.2 Ứng dụng H.264 trong truyền dẫn phát sóng HDTV 3.2.1 Sơ đồ tổng quan truyền dẫn phát sóng của một Đài Truyền hình 61 61 3.2.1.1 Nhiệm vụ của phòng Tổng khống chế 61 3.2.1.2 Khảo sát nguyên lý hoạt động của một phòng phát sóng 62 3.2.2 Truyền dẫn phát sóng HDTV của kênh Truyền hình Quốc Phòng 63 3.2.2.1 Chuẩn file phát sóng của kênh 63 3.2.2.2 Sơ đồ tổng quan của Kênh 64 3.2.2.3 Ưu nhược điểm của việc ứng dụng triển khai chuẩn nén H.264/AVC cho truyền dẫn phát sóng của Kênh 67 3.2.2.4 Sơ đồ đấu nối thiết bị truyền dẫn phát sóng 68 3.3 Kết luận chƣơng 3 69 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 70 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 vi DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt AVC CABAC CAVLC Tiếng Anh Tiếng Việt Advanced Video Coding Chuẩn mã hóa video tiên tiến Context-based Apdaptive Mã hóa entropy dùng thuật toán mã Binary Arithmetic Coding hóa số học ứng ngữ cảnh Context-based Adaptive Mã hóa chiều dài thay đổi ứng ngữ Variable Length Coding cảnh Định dạng mã hóa hình ảnh có kích CIF Common Intermediate Format CODEC Coder and Decoder Bộ mã hóa và giải mã DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi cosin rời rạc DPCM DWT ExpGolomb GOP Differential Pulse Code Modulation thước 352 x 288 Điều xung mã vi sai Discrete Wavelet Transform Biến đổi Wavelet rời rạc Exponential Golomb Mã Exponential Golomb Group of Picture Nhóm ảnh Là một chuẩn nén tín hiệu tiến tiến hay còn gọi là AVC/MPEG-4 Part H.264 10 HDTV IEC IDCT High Definition Television International Electrotechnical Commission Inverse Discrete Cosine Transform Truyền hình phân giải cao Ủy ban Kỹ thuật Điện tử Quốc tế Biến đổi ngược Cosine rời rạc vii Viết tắt Tiếng Anh International Standards ISO ITU Organization International Telecommunication Union Tiếng Việt Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế Liên minh Viễn thông quốc tế Kỹ thuật nén ảnh không tổn hao LOSSLESS (không mất dữ liệu) Kỹ thuật nén ảnh có tổn hao (có mất LOSSY dữ liệu) MAE Mean Absolute Error Sai số tuyệt đối trung bình MB Macroblock Đa khối(khối macro) MC Motion Compensation Bù chuyển động ME Motion Estimate Ước lượng chuyển động MSE Mean squared error Sai số bình phương trung bình MF Multipy Factor Hệ số nhân MPEG Moving Pictures Experts Group Nhóm chuyên gia nén ảnh động NAL Network Abstraction Layer Lớp trừu tượng mạng SNR Signal-to-noise ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu PCM Pulse Code Modulation Điều xung mã PSNR Peak to Signal to Noise Ratio QCIF QP Tỉ số tín hiệu trên nhiễu đỉnh Quarter Common Intermediate Định dạng hình ảnh có kích thước Format 176 x 144 Quantization Parameter Thông số lượng tử viii Viết tắt RGB Tiếng Anh Tiếng Việt Ba màu cơ bản màu đỏ/Xanh/Lam Modified Discrete Cosine MDCT Red/Green/Blue Chuyển đổi cosine rời rạc sửa đổi Transform Truyền hình tiêu chuẩn SDTV Standard Televison VCEG Video Coding Experts Groups VCL Video Coding Layer VLC Variable Length Code VRML Virtual Reality Modeling Language Nhóm chuyên gia về mã hóa Video Lớp mã hóa Video Mã có chiều dài thay đổi Ngôn ngữ mô hình thực tại ảo Luminance, Blue YCbCr chrominance, Red chrominance Độ chói, màu lam, màu đỏ ix DANH SÁCH BẢNG Bảng 1.1: Kích thước 4x8 pixels 11 Bảng 1.2: Độ dư thừa của các pixel trong ảnh 11 Bảng 1.3: Mức xám thực tế 12 Bảng 1.4: Chênh lệch mức xám của 2 pixel liên tiếp 12 Bảng 2.1: Các loại slice mã hóa trong H.264 26 Bảng 2.2: Ví dụ về tổ chức bộ nhớ ảnh tham chiếu với ảnh hiện tại là 250, số ảnh tham chiếu là 5 31 Bảng 2.3: Các kích thước bước lượng tử trong H.264/AVC Codec 43 Bảng 2.4: Hệ số nhân MF 44 Bảng 2.5: Hệ số scaling V 44 Bảng 2.6: Các từ mã Exp-Golomb 48 Bảng 2.7: Ánh xạ các code-Num cho các syntax elements có dấu 48 Bảng 3.1: Các thông số cơ bản đặc trưng cho hệ thống truyền hình độ phân giải tiêu chuẩn SDTV 59 Bảng 3.2: Các thông số cơ bản đặc trưng cho hệ thống truyền hình độ phân giải cao HDTV 60 x DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ quá trình tạo tín hiệu số 4 Hình 1.2: Quá trình biến đổi tín hiệu màu 6 Hình 1.3: Tiêu chuẩn 4:4:4 7 Hình 1.4: Tiêu chuẩn 4:2:2 8 Hình 1.5: Tiêu chuẩn 4:2:0 8 Hình 1.6: Tiêu chuẩn 4:1:1 9 Hình 1.7: Sơ đồ khối nén tín hiệu video 9 Hình 1.8: Mô hình hệ thống nén tổn hao 13 Hình 1.9: Bộ mã hóa và giải mã DPCM 14 Hình 1.10: Quá trình lượng tử vector 17 Hình 1.11: Cây mã Huffman 18 Hình 1.12: Minh họa mã hóa RLC 19 Hình 2.1: Quá trình phát triển các dòng video H.26x và MPEG 21 Hình 2.2: Một ảnh video được nén với cùng bitrate dùng MPEG-2 (trái), MPEG-4 (giữa) và h.264 (phải) 23 Hình 2.3: Macroblock 16x16 được đại diện bởi các block thành phần Y, Cr, Cb theo tỷ lệ lấy mẫu (4:2:0) trong H.264 25 Hình 2.4: Minh họa cách phân chia ảnh thành nhiều slice 25 Hình 2.5: Cấu trúc slice 27 Hình 2.6: Các profile của H.264/AVC và các công cụ với ứng dụng mỗi profile 27 Hình 2.7: Tổng quan về qui trình nén và giải nén của H.264 28 Hình 2.8: Quá trình nén H.264/AVC 29 Hình 2.9: Mô tả ước lượng chuyển động trong dự báo Inter 30 Hình 2.10: Sự phân chia marcoblock khi mã hóa 32 Hình 2.11: Các phần chia khác nhau trong một ảnh 32 Hình 2.12: Các điểm ảnh sub-sample trong ảnh tham chiếu 33 xi Hình 2.13: Nội suy các điểm ảnh tại các vị trí half-pixel trong ảnh tham chiếu 34 Hình 2.14: Nội suy các điểm ảnh tại các vị trí quarter-pixel 35 Hình 2.15: Mô hình dự báo Intra 35 Hình 2.16: Block 4x4 luma cần được dự đoán Intra 36 Hình 2.17: Các điểm ảnh đã được nén dùng để tham chiếu 36 Hình 2.18: Các mode dự đoán cho block 4x4 luma 36 Hình 2.19: Macroblock 16x16 (luma) cần dự đoán 37 Hình 2.20: Các block được dự đoán Intra 16x16 37 Hình 2.21: Thứ tự truyền dẫn của các block bên trong macroblock 39 Hình 2.22: Minh họa biến đổi DCT và lượng tử hóa 40 Hình 2.23: Quét Zig-Zag đối với block 4x4 luma 46 Hình 2.24: Mô hình biến đổi block 4x4 thành mảng sau khi tái sắp xếp 46 Hình 2.25: Thứ tự lọc các cạnh của thành phần luma và chroma trong 1 macroblock Hình 2.26: Quy trình giải nén video của chuẩn H.264/AVC 51 51 Hình 2.27: MPEG-4 AVC có thể phân chia thành phần chói của từng Macroblock theo nhiều cách để tối ưu hóa việc bù chuyển động 53 Hình 3.1: Các tín hiệu vào và ra của phòng tổng khống 61 Hình 3.2: Sơ đồ khối đơn giản của hệ thống phát sóng 62 Hình 3.3: Phần mềm convert Adobe Premiere Pro CC 2017 62 Hình 3.4: Sơ đồ truyền dẫn phát sóng của kênh Truyền hình Quốc phòng 66 Hình 3.5: Nén video H.264 và MPEG-2 66 Hình 3.6: Phần mềm mã hóa và giải mã video định dạng H.264 68 Hình 3.7: Sơ đồ đấu nối thiết bị 69 1 LỜI MỞ ĐẦU Trong kỹ thuật truyền hình, việc nén Video là một vấn đề quan trọng cho việc truyền tải các chương trình truyền hình. Những Video này thường là những dữ liệu có dung lượng rất lớn, với truyền hình có độ phân giải cao (HDTV) không nén sẽ tiêu thụ khoảng 1,5 Gb/s đến 2Gb/s băng thông, như vậy để truyền tải được là rất khó. Với chuẩn H.264/MPEG-4 AVC hiện nay, các nhà cung cấp nội dung có thể mã hóa video HD (High Definition) full HD với dung lượng chỉ còn từ 5Mb/s đến 10Mb/s, tùy thuộc vào độ phân giải, chất lượng yêu cầu và phương thức mã hóa. Do vậy các chuẩn nén video ra đời nhằm loại bỏ những dữ liệu dư thừa mà vẫn đảm bảo chất lượng. Tiêu chuẩn mã hóa (nén) H.264 là một chuẩn tiên tiến, nó đã tạo ra sự đột phá, cho phép nén video một cách tốt hơn đồng thời cải thiện được chất lượng so với các tiêu chuẩn nén trước đó. Với mong muốn đóng góp thêm nghiên cứu về tiêu chuẩn nén H.264 và ứng dụng của H.264, người viết đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu tiêu chuẩn nén H.264 và ứng dụng trong truyền hình có độ phân giải cao (HDTV)”. Luận văn của em gồm 3 chương: Chương 1: Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết của số hóa tín hiệu và nén video số Chương 2: Nghiên cứu tiêu chuẩn nén H.264/AVC Chương 3: Ứng dụng tiêu chuẩn nén H.264/AVC trong truyền hình có độ phân giải cao HDTV Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Nguyễn Quý Sỹ đã tận tình hướng dẫn em thực hiện luận văn này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, các thầy cô, đồng nghiệp và các bạn đã giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập. 2 CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA SỐ HÓA TÍN HIỆU VIDEO VÀ NÉN VIDEO SỐ 1.1 Mục đích của nén tín hiệu 1.1.1 Nhu cầu của công nghệ nén trong truyền hình Tín hiệu video sau khi được số hóa 8 bit có tốc độ 216 Mbps, với tốc độ này vượt quá khả năng truyền của một kênh truyền hình, vì vậy trong lĩnh vực truyền hình việc sử dụng công nghệ nén gần như là tất yếu để giảm tốc độ bit mà vẫn đảm bảo chất lượng dữ liệu cần lưu trữ hoặc truyền tải. Trung tâm của mạng phát sóng video số bao gồm hệ thống nén, nó cung cấp chương trình video, audio chất lượng cao cho người xem bằng cách chỉ sử dụng một phần nhỏ độ rộng băng tần mạng. 1.1.2 Mục đích của nén tín hiệu Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngày nay đã sản xuất được bộ cảm biến màu có độ phân giải lên đến 16 triệu pixel tương đương với một bức ảnh có độ phân giải 4096x4096 pixels, nhưng thực tế ứng dụng cần độ phân giải cao nhất hiện nay cũng chỉ dùng lại ở 1920x1080 pixel, do đó để có thể tiết kiệm không gian lưu trữ và băng thông kênh truyền thì cần nén tín hiệu[1]. Quá trình nén ảnh thực hiện được là do thông tin trong bức ảnh có tổ chức, có trật tự, vì vậy nếu xem xét kỹ tính trật tự, cấu trúc ảnh sẽ phát hiện và loại bỏ được các lượng thông tin dư thừa, chỉ giữa lại các thông tin quan trọng nhằm giảm số lượng bit khi lưu trữ cũng như khi truyền mà vẫn đảm bảo tính thẩm mỹ của bức ảnh. Tại đầu thu, bộ giải mã sẽ tổ chức, sắp xếp lại được bức ảnh xấp xỉ gần chính xác so với ảnh gốc nhưng vẫn đảm bảo thông tin cần thiết[1]. Tín hiệu video thường chứa đựng một lượng lớn các thông tin dư thừa, chúng thường được chia thành 5 loại như sau: + Có sự dư thừa thông tin về không gian: giữa các điểm ảnh lân cận trong phạm vi một bức ảnh hay một khung video, còn gọi là thừa tĩnh bên trong từng frame. + Có sự dư thừa thông tin về thời gian: giữa các điểm ảnh của các khung video 3 trong chuỗi ảnh video, còn gọi là thừa động giữa các frame + Có sự dư thừa thông tin về phổ: giữa các mẫu của các dữ liệu thu được từ các bộ cảm biến trong camera, máy quay… + Có sự dư thừa do thống kê: do bản thân của các ký hiệu xuất hiện trong dòng bit với các xác suất xuất hiện không đồng đều. + Có sự dư thừa thị giác: thông tin không phù hợp với hệ thống thị giác con người, những tần số quá cao so với cảm nhận của mắt người. Ưu điểm của việc nén tín hiệu: + Tiết kiệm băng thông kênh truyền ( trong thời gian thực hoặc nhanh hơn). + Kéo dài thời giản sử dụng, giảm chi phí đầu tư cho thiết bị lưu trữ. + Giảm dung lượng thông tin mà không làm mất tính trung thực của hình ảnh. Có nhiều phương pháp nén tín hiệu, phương pháp nén bằng cách số hóa tín hiệu vẫn tỏ ra hữu hiệu trong mọi thời đại; nó có thể làm giảm lượng thông tin không quan trọng một cách đáng kể, mặt khác nó còn giúp cho tín hiệu được bảo mật hơn[6]. 1.2 Quá trính số hóa tín hiệu Quá trình số hoá tín hiệu tương tự, bao gồm quá trình lọc trước (prefiltering), lấy mẫu, lượng tử và mã hoá minh họa như hình 1.1. Quá trình lọc trước nhằm loại bỏ các tần số không cần thiết ở tín hiệu cũng như nhiễu, bộ lọc này còn gọi là bộ lọc chống nhiễu xuyên kênh Aliasing[1]. 1.2.1 Lấy mẫu Thực chất đây là một phép toán rời rạc hay là một phép điều biên xung PAM và được thực hiện bằng các mạch Op-amp có cực khiển strobe. Nó tạo ra giá trị tín hiệu tương tự tại một số hữu hạn các giá trị có biến rời rạc gọi là các mẫu. Các mẫu được lấy cách đều nhau gọi là chu kỳ lấy mẫu. Tần số lấy mẫu phải thoả mãn định lý Nyquist-Shannon [4]: fs  2 fmax Trong đó: (1.1) + fs là tần số lấy mẫu. + fmax là tần số cực đại của phổ tín hiệu tương tự. 4 1.2.2 Lượng tử hóa Quá trình lượng tử là quá trình chuyển một xung lấy mẫu thành một xung có biên độ bằng mức lượng tử gần nhất hay nói cách khác là lượng tử chuyển đổi các mức biên độ của tín hiệu đã lấy mẫu sang một trong các giá trị hữu hạn các mức nhị phân. Lượng tử hoá biến đổi tín hiệu liên tục theo thời gian thành tín hiệu có biên độ rời rạc, nhằm làm giảm ảnh hưởng của tạp âm trong hệ thống, hạn chế các mức cho phép của tín hiệu lấy mẫu và chuẩn bị truyền tín hiệu gốc từ tương tự sang số. Giá trị thập phân của các mẫu sau khi lượng tử hoá sẽ được biểu diễn dưới dạng số nhị phân n bit (N= 2n), với n là độ phân giải lượng tử hoá, n càng lớn thì độ chia càng mịn, do đó độ chính xác càng cao[5]. Do làm tròn các mức nên tín hiệu bị méo dạng do sai số lượng tử gọi là méo lượng tử, tỷ số tín hiệu trên méo lượng tử (S/N) được xác định bởi: S 1  6,02n + 1,76(dB) N n Hình 1.1: Sơ đồ quá trình tạo tín hiệu số[4] Lượng tử hóa có hai loại: + Lượng tử tuyến tính: phép nén tín hiệu theo quy luật đường cong đồng đều, bước lượng tử bằng nhau. 5 + Lượng tử phi tuyến: phép nén tín hiệu theo quy luật đường cong không đồng đều, tập trung nhiều mức lượng tử ở những vùng tín hiệu nhỏ. Trong kỹ thuật nén ảnh, nén video thì loại lượng tử phi tuyến được dùng nhiều hơn vì nó giảm dung lượng đến mức tối đa với độ méo lượng tử có thể chấp nhận được[5]. 1.2.3 Mã hóa Là quá trình thay thế mỗi mức điện áp cố định sau khi lượng tử bằng một dãy nhị phân gọi là từ mã.Tất cả các từ mã đều chứa số xung nhị phân cố định và được truyền trong khoảng thời gian giữa 2 thời điểm lấy mẫu cạnh nhau.Bộ mã được sử dụng để tái tạo các xung nhị phân hoặc các từ mã từ các giá trị đã lượng tử xuất hiện ở đầu ra của bộ lượng tử hoá[5]. 1.3 Tốc độ bít và thông lƣợng kênh truyền tín hiệu số 1.3.1 Tốc độ bit Tốc độ bit là số lượng bit được truyền đi hay lưu trữ trong một đơn vị thời gian[5]. C = fs * n (bit/s) (1.3) Trong đó : + fs là tần số lấy mẫu (Hz). + n là số bit nhị phân trong một ký hiệu. + C là tốc độ bit (bps). 1.3.2 Thông lượng kênh truyền tín hiệu số Là tốc độ số liệu cực đại có thể truyền được trên kênh truyền có độ rộng băng tần B. C = B.log2(1 + S ) (bps) N Trong đó: + C là tốc độ bit (bps) + S là tỷ số tín hiệu trên nhiễu trắng N + B là băng thông kênh truyền (Hz) (1.4) 6 Tốc độ bit càng lớn thì tín hiệu tương tự khôi phục lại càng trung thực tuy nhiên nó sẽ là cho dung lượng lưu trữ và băng thông kênh truyền càng lớn[3]. Trong thực tế để truyền tín hiệu có tốc độ bit là C (bps) thì cần băng thông kênh truyền là: B 3 C (Hz) 4 Ví dụ: với n = 4, fs = 44,1Khz thì: Tốc độ truyền thông tin là : C = n x fs = 4 x 44,1 = 176,4.103 bits/s Và độ rộng băng tần là B  3 3 C = x176,4.103 = 132,3 Khz 4 4 1.4 Quá trình biến đổi tín hiệu màu Hình 1.2: Quá trình biến đổi tín hiệu màu[6] Một bức ảnh được chuyển từ RGB sang YUV (Y là thành phần độ chói, UV là 2 thành phần màu) nhằm giảm dung lượng lưu trữ cũng như truyền đi, trong quá trình giải mã, trước khi hiển thị ảnh thì nó được biến đổi ngược lại thành RGB[9]. Công thức minh họa ( với k là hằng số, Cr, Cb là những thành phần màu sắc): Y = krR + (1- kb – kr)G + kbB, với Cr = 0,5 (R – Y) 1  kr Cb = 0,5 (B – Y) 1  kb (1.5) Với Kb + Kr + Kg = 1, Kb = 0.114; Kr = 0,299; Thay vào công thức (1.5) ta được: Y = 0.229R + 0.587G + 0,114B 7 Cb = 0,5 (B – Y) = - 0,169R – 0,331G + 0,5B 1  0,114 Cr = 0,5 (R – Y) = 0,5R – 0,419G – 0,081B 1  0, 299 Nên ta có ma trận biến đổi từ RGB sang YUV như sau:  Y   0, 299 0,587 0,114   R  Cb  =  0,169 0,331 0,5  G         Cr   0,5 0, 419 0, 081  B        (1.6) Thực hiện tương tự ta suy ra được ma trận biến đổi từ YUV sang RGB như sau: 0 1, 402   R  1 G  = 1 0,344 0, 71 4       B  1 1, 772 0      Y  Cb     Cr    (1.7) 1.5 Các tiêu chuẩn lấy mẫu video tín hiệu số Kiểu lấy mẫu cho ảnh video cũng là một vấn đề khá quan trọng của kỹ thuật nén ảnh[6]. Một số kiểu lấy mẫu phổ biến: + Tiêu chuẩn 4:4:4 - Mẫu tín hiệu chỉ được lấy với các thành phần tích cực của tín hiệu video - Các tín hiệu chói Y, tín hiệu màu Cr, Cb được lấy mẫu tại tất cả các điểm lấy mẫu trên dòng tích cực của tín hiệu video. Hình 1.3: Tiêu chuẩn 4:4:4 Tần số lấy mẫu: Y: 13,5 MHz; Cr/Cb: 13,5 MHz Ví dụ: tốc độ truyền ( hệ màu Pal): +> Lấy mẫu 8 bít: (720 + 720 + 720) x 576 x 8 x 25 = 249 Mbit/s