Mô Hình Dữ Liệu Video: Tối Ưu Hóa và Ứng Dụng

Video là sự phối hợp đồng bộ thu hoặc phát một chuỗi hình ảnh và âm thanh trong thời gian thực, thể hiện thế giới thực. Video truyền thống sử dụng tín hiệu tương tự. Video số sử dụng tín hiệu đã được số hóa thành dãy bit 0 và 1. Dữ liệu video số ở dạng bit giúp việc tác động lên video đơn giản hơn so với video truyền thống. Dữ liệu video số là các đoạn phim đã được số hóa và ghi thành tệp trên đĩa cứng, đĩa CD, đĩa DVD, băng từ và các thiết bị lưu trữ khác mà máy tính có thể hiểu được. Một tệp video thông thường có hai phần: dữ liệu hình ảnh và dữ liệu âm thanh. Khi phát, các dữ liệu hình ảnh và các dữ liệu âm thanh được phát đồng bộ với nhau.

Kích thước khung hình (frame size) là chiều dọc và chiều ngang của khung hình, được tính bằng điểm ảnh. Ví dụ: khung hình ảnh 720x486 chứa 349.920 điểm ảnh. Kích thước khung hình của video phải được xác định rõ theo định dạng chuẩn của video xuất ra. Ví dụ: kích thước khung hình 720x480 điểm ảnh cho hệ NTSC, 720x576 điểm ảnh cho hệ PAL. Hoặc có thể xác định khung hình 320x240 điểm ảnh cho các video có kích thước nhỏ, có thể sử dụng trên Web. Tăng kích thước khung hình đồng nghĩa với việc máy tính phải tốn nhiều bộ nhớ và thời gian xử lý hơn khi hiển thị hay soạn thảo video. Khi xử lý video số, kích thước khung hình tham chiếu đến độ phân giải. Một loạt các thuộc tính rất quan trọng của khung hình khi soạn thảo video: điểm ảnh, tỷ lệ của khung hình, độ phân giải, độ sâu màu.

Tỷ lệ của khung hình là tỷ lệ kích thước chiều rộng/chiều cao của ảnh. Ví dụ: tỷ lệ khung hình của video NTSC là 4:3, một số video lớn hơn sử dụng tỷ lệ 16:9. Tỷ lệ của khung hình không chỉ là các cạnh mà nó còn liên quan đến các chuẩn video. Ví dụ: tỷ lệ 4:3 là chuẩn cho các sản phẩm video của hệ điều hành Windows, Mac, khung hình 720x480 điểm ảnh sử dụng cho chuẩn NTSC. Interlaced là kỹ thuật quét xen dòng để làm tươi hình ảnh trên màn hình. Non-Interlaced hay Progressive-scan là kỹ thuật quét tuần tự các dòng. Kỹ thuật quét xen dòng là thuộc tính bắt và hiển thị video, nó không có cấu trúc phức tạp trong định dạng tệp hay truyền thông. Kỹ thuật quét tuần tự các dòng cung cấp các hình ảnh tốt hơn khi soạn thảo hay tạo hiệu ứng video.

Bản chất của video là tích hợp rất nhiều các yếu tố như kỹ thuật, nghệ thuật. Do đó video trở thành dạng dữ liệu có khả năng truyền tải thông tin nhanh, đầy đủ, chính xác và rất ấn tượng. Với đặc tính này, video có ưu thế hơn hẳn các dữ liệu khác như văn bản, âm thanh. Video có nhiều ưu điểm, nhưng có một hạn chế là dữ liệu video quá lớn và nó yêu cầu thiết bị cao hơn nhiều so với các cách thể hiện khác. Mặc dù vậy, ngày nay, với công nghệ thông tin và truyền thông phát triển, các kỹ thuật nén ngày càng được cải thiện, ứng dụng video đã được triển khai nhiều hơn trong thực tế.

Video là loại dữ liệu số có kích thước rất lớn. Do đó người ta phải tìm mọi cách để giảm thiểu kích thước của video. Một trong các cách này là sử dụng độ phân giải phù hợp cho video. Người ta đã nghiên cứu và thấy rằng mắt người bị giới hạn về khả năng nhìn. Với màu sắc được hiển thị trên màn hình huỳnh quang thì mắt người chỉ nhận biết được sự khác nhau của chất lượng hình ảnh chuyển động với độ phân giải dưới 72 dpi (72 điểm ảnh/inch). Đối với các hình ảnh chuyển động có độ phân giải cao hơn thì mắt người không nhận biết được. Vì vậy, video số sử dụng độ phân giải 72dpi. Đây là tiêu chuẩn cho tất cả các thiết bị thu video số thông thường như các máy quay số (digital camera), các thiết bị chuyển đổi dữ liệu video từ dạng tương tự sang dạng số.

Video số là loại dữ liệu có kích thước rất lớn, nó chiếm rất nhiều không gian lưu trữ hay không gian đĩa cứng. Ví dụ: một đoạn video có thời lượng là một giờ, kích thước khung hình là 720x480, tốc độ phát hình 29,97 hình/giây, độ sâu màu cho một điểm ảnh là 24bit. Như vậy, chúng ta thấy rằng các thiết bị lưu trữ hiện nay là quá nhỏ so với dữ liệu video. Đây là đặc điểm gây ra trở ngại rất lớn khi sử dụng, soạn thảo, tương tác với dữ liệu video số. Để khắc phục trở ngại này người ta đã sử dụng nhiều biện pháp như giảm kích thước khung hình, giảm độ sâu màu, nhưng hữu hiệu hơn cả vẫn là sử dụng các thuật toán nén video, như các thuật toán nén MPEG.

Video là dữ liệu khá đặc biệt do đó phải có các phương pháp xử lý riêng cho từng mục đích sử dụng. Chúng ta có thể phân loại video theo các cách đơn giản sau: Video số sử dụng cho soạn thảo. Video loại này có chất lượng rất cao. Thông thường sử dụng các thuật toán nén không mất thông tin. Các dữ liệu video này được lưu trữ và xử lý trên các thiết bị đặc biệt, chuyên dụng như lưu trên các ổ cứng theo chuẩn SCSI có tốc độ đọc ghi nhanh, được hỗ trợ bởi card RAID, các thiết bị phần cứng để xử lý video như TAIGA 3000, DV2000, máy tính tốc độ cao có trang bị các chip đặc biệt hỗ trợ việc xử lý đồ họa.

Đây là các sản phẩm video số có chất lượng thấp hơn so với video dùng làm soạn thảo nhưng kích thước lại nhỏ hơn rất nhiều (nhỏ hơn vài chục lần so với video gốc) do sử dụng các thuật toán nén mất thông tin có thể sử dụng trên mạng, Internet hoặc các ứng dụng thông thường. Trong lớp các video số này, người ta lại phân thành nhóm các sản phẩm nhỏ hơn. Các sản phẩm video số ghi trên đĩa CD là sản phẩm có chất lượng tương đối cao và được phân phối rộng khắp trên thị trường. Nó sử dụng định dạng chuẩn nén MPEG1. Một đĩa CD có dung lượng 700Mb lưu trữ được 80 phút video.

Một số cách phân lớp khác đó là phân lớp theo nội dung đối tượng, màu sắc có trong video số. Các cách phân lớp này thường sử dụng cho việc xử lý, áp dụng các kỹ thuật nén cho video. Ví dụ: video đen trắng hay video màu, cảnh thay đổi nhanh hay ít thay đổi, video hoạt hình. Từ đó người ta đưa vào các kỹ thuật nén với các tham số nén hữu hiệu cho phép giảm đáng kể kích thước video cho từng loại. Ví dụ: trong video hoạt hình số người ta có thể sử dụng các thuật toán nén bằng cách phân ra đối tượng để nén tốt nhất dữ liệu video loại này.

Đào tạo điện tử tham chiếu đến những bài học được thể hiện bằng công nghệ điện tử. Đây là lĩnh vực mới hỗ trợ và thay thế một phần đào tạo truyền thống. Nó xuất phát từ những yêu cầu học tập mà trong đó học viên và giáo viên bị ngăn cách bởi không gian địa lý. Với hệ thống mạng LAN, WAN và Internet việc phân phối các bài học điện từ đã trở nên dễ dàng hơn. Nhưng để nội dung các bài học trở nên hấp dẫn, sinh động và trực quan thì dữ liệu video đóng vai trò chủ chốt. Do đó việc nghiên cứu xây dựng video cho các bài giảng điện tử để có thể truyền tải trên hệ thống mạng hay đặt trên đĩa CD là vấn đề hết sức cần thiết.

Một hướng nghiên cứu khác là xây dựng hệ quản trị cơ sở dữ liệu video – VDBMS. Đây là một vấn đề khá phức tạp vì dữ liệu video rất lớn. Việc xử lý dữ liệu như tìm kiếm, phân loại video trong thời gian thực hay thời gian chấp nhận được là hết sức khó khăn.

Hiện nay công nghệ mô phỏng và thực tại ảo đang rất được quan tâm. Một hệ thống mô phỏng đầy đủ trên máy tính như mô phỏng buồng lái máy bay hay buồng lái xe tăng có thể thay thế các thiết bị thực tế để đào tạo người học với chi phí nhỏ hơn rất nhiều so với thực tế.

AVI (Audio Video Interleave) là một định dạng video phổ biến được phát triển bởi Microsoft. AVI có ưu điểm là khả năng tương thích cao với nhiều thiết bị và nền tảng khác nhau. Tuy nhiên, AVI có hạn chế là kích thước tệp lớn và chất lượng video không cao bằng các định dạng video khác.

MOV (QuickTime Movie) là một định dạng video được phát triển bởi Apple. MOV có ưu điểm là chất lượng video cao và khả năng tương thích tốt với các thiết bị và nền tảng của Apple. Tuy nhiên, MOV có hạn chế là khả năng tương thích không cao với các thiết bị và nền tảng khác.

MPEG (Moving Picture Experts Group) là một nhóm các định dạng video được phát triển bởi MPEG. MPEG có ưu điểm là khả năng nén cao, giúp giảm kích thước tệp video mà vẫn đảm bảo chất lượng video tốt. MPEG có nhiều phiên bản khác nhau, như MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, mỗi phiên bản có các đặc điểm và ứng dụng khác nhau.