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

MỞ ĐẦU

1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ VIDEO

1.1. Một số khái niệm cơ bản

1.2. Dữ liệu video số

1.3. Tỷ lệ khung hình

1.4. So sánh quét xen kẽ và quét tuần tự

1.5. Yêu cầu hệ thống của video

1.6. Tính đồng bộ của thiết bị khi xử lý video

1.7. Đặc điểm của dữ liệu video và video số

1.8. Độ phân giải của video số

1.9. Dữ liệu lớn (chiếm nhiều không gian lưu trữ)

1.10. Phân loại theo mục đích sử dụng

1.11. Phân loại theo nội dung đối tượng trong video

1.12. Hướng nghiên cứu và ứng dụng

1.12.1. Ứng dụng video cho đào tạo điện tử (e-learning)

1.12.2. Xây dựng hệ quản trị cơ sở dữ liệu video theo yêu cầu

2. CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH CHUẨN VIDEO

2.1. Định dạng chuẩn cho hệ điều hành

2.2. So sánh định dạng video AVI, MPG, RM/RA, ASF, IVV, VIV, MOV, DivX

3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH CƠ SỞ DỮ LIỆU VIDEO

3.1. Cấu thành dữ liệu video

3.1.1. Những đặc tính duy nhất của dữ liệu video

3.1.2. Nội dung của dữ liệu video

3.1.3. Yêu cầu cho mô hình video

3.2. Hỗ trợ trừu tượng hóa cấu trúc video đa mức

3.3. Hỗ trợ quan hệ không gian và thời gian

3.4. Độ lập dữ liệu video

3.5. Một số mô hình video

3.5.1. Mô hình dựa trên phân đoạn video

3.5.2. Mô hình dựa trên khung giải

3.5.3. Mô hình đối tượng video

3.5.4. Mô hình dữ liệu video đa số

3.5.5. Mô hình dữ liệu video khá

4. CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH CƠ SỞ DỮ LIỆU VIDEO CHO LẬP DANH MỤC VÀ KHÔI PHỤ NỘI DUNG VIDEO

4.1. Mô hình hóa dữ liệu ảnh/video mức thấp

4.1.1. Mô hình hóa không gian – thời gian qua một dãy ảnh khuông

4.1.1.1. Khái quát thao tác khuông không gian – thời gian

4.1.1.2. Sự kiện không gian

4.1.1.3. Sự kiện thời gian

4.1.2. Mô hình hướng đối tượng của dữ liệu video

4.1.2.1. Từ sự kiện đến lớp

4.1.2.2. Khái niệm dữ liệu video khái quát trong mẫu hướng đối tượng

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Video Số Khái Niệm Đặc Điểm và Ứng Dụng

Video số ngày càng trở nên phổ biến trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống, từ truyền thông, giáo dục, giải trí đến xuất bản. Một lượng lớn dữ liệu video đã và đang được số hóa. Theo nghiên cứu, có hơn sáu triệu giờ phim và video được chiếu trên toàn thế giới, với tỷ lệ tăng hàng năm khoảng 10%. Sự gia tăng thông tin video khổng lồ đòi hỏi quản lý hệ thống dữ liệu video hiệu quả. Các hệ quản trị cơ sở dữ liệu truyền thống không phù hợp với cấu trúc phức tạp của dữ liệu video. Cần có phương pháp mới để mô hình hóa, sắp xếp và tính toán dữ liệu. Luận văn này tập trung vào giới thiệu video, trình bày các mô hình cơ sở dữ liệu video và mô hình cơ sở dữ liệu video cho lập danh mục và khôi phục nội dung.

1.1. Khái niệm cơ bản về Video và Video Số

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.

1.2. Kích thước khung hình và độ phân giải video

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.

1.3. Tỷ lệ khung hình và so sánh quét xen dòng tuần tự

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.

II. Thách Thức Quản Lý Dữ Liệu Video Dung Lượng và Độ Phân Giải

Dữ liệu video có khả năng truyền tải thông tin nhanh chóng, đầy đủ, chính xác và ấn tượng. Tuy nhiên, dữ liệu video có dung lượng lớn, đòi hỏi thiết bị cao hơn so với các hình thức thể hiện khác. Độ phân giải phù hợp giúp giảm thiểu kích thước video. Mắt người bị giới hạn về khả năng nhìn, chỉ nhận biết sự khác nhau của chất lượng hình ảnh chuyển động với độ phân giải dưới 72 dpi. 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.

2.1. Khả năng truyền tải thông tin của 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.

2.2. Độ phân giải của Video Số và Yêu Cầu Lưu Trữ

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.

2.3. Vấn đề dung lượng lớn và giải pháp nén Video

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.

III. Phương Pháp Mô Hình Hóa Dữ Liệu Video Phân Loại và Ứng Dụng

Video là dữ liệu đặc biệt, cần phương pháp xử lý riêng cho từng mục đích sử dụng. Có thể phân loại video theo mục đích sử dụng: video số cho soạn thảo (chất lượng cao, thuật toán nén không mất thông tin), video số cho đầu cuối (chất lượng thấp hơn, kích thước nhỏ hơn, thuật toán nén mất thông tin). Trong nhóm video số cho đầu cuối, lại phân thành các sản phẩm nhỏ hơn: video số ghi trên đĩa CD (chất lượng tương đối cao, phân phối rộng, sử dụng chuẩn nén MPEG1), video số ghi trên đĩa DVD (sức chứa lớn hơn, nâng cấp chất lượng bằng chuẩn MPEG2), video số phân phối trên mạng băng thông rộng (sử dụng chuẩn MPEG1, MPEG2, AVI, MOV với chất lượng cao), video số phân phối trên mạng băng thông hẹp hoặc Internet (sử dụng chuẩn video MPEG4 hoặc AVI).

3.1. Phân loại Video theo mục đích sử dụng

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.

3.2. Video số sử dụng cho đầu cuối và các định dạng

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.

3.3. Phân loại Video theo nội dung đối tượng

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.

IV. Ứng Dụng Mô Hình Dữ Liệu Video E Learning và Quản Lý

Nghiên cứu và ứng dụng video vào đời sống là vấn đề cấp thiết, được các nhóm nghiên cứu và hãng phần mềm tập trung. Các hướng nghiên cứu mới và ứng dụng video đang được phát triển bao gồm: ứng dụng video cho đào tạo điện tử (e-learning), xây dựng hệ quản trị cơ sở dữ liệu video (VDBMS), hệ thống mô phỏng và thực tại ảo, video theo yêu cầu, truyền hình số. Các ứng dụng này đòi hỏi cơ sở truyền thông mạnh, hệ quản trị cơ sở dữ liệu tốt.

4.1. Ứng dụng Video trong Đào tạo Điện tử E Learning

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.

4.2. Xây dựng Hệ Quản Trị Cơ Sở Dữ Liệu Video VDBMS

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.

4.3. Hệ thống mô phỏng và thực tại ảo với Video

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.

V. Các Định Dạng Video Phổ Biến So Sánh và Lựa Chọn

Trong quá trình soạn thảo, xử lý và export video cần hiểu rõ các định dạng video phổ biến. Các định dạng video khác nhau có các đặc điểm khác nhau về chất lượng, kích thước, khả năng tương thích và mục đích sử dụng. Việc lựa chọn định dạng video phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng video tốt nhất và khả năng tương thích với các thiết bị và nền tảng khác nhau.

5.1. Định dạng AVI Ưu điểm và hạn chế

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.

5.2. Định dạng MOV Ưu điểm và hạn chế

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.

5.3. Định dạng MPEG Ưu điểm và hạn chế

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.