CHƯƠNG I: CƠ BẢN VỀ NÉN VIDEO SỐ 1. Kỹ thuật nén Video số 1.1 Khái niệm Nén về cơ bản là một quá trình trong đó lượng số liệu (data) biểu diễn lượng thông tin của một ảnh hoặc nhiều ảnh được giảm bớt bằng cách loại bỏ những số liệu dư thừa trong tín hiệu Video. Các chuỗi ảnh truyền hình có nhiều phần ảnh giống nhau, vậy tín hiệu truyền hình có chứa nhiều dữ liệu dư thừa, ta có thể bỏ qua mà không làm mất thông tin ảnh. Đó là các phần xoá dòng, xoá mành, vùng ảnh tĩnh hoặc chuyển động rất chậm, vùng ảnh nền giống nhau, mà ở đó các phần tử liên tiếp giống nhau hoặc khác nhau rất ít.
Thường thì chuyển động trong ảnh truyền hình có thể được dự báo, do đó chỉ cần truyền các thông tin về chuyển động. Các phần tử lân cận trong ảnh thường giống nhau, do đó chỉ cần truyền các thông tin biến đổi. Các hệ thống nén sử dụng đặc tính này của tín hiệu Video và các đặc trưng của mắt người là kém nhậy với sai số trong hình ảnh có nhiều chi tiết và các phần tử chuyển động. Quá trình sau nén ảnh là dãn ảnh để tạo lại ảnh gốc hoặc xấp xỉ ảnh gốc.2 Mô hình nén ảnh BiÓu diÔn L-îng tö G¸n tõ m· Xö lý Gi¶i tõ Gi¶i BiÓu thuËn lîi ho¸ kªnh m· L.1: Mô hình hệ thống nén Video.
Ở tầng đầu tiên của bộ mã hoá video, tín hiệu video được trình bày dưới dạng thuận tiện để nén có hiệu quả nhất. Điểm cốt yếu là chỉ xác định cái gì được mã hoá. Sự biểu diễn có thể chứa nhiều mẩu thông tin để mô tả tín hiệu hơn là chính tín hiệu, nhưng hầu hết thông tin quan trọng chỉ tập trung trong một phần nhỏ của sự Bùi Trung Hiếu Luận văn thạc sĩ khoa học 4 mô tả này. Trong cách biểu diễn có hiệu quả, chỉ có phần nhỏ dữ liệu cần thiết để truyền cho việc tái tạo tín hiệu video.
-Hoạt động thứ hai của bộ mã hoá là lượng tử hoá, giúp rời rạc hoá thông tin được biểu diễn. Để truyền tín hiệu video qua một kênh số, những thông tin biểu diễn được lượng tử hoá thành một số hữu hạn các mức. -Hoạt động thứ 3 là gán các từ mã. Các từ mã này là một chuỗi bit dùng để biểu diễn các mức lượng tử hoá.
Các quá trình sẽ ngược lại trong bộ giải mã video. Mỗi hoạt động cố gắng loại bỏ phần dư thừa trong tín hiệu video và tận dụng sự giới hạn của hệ thống nhìn của mắt người. Nhờ bỏ đi các phần dư thừa, các thông tin giống nhau hoặc có liên quan đến nhau sẽ không được truyền đi. Những thông tin bỏ đi mà không ảnh hưởng đến việc nhìn cũng không được truyền đi.3 Các đặc điểm của nén tín hiệu số 1.1 Xác định hiệu quả của quá trình nén tín hiệu số Hiệu quả nén được xác định bằng tỉ lệ nén, nghĩa là tỷ số giữa số lượng dữ liệu của ảnh gốc trên trên số lượng dữ liệu của ảnh nén.
Độ phức tạp của thuật toán nén được xác định bằng số bước tính toán trong cả hai quá trình mã hoá và giải mã. Thông thường thì thuật toán nén càng phức tạp bao nhiêu thì hiệu quả nén càng cao nhưng ngược lại giá thành và thời gian thực hiện lại tăng. Đối với thuật toán nén có tổn thất thì độ sai lệch được xác định bằng số thông tin bị mất đi khi tái tạo lại hình ảnh từ dữ liệu nén. Với nén không tổn thất thì chúng ta có thể có những thuật toán má hoá càng gần với Entropy của thông tin nguồn, bởi vì lượng entropy của nguồn chính là tốc độ nhỏ nhất mà bất cứ một thuật toán nén không tổn thất nào cũng có thể đạt được.
Ngược lại, trong các nén có tổn thất thì mối quan hệ giữa tỷ lệ nén và độ sai lệch thông tin được Shannon nghiên cứu và biểu diễn dưới dạng hàm RD (hàm về độ sai lệch thông tin). Lý thuyết của ông cũng chỉ ra rằng với thuật toán nén có tổn thất Bùi Trung Hiếu Luận văn thạc sĩ khoa học 5 thì chúng ta sẽ có hiệu quả cao nhất, nhưng ngược lại ta bị mất thông tin trong quá trình tái tạo lại nó từ dữ liệu nén. Trong khi đó nén không tổn thất , mặc dù đạt hiệu quả thấp nhưng ta lại không bị mất thông tin trong quá trình tái tạo lại nó. Vì vậy, ta phải tìm ra một biện pháp nhằm trung hoà giữa hai thuật toán nén này để tìm ra một thuật toán nén tối ưu sao cho hiệu quả nén cao mà lại không bị mất mát thông tin.2 Độ dư thừa số liệu Nén số liệu là quá trình giảm lượng số liệu cần thiết để biểu diễn cùng một lượng thông tin cho trước.
Số liệu và thông tin không đồng nghĩa với nhau, số liệu chỉ là phương tiện dùng để truyền tải thông tin. Cùng một lượng thông tin cho trước có thể biểu diễn bằng các lượng số liệu khác nhau. Độ dư thừa số liệu là vấn đề trung tâm trong nén ảnh số. Đánh giá cho quá trình thực hiện giải thuật nén là tỷ lệ nén (CN) được xác định như sau: Nếu N 1 và N2 là lượng số liệu trong hai tập hợp số liệu cùng được biểu diễn một lượng thông tin cho trước thì độ độ dư thừa số liệu tương đối R D của tập hợp số liệu thứ nhất với tập hợp số liệu thứ hai có thể được định nghĩa như sau: RD =1-1/ CN Trong đó: CN =N1/N2 Trong trường hợp N1 =N2 thì CN =1 và RD=0, có nghĩa là so với tập số liệu thứ hai thì tập số liệu thứ nhất không chứa số liệu dư thừa.
Khi N 2<<N1 thì CN tiến tới vô cùng và RD tiến tới 1, có nghĩa là độ dư thừa số liệu tương đối của tập số kiệu thứ nhất là khá lớn hay tập số liệu thứ hai đã được nén khá nhỏ.3 Sai lệch bình phương trung bình Một đánh giá thống kê khác có thể đánh giá cho nhiều giải thuật nén là sai lệch bình phương trung bình so với ảnh gốc RMS (Root Mean Square ) được tính bởi biểu thức: 1 n ' 2 RMS = n × ∑ (X − X ) i =1 i i Bùi Trung Hiếu Luận văn thạc sĩ khoa học 6 Trong đó: RMS – sai lệch bình phương trung bình Xi – Giá trị điểm ảnh ban đầu Xi ’ – Giá trị điểm ảnh sau khi nén n – Tổng số điểm ảnh trong một ảnh RMS chỉ ra sự khác nhau thống kê giữa ảnh ban đầu và ảnh sau khi nén. Đa số trường hợp khi nén chất lượng của ảnh nén là tốt với RMS thấp. Tuy nhiên, trong một số trường hợp có thể xảy ra là chất lượng ảnh nén với RMS cao tốt hơn ảnh với RMS thấp hơn.3 Các phương pháp nén Các hệ thống nén số liệu là sự phối hợp của rất nhiều các kỹ thuật xử lý nhằm giảm tốc độ bit của tín hiệu số mà vẫn đảm bảo chất lượng hình ảnh phù hợp ứng với một ứng dụng nhất định. Nhiều kỹ thuật nén mất và không mất thông tin (loss/lossless data reduction techniques) đã được phát triển trong nhiều năm qua.
Chỉ có một số ít trong chúng có thể áp dụng cho nén video số. Video số Nén không Nén mất mất thông thông tin DCT VLC RLC Loai bỏ Mẫu Lượng DPCM tử hoá khoảng con JPEG MPEG – Hình 1.2: Sự phối hợp các kỹ thuật trong JPEG và MPEG Bùi Trung Hiếu Luận văn thạc sĩ khoa học 7 Hình 1.2 minh hoạ kỹ thuật nén được sử dụng để tạo thành các tín hiệu nén JPEG (Joint Photographic Expert Group) và MPEG (Moving Picture Expert Group). Sử dụng các kỹ thuật này một cách riêng rẽ thực tế không đưa lại một kết quả nào về giảm tốc độ dòng tín hiệu. Tuy nhiên, phối hợp một số các kỹ thuật này sẽ đem lại những hệ thống nén vô cùng hiệu quả như hệ thống nén JPEG, MPEG-1, MPEG-2.1 Nén không tổn hao Nén không mất thông tin cho phép phục hồi lại đúng tín hiệu ban đầu sau khi giải nén.
Đây là một quá trình mã hoá có tính thuận nghịch. Hệ số nén phụ thuộc vào chi tiết ảnh được nén. Hệ số nén của phương pháp nén không mất thông tin nhỏ hơn 2:1. Các kỹ thuật nén không mất thông tin bao gồm: a.
Mã hoá với độ dài thay đổi (VLC) Phương pháp này còn được gọi là mã hoá Huffman và mã hoá Entropy, dựa trên khả năng xuất hiện của các giá trị biên độ trùng hợp trong một bức ảnh và thiết lập một từ mã ngắn cho các giá trị có tần suất xuất hiện cao nhất và từ mã dài cho các giá trị còn lại. Khi thực hiện giải nén, các thiết lập mã trùng hợp sẽ được sử dụng để tái tạo lại giá tri tín hiệu ban đầu. Mã hoá với độ dài động (RLC) Phương pháp này dựa trên sự lặp lại của cùng giá trị mẫu để tạo ra các mã đặc biệt biểu diễn sự bắt đầu và kết thúc của giá trị được lặp lại. Chỉ các mẫu có giá trị khác không mới được mã hoá.
Số mẫu có giá trị bằng không sẽ được truyền đi dọc theo cùng dòng quét. Sử dụng khoảng xoá dòng, xoá mành Vùng thông tin xoá được loại bỏ khỏi dòng tín hiệu để truyền đi vùng thông tin tích cực của ảnh. Theo phương pháp đó, thông tin xoá dòng và xoá mành sẽ không được ghi giữ và truyền đi. Chúng được thay bằng các dữ liệu đồng bộ ngắn hơn tuỳ theo ứng dụng.
Bùi Trung Hiếu Luận văn thạc sĩ khoa học 8 d. Biến đổi cosin rời rạc (DCT) Quá trình DCT thuận và nghịch được coi là không mất thông tin nếu độ dài từ mã hệ số là 13 hoặc 14 băng tần đối với dòng video số sử dụng 8 bit biểu diễn mẫu. Nếu độ dài từ mã hệ số của phép biến đổi DCT nhỏ hơn, quá trình này trở nên có mất thông tin. Trong truyền hình, phương pháp nén không tổn hao được kết hợp trong các phương pháp nén có tổn hao sẽ cho tỷ lệ nén tốt mà không gây mất mát về độ phân giải.2 Nén có tổn hao Nén có tổn hao chấp nhận mất mát một ít thông tin để gia tăng hiệu quả nén, rất thích hợp với nguồn thông tin là hình ảnh và âm thanh.
Như vậy, nén có tổn hao mới thật sự có ý nghĩa đối với truyền hình. Nó có thể cho tỷ lệ nén ảnh cao để truyền dẫn, phát sóng đồng thời cho một tỷ lệ nén thích hợp cho xử lí và lưu trữ ảnh trong studio.