Nghiên Cứu và Thiết Kế Thiết Bị Key Ứng Dụng Trong Phim Trường (2015)

Nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn trong thiết kế thiết bị key cho phim trường. Khám phá các giải pháp sáng tạo và hiệu quả cho sản xuất phim chuyên nghiệp.

• Trường học: Sở Khoa Học Và Công Nghệ Tp.hcm
• Chuyên ngành: Nghiên cứu và thiết kế thiết bị key dùng trong phim trường
• Đề tài: Nghiên cứu và thiết kế thiết bị key dùng trong phim trường
• Loại tài liệu: báo cáo nghiệm thu
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• SUMMARY OF RESEARCH CONTENT
• MỤC LỤC
• DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH BẢNG
• DANH SÁCH HÌNH
• THÔNG TIN ĐỀ TÀI
• QUYẾT TOÁN KINH PHÍ
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 1.1. Giới thiệu về thiết bị key
• 1.2. Thiết kế thiết bị key
• 1.3. Mô tả hệ thống
• 1.4. Lựa chọn công nghệ
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nội dung 1: Nghiên cứu, phân tích và mô phỏng các giải thuật tách vùng
• 2.1.1. Phương pháp dùng ngưỡng của Thilina
• 2.1.2. Phương pháp Chroma-key sử dụng giải thuật K-means truyền thống
• 2.1.3. Phương pháp Chroma-key dựa trên K-means cải tiến của Kardi Teknomo
• 2.1.4. Phương pháp Chroma-key dựa trên K-means kết hợp với robust matting
• 2.1.5. Hiệu ứng Chroma-key sử dụng bộ lọc Coarse and Fine Filter
• 2.2. Nội dung 2: Cải tiến giải thuật tách phông xanh
• 2.2.1. Hệ màu sử dụng trong giải thuật
• 2.2.2. Giải thuật đề nghị
• 2.2.3. Thiết kế cấu trúc phần cứng cho giải thuật tách phông xanh
• 2.2.4. Kết quả tổng hợp IP
• 2.2.5. Kết quả thực hiện
• 2.3. Nội dung 3: Nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật ghép nền video
• 2.3.1. Giới thiệu kỹ thuật ghép video
• 2.3.2. Các thiết bị phần cứng cho bộ ghép video
• 2.3.3. Thiết kế cấu trúc khung cho bộ ghép video
• 2.3.4. Kết quả thực hiện
• 2.4. Nội dung 4: Thiết kế cấu trúc phần cứng cho bộ ghép video
• 2.4.1. Mô tả tổng quát bộ ghép kênh Alpha (Alpha Blending)
• 2.4.2. Thiết kế khối bộ Alpha Blending
• 2.4.3. Thiết kế khối con trong bộ Alpha Blending
• 2.4.4. Kết quả thực hiện
• 2.5. Nội dung 5: Nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật dùng để tạo lớp chữ thông báo và tạo biểu tượng trên nền video
• 2.5.1. Giới thiệu kỹ thuật Overlay
• 2.5.2. Khảo sát các bộ Overlay trên thị trường
• 2.5.3. Nghiên cứu thiết kế kỹ thuật nền tảng tạo lớp chữ và biểu tượng trên nền video
• 2.6. Nội dung 6: Thiết kế sơ đồ cấu trúc phần cứng cho kỹ thuật tạo lớp chữ thông báo và biểu tượng trên nền video
• 2.6.1. Kỹ thuật tạo lớp chữ thông báo
• 2.6.2. Kỹ thuật tạo biểu tượng
• 2.7. Nội dung 7: Nghiên cứu công nghệ giao tiếp kênh video theo giao thức S-Video, SDI, DVI
• 2.7.1. Giao tiếp S-video
• 2.7.2. Giao tiếp DVI
• 2.7.3. Giao tiếp SDI – STMPE 274M
• 2.8. Nội dung 8: Thiết kế mạch điều khiển và trình driver cho giao tiếp kênh video
• 2.8.1. Điều khiển giao tiếp video theo chuẩn DVI
• 2.8.2. Điều khiển giao tiếp video theo chuẩn S-Video
• 2.9. Nội dung 9: Nghiên cứu công nghệ FPGA để hiện thực giải thuật màn hình xanh và kỹ thuật tạo lớp chữ thông báo, biểu tượng trên nền video
• 2.9.1. Giới thiệu Cyclone III Video Processing Development Kit
• 2.9.2. Ứng dụng Cyclone III Video Processing Development Kit cho hệ thống thiết bị key
• 2.10. Nội dung 10: Tích hợp cấu trúc phần cứng cho tách phông xanh, ghép nền video và tạo lớp chữ, biểu tượng vào hệ thống FPGA
• 2.10.1. Tổng quan hệ thống
• 2.10.2. Hiện thực hệ thống trên kit FPGACyclone III Video Processing Development Kit
• 2.11. Nội dung 11: Nghiên cứu thiết kế phần mềm nhúng để điều khiển hệ thống thiết bị key sử dụng giải thuật màn hình xanh và ghép video
• 2.11.1. Tìm hiểu phần mềm Nios IDE
• 2.11.2. Tìm hiểu cách cấu hình và điều khiển các IP trong hệ thống SOPC
• 2.11.3. Thiết kế phần mềm nhúng điều khiển hệ thống SOPC
• 2.12. Nội dung 12: Xây dựng mô hình kiểm tra phần cứng cho cấu trúc tách phông xanh và ghép nền
• 2.12.1. Quy trình thực hiện kiểm tra
• 2.12.2. Tạo dữ liệu đầu vào
• 2.12.3. Mô phỏng cấu trúc phần cứng trên modelsim
• 2.12.4. Hiển thị kết quả mô phỏng có được
• 2.12.5. So sánh, nhận xét với mô hình Matlab
• 2.12.6. Đánh giá chất lượng của giải thuật tách màn hình xanh
• 2.13. Nội dung 13: Xây dựng mô hình kiểm tra phần cứng cho kỹ thuật tạo lớp chữ và biểu tượng
• 2.13.1. Xây dựng testbench
• 2.13.2. Kiểm tra hoạt động bằng phần mềm
• 2.14. Nội dung 14: Nghiên cứu hệ thống SOPC để tích hợp phần cứng và phần mềm vào chip FPGA
• 2.14.1. Tìm hiểu cơ bản hệ thống SOPC
• 2.14.2. Cách thiết kế hệ thống và kết nối các IP xử lý tín hiệu video do Altera cung cấp
• 2.14.3. Cách tích hợp các IP được thiết kế vào hệ thống SOPC
• 2.15. Nội dung 15: Thử nghiệm và hoàn thiện tính ổn định, chất lượng của hệ thống thiết bị key
• 2.15.1. Kế hoạch thử nghiệm
• 2.15.2. Đánh giá độ phân giải và xử lý thời gian thực và chức năng hệ thống
• 2.15.3. Đánh giá chất lượng hệ thống
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tóm tắt kết quả chung
• 3.2. Nhận xét và thảo luận
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Thiết Bị Key Phim Trường Ứng Dụng Lợi Ích

Thiết bị key, hay còn gọi là thiết bị chroma key, đóng vai trò then chốt trong việc tạo ra các phim trường ảo và hiệu ứng đặc biệt trong sản xuất phim ảnh và truyền hình. Kỹ thuật này cho phép thay thế phông nền phía sau chủ thể bằng bất kỳ hình ảnh hoặc video nào, mở ra vô vàn khả năng sáng tạo. Ứng dụng của thiết bị key rất đa dạng, từ các chương trình dự báo thời tiết, bản tin thời sự, talkshow, đến phim ảnh và video quảng cáo. Nó cũng là yếu tố quan trọng trong các phim Hollywood để xây dựng thế giới tưởng tượng. Thiết bị này có thể tạo dòng chữ thông báo và biểu tượng trong các chương trình tin tức và thể thao. Thiết bị key là một công cụ mạnh mẽ giúp giảm chi phí sản xuất, tăng tính linh hoạt và tạo ra những hiệu ứng hình ảnh ấn tượng. Theo Bộ Thông tin và Truyền thông (TT-TT) [2], cả nước hiện nay có 67 đài phát thanh và truyền hình, trong đó tổng số lượng kênh chương trình truyền hình lên tới gần 200 kênh. Riêng tại đài truyền hình Tp. Hồ Chí Minh (HTV), số lượng kênh được sản xuất đã lên đến 7 kênh, bao gồm HTV1, HTV2, HTV3, HTV4, HTVC, HTV7, HTV9 [3]. Với số lượng kênh chương trình ngày càng tăng, nhu cầu về thiết bị phim trường ngày càng tăng cao. Việc sử dụng thiết bị này giúp giảm chi phí sản xuất phim, chương trình và có thể sử dụng trong phòng thu, studio hoặc các đài phát thanh.

1.1. Ứng Dụng Thiết Bị Key Trong Truyền Hình Điện Ảnh

Trong lĩnh vực truyền hình, thiết bị key được sử dụng rộng rãi trong các chương trình tin tức, dự báo thời tiết và talkshow. Các đài truyền hình lớn như CNN, NHK, Bloomberg đều sử dụng thiết bị này để tạo ra những phông nền chuyên nghiệp và thu hút. Trong điện ảnh, kỹ thuật chroma key giúp tạo ra những cảnh quay hoành tráng và không thể thực hiện được trong thực tế. Ví dụ, các bộ phim khoa học viễn tưởng thường sử dụng màn hình xanh để tạo ra những hành tinh và thế giới khác nhau. Ứng dụng này giúp giảm chi phí sản xuất phim, cho phép các nhà làm phim tạo ra những hiệu ứng hình ảnh ấn tượng mà không cần phải di chuyển đến những địa điểm xa xôi. Thiết bị key cho truyền hình, video quảng cáo

1.2. Lợi Ích Kinh Tế Sáng Tạo Từ Thiết Bị Key Phim Trường

Việc sử dụng thiết bị key mang lại nhiều lợi ích kinh tế và sáng tạo. Về mặt kinh tế, nó giúp giảm chi phí sản xuất phim và chương trình truyền hình, vì không cần phải xây dựng phim trường thực tế hoặc di chuyển đến các địa điểm quay phim đắt đỏ. Về mặt sáng tạo, nó mở ra vô vàn khả năng tạo ra những hiệu ứng hình ảnh độc đáo và ấn tượng, giúp các nhà làm phim và nhà sản xuất truyền hình thỏa sức sáng tạo. Thiết bị key còn cho phép tạo biểu tượng, dòng chữ thông báo trong các bảng tin thời tiết, thời sự, thông tin kinh tế, làm cho các chương trình trở nên hấp dẫn và sinh động hơn.

II. Thách Thức Thiết Kế Thiết Bị Key Độ Phân Giải Thời Gian Thực

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc thiết kế thiết bị key cũng đặt ra nhiều thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất là đảm bảo khả năng xử lý video thời gian thực với độ phân giải cao (HD 1080P). Điều này đòi hỏi vi mạch phải có tốc độ xử lý nhanh và hiệu quả. Một thách thức khác là thiết kế phần cứng hệ thống sao cho có thể tích hợp bộ vi điều khiển nhúng để quản lý tác vụ và thông số hệ thống. Thêm vào đó, việc lựa chọn công nghệ phù hợp cũng là một yếu tố quan trọng, vì nó ảnh hưởng đến chi phí thiết kế và thời gian đưa sản phẩm ra thị trường. Các công nghệ thường được sử dụng bao gồm: ASIC, DSP, FPGA. Để đáp ứng nhu cầu của thị trường Việt Nam, giá thành của thiết bị key cần phải hợp lý, để các đài truyền hình và các studio có thể dễ dàng tiếp cận.

2.1. Yêu Cầu Về Vi Mạch Xử Lý Video Độ Phân Giải HD 1080P

Để xử lý video thời gian thực với độ phân giải HD 1080P, thiết bị key cần phải có vi mạch với tốc độ xử lý rất cao. Vi mạch cần phải có khả năng xử lý nhiều kênh video cùng một lúc, đồng thời thực hiện các thuật toán phức tạp để tách nền, ghép hình và tạo hiệu ứng. Các yêu cầu về bộ nhớ cũng rất quan trọng, vì thiết bị key cần phải lưu trữ dữ liệu video tạm thời trong quá trình xử lý. Các vấn đề cần được giải quyết khi thiết kế phần cứng bao gồm lựa chọn FPGA phù hợp và tối ưu hóa cấu trúc phần cứng để đạt được hiệu suất cao nhất. Ngoài ra, việc quản lý nhiệt độ và điện năng tiêu thụ cũng là những yếu tố quan trọng cần được xem xét.

2.2. Tích Hợp Vi Điều Khiển Nhúng Thư Viện Thiết Kế Chi Phí Hợp Lý

Việc tích hợp bộ vi điều khiển nhúng vào thiết bị key giúp quản lý tác vụ và thông số hệ thống một cách hiệu quả. Vi điều khiển có thể được sử dụng để điều khiển các chức năng như chọn kênh video, điều chỉnh màu sắc, và thay đổi phông nền. Thư viện thiết kế chi phí hợp lý giúp giảm thời gian và chi phí phát triển sản phẩm. Việc lựa chọn các thành phần phần cứng phù hợp và tối ưu hóa cấu trúc phần mềm cũng giúp giảm chi phí sản xuất. Giá thành của các thiết bị chroma key này rất đắt tiền, làm cho việc tiếp cận công nghệ này trở nên khó khăn đối với nhiều đài truyền hình và studio nhỏ.

III. Phương Pháp Chroma Key Các Giải Thuật Tách Vùng Cải Tiến

Có nhiều phương pháp chroma key khác nhau, mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Một trong những phương pháp phổ biến nhất là sử dụng ngưỡng màu để tách nền. Phương pháp này dựa trên việc so sánh giá trị màu của các điểm ảnh với một ngưỡng nhất định để xác định xem điểm ảnh đó thuộc nền hay không. Tuy nhiên, phương pháp này có thể gặp khó khăn trong việc xử lý các bóng đổ và các biến đổi ánh sáng. Các giải thuật tách vùng là giải thuật dùng để tách các vùng ảnh dựa trên các đặc tính của các điểm ảnh. Nghiên cứu trong nước về giải thuật chroma-key còn rất hạn chế, chỉ ở dạng giới thiệu công nghệ. Các công trình nghiên cứu của nước ngoài liên quan đến đề tài như: phương pháp của Thilina, phương pháp Chroma-key sử dụng giải thuật K-means truyền thống, phương pháp Chroma-key cải tiến của Kardi Teknomo, phương pháp Chroma-key dựa trên K-means kết hợp với robust matting. Các phương pháp này sẽ được phân tích và mô phỏng để đánh giá hiệu quả, nhận xét ưu khuyết điểm của giải thuật, từ đó đề ra được hướng tiếp cận cho giải thuật của hệ thống Chroma-key.

3.1. Phân Tích Giải Thuật Tách Vùng Dựa Trên Ngưỡng Màu Thilina

Phương pháp Thilina dựa trên so sánh ngưỡng của giá trị màu để phát hiện ra vùng hậu cảnh. Bằng cách quan sát giá trị màu đỏ, xanh lá, xanh dương (R, G, B). Việc tách hậu cảnh ra khỏi tiền cảnh có thể thực hiện dễ dàng với việc phân tích giá trị màu RGB. Phương pháp của Thilina có mức độ tính toán đơn giản, nhưng cho kết quả chưa tốt ở đường biên phân tách. Việc chọn giá trị temp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả giải thuật, nhưng rất khó để chọn được giá trị temp đúng trong các điều kiện hình ngõ vào khác nhau. Về mặt lý thuyết, giá trị của temp có thể vượt 255, nhưng nếu giá trị này quá lớn, đối tượng trong tiền cảnh có thể bị lọc mất.

3.2. Giải Thuật K Means Truyền Thống Cải Tiến Cho Chroma Key

K-means được phát triển bởi MacQueen vào năm 1967, là một giải thuật dùng để tách vùng với mục đích phân tách n mẫu quan sát vào k vùng bằng cách tối thiểu hóa tổng bình phương khoảng cách . phương pháp K-means cho kết quả tốt hơn phương pháp Thilina. Tuy nhiên mức độ tính toán của phương pháp K-means phức tạp hơn, đòi hỏi các bước trong vòng lặp, sẽ gây khó khăn cho việc xử lý trong thời gian thực. Phương pháp K-means cải tiến của Kardi Tecknomo cũng dựa trên K-means nhưng có một số cải tiến về phương pháp tính điểm trung tâm và phương sai. phương pháp Chroma-key dựa trên K-means của Kardi Teknomo cho kết quả khá tốt, đường biên ít bị lỗi, khắc phục được nhược điểm về vòng lặp của phương pháp K- means truyền thống. Khối lượng tính toán của phương pháp này vẫn còn phức tạp vì phải tính means và variance cho 3 vùng trên khung hình.

3.3. Kết hợp K means với Robust Matting Coarse and Fine Filter

Phương pháp Chroma-key được thực hiện nhờ thuật toán K-means để phân tách 2 vùng riêng biệt tiền cảnh và hậu cảnh. Tuy nhiên một số vùng không thể phân tách bằng thuật toán K-mean được xem là vùng “chưa biết” (unknown). Tác giả đã đề nghị thêm một phương pháp gọi là Robust Matting để phân tách vùng “chưa biết” này. Phương pháp Chroma-key đề nghị bởi Zhenyi Luo cho kết quả rất tốt ở đường biên nhờ có giải thuật Robust Matting phân tách được vùng “chưa biết” mà giải thuật K- means không thể phân tách được. Tuy nhiên giải thuật Robust Matting dùng phép lặp để tối ưu đường phân tách nên có thời gian tính toán khá lâu, làm cho giải thuật chạy chậm, khó hiện thực cho hệ thống thời gian thực.

IV. Thiết Kế Kỹ Thuật Ghép Nền Video Picture in Picture Alpha Blending

Kỹ thuật ghép nền video là một phần quan trọng của thiết bị key, cho phép ghép nhiều kênh video khác nhau vào cùng một khung hình. Có nhiều kỹ thuật ghép nền video khác nhau, bao gồm Picture-in-Picture (PiP) và Alpha Blending. Kỹ thuật PiP cho phép hiển thị một kênh video nhỏ hơn trên một kênh video lớn hơn. Kỹ thuật Alpha Blending cho phép trộn hai kênh video với nhau bằng cách sử dụng một kênh alpha để điều khiển độ trong suốt của từng kênh. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu bắt đầu triển khai từng nội dung nghiên cứu. Nội dung nghiên cứu bắt đầu từ phân tích các giải thuật tách vùng, từ đó đề ra giải thuật phù hợp thiết kế phần cứng vi mạch cho hệ thống Chroma-key. Song song với nội dung này, các nghiên cứu về kỹ thuật hình trong hình (Picture-in-Picture), kỹ thuật ghép kênh Alpha (Alpha Compositing), các chuẩn giao tiếp video cũng được thực hiện để tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh thiết bị key.

4.1. Tìm Hiểu Kỹ Thuật Picture in Picture PiP Trong Thiết Bị Key

Kỹ thuật PiP cho phép hiển thị một kênh video nhỏ hơn trên một kênh video lớn hơn. Kỹ thuật này thường được sử dụng trong các chương trình tin tức để hiển thị hình ảnh của phóng viên đang đưa tin trực tiếp từ hiện trường. Nó cũng được sử dụng trong các trò chơi điện tử để hiển thị hình ảnh của người chơi trên màn hình. Để thực hiện kỹ thuật PiP, thiết bị key cần phải có khả năng thay đổi kích thước và vị trí của các kênh video, đồng thời đảm bảo rằng chất lượng hình ảnh của các kênh video không bị suy giảm.

4.2. Alpha Blending Điều Khiển Độ Trong Suốt Hòa Trộn Kênh

Kỹ thuật Alpha Blending cho phép trộn hai kênh video với nhau bằng cách sử dụng một kênh alpha để điều khiển độ trong suốt của từng kênh. Kỹ thuật này thường được sử dụng để tạo ra các hiệu ứng hình ảnh độc đáo và ấn tượng. Ví dụ, nó có thể được sử dụng để tạo ra hiệu ứng mờ dần, hoặc để ghép một hình ảnh lên trên một hình ảnh khác. Để thực hiện kỹ thuật Alpha Blending, thiết bị key cần phải có khả năng xử lý các kênh alpha và trộn các kênh video một cách chính xác.

V. Ứng Dụng FPGA Trong Thiết Kế Thiết Bị Key Tích Hợp Điều Khiển

Công nghệ FPGA (Field Programmable Gate Array) là một lựa chọn phổ biến cho việc thiết kế thiết bị key, vì nó cho phép tích hợp nhiều chức năng khác nhau vào cùng một chip. FPGA có thể được sử dụng để thực hiện các thuật toán tách nền, ghép hình và tạo hiệu ứng, đồng thời điều khiển các giao diện video và các thành phần phần cứng khác. Thiết kế có thể được phát triển tiếp thành ASIC để sản xuất hàng loạt. Trong hai hãng lớn chế tạo FPGA, Altera cung cấp những công cụ tiện dụng nhất với thư viện nhân IP hỗ trợ xử lý ảnh và video. Việc phát triển sản phẩm dựa trên kit phát triển ứng dụng sẽ rút ngắn được thời gian chế tạo, đồng thời giảm chi phí ban đầu. Tuy nhiên, khi sản xuất hàng loạt, chủ động trong việc chế tạo bo mạch sẽ giảm được giá thành của sản phẩm.

5.1. Lợi Ích Của FPGA Trong Xử Lý Video Thời Gian Thực

FPGA có nhiều lợi ích trong việc xử lý video thời gian thực. Nó cho phép thực hiện các thuật toán phức tạp với tốc độ cao, đồng thời có thể được cấu hình lại để đáp ứng các yêu cầu khác nhau. FPGA cũng có thể được sử dụng để tích hợp nhiều chức năng khác nhau vào cùng một chip, giúp giảm kích thước và chi phí của thiết bị key. Công nghệ FPGA là công nghệ chip khả trình. Công nghệ FPGA là công nghệ thiết kế vi mạch trên nền tảng chip FPGA một cách tiện lợi, kinh tế, và nhanh chóng đưa sản phẩm ra thị trường. FPGA là mảng các cổng logic lập trình được cho phép người sử dụng định cấu hình bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng HDL (Hardware Description Language), tương tự như việc mô tả thiết kế vi mạch ASIC.

5.2. Sử Dụng Hệ Thống SOPC Để Tích Hợp Phần Cứng Phần Mềm

Hệ thống SOPC (System On Programmable Chip) cho phép tích hợp bộ vi điều khiển, bộ nhớ, bộ xử lý tăng tốc và giao tiếp ngoại vi trên một chip FPGA. Điều này giúp giảm kích thước và chi phí của thiết bị key, đồng thời tăng tính linh hoạt và khả năng tùy biến. Các công cụ phần mềm cho công nghệ SOPC bao gồm: Quartus II: phần mềm thiết kế và tổng hợp phần cứng SOPC Builder: phần mềm tích hợp các nhân IP vào hệ thống trên chip Nios II Software Build: phần mềm hỗ trợ thiết kế và biên dịch phần mềm nhúng cho chip.

VI. Thử Nghiệm Thiết Bị Key Đánh Giá Chất Lượng Tính Ổn Định

Sau khi thiết kế và xây dựng thiết bị key, việc thử nghiệm và đánh giá chất lượng là rất quan trọng. Các thử nghiệm cần phải đánh giá độ phân giải, khả năng xử lý thời gian thực và tính ổn định của hệ thống. Ngoài ra, cần phải đánh giá chất lượng hình ảnh và âm thanh, cũng như khả năng tương thích với các thiết bị khác. Việc đánh giá chủ quan và khách quan cũng cần được kết hợp để đảm bảo rằng thiết bị key đáp ứng các yêu cầu của người dùng. Qua phần giới thiệu tổng quan về đề tài và lựa chọn công nghệ cho để thiết kế hệ thống thiết bị key, nhóm nghiên cứu bắt đầu triển khai từng nội dung nghiên cứu.

6.1. Các Tiêu Chí Đánh Giá Độ Phân Giải Khả Năng Xử Lý Thời Gian Thực

Độ phân giải là một trong những tiêu chí quan trọng nhất để đánh giá chất lượng của thiết bị key. Thiết bị cần phải có khả năng xử lý video với độ phân giải HD 1080P hoặc cao hơn. Khả năng xử lý thời gian thực cũng rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng đến trải nghiệm của người dùng. Thiết bị cần phải có khả năng xử lý video một cách mượt mà, không bị giật hoặc lag.

6.2. Phương Pháp Đánh Giá Chất Lượng Hình Ảnh Chủ Quan Khách Quan

Có nhiều phương pháp để đánh giá chất lượng hình ảnh, bao gồm cả phương pháp chủ quan và khách quan. Phương pháp chủ quan dựa trên việc đánh giá hình ảnh bằng mắt người, trong khi phương pháp khách quan sử dụng các công cụ và thuật toán để đo lường các thông số hình ảnh như độ sắc nét, độ tương phản và độ chính xác màu sắc. Cần phải kết hợp cả hai phương pháp để có được một đánh giá toàn diện về chất lượng hình ảnh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI. Giới thiệu về thiết bị key. Thiết kế thiết bị key. Mô tả hệ thống.

Lựa chọn công nghệ. 3 CHƯƠNG 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU. Nội dung 1: Nghiên cứu, phân tích và mô phỏng các giải thuật tách vùng. Phương pháp dùng ngưỡng của Thilina.

Phương pháp Chroma-key sử dụng giải thuật K-means truyền thống. Phương pháp Chroma-key dựa trên K-means cải tiến của Kardi Teknomo. Phương pháp Chroma-key dựa trên K-means kết hợp với robust matting. Hiệu ứng Chroma-key sử dụng bộ lọc Coarse and Fine Filter.

Nội dung 2: Cải tiến giải thuật tách phông xanh. Hệ màu sử dụng trong giải thuật. Giải thuật đề nghị. Thiết kế cấu trúc phần cứng cho giải thuật tách phông xanh.

Kết quả tổng hợp IP. Kết quả thực hiện. Nội dung 3: Nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật ghép nền video. Giới thiệu kỹ thuật ghép video.

Các thiết bị phần cứng cho bộ ghép video. Thiết kế cấu trúc khung cho bộ ghép video. Kết quả thực hiện. Nội dung 4: Thiết kế cấu trúc phần cứng cho bộ ghép video.

Mô tả tổng quát bộ ghép kênh Alpha (Alpha Blending). Thiết kế khối bộ Alpha Blending. Thiết kế khối con trong bộ Alpha Blending. Kết quả thực hiện.

Nội dung 5: Nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật dùng để tạo lớp chữ thông báo và tạo biểu tượng trên nền video. Giới thiệu kỹ thuật Overlay. Khảo sát các bộ Overlay trên thị trường. Nghiên cứu thiết kế kỹ thuật nền tảng tạo lớp chữ và biểu tượng trên nền video.

Nội dung 6: Thiết kế sơ đồ cấu trúc phần cứng cho kỹ thuật tạo lớp chữ thông báo và biểu tượng trên nền video. Kỹ thuật tạo lớp chữ thông báo. Kỹ thuật tạo biểu tượng. Nội dung 7: Nghiên cứu công nghệ giao tiếp kênh video theo giao thức S-Video, SDI, DVI 108 2.

Giao tiếp S-video. Giao tiếp DVI. Giao tiếp SDI – STMPE 274M. Nội dung 8: Thiết kế mạch điều khiển và trình driver cho giao tiếp kênh video.

Điều khiển giao tiếp video theo chuẩn DVI. Điều khiển giao tiếp video theo chuẩn S-Video. Nội dung 9: Nghiên cứu công nghệ FPGA để hiện thực giải thuật màn hình xanh và kỹ thuật tạo lớp chữ thông báo, biểu tượng trên nền video. Giới thiệu Cyclone III Video Processing Development Kit.

Ứng dụng Cyclone III Video Processing Development Kit cho hệ thống thiết bị key 142 IV 2. Nội dung 10: Tích hợp cấu trúc phần cứng cho tách phông xanh, ghép nền video và tạo lớp chữ, biểu tượng vào hệ thống FPGA. Tổng quan hệ thống. Hiện thực hệ thống trên kit FPGACyclone III Video Processing Development Kit 154 2.

Nội dung 11: Nghiên cứu thiết kế phần mềm nhúng để điều khiển hệ thống thiết bị key sử dụng giải thuật màn hình xanh và ghép video. Tìm hiểu phần mềm Nios IDE. Tìm hiểu cách cấu hình và điều khiển các IP trong hệ thống SOPC. Thiết kế phần mềm nhúng điều khiển hệ thống SOPC.

Nội dung 12: Xây dựng mô hình kiểm tra phần cứng cho cấu trúc tách phông xanh và ghép nền 174 2. Quy trình thực hiện kiểm tra. Tạo dữ liệu đầu vào. Mô phỏng cấu trúc phần cứng trên modelsim.

Hiển thị kết quả mô phỏng có được. So sánh, nhận xét với mô hình Matlab. Đánh giá chất lượng của giải thuật tách màn hình xanh. Nội dung 13: Xây dựng mô hình kiểm tra phần cứng cho kỹ thuật tạo lớp chữ và biểu tượng 193 2.

Xây dựng testbench. Kiểm tra hoạt động bằng phần mềm. Nội dung 14: Nghiên cứu hệ thống SOPC để tích hợp phần cứng và phần mềm vào chip FPGA 207 2. Tìm hiểu cơ bản hệ thống SOPC.

Cách thiết kế hệ thống và kết nối các IP xử lý tín hiệu video do Altera cung cấp. Cách tích hợp các IP được thiết kế vào hệ thống SOPC. Nội dung 15: Thử nghiệm và hoàn thiện tính ổn định, chất lượng của hệ thống thiết bị key 227 2. Kế hoạch thử nghiệm.

Đánh giá độ phân giải và xử lý thời gian thực và chức năng hệ thống. Đánh giá chất lượng hệ thống. 243 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Tóm tắt kết quả chung.

Nhận xét và thảo luận. 267 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ. 270 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 273 VI DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT VIẾT TẮT VIẾT ĐẦY ĐỦ GIẢI THÍCH HD High Definition Độ phân giải cao Application-Specific Integrated Vi mạch tích hợp dành cho ứng dụng ASIC Circuit chuyên biệt DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số FPGA Field Programmable Gate Array Thiết bị logic lập trình được SOPC System on Programmable Chip Hệ thống trên chip khả trình TI Texas Instruments Công ty Texas Instruments (Mỹ) AD Analog Devices Công ty Analog Devices (Mỹ) PiP Picture-in-Picture Kỹ thuật hình trong hình Bộ nhớ đệm có tính năng vào trước ra FIFO First In First Out trước IP Core Intellectual Property Core Lõi vi mạch sở hữu trí tuệ Avalon-ST Avalon Stream Chuẩn giao tiếp Avalon luồng Avalon-MM Avalon Memory Mapped Chuẩn giao tiếp Avalon ánh xạ bộ nhớ Subjective Video Quality SVQA Đánh giá chất lượng video theo chủ quan Assessment Objective Video Quality Đánh giá chất lượng video theo khách OVQA Assessment quan VII DANH SÁCH BẢNG Bảng 1: Phân biệt background blue và green.

25 Bảng 2: So sánh các giá trị khoảng cách. 27 Bảng 3: Tính toán 5 mức của giá trị gamma. 28 Bảng 4: Tính toán giá trị f và b trong ma trận 5x5. 30 Bảng 5: So sánh 2 khoảng cách từ unknown pixel đến foreground và background.

30 Bảng 6: Đánh giá chất lượng video theo trực quan. 41 Bảng 7: Thiết đặt các thông số cho IP Alpha Blending Mixer. 50 Bảng 8: Các thông số của khối Clipper [22]. 51 Bảng 9: Bảng tóm tắt đặc tính lõi IP TXT Overlay (nguồn www.

84 Bảng 10: Bảng tóm tắt đặc tính của lõi IP On-Screen của Xilinx. 85 Bảng 11 Chú thích sơ đồ chân tín hiệu. 109 Bảng 12: Các dạng khung hình trong chuẩn STMPE 274M. 122 Bảng 13: Các word trong gói đồng bộ.

123 Bảng 14: Bảng giá trị của word XYZ. 124 Bảng 15: Giá trị hệ số B. 126 Bảng 16: Các giá trị trong word CRC. Thông số thiết lập cho DVI 1080p60.

Một số vị trí chân của chip FPGA Cyclone III. Thông số thiết lập cho NSTC. 134 Bảng 20 Danh sách các thanh ghi của IP Alpha blending mixer. 168 Bảng 21: Danh sách các thanh ghi của IP Scaler.

169 Bảng 22: Danh sách các thanh ghi của IP Clipper. 170 Bảng 23: Các tín hiệu của master. 219 Bảng 24: Bảng tần số sử dụng của hệ thống. 236 Bảng 25: Bảng tính toán tốc độ dữ liệu của các kênh ngõ vào ra.

241 Bảng 26: Kết quả khảo sát chất lượng hệ thống. 246 Bảng 27: Thống kê kết quả nhận xét. 247 Bảng 28: Danh sách các IP sử dụng trong hệ thống. 259 Bảng 29: Các nội dung đã hoàn thành trong giai đoạn 1.

268 VIII IX DANH SÁCH HÌNH Hình 1: Ứng dụng của thiết bị key trong chương trình phỏng vấn trực tuyến. 1 Hình 2: Chương trình dự báo thời tiết của kênh VTC có sử dụng hiệu ứng ghép hình nền. 1 Hình 3: Bản tin HTVsử dụng thiết bị key để ghép dòng chữ thông báo và hình nền. 2 Hình 4: Hệ thống xử lý tín hiệu cho thiết bị key.

3 Hình 5: Vi mạch ASIC (nguồn: http://en.org/wiki/ASIC [4]). 4 Hình 6: (a) Vi xử lý DSP C66x của hãng Texas Instruments(nguồn www.com [5]) và (b) Vi xử lý DSP 21-xx của hãng Analog Devices (nguồn www. 4 Hình 7: (a) FPGA Cyclone V của hãng Altera (nguồn: www.com [7]) và (b) FPGA Virtex 6 của hãng Xilinx (nguồn www. 5 Hình 8: Công cụ thiết kế SOPC của Altera.

6 Hình 9: Kết quả thực hiện phương pháp Chroma-key của Thilina. 10 Hình 10: Lưu đồ thực hiện phương pháp Chroma-key sử dụng giải thuật K-means. 12 Hình 11: Kết quả thực hiện phương pháp Chroma-key dùng giải thuật K-means. 13 Hình 12: Lưu đồ phương pháp Chroma-key dựa trên K-means của Kardi Teknomo.

14 Hình 13: Kết quả phương pháp Chroma-key dựa trên K-means của Kardi Teknomo. 15 Hình 14: Lưu đồ giải thuật Robust Matting. 16 Hình 15: Lưu đồ Random Walk. 16 Hình 16: Kết quả thực nghiệm phương pháp Chroma-key đề nghị bởi Zhenyi Luo.

17 Hình 17: Lưu đồ giải thuật Coarse and Fine Filter. 18 Hình 18: Kết quả mô phỏng với Foreground 1. 19 Hình 19: Kết quả mô phỏng với Foreground 2. 20 Hình 20: Kết quả mô phỏng với Foreground 3.

21 Hình 21: Kết quả mô phỏng với Foreground 4. 22 Hình 22: Ví dụ về hình gốc cần xử lý của Chroma-Key. 24 Hình 23: Tương quan màu sắc và giá trị Cr, Cb. 25 Hình 24: Ví dụ về trimap.

26 Hình 25: Kết quả sau khi tính trimap. 29 Hình 26: Sơ đồ khối thiết kế phần cứng cho bộ tách phông xanh. 31 Hình 27: Cấu trúc của khối Chroma_key_IP. 32 X Hình 28: Sơ đồ khối chi tiết bộ Chrk_sink_24bit_fifo.

32 Hình 29: Sơ đồ khối chi tiết bộ Chrk_source_24b_fifo. 33 Hình 30: Cấu trúc pipeline của khối Chromakey_core. 34 Hình 31: Sơ đồ khối chi tiết khối Chromakey_core. 34 Hình 32: Sơ đồ tín hiệu vào ra của khối Chrk_data_request.

35 Hình 33: Sơ đồ khối chi tiết Chrk_data_request. 35 Hình 34: Sơ đồ tín hiệu vào ra của khối Chrk_key_selection. 36 Hình 35: Sơ đồ cấu trúc khối Chrk_key_selection. 36 Hình 36: Cấu trúc của khối Chrk_segmentation.

37 Hình 37: Cấu trúc của khối Unknown_Processing. 38 Hình 38: Flow Summary report, báo cáo về sử dụng tài nguyên FPGA của IP. 39 Hình 39: Tần số FMAX của IP, mô hình Slow 1200mV 85C. 39 Hình 40: Tần số FMAX của IP, mô hình Slow 1200mV 0C.

39 Hình 41:Kết quả thực hiện giải thuật Chroma-Key. 40 Hình 42: Minh họa ứng dụng duyệt kênh tivi. 42 Hình 43: Ứng dụng trong các chương trình truyền hình trực tiếp [http://vtv. 42 Hình 44: Minh họa giám sát các kênh tivi trong phim trường.

43 Hình 45: Minh họa ứng dụng PiP trong giám sát camera an ninh. 43 Hình 46: Minh họa các kiểu trộn kênh Alpha (Nguồn - wiki). 45 Hình 48:Sơ đồ tồng quát của Videocube (video mixer ip core) [19]. 45 Hình 49: Sản phẩm MVS-12 Multi-viewer & Matrix Switcher của Roland [20].

46 Hình 50:Chức năng Matrix Switcher của MVS-12 [20]. 46 Hình 51:Chức năng Multi-View của MVS-12 [20]. 47 Hình 52:Chức năng điều khiển của MVS-12 [20]. 47 Hình 53:IQ-Video của Mikroprojekt [21].