Chương 1. Tổng quan về nén Video – Trình bày về sự cần thiết phải nén video và các lý thuyết về các chuẩn nén Video hiện đại. Video streaming – Trình bày các khái niệm về video streaming, các giao thức truyền dữ liệu thời gian thực. Đây là các cơ sở cho việc xây dựng ứng dụng truyền dữ liệu video trong các ứng dụng và dịch vụ trên mạng.
Xây dựng chương trình ứng dụng – Giới thiệu về các công nghệ thiết bị PDA, giao thức chuẩn H.323 và xây dựng kiến trúc chƣơng trình thử nghiệm. - Kết luận - Cho biết những kết quả, hạn chế và hƣớng phát triển của luận văn.10 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.10 10 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NÉN VIDEO 1.1 Giới thiệu về nén Video 1.1 Giới thiệu Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin nhƣ hiện nay, đặc biệt là khả năng kết nối mạng internet (qua mạng có dây và không dây) với băng thông ngày càng nâng cao. Bên cạnh đó, nhu cầu sử dụng các dịch vụ và ứng dụng âm thanh, hình ảnh và video ngày càng nhiều, điều này nói lên đƣợc tầm quan trọng của việc tối ƣu hóa chất lƣợng dữ liệu đa phƣơng tiện khi đƣợc truyền đi trên mạng, trong đó nén dữ liệu video là một trong những việc làm hết sức cần thiết. Việc nén dữ liệu video đem lại hai ƣu điểm sau: - Nâng cao khả năng sử dụng video số hóa trong các môi trƣờng trao đổi và lƣu trữ.
Ví dụ, với tốc độ đƣờng truyền internet nhƣ hiện nay vẫn không đủ để hỗ trợ thực hiện dữ liệu video không nén theo thời gian thực (thậm chí trong cả tƣờng hợp video ở tốc độ và kích thƣớc khung hình thấp) trong khi đó một đĩa DVD chỉ có thể lƣu đƣợc một đoạn video có độ dài vài giây với chất lƣợng hình ảnh và độ phân giải của Tivi. - Nâng cao hiệu quả sử dụng các tài nguyên lƣu trữ và truyền video. Nếu có một kênh truyền tốc độ cao, chúng ta có thể thực hiện truyền video nén với độ phân giải và chất lƣợng cao hoặc có thể truyền trên nhiều kênh thay vì đơn kênh. Với các ƣu điểm trong lƣu trữ và truyền dữ liệu, nén dữ liệu video đƣợc coi là một thành phần quan trọng trong hầu hết tất các các ứng dụng và dịch vụ đa phƣơng tiện hiện nay và trong những năm tiếp theo.10 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.10 11 Hình 1-1: Khung hình Video (ví dụ về các vùng đồng nhất) Hình 1-2: Khung hình Video (nền đã đƣợc lọc –filter) (LUAN.10 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.10 12 Hình 1-3: Khung hình Video 2 Một tín hiệu mang thông tin có thể đƣợc nén bằng cách bỏ đi các bit dƣ thừa.
Trong một hệ thống nén không mất dữ liệu, các bit dƣ thừa thống kê sẽ bị loại bỏ do đó tín hiệu ban đầu có thể đƣợc khôi phục lại một cách hoàn hảo tại điểm nhận. Tuy nhiên, tại thời điểm hiện nay, hầu hết các phƣơng thức nén không mất dữ liệu hình ảnh và video chỉ đạt kết quả vừa phải, không có khả năng khôi phục 100% so với tín hiệu ban đầu. Hầu hết các kỹ thuật nén video đƣợc sử dụng hiện nay đều dựa trên nguyên tắc mất dữ liệu khi nén. Mục đích của các thuật toán nén video là nâng cao hiệu năng nén trong khi mong muốn giảm thiểu sự méo và giảm chất lƣợng trong quá trình nén.
Các thuật toán nén thực hiện loại bỏ phần dƣ thừa trong các vùng dữ liệu theo thời gian, không gian và/hoặc tần suất xuất hiện. Hình 1-1 thể hiện ví dụ về một khung video đơn. Với các vùng đƣợc khoanh, ít có sự biến đổi về nội dung hình ảnh và do đó đây là sự dƣ thừa về mặt không gian của dữ liệu. Hình 1-2 thể hiện cùng khung hình sau khi vùng ảnh nền đã đƣợc lọc (làm mịn), loại bỏ một số nội dung với tần suất xuất hiện cao.
Hệ thần kinh và mắt ngƣời rất nhạy cảm đối với các nội dung có tần suất xuất hiện thấp hơn và do đó hình ảnh vẫn có thể đƣợc nhận biết trong khi một số nhiều thông tin đã đƣợc loại bỏ [6]. Hình 1-3 thể hiện khung hình tiếp theo trong đoạn video. Hình ảnh minh họa này đƣợc lấy từ một (LUAN.10 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.10 13 nguồn máy quay camera với tỷ lệ 25 khung hình/giây và do đó có rất ít thay đổi giữa hai khung hình trong một khoảng thời gian 1/25 giây. Điều này cho thấy rất rõ ràng về sự dƣ thừa của dữ liệu.
Bằng cách loại bỏ các dữ liệu dƣ thừa (nhƣ dữ liệu không gian, tần suất xuất hiện và/hoặc thời gian), chúng ta có thể nén dữ liệu một cách đáng kể. Hơn nữa còn có thể nén video bằng cách mã hóa dữ liệu bằng lƣợc đồ mã entropy nhƣ mã Huffman hoặc mã số học. Nén hình ảnh và video đã trở thành một vấn đề nóng bỏng trong các nghiên cứu và phát triển trong vòng hai mƣơi năm nay và cũng đã có rất nhiều các thuật toán và hệ thống khác nhau đƣợc xây dựng để thực hiện điều này. Một vấn đề đƣợc đặt ra là làm thế nào có thể thống nhất đƣợc cách thức nén/giải nén, nâng cao khả năng sử dụng các sản phẩm từ nhiều nhà sản xuất khác nhau cũng nhƣ giao tiếp, trao đổi với nhau một cách hiệu quả.
Các tiêu chuẩn quốc tế cho nén hình ảnh và video đã đƣợc ra đời nhƣ JPEG, MPEG và các chuẩn H.2 Tại sao lại phải nén Video Do dữ liệu video đƣợc ghi trên các phƣơng tiện lƣu trữ nhƣ đĩa CD và DVD hoặc truyền trên mạng, kích thƣớc của dữ liệu video số hóa là một vấn đề quan trọng trong công nghệ đa phƣơng tiện. Mặt khác, do sự đòi hỏi băng thông lớn của các tín hiệu video thô (raw video), các ứng dụng video khi chạy sẽ chiếm rất nhiều tài nguyên về băng thông nếu các khung hình video đƣợc truyền ở dạng không nén. Ví dụ, giả sử rằng một khung hình video đƣợc biểu diễn trọng một lƣới rời rạc các điểm ảnh với độ phân giải 176 điểm ảnh trên một dòng và 144 dòng trên một hình. Nếu màu của hình ảnh đƣợc biểu diễn bởi hai khung màu, và mỗi khung có độ phân giải một nửa của hình ảnh chói thì mỗi khung video sẽ cần xấp xỉ 38 kbyte để biểu diễn nội dung của nó trong khi mỗi thành phần màu và độ chói đƣợc biểu diễn bởi 8-bit.
Nếu các khung video đƣợc truyền ở dạng không nén với tỷ lệ 25 khung hình / giây thì tốc độ dữ liệu thô cho một cảnh video sẽ vào khoảng 7.6 Mbit/giây và một đoạn video có độ dài một phút sẽ yêu cầu băng thông là 57 Mbyte. Đối với một định dạng video CIF ở độ phân giải 352x288 điểm ảnh, với 8-bit đối với mỗi thành phần (LUAN.10 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.10 14 màu hoặc độ chói và độ phân giải một nửa thì mỗi hình ảnh sẽ cần 152 kbyte bộ nhớ để biểu diễn nội dung số hóa. Với cùng tỷ lệ hình ảnh nhƣ trên, tốc độ dữ liệu video thô cho một cảnh vào khoảng 30 Mbit/s và một đoạn phim có độ dài một phút sẽ yêu cầu băng thông khoảng 225 Mbyte. Do đó, dữ liệu video số hóa cần phải đƣợc nén trƣớc khi truyền để bảo đảm yêu cầu băng thông tối thiều của các dịch vụ hoặc ứng dụng đa phƣơng tiện [1].3 Nén Video Nén là một quá trình “cô đọng” dữ liệu thành dữ liệu mới có tổng số bit nhỏ hơn.
Nén video (mã hóa video) là một quá trình “cô đọng” một cảnh video số hóa với số lƣợng bit nhỏ hơn. Video số hóa “thô” hay không nén thông thƣờng yêu cầu một tỷ lệ bit lớn (khoảng 216 Mbits cho một giây video không nén với chất lƣợng TV) và do đó nén dữ liệu là cần thiết cho việc lƣu trữ và truyền tín hiệu video. Nén dữ liệu đòi hỏi có hai hệ thống, bộ nén (bộ mã hóa) và bộ giải nén (bộ giải mã). Bộ mã hóa chuyển đổi dữ liệu nguồn thành một mẫu nén (giảm bớt số lƣợng bit) ƣu tiên cho việc truyền hoặc lƣu trữ và bộ giải mã có nhiệm vụ chuyển đổi từ mẫu nén về dạng biểu diễn ban đầu của dữ liệu video.
Cặp bộ mã hóa/giải mã thông thƣờng đƣợc mô tả nhƣ một CODEC (enCOder/ DECoder) (Hình 1-4). Hình 1-4: Bộ mã hóa / Giải mã (CODEC) Hầu hết các phƣơng thức mã hóa đều sử dụng cả dữ liệu không gian và thời gian dƣ thừa trong khi mã hóa. Trong một vùng thời gian, thƣờng có độ tƣơng quan cao (giống nhau) giữa các khung video đƣợc chụp gần nhƣ trong cùng một thời điểm. Các khung liền kề nhau về mặt thời gian thƣờng có độ tƣơng quan cao, đặc biệt nếu tốc độ mẫu theo thời gian (tỷ lệ khung hình trên giây) lớn.
Trong một vùng theo không gian, thông thƣờng có độ tƣơng quan cao giữa các điểm ảnh (các mẫu) ở gần (LUAN.10 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. giá trị của các mẫu liền kề nhau thông thƣờng rất giống nhau (Hình 1- 5) Hình 1-5: Tƣơng quan không gian và thời gian trong một đoạn video 1.2 Các chuẩn nén Video hiện đại 1.1 MPEG 1 MPEG-1 định nghĩa một nhóm các mã âm thanh - hình ảnh (AV – Audio và Video) và các chuẩn nén đƣợc công nhận bởi MPEG (Nhóm chuyên gia hình ảnh động - Moving Picture Experts Group) [20]. MPEG-1 video thƣờng đƣợc dùng cho định dạng Video CD (VCD). Độ phân giải và tốc độ bit của chuẩn VCD bằng xấp xỉ so với băng từ VHS.
Âm thanh MPEG-1 Lớp 3 là tên đầy đủ của định dạng âm thanh rất phổ biến MP3 (MPEG-1 audio layer 3). Ngày nay, với sự phát triển nhanh của công nghệ phần cứng của các thiết bị mã hóa, ngày càng có nhiều định dạng âm thanh tiên tiến đƣợc phát triển nhƣ MPEG-2 và MPEG-4. Các định dạng mới này (LUAN.10 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.10 16 ngày càng phức tạp và yêu cầu các thiết bị phần cứng cao hơn, tuy nhiên chúng tỏ ra rất hiệu quả về mặt chất lƣợng. MPEG-1 bao gồm một số thành phần nhƣ sau: 1.
Phần 1: Đồng bộ và trộn video - âm thanh 2. Phần 2: Codec nén cho các tín hiệu video không kết hợp. Phần 3: Codec nén cho mã hóa tín hiệu âm thanh. Chuẩn định nghĩa mã hóa âm thanh MPEG ở ba mức một cách phức tạp: a.
MP1 hoặc MPEG-1 Phần 3 Lớp 1 (MPEG-1 Audio Layer 1) b. MP2 hoặc MPEG-1 Phần 3 Lớp 2 (MPEG-1 Audio Layer 2) c. MP3 hoặc MPEG-1 Phần 3 Lớp 3 (MPEG-1 Audio Layer 3) 4. Phần 4: Các thủ tục kiểm thử.
Phần 5: Phần mềm tham chiếu.