Luận Văn Chuẩn nén H.264 và ứng dụng trong mô hình IPTV

Lời nói đầu
Truyền hình Việt Nam đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ truyền hình đen trắng, truyền hình màu và hiện nay truyền hình số đang phát triển mạnh mẽ trên tất cả mọi lĩnh vực như truyền hình cáp, truyền hình số mặt đất DVB-T, truyền hình số qua vệ tinh DVB-S. Với sự phát triển nhanh chóng của mạng Internet băng rộng, bằng việc kết nối các chương trình truyền hình với hệ thống mạng Internet, một công nghệ truyền hình số mới ra đời đó là truyền hình qua giao thức Internet – IPTV.
Trong việc truyền tải các chương trình truyền hình qua mạng Internet, yêu cầu về băng thông và dung lượng là rất quan trọng. Với mỗi công nghệ truyền hình mới ra đời sẽ có một công nghệ nén video phù hợp. Chuẩn mã hóa H.264 là một chuẩn tiên tiến ra đời chính thức vào năm 2003, nó tạo ra sự đột phá, cho phép nén video một cách tốt hơn, đồng thời cải thiện được chất lượng so với các chuẩn trước đó.
Với các kiến thức cơ bản tiếp thu được trong quá trình học tập cùng với sự định hướng, giúp đỡ của thầy giáo Thái Vĩnh Hiển, em đã chọn đề tài "Chuẩn nén H.264 và ứng dụng trong mô hình IPTV”.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã dạy dỗ, chỉ bảo em trong quá trình học tập tại trường. Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Thái Vĩnh Hiển đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện đồ án này.
Với thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên đồ án không tránh khỏi còn tồn tại nhiều thiếu sót, vì vậy em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp của các thầy cô và các bạn.

Tóm tắt đồ án
Dữ liệu Video là những dữ liệu có dung lượng rất lớn. Có rất nhiều các chuẩn mã hóa, nén dữ liệu video đã được đưa ra nhằm giảm dung lượng video mà vẫn đảm bảo chất lượng. H.264 là một chuẩn mã hóa video tiên tiến cho tỉ số nén cao mà chất lượng vẫn đảm bảo. Đồ án đi vào nghiên cứu, tìm hiểu chuẩn H.264 và ứng dụng của nó trong mô hình IPTV.
Nội dung cơ bản của đồ án gồm 4 chương như sau:
Chương 1: Cơ bản về nén tín hiệu video số
Chương 1 trình bày những kiến thức cơ bản về nén Video số như khái niệm, đặc điểm, phương pháp nén và giới thiệu một chuẩn nén rất điển hình là MPEG.
Chương 2: Chuẩn mã hóa Video H.264
Chương này đi vào chi tiết chuẩn mã hóa H.264 như: cấu trúc bộ Codec H.264 (bộ mã hóa và giải mã hóa), cấu trúc dữ liệu trong H.264, các profile của H.264 và một số kỹ thuật trong H.264.
Chương 3: H.264 trong mô hình IPTV
H.264 có tỉ lệ nén rất cao nên nó được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực. Nhờ có sự ra đời của H.264 mà IPTV trở nên hiệu quả và thực tế hơn. Chương này thể hiện chuẩn H.264 được ứng dụng trong mô hình IPTV và cho chúng ta biết về các lớp trong mô hình IPTV.
Chương 4: Mô phỏng, đánh giá quá trình nén.
Qua quá trình nghiên cứu chuẩn H.264, chương này xây dựng mô hình mã hóa một file video thô YUV theo chuẩn H.264 bằng bộ codec x264. Từ đó đưa ra những đánh giá thông qua việc tính toán tỉ số tín hiệu đỉnh trên nhiễu PSNR, tỉ số nén, đánh giá mối quan hệ giữa tốc độ bit đầu ra với những tham số điều khiển tốc độ.
Abstract
Video data uses a huge amount of bits. There are many kinds of coding standards which have been used for the purpose of both reducing the bits consumption and ensuring the quality of video data. Among these coding standards, H.264 is the latest one which satisfies them all. H.264 offers a high compress ratio while ensuring the quality of data. This thesis aims to focus on the H.264 video coding standard and its application on IPTV model.
The thesis consists of four chapters
Chapter 1: Video coding fundamentals
Chapter one presents the basic knowledge of video data compression including the definition, its characteristics, source coding standard and the introduction of typical coding standard MPEG.
Chapter 2: The video coding standard H.264
This chapter targets to discuss in more details about the video coding standard H.264 such as the structure of Codec H.264 (coder and decoder), data structure of H.264,
Chapter 3: The application of video coding standard H.264 on IPTV model
H.264 owns a high compress ratio. This is the reason why it has been used in many fields. Due to the introduction of H.264, IPTV is becoming more and more effective and reality. This chapter shows the application of H.264 on IPTV model and presents the slices of IPTV model as well.
Chapter 4: Simulator and evaluation
After researching the H.264, chapter four describes the process of coding a raw video file YUV by applying the H.264 standard using the codec x264. Then, it comes to the evaluation through the measure of PSNR, compress ratio and evaluating the relationship between the output bitrate and the rate control parameters.

Mục lục
Lời nói đầu 1
Tóm tắt đồ án 2
Chương 1. Cơ bản về nén tín hiệu video số 4
1.1 Khái niệm kỹ thuật nén video số 4
1.1.1 Định dạng tín hiệu video số 4
1.1.2 Kĩ thuật nén tín hiệu video số 7
1.2 Các đặc điểm của nén tín hiệu video số 7
1.2.1 Độ dư thừa và entropy của tín hiệu video 7
1.2.2 Đặc điểm tâm sinh lý của mắt người 8
1.2.3 Hiệu quả của quá trình nén 9
1.2.4 Sai lệch bình phương trung bình 10
1.3 Phân loại kĩ thuật nén tín hiệu video số 11
1.3.1 Nén không tổn hao 11
1.3.2 Nén có tổn hao 12
1.4 Tiêu chuẩn MPEG 13
1.4.1 Cấu trúc ảnh 13
1.4.2 Nhóm ảnh (GOP) 15
1.4.3 Cấu trúc dòng bit MPEG Video 15
1.5 Tiêu chuẩn nén MPEG-2 17
1.5.1 Đặc tính và định mức (profile and level) 17
1.5.2 MPEG-2 4:2:2P@ML 19
Chương 2. Chuẩn mã hóa video H.264 21
2.1 Giới thiệu chung 21
2.2 Bộ Codec H.264 21
2.2.1 Bộ mã hóa (Encoder) 22
2.2.2 Bộ giải mã (Decoder) 23
2.3 Cấu trúc bộ mã hóa dữ liệu 24
2.3.1 Định dạng video (Video Format) 24
2.3.2 Định dạng dữ liệu mã hóa 24
2.3.3 Mảng (Slice) 25
2.3.4 Macroblock 27
2.3.5 Ảnh tham chiếu (Reference Picture) 28
2.3.6 Profile 28
2.4 Một số kỹ thuật trong H.264 31
2.4.1 Dự đoán nội khung (Intra Prediction) 31
2.4.2 Dự đoán liên khung (Inter Prediction) 33
2.4.3 Chuyển đổi (Transform) và lượng tử. 38
2.4.4 Mã hóa entropy 40
2.4.5 Bộ lọc Deblocking 41
2.4.6 Điều khiển tốc độ trong H.264 (Rate Control) 41
2.5 Các đặc điểm nổi bật trong thiết kế của H.264 43
Chương 3. H.264 trong mô hình IPTV 47
3.1 Tìm hiểu về IPTV 47
3.1.1 Giới thiệu về IPTV 47
3.1.2 Một số đặc điểm IPTV: 47
3.1.3 Sự khác biệt giữa IPTV và truyền hình Internet : 48
3.1.4 Cơ sở hạ tầng một mạng IPTV 50
3.1.5 Việc lựa chọn mô hình IP trong truyền hình số. 51
3.2 Ứng dụng chuẩn nén H.264 trong mô hình IPTV 52
3.2.1 Lớp mã hóa video 53
3.2.2 Lớp đóng gói Video 54
3.2.3 Lớp cấu trúc dòng truyền tải 58
3.2.4 Lớp giao thức truyền tải thời gian thực (tùy chọn) 61
3.2.5 Lớp truyền tải 65
3.2.6 Lớp IP 73
3.2.7 Lớp liên kết dữ liệu 80
3.2.8 Lớp vật lí 82
Chương 4. Mô phỏng đánh giá quá trình nén 85
4.1 Thử nghiệm 1: Đánh giá quá trình mã hóa và giải mã thông qua tỷ số tín hiệu đỉnh trên nhiễu PSNR 85
4.1.1 Khái niệm về PSNR 85
4.1.2 Đo PSNR của quá trình mã hóa và giải mã 86
4.2 Thử nghiệm 2: Mối quan hệ giữa tốc độ bit đầu ra và các tham số điều khiển tốc độ 88
Kết luận 92
Danh sách hình vẽ 93
Danh sách bảng 95
Thuật ngữ viết tắt 96
Tài liệu tham khảo 98