Luận Văn Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn (+ program)

MỤC LỤC

LỜI GIỚI THIỆU 6
CÁC THUẬT NGỮ TIẾNG ANH 8
LỜI MỞ ĐẦU 10
CHƯƠNG I. CƠ SỞ VỀ NÉN TÍN HIỆU VIDEO 11
I.1 SỰ CẦN THIẾT CỦA NÉN TÍN HIỆU. 11
I.2 QUÁ TRÌNH SỐ HÓA TÍN HIỆU 12
I.2.1 LẤY MẪU 12
I.2.2 LƯỢNG TỬ HÓA. 12
I.2.3 MÃ HÓA 13
I.3 TỐC ĐỘ BIT VÀ THÔNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TÍN HIỆU SỐ 14
I.3.1 TỐC ĐỘ BÍT 14
I.3.2 THÔNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 14
I.4 QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU MÀU 14
I.5 CÁC TIÊU CHUẨN LẤY MẪU TÍN HIỆU VIDEO SỐ 16
I.6 MÔ HÌNH NÉN TÍN HIỆU VIDEO 17
I.6.1 NÉN TÍN HIỆU VIDEO 17
I.6.2 LƯỢNG TIN TRUNG BÌNH (ENTROPY). 18
CHƯƠNG II. CÁC KỸ THUẬT NÉN VIDEO 21
II.1 PHÂN LOẠI CÁC KỸ THUẬT NÉN 21
II.2 QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI. 21
II.2.1 ĐIỀU XUNG MÃ VI SAI DPCM . 22
II.2.2 MÃ HÓA BIẾN ĐỔI. 22
II.2.2.1 Biến đổi cosin rời rạc DCT 22
II.2.2.2 Biến đổi Hadamard. 23
II.3 QUÁ TRÌNH LƯỢNG TỬ 24
II.3.1 LƯỢNG TỬ HÓA VÔ HƯỚNG 24
II.3.2 LƯỢNG TỬ HÓA VECTOR 25
II.4 QUÁ TRÌNH MÃ HÓA 25
II.4.1 MÃ HÓA ĐỘ DÀI THAY ĐỔI. 25
II.4.1.1 Mã hóa Huffman. 26
II.4.1.2 Mã hoá mức dọc chiều dài RLC 26
II.4.2 MÃ HÓA SỐ HỌC 27
II.5 TIÊU CHUẨN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ẢNH NÉN 30
CHƯƠNG III. CÁC CHUẨN NÉN THUỘC HỌ MPEG TRƯỚC MPEG-4 H.264/AVC 31
III.1 GIỚI THIỆU VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA KỸ THUẬT MPEG 31
III.2 CÁC TIÊU CHUẨN NÉN TRƯỚC MPEG-4 H.264/AVC 31
III.2.1 TIÊU CHUẨN MPEG-1. 31
III.2.1.1 Các đặc điểm của tiêu chuẩn MPEG-1. 32
III.2.1.2 Cấu trúc dòng bit của MPEG-1. 33
III.2.2 TIÊU CHUẨN MPEG-2. 34
III.2.2.1 Các đặc điểm của tiêu chuẩn MPEG-2. 34
III.2.2.2 Sự khác nhau chính giữa MPEG-1 và MPEG-2. 35
III.2.3 TIÊU CHUẨN MPEG-4. 36
III.2.4 SO SÁNH ĐẶC ĐIỂM NỔI BẬT CỦA CÁC CHUẨN NÉN 37
CHƯƠNG IV. CHUẨN NÉN MPEG-4 H.264/AVC 38
IV.1 TỔNG QUAN VỀ CHUẨN NÉN MPEG-4 H.264/AVC 38
IV.1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MPEG-4 H.264/AVC 38
IV.1.2 CÁC PROFLIES VÀ LEVELS TRONG H.264/AVC 39
IV.1.2.1 CÁC PROFILES. 39
IV.1.2.2 CÁC LEVELS. 40
IV.2 NHỮNG ĐẶC TÍNH NỔI BẬT CỦA CHUẨN NÉN H.264/AVC 41
IV.3 KỸ THUẬT NÉN VIDEO H.264/AVC 44
IV.3.1 GIẢI THÍCH NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN 44
IV.3.1.1 Sơ đồ mã hóa. 44
IV.3.1.2 Sơ đồ giải mã. 45
IV.3.2 KHỐI NÉN THỜI GIAN 46
IV.3.2.1 Dự đoán một chiều (mã hóa ảnh Prediction). 46
IV.3.2.2 Dự đoán hai chiều( mã hóa ảnh Bidiriectional Prediction). 47
IV.3.2.3 Dự đoán liên ảnh (Inter-Frame). 51
IV.3.2.4 Mã hóa ảnh SP (switching P) và SI (switching I). 53
IV.3.3 KHỐI NÉN KHÔNG GIAN 54
IV.3.3.1 Chia ảnh thành các MacroBlock. 55
IV.3.3.2 Dự đoán trong ảnh (Intra-frame). 56
IV.3.3.3 Dự đoán trọng số: 62
IV.3.3.4 Kỹ thuật tiên đoán bù chuyển động và ước lượng chuyển động. 63
IV.3.3.5 Phép biến đổi nguyên ICT (Integer Discrete Cosin Transform). 71
IV.3.3.6 Quá trình lượng tử. 75
IV.3.3.7 Quá trình giải lượng tử: 77
IV.3.3.8 Quét Zig-Zag. 78
IV.3.3.9 Mã hóa xen kẽ. 80
IV.3.3.10 Sắp xếp thứ tự Slice. 80
IV.3.4 MÃ HÓA ENTROPY 81
IV.3.4.1 Mã hóa Entropy Exp-Golomb. 82
IV.3.4.2 Mã hóa độ dài biến đổi thích nghi nội dung CAVLC 84
IV.3.4.3 Mã hóa số học nhị phân thích nghi nội dung CABAC 87
IV.3.5 BỘ LỌC TÁCH KHỐI TRONG VÒNG 89
IV.3.5.1 Nguyên tắc của lọc tách khối 90
IV.3.5.2 Quá trình lọc khối 91
IV.3.6 CẤU TRÚC VÀ CÚ PHÁP CHUẨN H.264/AVC. 94
IV.3.6.1 Lớp trừu tượng mạng NAL 95
IV.3.6.2 Lớp mã hóa video VCL (Video Coding Layer). 96
IV.3.6.3 Kỹ thuật FMO và Data Partitioned Slices. 96
IV.3.6.4 Kỹ thuật Arbitrary Slice Ordering. 96
IV.3.6.5 Cấu trúc dòng bit H.264/AVC 97
CHƯƠNG V. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CHUẨN H.264/AVC 99
V.1 TRUYỀN HÌNH INTERNET IPTV 99
V.2 TRUYỀN HÌNH VỆ TINH DVB-S2. 100
V.3 TRUYỀN HÌNH DI DỘNG 100
CHƯƠNG VI. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH NÉN-GIẢI NÉN CỦA H.264/AVC BẰNG MATLAB 103
VI.1 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 103
VI.2 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG: 103
VI.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 104
PHỤ LỤC 106
TÀI LIỆU THAM KHẢO 113















LỜI GIỚI THIỆU
[TABLE="align: left"]
[TR]
[TD]H
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
iện nay, chúng ta đang sống trong một kỷ nguyên mới “Kỷ nguyên truyền thông đa phương tiện” các thiết bị mới, các kỹ thuật mới lần lượt ra đời nhằm mục đích đáp ứng nhu cầu giải trí cho con người ngày một tốt hơn. Các ứng dụng đa phương tiện thời gian thực truyền trên mạng di động, mạng Internet, mạng truyền hình ngày càng phát triển rầm rộ, các nhà sản xuất thiết bị chú trọng áp dụng các công nghệ nén tiên tiến vào thiết bị của mình nhằm thõa mãn nhu cầu “chất lượng trung thực về âm thanh, hình ảnh” của con người cũng như khả năng đáp ứng yêu cầu thực tế của công nghệ. Thế nhưng không phải nhu cầu nào của chúng ta đều có thể được đáp ứng một cách thuận lợi, vì sự gắn liền giữa độ phức tạp, tốn kém chi phí đầu tư cơ sở hạ tầng, thiết bị đầu cuối , luôn đi kèm với công nghệ cao. Bên cạnh đó vấn đề truyền thông nội dung đa phương tiện hiện nay đang gặp một số khó khăn: băng thông đường truyền, nhiễu kênh, giới hạn của pin cho các ứng dụng . Trong khi băng thông kênh truyền phải chờ đợi một công nghệ mới của tương lai mới có thể cải thiện, còn việc cải thiện giới hạn của pin dường như không đáp ứng được sự phát triển của các dịch vụ trong tương lai, thì phương pháp giảm kích thước dữ liệu bằng các kỹ thuật nén là một cách giải quyết hiệu quả các khó khăn trên.
Cho đến nay có rất nhiều kỹ thuật nén dữ liệu đa phương tiện như: chuẩn JPEG, chuẩn JPEG2000 và chuẩn MPEG tuy nhiên hiệu quả nén của các tiêu chuẩn này cũng chưa được cao, và vẫn chưa đáp ứng tốt yêu cầu của truyền hình HDTV cũng như việc lưu trữ dung lượng còn rất lớn. Gần đây nhất là sự thành công của tiêu chuẩn mã hóa MPEG-2 được đánh dấu nổi bật từ những lần phóng thương mại đầu tiên các hệ thống vệ tinh DTH vào giữa những năm 1990 và thành công của chuẩn nén MPEG-4 Part 2 trong ứng dụng truyền hình số, các ứng dụng đồ họa Nhưng với yêu cầu bộ mã hóa có thể tương thích với các ứng dụng tốc độ bit thấp, thì nó không đáp ứng hiệu quả. Từ việc nghiên cứu khắc phục nhược điểm của MPEG-2, phát triển bổ sung cho MPEG-4 Part 2 để cho ra đời những chuẩn nén tiên tiến hơn, mà nổi bật là MPEG-4 H.264/AVC. Nó là sự kết hợp hoàn hảo giữa 2 tổ chức nổi tiếng: nhóm chuyên gia mã hóa video của tổ chức ITU và nhóm chuyên gia xử lý ảnh động ISO/IEC. Ta thử xét một ví dụ minh họa trong truyền hình số, nếu sử dụng kỹ thuật nén MPEG-2 cung cấp định dạng SDTV với độ phân giải 640x480 pixel thì cần băng thông 4.3Mbps trên một kênh truyền còn đối với HDTV thì cần 19Mbps, nhưng nếu sử dụng chuẩn nén H.264 thì băng thông cho truyền hình SDTV chỉ có 1.5 – 2 Mbps hoặc 6-9 Mbps đối với HDTV. Chính vì những ưu điểm đó mà MPEG-4 H.264/AVC đã dần dần chứng tỏ vị thế số 1 của mình, những ưu việt mà chuẩn nén này mang lại chắc chắn sẽ có ảnh hưởng tích cực đến thị trường phim ảnh, cũng như ngành công nghiệp chế tạo thiết bị đầu cuối. Để có thể hiểu biết hơn về tiêu chuẩn nén tiên tiến này, em đã chọn đề tài “Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn” làm đề tài tốt nghiệp của mình. Sau hơn 3 tháng nỗ lực hết mình, về cơ bản Đồ án cũng đã cho ta cái nhìn tổng quát về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC, đồng thời với sự minh họa bằng chương trình Matlab 7.01, cũng giúp cho ta hiểu rõ hơn những ưu điểm của chuẩn nén này, tuy nhiên do có sự hạn chế về kinh nghiệm, thời gian, nên sẽ không tránh khỏi sai sót, kính mong Quý Thầy Cô, bạn bè, đồng nghiệp tham khảo đóng góp ý kiến.
Em xin chân thành cảm ơn TS. Trần Dũng Trình đã bỏ ra chút thời gian quý báu, hướng dẫn tận tình và cung cấp tài liệu bổ ích trong quá trình làm Đồ án. Đồng thời cũng xin cảm ơn Quý Thầy Cô Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh, đã tận tình dạy dỗ, truyền thụ kiến thức và kinh nghiệm cho em trong suốt hơn bốn năm qua, cảm ơn các bạn bè đã quan tâm, chia xẻ, đóng góp ý kiến.

Kính chuùc Quyù Thaày Coâ vaø baïn beû ñöôïc nhieàu söùc khoûe.