Luận văn Thạc sĩ Khoa học máy tính: Cách nén video trong hệ thống hội nghị truyền hình ứng dụng trong việc họp giao ban trực tuyến, tập huấn, đào tạo cán bộ trong ngành giáo dục tỉnh Quảng Ninh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:89

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung chính của luận văn gồm có 3 chương: Chương I - Khái quát về hội nghị truyền hình và bài toán nén video. Chương II - Kỹ thuật nén và giải nén mpeg 4 H.264/AVC. Chương III - Chương trình thử nghiệm. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học máy tính: Cách nén video trong hệ thống hội nghị truyền hình ứng dụng trong việc họp giao ban trực tuyến, tập huấn, đào tạo cán bộ trong ngành giáo dục tỉnh Quảng Ninh

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VŨ NAM DƢƠNG CÁCH NÉN VIDEO TRONG HỆ THỐNG HỘI NGHỊ TRUYỀN HÌNH ỨNG DỤNG TRONG VIỆC HỌP GIAO BAN TRỰC TUYẾN, TẬP HUẤN, ĐÀO TẠO CÁN BỘ TRONG NGÀNH GIÁO DỤC TỈNH QUẢNG NINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN - 2020
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VŨ NAM DƢƠNG CÁCH NÉN VIDEO TRONG HỆ THỐNG HỘI NGHỊ TRUYỀN HÌNH ỨNG DỤNG TRONG VIỆC HỌP GIAO BAN TRỰC TUYẾN, TẬP HUẤN, ĐÀO TẠO CÁN BỘ TRONG NGÀNH GIÁO DỤC TỈNH QUẢNG NINH Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 8480101 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS TS. Đỗ Năng Toàn THÁI NGUYÊN - 2020
i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Vũ Nam Dƣơng. Sinh ngày: 30/12/1986. Học viên lớp cao học CK17B - Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trƣờng THPT Vũ Văn Hiếu, thành phố Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh. Xin cam đoan: Đề tài “Cách nén video trong hệ thống hội nghị truyền hình (HNTH) - Ứng dụng trong việc họp giao ban trực tuyến, tập huấn, đào tạo cán bộ trong ngành giáo dục tỉnh Quảng Ninh” do PGS TS. Đỗ Năng Toàn hƣớng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung trong đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trƣớc hội đồng khoa học và trƣớc pháp luật. Thái Nguyên, ngày 16 tháng 9 năm 2020 Tác giả luận văn Vũ Nam Dƣơng
ii LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, đƣợc sự động viên, giúp đỡ và hƣớng dẫn tận tình của Thầy giáo hƣớng dẫn PGS TS. Đỗ Năng Toàn, luận văn với Đề tài “Cách nén video trong hệ thống hội nghị truyền hình - Ứng dụng trong việc họp giao ban trực tuyến, tập huấn, đào tạo cán bộ trong ngành giáo dục tỉnh Quảng Ninh”. Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hƣớng PGS TS. Đỗ Năng Toàn đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Phòng đào tạo Sau đại học Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng nhƣ thực hiện luận văn. Sở Giáo dục và Đào tạo tỉnh Quảng Ninh, trƣờng THPT Vũ Văn Hiếu nơi tôi công tác đã tạo điều kiện tối đa cho tôi thực hiện khóa học này. Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, thực hiện và hoàn thành luận văn này. Thái Nguyên, ngày 16 tháng 9 năm 2020 Tác giả luận văn Vũ Nam Dƣơng
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii DANH MỤC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................ v LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................... 1 CHƢƠNG I. KHÁI QUÁT VỀ HỘI NGHỊ TRUYỀN HÌNH VÀ BÀI TOÁN NÉN VIDEO ........................................................................................ 3 1.1 Khái quát về hội nghị truyền hình ............................................................ 3 1.1.1 Giới thiệu ............................................................................................ 3 1.1.2. Các thành phần của một hệ thống Hội nghị truyền hình .................. 5 1.2 Bài toán nén video .................................................................................... 6 1.2.1 Nén video trong hệ thống hội nghị truyền hình.................................. 6 1.2.2 Một số cách tiếp cận nén video trong Hội nghị truyền hình .............. 8 CHƢƠNG II. KỸ THUẬT NÉN VÀ GIẢI NÉN MPEG-4 H.264/AVC .. 21 2.1 Nguyên lý hoạt động cơ bản................................................................... 21 2.1.1 Tổng quan về chuẩn nén................................................................... 21 2.1.2 Sơ đồ mã hóa .................................................................................... 36 2.1.3 Sơ đồ giải mã .................................................................................... 37 2.2 Khối nén thời gian .................................................................................. 38 2.2.1 Dự đoán một chiều (mã hóa ảnh Prediction)................................... 38 2.2.2 Dự đoán hai chiều( mã hóa ảnh Bidiriectional Prediction) ............ 39 2.2.3 Sơ đồ nguyên lý nén ảnh B. .............................................................. 40 2.2.4 Bù chuyển động trong các slice B .................................................... 40 2.2.5 Dự đoán liên ảnh (Inter-Frame) ...................................................... 43 2.2.6 Mã hóa ảnh SP (switching P) và SI (switching I) ............................ 46 2.3 Khối nén không gian .............................................................................. 47 2.3.1 Chia ảnh thành các MacroBlock ...................................................... 48 2.3.2 Dự đoán trong ảnh (Intra-frame) ..................................................... 49
iv 2.3.3 INTRA LUMA 4 x 4 .......................................................................... 50 2.3.4 INTRA LUMA 16 x 16 ...................................................................... 54 2.3.5 INTRA CHROMA 8x8 ...................................................................... 56 2.3.6 INTRA-PCM ..................................................................................... 56 2.3.7 Dự đoán trọng số .............................................................................. 57 CHƢƠNG III. CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM .................................. 59 3.1 Phân tích yêu cầu.................................................................................... 59 3.1.1 Nén – giải nén của H.264/AVC ........................................................ 59 3.1.2 Lưu đồ giải thuật .............................................................................. 63 3.2 Chƣơng trình mô phỏng nén-giải nén của H.264/AVC bằng Matlab .... 64 3.3 Một số kết quả ........................................................................................ 66 PHẦN KẾT LUẬN ........................................................................................ 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 70 PHỤ LỤC ....................................................................................................... 71
v DANH MỤC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT DCT Biến đổi Cosine rời rạc (Discrete Cosine Transform) DPCM Điều xung mã vi sai (Differential Pulse Code Modulation) DWT Biến đổi Wavelet rời rạc (Discrete Wavelet Transform) FLC Mã hóa có chiều dài cố định (Fixed-Length Code) GMC Bù chuyển động toàn phần (Global Motion Compensation) ICT Biến đổi nguyên Cosine rời rạc (Integer Discrete Cosine Transform) IDCT Biến đổi ngược Cosine rời rạc (Inverse Discrete Cosine Transform) IP Giao thức Internet ( Internet Protocol) JPEG Chuẩn nén ảnh của ủy ban JPEG quốc tế (Joint Photographic Experts Group) JPEG2000 Chuẩn nén ảnh JPEG2000 LOSSLESS Kỹ thuật nén ảnh không tổn hao (không mất dữ liệu) LOSSY Kỹ thuật nén ảnh có tổn hao (có mất dữ liệu) MB Đa khối (Macroblock) MC Bù chuyển động (Motion Compensation) ME Ước lượng chuyển động(Motion Estimate) MSE Sai số bình phương trung bình (Mean Square Error) MPEG Nhóm chuyên gia nén ảnh động (Moving Pictures Experts Group) NAL Lớp trừu tượng mạng (Network Abstraction Layer) NNS Tìm ở khối gần nhất (Nearest Neighbors Search)
vi PCM Điều xung mã (Pulse Code Modulation) PSNR Tỷ số tín hiệu đỉnh trên nhiễu (Peak Signal to Noise Ratio) QP Thông số lượng tử (Quantization Parameter) RGB Ba màu c ơ bản màu đỏ/Xanh/Lam (Red/Green/Blue) RLC Mã hoá dọc chiều dài (Run Length Coding) VCL Lớp mã hóa Video (Video Coding Layer) VLC Mã có chiều dài thay đổi (Variable Length Code) VO Đối tượng Video (Video Object) ISO Tổ chức quốc tế về tiêu chuẩn chất l ư ợng (International Organization for Standardization) IEC Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (International Electro-technical Commission)
1 LỜI MỞ ĐẦU Một trong những đặc điểm nổi bật của thời đại ngày nay là sự phát triển rất nhanh của khoa học và công nghệ. Các cuộc cách mạng khoa học trên các lĩnh vực: tin học, truyền thông, công nghệ… không chỉ làm thay đổi mọi mặt của đời sống kinh tế - xã hội mà còn có tác động mạnh mẽ đến giáo dục và đào tạo, góp phần đổi mới phƣơng pháp, nâng cao hiệu quả và chất lƣợng trong giáo dục. Dƣới ảnh hƣởng của các cuộc cách mạng khoa học, nhiều phƣơng tiện kỹ thuật dạy học hiện đại xuất hiện,việc sử dụng các phƣơng tiện nhƣ: Hệ thống trang thiết bị nghe nhìn, thiết bị và bài giảng tƣơng tác, học tập qua mạng, tìm kiếm và khai thác những tài nguyên vô cùng quý giá và bổ ích từ Internet… trong quá trình học và dạy học chính là yếu tố chính đòi hỏi phải có sự đổi mới môi trƣờng giáo dục, đổi mới cách dạy và cách học ở mọi cấp học. Hội nghị truyền hình nhƣ hiện nay đã đóng góp một phần làm cho khoảng cách địa lý đã không còn là trở ngại quá lớn. Sử dụng giải pháp hội nghị truyền hình sẽ tiết kiệm đƣợc rất nhiều thời gian đi lại, học, họp và đào tạo đồng thời giải quyết đƣợc vấn đề chi phí đi lại, ăn ở, sinh hoạt của các đại biểu tham gia các buổi học, đào tạo tại các địa điểm khác nhau, giảm các rủi ro tai nạn trên đƣờng đi cho những ngƣời tham gia. Ngoài ra, có một chiến lƣợc đúng đắn trong việc triển khai giải pháp này sẽ giúp cho tỉnh Quảng Ninh có một môi trƣờng chia sẻ thông tin hiệu quả, tận dụng đƣợc tối đa các chi phí đầu tƣ. Với hạ tầng truyền thông ngày càng đƣợc củng cố và phát triển, kinh phí thuê đƣờng truyền ngày càng giảm thì việc triển khai hệ thống hội nghị truyền hình của tỉnh Quảng Ninh mang tính thực tiễn và khả thi rất cao, góp phần thành công trong công cuộc đổi mới và phát triển của tỉnh, của đất nƣớc. Tuy nhiên, với việc triển khai hệ thống hội nghị truyền hình trên nền tảng cơ sở hạ tầng đang có thì việc các tín hiệu (video, hình ảnh, bài giảng...) đƣợc truyền đi thông qua các nhà mạng Internet. Điều này sẽ làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng của các thông tin đi và đến. Có nhiều giải pháp để giải quyết vấn đề này nhƣ: Tăng băng thông, nâng cấp các thiết bị, áp dụng các chuẩn nén để nén tín hiệu âm thanh và hình ảnh xuống mức thấp nhất mà vẫn đảm bảo chất lƣợng… Với việc tăng băng
2 thông hay nâng cấp các thiết bị đòi hỏi chi phí lớn cũng nhƣ các thiết bị tiên tiến mới, vì vậy em lựa chọn phƣơng pháp áp dụng các kỹ thuật nén mới để áp dụng cho bài toán này. Hiện có rất nhiều các chuẩn nén để có thế áp dụng vào bài toán này, tuy nhiên em chọn nghiên cứu chuẩn nén MPGE-4 H.264/AVC để đƣa vào ứng dụng. Để có thể đi sâu vào nghiên cứu chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC, thì chúng ta cần nắm đƣợc các thuật ngữ, các kỹ thuật cần thiết cho việc nén tín hiệu, cũng nhƣ là các ƣu nhƣợc điểm của các chuẩn nén trƣớc đó đã mang lại. Vì đây là một đề tài lý thuyết, nên bƣớc quan trọng nhất của quá trình làm luận văn là tìm kiếm tài liệu và tổng hợp nó thành một chuỗi các kiến thức liên tục tránh lan man và yếu tố thuyết phục ngƣời tham khảo cũng rất quan trọng, do đó bên cạnh trình bày chi tiết về cách thức nén, em đã cố gắng mô phỏng một phần ƣu điểm của chuẩn nén này nhằm góp phần sinh động cho đề tài. TỔ CHỨC LUẬN VĂN Luận văn đƣợc trình bày thành 3 chƣơng và 1 phụ lục. Chƣơng I: KHÁI QUÁT VỀ HỘI NGHỊ TRUYỀN HÌNH VÀ BÀI TOÁN NÉN VIDEO. Chƣơng II: KỸ THUẬT NÉN VÀ GIẢI NÉN MPEG-4 H.264/AVC.. Chƣơng III: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM Tuy nhiên, do kinh nghiệm còn hạn chế, đồng thời MPEG-4 H.264/AVC là một kỹ thuật còn trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển, nên chắc chắn luận văn sẽ không tránh khỏi sai sót, kính mong Quý Thầy Cô và bạn bè đồng nghiệp đóng góp ý kiến nhằm hoàn thiện tốt luận văn này.
3 CHƢƠNG I. KHÁI QUÁT VỀ HỘI NGHỊ TRUYỀN HÌNH VÀ BÀI TOÁN NÉN VIDEO 1.1 Khái quát về hội nghị truyền hình 1.1.1 Giới thiệu Vào những năm 80 của thế kỷ XX, Hội nghị truyền hình đã mở ra một hƣớng mới cho thế giới trong việc trao đổi thông tin khi các đối tƣợng cần giao lƣu ở các vị trí khác nhau mà không có khái niệm về mặt địa lý. Khác với các phƣơng tiện trao đổi thông tin khác nhƣ điện thoại, dữ liệu, Hội nghị truyền hình cho phép mọi ngƣời tiếp xúc với nhau, nói chuyện với nhau thông qua tiếng nói và hình ảnh bằng hình ảnh trực quan. Việc sử dụng công nghệ hội nghị truyền hình, cho thấy hiệu quả sử dụng của nó đã đem lại lợi ích hiệu quả kinh tế rõ rệt, ứng dụng truyền hình cho việc giao lƣu, gặp gỡ, hội nghị, hội thảo, đào tạo, chăm sóc sức khỏe từ xa trong ngành y tế, các lĩnh vực khác trong nền kinh tế là sự hợp tác, nghiên cứu và phát triển không ngừng đã đem lại lợi ích và hiệu quả kinh tế vô cùng to lớn cho xã hội. Thế hệ đầu tiên của hệ thống thiết bị hội nghị truyền hình đƣợc thực hiện qua mạng kỹ thuật số đa dịch vụ ISDN dựa trên tiêu chuẩn H.230 của Tổ chức ITU; Thế hệ thứ hai của hệ thống thiết bị hội nghị truyền hình ứng dụng cho máy tính cá nhân và công nghệ thông tin, và vẫn dựa vào mạng ISDN và các thiết bị mã hoá/giải mã, nén/giải nén - CODEC; Thế hệ thứ ba của hệ thống thiết bị hội nghị truyền hình ra đời trên cơ sở mạng cục bộ LAN phát triển rất nhanh và có mặt ở khắp mọi nơi trên thế giới. Hiện nay, công nghệ truyền hình với chất lƣợng cao sử dụng chuẩn H.230 có tính ƣu việt, đã và đang thay thế dần các phƣơng tiện thông tin khác và đã đƣợc ứng dụng vào tất cả các ngành kinh tế quốc dân từ quốc phòng, chăm sóc sức khỏe, đào tạo, nghiên cứu khoa học, v.v... và cuối cùng là một công nghệ truyền thông không thể thiếu đƣợc trong ngành kinh tế quốc dân. Công nghệ hiện đại nhất hiện nay của hệ thống thiết bị hội nghị truyền hình là sử dụng theo tiêu chuẩn công nghệ H.323 qua giao thức IP. Khi công nghệ HD (High
4 Definition) chính thức gia nhập thị trƣờng. Với chất lƣợng hình ảnh rõ nét gấp 10 lần so với chuẩn SD (Standard Definition), độ phân giải hình ảnh đạt đến 720p; Full HD 1080p, nén Video chuẩn H.264, âm thanh AAC-LD, hội nghị truyền hình HD thực sự thoả mãn đƣợc nhu cầu "giao tiếp ảo". Công nghệ HD giúp các tổ chức, doanh nghiệp thay thế các cuộc họp dày đặc bằng những cuộc họp trực tuyến. Thế hệ thứ tư của hệ thống thiết bị truyền hình ra đời từ 2014 trên cơ sở một loạt các tiến bộ vƣợt bậc về công nghệ thông minh của hãng Trueconf: (1) Áp dụng đƣợc chuẩn nén H.264 SVC trong việc truyền nhận dữ liệu, giúp cho hình ảnh âm thanh đạt chất lƣợng cao cấp về hình ảnh và âm thanh với yêu cầu băng thông cực thấp (Full HD 30 fps 1080p chỉ yêu cầu băng thông là 1024 Kbps); (2) Dùng công nghệ nhận dạng thông minh đối với siêu âm và hồng ngoại để tiếp nhận tín hiệu từ bút điện tử cảm ứng vào màn hình không cảm ứng, giúp cho ngƣời sử dụng có thể vẽ, xóa đƣợc bằng bút điện tử đa sắc màu trên màn hình bất kỳ (khung hình trắng hoặc chứa nội dung đang trình chiếu). Hình ảnh đang vẽ sẽ đƣợc truyền ngay lập tức tới các đầu cầu khác và ghi lại đƣợc thành file ảnh cùng với hình ảnh nền đã trình chiếu; (3) Dùng công nghệ nhận dạng thông minh đối với âm thanh trong tín hiệu thu đƣợc từ micro đa hƣớng để phát hiện ra tiếng ngƣời, đâu là âm thanh do va chạm vật chất gây ra (tạp âm), giúp cho hệ thống ngay lập tức phát hiện điểm cầu có ngƣời phát biểu để tự động kích hoạt điểm cầu đó trở thành điểm cầu chính, làm cho việc điều khiển các điểm cầu có thể thực hiện hoàn toàn tự động (các điểm cầu đều không cần bật micro khi phát biểu, không cần tắt micro khi ngừng phát biểu); (4) Dùng công nghệ nhận dạng và phán đoán thông minh đối với hình ảnh để tự động điều chỉnh liên tục khuôn hình của camera vừa đủ theo vị trí của những ngƣời dự họp, loại bỏ không gian thừa, tự đếm đƣợc số ngƣời dự họp theo từng giây. Dùng công nghệ nhận dạng và phán đoán đối với hình ảnh khuôn mặt ngƣời để tự động phát hiện chính xác ngƣời phát biểu trong số những ngƣời dự họp và điều chỉnh camera quay chân dung ngƣời phát biểu (khi ngƣời phát biểu di chuyển thì camera sẽ quay và zoom theo ngƣời đó).
5 1.1.2. Các thành phần của một hệ thống Hội nghị truyền hình Các hệ thống đào tạo cán bộ trực tuyến đa điểm gồm 3 thành phần cơ bản: thiết bị đầu cuối (Thiết bị VCS), thiết bị điều khiển đa điểm (MCU), thiết bị vƣợt tƣờng lửa hoặc Gateway và Gatekeeper. Ngoài ra còn có các thiết bị tùy chọn khác (thiết bị chia sẻ dữ liệu, thiết bị ghi hình lại hình ảnh Video Conferencing, thiết bị lập lịch và quản lý các khóa đào tạo, …) - Thiết bị VCS: Có chức năng thu nhận hình ảnh, âm thanh (qua camera, micro) mã hóa chúng rồi chuyển qua giao diện mạng. Các VCS còn có cổng giao tiếp với máy tính (PC, Laptop) cho phép kết nối và trình chiếu các tài liệu từ máy tính vào phiên làm việc. VCS sử dụng màn hình TV, màn hình máy tính hoặc máy chiếu làm thiết bị hiển thị và có thể sử dụng bất kỳ hệ thống âm thanh nào có sẵn. - Thiết bị MCU: Có chức năng điều khiển đa điểm, cho phép kết nối nhiều VCS vào một phiên làm việc. Hình ảnh, âm thanh từ các thiết bị VCS đƣợc nhận về, trộn và chia hình hiển thị theo yêu cầu của ngƣời quản lý hệ thống. Ngòai ra, MCU còn hỗ trợ kết nối các đầu cuối thoại (Voice only). Để đáp ứng yêu cầu làm việc đa phƣơng tiện, đa mạng thiết bị MCU còn hỗ trợ chuyển mã (transcoding) các yếu tố liên qua đến chất lƣợng nhƣ: giao diện mạng, băng thông, chuẩn mã hóa Video/Audio, tốc độ khung hình… Các yêu cầu trên đây chỉ cần thiết trong hệ thống đào tạo cán bộ trực tuyến đa điểm (3 điểm trở lên), trong trƣờng hợp kết nối các khóa học 2 điểm cầu thì chỉ cần 2 thiết bị đầu cuối VCS tại 2 điểm. a) Thiết bị VCS (Thiết bị đầu cuối) Có chức năng thu nhận hình ảnh, âm thanh (quay camera, micro) mã hóa chúng rồi chuyển qua giao diện mạng. Các VCS còn có cổng giao tiếp với máy tính (PC, Laptop) cho phép kết nối và trình chiếu các tài liệu từ máy tính vào phiên làm việc của hệ thống.VCS sử dụng màn hình TV, màn hình máy tính hoặc máy chiếu làm thiết bị hiển thị và có thể sử dụng bất kỳ hệ thống âm thanh nào có sẵn.
6 b) Thiết bị MCU (Thiết bị điều khiển đa điểm) Có chức năng điều khiển đa điểm, cho phép kết nối nhiều VCS vào một phiên làm việc. Hình ảnh, âm thanh từ các thiết bị VCS đƣợc nhận về, trộn và chia hình hiển thị theo yêu cầu của ngƣời quản lý hệ thống. Ngoài ra, MCU còn hỗ trợ kết nối các đầu cuối thoại (Voice only) vào phiên làm việc của hệ thống. Để đáp ứng yêu cầu làm việc đa phƣơng tiện, đa mạng thiết bị MCU còn hỗ trợ chuyển mã (transcoding) các yếu tố liên qua đến chất lƣợng của hệ thống nhƣ: giao diện mạng, băng thông, chuẩn mã hóa Video/Audio, tốc độ khung hình… 1.2 Bài toán nén video 1.2.1 Nén video trong hệ thống hội nghị truyền hình Giải pháp HNTH hiện nay có hai công nghệ chính là công nghệ SD (Standard Definition) và công nghệ HD (High Definition), Full HD. Công nghệ SD là công nghệ truyền hình cho chất lƣợng thông thƣờng đƣợc phát triển từ những năm 80, công nghệ HD là công nghệ truyền hình chất lƣợng cao. Công nghệ SD là công nghệ truyền hình từ thế hệ thứ hai, trong khi đó công nghệ HD là công nghệ truyền hình mới nhất chính thức ra mắt từ năm 2006. Hiện nay các hãng sản xuất thiết bị truyền hình trên thế giới tập trung phát triển công nghệ HD và Full HD. Giao thức HD là giao thức video chất lƣợng cao nhất hiện nay, Với HD nó cho phép các thiết bị kết cuối kết nối đến trung tâm HNTH với độ phân giải 1280x720 (720p) và tốc độ nằm trong khoảng từ 384Kbps đến 8Mbps. Việc thiết lập HNTH trên nền HD yêu cầu các đối tƣợng tham gia kết nối đến trung tâm tốc độ bằng nhau và đều có khả năng HD (hay phải là thiết bị HD). So sánh trên cho thấy truyền hình HD có độ phân giải cao gấp 10 lần độ phân giải truyền hình SD. Ví dụ sau so sánh chất lƣợng hình ảnh giữa HD và SD:
7 Công nghệ SD Công Nghệ HD HD cung cấp nhiều nội dung thông tin hơn với màn hình 16:9, công nghệ HD mang lại thêm 20% thông tin so với công nghệ SD cho khả năng bao quát cao hơn, nội dung thông tin nhiều hơn. Nhiều thông tin hơn với màn hình 16:9 : SD (Standard Definition) HD (High Definition) Bảng sau là sự so sánh giữa công nghệ HD và công nghệ SD: Tính chất HD (High Definition) SD (Standard Definition) Độ phân giải 720p (720´1280 pixels) CIF ( 288´352 pixels) Xử lý hình động 25 ÷ 30 frames/s 15 frames/s Băng thông yêu cầu 1Mbps+ 128Kbps+ Chuẩn Video H.261, H.263,H.264 H.261, H.263 Chuẩn Audio Tất cả Tất cả
8 1.2.2 Một số cách tiếp cận nén video trong Hội nghị truyền hình Kỹ thuật nén ảnh số đang đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong các hệ thống viễn thông và multimedia để giải quyết vấn đề băng thông của đƣờng truyền. Các kỹ thuật nén video đều cố gắng làm giảm lƣợng thông tin cần thiết cho một chuỗi các bức ảnh mà không làm giảm chất lƣợng của nó đối với ngƣời xem. Nói chung, tín hiệu video thƣờng chứa đựng một lƣợng lớn các thông tin thừa, chúng thƣờng đƣợc chia thành hai loại: thừa tĩnh bên trong từng frame (statistical) và thừa động giữa các frame (subjective). Mục đích của nén video là nhằm làm giảm số bit khi lƣu trữ và khi truyền bằng cách phát hiện để loại bỏ các lƣợng thông tin dƣ thừa này và dùng các kỹ thuật Entropy mã hoá để tối thiểu hoá lƣợng tin quan trọng cần giữ lại. Nén video đƣợc chia thành hai họ lớn: Nén không tổn hao và nén tổn hao.  Nén không tổn hao là quy trình biểu diễn các ký hiệu trong dòng bit nguồn thành dòng các từ mã sao cho ảnh đƣợc khôi phục hoàn toàn giống ảnh gốc, các thuật toán chỉ phụ thuộc vào cách thống kê nội dung dữ liệu và thƣờng dựa trên việc thay thế một nhóm các ký tự trùng lặp bởi một nhóm các ký tự đặc biệt khác ngắn hơn mà không quan tâm đến ý nghĩa của dòng bit dữ liệu, nên đòi hỏi phải có thiết bị lƣu trữ và đƣờng truyền lớn hơn.  Nén có tổn hao, tức là ảnh đƣợc khôi phục không hoàn toàn giống ảnh gốc, dạng nén này thích hợp cho việc lƣu trữ và truyền ảnh tĩnh, ảnh video qua một mạng có băng thông hạn chế. Các dạng nén này thƣờng có hệ số nén cao hơn (từ 2:1 đến 100:1) và gây nên tổn hao dữ liệu và sự suy giảm ảnh sau khi giải nén do việc xóa và làm tròn dữ liệu trong một khung hay giữa các khung. Nó liên quan đến việc dùng các phép biến đổi tín hiệu từ miền này sang miền khác. Trong thực tế phƣơng pháp nén tổn hao thƣờng đƣợc sử dụng nhiều hơn và các kỹ thuật nén tổn hao thƣờng sử dụng nhƣ: mã hóa vi sai, biến đổi cosin rời rạc DCT, lƣợng tử vô hƣớng, quét zig-zag, mã hóa Entropy…
9 1.2.2.1 Quá trình biến đổi Bieán ñoåi Löôïng töû hoùa Maõ hoùa T Q C Giaûi neùn Bieán ñoåi ngöôïc Giaûi löôïng töû hoùa R Giaûi maõ D T-1 Tín hiệu ngõ vào đƣợc Hình biến I.1. Moâ hìnhđổi nhằm heä thoá ng neùnmục đích biểu diễn một số liệu khác toån hao. thích hợp để nén hơn so với tín hiệu nguồn. Ở phía giải mã tín hiệu nén sẽ đƣợc biến đổi ngƣợc lại để thu tín hiệu gốc. Một số phép biến đổi đƣợc áp dụng phổ biến hiện nay nhƣ: 1.2.2.2 Điều xung mã vi sai DPCM Các phƣơng pháp nén dùng DPCM dựa trên nguyên tắc phát hiện sự giống nhau và khác nhau giữa các điểm ảnh gần nhau để loại bỏ các thông tin dƣ thừa. Trong DPCM chỉ có phần khác nhau giữa mẫu - mẫu đƣợc truyền đi, sự khác nhau này đƣợc cộng vào giá trị mẫu đã giải mã hiện hành ở phía giải mã để tạo ra giá trị mẫu phục hồi. Hình I.2. mô tả sơ đồ khối của bộ mã hóa và giải mã DPCM.  Boä löôïng töû Maõ hoùa entropy Boä tieân ñoaùn  Hình I.2. Boä maõ hoùa vaø boä giaûi maõ DPCM Ví dụ
10 Mẫu tín hiệu vào 115 117 116 117 118 117 115 116 Sự khác nhau 2 -1 1 1 -1 -2 1 Dòng bit đƣợc nén nhƣ sau: 115 2 -1 1 1 -1 -2 1 1.2.2.3 Mã hóa biến đổi Nhằm biến đổi các hệ số trong miền thời gian (video số), không gian 2D (bức ảnh tĩnh) thành các hệ số trong miền tần số. Các hệ số này ít tƣơng quan hơn có phổ năng lƣợng tập trung hơn, thuận tiện cho việc loại bỏ thông tin dƣ thừa. Biến đổi cosin rời rạc (DCT) Vì ảnh gốc có kích thƣớc rất lớn cho nên trƣớc khi đƣa vào biến đổi DCT, ảnh đƣợc phân chia thành các MB biểu diễn các mức xám của điểm ảnh. Việc phân khối này sẽ làm giảm đƣợc một phần thời gian tính toán các hệ số chung, mặt khác biến đổi cosin đối với các khối nhỏ sẽ làm tăng độ chính xác khi tính toán với dấu phẩy tĩnh, giảm thiểu sai số do làm tròn sinh ra. Phép biến đổi DCT cơ bản hoạt động dựa trên cơ sở ma trận vuông của mẫu sai số dự đoán, kết quả cho ta một ma trận Y là những hệ số DCT đƣợc minh họa nhƣ sau: Y = AXAT Trong đó A là ma trận hệ số biến đổi, các thành phần của A nhƣ sau:  1 C i  Nếu i = 0 (2 j  1)i  N Ai , j  Ci cos Với  2N C  2   i N Nếu i > 0 N 1 N 1 (2 j  1) y (2i  1) x Tƣơng đƣơng với Yx, y  C x C y  X i, j Cos Cos i 0 J 0 2N 2N Phép biến đổi DCT nguyên 4x4 của chuỗi ngõ vào X đƣợc cho bởi công thức
11 1 1 1 1   2 cos 0 2 cos 0 2 cos 0 2 cos 0     1   1  3  1  5  1  7    2 cos 8  cos  cos  cos      2  8  2  8  2  8   A   1  2  1  6  1  10  1  14   cos  cos  cos  cos   2  8  2  8  2  8  2  8     1 cos 3  1  9  1  15  1  21   2   cos  cos  cos    8  2  8  2  8  2  8  Phép biến đổi ngược DCT cho bởi công thức: X=ATYA Tƣơng đƣơng với: N 1 N 1 (2 j  1) y (2i  1) x X i , j   C x C y Yx , y Cos Cos x 0 y 0 2N 2N Biến đổi Hadamard Là một ví dụ tổng quát hóa của biến đổi Fourier rời rạc, nó thực hiện các phép toán cộng và trừ trên các ma trận 2m x 2m trực giao, đối xứng, tuyến tính…đƣợc định nghĩa theo công thức sau: H n1  H nT trong đó Hn là ma trận NxN với N = 2m , m thƣờng là các giá trị 1, 2 ,3 tƣơng ứng với các khối 2x2, 4x4, và 8x8, Hn đƣợc tạo ra từ phép toán Kronecker nhƣ sau: Hn = H1  H1 .....  H1 n lần. Ví dụ H2 = H1  H1 1 1 1  Với H1=   2 1 1 1.2.2.4 Quá trình lượng tử Sau khi thực hiện biến đối DCT, các hệ số sẽ đƣợc lƣợng tử hoá dựa trên một bảng lƣợng tử Q(u,v) với 0≤u, v≤ n-1, n là kích thƣớc khối. Bảng này đƣợc định nghĩa bởi từng ứng dụng cụ thể, các phần tử trong bảng lƣợng tử có giá trị từ 1 đến 255 đƣợc gọi là các bƣớc nhảy cho các hệ số DCT. Quá trình lƣợng tử đƣợc coi nhƣ là việc chia các hệ số DCT cho bƣớc nhảy lƣợng tử tƣơng ứng, kết quả này sau đó sẽ đƣợc làm tròn xuống số nguyên gần nhất. Các hệ số năng lƣợng thấp này, tƣợng trƣng cho các sự thay đổi pixel - pixel cỡ nhỏ, có thể bị xóa mà không ảnh hƣởng đến độ phân giải của ảnh phục hồi. Tại bộ mã hoá sẽ có một bảng mã và bảng các chỉ số nội bộ, từ đó có thể ánh xạ các tín hiệu ngõ
12 vào để chọn đƣợc các từ mã tƣơng ứng một cách tốt nhất cho tập hợp các hệ số đƣợc tạo ra. Có 2 loại lƣợng tử hóa chủ yếu: 1.2.2.5 Lượng tử hóa vô hướng Lƣợng tử từng giá trị một cách độc lập hay nói cách khác là ánh xạ một mẫu của tín hiệu ngõ vào tạo thành một hệ số lƣợng tử ở ngõ ra. Đây là một quá trình tổn hao vì khi giải lƣợng tử, không thể xác định chính xác giá trị gốc từ số nguyên đã đƣợc làm tròn. Lƣợng tử hóa thuận theo công thức FQ = round(X/QP) Lƣợng tử hóa ngƣợc theo công thức Y = FQ*QP. Với QP là bƣớc nhảy lƣợng tử. Ví dụ quá trình giải lƣợng tử cho một tín hiệu ngõ vào nhƣ sau: Y QP = QP = QP = QP = X 1 2 3 5 -4 -4 -4 -3 -5 -3 -3 -2 -3 -5 -2 -2 -2 -3 0 -1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 2 2 2 3 0 3 3 2 3 5 4 4 4 3 5 5 5 4 6 5 … … … 1.2.2.6 Lượng tử hóa VECTOR Là một quá trình biểu diễn một tập vector (mỗi vector gồm nhiều giá trị) bằng một tập các số hữu hạn các ký hiệu ở ngõ ra, bảng mã ánh xạ sẽ có các giá trị xấp xỉ với giá trị gốc. Vector lƣợng tử sẽ đƣợc lƣu ở cả bộ mã hóa và bộ giải mã, quá trình nén một bức ảnh sử dụng lƣợng tử vector bao gồm các bƣớc sau.