25
A.Nén video theo chuẩn MPEG 1) Khái quát về nén MPEG MPEG (Moving Picture Expert Group) là nhóm chuyên gia về hình ảnh, được thành lập từ tháng 2 năm 1988 nhằm chuẩn hóa cho nén tín hiệu âm thanh và video. Nén tín hiệu video theo chuẩn MPEG là phương pháp nén ảnh động không những làm giảm dư thừa không gian (như JPEG) mà còn giảm dư thừa thời gian giữa các khung ảnh, đây chính là khác biệt so với IPEG. MPEG không đơn giản là một công cụ nén đơn lẻ mà ưu điểm của nén ảnh MPEG chính là ở chỗ MPEG có một tập hợp các công cụ mã hóa chuẩn, chúng có thể được kết hợp với nhau một cách linh động để phục vụ cho một loạt các ứng dụng khác. Nén MPEG là sự kết hợp hài hòa giữa bốn kĩ thuật đơn giản: + Tiền xử lý (Preprocesing): lọc ra các thông tin không cần thiết từ tín hiệu video và những thông tin khó mã hóa nhưng không quan trọng cho cảm thụ của mắt người. + Đoán trước sự chuyển động của các frame ở bộ mã hóa (Temporal prediction): dựa trên nguyên tắc là các ảnh trong chuỗi video dường như có liên quan mật thiết với nhau theo thời gian: Mỗi frame tại một thời điểm nhất định sẽ có nhiều khả năng giống các frame đứng ngay phía trước và ngay sau nó. Các bộ mã hóa sẽ quét lần lượt từng phần nhỏ trong mỗi frame và chỉ phát những thay đổi giữa các khối trong frame hiện tại và các khối được bộ mã hóa tiên đoán tới phía thu. Nhờ vậy mà có thể loại bỏ dư thừa về thời gian. + Bù chuyển động ở bộ giải mã (motion compensation): tại phía thu có lưu trữ sẵn những thông tin mà không thay đổi của frame này tới

Nén video theo chuẩn MPEG.doc

Embed Size (px)

Citation preview

Nn video theo chun MPEG

A.Nn video theo chun MPEG1) Khi qut v nn MPEG MPEG (Moving Picture Expert Group) l nhm chuyn gia v hnh nh, c thnh lp t thng 2 nm 1988 nhm chun ha cho nn tn hiu m thanh v video. Nn tn hiu video theo chun MPEG l phng php nn nh ng khng nhng lm gim d tha khng gian (nh JPEG) m cn gim d tha thi gian gia cc khung nh, y chnh l khc bit so vi IPEG. MPEG khng n gin l mt cng c nn n l m u im ca nn nh MPEG chnh l ch MPEG c mt tp hp cc cng c m ha chun, chng c th c kt hp vi nhau mt cch linh ng phc v cho mt lot cc ng dng khc.

Nn MPEG l s kt hp hi ha gia bn k thut n gin:

+ Tin x l (Preprocesing): lc ra cc thng tin khng cn thit t tn hiu video v nhng thng tin kh m ha nhng khng quan trng cho cm th ca mt ngi.+ on trc s chuyn ng ca cc frame b m ha (Temporal prediction): da trn nguyn tc l cc nh trong chui video dng nh c lin quan mt thit vi nhau theo thi gian: Mi frame ti mt thi im nht nh s c nhiu kh nng ging cc frame ng ngay pha trc v ngay sau n. Cc b m ha s qut ln lt tng phn nh trong mi frame v ch pht nhng thay i gia cc khi trong frame hin ti v cc khi c b m ha tin on ti pha thu. Nh vy m c th loi b d tha v thi gian.+ B chuyn ng b gii m (motion compensation): ti pha thu c lu tr sn nhng thng tin m khng thay i ca frame ny ti frame khc trong b nh m v chng c dng in thm mt cch u n vo cc v tr trng trong nh c khi phc. y cng chnh l mt trong nhng cng c mnh lm gim d tha v khng gian gia cc bc nh.+ M lng t ha (quatisation coding)2) Cu trc dng bt- Cu trc dng MPEG gm 6 lp:

Lp khi (block) : gm khi 8x8 cc im nh tn hiu chi v tn hiu mu dng cho phng php nn DCT. Lp macroblock: lp t hp cu trc khi l mt nhm cc khi tng ng vi lng thng tin cha ng trong kch thc 16x16 im trn bc nh. Cu trc khi ny cng xc nh c lng thng tin cha trong s thay i ty theo cu trc mu c s dng. Thng tin u tin trong cu trc khi mang dng ca n v cc vector b chuyn ng.

Lp ct lt dng bt (slice): Mng bao gm mt v cu trc khi k nhau. Kch thc ln nht ca mng c th bao gm ton b bc nh v kch thc nh nht ca mng l mt cu trc khi. Thng tin u tin cha ng v tr ca mng trong ton bj nh, v h s cn bng lng t.. Lp nh (picture): cho php b gii m xc nh loi nh c m ha. Thng tin u dng ch th t truyn khung ( b m ha c th sp xp cc nh li theo th t ng) v cc thng tin v ng b, phn gii v phm vi vector chuyn ng. Trong nn MPEG ngi ta s dng 3 loi nh sau: nh I (Intra Pictures): c m ha c lp m khng ccn tham kho cc nh khc. Hiu qu nn tn hiu t c do loi b c d tha v khng gian m khng c yu t thi gian tham gia vo qu trnh. nh I c dng mt cch tun hon to thnh im ta cho dng d liu trong qu trnh gii m.

nh P (Predicted Pictures): c m ho t nh I hoc nh P ngay trc b chuyn ng v chnh n cng c th dng tham kho cho vic tin on nh tip theo. Mi khi nh trong nh P c th c m ha theo kiu tin on hoc m ha mt cch c lp. Do s dng c nn khng gian v thi gian nen hiu qu nn ca nh P cao hn ng k so vi nh I.

nh B (Bidirectionally Predictive Pictures) c th s dng cc nh I v P pha tr v pha sau n b chuyn ng v vy cho t l nn cao nht. Mi khi trong nh B c th tin aons theo chiu ngc, xui, c hai hng hoc c m ha c lp. tuy nhin tin aons ngc t mt bc nh pha sau n th b m ha phi p xp li cc bc nh. Do vy s to ra tr do pho sp xp li thng tin, tr ln hay nh ph thuc vo s bc nh B lin tip nhau c truyn. Lp nhm nh (GOP): cc nh I, P, B thng xut hin theo mt th t lp i lp li mt cch tun hon. V vy xut hin nhm nh GOP. Cht lng nh khng ch ph thuc vo t l nn trong tng khun hnh m cn ph thuc vo di ca nhm nh GOP. Chng l n v mang thng tin c lp ca MPEG v bt buc phi bt u bng mt nh I. Tip sau l mt lot cc nh P v B. Cu trc ca mt GOP c m t boi 2 tham s: N(s nh trong GOP) v M(khong cch gia cc nh P)

Lp dy nh (sequence): on video bao gm thng tin u, mt s nhm nh v thng tin kt on.

- Mi lp ny h tr mt chc nng nht nh: mt l chc nng x l n hiu (DCT v b chuyn ng). Hai l chc nng logic (ti ng b, im truy xut ngu nhin).

4:2:2

Khi im nh

8x8 (block) Macroblock

Mng (slice)

Khung (frame)

Nhm nh (Group Of Piture)

Hnh 1: Cu trc dng bt MPEG

Thng tin u on thng tin kt on dng c

s

on video th n-1on video th non video th n+1

Thng tin u

nhm nh

GOP#pGOP#p+1GOP#p+2GOP#p+3GOP#p+4

Thng tin u

khung nh

Khung IKhung BKhung PKhung BKhung I

Thng tin

u mng

MBMBMBMBMBMBMBMBMBMBMBMBMB

Thuc tnh MBVector chuyn ngYYYYCrCb

MB = Macroblock

H s DCTEOB

Khi 8x8 im chi Hnh 2: Kin trc dng d liu MPEGM = Khong cch gia hai im so snh

I B B P B B I

nh chun D on hai chiu

Nhm nh (GOP)

N= KHONG CCH GIA HAI NH I

Hnh 3: Cu trc nh MPEG- Qu trnh to dng bt MPEG l ghp knh: kt hp dng d liu vo, dng d liu ra, iu chnh ng b v qun l b m. C php dng MPEG bao gm: lp dng bit (stream), lp gi (back) v lp gi tin (backet).3) Nguyn l nn MPEG iu khin tc bt

Bng lng tVideo + +

-

+ +

Vc t chuyn ng

iu khin nhm nh (Group of Picture - GOP)Hnh 4: B m ha MPEG tiu biu* C s ca cng ngh nn video MPEG l s kt hp gia nn trong nh (Intra -Frame Compression) v cng ngh nn lin nh ( Inter-Frame Compression). Trong :

- Nn trong nh (Intra -Frame Compression): l loi nn nhm gim bt

thng tin d tha trong min khng gian. Nn trong nh s dng c hai qu

trnh c tn hao v khng c tn hao gim bt d liu trong nh. Qu

trnh ny khng s dng thng tin ca cc nh trc v sau nh ang xt.

- Nn lin nh (Intra -Frame Compression): Trong tn hiu video c cha

thng tin d tha trong min thi gian. Ngha l vi mt chui lin tc cc

nh, lng thng tin cha ng trong mi nh thay i rt t t nh ny sang

nh khc. Tnh ton s dch chuyn v tr ca ni dung nh l mt phn rt

quan trng trong k thut nn lin nh. Trong thut nn MPEG, qu trnh

xc nh Vector chuyn ng c thc hin bng cch chia hnh nh thnh cc Macro-Block, mi Macro-Block c 16 x 16 phn t nh (tng ng

vi 4 Block, mi Block c 8 x 8 phn t nh). xc nh chiu chuyn

ng, ngi ta tm kim v tr ca Macro-Block trong nh tip theo, kt qu

ca s tm kim s cho ta Vector chuyn ng ca Macro-Block * Nguyn l nn MPEG :

Tn hiu u vo c dng 4:2:2 hoc 4:2:0 c nn lin nh nhm to ra nh khc bit u ra b cng. nh khc bit ny sau li c nn trong nh qua cc bc : bin i DCT, lng t ha, m ho. Cui cng c trn cng vi vector chuyn ng a n b khuch i m s thu c nh nn.

Tc bt ca tn hiu video c nn khng c nh, ph thuc vo ni dung nh ang xt (v d mt phn nn t hn hoc nhiu hn), nhng ti u ra b m ho dng bt phi c nh xc nh tc cho dung lng knh truyn. Do ti u ra b m ha phi c b nh m ln. B m ha phi kim tra trng thi y ca b nh m. Khi s liu trong b nh m gn bng dung lng cc i th cc h s bin i DCT ngc c lng t ha t chnh x hn. V vy b nh m cha t s liu th vic lng t ha cc h s s tng ln.4) Nguyn l gii nn MPEG Vo Ra

H s DCT Cc vecto chuyn ngHnh 5: B gii m MPEG tiu biu*Nguyn l gii nn MPEG :

Chui tn hiu vo c gii m Entropy ti VLD, sau tch d liu nh (h s bin i DCT) ra khi cc vector chuyn ng. S liu nh s c gii lng t ho v bin i DCT ngc.

Nu nh l nh loi I bt u mi nhm nh trong chui, u ra s nhn c nh hon chnh bng cch trn ( v nh loi I ch l nn trong nh, khng c b chuyn ng, khng dng d liu ca nh khc). N c lu tr trong b nh nh v c v c dng gii m cc nh tip theo.

Nu nh l nh loi P th cng thc hin gii lng t ha v bin i DCT ngc kt hp vi vic s dng vector chuyn ng v lu vo b nh nh. Trn c s xc nh c d on nh ang xt. Ta nhn c nh ra sau khi cng d on nh (nh d on) v kt qu bin i DCT ngc. nh ny cng c lu vo b nh c th s dng nh l chun khi gii m cc nh tip theo.

B. CC CHUN NN MPEG1) MPEG-1- Tiu chun The Moving Picture Experts Group Phase 1 (MPEG-1) nh dng m thanh, phim nh ca nhm chuyn gia nh ng l mt tiu chun cho nh dng m thanh, phim nh ca t chc ISO/IEC - International Organization for Standardization/International Electrotechnical Commission (T chc tiu chun ha quc t/y ban k thut in quc t) pht trin nhm h tr cc thit b trnh chiu m thanh, phim nh.- Tiu chun MPEG-1 (hay cn gi l ISO/IEC 11172 M ha nh ng v m thanh kt hp cho phng tin lu tr thng tin s 1,5Mbit/s) bao gm 05 phn:- ISO/IEC cng b 03 phn u tin ln u vo thng 08/1993 gm:

+ ISO/IEC-11172-1:H thng (lu tr v ng b m thanh, phim nh v cc d liu khc)

+ ISO/IEC-11172-2: Phim nh (cha ni dung ca phim nh nn)+ ISO/IEC-11172-3:m thanh (cha ni dng ca m thanh nn)- Phn 4 ca MPEG-1 ISO/IEC-11172-4: th kh nng tng thch (kim tra vic trin khai tiu chun) c cng b ln u vo thng 03/1995- Phn 5 ca MPEG-1 ISO/IEC-11172-5M phng phn mm (phn mm mu thc hin vic m ha v gii m nh th no) c cng b ln u vo thng 11/1998.Ni dung cc phn c trnh by tm tt nh sau:+Phn H thngquy nh phng thc s dng, lu tr m thanh, phim nh c m ha v cc d liu khc, ng thi duy tr tnh ng b gia cc ni dung khc nhau.nh dng tp tin MPEG c thit k p ng vic lu tr trn phng tin (on media), truyn ti knh d liu mt cch tin cy;

+Phn Phim nhch ra phng php nn d liu video lm gim tc truyn ti d liu trong mt lung thng tin video truyn ti qua mng;

+Phn m thanhch ra phng php nn d liu m thanh lm gim tc truyn ti d liu m thnh trong mt lung thng tin m thanh truyn ti qua mng;

+Phn Kim th tng thchcung cp hng dn v m hnh tham kho cho vic kim th tnh tng thch ca MPEG-1;

+Phn mm tham chiuch ra phng php m ha, gii m nh th no.

Ni dung caPhn Phim nhvPhn m thanhm t cc nh dng c s dng ph bin trong lu tr, trao i, x l m thanh v phim nh (v d:(.mpg), (.mpeg), (.mp1), (.mp2), (.mp3), (.m1v), (.m1a), (.m2a), (.mpa), (.mpv))MPEG-1 phn Phim nh v phn m thanh-MPEG-1 phn Phim nh (ISO/IEC-11172-2) s dng cc phng php nn nh lm gim tc d liu theo yu cu ca mt lung phim nh. Phng php nn nh s gim hoc loi b hon ton thng tin/d liu trong mt di tn s nht nh v cc khu vc hnh nh m mt ngi nhn bit mt cch hn ch. Cc thut ton nn phim nh v cc b m ha/gii m (codecs) u kt hp k thut nn hnh nh theo khng gian v k thut b p chuyn ng theo thi gian. Trong thc t, hu ht cc b m ha/gii m u tin hnh k thut nn m thanh v nn hnh nh song song hay ring bit cho mt tp tin phim nh, tuy nhin, cc dng d liu c kt hp li v gi i nh mt gi d liu. MPEG-1 phn Phim nh h tr phn gii ln n 4095x4095 (12 bt) v tc bt ln n 100 Mbit/s. MPEG-1 phn Phim nh thng s dng phn gii SIF (Source Input Format): 352 x 240, 352 x 288 hoc 320 x 240. phn gii thp kt hp vi mt t l tc bt thp hn 1,5 Mbit/s to ra mt dng d liu bt thp vi thng s hn ch. y l thng s k thut ti thiu m bt k b m ha/gii m no cng x l c, m bo s cn bng gia cht lng phim nh v hiu qu s dng, cho php trin khai trn cc h thng phn cng c chi ph khng cao.

- MPEG-1 phn m thanh(ISO/IEC-11172-3) c chia lm 03 lp: MPEG-1 phn m thanhLp I c t l tc bt t 32 448 kbit/s (32, 64, 96 416, 448 kbit/s), Lp II c t l tc bt t 32-384 kbit/s (32, 48, 56, 64, 80256, 320, 384 kbit/s), Lp III c t l tc bt t 32-320 kbit/s (32, 40, 48, 56, 64, 80224, 256, 320 kbit/s). Vic m ha/gii m s phc tp hn trong lp cao hn v s dng hiu qu t l tc bt thp hn.

- MPEG-1 phn m thanh Lp I c nh dng tp tin l (.mp1) v nh dng tp tin ca Lp II l (.mp2), ch yu c s dng trong pht sng truyn thanh, truyn hnh. MPEG-I phn m thanh Lp III, thng c gi l MP3, c nh dng tp tin l (.mp3), l nh dng m thanh ph bin trong ngnh cng nghip m nhc, gii tr trn Internet do kch thc nh gn v cht lng m thanh ca tp tin .mp3.Cho n nay, cc phn c cp nht nhiu ln. Ln cp nht mi nht cho cc phn ca MPEG-1 l ISO/IEC-11172-1 (1999); ISO/IEC-11172-2 (2006); ISO/IEC-11172-3 (1996), ISO/IEC-11172-4 (2007), ISO/IEC-11172-5 (2007).

MPEG-1 l tiu chun nn suy hao cho m thanh, phim nh. MPEG-1 c thit k nn m thanh, phim nh xung 1.5 Mbit/s (t l nn tng ng l 26:1 v 6:1) m khng gim cht lng m thanh, phim nh qu mc.Cc c tnh ca MPEG-1Cu trc dng bt ca MPEG -1 cng tng t nh cu trc dng bt ca MPEG gm:

Sequence (chui nh) : gm nhiu nhm nh GOP, c chc nng l dng bt video.

GOP (Group of Picture ): gm t 1- n nh bt u bng nh I, c chc nng l n v truy xut.

Picture I, P, B: gm nhiu Slice, chc nng l n v m ho c bn.

Slice : gm nhiu cc Macro Block, l n v ti ng b phc hi li.

Macro-Block : gm 16 x 16 pixel, l n v b chuyn ng.

Block : gm 8 x 8 pixel, l n v tnh DCT.

Bng 2: Tham s theo tiu chun MPEG -1: Tham sc im

Tn hiu m ho

Cu trc ly mu

Kch thc nh ti a(im nh x im nh)

Biu din mu

chnh xc ca qu trnh lng t ho v bin i DCT

Phng php lng t ho h s DCT

Cu trc khi trong qu trnh lng t ho thch nghi

chnh xc cc i ca h s DC

Bin i RLC

Bng VLC

H s cn bng cc khi

B chuyn ng

Qut

chnh xc d on chuyn ng

Tc khi nnTn hiu m ho

4:2:0

4095 x 4095

8 bt

9 bt

DPCM tuyn tnh

16 x 16 bt

8 bt

M Huffman

Khng th truyn ti

C th bin i

Trong khung hnh v gia cc khung hnh

Tun t

im nh

Tc khi nn 1.85 Mb/s cho nn tham s

100 Mb/s cho dng y tham s

MPEG-1 khng thc s nh ngha thit k mt b m ha, thay vo chun ny m t c php m ha v b gii m tham kho gi thuyt.

ng dng

MPEG-1 ng dng trong thit k CD chy m thanh, trnh chiu video, truyn hnh cp/v tinh k thut s Ngoi ra, MPEG-1 thng c s dng l tiu chun cho a quang VCD

2) MPEG-2Tiu chunThe Moving Picture Experts Group Phase 2(MPEG-2) nh dng m thanh (audio), phim nh (video) MPEG-2 l mt tiu chun cho truyn hnh k thut s thuc h tiu chun MPEG dng m ha lung d liu m thanh, phim nh.MPEG-2 c cng bthnh tiu chunISO/IEC 13818,gm 11 phn nhbng di y:STTTiu chunNm cng b ln th nhtNm cp nht mi nhtCh

Phn 1ISO/IEC 13818-119962013H thng h tr phng thc m ha kt hp phim nh v m thanh

Phn 2ISO/IEC 13818-219962013Phng php biu din d liu phim nh m ha v quy trnh gii m theo yu cu khi phc nh

Phn 3ISO/IEC 13818-319951998Phng php m ha d liu m thanh

Phn 4ISO/IEC 13818-419982009Th tc kim th tnh tng thch

Phn 5ISO/IECTR1381819972005M phng phn mmngn ng C ca b m ha v gii m

Phn 6ISO/IEC 13818-619981998Cc m rngcho yu cu v iu khin phng tin lu tr s (Digital Storage Media Command and Control - DSM-CC)

Phn 7ISO/IEC 13818-719972006Tiu chun m ha m thanh nng cao

Phn 8

( b thu hi)M rng phim nh 10-bt, ng dng chnh l phim nh trong studio (xng phim)

Phn 9ISO/IEC 13818-919961996M rng giao din thi gian thccho cc b gii m h thng

Phn 10ISO/IEC 13818-1019991999M rng tng thch choDSM-CC

Phn 11ISO/IEC 13818-1120042004Qun l s hu tr tu

Tiu chun MPEG-2 l m rng ca MPEG-1 c s vi mc tiu cung cp nn c cht lng cao cho vic truyn phim nh, c th l to ra hnh nh cht lng cao hn MPEG-1 tc bt (bit rate) cao hn (t 3 - 10 Mbps), tuy nhin ti tc bt thp(