Bài giảng Truyền thông đa phương tiện: Chương 2 - ThS. Trần Đắc Tốt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC
PHẨM TP.HCM

TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN
(Multimedia Communication)

Giảng viên: Ths. Trần Đắc Tốt – Khoa CNTT
Email:
Website: www.oktot.com
Facebook: />Chương 2: Đặc tính yêu cầu của dữ liệu đa phương tiện

1


MÔN HỌC: TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG
TIỆN
Chương 1: Tổng quan truyền thơng đa phương tiện
Chương 2: Đặc tính, u cầu của dữ liệu đa phương tiện

Chương 3: Các chuẩn nén dữ liệu đa phương tiện
Chương 4: Truyền dữ liệu đa phương tiện

Chương 5: Các ứng dụng truyền thông đa phương tiện

Chương 2: Đặc tính yêu cầu của dữ liệu đa phương tiện

2


CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH, YÊU CẦU CỦA DỮ
LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN

Khái quát các thiết bị đa phương tiện
Biểu diễn âm thanh số
Hệ thống video tương tự
Biểu diễn hình ảnh và video số
Đặc tả kỹ thuật màu sắc
Các đặc tính chính và yêu cầu của thông tin đa phương tiện
Chất lượng của dịch vụ truyền thông đa phương tiện

Chương 2: Đặc tính yêu cầu của dữ liệu đa phương tiện

3


MỤC ĐÍCH – U CẦU
Mục đích:
Giới thiệu các thiết bị đa phương tiện
Các đặc tính cơ bản và các yêu cầu của các hệ thống âm thanh,
hình ảnh, video số.
Khái niệm, ứng dụng và phân loại các hệ thống đa phương tiện
(Multimedia system).
Yêu cầu: Sinh viên nắm vững các khái niệm cơ bản về
Thiết bị đa phương tiện
Cách biểu diễn, Các đặc tính cơ bản của thơng tin đa phương
tiện: âm thanh, hình ảnh, video.
Các yêu cầu của hệ thống đa phương tiện.
Chương 2: Đặc tính yêu cầu của dữ liệu đa phương tiện

4

CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH, YÊU CẦU CỦA DỮ
LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN
Khái quát các thiết bị đa phương tiện
Biểu diễn âm thanh số
Hệ thống video tương tự
Biểu diễn hình ảnh và video số
Đặc tả kỹ thuật màu sắc
Các đặc tính chính và yêu cầu của thông tin đa phương tiện
Chất lượng của dịch vụ truyền thông đa phương tiện

Chương 2: Đặc tính yêu cầu của dữ liệu đa phương tiện

5


Khái quát các thiết bị đa phương tiện
Thiết bị lưu trữ số liệu
Các loại đĩa
CD/DVD

HDD
Thiết bị tương tác
CD-I, DVI
Thiết bị ngoại vi và card mở rộng
Graphic

Video
Sound
Thiết bị đồng bộ
Chương 2: Đặc tính yêu cầu của dữ liệu đa phương tiện

6


Khái quát các thiết bị đa phương tiện
Thiết bị tín hiệu liên tục (analog)
Sources

Destinations

Filters

Microphone

Speaker

Analog video effects device

Video camera

Video display

Analog video effects device

Video tape player

Video tape recorder

Audio mixer

Audio tape player

Audio tape recorder

Video scan converter

Videodisc player
Photographic camera
Chương 2: Đặc tính yêu cầu của dữ liệu đa phương tiện

7


Khái quát các thiết bị đa phương tiện
Thiết bị số
Capture

Presentation

ASCII keyboard

Display

MIDI keyboard

MIDI synthesizer

Audio encoder or decoder

Image scanner

Printer

Image encoder or decoder

3D digitizer
Video frame grabber

3D graphic hardware
Framebuf, adapter

Video digitizer
Audio digitizer

Processing

Video encoder or decoder
Digital video effects device

Audio Digital-to-Analog
Converter

Chương 2: Đặc tính yêu cầu của dữ liệu đa phương tiện

Digital audio effects device
8


CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH, YÊU CẦU CỦA DỮ
LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN

Khái quát các thiết bị đa phương tiện
Biểu diễn âm thanh số
Hệ thống video tương tự
Biểu diễn hình ảnh và video số
Đặc tả kỹ thuật màu sắc
Các đặc tính chính và yêu cầu của thông tin đa phương tiện
Chất lượng của dịch vụ truyền thông đa phương tiện

Chương 2: Đặc tính yêu cầu của dữ liệu đa phương tiện

9


Biểu diễn âm thanh sớ
Đặc tính cơ bản của tín hiệu âm thanh
Âm thanh là các dao động cơ học của các phân tử khơng khí và lan trùn
trong khơng khí, va đập vào màng nhĩ, làm rung màng nhĩ và kích thích
bộ não.
Âm thanh, giống như nhiều sóng, được đặc trưng bởi tần số, biên độ và
vận tốc lan truyền (tốc độ âm thanh).
Đối với thính giác của người, âm thanh nghe được thường là sự dao động,
trong dải tần số từ khoảng 20 Hz đến khoảng 20 KHz.
Biên độ âm thanh thay đổi rất lớn (ở tần số 1 KHz):
Từ 0.000283 dyne/cm2 đến 0.000283 x 106 dyne/cm2.

Cận dưới: 0 dB ~ 0.000283 dyne/cm2
dB= 20log10(X/Y)
Cận trên: 100dB – 120dB
Chương 2: Đặc tính yêu cầu của dữ liệu đa phương tiện

10


Biểu diễn âm thanh sớ
Biểu diễn sớ của âm thanh
Sóng âm liên tục sẽ được biến đổi thành tín hiệu điện liên tục nhờ
microphone.
 Tín hiệu điện này đo bằng volt, ta gọi là tín hiệu tương tự (analog
signal).
 Để máy tính có thể xử lý và trùn tín hiệu âm thanh, tín hiệu điện
liên tục phải được biến đổi thành tín hiệu số (digital signal).
 Ba giai đoạn trong biến đổi từ tín hiệu tương tự ra tín hiệu số (ADC:
Analog to Digital Converter):
 Lấy mẫu (sampling)

 Lượng hoá (quantization)
 Mã hố (coding)
Chương 2: Đặc tính u cầu của dữ liệu đa phương tiện

11


Biểu diễn âm thanh sớ

Ch̃i giá trị sớ hóa

001

011

100

100

010

001

011

110

110

Hình 2.1: Q trình chuyển đổi tín hiệu từ dạng tương tự ra dạng số
Chương 2: Đặc tính yêu cầu của dữ liệu đa phương tiện

12


Biểu diễn âm thanh số
Lấy mẫu: Sự biến đổi thời gian liên tục thành các giá trị rời rạc
được gọi là lấy mẫu (sampling)
Trục thời gian được chia thành những khoảng cố định, giá trị của biên độ

tín hiệu được đọc tại thời điểm bắt đầu của thời khoảng.
Thời khoảng này được xác định một xung đồng hồ. Tần số của xung đồng
hồ được gọi là tốc độ lấy mẫu hay tần số lấy mẫu.
Mạch điện thực hiên việc này gọi là mạch lấy mẫu và dừng.
Mỗi điểm dừng lấy mẫu ứng với một giá trị của biên độ; Ta có một dãy

nhiều giá trị liên tục, nhưng rời rạc theo thời gian; Mỗi thời khoảng, mẫu
chỉ có một giá trị.
Chương 2: Đặc tính yêu cầu của dữ liệu đa phương tiện

13


Biểu diễn âm thanh sớ
Lượng hố: Sự biến đổi các giá trị mẫu liên tục thành các giá trị rời rạc
được gọi là lượng hố (quantization)
Trong q trình xử lý này ta chia dãy tín hiệu thành các số cố định của

các thời khoản, mỗi thời khoảng bằng nhau và được gán một số.
Mỗi mẫu có một số giới hạn các giá trị chọn lựa. Trong hình 2.1 (c) mỗi
thời khoảng có thể có nhiều giá trị và được gán một giá trị duy nhất (số
nguyên từ 0 đến 7).
Ví dụ: Trong hình 2.1 (c) hai thời khoản cuối cùng đều có giá trị là 6.
Kích thước (khoảng) giá trị trong một thời khoảng gọi là bước lượng hoá
(quantization step).
Chương 2: Đặc tính yêu cầu của dữ liệu đa phương tiện

14


Biểu diễn âm thanh sớ
Mã hố: Q trình biểu diễn lượng giá trị bằng số được gọi là mã hoá
(coding)
Trong ví dụ, 8 mức lượng hố được dùng. Các mức được mã hoá bằng 3
bit trong hệ thống số nhị phân.
Nếu tốc độ lấy mẫu và số mức lượng hoá đủ lớn thì tín hiệu số được biểu

diễn bằng đường bao tín hiệu góc.
Khi cần tái tạo tín hiệu tương tự từ dữ liệu số, một bộ chuyển đổi từ số
sang tương tự (DAC: Digital to Analog Converter) được sử dụng.
Các giá trị lượng hoá được xác định trên cơ sở số mức lượng hố. Các tín
hiệu này đi qua bộ lọc thấp qua (low-pass filter) để tái tạo gần đúng tín
hiệu góc.
Ngun lý của ADC và DAC đã mơ tả cũng được áp dụng cho video và các
tín hiệu khác.
Chương 2: Đặc tính yêu cầu của dữ liệu đa phương tiện

15


Biểu diễn âm thanh số
Biểu diễn số của âm thanh

Chuỗi giá trị số(a)
Bước tính hiệu(b)

Tín hiệu góc được
phục hồi sau khi
qua bộ lọc thấp tần(c)
Hình 2.2: Quá trình chuyển đổi tín hiệu từ dạng số ra dạng tương tự
Chương 2: Đặc tính yêu cầu của dữ liệu đa phương tiện

16


Biểu diễn âm thanh sớ
Trong q trình biến đổi ADC quan trọng nhất là chọn tốc độ lấy mẫu và số

mức lượng hố, trong các loại tín hiệu tương tự khác nhau và trong các ứng
dụng khác nhau.
Xác định tốc độ lấy mẫu: Tốc độ lấy mẫu phụ thuộc vào tần số của tín
hiệu tương tự mà ta muốn biến đổi.
Theo lý thuyết Nyquist, nếu một tín hiệu tương tự có tần số f thì tần số
mẫu nhỏ nhất phải là 2f.
Nếu tần số lấy mẫu chính xác bằng 2f, ta nói là lấy mẫu tới hạn. Trong
thực hành tốc độ mẫu phải lớn hơn 2f.
Ví dụ: Tốc độ lấy mẫu CD audio là 44.1 kHz, và băng audio kỹ thuật số là 48
kHz để thể hiện âm thanh tần số 20 kHz.
Tần số tiếng nói trong khoảng 3.1 kHz. Biến đổi tín hiệu tiếng nói tín hiệu
số ta dùng tốc độ lấy mẫu là 8 kHz.
Chương 2: Đặc tính yêu cầu của dữ liệu đa phương tiện

17


Biểu diễn âm thanh sớ
Nếu tần số của tín hiệu tương tự lớn hơn 1/2 tần số lấy mẫu thì tần số của
tín hiệu bị giảm đi nhỏ thua hoặc bằng 1/2 tần số lấy mẫu khi đi qua bộ lọc
thấp qua.
(a) 8kHz
(b) 6kHz
(c)
Lượng hóa
(d) 2kHz

Hình 2.3: Tín hiệu ngã vào tần số lớn hơn 1/2 tần số lấy mẫu sinh ra một tín
hiệu răng cưa có tần số khác và thấp hơn
Hiện tượng này gọi là hiện tượng răng cưa (aliasing): Vấn đề nghiêm trọng

đối với các hệ thống dùng cơ chế lấy mẫu khi tín hiệu có tần số lớn hơn 1/2
tần số lấy mẫu.

Chương 2: Đặc tính yêu cầu của dữ liệu đa phương tiện

18


Biểu diễn âm thanh sớ
Xác định sớ mức lượng hố: Số mức lượng hoá dùng để xác định một
cách trung thực biên độ của tín hiệu số so với tín hiệu tương tự gốc.
Sự khác biệt tối đa giữa giá trị lượng hố và giá trị tín hiệu tương tự gốc
gọi là bước lượng hố. Sự khác biệt này cịn được gọi là lỗi lượng hoá hay
nhiễu lượng hoá.
Số mức lượng hố càng lớn thì bước lượng hố càng nhỏ và kéo theo
nhiễu lượng hoá càng nhỏ.

Số các mức lượng hố xác định số bít cần thiết để biểu diễn mẫu và được
xác định bởi công thức:

b = log2Q

,

Q = 2b

Trong đó: b: số bit cần thiết để biểu diễn, Q: số mức lượng hố.

Chương 2: Đặc tính u cầu của dữ liệu đa phương tiện

19


Biểu diễn âm thanh sớ
Xác định sớ mức lượng hố: Số mức lượng hoá dùng để xác định một
cách trung thực biên độ của tín hiệu số so với tín hiệu tương tự gốc.
Mối quan hệ giữa chất lượng tín hiệu số hố và tín hiệu tương tự gốc đo
bằng hệ số nhiễu tín hiệu (SNR - Signalto-noise ratio) tính bằng dB được
định nghĩ bởi:
SNR=20log10(S/N).
Với S: biên độ cực đại của tín hiệu, N: nhiễu lượng hố.
Nếu lấy bước lượng giá là q thì N = q và S = 2bq Thay vào biểu thức:
SNR = 20log10(2bq/q) = 20b log10(2) = 6b
Ta thấy nếu dùng thêm 1 bit để biểu diễn các mẫu làm gia tăng
hệ sớ nhiễu tín hiệu là 6 dB.
Chương 2: Đặc tính yêu cầu của dữ liệu đa phương tiện

20


Biểu diễn âm thanh sớ
Xác định sớ mức lượng hố: Số mức lượng hoá dùng để xác định một
cách trung thực biên độ của tín hiệu số so với tín hiệu tương tự gốc.
Chúng ta xem xét trường hợp âm thanh bắt đầu nghe được và âm thanh
cực đại trong cùng ngữ cảnh.
 Nhiễu lượng giá phải nhỏ hơn âm thanh bắt đầu nghe được
 Trong trường hợp âm thanh cực đại (100 dB – 120 dB). Để không
nghe nhiễu lượng hố thì SNR ≥ 100 dB.
 CD audio dùng 16 bit cho mẫu lượng hố SNR = 96dB nó nhỏ hơn cận
dưới mà ta mong muốn (100 dB đến 120 dB).

 Tuy nhiên 16 = 24 dễ thao tác và xử lý trong các hệ thống số. Do vậy
người ta dùng 16 bít thay cho 17 bit.
Tóm lại âm thanh số cần được lấy mẫu liên tục với tốc độ cố định, mỗi
mẫu được biểu diễn bằng một số bit cố định.
Chương 2: Đặc tính yêu cầu của dữ liệu đa phương tiện

2121


Biểu diễn âm thanh số
Ứng dụng
Số kênh
Tốc độ
CD-audio
2
44100
DAT
2
48000
Digital telephone
1
8000
Digital radio, long
2
32000
play DAT
Bảng 2.1: Đặc tính chung của âm thanh số

Số bit
16

16
8
16

Lượng hoá phi tuyến (Nonlinear quantatization) làm rút gọn lượng dữ liệu
biểu diễn âm thanh số, vậy với cùng lượng dữ liệu có thể biểu diễn âm
thanh với chất lượng cao hơn.
Lượng hố phi tún chính là kỹ thuật nén dữ liệu mà chúng ta sẽ khảo sát
chi tiết trong bài 3.
Chương 2: Đặc tính yêu cầu của dữ liệu đa phương tiện

2222


CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH YÊU CẦU CỦA DỮ
LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN
Khái quát các thiết bị đa phương tiện
Biểu diễn âm thanh số
Hệ thống video tương tự
Biểu diễn hình ảnh và video số
Đặc tả kỹ thuật màu sắc
Các đặc tính chính và yêu cầu của thông tin đa phương tiện
Chất lượng của dịch vụ truyền thông đa phương tiện

Chương 2: Đặc tính yêu cầu của dữ liệu đa phương tiện

23


Hệ thống video tương tự

Trong phần này chúng ta mô tả các khái niệm và kỹ thuật cơ bản được sử
dụng trong các hệ thống video tương tự.
Các khái niệm này chủ yếu để hiểu cách dùng và biểu diễn kỹ thuật số của
video trong các hệ thống đa phương tiện.

Chương 2: Đặc tính yêu cầu của dữ liệu đa phương tiện

24


Hệ thớng video tương tự
Thu hình và phát hình của hình ảnh và video: Hình ảnh được thu bằng
cách sử dụng máy thu hình (camera)
Hệ thống thấu kính sẽ tập trung hình ảnh đến bề mặt cảm quang của bộ
cảm biến bên trong camera.
Trên bề mặt lớp cảm biến, độ sáng của một điểm ảnh được biến đổi
thành dòng điện bởi tế bào quang điện.

Chương 2: Đặc tính yêu cầu của dữ liệu đa phương tiện

25