Ứng dụng kỹ thuật mã hóa video h 265 HEVC xây dựng hệ thống truyền hình số tại tỉnh quảng ngãi

Đ IăH CăĐĨăN NG
TR

NGăĐ IăH CăS ăPH M

VẪăNG CăTU N

NGăD NGăK ăTHU TăMẩăHịAăVIDEOăH.265/HEVC
XÂYăD NGăH ăTH NGăTRUY NăHỊNHăS
T IăT NHăQU NGăNGẩI

LU NăVĔNăTH CăSƾăH ăTH NGăTHỌNGăTIN

ĐƠăN ng - Nĕmă2019


Đ IăH CăĐĨăN NG
TR

NGăĐ IăH C S ăPH M

VẪăNG CăTU N

NGăD NGăK ăTHU TăMẩăHịAăVIDEOăH.265/HEVC
XÂYăD NGăH ăTH NGăTRUY NăHỊNHăS
T IăT NHăQU NGăNGẩI

ChuyênăngƠnh:ăH ăth ngăthôngătin
Mưăs :ă848.01.04

LU NăVĔNăTH CăSƾă

NG

IăH

NGăD NăKHOAăH C

PGS-TSKH.ăTR NăQU CăCHI N

ĐƠăN ng- nĕm 2019



D� tai: NG D)NG KY THU�T MA HOA VIDEO H.265/HEVC
XAY DNG Ht THONG TRUYEN HINH SO T-1 TINH QUANG NG.I.
H9c vien: Vo NgQc Tu§n

Chuyen nganh: H� Th6ng Thong Tin

Ma s6: 60.48.01.04

Kh6a: K34, D�i hQc Str phlm

Tom tlt- Cac ky thu�t ma h6a nen video da dtr'C phat triSn va cai thi�n trong nhiSu th�p ky dS giam thiSu
dung luqng video, giup cho vi�c truySn d�n video qua m�ng truySn thong don gian hon. Hi�n nay,
H.264/A vc la tieu chuin nen ma h6a video dtr'C S' d,mg ph6 bi€n tren toan th€ gi6i Tuy nhien, nhu cAu vs
video chrt lu9ng cao hon, t6c dQ khung hlnh cao han, chu1g h�n nhu video HD, UltraH, 4K va 8K, thi
H.264/AVC v�n chua c6 kha nang nen t6t nhit. Vl v�y, m9t chu§n nen video m&i H.265/HEVC da duqc
phat triSn, khong chi co kha nang ma hoa t6t nhilng video co do phan giai cao ma con giam duqc dung luqng
video ma hoa m>t nua so v6i chuin nen H.264/ AVC.

Tim hiSu lich SU phat triSn cua chu§n H.265/HEVC va cac san ph§n lien quan d€n chu§n nen nay, di€u nay
n6i Jen tfnh kha nang thay th€ trong tuang lai d6i v&i chuin nen ti€n nhi�m H.264/AVC. Phan tfch ca ban
cac khau quan tr9ng trong kT thu�t nen tin hi�u video H.265/HEVC tren ca so vua phan tfch vua so sanh v&i
chuin nen ti€n nhi�m H.264/AVC. Vi�c phan tfch va so sanh chuin nen H.264/AVC va H.265/HEVC dS
thry ro cac diSm n6i tr>i han cua chuin nen va nherng cai tiin m&i cua chuAn nen moi, la n€n tang trong
phan tfch phan tfch danh gia va so sanh duqc ro rang hon. Trong chuong 3, D1,1a tren ca so h� tAng s�n c6
cua h� th6ng DVB-T2 phat s6ng s6 m�t drt t�i Dai phat thanh va truy€n hlnh Quang Ngai ( PTQ) dang su
di,mg chu§n nen H.264/AVC, xay d1,1ng mo hlnh nang crp thay th€ bing chuin nen m&i H.265/HEVC vao
trong h� th6ng s�n c6 theo hu6ng: Ti€t ki�m chi phi thay th€ va nang crp ma khong anh hu6ng nhi€u d€n
quy ho�ch phu s6ng s6 da d?t ra. >6ng thoi th[ nghi�m tren thiit bi thvc ti va do cac thong s6 va quan sat
chrt lu9ng hlnh anh th1,1c t� qua cac thi�t bi thfr nghi�m. Tac gia da t6m Hit k€t qua d�t duqc va dua ra hu6ng
phat triSn ti�p theo.
Tr h6a- ma h6a nen tien ti€n H.264/AVC; Ma h6a hi�u suit cao H.265/HEVC; s6 m�t drt DVB-T2; truy€n
hlnh s6 do phan giai cao HDTV; Dai phat thanh va truySn hlnh Quang Ngai PTQ (5

Xac nh�n cua giao vien hu6ng d�n

tu kh6a).

Nguai thµc hi�n t€ tai

/

-r�

�

, �

Name of thesis: APPLICATION OF H.265 I HEVC (HIGH EFFICIENCY VIDEO CODING)
TECHNIQUE TO BUILD DIGITAL TELEVISION SYSTEM IN QUANG NGAI PROVINCE.
Full name of Master student : VO NGOC TUAN

Major : Inormation System

Supervisors: PGS.TSKH. TRAN QUOC CHIEN
Training institution: Pedagogical University
Abstract- Video coding techniques have been developed and improved over the years to reduce video
capacity, making video transmission over the network simpler. At present, H.264 I AVC is the video coding
standard widely used in the world. However, with the demand or higher quality video, higher frame rates,
such as HDTV video, UltraH, 4K and 8K, H.264 I AVC still does not have the best compression. So a new
H.265 I HEVC video compression ormat has been developed not only to encode high-deinition video but
also to reduce the video encoding capacity by a half compared to H. 264/AVC video compression.
Studying the development history of the H.265/EVC standard and its related products would lead to a
possibility of uture replacement or the H.264/AVC compression standard, which is in widespread use
today. Basic analysis of the key aspects of H.265/HEVC video compression technology is based on both
analytical and comparative H.264/AVC compression. The analysis and comparison of the H.264/AVC and
H.265/HEVC compression standards aims at showing the highlights and enhancements of the new
compression standard. It is the foundation or analyzing and evaluating video coding perormance in Chapter
4. In chapter 3, Based on the existing infrastructure of the terrestrial DVB-T2 syste.m at Quang Ngai Radio
and Television (PTQ) is using H.264 I AVC compression standard, the upgrade model is replaced by the new
H.265 I HEVC standard in the existing system in such a way that cost saving and code upgrade do not afect
Jhe digital coverage planning. At the same time, practical experiments and measurement of parameters and
visual observation of actual images were carried out through the test equipments. The author has summarized
the results achieved and proposed recommendations for urther development.Key words- Advance Video
Coding 1264/AVC; High Eiciency Video Coding H.265/HEVC; Terrestrial broadcasting system DVB-T2.
high-deinition digital television HDTV; Quang Ngai Radio and Television PTQ (5 keywords).
Supervior's confirmation

Student


iv

M CăL C
L IăCAMăĐOAN ........................................................................................................... i
TịMăT TăĐ ăTĨIăB NGăHAIăNGỌNăNG ăTI NGăVI TăiiVĨăTI NGăANH ..ii
M CăL C ..................................................................................................................... iv
DANHăM CăCÁCăKụăHI U,ăCÁCăCH ăVI TăT T ............................................vii
DANHăM CăCÁCăB NG............................................................................................ ix
DANHăM CăCÁCăHỊNH ............................................................................................. x
MỞăĐ U ......................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................ 1
2. Mục đích nghiên c u .......................................................................................... 1
3. Đối t ợng và ph m vi nghiên c u ...................................................................... 2
4. Ph ơng pháp nghiên c u .................................................................................... 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn c a đề tài nghiên c u ......................................... 2
6. Bố cục luận văn................................................................................................... 2
CH
NGă1.ăT NGăQUANăV ăTRUY NăHỊNHăS ăVĨăC ăSỞăNÉNăVIDEO ... 4
1.1. Tổng quan về hệ thống truyền hình số ..................................................................... 4
1.1.1. Giới thiệu chung ........................................................................................... 4
1.1.2. Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình số ...................................................... 4
1.1.3. Đặc điểm truyền hình số ............................................................................... 5
1.1.4. Quá trình số hóa tín hiệu ............................................................................... 6
1.1.5 Tốc độ bit và độ rộng băng thơng .................................................................. 7
1.1.6. Q trình biến đổi và tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu màu. ............................... 8
1.2. Nén tín hiệu video .................................................................................................... 9
1.2.1. Các kỹ thuật nén tín hiệu video .................................................................... 9

1.2.2. Tỷ số nén tín hiệu video ................................................................................ 9
1.2.3. Phân lo i kỹ thuật nén tín hiệu video.......................................................... 10
1.2.4. Biến đổi cosin r i r c .................................................................................. 10
1.2.5. Q trình l ợng tử hóa ................................................................................ 11
1.2.6. Tiêu chuẩn đánh giá tín hiệu video ............................................................. 12
1.3. Mơ hình cấu trúc DVB-T2 ..................................................................................... 12
CH
NGă2. CÁCăK ăTHU TăMẩăHịAăVIDEO ................................................. 15
2.1. Lịch sử phát triển các chuẩn nén và sự phát triển các s n phẩm liên quan đến mư
hóa H.265/HEVC........................................................................................................... 15
2.1.1. Lịch sử phát triển ........................................................................................ 15
2.2. Kỹ thuật mư hóa video H.264/AVC ....................................................................... 17
2.2.1. Sơ đồ mư hóa và gi i mư chuẩn H.264/AVC .............................................. 17


v
2.2.2. Cấu trúc H.264/AVC .................................................................................. 18
2.3. Kỹ thuật mư hóa video H.265/HEVC ..................................................................... 20
2.3.1. Sơ đồ mư hóa và gi i mư chuẩn H.265/HEVC ........................................... 20
2.3.2. Các profiles và level ................................................................................... 20
2.3.3. Phân vùng nh ............................................................................................. 22
2.3.3.1. Phân vùng nh m c cao .................................................................................... 22
2.3.3.2. Các tập tham số trong H.265/HEVC ................................................................ 24
2.3.3.3. Cấu trúc khối và phân vùng các khối nh ........................................................ 25
2.3.4. Biến đổi và l ợng tử hóa ............................................................................ 27
2.3.5. Các chế độ dự đốn ..................................................................................... 30
2.3.5.1. Chế độ dự đoán trong nh ................................................................................ 31
2.3.5.2. Chế dự đoán liên nh ........................................................................................ 32
2.3.6. In-loop Filtering .......................................................................................... 33
2.3.7. Mã hóa Entropy .......................................................................................... 35

2.4. So sánh, đánh giá những đặc điểm cơ b n H.264/AVC và H.265/HEVC ............. 36
2.4.1. So sánh phân vùng hình nh - cấu trúc mư hóa nh ................................... 36
2.4.2. So sánh dự đoán trong nh .......................................................................... 36
2.4.3. So sánh dự đoán liên nh ............................................................................ 37
2.4.4. So sánh biến đổi và l ợng tử hóa................................................................ 38
2.4.5. So sánh mã hóa Entropy ............................................................................. 38
2.4.6. So sánh In-loop Filtering ............................................................................ 39
2.4.7. Cấu trúc xử lí song song ............................................................................. 39
2.4.8. Tóm tắt so sánh kỹ thuật mư hóa H.265/HEVC và H.264/AVC ................ 39
CH
NGă3. NGăD NGăK ăTHU TăMẩăHịAăH.265/HEVC XÂYăD NGăH ă
TH NGăTRUY NăHỊNHăS .................................................................................... 42
3.1. Hệ thống truyền dẫn số mặt đất DVB-T2 hiện nay ................................................ 42
3.2. Gi i pháp đề xuất và hiệu qu c a áp dụng mư hóa H.265/HEVC ........................ 44
3.2.1. Gi i pháp đề xuất ........................................................................................ 44
3.2.2. Hiệu qu đ t đ ợc ....................................................................................... 45
3.3. Xây dựng hệ thống DVB-T2 trên kỹ thuật mư hóa H.265/HEVC ......................... 46
3.3.1. Mơ hình tr m phát sóng DVB-T2 sử dụng H.265/HEVC .......................... 46
3.3.2. Một số thiết bị mư hóa nguồn sử dụng mư HEVC ...................................... 48
3.4. Phân tích, so sánh đánh giá khách quan kết qu ng dụng .................................... 48
3.4.1. Thiết lập các điều kiện để thực hiện ........................................................... 48
3.4.2. Phân tích kết qu đánh giá khách quan ....................................................... 52
3.5. Kết qu ng dụng mơ hình DVB-T2 với H.265/HEVC trong thực tế ................... 61
3.5.1. Thiết bị và mơ hình thử nghiệm.................................................................. 61


vi
3.5.2. Tín hiệu vào kiểm tra .................................................................................. 62
3.5.3. Thiết lập cấu hình ....................................................................................... 62
3.5.4. Kết qu thử nghiệm và nhận xét ................................................................. 63

K TăLU NăVĨăKI NăNGH ..................................................................................... 65
DANHăM CăTĨIăLI UăTHAMăKH O
QUY TăĐ NHăGIAOăĐ ăTĨIăLU NăVĔNă(B năsao)


vii

DANHăM CăCÁCăKụăHI U,ăCÁCăCH ăVI TăT T
AMP
AMVP
AVC
CABAC
CAVLC
CB
CTB
CTU
CU
DCT
DF
DST
DVB-T2
EPZS
GOP
HDTV
HEVC
LF
MB

: Đa xử lý không đối x ng
Asymmetric motion partition

: Dự đoán vecto chuyển động nâng cao
Advanced MV prediction
: Nén video
Advance Video Coding (H.264/AVC)
: Mư hóa sơ học nhị phân thích nghi nội dung
Context-adaptive binary arithmetic coding
: Mư hóa độ dài thay đổi thích ng bối c nh
Context-adaptive Variable Length Coding
: Khối mư hoá
Coding Block
: Khối mư hóa cây
Coding Tree Block
: Đơn vị mư hóa cây
Coding Tree Unit
: Đơn vị mư hóa
Coding Unit
: Biến đổi Cosin r i r c
Discrete Cosine Transform
: Bộ lọc tách khối
Deblocking filter
: Biến đổi sin r i r c
Discrete Sine Transform
: Chuẩn truyền hình số thế hệ 2
: Tìm kiếm khu vực dự đốn nâng cao
Enhanced predictive zonal search
: Nhóm nh
Group Of Pictures
: Truyền hình độ phân gi i cao
high-definition television
: Mư hóa video hiệu suất cao

High Efficiency Video Coding
: Bộ lọc vòng
Loop filtering
: Đa khối


viii

MC
ME
MOS
MPEG
MV
NAL
PB
PU
QP
SAO
PTQ
TB
TCOEFF
TU
UHDTV
VCL
VTV
WPP

Macroblock
: Bù chuyển động
Motion Compensation

: Dự đoán chuyển động
Motion estimation
: Ý kiến đánh giá trung bình
Mean Opinion Score
: Nhóm chun gia về nh động
Moving Picture Experts Group
: Vecto chuyển động
Motion vectors
: Lớp trừu t ợng mư hóa m ng
Network Abstract Layer
: Khối dự đoán
Prediction Block
: Đơn vị dự đoán
Prediction Unit
: Thơng số l ợng tử
Quantization Parameter
: Bù thích ng mẫu
Sample-adaptive offset
: Đài truyền hình Qu ng Ngưi
: Khối biến đổi
Transform Block
: Hệ số chuyển đổi
Transform domain coefficients
: Đơn vị biến đổi
Transform Unit
: Truyền hình độ phân gi i siêu cao
Ultra high-definition television
: Lớp mư hóa video
Video Coding Layer
: Truyền hình Việt Nam

: Kỹ thuật xử lý song song sóng tr ớc
Wave-front Parallel Processing


ix

DANH M C CÁC B NG
S ăhi uă

Tênăb ng

b ng

Trang

2.1.

Các lo i slice mư hóa trong H264/AVC

19

2.2.

Giới h n level trong H.265/HEVC

21

2.3.

Kích th ớc nhóm l ỡng tử hóa cho kích th ớc CTU khác nhau

28

2.4.

Giá trị EdgeIdx đ ợc liệt kê trong bộ lọc SAO edge

35

2.5.

So sánh kỹ thuật dự đốn trong nh H.264/AVC và H.265/HEVC

37

2.6.

2.7.

Kích th ớc khối bù chuyển động trong H.265/HEVC và
H.264/AVC
B ng tóm tắt so sánh một số kỹ thuật mư hóa H.265/HEVC và
H.264/AVC

38

40

3.1.

Bộ thơng số cho máy phát DVB T2

43

3.2.

Thông số bitrate ch ơng trình máy phát số DVB-T2

44

3.3.

So sánh Bitrate ch ơng trình HD máy phát số DVB-T2 Qu ng
Ngãi

46

3.4.

Thiết lâp cấu hình hai bộ mư hóa tham chiếu HM 16.7 và JM 19

49

3.5.

Chuỗi video tham chiếu kiểm tra

51

3.6.

B ng kết qu mư hóa AI video lo i B

54

3.7.

B ng kết qu mư hóa LDP video lo i A

56

3.8.

B ng kết qu mư hóa LDB video lo i A (1080p)

58

3.9.

B ng kết qu mư hóa RA video lo i A

60

3.10.

Tổng hợp kết qu l ợng tiết kiệm bit trong hai lo i mư hóa

60

3.11.

Thơng số dịng video 1080p HDTV

62

3.12.

Mơ hình thiết lập thử nghiệm đối với máy phát số mặt đất

62

3.13.

Kết qu cấu hình 1 thu đ ợc từ thiết bị đo R&S EFL340

63

3.14.

Kết qu cấu hình 2 thu đ ợc từ thiết bị đo R&S EFL340

63


x

DANHăM C CÁC HÌNH
S ăhi uă

Tên hình

hình

Trang

1.1.

Sơ đồ tổng qt hệ thống truyền hình số

5

1.2.

Q trình biến đổi tín hiệu màu

8

1.3.

Mơ hình cấu trúc cơ b n DVB-T2

12

1.4.

Khối giao th c T2-MI hệ thống DVB-T2

14

2.1.

Lịch sử phát triển các chuẩn nén

15

2.2.

Sơ đồ khối c a bộ mư hóa và gi i mư MPEG-4 H.264/AVC

17

2.3.

Sơ đồ khối c a bộ mư hóa và gi i mư H.265/HEVC

20

2.4.

Cấu trúc Slice c a một nh

22

2.5.

Các kiểu mư hóa slice khác nhau

22

2.6.

Cấu trúc tile c a một nh

23

2.7.

Cấu trúc WPP trong một slice

23

2.8.

Các tập tham số trong H.265/HEVC

24

2.9.

Phân vùng hình nh thành nhiều macro 16x16 và CTU 64x64

25

2.10.

Ví dụ về phân vùng CTU theo th tự chiều sâu

26

2.11.

Ví dụ về chia một CTB thành nhiều TBs

27

2.12.

Mối quan hệ giữa CU, PU và TU trong H.265/HEVC

27

2.13.

Sơ đồ tổng quát biến đổi và l ợng tử hóa block video (a). Encoder,
(b). Decoder

28

2.14.

Bộ dự đốn tính tốn QP trong H.265/HEVC

29

2.15.

I_PCM, lossless and transform skip modes in decoder

30

2.16.

Cấu trúc khối PU và các pixel lân cận sử dụng để dự đoán

31

2.17.

35 chế độ dự đoán trong intra prediction

31

2.18.

Sơ đồ tổng quát dự đoán inter trong H.265/HEVC

32

2.19.
2.20.

CU đ ợc mư hóa Inter có thể sử dụng phân chia chuyển động đối
x ng (4 kiểu) hoặc bất đối x ng (4 kiểu)
Ví dụ minh họa về hình nh tr ớc và sau khi qua bộ lọc SAOS

33
34


xi

S ăhi uă

Tên hình

hình
2.21.

Mơ hình định h ớng phân lo i mẫu EO: (a) Ngang, (b)dọc, (c)
đ

ng chéo 1350, và (d) đ

ng chéo 450.

Trang

34

2.22.

So sánh kích th ớc các Block c a H.264/AVC và H.265/HEVC

36

2.23.

Sự hiệu qu c a H.265 trong mư hóa đi đơi với sự ph c t p

39

3.1.

Mơ hình truyền dẫn số mặt đất DVB-T2

42

3.2.

Lộ trình phát triển cơng nghệ cốt lõi c a truyền hình số mặt đất

45

3.3.

Sơ đồ tổng quát nâng cấp tr m phát sóng DVB-T2 sử dụng mư hóa
H.265/HEVC

47

3.4.

Cấu trúc dự đốn chỉ có nh I

50

3.5.

Cấu trúc dự đốn Random Access

50

3.6.

Cấu trúc dự đốn Low-delay P và Low-delay B

51

3.7.

Kết qu mư hóa AI

53

3.8.

Kết qu mư hóa LDP

55

3.9.

Kết qu mư hóa LDB

57

3.10.

Kết qu mư hóa RA

59

3.11.

Mơ hình Thử nghiệm phát sóng số mặt đất DVB-T2 sử dụng mư
hóa nguồn H.265/HEVC.

61


1

MỞăĐ U
1.ăLýădoăch năđ ătƠi
Trong những năm gần đây khi mà lĩnh vực công nghệ và truyền thông ngày càng
phát triển, với sự phát triển m nh c a Internet toàn cầu thì việc truyền t i và l u trữ
video cũng ngày càng tr nên phổ biến hơn giúp cho việc phát triển c a dịch vụ truyền
hình cơng nghệ số với nhiều u điểm v ợt trội về số l ợng ch ơng trình, chất l ợng
tín hiệu, hiệu qu kỹ thuật và kinh tế đang nhanh chóng chiếm lĩnh thị tr ng, thay thế
dần kỹ thuật t ơng tự truyền thống.
Các kỹ thuật mư hóa nén video đư đ ợc phát triển và c i thiện trong nhiều thập
kỷ để gi m thiểu dung l ợng video, giúp cho việc truyền dẫn video qua m ng truyền
thông đơn gi n hơn. Hiện nay, H.264/AVC là tiêu chuẩn nén mư hóa video đ ợc sử
dụng phổ biến trên tồn thế giới. Tuy nhiên nhu cầu về video chất l ợng cao hơn, tốc
độ khung hình cao hơn thì H.264/AVC vẫn ch a có kh năng nén tốt nhất. Vì vậy một
chuẩn nén video mới H.265/HEVC đư đ ợc phát triển, khơng chỉ có kh năng mư hóa
tốt mà cịn có độ phân gi i cao và gi m đ ợc dung l ợng video mư hóa một nữa so với
chuẩn nén H.264/AVC.
Tìm hiểu lịch sử phát triển c a chuẩn nén H.265/HEVC và các s n phẩm liên
quan đến chuẩn nén này, điều này nói lên tính kh năng thay thế trong t ơng lai đối
với chuẩn nén tiền nhiệm H.264/AVC. Phân tích cơ b n các khâu quan trọng trong kỹ

thuật nén tín hiệu video H.265/HEVC trên cơ s vừa phân tích vừa so sánh với chuẩn
nén tiền nhiệm H.264/AVC. Việc phân tích và so sánh chuẩn nén H.264/AVC và
H.265/HEVC để thấy rõ các điểm nổi trội hơn c a chuẩn nén và những c i tiến mới
c a chuẩn nén mới, là nền t ng trong phân tích phân tích đánh giá và so sánh thấy rõ
ràng hơn. Dựa trên cơ s h tầng c a hệ thống DVB-T2 phát sóng số mặt đất đang sử
dụng chuẩn nén H.264/AVC, xây dựng mơ hình nâng cấp thay thế bằng chuẩn nén mới
H.265/HEVC vào trong hệ thống truyền hình số sẵn có t i Đài phát thanh và truyền
hình Qu ng Ngưi hiện nay theo h ớng: Tăng l ợng ch ơng trình, gi m dung l ợng l u
trữ, tiết kiệm chi phí trong cơng tác truyền dẫn và nâng cấp mư không nh h ng đến
quy ho ch ph sóng số đư đặt ra. Đây là lý do luận văn tập trung nghiên c u.
2.ăM căđíchănghiênăc u
Đề tài tập trung nghiên c u các vấn đề sau:
 Phân tích đánh giá kỹ thuật nén video và chuẩn nén H.265/ HEVC.
So sánh với chuẩn nén video H.264/AVC, đ a ra những u điểm c a chuẩn nén
H.265/HEVC.
 ng dụng H.265/HEVC xây dựng mơ hình truyền dẫn tín hiệu video
HDTV trong truyền hình số mặt đất DVB-T2 và đánh giá chất l ợng video thu
đ ợc qua hệ thống.


2
3.ăĐ iăt ngăvƠăph măviănghiênăc u
 Các chuẩn nén video và chuẩn nén H.265/HEVC, so sánh chuẩn nén
H.265/HEVC với chuẩn nén H.264/AVC đang sử dụng hiện nay.
 Chuẩn nén video H.265/HEVC trong hệ thống truyền hình số mặt đất DVBT2 t i Đài phát thanh và truyền hình Qu ng Ngưi.
 Đánh giá kết qu ng dụng
 Đánh giá chất l ợng hình nh thu đ ợc.
4.ăPh ngăphápănghiênăc u
Với các mục tiêu trên ph ơng pháp nghiên c u là kết hợp ph ơng pháp nghiên
c u lý thuyết và ph ơng pháp nghiên c u thực nghiệm để thực hiện đề tài theo các

b ớc sau:
 Nghiên c u lý thuyết các kỹ thuật mư hóa và gi i mư các lo i tín hiệu video.
 Phân tích và so sánh với chuẩn nén H.264/AVC và đ a ra những u điểm
c a chuẩn nén H.265/HEVC.
 ng dụng kỹ thuật nén H.265/HEVC xây dựng mơ hình truyền dẫn tín hiệu
video độ phân gi i cao qua hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2.
5.ăụănghƿaăkhoaăh căvƠăth căti năc aăđ ătƠiănghiênăc u
Ngày nay các kỷ thuật mư hóa nén video đư đ ợc phát triển và c i thiện trong
nhiều thập kỷ qua để khắc phục vấn đề này, gi m thiểu dung l ợng video, giúp cho
việc truyền dẫn qua m ng đơn gi n hơn. H.264/AVC là chuẩn nén tiên tiến đang sử
dụng phổ biến n ớc ta hiện nay. Tuy nhiên, nhu cầu chất l ợng video ngày càng cao,
tốc độ khung hình cao hơn, chẳng h n nh video HD, UltraHD, 4K và 8K thì chuẩn
nén H.264/AVC vẫn ch a hiệu qu . Vì vậy, một chuẩn nén video mới đư đ ợc phát
triển, nó khơng chỉ cung cấp mư hóa tốt video độ phân gi i cao mà còn gi m 50%
dung l ợng so với chuẩn nén H.264/AVC.
Việc phân tích đánh giá chuẩn nén H.265/HEVC có ý nghĩa quan trọng giúp
chúng ta gi m băng thông truyền phát video HD, Ultra-HD (4K, 8K) qua m ng
internet, qua vệ tinh và qua các dịch vụ truyền hình tr tiền, gi m dung l ợng l u trữ
và tăng l ợng ch ơng trình, tiết kiệm chi phí trong cơng tác truyền dẫn tín hiệu truyền
hình t i Đài phát thanh và truyền hình Qu ng Ngưi hiện nay.
6.ăB ăc călu năvĕn
CH
NGă1ă- T NGăQUANăV ăTRUY NăHỊNHăS ăVĨăC ăSỞăNÉN.
Ch ơng này giới thiệu nền t ng c a truyền hình số và nén tín hiệu video đồng
th i giới thiệu tổng quát hệ thống truyền hình số mặt đất đang ng dụng rộng rưi t i
Việt Nam là DVB-T2.
1.1.T ngăquanăv ăh ăth ngătruy năhìnhăs .
2.1.ăNénătínăhi uăvideo
3.1.ăMơăhìnhăc uătrúcăDVB-T2
Kết luận ch ơng 1

3
CH
NGă2ă- CÁCăK ăTHU TăMẩăHịAăVIDEO
Ch ơng này tìm hiểu lịch sử phát triển c a chuẩn H.265/HEVC và các s n phẩm
liên quan đến chuẩn nén này, điều này nói lên tính kh năng thay thế trong t ơng lai
đối với chuẩn nén tiền nhiệm H.264/AVC. Đồng th i đư tập trung tìm hiểu và phân
tích cơ b n các khâu quan trọng trong kỹ thuật nén tín hiệu video H.265/HEVC trên cơ
s vừa phân tích vừa so sánh với chuẩn nén H.264/AVC. Việc phân tích và so sánh
chuẩn nén H.264/AVC và H.265/HEVC để thấy rõ các điểm nổi trội c a chuẩn nén và
những c i tiến mới c a chuẩn nén mới H.265/HEVC.
2.1.ă L chă s ă phátă triểnă cácă chu nă nénă vƠă s ă phátă triểnă cácă s nă ph mă liênă
quanăđ nămưăhóaăH.265/HEVC
2.2.ăK ăthu tămưăhóaăvideoăH.264/AVC
2.3.ăK ăthu tămưăhóaăvideoăH.265/HEVC
2.4.ăSoăsánh,ăđánhăgiáănh ngăđặcăđiểmăc ăb năH.264ăvƠăH.256
Kết luận ch ơng 2
CH
NGă3ă- NGăD NGăK ăTHU TăMÃ HÓA H.265/HEVC
XÂYăD NGăH ăTH NGăTRUY NăHỊNHăS .
Dựa trên cơ s h tầng sẵn có c a hệ thống DVB-T2 phát sóng số mặt đất đang
sử dụng chuẩn nén H.264/AVC, xây dựng mơ hình nâng cấp thay thế bằng chuẩn nén
mới H.265/HEVC vào trong hệ thống sẵn có t i Đài phát thanh và truyền hình Qu ng
Ngãi.
3.1. H ăth ngătruy năd năs ămặtăđ tăDVB-T2ăhi nănay
3.2. Xơyăd ngăh ăth ngăDVB-T2ătrênăk ăthu tămưăhóaăH.265/HEVC
3.3. Phơnătích,ăsoăsánhăđánhăgiáăk tăqu ă ngăd ng
Kết luận ch ơng 3

4

CH

NGă1ă

T NGăQUANăV ăTRUY NăHỊNHăS ăVĨăC ăSỞăNÉNăVIDEO
1.1. T ngăquanăv ăh ăth ngătruy năhìnhăs
1.1.1. Giới thiệu chung
Ngày nay, cơng nghệ kỹ thuật số ngày càng thâm nhập sâu vào trong nhiều lĩnh
vực c a cuộc sống, nhiều ho t động c a con ng i sẽ không tồn t i nếu không có kỹ
thuật số và sự phát triển v ợt bậc c a nó nh hiện nay. Kỹ thuật xử lý tín hiệu số và
các thuật tốn nén tín hiệu hình nh ra đ i đư làm xuất hiện kỹ thuật truyền hình số.
Kỹ thuật truyền hình số ra đ i đư gi i quyết yêu cầu trên một cách triệt để. Nh ta đư
biết độ rộng băng tần c a một kênh truyền hình t ơng tự là 8 MHz, với băng tần này ta
có thể truyền một vài ch ơng trình truyền hình số có nén bằng cách thực hiện ghép
kênh và điều chế số chúng.Truyền hình số là tên gọi một hệ thống truyền hình mà tất
c các thiết bị kỹ thuật từ Studio cho đến máy thu đều làm việc theo ngun lí kỹ thuật
số. Trong đó, một hình nh quang học do camera thu đ ợc qua hệ thống ống kính, thay
vì nó đ ợc biến đổi thành tín hiệu điện biến thiên t ơng tự nh hình nh quang học (c
về độ chói và màu sắc), nó sẽ đ ợc biến đổi thành một dưy tín hiệu nhị phân (dưy các
số 0 và 1) nh quá trình biến đổi t ơng tự sang số. Dưy tín hiệu này qua nhiều b ớc
biến đổi nh kỹ thuật nén để làm gi m tốc độ bit tới giá trị phù hợp với độ rộng kênh
truyền. Sau đó qua các b ớc xử lí, điều chế số để có thể phát đi trên một ph ơng th c
truyền dẫn nh cáp quang, vệ tinh hay phát trên mặt đất.Và bên thu thực hiện quá trình
ng ợc l i để khơi phục l i tín hiệu hình nh ban đầu.
Mặt khác truyền hình số tiết kiệm đ ợc phổ tần nh sử dụng các kỹ thuật nén
băng tần, tỉ lệ nén cao mà hầu nh ng i xem không nhận biết đ ợc sự suy gi m chất
l ợng. Từ đó có thể thấy đ ợc nhiều ch ơng trình trên một kênh sóng, trong khi

truyền hình t ơng tự mỗi ch ơng trình ph i dùng một kênh sóng riêng. Ngồi ra cịn
có kh năng truyền hình đa ph ơng tiện, t o ra lo i hình thơng tin hai chiều, dịch vụ
t ơng tác, thông tin giao dịch giữa điểm và điểm. Do sự phát triển c a cơng nghệ
truyền hình số, các dịch vụ t ơng tác này ngày càng phong phú đa d ng và ngày càng
m rộng. Trong đó có sự kết hợp giữa máy thu hình và hệ thống máy tính, truyền hình
từ ph ơng tiện thông tin đ i chúng tr thành thông tin cá nhân.
1.1.2. Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình số


5
Thiết bị phát
Tín hiệu
truyền hình

Biến đổi
A/D

Mã hóa
nguồn

Mã hóa
kênh

Điều chế
số
Kênh
thơng tin

Tín hiệu
truyền hình

Biến đổi
D/A

Gi i mư
hóa nguồn

Gi i mư
hóa kênh

Gi i điều
chế số

Thiết bị thu

Hình 1.1. Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình số
Bộ biến đổi tín hiệu t ơng tự thành tín hiệu số (A/D) sẽ biến đổi tín hiệu truyền
hình t ơng tự thành tín hiệu truyền hình số, các tham số và đặc tr ng c a tín hiệu này
đ ợc xác định từ hệ thống truyền hình đ ợc lựa chọn, tín hiệu truyền số t i đầu ra bộ
chuyển đổi A/D đ ợc đ a đến bộ mư hóa nguồn, t i đây tín hiệu truyền hình số có tốc
độ dịng bit cao sẽ đ ợc nén thành dịng bít có tốc độ thấp hơn phù hợp cho từng ng
dụng. Dòng bit t i đầu ra bộ mư hóa nguồn đ ợc đ a đến thiết bị phát (mư hóa kênh
thơng tin và điều chế tín hiệu) truyền đến thu qua kênh thơng tin.
1.1.3. Đặc điểm truyền hình số
Đặc điểm c a truyền hình số đ ợc xem xét thông qua các u nh ợc điểm c a nó,
vì nó gi i thích lý do c a việc cần thiết ph i thay thế truyền hình t ơng tự sang truyền
hình số, những đặc điểm d ới đây chính là tính u việt c a truyền hình số so với
truyền hình t ơng tự, bao gồm:
Có thể tiến hành rất nhiều q trình xử lý trong Studio (trung tâm truyền hình)
mà tỷ số S/N khơng gi m. Trong truyền hình t ơng tự thì việc này gây méo tích luỹ

(mỗi khâu xử lý đều gây méo).
Thuận lợi cho q trình ghi, đọc: có thể ghi đọc nhiều lần mà chất l ợng không
bị gi m.
Dễ sử dụng thiết bị tự động kiểm tra và điều khiển nh máy tính.
Có kh năng l u tín hiệu số trong các bộ nhớ có cấu trúc đơn gi n và sau đó đọc
nó với tốc độ tuỳ ý.
Kh năng truyền trên cự ly lớn: tính chống nhiễu cao (do việc cài mư sửa lỗi,
chống lỗi, b o vệ…)
Dễ t o d ng lấy mẫu tín hiệu, do đó dễ thực hiện việc chuyển đổi hệ truyền hình,
đồng bộ từ nhiều nguồn khác nhau. dễ thực hiện những kỹ x o trong truyền hình.


6
Các thiết bị số làm việc ổn định, vận hành dễ dàng và không cần điều chỉnh các
thiết bị trong khi khai thác.Có kh năng xử lý nhiều lần đồng th i một số tín hiệu (nh
ghép kênh phân chia theo th i gian).
Có kh năng thu tốt trong truyền sóng đa đ ng. Hiện t ợng bóng ma th ng
x y ra trong hệ thống truyền hình t ơng tự do tín hiệu truyền đến máy thu theo nhiều
đ ng. Việc tránh nhiễu đồng kênh trong hệ thống thông tin số cũng làm gi m đi hiện
t ợng này trong truyền hình qu ng bá.
Có kh năng truyền hình đa ph ơng tiện, t o ra lo i hình thông tin hai chiều, dịch
vụ t ơng tác, thông tin giao dịch giữa điểm và điểm. Do sự phát triển c a cơng nghệ
truyền hình số, các dịch vụ t ơng tác này ngày càng phong phú đa d ng và ngày càng
m rộng. Trong đó có sự kết hợp giữa máy thu hình và hệ thống máy tính, truyền hình
từ ph ơng tiện thơng tin đ i chúng tr thành thơng tin cá nhân.
1.1.4. Q trình số hóa tín hiệu
Q trình số hố tín hiệu t ơng tự, bao gồm quá trình lọc tr ớc lấy mẫu, l ợng tử
và mư hố. Q trình lọc tr ớc nhằm lo i bỏ các tần số khơng cần thiết tín hiệu cũng
nh nhiễu, bộ lọc này còn gọi là bộ lọc chống nhiễu xuyên kênh Aliasing.
Lấy mẫu

Lấy mẫu tín hiệu t ơng tự là q trình r i r c hóa theo th i gian bằng tần số lấy
mẫu fs. Nó t o ra giá trị tín hiệu t ơng tự t i một số hữu h n các giá trị có biến r i r c
gọi là các mẫu. Các mẫu đ ợc lấy cách đều nhau gọi là chu kỳ lấy mẫu. Tần số lấy
mẫu ph i tho mưn định lý Nyquist-Shannon :

fs  2. fmax

Trong đó:

(1.1)

+ fs là tần số lấy mẫu.
+ fmax là tần số cực đ i c a tín hiệu t ơng tự.

Lượng tử hóa.
Trong q trình này biên độ tín hiệu đ ợc chia thành các m c gọi là m c l ợng
tử. Kho ng cách giữa hai m c kề nhau gọi là b ớc l ợng tử. Các mẫu có đ ợc từ q
trình lấy mẫu sẽ có biên độ bằng m c l ợng tử.
Số m c l ợng tử N đ ợc biểu diễn: N= 2n, Trong đó n là số bit biểu diễn mỗi
mẫu. Tín hiệu số nhận đ ợc là một giá trị xấp xỉ c a tín hiệu ban đầu, ngun nhân do
q trình l ợng tử hóa xác định các giá trị số r i r c cho mỗi mẫu. Tất c các giá trị
biên độ nằm trong ph m vi giới h n c a một m c l ợng tử đều đ ợc thiết lập một giá
trị nh nhau.
L ợng tử hóa có hai lo i:
- L ợng tử tuyến tính: có các b ớc l ợng tử bằng nhau.
- L ợng tử phi tuyến: có các b ớc l ợng tử khác nhau.


7
Quá trình l ợng tử sẽ gây ra sai số gọi là sai số l ợng tử, sai số l ợng tử là nguồn

nhiễu không tránh khỏi trong hệ thống số. Các giá trị l ợng tử có thể ch a sai số trong
ph m vi 1/2 Q, trong đó Q là b ớc l ợng tử.
Mã hóa: Là quá trình biến đổi cấu trúc nguồn mà khơng làm thay đổi tin t c,
mục đích là c i thiện các chỉ tiêu kỹ thuật cho hệ thống truyền tin. Dữ liệu sau mư hóa
có các u điểm là làm tăng kh năng chống nhiễu cho tín hiệu. Q trình này này biến
đổi các m c tín hiệu đư đ ợc l ợng tử hóa thành chuỗi các bit “0” và “1”. Độ dài c a
dưy tín hiệu nhị phân này là một trong những chỉ tiêu chất l ợng c a kỹ thuật số hóa
tín hiệu. Nếu số bit tăng độ chính xác c a bộ chuyển đổi tăng nh ng tốc độ bít tăng địi
hỏi kênh truyền rộng.
Các mư sử dụng trong truyền hình số có thể chia thành 4 nhóm:
- Các mư để mư hóa tín hiệu truyền hình
- Các mư để truyền có hiệu qu theo kênh thông tin
- Các mư thuận tiện cho việc gi i mư và đồng bộ bên thu
- Các mư để xử lý số tín hiệu trong các bộ phận khác nhau c a hệ thống truyền
hình số.
1.1.5 Tốc độ bit và độ rộng băng thông
Tốc độ bit: Tốc độ bit là số l ợng bit đ ợc truyền đi hay l u trữ trong một đơn vị
th i gian.
C  fs .n (bit/s)
(1.2)
Trong đó :

+ f s là tần số lấy mẫu (Hz).

+ n là số bit nhị phân trong một ký hiệu.
+ C là tốc độ bit (bits/s).
Dung l ợng kênh truyền tín hiệu số: Là tốc độ số liệu cực đ i có thể truyền đ ợc
trên kênh truyền có độ rộng băng tần B.
Cb  B. log 2 (1  S

Trong đó:

N

) (bits/s)

(1.3)

+ Cb : Dung l ợng kênh truyền tín hiệu số.

+ S N : là tỷ số tín hiệu trên nhiễu trắng.
+ B : là băng thơng kênh truyền (Hz).
Tốc độ bit càng lớn thì tín hiệu t ơng tự khôi phục l i càng trung thực tuy nhiên
nó sẽ là cho dung l ợng l u trữ và băng thông kênh truyền càng lớn. Trong thực tế để
truyền tín hiệu có tốc độ bit là C (bits/s) thì cần băng thơng kênh truyền
3
là: B  C (Hz).
4
Ví dụ: với n = 4, fs = 44,1Khz thì:
Tốc độ truyền thơng tin là : C = n x fs = 4 x 44,1 = 176,3.103 bits/s


8
3
3
Và độ rộng băng tần là B  C = x 176,4.103  132,3 Khz .
4
4
1.1.6. Quá trình biến đổi và tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu màu.
Một b c nh đ ợc chuyển từ RGB sang YUV nhằm gi m dung l ợng l u trữ

cũng nh truyền đi, trong quá trình gi i mư, tr ớc khi hiển thị nh thì nó đ ợc biến đổi
ng ợc l i thành RGB.

R, G, B

Hình 1. 2. Quá trình biến đổi tín hiệu màu
Cơng th c minh họa q trình biến đổi nh sau:
Y  kr R  (1  kb  kr )G  kb B
Cb 
Cr 

0.5
( B  Y)
1  kb

(1.4)

0.5
( R  Y)
1  kr

Trong đó: Y-chói và 2 tín hiệu thành phần màu Cr và Cb
Với kb  kr  kg  1 , kb = 0.114, kr = 0.299, khi thế vào công th c (1.4) thì ta đ ợc:
Y  0.299 R  0.587G  0.114 B
Cb 

0.5
( B  Y)  0.169 R  0.331G  0.5B
1  0.114
0.5

Cr 
( R  Y)  0.5R  0.419G  0.081B
1  0.299
Nên ta có ma trận biến đổi từ RGB sang YUV nh sau:
Y  0.299
Cb   0.169
  
Cr  0.5

0.587
 0.331

 0.419

0.114   R 
0.5  G 
 0.081  B 

(1.5)

Thực hiện t ơng tự ta suy ra đ ợc ma trận biến đổi từ YUV sang RGB nh sau:
0
 R  1
G   1  0.344
  
 B  1 1.772

1.402  Y 
 0.714 Cb 
 Cr 

0

Có nhiều kiểu lấy mẫu tín hiệu video số thành phần, điểm khác nhau ch yếu tỷ
lệ giữa tần số lấy mẫu và ph ơng pháp lấy mẫu tín hiệu chói và các tín hiệu màu, trong


9
đó bao gồm: Tiêu chuẩn 4:4:4; 4:2:2; 4:2:0; 4:2:1. Các định d ng số video có nén chỉ
lấy mẫu tích cực c a video.
- Tiêu chuẩn lấy mẫu 4:1:1 - tần số lấy mẫu tín hiệu chói là 13,5MHz, và mỗi tín
hiệu hiệu màu là 3,375MHz.
- Tiêu chuẩn lấy mẫu 4:2:2 - tần số lấy mẫu tín hiệu chói là 13,5MHz, và mỗi tín
hiệu hiệu màu là 6,75MHz.
- Tiêu chuẩn lấy mẫu 4:4:4 - c 3 thành phần có cùng độ phân gi i, nghĩa là tần
số lấy mẫu tín hiệu chói là 13,5MHz, và mỗi tín hiệu hiệu màu là 13,5MHz.
- Tiêu chuẩn lấy mẫu 4:2:0 - là kiểu phổ biến, tần số lấy mẫu tín hiệu chói là
13,5MHz, và mỗi tín hiệu hiệu màu là 6,75MHz theo c 2 chiều [1].
1.2. Nénătínăhi uăvideo
1.2.1. Các kỹ thuật nén tín hiệu video
Tín hiệu video th ng ch a đựng một l ợng lớn các thông tin d thừa, chúng
th ng đ ợc chia thành 5 lo i nh sau:
Có sự d thừa thông tin về không gian: giữa các điểm nh lân cận trong ph m vi
một b c nh hay một khung video, còn gọi là thừa tĩnh bên trong từng frame.
Có sự d thừa thơng tin về th i gian: giữa các điểm nh c a các khung video
trong chuỗi nh video, còn gọi là thừa động giữa các frame.
Có sự d thừa thơng tin về phổ: giữa các mẫu c a các dữ liệu thu đ ợc từ các bộ
c m biến trong camera, máy quay…
Có sự d thừa do thống kê: do b n thân c a các ký hiệu xuất hiện trong dòng bit
với các xác suất xuất hiện khơng đồng đều.
Có sự d thừa tâm thị giác: thông tin không phù hợp với hệ thống thị giác con

ng i, những tần số quá cao so với c m nhận c a mắt ng i.
u điểm c a việc nén tín hiệu:
Tiết kiệm băng thơng kênh truyền (trong th i gian thực hoặc nhanh hơn).
Kéo dài th i gian sử dụng c a thiết bị l u trữ, gi m chi phí đầu t thiết bị l u trữ.
Gi m dung l ợng thông tin mà khơng làm mất tính trung thực c a hình nh.
Có nhiều ph ơng pháp nén tín hiệu, ph ơng pháp nén bằng cách số hóa tín
hiệu vẫn tỏ ra hữu hiệu trong mọi th i đ i, một mặt nó có thể làm gi m l ợng thơng
tin khơng quan trọng một cách đáng kể, mặt khác nó cịn giúp cho tín hiệu đ ợc
b o mật hơn.
1.2.2. Tỷ số nén tín hiệu video
Trong các hệ thống nén, tỉ số nén chính là tham số quan trọng đánh giá kh năng
nén c a hệ thống, ta gọi n1, n2 là số l ợng bit c a tín hiệu tr ớc và sau khi nén nên ta
có cơng th c nh sau:
Tỷ số nén sẽ là Cn 

n1
n2

Phần trăm nén hay còn gọi là độ d thừa dữ liệu t ơng đối.


10
 n 
n  n2
R  1  2  .100%  1
x.100%
n1
 n1 

(1.6)

Nếu n1 = n2 thì ta có Cn =1, và R = 0 nghĩa là khơng có sự d thừa dữ liệu.
Nếu n2 << n1 thì Cn   , R  1 , ta nói rằng có sự d thừa dữ liệu lớn.

1.2.3. Phân loại kỹ thuật nén tín hiệu video
Nén video đ ợc chia thành hai họ lớn: Nén không tổn hao và nén tổn hao.
Nén khơng tổn hao là quy trình biểu diễn các ký hiệu trong dòng bit nguồn thành
dòng các từ mư sao cho nh đ ợc khơi phục hồn tồn giống nh gốc, các thuật toán
chỉ phụ thuộc vào cách thống kê nội dung dữ liệu và th ng dựa trên việc thay thế một
nhóm các ký tự trùng lặp b i một nhóm các ký tự đặc biệt khác ngắn hơn mà không
quan tâm đến ý nghĩa c a dịng bit dữ liệu, nên địi hỏi ph i có thiết bị l u trữ và
đ ng truyền lớn hơn.
Nén có tổn hao, t c là nh đ ợc khơi phục khơng hồn tồn giống nh gốc, d ng
nén này thích hợp cho việc l u trữ và truyền nh tĩnh, nh video qua một m ng có
băng thơng h n chế. Các d ng nén này th ng có hệ số nén cao hơn (từ 2:1 đến 100:1)
và gây nên tổn hao dữ liệu và sự suy gi m nh sau khi gi i nén do việc xóa và làm tròn
dữ liệu trong một khung hay giữa các khung.
Trong thực tế ph ơng pháp nén tổn hao th ng đ ợc sử dụng nhiều hơn và các
kỹ thuật nén tổn hao th ng sử dụng nh : mư hóa vi sai, biến đổi cosin r i r c DCT,
l ợng tử vơ h ớng, qt zig-zag, mư hóa Entropy…
1.2.4. Biến đổi cosin rời rạc
Nhằm biến đổi các hệ số trong miền th i gian (video số), không gian 2D (b c
nh tĩnh) thành các hệ số trong miền tần số. Các hệ số này ít t ơng quan hơn có phổ
năng l ợng tập trung hơn, thuận tiện cho việc lo i bỏ thông tin d thừa.
Phép biến đổi DCT ho t động dựa trên cơ s ma trận vng c a mẫu sai số dự đốn,
kết qu cho ta một ma trận Y là những hệ số DCT đ ợc minh họa nh sau:
Y = A.X.AT
(1.7)
Trong đó A là ma trận hệ số biến đổi, các thành phần c a A nh sau:
Ai , j  Ci cos

(2 j  1)i
2N


C i 

Với 
C 
i



T ơng đ ơng với Yx, y  C xC y  Xi, j Cos
N 1 N 1
i 0 J 0

1
N
2
N

(2 j  1) y
(2i  1) x
Cos
2N
2N

Nếu i = 0
Nếu i > 0

Phép biến đổi DCT nguyên 4x4 c a chuỗi ngõ vào X đ ợc cho b i công th c:


11
1
 2 cos 0

 1
 
 2 cos 8 
 

A 
1
 2 

cos

2

 8 

 1 cos 3 


 2
 8 


1
cos 0
2

1
cos 0
2

1
 3 
cos

2
 8 

1
 5 
cos

2
 8 

1
 9 
cos

2
 8 

1

 15 
cos

2
 8 

1
 6 
cos

2
 8 

1
 10 
cos

2
 8 




1
 7  
cos
 
2
 8  
1

 14  
cos

2
 8 

1
 21  
cos

2
 8  

1
cos 0
2

Phép biến đổi DCT ng ợc cho b i công th c:
X = A-1Y(A-1)T
T ơng đ ơng với:
Xi , j   C xC yYx, y Cos
N 1 N 1
x 0 y  0

(2 j  1) y
(2i  1) x
Cos
2N
2N

1.2.5. Quá trình lượng tử hóa
Sau khi thực hiện biến đối DCT, các hệ số sẽ đ ợc l ợng tử hoá dựa trên một
b ng l ợng tử Q(u,v) với 0≤u, v≤ n-1, n là kích th ớc khối. B ng này đ ợc định nghĩa
b i từng ng dụng cụ thể, các phần tử trong b ng l ợng tử có giá trị từ 1 đến 255 đ ợc
gọi là các b ớc nh y cho các hệ số DCT. Quá trình l ợng tử đ ợc coi nh là việc chia
các hệ số DCT cho b ớc nh y l ợng tử t ơng ng, kết qu này sau đó sẽ đ ợc làm
tròn xuống số nguyên gần nhất. Các hệ số năng l ợng thấp này, t ợng tr ng cho các
sự thay đổi pixel - pixel cỡ nhỏ, có thể bị xóa mà khơng nh h ng đến độ phân gi i
c a nh phục hồi. T i bộ mư hố sẽ có một b ng mư và b ng các chỉ số nội bộ, từ đó
có thể ánh x các tín hiệu ngõ vào để chọn đ ợc các từ mư t ơng ng một cách tốt
nhất cho tập hợp các hệ số đ ợc t o ra và có 2 lo i l ợng tử hóa ch yếu.
Lượng tử vô hướng: Là thực hiện biến đổi một giá trị c a tín hiệu vào X thành
một tập các giá trị đư đ ợc l ợng tử cho tín hiệu ra Y. Mơ t c a l ợng tử vơ h ớng là
sự làm trịn c a một số thực tới số nguyên gần nhất với nó. Q trình l ợng tử vơ
h ớng sẽ làm mất mát thơng tin vì giá trị sau khi đ ợc l ợng tử không thể khôi phục
về giá trị ban đầu.
Cơng th c tính l ợng tử vơ h ớng:
Qcoeff = round (coeff / Qstep)
(1.8)
Với:
coeff: ma trận các giá trị tr ớc khi l ợng tử
Qcoeff: tập các giá trị sau khi l ợng tử
Qstep: b ớc l ợng tử
Trong nén và gi i nén video, quá trình l ợng tử vô h ớng đ ợc chia thành 2 b ớc:
L ợng tử xuôi FQ (Forward Quantiser) t i bộ nén còn gọi là ‘scaled’
L ợng tử ng ợc IQ (Inverse Quantiser) t i bộ gi i nén còn gọi là ‘rescaled’.
Dữ liệu xuất c a quá trình l ợng tử xuôi FQ là một m ng các hệ số đư đ ợc
l ợng tử hóa, trong đó phần lớn là các giá trị 0.

12
Lượng tử vector:Là một quá trình biểu diễn một tập vector (mỗi vector gồm
nhiều giá trị) bằng một tập các số hữu h n các ký hiệu ngõ ra, b ng mư ánh x sẽ có
các giá trị xấp xỉ với giá trị gốc.
1.2.6. Tiêu chuẩn đánh giá tín hiệu video
Để đánh giá chất l ợng c a b c nh (hay khung nh video) đầu ra c a bộ mư
hoá, ng i ta th ng sử dụng các tham số truyền thống sau để đánh giá:
Sai số bình ph ơng trung bình (mean square error– MSE) định nghĩa cho c ng
độ sai khác giữa nh gốc và nh dự đoán
MSE 

1
N2

  (C
N 1

N 1

i 0

j 0

ij

 Ri j ) 2

(1.9)

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu đỉnh (peak to signal to noise ratio– PSNR).

PSNR  10 log 10

(2 b  1) 2
(dB)
MSE

(1.10)

Trong đó NxN kích th ớc bù chuyển động; hệ số Ci, j và Ri, j t ơng ng với mẫu
hiện t i và vùng mẫu tham kh o; b số l ợng bit/ mẫu.
Thông th ng, nếu:
- PSNR ≥ 40dB thì hệ thống mắt ng i gần nh không phân biệt đ ợc giữa nh
gốc và nh khơi phục, t c là nh nén có chất l ợng xuất sắc.
- 30 dB  PSNR < 33 dB thì chất l ợng nh nén bình th ng, mắt ng i có sự
phân biệt đ ợc.
PSNR < 30 dB thì chất l ợng nh nén kém
1.3. Mơăhìnhăc uătrúcăDVB-T2
TS

DVB - T2

T2 - MI
TS

Tín
hiệu
vào

SS1:
Mã hóa và

Ghép kênh
Video/audio

SS2:
Cổng kết nối
T2 - Gateway

SS3:
Điều chế
T2

SS4:
Gi i
điều chế T2

SS5:
Gi i mư
MPEG

SS3:
Điều chế
T2

SS4:
Gi i
điều chế T2

SS5:
Gi i mư
MPEG

SS4:
Gi i
điều chế T2

SS5:
Gi i mư
MPEG

Tín
hiệu
ra

Kênh RF
Thu T2

Hình 1. 3. Mơ hình cấu trúc cơ bản DVB-T2 [21]
DVB-T2 là tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất cho thế hệ th 2, là thành qu
nghiên c u c a nhiều nhà khoa học thuộc tổ ch c DVB (Digital Video Broadcasting)
trong suốt 3 năm (2006-2009). DVB-T2 cho phép tăng dung l ợng dữ liệu trên kênh