ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
VÕ NGỌC TUẤN
ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MÃ HÓA VIDEO H.265/HEVC
XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ
TẠI QUẢNG NGÃI
Chun ngành: Hệ thống thơng tin
Mã số: 848.01.04
TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HỆ THỐNG THƠNG TIN
Đà Nẵng - Năm 2019
Cơng trình được hồn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH. Trần Quốc Chiến
Phản biện 1: TS. NGUYỄN TRẦN QUỐC VINH
Phản biện 2: GS.TS. NGUYỄN THANH THỦY
Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Hệ thống thông tin họp tại Trường Đại học Sư phạm
vào ngày 07 tháng 04 năm 2019.
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Sư phạm
- Thư viện Khoa Hệ thống thông tin, Trường Đại học Sư phạm - ĐHĐN
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong những năm gần đây khi mà lĩnh vực công nghệ và
truyền thông ngày càng phát triển, với sự phát triển mạnh của
Internet toàn cầu thì việc truyền tải và lưu trữ video cũng ngày càng
trở nên phổ biến hơn giúp cho việc phát triển của dịch vụ truyền hình
cơng nghệ số với nhiều ưu điểm vượt trội về số lượng chương trình,
chất lượng tín hiệu, hiệu quả kỹ thuật và kinh tế đang nhanh chóng
chiếm lĩnh thị trường, thay thế dần kỹ thuật tương tự truyền thống.
Hiện nay, H.264/AVC là tiêu chuẩn nén mã hóa video được sử
dụng phổ biến trên tồn thế giới. Tuy nhiên nhu cầu về video chất
lượng cao hơn, tốc độ khung hình cao hơn thì H.264/AVC vẫn chưa
có khả năng nén tốt nhất. Vì vậy một chuẩn nén video mới
H.265/HEVC đã được phát triển và các sản phẩm liên quan đến
chuẩn nén này, điều này nói lên tính khả năng thay thế trong tương
lai đối với chuẩn nén tiền nhiệm H.264/AVC. Phân tích cơ bản các
khâu quan trọng trong kỹ thuật nén tín hiệu video H.265/HEVC trên
cơ sở 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 của chuẩn nén và
những cải tiến mới của chuẩn nén mới, là nền tảng trong phân tích
phân tích đánh giá và so sánh thấy rõ ràng hơn. Dựa trên cơ sở hạ
tầng của 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 tại
Đài phát thanh và truyền hình Quảng Ngãi hiện nay theo hướng:
Tăng lượng chương trình, tiết kiệm chi phí thay thế nhiều và nâng
2
cấp mã khơng ảnh hưởng đến quy hoạch phủ sóng số đã đặt ra. Đây
là lý do luận văn tập trung nghiên cứu.
2. Mục đích nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu 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, đưa ra những ưu
điểm của chuẩn nén H.265/HEVC.
Ứng 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 lượng video thu được qua hệ thống.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
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 DVB-T2 tại Đài phát thanh và truyền hình Quảng Ngãi.
Đánh giá kết quả ứng dụng
Đánh giá chất lượng hình ảnh thu được.
4. Phương pháp nghiên cứu
Với các mục tiêu trên phương pháp nghiên cứu là kết hợp
phương pháp nghiên cứu lý thuyết và phương pháp nghiên cứu thực
nghiệm để thực hiện đề tài theo các bước sau:
Nghiên cứu lý thuyết các kỹ thuật mã hóa và giải mã các
loại tín hiệu video.
Phân tích và so sánh với chuẩn nén H.264/AVC và đưa ra
những ưu điểm của chuẩn nén H.265/HEVC.
3
Ứng dụng kỹ thuật nén H.265/HEVC xây dựng mô hình
truyền dẫn tín hiệu video độ phân giải cao qua hệ thống truyền hình
số mặt đất DVB-T2.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Ngày nay các kỷ thuật mã hóa nén video đã được phát triển và
cải thiện trong nhiều thập kỷ qua để khắc phục vấn đề này, giảm
thiểu dung lượng video, giúp cho việc truyền dẫn qua mạng đơn giản
hơn. H.264/AVC là chuẩn nén tiên tiến đang sử dụng phổ biến ở
nước ta hiện nay. Tuy nhiên, nhu cầu chất lượng video ngày càng
cao, tốc độ khung hình cao hơn, chẳng hạn như video HD, UltraHD,
4K và 8K thì chuẩn nén H.264/AVC vẫn chưa hiệu quả. Vì vậy, một
chuẩn nén video mới đã được phát triển, nó khơng chỉ cung cấp mã
hóa tốt video độ phân giải cao mà còn giảm 50% dung lượng 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 giảm băng thông truyền phát video HD,
Ultra-HD (4K, 8K) qua mạng internet, qua vệ tinh và qua các dịch vụ
truyền hình trả tiền, giảm dung lượng lưu trữ và tăng lượng chương
trình, tiết kiệm chi phí trong cơng tác truyền dẫn tín hiệu truyền hình
tại Đài phát thanh và truyền hình Quảng Ngãi hiện nay.
4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ VÀ CƠ SỞ
NÉN VIDEO
1.1. Tổng quan về hệ thống truyền hình số
1.1.1. Sơ đồ tổng qt hệ thống truyền hình số
Tín hiệu
truyền hình
tương tự
Thiết bị phát
Biến đổi
A/D
Mã hóa
nguồn
Mã hóa
kênh
Điều chế
số
Kênh
thơng tin
Tín hiệu
truyền hình
tương tự
Biến đổi
D/A
Giải mã
hóa nguồn
Giải mã
hóa kênh
Giải điều
chế số
Thiết bị thu
Hình 1.1. Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình số[1].
1.1.2. Đặc điểm truyền hình số
1.1.3. Q trình số hóa tín hiệu
1.1.4. Tốc độ bit và độ rộng băng thơng
1.1.5. Q trình biến đổi và tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu màu.
1.2. Nén tín hiệu video
1.2.1. Các kỹ thuật nén tín hiệu video
Tín hiệu video thường chứa đựng một lượng lớn các thông tin
dư thừa, chúng thường được chia thành 5 loại như sau: Có sự dư thừa
thơng tin về khơng gian; Có sự dư thừa thơng tin về thời gian; Có sự
dư thừa thơng tin về phổ; Có sự dư thừa do thống kê; Có sự dư thừa
tâm thị giác
Có nhiều phương pháp nén tín hiệu, phương pháp nén bằng
cách số hóa tín hiệu vẫn tỏ ra hữu hiệu trong mọi thời đại, một mặt
nó có thể làm giảm lượng thông tin không quan trọng một cách đáng
kể, mặt khác nó cịn giúp cho tín hiệu được bảo mật hơn.
5
1.2.2. Tỷ số nén tín hiệu video
1.2.3. Phân loại kỹ thuật nén tín hiệu video
1.2.4. Biến đổi cosin rời rạc
1.2.5. Q trình lượng tử hóa
1.2.6. Tiêu chuẩn đánh giá tín hiệu video
Đánh giá chất lượng video thông qua các giá trị cung cấp bởi
hệ thống xử lý, và việc suy giảm chất lượng tín hiệu có thể nhìn thấy
được (thơng thường chúng được so sánh với tín hiệu gốc). Qua hệ
thống ta có thể thấy được những thay đổi về hình dạng, việc định
chuẩn chất lượng video là rất quan trọng. Để đánh giá chất lượng của
bức ảnh (hay khung ảnh video) ở đầu ra của bộ mã hoá, người ta
thường sử dụng tham số truyền thống sau để đánh giá:
Sai số bình phương trung bình (mean square error– MSE) định
nghĩa cho cường độ sai khác giữa ảnh gốc và ảnh dự đoán.
1 N 1 N 1
MSE 2 (Ci j Ri j ) 2
N i 0 j 0
(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 thước bù chuyển động; hệ số Ci, j và Ri, j
tương ứng với mẫu hiện tại và vùng mẫu tham khảo; b số lượng bit/
mẫu.Thơng thường, nếu:
PSNR ≥ 40dB thì hệ thống mắt người gần như không phân
biệt được giữa ảnh gốc và ảnh khơi phục, tức là ảnh nén có chất
lượng xuất sắc.
30 dB PSNR < 33 dB thì chất lượng ảnh nén bình thường,
mắt người có sự phân biệt được.
6
PSNR < 30 dB thì chất lượng ảnh nén kém.
1.3. Mơ hình cấu trúc DVB-T2
DVB-T2 là tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất cho thế hệ thứ 2,
là thành quả nghiên cứu của nhiều nhà khoa học thuộc tổ chức DVB
(Digital Video Broadcasting ) trong suốt 3 năm (2006-2009). DVBT2 cho phép tăng dung lượng dữ liệu trên kênh truyền (30%) và độ
tin cậy trong mơi trường truyền sóng trên mặt đất. DVB-T2 chủ yếu
dành cho truyền hình số có độ phân giải cao HDTV.
Kết luận chương 1
Chương này trình bày một cách tổng quát về hệ thống truyền
hình số, một số đặc trưng của truyền hình số so với truyền hình tương
tự, quá trình biến đổi và các tiêu chuẩn lấy mẫu, các kỹ thuật được sử
dùng để xử lý tín hiệu video, các cơ sở để đánh giá chất lượng video
sau q trình mã hóa và giải mã. Đồng thời chương 1 giới thiệu sơ đồ
và cấu trúc cơ bản hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2, là cơ sở
trong việc ứng dụng nén tín hiệu video vào hệ thống truyền hình số
cho chương 3.
7
CHƯƠNG 2. CÁC KỸ THUẬT MÃ HÓA VIDEO
2.1. Lịch sử phát triển các chuẩn nén và sự phát triển các sản
phẩm liên quan đến mã hóa H.265/HEVC
2.1.1. Lịch sử phát triển
Hình 2.1. Lịch sử phát triển các chuẩn nén [3].
MPEG-2/H.262, H.264/AVC và H.265/HEVC là chuẩn nén
video được phát triển bởi ISO/IEC Moving Picture Experts Group
(MPEG) và ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG). MPEG và
VCEG đã thành lập một nhóm cộng tác viên về mã hóa video để phát
triển chuẩn H.26x.
2.1.2. Quá trình sự phát triển các sản phẩm liên quan đến
mã hóa H.265/HEVC
2.2. Kỹ thuật mã hóa video H.264/AVC
2.2.1. Sơ đồ mã hóa và giải mã chuẩn H.264/AVC
2.2.2. Cấu trúc H.264/AVC
2.2.2.1. Các profiles và level
2.2.2.2. Slices
2.3. Kỹ thuật mã hóa video H.265/HEVC
2.3.1. Sơ đồ mã hóa và giải mã chuẩn H.265/HEVC
8
Hình 2.3. Sơ đồ khối của bộ mã hóa và giải mã HEVC [7].
Trong phần này, giải thích nguyên lý hoạt động cơ bản của q
trình mã hóa và giải mã từ hình 2.3. Từ sơ đồ khối tổng quát của bộ
mã hóa, ta tiến hành phân tích những kỹ thuật cơ bản mã hóa
H.265/HEVC và so sánh với kỹ thuật mã hóa H.264/AVC.
2.3.2. Các profiles và level
2.3.3. Phân vùng ảnh
2.3.4. Biến đổi và lượng tử hóa
2.3.5. Các chế độ dự đoán
2.3.5.1. Chế độ dự đoán trong ảnh
2.3.5.2. Chế dự đốn liên ảnh
2.3.6. In-loop Filtering
2.3.7. Mã hóa Entropy
2.4. So sánh những đặc điểm cơ bản H.264/AVC và H.265/HEVC
Trên cơ sở phân tích các kỹ thuật mã hóa H.265/HEVC và
H.264/AVC, ta rút ra so sánh những đặc điểm cơ bản của hai chuẩn
mã hóa video và điểm khác biệt.
2.4.1.So sánh phân vùng hình ảnh - cấu trúc mã hóa ảnh
9
2.4.2.So sánh dự đoán trong ảnh
2.4.3.So sánh dự đoán liên ảnh
2.4.4.So sánh biến đổi và lượng tử hóa
2.4.5.So sánh mã hóa Entropy
2.4.6.So sánh In-loop Filtering
2.4.7.Cấu trúc xử lí song song
2.4.8.Tóm tắt so sánh kỹ thuật mã hóa H.265/HEVC và
H.264/AVC
Bảng 2.7. Bảng tóm tắt so sánh một số kỹ thuật mã hóa
H.265/HEVC và H.264/AVC.
Đặc điểm kĩ thuật
H.264/AVC
H.265/HEVC
Đơn vị mã hóa(CU) 16x16 only
8x8 tới 64x64, cấu trúc cây
Đơn vị dự
đoán(PU)
Đơn vị chuyển đổi
cấu trúc cây
Loại biến đổi
Bộ lọc nội suy phân
số pixel chính xác
Bộ lọc loại bỏ
nhiễu khối
Bộ lọc loại bỏ
nhiễu mã hóa
Sự phân chia Block
Chế độ dự đốn
trong ảnh
Dự đốn chuyển
động
Biến đổi
4 x 4 tới 16x16 (7
loại bao gồm cả
hình chữ nhật)
No
4 x 4 tới 64x64 (28 loại bao
gồm cả hình chữ nhật)
DCT
DCT, DST(4x4 only intra),
transform skipping
4-tap, 7-tap hoặc 8-tap
2 hoặc 6-tap
Yes
No
Hình vng, đối
xứng
9
Dựa trên 1 vector
4x4, 8x8 Int DCT
Yes
Yes (trong phiên bản song
song)
Yes (SAO)
Hình vng, đối xứng,
khơng đối xứng.
35, adaptive reference pixel
smoothing
Hợp nhất chuyển động.
AMVP. Hỗ trợ chế độ skip.
4×4,8×8, 16×16, và 32×32
10
Mã hóa Entropy
CAVLC, CABAC
CABAC
Bộ lọc lặp
Bộ lọc giải khối
Bộ lọc giải khối
Bù mẫu thích nghi.
Cấu trúc xử lí song
song
Profiles
Độ phức tạp mã hóa
Hiệu quả nén
Slice
Slice, Tile, WPP.
4
Phức tạp
Cao
3
Rất phức tạp
Rất cao (gấp 2 lần H.264)
Kết luận chương 2
Trong chương 2, đã tìm hiểu lịch sử phát triển các chuẩn nén,
sự ra đời của chuẩn nén video tiên tiến H.265/HEVC và phát triển
chuẩn nén và các sản phẩm liên quan đến H.265/HEVC để nói lên
tính khả thi của sự ra đời các thiết bị giải mã và xử lý video thời gian
thực.
Việc phân tích kỹ thuật mã hóa video H.265/HEVC theo
hướng những đặc tính khác biệt so với chuẩn mã hóa trước đó
H.264/AVC, để có được những đặc điểm khác biệt chung nhất và
những cải tiến của chuẩn nén mới so với chuẩn nén cũ để đem lại
chất lượng mã hóa tốt hơn. Từ đó lựa chọn thơng số mã hóa chung
cho phần mềm mã hóa H.265 và H.264 để so sánh phân tích mã hóa
khách quan và chính xác hơn. Tiếp theo, để thấy được hiệu quả ứng
của chuẩn nén mới H.265 trong ứng dụng thực tế và chất lượng mã
hóa vượt trội, thì trong chương 3 sẽ ứng dụng thực hiện cụ thể hơn.
11
CHƯƠNG 3
ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MÃ HÓA H.265/HEVC
XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ
Qua so sánh, đánh giá những đặc điểm nổi bật của chuẩn nén
video H.265/HEVC so với chuẩn nén đang được ứng dụng phổ biến
hiện nay là H.264/AVC được giới thiệu trong chương 2. Trong
chương này đề xuất ứng dụng kỹ thuật mã hóa video H.265/HEVC
để xây dựng hệ thống truyền hình số DVB-T2 tại tỉnh Quảng Ngãi.
Để thực hiện được điều này, luận văn đề xuất là cần giảm tốc độ
bit cho mỗi chương trình bằng cách tăng hiệu quả mã hóa nguồn và tăng
cường năng lực sử dụng dung lượng kênh và đồng thời kiểm nghiệm
bằng mơ hình thực tế để chứng minh tính khả thi của giải pháp.
3.1. Hệ thống truyền dẫn số mặt đất DVB-T2 hiện nay
Hình 3.1. Mơ hình truyền dẫn số mặt đất DVB-T2.
Mơ hình truyền dẫn số mặt đất tại Đài truyền hình Việt Nam
hiện nay được thể hiện ở hình 3.1. Các trạm phát sóng số mặt đất
DVB-T2 được đặt hầu như trên các tỉnh thành trong cả nước, nguồn
12
tín hiệu gốc thu từ hệ thống vệ tinh Vinasat được phát lên từ trạm
phát vệ tinh Giảng Võ.
Tốc độ bitrate tối đã cho phép là 33.8Mbp/s. Hiện nay các
chương trình của VTV nén theo chuẩn H.264/AVC. Đối với chương
trình HDTV nén với tốc độ bitrate 4.5Mbit/s, đối với các chương
trình SDTV với tốc độ bitrate 1.5Mbit/s. Như vậy, một máy phát số
DVB-T2 chỉ phát được tối đa 07 chương trình HDTV bitrate
4.5Mbit/s, hoặc chỉ phát được tối đa 22 chương trình SDTV bitrate
1.5Mbit/s.
3.2. Giải pháp đề xuất và hiệu quả của áp dụng mã hóa H.265/HEVC
3.2.1. Giải pháp đề xuất
Như vậy luận văn đưa ra giải pháp sau đây:
- Giảm tốc độ bit cho mỗi chương trình bằng cách tăng hiệu quả mã
hóa nguồn.
- Tăng dung lượng của kênh, tăng cường năng lực sử dụng dung
lượng kênh.
3.2.2. Hiệu quả đạt được
Đối với máy phát số DVB-T2 tại Quảng Ngãi tốc độ bitrate tối
đa cho phép là 33,8Mbp/s. Vì vậy chuẩn nén H264/AVC đối với
chương trình HDTV thì chỉ phát được 7 chương trình vì tổng số tốc
độ bít lên đến 31.5Mbp/s. Việc áp dụng mã hóa nguồn H.265/HEVC
để giảm khoảng 50% tốc độ bit cho mỗi chương trình thì tổng bitrate
khoảng 17.5Mbp/s, thể hiện ở bảng 3.3.
Bảng 3.3. So sánh Bitrate chương trình HD máy phát số DVB-T2
Quảng Ngãi
STT
1
Chương trình
VTV1 HD
Bitrate
HEVC(Mbp/s)
2.5
Bitrate AVC (Mbp/s)
4.5
13
2
VTV2 HD
2.5
4.5
3
VTV3 HD
2.5
4.5
4
VTV6 HD
2.5
4.5
5
VTV7 HD
2.5
4.5
6
VTV8 HD
2.5
4.5
7
PTQ HD
2.5
4.5
Tổng Bitrate
17.5Mbp/s
31.5 Mbp/s
Với việc chuyển đổi H.265/HEVC trong truyền dẫn DVB-T2
có thể nén một chương trình lên đến 2.5Mbp/s vẫn đảm bảo được
chất lượng hình ảnh và với dung lượng 33.8Mbp/s của máy phát số
thì có thể phát đến 13 chương trình HDTV chiếm dung lượng khoảng
32.5Mbp/s.
3.3. Xây dựng hệ thống DVB-T2 trên kỹ thuật mã hóa H.265/HEVC
Dựa trên giải pháp được đề xuất, hiệu quả đạt được. Luận văn
sẽ giới thiệu mơ hình một trạm phát sóng DVB-T2 sử dụng mã hóa
H.265 mới so với mơ hình cũ giới thiệu ở hình 3.1 và các thành phần
trong mơ hình cần được xử lý, nâng cấp và thay thế. Trong phần này
cũng giới thiệu thông số thu phát vệ tinh Band C với dung lượng
bitrate hiện có, giới thiệu một số thiết bị hiện có phục vụ việc nâng
cấp và tính tốn cơ bản để có thể tăng dung lượng bitrate của máy
phát DVB-T2 mà ít bị ảnh hưởng đến quy hoạch phủ sóng đã đặt ra.
3.3.1. Mơ hình trạm phát sóng DVB-T2 sử dụng H.265/HEVC
3.3.3. Hệ thống vệ tinh Vinasat Band C
3.3.4. Tăng dung lượng cho máy phát sóng số mặt đất DVB-T2
Tăng dung lượng của kênh, tăng cường năng lực sử dụng dung
lượng kênh, liên quan đến việc lựa chọn thông số cấu hình cho hệ
thống máy phát số. Việc lựa chọn các thơng số cấu hình cho hệ thống
14
máy phát ảnh hưởng đến quy hoạch bán kính phủ sóng, mạng DVBT2 đơn tần hay đa tần số, mục đích thu cố định hay di động, ăng ten
trong nhà hay ngoài nhà và điều quan trọng làm sao tốc độ bit truyền
tải hệ thống máy phát DVB-T2 để đáp ứng các chương trình HDTV.
Trong phần này sẽ tính tốn lựa chọn thông số phù hợp để tăng dung
lượng kênh phát sóng mã khơng ảnh hưởng nhiều đến đến hệ thống.
3.4. Phân tích, so sánh đánh giá khách quan kết quả ứng dụng
3.4.1. Thiết lập các điều kiện để thực hiện.
3.4.1.1. Mơ hình mã hóa
Để đưa ra kết quả phân tích đánh giá khách quan trong so sánh
chất lượng mã hóa H.265/HEVC và H.264/AVC, luận văn dựa vào
phần mềm mã nguồn mở tham chiếu đã được các tổ chức chuẩn hóa
chạy trên nền C++. Đối với H.265/HEVC phần mềm mã nguồn mở
tham chiếu được gọi là HM (HEVC Test Model),Đối H.264/AVC
phần mềm mã nguồn mở tham chiếu được gọi là JM (Joint Test
Model). Trong chương này, để phục vụ cho việc so sánh và đánh giá,
các phiên bản phần mềm mã nguồn mở mới nhất của H.265/HEVC
và H.264/AVC là HM 16.7 và JM 19 được sử dụng.
3.4.1.2. Cấu trúc dự đốn
Để đánh giá và so sánh chất lượng mã hóa ta dựa vào các cấu
trúc dự đoán sau.
(1) All Intra (AI).
(2). Low Delay P picture (LDP).
(3). Low Delay B picture (LDB).
(4). Random Access (RA).
Trong các cấu hình này, giá trị QP (Thơng số lượng tử hóa) có
thể được điều chỉnh bởi thêm giá trị “QP Offset”. Có nghĩa là điều
15
kiện thử nghiệm chung định nghĩa ảnh đầu tiên (QP của ảnh I là QPI)
và QP của ảnh tiếp theo được xuất phát từ:
QP = QPI +QPoffset.
với QP offset được xác định qua kiểu ảnh P, hay ảnh.
Hình ảnh I đề cập đến hình ảnh có thể được giải mã độc lập mà
khơng u cầu dữ liệu dự đốn từ các ảnh đã giải mã khác. Thơng
thường, hình ảnh P (predicted) yêu cầu dữ liệu mẫu hình ảnh từ một
ảnh I, P hoặc B khác để tạo ra từng khối mẫu dự đoán. Một ảnh B
(bi-predicted), yêu cầu dữ liệu mẫu hình ảnh từ hai hình I, P hoặc B
khác để tạo ra từng khối mẫu dự đoán.
3.4.1.3. Chuỗi video và quy trình đánh giá
Chuỗi video đánh giá
Các chuỗi video kiểm tra được định nghĩa theo kích thước ảnh
và ứng dụng. Chúng được phân thành 4 loại video:
Bảng 3.9. Chuỗi video tham chiếu kiểm tra [25]
Phâ
n
Tên Video
Loại
A
B
crowd run_yuv
ducks_take_of
f
Tỷ lệ
Số
khung
khun
hình
g
1920x108
Tốc
Tỷ
Số
độ
lệ
bit
khun
lấy
mẫ
g
mẫu
u
200
50
1280x720
200
50
0
C
akiyo_yuv
352x288
300
50
D
news_yuv
352x288
300
50
4:2:
0
4:2:
0
4:2:
0
4:2:
0
8
8
8
8
16
Quy trình đánh giá
Trình tự thực hiện chạy mã hóa trên phần mềm HM 16.7 và
JM 19.0 đối với từng loại video, bằng cách thay đổi các giá trị thông
số lượng tử hóa QP để thu được các giá trị PSNR và Bitrate từng loại
video được mã hóa và mỗi video được được thực hiện trên 4 cấu trúc
dự đoán theo các kiểm tra như sau:
- TEST 1: All Intra (AI).
- TEST 2: Low-Delay P (LDP).
- TEST 3: Low-Delay B (LDB).
- TEST 4: Random Access (RA).
Việc phân tích kết quả dựa trên giá trị PSNR_YUV cho mỗi
video và bitrate được tính trung bình cho tất cả các khung.
Để trực quan trong việc so sánh, sử dụng phép nội suy để tính
tốn và vẽ đồ thị PSNR_YUV và bitrate.
Đánh giá trị tiết kiệm bitrate (BitSaving) của mã hóa
H.265/HEVC so với H.264/AVC.
3.4.2. Phân tích kết quả đánh giá khách quan
3.4.2.1. Mã hóa All Intra (AI-TEST 1)
Hình 3.7. Kết quả mã hóa AI
Trong trường hợp của All Intra Main các video được mã hóa
theo các ảnh I độc lập với nhau nên sự cải thiện về bitrate mã hóa
17
H.265/HEVC đã cải thiện được 21,45% lượng bit tiết kiệm so với
H.264/AVC. Đồng thời, H.265/HEVC sẽ cho chất lượng ảnh tốt hơn
so với H264/AVC ở cùng một tốc độ bit.
3.4.2.2. Mã hóa Low delay P (LDP- TEST 2)
Hình 3.8. Kết quả mã hóa LDP
Trong trường hợp mã hóa các ảnh P, có sự dự đốn liên ảnh từ
các ảnh trước đó, hiệu quả trong trường hợp này cao hơn trường hợp
dự đốn AI. Trung bình lượng tiết kiệm bit trong mã hóa
H.265/HEVC đạt 73,94% so với mã hóa H.264/AVC. Đồng thời,
H.265/HEVC sẽ cho chất lượng ảnh tốt hơn so với H264/AVC ở
cùng một tốc độ bitrate.
3.4.2.3. Mã hóa Low delay B (LDB- TEST 3)
Hình 3.9. Kết quả mã hóa LDB
18
Trong kiểu mã hóa này, được dự đốn hai chiều của ảnh B,
hiệu suất bitrate đạt được trong trường hợp này cao hơn với trường
hợp mã hóa LDP, lượng tiết kiệm bit trung bình của H.265 so với
H.264 đạt -93,78 %.
3.4.2.4. Mã hóa Random Access (RA- TEST 4)
Hình 3.10. Kết quả mã hóa RA
Trong kiểu mã hóa RA, xu hướng tiết kiệm bit đối với loại
video có độ phân giải cao, lượng chuyển động lớn. Điều này nói lên
khả năng nén video của H.265 vượt trội đối với loại video có độ phân
giải lớn. video độ phân giải càng cao thì hiệu suất nén của mã hóa
video H.265 tốt hơn so với H.264.
3.4.2.5. Kết luận đánh giá khách quan
Bảng 3.14. Tổng hợp kết quả lượng tiết kiệm bit trong hai loại
Video
Độ phân
Được mã
giải (pixel)
hóa
Loại C
352x288
Loại D
352x288
Loại B
1280x720
Loại A
1.920x1080
Trung bình
mã hóa
Lượng bit tiết kiệm của
H.265/HEVC so với H.264/AVC
AI ( %) LDP (%) LDB(%) RA (%)
-22,19
-65,42
-170,69
-31,82
-20,58
-55,10
-120,77
-21,84
-21,69
-108,03
-52,18
-118.87
-67,24
-31,50
-77,63
-21,49
-73,94
-93,78
-32,82
19
Trong bốn trường hợp mã hóa với các kiểu dự đoán khác nhau,
dự đoán chỉ ảnh I, dự đoán ảnh P, dự đoán ảnh B và sự đoán kết hợp
ngẫu nhiên RA và với các video kiểm tra khác nhau về kích thước, độ
phân giải, mức độ chuyển động của ảnh thì lượng bit tiết kiệm của
H.265/HEVC lớn hơn H.264/AVC tại cùng một giá trị QP. Qua kết
quả phân tích có thể nhận xét như sau:
- Cùng chất lượng mã hóa, cùng giá trị QP thì khả năng nén của
H.265/HEVC tốt hơn chuẩn nén H.264/AVC
- Cùng giá trị bitrate, nhưng chất lượng nén của H.265 tốt hơn
chuẩn H.264.
- Lượng bit tiết kiệm của H.265 so với H.264 trung bình là
21,49% mã hóa AI, 73,94% đối với mã hóa LDP, 93,78% đối với mã
hóa LDP và 32,82% đối với mã hóa RA.
Kết quả khách quan mang tính định lượng, kết quả mã hóa
video cuối cùng cũng mang đến sự cảm nhận của con người và giải
quyết nhu cầu giải trí của con người.
3.5. Kết quả ứng dụng mơ hình DVB-T2 với H.265/HEVC
tại Quảng Ngãi.
3.5.1. Thiết bị và mơ hình thử nghiệm
Hình 3.11. Mơ hình Thử nghiệm phát sóng số mặt đất DVB-T2
sử dụng mã hóa nguồn H.265/HEVC
Máy phát test DVB-T2 là bộ R&S®SFC-U Compact USB
Modulator nhận dịng truyền tải được đóng gói MPEG-2 TS và được
20
điều chế DVB-T2 và phát ra Anten phát định hướng R&S HE100.
Tín hiệu thu từ anten thu định hướng Promax AMC/1, giải mã và
hiển thị trên dịng Tivi tích hợp DVB-T2 4K HEVC, đồng thời đưa
vào máy đo tín hiệu truyền hình số DVB-T2 R&S EFL340.
3.5.2. Tín hiệu vào kiểm tra
Dịng tín hiệu được đóng gói thành với tốc độ bitrate 26Mbit/s,
gồm các chương trình HDTV mã hóa nguồn H.265/HEVC 8bit tỷ lệ
lấy mẫu 4:2:0, được phát thử nghiệm trên các kênh 25, 26, 27 UHF .
3.5.3. Thiết lập cấu hình
Các cấu hình này được thiết lập thơng qua phần mềm trên máy
tính giao tiếp USB với máy phát test DVB-T2 R&S SFC,.
Bảng 3.16. Mơ hình thiết lập thử nghiệm đối với máy phát số mặt đất.
Thơng số
Dịng truyền tải
Điều chế
FEC
Khoảng bảo vệ (GI)
FFT
Băng thơng (BW)
Pilot Partern (PP)
Tổng bitrate
Cấu hình 1
MPEG2-TS
64 QAM
5/6
1/16
16K
8 MHz
PP4
33,9 Mbp/s
Cấu hình 2
MPEG2-TS
64 QAM
5/6
1/32
16K
8 MHz
PP7
36,1 Mbp/s
3.5.4. Kết quả thử nghiệm và nhận xét
Bảng 3.17. Kết quả cấu hình 1 thu được từ thiết bị đo R&S
EFL340
Phía phát
Kênh
Tần
Mức
số
phát
(MHz) (dBm)
25
506
-5
Phía thu
MứcC/N
(dB)
16
Mức
thu
(dBuV)
31.4
MER
(dB)
27,9
LDPCBER
1.8E-3
C/N
(dB)
16.9
BCHBER
2.4E-8
21
26
514
-5
16
31.4
26,5
1.8E-3
16.5
2.4E-8
27
522
-5
16
33.7
25,4
1.7E-3
16.1
2.4E-8
49
689
-5
16
30.5
24,2
2.3E-3
9.8
2.3E-8
Bảng 3.18. Kết quả cấu hình 2 thu được từ thiết bị đo R&S
EFL340
Phía phát
Kênh
Tần
Mức
số
phát
(MHz) (dBm)
Phía thu
MứcC/N
(dB)
Mức
thu
(dBuV)
MER
(dB)
LDPCBER
C/N
(dB)
BCHBER
25
506
-5
16
31.4
27,9
1.8E-3
16.9
2.4E-8
26
514
-5
16
31.4
26,5
1.8E-3
16.5
2.4E-8
27
522
-5
16
33.7
25,4
1.7E-3
16.1
2.4E-8
49
689
-5
16
30.5
24,2
2.3E-3
9.8
2.3E-8
- Nhận thấy kết quả thu được ở bộ giải mã kênh DVB-T2 R&S
EFL340 có giá trị khơng thay đổi khi thay đổi các cấu hình, các giá
trị mức thu và giá trị MER ít thay đổi ở các hai cấu hình khác nhau.
- Kết quả đo được thực hiện với Tivi Samsung 4K
UA55JU7500K. Tuy nhiên, có thể thấy các Tivi 4K bán trên thị
trường Việt nam của các hãng Samsung và một số hãng khác đều
được tích hợp bộ thu DVB-T2, bộ giải mã HEVC cho phép thu
được tín hiệu HDTV phát sóng số mặt đất. Đây là một thuận lợi
khi triển khai phát sóng H.265/HEVC trên hệ thống truyền hình số
mặt đất.
- Kết quả thu được hiển thị trên Tivi có tích hợp giải mã kênh
DVB-T2 và giải mã nguồn HEVC quan sát được khơng có hiện
tượng vỡ và dừng hình.
Như vậy, đối với ứng dụng mã hóa nguồn H.265/HEVC trên
hệ thống truyền hình số mặt đất, các thơng số cao tần là hoàn toàn
22
tương tự như phát sóng HDTV hay SDTV mã hóa nguồn H.264/AVC
chỉ khác là số lượng chương trình trên 1 kênh mã hóa H.265/HEVC
lớn hơn mã hóa nguồn H.264/AVC.
Kết luận chương 3
Trên cơ sở hạ tầng hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2
với mã hóa nguồn H.264/AVC, ta có thể ứng dụng nâng cấp và thay
thế theo chuẩn H.265/HEVC vào hệ thống hiện có trên giải pháp và
mơ hình đề xuất được đưa ra. Với mơ hình này, đảm bảo được tiết
kiệm chi phí đầu tư, lựa chọn tốc độ bit tối đa để có thể truyền tải nhiều
chương trình HDTV đáp ứng với nhu cầu hiện tại và hướng tới tương
lai đối với các chương trình UHDTV 4K.
Kết quả trong chương này là phân tích đánh giá chất lượng
chuẩn nén video H.265 so với chuẩn nén H.264 về các đánh giá
khách quan. Do tính linh hoạt của chuẩn nén mới, nên các phương
pháp cho ta khả năng lựa chọn thơng số mã hóa tốt nhất cho từng ứng
dụng cụ thể. Về việc giảm tốc độ bit dựa trên đánh giá khách quan
cho thấy hiệu suất tăng khoảng 21,49% đối với kiểu dự đoán AI,
73,94% đối với LDP, 93,78% đối với LDB và 62,54% đối với RA và
62,59% so với H.264. Cịn đối với phương pháp kiểm tra thơng qua
thị giác con người cũng cho thấy rằng H.265 có chất lượng vượt trội
so với chuẩn nén H.264. Đồng thời cho thấy rằng chất lượng mã hóa
của H.265 so với H.264 thường tăng lên đối với các video có độ phân
giải cao như HD720p, 1080p và hướng tới video độ phân giải 4K và
8K.
23
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Luận văn được thực hiện theo trình tự có mối quan hệ quan hệ
chặt chẽ giữa các chương. Chương 1, giới thiệu nền tảng của truyền
hình số và nén tín hiệu video đồng thời giới thiệu tổng quát hệ thống
truyền hình số mặt đất đang ứng dụng tại Quảng Ngãi là DVB-T2.
Chương 2, tìm hiểu lịch sử phát triển của chuẩn nén H.265/HEVC và
các sản phẩm liên quan đến chuẩn nén, Ngồi ra tập trung tìm hiểu và
phân tích cơ bản các khâu quan trọng trong kỹ thuật nén tín hiệu
video H.265/HEVC trên cơ sở đó vừa phân tích vừa so sánh với
chuẩn nén H.264/AVC đang sử dụng phổ biến hiện nay để thấy rõ
các điểm nổi trội ưu việt của chuẩn nén mới H.265/HEVC. chương 3,
dựa trên cơ sở hạ tầng sẵn có của hệ thống DVB-T2 phát sóng số mặt
đất tại Quảng Ngãi 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 theo hướng: Tiết kiệm chi phí thay thế và nâng
cấp mã không ảnh hưởng nhiều đến quy hoạch phủ sóng số đã đặt ra.
Đồng thời, luận văn cũng thực hiện thí nghiệm và đo các thơng số
như SNR, MER (tỷ số lỗi điều chế), quan sát chất lượng hình ảnh.
Với các kết quả thu được đã cho thấy ưu việt mã hóa video mới
H.265/HEVC, và đưa ra một số kết luận sau.
- H.265/HEVC sẽ cho chất lượng ảnh tương đương với
H.264/AVC nhưng chỉ với tốc độ bit một nửa.
- H.265/HEVC sẽ cho chất lượng ảnh tốt hơn so với
H.264/AVC ở cùng một tốc độ bít.
-Theo lộ trình phát triển cơng nghệ truyền hình số mặt đất DVBT2, thì chuẩn nén H.265/HEVC được thay thế H.264/AVC.
- Để nâng cấp chuyển đổi sang chuẩn H.265/HEVC dễ dàng và
tiết kiệm được chi phí. Hiện nay trên thị trường có một số hãng lớn
đã cho ra đời bộ mã hóa H.265 như Harmonic và Ericsson (Encoder
Electra X của hãng Harmonic)
