Phương pháp mã hóa video theo đối tượng ứng dụng trong các hệ thống thông tin video nén

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Ph

ng pháp mã hóa video theo đ i t

ng ng d ng trong các h th ng

thông tin video nén

Ch

OBO
OK S
.CO
M

M CL C
ng 1 : T ng quan v mã hóa video

1.1. M c đích nghiên c u video nén theo h

ng đ i t

ng

1.2. T ng quan v các chu n nén

1.3. K thu t mã hóa video nén theo h
Ch

ng đ i t

ng MPEG-4 và u đi m

ng 2: Cơng ngh mã hóa video trong MPEG-4

2.1. Mã hố hình d ng ngồi (Shape Coder)
2.1.1. Bi n đ i Cosin r i r c ( DCT)
2.1.2. L

ng t hố

2.1.3. Mã hóa

2.2. D đốn và t ng h p đ ng
cl

2.2.1.

ng chuy n đ ng

2.2.2. K thu t đ m

2.2.3. K thu t chuy n đ ng c b n

2.2.3.1. K thu t thay đ i t ng kh i thích ng v i c u trúc đa c nh c a VOP
2.2.3.2.

cl

ng chuy n đ ng c a đi m nh

2.2.3.3. Ch đ INTRA / INTER

2.2.3.4. Tìm ki m n a đi m nh
2.2.3.5. D đoán MV

2.2.3.6. Ch đ vector chuy n đ ng không gi i h n

KIL

2.2.3.7. Ch đ nâng cao ch t l
2.3. Mã hóa c u trúc

2.4. Gi i mã MPEG-4 VOP
2.5. Mã hóa theo l p video
2.6. ánh giá hi u qu
2.7.
Ch

i u khi n t c đ
ng 3:

ng d ng

ng d đoán



THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

3.1. IP TV
3.2. Video u c u
3.3. Mobile TV
K t lu n

KIL
OBO
OKS
.CO
M

3.4. Truy n hình h i ngh

Danh m c tài li u tham kh o
Danh m c ch vi t t t



THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
L i nói đ u

V i s phát tri n c a công ngh thông tin, và cùng v i đó là s phát tri n
ng

ng ti n , đòi h i con

KIL
OBO
OKS
.CO

M

ngày càng m nh m c a các ng d ng truy n thơng đa ph

i khơng ng ng tìm tịi sáng t o đ đáp ng k p v i xu th phát tri n y. Nh

vào s phát tri n c a các ng d ng truy n thông đa ph

ng ti n mà chúng ta có

th đ a âm thanh, hình nh, hay các đo n video đi xa m t cách nhanh chóng và
thu n ti n. Song v i vi c truy n t i m t đo n video có dung l

ng l n đi xa g p

khá nhi u khó kh n b i kh n ng có h n c a kênh d n.Vì v y các nhà s n xu t
đã áp d ng m t s k thu t nén đ giúp t i u hóa các đo n video trên, làm gi m
dung l

ng ph i truy n đi mà ch t l

g c. M t trong các k thu t nén đ

ng hình nh t

ng đ

ng v i hình nh

c s d ng r ng rãi đó là k thu t nén chuy n

đ ng mà tiêu bi u là chu n nén MPEG. Qua quá trình nghiên c u các chuyên
gia đã cho ra đ i chu n nén MPEG-4 v i nhi u tính n ng u vi t và nó đã nhanh
chóng đ

c ng d ng r ng rãi trong h th ng thông tin video nén. MPEG-4 s

d ng m t ph

ng pháp mã hóa video theo t ng đ i t

b c m t đo n video, vì v y dung l
l

ng video đ

ng thay vì mã hóa tồn

c gi m đi đáng k mà ch t

ng l i khơng có nhi u thay đ i .

Vì v y chúng tơi đã ch n đ tài nghiên c u “Ph
video theo đ i t

ng pháp mã hóa

ng ng d ng trong các h th ng thơng tin video nén” đ đi

sâu tìm hi u k thu t mã hóa trong chu n nén MPEG-4 này.

tài nghiên c u đ

c chia làm 3 ph n

Ch

ng 1: t ng quan v video

Ch

ng 2: cơng ngh mã hóa video trong MPEG-4

Ch

ng 3: các ng d ng

Chúng tôi xin g i l i c m n t i th y giáo đã h

ng d n và giúp đ

chúng tôi th c hi n đ tài này. Và chúng tôi c ng xin g i l i c m n t i th y cô
giáo trong b môn K Thu t Thông Tin và các b n cùng l p đã giúp đ chúng



THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
tơi trong vi c tìm ki m thông tin, tài li u và các giáo trình tham kh o trong su t
quá trình th c hi n đ tài này.
Chúng tôi r t mong nh n đ

c ý ki n đóng góp c a th y cơ giáo và các

Ch

c hồn thi n h n

KIL
OBO
OKS
.CO
M

b n sinh viên đ cho đ tài nghiên c u đ

ng 1 : T ng quan v mã hóa video

1.1 M c đích nghiên c u video nén theo h

ng đ i t

ng

T i sao chúng ta c n ph i nén video ?
xem đ

c 1 đo n video có ch t l

là 1 đi u r t quan tr ng và c n thi t.

ng khơng q l n

ó chính là lí do c n ph i s d ng 1 công

c nén video nh m gi m t i đa dung l
đáp ng đ

ng cao mà dung l

ng c a đo n video mà ch t l

ng v n

c yêu c u.

Nhu c u truy n phát các d ch v Multimedia m i trên h t ng k thu t m ng
Internet đã làm n y sinh các u c u ch c n ng khơng có trong các chu n
MPEG-1, MPEG-2,H.26X và các chu n nén video tr
chu n MPEG-4 (10/1998) và H264 đã t o ra m t ph

c đó. S xu t hi n c a

ng th c thi t l p và t

tác m i v i truy n thơng nghe nhìn trên m ng internet, t o ra m t ph

ng

ng th c

s n xu t, cung c p và ng d ng m i các n i dung video trên c s n i dung và

h

ng đ i t

ng (content/object-based).

truy n thơng đa ph
tr

ây chính là m t cơng ngh trình di n

ng ti n ph c h p, có kh n ng truy n thông trong các môi

ng b ng thông r t khác nhau nh k t h p t t 3 mơi tr

đ ho t

ng: Truy n hình s ,

ng tác và World Wide Web

1.2 T ng quan v các chu n nén

Hi p h i vi n thông qu c t (ITU) và t ch c tiêu chu n qu c t / U ban k
thu t đi n t qu c t (ISO/IEC) là hai t ch c phát tri n các tiêu chu n mã hoá
Video. Theo ITU-T, các tiêu chu n mã hoá Video đ

c coi là các khuy n ngh

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
g i t t là chu n H.26x (H.261, H.262, H.263 và H.264). V i tiêu chu n
ISO/IEC, chúng đ

c g i là MPEG-x (nh MPEG-1, MPEG-2 và MPEG-4).

MPEG hay g n h n là MPG có xu t x t Moving Picture Experts Group

KIL
OBO
OKS
.CO
M

(Nhóm các chuyên gia đi n nh). T ch c ra đ i h i n m 1988 này chuy n phát
tri n các tiêu chu n v cái v nén phim s (digital video) và âm thanh s (digital
audio). Nó ho t đ ng d

i s “đ đ u” c a T ch c Qu c t v Tiêu chu n hóa

(ISO). Mpeg-4 là chu n cho các ng d ng MultiMedia. Mpeg-4 tr thành m t
tiêu chu n cho nén nh k thu t truy n hình s , các ng d ng v đ ho và
Video t

ng tác haichi u(Games,Videoconferencing) và các

Multimedia t

ng d ng

ng tác hai chi u (World Wide Web ho c các ng d ng nh m

phân phát d li u Video nh truy n hình cáp, Internet Video...). Mpeg-4 đã tr
thành m t tiêu chu n cơng ngh trong q trình s n xu t, phân ph i và truy c p
vào các h th ng Video. Nó đã góp ph n gi i quy t v n đ v dung l
các thi t b l u tr , gi i quy t v n đ v b ng thông c a đ

ng cho

ng truy n tín hi u

Video ho c k t h p c hai v n đ trên.
V i MPEG-4, các đ i t

ng khác nhau trong m t khung hình có th đ

c

mơ t , mã hố và truy n đi m t cách riêng bi t đ n b gi i mã trong các dòng c
b n ES (Elementary Stream) khác nhau. C ng nh xác đ nh, tách và x lý riêng
các đ i t
con ng

ng (nh nh c n n, âm thanh xa g n, đ v t, đ i t
i hay đ ng v t, n n khung hình …), nên ng

riêng t ng đ i t

ng nh video nh

i s d ng có th lo i b

ng kh i khn hình. S t h p l i thành khung hình ch đ

th c hi n sau khi gi i mã các đ i t

ng này.

H.264 ( MPEG-4 AVC hay MPEG-4 part 10), hi n đang là ph
ti n nh t trong l nh v c nén video. H.264 cho ch t l
có cùng dung l

c

ng th c tiên

ng hình nh t t nh t khi

ng so v i các chu n nén khác. H.264 c ng đ

c ng d ng nh

thu t nén chính trong video đ phân gi i cao (HD)

M c tiêu chính c a chu n nén H.264 đang phát tri n nh m cung c p Video
có ch t l

ng t t h n nhi u so v i nh ng chu n nén Video tr

có th đ t đ

c đây.

c nh s k th a các l i đi m c a các chu n nén Video tr

i u này
c đây.



THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Khơng ch th , chu n nén H.264 còn k th a ph n l n l i đi m c a các tiêu
chu n tr

c đó là H.263 và MPEG-4.

Trong đ tài này chúng tôi xin phép đ
ng đ i t

ng MPEG-4 mà hi n nay đang đu c s d ng r t nhi u

KIL
OBO
OKS
.CO
M

nén theo h

c trình bày k thu t mã hóa video

nh 1 cơng c mã hóa v i nhi u tính n ng u vi t.
1.3 K thu t mã hóa video nén theo h
đi m c a nó.
MPEG-4 đ

ng đ i t

ng MPEG-4 và u

c coi là m t cu c cách m ng m i trong media s . Nó là chu n

multimedia tồn c u th h k ti p. Nó đ

c thi t k đ truy n t i video v i ch t

l

ng DVD (MPEG-2) qua m ng. MPEG-4 có kh n ng nén cao và t i u hóa

đ

c dung l

l

ng video ch p nh n đ

ng b ng thông c ng nh dung l

MPEG-4 có ph
chu n khác tr

ng file l u tr mà l i đ a ra ch t

c.

ng th c mã hóa và nén video hồn tồn t i u h n các

c nó đó là vi c chia nh m i l p video thành các đ i t

bi t,Thay vì th c hi n truy n t i t t c các l p video nh
4 ch truy n đi s thay đ i trong m i đ i t

ng đã đ

ng riêng

MPEG-2 thì MPEG-

c tách ra.MPEG-4 ra đ i

v i khá nhi u tính n ng u vi t:

1.3.1 Tính m m d o và có kh n ng nâng c p.

Các nhà thi t k b mã hoá MPEG ph i đ i m t v i r t nhi u v n đ , nh ng
v n đ quan tr ng nh t là làm sao thi t k đ
có kh n ng nâng c p đ

c trong t

c m t thu t toán nén m m d o và

ng lai. H th

ng mong mu n có đ

c các

b mã hố MPEG thích h p cho nhi u ng d ng, t TV màn nh r ng, ch t
l

ng cao t i các h th ng nh , tín hi u video đen tr ng cho các h th ng

camera an ninh. Hi n nhiên là m t h th ng nén thi t k dành cho các phim màn
nh r ng ph i có ph n c ng m nh, b nh l n h n là m t h th ng đ

c thi t k

cho h th ng camera dành cho m c đích an ninh.Các nhà thi t k gi i quy t v n
đ này b ng cách đ nh ngh a "Level" và "Profile" cho h th ng. Các "Level" xác
đ nh gi i h n n ng l c x lý c a ph n c ng và b nh c n thi t đ mã hố tín



THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
hi u. Các "Profile" xác đ nh đ ph c t p c a quá trình mã hố và gi i mã.

i

v i MPEG-4 thì có 19 profile (nh ng đ i v i H.264 ch có 3 profile).
V kh n ng nâng c p c a b mã hoá MPEG, h thi t k theo hai b

c th nh t là thay cho xác đ nh ch tiêu c a b mã hoá và gi i mã, h xác

KIL
OBO
OKS
.CO
M

B

c.

đ nh lo i tín hi u n m gi a hai thi t b này. B

c th hai là th c hi n các c i

ti n trong b mã hoá và gi i mã m i sao cho nó t

ng thích v i các chu n c

(backward compatible).Chu n MPEG có các qui t c và giao th c cho tín hi u
truy n gi a b mã hoá và gi i mã. Các quy t c này, th c ch t gi ng nh là m t
lo i ngôn ng dành riêng cho b mã hoá và gi i mã. Các b mã hố t
ph i có kh n ng “nói” đ
kh n ng hi u đ

c ngôn ng này. Các b gi i mã t

ng thích

ng thích ph i có

c tồn b các "t v ng" mà b mã hoá đã phát ra trong m t

ng c nh nh t đ nh.MPEG-4 th c hi n đi u này b ng cách t o ra m t b các
công c dùng đ nén tín hi u trong các tr

ng h p khác nhau. M t trong các

công c này, chuy n đ i cosine r i r c (DCT - discrete cosine transform), có
nhi m v chuy n đ i m t kh i 8x8 pixel thành m t t p các h s
1.3.2 MPEG-4 đem l i công c nén m i.

Ta hãy xem xét các c ng c nén m i mà chu n MPEG-4 mang t i l nh v c
nén nh. Hình 1 so sánh các cơng c c a chu n MPEG-2 và MPEG-4.

Hình 1.1: cơng c nén m i c a MPEG-4 so v i MPEG-2.



THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Chu n MPEG-4 đi xa h n, theo hình 2, nó có th d đốn h s c a toàn b
các kh i trên m t hàng hay h s c a các kh i

c t bên trái t m t kh i đ u

KIL
OBO
OKS
.CO
M

tiên.

Hình 1.2: MPEG4 có th d đốn các tham s trên 1 hàng, hay các thông s c a c t bên trái
t m t kh i đ u tiên.

Vi c d đoán các h s c a hàng hay c a c t d a trên n i dung c a hình nh.
Ví d , m t nh ch a m t v t th theo chi u đ ng nh cái c c ch ng h n. Khi đó
quét nh này theo chi u ngang s t o ra s thay đ i l n trong các h s sau DCT
khi g p hình nh cái c c này. Trái l i, khi quét theo chi u đ ng thì các kh i n m
trong m t c t có các h s DCT g n gi ng nhau, t đó có th nén v i t l nén
cao h n.

MPEG-4 m r ng cách d đoán vector chuy n đ ng. MPEG-4 có th d
đốn vector cho m t macroblock t các macroblock

trên hay

bên trái, và nó

ch g i đi s sai khác so v i các vector c mà thơi. Do đó gi m đi d li u c n
thi t dùng đ mã hoá m t vector, cho phép có th dùng m t vector cho m i kh i
DCT. Vi c d đoán chuy n đ ng s t t h n v i 4 vector, gi m nh l i khi d
đoán.

Ch t l

ng hình nh có th đ

c c i thi n đáng k b ng cách dùng t l nén

d li u l n h n mà không c n thay đ i đ phân gi i. Mpeg không ph i là m t
công c nén đ n l mà u đi m c a nén Mpeg chính là

ch nó có m t t p h p



THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
các cơng c mã hố chu n, chúng có th đ

c k t h p v i nhau m t cách linh

đ ng đ ph c v cho m t lo t các ng d ng khác nhau, kh n ng truy n d n t t
trong môi tr

ng truy n d n kh c nhi t.

KIL
OBO
OKS
.CO
M

1.3.3 Ti m n ng c a chu n MPEG-4.

Trong khi các chu n MPEG-1 và MPEG-2 thao tác v i m t nh tồn v n, thì
chu n MPEG-4 có th làm vi c đ

c v i các hình nh đ

c t o ra, hay đã đ

c

máy tính x lý và đó là m t th m nh c a chu n MPEG-4.So v i chu n MPEG2 thì MPEG-4 có nh ng u th h n v x lý đ h a tr c ti p.

Hình 1.3.a :

u vào c a b mã hóa MPEG-2 là m t nh hoàn ch nh đ
l p l i theo t n s nh (frame rate)

c

Hình 1.3.b : B mã hóa MPEG-4 có th x lý các l nh đ h a m t
cách tr c ti p , do đó cơng c bi u di n hình nh th c s n m trong b
gi imã MPEG-4
Hình 1.3 : so sánh gi a chu n MPEG-2 và MPEG-4 v x lý đ h a

Chu n MPEG-4 có th làm vi c đ

c v i 4 lo i đ i t

4 cho th y chu n MPEG-4 đã chu n hoá ph
chi u nh các đ i t

ng l

ng, nh trên hình 4.Hình

ng pháp truy n các đ i t

i (mesh object), cùng v i các ph

ng 3

ng ti n ánh x b



THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
m t v t th lên các đ i t

ng này, chu n này có th x lý các đ i t

ng có hình

KIL
OBO
OKS
.CO
M

d ng b t k

Hình 1.4: MPEG4 đã chu n hóa ph ng pháp truy n các đ i t
chi u nh các đ i t ng l i.

1.3.4 Audio, video và t t c các đ i t

ng 3

ng khác có th đ

ch t ch v i đ chính xác cao và có kh n ng t

c đ ng b

ng tác.

Truy n thơng multimedia theo dịng (Multimedia stream), trong đó dịng
audio và video s đ

c bi n đ i thích nghi v i yêu c u b ng thông và ch t l

hình nh lo i b nh ng đ i t

ng

ng (hình nh, âm thanh) khơng c n thi t kh i

dòng d li u và đ ng b các thơng tin đ
vào đó, MPEG-4 s cho phép ng

c nhúng trong dịng d li u đó. Thêm

i s d ng kh n ng t

ng tác tr c ti p v i

dòng d li u (d ng ti n hay lùi nhanh, kích chu t đ kích ho t các tu ch n
video và audio…)

L u gi và ph c h i d li u audio và video: do MPEG-4 phân chia các
khung hình thành các đ i t
(đ i t

ng) mong mu n s đ

ng, vi c trình duy t Browser trên c s n i dung
c th c hi n m t cách d dàng và nh v y, các

ng d ng l u gi hay ph c h i thông tin trên c s n i dung MPEG-4 s đ
thu n l i h n.

c



THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Truy n thơng báo đa ph

ng ti n: các thông báo d

i d ng text, audio và

c truy n đi v i yêu c u b ng thơng ít h n, và có kh n ng

t đi u ch nh ch t l

ng cho phù h p v i kh n ng b ng thông c a thi t b gi i

mã.

KIL
OBO
OKS
.CO
M

video MPEG-4 s đ

Thông tin gi i trí: nh ng s trình di n nghe nhìn t
ch i t

ng tác …) có th đ

ng tác (th gi i o, trò

c tri n khai trên c s chu n MPEG-4 s làm gi m

yêu c u v b ng thông và làm cho th gi i o tr nên sinh đ ng và gi ng nh
th c t trên các trang web

Ch

ng 2 : Công ngh mã hóa video trong MPEG-4

MPEG-4 là s n ph m c a nhóm MPEG (Moving Picture Expert Group)
đ

c thành l p tháng 1/1988 v i nhi m v phát tri n các chu n x lý, mã hoá và

hi n th các nh đ ng, audio và các t h p c a chúng.
S n ph m đ u tiên c a nhóm này là MPEG-1 đ

c s d ng cho vi c mã hoá

các d li u nghe nhìn v i t c đ 1,5 Mbps. S n ph m th hai c a nhóm là chu n
MPEG-2 n i ti ng hi n nay, mang tính t ng quát h n và đang đ
m t lo t các

ng d ng nghe nhìn trong ph m vi t c đ

Không gi ng các chu n MPEG tr
n i dung đ
đ

c áp d ng cho
t

3-40 Mbps.

c đó, ví d nh trong MPEG-2, n i mà

c t o ra t nhi u ngu n nh video nh đ ng, đ h a, v n b n… và

c t h p thành chu i các khung hình ph ng, m i khung hình (bao g m các

đ it
ph n t

ng nh ng

i, đ v t, âm thanh, n n khung hình…) đ

c chia thành các

nh pixels và x lý đ ng th i, gi ng nh c m nh n c a con ng

qua các giác quan trong th c t . Các pixels này đ
chúng đ u là các ph n t

c mã hoá nh th t t c

nh video nh đ ng. T i phía thu c a ng

quá trình gi i mã di n ra ng

i thơng

i s d ng,

c v i q trình mã hố khơng khó kh n. Vì v y có

th coi MPEG-2 là m t công c hi n th t nh, và n u m t nhà truy n thông
truy n phát l i ch

ng trình c a m t nhà truy n thơng khác v m t s ki n, thì



THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
logo c a nhà s n xu t ch

ng trình này khơng th lo i b đ

c. V i MPEG-2,

b n có th b xung thêm các ph n t đ ho và v n b n vào ch
th cu i cùng (theo ph
v n

ng th c ch ng l p), nh ng không th xố b t các đ
b n

có

trong

ch

ng

KIL

OBO
OKS
.CO
M

và

ho

Chu n MPEG-4 kh c ph c đ
V i MPEG-4, các đ i t

ng trình hi n
trình

g c.

c h n ch này và là m t chu n đ ng d thay đ i.

ng khác nhau trong m t khung hình có th đ

c mơ t ,

mã hoá và truy n đi m t cách riêng bi t đ n b gi i mã trong các dòng c b n
ES (Elementary Stream) khác nhau. C ng nh xác đ nh, tách và x lý riêng các
đ it
ng

ng (nh nh c n n, âm thanh xa g n, đ v t, đ i t
i hay đ ng v t, n n khung hình …), nên ng

t ng đ i t

ng nh video nh con

i s d ng có th lo i b riêng

ng kh i khn hình. S t h p l i thành khung hình ch đ

hi n sau khi gi i mã các đ i t

c th c

ng này.

Hình 2.1. C u trúc c a b mã hoá và gi i mã video MPEG-4

Các b ph n ch c n ng chính trong các thi t b MPEG-4 bao g m:
- B mã hoá hình d ng ngồi Shape Coder dùng đ nén đo n thông tin, giúp
xác đ nh khu v c và đ

ng vi n bao quanh đ i t

ng trong khung hình scene.

- B d đốn và t ng h p đ ng đ gi m thông tin d th a theo th i gian.
- B mã k t c u m t ngoài Texture coder dùng đ x lý d li u bên trong và
các d li u còn l i sau khi đã bù chuy n đ ng.

KIL
OBO
OKS
.CO
M

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

Hình 2.2. S đ c u trúc gi i mã video MPEG-4

Hình 2 là m t ví d v t ng h p khung hình video s d ng trong MPEG-4.
Nhi u đ i t
đ

ng đ

c tách ra kh i video đ u vào. M i đ i t

c mã hóa b i b mã hố đ i t

ng video sau đó

ng video VO (Video Object) và sau đó đ

truy n đi trên m ng. T i v trí thu, nh ng đ i t

ng này đ

nh b gi i mã riêng VO và g i t i b compositor. Ng

c gi i mã riêng r

i s d ng có th t

tác v i thi t b đ c u trúc l i khung hình g c, hay đ x lý các đ i t
m t khung hình khác. Ngồi ra, ng

c
ng

ng t o ra

i s d ng có th download các đ i t

ng

khác t các th vi n c s d li u (có s n trên thi t b hay t xa thông qua m ng
LAN, WAN hay Internet) đ chèn thêm vào hay thay th các đ i t
khn

ng có trong
g c.

hình

có th th c hi n vi c t h p khung hình, MPEG-4 s d ng m t ngơn ng
mơ t khung hình riêng, đ

c g i là đ nh d ng nh phân cho khung hình BiFS

(Binary Format for Scenes). BiFS không ch mô t

đâu và khi nào các đ i

t

ng xu t hi n trong khung hình, nó c ng mơ t cách th c ho t đ ng c a đ i

t

ng (làm cho m t đ i t

ng xoay tròn hay ch ng m hai đ i t

ng lên nhau)

và c đi u ki n ho t đ ng đ i t

ng và t o cho MPEG-4 có kh n ng t

Trong MPEG-4 t t c các đ i t

ng có th đ

c a nó - video đ
các đ ho đ

ng tác.

c mã hoá v i s đ mã hoá riêng

c mã hoá theo ki u video, text đ

c mã hoá theo ki u text,

c mã hố theo ki u đ ho - thay vì vi c x lý t t c các ph n t



THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
nh pixels nh là mã hố video nh đ ng. Do các q trình mã hoá đã đ

ct i

u hoá cho t ng lo i d li u thích h p, nên chu n MPEG-4 s cho phép mã hoá
v i hi u qu cao tín hi u nh video, audio và c các n i dung t ng h p nh các

KIL
OBO
OKS
.CO
M

b m t và c th ho t hình.

2.1 Mã hố hình d ng ngồi (Shape Coder )

-Khung hình : là thành ph n mã hố chính. Th

ng th

ng chúng ta có th

phân bi t s thay đ i v đ sáng c a nh t t h n so v i s thay đ i v màu. Do
đó tr

c h t các s đ nén Mpeg s ti n hành chia khung hình thành các thành

ph n đ sáng Y và thành ph n đ màu Cb, Cr (m t thành ph n v đ sáng và hai
thành ph n v đ màu). M t khung hình s g m có 3 ma tr n ng v i các thành
ph n v đ sáng (Y) và hai thành ph n v đ màu Cb và Cr.

Ma tr n Y có s hàng và c t b ng nhau (ma tr n vuông). Ma tr n Cb và Cr
có s hàng và c t b ng n a ma tr n Y. Hình 3 cho th y quan h và v trí c a Y
và các thành ph n Cb và Cr. L u ý r ng c 4 giá tr Y l i có 2 giá tr k t h p
m t c a Cb và m t c a Cr (V trí c a giá tr Cb và Cr là t

ng đ

ng).

Các b l c ti n x lý s l c ra nh ng thông tin không c n thi t t tín hi u Video
và nh ng thơng tin khó mã hố nh ng khơng quan tr ng cho s c m th c a m t
ng

i. K thu t đoán chuy n đ ng d a trên nguyên t c là các khung hình trong

m t c nh Video d

ng nh có liên quan m t thi t v i nhau theo th i gian: M i

khung hình t i m t th i đi m nh t đ nh s có nhi u kh n ng gi ng v i các
khung hình đ ng ngay phía tr

c và ngay phía sau nó. Do v y

phía b mã hố,

ch c n g i nh ng khung hình có thay đ i so v i nh ng khung hình tr
đó dùng ph

c, sau

ng pháp nén v khơng gian đ lo i b s d th a v không gian

trong chính khung hình sai khác này. Trong MPEG-4 là y u t ít có s thay đ i
nh t, các b

c mã hóa khung hình c ng t

mã hố bi n đ i g m các b

c:

+Bi n đ i Cosine r i r c (DCT).
+L

ng t hố.

+Mã hóa
2.1.1 Bi n đ i Cosin r i r c ( DCT )

ng t nh mã hóa nh. Thu t tốn



THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
c mơ t d

i đây:

KIL
OBO
OKS
.CO
M

S đ thu t tốn nén và gi i nén đ

Hình 2.3 s đ thu t tốn nén nh (a)

Q trình gi i nén s đ
nén t

ng ngv i ph

c làm ng

c l i, ng

i ta gi i mã t ng ph n nh

ng pháp nén đã s d ng trong ph n nén nh các thông

tin liên quan ghi trong ph n header c a file nén. K t qu thu đ
l

ng t . Các h s này đ

b t

c khơi ph c v giá tr tr

ng t hóa. Ti p đó đem bi n đ i Cosin ng

c khi l

c ta đ

c là h s đã
ng t hóa b ng

c nh ban đ u v i đ

trung th c nh t đ nh.

B ng mã và b ng l

ng t trong s đ gi i nén đ

c d ng lên nh nh ng

thông tin ghi trong ph n c u trúc đ u t p ( Header) c a t p nh nén. Quá trình
nén ch u trách nhi m t o ra và ghi l i nh ng thơng tin này. Ph n ti p theo s
phân tích tác d ng c a t ng kh i trong s đ 2.3
+ Ph n kh i

Vì nh g c có kích th
nh đ

c r t l n cho nên tr

c khi đ a vào bi n đ i DCT,

c phân chia thành các kh i vuông, m i kh i này th

ng có kích th

c8

x 8 pixel và bi u di n các m c xám c a 64 đi m nh, các m c xám này là các s
nguyên d

ng có giá tr t 0 đ n 255. Vi c phân kh i này s làm gi m đ

cm t

ph n th i gian tính tốn các h s chung, m t khác bi n đ i cosin đ i v i các

kh i nh s làm t ng đ chính xác khi tính tốn v i d u ph y t nh, gi m thi u sai
s do làm tròn sinh ra.




KIL
OBO
OKS
.CO
M

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

Hình 2.4 s đ thu t toán nén nh (b)

Bi n đ i DCT là m t cơng đo n chính trong các ph
bi n đ i. 2 công th c

ng pháp nén s d ng

đây minh ho cho 2 phép bi n đ i DCT thu n ngh ch đ i

v i m i kh i nh có kích th

c 8 x 8. Giá tr x(n1, n2) bi u di n các m c xám

c a nh trong mi n không gian, X(k1, k2) là các h s sau bi n đ i DCT trong
mi n t n s .
+ Bi n đ i

Bi n đ i là m t trong nh ng công đo n l n trong các ph

ng pháp nén s

d ng phép bi n đ i. Nhi m v c a công đo n bi n đ i là t p trung n ng l

ng

vào m t s ít các h s bi n đ i. Công th c bi n đ i cho m i kh i là:

và

Thu t toán bi n đ i DCT cho m i kh i trong tr
phép bi n đ i DCT.

u tiên, ng

dãy đi m nh trên m i hàng. L n l

ng h p này s bao g m 16

i ta bi n đ i nhanh Cosin m t chi u cho các
t th c hi n cho 8 hàng. Sau đó đem bi n



THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
đ i nhanh Cosin m t chi u theo t ng c t c a ma tr n v a thu đ

c sau 8 phép

bi n đ i trên. C ng l n l

t th c hi n cho 8 c t. Ma tr n cu i cùng s là ma tr n

h s bi n đ i c a kh i t

ng ng.Trong s đ gi i nén ta ph i dùng phép bi n

c. Công th c bi n đ i ng

ccho kh i 8x8:

KIL
OBO
OKS
.CO
M

đ i Cosin ng

và

2.1.2 L

ng t hoá

Kh i l

ng t hóa trong s đ nén đóng vai trị quan trong và quy t đ nh t

l nén c achu n nén.

u vào c a kh i l

ng t hóa là các ma tr n h s bi n

đ i Cosin c a các kh i đi m nh.Sau khi th c hi n bi n đ i DCT, 64 h s s
đ

cl

ng t hoá d a trên m t b ng l

v≤7. B ng này đ
b ng l
nh y l

c đ nh ngh a b i t ng ng d ng c th . Các ph n t trong

ng t có giá tr t 1 đ n 255 đ

DCT. Quá trình l
ng t t

ng t đ

c g i là các b

ng ng, k t qu này sau đó s đ

FQ(u,v) là các h s sau l

c nh y cho các h s

c coi nh là vi c chia các h s DCT cho b

g n nh t. Công th c (3) th hi n vi c l
Entropy.

ng t g m 64 ph n t Q(u,v) v i 0≤u,

c

c làm tròn xu ng s nguyên

ng t v i F(u,v) là các h s DCT,

ng t , các h s này s đ

c đ a vào b mã hoá

(3)



THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
M c đích c a vi c l

ng t hoá là gi m s l

ng bit c n đ l u tr các h s

bi n đ i b ng vi c gi m đ chính xác c a các h s này cho nên l

ng t là q

trình x lý có m t thơng tin.
ng t

phía b gi i mã đ

s sau b gi i mã entropy s nhân v i các b
l

ng t đ

c nh y trong b ng l

c l i. Các h
ng t (b ng

c đ t trong ph n header c a nh JPEG). K t qu này sau đó s đ

đ a vào bi n đ i DCT ng
m t kh i, ng

c th c hiên ng

KIL
OBO
OKS
.CO
M

Quá trình gi i l

c.

c

nâng cao hi u qu nén cho m i b h s trong

i ta x p chúng l i theo th t ZigZag. Tác d ng c a s p x p l i

theo th t ZigZag là t o ra nhi u lo i h s gi ng nhau. Chúng ta bi t r ng
n ng l

ng c a kh i h s gi m d n t góc trên bên trái xu ng góc d

i bên

ph i nên vi c s p x p l i các h s theo th t ZigZag s t o đi u ki n cho các
h s x p x nhau (cùng m c l

ng t ) n m trên m t dịng

Hình 2.5 : Q trình gi i l

M i kh i ZigZag này đ

ng t và th t s p x p zigzag

c mã hóa theo ph

ng pháp RLE. Cu i m i kh i

đ u ra c a RLE, ta đ t d u k t thúc kh i EOB (End Of Block). Sau đó, các kh i
đ

c d n l i và mã hóa m t l n b ng ph

thúc kh i nên có th phân bi t đ

ng pháp mã Huffman. Nh có d u k t

c hai kh i c nh nhau khi gi i mã Huffman.

Hai b ng mã Huffman cho hai thành ph n h s t t nhiên s khác nhau.

có



THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
th gi i nén đ
th

c, chúng ta ph i ghi l i thông tin nh : kích th

c kh i, ma tr n Y, đ

Huffman, kích th

c nh, kích

l ch tiêu chu n, các m c t o l i, hai b ng mã

c kh i nén m t chi u, kích th

c kh i nén xoay chi u… và

KIL
OBO
OKS
.CO
M

ghi n i ti p vào hai file nén c a thành ph n h s .

Cài đ t gi i thu t cho nén th c s ph c t p. Chúng ta ph i n m đ

c các

ki n th c v nén

RLE, Huffman, bi n

đ i Cosin, xây d ng b

l

ng t

hóa Lloyd-

Max…Nén và gi i nén h i ch m nh ng bù l i, th i gian truy n trên m ng
nhanh h n do kích th

c t p nén nh . V i nh ng u đi m c a mình đ

ch p nh n là chu n nh qu c t và đ

c bi t đ n d

c ISO

i mã s ISO 10918-1.

2.1.3 Mã hóa
Mã hố là b

c cu i cùng trong h th ng nén nh d a trên bi n đ i DCT.

Chu n nén nh JPEG hi n nay dùng ph
mã hố khơng làm m t thông tin. Ph
D a vào d li u g c, ng
su t đ

ng pháp này d a trên mơ hình th ng kê.

i ta tính t n su t xu t hi n các h s . Vi c tính t n

c th c hi n b ng cách duy t tu n t t đ u kh i đ n cu i kh i, sau đó,

nh ng h s có t n su t cao đ
th p đ

ng pháp mã hoá Huffman, đây là phép

c g n cho m t t mã ng n, các h s có t n su t

c gán m t t mã dài. V i cách th c này chi u dài trung bình c a t mã

đã gi m xu ng.

ng ZicZig

Các h s thu đ

c sau khi l

ng t hoá s đ

các ký hi u theo ki u “zig-zag” (theo đ

c s p x p thành m t chu i

ng zig-zag) đ đ t các h s có t n s

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
th p lên tr

c các h s t n s cao. Các h s này s đ

c mã hoá d a trên b ng

mã Huffman sao cho chi u dài trung bình c a t mã là nh nh t. B ng mã này
c ng s đ

c đ t trong ph n mào đ u c a nh đ th c hi n gi i nén nh

KIL
OBO
OKS
.CO
M

2.2 D đoán và t ng h p đ ng
M i l p video bao g m các đ i t
g i là VOP. Khi 1 VOP đ
đ

ng riêng r . M i đ i t

c tách ra,VOP đó s đ

ng riêng r

y

c đ a vào b mã hóa và

c th c hi n mã hóa nh sau :

Hình 2.6 C u trúc mã hóa m t VOP

2.2.1

cl

ng chuy n đ ng

Nén Mpeg là s

k t h p hài hoà c a b n k thu t c b n: Ti n x

(Preprocessing), đoán tr

c s chuy n đ ng c a các khung hình (Picture)

mã hố (Temporal Prediction), bù chuy n đ ng
Compensation) và mã l

b

lý

b

gi i mã (Motion

ng t hoá (Quatization Coding).Các b l c ti n x lý

s l c ra nh ng thông tin không c n thi t t tín hi u Video và nh ng thơng tin
khó mã hố nh ng khơng quan tr ng cho s c m nh n c a m t ng

i. K thu t

đoán chuy n đ ng d a trên nguyên t c là các khung hình trong m t c nh Video
(Video Sequence) d

ng nh có liên quan m t thi t v i nhau theo th i gian:

M i khung hình t i m t th i đi m nh t đ nh s có nhi u kh n ng gi ng v i các



THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
khung hình đ ng ngay phía tr
hành quét l n l

c và ngay phía sau nó. Các b mã hố s ti n

t t ng ph n nh trong m i khung hình g i là MB, sau đó nó s

phát hi n MB nào khơng thay đ i t khung hình này t i khung hình khác. B mã
c s xu t hi n c a các MB khi bi t v trí và h

KIL
OBO
OKS
.CO
M

hoá s d đoán tr

ng chuy n

đ ng c a nó. Do đó ch nh ng s thay đ i gi a các MB trong khung hình hi n
t i và các MB đ

c d đoán m i đ

c truy n t i bên phía thu.

Phía bên thu t c b gi i mã đã l u tr s n nh ng thông tin mà không thay
đ i t khung hình này t i khung hình khác trong b nh đ m c a nó và chúng
đ

c dùng đ đi n thêm m t cách đ u đ n vào các v trí tr ng trong nh đ

khơi ph c.

Nén tín hi u Video đ

c

c th c hi n nh vi c lo i b c s d th a v không

gian (Spatial Coding) và th i gian (Temporal Coding). Trong Mpeg, vi c lo i b
d th a v th i gian (nén liên khung hình) đ

c th c hi n tr

c h t nh s d ng

các tính ch t gi ng nhau gi a các khung hình liên ti p (Inter-Picture). Chúng ta
có th s d ng tính ch t này đ t o ra các khung hình m i nh vào nh ng thơng
tin t nh ng khung hình đã g i tr

c nó. Do v y

phía b mã hố, ch c n g i

nh ng khung hình có thay đ i so v i nh ng khung hình tr
ph

c, sau đó dùng

ng pháp nén v không gian (Spatial Coding) đ lo i b s d th a v khơng

gian trong chính khung hình sai khác này. Nén v không gian d a trên nguyên
t c là phát hi n s gi ng nhau c a các đi m nh (pixel) lân c n nhau (IntraPicture).

2.2.2 K thu t đ m

K thu t đ m m t hình nh s đ

c th c hi n l p đi l p l i trên VOP đ th c

hi n vi c d đoán chuy n đ ng và bù chuy n đ ng.

M c đích c a k thu t này là đ đi u ch nh t c đ c a lu ng video mã hóa
hay đi u ch nh t c đ nén video.

2.2.3 K thu t chuy n đ ng c b n



THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
MPEG-4 s d ng m t s k thu t t

ng t nh ITU-T.263 đ mã hóa d

li u chuy n đ ng. Các khái ni m v k thu t chuy n đ ng c b n s đ
các m c d

bày

i đây:
kh i thích ng v i c u trúc đa c nh c a

KIL
OBO
OKS
.CO
M

2.2.3.1 K thu t thay đ i t ng
VOP

c trình

Các hình ch nh t có ch a các VOP đ
cùng theo b i s c a kích th

c m r ng v bên ph i và phía d

c MB. Kích c c a hình ch nh t cho đ chói

VOP là b i s c a 16x16, và kích th

c cho màu là b i s c a 8x8. Các giá tr

alpha c a các đi m nh m r ng (ví d nh bên ngồi ranh gi i c a VOP) đ
thi t l p là r ng. Các MB đ

i

c

c hình thành b i các phân vùng m r ng ranh gi i

c a kh i hình ch nh t 16 x 16. Trong quá trình d đoán chuy n đ ng, giá tr
SAD (t ng s khác nhau tuy t đ i c a các đi m nh) đ

c s d ng nh 1 công

c đ tìm ra đ sai l ch .Vi c xây d ng l i các anpha Plane c a VOP có s d ng
c các đi m nh c a các MB mà chúng n m ngoài VOP.Giá tr . SAD ch đ
tính cho các đi m nh có giá tr khác 0 . Công th c này đ
MB thu c đ

ng biên c a VOP. K thu t này đ

c

c áp d ng c v i các

c áp d ng nh trong hình 2.7

Hình 2.7 : K thu t thay đ i t ng kh i thích ng v i c u trúc đa c nh c a VOP

2.2.3.2

cl

ng chuy n đ ng c a đi m nh

Vi c tìm ki m s thay đ i v thành ph n đ sáng ( theo ph

ng Y ) đ

c

th c hi n hi u qu khi ta tìm ki m trên 1 s nguyên đi m nh.Vi c so sánh đ

c

di n ra gi a MB hi n t i v i MB đã b thay th tr

c

c đó.Vi c tìm ki m đ



THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
th c hi n trong m t c a s có đ r ng lên t i ± 31,5 pixel theo c ph
ng th ng đ ng quanh v trí MB ban đ u.

KIL
OBO
OKS
.CO
M

và ph

ng ngang

Hình 2.8 : c a s m r ng cho vi c tìm ki m s thay đ i theo ph

T đó ta tính đ

Trong đó

ng Y

c SAD nh sau:

SADN(x,y) là giá tr SAD c a MB t i t a đ (x , y)

Original: là giá tr đi m nh ij hi n t i
Previous: là giá tr đi m nh ij tr

c đó đã b thay th

!(Alphaoriginal=0) : là m t h s khác 0

Trong mi n không gian m r ng tìm ki m,nh ng n i mà (x,y) lên t i lên ±
31,5 pixel v i N =16 ho c 8 . đ

u tiên cho vector r ng khi khơng có s khác

bi t thì véc t r ng SAD (0, 0) đ

c s d ng theo công th c

v i NB là s ch s c a MB bên trong các VOP. C p k t qu (x,y) th p nh t
trong SAD16 đ

c ch n nh 16x16 đi m nh nguyên c a MV , V0. Trong ch

đ nâng cao ch t l

ng d đoán chuy n đ ng . 4 MVs 8x8 đ i di n cho m i

16x16 MB. Các SAD 8x8 cho MB s đ

c tính nh sau :




KIL
OBO
OKS
.CO
M

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

V i 0 < k < 4 là s kh i 8 x 8 c a m i MB n m bên trong các VOP

2.2.3.3 ch đ INTRA / INTER

Khi d đoán chuy n đ ng c a các đi m nh đ

c hoàn thành . nh ng ng

i

làm nhi m v mã hóa s quy t đ nh s s d ng ch đ INTRA ho c ch đ
INTER .

Ta có:

N u A< (SADinter – 2NB) thì s s d ng ch đ INTRA
N u ch đ INTRA đ

c ch n , thì tìm ki m chuy n đ ng s đ

c th c hi n

v i m t n a đi m nh xung quanh v trí V0.
2.2.3.4 Tìm ki m n a đi m nh
Tìm ki m n a đi m nh đ

c th c hi n b ng cách d ng l i các VOP cho

16x16 vectors ho c 8x8 vectors. Vi c tìm ki m đ

c th c hi n các ph n c a MB

trong ph m vi ±1 pixel xung quanh các ma tr n có s đi m là V0, V1, V2, V3,
V4. giá tr c a n a pixel tìm đ
trong hình sau :

c b ng cách s d ng phép n i suy đ

c di n t




KIL

OBO
OKS
.CO
M

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

Hình 2.9 : Tìm ki m giá tr n a đi m nh b ng phép n i suy

K t qu tìm ki m vector t n a đi m nh bao g m các thành ph n theo chi u
ngang và chi u d c ( MVx,MVy) , c 2 thành ph n ngang và d c đ u đ

c đo

trong đ n v n a pixel.

2.2.3.5 D đoán MV

Khi ch đ INTER đ

ngang và d c c a MV s đ

c ch n , các MVs s đ

c mã hóa khác nhau b ng cách s d ng m t không

gian lân c n c a 3 MV d đoán đ

cđ c .

T i biên c a các VOP hi n t i s đ

c áp d ng m t s quy t c sau :

1- n u MB c a m t và ch m t b d báo đ
đ

c đ t là 0

cđ t

2- n u MBs c a hai và ch hai b d báo đ
chúng s đ

bên ngoài VOP, thì s

cđ t

bên ngồi VOP thì

c đ t t i b d báo th 3

3- n u MBs c a c 3 b d báo đ
đ t là 0

c truy n , các thành ph n

cđ t

bên ngồi VOP thì chúng s đ

c

2.2.3.6 Ch đ vector chuy n đ ng không gi i h n

Ch đ vector chuy n đ ng không gi i h n cho phép các MVs đ t
ngoài VOP đ nâng cao ch t l

bên

ng d đoán chuy n đ ng. trong k thu t này