Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn

ĐATN: Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn
Trang 1
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Tên đề tài : “Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong
thực tiễn”
GVHD : TS. TRẦN DŨNG TRÌNH
SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN
MSSV : 103101088
LỚP : 03DDT2
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

Tp.HCM ngày tháng năm 2008
GVHD
TS. Trần Dũng Trình
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Tên đề tài : “Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong
thực tiễn”
GVHD : TS. TRẦN DŨNG TRÌNH
GVPB : KS. TRẦN DUY CƯỜNG
GVHD: TS. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN
ĐATN: Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn
Trang 2
SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN
MSSV : 103101088
LỚP : 03DDT2
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Tp.HCM ngày tháng năm 2008
GVPB
KS. Trần Duy Cường
MỤC LỤC
LỜI GIỚI THIỆU.....................................................................................4
CÁC THUẬT NGỮ TIẾNG ANH............................................................6
LỜI MỞ ĐẦU............................................................................................ 8
CHƯƠNG I. CƠ SỞ VỀ NÉN TÍN HIỆU VIDEO...................................9
I.1 SỰ CẦN THIẾT CỦA NÉN TÍN HIỆU..................................................................9
GVHD: TS. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN
ĐATN: Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn
Trang 3
I.2 QUÁ TRÌNH SỐ HÓA TÍN HIỆU........................................................................10
I.3 TỐC ĐỘ BIT VÀ THÔNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TÍN HIỆU SỐ...............12
I.4 QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU MÀU...........................................................13
I.5 CÁC TIÊU CHUẨN LẤY MẪU TÍN HIỆU VIDEO SỐ.....................................15
I.6 MÔ HÌNH NÉN TÍN HIỆU VIDEO......................................................................16
CHƯƠNG II. CÁC KỸ THUẬT NÉN VIDEO......................................20
II.1 PHÂN LOẠI CÁC KỸ THUẬT NÉN.................................................................20
II.2 QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI .....................................................................................21
II.3 QUÁ TRÌNH LƯỢNG TỬ...................................................................................24
II.4 QUÁ TRÌNH MÃ HÓA .......................................................................................25
II.5 TIÊU CHUẨN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ẢNH NÉN....................................30
CHƯƠNG III. CÁC CHUẨN NÉN THUỘC HỌ MPEG TRƯỚC
MPEG-4 H.264/AVC................................................................................31
III.1 GIỚI THIỆU VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA KỸ THUẬT MPEG..............31

III.2 CÁC TIÊU CHUẨN NÉN TRƯỚC MPEG-4 H.264/AVC................................32
CHƯƠNG IV. CHUẨN NÉN MPEG-4 H.264/AVC...............................38
IV.1 TỔNG QUAN VỀ CHUẨN NÉN MPEG-4 H.264/AVC...................................38
IV.2 NHỮNG ĐẶC TÍNH NỔI BẬT CỦA CHUẨN NÉN H.264/AVC...................42
IV.3 KỸ THUẬT NÉN VIDEO H.264/AVC..............................................................44
CHƯƠNG V. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CHUẨN H.264/AVC................107
V.1 TRUYỀN HÌNH INTERNET IPTV...................................................................107
V.2 TRUYỀN HÌNH VỆ TINH DVB-S2.................................................................108
V.3 TRUYỀN HÌNH DI DỘNG...............................................................................108
CHƯƠNG VI. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH NÉN-GIẢI NÉN CỦA
H.264/AVC BẰNG MATLAB................................................................111
VI.1 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT....................................................................................111
VI.2 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG:.....................................................................111
VI.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ..................................................................................112
PHỤ LỤC...............................................................................................113
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................120
GVHD: TS. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN
ĐATN: Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn
Trang 4
LỜI GIỚI THIỆU
iện nay, chúng ta đang sống trong một kỷ nguyên mới “Kỷ nguyên truyền
thông đa phương tiện” các thiết bị mới, các kỹ thuật mới lần lượt ra đời
nhằm mục đích đáp ứng nhu cầu giải trí cho con người ngày một tốt hơn. Các ứng dụng
đa phương tiện thời gian thực truyền trên mạng di động, mạng Internet, mạng truyền
hình…ngày càng phát triển rầm rộ, các nhà sản xuất thiết bị chú trọng áp dụng các công
nghệ nén tiên tiến vào thiết bị của mình nhằm thõa mãn nhu cầu “chất lượng trung thực
về âm thanh, hình ảnh” của con người cũng như khả năng đáp ứng yêu cầu thực tế của
công nghệ. Thế nhưng không phải nhu cầu nào của chúng ta đều có thể được đáp ứng
một cách thuận lợi, vì sự gắn liền giữa độ phức tạp, tốn kém chi phí đầu tư cơ sở hạ
tầng, thiết bị đầu cuối…, luôn đi kèm với công nghệ cao. Bên cạnh đó vấn đề truyền

thông nội dung đa phương tiện hiện nay đang gặp một số khó khăn: băng thông đường
truyền, nhiễu kênh, giới hạn của pin cho các ứng dụng…. Trong khi băng thông kênh
truyền phải chờ đợi một công nghệ mới của tương lai mới có thể cải thiện, còn việc cải
thiện giới hạn của pin dường như không đáp ứng được sự phát triển của các dịch vụ
trong tương lai, thì phương pháp giảm kích thước dữ liệu bằng các kỹ thuật nén là một
cách giải quyết hiệu quả các khó khăn trên.
H
Cho đến nay có rất nhiều kỹ thuật nén dữ liệu đa phương tiện như: chuẩn JPEG, chuẩn
JPEG2000 và chuẩn MPEG… tuy nhiên hiệu quả nén của các tiêu chuẩn này cũng chưa
được cao, và vẫn chưa đáp ứng tốt yêu cầu của truyền hình HDTV…cũng như việc lưu
GVHD: TS. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN
ĐATN: Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn
Trang 5
trữ dung lượng còn rất lớn. Gần đây nhất là sự thành cơng của tiêu chuẩn mã hóa
MPEG-2 được đánh dấu nổi bật từ những lần phóng thương mại đầu tiên các hệ thống
vệ tinh DTH vào giữa những năm 1990 và thành cơng của chuẩn nén MPEG-4 Part 2
trong ứng dụng truyền hình số, các ứng dụng đồ họa… Nhưng với u cầu bộ mã hóa có
thể tương thích với các ứng dụng tốc độ bit thấp, thì nó khơng đáp ứng hiệu quả. Từ
việc nghiên cứu khắc phục nhược điểm của MPEG-2, phát triển bổ sung cho MPEG-4
Part 2 để cho ra đời những chuẩn nén tiên tiến hơn, mà nổi bật là MPEG-4 H.264/AVC.
Nó là sự kết hợp hồn hảo giữa 2 tổ chức nổi tiếng: nhóm chun gia mã hóa video của
tổ chức ITU và nhóm chun gia xử lý ảnh động ISO/IEC. Ta thử xét một ví dụ minh
họa trong truyền hình số, nếu sử dụng kỹ thuật nén MPEG-2 cung cấp định dạng SDTV
với độ phân giải 640x480 pixel thì cần băng thơng 4.3Mbps trên một kênh truyền còn
đối với HDTV thì cần 19Mbps, nhưng nếu sử dụng chuẩn nén H.264 thì băng thơng cho
truyền hình SDTV chỉ có 1.5 – 2 Mbps hoặc 6-9 Mbps đối với HDTV. Chính vì những
ưu điểm đó mà MPEG-4 H.264/AVC đã dần dần chứng tỏ vị thế số 1 của mình, những
ưu việt mà chuẩn nén này mang lại chắc chắn sẽ có ảnh hưởng tích cực đến thị trường
phim ảnh, cũng như ngành cơng nghiệp chế tạo thiết bị đầu cuối. Để có thể hiểu biết
hơn về tiêu chuẩn nén tiên tiến này, em đã chọn đề tài “Tổng quan về chuẩn nén

MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn” làm đề tài tốt nghiệp của
mình. Sau hơn 3 tháng nỗ lực hết mình, về cơ bản Đồ án cũng đã cho ta cái nhìn tổng
qt về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC, đồng thời với sự minh họa bằng chương trình
Matlab 7.01, cũng giúp cho ta hiểu rõ hơn những ưu điểm của chuẩn nén này, tuy nhiên
do có sự hạn chế về kinh nghiệm, thời gian,…nên sẽ khơng tránh khỏi sai sót, kính
mong Q Thầy Cơ, bạn bè, đồng nghiệp tham khảo đóng góp ý kiến.
Em xin chân thành cảm ơn TS. Trần Dũng Trình đã bỏ ra chút thời gian q báu,
hướng dẫn tận tình và cung cấp tài liệu bổ ích trong q trình làm Đồ án. Đồng thời
cũng xin cảm ơn Q Thầy Cơ Trường Đại Học Kỹ Thuật Cơng Nghệ Thành Phố Hồ
Chí Minh, đã tận tình dạy dỗ, truyền thụ kiến thức và kinh nghiệm cho em trong suốt
hơn bốn năm qua, cảm ơn các bạn bè đã quan tâm, chia xẻ, đóng góp ý kiến.
Kính chúc Quý Thầy Cô và bạn bẻ được nhiều sức khỏe.
GVHD: TS. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HỒNG SƠN
ĐATN: Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn
Trang 6
Tp.hcm, tháng 01/2008
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Quang Hoàng Sơn
CÁC THUẬT NGỮ TIẾNG ANH
BAC Mã hóa số học nhị phân (Binary Arithmetic Coding)
CA Mã hóa thích nghi theo nội dung (Context Adaptive)
CC Mã xóa (Clear code)
CIF Định dạng mã hóa hình ảnh có kích thước 352 x 288 (Common
Intermediate Format)
DAB Phát quảng bá âm thanh số (Digital Audio Broadcasting)
DCT Biến đổi Cosine rời rạc (Discrete Cosine Transform)
DFT Biến đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transform)
DPCM Điều xung mã vi sai (Differential Pulse Code Modulation)
DS Thuật tốn tìm kiểu hình thoi (Diamond Search)
DTH

DWT Biến đổi Wavelet rời rạc (Discrete Wavelet Transform)
EOI Mã kết thúc (End Of Information)
ES Dòng cơ bản (Elemenatary Stream)
Exp-Golomb Mã Exponential Golomb
FLC Mã hóa có chiều dài cố định (Fixed-Length Code)
FMO Thứ tự MB mềm dẻo (Flexible Macroblock Order)
GOP Nhóm ảnh (Group Of Pictures)
GMC Bù chuyển động tồn phần (Global Motion Compensation)
HDS Thuật tốn tìm hình thoi nằm ngang (Horizontal Diamond search)
HDTV Truyền hình phân giải cao (High Definition Television)
HEXBS Thuật tốn tìm kiểu hình lục giác (Hexagon-Based Search)
ICT Biến đổi ngun Cosine rời rạc (Integer Discrete Cosine Transform)
IDR Ảnh làm tươi tức thời bộ giải mã (Instantaneous Decoder Refresh
Picture)
IDCT Biến đổi ngược Cosine rời rạc (Inverse Discrete Cosine Transform)
IP Giao thức Internet ( Internet Protocol)
ISDN Mạng tích hợp dịch vụ số (Integrated Service Digital Network)
JPEG Chuẩn nén ảnh của ủy ban JPEG quốc tế (Joint Photographic Experts
Group)
GVHD: TS. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HỒNG SƠN
ĐATN: Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn
Trang 7
JPEG2000 Chuẩn nén ảnh JPEG2000
LOSSLESS Kỹ thuật nén ảnh không tổn hao (không mất dữ liệu)
LOSSY Kỹ thuật nén ảnh có tổn hao (có mất dữ liệu)
MB Đa khối (Macroblock)
MBAFF Mã hóa khung mành thích nghi (Macroblock-Adaptive Frame-Field
coding)
MC Bù chuyển động (Motion Compensation)
ME Ước lượng chuyển động(Motion Estimate)

MMS Dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (Multimedia Messaging Services)
MSE Sai số bình phương trung bình (Mean Square Error)
MPEG Nhóm chuyên gia nén ảnh động (Moving Pictures Experts Group)
NAL Lớp trừu tượng mạng (Network Abstraction Layer)
NNS Tìm ở khối gần nhất (Nearest Neighbors Search)
PCM Điều xung mã (Pulse Code Modulation)
PF Hệ số co dãn (Parameter Factor)
MF Hệ số nhân(Multipy Factor)
PSNR Tỷ số tín hiệu đỉnh trên nhiễu (Peak Signal to Noise Ratio)
QCIF Định dạng hình ảnh có kích thước 176 x 144 (Quarter Common
Intermediate Format)
QP Thông số lượng tử (Quantization Parameter)
RBSP (Raw Byte Sequence Payload)
RGB Ba màu cơ bản màu đỏ/Xanh/Lam (Red/Green/Blue)
RLC Mã hoá dọc chiều dài (Run Length Coding)
RSVP Giao thức dành riêng tài nguyên mạng (Resource Reservation Protocol)
RTP Giao thức truyền tải thời gian thực (Real Time Transport Protocol)
SDTV Truyền hình tiêu chuẩn ( Standard Televison)
SMIL Ngôn ngữ tích hợp Multimedia đồng bộ (Synchronized Multimedia
Integration Language)
SRC Điều khiển tốc độ bit biến đổi được ( Scalable Rate Control)
TSS Thuật toán tìm ba bước (Three-Step search)
UMTS (Universal Mobile Telecommications System)
VCL Lớp mã hóa Video (Video Coding Layer)
VLC Mã có chiều dài thay đổi (Variable Length Code)
VO Đối tượng Video (Video Object)
VOP Đối tượng mặt phẳng Video (Video Object Plane)
YCbCr Độ chói, màu lam, màu đỏ (Luminance, Blue chrominance, Red
chrominance)
ISO Tổ chức quốc tế về tiêu chuẩn chất lượng (International Organization

for Standardization)
IEC Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (International Electro-technical
Commission)
JTC1 Ủy ban kỹ thuật 1 (Joint Technical Committee 1)
SC29 Ủy ban phụ 29 (Sub-committee 29)
WG11 Nhóm làm việc 11( Work Group 11)
GVHD: TS. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN
ĐATN: Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn
Trang 8
LỜI MỞ ĐẦU
Để có thể đi sâu vào nghiên cứu chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC, thì chúng ta cần nắm
được các thuật ngữ, các kỹ thuật cần thiết cho việc nén tín hiệu, cũng như là các ưu
nhược điểm của các chuẩn nén trước đó đã mang lại.Vì đây là một đề tài lý thuyết, nên
bước quan trọng nhất của quá trình làm Đồ án tốt nghiệp là tìm kiếm tài liệu và tổng
hợp nó thành một chuỗi các kiến thức liên tục tránh lang man và yếu tố thuyết phục
người tham khảo cũng rất quan trọng, do đó bên cạnh trình bày chi tiết về cách thức nén,
em đã cố gắng mô phỏng một phần ưu điểm của chuẩn nén này nhằm góp phần sinh
động cho đề tài.
TỔ CHỨC ĐỒ ÁN
Đồ án được trình bày thành 6 chương và 1 phụ lục.
Chương I: Trình bày cơ sở về nén tín hiệu video, các thông số đặc trưng của tín hiệu số
và quá trình biến đổi tín hiệu màu, phân loại các nguyên lý nén.
Chương II: Trình bày các kỹ thuật được sử dụng trong nén Video, các phép biến đổi và
các kỹ thuật mã hóa, các tiêu chuẩn đáng giá chất lượng ảnh nén MSE, PSNR,
MAE,SAE …
Chương III: Trình bày các chuẩn nén thuộc họ MPEG, cấu trúc dòng bit, các ưu điểm
đã đạt được.
Chương IV: Cũng là chương quan trọng nhất, trình bày chuẩn nén tiên tiến nhất hiện
nay: MPEG-4 H.264/AVC, các đặc tính nổi bật và các kỹ thuật mới trong chuẩn nén
này.

Chương V: Các ứng dụng của MPEG-4 H.264/AVC trong thực tế và tương lai.
GVHD: TS. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN
ĐATN: Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn
Trang 9
Chương VI: Mô phỏng một phần quá trình nén và giải nén của MPEG-4 H.264/AVC,
mô phỏng kiểu mã hóa tiên tiến như bù chuyển động với kích thước 4x4, sử dụng bảng
lượng tử vô hướng 52 giá trị…
Tuy nhiên, do kinh nghiệm còn hạn chế, đồng thời MPEG-4 H.264/AVC là một kỹ thuật
còn trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển, nên chắc chắn Đồ án sẽ không tránh khỏi
sai sót, kính mong Quý Thầy Cô, và bạn bè đồng nghiệp đóng góp ý kiến nhằm hoàn
thiện tốt Đồ án tốt nghiệp này.
CHƯƠNG I. CƠ SỞ VỀ NÉN TÍN HIỆU VIDEO
I.1 SỰ CẦN THIẾT CỦA NÉN TÍN HIỆU
Một tín hiệu video số thường chứa một lượng lớn dữ liệu, do đó sẽ gặp rất nhiều khó
khăn trong việc lưu trữ và truyền đi trong một băng thông kênh truyền hạn chế. Với sự
phát triển của khoa học kỹ thuật, ngày nay đã sản xuất được bộ cảm biến màu có độ
phân giải lên đến 16 triệu pixel tương đương với một bức ảnh có độ phân giải
4096x4096 pixels, nhưng thực tế ứng dụng cần độ phân giải cao nhất hiện nay cũng chỉ
dùng lại ở 1920x1080 pixel, do đó để có thể tiết kiệm không gian lưu trữ và băng thông
kênh truyền thì cần nén tín hiệu.
Quá trình nén ảnh thực hiện được là do thông tin trong bức ảnh có tổ chức, có trật tự, vì
vậy nếu xem xét kỹ tính trật tự, cấu trúc ảnh sẽ phát hiện và loại bỏ được các lượng
thông tin dư thừa, chỉ giữa lại các thông tin quan trọng nhằm giảm số lượng bit khi lưu
trữ cũng như khi truyền mà vẫn đảm bảo tính thẩm mỹ của bức ảnh. Tại đầu thu, bộ giải
mã sẽ tổ chức, sắp xếp lại được bức ảnh xấp xỉ gần chính xác so với ảnh gốc nhưng vẫn
đảm bảo thông tin cần thiết. 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 thông tin về không gian: giữa các điểm ảnh lân cận trong phạm vi
một bức ảnh hay một khung video, còn gọi là thừa tĩnh bên trong từng frame.
+ Có sự dư thừa thông tin về thời gian: giữa các điểm ảnh của các khung video

trong chuỗi ảnh video, còn gọi là thừa động giữa các frame
GVHD: TS. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN
ĐATN: Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn
Trang 10
+ Có sự dư thừa thông tin về phổ: giữa các mẫu của các dữ liệu thu được từ các bộ
cảm biến trong camera, máy quay…
+ Có sự dư thừa do thống kê: do bản thân của các ký hiệu xuất hiện trong dòng bit
với các xác suất xuất hiện không đồng đều.
+ Có sự dư thừa tâm thị giác: thông tin không phù hợp với hệ thống thị giác con
người, những tần số quá cao so với cảm nhận của mắt người.
Ưu điểm của việc nén tín hiệu:
+ Tiết kiệm băng thông kênh truyền ( trong thời gian thực hoặc nhanh hơn).
+ Kéo dài thời giản sử dụng của thiết bị lưu trữ, giảm chi phí đầu tư cho thiết bị lưu
trữ.
+ Giảm dung lượng thông tin mà không làm mất tính trung thực của hình ảnh.
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 còn giúp cho tín hiệu được bảo mật hơn.
I.2 QUÁ TRÌNH SỐ HÓA TÍN HIỆU
Quá trình số hoá tín hiệu tương tự, bao gồm quá trình lọc trước (prefiltering), lấy mẫu,
lượng tử và mã hoá minh họa như hình I.1. Quá trình lọc trước nhằm loại bỏ các tần số
không cần thiết ở tín hiệu cũng như nhiễu, bộ lọc này còn gọi là bộ lọc chống nhiễu
xuyên kênh Aliasing.
I.2.1 LẤY MẪU
Thực chất đây là một phép toán rời rạc hay là một phép điều biên xung PAM và được
thực hiện bằng các mạch Op-amp có cực khiển strobe. Nó tạo ra giá trị tín hiệu tương tự
tại một số hữu hạn các giá trị có biến rời rạc gọi là các mẫu. Các mẫu được lấy cách đều
nhau gọi là chu kỳ lấy mẫu. Tần số lấy mẫu phải thoả mãn định lý Nyquist-Shannon :
mazs
ff 2

≥
Trong đó: + f
s
là tần số lấy mẫu.
+ f
max
là tần số cực đại của phổ tín hiệu tương tự.
GVHD: TS. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN
ĐATN: Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn
Trang 11
I.2.2 LƯỢNG TỬ HĨA.
Q trình lượng tử là q trình chuyển một xung lấy mẫu thành một xung có biên độ
bằng mức lượng tử gần nhất hay nói cách khác là lượng tử chuyển đổi các mức biên độ
của tín hiệu đã lấy mẫu sang một trong các giá trị hữu hạn các mức nhị phân. Lượng tử
hố biến đổi tín hiệu liên tục theo thời gian thành tín hiệu có biên độ rời rạc, nhằm làm
giảm ảnh hưởng của tạp âm trong hệ thống, hạn chế các mức cho phép của tín hiệu lấy
mẫu và chuẩn bị truyền tín hiệu gốc từ tương tự sang số. Giá trị thập phân của các mẫu
sau khi lượng tử hố sẽ được biểu diễn dưới dạng số nhị phân n bit (N= 2
n
), với n là độ
phân giải lượng tử hố, n càng lớn thì độ chia càng mịn, do đó độ chính xác càng cao.
Do làm tròn các mức nên tín hiệu bị méo dạng do sai số lượng tử gọi là méo lượng tử, tỷ
số tín hiệu trên méo lượng tử (S/N) được xác định bởi:
)(76,102,6 dBn
N
S
+=
Lượng tử hóa có hai loại:
GVHD: TS. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HỒNG SƠN
Mã hoá tín hiệu

Tín hiệu được lấy mẫu
Xung lấy mẫu
Tín hiệu gốc
t
t
t
t
1000
0001
0000
T
S
chu kỳ lấy mẫu
Hình I.1: Sơ đồ quá trình tạo tín hiệu số.
ĐATN: Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn
Trang 12
+ Lượng tử tuyến tính: phép nén tín hiệu theo quy luật đường cong đồng đều, bước
lượng tử bằng nhau.
+ Lượng tử phi tuyến: phép nén tín hiệu theo quy luật đường cong không đồng đều,
tập trung nhiều mức lượng tử ở những vùng tín hiệu nhỏ. Trong kỹ thuật nén
ảnh, nén video thì loại lượng tử phi tuyến được dùng nhiều hơn vì nó giảm dung
lượng đến mức tối đa với độ méo lượng tử có thể chấp nhận được.
I.2.3 MÃ HÓA
Là quá trình thay thế mỗi mức điện áp cố định sau khi lượng tử bằng một dãy nhị phân
gọi là từ mã. Tất cả các từ mã đều chứa số xung nhị phân cố định và được truyền trong
khoảng thời gian giữa 2 thời điểm lấy mẫu cạnh nhau. Bộ mã được sử dụng để tái tạo
các xung nhị phân hoặc các từ mã từ các giá trị đã lượng tử xuất hiện ở đầu ra của bộ
lượng tử hoá.
I.3 TỐC ĐỘ BIT VÀ THÔNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TÍN HIỆU SỐ
I.3.1 TỐC ĐỘ BÍT

Tốc độ bit là số lượng bit được truyền đi hay lưu trữ trong một đơn vị thời gian.
nfC
s
*
=
(bit/s)
Trong đó :
+
s
f
là tần số lấy mẫu (Hz).
+ n là số bit nhị phân trong một ký hiệu.
+ C là tốc độ bit (bps).
I.3.2 THÔNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN
Là tốc độ số liệu cực đại có thể truyền được trên kênh truyền có độ rộng băng tần B.
)1(log.
2
N
S
BC
+=
(bps)
Trong đó
+ C là tốc độ bit (bps)
+
N
S
là tỷ số tín hiệu trên nhiễu trắng.
+ B là băng thông kênh truyền (Hz).
GVHD: TS. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN

ĐATN: Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn
Trang 13
Tốc độ bit càng lớn thì tín hiệu tương tự khơi phục lại càng trung thực tuy nhiên nó sẽ là
cho dung lượng lưu trữ và băng thơng kênh truyền càng lớn. Trong thực tế để truyền tín
hiệu có tốc độ bit là C (bps) thì cần băng thơng kênh truyền là:
CB
4
3
≥
(Hz)
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
Và độ rộng băng tần là
CB
4
3
≥
=
Khzx 3,13210.4,176
4
3
3
=
I.4 Q TRÌNH BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU MÀU
Một bức ảnh được chuyển từ RGB sang YUV nhằm giảm dung lượng lưu trữ cũng như
truyền đi, trong q trình giải mã, trước khi hiển thị ảnh thì nó được biến đổi ngược lại
thành RGB. Cơng thức minh họa q trình biến đổi như sau:
)(
1
5.0

)(
1
5.0
)1(
YR
k
C
YB
k
C
BkGkkRkY
r
r
b
b
brbr
−
−
=
−
−
=
+−−+=
(1)
Với
1
=++
grb
kkk
, k

b
= 0.114, k
r
= 0.299, khi thế vào cơng thức (1) thì ta được:
BGRYRC
BGRYBC
BGRY
r
b
081.0419.05.0)(
299.01
5.0
5.0331.0169.0)(
114.01
5.0
114.0587.0299.0
−−=−
−
=
+−−=−
−
=
++=
GVHD: TS. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HỒNG SƠN
Hình II.2. Minh họa quá trình biến đổi màu.
R, G, B
Hình I.2. Q trình biến đổi màu
ĐATN: Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn
Trang 14
Nên ta có ma trận biến đổi từ RGB sang YUV như sau:





















−−
−−=











B
G
R
Cr
Cb
Y
081.0419.05.0
5.0331.0169.0
114.0587.0299.0

Thực hiện tương tự ta suy ra được ma trận biến đổi từ YUV sang RGB như sau:
GVHD: TS. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN
ĐATN: Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn
Trang 15





















−−=










Cr
Cb
Y
B
G
R
0772.11
714.0344.01
402.101
I.5 CÁC TIÊU CHUẨN LẤY MẪU TÍN HIỆU VIDEO SỐ
Kiểu lấy mẫu cho ảnh video cũng là một vấn đề khá quan trọng của kỹ thuật nén ảnh.
Một số kiểu lấy mẫu phổ biến minh họa như hình I.3 và có đặc điểm như sau:
+ Tốc độ lấy mẫu 4:1:1 - tần số lấy mẫu tín hiệu chói là 13,5MHz, và mỗi tín

hiệu hiệu màu là 3,375MHz.
+ Tốc độ lấy mẫu 4:2:2 - tần số lấy mẫu tín hiệu chói là 13,5MHz, và mỗi tín
hiệu hiệu màu là 6,75MHz.
+ Tốc độ lấy mẫu 4:4:4 - cả 3 thành phần có cùng độ phân giải, nghĩa là tần số
lấy mẫu tín hiệu chói là 13,5MHz, và mỗi tín hiệu hiệu màu là 13,5MHz.
+ Tốc độ 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 cả 2 chiều
Ví dụ : Một bức ảnh có độ phân giải 720 × 576 pixels
Độ phân giải của thành phần Y là 720 × 576 pixels được mã hóa bằng từ mã 8 bits.
+ Nếu sử dụng kiểu lấy mẫu 4:4:4 thì độ phân giải của thành phần Cb, Cr là 720 × 576
mẫu cũng được mã hóa bằng từ mã 8 bits.
GVHD: TS. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN
ĐATN: Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn
Trang 16
=> Vậy tổng số bits sử dụng để mã hóa bức ảnh là 720 × 576 × 8 × 3 = 9 953 280 bits
+ Nếu sử dụng kiểu lấy mẫu 4:2:0 thì độ phân giải của thành phần Cb, Cr là 360 × 288
mẫu, cũng được mã hóa bằng từ mã 8 bits.
=> Vậy tổng số bits sử dụng là (720 × 576 × 8) + (360 × 288 × 8) × 2 = 4 976 640 bits
Trong kiểu 4:4:4, tổng số mẫu cần thiết là 12 mẫu, do đó tổng số bit là 12 × 8 = 96 bits,
và trung bình là 96/4 = 24 bits/pixel
Trong kiểu 4:2:0, tín hiệu được quét xen kẽ, do đó chỉ cần thiết 6 mẫu, 4 mẫu cho thành
phần Y, 1 mẫu cho thành phần Cb, 1 mẫu cho thành phần Cr, do đó tổng số bits cần
thiết là 6 × 8 = 48 bits, và trung bình là 48/4 = 12 bits/pixel.
Ta thấy kiểu lấy mẫu 4:2:0 giảm một ½ số lượng bits so với 4:4:4, đó cũng chính là lý
do mà kiểu lấy mẫu này được sử dụng phổ biến.
I.6 MÔ HÌNH NÉN TÍN HIỆU VIDEO
GVHD: TS. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN
Nén thời gian Nén không gian
Lưu trữ ảnh
Bộ mã hóa ENTROPY

Hình I.4. Sơ đồ khối nén tín hiệu Video cơ bản
Hình I.3. Các tiêu chuẩn lấy mẫu phổ biến
ĐATN: Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn
Trang 17
Các khối chính là:
- Khối nén dư thừa thời gian.
+ Dự đoán chuyển động
+ Bù chuyển động
- Khối nén dư thừa theo không gian.
+ Biến đổi DCT, DWT
+ Lượng tử hóa
+ Xắp xếp lại trật tự và mã hóa Entropy
I.6.1 NÉN TÍN HIỆU VIDEO
Tín hiệu video có dải phổ nằm trong khoảng 0 -> 6Mhz, do thành phần tần số cao chỉ
xuất hiện ở các đường viền của hình ảnh nên năng lượng phổ rất ít tập trung ở miền tần
số cao mà chủ yếu tập trung ở miền tần số thấp. Điều đó có nghĩa là số lượng bit ở miền
tần số thấp sẽ nhiều hơn ở miền tần số cao.
Trong các hệ thống nén, tỉ số nén chính là tham số quan trọng đánh giá khả năng nén
của hệ thống, ta gọi n1, n2 là số lượng bit của tín hiệu trước và sau khi nén nên ta có
công thức như sau:
Tỷ số nén sẽ là
2
1
n
n
C
=
Phần trăm nén hay còn gọi là độ dư thừa dữ liệu tương đối.
%100%1001
1

21
1
2
x
n
nn
x
n
n
R
−
=








−=
Nếu n1= n2 thì ta có C =1, và R = 0 nghĩa là không có sự dư thừa dữ liệu.
Nếu n2<<n1 thì C
∞→
, R
1
→
, ta nói rằng có sự dư thừa dữ liệu lớn.
Ví dụ : n1 = 100Mb/s, n2 = 20Mb/s thì C = 5:1, R = 80%. Tức là ảnh có sự dư thừa lớn,
hiệu quả nén đạt 80%.

I.6.2 LƯỢNG TIN TRUNG BÌNH (ENTROPY)
Trước khi nghiên cứu các phương pháp nén, ta cần đánh giá lượng thông tin chủ yếu
được chứa đựng trong hình ảnh, từ đó xác định dung lượng tối thiểu cần sử dụng để
miêu tả, truyền tải thông tin về hình ảnh.
GVHD: TS. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN
ĐATN: Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn
Trang 18
Thông tin được ký hiệu là a
i
và có xác suất p(a
i
) thì lượng tin được xác định theo công
thức sau:
)(log]
)(
1
[log)(
22 i
i
i
ap
ap
aI
−==
Theo công thức trên ta thấy lượng tin chứa đựng trong một hình ảnh sẽ tỉ lệ nghịch với
khả năng xuất hiện của ảnh đó, nghĩa là sự kiện ít xảy ra sẽ chứa đựng nhiều thông tin
hơn và bằng tổng số lượng thông tin của từng phần tử ảnh.
Gọi lượng tin trung bình của hình ảnh là H(X) và được tính bằng công thức sau:
∑ ∑
−==

N N
ii
i
i
apap
ap
apXH
1 1
22
)(log*)(]
)(
1
[log*)()(
Xác suất phân bố càng nhiều thì lượng tin trung bình entropy càng nhỏ. Entropy đạt giá
trị cực đại đối với phân bố đều, do đó nếu một ký hiệu có xác suất lớn sẽ có số Entropy
nhỏ.
Ví dụ: Giả sử có một ảnh đen trắng với độ phân giải lượng tử 8 bit. Ký hiệu i là mức
xám của pixel và bộ ký hiệu A là tập hợp tất cả các mức xám từ 0->255, mức xám 0
tương ứng với màu đen, mức xám 255 tương ứng với màu trắng. Do đó, Entropy của
ảnh là
∑
=
255
0
2
)(log)()( ipipXH
Giả sử ta có kích thước 4x8 pixels như sau:
21 21 21 95 169 243 243 243
21 21 21 95 169 243 243 243
21 21 21 95 169 243 243 243

21 21 21 95 169 243 243 243
Ta sẽ xét các độ dư thừa của các pixel trong ảnh, hoặc giữa các ảnh liên tiếp như sau.
+ Giả sử các mức xám của tín hiệu hình đen trắng độc lập thống kê với nhau, dựa
vào số liệu thống kê cụ thể là.
Mức xám Số lượng pixel Xác suất.
21 12 3/8
95 4 1/8
169 4 1/8
GVHD: TS. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN
ĐATN: Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn
Trang 19
243 12 3/8
Entropy của phần ảnh tĩnh này là:
H(x) =
8
3
log
8
3
8
1
log
8
1
8
1
log
8
1
8

3
log
8
3
2222
−−−−
8
1
log
8
2
8
3
log
8
6
22
−−=
pixelbitsx /815,1358,175,0
=+−=
Tuy nhiên, trong thực tế các mức xám của các pixel không độc lập thống kê với
nhau, nên ta có thể biểu diễn theo từng cặp pixel liên tiếp như sau:
Giá trị cặp mức xám Số lượng cặp Xác suất
(21, 21) 8 1/4
(21, 95) 4 1/8
(95, 169) 4 1/8
(169, 243) 4 1/8
(243, 243) 8 1/4
(243, 21) 4 1/8
H(x) =

8
1
log
8
1
4
1
log
4
1
8
1
log
8
1
8
1
log
8
1
8
1
log
8
1
4
1
log
4
1

222222
−−−−−−
8
1
log
8
4
4
1
log
4
2
22
−−=
pixelscaëp/5.2 bits
=
Ngoài ra còn có thể biểu diễn theo phần chênh lệch mức xám của 2 pixel liên tiếp
như sau.
21 0 0 74 74 74 0 0
21 0 0 74 74 74 0 0
21 0 0 74 74 74 0 0
21 0 0 74 74 74 0 0
Giá trị mức xám Số lượng Xác suất.
21 4 1/8
0 16 1/2
74 12 3/8
GVHD: TS. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN
ĐATN: Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn
Trang 20
H(x) =

8
3
log
8
3
2
1
log
2
1
8
1
log
8
1
222
−−−
pixelbitsx /41,1358,175,0
=+−=
Như vậy, số lượng tin trung bình tối thiểu cần thiết để truyền một phần tử ảnh sẽ khác
nhau, nghĩa là độ dư thừa trong ảnh và giữa các bức ảnh sẽ phụ thuộc vào cách mã hóa
Entropy. Do đó cần phải xem xét kỹ để chọn ra loại mã hóa hiệu quả nhất.
CHƯƠNG II. CÁC KỸ THUẬT NÉN VIDEO
II.1 PHÂN LOẠI CÁC KỸ THUẬT NÉN
Nén video được chia thành hai họ lớn: Nén không tổn hao và nén tổn hao.
+ Nén không tổn hao là quy trình biểu diễn các ký hiệu trong dòng bit nguồn thành
dòng các từ mã sao cho ảnh được khôi phục hoàn toàn giống ảnh gốc, các thuật
toán chỉ phụ thuộc vào cách thống kê nội dung dữ liệu và thường dựa trên việc
thay thế một nhóm các ký tự trùng lặp bởi một nhóm các ký tự đặc biệt khác
ngắn hơn mà không quan tâm đến ý nghĩa của dòng bit dữ liệu, nên đòi hỏi phải

có thiết bị lưu trữ và đường truyền lớn hơn.
+ Nén có tổn hao, tức là ảnh được khôi phục không hoàn toàn giống ảnh gốc, dạng
nén này thích hợp cho việc lưu trữ và truyền ảnh tĩnh, ảnh video qua một mạng
có băng thông hạn chế. Các dạng nén này thường có hệ số nén cao hơn (từ 2:1
đến 100:1) và gây nên tổn hao dữ liệu và sự suy giảm ảnh sau khi giải nén do
việc xóa và làm tròn dữ liệu trong một khung hay giữa các khung. Nó liên quan
đến việc dùng các phép biến đổi tín hiệu từ miền này sang miền khác.
GVHD: TS. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN
ĐATN: Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn
Trang 21
Trong thực tế phương pháp nén tổn hao thường được sử dụng nhiều hơn và các kỹ thuật
nén tổn hao thường sử dụng như: mã hóa vi sai, biến đổi cosin rời rạc DCT, lượng tử vơ
hướng, qt zig-zag, mã hóa Entropy…
II.2 Q TRÌNH BIẾN ĐỔI
Tín hiệu ngõ vào được biến đổi nhằm mục đích biểu diễn một số liệu khác thích hợp để
nén hơn so với tín hiệu nguồn. Ở phía giải mã tín hiệu nén sẽ được biến đổi ngược lại để
thu tín hiệu gốc. Một số phép biến đổi được áp dụng phổ biến hiện nay như:
II.2.1 ĐIỀU XUNG MÃ VI SAI DPCM
Các phương pháp nén dùng DPCM dựa trên ngun tắc phát hiện sự giống nhau và khác
nhau giữa các điểm ảnh gần nhau để loại bỏ các thơng tin dư thừa. Trong DPCM chỉ có
phần khác nhau giữa mẫu - mẫu được truyền đi, sự khác nhau này được cộng vào giá trị
mẫu đã giải mã hiện hành ở phía giải mã để tạo ra giá trị mẫu phục hồi. Hình II.2. mơ tả
sơ đồ khối của bộ mã hóa và giải mã DPCM.
Ví dụ
Mẫu tín hiệu vào 115 117 116 117 118 117 115 116
Sự khác nhau 2 -1 1 1 -1 -2 1
GVHD: TS. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HỒNG SƠN
Hình II1. Mô hình hệ thống nén tổn hao.
Biến đổi ngược
T

-1
Giải lượng tử
hóa R
Giải mã
D
Biến đổi
T
Lượng tử hóa
Q
Mã hóa
C
Giải nén
Σ
Bộ lượng tử Mã hóa entropy
Bộ tiên đoán
Σ
Hình II.2. Bộ mã hóa và bộ giải mã DPCM
ĐATN: Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn
Trang 22
Dòng bit được nén như sau: 115 2 -1 1 1 -1 -2 1
II.2.2 MÃ HÓA BIẾN ĐỔI
Nhằm biến đổi các hệ số trong miền thời gian (video số), không gian 2D (bức ảnh tĩnh)
thành các hệ số trong miền tần số. Các hệ số này ít tương quan hơn có phổ năng lượng
tập trung hơn, thuận tiện cho việc loại bỏ thông tin dư thừa.
II.2.2.1 Biến đổi cosin rời rạc DCT
Vì ảnh gốc có kích thước rất lớn cho nên trước khi đưa vào biến đổi DCT, ảnh được
phân chia thành các MB biểu diễn các mức xám của điểm ảnh. Việc phân khối này sẽ
làm giảm được một phần thời gian tính toán các hệ số chung, mặt khác biến đổi cosin
đối với các khối nhỏ sẽ làm tăng độ chính xác khi tính toán với dấu phẩy tĩnh, giảm
thiểu sai số do làm tròn sinh ra. Phép biến đổi DCT cơ bản hoạt động dựa trên cơ sở ma

trận vuông của mẫu sai số dự đoán, kết quả cho ta một ma trận Y là những hệ số DCT
được minh họa như sau:
Y = AXA
T
Trong đó A là ma trận hệ số biến đổi, các thành phần của A như sau:
N
ij
CA
iji
2
)12(
cos
,
π
+
=
Với







=
=
N
C
N
C

i
i
2
1
Tương đương với
∑∑
−
=
−
=
++
=
1
0
1
0
,,
2
)12(
2
)12(
N
i
N
J
jiyxyx
N
xi
Cos
N

yj
CosXCCY
ππ
Phép biến đổi DCT nguyên 4x4 của chuỗi ngõ vào X được cho bởi công thức
GVHD: TS. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN
Nếu i = 0
Nếu i > 0
ĐATN: Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn
Trang 23





































































































=
8
21
cos
2
1
8
15
cos
2
1
8
9

cos
2
1
8
3
cos
2
1
8
14
cos
2
1
8
10
cos
2
1
8
6
cos
2
1
8
2
cos
2
1
8
7

cos
2
1
8
5
cos
2
1
8
3
cos
2
1
8
cos
2
1
0cos
2
1
0cos
2
1
0cos
2
1
0cos
2
1
ππππ

ππππ
ππππ
A
Phép biến đổi ngược DCT cho bởi công thức:
X=A
T
YA
Tương đương với:
∑∑
−
=
−
=
++
=
1
0
1
0
,,
2
)12(
2
)12(
N
x
N
y
yxyxji
N

xi
Cos
N
yj
CosYCCX
ππ
II.2.2.2 Biến đổi Hadamard
Là một ví dụ tổng quát hóa của biến đổi Fourier rời rạc, nó thực hiện các phép toán cộng
và trừ trên các ma trận 2
m
x 2
m
trực giao, đối xứng, tuyến tính…được định nghĩa theo
công thức sau:
T
nn
HH
=
−
1
trong đó H
n
là ma trận NxN với N = 2
m
, m thường là các giá trị 1, 2 ,3 tương
ứng với các khối 2x2, 4x4, và 8x8, H
n
được tạo ra từ phép toán Kronecker như sau: H
n
=

111
..... HHH
⊗⊗

n lần.
Ví dụ H
2
= H
1

⊗
H
1
Với H
1
=






−
11
11
2
1

GVHD: TS. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN
ĐATN: Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn

Trang 24
II.3 QUÁ TRÌNH LƯỢNG TỬ
Sau khi thực hiện biến đối DCT, các hệ số sẽ được lượng tử hoá dựa trên một bảng
lượng tử Q(u,v) với 0≤u, v≤ n-1, n là kích thước khối. Bảng này được định nghĩa bởi
từng ứng dụng cụ thể, các phần tử trong bảng lượng tử có giá trị từ 1 đến 255 được gọi
là các bước nhảy cho các hệ số DCT. Quá trình lượng tử được coi như là việc chia các
hệ số DCT cho bước nhảy lượng tử tương ứng, kết quả này sau đó sẽ được làm tròn
xuống số nguyên gần nhất. Các hệ số năng lượng thấp này, tượng trưng cho các sự thay
đổi pixel - pixel cỡ nhỏ, có thể bị xóa mà không ảnh hưởng đến độ phân giải của ảnh
phục hồi. Tại bộ mã hoá sẽ có một bảng mã và bảng các chỉ số nội bộ, từ đó có thể ánh
xạ các tín hiệu ngõ vào để chọn được các từ mã tương ứng một cách tốt nhất cho tập
hợp các hệ số được tạo ra. Có 2 loại lượng tử hóa chủ yếu:
II.3.1 LƯỢNG TỬ HÓA VÔ HƯỚNG
Lượng tử từng giá trị một cách độc lập hay nói cách khác là ánh xạ một mẫu của tín
hiệu ngõ vào tạo thành một hệ số lượng tử ở ngõ ra. Đây là một quá trình tổn hao vì khi
giải lượng tử, không thể xác định chính xác giá trị gốc từ số nguyên đã được làm tròn.
Lượng tử hóa thuận theo công thức FQ = round(X/QP)
Lượng tử hóa ngược theo công thức Y = FQ*QP. Với QP là bước nhảy lượng tử. Ví dụ
quá trình giải lượng tử cho một tín hiệu ngõ vào như sau:
Y
X QP = 1 QP = 2 QP = 3 QP = 5
-4 -4 -4 -3 -5
-3 -3 -2 -3 -5
-2 -2 -2 -3 0
-1 -1 0 0 0
0 0 0 0 0
1 1 0 0 0
2 2 2 3 0
3 3 2 3 5
4 4 4 3 5

5 5 4 6 5
… … …
GVHD: TS. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN
ĐATN: Tổng quan về chuẩn nén MPEG-4 H.264/AVC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn
Trang 25
II.3.2 LƯỢNG TỬ HÓA VECTOR
Là một quá trình biểu diễn một tập vector (mỗi vector gồm nhiều giá trị) bằng một tập
các số hữu hạn các ký hiệu ở ngõ ra, bảng mã ánh xạ sẽ có các giá trị xấp xỉ với giá trị
gốc. Vector lượng tử sẽ được lưu ở cả bộ mã hóa và bộ giải mã, quá trình nén một bức
ảnh sử dụng lượng tử vector bao gồm các bước sau.
+ Phân chia bức ảnh gốc thành các phân vùng MxN pixel
+ Chọn vector thích ứng nhất từ bảng mã
+ Truyền chỉ số của vector thích ứng đến bộ giải mã.
+ Tại bộ giải mã, ảnh cấu trúc lại sẽ xấp xỉ với phân vùng đã lựa chọn vector lượng
tử.
Và sơ đồ khối của lượng tử vector như sau:
II.4 QUÁ TRÌNH MÃ HÓA
Bộ mã hóa có chức năng loại bỏ độ dư thừa trong các ký tự ở ngõ ra lượng tử hóa và
ánh xạ các ký tự này thành các từ mã tạo thành dòng bit ở ngõ ra bằng các loại mã hóa
như: mã hóa dự đoán, mã hóa VLC, mã hóa số học nhị phân, mã hóa theo hình dạng…
II.4.1 MÃ HÓA ĐỘ DÀI THAY ĐỔI
Kỹ thuật mã hóa độ dài thay đổi VLC dựa trên xác suất các giá trị biên độ giống nhau
trong một ảnh để lựa chọn các từ mã để mã hoá. Bộ mã hóa có độ dài thay đổi ánh xạ
các ký hiệu ngõ vào thành một chuỗi từ mã có độ dài thay đổi ở ngõ ra nhưng chứa số
lượng bít nguyên. Các ký hiệu có xác suất cao sẽ được gán từ mã có độ dài ngắn, còn
các ký hiệu có xác suất thấp sẽ được gán từ mã có độ dài lớn hơn, do đó nó sẽ làm tối
GVHD: TS. TRẦN DŨNG TRÌNH SVTH : NGUYỄN QUANG HOÀNG SƠN
Hình II.3. Quá trình lượng tử vector