Nhom5 multimedia mpeg1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
*******************************

BÀI TẬP LỚN
MÔN : XỬ LÝ DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN_IT5620

Đề tài : Nén ảnh Video theo chuẩn MPEG -1
Lớp

: Truyền thông và mạng máy tính
Học Viên

Nguyễn Thanh Quân Mã số : CB140336
Trần Sơn Tùng

Mã số : CB140340

Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS.Nguyễn Thị Hoàng Lan

HÀ NỘI , 5/2015


MỤC LỤC

1. Giới thiệu các chuẩn MPEG
2. Chuẩn nén video ảnh MPEG
3. Đặc điểm nén theo chuẩn MPEG-1
3.1 Đặc điểm nén chuẩn MPEG-1
3.2 Sơ đồ nén MPEG-1
4. Khảo sát ứng dụng nén MPEG-1

4.1 Ứng dụng nén MPEG-1
4.2 Khảo sát nén
5. Kết Luận
6. Tài liệu tham khảo

2


Phân chia công việc Bài tập lớn
Học Viên : Nguyễn Thanh Quân – CB140336
-

Tìm hiểu chung về phương pháp nén MPEG

-

Tìm hiểu đặc điểm nén của chuẩn MPEG-1

-

Giải thích sơ đồ nén chuẩn MPEG-1

Học Viên : Trần Sơn Tùng – CB140340
-

Khảo sát ứng dụng thực tế nén MPEG-1

-

Thử nghiệm, đánh giá hiệu năng nén của một giải pháp nén MPEG-1 cụ thể

3


1. Giới thiệu
Sự phát triển của công nghệ video số trong những năm 1980 đã cho phép nén video số trong
rất nhiều ứng dụng của truyền thông : Hội nghị đa phương tiện, máy ảnh kỹ thuật số, webcam,
phim ảnh trực tuyến …
Một dòng tín hiệu video tương tự bình thường, chưa nén (khi được số hóa theo chuẩn CCIR
601) phải sử dụng 165Mbps (megabits trên giây) băng thông. Các công nghệ nén video được
phát triển để làm giảm lượng băng thông phải sử dụng.
Tăng mức độ nén sẽ làm giảm chất lượng ảnh. Ta cần phải cân bằng giữa việc làm giảm kích
thước ảnh và bảo toàn chất lượng ảnh. Nhiều chuẩn nén ảnh video đã được ra đời để đảm bảo sự
cân bằng này. Chuẩn nén MPEG (Motion Picture Experts Group) ra đời năm 1988 đã đáp ứng
được điều này. Một số chuẩn MPEG có thể kể đến như:
•

MPEG-1: Viết tắt của chuẩn video và audio nén. Sau đó được sử dụng như là chuẩn dành
cho đĩa VCD (Video CD) và chứa cả âm thanh thông thường ở lớp 3 (MP3) là dạng âm
thanh nén.

•

MPEG-2: Truyền tải, hình ảnh và âm thanh trên các kênh truyền hình, quảng bá chất
lượng cao. Được sử dụng cho các buổi phát hình ATSC, DVB và ISDB, các dịch vụ
truyền hình kỹ thuật số vệ tinh, truyền hình cáp và dành cho định dạng đĩa DVD.

•

MPEG-4: Phát triển từ MPEG1 với sự hỗ trợ về âm thanh, hình ảnh, “vật thể”, và nội

dung 3 chiều, mã hóa bitrate thấp và hỗ trợ Quản lý quyền số hóa. Có một vài chức năng
mới hơn (MPEG-2) với hiệu quả âm thanh và hình ảnh chuẩn. Chứa cả các định dạng
MPEG-2 video thay thế)

•

MPEG-7: Chuẩn cung cấp một mô tả chuẩn hóa cho phép truy cập và xử lý dữ liệu qua
nội dung đa phương tiện. MPEG-7 sẽ chuẩn hóa tập các bộ mô tả, tập các sơ đồ mô tả,
một ngôn ngữ định nghĩa mô tả và các sơ đồ cho mã hóa các mô tả.

4


2. Chuẩn nén Video ảnh MPEG
Nhóm chuyên gia về hình ảnh động (MPEG) đã hoàn thiện hai bộ tiêu chuẩn về mã hoá
video là MPEG-1 và MPEG-2, xác định các phương pháp truyền thông tin video số theo các định
dạng truyền hình và đa môi trường, MPEG-4 đang nhắm vào việc truyền video tốc độ bit rất
thấp; còn MPEG-7 đưa ra chuẩn hoá trong các dịch vụ lưu trữ và phục hồi video.
Các chuẩn nén MPEG đều dựa trên kĩ thuật đánh giá ước lượng chuyển động và mã hóa, do
đó giảm được độ dư thừa về thời gian và không gian giữa các frame của dữ liệu, phương pháp
nén này đạt được tỉ số nén cao hơn mà không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng .
Kỹ thuật bù chuyển động
Trong kỹ thuật này các frame đều được chia thành các Macro Block. Thông thường, mỗi Macro
Block chứa một block kích thước 16x16 cho thành phần độ chói và 8x8 cho hai thành phần màu.
Vector chuyển động chỉ được tính cho những Macro Block của frame tham chiếu đến các frame
khác. Vector này chính là độ dịch chuyển của một Macro Block đến một Macro Block có độ
tương đồng cao nhất với nó trên frame tham chiếu.

Macro Block và vector chuyển động
Vector chuyển động chỉ được tìm kiếm ở trong một miền giới hạn. Để tìm vector chuyển

động, người ta có thể dựa vào một số độ đo khoảng cách giữa 2 Macro Block, thông thường ta
thường dùng độ đo sai số trung bình tuyệt đối (Mean Absolute Difference)

5


Có khá nhiều hướng tiếp cận để tìm vector chuyển động, trong đó ta có thể sử dụng tìm kiếm
tuần tự hoặc tìm kiếm logarit.
•

•

Tìm kiếm tuần tự: Duyệt toàn bộ các vị trí trong cửa sổ tìm kiếm, ghi nhận vector
chuyển động tại vị trí có sai số nhỏ nhất. Phương pháp này mât chi phí tính toán khá
lớn
Tìm kiếm logarit: Chi phí tính toán rẻ hơn, tại mỗi bước ta chỉ cần xét trong 9 điểm
xung quanh, từ đó xác định vector chuyển động.

Tìm kiếm logarit cho vector chuyển động

6


3. Đặc điểm chuẩn nén MPEG-1
3.1. Đặc điểm chuẩn nén MPEG-1
MPEG-1 được thiết kế ban đầu nhằm mã hóa ảnh động và âm thanh thành dòng bít có tốc độ
của audio Compact Disc. Kết quả tạo ra Video-CD nhưng hiện nay đã được thay thế bởi DVD.
Để đạt được tốc độ có dòng bit thấp MPEG-1 sử dụng tỉ lệ hình ảnh từ 24-30Hz cho kết quả là
chất lượng ở mức trung bình.
Để đạt được tốc độ bit này , MPEG-1 giảm giảm tốc độ lấy mẫu bằng một nửa TV chuẩn. Cụ

thể với hệ thống 25Hz hình ảnh có kích thước 325x288 điểm ảnh, còn với 30Hz là 352x240 điểm
ảnh với định dạng CIF(common intermediate format), với tín hiệu đầu vào là tín hiệu video tổng
hợp, CIF có thể nhận được bằng cách giảm tốc độ lấy mẫu các dòng tích cực xuống một nửa.
MPEG-1 chỉ hỗ trợ non-interlaced video. Thông thường, các chuẩn frame mà nó hỗ trợ là:
•
•

NTSC: 352x240 , 30fps
PAL: 352x288 , 25fps

MPEG-1 và MPEG nói chung đưa thêm frame B để hỗ trợ dự đoán 2 chiều nhằm tăng thêm
độ chính xác:
•
•
•

Mỗi Frame B sẽ có 2 vector chuyển động
Nếu cả hai chiều đều tìm được MB tương ứng thích hợp thì cả 2 vector này đều được
truyền đi, sai số dự đoán sẽ được tính sau khi lấy trung bình của 2 MBs.
Nếu chỉ có một chiều dự đoán thành công, chỉ có một vector được truyền đi và MB
này sẽ được dự đoán theo frame tham chiếu tương ứng

Một số khác biệt chủ yếu của MPEG-1 so với H261:
•

H261 chỉ hỗ trợ CIF và QCIF, MPEG-1 hỗ trợ cả SIF (NTSC, PAL)

7

•

MPEG-1 hỗ trợ cả những định dạng thỏa mãn các điều kiện sau:

•
•

Một ảnh có thể chia thành một hoặc nhiều slices thay vì GOB như trong H261.
Sử dụng các bảng lượng tử khác nhau cho Intra và Inter frame

•
•

MPEG-1 hỗ trợ cửa sổ tìm kiếm lớn [-512, 511.5] thay vì [-15,15] như H261
MPEG-1 hỗ trợ truy cập ngẫu nhiên nhờ có lớp GOP

8


Tỉ số nén điển hình của các loại Frame trong MPEG-1:

Dòng bit video của MPEG-1

Dòng bit video của MPEG-1
3.2 Sơ đồ nén MPEG-1

9


Quá trình nén video chuẩn MPEG-1

• Ảnh đầu vào được đưa vào bộ trừ và bộ đánh giá chuyển động
• Bộ đánh giá chuyển động so sánh khối ảnh mới được đưa vào với các khối
ảnh được đưa vào trước đó và lưu lại như là các ảnh dùng để tham khảo
(Frame tham chiếu)
• Bộ đánh giá chuyển động sẽ tìm ra các khối ảnh trong ảnh tham khảo gần
giống nhất với khối ảnh mới này
• Motion Vecter sẽ đặc trưng cho sự dịch chuyển theo cả chiều dọc và ngang
của khối ảnh mới cần mã hóa so với ảnh tham khảo
• Bộ đánh giá chuyển động đồng thời gửi khối ảnh tham khảo này mà chúng
thường được gọi là các khối tiên đoán (Predicted macroblock) tới bộ trừ để
trừ với khối ảnh mới cần mã hóa (thực hiện trừ từng điểm ảnh tương ứng
Pixel by Pixel) chúng sẽ đặc trưng cho sự sai khác giữa khối ảnh cần tiên
đoán và khối ảnh thực tế cần mã hóa

10


• Bộ bù chuyển động gửi các khối tiên đoán (Predicted macroblock) đến bộ
trừ để tính sai số dự đoán
• Sai số dự đoán này sẽ được biến đổi DCT sau đó lượng tử hóa rồi cùng với
vector chuyển động mã hóa entropy đồng thời gửi ra mã VLC chuỗi bit nhị
phân.

11


4 Khảo sát ứng dụng nén MPEG-1
4.1. Ứng dụng thực tế của MPEG-1
•

MPEG-1 ứng dụng trong thiết kế CD/VCD chạy âm thanh, trình chiếu video

MPEG-1 thường được sử dụng là tiêu chuẩn cho đĩa quang VCD. Trong Thông tư số
01/2011/TT-BTTTT ngày 04/01/2011 của Bộ trưởng Bộ Thông tin và Truyền thông Công bố
Danh mục tiêu chuẩn kỹ thuật về ứng dụng công nghệ thông tin trong cơ quan nhà nước quy
định Khuyến nghị áp dụng tiêu chuẩn MPEG-1 và được xếp vào nhóm Tiêu chuẩn về truy cập
thông tin.
thường sử dụng độ phân giải 352 x 240, 352 x 288 hoặc 320 x 240. Độ phân giải thấp kết hợp
với một tỉ lệ bitrate thấp hơn 1,5 Mbit/s tạo ra một dòng dữ liệu bít thấp với thông số hạn chế.
Đây là thông số kỹ thuật tối thiểu mà bất kỳ bộ mã hóa/giải mã nào cũng xử lý được, đảm bảo sự
cân bằng giữa chất lượng phim ảnh và hiệu quả sử dụng, cho phép triển khai trên các hệ thống
phần cứng có chi phí không cao.
•

Trước đây có ứng dụng trên truyền hình, tuy nhiên những năm gần đây chuẩn mpeg1
không còn được sử dụng trên truyền hình nữa.

12


•

MP3: MPEG-I phần Âm thanh Lớp III.

Thường được gọi là MP3, có định dạng tệp tin là(.mp3).là định dạng âm thanh phổ biến trong
ngành công nghiệp âm nhạc, giải trí trên Internet do kích thước nhỏ gọn và chất lượng âm thanh
của tệp tin (.mp3).
Định dạng âm thanh phổ biến nhất trên các website nghe nhạc.

13


•

Trên các thiết bị nghe nhạc cầm tay.

•

Ứng dụng trong phát sóng truyền thanh.

14


4.2. Khảo sát nén bằng phần mềm
Lựa chọn phần mềm: Blaze Media Pro – theo đánh giá trên một số tạp trí thì đây là một trong 4
phần mềm nén video tốt nhất cho hệ điều hành windows

15


•

Khảo sát nén audio

Kết quả nén sau khi nén file âm thanh có dung lượng 11mb bằng phần mềm

•

Khảo sát nén video

Dữ liệu âm thanh và video thử nghiệm download tại
/>
16


5. Kết Luận
MPEG-1 là tiêu chuẩn nén suy hao cho âm thanh, phim ảnh. MPEG-1 được thiết kế để nén
âm thanh, phim ảnh xuống 1.5 Mbit/s (tỉ lệ nén tương ứng là 26:1 và 6:1) tủy số nén của phương
pháp nén này khá cao, tuy nhiên ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hình ảnh và âm thanh khi sử
dụng phương pháp này chính vì vậy mà, hiện nay MPEG -1 là tiền đề để phát triển các chuẩn nén
tối ưu hơn như MPEG -2, 3 , 4. Hiện tại các ứng dụng video của MPEG -1 vẫn được sử dụng tuy
nhiên do những nhược điểm về chất lượng hình ảnh nên các ựng dụng video đang dần được áp
dụng bởi các chuẩn khác.
Điểm nổi trội của chuẩn nén này và hiện vẫn được áp dụng mạnh mẽ nhất đấy là định dạng âm
thanh (.mp3). định dạng này hiện đang thống lĩnh trên thị trường nghe nhạc trực tuyến đang rất
phổ biến.
6. Tài liệu tham khảo
Bài giảng môn Xử lý dữ liệu đa phương tiện của cô Nguyễn Thị Hoàng Lan
/> />Networked Video Surveillance and Compression Technology
Link download phần mềm Blaze media pro
/>Dữ liệu âm thanh và video thử nghiệm
/>
17


18