Nghiên cứu công nghệ nén và truyền video streaming hiệu quả qua mạng di động và phát triển ứng dụng

Luận v n th c s

thuật

GVHD: TS Ph m Đ ng Hải

MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................... I
L I C M ĐO N .......................................................................................................III
L I C M N ............................................................................................................ IV
D NH MỤC C C K HI U C C CHỮ VI T TẮT ............................................. V
D NH MỤC C C H NH V
D NH MỤC C C

Đ TH ................................................................... VI

NG ......................................................................................VIII

MỞ ĐẦU ................................................................................................................... IX
CHƯ NG 1: TỔNG QU N VỀ CÔNG NGH NÉN VÀ STRE MING VIDEO ..1
1.1.

Tổng Quan Về Công Nghệ Nén ...................................................................1

1.1.1.

Khái niệm và mục đích của công nghệ nén .............................................1

1.1.2.

Phân lo i các thuật toán nén.....................................................................1

1.1.3.

Một số thuật toán nén dữ liệu ..................................................................3

1.1.3.1. Mã Huffman .........................................................................................3
1.1.3.2. Thuật toán mã lo t dài - Run Length encoding (RLE) ........................6
1.1.3.3. Phương pháp nén ảnh JPEG.................................................................7
1.2.

Tổng Quan Về Streaming Video ...............................................................10

1.2.1.

Giới thiệu streaming video .....................................................................10

1.2.2.

Lịch sử phát triển....................................................................................13

1.2.3.

K thuật cơ bản trong streaming video ..................................................14

1.2.3.1.

Một số hái niệm được sử dụng trong streaming video ................14

1.2.3.2.

Các bước thực hiện

1.2.4.

thuật streaming video ...............................15

Một số giao thức sử dụng trong streaming video ..................................16

1.2.4.1.

Giao thức TCP/UDP ......................................................................16

1.2.4.2.

Giao thức RTSP (Real Time Streaming Protocol) ........................19

1.2.4.3.

Giao thức Real-time Transport Protocol (RTP) ............................23

1.3.

Kết Luận Chương 1 ....................................................................................26

CHƯ NG 2: THUẬT TO N NÉN SỬ DỤNG TRONG STRE MING VIDEO ..27
2.1.

Các Chuẩn Nén Video Phổ iến ................................................................27

2.2.

Chuẩn Nén MPEG......................................................................................29

2.2.1.

Nhóm ảnh (GOP) trong MPEG .............................................................30

Đề tài: Streaming Video Qua M ng Di Động

c vi

: Mai Đức Trung
I


Luận v n th c s

thuật

GVHD: TS Ph m Đ ng Hải

2.2.2.

Quá trình mã hóa và giải mã MPEG ......................................................31

2.2.3.

Các bước thực hiện thuật toán nén MPEG ............................................33

2.3. Chuẩn Nén Thường Được Sử Dụng Trong Streaming Video Trên M ng

Di Động ..................................................................................................................45
2.4.

Kết Luận Chương 2 ....................................................................................47

CHƯ NG 3: PH T TRIỂN ỨNG DỤNG ...............................................................48
3.1.

Đặt Vấn Đề .................................................................................................48

3.2.

Đặc Tả Ứng Dụng ......................................................................................51

3.2.1.

Tính hả thi của ứng dụng .....................................................................51

3.2.2.

Phân tích yêu cầu ...................................................................................52

3.3.

Thiết Kế ......................................................................................................53

3.3.1.

Thiết ế server ........................................................................................54

3.3.2.

Thiết ế client .........................................................................................54

3.4.

Cài Đặt ........................................................................................................56

3.5.

So Sánh .......................................................................................................59

3.5.1.

Tốc độ truyền dữ liệu .............................................................................59

3.5.2.

Dung lượng pin tiêu thụ .........................................................................60

3.5.3.

Dung lượng của ứng dụng......................................................................61

3.5.4.

Kết luận ..................................................................................................61

CHƯ NG 4: K T LUẬN..........................................................................................62
TÀI LI U TH M KH O ..........................................................................................63

Đề tài: Streaming Video Qua M ng Di Động

c vi

: Mai Đức Trung
II


Luận v n th c s

L

thuật

GVHD: TS Ph m Đ ng Hải

C M ĐO N
Tác giả luận v n xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả

luận v n đúc ết từ quá trình nghiên cứu từ việc tập hợp các nguồn tài liệu, các iến
thức đã học đến việc tự thu thập các thông tin liên quan và liên hệ thực tế t i đơn vị
công tác. Các số liệu, ết quả nêu trong luận v n là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất ỳ công trình nào hác.
Tác giả luận v n xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận
v n này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận v n đã được chỉ rõ
nguồn gốc.
Tác giả luận v n xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.

c vi

t

c i

u

v

Mai Đức Tru g

Đề tài: Streaming Video Qua M ng Di Động

c vi

: Mai Đức Trung
III


Luận v n th c s

L

C M

thuật

GVHD: TS Ph m Đ ng Hải

N

Trước tiên, tác giả luận v n xin được gửi lời cảm ơn đến tất cả qu thầy cô
đã giảng d y trong chương trình đào t o th c s , Viện Công Nghệ Thông Tin và
Truyền Thông, Đ i học ách Khoa Hà Nội, những người đã truyền đ t cho tác giả
những iến thức hữu ích về giải thuật cũng như công nghệ nén để làm cơ sở cho tác
giả thực hiện tốt luận v n này.
Với lòng ính trọng và biết ơn, tác giả luận v n xin được bày tỏ lời cảm ơn
tới TS. Ph m Đ ng Hải đã huyến hích, tận tình hướng dẫn trong thời gian thực
hiện luận v n. Mặc dù trong quá trình thực hiện luận v n có giai đo n hông được
thuận lợi nhưng những gì thầy đã hướng dẫn, chỉ bảo đã cho tác giả luận v n nhiều
inh nghiệm trong thời gian thực hiện đề tài.
Sau cùng tác giả luận v n xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình, b n bè đã
luôn t o điều iện tốt nhất cho tác giả luận v n trong suốt quá trình học cũng như
thực hiện luận v n. Do thời gian có h n và inh nghiệm nghiên cứu hoa học chưa
nhiều nên luận v n còn nhiều thiếu sót, rất mong nhận được

iến góp

của Thầy,

Cô và các b n học viên.
c vi

t

c i

u

v

Mai Đức Tru g

Đề tài: Streaming Video Qua M ng Di Động

c vi

: Mai Đức Trung
IV


Luận v n th c s

D N

thuật

MỤC C C

C ữ vi t t t

GVHD: TS Ph m Đ ng Hải

U, C C C Ữ V

TT T

Diễ giải ội du g

MB

Macro Block: Khối hình chữ nhật

JPEG

Joint Photographic Expert Group: Nhóm các chuyên gia về ảnh

MPEG

Moving Picture Coding Export Group: Nhóm các chuyên gia về
Video

GOP

Group of picture: Nhóm ảnh

DCT

Discrete cosine transform: iến đổi cosin ngược

RTP

Real-time Transport Protocol: Giao thức chuẩn định d ng cho
gói tin (packet) video hay audio được truyền trên m ng

RTSP

Real Time Streaming Protocol: Giao thức m ng điều hiển quá
trình streaming video hay streaming audio

OTT

Over The Top: Giải pháp cung cấp nội dung cho người sử dụng
dựa trên nền tảng internet

Đề tài: Streaming Video Qua M ng Di Động

c vi

: Mai Đức Trung
V


Luận v n th c s

D N

MỤC C C

thuật

ÌN

GVHD: TS Ph m Đ ng Hải

VẼ, ĐỒ T Ị

Hình 1.1. Sơ đồ mã hóa và giải mã theo JPEG [9] ------------------------------------------ 8
Hình 1.2. Quy trình Streaming Video (Senvietsystem.com) ----------------------------- 12
Hình 1.3. Các bước thực hiện streaming video [8] ----------------------------------------- 15

Hình 1.4. Mô hình của giao thức TCP [8] ---------------------------------------------------- 16
Hình 1.5.Ví dụ về trường hợp dữ liệu streaming nhận về sau thời điểm deadline [8]
---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 18
Hình 1.6. OPTIONS request --------------------------------------------------------------------- 20
Hình 1.7. DESCRIBE Request ------------------------------------------------------------------ 21
Hình 1.8. SETUP Request------------------------------------------------------------------------ 22
Hình 1.9. PLAY Request ------------------------------------------------------------------------- 22
Hình 1.10. PAUSE Request---------------------------------------------------------------------- 23
Hình 1.11. TEARDOWN Request ------------------------------------------------------------- 23
Hình 1.12. Header của RTP Pac et ------------------------------------------------------------ 25
Hình 2.1. Cấu trúc GOP mở --------------------------------------------------------------------- 30
Hình 2.2. Cấu trúc GOP đóng ------------------------------------------------------------------- 31
Hình 2.3. ộ Mã hóa MPEG -------------------------------------------------------------------- 33
Hình 2.4. ộ giải mã MPEG --------------------------------------------------------------------- 33
Hình 2.5. Cấu trúc lấy mẫu theo chuẩn 4:4:4 ------------------------------------------------ 34
Hình 2.6. Cấu trúc lấy mẫu theo chuẩn 4:2:2 ------------------------------------------------ 35
Hình 2.7. Cấu trúc lấy mẫu theo chuẩn 4:2:0 ------------------------------------------------ 35
Hình 2.8. Cấu trúc lấy mẫu theo chuẩn 4:1:1 ------------------------------------------------ 36
Hình 2.9. Một chuỗi hung hình trong MPEG với 2 hả n ng tham chiếu: một
hung hình P tham chiếu tới một hung hình I và một hung hình tham chiếu tới
2 khung hình P [7] --------------------------------------------------------------------------------- 37
Hình 2.10. Sơ đồ của dự đoán chuyển động [7] --------------------------------------------- 38
Hình 2.11. Khu vực tìm iếm của hung hình trước [7] ---------------------------------- 39
Hình 2.12. Mô tả lỗi dự đoán [7] --------------------------------------------------------------- 40
Hình 2.13. Công thức biến đổi Cosin rời r c ------------------------------------------------ 42
Hình 2.14. Công thức nghịch đảo của biến đổi Cosin rời r c ---------------------------- 42
Hình 2.15. ảng trọng số theo tiêu chuẩn tín hiệu chói và tín hiệu màu -------------- 44
Hình 2.16. Các bước thực hiện theo chuẩn nén MPEG [7] ------------------------------- 44
Đề tài: Streaming Video Qua M ng Di Động

c vi

: Mai Đức Trung
VI


Luận v n th c s

thuật

GVHD: TS Ph m Đ ng Hải

Hình 3.1. Thống ê và dự đoán số lượng điện tho i thông minh trên thế giới
[http://www. statista. com/] ---------------------------------------------------------------------- 48
Hình 3.2. Thống ê và dự đoán số lượng điện tho i thông minh ở Việt Nam
[http://www. statista. com/] ---------------------------------------------------------------------- 50
Hình 3.3. iểu đồ Use Case của ứng dụng --------------------------------------------------- 53
Hình 3.4. iểu đồ Class Diagram của server ------------------------------------------------ 54
Hình 3.5. iểu đồ Class Diagram của client ------------------------------------------------- 55
Hình 3.6. Màn hình đ ng nhập ------------------------------------------------------------------ 56
Hình 3.7. Màn hình đ ng

--------------------------------------------------------------------- 57

Hình 3.8. Màn hình danh sách b n bè --------------------------------------------------------- 57
Hình 3.9. Màn hình hội tho i video ------------------------------------------------------------ 58

Đề tài: Streaming Video Qua M ng Di Động

c vi

: Mai Đức Trung
VII


Luận v n th c s

D N

thuật

GVHD: TS Ph m Đ ng Hải

MỤC C C B NG

ảng 1.1. Mã hóa Huffman theo xác suất phân bổ ......................................................5
ảng 2.1. Một số chuẩn nén video phổ biến và ứng dụng [9] ...................................27
ảng 2.2. So sánh các thuật toán nén video phổ biến [9] ..........................................45
ảng 2.3. Các yêu cầu cho thuật toán nén trong các ứng dụng phổ biến [9] ............46
ảng 3.1. So sánh tốc độ truyền dữ liệu của các ứng dụng (Sử dụng ứng dụng
SpeedTest của Ookla) .................................................................................................59
ảng 3.2. So sánh dung lượng pin tiêu thụ của các ứng dụng ................................600
ảng 3.3. So sánh dung lượng của các ứng dụng ....................................................611

Đề tài: Streaming Video Qua M ng Di Động

c vi

: Mai Đức Trung
VIII

Luận v n th c s

thuật

GVHD: TS Ph m Đ ng Hải

MỞ ĐẦU
Với việc ra đời, phát triển hông ngừng của các máy điện tho i thông minh
(Smart phone), cộng với việc phát triển công nghệ 3G, 4G của các nhà m ng di
động, chiếc điện tho i bây giờ hông chỉ phục vụ duy nhất mục đích nghe gọi, mà
nó đã dần dần thay thế một chiếc PC nối m ng để phục vụ nhu cầu giải trí của con
người.
Cùng với dịch vụ truy nhập internet (đọc tin tức, nghe nh c…), cuộc gọi thấy
hình (Video Call), VoIP và chat (IM), thì dịch vụ truyền hình streaming (Streaming
video) là dịch vụ được nhiều thuê bao di động quan tâm và sử dụng.
Mặc dù các m ng di động 3G, 4G hông ngừng cải thiện về tốc độ đường truyền
nhưng với công nghệ hình ảnh HD, Full HD và 4K có dung lượng cực ỳ lớn hiện
nay, thì làm thế nào để có thể giảm chi phí, t ng chất lượng hi truyền streaming
video qua m ng di động?
Với đề tài:
Nghiên cứu công nghệ nén và truyền streaming video hiệu quả qua mạng di
động và phát triển ứng dụng
Tác giả hi vọng sẽ là tiền để để có thể giải quyết bài toán đó.
Kết quả nghiên cứu chính của luận v n được trình bày trong bốn chương như
sau:
 Chương 1. Tổng quan về công nghệ nén và streaming video
 Chương 2. Thuật toán nén sử dụng trong streaming video
 Chương 3. Phát triển ứng dụng

 Chương 4. Kết luận

Đề tài: Streaming Video Qua M ng Di Động

c vi

: Mai Đức Trung
IX


Luận v n th c s

thuật

GVHD: TS Ph m Đ ng Hải

C Ư NG 1: TỔNG QU N VỀ CÔNG NG

NÉN VÀ STRE M NG

VIDEO
Trong chương 1 tác giả sẽ giới thiệu tổng quan về công nghệ nén và kỹ thuật
video streaming.
1.1.

Tổ g Qua Về Cô g Ng

Nén

ái i m và mục đíc của cô g g

1.1.1.

é

Nén là quá trình mã hóa thông tin (encoding) để thu được thông tin trong một
hình thức nhỏ gọn hơn, mục đích làm giảm số bits (dung lượng) cần để lưu trữ hoặc
truyền đi. Điều này là cần thiết bởi rất nhiều l do. Nhưng hai l do quan trọng nhất
đó là:
 Để tiết iệm hông gian bộ nhớ, nếu thông tin cần phải lưu trữ để sử dụng về
sau
 Để t ng tốc độ truyền tải, nếu thông tin được truyền trên một ênh truyền
thông với giới h n b ng thông.
Quá trình ngược l i được gọi là giải mã. Hệ thống phần cứng hoặc phần mềm mà
có thể mã hóa và giải mã thì được gọi là bộ giải mã.
Dữ liệu có thể là bất ỳ lo i gì (text, âm thanh, video…), nhưng tất cả các
thuật nén sẽ có hiệu quả trên một lo i dữ liệu nhất định. Trong luận v n này, tác giả
sẽ giới thiệu một số thuật toán nén dữ liệu cơ bản, là cơ sở cho các thuật toán nén
dữ liệu khác
1.1.2. P â

oại các t u t toá nén

 Các thuật toán nén không tốn hao:
Trong phương pháp nén hông tốn hao, dữ liệu được nén sau hi giải nén sẽ
giống y như ban đầu.

Đề tài: Streaming Video Qua M ng Di Động

c vi

: Mai Đức Trung
1


Luận v n th c s

thuật

GVHD: TS Ph m Đ ng Hải

Các thuật toán nén hông tốn hao được dùng để nén các file như file thực thi, file
v n bản, word, excel, vv… Các dữ liệu hông thể sai lệch dù chỉ 1 bit, nhất là các
file chương trình.
Các thuật toán nén hông tốn hao cơ bản:
1. Run-length encoding (RLE)
2. Dictionary coders
3. LZ-77 & LZ-78
4. LZW
5. Burrows and Wheeler transform (BWT)
6. Prediction by partial mactching
7. Context mixing (CM)
8. Entropy encoding
9. Huffman coding
10. Adaptive Huffman
11. Arithematic
12. Shannon-Fano coding
13. Range coding
 Các thuật toán nén tốn hao
Trong các phương pháp nén tổn hao thì dữ liệu được nén hi giải nén ra sẽ hông

giống với dữ liệu gốc, tuy nhiên phải đảm bảo dữ liệu sau hi nén vẫn còn hữu ích.
Đối với hình ảnh, âm thanh, video, do giới h n của mắt và tai người nên một lượng
lớn dung lượng có thể được tiết iệm bằng cách lo i bỏ các phần dư thừa, trong khi
chất lượng hầu như hông thay đổi.
Trong thực tế, các file hình ảnh âm thanh hay là video được lưu trữ trên máy tính
đều đã được nén có tổn hao để tiết iệm dung lượng và b ng thông. Đối lập với nén
Đề tài: Streaming Video Qua M ng Di Động

c vi

: Mai Đức Trung
2


Luận v n th c s

thuật

GVHD: TS Ph m Đ ng Hải

hông tổn hao các phương pháp nén có tổn hao thường gây giảm chất lượng rất
nhanh hi thực hiện nén và giải nén đệ qui nhiều lần. Các mẫu hình ảnh âm thanh sẽ
được chia thành các phần nhỏ và được biến đổi qua miền hác. Các hệ số biến đổi
này sẽ được lượng tử hóa sau đó được mã hóa bằng mã Huffman hoặc mã hóa số
học.
Các mẫu hình ảnh âm thanh trước được sử dụng để dự đoán các mẫu tiếp theo.
Sai số giữa dữ liệu dự đoán và dữ liệu thực sẽ được lượng tử hóa rồi mã hóa
Ưu điểm của nén tổn hao so với nén hông tổn hao đó là nén tổn hao trong nhiều
trường hợp cho tỉ lệ nén cao hơn rất nhiều so với bất cứ thuật toán nén hông tổn
hao được biết, trong hi vẫn đảm bảo được chất lượng. Nén tổn hao thường được sử

dụng để nén ảnh, âm thanh, video. Âm thanh có thể nén với tỉ lệ 10:1 mà hầu như
hông giảm chất lượng. Video có thể nén với tỉ lệ 300:1 với chất lượng giảm ít.
1.1.3. Một số t u t toá

é dữ i u

Như đã giới thiệu ở phần trước, các phương pháp nén dữ liệu được chia làm 2
loại chính là phương pháp nén không tốn hao và phương pháp nén tốn hao. Trong
phần này tác giả sẽ giới thiệu một số thuật toán nén đặc trưng của 2 phương pháp
nén nói trên.
1.1.3.1.

Mã Huffman

Mục đích của việc nén là chọn được bộ từ mã nhỏ gọn nhất có thế.
giác, ta nên chọn từ mã ngắn cho
các

ằng trực

hiệu thường xuyên xuất hiện, và từ mã dài cho

hiệu có tần suất xuất hiện ít hơn. Vì thế, bộ mã hóa tốt nhất sẽ phải phụ

thuộc vào tần suất xuất hiện hác nhau của các

tự trong bảng chữ cái.

Nếu chúng ta sử dụng các từ mã có độ dài l1 , l2 , , lk để mã hóa một bảng chữ cái
nào đó, thì độ dài trung bình của từ mã trên bảng chữ cái đó là:

k

L   pi li
i 1

Đề tài: Streaming Video Qua M ng Di Động

c vi

: Mai Đức Trung
3


Luận v n th c s

thuật

GVHD: TS Ph m Đ ng Hải

Mục đích của chúng ta là với một phân bố xác suất bất ỳ p1 , p2 , , pk , tìm được
một mã hóa giải mã duy nhất sao cho L là nhỏ nhất.
Đây chính là tiền đề để Huffman xây dựng lên thuật toán mã hóa Huffman nổi
tiếng. Các bước của thuật toán Huffman là một tiến trình đệ quy như bên dưới đây:
_ Nếu

= 2, có ngh a là bảng chữ cái chỉ có 2

tự

và

, nên chúng ta có thể

gán từ mã 0 và 1 cho chúng.
_ Mặt hác, nếu
nhất

> 2, giả sử

. Chúng ta sẽ ghép

và

xác suất là

và

tự gốc với xác suất xuất hiện nhỏ

thành 1

. ây giờ, chúng ta sẽ xóa

+

chúng bằng

là 2

và

tự mới

tự mới là

và

và gán cho nó

hỏi bảng chữ cái, thay thế

. ảng chữ cái mới có -1

tự. Chúng ta l i tiếp tục

thực hiện đệ quy để xây dựng mã Huffman cho bảng chữ cái mới.
_ Tách

tự mới sau hi đã gán từ mã cho nó: Giả sử w là từ mã được gán cho

tự ghép

. Chúng ta sẽ gán từ mã

và

cho 2

tự

và

của bảng chữ

cái ban đầu.
Ví dụ 1: Chúng ta hãy xây dựng một mã Huffman cho một nguồn gồm 5

tự S =

{a,b,c,d,e} với phân bố xác suất xuất hiện như bên dưới:
p (a) = 0.05, p (b) = 0.15, p (c) = 0.6, p (d) = 0.1, p (e) = 0.1
 Các bước thực hiện mã hóa theo thuật toán Huffman như sau:
-

ước 1: Tìm 2
xác suất cho

-

tự có xác suất xuất hiện nhỏ nhất ghép l i thành một, gán
tự mới bằng tổng xác suất của 2

ước 2: Trong hi số lượng

tự đem ghép

tự trong danh sách còn lớn hơn 2 thì thực

hiện bước 1, nếu hông chuyển sang bước 3
-

ước 3: Tách

tự cuối cùng và t o cây nhị phân với quy ước bên trái được

gán mã 0, bên phải được gán mã 1.
-

ước 4: Tách

tự được ghép thành 2

từ đem ghép, và gán từ mã cho 2

tự đem ghép bằng cách thêm bit 0 và bit 1 vào cuối của từ mã được ghép.
Đề tài: Streaming Video Qua M ng Di Động

c vi

: Mai Đức Trung
4


Luận v n th c s

thuật

GVHD: TS Ph m Đ ng Hải

 Mã hóa lượng tin

Bảng 1.1. Mã hóa Huffman theo xác suất phân bổ
Xác suất mới

Ký

Xác

Mã

hiệu

suất

c

0.6

0.6

0.6

0.6

0

0

0

0

b

0.15

0.15

0.15

0.4

1

10

10

10

d

0.1

0.1

0.25

11

110

110

a

0.05

0.15

111

1110

e

0.1

1111

Từ bảng 1.1 trên, ta tính được:
L = 1x0.6 + 2x0.15 + 3x0.1 + 4x0.05 + 4x0.1 = 1.8 bits

Trong [1], đã chứng minh được rằng, 1.8 bits là độ dài trung bình từ mã nhỏ nhất
của tất cả các mã hóa có thể giải mã được của bảng chữ cái S. Hay nói cách khác,
mã hóa Huffman sẽ cho ta một bản mã có độ dài trung bình của từ mã là ngắn nhất,
trong tất cả các mã hóa có thể giải mã được.
Để giãi mã bảng mã Huffman, chúng ta làm tương tự với một mã hóa tiền tố. Ta
đọc từ bit đầu tiên của chuỗi nhị phân, đến hi hớp với một từ mã hợp lệ, ta thu
được

tự đầu tiên. Quá trình giải mã sẽ tiếp tục lặp l i với những bits còn l i của

chuỗi nhị phân.
Theo như những phân tích trong tài liệu [5] và [6] thì ưu điểm của mã hóa
Huffman là phương pháp thực hiện nén đơn giản, hệ số nén cao, đòi hỏi ít bộ nhớ,
có thể xây dựng trên các mảng bẻ hơn 64K . Nhược điểm của nó là phải chứa cả
bảng mã vào tập tin nén thì phía nhận mới có thể giải mã được, do đó hiệu suât nén
chỉ cao hi ta thực hiện nén các tập tin lớn.
Đề tài: Streaming Video Qua M ng Di Động

c vi

: Mai Đức Trung
5


Luận v n th c s

1.1.3.2.

thuật

GVHD: TS Ph m Đ ng Hải

Thuật toán mã loạt dài - Run Length encoding (RLE)

Trong quá trình thao tác với dữ liệu, chúng ta thường thấy sự lặp đi lặp l i các
dữ liệu có sự tương đồng hay trùng lặp nhau, liên tiếp hay hông liên tiếp. Điều này
thường thấy trong các tập tin v n bản, hay trong các tập tin đồ họa d ng bitmap…
Một câu hỏi đặt ra là, liệu rằng có thể thay thể lo t dữ liệu liền nhau lặp l i

trong tập tin thành một dữ liệu đ i diện hác, mục đích để giảm ích thước dữ liệu
gốc? Đây chính là

tưởng của của thuật toán mã hóa độ dài lo t – Run Length

Encoding (RLE).
Xét bảng chữ cái với 4

tự , B, C, D. Một tập tin đầu vào như sau:

BBBBBDDDDBBBBBBBAAAAAAAAAAAACCCCCCCCCCDDDDDDAA
AA
Ta có thể thấy rằng, trong tập tin trên, các

tự , B, C, D được lặp l i liên tục

rất nhiều lần. Ta sẽ áp dụng thuật toán RLE để nén tập tin trên bằng việc thay thế
các chuỗi

tự , B, C, D lặp l i nhiều lần, bằng một

số là số lần mà

tự lặp l i duy nhất và một

tự đó lặp l i liên tục. Kết quả của thuật toán RLE cho tập tin trên

sẽ là: 5 4D7 12 10C6D4 .
Theo như [2], ưu điểm của phương pháp mã hóa độ dài lo t – RLE là sẽ đ t
hiệu quả hi tập tin chứa nhiều chuỗi lặp lớn hơn 1 ngưỡng nhất định nào đó, nó sẽ

giảm được đáng ể dung lượng của dữ liệu. Còn nhược điểm của nó là với những
lo i dữ liệu mà thông tin ít lặp thì việc sử dụng RLE hông thật sự hiểu quả. Nó t o
ra dữ liệu sau hi nén có dung lượng lờn hơn cả dữ liệu ban đầu. Đây được gọi là
hiệu ứng ngược. Xét ví dụ sau:
Cho tập tin: ABCDABCD. Nếu ta dùng 1 byte để biểu diễn 1

tự thì độ lớn của

tập tin này sẽ là #8bytes.
Sau khi nén bằng RLE sẽ là: 1 1 1C1D1 1 1C1D, độ lớn của tập tin sau hi
nén sẽ là #16bytes, gấp đôi dung lượng dữ liệu ban đầu.

Đề tài: Streaming Video Qua M ng Di Động

c vi

: Mai Đức Trung
6


Luận v n th c s

1.1.3.3.

thuật

GVHD: TS Ph m Đ ng Hải

Phương pháp nén ảnh JPEG

JPEG (Joint Photographic Expert Group) là tên của một tổ chức nghiên cứu về
các chuẩn nén ảnh (trước đây là ISO) được thành lập vào n m 1982. N m 1986,
JPEG chính thức được thiết lập nhờ sự ết hợp giữa nhóm ISO/IEC và ITV. Tiêu
chuẩn này có thể được ứng dụng trong nhiều l nh vực: lưu trữ ảnh, Fax màu, truyền
ảnh báo chí, ảnh cho y học, camerasố v. v. . .
Tiêu chuẩn JPEG được định ra cho nén ảnh t nh đơn sắc và màu. Tuy nhiên cũng
được sử dụng cho nhiều ứng dụng với ảnh động bởi vì nó cho chất lượng ảnh hôi
phục há tốt và ít tính toán hơn so với nén MPEG.
Hình 1.1 là sơ đồ mã hoá điển hiển của JPEG.
Trước hi đưa vào chuyển đổi DCT, ảnh gốc phải được xử l để nén dải tần tín
hiệu hiệu màu và chia ảnh thành các hối. Việc nén phổ tín hiệu hiệu màu làm giảm
độ dư thừa tâm sinh lý. K thuật này dựa vào đặc trưng hệ thống thị giác của con
người (HVS: human visual system). Mắt người ém nhậy với sự thay đổi tín hiệu
màu hơn sự thay đổi tín hiệu chói. Vì vậy, ta hông cần thiết truyền đi thông tin của
tín hiệu màu với tần số như truyền thông tin tín hiệu chói.
Theo CCIR 601-2, có rất nhiều phương pháp lấy mẫu thông tin tín hiệu hiệu
màu. Tỷ lệ lấy mẫu thông dụng là 4:2:2 và 4:1:1. Định d ng 4:2:2 ngh a là cứ 4 mẫu
tín hiệu chói thì có 2 mẫu cho mỗi lo i tín hiệu hiệu màu. Nói cách khác, cứ 2 mẫu
tín hiệu chói có 1 mẫu tín hiệu hiệu màu. Định d ng 4:1:1 ngh a là cứ 4 mẫu tín
hiệu chói thì có 1 mẫu cho mỗi lo i tín hiệu hiệu màu. Giả sử tín hiệu hiệu màu chỉ
được lấy mẫu theo chiều dọc và mỗi mẫu có 8 bit, số bit trung bình trên một pixel
theo tỷ lệ lấy mẫu 4:2:2 là 8×4/2, hay 16 bit/pixel. Theo tỷ lệ 4:1:1 là 8×6/4, 12
bits/pixel. K thuật lấy mẫu tín hiệu hiệu màu được áp dụng cả hai chiều ngang và
dọc. D nhiên, điều này làm giảm hơn nữa lượng thông tin về tín hiệu hiệu màu.
nh sẽ được chia thành các hối lớn riêng biệt hông chồng nhau (MB-Marco
Block). Mỗi M

bao gồm 4 block các tín hiệu chói (Y) và 2, 4 hoặc 8 block các

Đề tài: Streaming Video Qua M ng Di Động

c vi

: Mai Đức Trung
7


Luận v n th c s

thuật

GVHD: TS Ph m Đ ng Hải

mẫu tín hiệu hiệu màu (Cr, Cb). Số các bloc của tín hiệu hiệu màu phụ thuộc vào
tiêu chuẩn lấy mẫu của tín hiệu video: 4:2:2, 4:1:1 hay 4:2:0 v. v.

Hình 1.1. Sơ đồ mã hóa và giải mã theo JPEG [9]
Tất cả các bloc có cùng ích thước và mỗi bloc là một ma trận điểm ảnh 8×8
pixel được lấy từ một ảnh màn hình theo chiều từ trái sang phải, từ trên xuống dưới.
Kích thước bloc là 8×8 được chọn bởi hai l do sau:
a) Thứ nhất, qua việc nghiên cứu cho thấy hàm tương quan suy giảm rất nhanh
hi hoảng cách giữa các pixel vượt quá 8.

Đề tài: Streaming Video Qua M ng Di Động

c vi

: Mai Đức Trung
8

Luận v n th c s

thuật

GVHD: TS Ph m Đ ng Hải

b) Thứ hai, là sự tiện lợi cho việc tính toán và thiết ế phần cứng. Nói chung, độ
phức t p về tính toán sẽ t ng nếu ích thước bloc t ng.
Ví dụ về việc chia thành các bloc của hình ảnh đối với hệ P L. Phần tích cực
của tín hiệu video với độ phân giải 576×720 sẽ được chia làm 72×90 bloc tín hiệu
chói. Và như vậy sẽ có 36×45 MB. Cấu trúc của M cũng phụ thuộc vào lo i ảnh
quét. Nếu quét liên tục thì các bloc baogồm các mẫu từ các dòng liên tục (lúc này
nén ảnh theo-frame). Ngược l i, trong trường hợp quét xen ẽ, trong một bloc chỉ
có các mẫu của một nửa ảnh (nén ảnh theo-mành). Tóm l i, việc chia hình ảnh
thành các ảnh con (MB) sẽ thực sự có

ngh a cho bước chuyển vị tiếp theo.

Đề tài: Streaming Video Qua M ng Di Động

c vi

: Mai Đức Trung
9


Luận v n th c s

1.2.

thuật

GVHD: TS Ph m Đ ng Hải

Tổ g Qua Về Streaming Video

1.2.1. Giới t i u streami g video
Streaming video hoặc media streaming là một

thuật truyền dữ liệu sao cho nó

có thể được xử l như một dòng ổn định và liên tục. Với sự phát triển m nh mẽ của
internet thì công nghệ streaming video đang trở nên ngày càng phổ biến và quan
trọng hi mà hầu hết người dùng internet hông có quyền truy cập đủ nhanh để tải
các tập tin đa phương tiện lớn một cách nhanh chóng. Streaming video sẽ cho phép
người dùng thay vì phải chờ tải hết tập tin video thì có thể xem nó trong hi đang tải
xuống.
Với các định d ng file video truyền thống, dữ liệu chỉ có thể hiển thị hi đã được
tải xuống toàn bộ, vì vậy đối với các tập tin video chất lượng cao có dung lượng lớn
thì công việc này sẽ tiêu tốn rất nhiều thời gian. Streaming video thì khác, nó tiết
iệm thời gian cho người dùng bằng cách sử dụng các công nghệ giải nén ết hợp
với player hiển thị dữ liệu đồng thời trong lúc vẫn tiếp tục tải xuống.
Quá trình này được gọi là buffering và có thể được diễn giải như sau: thay vì
được gửi một lần duy nhất, dữ liệu streaming video sẽ được truyền đi thành các gói
nhỏ, ban đầu player sẽ lấy về một phần chia nhỏ đó của dữ liệu video trước hi hiển
thị, đồng thời trong lúc hiển thị các gói dữ liệu còn l i sẽ lần lượt được lấy về để ịp
cho việc hiển thị tiếp theo.
Trước hi công nghệ streaming ra đời vào n m 1995, các trang Web đơn thuần
vẫn chỉ là các trang t nh, nghèo nàn về hình ảnh động và âm thanh. Mặc dù công

nghệ streaming ra đời đã cho phép phát video trực tiếp trên các trang web nhưng so
sánh chất lượng hình ảnh âm thanh với TV truyền thống thì chất lượng của video
online là rất thấp, hông chấp nhận được.
Ngày nay, công nghệ streaming video phát triển rất nhanh, các nhà nghiên cứu và
phát triển dường như rất hứng thú trong l nh vực này. Và chất lượng của streaming
video đã được cải thiện rất nhiều, nó hầu như đ t được mức chất lượng TV truyền
thống, thậm chí có những video đã đ t chuẩn HD, full HD.
Đề tài: Streaming Video Qua M ng Di Động

c vi

: Mai Đức Trung
10


Luận v n th c s

thuật

GVHD: TS Ph m Đ ng Hải

Với công nghệ streaming, các nhà cung cấp dịch vụ có thể t o, phân phối và hiển
thị các streaming video dưới các định d ng của công nghệ streaming (như RM,
MOV và ASF). Streaming Video thường được sử dụng trong l nh vực giải trí hoặc
d y học, dùng để lưu trữ các tuyển tập các file video hoặc các bài học, cung cấp cho
người dùng các tiện ích như tìm iếm, liệt ê, và hả n ng hiển thị hoặc hiển thị l i
các dữ liệu video theo yêu cầu.
Streaming Video được thể hiện dưới hai d ng: video theo yêu cầu (on demand)
và video thời gian thực (live event).
Video theo yêu cầu là các dữ liệu video được lưu trữ trên multimedia server và

được truyền đến người dùng hi có yêu cầu, người dùng có toàn quyền để hiển thị
cũng như thực hiện các thao tác (tua, dừng, nhẩy qua . .) với các đo n dữ liệu này.
Video thời gian thực là các dữ liệu video được chuyển đổi trực tiếp từ các nguồn
cung cấp dữ liệu theo thời gian thực (máy camera, microphone, các thiết bị phát dữ
liệu video . . .). Các dữ liệu này sẽ được multimedia phát quảng bá thành các ênh,
người dùng sẽ chỉ có quyền truy nhập bất ỳ ênh ưa thích nào để hiển thị dữ liệu
mà hông được thực hiện các thao tác tua, dừng vv... trên các dữ liệu đó (giống như
TV truyền thống).
Video Stream sử dụng các giao thức RTP, MMS hay RTSP vv… để truyền dữ
liệu theo d ng streaming qua m ng internet, đồng thời sử dụng các chuẩn nén để
giảm dung lượng dữ liệu, cung cấp hả n ng nén dữ liệu t i nhiều mức nén, nhiều
ích thước hiển thị để có thể phù hợp với độ rông b ng thông của nhiều m ng
truyền dẫn khác nhau để tối ưu hoá việc truyền dữ liệu qua m ng. Cũng chính vì
vậy việc truyền các Streaming Video qua m ng sẽ phụ thuộc rất nhiều vào các sản
phẩm phần mềm Streaming Video Server. Trong những n m gần đây có rất nhiều
các chuẩn công nghệ video streming được phát triển với các player:
Emblaze (http://www. emblaze. com/)
Liquid Audio (http://www. liquidaudio. com/)

Đề tài: Streaming Video Qua M ng Di Động

c vi

: Mai Đức Trung
11


Luận v n th c s

thuật

GVHD: TS Ph m Đ ng Hải

Macromedia Shockwave (http://www. macromedia. com/shockwave/)
Microsoft Windows Media (http://www. microsoft. com/)
RealNetworks RealMedia (http://www. real. com/)
VDOLive (http://www. vdo. net/)
Vosiac (http://www. vosaic. com/)
Audioactive (http://www. audioactive. com/)
Apple QuickTime (http://www. apple. com/quicktime/)
Một vấn đề lớn được đặt ra cùng với sự phát triển của các công nghệ streaming
video là sự gia t ng của các định d ng dữ liệu riêng và sự hông tương thích của
chúng. Hơn 8 ứng dụng hác nhau và các plugin của chúng sẽ phải tải về máy
người dùng để có thể hiển thị được tất cả các huôn d ng của video qua internet.
ởi vậy các định d ng streaming video chỉ giới h n bởi ba công ty được coi là
dẫn đầu trong công nghệ streaming với các sản phẩm:

pple với Quic Time,

RealNetwor s với RealMedia, và Microsoft với Windows Media.
Các hãng này đều cung cấp các bộ công cụ trọn gói gồm Streaming Video Server
(lưu trữ, truyền phát dữ liệu theo các giao thức hỗ trợ . . .), Video Player (hiển thị dữ
liệu t i phía người dùng), và công cụ

iến t o dữ liệu với các chuẩn nén.

Hình 1.2. Quy trình Streaming Video (Senvietsystem.com)
Đề tài: Streaming Video Qua M ng Di Động

c vi

: Mai Đức Trung
12


Luận v n th c s

thuật

GVHD: TS Ph m Đ ng Hải

1.2.2. Lịc sử p át triể
Trong đầu những n m 1920, George O. Squier đã được cấp bằng sáng chế cho
một hệ thống về việc truyền tải và phân phối các tín hiệu qua đường dây điện, đó là
cơ sở

thuật cho những gì sau này trở thành Muza , một công nghệ streaming âm

nh c liên tục cho các hách hàng thương m i mà hông cần sử dụng đài thu thanh.
Đã có nhiều nỗ lực để hiển thị các tập tin media trên các máy tính từ những ngày
đầu tiên sơ hai của nền công nghiệp máy tính giữa thế ỷ 20. Tuy nhiên, có ít tiến
bộ đã được thực hiện trong nhiều thập ỷ, chủ yếu do chi phí cao và hả n ng h n
chế về phần cứng máy tính. Đến những n m 1990, máy tính cá nhân trở nên m nh
mẽ, đủ để hiển thị các tập tin media hác nhau. Các vấn đề

thuật của máy client

để phục vụ việc streaming là CPU và b ng thông mainboard có đủ sức m nh để hỗ
trợ tốc độ các dữ liệu yêu cầu hay không, đã được giải quyết. Tuy nhiên, các m ng
máy tính vẫn h n chế, cả về m ng lưới, đường truyền, b ng thông, … Khi này, việc

hiển thị các tập tin media được thực hiện bằng cách các máy client sẽ tải tập tin từ
một máy chủ, rồi lưu nó vào một ổ đ a cứng trên máy tính hoặc lưu trữ nó như là
một tập tin

thuật số và phát l i từ đ a CD-ROM.

"Severe Tire Damage" là ban nh c đầu tiên đã thực hiện phát nh c trực tiếp trên
internet. Vào ngày 24 tháng 6 n m 1993, ban nh c đã chơi một buổi biểu diễn t i
Xerox P RC trong hi ở những nơi hác các nhà hoa học đã thảo luận về công
nghệ mới (Mbone) phát sóng trên internet bằng cách sử dụng Multicasting. Đây là
bằng chứng về công nghệ của họ, ban nh c đã được phát sóng trực tiếp và có thể
được nhìn thấy trực tiếp t i Úc và các nơi hác thông qua Internet.
RealNetwor s cũng đi tiên phong trong thị trường streaming media, khi phát
sóng một trận bóng chày giữa New Yor Yankees và Seattle Mariners qua internet
vào n m 1995.
Cùng n m này, buổi hòa nh c Concert đầu tiên của dàn nh c giao hưởng trên
Internet đã diễn ra t i nhà hát Paramount ở Seattle, Washington vào ngày 10 tháng
11 n m 1995. uổi hòa nh c là một sự hợp tác giữa nh c giao hưởng Seattle và các
Đề tài: Streaming Video Qua M ng Di Động

c vi

: Mai Đức Trung
13


Luận v n th c s

nghệ s

thuật

GVHD: TS Ph m Đ ng Hải

hách mời hác nhau như Slash (Guns 'n Roses, Velvet Revolver), Matt

Cameron (Soundgarden, Pearl Jam), và Barrett Martin (Screaming Trees).
Âm nh c trực tuyến cũng lần đầu được streaming lên Internet, bản nh c đầu tiên
được streaming là " ig Wheel" bởi Karthi Swaminathan và tiếp theo là " When
We Were Poor " với Marc Ribot và Christine ard.
Trong thời gian cuối những n m 1990 và đầu những n m 2000, b ng thông
m ng đã lớn hơn rất nhiều, đặc biệt là sự cải tiến ở đường truyền Server/Client – ết
nối từ các máy chủ đến các máy hách truy cập đã cho phép công nghệ streaming
video có những bước phát triển m nh mẽ.
ỹ t u t cơ bả tro g streaming video

1.2.3.
1.2.3.1.
-

Một số khái niệm được sử dụng trong streaming video

Streaming video (luồng video) thực chất là quá trình truyền các frame của tập
tin video đến người nhận.

-

Demand streaming (stream theo yêu cầu) là quá trình streaming một file
video có sẵn (đã được lưu trên ổ cứng) đến người nhận.

-

Live streaming (stream từ một nguồn t o video) là quá trình streaming trực
tiếp từ các frame video được t o ra từ các thiết bị thu nhận video (như
camera) tới người nhận

-

Bitstream là hái niệm ám chỉ một luông video từ máy chủ streaming tới
máy hách nhận các frame video dựa vào giao thức MMS hay RTP.

-

RTSP (Real Time Streaming Protocol) là giao thức m ng điều hiển quá
trình streaming video

-

RTP (Real-time Transport Protocol) là giao thức chuẩn định d ng cho gói tin
(packet) video được truyền trên m ng.

Đề tài: Streaming Video Qua M ng Di Động

c vi

: Mai Đức Trung
14


Luận v n th c s

1.2.3.2.

thuật

GVHD: TS Ph m Đ ng Hải

Các bước thực hiện kỹ thuật streaming video

Hình 1.3. Các bước thực hiện streaming video [8]
Có bốn bước chính trong
-

thuật streaming video:

ước 1: Phần mềm máy hách (media player, web browser, …) cần ết nối
và xác định file video trên máy streaming server muốn xem.

-

ước 2: Yêu cầu streaming file video đó sẽ được gửi tới streaming server.

-

ước 3: Streaming server tìm iếm file video được yêu cầu, sau đó chương
trình thực hiện streaming ch y trên máy streaming server sẽ chia file video
thành các frame ( hung ảnh), và gửi các frame đó tới máy yêu cầu sử dụng
giao thức rằng buộc về thời gian (RTSP, RTP)

-

ước 4: Khi các frame về máy hách, sẽ được lưu trữ trong vùng đệm và nội
dung các frame sẽ được giải mã (decode) và hiển thị.

Để có thể thực hiện được 4 bước trên một cách trơn tru, thì vấn đề đầu tiên cần
phải giải quyết là thiết ế các giao thức ở tầng giao vận (transport layer) hay tầng
ứng dụng (application) giữa hệ thống máy hách (client) và máy chủ streaming
(streaming server). Từ đó sẽ giúp chúng ta xác định được tài nguyên của hệ thống
(resource identification system), điều hiển trình diễn (playback control), đồng bộ
hóa dữ liệu, xác thực người dùng (authentication), quản l bản quyền số, … Vấn đề
Đề tài: Streaming Video Qua M ng Di Động

c vi

: Mai Đức Trung
15


Luận v n th c s

thuật

GVHD: TS Ph m Đ ng Hải

thứ hai cần giải quyết là các vấn đề liên quan đến việc truyền dữ liệu như: lập lịch
trình truyền dữ liệu để đảm bảo tính liên tục của thông tin đa phương tiện, truyền dữ
liệu với tốc độ bit thay đổi (variable bit-rate media streamings) và làm cho các dòng
dữ liệu thích nghi hi các điều iện của hệ m ng thay đổi.
1.2.4. Một số giao t ức sử dụ g tro g streaming video
1.2.4.1.

Giao thức TCP/UDP

Trước hi tìm hiểu về các giao thức chuyên biệt cho streaming, chúng ta sẽ xem
xét tính hả thi của việc dùng các giao thức internet hiện có cho các ứng dụng
streaming. Internet đã hỗ trợ giao thức ở tầng giao vận (transport) đó là TCP
(Transmission Control Protocol) và UDP (User Datagram Protocol). TCP được sử
dụng bởi hầu hết các ứng dụng internet như WWW, FTP, Telnet, … Đây là giao
thức hướng ết nối và trong đó bao gồm các thành phần: điều hiển lỗi, điều hiển
luồng, tránh tắc nghẽn, Nói cách hác TCP cung cấp 1 lá chắn giúp cho các ứng
dụng tránh hỏi các phức t p trong quản l lưu lượng dữ liệu qua m ng internet.
Điều này làm đơn giản hóa việc phát triển ứng dụng và TCP có các thuộc tính mong
muốn – chia sẻ tài nguyên m ng với các luồng c nh tranh lưu lượng m ng theo cách
hợp l . Vậy một câu hỏi đặt ra là TCP có giúp cho việc streaming video 1 cách
thuận tiện hông?

Hình 1.4. Mô hình của giao thức TCP [8]
Câu trả lời phụ thuộc vào b ng thông (banwidth) yêu cầu, đặc tính m ng và chất
lượng mong muốn của dịch vụ… Ví dụ nếu b ng thông m ng lớn hơn tốc độ dữ liệu
thì streaming qua TCP sẽ ho t động tốt. Theo cách đó, hi người dùng yêu cầu nội
Đề tài: Streaming Video Qua M ng Di Động

c vi

: Mai Đức Trung
16