Nghiên cứu tổng quan truyền hình kỹ thuật số và kỹ thuật nén ảnh

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
−−−−***−−−−

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN TRUYỀN HÌNH
KỸ THUẬT SỐ VÀ KỸ THUẬT NÉN ẢNH
NGÀNH : ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

VŨ SINH THƯỢNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. ĐỖ HOÀNG TIẾN

HÀ NỘI - 2005


-1-

Mục lục
Danh mục chữ viết tắt ...................................................................... 3

Lời mở đầu :............................................................................................. 5
Chương I : Truyền hình kỹ thuật số ................................. 7
1.1 Số hoá tín hiệu truyền hình .............................................................. 7
1.1.1. biến đổi tương tự - số ................................................................... 7
1.1.2. Đặc điểm của tín hiệu số: .......................................................... 10
1.2. Cơ sở biến đổi tín hiệu truyền hình. ............................................. 10
1.2.1. Biến đổi tín hiệu vide. ............................................................... 10

1.2.2. Lượng tử hoá và số bit biểu diễn mẫu. ...................................... 15
1.2.3. MÃ hoá tín hiệu rời rạc. ............................................................. 16
1.3. NÐn tÝn hiÖu ..................................................................................... 17
1.3.1 NÐn tÝn hiÖu sè. .......................................................................... 17
1.3.2. B¶n chÊt cđa nÐn tÝn hiƯu. ......................................................... 18
1.3.3. NÐn audio sè. ............................................................................. 19
1.3.4. NÐn ¶nh tÜnh. ............................................................................. 19
1.3.5. Nén Video số. ............................................................................ 20
1.3.6. Nguyên lý nén không tổn hao. .................................................. 21
1.3.7. NÐn tÝn hiƯu sè cã tỉn hao. ........................................................ 22
1.3.7.1. Nguyªn lý nÐn cã tỉn hao .................................................. 22
1.3.7.2. Các phương pháp biến đổi : ................................................ 22
1.3.7.3. Lượng tử hoá ...................................................................... 23
1.3.7.4. Vai trò của bộ lương tử hoá: ............................................... 23
1.3.8. MÃ hoá dự đoán tổn hoa. ....................................................... 24
1.3.9. MÃ hoá biến đổi ......................................................................... 25
1.4. Các phương pháp sử dơng trong chn nÐn ¶nh JPEG ............. 26
1.4.1. Giíi thiƯu chung ........................................................................ 26
1.4.2. Các nguyên tắc của nén ảnh ...................................................... 27
1.5. HÖ thèng nÐn tÝn hiÖu MPEG: (Motion Picture Expers Group) 35


-21.5.1. Giíi thiƯu hƯ thèng MPEG ........................................................ 35
1.5.2. M· ho¸ Video. ........................................................................... 37
1.5.3 NÐn Video MPEG: ..................................................................... 39
3.5.4. NÐn theo không gian (nén Intra) - Nén ảnh I. ........................... 46
1.5.5. NÐn theo thêi gian (nÐn Inter) - NÐn ¶nh P, B. .......................... 48
1.5.6. HÖ thèng nÐn tÝn hiÖu MPEG - 2 ............................................... 50
1.5.7. NÐn Audio MPEG. .................................................................... 53
1.6. §iỊu chÕ sè. ..................................................................................... 56

1.6.1. Giíi thiƯu chung ........................................................................ 56
1.6.2. §iỊu chÕ khoá dịch pha M - PSK (Phase Shift Key) ................. 56
1.6.3. §iỊu chÕ M - QAM (Quadrature Amlitude Modulation) ......... 66
1.7 §iỊu chÕ PAM (Pulse Ampliture Modulation) ............................. 71
1.7.2. So sánh M - PSK và M - QAM .................................................. 73
Chương II : Ghép kênh ................................................................... 75

2.1. Dòng dữ liệu MPEG ....................................................................... 75
2.1.1. Hệ thống MPEG ......................................................................... 75
2.1.2. Đặc điểm của các dòng dữ liệu MPEG. .................................... 76
Chương III : Truyền tÝn hiƯu trun h×nh sè ............ 80
3.1 Giíi thiƯu chung. ............................................................................. 80
3.2 các phương thức truyền hình tính hiệu truyền h×nh sè. .............. 80
3.2.1. Trun tÝn hiƯu trun h×nh sè băng cáp đồng trục. ................. 80
3.2.2. Truyền tín hiệu truyền h×nh sè qua vƯ tinh. .............................. 82
3.2.3 Trun tÝn hiƯu trun h×nh sè b»ng viba. .................................. 83
3.2.4. Trun tÝn hiƯu truyền hình số bằng cáp quang. ....................... 85
3.3 Các phương thức mà hoá đường truyền ........................................ 90
3.3.1. Giới thiêu chung ........................................................................ 90
3.3.2. M· ho¸ tÝn hiƯu sè. .................................................................... 90
KÕt ln chung .................................................................................93


-3-

Danh mục chữ viết tắt
Từ viết tắt

Tiếng anh đầy đủ
0B

Tiếng việt

A/D (ADC)

Analog to Digital

Biến đổi tương tự số

ADPCM

Adaptive Differential Pulse
Modulation

Điều xung m· vi sai
thÝch nghi

AES

Audio Engineering Society

HiÖp héi
Audio

ANSI

American National Standard
Institule

ViÖn tiªu chuÈn quèc

gia Mü

ASCII

American Standard Code for
Information Interchange

M· chuÈn Mü về trao
đổi thông tin

ATV

Advanced Television

Truyền hình cải biên

BER

Bit error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

BTA

Broadcasting Technical
Association (Japan)

Hiệp hội kỹ thuật
truyền hình truyền
thành (Nhật)

CAPM

Carrerless Amplitude Phase
Modulation

Điều chế pha biên độ
nén tải thấp

CATV

Community Antenna Television

Truyền hình cáp

CCIR

Comites Consltatif Intenational
en Radiodiffusion

Hội đồng tư vấn quốc tế
về phát sóng

CCITT

Consulative Commitee on
International Telegrahy and
Telephony

Hội đồng tư vấn quốc tế

về điện tín và điện thoại

CDTV

Conventional Definition
Television

Truyền
thường

DA (DAC)

Digital to Analog

Biến đổi số tương tự

DAB

Digital Audio Broadcasting

Phát thanh số

DC

Direct Curent

Dòng một chiều

DCT

Dicrete Cosin Transform

Biến đổi cosin rời rạc

DBS

Direct Broadcasting Satellite

Truyền hình trực tiếp từ
vệ tinh

DEMUX

Demultiplex

Tách kênh

DPCM

Defferential Pulse Code

Điều xung mà vi sai

kỹ

hình

thuật

thông

-4Modulation
DTV

Digital Television

Truyền hình số

DVB

Digital Vedeo Broadcasting

Truyền hình số (chuẩn
Châu Âu)

DVB/C/S/T

DVB - Cable/Satellite/
Terestrical

Truyền hình số qua cáp/
vệ tinh/ phát sóng trên
mặt đất

EBU

European Broadcast Union

Hiệp hội truyền thành

truyền hình châu âu

EOB

End of Block

Kết thúc khối

FCC

Federal Communication
Commision

Hội đồng thông tin Liên
Bang (Mỹ)

HDTV

High Definition Television

Truyền hình có độ phân
giải cao

ISO

International Standard
Organization

Tổ chức tiêu chuẩn
quốc tế

ITU

International
Telecommunication Union

Hiệp hội viễn thông
quốc tế

JPEG

Joint Photographic Expert Group Nhóm
chuyên
gia
nghiên cứu về ảnh tĩnh

MPEG

Moving Pictures Expert Group

Nhóm
chuyên
gia
nghiên cứu về ảnh động

MUX

Mutiplex

Ghép kênh

NTSC

National Television System
Committee

Hội đồng hệ thống
truyền hình quốc gia
Mỹ

PAL

Phase - alternating line

Pha luân phiên theo
dòng (hệ Pal)

Pixel

Picture Element

Điểm ảnh

R - DAT

Rotary - Digital Audio Tapa

Băng Audio số quay

SNR

Signal - to - noise Ratio

Tû sè tÝn hiƯu trªn
nhiƠu


-5-

Lời mở đầu

Truyền hình số là bước phát triển tất yếu của truyền hình nói riêng và
trong công nghệ các thiết bị điện tử nói chung và là bước quan trọng trong
việc thay đổi chất lượng của truyền hình để đạt tới mức hoàn thiện cao.
Cùng với truyền hình kỹ thuật số, người sử dụng sẽ không chỉ đơn thuần
nghĩ đến khái niệm truyền hình là cung cấp các chương trình TV hình ảnh
có độ nét cao, âm thanh sống động, thu được nf chương trình trên một kênh
truyền hình thông thường... mà còn có thể giúp họ tiếp cận được nhiều loại
hình dịch vụ phong phú và thuận tiện khác.
ĐÃ có nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học tại Việt
Nam về truyền hình kỹ thuật số, đầu tiên là để tiếp cận với công nghệ mới,
nhằm phân tích đánh giá các ưu nhược điểm của các hệ các tiêu chuẩn trong
mối quan hệ phức hợp để từ đó có được sự lựa chọn tiêu chuẩn phù hợp nhất
cho truyền hình nước ta theo quan điểm kết hợp cả về kỹ thuật, kinh tế và
hoàn cảnh xà hội.
Luận văn cao với đề tài: Nghiên cứu tổng quan truyền hình kỹ thuật
số và kỹ thuật nén ảnh bao gồm nghiên cứu lý thuyết về cấu trúc truyền
hình số, đưa ra các đánh giá lựa chọn cấu trúc và thiết kế tối ưu hệ thống
truyền hình số phù hợp víi ®iỊu kiƯn ë n­íc ta, ®ång thêi ®­a ra các cấu
hình mạng cụ thể khi truyền tín hiệu truyền hình số lên mạng truyền hình

cáp...
Trong thời gian hoàn thành luận văn của mình tôi đà nhận được sự
giúp đỡ chỉ bảo quí báu của Thầy giáo TS. Đỗ Hoàng Tiến cùng các thầy
cô và bạn bè trong khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa
Hà Néi.


-6Do trình độ và thời gian hoàn thành luận văn tốt nghiệp có hạn nên
không tránh khỏi các sơ xuất về nội dung cũng như hình thức. Để hoàn
thành nội dung của đề tài này chắc còn phải bổ sung rất nhiều, kính mong
sự gíp ý của mọi độc giả.
Với sự kính trọng của mình tôi xin chân thành cảm ơn.

Hà Nội, ngày 27 tháng 9 năm 2005
Học viên thực hiƯn

Vị Sinh Th­ỵng


-7-

Chương I

Truyền hình kỹ thuật số
1.1 Số hoá tín hiệu truyền hình
1.1.1. biến đổi tương tự - số
+) Các hệ truyền hình màu hiện nay (PAL, NTSC, SECAM) đều là
những hệ truyền hình tương tự, tín hiệu truyền hình là hàm liên tục theo thời
gian. Tín hiệu truyền hình tương tự từ khâu phát đến khâu thu chịu nhiều
ảnh hưởng của can nhiễu làm giảm chất lượng hình ảnh. Tín hiệu video số

được tạo từ tín hiệu video tương tư. Tín hiệu video số được biểu diễn bằng
hai trạng thái logic ''0'' vµ ''1''. TÝn hiƯu video sè cã nhiỊu đặc tính ưu việt
hơn hẳn tin hiệu video tương tự đặc biệt là tính chống nhiễu cao
Quá trình biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số gồm ba giai
đoạn:
Lấy mẫu tín hiệu tương tự là: Là quá trình rời rạc hoá tín hiệu theo
thời gian bằng tần số lấy mẫu fSa
Lượng tử hoá: Là quá trình rời rạc hoá tín hiệu theo biến độ đà được
lấy mẫu, tức là chia biến độ thành nhiều mức khác nhau, mỗi mức được gán
cho giá trị.
Mà hoá tín hiệu: (đà được lượng tử hóa): Tức là biến đổi tín hiệu đó
thành tín hiệu (hệ thập phân) theo hệ đếm nhị phân (biểu diễn bằng hai trạng
thái ''0'' và ''1'').
Nhóm các bit tín hiệu số biểu diễn các mẫu đà lượng tử hoá tạo thành
tử mÃ. Mỗi mẫu tín hiệu tương tự được biểu diễn bằng số nhị phân gồm n
bit.Số bit biĨu diƠn mÉu n cã quan hƯ chỈt chÏ víi m khoảng lượng tử.
m= 22


-8Lượng thông tin truyền đi trong một đơn vị thời gian được gọi là tốc
độ bit C.
C= fSa.n = W. log2 (1+N/S) (bit/s)
trong đó :
C: là tốc độ bit.
W: là tốc độ rộng kênh truyền .
S/N: Là tỉ số tín hiệu trên nhiều ( tạp trắng).
Trong thực tế, công thức Shannon cho biÕt ®Ĩ trun tÝn hiƯu sè tèc
®é C cần truyền có độ rộng bằng tầm W: W 3C/4 (Hz) ở phía thu, ta có qui
trình ngược lại biến ®ỉi tÝn hiƯu tõ d¹ng sè sang tÝn hiƯu d¹ng t­¬ng tù.

-9-

S

Hình 1.1: Biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiÖu sè.


-101.1.2. Đặc điểm của tín hiệu số:
+ Các ưu điểm chÝnh cđa trun h×nh sè.
- TÝnh chèng nhiƠu rÊt cao : Tỉ số tín hiệu trên không phụ thuộc vào
số lượng các quá trình điện trong kênh truyền. Vì vậy, tỉ số tín hiệu trên
nhiễu có thể lớn hơn nhiều so với trường hợp tín hiệu tương tự. Điều kiện đủ
để thu tín hiệu là phân biệt được có xung và không có xung.
- ít bị ảnh hưởng của méo phí tuyến (tính chịu đựng méo phí tuyến tốt
hơn).
- Khả năng tạo lại tín hiệu bằng phương pháp đơn giản hơn so với tín
hiệu tương tự.
- Có khả năng lưu c¸c tÝn hiƯu trong c¸c bé nhí cã cÊu tróc đơn giản
và sau đó đọc nó với tốc độ tuỳ ý.
- Dễ sử dụng thiết bị kiểm tra và điều khiển cùng máy tính.
- Dễ tạo dạng và lấy mấu tín hiệu, do đó dễ thực hiện các kỹ xảo mới
trong số lần ghi đọc.
- Không cần điều chỉnh thiết bị trong khi khai thác.
- Độ ổn định thiết bị cao, việc vận hành thiết bị dễ dàng.
- Có khả năng xử lý đồng thời một vài tín hiệu nhờ ghÐp kªnh theo
thêi gian.
+ Tuy nhiªn, tÝn hiƯu sè cịng có một số nhược điểm sau:
- Độ rộng bằng tầm cđa tÝn hiƯu sè ( ch­a nÐn) lín h¬n nhiỊu lần so
với độ rộng bằng tần tín hiệu tượng tự, do đó thiết bị và hệ thống truyền dẫn

cần phải có bằng tầm rộng.
- Việc kiểm tra chất lượng của tín hiệu số ở mỗi điểm của kênh truyền
thường phức tạp hơn (Phải sử dụng các bộ biến đổi số - tương tự).
1.2. Cơ sở biến đổi tín hiệu truyền hình.
1.2.1. Biến đổi tín hiệu video.
Biến đổi tín hiệu video tương tự thành tín hiệu video số là biến đổi
thuận, còn biến đổi tín hiệu video tương tự là biến đổi ngược. Trong truyền
hình số sử dụng rất nhiều bộ biến đổi thuận ADC và biến đổi ngược DAC.


-11Trong kỹ thuật truyền hình đen trắng, hình ảnh truyền ®i ®­ỵc biĨu
diƠn b»ng mét tÝn hiƯu chãi. Trong trun hình màu, hình ảnh được biểu
diễn bằng ba màu cơ bản: Đỏ (R), lục (G), lam (B) và có thể truyền đi bằng
ba phương thức sau.
+ Ba tín hiệu video băng rộng R,G,B.
+ Một tín hiệu chói băng rộng và hai tín hiệu màu băng hẹp.
+ Một số tín hiệu màu tổng hợp (trong đó các tín hiệu mà được điều
chế bằng một hoặc hai tải màu).
Khi biến đổi tín hiệu Video tương tự thành tín hiệu video số, ta có thể
dùng hai phương pháp sau:
+ Biến đổi trực tiếp tín hiệu màu tổng hợp. PAL. NTSC, SECAM.
+ Biến đổi từng tín hiệu video thành phần (tín hiệu chói Y, tín hiệu
hiệu màu R- Y, B- Y hoặc các tín hiệu màu cơ bản R,G,B)
Với phương pháp biến đổi trực tiếp tín hiệu video tổng hợp, ngoài ưu
điểm là tốc độ bit thấp so với phương pháp số hoá tín hiệu video thành thì nó
còn có rất nhiều nhược điểm:
+ Hiện tượng cam nhiễu chói - màu
+ Khó khăn trong qúa trình xử lý số, tạo kỹ xảo, dựng hình.
+ Phụ thuộc vào hệ truyền hình (. NTSC, PAL, SECAM), không tiện
cho việc trao đổi chương trình truyền hình.

Vì lý do đó, tổ chức phát thanh và truyền hình quốc tế khuyên cáo
nên sử dụng phương pháp biến đổi tín hiệu video thành phần.
a, Chọn tần số lấy mẫu
Công đoạn đầu tiên khi biến đổi tín hiệu video tương tự thµnh tÝn hiƯu
video sè lµ lÊy mÊy mÉu tÝn hiƯu. Vì vậy, chọn tần số lấy mẫu rất quan trọng,
nó là một trong những thông số cơ bản của hệ thống truyền hình số. Ta phải
chọn tần số lấy mẫu sao cho hình ảnh nhận được phải đảm bảo chất lượng
cao nhất, tín hiệu truyền hình có băng tần nhỏ nhất và mạch thực hiện đơn
giản.
Gọi s(t) là hàm số lấy mẫu, kết quả lấy mẫu cho ta chuỗi xung cã chu


-12k× TSa thêi gian xung τ << TSa cã biÕn độ bằng 1 đơn vị, biến tín hiệu ra dạng
rời r¹c.
Xs(t)=xa(t).s (t) =

τ
{+ 2A1 . cos ωsa t + 2A 2 . cos 2ωsa t + ...
Tsa

.}

trong ®ã :
- Xa (t) là tín hiệu vào tương tự
- s(t) =


{ + 2A1.cosωsat + 2A2.cos2ωsat + … .}–hµm lÊy
Tsa

mÉu
- ωSa = 2 π fSs - tÇn sè gãc lÊy mÉu
- fSa tÇn sè lÊy mÉu.
-A=

sin nπτ
nπτ TSa

; n =1,2,3.. - hÖ sè thành phần Fourier.

Ta biến đổi Fourier hàn số s(t) sang miên tân số.
Xs (f)=


Ts

Xa(f)+ A1[ Xa(f -fSa) + Xa(f +fSa)]
+ A2 [ Xa(f -2fSa) + Xa(f +2fSa) +...]

Xa (f) lµ phổ tín hiệu (vào) tương tự .
Ta thấy phổ tín hiệu của (1.4) là phổ tín hiệu rời rạc, là một chuỗi
Xs(f) là phổ tín hiệu (vào) tương tự. Chuỗi vô hạn các tín hiệu nằm ở các vị
trí cách nhau một khoảng fSa, với các thành phần có biến độ là ( An. /TSa).
Trường hợp lý tưởng An = 1 phổ tín hiệu có biên độ bằng nhau. Trong
thùc tÕ, phỉ tÝn hiƯu ®èi xøng qua ®iĨm f = 0 và có biến độ giảm dần.


-13-

Hình 1.2. Phổ tín hiệu .

a: Tìm hiểu tương tự ;

b: fsa = 2fgh;

c: fsa > 2fgh; d; fsa < 2fgh

Trường hợp fSa 2fgh, phổ tín hiệu vào xa(t) có thể tách ra được từ bộ
giải mà một cách đơn giản bằng các mạch lọc thống có tầm số giới hạn là
Sgh.
Trường hợp fSa < 2fgh(tần số lấy mẫu nhỏ hơn 2 lần tần số giới hạn của
x2 (t)), trong trường hợp này, phổ tín hiệu rời rạc lồng vào nhau gọi là hiện
tượng chống phổ. Vì vậy, trong trường hợp này không thể tái tạo lại tín hiệu
một cách chính xác.
Như vậy, để tạo được tín hiệu một cách chính xác, điều kiện cần thiết
là phổ tần số không được lồng vào nhau, tức là tần số lấy mẫu nhỏ nhất
fsamin= 2fgh được gọi là tần số Nyquist và trước khi lấy mấu cần hạn chế bằng
tấn tín hiệu là fgh.
b. Lấy mẫu tín hiệu truyền hình.
Như trên, ta đà biết điều kiện cần thiết khi lấy mẫu tín hiệu là fSa
2fgh
+ fgh/PAL = 5 hoặc 5.5 Mhz.
+ fgh/NTSC = 4.2 Mhz


-14Trường hợp fSa < 2fgh sẽ xuất hiện nhiều hình ảnh như hiện tượng nhoè
biên ảnh và hiệu ứng lưới màn hình. vì vây, ta phải chọn tần số lấu mẫu sao
cho hình ảnh đẹp và tốc độ bit tối thiểu.
Tần số lấy mẫu fSa phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Tín hiệu chói (đen
trắng), tín hiệu màu cơ bản R,G,B, các tín hiệu màu, các tín hiệu video màu
tổng hợp và phụ thuộc vào các hệ truyền hình .

Trong trường hợp lấy mẫu tín hiệu video màu tổng hợp cho hƯ PAL
vµ NTSC (hai hƯ nµy chØ dïng mét tần số tải màu fSa bằng hai, ba hoặc bốn
lần tần số tải màu fSa)
+ fgh/PAL = 13,30085625Mhz.
+ fgh/NTSC = 10,738635Mhz

+ fgh/PAL = 5 hc 5.5 Mhz.
+ fgh/NTSC = 4.2 Mhz

Đối với hệ SECAM, không thể chọn tần số bằng hài bậc cao của tải
màu được vì hệ SECAM sử dụng điều tần.Vì vậy, việc chọn tần số lấy mẫu
khó khắn hơn.
Người ta dựa vào cấu trúc đặc biệt của tính hiệu video (đó là năng
lượng phổ tin hiệu tập trung quanh các hài của tần số dòng fH) để hiệu chỉnh
méo.
Trong hệ NTSC, PAL, các đường bao phổ tín hiệu tải màu lồng với
đường bao của tín hiệu chói: trong hƯ NTSC lƯch pha fH/2, cßn trong hƯ PAL
lƯch pha fH/4. Vì vậy, trong hệ NTSC phải dùng tần sè lÊy mÉu:
fSa/NTSC = 2fsc± fH/4
Trong hÖ PAL: fSa/PAL = 2fsc = 8.86(Mhz)
Kết quả nghiên cứu của CCIR và OIRT cho thÊy, viƯc chän tÇn sè lÊy
mÉu cịng nh­ viƯc chän cÊu tróc mÉu (cÊu tróc trùc giao, cÊu tróc quincunx
mành và quincunx dòng) ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng hình ảnh. Từ kết
quả thực nghiệm cho thấy, chất lượng ảnh sẽ rất tốt nếu tần số lấy mẫu tiến
gần đến khoảng 13 Mhz (Secam, PAL) nếu tần số lấy mẫu nhỏ hơn 13Mhz
thì chất lượng ảnh giảm xuống rõ rệt. Vì vậy người ta chọn tần số lấy mẫu
fsa=13,5 Mhz, còn tần số lấy mẫu hai tín hiệu mµu b»ng fsa/2 = 6,75Mhz.


-151.2.2. Lượng tử hoá và số bit biểu diễn mẫu.

+) Lượng tử hoá là qúa trình rời rạc hoá tín hiện theo biên độ (sau khi
đà lấy mẫu), bao gồm việc chia biến độ tín hiệu thành nhiều khoảng và sắp
xếp các trị số của mẫu. Tuy nhiên chia (khoảng lượng tử Q) mà ta có các
phương pháp lượng tử sau:
+ L­ỵng tư tun tÝnh
+ Lng tư phi tun
+) TÊt cả các mẫu nằm trong cùng một mức biến độ sau khi lượng tử
hoá sẽ được biểu diễn bằng cùng một số, sau khi giải mà khôi phục lại, tất
cả chúng đều có cũng một giá trị
+) Quá trình lượng tử hoá là quá trình biến đổi chuỗi các mẫu với một
số vô hạn biến độ thành một chuỗi các mẫu với một số hữu hạn biến độ.
Như vậy, ở đầu ra của bộ DAC, gía trị các mẫu thu được khi khôi phục
không đồng nhất với gí trị tương ứng trước khi lấy mẫu, mỗi mẫu khi khôi
phục lại ®Ịu ph¶i kÌm theo mét sè sai sè, sai sè này cho phép nằm trong
khoảng (0ữQ/2).
Dạng tín hiệu sau khi lượng tử hóa:
Xout (t)= Xin(t) + Sq
+ ) Khi lương tử hóa tín hiệu video, việc xác định tìn hiểu lấy mẫu
trên thang lượng tử là vô cùng quan trọng trong tr­êng sư dơng c¶ thang cã
thĨ xt hiƯn mÐo do tín hiệu vào không ổn định và các mức chuẩn trong
mạch ADC không ổn định.
+) Để giải vấn đề trên, người ta sử dụng biên bảo hiểm (khoảng trống
phía trên và phía dưới giá trị cực đại và giá trị cực tiểu). Vì ảnh hưởng của
méo lượng tử hoá đối với mức đem nhỏ hơn so với mức trắng nên biên bảo
hiểm phía mức trắng phải lớn hơn biên bảo hiểm phía mức đen.
Tín hiệu chói sau khi được sưa gamma:
EY = 0,299ER + 0,587 EG + 0,11EB
trong ®ã : ER, EG, EB là các tín hiệu màu cơ b¶n sau khi sưa gamma.

-16Các tín hiệu hiện màu được xác định
ER- Ey = 0,701 ER -0,587 EG -0,11EB
EB- Ey = 0,299 ER -0,587EG -0,886 EB

Hình 1.3: Vị trí các tín hiệu video trong khoảng lượng tử hoá.
1.2.3. MÃ hoá tín hiệu rời rạc.
+) Mà hoá tín hiệu là biến đổi tín hiệu đà được lượng tử hoá thành tín
hiệu số bằng cách sắp xếp các mức lượng tử hoá bởi các số nhị phân và ánh
xạ các mức này thành tín hiệu có hai mức logic ''0'' và ''1''. Tuỳ theo phương
pháp sắp xếp, ta có các loại PCM tuyến tính hay DPCM. pCM tuyến tính
truyền các mà nhị phần, DPCM truyền tin hiệu số bằng liên hợp các trị
lương tử của một vài mẫu.
+) Để giải quyết méo lượng tử, trong PCM tuyến tính phải dùng mà
nhị phân 8 bit ( 256 mức lượng tử). Số nhị phân biểu diễn tín hiệu video bao
gồm các giá trị trong giới hạn từ 0000.0000 đến 1111.1111
Đối với tiêu chuẩn studio:
0001.0000 biểu diễn mức đen tÝn hiƯu chãi.
1110.1011 biĨu diƠn møc tr¾ng cđa tÝn hiƯu chãi.
1000.0000 biĨu møc 0 tÝn hiƯu hiƯu mµu.
0001.0000 biĨu møc cùc tiĨu tÝn hiƯu hiƯu mµu


-171110.1111 biểu mức cực đại tín hiệu hiệu màu
--------------------------1110.1111 biểu mức tín hiệu màu đỏ
1110.1111 biểu mức tín hiệu màu lam
0001.0000 biĨu møc tÝn hiƯu mµu da cam
+) Trong tr­êng hợp lấu mẫu tín hiệu video tổng hợp, tần số lấy mẫu
là 13.5 Mhz, tốc độ bit của tín hiệu số là 108 Mbit/s. Trường hợp lấy mẫu
từng tín hiệu video thành phần (tần số lấy mẫu tín hiệu chói là 13.5Mhz, tần
số lấy mẫu các tín hiệu màu là 6.75 Mhz), tốc độ bit tổng cộng là 216M

bit/s.
+) Nếu truyền các tín hiệu số trên thì kênh truyền cần phải có độ rộng
hơn 2/3 tốc độ bit( 80 Mhz trong trường hợp 1 và 160 Mhz trong trường hợp
2). Độ rộng kênh truyền này lớn gấp nhiều lần độ rộng kênh truyền tương tự.
Như vây, PCM tuyến tính chỉ thích hợp dùng trong các studio và nó cho chất
lượng hình ảnh rất tốt.
+) Để truyền được tín hiệu số với khoảng cách xa, ta cần sử dụng mÃ
tiết kiệm nhằm giảm tốc độ bit.
1.3. Nén tín hiệu
1.3.1 Nén tín hiƯu sè.
+) NÐn tÝn hiƯu sè hay nÐn d÷ liƯu nghĩa tín hiệu số đó bằng số bit ít
hơn, hay nói cách khác là giảm dữ liệu hay giảm tốc độ bit, ngoài ra nén tín
hiệu số còn được gọi là mà hoá nguồn.
Nguồn

Đích
Nén
(MÃ hoá nguồn)

Kênh truyền
hoặc lưu trữ

Hình 1.4. Nén và giải nén

Giải nén
(Giải mà nguồn)


-18- Như vây, qui trình nén tín hiệu được thực hiện ở phía nguồn (tức là ở
phía phần phát) trước khi cung cấp cho kênh truyên để đưa tín hiệu tới phần

thu. ở phần thu, qui trình được thực hiện ngượi lai, tức là giải nén hay giải
mà nguồn.
Mục đích chính nên tín hiệu là:
- Giảm dung lượng lưu trữ và giảm băng thông truyền dẫn nhằm tiết
kiệm chi phí lưu trữ.
- Giảm nhỏ thiết bị lưu trữ, mở rộng khả năng ứng dụng của các thiết
bị lưu trữ đắt tiỊn nh­ RAM, ®ång thêi cho phÐp tiÕt kiƯm chi phí truyền
dẫn.
- Có thể truyền đồng thời truyền trên kênh d¶i hĐp, cho phÐp trun
cã thêi gian thùc.
Gi¶ sư gäi n1, n2 là số lượng bit của tín hiệu trước vµ sau khi nÐn, ta cã
thĨ dùa vµo mét sè đại lượng sau để đánh giá mức độ nén tín hiƯu.
→ TØ sè nÐn : C = n1 / n2
PhÇn trăm nén (hay độ dư thừa dữ liệu tương đối)
R = [1 - (n2/n1)]. 100% = [(n1 - n2)/ n1 ]. 100%
- Ngoài ra, còn nhiều cách biểu diễn mức ®é nÐn tÝn hiƯu nh­: sè
l­ỵng tư bit biĨu diƠn cho mét ký hiƯu (symol), sè l­ỵng bit biĨu diƠn cho
một điển ảnh (pixel), số lượng bit biểu diễn cho mét tõ(word).
1.3.2. B¶n chÊt cđa nÐn tÝn hiƯu.
Theo lý thut th«ng tin, th«ng tin chøa trong mét tÝn hiƯu cã thể
được thành hài phần:
+ Lượng tin hay độ bất định (Entropy)
Độ dư thừa (Redundacy).
Tuỳ theo nội dung thông tin mà Entropy lại có thể được chia làm
thành phần:
- Thông tin không phù hợp: là thông tin không có giá trị với hệ thống
cảm nhận chủ quan của con người.
- Thông tin cốt lõi: là phần còn lại của Entropy.

-19- Entropy của hình ảnh là một giá trị có ý nghĩa quan trọng, bởi nó
xác định số lượng bịt trùng tối tiểu cần thiết để biểu diễn một phần tử ảnh .
- Như vây, bản chất của nén tín hiệu là loại đi phần dư thừa và chỉ giữ
lại những phần thông tin hiệu khác nhau.
a) Nén không tổn hao
+) Nén không tổn hao hiểu một cách đơn giản là bớt dữ liệu biểu diễn
thông tin bằng cách loại bởi phần dư thừa. Với phương pháp này, khi giải
nén, tín hiệu được khôi phục lại hầu như nguyên vẹn thông tin ban đầu và
không ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh.
b) Nén có tổn hao
+) Nén có tổn hao không những loại bỏ đi phần dư thừa mà còn loại
bỏ đi phần thông tin không phù hợp, thậm chí còn loại bỏ đi một phần
thông tin ít quan trọng. Với phương pháp này, khi giải nén trở lại, không thể
khôi phục lại nguyên vẹn như thông tin ban đầu mà phải chấp nhận một độ
méo nhất định.
1.3.3. Nén audio số.
+) Audio số là một loại dữ liệu nên có thể loại bỏ các phần dư thừa
trong quá trình nén và cũng có thể loại bỏ các phần thông tin không quan
trọng(Như những âm thanh mà tai người không nghe được). Để đạt được tỉ
số nén cao hơn, có thể loại bỏ thêm những thông tin ít quan trọng(có thẻ loại
bỏ bớt những âm thanh ở vùng tần số thấp, và ở vùng tầm số cao).
1.3.4. Nén ảnh tĩnh.
+) Thông tin về ảnh tĩnh bao gồm các giá trị độ chói( đối với ảnh đen
trắng) hoặc các giá trị màu R,G,B (đối với ảnh màu) của các pixel trên ảnh.
Cũng như các loại thông tin khác, đối với ảnh tĩnh ta có thể loại bỏ các phần
dư thừa. Ngoài ra, để đạt tỉ số nén cao hơn cần loại bỏ các thông tin không
phù hợp như:
+) Loại bỏ bớt các thông tin về độ màu so với độ chói (vì mắt người
nhạy với độ chói hơn độ màu).

-20+) Loại bỏ các tần số không gian quá cao nằm ngoài khả năng phân
giải của mắt.
Để đạt tỉ số nén cao hơn nữa ta có thể:
+) Giảm lượng màu biểu diễn ảnh(24 bit với 16,7 triệu màu xuống 16
hoặc 8 bit, ảnh đen trắng....) đây chính hình thức giảm độ phân giải màu và
giải độ phân giải về đồ chơi.
1.3.5. Nén Video số.
Video số là chuỗi các ảnh số liên tiếp nhau theo thời gian, mỗi ảnh số
bao gồm nhiều dòng gồm Pixel, mỗi pixel được biểu diễn bởi ba màu cơ bản
R,G,B. Tốc độ bit của Video thường rất lớn (chẳng hạn 270 Mb/s đối với
định dạng video sè CCIR REC - 601 4:2:210 bit ®èi víi trun hình thông
thường hoặc có thể lớn hơn 1 Mb/s đối với truyền hình có độ phân giải cao
HDTV). vì vậy, nén video số phải là loại nén có tổn hao.
Nén video số trước hết phải loại bỏ tối đa phần dư thừa và các thông
tin ít quan trọng.
+ Độ dư thừa không gian giữa các pixel
+ Độ dư thừa không gian do các ảnh liên tiếp nhau.
+ Độ dư thừa phổ do các thành phần màu biểu diễn từng pixel có độ
tương quan cao.
+ Độ dư thừa thống kê do các ký hiệu xuất hiện trong dòng bit với
xác xuất xuất hiện không đều nhau.
+ Độ dư thừa tâm lý thị giá (thông tin không phù hợp với hệ thống thị
giác của con người).
Ngoài ra, để đạt tốc độ bit thấp hơn và chấp nhận suy giản chất lượng
tín hiệu có thể loại bỏ một số thông tin ít quan trọng xét về mặt cảm thụ như
sau:
+ Giảm bớt các thành phần tần số cao trong ảnh (dẫn đến giảm độ nét
của ảnh).
+ Giảm bớt số lượng pixel trên ảnh (giản bớt độ phân giải không gian

ảnh) dẫn đến giảm kÝch th­íc ¶nh.


-21+ Giảm bớt số ảnh trong 1 giây (giảm bớt độ phân giải thời gian ảnh)
dẫn đến hình ảnh chuyển động không trơn tru.
+ Giảm bớt độ phân giải màu dẫn đến màu sắc kém trung thực.
1.3.6. Nguyên lý nén kh«ng tỉn hao.
+) NÐn tÝn hiƯu sè kh«ng tỉn hao thường được biết với tên gọi là mÃ
hoá nguồn. MÃ hoá nguồn là quí trình biểu diễn các ký hiệu trong dòng bít
nguồn thành dòng các từ mÃ, mỗi từ mà bao gồm một số bít sao cho giảm
được tốc độ bít. Để đánh giá một loại nén nào đó, người ta thường so sánh
số bít trung bình dùng để biều điễn một ký hiệu với entropy. Loại mà nào có
hiệu quả nén càng cao thì số bít trung bình càng tiến gần về giá trị entropy.
Tuy nhiên ở đây ta sử dụng mô hình nguồn thông tin rời rạc không nhờ,
trong đó các ký hiệu độc lập thống kê với nhau. Thực tế các ký hiệu không
đọc lập thống kê mà luôn có quan hệ phụ thuộc thống kê lẫn nhau. Để giải
quyết vấn đề này trên thực tế người ta có thể sử dụng một số phương pháp
sau:
> M· ho¸ khèi: m· ho¸ tõng khèi ký hiƯu ngn thay vì mà hoá
riêng từng ký hiệu độc lập.
> Biến đổi kết hợp mà hoá: các ký hiệu nguồn được biến đổi sang một
dạng khác độc lập theo thống kê víi nhau tr­íc khi m· ho¸ .
+) NÐn tÝn hiƯu số không tổn hao được coi là sự kế hợp giữa '' Mô
hình hoá '' với '' MÃ hoá ký hiệu ''. Mô hình hoá chính là tập hợp các số liệu
và các qui tác dùng để xử lý tín hiệu nguồn, từ đó xác định từ mà tương ứng
để biều diễn cho ký hiệu đó.
Các phương pháp mà hoá dïng trong nÐn tÝn hiƯu sè kh«ng tỉn hao.
+) M· hoá với độ dài từ mà thay đổi ((VLC).
- Trong trường hợp các ký hiệu của nguồn không cùng xác xuất hiện
thì phép mà hoá độ dài từ mx thay đổi có hiệu quả nén hơn so với phương

pháp mà hoá độ dài cố đinh. VLC sử dụng ít bit để các giá trị hay xảy ra
nhiều bit để mà hoá các giá trị ít xảy ra.
+) MÃ hoá theo chiỊu dµi (RLC)


-22- MÃ hoá RLC rất hiệu quả khi gặp một loạt các ký hiệu giống nhau
xuất hiện thì phép mà hoá độ dài từ mà thay đổi có hiệu quả của quá trình
mà hoá. Xử lý 64 hệ số của khối 8x8 phân tử ảnh bằng cách quét zig zag
làm tăng tối đa chuỗi các giá trị ''0'' và do vậy làm tăng hiệu quả nén.
Một trong những phương pháp nén được dùng trong nén MPEG đó là
nén liên ảnh (Inter Frame Cỏmpossion) cũng là một phương pháp nén không
tổn hao. Điểm quan trọng nhất trong pháp này là dự toán sự dịch chuyển vị
trí nội dung hình ảnh, điều này quyết định đến độ chính xác và hiệu quả nén
của phương pháp nén.
1.3.7. Nén tín hiệu số có tổn hao.
1.3.7.1. Nguyên lý nén có tổn hao
Sơ đồ khối hệ thống nén và giải nén có tổn hao
Dòng bit

biến đổi (T)

Chưa nén

Lượng tử hoá
Q

MÃ hoá (C)

Giảu lượng tử
hoá (R)

Biến đổi
ngược lại(T-1)

Dòng bit
nén

a: Hệ thống nén có tổn hao

Dòng bit
nén

Giải mà (D)

Dòng bit
giải nén

b, Hệ thống giải nén có tổn hao
Hình 1.5 Hệ thống nén có tổn hao
1.3.7.2. Các phương pháp biến đổi :
a) Biến đổi dự đoán tuyến tính
Biến đổi dự đoán tuyến tính: ánh xạ các ký hiệu thành phần thành các
sai số dự đoán có entropy nhỏ hơn. Bao gồm một số loại biến đổi sau:
+ DPCM( Differential Pulse Code Modulation): Trong DPCM, sai số
dự đoán là phần sai biệt giữa hai ký hiệu liên tiếp.


-23+ Mà hoá dự đoán: Trong mà hoá dự đoán, sai số dư đoán là phần sai
biệt giữa pixel hiện tại và giá trị dự đoán.
b) Biến đổi Unita (hay mà hoá biến đổi).

Biến đổi Unita biến đổi tín hiệu số tromg miền thời gian (biến đổi
audio số) hoặc trong miền không gian 2D như ảnh tĩnh thành các hệ số
trong miền tần số. Các hệ số này ít tương quan với nhau, có phổ năng lượng
tập trung hơn, thuận tiện cho việc loại bỏ những thông tin không phù hợp
bằng phép lượng tử thích hợp.
Một số phép biến đổi Unita điểm hình :
+ Biến đổi DFT (Discrete Fourier Transform) với giải thuật nhanh
FFT
+ Biến đổi cosin rời rạcDCT (Discrete Fourier Transform)
1.3.7.3. Lượng tử hoá
Lượng tử hoá là quá trình biểu diễn một tập các giá trị liên tục ở đầu
vào bằng một lượng các giá trị giới hạn các ký hiệu ở đầu ra. Đây chính là
khấu gây ra tổn hoa khi ta loại bỏ những thông tịn không quan trọng, phía
giải nén có chức năng ngược lai. Có hai loại lượng tử hoá chính:
- Lượng tử hoá vô hướng: Tức là lượng tử hoá chính:
- Lượng tử hoá véctơ: Là quá trình biều diễn một tập véctơ (mỗi véctơ
gồm nhiều giá trị) bằng một số hữu hạn các ký hiệu ở đâù ra.
1.3.7.4. Vai trò của bộ lương tử hoá:
- Bộ lương tử hoá có vai trò rất quan trọng, nó có thẻ cho ta hiệu quả
cao hơn nhờ lượng tử hoá thông minh các hệ số của phép biến đổi cosin rời
rạc.
- Trong quá trình lương tử ho¸, ta cã thĨ sư dơng nhiỊu bÝt biỊu diƠn
cho các hệ số DCT ở vùng tần số thấp và ë bÝt biĨu diƠn cho c¸c hƯ sè DCT
ë vïng tầm số cao.
Mức độ lương tử được xác định cho từng Macrobock hoặc một nhóm
lớn các Macrobock, đây chính là điểm mạnh của phương pháp nén MEG.


-241.3.8. MÃ hoá dự đoán tổn hao.
a) Nguyên lý:

Về nguyên lý, mà hoá dự đoán tổn hoa chính là bộ mà hoá không tổn
hao kế hợp với lượng tử hoá và giải lượng tử hoá.
MÃ hoá dự đoán tổn hao được sử dụng nhiều trong nén ảnh tính và nén
viedo.
Q: Bộ lương tử hoá

D: Bộ giải mà ký hiệu

R: Bộ giải lương tử hoá

P: Bộ dự đoán

C: Bộ mà hoá ký hiệu.

Hình 1.6 a) Bộ mà hoá dự doán tổn hao . b) Bộ giải lượng tử hoá
b) MÃ hoá tổn hao ứng dụng trong nén ảnh và nén video.
+) Hầu hết các loại nén tổn hao đều được dùng trong hệ thống nén
ảnh và nén video. MÃ hoá dự doán tổn hao ngoài việc áp dụng cho các pixel
trong miền không gian còn áp dụng cho các hệ số biến đổi trong miền tần số.
Để đạt tỉ số nén cao, một loại mà hoá dự đoán inter, ba chiều, theo hai
hướng, thích nghi có tên gọi là dự đoán bù chuyển động được đưa vào sử
dụng rộng rÃi.