Truyền hình số DVB ở việt nam và xu hướng phát triển

..

Nguyễn Như Nhất

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------

Luận văn thạc sĩ khoa học
Ngành: điện Tử -viễn thông

Đ iện tử Viễn thông
2004-2006
Hà Nội
2006

Đề tài

Truyền hình số DVB ở việt nam và
Xu hướng phát triển

Nguyễn như nhÊt

Hµ néi 2006


Mục lục
Trang
Mở đầu..............................................................................................................1
Chương 1: Tổng quan......................................................................................3
Chương 2: Tạo dòng MPEG-2 và cấu trúc MPEG-2 TS ............................7

2.1. Đặc điểm của tín hiệu truyền hình ........................................................7
2.2. Chuyển đổi số đối với tín hiệu video .....................................................8
2.2.1. Quá trình số hoá đối với tín hiệu Video tổng hợp ........................8
2.2.2. Quá trình số hoá đối với tín hiệu Video thành phần......................8
2.3. Nén Video chuẩn MPEG .....................................................................12
2.3.1. Một số tiêu chuẩn nén. ...............................................................12
2.3.2. Cấu trúc dòng bÝt Video MPEG-2 ..............................................13
2.3.3. NÐn theo kh«ng gian (NÐn intra) - ¶nh I ....................................14
2.3.4. NÐn theo thêi gian (NÐn Inter -ảnh P và B) ................................16
2.3.5. Profile & Level ..........................................................................20
2.4. Nén Audio MPEG -2. .........................................................................22
2.4.1. Hä nÐn audio MPEG................................................................... 22
2.4.2. S¬ đồ nén audio MPEG.............................................................. 23
2.4.3. Đặc điểm nén Audio MPEG. ......................................................24
2.5. Cấu trúc dòng truyền tải MPEG-2 TS .................................................26
2.5.1. Cấu trúc phân lớp hệ thống ........................................................26
2.5.2. Cấu trúc dòng truyền tải .............................................................33
2.5.3. Cấu trúc gói truyền tải TS ...........................................................35
2.5.4. Thông tin đặc tả chương trình (PSI).............................................39
2.5.5. Đặc điểm của dòng MPEG-2 .....................................................42
2.5.6. ứng dụng dòng truyền tải MPEG-2 TS .......................................43

Nguyễn Như Nhất

Luận văn thạc sĩ


Chương 3: Truyền hình số mặt đất DVB-T ...............................................45
3.1. Đặc điểm chung của truyền hình số mặt đất .......................................45
3.2. Truyền hình số mặt đất DVB-T ...........................................................46

3.2.1. Đặc điểm tiêu chuẩn DVB-T ......................................................47
3.2.2. Sơ đồ khối ...................................................................................49
3.2.2.1. Phần mà hoá kênh truyền ....................................................51
3.2.2.2. Phần điều chế ......................................................................63
3.2.3. Cấu trúc khung OFDM. ..............................................................65
3.2.4. Chất lượng đường truyền tiêu chuẩn DVB-T ..............................76
Chương 4: Truyền hình số qua Vệ tinh DVB-S ........................................79
4.1. Đặc điểm của truyền hình vệ tinh ........................................................79
4.2. Tiêu chuẩn DVB-S (EN-300421)......................................................... 82
4.2.1. MÃ hoá kênh truyền ...................................................................83
4.2.2. Phần điều chế ..............................................................................88
4.2.3. Chất lượng đường truyền ............................................................91
4.3. Một số tiêu chuẩn khác................................. ......................................92
4.3.1. Tiªu chuÈn DVB-S (TR 101 198). ..............................................92
4.3.2. Tiªu chuÈn DVB-DSNG (EN 301 210) ......................................92
4.4. Tính toán chất lượng đường truyền trong DVB-S ................................93
Chương 5 :Truyền hình số qua cáp DVB-C ............................................99
5.1. Tiêu chuẩn DVB-C (EN 300 429)....................................................... 99
5.1.1. Sơ đồ khối ...................................................................................99
5.1.2. MÃ hóa kênh truyền ..................................................................100
5.1.3. Phần điều chế ............................................................................101
5.2. Một số tiêu chuẩn khác .....................................................................103

Nguyễn Như Nhất

Luận văn thạc sĩ


Chương 6: Truyền hình số dvb ở việt nam và xu Hướng phát triển....105
6.1. Tương lai của công nghiệp truyền h×nh .............................................105

6.2. Trun h×nh sè DVB ë ViƯt Nam hiƯn nay .......................................107
6.2.1. Trun h×nh sè qua vƯ tinh DVB-S ...........................................107
6.2.2. Truyền hình số qua cáp DVB-C ...............................................113
6.2.3. Truyền hình số mặt đất DVB-T ................................................114
6.3. Xu hướng phát triển các dịch vơ DVB t¹i ViƯt Nam .........................120
6.4. KÕt ln .............................................................................................124

Mét sè thuật ngữ ........................................................................................126
Tài liệu tham Khảo .........................................................................133

Nguyễn Như Nhất

Luận văn th¹c sÜ


1

mở đầu
Truyền hình ngày nay đà trở thành một nhu cầu không thể thiếu trong xÃ
hội. Ngoài những nhu cầu tìm hiểu tin tức, truyền hình đà và sẽ mang lại cho
người xem các chương trình giải trí bổ ích và các dịch vụ thông tin khác như
nhiều loại dịch vụ tương tác theo hai chiều như video on demand, gameshow
on demand, e-shopping on demand, new on demand, webbrosing on demand...
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, nhất là công nghệ thông
tin đà tạo ra sự thay đổi lớn rong lĩnh vực truyền hình và đem lại nhiều dịch vụ
mới trong lĩnh vực truyền hình. Trong những năm gần đây công nghệ truyền
hình đà chuyển sang một bước phát triển mới - đó là quá trình chuyển đổi từ
công nghệ truyền hình tương tự sang công nghệ truyền hình số. Việc chuyển
đổi này không chỉ xẩy ra trong lĩnh vực sản xuất các chương trình truyền hình
mà còn trong cả lĩnh vực truyền dẫn và phát sóng tín hiệu truyền hình. Nhiều

nhà nghiên cứu đà cho rằng đà bắt đầu một thời đại mới- thời đại của Digital
Video, Digital Television. Truyền hình tương tự ngày càng ít được nhắc tới và
đi dần vào quên lÃng nhường đường cho truyền hình kỹ thuật số.
Từ thập kỷ 80 các nước phát triển trên thế giới đà nghiên cứu, triển khai
thử nghiệm truyền dẫn và phát sóng truyền hình số qua vệ tinh, qua cáp và
mạng phát sóng mặt đất. Các công nghệ này đà và đang được hoàn thiện trong
những năm cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 để những năm tới đây sẽ chuyển
sang phát sóng số chính thức.
Cùng với sự phát triển công nghệ nén tín hiệu Video, đà mở ra khả năng
phát triển truyền hình số trong việc lưu trữ chương trình cũng như việc truyền
dẫn và quảng bá tín hiệu truyền hình số đến người xem.
Truyền hình số có những ưu điểm nổi bật so với truyền hình tương tự
như: Có thể truyền nhiều chương trình trên cùng một băng tần. Có chất lượng
cao ít bị ảnh hưởng bởi tạp âm đường truyền. Có thể lưu trữ chuyển đổi mà
không làm giảm chất lượng. Có khả năng truyền được chương trình truyền

Nguyễn Như Nhất

Luận văn thạc sĩ


2

hình độ phân giải cao (HDTV) trong băng tần 8MHz. Có thể kết hợp các dịch
vụ truyền hình và các dịch vụ viễn thông khác.
Vì vậy việc nghiên cứu về truyền hình số và tiếp cận với khoa học công
nghệ ®ang thay ®ỉi hÕt søc nhanh chãng lµ mét viƯc hết sức quan trọng và cần
được đẩy mạnh để đưa Truyền Hình Việt Nam (THVN) tiến kịp với các nước
trong khu vực và trên thế giới, tránh tụt hậu và l·ng phÝ.
ë ViƯt Nam kü tht trun h×nh sè cịng đà được quan tâm từ những

năm 1990, các trung tâm nghiên cứu phát triền và ứng dụng quản lý truyền
hình cũng đà có nhiều đề tài về truyền hình số. Đài THVN (Truyền Hình Việt
Nam) cũng đà đưa ra lộ trình chuyển dịch từ truyền hình tương tự sang truyền
hình số bắt đầu từ năm 1999. Sau nhiều hội nghị khoa học về việc lựa chọn
chuẩn truyền hình số nào (ATSC, DVB, ISDB-T) được sử dụng tại Việt Nam.
Năm 2001 Đài THVN đà ra quyết định chọn chuẩn DVB.
Trước nhu cầu thực tế như vậy và bản thân là kỹ sư đang làm việc trong
ngành truyền hình, cụ thể là tại Đài THVN, nên tôi chọn đề tài Truyền hình
số DVB ở Việt Nam và xu hướng phát triển để nghiên cứu, tìm hiểu nhằm có
được những đóng góp nhất định cho truyền hình Việt Nam.
Nội dung luận văn đề cập đến:

Cơ sở truyền hình số
Các phương thức truyền dẫn tÝn hiƯu trun h×nh sè DVB
Trun h×nh sè DVB ë Việt Nam và xu hướng phát triển
Công nghệ truyền hình số là một một lĩnh vực mới và phức tạp nó hợp
nhiều kiến thức mới của công nghệ thông tin và truyền thông, cho nên trong
bản luận văn này sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy tôi mong muốn
nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy, cô và các bạn đồng nghiệp để
bản luận văn này có được những tác dụng nhất định. Qua đây tôi xin chân
thành cảm ơn sự giúp đỡ của thầy, tiến sỹ Đỗ Hoàng Tiến đà tận tâm giúp đỡ
để tôi hoàn thành cuốn luận văn này.
Hà nội tháng 10/ 2006
Nguyễn Như Nhất

Luận văn thạc sĩ


3

Chương 1

Tổng quan
Hệ thống truyền hình là một tập hợp các thiết bị cần thiết để đảm bảo quá
trình phát và thu các tin tức hình ảnh. Lịch sử phát triển truyền hình đến nay
cho ra đời nhiều tiêu chuần truyền hình khác nhau, nhưng dù thế nào thì cũng
phải có sơ đồ khối như hình 1.1
Cảnh
vật
A

ống kính
Bộ chuyển
đỏi ảnh
- tín hiệu

Bộ khuéch
đại và
gia công
tín hiệu

Kênh
truyền

Bộ tạo
xung
đồng bộ

Bộ kh.đại
và xử lý

tín hiệu

Bộ chuyển
đỏi tín hiệu
- ảnh

Bộ tách
xung
đồng bộ

Hình 1.1: Sơ đồ khối tổng quát hệ thống truyền hình đen trắng
Truyền hình đen trắng ra đời từ những năm đầu của thập kỷ 20 với nhiều
tiêu chuẩn truyền hình khác nhau: A, B, C, D, K, E, F, G, H, J, K, L, M, N.
Tiếp theo đó là sự ra đời của các hệ truyền hình mầu với 3 hệ : NTSC, PAL,
SECAM xt hiƯn vµo thËp kû 50 cđa thÕ kỷ trước đà tạo nên một bước ngoặt
mới trong quá trình phát triển của công nghệ truyền hình. Cả 3 hệ truyền hình
này đều sử dụng các tín hiệu thành phần là tín hiệu chói và 2 tín hiệu mầu (Y,
R-Y, B-Y). Điều khác nhau cơ bản giữa các hệ mầu là phương pháp điều chế
và ghép kênh tín hiệu mầu với tín hiệu chói.
Do sự phát triển nhanh chóng của công nghệ điện tử với sự ra đời của các
vi mạch cỡ lớn, các bộ xử lý tín hiệu số với tốc độ cao, các bộ nhớ dung lượng
lớn và nhất là sự bùng nổ của công nghệ thông tin trong nhưng năm gần đây,
video số, truyền hình số đà hoàn toàn mang tính khả thi và từng bước trở
thành hiện thực. Số hóa tín hiệu truyền hình trên thực tế không chỉ là sự biến
đổi tín hiệu truyền hình tương tự sang tín hiệu số mà còn là quá trình xử lý tín
hiệu đó để giảm các thông tin không cần thiết để đảm bảo tín hiệu truyền hình
số có thể truyền được trên băng tần của truyền hình tương tự.
Nguyễn Như Nhất

Luận văn thạc sĩ

4

So với hệ thống truyền hình tương tự, truyền hình số có những ưu điểm
như:
- Tín hiệu số ít nhậy cảm với các dạng méo xẩy ra trên đường truyền.
- Có khả năng tái tạo, không suy hao chất lượng khi trun dÉn cịng nh­
khi l­u tr÷ tÝn hiƯu.
- Cã tính linh hoạt, mền dẻo trong quá trình xử lý tín hiệu.
- Hiệu quả sử dụng băng tần cao khi truyền dẫn tín hiệu truyền hình số
có nén.
- Có khả năng phân cấp chương trình khi sử dụng hệ truyền hình số mặt
đất DVB-T hay ISDB-T.
- Có khả năng truyền dẫn tín hiệu truyền hình có độ phân giải cao trên 1
kênh truyền hình tương tự.
- Có khả năng kết hợp với nhiều dịch vụ thông tin khác nhau.
- Khoá mà đơn giản.
- Công nghệ truyền hình số có những khả năng mà truyền hình tương tự
không thể thực hiện được.
Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình số như hình 1.2
Đầu vào của thiết bị truyền hình số sẽ nhận tín hiệu truyền hình tương tự.
Trong thiết bị mà hóa (biến đổi A/D) tín hiệu truyền hình ananlog sẽ được
biến đổi thành tín hiệu truyền hình số
Tín hiệu
truyền
hình
analog

Thiết bị phát

Biến đổi
A/D

Nén, ghép
kênh

MÃ hóa
kênh

Điều chế

Kênh
truyền

Tín hiệu
truyền
hình
analog

Biến đổi
D/A

Tách kênh
giải nén

Thiết bị thu
Giải mÃ
kênh

Giải điều

chế

Hình 1.2 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống truyền hình số
Nguyễn Như Nhất

Luận văn thạc sĩ


5

Các tham số và đặc trưng của tín hiệu này được xác định từ hệ thống
truyền hình đà chọn. Tín hiệu truyền hình số được đưa tới thiết bị phát, được
chuyển tới kênh thông tin và tới thiết bị thu. Tại bên thu tín hiệu được biến đổi
ngược lại với qúa trình xử lý tại phía phát, giải mà tín hiệu truyền hình, thực
hiện biến đổi tín hiệu truyền hình số thành tín hiệu truyền hình tương tự. Hệ
thống tín hiệu truyền hình số sẽ xác định trực tiếp cấu hình của bộ mà hóa và
giải mÃ.
Khi truyền qua kênh thông tin tín hiệu truyền hình số được mà hóa kênh
để chống lỗi.
Hiện nay trên thế giới tồn tại 3 tiêu chuẩn truyền hình số là ATSC do Mỹ
đề xuất, DVB do châu Âu đề xuất và ISDB-T do Nhật Bản đề xuất.
Truyền hình Việt Nam trong qua trình số hoá phải chọn cho mình một lộ
trình thích hợp phù hợp với hoàn cảnh đất nước và kế thừa thành tựu của công
nghệ truyền hình số trên thế giới. Do vậy trong khoảng hơn 10 năm trở lại đây
Truyền hình Việt Nam đà tập trung tìm hiểu, so sánh các ưu nhược điểm của
các hệ thống truyền hình số trên thế giới và sau nhiều hội nghị khoa học
chúng ta đà chọn tiêu chuẩn DVB là chuẩn truyền hình số duy nhất được sử
dụng ở Việt Nam vào năm 2001.
ở thêi ®iĨm ®ã chn DVB sư dơng tÝn hiƯu trun hình số được nén theo
chuẩn MPEG-2.

Từ đó đến nay Truyền hình Việt Nam đà tăng cường đầu tư các trang thiết
bị theo chuẩn DVB MPEG-2 nhằm từng bước số hoá ngành công nghệ
truyền hình trong nước. Trong những năm đầu việc số hoá được thực hiện ở
khâu sản suất các chương trình truyền hình, đến nay đang số hoá dần công
đoạn truyền dẫn và phát sóng tín hiệu truyền hình.
Hiện nay toàn bộ hệ thống truyền hình số ở Việt Nam ®Ịu sư dơng chn
nÐn MPEG-2 cđa DVB. Trong khi hiện nay trên thế giới đà phát triển nhiều
công nghệ mới như nén Video MPEG-4 có khả năng giảm được tốc độ bit

Nguyễn Như Nhất

Luận văn thạc sĩ


6

xuống thấp hơn mà chất lượng hình ảnh không đổi. Tuy nhiên các sản phẩm
thương mại của công nghệ mới này chưa phổ biến hơn nữa số lượng thiết bị
đầu tư theo chuẩn MPEG-2 tại Việt Nam là rất lớn và sẽ tiếp tục phát triển
trong một thời gian dài nữa. Do đó luận văn này chỉ tập trung vào lÜnh vùc
trun dÉn tÝn hiƯu trun h×nh sè theo chn nén MPEG-2.

Nguyễn Như Nhất

Luận văn thạc sĩ


7

chương 2

tạo dòng MPEG-2 và cấu trúc MPEG-2 TS
2.1. Đặc điểm của tín hiệu truyền hình
Thiết bị truyền hình số dùng trong truyền chương trình truyền hình là thiết
bị nhiều kênh, ngoài thiết bị truyền hình còn có các thông tin kèm theo là các
kênh âm thanh và các thông tin phụ như tín hiệu điện báo thời gian chuẩn, tần
số kiểm tra hình ảnh tĩnh. Tất cả các tín hiệu này được ghép vào các khoảng
trống của đường truyền nhờ bộ ghép kênh .
Truyền tín hiệu truyền hình số được thực hiện khi có sự tương quan giữa
các kênh tín hiệu. Thông tin đồng bộ sẽ được truyền đi để đồng bộ các tín
hiệu đó. Để kiểm tra về tình trạng của thiết bị truyền hình số sử dụng các hệ
thống đo kiểm tra tương tự như hệ thống truyên hình tương tự thông qua đo
kiểm tra tín hiệu chuẩn.
Sau đây là một số đặc điểm của truyền hình số so với truyên hình tương tự
- Tín hiệu số ít nhậy cảm với các dạng méo xẩy ra trên đường truyền.
- Có khả năng tái tạo, không suy hao chất lượng khi truyền dẫn cũng như
khi lưu trữ tín hiệu.
- Có tính linh hoạt đa dạng trong quá trình xử lý tín hiệu.
- Hiệu quả sử dụng băng tần cao khi trun dÉn tÝn hiƯu trun h×nh sè cã
nÐn.
- Có khả năng phân cấp chương trình khi sử dụng hệ truyền hình số mặt
đất DVB-T hay ISDB-T.
- Có khả năng truyền dẫn tín hiệu truyền hình có độ phân giải cao trên 1
kênh truyền hình tương tự.
- Có khả năng kết hợp với nhiều dịch vụ thông tin khác nhau.
- Khoá mà đơn giản.
- Công nghệ truyền hình số có những khả năng không thể thực hiện được
trong truyền hình tương tự.
Nguyễn Như Nhất

Luận văn thạc sĩ


8

2.2. Chuyển đổi số đối với tín hiệu video

2.2.1. Quá trình số hoá đối với tín hiệu Video tổng hợp
(composite signal).
Đối với tín hiệu video tổng hợp (NTSC hay PAL) tần số lấy mẫu tín hiệu
Video được lấy bằng 4 lần tần số sóng mang tín hiệu mầu. Theo tiêu chuẩn
Nyquist tần số lấy mẫu phải lớn hơn hoặc bằng 2 lần so với tần số cực đại của
tín hiệu. Trong thùc tÕ khi chun ®ỉi A/D ®èi víi tÝn hiệu video tổng hợp,
qua nhiều lần thử nghiệm đà chứng tỏ rằng việc lấy mẫu với tần số có giá trị
bằng n f SC là có hiệu quả hơn cả.
Đối với tín hiệu truyền hình mầu hệ PAL có tần số lấy mẫu được lựa chọn
là 4f SC = 17,734475 MHz. Đối với tín hiệu hệ mầu NTSC có tần số lấy mẫu là
4f SC = 14,32818 MHz. Đối với tín hiệu video tổng hợp, các pixel được lượng
tử hoá 8 hay 10 bit. Do chÊt l­ỵng cđa tÝn hiƯu Composite thấp vì vậy tín hiệu
này ít được sử dụng. Thay vào đó là việc chuyển đổi tương tự - số theo khuyến
cáo CCIR 601 đối với các tín hiệu mầu thành phần.

2.2.2. Quá trình số hoá đối với tín hiệu Video thành phần
(component signal)
Tín hiệu Video có đặc trưng riêng, nên ngoài việc thỏa mÃn định lý lấy
mẫu Nyquist, qua trình lấy mẫu còn phải tuân theo cấu trúc lấy mẫu, tính
tương thích giữc các hệ thống ...
a) Lấy mÉu
C¸c chn lÊy mÉu
Cã nhiỊu chn l¸y mÉu tÝn hiƯu Video thành phần số, điểm khác nhau

chủ yếu ở tỷ lệ giữa tần số lấy mẫy và phương pháp lấy mẫu tín hiệu chói và
tín hiệu màu. Trong đó bao gồm: Tiêu chuẩn 4:4:4; 4:2:2; 4:2:0; 4:1:1. Các
định dạng số video có nén chỉ lấy mẫu cho cá dòng tích cực của tín hiệu
Video

Nguyễn Như Nhất

Luận văn thạc sĩ


9

Trong các tiêu chuẩn đó, thường được sử dụng trong thiết bị Studio là
4:2:2 và trong các thiết bị truyền dẫn phát sóng là 4:2:0.
Định dạng tín hiệu Video số CCIR- 601 4:2:2.
TÝn hiƯu Video sè CCIR-601 4:2:2 lµ tÝn hiệu Video số thành phần phù
hợp với 2 hệ quét 525/60 hay 650/50 dùng trong phát sóng.
Các thông số lấy mÉu:
LÊy mÉu trùc giao 4:2:2 (4 mÉu Y : 2 mÉu C r : 2 mÉu C b ) ®iĨm đầu lấy
mẫu cả Y,C r ,C b , điểm kế tiếp chỉ lấy mẫu Y(Khi giải mà tín hiệu màu của
điểm này được suy ra từ điểm trước đó). Đối với cả 2 tiêu chuẩn quét mành
50/60 thì tần số lấy mẫu đối với các tín hiệu chói và mầu là:
Đối với tín hiệu chói Y: f s = 13,5 MHz.
Đối với tín hiệu mầu C r hay C b : f s = 6,75 MHz.
Tốc độ dòng bít khi lÊy mÉu víi hƯ PAL (625x720), cã 576 dßng tÝch cực
Khi mà hoá 8 bit/mẫu, tốc độ: (720 + 360 + 360) x 576 x 8 x 25
=165,888Mbit/s
Khi m· ho¸ 10bit/mÉu, tèc ®é:(720 + 360 + 360) x 576 x 10 x 25 =
207,36Mbit/s
Các vị trí lấy mẫu theo tiêu chuẩn 4:2:2 được mô tả trong hình vẽ 2.1:

Luma sample
Cb sample
Cr sample

Hình 2.1: Các vị trí lấy mẫu theo chuẩn 4:2:2

Nguyễn Như Nhất

Luận văn thạc sĩ


10

b) Lượng tử hoá
Các tín hiệu được lượng tử hoá theo các mức:
Đối với các tín hiệu chói Y
Các mức

8 bit

10 bit

Các mức bảo vệ cao

FF

3FC-3FF

Mức lượng tử cao nhất

FE

3FB

Mức trắng

FB

3AC

Mức xoá

10

040

Mức lượng tử thấp nhất

01

004

Mức bảo vệ thấp

00

000-003

8 bit

10 bit

Các mức bảo vệ cao

FF

3FC-3FF

Mức lượng tử cao nhất

FE

3FB

Mức dương lớn nhất

F0

3C0

Mức xoá

80

200

Mức âm lớn nhất

10

040

Mức lượng tử thấp nhất

01

004

Mức bảo vệ thấp

00

000-003

Đối với tín hiệu mầu C r hay C b
Các mức

Dòng số liệu Video số được ghép từ tín hiệu chói và các tín hiệu màu nên
dòng số liệu này có tốc độ lớn gấp 2 lần tốc ®é lÊy mÉu tÝn hiƯu chãi Y hay

Ngun Nh­ NhÊt

Ln văn thạc sĩ


11

gấp 4 lần tốc độ lấy mẫu tín hiệu mầu C r hay C b . Do đó các đồng hồ kênh có
tần số gấp 2 lần tần số lấy mÉu tÝn hiƯu chãi Y tøc lµ : 13,5 x 2 = 27 MHz.

Xung ®ång bé trong tÝn hiƯu video tương tự được thay thế bằng tín hiệu
chuẩn thời gian (TRS - Timing Reference Signal) c¸c tÝn hiƯu chn thêi gian
là:
- Bắt đầu tín hiệu Video (SAV- Start of Active Video).
- HÕt tÝn hiÖu Video (EAV- End of Active Video).
TÝn hiÖu chuÈn thêi gian TRS gåm 4 tõ m·.
Trong tr­êng hợp 8 bit, mà hoá hệ HEX bao gồm 4 từ mà được xắp xếp
theo thứ tự
FF 00 00 XY
Ba từ đầu có giá trị cố định, từ mà XY mang những thông tin: mành chẵn
hoặc lẻ, bắt đầu hoặc kết thức xung xoá mành, bắt đầu hoặc kết thúc xung xoá
dòng.
Trong truờng hợp 10 bit 4 từ mà như sau:
3FF 000 000 XYZ.
3 từ bit đầu 3FF 000 000 là cố định , các giá trị 3FF và 000 dự phòng
để nhận dạng thời gian và nhận dạng thông tin đồng bộ SAV và EAV. Các bit
XYZ mang thông tin về nhận dạng field, trạng thái xoá mặt(mành), trạng thái
xoá dòng.
Các dữ liệu phụ (Ancillary data): Với hệ quét 625/50 trong thời gian xoá
dòng có thể chèn 280 từ dữ liệu (HANC- Horiz Ancillary Data) và bắt đầu
bằng 3 từ bit 000 3FF 3FF.
Trong thời gian xoá mành, (ngoại trừ một số dòng đặc biệt) có thể chèn
được 1440 từ bit dữ liệu (VANC- Vert. Ancillary Data) và cũng bắt đầu bằng
000 3FF 3FF.

Nguyễn Như Nhất

Luận văn thạc sĩ

12

2.3. Nén video chuẩn MPEG
Trong tất cả các loại tín hiệu thì tín hiệu truyền hình là chiếm dải tần lớn
nhất cho một kênh thông tin Ví dụ như dòng bit dạng thức video ITU- R 601
4:2:2 với mức lượng tử hoá 10 bit có tốc độ là 270 Mbit/s ( trường hợp số hoá
cả các dòng không tích cực), như vậy dải phổ cần thiết để truyền tín hiệu này
không dưới (3/4)x270 = 180 MHz dải phổ này là phi thực tế do vậy nén tín
hiệu Video là không thĨ thiÕu trong trun h×nh sè.
ViƯc nÐn tÝn hiƯu Video trước hết là loại bỏ các tín hiệu dư thừa trong
dòng bit Video: độ dư thừa về khả năng cảm nhận hình ảnh của thị giác của
con người, độ dư thừa về mặt không gian (các điểm ảnh kế cận nhau trong
một ảnh thường có giá trị gần giống nhau), độ dư thừa về thời gian (các ảnh kế
cận trong một chuỗi ảnh thường giống nhau), độ dư thừa bit xét về mặt xác
suất thống kê. Đó là các nén không suy hao, không làm thay đổi cảm nhận
của mắt đối với hình ảnh trước và sau khi nén (Lossless compression). Để tăng
cường tỷ số nén, người ta sẽ loại bỏ các thông tin ít quan trọng và chấp nhận
một mức suy giảm chất lượng nhất định đó là các kü thuËt nÐn cã suy hao.

2.3.1. Mét sè tiªu chuÈn nén.
Tiêu chuẩn JPEG ra đời khoảng những năm 1980 (Join Photographic
Expert Group): là một tiêu chuẩn dùng để nén các ảnh tĩnh (ảnh mầu và đen
trắng) dùng để lưu trữ vµ sư dơng trong mét sè lÜnh vùc nh­ Fax màu, truyền
ảnh báo chí, ảnh cho y học, camera số...
Từ chuẩn JPEG người ta còn đưa ra chuẩn M-JPEG chỉ sử dụng trong
khâu xản suất chương trình và hậu kỳ, không dùng đựoc cho phát sóng vì tốc
độ bít còn cao.
Tiªu chuÈn MPEG (Motion Picture Expert Group): tiªu chuÈn MPEG do
nhóm chuyên gia về ảnh động nghiên cứu và đề xuất với mục đích nén tín
hiệu Video và Audio. Trong MPEG gồm các chuẩn sau:

Chuẩn MPEG-1: Tiêu chuẩn nén ảnh động có kích thước 320x240 và tốc
đọ bít còn từ 1- 1, 5 Mbit/s dùng cho ghi hình trên băng từ và đĩa quang (CD),
đồng thời truyền dẫn trong các mạng, như mạng máy tính.

Nguyễn Như Nhất

Luận văn thạc sĩ


13

Chuẩn MPEG-2: Là tiêu chuẩn nén được sử dụng cho các ứng dụng cao
hơn với tốc độ bít còn 10 Mbit/s để truyền tín hiệu truyền hình số thông
thường. Là tiêu chuẩn tiếp theo của MPEG -1 nhằm vào các ứng dụng cho các
chương trình truyền hình trong hệ thống truyền hình số mặt đất, cáp và vệ
tinh.
Chuẩn MPEG-3: Là tiêu chuẩn nén tín hiệu số xuống còn 50 Mbit/s để
truyền tín hiệu truyền hình số có độ phân giải cao. Năm 1992 MPEG -3 được
kết hợp với MPEG- 2 dùng cho truyền hình thông thương và truyền hình độ
phân giải cao gọi chung là MPEG-2.
Chuẩn MPEG- 4: Chuẩn này cho phép nén ảnh Video với ít khung hình
và yêu cầu làm tươi chậm nên tốc độ dữ liệu còn rất thấp, nhằm mục đích phát
triển các tiêu chuẩn mà hóa mới có tốc độ bít thấp.
Chuẩn MPEG-7: Được thiết kế cho mạng truyền thông đa phương tiện.
Chuẩn MPEG-21:
MPEG là chuẩn nén kết hợp giữa nén trong ảnh và nén liên ảnh là phương
pháp nén có tổn hao dựa trên biến đổi DCT và bù chuyển động.

2.3.2. Cấu trúc dòng bÝt Video MPEG-2
CÊu tróc dßng bit MPEG-2 Video gåm 6 lớp:

Lớp chuỗi (đoạn chương trình Video): Đoạn Video gồm thông tin đầu
đoạn, một số nhóm ảnh (GOP), thông tin kết thúc đoạn. Thông tin đầu đoạn
Video chứa kích thước mỗi chiều của ảnh, kích thước của điểm ảnh, tốc độ bít
của dòng Video số, tấn số ảnh và bộ đệm cần có. Đoạn Video và thông tin đầu
đoạn tạo thành một dòng bít được mà hóa gọi là dòng cơ bản (Elementary
Stream)
Nhóm ảnh (GOP): Là tổ hợp của nhiều khung I,P và B, gồm nhiều
ảnh,được bắt đầu bằng một khung I thông tin đầu gồm 25 bít chứa mà định
thời và điều khiển.
Lớp ảnh: Gồm nhiều đoạn ảnh (slice) cho phép bộ giải mà xác định loại
của ảnh được mà hóa là ảnh I,P hay B, thông tin đầu dùng ®Ĩ chØ thø tù khung
trun ®Ĩ bé gi¶i m· cã thể xắp xếp lại ảnh theo một thứ tự đúng, ngoài ra

Nguyễn Như Nhất

Luận văn thạc sĩ


14

header của ảnh còn chứa các thông tin về đồng bộ, độ phân giải và phạm vị
của véc tơ chuyển động.
Lớp Slice: Gồm nhiều Macroblock, mỗi Macroblock gồm một số block
cho các tín hiệu màu và chói, phụ thuộc vào chuẩn lấy mẫu.
Vị trí: vị trí bắt đầu của Slice.
Thang lượng tử (QScale): bảng lượng tử hoá của Slice.
Lớp Macroblock (MB): gồm nhiều Block.
Địa chỉ tăng( Address Increase): số MB nhẩy tới.
Loại MB: mô tả cấu trúc MB có sử dụng véc tơ bù trừ chuyển động.
Thang lượng tử (QScale): bảng lượng tử hoá của MB.

Block: Gồm 8x8 Pixel.
Tuỳ theo dạng thức lẫy mẫu mà các Macroblock có cấu trúc khác nhau.
Đối với dạng thức CCIR 601 4:2:0, mỗi MB sÏ gåm 4 Block Y, 1 Block
C r , 1 Block C b . Đối với dạng thức CCIR 601 4:2:2, mỗi MB sẽ gồm 4 Block
Y, 2 Block C r , 2 Block C b .
Kü thuËt nÐn ®èi víi tÝn hiƯu Video theo tiªu chn MPEG-2 sư dơng cả
hai loại nén không suy giảm (nén theo không gian) và nén có suy giảm (nén
theo thời gian).

2.3.3. Nén theo không gian (Nén intra) - ảnh I
Sơ đồ tổng quát về nén intra hình 2.2

DPCM

Y
Cr
Cb

Block
&
MB
formating

Huff man
2D
DCT
Quanti
zer

Zig-zag

Scaning

RLC

VLC

Buffer

Scaling
Factor
Quantizer

Hình 2.2: Sơ đồ nén Intra frame

Nguyễn Như Nhất

Luận văn thạc sĩ


15

Nguyên lý chung như sau
Block và MB formating: trước khi thực hiện DCT, cả ảnh được chia thành
các khối lớn riêng biệt không chồng nhau MB, mỗi MB gồm 4 block Y, 2
block C r , 2 block C b , số lượng các block màu phụ thuộc vào tiêu chuẩn lấy
mẫu.
Chuyển đổi 2D - DCT: Các block Y, Cr, Cb với kích thước 8 x 8 mẫu với
độ phân giải lượng tử 8 bit sẽ được biến đổi ( 8 x 8 ) 2D - DCT để tạo ra ( 8 x
8 ) hệ số DCT có độ phân giải 11 bit.
Năng lượng thường dùng tập trung ở thành phần một chiều DC và các

thành phân tần số thấp nên các hệ số này thường có giá trị lớn hơn, các thành
phần tần số cao ít tồn tại đồng thời ảnh hưởng ít đến cảm nhận của mắt nên
có thể loại bỏ trong truờng hợp cần giảm thông tin trong khối lượng tử hoá.
DPCM: Các hệ số DC của các block được mà hoá DPCM so với hệ số DC
của block tương ứng trước đó.
Lượng tử hoá (Quantizer): các thành phần tần số khác nhau được lượng tử
hoá với các bước lượng tử khác nhau:
- Lượng tử hoá tinh với các thành phần tần số thấp.
- Lượng tử hoá thô với các thành phần tần số lớn.
Quá trình lượng tử hoá được thực hiện bằng cách chia 8 x 8 hệ số cho bảng
lượng tử hoá (gồm 8 x8 giá trị tương ứng). Giá trị của các thành phần tần số
lớn sau khi lượng tử hoá sẽ nhỏ và được làm tròn về 0.
MPEG sử dụng các bảng lượng tử hoá khác nhau khi lượng tử hoá
Y,C r ,C b .
Tuỳ theo tình trạng đầy hay cạn của bộ đệm, các hệ số thang độ lượng tử
(Scaling factor) sẽ được điều chỉnh lại. Quá trình này được thực hiện bằng
cách chia 8 x 8 hệ số lượng tử hoá cho hệ số thang độ lượng tử.

Nguyễn Như Nhất

Luận văn th¹c sÜ


16

Hệ số thang độ lượng tử được áp dụng cho cả MB, do đó cần xét tính chất
phân bố năng lượng của các Block để xác định hệ số thang ®é l­ỵng tư phï
hỵp nhÊt.
Qt zigzag: (zig- zag scanning): chun (8 x 8) hệ số DCT lượng tử hoá
(dạng ma trận - 2 chiều) thành một chiều để truyền dẫn tÝn hiƯu víi 1 d·y 64

phÇn tư (1 chiỊu) theo 1 thứ tự nhất định. Có 2 chế độ quét khác nhau là:
Zigzag: áp dụng cho nguyên ảnh (frame).
Alternate: áp dụng cho loại ảnh frield.
RLC + VLC (run length coding và variable length coding): MÃ có độ dài
chạy và mà có độ dài biết đổi dùng để loại bỏ các thông tin dư thừa xét về
mặt thống kê.
Bộ đệm (Buffer): điều chỉnh lượng bit ở đầu ra để luôn có tốc độ bit không
đổi. Căn cứ vào tình trạng đầy hay cạn của bộ đệm được sử dụng để điều
chỉnh lại hệ số thang độ lượng tử cho bộ lượng tử hoá phía trước.
Các loại MB trong ảnh I: cần phân biệt 2 loại Macroblock được sử dụng
trong ảnh I:
Intra: chỉ sử dụng bảng lượng tử mặc định.
Intra A (Adaptive): sử dụng bảng lượng tử mặc định kết hợp với hệ số
thang độ lượng tử.

2.3.4. Nén theo thời gian (Nén Inter -ảnh P và B)
Nén ảnh P: Hình 2.3 trình bày sơ đồ khối nguyên lý nén ảnh P
ảnh hiện tại


b

Motion
Estimator

Sai số
dự đoán

e = b- b
ảnh dự đoán

Motion
Compensation
Predictor


Picture
Memory

ảnh trước đó

Nguyễn Như Nhất

Vector
chuyển động

Luận văn thạc sĩ


17

Hình 2.3 Sơ đồ nén ảnh P

Đánh giá chuyển động (Motion estimator): đối với mỗi MB b trong ảnh thứ
K, tìm trong vùng xung quanh ứng với ảnh thứ K-1 xem có MB nào gần giống
nhất với MB b (giả sử đó là MC c ), từ đó xác định được vec tơ chuyển động d.
d = ( dx , dy )
Dự đoán bù chuyển động (Motion Compensation Predictor): tạo ra MB dự
đoán b như sau: b = c, với c là c trong ảnh K-1 khi khôi phục lại. Như vậy,
thay vì truyền đi toàn bộ thông tin MB sẽ được thay thế bằng véc tơ chuyển

động và thông tin sai số dự đoán sẽ được DCT, lượng tử hoá, quét zig-zag và
mà hoá RLC, VLC, tương tự như trong ảnh I
Véc tơ chuyển động d được mà hoá DPCM so với véctơ chuyển động của
MB trước đó, rồi ghép kênh chung lại để truyền đi.
Các loại MB trong ảnh P: MB là đơn vị đánh giá chuyển động và bù
chuyển động. Trong ảnh P, có 4 loại MB khác nhau được phân loại dựa vào 4
quyết định:
- Có bù chuyển động hay không (MC/ No MC)
- Nén kiểu intra hay kh«ng (intra / non - intra )
- Sai số dự đoán có được mà hoá hay không ( coded / not coded)
- Cã sư dơng hƯ sè thang độ lượng tử hay không (quant / no quant) .
Có 8 loại MB trong ảnh P là:

Intra: sử dụng bảng lượng tử mặc định.
Intra A: sử dụng bảng lượng tử mặc định và hệ số thang độ lượng tử.
Inter D: có ít nhất 1 block trong MB được mà hoá.
Inter DA: có ít nhất 1 block trong MB được mà hoá và có sử dụng hệ số
thang độ lượng tử.
Inter F: chØ trun vector chun ®éng.
Inter FA: trun ®i vector, sai số dự đoán vàcỏ sử dụng hệ số thang
lượng tử.
Skipped: bỏ qua MB này vì nó giống y như MB ở vị trí tương ứng trong
ảnh trước đó.

Nguyễn Như Nhất

Luận văn thạc sĩ


18

Nén ảnh B
Đánh giá chuyển động: đối với mỗi MB b trong ảnh thứ K, tìm trong vùng
xung quanh tương ứng trong ảnh thứ K-1 và thứ K+1, xem có MB nào gần
giống nhất với MB b (giả sử MB c1 trong ảnh K-1 và MB c2 trong ảnh K+1 ). Từ
đó xác định được 2 véc tơ chuyển động d 1 d 2 .
Dự đoán bù chuyển động: tạo ra MB dự đoán b như sau:
b = a1c1 + a2c2
Các loại MB trong ảnh B: trong ảnh B, có tất cả 12 loại MB khác nhau :
Intra: giống như trong ¶nh I, P.
Intra A: gièng nh­ trong ¶nh I,P.
Inter F: gièng nh­ trong ¶nh P.
Inter FDA: gièng nh­ trong ảnh P.
Inter B : chỉ truyền đi véc tơ chuyển động ngược .
Inter BD: chỉ truyền đi véc tơ chuyển động ngược và sai số dự đoán.
Inter BDA: chỉ truyền đi véc tơ chuyển động ngược, sai số dự đoán và
có sử dụng hệ số thang độ lượng tử
Inter I : chỉ truyền đi véc tơ chuyển động thuận và ngược.
Inter ID : chỉ truyền đi cả 2 véc tơ chuyển động và sai số dự đoán .
Inter IDA: chỉ truyền đi 2 véc tơ chuyển động, sai số dự đoán và có
sử dụng hệ số thang độ lượng tử.
Skipped : bỏ qua MB này, giống như trong ảnh P.
Hình 2.4 đưa ra nguyên lý chung cho sơ đồ nén MPEG video, trong đó:
A: sai số dự báo điểm điểm (Pixel-by-pixel prediction errors).
B: HƯ sè DCT sai sè dù b¸o (Prediction errors DCT co-efficients).
C: HƯ sè DCT l­ỵng tư (DCT co-efficients in quantized form).

Nguyễn Như Nhất

Luận văn thạc sĩ

19

D: Hệ số DCT sai số dự báo lượng tử (Quantized prediction error DCT
co-efficients).
E: Sai số dự báo điểm điểm (Pixel-by-pixel prediction errors).
F: Giá trị điểm để khôi phục lại (Reconstructed pixel values).
G: Giá trị dự báo bù chuyển động (Motion compensated predicted pixel
values).
H: Véc tơ chuyển động (Motion vectors).

F

E

+
Video to
be coded

A

+

D

IDCT

Inverse
quantizer

+

DCT

B

Quantizer

-

C

Bitstream
coder

Coded
video
bitstream

G
Motion
estimator

H

Motion
compensator

Anchor frame

storage (2)

Hình 2.4: Sơ đồ nén MPEG
Đối với nén ảnh I, sau khi lấy mẫu tín hiệu được truyền đến khối biến đổi
DCT cho các Macroblock độc lập, sau đó đến bộ lượng tử hoá (Quantizer) và
mà hoá entropy. Tín hiệu ra từ bộ lượng tử được đưa tới bộ lượng tử hoá
ngược (Invert Quantizer) và biến đổi DCT ngược sau đo lưu vào bộ nhớ ảnh.
Bộ nhớ ¶nh bao gåm ¶nh xuÊt hiÖn trong bé gi¶i m· sau khi giải mà ảnh
truyền loại I.
Đối với loại ảnh P mạch nén hoạt động và làm việc trên cơ sở so sánh các
ảnh có trong bộ nhớ, sau đó sẽ xác định véc tơ chuyển động, dự báo ảnh được
biến đổi DCT lượng tử hoá và mà hoá entropy. Cũng như đối với ảnh I, các tín

Nguyễn Như Nhất

Luận văn thạc sĩ


20

hiệu ra từ bộ lượng tử hoá sẽ được giải lượng tử hoá, biến đổi DCT ngược kết
hợp với ảnh dự báo đang xét và lưu giữ trong bộ nhớ.

2.3.5. Profile & Level
M· ho¸ co d·n: tÝnh co d·n cđa dòng bit MPEG-2 là khả năng giải mà được
1 phần dòng bit một cách độc lập với phần còn lại của dòng bit đó nhằm khôi
phục lại video với chất lượng hạn chế (hạn chế về độ phân giải không gian,
hạn chế về độ phân giải thời gian hay hạn chế về SNR..).
Theo tính co dÃn, dòng bit được phân thành 2 hay nhiều lớp :
- Lớp cơ bản: tập con nhỏ nhất của dòng bit có thể được giải mà 1 cách

độc lập.
- Lớp nâng cao: một hay nhiều lớp còn lại.
Có nhiều loại co dÃn khác nhau đà được triển khai:
- Co dÃn không gian: hỗ trợ các độ phân giải không gian khác nhau.
- Co dÃn SNR: hỗ trợ các mức SNR khác nhau trong cùng độ phân giải
không gian.
- Co dÃn thời gian: hỗ trợ các độ phân giải thời gian khác nhau.
- Co dÃn phân chia dữ liệu hay co dÃn tần số: hỗ trợ các mức độ rõ nét
của hình ảnh khác nhau.
- Co dÃn lai: kết hợp 2 trong các loại co dÃn trên.
MPEG-2 chỉ mới hỗ trợ hai loại co dÃn đó là co dÃn không gian và co dÃn
SNR.
Profile và Level :
Level: Đặc trưng cho các mức độ phức tạp của dạng thức video về độ phân
giải không gian và tốc ®é khung h×nh, cã 4 level.
Low Level :

352 x 240 x 30.
352 x 288 x 25.

Main Level:

720 x 480 x 30.
720 x 576 x 25.

Nguyễn Như Nhất

Luận văn thạc sĩ

21

High 1440 Level:

1440 x 1080 x 30.
1440 x 1125 x 25.

High Level :

1920 x 1080 x 30.
1920 x 1152 x 25.

Profile: Đặc trưng cho các mức độ phức tạp về công cụ nén (kỹ thuật nén
được sử dụng) các Profile cao hơn sẽ bao gồm các công cụ của Profile thấp
hơn. Khi MPEG-2 ra đời, mới chỉ có 5 Profile nh­ sau:
Simple Profile: NÐn ¶nh I, P 4:2:0.
Mail Profile: NÐn ¶nh I, P, B 4:2:0.
SNR Scalable Profile: NÐn ¶nh I, P, B 4:2:0 kÕt hỵp víi co d·n
SNR.
Spatially Scalable Profile: Nén ảnh I, P, B 4:2:0 kết hợp với co
dÃn SNR và co dÃn không gian.
High Profile: Nén ảnh I, P, B 4:2:0 và 4:2:2 kết hợp với co dÃn
SNR và co dÃn không gian.
Các tổ hợp Profile và Level:
Simple

Main

Độ phân giải

352x240x30

MP@LL

Low

Spatially

Scalable

Scalable

High

SNRP@
LL

352x288x25

720x480x30

NRZ

Main

SP@ML

MP@ML

SNRP@

HP@ML

ML

720x576x25
1440x1080x30

High

MP@

SSP@

1400x1152x25

1440

H14L

H14L

1920x1080x30

High

MP@HL

HP@HL

1920x1152x25

Nguyễn Như Nhất

Luận văn thạc sĩ