Kỹ thuật nén video số

Gi i thi u nhóm và môn h cớ ệ ọ K thu t nén Video sỹ ậ ố + Gi i thi u chungớ ệ +Mô hình nén nhả +Các tham s hình nhố ả +Lý thuy t thông tin – Entropyế +Các ph ng pháp nénươ +Mã RLC +Mã Shannon – Fano +Mã Huffman +Nén trong nhả +Nén liên k t nhế ả +Chu n JPEGẩ +Chu n MPEGẩ +Chu n MPEG - 2ẩ Vài nét v k thu t nén video ề ỹ ậ dùng MPEG • Nói chung, tín hi u video th ng ch a đ ng ệ ườ ứ ự m t l ng l n các thông tin th a, chúng ộ ượ ớ ừ th ng đ c chia thành hai lo i: th a tĩnh ườ ượ ạ ừ bên trong t ng frame (statistical) và th a ừ ừ đ ng gi a các frame (subjective). M c đích ộ ữ ụ c a nén video là nh m làm gi m s bit khi ủ ằ ả ố l u tr và khi truy n b ng cách phát hi n đ ư ữ ề ằ ệ ể lo i b các l ng thông tin d th a này và ạ ỏ ượ ư ừ dùng các k thu t Entropy mã hoá đ t i ỹ ậ ể ố thi u hoá l ng tin quan tr ng c n gi l i.ể ượ ọ ầ ữ ạ GI I THI UỚ Ệ • K thu t nén nh s đang đóng m t vai trò c c kỳ quan ỹ ậ ả ố ộ ự tr ng trong các h th ng vi n thông và multimedia đ ọ ệ ố ễ ể gi i quy t v n đ băng thông c a đ ng truy n. Các k ả ế ấ ề ủ ườ ề ỹ thu t nén video đ u c g ng làm gi m l ng thông tin ậ ề ố ắ ả ượ c n thi t cho m t chu i các b c nh mà không làm ầ ế ộ ỗ ứ ả gi m ch t l ng c a nó đ i v i ng i xem. Nói chung, ả ấ ượ ủ ố ớ ườ tín hi u video th ng ch a đ ng m t l ng l n các ệ ườ ứ ự ộ ượ ớ thông tin th a, chúng th ng đ c chia thành hai lo i: ừ ườ ượ ạ th a tĩnh bên trong t ng frame (statistical) và th a đ ng ừ ừ ừ ộ gi a các frame (subjective). M c đích c a nén video là ữ ụ ủ nh m làm gi m s bit khi l u tr và khi truy n b ng ằ ả ố ư ữ ề ằ cách phát hi n đ lo i b các l ng thông tin d th a ệ ể ạ ỏ ượ ư ừ này và dùng các k thu t Entropy mã hoá đ t i thi u ỹ ậ ể ố ể hoá l ng tin quan tr ng c n gi l i.ượ ọ ầ ữ ạ Nén không m t d li uấ ữ ệ • Đ i v i d ng nén không m t d li u, nh đ c ố ớ ạ ấ ữ ệ ả ượ khôi ph c hoàn toàn gi ng nh g c, tuy nhiên ụ ố ả ố đi u này đòi h i ph i có thi t b l u tr và đ ng ề ỏ ả ế ị ư ữ ườ truy n l n h n. Các thu t toán c a nén không ề ớ ơ ậ ủ m t d li u th ng d a vào vi c thay th m t ấ ữ ệ ườ ự ệ ế ộ nhóm các ký t trùng l p b i m t nhóm các ký t ự ặ ở ộ ự đ c bi t khác ng n h n mà không quan tâm t i ý ặ ệ ắ ơ ớ nghĩa c a dòng bit d li u. Các ví d c a d ng ủ ữ ệ ụ ủ ạ nén không m t d li u là Run-Length Encoding ấ ữ ệ (RLE), Huffman Coding, Arithmetic coding, Shannon-Fano Coding, LZ78, LZH, LZW.... Nén m t d li uấ ữ ệ • Đ i v i d ng nén có m t d li u, nh đ c khôi ố ớ ạ ấ ữ ệ ả ượ ph c không gi ng hoàn toàn v i nh g c, d ng ụ ố ớ ả ố ạ nén này thích h p cho vi c l u tr và truy n nh ợ ệ ư ữ ề ả tĩnh, video qua m t m ng có băng thông h n ộ ạ ạ ch . Các d ng nén này th ng cho h s nén ế ạ ườ ệ ố cao h n, nó liên quan t i vi c dùng các phép ơ ớ ệ bi n đ i tín hi u t mi n này sang mi n khác. ế ổ ệ ừ ề ề Các ví d c a bi n đ i có m t d li u g m: ụ ủ ế ổ ấ ữ ệ ồ Differential Encoding, Discrete Cosine Transform(DCT), Vector Quantization, JPEG (Joint Photographic Experts Group) và MPEG (Motion Picture Experts Group). Các ph ng pháp nén nh có m t ươ ả ấ tín hi u g m có 4 b c ệ ồ ướ • nh g c đ c bi n đ i theo nhi u cách khác nhau. Vào Ả ố ượ ế ổ ề nh ng năm 1980, vi c nén và gi i nén tín hi u video ữ ệ ả ệ d a trên k thu t DPCM (differential pulse code ự ỹ ậ modulation) đã đ c CCITT chu n hoá theo tiêu chu n ượ ẩ ẩ H.120. Các ph ng pháp nén dùng DPCM d a trên ươ ự nguyên t c phát hi n s gi ng nhau và khác nhau gi a ắ ệ ự ố ữ các đi m nh (pixels) g n nhau đ tìm cách lo i b các ể ả ầ ể ạ ỏ thông tin th a. Tuy nhiên, ch t l ng nh đ ng không ừ ấ ượ ả ộ đ t đ c các yêu c u c n thi t. Đ c i thi n ch t l ng ạ ượ ầ ầ ế ể ả ệ ấ ượ nh đ ng mà không làm tăng s l ng bit so v i yêu ả ộ ố ượ ớ c u, k thu t mã hoá chuy n sang dùng các phép bi n ầ ỹ ậ ể ế đ i mà chúng có th x lý đ ng th i m t nhóm các ổ ể ử ồ ờ ộ pixels và ta có khái ni m v các b mã hoá trên các kh i ệ ề ộ ố (block-based codecs). Đ i v i các b mã hoá trên các ố ớ ộ kh i nh, m i đi m nh (pixel) s c n ít h n 1 bit đ mã ố ả ỗ ể ả ẽ ầ ơ ể hoá. • Các b mã hoá kh i có th d a trên hai nguyên t c bi n ộ ố ể ự ắ ế đ i c b n: Discrete Cosine Transform (DCT) và Vector ổ ơ ả Quantization (VQ). DCT đ c dùng đ bi n đ i các kh i ượ ể ế ổ ố nh hai chi u có kích th c 8X8 t mi n không gian ả ề ướ ừ ề sang mi n t n s .ề ầ ố • Bi n đ i DCT là t ng t nh bi n đ i DFT (Discrete ế ổ ươ ự ư ế ổ Fourier Trransform). Các h s DCT nh n đ c s đ c ệ ố ậ ượ ẽ ượ l ng t hoá (Quantization) và mã hoá (Encode).ượ ử • Các h s DCT nh n đ c s đ c l ng t hoá ệ ố ậ ượ ẽ ượ ượ ử (Quantisation coding) thành t p các h s đ n gi n h n ậ ệ ố ơ ả ơ n a. M c đích c a nó là làm gi m h n n a s bit đ c ữ ụ ủ ả ơ ữ ố ặ tr ng cho m t h s . T i b mã hoá s có m t b ng mã ư ộ ệ ố ạ ộ ẽ ộ ả (code book) và b ng các ch s n i b , t đó có th ả ỉ ố ộ ộ ừ ể ch n đ c các t mã (code word) t ng ng m t cách ọ ượ ừ ươ ứ ộ t t nh t cho t p các h s đ c t o ra. Quá trình l ng ố ấ ậ ệ ố ượ ạ ượ t hoá cũng đ ng th i làm tròn giá tr c a các h s ử ồ ờ ị ủ ệ ố ở m c nh h n, đây chính là nguyên nhân gây ra m t tín ứ ỏ ơ ấ hi u, tuy v y nh đ c khôi ph c đ t ch t l ng m c ệ ậ ả ượ ụ ạ ấ ượ ở ứ đ có th ch p nh n đ c đ i v i ng i xem.ộ ể ấ ậ ượ ố ớ ườ • Trong ph ng pháp VQ, b c nh đ c chia ươ ứ ả ượ thành các kh i có kích th c c đ nh, m t b ng ố ướ ố ị ộ ả mã (code book) đ c xây d ng v i các ch s ượ ự ớ ỉ ố t ng ng v i các kh i nh này. Nh v y, thay ươ ứ ớ ố ả ư ậ cho vi c ph i truy n l n l t các kh i c a b c ệ ả ề ầ ượ ố ủ ứ nh, ta ch c n truy n các ch s t ng ng c a ả ỉ ầ ề ỉ ố ươ ứ ủ các kh i nh ho c ch s t ng ng g n đúng ố ả ặ ỉ ố ươ ứ ầ nh t so v i các kh i nh c n truy n. Hai ph ng ấ ớ ố ả ầ ề ươ pháp này cho k t qu không khác nhau nhi u v ế ả ề ề ch t l ng nén nh đ ng, tuy nhiên ngày nay ấ ượ ả ộ bi n đ i DCT t ra đ c ng d ng r ng rãi h n ế ổ ỏ ượ ứ ụ ộ ơ trong các s đ nén và gi i nén các b c nh tĩnh ơ ồ ả ứ ả (theo tiêu chu n JPEG) và x lý nh đ ng (theo ẩ ử ả ộ tiêu chu n c a MPEG). ẩ ủ NÉN TÍN HI U NH DÙNG MPEGỆ Ả • MPEG (Moving Picture Expert Group) đ c ra đ i vào năm 1988 nh m m c ượ ờ ằ ụ đích chu n hoá cho nén tín hi u âm thanh ẩ ệ và video. MPEG - 1 có th nén tín hi u ể ệ video t i 1.5Mbit/s v i ch t l ng VHS và ớ ớ ấ ượ âm thanh l p th (stereo audio) v i t c đ ậ ể ớ ố ộ 192 bit/s. Nó đ c dùng đ l u tr video ượ ể ư ữ và âm thanh trên CD-ROM. • Vào nh ng năm 1990, MPEG-2 đã ra đ i nh m đáp ng ữ ờ ằ ứ các tiêu chu n nén video cho truy n hình. MPEG-2 có ẩ ề kh năng mã hoá tín hi u truy n hình t c đ 3-15Mbit/s ả ệ ề ở ố ộ và truy n hình đ nét cao t c đ t i 15-30Mbit/s. ề ộ ở ố ộ ớ MPEG-2 cho phép mã hoá tín hi u video v i nhi u m c ệ ớ ề ứ đ phân gi i khác nhau, chúng có kh năng đáp ng cho ộ ả ả ứ nhi u ng d ng khác nhau. Nhi u thu t toán t ng ng ề ứ ụ ề ậ ươ ứ v i nhi u các ng d ng khác nhau đã phát tri n và đ c ớ ề ứ ụ ể ượ t p h p l i thành m t b tiêu chu n đ y đ c a MPEG. ậ ợ ạ ộ ộ ẩ ầ ủ ủ Vi c áp d ng toàn b các đ c đi m c a chu n MPEG-2 ệ ụ ộ ặ ể ủ ẩ trong t t c các b mã hoá và gi i mã là không c n thi t ấ ả ộ ả ầ ế do s ph c t p c a thi t b cũng nh s t n kém v d i ự ứ ạ ủ ế ị ư ự ố ề ả thông c a đ ng truy n Vì v y trong h u h t các tr ng ủ ườ ề ậ ầ ế ườ h p ta ch s d ng m t ph n nh t đ nh trong toàn b các ợ ỉ ử ụ ộ ầ ấ ị ộ đ c đi m c a chu n MPEG-2, chúng th ng đ c g i là ặ ể ủ ẩ ườ ượ ọ profiles và levels. M t profile s xác đ nh m t thu t toán ộ ẽ ị ộ ậ (đi u ch nh bitstream và đ phân gi i màu) và m t level ề ỉ ộ ả ộ s xác đ nh m t s tiêu chí b t bu c cho các tham s ẽ ị ộ ố ắ ộ ố c a b c nh (ví d nh kích th c nh và s l ng bit). ủ ứ ả ụ ư ứơ ả ố ượ • MPEG-4 tr thành m t tiêu chu n cho nén nh ở ộ ẩ ả k thu t truy n hình s , các ng d ng v đ ho ỹ ậ ề ố ứ ụ ề ồ ạ và video t ng tác hai chi u (games, ươ ề videoconferencing) và các ng d ng multimedia ứ ụ t ng tác hai chi u (World Wide Web ho c các ươ ề ặ ng d ng nh m phân phát d li u video nh ứ ụ ằ ữ ệ ư truy n hình cáp, Internet video...) vào năm 1999. ề Ngày nay, MPEG-4 đã tr thành m t tiêu chu n ở ộ ẩ công ngh trong quá trình s n xu t, phân ph i và ệ ả ấ ố truy c p vào các h th ng video. Nó đã góp ph n ậ ệ ố ầ gi i quy t v n đ v dung l ng cho các thi t b ả ế ấ ề ề ượ ế ị l u tr , gi i quy t v n đ v băng thông c a ư ữ ả ế ấ ề ề ủ đ ng truy n tín hi u video ho c k t h p c hai ườ ề ệ ặ ế ợ ả v n đ trên. ấ ề • MPEG không ph i là m t công c nén ả ộ ụ đ n l mà u đi m c a nén nh dùng ơ ẻ ư ể ủ ả MPEG chính là ch MPEG có m t t p ở ỗ ộ ậ h p các công c mã hoá chu n, chúng có ợ ụ ẩ th đ c k t h p vói nhau m t cách linh ể ượ ế ợ ộ đ ng đ ph c v cho m t lo t các ng ộ ể ụ ụ ộ ạ ứ d ng khác nhau. ụ Nén MPEG là s k t h p hài hoà c a b n k thu t c b n: Ti n x lý ự ế ợ ủ ố ỹ ậ ơ ả ề ử (Preprocessing), đoán tr c s chuy n đ ng c a các frame b ướ ự ể ộ ủ ở ộ mã hoá (temporal prediction), bù chuy n đ ng b gi i mã (motion ể ộ ở ộ ả compensation) và mã l ng t hoá (quatisation coding). Các b l c ượ ử ộ ọ ti n x lý s l c ra nh ng thông tin không c n thi t t tín hi u video ề ử ẽ ọ ữ ầ ế ừ ệ và nh ng thông tin khó mã hoá nh ng không quan tr ng cho s ữ ư ọ ự c m th c a m t ng i. K thu t đoán chuy n đ ng d a trên ả ụ ủ ắ ườ ỹ ậ ể ộ ự nguyên t c là các nh trong chu i video d ng nh có liên quan ắ ả ỗ ườ ư m t thi t v i nhau theo th i gian: M i frame t i m t th i đi m nh t ậ ế ớ ờ ỗ ạ ộ ờ ể ấ đ nh s có nhi u kh năng gi ng v i các frame đ ng ngay phía ị ẽ ề ả ố ớ ứ tr c và ngay phía sau nó. Các b mã hoá s ti n hành quét l n ướ ộ ẽ ế ầ l t t ng ph n nh trong m i frame g i là macro blocks, sau đó nó ượ ừ ầ ỏ ỗ ọ s phát hi n macro block nào không thay đ i t frame này t i frame ẽ ệ ổ ừ ớ khác. B mã hoá s tiên đoán tr c s xu t hi n c a các macro ộ ẽ ướ ự ấ ệ ủ blocks khi bi t v trí và h ng chuy n đ ng c a nó. Do đó ch ế ị ướ ể ộ ủ ỉ nh ng s thay đ i gi a các kh i trong frame hi n t i (motion ữ ự ổ ữ ố ệ ạ compesated residual) và các kh i đ c tiên đoán m i đ c truy n ố ượ ớ ượ ề t i bên phía thu. Phía bên thu t c b gi i mã đã l u tr s n nh ng ớ ứ ộ ả ư ữ ẵ ữ thông tin mà không thay đ i t frame này t i frame khác trong b ổ ừ ớ ộ nh đ m c a nó và chúng đ c dùng đ đi n thêm m t cách đ u ớ ệ ủ ượ ể ề ộ ề đ n vào các v trí tr ng trong nh đ c khôi ph c. ặ ị ố ả ượ ụ • Nh chúng ta đ u bi t, nén tín hi u video đ c th c hi n nh vi c ư ề ế ệ ượ ự ệ ờ ệ lo i b c s d th a v không gian (spatial coding) và th i gian ạ ỏ ả ự ư ừ ề ờ (temporal coding). Trong MPEG, vi c lo i b d th a v th i gian ệ ạ ỏ ư ừ ề ờ (nén liên nh) đ c th c hi n tr c h t nh s d ng các tính ch t ả ượ ự ệ ướ ế ờ ử ụ ấ gi ng nhau gi a các nh liên ti p (Inter-frame techniques). Chúng ố ữ ả ế ta có th s d ng tính ch t này đ t o ra các b c nh m i nh vào ể ử ụ ấ ể ạ ứ ả ớ ờ nh ng thông tin t nh ng nh đã g i tr c nó (“predicted”). Do v y ữ ừ ữ ả ử ướ ậ phía b mã hoá, ta ch c n g i nh ng b c nh có thay đ i so v i ở ộ ỉ ầ ử ữ ứ ả ổ ớ nh ng nh tr c, sau đó ta l i dùng ph ng pháp nén v không ữ ả ướ ạ ươ ề gian đ lo i b s d th a v không gian trong chính b c nh sai ể ạ ỏ ự ư ừ ề ứ ả khác này. Nén v không gian d a trên nguyên t c là phát hi n s ề ự ắ ệ ự gi ng nhau c a các đi m nh (pixels) lân c n nhau (Intra-frame ố ủ ể ả ậ coding techniques). JPEG ch áp d ng ph ng pháp nén theo ỉ ụ ươ không gian vì nó đ c thi t k đ x lý và truy n các nh tĩnh. Tuy ượ ế ế ể ử ề ả nhiên nén tín hi u theo ph ng pháp c a JPEG cũng có th đ c ệ ươ ủ ể ượ dùng đ nén các b c nh m t cách đ c l p trong dãy tín hi u ể ứ ả ộ ộ ậ ệ video. ng d ng này th ng đ c g i là JPEG đ ng (Motion ứ ụ ườ ượ ọ ộ JPEG). Trong m t chu kỳ g i m t dãy các b c nh theo ki u JPEG ộ ử ộ ứ ả ể đ ng, nh đ u tiên đ c nén nh s lo i b đ d th a v không ộ ả ầ ượ ờ ự ạ ỏ ộ ư ừ ề gian, sau đó các nh ti p theo đ c nén nh s lo i b đ d th a ả ế ượ ờ ự ạ ỏ ộ ư ừ v th i gian (nén liên nh). Quá trình đ c l p đi l p l i cho m t ề ờ ả ượ ặ ặ ạ ộ dãy các b c nh trong tín hi u video. ứ ả ệ Thu t toán nén MPEG cũng d a trên phép bi n đ i DCT ậ ự ế ổ cho các kh i nh 8x8 picxels đ tìm ra s th a v không ố ả ể ự ừ ề gian m t cách có hi u qu gi a các đi m nh trong ộ ệ ả ữ ể ả cùng m t b c nh. Tuy nhiên, trong tr ng h p có m i ộ ứ ả ườ ợ ố t ng quan ch t ch gi a các đi m nh trong các b c ươ ặ ẽ ữ ể ả ứ nh k ti p nhau t c là trong tr ng h p hai b c nh ả ế ế ứ ườ ợ ứ ả liên ti p có n i dung trùng nhau, k thu t Inter-frame ế ộ ỹ ậ coding techniques s đ c dùng cùng v i vi c tiên đoán ẽ ượ ớ ệ s d th a v không gian đ t o thành k thu t tiên ự ư ừ ề ể ạ ỹ ậ đoán bù chuy n đ ng gi a các b c nh (Motion ể ộ ữ ứ ả compesated prediction between frames). Trong nhi u s ề ơ đ nén MPEG, ng i ta th ng k t h p c vi c tiên ồ ườ ườ ế ợ ả ệ đoán bù chuy n đ ng theo th i gian và phép bi n đ i ể ộ ờ ế ổ thông tin theo không gian đ đ t hi u qu nén cao ể ạ ệ ả (Hybrid DPCM/DCT coding of video). H u h t các s đ nén MPEG đ u dùng k thu t l y m u b xung ầ ế ơ ồ ề ỹ ậ ấ ẫ ổ (Subsampling) và l ng t hoá (Quantization) tr c khi mã hoá. ượ ử ướ L y m u b xung nh m m c đích đ làm gi m kích th c b c nh ấ ẫ ổ ằ ụ ể ả ướ ứ ả đ u vào theo c theo chi u ngang và chi u d c, nh v y s gi m ầ ả ề ề ọ ư ậ ẽ ả s l ng các đi m nh tr c mã hoá. Cũng nên nh r ng trong ố ượ ể ả ướ ớ ằ m t s tr ng h p ng i ta còn l y m u b xung theo th i gian đ ộ ố ườ ợ ườ ấ ẫ ổ ờ ể làm gi m s l ng các b c nh trong dãy nh tr c khi mã hoá. ả ố ượ ứ ả ả ướ Đây đ c xem nh là m t k thu t r t c b n nh m lo i b s d ượ ư ộ ỹ ậ ấ ơ ả ằ ạ ỏ ự ư th a d a vào kh năng l u nh c a m t ng i c m th . Th ng ừ ự ả ư ả ủ ắ ườ ả ụ ườ th ng, chúng ta có th phân bi t s thay đ i v đ sáng c a nh ườ ể ệ ự ổ ề ộ ủ ả (changes in Brightness) t t h n so v i s thay đ i v màu ố ơ ớ ự ổ ề (Chromaticity changes). Do đó tr c h t các s đ nén MPEG s ướ ế ơ ồ ẽ ti n hành chia b c nh thành các thành ph n Y (Luminance hay ế ứ ả ầ brightness plane) và UV (Chrominance hay color planes) t c là m t ứ ộ thành ph n v đ sáng và hai thành ph n v đ màu. Các tín hi u ầ ề ộ ầ ề ộ ệ video thành ph n này s đ c l y m u (samples) và s hoá ầ ẽ ượ ấ ẫ ố (digitised) đ t o nên các đi m nh r i r c theo t l 4 : 2 : 2 và 4 : ể ạ ể ả ờ ạ ỷ ệ 2 : 0. • K thu t tiên đoán bù chuy n đ ng đ c s d ng nh là m t trong ỹ ậ ể ộ ượ ử ụ ư ộ nh ng công c m nh đ làm gi m s d th a v không gian gi a ữ ụ ạ ể ả ự ư ừ ề ữ các b c nh. Khái ni m v bù chuy n đ ng là d a trên s phán ứ ả ệ ề ể ộ ự ự đoán h ng chuy n đ ng c a các b c nh t c là các nh thành ướ ể ộ ủ ứ ả ứ ả ph n trong dãy video s đ c thay th g n đúng. K thu t tiên ầ ẽ ượ ế ầ ỹ ậ đoán bù chuy n đ ng gi a các b c nh đ c xem nh là bi n ể ộ ữ ứ ả ượ ư ệ pháp đ h n ch b t các thông s c a chuy n đ ng b i vi c dùng ể ạ ế ớ ố ủ ể ộ ở ệ các vector chuy n đ ng đ mô t s d ch chuy n c a các đi m ể ộ ể ả ự ị ể ủ ể nh. K t qu tiên đoán t t nh t c a m t đi m nh là d a trên s ả ế ả ố ấ ủ ộ ể ả ự ự tiên đoán bù chuy n đ ng t m t b c nh đã mã hoá đ c truy n ể ộ ừ ộ ứ ả ượ ề phía tr c c a nó. C hai thông s , sai s chuy n đ ng (biên đ ) ướ ủ ả ố ố ể ộ ộ và các vectors chuy n đ ng (h ng chuy n đ ng) đ u đ c truy n ể ộ ướ ể ộ ề ượ ề t i phía bên nh n. Tuy nhiên do có m i quan h t ng quan ch t ớ ậ ố ệ ươ ặ ch gi a các đi m nh v không gian (trùng v không gian), m t ẽ ữ ể ả ề ề ộ vector chuy n đ ng có th đ c dùng cho m t kh i các đi m nh ể ộ ể ượ ộ ố ể ả g m các pixels lân c n nhau (MPEG -1 và MPEG -2 dùng các kh i ồ ậ ố 16 x16 pixels). • Trong MPEG-2, có nhi u ph ng pháp đ tiên đoán s ề ươ ể ự chuy n đ ng. Ví d m t kh i nh có th đ c tiên đoán ể ộ ụ ộ ố ả ể ượ xuôi t nh ng nh đã đ c truy n tr c nó (Forward ừ ữ ả ượ ề ướ Predicted), có th đoán ng c t nh ng nh truy n sau ể ượ ừ ữ ả ề nó (Backward Predicted) ho c theo c hai chi u ặ ả ề (Bidirectionally Predicted). Các ph ng pháp dùng đ ươ ể tiên đoán các kh i trong cùng m t nh cũng có th ố ộ ả ể không gi ng nhau, chúng có th thay đ i t kh i n ố ể ổ ừ ố ọ sang kh i kia. H n n a, hai tr ng (fields) trong cùng ố ơ ữ ườ m t kh i cũng có th đ c tiên đoán theo hai cách khác ộ ố ể ượ nhau dùng các vector đ c l p nhau ho c chúng có th ộ ậ ặ ể dùng chung m t vector. Đ i v i m i kh i nh, b mã ộ ố ớ ỗ ố ả ộ hoá s ch n các ph ng pháp tiên đoán thích h p, c ẽ ọ ươ ợ ố g ng đ m b o ch t l ng nh t t nh t khi đ c gi i mã ắ ả ả ấ ượ ả ố ấ ượ ả trong đi u ki n yêu c u kh t khe v s bit. Các thông ề ệ ầ ắ ề ố s liên quan t i ch n ph ng pháp tiên đoán cũng đ c ố ớ ọ ươ ượ truy n t i b gi i mã cùng v i d đoán sai s nh m khôi ề ớ ộ ả ớ ự ố ằ ph c g n chính xác nh g c. ụ ầ ả ố Trong MPEG, có 3 ki u nh khác nhau ể ả đ c dùng đ mã hoá cho các kh i nh. ượ ể ố ả Ki u nh ‘Intra’ (I-pictures) là nh đ c ể ả ả ượ mã hoá m t cách đ c l p mà không c n ộ ộ ậ ầ tham kh o t i các nh khác. Hi u qu nén ả ớ ả ệ ả tín hi u đ t đ c do lo i b s th a v ệ ạ ượ ạ ỏ ự ừ ề không gian mà không có y u t th i gian ế ố ờ tham gia vào quá trình. I-pictures đ c ượ dùng m t cách tu n hoàn đ t o thành ộ ầ ể ạ các đi m t a cho dòng d li u trong quá ể ự ữ ệ trình gi i mã. ả nh ‘Predictive’ (P-pictures) có th s d ng Ả ể ử ụ các nh I ho c P ngay sát phía tr c nó ả ặ ướ đ bù chuy n đ ng và chính nó cũng có ể ể ộ th đ c dùng đ tham kh o cho vi c tiên ể ượ ể ả ệ đoán các nh khác ti p theo. M i kh i ả ế ỗ ố nh trong P-picture có th ho c đ c mã ả ể ặ ượ theo ki u tiên đoán (predicted) ho c đ c ể ặ ượ mã m t cách đ c l p (intra-coded). Do s ộ ộ ậ ử d ng c nén theo không gian và th i gian, ụ ả ờ hi u qu nén c a P-pictures đ c tăng ệ ả ủ ượ lên m t cách đáng k so v i I-pictures. ộ ể ớ • nh ‘Bidirectionally-Predictive’ pictures hay B- Pictures Ả có th s d ng các nh I ho c P phía tr c ho c phía ể ử ụ ả ặ ướ ặ sau nó cho vi c bù chuy n đ ng và do v y cho k t qu ệ ể ộ ậ ế ả nén cao nh t. M i kh i trong B-pictures có th đ c tiên ấ ỗ ố ể ượ đoán theo chi u ng c, xuôi, c hai h ng ho c đ c ề ượ ả ướ ặ ượ mã m t cách đ c l p. Đ có th tiên đoán ng c t m t ộ ộ ậ ể ể ượ ừ ộ b c nh phía sau nó, b mã hoá s ti n hành s p x p ứ ả ộ ẽ ế ắ ế l i các b c nh t th t xu t hi n m t cách t nhiên ạ ứ ả ừ ứ ự ấ ệ ộ ự sang m t th t khác c a các nh trên đ ng truy n. ộ ứ ự ủ ả ườ ề Do v y t đ u ra c a b mã hoá, B-pictures đ c ậ ừ ầ ủ ộ ượ truy n sau các nh dùng đ tham kh o phía tr c và ề ả ể ả ở ướ phía sau c a nó. Đi u này s t o ra đ tr do ph i s p ủ ề ẽ ạ ộ ễ ả ắ x p l i thông tin, đ tr này l n hay nh là tuỳ thu c vào ế ạ ộ ễ ớ ỏ ộ s các b c nh B-pictures liên ti p nhau đ c truy n. ố ứ ả ế ượ ề S Đ C A B MÃ HOÁ VÀ Ơ Ồ Ủ Ộ GI I MÃ DÙNG MPEG-2Ả Mã hoá MPEG-2 • D li u t các kh i nh (macroblocks) c n đ c mã hoá ữ ệ ừ ố ả ầ ượ s đ c đ a đ n c b tr (Subtractor) và b đoán ẽ ượ ư ế ả ộ ừ ộ chuy n đ ng (Motion Estimator). B đoán chuy n đ ng ể ộ ộ ể ộ s so sánh các kh i nh m i đ c đ a vào này v i các ẽ ố ả ớ ượ ư ớ kh i nh đã đ c đ a vào tr c đó và đ c l u l i nh ố ả ượ ư ướ ượ ư ạ ư là các nh dùng đ tham kh o (Reference Picture). K t ả ể ả ế qu là b đoán chuy n đ ng s tìm ra các kh i nh ả ộ ể ộ ẽ ố ả trong nh tham kh o g n gi ng nh t v i kh i nh m i ả ả ầ ố ấ ớ ố ả ớ này. B đoán chuy n đ ng sau đó s tính toán vector ộ ể ộ ẽ chuy n đ ng (Motion Vector), vector này s đ c tr ng ể ộ ẽ ặ ư cho s d ch chuy n theo c hai chi u d c và ngang c a ự ị ể ả ề ọ ủ kh i nh m i c n mã hoá so v i nh tham kh o. Chúng ố ả ớ ầ ớ ả ả ta l u ý r ng vector chuy n đ ng có đ phân gi i b ng ư ằ ể ộ ộ ả ằ m t n a do th c hi n quét xen k . ộ ử ự ệ ẽ • B đoán chuy n đ ng cũng đ ng th i g i ộ ể ộ ồ ờ ử các kh i nh tham kh o này mà chúng ố ả ả th ng đ c g i là các kh i tiên đoán ườ ượ ọ ố (Predicted macroblock) t i b tr đ tr ớ ộ ừ ể ừ v i kh i nh m i c n mã hoá (th c hi n ớ ố ả ớ ầ ự ệ tr t ng đi m nh t ng ng t c là Pixel ừ ừ ể ả ươ ứ ứ by pixel). K t qu là ta s đ c các sai s ế ả ẽ ượ ố tiên đoán (Error Prediction) ho c tín hi u ặ ệ d , chúng s đ c tr ng cho s sai khác ư ẽ ặ ư ự gi a kh i nh c n tiên đoán và kh i nh ữ ố ả ầ ố ả th c t c n mã hoá. ự ế ầ • Tín hi u d hay sai s tiên đoán này s ệ ư ố ẽ đ c bi n đ i DCT, các h s nh n đ c ượ ế ổ ệ ố ậ ượ sau bi n đ i DCT s đ c l ng t hoá ế ổ ẽ ượ ượ ử đ làm gi m s l ng các bits c n truy n. ể ả ố ượ ầ ề Các h s này s đ c đ a t i b mã hoá ệ ố ẽ ượ ư ớ ộ Huffman, t i đây s bits đ c tr ng cho các ạ ố ặ ư h s ti p t c đ c làm gi m đi m t cách ệ ố ế ụ ượ ả ộ đáng k . D li u t đ u ra c a mã hoá ể ữ ệ ừ ầ ủ Huffman s đ c k t h p v i vector ẽ ượ ế ợ ớ chuy n đ ng và các thông tin khác (thông ể ộ tin v I, P, B pictures) đ g i t i b gi i ề ể ử ớ ộ ả mã • Đ i v i tr ng h p P-pictures, các h s DCT ố ớ ườ ợ ệ ố cũng đ c đ a đ n b gi i mã n i b (n m ngay ượ ư ế ộ ả ộ ộ ằ trong b mã hoá). Tín hi u d hay sai s tiên ộ ệ ư ố đoán đ c bi n đ i ng c l i dùng phép bi n ượ ế ổ ượ ạ ế đ i IDCT và đ c c ng thêm vào nh đ ng ổ ượ ộ ả ứ tr c đ t o nên nh tham kh o ( nh tiên đoán). ướ ể ạ ả ả ả Vì d li u nh trong b mã hoá đ c gi i mã ữ ệ ả ộ ượ ả luôn nh vào b gi i mã n i b ngay chính bên ờ ộ ả ộ ộ trong b mã hoá, do đó ta có th th c hi n thay ộ ể ự ệ đ i th t các b c nh và dùng các ph ng ổ ứ ự ứ ả ươ pháp tiên đoán nh đã trình bày trên. ư ở TÀI LI U THAM KH OỆ Ả • [1]. P.N TUDOR, “MPEG-2 Video Compression”, Electronics and Communication Engineering Journal, December 1995. • [2]. THOMAS SIKORA, “MPEG-1 and MPEG-2 Digital Video Coding Standards”, McGraw Hill Publishing Company. • [3]. THOMAS SIKORA, “MPEG-1 and MPEG-2 Digital Video Coding Standards”, IEEE Signal Processing Magazine, tobe published. • [4]. “Introduction to MPEG”, http:// tektronix.com/Measurement/AppNotes/Mpegfund. • [5]. KEVIN JEFFAY, “ The video Data Type, Coding and Compression Basics”,