Đồ án Truyền hình tương tự

PHẦN I - TRUYỀN HÌNH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG Truyền hình là hệ thống biến đổi hình ảnh và âm thanh kèm theo thành tín hiệu điện, truyền đến máy thu, nơi thực hiện biến đổi tín hiệu nay thành dạng ban đầu và hiển thị lên màn dưới dạng hình ảnh. Truyền hình dựa trên đặc điểm của mắt người về cảm nhận ánh sáng, để truyền đi thông tin cần thiết. Hệ thống truyền hình ra đời và phát triển, đến nay được chia thành: Truyền hình tương tự Truyền hình đen trắng: Ra đời năm 1920 và được xem như hoàn tất vào năm 1945, với sự ra đời của ông vidicon, dựa trên đặc tính quang trở của chất bán dẫn. Nó bao gồm 3 hệ là: FCC, OIRT,và CCIT. Truyền hình màu: Ra đời khi truyền hình đen trắng đã hoàn thiện và sự phát triển của nó gắn liền với lí thuyết 3 màu. Hệ này bao gồm các hệ là: Hệ NTSC: Ra đời năm 1950, được hình thành tại Mĩ, có tính tương hợp đầu tiên trên thế giới. Và đến năm 1954, hệ NTSC được phát trên kênh FCC, có độ rộng dải tần tín hiệu chói là :4,5Mhz(thực tế là 4,2Mhz). Hệ PAL: Ra đời năm 1966 ở tây Đức, là hệ được coi như cải tiến từ hệ NTSC và được phát triển trên kênh CCIT có độ rộng dải tần tín hiệu chói là 5,5Mhz(thực tế là 5,2Mhz). Hệ SECAM:R a đời năm 1965 ở Pháp, được phát triển trên kênh OIRT có độ rộng dải tần tín hiệu chói là 6,5Mhz. Nhận xét: Truyền hình đen trắng là hệ thống truyền hình trong đó thực hiện phân tích hình ảnh cần truyền thành các mẫu rời rạc rồi truyền lần lượt các mẫu đó. Thông tin được truyền đi là thông tin về độ chói của các điểm ảnh, tại đầu thu,sẽ khôi phục lại hình ảnh truyền đi thành một ảnh đen trắng. Còn truyền hình màu là hệ thống thừa hưởng tất các tính chất của truyền hình đen trắng và nó chỉ khác ở chỗ truyền hình màu truyền đi các thông tin về màu sắc của ảnh sao cho phía thu có thể khôi phục được thành ảnh có màu sắc thực tế. Truyền hình số: Ngày nay do tính ưu việt của truyền hình số nên nó đã thực sự phát triển để thực hiện các công việc của truyền hình tương tự mà nó khó hoặc không thể thực hiện được trong việc xử lí tín hiệu và lưu trữ. 1.1.1. Sơ đồ khối của hệ thống truyền hình Khuếch đại video Bộ tạo xung quét ống phát Bộ tạo Xung đồng bộ Xử Lí Bộ điều chế Khuếch đại Bộ tạo sóng mang Bộ tách sóng video Bộ khuếch đại Bộ tạo xung quét video đồng bộ ống hình AN TEN THU MÁY THU An ten phát Máy phát CAMERA AN TEN PHÁT Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ thống truyền hình. Ống camera chiếu ảnh của vật cần truyền lên catốt quang điện của bộ chuyển đổi ảnh –tín hiệu . Đây là quá trình phân tích ảnh. Tín hiệu hình được khuếch đại, gia công rồi truyền đi theo kênh thông tin sang phía thu, ở đó tín hiệu hình được khuếch đại lên đến mức cần thiết rồi đến bộ chuyển đổi tín hiệu -ảnh nhờ phần tử biến đổi điện-quang. Đây là quá trình tổng hợp ảnh. Quá trình chuyển đổi tín hiệu -ảnh phải hoàn toàn đồng bộ và đông pha với quá trình chuyển đổi ảnh-tín hiệu thì mới khôi phục được ảnh đã truyền đi. Hình ảnh cần truyền thông qua hệ thống thấu kính trong camera, được tạo ảnh lên mặt bia quang điện. Thông qua hiệu ứhg quang-điện, tín hiệu điện biến thiên theo cường độ sáng của ảnh tại mỗi điểm trên mặt bia được tạo ra. Chúng được lấy ra lần lượt theo từng dòng từ trên xuống dưới nhờ bộ tạo xung quét và bộ tạo xung đồng bộ, tạo ra một chuỗi tín hiệu liên tục bao gồm cả xung đồng bộ gọi là tín hiệu truyền hình. tín hiệu này được xử lí rồi đưa đến máy phát. Tại đó, tín hiệu truyền hình được đem điều chế vào sóng mang cao tần để có được năng lượng đủ lớn rồi đem khuếch đại cao tần để có công suất lớn và đưa tới anten phát để bức xạ ra không trung. Tại máy thu, tín hiệu truyền hình nhận được bởi anten thu được đưa tới bộ tách sóng để tách tín hiệu này thành hai tín hiệu là tín hiệu video và tín hiệu đồng bộ. Tín hiệu video được khuếch đại rồi đưa đến ống thu hình(dụng cụ biến đổi điện-quang), còn tín hiệu đồng bộ được đưa đến bộ tạo xung quét để khống chế quá trình quét tia điện tử trên ống thu sao cho tín hiệu bên phát phải đồng bộ với bên thu. 1.1.2. Phương pháp quét xen kẽ Do sự lưu ảnh của mắt, nếu ta truyền 24 ảnh/1giây, khi tái tạo lại hình ảnh người xem sẽ có cảm giác một hình ảnh chuyển động liên tục. Tuy nhiên với 24 ảnh /1giây ánh sáng vẫn bị chớp gây khó chịu. Do đó thay vì chiếu 1ảnh trong 1/24giây người ta chiếu ảnh đó làm 2 lần mỗi lần 1/48 giây. Đối với truyền hình để đảm bảo chất lượng người ta thường truyền mỗi giây 50 mành(25 ảnh) đối với những nơi sử dụng điện lưới 50 Hz và 60 mành(30ảnh) Hướng quét dòng cuối mành1 cuối mành 2 dòng 1, mành 1 dòng 1, mành 2 Quét ngược dòng Quét thuận dòng Hướng quét mành Quét ngược mành Đối với những nơi sử dụng điện lưới 60 Hz. Ở đây sử dụng biện pháp quét xen kẽ đầu tiên truyền các dòng lẻ (1,3,5...) gọi là mành lẻ sau đó truyền các dòng chẵn(2,4,6... ) gọi là mành chẵn. Mỗi mành là một nửa ảnh, mang một nửa lượng tin tức của ảnh. Theo hệ thống truyền hình OIRT và FCC Tần số quét mành fV = 50Hz, Hình 1..2. Quét xen kẽ TV = 20ms Tần số quét dòng fH = 15625Hz, TH = 64ms 1.2. TRUYỀN HÌNH TƯƠNG TỰ 1.2.1-Truyền hình đen trắng 1.2.1.1- Phân loại Như đã nêu ở phần trước, nó gồm 3 loại là: FCC,OIRT, CCIT chúng có sự giống và khác nhau ở các thông số kĩ thuật, đó là độ rộng dải thông, số dòng quét, trung tần hình, tần số hình, tần số của các kênh truyền hình . 1.2.1.2-Các vấn đề kĩ thuật Tiêu chuẩn quét: Truyền hình chỉ truyền đi từng điểm sáng một, từ trái qua phải, từ trên xuống dưới. Càng có nhiều dòng quét thì càng có nhiều chi tiết nhưng hệ thống sẽ phức tạp và tăng giá thành. Tuy nhiên, nếu quá ít dòng quét thì ảnh càng kém chất lượng. Từ vấn đề đó, các tiêu chuẩn đã ra đời để đáp ứng vấn đề chất lượng của hình ảnh . Tham số/hệ FCC OIRT CCIT Số dòng quét 525 625 625 Số hình trong 1 giây 30 25 25 Như vậy tần số quét dòng hay số dòng quét trong 1s của FCC là: Fh= 525*30 =15750 Hz và của OIRT, CCIT là: Fh= 625*25= 15625 Hz Tần số quét mành tương ứng của hệ FCC là: Fv=30*2= 60 Hz Và của CCIT,OIRT là: Fv=25*2=50 Hz · Vấn đề đồng bộ Quá trình quét ảnh, xử lí tín hiệu tại phía phát truyền qua kênh thông tin thu nhận, xử lí và hiển thị thông tin tại phía thu cần phải được đồng bộ. đồng bộ tất cả các quá trình trên, nhằm khôi phục lại vị trí các điểm ảnh một cách trung thực. Tín hiệu đồng bộ được tạo ra và truyền đi trên kênh thông tin cùng với tín hiệu video. Tổng hợp tín hiệu video với tín hiệu đồng bộ được gọi là tín hiệu truyền hình . Dòng2 Xung đồng bộ ngang Dòng5 Dòng4 Dòng6 Bán ảnh lẻ Dòng1 Dòng3 Bán ảnh chẵn Xung đồng bộ mành Tín hiệu đồng bộ được dùng để khống chế bộ quét của máy thu hình, điều khiển tia điện tử trong ống thu làm việc đồng bộ và đồng pha với phía phát. Để thực hiện điều này, người ta đặt các xung âm nằm phía dưới tin tức sáng tối. Mỗi khi tia điện tử trong ống hình quét hết một dòng lại xuất hiện một xung âm, gọi là xung đồng bộ dòng. Còn khi đã quét tới đáy màn ảnh, lại xuất hiện một xung âm có bề rộng lớn hơn xung đồng bộ dòng, gọi là xung đồng bộ mành. Hình 1.3. Tín hiệu hình · Vấn đề giải tần video và âm thanh: Theo tính toán, thì ứng với mỗi một tiêu chuẩn có một dải tần video riêng biệt ; FCC: 6Mhz, CCIT:5Mhz, OIRT: 4,2Mhz. Đối với tín hiệu là âm thanh thì đầu tiên tín hiệu audio được điều tần FM với sóng mang phụ 4,5Mhz(FCC) hoặc 6,5Mhz(OIRT); 5,5Mhz (CCIT). Sóng FM này nằm ngoài dải tần video . Do đó, tin tức âm thanh có thể nhập chung với tín hiệu video để truyền đi trên cùng một đường mà không bị lẫn tín hiệu . · Nguyên tắc kĩ thuật phát sóng truyền hình đen trắng Bộ chuyển đổi ảnh tín hiêụ Bộ khuếch đại và gia công tín hiệu Bộ khuếch đại tín hiệu Bộ chuyển đổi tín hiệu ảnh Kênh thông tin Bộ tạo xung đồng bộ Bộ tách xung đồng bộ ống kính Hình 1.3 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống truyền hình đen trắng vật ảnh Nguyên lí phát sóng truyền hình đen trắng Hình 1.4. Sơ đồ khối phát truyền hình đen trắng Hình 1.4 sơ đồ khối phát truyền hình đen trắng. tín hiệu âm thanh FM OSCfi + AM OSCfo đồng bộ mành- dòng Ey Khuếch đại tín hiệu đen trắng Trong 3 tin tin tức đầu là tín hiệu đồng bộ mành, đồng bộ dòng, và tin tức đen trắng được phân biệt bằng cách: tin tức đen trắng nằm phía dưới mức 0, còn hai tin tức còn lại, nằm phía dưới. Và dải tần tín hiệu đen trắng là từ : 0 đến f’i. Tin tức thứ 4, âm thanh được điều tần FM với sóng mang fi lớn hơn f’i. Sau đó, nó được nhập chung với ba tin tức kia. Như vậy, tất cả 4 tin tức nói trên nằm chung trong một tín hiệu, gọi là tín hiệu hình đen trắng(trong 4 tin tức, thì tin tức âm thanh được phân biệt với 3 tin tức kia bằng tần số, và tín hiệu hình đen trắng được đưa vào mạch điều biên (AM) với sóng mang fo. Trong đó, chỉ truyền đi dải biên tần cao. Do đó, tin tức sáng tối chỉ chiếm dải tần fo đến fi’ và tín hiệu tiếng thì ở tại tần số fo+fi(Mhz). 1.3. PHỔ CỦA TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH Xác định phổ của tín hiệu truyền hình là xác định thành phần xoay chiều của tín hiệu, ứng với các chi tiết lớn của ảnh là các thành phần tần số thấp, ứng với các chi tiết nhỏ của ảnh là các thành phần tần số cao của phổ tần tín hiệu truyền hình. Thành phần thấp nhất của tín hiệu hình được xác định bằng tần số quét mành. Còn giới hạn trên được xác định bằng các thành phần tần số cao của tín hiệu truyền hình tương ứng với các chi nhỏ nhất của hình ảnh cần truyền đi. Hệ thống truyền hình chỉ có thể khôi phục lại được ảnh với các chi tiết xấp xỉ phần tử ảnh. Kích thước này được xác định bằng các ô vuông mà mỗi cạnh bằng độ rộng của mỗi dòng quét. Vì vậy, số dòng quét càng lớn, kích thước phần tử ảnh càng nhỏ, ảnh càng rõ nét. Tần số cao nhất của phổ tín hiệu hình phụ thuộc vào số dòng quét. Để có độ rõ càng cao thì số dòng quét càng lớn, kéo theo độ rộng dải tần tín hiệu video tăng lên. Sử dụng phương pháp quét xen kẽ sẽ giảm được giải tần tín hiệu. Ví dụ: Nếu sử dụng quét 625 dòng với tỉ lệ khuôn hình 4/3 và số ảnh truyền đi trong 1s là 25 thì số điểm ảnh nhiều nhất cần phải truyền đi là: 625*4/3 =833 phần tử ảnh trong một dòng và 625*833*25=13.106 phần tử ảnh trong một giây. Vậy fmax=13Mhz. Nếu quét xen kẽ, thực tế này đã làm tần số mành tăng lên gấp đôi(50 mành), điều đó có nghĩa là làm giảm tần số tín hiệu xuống còn một nửa. Phổ của tín hiệu hình được vẽ dưới đây: Nó bao gồm các hài của tần số mành và các nhóm phổ quanh hài của tần số dòng, với hài càng cao thì biên độ càng bé. Và đặc điểm của nó là : Giữa các hài tần số dòng tồn tại các khoảng cách. Nó được lợi dụng để truyền các tín hiệu khác như tín hiệu màu, và các thông tin phụ khác. A f fV 2fV nfV Hình 1.5 Phổ tín hiệu hình fH fH-fV fH+fV fH+nfV 2fH Biên độ 1.4. TRUYỀN HÌNH MÀU 1.4.1- Sơ đồ khối hệ thống truyền hình màu Camera Hiệu chỉnh gamma Mạch ma trận Bộ điều chế Mạch cộng Bộ chọn tín hiệu Bộ tách sóng màu Mạch ma trận ER EG EB E'R E'G E'B U'Y S1 S2 EC EM =E'Y+ EC E'Y Từ bộ tách sóng hình S1 S2 ống thu E'R E'B E'G Truyền hình màu được phát triển nhờ kĩ thuật 3 màu. Trong đó, mọi hình ảnh đều có thể phân tích và tổng hợp từ các màu cơ bản. Hình ảnh màu có thể coi là do nhiều hình ảnh đơn sắc hợp lại. Mỗi hình ảnh đơn sắc là một mẫu của truyền hình màu. Vì vậy, hình ảnh màu có chứa nhiều thông tin hơn hình ảnh đơn sắc. Hình 1.6 sơ đồ khối tổng quát hệ thống truyền hình màu. 1.4.2. Lí thuyết ba màu Thị giác màu Thực nghiệm đã xác định rằng: Có thể nhận được hầu như tất cả các màu sắc tồn tại trong thiên nhiên bằng cách trộn ba chùm ánh sáng màu đỏ, màu lục, và màu lam theo các tỉ lệ xác định. Từ đó cho ra các thuyết khác nhau về cơ chế cảm nhận của mắt người, đó là thuyết ba thành phần cảm thụ màu. Theo thuyết này thì: - Trên võng mạc tồn tại ba loại phần tử nhạy cảm với ánh sáng là các tế bào hình chóp. Các tế bào này có phản ứng khác nhau đối với ánh sáng có bước sóng khác nhau. Do đặc điểm của ba loại tế bào này nên bất kì màu sắc nào cũng có thể được tổng hợp lên từ ba màu cơ bản. - Sự cảm thụ màu được quyết định bởi mức độ kích thích của các tế bao hình chóp. Giá trị tổng năng lượng kích thích của cả ba tế bào cho ta cảm giác về độ sáng, còn tỉ lệ giữa chúng cho ta cảm giác về tính màu. - Giữa độ nhạy của mắt người với bước sóng ánh sáng kích thích đối với từng loại tế bào hình chóp co mối quan hệ, nó được chứng minh bằng nhiều thực nghiệm và nó được thể hiện trên đặc tuyến dưới đây: 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Cảm nhận VG VR VB 400 450 500 550 600 650 Bước sóng (nm) Hình 1.7. Đặc tuyến phổ nhạy của mắt và đặt tuyến phổ nhạy của tế bào hình chóp - Các tế bào hình chóp nhạy cảm ứng với ba màu cơ bản. Các đặc tuyến VB(l),VG(l),VR(l) không có ranh giới rõ ràng, có đoạn gối lên nhau. Do đó, khi có một bức xạ đơn sắc tác động vào mắt, thì không phải chỉ có một loại mà có hai hoặc 3 loại đồng thời bị kích thích để tạo ra dòng điện tín hiệu. Giá trị cường độ tín hiệu không đều nhau trong các loại tế bào, tạo nên các cảm giác màu khác nhau trong thần kinh thị giác. Các màu cơ bản và phụ màu Thực nghiệm đã chứng minh rằng: Không phải tồn tại một nhóm màu cơ bản mà có thể chọn ba màu bất kì để làm ba màu cơ bản. Tổ hợp ba màu được gọi là ba màu cơ bản khi chúng thoả mãn yêu cầu: B màu đó phải độc lập tuyến tính. Nghĩa là, trôn hai màu bất kì trong ba màu đó trong điều kiện bất kì, đều không tạo ra màu khác. Màu phụ là màu mà khi trộn với màu cơ bản, nó tạo thành màu trắng. Tổ hợp ba màu được sử dụng trong truyền hình, thoả mãn và đáp ứng được yêu cầu thực tế là: Hệ so màu R,G,B. Màu đỏ (Red), có bước sóng lR=700 nm, Phụ màu là màu lơ. Màu lục(Green), có bước sóng lB =546,8nm, phụ màu là màu mận chín. Màu lam(Blue), có bước sóng lB =435,8nm, phụ màu là màu vàng. Phương pháp trộn màu không gian Khi các tia sáng tác động vào mắt mà các tia không rơi vào cùng một điểm trong mắt, giả sử các điểm được rọi nằm gần nhau, thì mắt cũng có khả năng tổng hợp được các kích thích để tạo ra các màu mới. Đó là hiện tượng cộng không gian các màu sắc. Màu mà mắt cảm thụ được phụ thuộc vào tỉ lệ diện tích và cương độ sáng của các điểm hoặc dải của các màu cơ bản. Đây là phương pháp được sử dụng trong truyền hình. Các định luật trộn màu cơ bản Định luật 1: Bất kì một màu sác nào cũng co thể được tạo bằng cách trộn ba màu cơ bản độc lập tuyến tính với nhau. Định luật 2: Sự biến thiên liên tục của các bức xạ có thể tạo lên màu khác. Định luật 3: Màu sắc tổng hợp của các bức xạ không phải được xác định bởi đặc tuyến phổ của bức xạ được trộn mà được xác định bởi màu sắc thành phần của các bức xạ đó. 1.4.3. Tín hiệu truyền hình màu Cần chọn tín hiệu mang màu sao cho: Khi cho phát ảnh đen trắng thì tín hiệu mang màu triệt tiêu, chỉ còn tín hiệu chói EY. Ngoài ra tín hiệu mang màu không tăng biên độ khi tăng độ chói của ảnh. Nghĩa là tín hiệu mang màu không mang tin tức về độ chói. Các tín hiệu mang màu được truyền đi là các tín hiệu hiệu màu: R-Y, B-Y,còn G-Y sẽ được suy ra từ R-Y, B-Y, theo biểu thức: G-Y=0,509(R-Y)+ 0,194(B-Y) 1.4.4. Ghép phổ của tín hiệu mang màu vào tín hiệu chói Tín hiệu mang màu đem đi điều chế vào một dao động có tần số sang mang phụ fsc, sao cho tín hiệu đã điều chế có các vạch phổ nằm đúng vào vùng khe hở của tín hiệu chói thì tín hiệu mang màu có thể phát đi cùng với tín hiệu chói trong cùng một dải tần số. Fsc=(n-1/2) fh fh là tần số dòng Việc ghép phổ tín hiệu như vậy có thể tiết kiệm được giải thông của hệ thống truyền hình, nhưng tần số sóng mang phụ phải thoả mãn: + Ở miền tần số cao của phổ tín hiệu chói: Vì tần số sóng mang phụ càng cao thì kích thước chi tiết ảnh nhiễu do nó sinh ra trên ảnh truyền hình đen trắng càng nhỏ. + Phải nhỏ hơn tần số cao nhất của phổ tín hiệu chói. Sau đây là đặc tuyến phổ – tần số tín hiệu chói và tín hiệu màu fh (n-1)fh nfh Fsc=(n-1/2) fh Biên độ f Biên độ f Hình 1.8: Phổ của tín hiệu chói và tín hiệu màu cao tần 1.5. CÁC HỆ TRUYỀN HÌNH MÀU Vấn đề lựa chọn sóng mang phụ và phương pháp điều chế như thế nào để sự xuyên lẫn, sự phá rối lẫn nhau giữa tin tức chói và tin tức màu giảm thiểu tối đa là nguyên nhân tồn tại các hệ truyền hình màu NTSC, PAL, SECAM. Cả ba hệ truyền hình này: Nếu đạt được mặt này thì lại mất mặt kia và không một hệ truyền hình chiếm ưu thế tuyệt đối. Về cơ bản tín hiệu truyền hình của cả ba hệ thống truyền hình này đều phải có đủ 7 thông tin : Tín hiệu đồng bộ Tín hiệu tiếng Đồng bộ mành Đồng bộ dòng Đồng bộ màu Tín hiệu hiệu màu R-Y đã được xử lí Tín hiệu hiệu màu B-Y đã được xử lí 1.5.1. Hệ truyền hình màu NTSC 1.5.1.1. Sơ đồ khối phía phát . ảnh màu cần truyền đi Mạch ma trận Khuếch đại EY Mạch tạo mã màu : Dùng một sóng mang phụ 3,58MHz điều biên nén và vuông góc để mang hai tín hiệu EI và EQ rồi tổ hợp lại thành tín hiệu màu c Tín hiệu chói EY ER EG EB EI EQ Điều biên AM Máy phát sóng mang hình ảnh fA Máy phát sóng mang âm thanh fT điều tần EY U MHz f 4,2 0 C C Đem tín hiệu màu C lồng vào phổ tần của tín hiệu chói EY Y fA = fT - 4,5MHz Tín hiệu audio đến 3,58 Hình 1.8. Sơ đồ khối phía phát NTSC. a. Tín hiệu màu EI, EQ Tín hiệu chói được tạo ra từ 3 tín hiệu màu cơ bản và được phát đi trong toàn dải tần của hệ thống truyền hình đen trắng: E'Y = 0,3E'R+0,59E'G +0,11E'B với E'Y, E'R, E'G, E'B: là tín hiệu chói và 3 tín hiệu màu sau hiệu chỉnh gamma tần số cao nhất của tín hiệu chói là 4,2MHz và 2 tín hiệu hiệu màu được truyền kèm theo là ER - EY và EG - EY. Để có thể đan giữa 2 tín hiệu hiệu màu và chói ,các tín hiệu hiệu màu được dịch phổ về phía trên bằng cách điều chế vuông góc với tần số sóng mang phụ, cho phép 1 sóng mang có thể mang 2 tin tức độc lập là tín hiệu hiệu màu ER - EY và EG - EY, để có thể chèn vào tín hiệu chói cần phải nén tín hiệu hiệu màu ER - EY và EG - EY với hệ số tương ứng là 0,877 và 0,493. Nếu gửi trực tiếp 2 tín hiệu hiệu màu là ER - EY và EG - EY thì mỗi tín hiệu phải có dải phổ là (0¸1,5)MHz ,nhưng nếu quay pha 2 tín hiệu này đi 330 thành 2 tín hiệu EI và EQ thì EQ chỉ còn 0,5 MHz còn EI vẫn chiếm (0¸1,5)MHz. Với cách này giảm được sự phá rối của tín hiệu sắc vào tín hiệu chói. B -Y R -Y Q I 330 EI=0,877ER-Y cos330 - 0,493EB-Y sin330 EQ =0,877ER-Y sin330 - 0,493EB-Y cos330 EI =0,74ER-Y -0,27EB-Y EQ=0,48ER-Y -0,41EB-Y Hình 1.10. Quan hệ giữa trục I, Q và (R-y), (G - y) b. Tín hiệu mang màu Tín hiệu mang màu EC mang 2 tin tức màu là E'I và E'Q (sau hiệu chỉnh gamma ) với E'I điều chế dao động cosin, E'Q điều chế dao động sin Tạo sóng mang phụ Điều biên cân bằng I Dịch pha 900 Điều biên cân bằng II + U'I U'Q Ea Eb Ec Hình 1.11. Điều chế vuông góc NTSC Ea= E'I cos(wSC t + 330 ) Eb= E'Qsin(wSC t + 330 ) hai tín hiệu được cộng tuyến tính tại mạch cộng, tín hiệu ra Ec sẽ mang toàn bộ tin tức về tính màu Ec = Ea + Eb = E'I cos(wSC t + 330 ) + + E'Q sin(wSC t + 330 ) = A sin(wSC t + j ) với A=( E'I2 +E'Q2 )1/2 j = arctg(E'I / E'Q) + 330 Để nhiễu của tín hiệu mang màu cao tần đối với kênh tín hiệu chói ít nhất cần chọn tần số mang màu fSC = (2n + 1)fH/2 thì phổ của tín hiệu màu sau điều chế sẽ xen kẽ với phổ của tín hiệu chói. Để tránh can nhiễu vào tín hiệu chói ,hiệu giữa trung tần tiếng và sóng mang màu cũng phải bằng một số lẻ lần nửa tần số dòng. Vậy trung tần tiếng fttt = nfH Trung tần tiếng của hệ FCC được xác định bằng 4,5MHz. Với hệ NTSC tiêu chuẩn (z= 525 dòng) chọn n=286 Tần số dòng fH(NTSC) =(4,5.106)/286 =15734,264Hz Tần số mành fV =2fH /z = 59,94 Hz Tần số sóng mang fSC = (2n + 1)fH/ 2 = 3,579545MHz = 3,58MHz Với tần số mang phụ như vậy, pha của dao động đổi 1800 khi chuyển từ dòng này sang dòng khác .Nếu cách dòng thì các dòng 1,5,9,13...có pha trùng nhau và ngược pha với các dòng 3,7,11,15... các dòng thuộc mành chẵn có pha ngược với các dòng lẻ tương ứng 1,3,5.... Như vậy sau 2 ảnh đầy đủ (4 lần quét mành) thì ảnh trở lại như cũ, nghĩa là tần số lặp lại của nhiễu là 50/ 4 =12,5Hz vì tần số lặp lại nhỏ nên có hiện tượng nhấp nháy ở mức độ nhất định c.Tín hiệu đồng bộ màu Tín hiệu đồng bộ màu là 1 chuỗi xung gồm 8 ¸10 chu kỳ có tần số đúng bằng tần số mang màu fSC = 3,58MHz được đặt sườn phía sau xung xoá dòng. Từ những chuỗi xung đồng bộ màu này người ta sẽ tạo ra tín hiệu E0 liên tục từ bộ so sánh pha để tự động điều chỉnh pha và tần số của bộ dao động tần số fSC ở trong máy thu. Tín hiệu đồng bộ màu được đặt ở thềm sau xung quét dòng nên không ảnh hưởng đến việc đồng bộ mạch quét dòng trong máy thu hình. Dải tần tín hiệu chói từ (0 ¸4,2)MHz, tín hiệu hiệu màu EQ từ (3 ¸ 4,2) MHz, EI từ (2,3 ¸4,3)MHz và bị nén một phần biên tần trên 1.5.1.2. Tạo mã và giải mã màu hệ NTSC EY ER Khuếch đại EY Dây trễ a. Tạo mã màu hệ NTSC Mạch ma trận EI EG EM + Điều biên nén 1 Khuếch đại EI Dây trễ Lọc thông thấp (0¸1,3MHz) EQ EB Điều biên nén 2 Khuếch đại EQ Lọc thông thấp (0¸0,6MHz) Trễ pha 900 Tạo sóng mang phụ fSC =3,58MHz Tạo xung đồng bộ màu Tạo xung đồng bộ dòng, mành Hình 1.12. Sơ đồ khối bộ tạo mã màu hệ NTSC - Mạch ma trận nhận các tín hiệu điện áp màu ER, EG, EB tạo ra tín hiệu chói EY và 2 tín hiệu hiệu màu EI, EQ +Tín hiệu chói EY(0¸4,2)MHz qua dây trễ làm chậm tín hiệu đưa đến bộ khuếch đại EY để khuếch đại đủ lớn cấp cấp cho bộ cộng +Tín hiệu EI(0¸1,5)MHz qua mạch lọc thông thấp (0¸1,3)MHz sau đó qua dây trễ đưa đến bộ khuếch đại EI để khuếch đại đủ lớn +Tín hiệu EQ (0¸0,5)MHz qua mạch lọc (0¸0,6)MHz đưa thẳng tới bộ khuếch đại EQ -Bộ tạo sóng mang phụ tạo ra tần số fSC = 3,58MHz đưa đến bộ điều biên nén 1 để điều biên nén tín hiệu EI vào fSC, đồng thời fSC được trễ pha 900đưa đến bộ điều biên nén 2 để điều biên nén tín hiệu EQ vào fSC để tạo ra 2 dải biên tần trên và biên tần dưới. +Tạo xung đồng bộ dòng, mành, màu đua đến bộ cộng để tổng hợp tín hiệu chói EY và tín hiệu sắc tạo thành tín hiệu màu tổng hợp EM. b. Giải mã màu hệ NTSC -Tín hiệu màu tổng hợp EM đưa đến khối khuếch đại để khuếch đại và tách ra 2 tín hiệu (tín hiệu chói và tín hiệu sắc ). +Tín hiệu chói EY qua dây trễ (2 đầu dây trễ cần phối hợp trở kháng để tránh hiện tượng sóng dừng) có dải tần 4,2MHz và trễ (0,3¸0,7)ms. Tín hiệu qua mạch lọc chắn dải để nén sóng mang và các thành phần phổ của tín hiệu màu (gần fSC) nhằm giảm ảnh hưởng chất lượng ảnh, nếu mất EY khôi phục bằng mạch ghim. Mạch khuếch đại và mạch ma trận Lọc chắn dải 3,58MHz Dây trễ Khuếch đại -ER EY EM Dây trễ Lọc dải (0¸1,3)MHz Tách sóng EI Khuếch đại sắc EC Lọc thông dải -EG EI EQ Lọc dải (0¸0,6)MHz Tách sóng EQ Tách xung đồng bộ màu -EB Tạo sóng mang phụ f'SC Khối quét dòng Trễ pha 900 Khối quét mành Hình 1.13. Sơ đồ chức năng bộ giải mã màu hệ NTSC +Tín hiệu sắc EC qua mạch lọc thông dải để lấy tín hiệu màu và xung đồng bộ màu. Tín hiệu sắc EC đưa đến bộ khuếch đại sắc EC để khuếch đại tại tần số 3,58MHz sau đó đưa tín hiệu song biên và sóng mang phụ f'SC đến bộ tách sóng lấy ra tín hiệu màu EI, tín hiệu EI cho qua mạch lọc dải (0¸1,3)MHz rồi đưa đến dây trễ. Tín hiệu song biên và sóng mang phụ f'SC trễ 900 đưa đến bộ tách sóng lấy ra tín hiệu EQ cho qua mạch lọc dải (0¸0,6)MHz - Mạch khuếch đại và mạch ma trận tạo ra tín hiệu EG -Y, ER -Y, EB -Y nhờ mạch ma trận G-Y, sau đó đưa các tín hiệu EY, EG -Y, ER -Y, EB -Y đến mạch ma trận RGB tạo ra các tín hiệu EG , ER , EBcác tín hiệu này được khuếch đại và đưa đến đèn hình. 1.5.1.3. Đặc điểm của hệ truyền hình màu NTSC - Ưu điểm: đơn giản, thiết bị mã hoá và giải mã không phức tạp, giá thành thiết bị thấp hơn các hệ thống khác - Nhược điểm: + Rất dễ bị sai màu khi hệ thống truyền tín hiệu màu không lý tưởng và có nhiễu, rất nhạy cảm với méo pha và méo biên độ. + Dải tần của 2 tín hiệu mang màu bị hạn chế và khác nhau gây ra méo + Nhiễu của tín hiệu chói vào kênh màu + Các tín hiệu mang màu do phát hai biên không đối xứng gây ra nhiễu 1.5.2. Hệ truyền hình màu PAL. 1.5.2.1. Sơ đồ khối phía phát . ảnh màu cần truyền đi Mạch ma trận Khuếch đại EY Mạch tạo mã màu : Dùng một sóng mang phụ 4,43MHz điều biên nén và vuông góc để mang hai tín hiệu EV và EU trong đó riêng EVcứ liên tục đảo pha theo dòng Tín hiệu chói EY ER EG EB EV EU Điều biên AM Máy phát sóng mang hình ảnh fA Máy phát sóng mang âm thanh fT điều tần EY U MHz f 6 0 C C Đem tín hiệu màu c lồng vào phổ tần của tín hiệu chói EY Y fT = fA + 6,5MHz Tín hiệu audio đến 4,43 Hình 1.14. Sơ đồ khối phía phát hệ Pal a. Tín hiệu màu EV, EU Tín hiệu chói của hệ PAL cũng được xác định từ 3 màu cơ bản: E'Y = 0,3E'R+0,59E'G +0,11E'B E'Y, E'R, E'G, E'B: là tín hiệu chói và 3 tín hiệu màu sau hiệu chỉnh gamma. Hệ PAL nén 2 tín hiệu hiệu màu ER-EY, EB-EY với hệ số tương ứng 0,877 và 0,493 EV=0,877(ER-EY)=0,615ER -0,515EG -0,100EB EU=0,493(EB-EY)=-0,147ER -0,2939EG +0,437EB hai tín hiệu hiệu màu EV, EU có dải tần bằng 1,3MHz được điều chế vuông góc và sóng mang mang tín hiệu EV được đảo pha theo từng dòng quét. b. Tín hiệu mang màu EV Điều biên cân bằng EV Chuyển mạch điện tử EV 900 900/2700 Tách sóng mang phụ fSC EC Trigơ C Dịch pha 1800 fH 00 Dịch pha 900 EU EU Điều biên cân bằng EV Hình 1.15. Bộ điều chế vuông góc hệ PAL Tín hiệu màu: EC = EV + EU= ± E0VcoswSCt + E0UsinwSCt =E0Csin(wSCt+j) E0C=(E2V+E2U)1/2 j=arctg(EV/EU) việc đảo pha nhằm giảm ảnh hưởng của méo pha tín hiệu màu đến chất lượng ảnh màu khôi phục. Hệ PAL cho rằng cứ 2 dòng kẻ liền kề nhau thì hình ảnh và màu sắc coi như là một để lấy màu 2 dòng liên tiếp cộng lại và coi đó là màu một dòng. Giả sử tại một dòng nào đó đài phát phát đi vectơ màu là với góc pha là a, tại máy thu nhận được tín hiệu màu là sớm pha hơn, dòng tiếp theo đài phát phát tín hiệu màu giả (-EV,+EU), máy thu nhận được tín hiệu, sau đó đảo pha tín hiệu thành cộng hai tín hiệu màu với theo qui tắc cộng vectơ: + =, lớn dùng chiết áp giảm xuống sẽ được màu của một dòng. Hình 1.16: Đồ thị giải thích nguyên lí sửa méo pha của hệ PAL 2EV EV +2EU -2EV M M"2 M'1 M'2 M2 a Để giảm nhiễu trên ảnh đen trắng, tần số sóng mang phụ: fSC =(2n - 0,5)fH/2 Để tiếp tục giảm nhiễu, xê dịch thêm ảnh nhiễu một lượng Df: fSC =(2n - 0,5)fH/2 ± Df Để can nhiễu tín hiệu chói lọt vào kênh màu của máy thu nhỏ nhất và luôn di động trên màn hình Df =mfv/2(m nguyên dương). Hệ PAL chọn Df = fV/2 fSC =(2n - 0,5)fH/2 + fV/2 Hệ PAL với z=625 dòng chọn n=284, fH =15625Hz, fV =50Hz Tần số sóng mang phụ: fSC=(2n - 0,5)fH/2 + fV/2 =4,433361875MHz » 4,43MHz c. Tín hiệu đồng bộ màu Tín hiệu đồng bộ màu là chuỗi xung gồm 8 đến 10 chu kỳ, có tần số đúng bằng tần số mang màu fSC được đặt ở sườn phía sau của các xung xoá dòng. Pha ban đầu của tín hiệu đồng bộ màu của hệ PAL luôn thay đổi theo từng dòng, với các dòng quét mà sóng mang phụ mang tín hiệu EU không đảo pha, với các dòng quét mà sóng mang phụ mang tín hiệu EV đảo pha. Tín hiệu chói EY có dải tần (0¸5)MHz, hai tín hiệu EV, eu điều biên vào tần số fSC, truyền đi toàn dải biên tần dưới và một phần dải biên tần trên. Phổ của EV, EU không trùng nhau, cách nhau fH/2. 1.5.2.2. Tạo mã và giải mã màu hệ PAL a. Tạo mã màu hệ PAL Các tín hiệu màu đã sửa méo gamma được đưa vào ma trận điện trở để tạo ra tín hiệu chói và hai tín hiệu hiệu màu Ma trận Khuếch đại EV (0¸1,5)MHz Dây trễ Khuếch đại EY Điều biên nén EV Khuếch đại EU (0¸1,5)MHz Điều biên nén EU + + Tạo sóng mang màu fSC =4,43MHz +900 -900 +1350 -1350 Tạo xung đồng bộ màu CMĐT1 CMĐT2 ER EG EB EY EV EU EY EC EM Xung đồng bộ dòng, mành Xung điều khiển fH/2 Xung điều khiển fH/2 Xung điều khiển fH/2 Hình 1.17. Sơ đồ khối bộ mã hoá tín hiệu PAL .Tín hiệu chói EY được cho qua dây trễ 0,7ms để tín hiệu qua đó bị chậm lại để EY và Ec đến bộ cộng tổng hợp cùng lúc. Bộ tạo sóng mang màu tạo ra tần số fSC =4,43MHz được đưa qua 2 bộ di pha -900 và +900 tới chuyển mạch điện tử 1, rồi đưa tới bộ điều biên nén EV để đảo pha từng dòng. ĐIều biên nén tín hiệu EU lấy tín hiệu hiệu màu EU điều chế vào biên độ của tần số mang màu fSC. ĐIều biên nén tín hiệu EV lấy tín hiệu hiệu màu EV điều chế vào biên độ của tần số mang màu fSC với fSC được đảo pha từng dòng Bộ chuyển mạch điện tử 1 và mạch di pha ±900 sẽ thực hiện việc đảo pha, các bộ chuyển mạch điện tử được điều khiển bởi xung điều khiển fH/2. Bộ cộng tạo ra tín hiệu sắc EC từ 2 tín hiệu điều biên nén EV và EU.Bộ cộng tổng hợp, tổng hợp các tín hiệu chói, tín hiệu sắc, xung đồng bộ dòng, mành, xung đồng bộ màu để tạo tín hiệu tổng hợp màu EM b. Bộ giải mã tín hiệu màu PAL - Tín hiệu màu tổng hợp sau khi qua bộ khuếch đại tín hiệu ra là tín hiệu chói và tín hiệu sắc: +Tín hiệu chói qua bộ lọc chắn dải tại tần số 4,43MHz và cho qua dây trễ để tín hiệu chói tín hiệu hiệu màu đến mạch ma trận cùng lúc để ảnh đen trắng và ảnh màu trùng khít. +Tín hiệu sắc qua bộ khuếch đại cộng hưởng tại tần số 4,43MHz với dải thông 1,5MHz để lấy ra 2 tín hiệu hiệu màu. Bộ phân chia tín hiệu thu nhận đồng thời 2 tín hiệu hiệu màu sau đó phân chia riêng biệt 2 tín hiệu hiệu màu Khuếch đại EM Lọc chắn dải 4,43MHz Dây trễ Khuếch đại EY Khuếch đại EC Lọc dải 3¸5MHz Dây trễ 64ms Trừ EV Cộng EU +900 -900 Tách sóng EV Tách sóng EU Tạo sóng mang màu fSC =4,43MHz Bộ phân chia tín hiệu Ma trận CMĐT Tín hiệu EM Xung đồng bộ màu 2EU ±2EV EY ER-Y EG-Y EB-Y EV EU Hình 1.18. Sơ đồ khối bộ giải mã tín hiệu PAL -Bộ tách sóng điều biên nén biến đổi tín hiệu song biên thành tín hiệu điều biên nén sau đó tách sóng điều biên. +Bộ tách sóng tín hiệu EU, Ev: nhận tín hiệu song biên EU, Ev và tần số sóng mang tự tạo fSC =4,43MHz với góc j =00 tạo ra tín hiệu EB-Y, với fSC đảo pha từng dòng nhờ bộ di pha và chuyển mạch điện tử tạo ra tín hiệu ER-Y. - Mạch ma trận nhận ba tín hiệu EY, ER-Y và EB-Y để tạo ra ba tín hiệu hiệu màu là: ER-Y, EG-Y và EB-Y. 1.5.2.3. Đặc điểm của hệ truyền hình màu PAL -Ưu điểm: +có méo pha nhỏ hơn hệ NTSC +không có hiện tương xuyên lẫn màu +thuận tiện cho việc ghi băng hình - Nhược điểm: +máy thu hình phức tạp vì cần dây trễ 64ms có chất lượng cao và kết hợp với truyền hình đen trắng kém hơn hệ NTSC. 1.5.3. Hệ truyền hình màu SECAM 1.5.3.1. Sơ đồ khối phía phát a. Tín hiệu màu Tín hiệu chói E'Y=0,3E'R + 0,59E'G + 0,11E'B Hai tín hiệu hiệu màu: D'R=-1,9ER-Y D'B=1,5EB-Y Hai tín hiệu hiệu màu này có băng tần bằng 1,3MHz được tuyền lần lượt trên hai sóng mang có tần số trung tâm là: fOR=4,406MHz, fOB=4,25MHz Các tín hiệu màu được làm méo tần thấp và méo tần cao: Làm méo tần thấp: khuếch đại tín hiệu màu mạnh lên hẳn ở phía tần số cao trước khi đưa vào điều tần để tăng tính chống nhiễu của hệ thống. . ảnh màu cần truyền đi Mạch ma trận Khuếch đại EY Mạch tạo mã màu : Dòng thứ n: EY, DR fOR=4,406MHz(Điều tần) Dòng thứ n+1:EY, DB fOB=4,25MHz(Điều tần) Dòng thứ n+2:EY, DR fOR=4,406MHz(Điều tần) Dòng thừ n+3: EY,DB fOB=4,25MHz(Điều tần) Tín hiệu chói EY ER EG EB DR DB Điều biên AM Máy phát sóng mang hình ảnh fA Máy phát sóng mang âm thanh fT điều tần EY U MHz f 0 C C Đem tín hiệu màu c lồng vào phổ tần của tín hiệu chói EY Y fT = fA + 6,5MHz Tín hiệu audio đến Hình 1.19. Sơ đồ khối phía phát hệ SECAM Làm méo tần cao: làm cho biên độ tín hiệu màu càng tăng khi tần số tức thời càng lệch xa tần số trung gian. Dùng mạch cộng hưởng dạng chuông ngửa ở phía phát và dạng chuông sấp ở phía thu. b. Tín hiệu đồng bộ màu Đồng bộ màu theo mành: là tín hiệu điều tần có tần số thay đổi đối với các xung có cực tính dương tần số biến đổi từ 4,406 đến 4,756MHz và cực tính âm tần số biến đổi từ 4,25 đến 3,9MHz. Xung đồng bộ màu theo dòng: gồm 1 số chu kỳ dao động điều hoà được xếp ở sườn sau xung xoá dòng, kết thúc khi truyền tín hiệu hiệu màu D'R, D'B 1.5.3.2. Mã hoá và giải mã tín hiệu màu hệ SECAM Dây trễ Khuếch đại EY Mạch ma trận + + Đảo pha Tiền nhấn tần thấp Tạo dao động dòng và mành Tạo xung đồng bộ màu Tạo xung điều khiển CMĐT Bộ lọc 1,5MHz Hạn biên Điều chế tần số FM Đảo pha sóng mang phụ Tiền nhấn tần cao Tiền nhấn tần thấp Sóng mang phụ fCR=4,406MHz Sóng mang phụ fCB=4,25MHz + ER EG EB -DR +DB EM fV fH fV fH fH/2 a.Mã hoá tín hiệu màu hệ SECAM Hình 1.20. Sơ đồ khối mã hoá màu hệ SECAM Các tín hiệu ER, EG, EB qua mạch ma trận tạo ra tín hiệu EY và 2 tín hiệu hiệu màu. Hai tín hiệu hiệu màu qua bộ tiền nhấn đưa vào bộ điều chế tần số Bộ cộng tổng hợp tín hiệu chói, sóng mang màu điều tần và tín hiệu đồng bộ tạo thành tín hiệu tổng hợp EM. b. Giải mã tín hiệu màu SECAM Đường trễ Bẫy sóng mang phụ Bộ lọc chuông Dây trễ TH Hạn chế Hạn chế Tách sóng tỉ lệ Tách sóng tỉ lệ Giải tiền nhấn Giải tiền nhấn Ma trận giải mã + Trigơ Đảo mạch EY ER EG EB Tín hiệu nhận dạng màu và đồng bộ màu Xung đồng bộ dòng Tín hiệu EM ER-Y Hình 1.21. Sơ đồ khối giải mã màu hệ SECAM Tín hiệu EM qua bộ trễ và bộ bẫy sóng mang phụ làm suy giảm tại tần số 4,25MHz và 4,4MHz để thu tín hiệu chói. Sóng mang phụ qua dây trễ là DR, không qua dây trễ là DB. Bộ đảo mạch dùng để chuyển các tín hiệu màu lần lượt, lẫn lộn thành các tín hiệu màu đồng thời và riêng biệt 1.5.3.3. Đặc điểm của hệ truyền hình màu SECAM -Ưu điểm: Tính chống nhiễu cao và tăng tính tương hợp -Nhược điểm: Máy thu hình phức tạp vì cần dây trễ có chất lượng cao và bộ tiền nhấn tần thấp, tiền nhấn tần cao PHẦN II - TRUYỀN HÌNH SỐ CHƯƠNG II: SỐ HOÁ TÍN HIỆU VIDEO 2.1. HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ Biến đổi A/D mã hoá kênh Biến đổi tín hiệu Kênh thông tin Biến đổi tín hiệu Giải mã hoá kênh Biến đổi D/A Thiết bị thu Thiết bị phát Tín hiệu truyền hình tương tự Tín hiệu truyền hình tương tự 2.1.1. Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống truyền hình số Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc khối tổng quát hệ thống truyền hình số Bộ biến đổi A/D: tín hiệu hình tương tự sẽ được biến đổi thành tín hiệu truyền hình số, các tham số và đặc trưng của tín hiệu này được xác định từ hệ thống truyền hình được lựa chọn. Tín hiệu truyền hình số được đưa tới thiết bị phát. Sau đó qua kênh thông tin, tín hiệu này đưa đến thiết bị thu, cấu tạo từ thiết bị biến đổi ngược lại với quá trình xử lí tại phía phát. Giải mã tín hiệu truyền hình số : Thực hiện biến đổi tín hiệu truyền hình số thành tín hiệu truyền hình tương tự . Hệ thống truyền hình số sẽ trực tiếp xác định cấu trúc mã hoá và giải mã tín hiệu truyền hình . Mã hoá kênh : Đảm bảo chống các sai sót cho tín hiệu trong kênh thông tin. Thiết bị mã hoá kênh phối hợp đặc tính của tín hiệu số với kênh thông tin . Khi tín hiệu truyền hình số được truyền đi theo kênh thông tin, các thiết bị trên được gọi là bộ điều chế và giải điều chế. 2.1.2. Quá trình biến đổi tương tự-số (biến đổi AD) Thực chất, quá trình này là quá trình biến đổi tín hiệu truyền hình từ dạng tương tự sang dạng số. Kĩ thuật PCM mà ta đã nghiên cứu, được áp dụng trong quá trình này. Nó bao gồm các khâu liên tiếp là: Lọc thông thấp- lấy mẫu-lượng tử hóa và mã hoá. Đối với tín hiệu video tổng hợp, tín hiệu tương tự được lấy mẫu với tần số lấy mẫu bằng 4 lần tần số sóng mang phụ màu (4fsc). Nó có ưu điểm về dải tần nhưng có nhược điểm là: Hiện tượng can nhiễu chói, màu, gây khó khăn trong việc xử lí, tạo kĩ xảo truyền hình . Đối với tín hiệu video thành phần (EB-EY,ER-EY,EY), quá trình chuyển đổi các tín hiệu màu được quy định theo tiêu chuẩn CCIR 601. Nó cho ta dòng số có tốc độ cao hơn tín hiệu số tổng hợp và nó có ưu điểm là xử lí dễ dàng các chức năng ghi, dựng, tạo kĩ xảo và chất lượng hình ảnh không bị ảnh hưởng bởi can nhiễu chói, màu. Mặt khác, do sự phát triển của công nghệ điện tử, nên cho phép truyền toàn bộ chuỗi số liệu video sô thành phần nối tiếp nhau trên một dây dẫn duy nhất mà hông bị nhiễu kí sinh, không méo,tỉ số S/N cao và có thể cài đặt tín hiệu audio trong chuỗi tín hiệu video số. Nguyên tắc làm việc của bộ biến đổi tương tự sang số được minh hoạ trên sơ đồ khối hình Xung lấy mẫu + đồng hồ Lọc thông thấp Lấy mẫu Lượng tử Hoá Mã hoá vào ra Hình 2.2. Sơ đồ khối mạch biến đổi tươngtự –số. a) Mạch lọc thông thấp Mạch này dùng để hạn chế băng tận tín hiệu vào. Nhiệm vụ của nó là ngăn ngựa méo chéo(các tín hiệu khác nhau chồng lên nhau). Đặc trưng của nó phải được chọn sao cho không làm xuất hiện méo tín hiệu tương tự cần lấy mẫu. Do đó, mạch lọc phải làm suy giảm mạnh tín hiệu ngoài băng tần (45 dB), có đặc trưng biên độ đều và đặc trưng tuyến tính về pha trong băng tần tín hiệu cần lấy mẫu, đồng thời cần có đặc tuyến thích hợp cho băng tần tín hiệu có ích. b) Mạch tạo xung đồng hồ và lấy mẫu. Mạch tạo xung dùng để lấy mẫu và đồng bộ tất cả các khâu trong mạch ADC. Nó tạo ra hai loại xung sau đây: + Xung lấy mẫu được tạo từ tần số lấy mẫu fsa(đồng bộ với tần số dòng). Thời gian xung lấy mẫu bằng TSA=). +Xung đồng hồ dùng để đồng bộ các khâu trong bộ ADC, đồng bộ với xung lấy mẫu. Tần số các xung nay phụ thuộc phương pháp chọn mạch mã hoá. Nếu mạch mã hoá làm việc theo phương pháp song song, thì tần số xung đồng hồ sẽ bằng tần số lấy mẫu fsa, còn theo nguyên tắc mạch nối tiếp thì tần số này sẽ bằng nfsa(n-số bit). c) Mạch lấy mẫu. Mạch này có hai nhiệm vụ: +Lấy mẫu tín hiệu tương tự tại những điểm khác nhau và cách đều nhau (dời rạc hoá tín hiệu về mặt thời gian). +Giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu không đổi trong quá trình chuyển đổi tiếp theo(nghĩa là trong quá trình lượng tử hoá và mã hoá).  d) Mạch lượng tử hoá Tín hiệu ra mạch lấy mẫu được đưa đến mạch lương tử hoá để thực hiện làm tròn với độ chính xác ±. Mạch lượng tử hoá làm nhiệm vụ rời rạc hoá tín hiệu tương tự về mặt biên độ. Như vậy nhờ quá trình lượng tử hoá một tín hiệu tương tự bất kỳ đều được biểu diễn bởi số nguyên lần mức lượng tử, nghĩa là: ZDi=int=- Trong đó: XAi-tín hiệu tương tự ở thời điểm i; (2.1) ZDi-tín hiệu số ở thời điểm i; Q-mức lượng tử; DXAi-số dư trong phép lượng tử hoá; Int(intege r)-phần nguyên. Trong phép chia theo biểu thức (2.1 ) chỉ lấy phần nguyên của kết quả, phần dư còn lại (không chia hết cho Q) chính là sai số lượng tử hoá . Vậy quá trình lượng tử hoá thực chất là quá trình lam tròn số. Lương tử hoá được thực hiện theo nguyên tắc so sánh. Tín hiệu cần chuyển đổi được so sánh với một loạt các đơn vị chuẩn Q. e) Mạch mã hoá Sau mạch lượng tử hoá là mạch mã hoá. Trong mạch mã hoá, kết quả lượng tử hoá được sắp xếp lại theo một quy luật nhất định phụ thuộc vào loại mã hoá yêu cầu trên đầu ra bộ chuyển đổi. Trong nhiều loại ADC, quá trình lượng tử hoá và mã hoá xẩy ra đồng thời, lúc đó không thể tách rời hai quá trình đó. Phep lượng tử hoá và phép mã hoá được gọi chung là phép biến đổi AD. 2.1.3- Quá trình chuyển đổi số – tương tự Quá trình chuyển đổi số –tương tự là quá trình tìm lại tín hiệu tương tự đã được lấy mẫu. Ta có sơ đồ nguyên lí sau: Video tương tự Mạch logic Giải mã số-tương tự Lấy mẫu Lọc thông thấp > Xung lấy mẫu Video số Hình 2.3. Sơ đồ khối biến đổi sô - tương tự Mạch cơ bản DAC bao gồm: Mạch số: Có nhiệm vụ tạo lại tín hiệu số đầu vào. t um Mạch giải mã số – tương tự : Có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu rời rạc tương ứng dưới dạng các xung có biên độ thay đổi. Đồ thị thời gian của tín hiệu ra của mạch này như sau: Hình 2.4. Đồ thị thời gian của tín hiệu ra mạch chuyển đổi Mạch lấy mẫu thứ cấp: Có nhiệm vụ khử nhiễu( xuất hiện do chuyển mạch nhanh ở đầu ra mạch giải mã số – tương tự ). Mạch lọc thông thấp: Có nhiệm vụ tách băng tần cơ bản của tín hiệu lấy mẫu. Nó đóng vai trò như một bộ nội suy, ở đây tín hiệu tương tự biến thiên liên tục theo thời gian là tín hiệu nội suy của tín hiệu rời rạc theo thời gian Um. Khuếch đại tín hiệu video ra. *Trong thực tế, mạch giải mã số –tương tự thường làm việc bằng cách cộng điện áp hoặc dòng. Mạch giải mã đặc trưng bao gồm: +Nguồn điện áp hoặc dòng chuẩn. +Mạng điện trở thích hợp. +Chuyển mạch chuyển đổi trong các thời khắc thích hợp với độ chính xác cao về điện áp hoặc dòng chuẩn ở đầu vào mạng điện trở. Tốc độ làm việc của nó phải giống tốc độ làm việc của mạch mã hoá. 2.2-. CHUYỂN ĐỔI SỐ ĐỐI VỚI TÍN HIỆU VIDEO 2.2.10. Quá trình số hoá tín hiệu video tổng hợp Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng: Việc lấy mẫu tín hiệu video tổng hợp với tần số lấy mẫu có giá trị nFsc là có hiệu quả hơn cả. Theo định lí lấy mẫu , tần số lấy mẫu phải lớn hơn hoặc bằng hai lần tần số cực đại của tín hiệu. Nên người ta lấy mẫu tín hiệu video tổng hợp tại tần số bằng 4 lần tần số sóng mang phụ màu(4fsc). Đối với tín hiệu video tổng hợp, các pixel được lượng tử hoá 8 hay 10 bít. Do chất lương của tín hiệu này thấp nên tín hiệu này ít được sử dụng. Thay vào đó là việc chuyển đổi A/D theo khuyến cáo của CCIR 601 đối với tín hiệu video thành phần . 2.2.2. Quá trình số hoá tín hiệu video thành phần Tiêu chuẩn CCIR601 là tiêu chuẩn mã hoá truyền hình số tại studio. Tiêu chuẩn này phù hợp với cả hai hệ truyền hình có 525 và 625 dòng quét. Chuẩn này xác định 8 bít cho mã hoá tín hiệu video và ngày nay là 10 bít cho tín hiệu video . 2.2.2.1. Các tiêu chuẩn lấy mẫu Có nhiều tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu video thành phần, điểm khác nhau chủ yếu ở tỉ lệ giữa tần số lấy mẫu và phương pháp lấy mẫu tín hiệu chói và tín hiệu hiệu màu, trong đó bao gồm các tiêu chuẩn sau:  Tiêu chuẩn 4:4:4 Điểm lấy mẫu tín hiệu chói Điểm lấy mẫu của tín hiệu màu đỏ CR Điểm lấy mẫu của tín hiệu màulam CB Hình 2.5. Tiêu chuẩn 4 : 4 : 4 Các tín hiệu chói (Y), tín hiệu màu(CR,, CB) được lấy mẫu tại tất cả các điểm lấy mẫu trên dong tích cực của tín hiệu video . Cấu trúc lấy mẫu là trực giao. Vị trí lấy mẫu như hình vẽ. Tiêu chuân 4:2:2 Điểm lấy mẫu tín hiệu chói Điểm lấy mẫu của tín hiệu màu đỏ CR Điểm lấy mẫu của tín hiệu màulam CB Hình 2.6. Tiêu chuẩn 4 : 2 : 2 Điểm đầu lấy toàn bộ 3 tín hiệu chói và tín hiệu hiệu màu. Điểm kế tiếp chỉ lấy tín hiệu chói, còn 2 tín hiệu hiệu màu không lấy mẫu. Khi giải mã, tín hiệu màu suy ra từ màu của điểm ảnh trước đó . Điểm sau đó lại lấy mẫu tất cả 3 tín hiệu chói và tín hiệu hiệu màu. Tiêu chuẩn 4:2:0 Điểm lấy mẫu tín hiệu chói Điểm lấy mẫu của tín hiệu màu đỏ CR Điểm lấy mẫu của tín hiệu màulam CB Hình 2.7. Tiêu chuẩn 4 : 2 : 0 Tín hiệu chói được lấy mẫu tại tất cả các điểm ảnh của của dòng, còn tín hiệu màu thì cứ cách một điểm sẽ lấy mẫu cho một tín hiệu màu. tín hiệu màu được lấy xen kẽ theo dòng, nếu hàng chẵn lấy cho tín hiệu màu CR thì hàng lẻ lấy mẫu cho tín hiệu màu cb. Tiêu chuẩn 4:1:1 Điểm lấy mẫu tín hiệu chói Điểm lấy mẫu của tín hiệu màu đỏ CR Điểm lấy mẫu của tín hiệu màulam CB Hình 2.8: Tiêu chuẩn 4 : 1 : 1 Trong điểm ảnh ban đầu, lấy mẫu đủ 3 tín hiệu chói và tín hiệu hiệu màu. Ba điểm ảnh tiếp theo, chỉ lấy tín hiệu chói, không lấy mẫu tín hiệu hiệu màu, khi giải mã , 3 điểm ảnh sau phải suy ra từ điểm ảnh đầu. 2.2.2.2. Số hoá tín hiệu video thành phần ( Compoment Signal ) Nếu như tín hiệu vi deo số tổng hợp tần số lấy mẫu thường có mối quan hệ với tần số sóng mang màu và tần số dòng thì với tín hiệu video thành phần , tần số lấy mẫu lại thường được biểu diễn thông qua tỷ lệ giữa tần số lấy mẫu tín hiệu chói và tần số lấy mẫu các tín hiệu mầu . Tiêu chuẩn 14: 7 : 7 là tỉ lệ lấy mẫu , ở đó tần số lấy mẫu ứng với tín hiệu chói là 14MHz và đối với hai tín hiệu màu là 7MHz . Hệ thống dùng tiêu chuẩn 14:7:7 ( fs =14MHz đối với tín hiệu chói và fs = 7 MHz đối với 2 tín hiệu hiệu màu ) với 8 bít / mẫu sẽ cho tốc độ bít là 224 Mbps . Hệ thống dùng tiêu chuẩn 4:2:2 tức là tỉ lệ tần số lấy mẫu của các tín hiệu video thành phần là Y/ Cb/ Cr = 4/2/2 . Theo quy định các tần số lấy mẫu tương ứng với các tín hiệu thành phần = ( với cấu trúc lấy mẫu trực giao ) Tín hiệu chói Y = 13,5 MHz Tín hiệu hiệu màu G = 6,75MHz Tín hiệu hiệu màu Cb = 6,75MHz Điều đặc biệt ở đây là giá trị 13,5 MHz là một số nguyên lần tần số dòng cho cả hai hệ dùng chuẩn 525 và 625 dòng 13,5 MHz = 864 x fH với tiêu chuẩn 625 dòng fH = 15625Hz 13,5 MHz = 858 x fH với tiêu chuẩn 525 dòng fH = 15725 Hz Tần số lấy mẫu quyết định bề rộng tối đa của dải phổ của tín hiệu . Theo Shanon và Nyquist , tần số lấy mẫu tối thiểu gần phải bằng 2 lần tần số cao nhất của tín hiệu . Như vậy với tần số lấy mẫu như trên , bề rộng dải phổ của các tín hiệu thành phần theo lý thuyết sẽ bằng 6,75 MHz đối với tín hiệu chói và 3,5 MHz đối với tín hiệu màu . Video số thành phần được coi là phương pháp số hóa sử dụng hiện tại cũng như trong tương lai tại các studio hoàn toàn số . Tín hiệu video thành phần có thể dễ dàng được xử lý , ghi , dựng thực hiện các công việc hậu kỳ tại các studio , nó loại bỏ được những khiếm khuyết do sóng mang màu trong tín hiệu video tổng hợp tương tự gây nên . Tần số lấy mẫu như đã trình bày ở trên , ngoài yêu cầu có giá trị trong khoảng từ 12MHz đến 14 MHz , là bội số của tần số dòng fH , còn phải đạt điều kiện là tần số lấy mẫu chung cho cả hai tiêu chuẩn truyền hình 525 và 625 dòng để có thể tiến tới một tiêu chuẩn video số chung cho toàn thế giới , loại bỏ những phiền phức gây nên bởi tình trạng đa hệ trong truyền hình tương tự . 2.2.2.3. Lượng tử hoá tín hiệu video thành phần Có 4 thông số quy định về lượng tử hoá tín hiệu video thành phần là : Khoảng bảo vệ Số bít tương ứng của mỗi mẫu Mức danh định Mã "Cấm" Mức Mức cấm Mức 0 Mức 16 Mức 128 Mức 255 -350mv mức bão hoà 0mv mức đen Mức cấm 350mv mức bóo hoà Mức240 Hình 2.9 : Mức lượng tử tín hiệu hiện màu trong trường hợp số hoá 8 bit. 2.3. ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ * Tỉ lệ nén tín hiệu trên tạp âm(S/N): tín hiệu truyền hình số có khả năng chống nhiễu trong quá trình xử lí tại các khâu truyền dẫn và ghi. Khi có bít lỗi hay nhiễu thì tỉ lệ S/N của hệ thống số sẽ giảm rất ít hoặc không đổi cho đến khi bít lỗi (BER) quá lớn làm cho mạch sửa lỗi hoặc che lỗi mất tác dụng, dẫn đến dòng bít lúc này không còn tin tức. * Méo phi tuyến: tín hiệu truyền hình số không bị bởi méo phi tuyến trong quá trình ghi và truyền * Chồng phổ: tín hiệu truyền hình số được lấy mẫu theo cả 2 chiều thẳng đứng và ngang, nên có khả năng xảy ra hiện tượng chồng phổ theo cả hai hướng. Để ngăn ngừa sự chồng phổ theo chiều ngang, ta sử dụng tần số lấy mẫu lớn hơn hai lần tần số cao nhất trong hệ thống tương tự . * Tiết kiệm năng lượng: Cùng với một công xuất, cùng kênh phát, diện tích phủ sống rộng hơn so với hệ thống truyền hình tương tự .Bởi tỉ số C/N của tín hiệu số chỉ yêu cầu khoảng 10 dB, đã có thể thu tốt mà không có lỗi. Trong khi đó, truyền hình tương tự muốn thu được phải có C/N tối thiểu là 30 dB. * Xử lí tín hiệu: Tín hiệu truyền hình số có thể chuyển đổi và xử lí tốt các chức năng mà hệ thống tương tự không làm được hoặc gặp nhiều khó khăn. Sau khi biến đổi A/D, tín hiệu còn lại là một chuỗi các bít số 0 và 1, có thể thao tác các công việc phức tạp mà không làm giảm chất lượng hình ảnh . Khả năng này được tăng lên nhờ việc lưu trữ các bít trong bộ nhớ và có thể đọc ra với tốc độ nhanh. * Yêu cầu về băng tần: Yêu cầu này là sự khác nhau rõ nhất giữa tín hiệu số và tín hiệu tương tự . Tín hiệu sô gắn liền với băng thông rộng hơn. Nếu thêm các bít sửa lỗi thì yêu cầu về băng tần là rất lớn. Tuy nhiên đối với hình ảnh, do có các tính chất đặc biệt của tín hiệu hình ảnh như sự lặp lại, khả năng dự đoán trước sẽ cho phép làm giảm băng tần tín hiệu bằng các phương pháp nén, tỉ lệ nén có thể lên tới 100:1 hay hơn nữa. 2.4. TỔNG KẾT VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ Hệ thống truyền hình số có rất nhiều ưu điểm, nó đã được phát triển ở hầu hết các quốc gia trên thế giới. Sự phát triển của nó đã khiến cho nhiều tổ chức quốc tế đã đặt ra những tiêu chuẩn khuyến cáo để sử dụng. Tuy nhiên, hệ thống truyền hình số cũng như nhiều hệ thống số khác nữa đều tồn tại một nhược điểm là yêu cầu về băng tần rộng. Để khác phục, người ta phải nén tín hiệu tức là làm giảm băng tần. Do đó, người ta đã đi vào nghiên cứu các kĩ thuật nén. Rồi để đi đến thống nhất, nhiều tổ chức quốc tế đã đưa ra những tiêu chuẩn nén khác nhau. Để xem xét các ưu nhược điểm của những tiêu chuẩn này, chúng ta cùng nhau tìm hiểu về quá trình nén tín hiệu trong truyền hình số. CHƯƠNG III: NÉN TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH SỐ 3.1. MỞ ĐẦU Trong tất cả các dạng tín hiệu thì tín hiệu truyền hình chiếm dải tần lớn nhất cho một kênh thông tin . Trong studio, truyền tín hiệu bằng cáp, rắc nối chất lượng cao và với khoảng cách ngắn có thể thực hiện mà không cần nén. Song sẽ rất khó khăn, thậm chí không thể thực hiện được việc truyền dẫn tín hiệu video số qua vệ tinh với độ rộng dải tần một kênh là 27 Mhz hoặc qua hệ thống truyền hình quảng bá trên mặt đất với tiêu chuẩn 7 đến 8 Mhz cho một kênh tiêu chuẩn. Do đó nén tín hiệu video là một công đoạn không thể thiếu để khắc phục được những khó khăn trên. Nén là một quá trình trong đó, lượng số liệu biểu diễn lượng thông tin của một ảnh hoặc nhiều ảnh được giảm bớt bằng cách loại bỏ những dữ liệu dư thừa trong tín hiệu video. Mà việc khôi phục ảnh ban đầu là hoàn toàn có thể thực hiện được. 3.2. SỰ CẦN THIẾT PHẢI NÉN TÍN HIỆU VIDEO SỐ Xử lí tín hiệu audio-video số có ưu điểm là chất lượng cao về hình ảnh và âm thanh. Nhưng nhược điểm là nó thực hiện một số lượng lớn các phai dữ liệu trong ghi, tính toán và các ứng dụng truyền dẫn, tốc độ bít của tín hiệu video sau khi số hoá là rất cao.Với tốc độ bít cao và băng thông rộng, nếu không thực thi quá trình nén tín hiệu video số thì sẽ không thích hợp cho các ứng dụng xử lí ảnh với giá thành thấp,chất lượng cao. Giải pháp nén sẽ cho phép người sử dụng lựa chọn một trong các phạm vi thay đổi các thông số lấy mẫu và các tỉ số nén, các liên kết thích hợp nhất cho các mục đích sử dụng. Việc nén tín hiệu sẽ cho phép thay thế tất cả các giải pháp tương tự về tốc độ dòng, mành để thay thế cho tất cả các hệ SECAM,NTSC,PAL bằng HDTV băng rộng. Mặt khác, tín hiệu hình ảnh có những tính chất đặc biệt như sự trùng lặp ảnh, nền, khả măng dự báo trước... , được gọi là những thông tin dư thừa mà nếu không truyền nó đi, bên thu vẫn khôi phục được ảnh. Do đó, phải loại bỏ những thông tin dư thừa này đi. Nhờ đó mà làm giảm được tốc độ bít, tức giảm băng thông tín hiệu truyền hình số . 3.3. CÁC LOẠI DƯ THỪA DỮ LIỆU 3.3.1. Dư thừa mã Nếu như các tín hiệu video được mã hoá bằng các kí hiệu nhiều hơn cần thiết thì kết quả có độ dư thừa mã. Giải pháp là phải dùng mã có độ dài thay đổi được theo nguyên tắc : Lượng thông tin có xác suất cao sẽ được mã hoá bằng ít bít hơn lượng thông tin có xác suất thấp. 3.3.2. Dư thừa thống kê Gần như tất cả các ảnh đều chứa một lượng lớn các giá trị dữ liệu thông tin giống nhau. Do đó có các thông tin dư thừa trong một dòng dữ liệu, nó được chia thành hai loại là : +Dư thừa không gian: Là sự dư thừa dữ liệu tồn tại trong các vùng rộng của cùng một ảnh, hay các điểm ảnh kề nhau trong cùng một mành có cùng nội dung. +Dư thừa thời gian: Là sự dư thừa tồn tại giữa một chuỗi các ảnh hay các điểm ảnh có cùng vị trí ở các mành kề nhau rất giống nhau. 3.3.3. Dư thừa tâm sinh lí Giá trị các mẫu trong cùng một ảnh được hệ thống mắt người HVS (human visual system) tiếp nhận không đều nhau: Mắt người nhạy cảm hơn với các thành phần tần số thấp và ít nhạy cảm hơn đối với các thành phần tần số cao. Hệ thống HVS không thể nhìn thấy một sai số thì sai số này không tác động lên chất lượng thu nhận của các ảnh khôi phục. Dẫn đến một số giá trị có thể thay đổi hoặc loại bỏ mà không ảnh hưởng gì đến chất lượng hình ảnh. 3.4. LÍ THUYẾT THÔNG TIN -ENTROPY Lượng thông tin chứa đựng trong một hình ảnh tỉ lệ nghịch với khả năng xuất hiện của hình ảnh. Sự kiện hay xảy ra sẽ chứa ít thông tin hơn sự kiện ít xảy ra. Đối với hình ảnh, lượng thông tin của một hình ảnh bằng tổng số lượng thông tin của từng phần tử ảnh. Lượng thông tin của từng của từng phần tử ảnh được định nghĩa là logarit cơ số 2của nghịch đảo xác suất xuất hiện của từng phần tử ảnh đó . I(xi)=log2(1/P(xi))=-log2P(xi) Với : I(xi) là lượng thông tin của từng phần tử ảnh xi P(xi) là xác suất xuất hiện của từng phần tử ảnh xi Biết được lượng thông tin của từng phần tử ảnh là chưa đủ,còn cần phải biết lượng thông tin bình quân của tập hợp các phần tử ảnh của hình ảnh. Lượng tin tức bình quân này gọi là Entropy (H(xi)). H(xi)=S I(xi). P(xi)=-S P(xi). log2P(xi) Shannon đã chỉ ra rằng :Độ dài trung bình của một từ mã không thể nào nhỏ hơn Entropy của nguồn số liệu được mã hoá. H(xi) của hình ảnh là một giá trị có ý nghĩa quan trọng, nó xác định số lượng bit trung bình tối thiểu cần thiết để biểu diễn một phần tử ảnh. Trong phương pháp nén không tổn hao, Entropy là giới hạn dưới của tỉ số bit/pixel. Nén tín hiệu video được nén với tỉ số bit/pixel < H(xi) thì hình ảnh sẽ không mất thông tin. 3.5. MÔ HÌNH NÉN ẢNH Gồm 3 thành phần như sau: Biểu diễn thuận lợi Lượng tử hóa Gán từ mã Xử lí kênh Giải từ mã Biểu diễn thuận lợi Giải lượng tử Nguồn t/h khôi phục Hình 3.1. Mô hình hệ thống nén video Trong đó mỗi hoạt động cố gắng loại bỏ những thành phần dư thừa trong tín hiệu video và cố gắng tận dụng dự giới hạn của hệ thống nhìn là mắt. Đó là: Thành phần xoá dòng, xoá mành,vùng ảnh tĩnh, hoặc chuyển động rất chậm, vùng ảnh giống nhau mà ở đó các phần tử liên tiếp giống nhau hoặc khác nhau rất ít.Và lợi dụng đặc tính mắt người là kém nhậy với sai số trong hình ảnh có nhiều chi tiết và các hình ảnh chuyển động. 3.6. PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP NÉN TÍN HIỆU VIDEO Nén có mất thông tin Nén không mất thông tin Loại bỏ khoảng xoá Mẫu con Lượng tử hoá Hình 3.2. Sơ đồ sự phối hợp các phương pháp nén tín hiệu video 3.5.1. Nén không tổn hao Nó là quá trình mã hoá có tính thuận nghịch.Hệ số nén thì nhỏ hơn 2:1. Bao gồm : a) Mã hoá độ dài thay đổi (VLC): Còn gọi là mã hoá huffman hay mã hóa entropy.Nguyên tắc của nó là :Thông tin có xác suất thấp mã hoá bằng từ mã dài và ngược lại. b) Mã hóa với độ dài chạy(RLC): Dựa trên sự lặp lại của cùng giá trị mẫu để tạo ra các loại mã đặc biệt, biểu diễn sự bắt đầu và kết thúc của giá trị được lặp lại . c) Sử dụng khoảng xoá dòng và xoá mành: Thông tin xoá dòng, xoá mành sẽ không được ghi giữ và truyền đi, chúng được thay bằng các dữ liệu đông bộ ngắn hơn theo các ứng dụng. d) Biến đổi cosin rời rạc (DCT): Là quá trình chuyển đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số. 3.5.2. Nén có tổn hao Nó chấp nhận mất ít thông tin để gia tăng hiệu quả nén, rất thích hợp vơi nguồn thông tin là hình ảnh và âm thanh. Bao gồm : a) Lượng tử hoá và mã hoá VLCcho các hệ số DCT: Nó thực hiện theo 3 bước liên tục: +Thứ nhất là biến đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng các thuật toán chuyển vị như biến đổi cosin rời rạc DCT. +Thứ hai là lượng tử hoá các hệ số DCT +Thứ ba là nén số liệu đã biến đổi và làm trơn bằng cách mã hóa entropy. b)Lấy mẫu các băng tần con: Đây là phương pháp giảm dữ liệu rất có hiệu quả, nhưng tổn thất độ phân giải ảnh và các thành phần chồng phổ sẽ làm giảm chất lượng nội dung ảnh gốc. Vì vậy nên không lấy mẫu băng tần con cho tín hiệu chói.Các phương pháp lấy mẫu băng tần con tín hiệu màu trong các định dạng 4:2:0 và 4:1:1 hiện được sử dụng trong các ứng dụng ghi, còn định dạng 4:2:0 trong các ứng dụng sản xuất và truyền dẫn MPEG. c) DPCM: Đây là phương pháp mã hoá dự báo, truyền phần chênh lệch giữa các mẫu. 3.7. PHƯƠNG PHÁP NÉN KHÔNG TỔN HAO 3.7.1. Mã hoá RLC(run length coding) Sự liên tiếp lặp đi lặp lại các điểm trong ảnh số xuất hiện do sự tương quan giữa các điểm ảnh, đặc biệt là ảnh 2 mức . Từ sự lặp đi lặp lại đó, một phương pháp nén đã được xây dựng trên cơ sở sử dụng số lần lặp của các điểm ảnh, gọi là phương pháp RLC. RLC tách chuỗi các giá trị giống nhau và biểu diễn như một tổng. Khi giãn giá trị này tạo lại số lần biểu diễn tổng. Kĩ thuật này chỉ có thể áp dụng cho chuỗi các symbol tuyến tính. Do đó, khi áp dụng cho số liệu ảnh hai chiều, hình ảnh được tách thành một chuỗi các dòng quét. Để giải nén, RLC phải xó phương tiện để bộ giải nén có khả năng nhận biết khi nào thì RLC xảy ra. Nó thường được tạo ra bằng cách tạo ra một giá trị dự trữ, giá trị này không hoặc hiếm khi xuất hiện trong dữ liệu. Giá trị này được gọi là mã thoát. Khi gặp mã thoát, bộ giải nén sẽ biết hai giá trị tiếp theo: một biểu thị giá trị pixel và một biểu thị số lần lặp lại của nó. Do đó, một đối tượng lặp lại sẽ lấy 3 từ mã để truyền(mã thoát, giá trị, giá trị lặp), nên nó sẽ không có tăng ích nếu không có tới lớn hơn 3 lần được lặp. Ví dụ:0101000001111110 Nén: 0101^05^160 (^ là mã thoát) Quan điểm của RLC có thể được cải tiến bằng cách thừa nhận các mô hình lặp lại chứ không phải là các từ. Nó gây mất nhiều quá trình xử lí ở đầu cuối của quá trình nén, nhưng quá trình giải nén được đơn giản hoá bằng cách: Bộ nén gửi một bảng tra cứu có chứa các mô hình cho khối dữ liệu hiên thời.Do đó, bất cứ khi nào gặp một mô hình, bộ nén truyền đi một mã thoát kèm theo chỉ số bảng tra cứu của mô hình để chèn vào trong quá trình tái tạo. Ví dụ: Dữ liệu vào : Hà nội là thủ đô của nước cộng hoà xã hội chủ nghĩa VN Dữ liệu nén: ^1là ^4 của nước ^2 xã hội chủ nghĩa ^3 Chỉ số Mẫu 1 Hà nội 2 cộng hoà 3 VN 4 thủ đô 5 ... ... ... 3.7.2. Mã hoá shannon-fanno Là loại mã dựa trên xác suất xuất hiện của những symbol nguồn trong một lượng thông tin. Nó sử dụng các từ mã có chiều dai thay đổi để mã hoá nguồn thông qua xác suất xuất hiện của nó. Symbol có xác suất xuất hiện càng lớn thì từ mã dùng để mã hoá chúng càng ngắn và ngược lại. Các bước xây dựng mã shannon_fano như sau: +bước 1: Sắp xếp các symbol nguồn với xác suất xuất hiện của chúng theo thứ tự giảm dần. +bước 2:Chia tập đã sắp xếp thành 2 phần sao cho tổng xác suất xuất hiện của các synbol ở mỗi phần xấp xỉ nhau. +bước 3: Mã sử dụng bit 0 để mã hoá cho các symbol trong phần một và bit 1 để mã hoá cho các symbol trong phần 2. +bước 4: Quay trở lại bước 2 và tiếp tục làm cho tới khi mỗi phần chia chỉ còn lại 1 symbol nguồn. 3.7.3. Mã hoá huffman Nó là một kĩ thuật mã hoá mới mà có thể tạo ra độ dài của từ mã ngắn nhất đối với tập symbol nguồn và kết hợp với xác suất của chúng. Các bước xây dựng huffman gồm : +bước1: Liệt kê các xác suất của các symbol nguồn (giảm dần ) và tạo ra các tập nút bằng cách cho những xác suất này thành các nhánh của cây nhị phân. +bước2: Lấy 2 nút với xác suất nhỏ nhất từ tập nút, và tạo ra một xác mới bằng tổng các xác suất của các xác suất đó. +bước3:Tạo tiếp tập nút mẹ với các xác suất mới, và đánh số 1 cho nút con ở trên, 0 cho nút con ở dưới. +bước4: Tạo tiếp tập nút bằng cách thay thế 2 nút với xác suất nhỏ nhất cho nút mới. Nếu tập nút chỉ chứa một nút thì kết thúc, nếu không thì quay lại bước 2. Nó đạt hiệu xuất thấp khi xác suất hiện các phần tử gần như nhau, nhưng đạt hiệu suất cao khi xác suất các phần tử chênh lệch nhau quá lớn. Bộ nén phải thiết lập một bảng thông số hay bảng tra cứu và gửi kèm theo dữ liệu tới bô giải nén. Nó thường được xây dựng nhờ thiết lập cây nhị phân. 3.7.4. Phương pháp mã dự đoán DPCM(differential pulse code modulation) DPCM không mã hoá trực tiếp biên độ mẫu mà chỉ mã hoá thông tin có biên độ vi sai (biên độ chênh lệch ) giữa mẫu đã cho và trị dự báo( được tạo ra từ các mẫu trước đó ). Phân bố thống kê về biên độ tín hiệu video là phân bố đều. Còn phân bố về độ chênh lệch biên độ các điểm ảnh có đồ thị hình chuông xung quanh điểm 0. Nếu dựa trên các đặc trưng thống kê ảnh, thì sự khác nhau này là không lớn lắm và để mã hóa nó thì chỉ cần giảm số bit là đủ. Sơ đồ khối bộ mã hoá và giải mã DPCM như sau: Mã hoá DPCM ∑ Bộ lượng tử hoá mã hoá entropy Bộ dự đoán ∑ tín hiệu video P + - e eq + V’ Kênh + V: tín hiệu vào V e=V-P:sai số dự đoán eq: sai số lượng tử hoá V’= eq+P: tín hiệu khôi phục Hình 3.3. Sơ đồ khối bộ mã hoá DCPM Bộ giải mã DPCM giải mã ∑ Bộ dự đoán V’ + eq Kênh tín hiệu P + Đầu ra giải mã Hình 3.4. Sơ đồ khối giải mã DCPM Nhằm tránh các lỗi có thể xảy ra trong khi truyền, một mẫu đầy đủ được gửi đi theo một chu kì nhất định, cho phép cập nhập các giá trị chính xác. Mã hoá DPCM cũng sử dụng thêm các kĩ thuật dự đoán và lượng tử hoá thích nghi để hoàn thiện thêm các kĩ thuật này. 3.7.4.1. DPCM trong mành Tín hiệu dự báo được tạo từ các mẫu trong cùng một mành, các mẫu được biến đổi nằm trên cùng một dòng quét(giữa các pixel) và các dòng quét lân cận(mã giữa các dòng). Việc tạo tín hiệu dự báo DPCM trong mành dựa trên mỗi liên kết giữa các điểm ảnh. Thực nghiệm cho thấy hệ số liên kết giảm nhanh khi đi ra xa điểm ảnh quan sát theo chiều ngang và theo chiều đứng. Do đó, khi tạo tín hiệu dự báo cần chú ý đến các mẫu nằm lân cận. Tín hiệu dự báo xp^ (cho mẫu tiếp theo xp) có thể được biểu diễn trên cơ sở giá trị của m mẫu trước đó(xp-1xp-2,.......) xp^ =Sai.xp-i; i=1,2,3.......m Giá trị của ai được lựa chọn sao cho có thể đạt được chất lượng cao đối với ảnh khôi phục. Có hai phương pháp tạo tín hiệu dự báo là: +Dự báo cố định :tín hiệu dự báo độc lập với ảnh truyền hình . +Dự báo thích nghi: tín hiệu dự báo phụ thuộc vào ảnh truyền hình . Cả hai phương pháp, dự báo sẽ tối ưu nếu như giá trị dự báo e2p ( bình phương hiệu giữa các giá trị mẫu đang xét và giá trị dự báo ) là nhỏ nhất. 3.7.4.2. DPCM giữa các mành Tín hiệu dự báo được tạo trên cơ sở các mẫu nằm ở các mành kề nhau trước đó.Loại trên(DPCM trong mành ) cho chất lượng ảnh cao khi xử lí ảnh động. Còn loại này thích hợp cho các ảnh tĩnh hoặc hình ảnh chuyển động chậm, nên thường dùng cho truyền hình thoại. Phương pháp DPCM giữa các mành tận dụng quan hệ chặt chẽ giữa các mành kế nhau của ảnh và đặc trưng của mắt. Sự khác nhau giữa các ảnh kề nhau là không lớn lắm. Vì vậy, để tạo các ảnh một cách trung thực chỉ cần truyền các điểm ảnh làm biến đổi và khôi phục lại (tại phía thu) tất cả các điểm ảnh còn lại từ mành trước hoặc ảnh trước trong bộ nhớ bằng phương pháp nội suy. Mạch trừ lượng tử hoá m mức Trễ mành tín hiệu video vào Kênh truyền Cộng Trễ mành Cộng tín hiệu dự báo tín hiệu dự báo tín hiệu video ra Hình 3.5. Sơ đồ khối DPCM trong mành Sơ đồ khối DPCM giữa các mành là: DPCM giữa các mành mã hoá trực tiếp vi sai giữa các mành kề nhau. Hoạt động của nó giống DPCM trong mành với dự báo1 phần tử. Độ trễ của mạch phản hồi đúng bằng thời gian một mành. Nội suy tín hiệu tương tự dựa trên nguyên tắc thay thế đặc tuyến tín hiệu tương tự bằng hàm điện áp(đa thức) có đặc tuyến và thời gian gần giống với nó. Nếu biết được đặc tuyến của hàm nội suy và giá trị của đặc tuyến tại một vài điểm thì có thể khôi phục các giá trị trung bình của tín hiệu. Trong trường hợp tín hiệu rời rạc, các trị chưa biết của các mẫu có thể được suy ra từ các mẫu trước hoặc sau. Đối với tín hiệu video, thường sử dụng hàm nội suy tuyến tính. Lúc đó, trị chưa biết của các mẫu khôi phục được coi như trị trung bình của các mẫu lân cận. Các loại DPCM giữa các mành được sử dụng bao gồm: a) Phương pháp lấy mẫu từ phần ảnh chuyển động: Chỉ truyền phần các điểm ảnh chuyển động và khôi phục phần các điểm ảnh còn lại bằng trị trung bình các điểm ảnh được truyền. b) Phương pháp làm đầy có chọn: Là phương pháp đan chéo các mành, còn gọi là phương pháp làm đầy có chọn khi ảnh truyền ít chuyển động và tốc độ thấp. Nguyên tắc là chỉ truyền phần ảnh được chọn ở mỗi mành và nhận ảnh có độ chiếu sáng lâu. c) Phương pháp chia thành những phần ảnh chuyển động và tĩnh: Nó là sự kết hợp giữa phương pháp làm đầy có chọn và phương pháp lấy mẫu từng phần ảnh chuyển động cùng với DPCM giữa mành với dự báo một phần tử. 3.8. PHƯƠNG PHÁP Mà CHUYỂN ĐỔI (TC-TRANSFORM CODING) Trong mã hoá DPCM, nó xử lí tín hiệu trong miền thời gian, còn trong công nghệ mã chuyển đổi TC: Nó xử lí thông tin trong miền tần số. Nó làm giảm thông tin dư thừa trong vùng không gian. Một phương pháp chuyển đổi phổ biến là :Biến đổi cosin rời rạc(DCT): Thay vì lượng tử hoá và mã hoá trực tiếp biên độ điểm ảnh, người ta sẽ lượng tử hoá và mã hoá các hệ số DCT. 3.8.1. Biến đổi cosin rời rạc (DCT) DCT là phép biến đổi giá trị một khối các điểm ảnh thành một khối các hệ số trong miền tần số. Công thức tính toán cho DCT hai chiều với ma trận vuông giá trị điểm ảnh(n*n) sinh ra ma trận vuông hệ số tuần tự như sau: Trong đó: F(u,v): Hệ số DCT của N*N điểm ảnh . Còn f(x,y) là giá trị biên độ của khối N*N điểm ảnh. u: tần số trục ngang v: tấn số trục đứng C(u),C(v)=nếu u,v=0 C(u),C(v)=1 nếu u,v¹0 DCT có một tính chất quan trọng, đó là tính biến đổi thuận nghịch. Có nghĩa là :Từ các khối các hệ số DCT có thể hồi phục được giá trị biên độ các điểm ảnh ban đầu theo công thức chuyển đổi ngược sau: Trong kĩ thuật nén ảnh số, kích thước khối được chọn là 8*8 pixel vì: Thực nghiệm chỉ ra rằng, hàm hiệp phương sai suy giảm rất nhanh khi khoảng cách pixel mà ở đó hiệp phương sai được định nghĩa là vượt quá 8. Vì vậy phương pháp nén sử dụng việc loại bỏ các thông tin dư thừa về mặt không gian, không cần quan tâm đến các khối pixel lớn hơn 8. Mặt khác, khối 8*8 pixel là vừa đủ để thuận tiện cho việc tính toán ,thiết kế mạch cứng. 98 92 95 80 75 82 68 50 98 Biên độ chói Mức DC điểm chói t t Biên độ giá trị điểm chói Năng lượng t f fs/2 Năng lượng Năng lượng fs/2 f f 591 106 - 18 28 -34 14 18 3 Hệ số DC Các Hệ số AC 3.6. Mã hoá DCT một chiều Để hiểu rõ hơn, ta xét DCT một chiều gôm 8 điểm ảnh chói liền kề nhau trên cùng một dòng quét như sau: 98 92 95 80 75 82 68 50 97 91 94 79 74 81 67 49 95 89 92 77 72 79 65 47 93 87 90 75 70 77 63 45 91 85 88 71 76 73 50 41 89 83 86 71 76 73 50 41 87 81 84 69 64 71 57 39 85 79 82 67 62 69 56 37 591 106 -18 28 -34 14 18 3 35 0 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 t t Tần số u Tần số v Năng lượng Năng lượng t t Biên độ điểm chói Biên độ điểm chói Biên độ điểm chói Biên độ điểm chói Hình 3.7. Minh hoạ quá trình mã hoá DCT hai chiều Giá trị các điểm ảnh của khối 8x8 Chuyển đổi DCT thực hiện chia phổ fs/2 thành 8 dải băng tần nhỏ hơn, tương ứng với mỗi dải băng tần có một hệ số đặc trưng cho năng lượng của tín hiệu .Trong đó, ứng với thành phần tần số thấp có hệ số DCT lớn nhất được gọi là các hệ số DC. Các thành phần tấn số còn lại được gọi là các hệ số AC, khi tần số càng cao thì các hệ số DCT càng thấp. Để tách tương quan nội dung ảnh cao hơn, chuyển đổi DCT hai chiều được sử dụng cho các khối 8*8 pixel chói gọi là DCT 2 chiều. Tương tự DCT một chiều, nó được minh hoạ như trên. Kết quả chuyển đổi DCT 2 chiều 8*8 đã biến một ma trận 64 điểm ảnh thành một ma trận 64 hệ số DCT, trong đó phần tử có giá trị lớn nhất ở góc trên cùng bên trái ứng với phần thành phần tần số thấp nhất gọi là hệ số DC, các phần tử khác là các hệ số AC, phần tử dưới cùng góc phải tương ứng với thành phần tấn số thấp nhất theo cả chiều ngang và chiều dọc. Trước khi thực hiện biến đổi các hệ số DCT, cả ảnh sẽ được chia thành các khối lớn riêng biệt không chồng lên nhau(MB_macro block).Mỗi MB này gồm 4 bock tín hiệu chói và 2;4;hoặc 8 bock tín hiệu màu. Số block tín hiệu màu phụ thuộc vào tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu video. Quá trình này gọi là tiền xử lí. Nếu dung DCT cho tín hiệu số thành phần Y,CR,CB. Thì các biên độ CR, CB có biên độ max là ±128(giá trị nhị phân trong hệ thống 8 bit). Còn giá trị Y có khoảng cực đại là từ 0¸255(giá trị nhị phân). Để đơn giản cho việc thiết kế bộ chuyển đổi DCT, tín hiệu Y được dịch mức xuốn dưới bằng cách trừ 128 vào từng giá trị pixel trong khối để có khoảng cực đại giống như CR,CB. Ở phần giải mã DCT, giá trị 128 được cộng vào các giá trị pixel chói. 3.8.2. Lượng tử hoá các hệ số DCT Quá trình lượng tử hóa và mã hoá các hệ số DCT là quá trình nén thông tin, vì bản thân phép biến đổi DCT không nén thông tin . 3.8.2.1. Đặc trưng thị giác của mắt người Mắt người không nhạy cảm với thành phần tần số cao cũng như với sai số ở vùng ảnh có nhiều chi tiết, biến đổi nhanh. Hơn nữa, sự phản ánh theo hướng xiên ít ảnh hưởng hơn các hướng ngang và thẳng đứng. Nó đồng nghĩa với : Sai số lượng tử của các hệ số DCT khác nhau là không đều. Sai số của các hệ số tần số cao cũng như sai số hệ số theo đường chéo ít ảnh hưởng hơn tới chất lượng ảnh khôi phục. Nó cho phép sử dụng bộ lượng tử hoá có bước lượng tử thô hơn cho các hệ số DCT tần số cao hon và theo hướng chéo. Còn hệ số một chiều DC đòi hỏi độ chính xác cao nhất, bởi lẽ nó biểu thị độ chói trung bình của từng khối phần tử ảnh. 3.8.2.2. Lượng tử hoá hệ số DCT Trong bảng hệ số DCT, sai số hệ số một chiều DC co khả năng nhận biết một cách dễ ràng, bởi nó làm thay đổi mức chói trung bình của khối điểm ảnh. Còn với các hệ số AC tần số cao, giá trị nhỏ thì có thể biểu diễn lại bằng tập giá trị nhỏ hơn hẳn các giá trị cho phép. Quá trình này có thể được thực hiện bằng cách cho những khoảng cách giữa các bước lượng tử hóa thay đổi theo các hệ số. Lượng tử hoá theo trọng số Bảng lượng tử (8x8) F(u,v) Foo/Qoo Fq(u,v) 64 hệ số DCT Q(u,v) 64 hệ số lượng tử hoá Hình 3.8. Lượng tử hoá có trọng số Lượng tử hóa được thực hiện bằng việc chia các hệ số F(u,v) cho các hệ số ở vị trí tương ứng trong bảng lượng tử Q(u,v) để biểu diễn số lần nhỏ hơn các giá tri cho phép của hệ số DCT : Các hệ số tần số thấp được chia cho các giá trị nhỏ, còn các hệ số ứng với tần số cao được chia cho các hệ số lớn hơn. Sau đó hệ số được làm tròn. Kết quả ta nhận được bảng Fq(u,v) mới, trong đó phần lớn các hệ số có tần số cao sẽ bằng 0. Hệ số bảng lượng tử hoá thuận được xác định theo biểu thức: Fq(u,v) =int k=0÷7 Giá trị Fq(u,v) sẽ được mã hoá trong các công đoạn tiếp theo. Việc xây dựng bảng lượng tử hoá Q(u,v), tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố sao cho được tối ưu nhất sẽ được sử dụng. Bảng này sẽ được ghi lại và truyền đi. Hệ thống giải nén sẽ nhận biết để khôi phục dữ liệu. Hình sau đây là một ví dụ minh hoạ giá trị khối xác định giá trị cho phép các giá trị tín hiệu chói và tín hiệu màu được lượng tử hoá khác nhau. Nhiễu lượng tử đối với tín hiệu màu khó nhận biết hơn đối với tín hiệu chói, cho nên có thể lượng tử hóa thô với tín hiệu màu. Bảng trọng số (theo tiêu chuẩn JPEG cho mẫu tín hiệu màu ) Bảng trọng số (theo tiêu chuẩn JPEG cho mẫu tín hiệu chói ) Hình 3.9. Các bảng lượng tử hoá tín hiệu chói và tín hiệu mà theo màu JPEG Quá trình lượng tử hoá có trọng số này có gây mất thông tin, tức có tổn hao. Đây là bước tổn hao duy nhất trong thuật toán nén, và không ảnh hưởng lắm đến sự khôi phục ảnh. 3.8.2.3. Quét các hệ số DCT Dòng số là dòng truyền tải các bit nối tiếp theo thời gian. Do vậy, cần một quá trình sắp xếp các hệ số DCT đã lượng tử trong ma trận 2 chiều thành dãy một chiều nối tiếp nhau. Quá trình đó gọi là quét các hệ sô DCT. Theo nghiên cứu, có hai dạng thức quét cho hệ số 0 đứng cạnh nhau là lớn nhất để thuận lợi cho việc mã hoá cũng như giảm tốc độ bít khi truyền. Đó là quét “zig-zag” và quét luân phiên. 3.8.3. Mã hoá hệ số DCT Sau khi quét các hệ số DCT gồm rất nhiều hệ số 0 đi liền nhau, nên được mã hoá bằng loại mã RLC (độ dài chạy) rồi tiếp tục được mã hoá bằng mã huffmanVLC ( mã có độ dài thay đổi) sao cho giảm tối thiểu được tốc độ dòng bít. Việc mã hoá được quy định bởi các bảng mã cho từ mã đầu ra tương ứng. Bảng phân nhóm hệ số AC Phân loại Mức hệ số NA 0 1 -1 1 2 -3,-2 2,3 3 -7,….,-4 4…………7 4 -15,………,-8 8,…………..15 5 -31,………,-16 16,………….,31 6 -63,………,-32 32,………….,63 7 -127,………,-64 64,…………..,127 8 -255,………..,-65 65,…………..,255 9 -511,……….,-256 256,………….,511 10 -1023,……..,-512 512,…………,1023 … ………………….. …………………..  Bảng mã hoá Huffman hệ số AC Số chạy Phân loại độ dài mã Từ mã 0 1 2 00 0 2 2 01 0 3 3 100 0 4 4 1011 0 5 5 11010 0 6 6 111000 0 7 7 1111000 . . . . 1 1 4 1100 1 2 6 111001 1 3 7 1111001 1 4 9 111110110 . . . . 2 1 5 11011 2 2 8 11111000 . . . . 3 1 6 111011 3 2 9 111110111 . . . . 4 1 6 111011 5 1 7 1111010 6 1 7 1111011 7 1 8 11111011 8 1 8 11111010 9 1 9 111111000 10 1 9 111111010 . . . . EOB 4 1010 Bảng các hệ số DC cho mã VLC Các giá trị sai lệch Phân loại Từ mã cho tín hiệu chói Từ mã cho tín hiệu màu -255 đến -128 8 1111 110 1111 1110 -127 đến -64 7 1111 10 1111 110 -63 đến -32 6 1111 0 1111 10 -31 đến -16 5 1110 1111 0 -15 đến -8 4 110 1110 -7 đến -4 3 101 110 -3 đến -2 2 01 10 -1 1 00 01 0 0 100 00 1 1 00 01 2 đến 3 2 01 10 4 đến 7 3 101 110 8…..15 4 110 1110 16,……,31 5 1110 1111 0 32,….., 63 6 1111 0 1111 10 64,…..,127 7 1111 10 1111 110 128,…., 255 8 1111 110 1111 1110 Quá trình được minh hoạ bằng ví dụ sau: 40 10 3 0 RLC 0 -2 2 0 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 . . . 0 25 0,10 0,3 VLC 2,-2 0,2 7,-1 EOB 1110 11001 1011 1010 01 10 11111000 01 01 10 11111001 0 1010 Chuỗi quét zig-zag AC 0,7 40 10 -2 2 -1 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 DC AC 0,1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 AC 0,7 0 AC 7,7 giá trị DC có trong khối trước =15, Vì vậy giá trị DC khi mã hoá RLC còn lại là 40-15=25 Các hệ số DCT của khối sau khi mã hoá VLC còn lại 48 bit 1110 11001 1011 1010 01 10 1111100001 01 10 Hình 3.11. Ví dụ về mã của RLC Trong ví dụ này, mã hoá RLC như sau: Trứơc hệ sô “10” và “3” không có sô o nào nên biểu diễn là: (o,10)và (o,3), trước hệ số “-2” có 2 hệ sô o nên biểu diễn là: (2,-2). Tương tự ta có (0,2) và )và (7,-2). Kí tự EOB được dùng để đánh dấu vị trí bắt đầu của chuỗi các số “0” liên tiếp. Việc mã hoá được quy định theo bảng mã hoá. Bảng này sẽ được gửi đi kèm, để bên thu có thể giải mã chính xác. Sơ đồ khối mã hoá VLC/ mã hoá huffman cho các hệ số DC và AC (theo tiêu chuẩn JPEG) được cho như sau: Sơ đồ mã hoá VLC cho các hệ số DC Cột phân loại trong bảng hệ số DC =5 Δ=DC1-DCo =25 Hệ số DC=40 (từ bộ lượng tử hoá DCT Bảng mã huffman Bảng phân loại Mã hoá DPCM Từ mã DC 1110 11001 Mã hoá nhị phân độ lớn Hình 3.12. Sơ đồ mã hoá VLC cho hệ số DC Các hệ số AC (DC,10,3,..) từ bộ lượng tử hoáDCT mã hoá mức và RLC Bảng phân loại mã hoá nhị phân Bảng mã Huffman AC 10111 1010 Số chạy,mức =(0,10) Cột phân loại trong bảng hệ số AC=4 độ lớn Từ mã AC MứC 10 Hình 1.13. Sơ đồ mã hoá VLC cho hệ số AC Trong đó, bảng phân loại các hệ số DC và AC và bảng mã hoá tương ứng được cho sẵn trong các tiêu chuẩn khác nhau và được gửi kem đến nơi thu. 3.9. PHƯƠNG PHÁP NÉN LIÊN ẢNH 3.9.1. Mã hoá bù chuyển động Ảnh động tạo ra sự dư thừa đáng kể từ khung hình này đến khung hình kế tiếp. Rất nhiều phần trong khung hình có thông tin không thay đổi- một vài phần có thể đứng im và các phần khác có thể là các phần của khung hình trước dịch chuyển đi chút ít. Theo nguyên lí nay, bất cứ thứ gì đã tồn tại trong khung hình trước đều không cần phải được truyền lại- Nó chỉ cần được sao chép bằng máy thu hình từ một bản lưu trữ của khung hình trước. Chức năng chỉ ra một cái mới hay cũ trong một khung hình được gọi là :Bù chuyển động. Đây là một trong những nhiệm vụ phức tạp nhất của nén video. Thực tế, hiệu quả của bù chuyển động luôn luôn bị hạn chế do khả năng tính toán và tốc độ. Bù chuyển động được dựa vào quá trình xử lí ảnh trong khối. Đưa ra một khung hình (đầu tiên) hoàn chỉnh như là điểm xuất phát,các khối từ khung hình tiếp theo được lấy và so sánh với các vùng của khung hình thứ nhất, để xác định xem có điểm nào trùng khớp ở bất kì vị trí nào trên khung hình thứ nhất hay không (khối có thể đã dịch chuyển giữa các khung hình). Nếu tìm thấy điểm trùng khớp, một véc tơ chuyển động sẽ được tạo ra cho máy thu sử dụng để dự đoán vùng của khung hình thứ 2 bằng cách sao chép nó từ khung hình thứ nhất. Biết rằng số lượng chuyển động giữa các khung hình thương không quá lớn nên chỉ việc tìm kiếm trong một khu vực nhỏ xung quanh vị trí của khối được kiểm tra. Thậm chí, như vậy số lượng thao tác ở đây cũng rất lớn và cần phải hạn chế phạm vi tìm kiếm so với thực tế cần thiết. Các khối không được tìm thấy ở khung hình trước, phải được mã hoá bằng các phương tiện khác và truyền đi đầy đủ. Khung hình trước vị trí 8x8 điểm vị trí 8x8 điểm trứơc đó vị trí khối hiện tại Vùng tìm kiếm Khung hình sau véc tơ chuyển động Hình 3.14. Véc tơ chuyển động giữa hai khung hình liền nhau 3.9.2. Mô hình nén liên ảnh Bù chuyển động Nén trong ảnh Nguồn ảnh ảnh nén Hình 3.15: Mô hình nén liên ảnh a) Ảnh dự đoán trước(ảnh P):Ảnh hiện tại được dự báo từ các pixel của frame hiển thị trước đó. Phương pháp này rất hiệu quả khi chuỗi ảnh biểu diễn là chuỗi ảnh tĩnh hoàn toàn:Trong trường hợp này chỉ cần truyền ảnh đầu tiên là đủ,và thông tin lần lượt mỗi ảnh không khác nhau mấy so với ảnh trước. Khi xuất hiện vật thể chuyển động nào đó trong ảnh, thì cần phải phát hiện các vật thể này và biểu diễn đặc trưng về sự thay đổi vị trí của nó. Bằng cách này và trên cơ sở phân tích các ảnh trước, có thể dự báo gần đúng nội dung ảnh đang xét. Trong trường hợp ảnh đang xét khác với dự báo của nó, thì cần phải truyền thêm các thông tin về sự khác nhau đó, giữa các ảnh nói trên. Khi đó vị trí Block được biểu diễn bằng véc tơ biểu thị sự dịch chuyển Block này so với vị trí của MB trong ảnh dự báo trước. Kết quả ta nhận được các véc tơ chuyển động cho mỗi MB. Sơ đồ sau chỉ ra quá trình tạo ảnh dự báo trước ảnh P: X¸c ®Þnh vect¬ chuyÓn ®éng Bï chuyÓn ®éng ¶nh tr­íc ®ã (¶nh so s¸nh) Bé céng Bé trõ + - + + T¹o ¶nh hiÖn t¹i ®Ó sö dông cho dù ®o¸n ¶nh tiÕp theo Vect¬ chuyÓn ®éng ¶nh kh¸c biÖt ¶nh hiÖn t¹i ¶nh dù ®o¸n Hình 3.16: Nén liên ảnh(ảnh dự đoán trước) Trong đó, ảnh trước đó được lưu trữ trong bộ nhớ với đầy đủ độ phân dải, đầy đủ dữ liệu . Còn trong khối “xác định véc tơ chuyển động” với véc tơ chuyển động được tính toán sao cho ảnh hiện tại được dự đoán một cách chính xác nhất. Hiệu giữa ảnh hiện tại và ảnh dự báo sẽ cho ảnh khác biệt ở đầu ra. Số liệu về véc tơ chuyển động và ảnh khác biệt sẽ được truyền đi. Nó không truyền toàn bộ ảnh. b) Ảnh dự đoán hai chiều(ảnh B): Đối với mỗi MB ảnh dự đoán 2 chiều sẽ tìm các block giống nhau của các pixel trong hai ảnh là ảnh trước và ảnh sau. Do đó ta nhận được 2 véc tơ chuyển động. Hình vẽ dưới đây là mạch tạo dự báo ảnh hai chiều (B) : Xác định vectơ chuyển động Bù chuyển động ảnh trước đó (ảnh so sánh) Bộ cộng Bộ trừ + - + + Vectơ chuyển động ảnh khác biệt ảnh hiện tại ảnh dự đoán ảnh sau đó (ảnh so sánh) Hình 3.17. Nén liên ảnh (ảnh dự đoán hai chiều) Sự khác nhau cơ bản giữa hai mạch trên là :Bộ nhớ ảnh so sánh. Để tạo được dự báo ảnh trước ta chỉ cần nhớ ảnh trước đó. Còn để tạo được ảnh dự báo hai chiều, ta phải nhớ cả hai ảnh : ảnh trước và ảnh sau ảnh đang xét. Có thể xem ảnh dự báo hai chiều là kết quả nội suy giữa hai ảnh để xác định chuẩn của nó.Vì để tạo được ảnh 2 chiều, bộ giải mã phải xác định nội dung của hai ảnh xác định chuẩn của nó, nên sẽ làm thay đổi thứ tự truyền các ảnh. Bộ mã hoá đầu tiên phải truyền cả hai ảnh chuẩn, sau đó mới truyền đến ảnh dự đoán hai chiều. Điều đó dẫn đến: _Bộ mã hoá và giải mã phải đánh số lại các frame, lên lam tăng công việc . _Bộ mã hoá và giải mã phải dùng bộ nhớ lớn . Cũng có thể có nhiều hơn một khung hình B giữa hai khung hình tham chiếu xuất hiện trước và sau nó. CHƯƠNG IV: CÁC TIÊU CHUẨN NÉN TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH SỐ 4.1. TIÊU CHUẨN NÉN JPEG 4.1.1. Mục đích Tiêu chuẩn này được định ra cho nén ảnh tĩnh đơn sắc, thực hiện bởi 4 mode mã hoá. Thuật toán được sử dụng là JPEG Baseline: Nó thực hiện giảm dữ liệu bằng phương pháp nén trong ảnh. Trên quan điểm coi ảnh động là một chuỗi liên tiếp các ảnh tĩnh. Khi đó, tiêu chuẩn JPEG được áp dụng cho việc nén ảnh động và gọi là nén M-JPEG. 4.1.2. Mã hóa và giải mã JPEG. Sơ đồ mã hoá và giải mã JPEG Block 8*8 DCT lượng tử hoá mã hoá etropy Số liệu ảnh nén Bảng lượng tử Bảng mã hoá Số liệu ảnh nén Giải mã rntrropy Giải lượng tử IDCT Block 8*8 Bảng lượng tử Bảng mã hoá Hình 4.1.Sơ đồ khối mã hoá và giải mã JPEG Quá trình mã hoá và giải mã là hai quá trình ngược nhau. Đặc trưng dùng trong qua trình mã hoá cho ra dòng số liệu sau khi nén và sau đó được đưa tới phần giãn. ở bộ giải nén, bộ mã hoá entropy biến đổi dòng bit được nén thành một bảng zig-zag mới các hệ số DCT. Các hệ số này được nhân với các hệ số giải lượng tử hoá và đưa đến quá trình biến đổi DCT ngược. Đầu ra ta có một khối 8*8 các pixel có thể không tạo lại được ảnh chính xác tín hiệu gốc vì thông tin có thể bị mất trong quá trình mã hoá có tổn hao. 4.1.3. Phân cấp cấu trúc dòng số video Các tiêu chuẩn nén video ra đời nhằm đạt được các mục đích trình bầy chi tiết các dư thừa thông tin trong tín hiệu và dư thừa do cảm nhận của mắt người, qua đó ta giảm được tốc độ dòng video số, đưa ra dòng số liệu video đã được nén theo một khuôn dang nhất định. Cấu trúc số liệu video JPEG gồm 6 cấp khác nhau, phụ thuộc vào chế độ làm việc của JPEG. a) Đơn vị số liệu(DU): Nó bao gồm một khối 8*8 các mẫu thành phần trong dạng nén mất thông tin. b) Đơn vị mã hoá nhỏ nhất(MCU): Là nhóm nhỏ nhất các DU xen kẽ. Nó bao gồm 2 khối Y, một khối Cr và một khối Cb. c) Đoạn mã entropy(ESC): Gồm các MCU. d) Quét : Tính chất xác định phương pháp quét cho toàn bộ ảnh. e) Khung hình : Có thể tạo thành từ một hay nhiều quá trình quét. f) Lớp ảnh: ảnh là phân cấp trên cùng của phân cấp số liệu nén, bao gồm lớn các khung và các mã cho toàn bộ bức ảnh. 4.1.4. Các tham số theo tiêu chuẩn JPEG THAM Số Đặc Điểm Tín hiệu mã hoá RGB hoặc Y,Cr ,Cb Cấu truc lấy mẫu 4:4:4; 4:2:2; 4:2:0 Kích thước ảnh tối đa 65 536* 65 536 Biểu diễn mẫu 8bit cho hệ thống cơ bản Độ chính xác của quá trình lượng tử và biến đổ DCT 9bit Phương pháp lượng tử hóa hê số DC DPCM Cấu trúc khối trong quá trình lượng tử hoá thích nghi 16*16 Độ chính xác cực đại của hệ số dc 11bit Bảng lượng tử Sai lệch giữa các giá trị Y và Cr, Cb Biến đổi RLC Mã Huffman Hệ số cân bằng các khối Có thể biến đổi Bù chuyển động Không Quét Tuần tự hay xen kẽ Kênh truyền được quản lí lỗi 4.1.5. Tiêu chuẩn M-JPEG Thực hiện nén JPEG cho từng ảnh động. Nó sẽ đạt kết quả tốt nếu như ảnh có tốc độ chem. Nó có ưu điểm khi sử dụng trong công nghệ sản xuất chương trình truyền hình . Vì các ảnh được mã hoá độc lập với nhau, nên việc thực hiện dựng chính xác tới từng ảnh là hoàn toàn có thể thực hiện được. Đây chính là điểm mạnh của M-JPEG, sử dụng ở trong các thiết bị sản xuất chương trình tiện dụng cho studio và dựng hậu kì, làm kĩ xảo với giá thành hệ thống phù hợp, không gây tổn hao trong quá trình dựng. 4.2. TIÊU CHUẨN NÉN ẢNH MPEG 4.2.1. Giới thiệu về MPEG Tiêu chuẩn MPEG là một chuỗi các chuẩn nén video với mục đích là mã hoá tín hiệu hình ảnh động và âm thanh cho các phương tiện lưu trữ số ở tốc độ bít từ 1,5 đến 50 mbit/s và được biết đến như là MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4. Các chuẩn MPEG tiến tới tối ưu cho các cho những ứng dụng video động và các đặc điểm của nó bao gồm một thuật toán cho việc nén dữ liệu audio với tỉ lệ khoảng 5:1 đến 10:1. 4.2.1. Các chuẩn MPEG MPEG-1: Tiêu chuẩn nén cho ảnh động có kích thước 320*240 với tốc độ bít còn từ 1mbit/s đến 1,5mbit/s dùng cho ghi hình trên băng từ và đĩa quang(CD) đồng thời truyền dẫn trong các mạng. MPEG-2: Tiêu chuẩn nén được áp dụng cho các ứng dung cao hơn với tốc độ bít còn ≤10 mbit/s để truyền tín hiệu truyền hình số thông thường. Tiêu chuẩn này cũng cho phép mã hoá video với hàng loạt các ứng dụng, đòi hỏi có thể phân tích theo các cách khác nhau như thông tin trên mạng ISPN sử dụng ATM. MPEG-3: Tiêu chuẩn này nén ảnh xuống còn ≤50 Mbit/s, để truyền tín hiệu truyền hình có độ phân giải cao. Năm 1992, tiêu chuẩn này được kết hợp với MPEG-2, dùng cho truyền hình thông thường và truyền hình có độ phân giải cao và có tên chung là tiêu chuẩn MPEG-2. MPEG-4: Tiêu chuẩn này dùng cho nén ảnh video với ít khung hình và yêu cầu lam tươi chậm. Tốc độ dữ liệu yêu cầu 9 đến 40 Kbit/s. Tiêu chuẩn này được hoàn thiên vào năm 1998 nhằm mục đích phát triển các tiêu chuẩn mã hoá mới với tốc độ bit thấp. MPEG-7: Tiêu chuẩn này được đề nghị vào tháng 10/1998 và kế hoạch trở thành tiêu chuẩn quốc tế 9/2001. Tiêu chuẩn này sẽ mô tả thông tin của rất nhiều loại đa phương tiện. Mô tả này sẽ kết hợp với chính nội dung của nó cho phép khả năng tim kiếm nhanh và hiệu quả theo yêu cầu người dùng. Nó được chính thức gọi là : “giao thức mô tả nội dung đa phương tiện”. Cấu trúc của một hệ thống MPEG bao gồm 3 phần chính: Bộ đồng bộ và dồn kênh tín hiệu audio va video Hệ thống video Hệ thống audio 4.2.2. Cấu trúc ảnh MPEG Tiêu chuẩn MPEG định ra các loại ảnh khác nhau để cân nhắc giữa hiệu quả mã hoá và truy nhập ngẫu nhiên. Nó bao gồm: * ảnh I: Các ảnh được mã hoá trực tiếp để có thể giải mã mà không cần sử dụng dữ liệu từ bất kì một ảnh nào khác. Đặc điểm của phương pháp mã hoá này như sau: Chỉ loại bỏ được phần dư thừa không gian Dùng các điểm trong cùng một khung để tạo dự báo Không có bù chuyển động Các thông tin được mã hoá rõ ràng, minh bạch nên số lượng bit yêu cầu lớn. Do được mã hoá trong ảnh nên ảnh I bao giờ cũng là ảnh đầu tiên trong một nhóm ảnh hay một chuỗi ảnh. Nó cung cấp thông tin khởi động các ảnh tiếp theo trong nhóm. * ảnh P: Là ảnh được mã hoá liên ảnh một chiều. Nó có các đặc điểm sau: Dự báo inter một chiều ảnh dự báo được tạo bởi ảnh tham chiếu trước đó(Dự báo nhân quả ).ảnh tham chiếu này có thể là ảnh I hay ảnh P gần nhất. Có sử dụng bù chuyên động. Thông tin ước lượng chuyển động của các khối nằm trong vectơ chuyển động.Vectơ này xác định Macroblock nào sẽ được sử dụng từ ảnh trước. Do vậy, ảnh P bao gồm cả những MB mã hoá inter (i-MB) là những MB chứa thông tin lấy từ ảnh tham chiếu và những MB mã hoá intra là những MB chứa thông tin không thể mượn từ ảnh trước. ảnh P có thể sử dụng làm ảnh tham chiếu tạo dự báo cho ảnh sau: *ảnh B: Là ảnh mã hoá liên ảnh hai chiều. Tức là: Có sự bù chuyển động Dự báo không nhân quả, ảnh dự báo gồm các MB của các khung hình trước và sau nó. Việc sử dụng thông tin lấy từ ảnh trong tương lai hoàn toàn có thể thực hiện được vì tại thời điểm mã hoá đã sẵn sàng truy nhập tới ảnh phía sau. Ảnh không được sử dụng làm ảnh tham chiếu tạo dự báo cho các ảnh sau. * Ảnh D: Nó giống ảnh I, tuy nhiên chỉ có thành phần một chiều ở đầu ra DCT được thể hiện. * Nhóm ảnh (GOP): Đối với MPEG, chất lượng ảnh không những phụ thuộc vào tỉ lệ nén trong từng khuôn hình mà còn phụ thuộc vào độ dài của nhóm ảnh. Nhóm ảnh là đơn vị mang thông tin độc lập của MPEG. Mỗi nhóm ảnh bắt buộc phải bắt đầu bằng một ảnh hoàn chỉnh I, và tiếp theo la một loạt các ảnh P vaB. Nó bao gồm nhóm ảnh mở và nhóm ảnh đóng. Khung hình trước (n-1) Khung hình hiện hành (n) Khung hình tương lai (n) Quỹ đạo chuyển động vị trí nội suy Hình 4.3. Ảnh dự báo chuyển động B Khung dự báo B=khung trước –khung tương lai + véctơ chuyển động hai chiều Vùng không khôi phục Hình 4.2. Ảnh dự báo chuyển động P Khung hình trước (n) Khung hình hiện hành (n+1) Khung dự báo=khung trước- khung hiện hành + vectơ chuyyển động 4.2.3. Các thành phần ảnh cơ bản trong tiêu chuẩn nén ảnh MPEG Các tiêu chuẩn MPEG có cấu trúc dữ liệu dạng lớp. Bao gồm các thành phần cơ bản sau đây: Cấu trúc dữ liệu ảnh có nén Khối 8*8 điểm ảnh 1 Cr Cb frame Y Nhóm ảnh 2 3 4 5 6 7 slice MacroBlock Hình 4.4. Kiến trúc dòng video MPEG Khối Block: Là đơn vị cơ bản cho chuyển đổi DCT. Bao gôm 8*8 các điểm ảnh tín hiệu chói hoặc tín hiệu màu. MACROBOCK 4:2:0-macrobock 1 2 3 4 Y Cb Cr 4:1:1-macrobock 1 2 3 4 Y/G Cb /B Cr/R 4:1:1-macrobock 1 2 3 4 Y Cb Cr 4:2:0-macrobock 1 2 3 4 Y Cb Cr Macroblock: Một Macrobock là một nhóm các khối DCT( theo nội dung thông tin) có cửa sổ 16*16 pixel trong ảnh gốc. Kích thước cửa sổ( nội dung của macrobock khác nhau) phụ thuộc vào cấu trúc lấy mẫu. Header của MB chứa thông tin về loại(Y hoặc Cb, Cr) và các vectơ bù chuyển động. Slice: Nó được hình thành từ một hoặc nhiều MB liên tiếp. Kích thước slice cực đại có thể là toàn cảnh, trong khi đó kích thước tối thiểu có thể là MB. Header của slice chứa thông tin về vị trí của nó trong ảnh và hệ số thang độ của bộ lượng tử hoá. Kích thước slice được xác định bằng mức sửa lỗi cho ứng dụng và sơ đồ nén dữ liệu. Hệ số DC chuẩn dung trong mã hoá DPCM được dùng để làm điểm bắt đầu của mỗi slice. Ảnh(picture): Lớp ảnh cho bên thu biết về loại mã hoá khung (I,B,P). Phần header mang thứ tự truyền tải khung để bên thu hiển thị khung theo đúng thứ tự, ngoài ra còn có một số thông tin bổ xung như thông tin đồng bộ, độ phân giải và vectơ bù chuyển động. Nhóm ảnh (GOP): Gồm cấu trúc các ảnh I , P,B . Mỗi nhóm bắt đầu bằng ảnh I cung cấp điểm vào ra và tìm kiếm. Phần header chứa 25 bit thời gian mã điều khiển cho VTR và thông tin về thời gian. Chuỗi video: Chuỗi chứa một header, một hoặc nhiều GOP và một mã kết thúc chuỗi. Thông tin quan trọng nhất chứa trong header là kích thước theo chiều ngang và theo chiều đứng của mỗi ảnh, tỉ lệ pixel, tốc độ bít của ảnh trong chuỗi, tốc độ ảnh, và các kích thước tối thiểu của bộ nhớ cho bộ giải mã. Chuỗi video và thông tin header tạo dòng bit mã hoá, được gọi là dòng video cơ bản ES (elementary stream). Dòng số video chuẩn CCIR-601 véc tơ chuyển động đoạn videothứ n-1 đoạn video thứ n đoạn video thứ n+1 GOP#P GOP#p+1 . . GOP#p+4 KHUNG I KHNG B KHUNG P KHUNG B KHUNG I MB MB MB MB MB MB MB MB MB MB Thuộc tính mb Y Y Y Y Cr Cb Hệ số DCT EOB 4.2.4. Thứ tự truyền dẫn và thứ tự hiện ảnh Chuỗi ảnh MPEG thường có cấu trúc IBBPBBPBBI nhưng thứ tự truyền dẫn và thứ tự truyền ảnh là khác nhau do đó khi tạo ảnh B cần thông tin từ cả khung quá khứ và khung tương lai. Như vậy có nghĩa là, ảnh trong tương lai cần được truyền dẫn trước. Trong khi đó, lúc hiển thị cần phải theo đúng thứ tự nguồn. Để thực hiện điều này, lớp ảnh của dòng dữ liệu MPEG có thông tin về thứ tự ảnh để trợ giúp hiển thị. 4.2.5. Tiêu chuẩn MPEG-1 Tiêu chuẩn này gồm 4 thành phần : Phần 1: Hệ thống(ISO/IEC-11172-1) Phần 2: Nén video(ISO/IEC-11172-1) Phần 3: Nén audio (ISO/IEC-11172-1) Phần 4: Kiểm tra (ISO/IEC-11172-1) Tiêu chuẩn này nghiên cứu cách thức ghép nối một hoặc vài dữ liệu chứa thông tin thời gian để hình thành nên một dòng dữ liệu. Nó cung cấp quy tắc đồng bộ hóa quá trình phát lại cho một cho một vài ứng dụng video rộng. Tiêu chuẩn này được coi như là dạng thức dữ liệu máy tính( gôm các điểm ảnh). Cũng như các dữ liệu máy tính (ảnh và văn bản ), ảnh video chuyển động có khả năng truyền và nhận bằng máy tính và mạng truyền thông. Chúng cũng có thể lưu trữ trong các thiết bị lưu trữ như đĩa CD, đĩa Winchester và ổ quang. Tiêu chuẩn này cung cấp cả các ứng dụng đối xứng và không đối xứng: Trong ứng dụng không đối xứng, ảnh động được nén một lần, sau đó giải nén nhiều lần để truy nhập thông tin, ví dụ như : trò chơi game. Trong ứng dụng đối xứng, quá trình nén và giải nén cần bằng nhau, ví dụ như: điện thoại hình, thư điện tử. Để đạt được hiệu suất nén cao mà vẫn giữ tốt chất lượng ảnh khôi phục, tiêu chuẩn này sử dụng cả công nghệ nén trong ảnh và liên ảnh để loại bỏ cả sự dư thừa về không gian và thời gian. Do tiêu chuẩn này được phát triển cho lưu trữ dữ liệu nên đòi hỏi có sự truy cập ngẫu nhiên. Cách thức tốt nhất cho truy cập ngẫu nhiên là mã hoá intra frame đơn thuần. Song sự dư thừa về mặt thời gian chưa được loại bỏ nên hiệu suất nén thấp. Do vậy, trong tiêu chuẩn này, có sự cân bằng giữa nén trong ảnh và nén liên ảnh bằng cách sử dụng công nghệ nén sau đây: Bù chuyển động Dự báo Nội duy Biến đổi cosin rời rạc lượng tử hóa Mã hóa độ dài thay đổi Huffman Tức là có sự kết hợp giữa hai công nghệ nén DPCM và tranfor coding. Thuật toán MPEG-1 sử dụng bù chuyển động khối để giảm sự dư thừa thời gian với véctơ chuyển động cho mỗi khối kích thước 16*16 điểm ảnh. Bù chuyển động sử dụng cho cả dự báo không nhân quả và dự báo nhân quả. Dự báo nhân quả tạo dự báo cho ảnh hiện hành từ ảnh trước đó. Dự báo không nhân quả tạo dự báo cho ảnh hiện hành dựa trên ảnh quá khứ lẫn ảnh tương lai. Vòng lặp DPCM được sử dụng để tạo khung sai số dự báo. Sau đó công nghệ mã chuyển đổi chuyển khung sai số này sang miền tần số để nén các hệ số nhờ lượng tử hoá và mã hoá Huffman trước khi truyền tải và lưu trữ. Tiêu chuẩn này có phạm vi ứng dụng rộng rãi cho dạng thức CSIF (common soure intermediate fomat). SCIF là một định dạng nguồn dữ liệu đầu vào của các bộ nén do CCIT quy định phù hợp với hai dạng quét TV 525/60 và 625/50. Dạng thức này gắn với cấu trúc lấy mẫu 4:2:0 được quy định như sau: CCIT -601 525 CSIF525 4:2:0 CCIT -601 625 CSIF625 4:2:0 Số pixel/dòng tích cực Chói Y Điểm màu Cr ,Cb 720 360 352 176 720 360 352 176 Tần số lấy mẫu(Mhz) điểm chói Y Điểm màu Cr, Cb 13,5 6,75 6,75 3,38 13,5 6,75 6,75 3,38 Số điểm ảnh/dòng tích cực Điểm chói Y Điểm màu Cr, Cb 480 480 240 120 576 576 288 144 Tần số khung hình 30 30 25 25 Cỡ ảnh 4:3 4:3 4:3 4:3 Sơ đồ quá trình biến đổi sang định dạngCSIF và kích thước mảng các điểm ảnh Y Cr Cb Cb Cr Cb Cr Cb Cr Y Y CCIR-601 ChØ mµnh lÎ ChØ mµnh lÎ ChØ mµnh lÎ Läc phËp ph©n dßng Läc phËp ph©n dßng Läc phËp ph©n mµnh Läc phËp ph©n mµnh CSIF 720x480 (720x576) 720x240 (720x288) Läc phËp ph©n mµnh 360x240 (360x288) 360x480 (360x576) 180x120 (180x144) 180x240 (180x288) 360x240 (360x288) 360x480 (360x576) Hình 4.5. Quá trình biến đổi định dạng CSIF và kích thước mảng các điểm ảnh Như vậy với tiêu chuẩn nén này, dòng dữ liệu truyền hình chuẩn theo CCIT phải được biến đổi sang dạng CSIF bằng một bộ chuyển đổi (converier). Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng bộ lọc thập phân (horizontal decimation filter) cho tín hiệu chói mành lẻ và bộ lọc thập phân dòng và mành cho tín hiệu màu Cr,Cb mành lẻ. Quá trình giải mã, bộ thu phải dự báo mành chẵn từ mành lẻ được nội suy theo dòng và mành giải mã. /256 vị trí điểm được tính *Các pixel kề nhau của hệ số lọc thập phân n-3 n-2 n-1 n n+1 n+2 n+3 X(-29) X(0) X(88) X(113) X(0) X(88) X(-29) Hình 4.6. Tính toán giá trị cho các điểm ảnh trong lọc thập phân Giá trị pixel tại vị trí n, được tính bằng cánh nhân tất cả các vị trí pixel tại vị trí từ (n-3) đến (n+3) với các hệ số lọc trong hình vẽ. Tổng các tích trên được chia cho 256, kết quả cho giá trị pixel mới tại vị trí n. Tiếp theo tính cho pixel vị trí n+2 theo chu trình trên. ở máy thu cần phải biến đổi ngược lại. Tương tự cách tính trên theo chiều thẳng đứng cho tín hiệu màu Cr, Cb, ta có được kết quả bộ lọc thập phân theo mành. Để giảm mức độ phức tạp và giá thành, bộ giải mã trong MEG-1sẽ có một số tham số được mặc định như sau: Tham số Giá trị cực đại Độ rộng ảnh 768 điểm Chiều cao ảnh 576 dòng Tốc độ ảnh 36 ảnh/s Số lượng MB 396 Véc tơ miền chuyển động ±64 điểm kích thước bộ đệm đầu vào 327 680bit tốc độ bit 1,8 Mbps Cấu trúc dòng bit của tiêu chuẩn này cung giống với tiêu chuẩn MPEG gồm 6 lớp. Sử dụng cả hai dạng nén intra(Biến đổi DCT, lượng tử hoá, mã hoá VLC cho ảnh I). Và nén inter (ước lượng chuyển động, tạo dự báo có bù chuyển động cho ra ảnh B và ảnh P. MPEG-1 Có một số tham số cơ bản sau: Chỉ có cấu trúc lấy mẫu 4:2:0 Kích cỡ điểm ảnh tối đa là 720 pixel với 576 dòng sử dụng các tham số mặc định và kích cỡ 4095x4095 dùng làm tham số đầy đủ. Độ chính xác mẫu đầu vào 8 bit Độ chính xác lượng tử hoá và mã hoá DCT:9bit. Sử dụng lượng tử hoá DPCM tuyến tính cho hệ số DC. Lượng tử hoá thích nghi cho các MB(16x16 điểm) Độ chính xác cực đại của hệ số DC là 8bit. Ma trận lượng tử chỉ có thể thay đổi ở lớp chuỗi. Sử dụng khung P và B Độ chính xác dự báo chuyển động là 1/2 điểm ảnh. Tốc độ bít tối đa là 1,58 Mbit/s khi dùng tham số mặc định cho ảnh 720x576 và 100Mbit/s khi dùng tham số đầy đủ cho ảnh 4095x 4095. MPEG-1 có thể cho phép sự truy cập ngẫu nhiên các khung video, tìm kiếm nhanh thuận ngược theo dòng bit đã nén, phát ngược lại dòng video và khả năng rời bỏ dòng bit nén. 4.2.6. Nén video theo tiêu chuẩn MPEG-2 4.2.6.1. giới thiệu chung * Tiêu chuẩn này còn gọi là ISO/IEC 13818 là sự phát triển tiếp theo của MPEG-1, ứng dụng cho độ phân giải tiêu chuẩn của truyền hình do CCIR-601 quy định. Tiêu chuẩn này gồm 4 thành phần : Phần 1: Hệ thống (IOS/IEC 13818-1) xác định cấu trúc ghép kênh audio , video và cung cấp đồng bộ thời gian thực. Phần 1: Video(IOS/IEC 13818-2) xác định các thành phần mã hoá đại diện cho dữ liệu video và phân loại xử lí giải mã để khôi phục lại hình ảnh . Phần 3: Audio (IOS/IEC 13818-3) mã hoá và giải mã dữ liệu âm thanh. Phần 4: Các hệ thống kiểm tra(IOS/IEC 13818-4) So với MPEG-1 thì MPEG-2 có nhiều cải thiện, ví dụ về kích thước ảnh và độ phân giải ảnh, tốc độ bit tối đa, tính phục hồi lỗi, khả năng giải mã một phần dòng bit mã hoá để nhận được ảnh khôi phục có chất lượng tuỳ thuộc vào mức độ yêu cầu. Đặc điểm của tiêu chuẩn MPEG-2 Hỗ trợ nhiều dạng thức video, đặc biệt là các dạng thức video có độ phân giải không gian cao, dạng thức video xen kẽ của truyền hình . Cú pháp dòng bít MPEG-2 là sự mở rộng của dòng bit MPEG-1. *Tính tương hợp thuận: Bộ giải mã MPEG-2 có khả năng giải mã dòng bit MPEG-1 hoặc một phần dòng bít của MPEG-1. *Tính tương hợp ngược: Bộ giải mã MPEG-1 có khả năng giải mã một phần dòng bít của MPEG-2. *Tương hợp lên: Bộ giải mã độ phân giải cao có khả năng giải mã được dòng bít của bộ mã hoá có độ phân giải thấp. *Tương hợp xuống: Bộ giải mã độ phân giải thấp có khả năng giải mã được một phần dòng bít của bộ mã hoá có độ phân giải cao. MPEG-2 hỗ trợ khả năng co giãn: Co giãn không gian, co giãn SNR(signal to noi radio), co giãn phân chia số liệu… Một trong những đặc điểm quan trọng nhất của MPEG-2 là sự phù hợp với nhiều ứng dụng video. Có thể sử dụng MPEG-2 cho phân phối truyền hình tiêu chuẩn, truyền hình có độ phân giải cao, hoặc truyền dẫn tín hiệu truyền hình thông qua các mạng viễn thông. Tính co giãn của dòng bit MPEG-2 là khả năng giải mã được một phần dòng bit của chính nó độc lập với phần còn lại của dòng bít đó nhằm khôi phục video với chất lượng hạn chế(hạn chế độ phân giải thời gian, độ phân giải không gian, hoặc hạn chế SNR). Dựa trên đặc tính co giãn, dòng bít được chia thành 2 hay nhiều lớp. Tập con nhỏ nhất của cú pháp dòng bit, có thể giải mã một cách độc lập được gọi là lớp cơ bản. Các lớp còn lại gọi là lớp nâng cao. Có nhiều loại co giãn khác nhau như: Co giãn không gian: Dòng bit gồm hai hay nhiều lớp video khác nhau có cùng độ phân giải không gian. Co giãn SNR: Dòng bit gồm hai hay nhiều lớp có cùng độ phân giải không gian nhưng tỉ số tín hiệu / nhiễu là khác nhau. Co giãn thời gian: Dòng bít gồm hai hay nhiều lớp video có cùng độ phân giải không gian nhưng độ phân giải thời gian là khác nhau. Co giãn phân chia số liệu: Dòng bit video được chia thành hai phần. Phần ưu tiên cao (lớp cơ bản ) gồm các hệ số DCT tần thấp, và phần ưu tiên thấp( lớp nâng cao) gồm các hệ số DCT tần số cao. Loại co giãn này chính là một dạng cơ bản của co giãn tần số. Tiêu chuẩn MPEG-2 đã chính thức quy định hai loại co giãn là co giãn không gian và co giãn SNR. Còn các loại co giãn khác mới chỉ ở dạng dự thảo. 4.2.6.2. Cấu trúc dòng bit video MPEG-2 Cấu trúc dòng bít video MPEG-2 có dạng phân lớp và là sự mở rộng cú pháp của cấu trúc MPEG-1. Trước hết nó bao gồm các chức năng của MPEG-1, có nghĩa là chúng tương hợp nhau. Do đó cả hai hướng đi trong dòng bit MPEG-2 , cho phép hoặc theo quy trình của MPEG-1, hoặc theo các chức năng mở rộng thêm riêng của MPEG-2. Chuỗi header MPEG-1 ISO/IEC 11172-2 Chuỗi mở rộng Dòng bit Hình 4.7. Hai hướng đi trong cú pháp dòng bit MPEG-2 Ta có thể chọn một trong hai hướng đi, nhưng hướng mở rộng phải thể hiện được mọi lợi ích của MPEG-1, chấp nhận độ phức tạp cao và nó thể hiện ở hình vẽ sau: Chuỗi header Chuỗi mỏ rộng GOP header GOPmỏ rộng Header ảnh ảnh mở rộng Lớp slice Lớp MB Lớp Block Hình 4.8. Cấu trúc dòng bít video MPEC-2 Chuỗi video được mã hoá bằng sequence header, sau đó là chuỗi mở rộng(nếu có) và các nhóm ảnh. Nếu phần chuỗi mở rộng không được xác định (không có mã báo có thành phần mở rộng) các lớp tiếp theo sẽ thực hiện một quy trình như MPEG-1. Header của nhóm ảnh (GOP)