Nghiên cứu về nén tín hiệu trong truyền hình số

có khối nhớ khung (frame memory or frame store) lưu trữ dữ liệu khung trưóc đó để tính toán đo đạc chuyển động bằng cách so sánh giữa khung cũ và khung mới. Từ đó tạo dựng khung dự báo có bù chuyển động ở đầu ra bộ tạo dự báo. Việc thực hiện đo đạc chuyển động ở bên phát căn cứ vào khung hiện tại mà bên thu chưa có. Bởi vậy, một phép đo như vậy không thể đồng thời tiến hành ở cả bên thu và bên phát mặc dù thông tin vectơ chuyển động là cần cho bên thu để tạo dự báo. Cho nên thông tin về chuyển động (các vectơ chuyển động của các MB (Macroblock)) được truyền tới bên thu nhờ một kênh phụ. Hệ thống DPCM có bù chuyển động là hệ thống có bộ tạo dự báo không nhân quả.
eq
e e
Mã hoá
entropy
Lượng tử
hoá
Kênh
V’
V=tín hiệu đầu vào
e=V-P= sai số dự báo
eq =sai số lượng
V'=e q+p=tín hiệu khôi phục
q
Bộ tạo dự báo
Bộ mã hoá DPCM
Giải mã entropy
V'
Kênh + eq + Đầu ra đã mã hoá +
Bộ tạo dự báo
p
Bộ giải mã DCPM
Hình 3.7 . Mã hoá, giải mã DPCM.
3.2. Nén Video: Công nghệ mã hóa chuyển đổi (TC - Tranform Coding).
Công nghệ mã hóa chuyển đổi có một vai trò quan trọng trong nén ảnh truyền hình. Nếu công nghệ DPCM chỉ cho ảnh chất lượng cao tại tốc độ dòng bit cao thì công nghệ nén “mã hóa chuyển đổi - Tranform Coding” có khả năng sử dụng cùng một thuật toán cho một dải tốc độ bit và chỉ làm suy giảm chất lượng ảnh phục hồi tại tốc độ dòng bít vô cùng thấp.
3.2.1. Xử lý giải mã tương hỗ trong công nghệ TC.
Trong khi công nghệ “điều xung mã vi sai” DPCM xử lý tín hiệu trong miền thời gian thì công nghệ nén “mã hóa chuyển đổi TC” xử lý tín hiệu trong miền tần số. Việc loại bỏ tính có nhớ của nguồn tín hiệu được thực hiện bằng một phép biến đổi có tính thuận nghịch, chuyển một khối các điểm ảnh trong miền thời gian thành khối các hệ số trong miền tần số (mỗi hệ số thay mặt cho một tần số tín hiệu của khối) bằng phép biến đổi thuận và hồi phục các điểm ảnh từ khối các hệ số bằng phép chuyển đổi nghịch.
Phép biến đổi phù hợp nhất cho nén tín hiệu video là phép biến đổi cosin rời rạc (Discrete consine tranform - DCT), thay vì lượng tử hóa và mã hóa trực tiếp biên độ điểm ảnh, người ta sẽ lượng tử hóa và mã hóa các hệ số DCT.
3.2.2. Biến đổi cosin rời rạc (Discrete consine tranform - 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 - 2D với ma trận vuông giá trị điểm NxN sinh ra ma trận vuông hệ số tuần tự như sau:
Trong đó:
F(u,v) = hệ số các khối DCT N x N.
F(x,y) = giá trị mẫu của khối N x N điểm ảnh.
u = tần số trục ngang
v = tần số trục đứng.
C (u), C (v) = 1 nếu u,v = 1,2,...,7
DCT có một tính chất quan trọng, đó là tính biến đổi thuận ngịch. Có nghĩa là từ khối các hệ số có thể hồi phục giá trị các điểm ảnh ban đầu theo công thức chuyển đổi ngược, như sau:
Trong kỹ thuật nén ảnh số, kích cỡ khối được chọn là 8 x 8 vì các lý do sau:
* Thứ nhất: việc nghiên cứu đã chỉ ra rằng Hàm hiệp phương sai (converriance) suy giảm rất nhanh khi khoảng cách pixel mà ở đó Hàm hiệp phương sai được định nghĩa vượt quá 8. Vì vậy, phương pháp nén sử dụng việc loại bỏ các thông tin dư thừa về không gian không cần quan tâm đến các khối pixel lớn hơn 8.
* Thứ hai: Là thuận tiện cho việc tính toán và thiết kế mạch cứng.
Khối 8x8 sau đó được biến đổi với vùng tần số bằng biến đổi 2-D DCT. Đầu ra bộ biến đổi sẽ là 64 giá trị biểu diễn các hệ số của các thành phần tần số trong khối 8x8. Như vậy, hầu hết các thông tin về khối nằm ở vùng tần số thấp và giá trị các hệ số tần số cao rất nhỏ do giá trị các pixel gần nhau thường giống nhau.
Như vậy biểu thức biến đổi DCT thuận cho nén ảnh số như sau:
Hệ số đầu tiên có u=v=0.
Khi đó:
Hệ số này =1/8 tổng giá trị các điểm ảnh trong khối, thay mặt cho mức năng lượng trung bình của các điểm ảnh, gọi là hệ số DC (tần số = 0). Các hệ số còn lại, thay mặt cho các thành phần tần số không gian cao hơn, gọi là các hệ số AC. Sự biến đổi (mức chênh lệch) giá trị biên độ các điểm ảnh theo hướng nào càng lớn thì các hệ số AC theo hướng đó càng cao. Nếu trong khối ảnh có sự dư thừa không gian lớn thì rất nhiều hệ số AC xấp xỉ hay bằng 0.
Sau đây là ví dụ về phép biến đổi DCT 1 chiều cho 8 giá trị tín hiệu chói của dãy 8 điểm ảnh liên tiếp nhau:
Trong đó:
* b,c biểu diễn giá trị trung bình DC và thay đổi mức chói của các điểm ảnh.
* d biểu diễn sự biến đổi biên độ giữa 8 điểm ảnh trong dải tần từ 0 Hz đến 6,75 Hz.
Phép biến đổi DCT chia dải phổ này thành 8 băng, sẽ cho 8 hệ số xác định năng lượng phổ của sóng trong từng dải băng tần này.
591
105
-18
28
-34
14
18
3
Hệ số AC
98
92
95
80
75
82
68
50
DC
FS/2 tần số
8 điểm chói liên tiếp từ một dòng
0 T0 2t0 3t0 thời gian
a: Biên độ chói của 8 điểm liên tiếp b: Mức năng lượng trung bình của khối 1 x 8
Sự biến đổi Năng lượng
độ chói của
điểm
c: Sự biến đổi so với mức trung bình d: Phổ của khối 1 x 8 điểm chói
Năng lượng
Tần số
0 F0 2F0 3F0
e: Sự chia băng tần phổ chói
Hệ số DC
f: Khối 1 x 8 hệ số DCT
Hình 3.8 Phép biến đổi DCT một chiều
Phép biến đổi DCT-2D thực chất được xây dựng từ hai biến đổi DCT - 1D theo chiều ngang và theo chiều đứng. Phép biến đổi cosin rời rạc hai chiều cho một khối 8x8 điểm ảnh được minh hoạ bằng hình sau đây:
Khối 8 X 8 giá trị điểm ảnh
98
92
95
80
75
82
68
50
97
91
94
78
74
81
67
49
95
89
92
77
72
79
65
47
93
87
91
75
70
77
63
45
91
85
88
73
68
75
61
43
89
83
86
71
66
73
59
41
87
81
84
69
64
71
57
39
85
79
82
67
62
69
55
37
Hàng cuối cùng
àng đầu tiên
0 T0
Biên độ điểm chói
Thời gian
2T 0
3T0
Biên độ điểm chói
Thời gian
2T0
3T0
0 T0
98
Biên độ điểm
Thời gian (chiều đứng)
Biên độ điểm
Th ời gian (chiều đứng)
Tần số u
Chiều ngang
Tần số v
Chiều đứng
Thời gian (chiều đứng)
Năng lượng
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
0
0
0
0
0
0
0
0
0
7
V
0
u
7
Khối 8x8 hệ số biến đổi DCT
Hình 3.9. Biến đổi DCT 2 chiều khối 8x8 điểm ảnh.
Trên thực tế, phép biến đổi DCT cho một giá trị hệ số DC cao và các giá trị hệ số AC rất nhỏ. Giá trị điểm - điểm của khối thay đổi theo hướng nào càng nhiều thì giá trị các hệ số AC theo hướng tương ứng càng cao.
Bản thân DCT không nén dữ liệu, nó không làm giảm tốc độ bít. Bởi vậy, để nén dữ liệu người ta cần lượng tử hóa các hệ số DCT theo một bảng trọng số nhất định sao cho các hệ số khác 0 ứng với lượng thông tin trong một khối là nhỏ nhất. Đồng thời các hệ số DCT cũng được quét theo một cách đặc biệt để số hệ số 0 đi liền nhau liền nhất nhằm giảm bớt số bit cần dùng cho mã hóa hệ số DCT.
3.2.3. Lượng tử hóa các hệ số DCT.
Quá trình lượng tử hóa và mã hóa các hệ số DCT chính là quá trình làm giảm tốc độ bit vì bản thân phép biến đổi DCT không nén thông tin. Đây là khâu nhạy cảm nhất trong một hệ thống n