BAI 5- NEN JPEG VA NEN MPEG

Ở phần trên chúng ta đã tìm hiểu một số phép biến đổi toán học là cơ sở cho các kỹ thuật nén ảnh, sử dụng nhiều trong nén dữ liệu video. Phần này chúng ta xem xét một số kỹ thuật nén ảnh được sử dụng phổ biến hiện nayI – KỸ THUẬT NEN ẢNH JPEG JPEG - viêt tăt cua nhom tư Joint Photographic Experts Group. No đươc CCITT(International Telegraph and Telephone Consultative Committee) công nhân va đa đươc công nhân la chuân ISO năm 1991. No co cac đăc điêm sau:1. Ty lê nen cao2. sư dung nhiêu tham sô đê hiêu chinh cac ti lê nen, chât lương nen3. Rât tôt cho cac loai anh đen trăng va cac anh co tone thay đôi liên tuc4. Không qua phưc tap cho ca phân mêm va phân cưng.

Qua trinh nen JPEG co thê tom tăt gôm cac bươc sau :1- Chuyển đổi không gian màu- Chuyên anh tư không gian mau RGB sang không gian mau ( brightness, Hue,

Saturation). Ly do măt ngươi nhân ra nhưng thay đôi nho cua thanh phân luminance nhưng không nhây cam vơi sư thanh đôi cua thanh phân chrominance, ngươi ta dưa vao điêu nay đê bo bơt dư liêu cua thanh phân chrominance . Viêc chuyên đôi không gian mau trong Jpeg va Mpeg đươc thưc hiên theo công thưc sau :

sư dung ba tham sô Y, Cb, Cr ; Y ưng vơi brightness (Độ sang, độ choi) Cb,Cr la hai thanh phân ưng vơi Hue (săc mau) va Saturation(độ đâm nhat). vơi y thuộc khoang [16, 235], khi đo viêc chuyên không gian mau đươc thưc hiên theo công thưc sau:

Y = (77/256)R + (150/256)G + (29/256)B,Cb = −(44/256)R − (87/256)G + (131/256)B + 128,Cr = (131/256)R − (110/256)G − (21/256)B + 128;

Phep chuyên ngươc tư YCbCr theo công thưc :R=Y+1.371(Cr − 128) ;G=Y − 0.698(Cr − 128) − 0.336(Cb − 128) ;B=Y+1.732(Cb − 128).

2- Giảm độ phân giải

Sau khi chuyên đôi không gian mau , ngươi ta giam độ phân giai cua anh gôc, đê lam giam dư liêu cua thanh phân Hue va Saturation. Viêc lam nay co thê theo cac ti lê khac nhau. vi du độ phân giai co thê thay đôi theo ti lê 2:1 giưa hang va cột3. – Chia ảnh thành các khối 8 x8

Anh mau đươc chia thanh cac khôi 8 x8 , coi khôi nay la một đơn vi dư liêu. cac đơn vi dư liêu đươc nen riêng biêt. Trong trương hơp kich thươc anh không la bội cua 8, ta thêm hang vao hang cuôi anh, thêm cột vao cột cuôi bên phai.4- Thực hiện biến đổi cosin trên sơ đồ zizagSư dung phep biên đôi cosin đê biên đôi trên khôi 8 x8 ( đơn vi dư liêu ). Phep biên đôi dươc thưc hiên trên mang 8 x 8 hay trên đơn vi dư liêu anh theo công thưc sau :

Khi giai nen sư dung phep biên đôi cosin ngươc theo công thưc

5.- Lương hoa : Sau khi biên đôi cosin trên cac đơn vi dư liêu ta nhân đươc day co 64 thanh phân , cac thanh phân nay goi la cac hê sô lương tư hay hê sô QC ( quantization coefficient -QC) .Cac hê sô QC đươc lam tron vê dang sô nguyên. Sau đo ngươi sư dung nhiêu khi thuât khac nhau đê giam kich thươc dư liêu cua cac thanh phân nay. Chăng han ky thuât lưu giư sư sai khac tương đôi cua cac hê sô QC hoăc sư dung cac bang lương hoa mau đa đươc khuyên cao bơi nhom Jpeg.6- Sử dụng kỹ thuật nénSư dung ky thuât nen RLE hoăc ma Hufman, ma sô hoc đê ma cac hê sô QC. Ma sô hoc đươc coi la ky thuât ma tôi ưu.

II- Ho chuân nen MPEG

MPEG -viêt tăt cua Moving Pictures Experts Group , no la tên goi chi nhom chuyên gia thưc hiên dư an nen dư liêu media. Dư an nay đươc băt đâu tư năm1988. Kêt qua dư an đa đươc thưa nhân la chuân ISO (International Standardization Organization) va chuân IEC (International Electrotechnical Committee). Thưc chât Mpeg la ky thuât nen dư liêu video, no đươc sư dung đê nen anh va âm thanh sô va đông bộ hai loai dư liêu nay. Đê co cai nhin hê thông vê ho chuân Mpeg , chung ta hay xem xet cac phiên ban cua ho chuân Mpeg. Cho đên nay đa co cac phiên ban sau :-Mpeg-1 :phat triên chuân nen dư liêu multimedia (video, audio) dưa trên muc tiêu la tương tac vơi CD va thiêt bi digital audio broadcasting. Chuân nay đa rât thanh công trong linh vưc thương mai trong thơi gian qua. Đên nay ngươi ta vân dung Mpeg-1 cho dư liêu video va đươc kêt hơp vơi ky thuât nen audio MP3.- Mpeg -2 đươc danh chu yêu muc tiêu truyên hinh sô ( digital television). Cac ky thuât cua no đap ưng cho viêc nen cơi nen va đông bộ dư liêu video trong linh vưc truyên hinh.- Mpeg-3 : vơi muc tiêu nen dư liêu multimedia tương tac vơi cac đia quang co mât độ ghi cao như HDVD ( High-Definition/Density DVD ). Nhưng kêt qua thu đươc không khac biêt nhiêu vơi Mpeg-2 , nên ngươi ta bo phiên ban nay.

- Mpeg-4 vơi muc tiêu nhăm vao nen, cơi nen dư liêu multimedia co tôc độ thâp , cơ vai nghin bit trên giây. No nhăm vao cac thiêt bi xư ly multimedia nho, thiêt bi câm tay như video telephones , mobile phone , thiêt bi di chuyên nhanh (cac thiêt bi multimedia đăt trên xe..) nen , cơi nen va truyên nhanh cac đoan video ngăn. Một đăc điêm quan trong cua Mpeg-4 la ngươi ta đa đưa quan điêm xư ly object vao trong qua trinh xư ly dư liêu nhơ đo no đăt đươc nên tang cho cac linh vưc liên quan phat triên trong tương lai.Cac chuân cua Mpeg co vai tro rât quyêt đinh đên tôc độ truy câp dư liêu.Chuân Mpeg-1 co đôc độ 1.5 Mbit/s . Mpeg-2 co tôc độ thâp nhât 10 Mbit/s. Mpeg -4 nhăm vao cac thiêt bi nho , thiêt bi câm tay nên tôc độ truy câp chi đat tôi đa 64 Kbit/s . Đê hiêu nguyên ly lam viêc cua ho chuân Mpeg chung ta se xem xet ky thuât nen Mpeg-1.

1- Chuân Mpeg-1Mpeg-1 đươc thưc chât cho dư liêu video . tai liêu cua chuân đươc mô ta trong tai liêu IS1172-2.cua tô chưc ISO.Dươi đây chung ta se tim hiêu một sô ky thuât sư dung trong Mpeg-1a - Ty lệ nén video cua Mpeg-1Đê co thê sư dung dư liêu video, Mpeg-1 cân phai đat ti lê nen bao nhiêu ?Đê dê hiêu ta xet vi du sau : - Gia sư anh video co độ phân giai 360×288 - Độ sâu cua anh (depth) 24bit/pixel; - Tôc độ lam tươi anh (refresh rate) 24 frame/s - dư liêu âm thanh : tôc độ lây mâu 44 KHz ; phân giai 16bit/sample; mode stereo.Khi đo tôc độ đoc phân dư liêu anh la :360×288×24×24 = 59,719,680 bits/s; Tôc độ đoc dư liêu âm thanh : 2×44,000×16 = 1,408,000 bits/s.

Như vây đê đoc ca âm va hinh cân tôc độ khoang 61.1 Mbit/s. Nêu đoc vơi tôc độ 1,5 Mbit/s thi hê sô nen cân đat lơn hơn 40 lân. Ơ đây chung ta chưa tinh đên thơi gian giai nen. Điêu nay giai thich vi sao Mpeg-1 phai co ti lê nen cao, tôc độ giai nen nhanh.Lưu y răng tôc độ đoc vât ly cua cac ô đia CD la 150 Kbps – đây la tôc độ cơ ban , ki hiêu la x,b- Mpeg-1 nén dư liệu nhơ kỹ thuật chuyển đổi không gian màuMôi anh trong day anh video đươc chuyên tư không gian mau RGB sang không gian mau Y, Cb, Cr trong đo Y ưng vơi thanh phân aluminance , Cb, Cr ưng vơi Chrominance hai thanh phân nay tương ưng hue (săc mau) va saturate (độ đâm nhat). Dưa vao đăc điêm măt ngươi không nhay cam vơi sư thay đôi cua Cb, Cr , Mpeg-1 lây độ phân giai cua Cb, Cr băng nưa độ phân giai cua Y.

c- Mpeg-1 nén dư liệu và tao thành các goi (packet) Môi goi đươc băt đâu băng code gôm 32 bit, tiêp theo la header va kêt thuc goi băng ma endcode 32 bit. ơ giưa header va end ode co chưa một sô goi.Môi goi chưa dư liêu nen hoăc audio hoăc video. Kich thươc cua môi goi đươc xac đinh trươc bơi bộ ma Mpeg (MPEG encoder theo yêu câu lưu trư hoăc thiêt bi truyên đi) , điêu nay giai thich vi sao một packet không cân đây đu cac anh video, no co thê la phân nao đo cua audio, phân nao đo cua anh video.Hinh H15 dươi đây mô ta câu truc dư liêu nen cua Mpeg-1

d - Mpeg-1 giải nén audio và ảnh động riêng biệt Bộ giai ma Mpeg-1 nhăm khôi phuc lai dư liêu video , no gôm 3 lơp (layer).Lơp giai ma anh video, lơp giai ma audio va lơp data system. Lơp data system co nhiêm vu đoc va phân tich dư liêu trong phân header cua cac goi , cac đương dân dân đên cac goi khac, đông bộ dư liêu đa giai nen ơ cac buffer.

e - Mpeg-1 sử dụng 3 loai ảnh I ,P,B để nén - Anh I (Intra frame, key frame) co thê coi la anh gôc, vơi anh nay khi giai ma no không cân lây thông tin tư anh khac;- Anhr P (predicted picture ) la anh khi giai nen no phai sư dung thông tin tư cac anh trươc no, thương no la nen cua anh I.- Anh B (Bi –directionaly frame ) la anh ma khi giai nen no phai dung ca anh đưng trươc va anh sau no. Anh B la anh co ti lê nen cao nhât. vi du Hinh H1

Hình H1

Hinh H2Tư khai niêm anh I,B,P chung ta dê thây răng trât tư cac anh trên đia CD khac vơi trât tư xuât hiên cua cac anh . Trong hinh H2 , day sô ăm ngang la thư tư anh trên đia CD, cột sô bên phai la thư thư anh khi play.

Khi nen Mpeg sư dung ba kiêu anh I,P, B . Cac anh nay đươc xêp thanh tưng nhom, cac nhom co thê tô chưc thanh loai nhom đong hoăc nhom mơ (open group, closed group).Nhom đong la nhom ma khi khôi phuc anh no chi sư dung cac anh trong nhom, nhom mơ la nhom co thê sư dung anh ơ ngoai nhom đê khôi phuc lai anh. Cac anh I,P,B ơ đâu vao đươc săp xêp theo một trât tư nao đo, sau khi giai nen ta đươc day anh mơi đê hiên thi. Noi chung trât tư hiên thi khac vơi trât tư vao. Một vung cua anh đang xet khi giai ma co thê phai dung đên cac anh trươc, anh sau trong nhom hoăc ngoai nhom.f - Mpeg-1 sử dụng phép biến đổi cosin trong quá trình nénMôi anh đươc Mpeg-1 chia thanh cac khôi cơ ban – goi la macroblock . Khôi cơ ban co kich thươc 16 x16, khôi nay co cung thanh phân luminance.Môi macroblock lai đươc chia thanh 4 khôi 8 x 8 (block) va hai khôi 8 x 8 cho thanh phân chrominance. Cac khôi nay se đươc biên đôi cosin đê lương hoa va ma hoa.

Qua trinh lương hoa va ma hoa cua Mpeg -1 tương tư như Jpeg .Khi ma hoa Mpeg va Jpeg khac nhau ơ bang ma va cach lam trong vê sô nguyên . Mpeg sư dung cach lam tron vê sô nguyên gân nhât, g - Mpeg-1 tổ chưc ảnh thành các slice Môi anh trong Mpeg đươc tô chưc thanh cac slice, môi slice gôm một sô macroblock liên kê nhau co cung mưc xam, tiêu chuân nay ap dung cho cac thanh phân luminance. Khai niêm slice tương ưng vơi một vung rộng cua anh gôm cac macroblock co cung mưc xam.

2 - Chuân MPEG-4MPEG-4 la chuân mơi cho dư liêu audiovisual data.Tuy nhiên nen video va audio vân la đăc điêm nôi trội cua Mpeg -4 .Phân nay mô ta nhưng net chinh vê MPeg4.Mpeg-4 đươc băt đâu tư 5/1991.Năm 1999 công bô chuân phiên ban đâu tiên.Năm 2003 Mpeg-4 ISO va IEC công nhân quôc tê . Tai liêu chuân mang ma sô ISO/IEC 14496.Dươi đây la một sô đăc trưng quan trong cua Mpeg-4 :a- Co cac công cu (Tools) cơ ban đê truy câp dư liêu multimedia. Nhơ cac công cu nay, ngươi ta co thê indexing, linking , quering,browsing,delivering file, deleting file...b- Co thê kêt nôi, thay đôi va Edit cac bitstream trên cac file nen ma không cân cơi nen.c- Cho phep lai ghep dư liêu tư nhiên va nhân tao. cac canh quay tư camera , cung vơi text, cac canh nhân tao co thê tông hơp thanh một canh mơi va nen chung vơi nhau.d- Cho phep truy câp trưc tiêp hay con goi la truy câp random vao dư liêu

điêu nay rât quan trong , lam cho qua trinh xư ly hiêu qua.e. Nen hiêu qua ; do yêu câu cua loai thiêt bi ma mpeg-4 phuc vu cho nên no đoi hoi ti lê nen phai cao, no phai dung hoa cac yêu tô chât lương, tôc độ, dung tich nhơ...f. Cung luc co thê lam viêc vơi nhiêu dong dư liêu ( data streams)g. Rât manh trong xư ly lôi . Do no phai phuc vu trong điêu kiên truyên thông vi du nhiêu, đương truyên bi sư cô.....tât ca đêu co thê sinh ra lôi. h. Co kha năng điêu chinh tôt .Cac dong dư liêu co thê ơ cac độ phân giai khac nhau, tôc độ khac nhau khi giai nen mpeg-4 cho phep đưa vê độ phân giai thâp, tôc độ thâp.SƠ ĐỒ CỦA BỘ MÃ HOÁ VÀ GIẢI MÃ DÙNG MPEG-2

Sơ đô bộ ma hoa va giai ma MPEG 2 đươc trinh bay trên hinh 2.Mã hoá MPEG-2

Qua trinh ma hoa cho P pictures va B pictures đươc giai thich như sau:Dư liêu tư cac khôi anh (macroblocks) cân đươc ma hoa se đươc đưa đên ca bộ

trư (Subtractor) va bộ đoan chuyên động (Motion Estimator). Bộ đoan chuyên động se so sanh cac khôi anh mơi đươc đưa vao nay vơi cac khôi anh đa đươc đưa vao trươc đo va đươc lưu lai như la cac anh dung đê tham khao (Reference Picture). Kêt qua la bộ đoan chuyên động se tim ra cac khôi anh trong anh tham khao gân giông nhât vơi khôi anh mơi nay. Bộ đoan chuyên động sau đo se tinh toan vector chuyên động (Motion Vector), vector nay se đăc trưng cho sư dich chuyên theo ca hai chiêu doc va ngang cua khôi anh mơi cân ma hoa so vơi anh tham khao. Chung ta lưu y răng vector chuyên động co độ phân giai băng một nưa do thưc hiên quet xen ke.

Bộ đoan chuyên động cũng đông thơi gưi cac khôi anh tham khao nay ma chung thương đươc goi la cac khôi tiên đoan (Predicted macroblock) tơi bộ trư đê trư vơi khôi anh mơi cân ma hoa (thưc hiên trư tưng điêm anh tương ưng tưc la Pixel by pixel). Kêt qua la ta se đươc cac sai sô tiên đoan (Error Prediction) hoăc tin hiêu dư, chung se đăc trưng cho sư sai khac giưa khôi anh cân tiên đoan va khôi anh thưc tê cân ma hoa.

Tin hiêu dư hay sai sô tiên đoan nay se đươc biên đôi DCT, cac hê sô nhân đươc sau biên đôi DCT se đươc lương tư hoa đê lam giam sô lương cac bits cân truyên. Cac hê sô nay se đươc đưa tơi bộ ma hoa Huffman, tai đây sô bits đăc trưng cho cac hê sô tiêp tuc đươc lam giam đi một cach đang kê. Dư liêu tư đâu ra cua ma hoa Huffman se đươc kêt hơp vơi vector chuyên động va cac thông tin khac (thông tin vê I, P, B pictures) đê gưi tơi bộ giai ma.

Hinh 2. Sơ đô bộ ma hoa va giai ma dung MPEG