Kỹ thuật truyền hình số

vượt bậc cả về số lượng lẫn chất lượng. Sự phát triển không ngừng của kỹ thuật số đã xâm nhập vào hầu hết tất cả các lĩnh vực khoa học kĩ thuật, kĩ thuật truyền hình cũng không nằm ngoài quá trình đó. Công nghệ số diễn ra trong truyền hình ngày nay không chỉ do yêu cầu ngày càng cao về chất lượng của dịch vụ truyền hình mà còn do sức ép đang tăng lên đối với nguồn tài nguyên phổ tần số. Đối với những nước có nền công nghiệp truyền hình-viễn thông phát triển mạnh, vấn đề này đang trở nên gay gắt hơn bao giờ hết. Bên cạnh đó, nhu cầu cạnh tranh trong nền kinh tế thị trường đã thúc ép các nước này phải nhanh chóng xác lập và lựa chọn chuẩn số thích hợp, để sớm tung ra các thiết bị hay dịch vụ số để chiếm thế thượng phong trên thị trường. Hầu hết các nước hiện nay đã đặt ra lộ trình chuyển đổi sang số và sẽ chấm dứt truyền hình tương tự trong khoảng thời gian từ 10 đến 15 năm tới. Đối với Việt Nam, một nước nghèo với những đặc thù riêng của mình, vấn đề số hoá lại còn có một ý nghĩa khác. Về tài nguyên phổ tần, có lẽ trong vòng 10 đến 15 năm tới, chúng ta cũng chưa bị thúc ép gay gắt như các nước có ngành truyền hình-viễn thông phát triển hiện nay. Bên cạnh mục đích nâng cao chất lượng phục vụ người xem, truyền hình Việt Nam trong 10 đến 15 năm nữa sẽ buộc phải chuyển sang số vì các thiết bị tương tự sẽ không được sản suất nữa. Như vậy, số hoá truyền hình là con đường tất yếu mà truyền hình Việt Nam cần phải đi mặc dù còn rất nhiều khó khăn trước mắt như điều kiện kinh tế còn eo hẹp, nền công nghiệp và trình độ khoa học kỹ thuật còn non trẻ... Trong khuôn khổ của đồ án, em đề cập tới các vấn đề của quá trình thực hiện số hoá đối với tín hiệu truyền hình tương tự, đồng thời trình bày khái quát về các phương thức truyền dẫn, các tiêu chuẩn truyền hình số. Bố cục đồ án bao gồm 6 chương: Chương1: Giới thiệu chung : trình bày về quá trình phát triển, giới thiệu khái quát về hệ thống truyền hình số. Chương2: Xử lý tín hiệu video : bao gồm số hoá và thực hiện nén tín hiệu video. Chương3: Xử lý tín hiệu audio : số hoá và thực hiện nén tín hiệu audio. Chương4: Ghép kênh và truyền tải các dịch vụ : trình bày về quá trình ghép kênh các kênh video, audio,số liệu phụ...của một hay nhiều chương trình truyền hình. Chương5: Các hệ thống truyền hình số : trình bày về các hệ thống truyền hình số ATSC, DVB, ISDB. Chương6: Truyền dẫn tín hiệu truyền hình số : trình bày về các phương thức dịch vụ truyền dẫn như qua cáp, vệ tinh, phát mặt đất... Mặc dù bản thân đã có nhiều cố gắng song do trình độ chuyên môn còn giới hạn, tài liệu tham khảo hạn chế cộng với thời gian thực hiện không dài nên trong quá trình thực hiện chắc không tránh được những sai lầm, thiếu sót. Vì điều kiện thực tế không cho phép nên đồ án của em chỉ dừng lại ở mức độ lý thuyết. Rất mong được sự thông cảm và hướng dẫn, chỉ bảo thêm của các thầy cô và bè bạn để em có thể hiểu rõ hơn về lĩnh vực này. Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô, bạn bè đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện. Đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Tiến Khải, thầy đã trực tiếp chỉ dẫn, định hướng, tạo mọi điều kiện để em hoàn thành đồ án. Chương 1 Giới thiệu chung. Trong những năm gần đây kĩ thuật số đã có những bước phát triển nhảy vọt với các sản phẩm công nghệ cao, giá thành hạ đang được ứng dụng mạnh mẽ vào các ngành kĩ thuật khác. Trước khi kĩ thuật số được áp dụng vào kĩ thuật truyền hình, công nghệ kĩ thuật số đã phát triển ở mức độ cao trong các hệ thống xử lý dữ liệu và hệ thống truyền tin. Kết quả là truyền hình số đã phát triển rất nhanh, thể hiện nhiều ưu điểm so với truyền hình tương tự và đang dần chiếm lĩnh ưu thế tạo nên một cuộc cách mạng thực sự trong công nghiệp truyền hình. Sự dịch chuyển từ các dịch vụ truyền hình dựa trên các ứng dụng của kỹ thuật tương tự sang các dịch vụ truyền hình dựa trên ứng dụng các kỹ thuật số đang phát triển một cách nhanh chóng. Sự dịch chuyển của các dịch vụ truyền hình này một phần là nhờ kết quả của sự hội tụ của các lĩnh vực: truyền hình, viễn thông, các ngành khoa học và đồ hoạ máy tính thông qua việc sử dụng kỹ thuật số. Tín hiệu đầu vào và đầu ra của các hệ thống truyền hình, tại camera và tại đầu thu tương ứng vốn là là tín hiệu tương tự. Như vậy, có một câu hỏi tự nhiên được đặt ra tại sao phải số hoá. Trong khi sự suy giảm tín hiệu của các tín hiệu tương tự được tích luỹ thì khả năng để tái tạo lại một chuỗi xung số một cách chính xác rất dễ dàng. Luồng bit số có thể được xen kẽ trong một kênh, quá trình xen kẽ này cho phép phát xạ, truyền dẫn, lưu trữ , hoặc xử lý tín hiệu phụ cùng với tín hiệu video và audio. Hơn nữa, các kỹ thuật nén số dựa trên sự cắt giảm độ dư thừa có thể được ứng dụng để số hoá các dịch vụ video và audio cho phép truyền một dịch vụ HDTV hoặc nhiều dịch vụ truyền hình bình thường trên một kênh có độ rộng bằng kênh phát hình tương tự quảng bá hiện tại. Sử dụng phương pháp số để tạo,lưu trữ và truyền tín hiệu của chương trình truyền hình trên kênh thông tin mở ra một khả năng đặc biệt rộng rãi cho các thiết bị truyền hình. Trong một số ứng dụng tín hiệu số được thay thế hoàn toàn cho tín hiệu tương tự vì nó có khả năng thực hiện được các chức năng mà tín hiệu tương tự hầu như không thể làm được hoặc rất khó thực hiện, nhất là trong việc xử lý tín hiệu và lưu trữ. So với tín hiệu tương tự, tín hiệu số cho phép tạo, lưu trữ, ghi đọc nhiều lần mà không làm giảm chất lượng hình ảnh. Tuy nhiên, không phải trong tất cả các trường hợp tín hiệu số đều đạt được hiệu quả cao hơn với tín hiệu tương tự (ví dụ như bộ lọc). Mặc dù vậy xu hướng chung cho sự phát triển công nghiệp truyền hình trên thế giới, nhằm đạt được một sự thống nhất chung, là một hệ thống truyền hình hoàn toàn kĩ thuật số có chất lượng cao và dễ dàng phân phối trên kênh thông tin. Sự ra đời của các đầu ghi băng video số thế hệ hai và ba, các bộ chuyển mạch, đồ hoạ chuyển động và các bộ tạo kỹ xảo đặc biệt và sự thoả thuận sử dụng giao diện số nối tiếp năm 1990 đã đẩy nhanh việc cài đặt các thiết bị sản xuất chương trình truyền hình số. Việc sản xuất chương trình truyền hình số sử dụng các đầu ghi hình số đã cho phép các nhà sản xuất chương trình có thể sao chép nhiều lần hơn so với đầu ghi hình tương tự mà vẫn đảm bảo chất lượng . Các ứng dụng của kỹ thuật số cho phép giảm thời gian cài đặt camera từ vài giờ xuống gần như tức thời. Các hệ thống thư viện số làm cho các phương tiện được ghi, bảo quản tư liệu một cách tiện lợi và tìm kiếm thông tin nhanh và dễ dàng. Các lĩnh vực chính trong phát quảng bá còn lại đối với thế giới tương tự là truyền dẫn giữa các trung tâm sản xuất chương trình và truyền dẫn đến đến người sử dụng. Các ngăn cản cuối cùng này cũng đã được vượt qua vào đầu những năm 1990 với những ứng dụng của kỹ thuật nén số, nhìn chung được xây dựng dựa trên ứng dụng của mã hoá chuyển dạng cosin rời rạc (DCT), sử dụng điều chế biên độ vuông góc (QAM) và các kỹ thuật điều chế đa mức gần đây. Vào khoảng năm 1990, các tổ chức truyền hình Bắc Mỹ với nỗ lực của mình đã tìm ra phương tiện phát hình ảnh HDTV trong kênh truyền hình 6Mhz hiện tại, kênh truyền hình UHF được tập trung chủ yếu vào việc sử dụng các phương thức và kỹ thuật nén số để đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống. Các kết quả mô phỏng có tính khả thi thực tế của các hệ thống khác nhau ở Bắc Mỹ đã nhanh chóng được phát triển ở nhiều nơi như ở Châu Âu và các nước và vùng châu á Thái Bình Dương. Kết quả quá trình số hoá hình ảnh truyền hình 525 dòng, 625 dòng tạo ra dòng số liệu video 270Mbit/s, số hoá hình ảnh HDTV tạo ra luồng số liệu 1200Mbit/s. Một kênh có độ rộng 6, 7, 8Mhz chỉ có thể thể mang được tốc độ số liệu tối đa cỡ khoảng 20Mbit/s. Do vậy yêu cầu phải nén số liệu với tỷ lệ 60:1 đối với các dịch vụ truyền hình HDTV. Vào giữa năm 1991, các báo cáo về công việc đang được làm ở Mỹ, các nước Bắc Âu, Anh, Pháp,ý, Nhật và các nước khác đã chỉ ra rằng phương thức giảm tốc độ bit với tỷ lệ 60:1 có thể được áp dụng cho cả hình ảnh HDTV và các hình ảnh truyền hình thông thường. Kết quả này cho thấy hình ảnh của truyền hình có độ phân giải cao HDTV có thể được truyền trên các kênh tương đối hẹp với tốc độ bit từ 15 đến 25Mbits/s và các dịch vụ truyền hình analog thông thường có thể có thể được truyền với tốc độ 1,5 - 12Mbit/s tuỳ thuộc vào chất lượng của dịch vụ. Sử dụng các tiêu chuẩn, các kỹ thuật điều chế đa mức sẽ có thể truyền một kênh truyền hình HDTV hoặc nhiều kênh truyền hình thông thường trong các kênh truyền hình dải VHF và UHF hiện tại có băng thông 6, 7 hoặc 8Mhz. Trong khoảng thời gian từ 1991 tới 1995 sự phát triển của các chuẩn giao tiếp chung giữa các hệ thống vệ tinh số, cáp và phát quảng bá mặt đất đã mở ra một bước ngoặt mới. Nhóm làm việc 11/3 của ITU đã đưa ra các khuyến nghị đối với các thành phần chung của hệ thống quảng bá truyền hình số mặt đất. Những chi tiết đối với phục vụ quảng bá bằng vệ tinh số, cáp được chấp thuận ở một số vùng lãnh thổ theo các khuyến nghị của ITU và chuẩn theo vùng địa lý. Những ứng dụng của kỹ thuật số đối với truyền hình đã đem lại công nghệ truyền hình số với rất nhiều ưu điểm. Công nghệ truyền hình số đã và đang bộc lộ thế mạnh tuyệt đối so với công nghệ truyền hình tương tự trên nhiều lĩnh vực: Chất lượng của dịch vụ cao, cung cấp hình ảnh rõ nét, âm thanh trung thực do tín hiệu số ít nhạy cảm với các dạng méo xảy ra trên đường truyền, có khả năng phát hiện lỗi và sửa sai (nếu có). Tính linh hoạt, đa dạng trong quá trình xử lý tín hiệu. Giá thành hoạt động thấp thông qua việc sử dụng các kỹ thuật nén và độ tin cậy của hệ thống cao. Mật độ chương trình được gia tăng, khả năng cung cấp nhiều dịch vụ trên một kênh dịch vụ truyền hình hiện tại, hiệu quả sử dụng dải thông cao, gia tăng hiệu quả sử dụng tần số. Có tính phân cấp, ví dụ: một dòng dữ liệu có thể được sử dụng để truyền một chương trình truyền hình có độ phân giải cao duy nhất hoặc một vài chương trình truyền hình có độ phân giải tiêu chuẩn. Khả năng truyền tải nhiều dạng thông tin khác nhau, có khả năng cung cấp nhiều loại hình dịch vụ cho đông đảo khán giả hoặc từng cá nhân tạo ra một thị trường đa dạng. Tiết kiệm năng lượng,với cùng một công suất phát sóng, diện phủ sóng rộng hơn so với công nghệ tương tự. Khoá mã đơn giản. Hoàn toàn có khả năng hoà nhập vào môi trường truyền thông đa phương tiện. Truyền hình đã và đang đáp ứng nhu cầu của toàn thể nhân loại trong việc cập nhật thông tin, giải trí. Thế giới đã bước vào một kỉ nguyên mới của thời đại thông tin bằng sự hội tụ của các phương tiện truyền thông. Tuy nhiên, với hệ thống truyền hình quảng bá tương tự, sự hội nhập của công nghệ truyền hình vào hệ thống đa phương tiện rất khó khăn. Để theo kịp xu hướng phát triển của ngành công nghiệp truyền thông kĩ thuật truyền hình cũng cần có sự cải tiến về công nghệ trong toàn bộ hệ thống từ ghi, dựng, truyền dẫn và phát sóng. Các tổ chức quốc tế đã thống nhất các tiêu chuẩn truyền hình số để tạo đà phát triển cho hệ thống mới này. Trước những vấn đề trên, truyền hình số ngày càng thể hiện rõ các ưu điểm của mình và chắc chắn sẽ dần thay thế hệ thống truyền hình tương tự trong một tương lai không xa để kết hợp với các mạng truyền thông khác tạo thành một thế giới thông tin số đa phương tiện phục vụ cho con người một cách hữu hiệu. Để dịch vụ truyền hình số phát triển nhanh chóng bắt buộc phải có sự hợp nhất giữa các chuẩn về mã hoá kênh, mã hoá nguồn, phương thức điều chế, nhận dạng trong, chống lỗi và sửa sai... Số hoá toàn bộ hệ thống truyền hình có nghĩa là chuyển tín hiệu tương tự sang dạng số từ camera truyền hình, máy phát hình, kênh truyền đến máy thu hình. Việc số hoá hệ thống truyền hình hiện nay (các hệ truyền hình PAL, NTSC, SECAM) chủ yếu là các khâu phân tích ảnh cho đến đầu vào máy phát hình (điều chế, sửa và xử lý tín hiệu). Số lượng các máy thu hình hiện nay là rất lớn, nên việc số hoá hệ thống truyền hình phải được thực hiện qua từng giai đoạn (ngoại trừ các hệ thống truyền hình mới, ví dụ hệ thống truyền hình chất lượng cao HDTV). Sử dụng các hệ thống số trong truyền hình đòi hỏi phải biến đổi video tương tự (từ camera truyền hình ở studio) thành tín hiệu video số. Biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tự ở đầu vào máy phát hình. Các thông số của hệ thống số phải được chọn sao cho chất lượng hình ảnh bằng hoặc tốt hơn so với hệ thống số tương tự. Đó là giai đoạn sử dụng hỗn hợp truyền hình tương tự và truyền hình số. Các ứng dụng của kĩ thuật số vào ngành truyền hình có một số nguyên tắc kỹ thuật và các tiến trình riêng biệt bao gồm : Sự phát triển của phương thức nén số liệu , hình ảnh, âm thanh tương thích với các nhu cầu của hệ thống phát hình số và cung cấp các mức thích hợp của hiệu năng hệ thống. Phải có sự nhận dạng của ghép kênh hình ảnh, âm thanh, số liệu , các đặc điểm mã hoá kênh và điều chế đáp ứng yêu cầu của hệ thống. Tìm hiểu phổ và các khía cạnh đặt kế hoạch của các dịch vụ truyền hình số bao gồm vùng phủ sóng cho bộ thu khác nhau và các điều kiện môi trường khác nhau. Khả năng cung cấp hệ thống phát số trong dải VHF và UHF cho phép khả năng hoạt động đồng thời với các dịch vụ truyền hình tương tự đang tồn tại. Tuỳ theo phương pháp biến đổi tín hiệu mà đặc điểm của hệ thống truyền hình số cũng thay đổi theo. Cấu trúc,nguyên lý cấu tạo của hệ thống và các thiết bị truyền hình số tổng quát như sau: Gia công tương tự ADC Ghép kênh Xử lý tín hiệu ADC Gia công tương tự Gia công số Gia công số Mã hoá chống nhiễu Điều chế Đồng bộ Đo kiểm tra Tín hiệu hình Tín hiệu tiếng Tín hiệu phụ Phát Môi trường truyền dẫn Giải điều chế Giải mã hoá kênh Phân kênh Chọn đồng bộ Phát đồng bộ Gia công số Gia công tương tự ADC Gia công số ADC Gia công tương tự Xử lý tín hiệu Tín hiệu hình Tín hiệu tiếng Tín hiệu phụ Tín hiệu đo kiểm tra Hình 1.1 : Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống truyền hình số Đầu vào của thiết bị truyền hình số sẽ tiếp nhận tín hiệu truyền hình tương tự. Trong thiết bị mã hoá (biến đổi A/D), tín hiệu hình 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 đã được lựa chọn. Tín hiệu truyền hình số được đưa tới thiết bị phát. Sau đó qua kênh thông tin rồi được đưa tới thiết bị thu cấu tạo từ thiết bị biến đổi tín hiệu ngược lại với quá trình xử lý tại phía phát. Giải mã tín hiệu truyền hình 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 vói kênh thông tin. Khi tín hiệu số được truyền đi theo kênh thông tin, các thiết bị biến đổi trên được gọi là bộ điều chế và giải điều chế. Khái niệm mã hoá trong kênh được phổ biến không những trong đường thông tin mà trong cả một số khâu của hệ thống truyền hình số ví dụ như máy ghi hình số, bộ điều chỉnh khoảng cách thời gian số, gia công tín hiệu truyền hình số... Chương2 Xử lý tín hiệu video. 2.1 / Số hoá tín hiệu video. Số hoá tín hiệu video là việc thực hiện biến đổi tín hiệu video tương tự sang dạng số. Có hai phương pháp biến đổi: Biến đổi trực tiếp tín hiệu video màu tổng hợp thành tín hiệu video số tổng hợp. Đồng bộ Lấy mẫu Lượng tử Mã hoá Lọc thông thấp Tín hiệu tương tự Tín hiệu số Đồng bộ Lấy mẫu Lượng tử Mã hoá Lọc thông thấp Tín hiệu tương tự Tín hiệu số Hình 2.1: Biến đổi A/D tín hiệu video màu tổng hợp. Biến đổi riêng từng tín hiệu video màu thành phần thành các tín hiệu video thành phần số: Đồng bộ Lấy mẫu Lượng tử Mã hoá Lọc thông thấp Lấy mẫu Lượng tử Mã hoá Lọc thông thấp Lấy mẫu Lượng tử Mã hoá Lọc thông thấp Tín hiệu tương tự Tín hiệu số EB - Ey ER - Ey Ey EB - Ey ER - Ey Ey Hình 2.2: Biến đổi A/D tín hiệu video màu thành phần. Việc lựa chọn phương pháp biến đổi tín hiệu video phụ thuộc vào nhiều yếu tố: yêu cầu về khả năng thuận lợi khi xử lý tín hiệu, yêu cầu về truyền dẫn phát sóng...Số hoá tín hiệu video tổng hợp có ưu điểm là tốc độ bít thấp, điều đó cũng có nghĩa là dung lượng cần để lưu trữ nhỏ hơn, lợi hơn về dải tần. Tuy nhiên tín hiệu video số tổng hợp bộc lộ nhiều nhược điểm trong quá trình xử lý số, tạo kĩ xảo, dựng hình...và nó còn mang đầy đủ những khiếm khuyết của video tương tự nhất là hiện tượng can nhiễu chói - màu. Số hoá tín hiệu video thành phần khắc phục được các nhược điểm trong số hoá tín hiệu video tổng hợp nhưng nó lại tạo ra dòng số có tốc độ bit cao hơn. Với sự phát triển của công nghệ điện tử như ngày nay, các chíp có tốc độ cao ra đời cho phép truyền toàn bộ chuỗi số liệu video số thành phần nối tiếp nhau trên một dây dẫn duy nhất đã tạo thuận lợi cho quá trình xử lý số tín hiệu video thành phần. Mặc dù cả hai phương pháp trên đều được nghiên cứu và áp dụng trong kĩ thuật truyền hình số nhưng do nhờ những tính chất ưu việt nên phương pháp biến đổi tín hiệu video thành phần được khuyến khích sử dụng. Các kĩ thuật của phương pháp này đang được sử dụng rộng rãi và hình thành nên các tiêu chuẩn thống nhất cho truyền hình số. Video số thành phần được coi là phương pháp số hoá sử dụng trong hiện tại cũng như trong tương lai tại các studio hoàn toàn số. Chính vì vậy trong phần xử lý tín hiệu video em chỉ trình bày các kĩ thuật xử lý tín hiệu video thành phần. Quá trình chuyển đổi tín hiệu video thành phần từ tương tự sang số gồm nhiều vấn đề cần xem xét nghiên cứu, nó phải qua nhiều công đoạn và có một số mấu chốt như: tần số lấy mẫu, phương thức lấy mẫu, tỷ lệ giữa tần số lấy mẫu tín hiệu chói và tín hiệu màu, lượng tử hoá,mã hoá... 2.1.1 / Lấy mẫu. Tín hiệu video do có đặc trưng riêng nên ngoài việc thoả mãn định lý lấy mẫu Nyquist, quá trình lấy mẫu còn phải thoả mãn các yêu cầu về cấu trúc lấy mẫu, tính tương thích giữa các hệ thống...Quá trình này phải xác định được tần số lấy mẫu, cấu trúc lấy mẫu nhằm đạt được chỉ tiêu về chất lượng hình ảnh,tính tương thích giữa các hệ truyền hình, tốc độ bít thích hợp và mạch thực hiện đơn giản. Việc chọn tần số lấy mẫu tối ưu sẽ khác nhau với các thành phần tín hiệu khác nhau đồng thời nó cũng phụ thuộc vào hệ thống truyền hình màu. Cấu trúc lấy mẫu chính là sự phân bổ toạ độ các điểm lấy mẫu. Vị trí các điểm lấy mẫu được xác định dựa trên các dòng,mành và thời điểm lấy. Cấu trúc lấy mẫu phù hợp với tần số lấy mẫu sẽ cho phép khôi phục hình ảnh tốt nhất. Có ba dạng liên kết vị trí các điểm lấy mẫu được sử dụng phổ biến cho cấu trúc lấy mẫu tín hiệu video: Cấu trúc trực giao. Các mẫu được sắp xếp trên các dòng kề nhau thẳng hàng theo chiều đứng.Cấu trúc này là cố định theo mành. Hình 2.3: Cấu trúc trực giao. Cấu trúc “ quincunx “ mành. Các mẫu trên dòng kề nhau thuộc cùng một mành xếp thẳng hàng theo chiều đứng nhưng các mẫu thuộc mành 1 lại dịch đi một nửa chu kì lấy mẫu so với các mẫu của mành thứ hai. Hình 2.4: Cấu trúc “ quincunx “ mành. Cấu trúc “ quincunx “ dòng. Các mẫu trên dòng kề nhau của một mành sẽ lệch nhau nửa chu kì lấy mẫu. Các mẫu trên 1 dòng của mành 1 lệch so với các mẫu trên dòng kế tiếp với nó của mành 2 cũng một nửa chu kì lấy mẫu. Hình 2.5: Cấu trúc “ quincunx “ dòng. Với cấu trúc trực giao độ phân giải ảnh bị giảm, cần sử dụng tốc độ bit lớn. Với cấu trúc “quincunx” mành sẽ xuất hiện nhấp nháy các điểm ảnh, phổ tần của mành 2 bị dịch so với phổ mành 1 và có thể lồng với phổ tần cơ bản gây ra méo ở các chi tiết ảnh khi hình ảnh có các sọc hoặc các đường thẳng đứng. Còn đối với cấu trúc “quincunx” dòng sẽ xuất hiện các vòng tròn theo chiều ngang (méo đường biên) tuy nhiên không xảy ra lồng phổ biên với phổ chính. Tóm lại cấu trúc trực giao cho chất lượng ảnh cao nhất vì đối với mắt người thì độ phân giải bị giảm dễ chấp nhận hơn là hai loại méo trên. Chính vì vậy cấu trúc lấy mẫu trực giao hay được sử dụng hơn cả. Sự lựa chọn tần số lấy mẫu tín hiệu video cho các hệ truyền hình không chỉ thoả mãn tiêu chuẩn Nyquist và cấu trúc lấy mẫu mà 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. Nhiều cuộc tranh luận về xác định tần số lấy mẫu đã xảy ra tại các hội nghị quốc tế về phát thanh truyền hình. Tần số lấy mẫu càng cao chất lượng video càng cao,tuy nhiên tần số lấy mẫu lớn đòi hỏi thiết bị, đường truyền phải có dải thông rộng và các bộ nhớ có dung lượng lớn do đó chi phí cho toàn bộ hệ thống tăng lên nhiều lần. Tần số lấy mẫu thích hợp được xác định trong khoảng 12 á 14 MHz. Từ năm 1982 các tổ chức phát thanh truyền hình (SMPTE, EBU, CCIR) đã thống nhất lựa chọn tần số lấy mẫu fs = 13,5 MHz cho cả hai tiêu chuẩn 525 và 625 dòng. 13,5 MHz là tần số duy nhất trong khoảng 12 MHz á 14 MHz có giá trị bằng một số nguyên lần tần số dòng cho cả hai tiêu chuẩn: 13,5 MHz = 864 fH với chuẩn 625 dòng (fH = 15625 Hz). 13,5 MHz = 858 fH với chuẩn 525 dòng (fH = 15750 Hz). Thời gian một dòng của hệ 625 dòng là 64 ms, hệ 525 dòng là 63,56 ms. Thời gian tích cực của một dòng trong hệ 625 dòng là 52 ms. Nếu cả hai hệ đều lấy thời gian tích cực bằng 52ms thì thời gian xoá dòng tương ứng với từng hệ là 12m và 11,56 ms và các thông số cơ bản đối với mỗi hệ là : Tổng số mẫu mỗi dòng. Hệ 625 dòng: 64 ´ 13,5 = 864 mẫu. Hệ 525 dòng: 63,56 ´ 13,5 = 858 mẫu. Tổng số mẫu trong thời gian tích cực của một dòng. Hệ 625 dòng: 52 ´ 13,5 = 702 mẫu. Hệ 525 dòng: 52 ´ 13,5 = 702 mẫu. Tổng số mẫu trong thời gian xoá dòng. Hệ 625 dòng: 12 ´ 13,5 = 162 mẫu. Hệ 525 dòng: 11,56 ´ 13,5 = 156 mẫu. Như vậy mối quan hệ giữa dòng của video số và dòng của video tương tự trong 2 hệ như sau: Hình 2.6: Quan hệ giữa dòng video số và dòng video tương tự hệ 525 dòng / 60 mành. Hình 2.7: Quan hệ giữa dòng video số và dòng video tương tự hệ 625 dòng / 50 mành. Với tín hiệu video thành phần, tần số lấy mẫu thường được biểu thị thông qua tỉ lệ giữa tần số lấy mẫu tín hiệu chói và tần số lấy mẫu các tín hiệu hiệu màu. Tần số lấy mẫu sẽ quyết định bề rộng tối đa của dải phổ tín hiệu. Theo tiêu chuẩn Nyquist tần số lấy mẫu tối thiểu phải gấp 2 lần tần số cao nhất của tín hiệu. Có nhiều tiêu chuẩn lấy mẫu cho 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 các tín hiệu hiệu màu trong đó bao gồm tiêu chuẩn 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0, 4:1:1. Số 4 đầu tiên biểu thị tần số lấy mẫu tín hiệu chói là 13,5 MHz, hai con số tiếp biểu thị tỉ lệ giữa tần số lấy mẫu tín hiệu hiệu màu so với tín hiệu chói. Các định dạng số video có nén chỉ lấy mẫu cho các dòng tích cực của video. Tiêu chuẩn 4:4:4. Tín hiệu chói Y và các tín hiệu hiệu màu CR, CB được lấy mẫu tại tất cả các điểm lấy mẫu trên dòng tích cực của tín hiệu videovới cùng tốc độ lấy mẫu là 13,5 MHz. Hình 2.8 : Tiêu chuẩn 4:4:4. Tiêu chuẩn 4::2:2. Việc lấy mẫu trên 1 dòng tích cực được thực hiện như sau: Điểm đầu tiên lấy mẫu toàn bộ ba tín hiệu Y, CR, CB. Điểm kế tiếp chỉ thực hiện lấy mẫu tín hiệu Y. Khi giải mã, màu suy ra từ màu của điểm ảnh trước. Điểm tiếp theo lại lấy mẫu đủ cả ba tín hiệu. Tuần tự như vậy cứ 4 lần lấy mẫu Y thì có hai lần lấy mẫu CR và hai lần lấy mẫu CB tạo nên cơ cấu 4:2:2. Hình 2.9 : Tiêu chuẩn 4::2:2. Tiêu chuẩn 4:2:0. Tín hiệu Y được lấy mẫu tại tất cả các điểm ảnh của dòng còn tín hiệu hiệu màu thì cứ cách một điểm thì lấy mẫu cho một tín hiệu hiệu màu. Tín hiệu hiệu màu được lấy xen kẽ, nếu hàng chẵn lấy mẫu cho tín hiệu CR thì hàng lẻ sẽ lấy mẫu cho tín hiệu CB. Hình 2.10 : Tiêu chuẩn 4:2:0. Tiêu chuẩn 4:1:1. Trong điểm ảnh đầu lấy mẫu đủ cả ba tín hiệu Y, CR, CB. Ba điểm ảnh tiếp theo chỉ lấy mẫu tín hiệu Y. Khi giải mã, màu của ba điểm ảnh sau phải suy từ điểm ảnh đầu. Hình 2.11 : Tiêu chuẩn 4:1:1. Trong các tiêu chuẩn trên tiêu chuẩn 4:4:4 có khả năng khôi phục lại chất lượng hình ảnh tốt nhất được dùng cho hậu kỳ (xử lý phức tạp), thiết bị studio có chất lượng cao, chương trình gốc. Tiêu chuẩn 4:2:2 đã được sử dụng trong nhiều năm qua như là yêu cầu tối thiểu cho khả năng khoá màu tốt trong môi trường sản xuất chương trình truyền hình. Tiêu chuẩn 4:1:1 thích hợp cho trường hợp độ rộng băng tần tín hiệu hiệu màu số nhỏ hơn 1,5 MHz (thiết bị chất lượng thấp). Nhờ xử lý hình ảnh mà có thể sử dụng lấy mẫu 4:1:1 với khoá màu chất lượng chấp nhận được sử dụng cho làm tin và hậu kì không đòi hỏi chất lượng cao. Tiêu chuẩn 4:2:0 được dùng trong các ứng dụng đặc biệt như: định dạng phân phối tín hiệu số có nén tốc độ bit MPEG. 2.1.2 / Lượng tử hoá. Trong hầu hết các thiết bị video số chất lượng studio quá trình lượng tử hoá là lượng tử hoá đồng đều. Méo lượng tử xuất hiện trong tín hiệu video ở 2 dạng chính: hiệu ứng đường viền và nhiễu hạt ngẫu nhiên. Hiệu ứng đường viền được khắc phục bằng cách tăng số mức lượng tử. khi sử dụng từ mã 8 bit để biểu diễn mẫu thì hiệu ứng đường viền sẽ gần như không còn nhận biết được nữa. Nhiễu hạt ngẫu nhiên được sử dụng để hiệu chỉnh chất lượng ảnh bằng cách cộng tín hiệu “dither” vào tín hiệu video. Dạng thức video số được quy định bởi các thông số: Mức danh định. Khoảng bảo vệ cần thiết (biên bảo hiểm). Số bit tương ứng với mỗi mẫu. Mã “cấm”. Thông số chi tiết của các dạng thức video số được thể hiện qua các bảng dưới đây. Bảng 2.1: Giá trị các từ mã ứng với các mức và điện áp tín hiệu Y. Số hoá 8 bit, 3,196 mV / mức. Điện áp ( mV) Binary Hexadecimal Decimal Mức cấm đối với dòng tích cực 763,927 1111 1111 FF 255 Khoảng trống dự phòng 760,731 : 703,196 1111 1110 : 1110 1100 FE : EC 254 : 236 Mức video 700,000 : 0,000 1110 1011 : 0001 0000 EB : 10 235 : 16 Khoảng trống dự phòng -3,196 : -47,945 0000 1111 : 0000 0001 0F : 01 15 : 1 Mức cấm đối với dòng tích cực -51,142 0000 0000 00 0 Bảng 2.2 : Giá trị các từ mã ứng với các mức và điện áp tín hiệu Y. Số hoá 10 bit; 0,799 mV / mức. Điện áp ( mV) Binary Hexadecimal Decimal Mức cấm đối với dòng tích cực 766,324 : 763,927 11 1111 1111 : 11 1111 1100 3FF : 3FC 1023 : 1020 Khoảng trống dự phòng 763,128 : 700,799 11 1111 1011 : 11 1010 1101 3FB : 3AD 1019 : 941 Mức video 700,000 : 0,000 11 1010 1100 : 00 0100 0000 3AC : 040 940 : 64 Khoảng trống dự phòng -0,799 : -47,945 00 0011 1111 : 00 0000 0100 03F : 004 63 : 4 Mức cấm đối với dòng tích cực -48,744 : -51,142 00 0000 0011 : 0000 0000 003 : 000 3 0 Bảng 2.3 : Giá trị các từ mã ứng với các mức và điện áp tín hiệu CB, CR. Số hoá 8 bit, 3,125 mV / mức. Điện áp ( mV) Binary Hexadecimal Decimal Mức cấm đối với dòng tích cực 396,875 1111 1111 FF 255 Khoảng trống dự phòng 393,750 : 353,125 1111 1110 : 1110 1100 FE : EC 254 : 236 Mức video 350,000 : 0,000 : -350,000 1110 1011 : 1000 0000 : 0001 0000 EB : 80 : 10 235 : 128 : 16 Khoảng trống dự phòng -353,125 : -396,875 0000 1111 : 0000 0001 0F : 01 15 : 1 Mức cấm đối với dòng tích cực -400,000 0000 0000 00 0 Bảng 2.4 : Giá trị các từ mã ứng với các mức và điện áp tín hiệu CB, CR. Số hoá 10 bit; 0,781 mV / mức. Điện áp ( mV) Binary Hexadecimal Decimal Mức cấm đối với dòng tích cực 399,219 : 396,785 11 1111 1111 : 11 1111 1100 3FF : 3FC 1023 : 1020 Khoảng trống dự phòng 396,094 : 350,781 11 1111 1011 : 11 1100 0001 3FB : 3C1 1019 : 961 Mức video 350,000 : 0,000 : -350,000 11 1100 0000 : 10 0000 0000 : 00 0100 0000 3C0 : 200 : 040 940 : 512 : 64 Khoảng trống dự phòng -350,781 : -396,875 00 0011 1111 : 00 0000 0100 03F : 004 63 : 4 Mức cấm đối với dòng tích cực -397,656 : -400,000 00 0000 0011 : 00 0000 0000 003 : 000 3 0 Tín hiệu chói sau khi sửa méo gama được biểu diễn bằng: Y’ = 0.299R’ + 0.587G’ + 0.114B’ Do đó xác định được: R’ - Y’ = 0.701R’ - 0.587G’ - 0.114B’ B’ - Y’ = -0299R’ - 0.587G’ + 0.886B’ Giá trị Y’ dao động từ 0 á 1 trong khi đó giá trị (R’ - Y’) dao động trong khoảng 0.701 á -0.701 và giá trị B’ - Y’ dao động trong khoảng 0.886 á -0.886. Để phạm vi dao động của các mức tín hiệu bằng nhau, có nghĩa là các tín hiệu hiệu màu chỉ dao động trong khoảng 0.5 á -0.5 ta cần nhân các giá trị đó với các hệ số tương ứng. CR’ = KR (R’ - Y’) = 0.5R’ - 0.419G’ - 0.081B’ CB’ = KB (B’ - Y’) = -0.169R’ - 0.331G’ - 0.5B’ Với KR = 0.713. KB = 0.564. R’, G’, B’ là các tín hiệu màu cơ bản sau khi sửa méo gama. 2.1.3 / Tín hiệu chuẩn thời gian TRS (Time Reference Signal). Tiêu chuẩn số hoá tín hiệu video thành phần không thực hiện lấy mẫu các xung đồng bộ. Để đồng bộ dòng tín hiệu video tại đầu và cuối mỗi dòng số tích cực tín hiệu chuẩn thời gian được ghép vào cùng với dòng video số tổng hợp.Trong mỗi khoảng xoá dòng có 8 từ mã dùng làm chuẩn thời gian. Tín hiệu SAV (Start of Active Video) gồm 4 từ mã xuất hiện ở điểm đầu mỗi dòng. Tín hiệu EAV (End of Active Video) cũng gồm 4 từ mã xuất hiện ở điểm cuối mỗi dòng. Như vậy khoảng thời gian bắt đầu từ EAV và kết thúc tại SAV là khoảng xoá dòng. Tín hiệu chuẩn thời gian cho tín hiệu video bao gồm 4 từ mã, mã hoá hệ hex được sắp xếp như sau: Mã hoá 8 bit : FF 00 00 XY. Mã hoá 10 bit : 3FF 000 000 XYZ. Trong cả 2 trường hợp dùng mã hoá 8 bit và 10 bit 3 từ mã đầu đều có giá trị cố định. Vị trí bit 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 XY(8 bit) P0 P1 P2 P3 H V F 1 XYZ(10bit) P0 P1 P2 P3 H V F 1 0 0 Bit F : thứ tự mành : F = 0 : mành 1 (mành lẻ). F = 1 : mành 2 (mành chẵn). Bit V : vị trí khoảng xoá mành : V = 0 : mành tích cực. V = 1 : xoá mành. Bit H : vị trí khoảng xoá dòng : V = 0 : SAV. V = 1 : EAV. Các bit P0, P1, P2, P3 dùng để phát hiện và sửa lỗi. 2.1.4 / Dữ liệu phụ ANC (Ancillary Data). Có hai dạng dữ liệu phụ: Dử liệu phụ theo dòng và dữ liệu phụ theo mành. Dữ liệu phụ được gửi chèn vào bất kì thời điểm nào trong dòng số trừ thời gian dành cho tín hiệu TRS và dữ liệu video.Mức của dữ liệu phụ cũng không được phép bằng 00 và FF (mức dành cho TRS). Một chuỗi._. dữ liệu phụ được khởi đầu bằng tín hiệu chuẩn thời gian cho tín hiệu phụ TRS – ANC gồm 6 từ mã: 00 FF FF TT MM LL Ba từ mã đầu có giá trị không đổi. Từ mã thứ tư TT là mã nhận dạng dữ liệu. Dữ liệu có thể là tín hiệu audio số,chữ viết,thông tin phụ khác...Từ mã thứ 5 và thứ 6 là MM và LL chứa thông tin về số dòng hoặc số lượng từ mã. ANC có thể xuất hiện nhiều lần trong một dòng nếu ta truyền nhiều dòng dữ liệu khác nhau. 2.1.5 / Quan hệ giữa mành số và mành tương tự. Hệ 525 dòng. Trong hệ 525 dòng một ảnh video số được chia làm 2 mành: mành 1 có 262 dòng và mành 2 có 263 dòng. Thời gian xoá của mỗi mành là 19 dòng. Số dòng tích cực tương ứng với mỗi mành bằng243 và 244 dòng. Hình 2.12 : Quan hệ giữa mành số và mành tương tự hệ 525 dòng / 60 mành. Hệ 625 dòng. Trong hệ 625 dòng một ảnh video số cũng được chia làm 2 mành, mành 1 có 312 dòng, mành 2 có 313 dòng. Thời gian xoá của mành 1 có 24 dòng, thời gian xoá của mành 2 có 25 dòng. Hình 2.13 : Quan hệ giữa mành số và mành tương tự hệ 625 dòng / 50 mành. 2.2 / Nén tín hiệu video. Nén tín hiệu video về cơ bản là quá trình trong đó lượng số liệu biểu diễn thông tin của ảnh được giảm bớt bằng cách loại bỏ những số liệu dư thừa trong tín hiệu video. Thực tế số liệu và thông tin không đồng nghĩa với nhau, cần phải phân biệt giữa chúng. Số liệu là chỉ phương tiện dùng để truyền tải thông tin. Với cùng một lượng thông tin cho trước có thể biểu diễn bằng các loại số liệu khác nhau. Độ dư thừa số liệu là vấn đề trung tâm trong nén ảnh số. Trong quá trình nén luôn có sự quan hệ giữa tỉ lệ nén và chất lượng hình ảnh sau khôi phục. Nói chung tỉ lệ nén càng cao chất lượng ảnh khôi phục càng giảm và ngược lại. Chất lượng và quá trình nén có thể thay đổi tuỳ thuộc vào đặc điểm của hình ảnh nguồn và nội dung ảnh. Trong nén ảnh số có các loại dư thừa sau: Dư thừa dữ liệu theo thống kê: gần như tất cả các ảnh đều chứa một số lượng lớn các giá trị dữ liệu thông tin giống nhau. Dư thừa dữ liệu tồn tại trong các vùng rộng của một ảnh (dư thừa không gian) và giữa một chuỗi các ảnh liên tiếp (dư thừa thời gian). Các hệ thống nén sử dụng yếu tố dữ liệu giống nhau không cần phải lặp lại và không cần truyền hết mà chỉ mã hoá một dữ liệu đó và lặp lại toàn bộ ở phần giải mã. Quá trình nhận dạng sự giống nhau đó được gọi là giải tương quan dữ liệu. Dư thừa tâm sinh lý: giá trị của các mẫu trong cùng một ảnh được hệ thống nhìn của mắt người HVS (Human Visual System) tiếp nhận không đều nhau. Hiện tượng này xuất phát từ sự thật là HVS không đáp ứng được với cùng độ nhậy của tất cả các thông tin nhìn thấy. Nếu HVS không thể nhận thấy một sai số thì sai số này không tác động lên chất lượng thu nhận của ảnh khôi phục. Do đó, một số giá trị có thể được thay đổi hoặc loại bỏ mà không ảnh hưởng đến độ dung sai về giảm chất lượng ảnh. Để xác định dung lượng tối thiểu cần sử dụng cho miêu tả, truyền tải thông tin hình ảnh trước hết cần đánh giá lượng thông tin chứa đựng trong hình ảnh. Lượng thông tin chứa trong một hình ảnh tỷ lệ nghịch với khả năng xuất hiện của hình ảnh. Nói cách khác, một sự kiện ít xảy ra sẽ chứ đựng nhiều thông tin hơn một sự kiện có nhiều khả năng xảy ra hơn. 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 một phần tử ảnh được định nghĩa bằng: I (xi) = - Log2P(x) Trong đó : I (xi) là lượng thông tin của phần tử ảnh xi. P(xi) là xác suất xuất hiện của phần tử ảnh xi. Lượng tin tức bình quân của cả tập hợp các phần tử ảnh trong hình ảnh được gọi là entropy và tính theo công thức: H(x) = P(xi) I(xi) = - P(xi) Log2P(xi) Entropy cuả 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 công nghệ nén không tổn hao, entropy là giới hạn dưới của tỷ số bit / pixel. Nếu tín hiệu video được nén với tỷ số bit / pixel nhỏ hơn entropy thì hình ảnh khôi phục sẽ bị mất thông tin và quá trình nén sẽ có tổn hao. Các hệ thống nén dữ liệu là sự phối hợp của nhiều kĩ thuật xử lý nhằm làm giảm tốc độ bit của các tín hiệu số xuống một giá trị dung hoà được với mức chất lượng của ảnh trong các ứng dụng. Nhiều kĩ thuật nén có tổn thất và không có tổn thất đã được đề xuất trong những năm vừa qua tuy nhiên chỉ có một số là thích hợp cho các ứng dụng video. Ngoài ra còn nhiều kĩ thuật khác vẫn còn tiếp tục được nghiên cứu hoặc khó thực hiện như: biến đổi KLT (Karhuren-Loève Transform), WHT(Walsh-Hadamard Transform), lượng tử hoá vector, wavelets, fractal...Riêng lẻ từng kĩ thuật giảm dữ liệu không có ứng dụng đáng kể trong thực tế. Tuy nhiên khi phối hợp một số các kĩ thuật này sẽ mang lại những hệ thống nén rất hiệu quả như JPEG,MPEG-1, MPEG-2... Dữ liệu video Nén không tổn hao Nén có tổn hao DCT VLC RLC Bỏ khoảng xoá Mẫu con DPCM Lượng tử hoá JPEG, MPEG-1, MPEG-2 Hình 2.14 : Sự phối hợp các kĩ thuật nén Trong kĩ thuật nén video cần phân biệt 2 nhóm đó là nén có tổn thất và nén không có tổn thất. Nén không tổn thất. Nén không tổn thất cho phép khôi phục lại thông tin như ban đầu sau khi đã giải nén. Đó là một quá trình mã hoá đảo ngược được. Nén không tổn thất đối với ảnh có chất lượng truyền hình sẽ không cho tỷ lệ nén cao (nhỏ hơn 2:1). Hệ số nén phụ thuộc vào chi tiết ảnh được nén. Các kĩ thuật nén không tổn thất bao gồm: Mã hoá chiều dài thay đổi (VLC : Variable Length Coding): trên thực tế một vài giá trị nhất định sẽ xảy ra thường xuyên hơn các giá trị khác sau khi khung hình được mã hoá dự đoán, chuyển dạng DCT và lượng tử hoá. VLC sử dụng đặc điểm này để thực hiện mã hoá, các giá trị xảy ra thường xuyên được gán với các từ mã ngắn, các giá trị ít xảy ra sẽ được gán với các từ mã dài. Khi thực hiện giải nén, các thiết lập mã trùng hợp sẽ được sử dụng để tạo lại giá trị ban đầu. Mã hoá VLC được xem như là mã hoá entropy và mã hoá Huffman. Mã hoá và giải mã Huffman được thực hiện một cách dễ dàng bằng cách sử dụng các bảng tìm kiếm trong phần cứng. Mã hóa chiều dài động (RLC : Run Length Coding): kĩ thuật này dựa vào sự lặp lại cùng giá trị mẫu dữ liệu để tạo ra các mã đặc biệt chỉ thị sự bắt đầu và kết thúc một giá trị được lặp lại. Chỉ các mẫu có giá trị khác không mới được mã hoá theo số chạy. Số mẫu có giá trị bằng không sẽ được truyền đi dọc theo cùng dòng quét. Các chuỗi 0 được tạo ra bằng quá trình giải tương quan như phương pháp DCT hay DPCM. Sử dụng khoảng xoá dòng và mành: vùng xoá dòng và mành của tín hiệu video sẽ không được ghi và truyền. Mã hóa chuyển dạng cosin rời rạc (DCT: Discrete Cosine Transfom): DCT sẽ chuyển các khối 8x8 điểm ảnh từ miền không gian hai chiều sang miền tần số. Các giá trị tần số gia tăng theo trục hoành từ trái sang phải, các giá trị tần số theo trục tung tăng từ trên xuống dưới. Do vậy góc trái trên cùng sẽ đại diện cho tần số 0 hay một chiều DC, góc phải phía dưới sẽ là tần số cao nhất.Chú ý rằng, quá trình chuyển dạng không làm giảm tốc độ bít, bởi vì cùng một số giá trị bít trên một hệ số được yêu cầu cho khối được chuyển dạng. Điểm mấu chốt của quá trình này là các hệ số tần số được chuyển dạng sẽ phù hợp hơn cho kỹ thuật giảm tốc độ bit. Đặc biệt là ở chỗ các khối hình ảnh được chuyển dạng có chứa các giá trị hệ số bằng 0 và gần bằng 0. Thực tế trong bộ mã hoá tín hiệu video MPEG, DCT được áp dụng cho khung hình sau khi nó được đưa đến mã hoá dự đoán giữa các khung hình. Do vậy các giá trị biên độ thường là nhỏ điều này dẫn đến khối được chuyển dạng có chứa nhiều giá trị nhỏ. Nén có tổn thất. Nén có tổn thất được thực hiện bằng cách liên kết 2 hoặc nhiều kĩ thuật xử lý để biểu diễn tín hiệu hình. Nén có tổn thất có thể đạt tỷ lệ nén cao từ 2:1 đến 100:1. Tỉ số nén phụ thuộc vào nội dung ảnh được dùng trong các ứng dụng. Chất lượng ảnh khôi phục không được như ban đầu vì có sự làm tròn và giảm dữ liệu trong một frame và giữa các frame. Kĩ thuật nén có tổn thất bao gồm: Lấy mẫu băng tần con: đây là phương pháp giảm tốc độ dữ liệu rất có hiệu quả nhưng sự tổn thất độ phân giải ảnh và các thanh phần chồng phổ sẽ làm giảm chất lượng nội dung ảnh gốc. Vì lý do này nên người ta không dùng lấy mẫu băng tần con cho tín hiệu chói. Các phương pháp lấy mẫu băng tần con tín hiệu hiệu màu trong các định dạng 4:2:0 và 4:1:1 hiện được sử dụng trong các ứng dụng ghi. Mã hoá dự báo DPCM (Defferencial Pulse Code Modulation): chỉ truyền phần chênh lệch giữa các mẫu mà không truyền giá trị mẫu đầy đủ. Phần chênh lệch được cộng vào giá trị mẫu đã giải mã và tại đầu cuối giải mã tạo một giá trị mẫu đã khôi phục lại. Quá trình nén được thực hiện bằng cách lượng tử hoá thô tín hiệu vi sai và dùng kĩ thuật VLC cho tín hiệu kết quả. Để loại bỏ sai số truyền, sẽ truyền một giá trị mẫu đầy đủ theo chu kì nhất định. Lượng tử hoá và thực hiện VLC cho các hệ số DCT: kết hợp ba quá trình này sẽ cho phép biểu diễn một khối các byte của pixel bằng một số lượng nhỏ brt và tạo được kĩ thuật nén hiệu quả và kinh tế nhất. Để có sự nhìn nhận trực quan hơn về nén tín hiệu video, dưới đây em xin trình bày cụ thể một số kĩ thuật và hệ thống nén thông dụng. 2:2:1 / Mã hoá dự báo DPCM. Trên thực tế mã hoá DPCM cũng sử dụng kết hợp với các kĩ thuật dự đoán và lượng tử hoá thích nghi để hoàn thiện thêm kĩ thuật nén này, tuy nhiên thì độ phức tạp có tăng lên. Sơ đồ khối bộ mã hóa và giải mã DPCM như sau: ồ Bộ lượng tử hoá ồ Mã hoá entropy Bộ dự đoán Tín hiệu video số + + + - Kênh ồ Bộ lượng tử hoá ồ Mã hoá entropy Bộ dự đoán Tín hiệu video số + + + - Kênh Hình 2.15 : Mã hoá DPCM Giải mã entropy Bộ dự đoán ồ Kênh tín hiệu Đầu ra giải mã + - Hình 2.16 : Giải mã DPCM Có thể phân biệt 2 phương pháp DPCM trong mành và DPCM liên mành DPCM trong mành (Intraframe DPCM). Tín hiệu dự báo được tạo từ các mẫu nằm trong cùng một mành, các mẫu được biến đổi nằm trên cùng một dòng quét (mã giữa các pixel) và cùng với các dòng quét lân cận (mã giữa các dòng). Tín hiệu dự báo sử dụng cho tín hiệu video là tín hiệu tuyến tính. Có hai phương pháp tạo tín hiệu dự báo: Dự báo cố định hay còn gọi là dự báo độc lập với ảnh truyền hình. Dự báo thích nghi hay còn gọi là dự báo phụ thuộc ảnh truyền hình. Việc chọn thuật toán tối ưu tạo tín hiệu dự báo phụ thuộc vào hệ truyền hình đang sử dụng. Bước tiếp theo của DPCM là chọn phương pháp lượng tử hoá tối ưu. Dựa trên đặc điểm của mắt người ta có thể sử dụng đặc trưng lượng tử hoá tuyến tính lẫn phi tuyến. Đặc tuyến cần lựa chọn sao cho khi mã hoá tín hiệu bằng số bít nhỏ nhất mà méo lượng tử vẫn có thể ở mức chấp nhận được. Trong DPCM, ngoài méo lượng tử tính chất của PCM còn xuất hiện méo đặc trưng đối với các phương pháp vi sai như: nén đường biên (stope over-load), nhiễu hạt (granular noise), nhiễu chuyển động đường biên (edge busyness). Cũng giống như việc tạo dự báo, đặc trưng của lượng tử trong DPCM có thể là cố định độc lập với ảnh lượng tử hay phụ thuộc vào tín hiệu lượng tử hoá. DPCM giữa các mành (Interframe DPCM). Tín hiệu dự báo được tạo trên cơ sở các mẫu nằm ở các mành kề trước đó. Phương pháp này tận dụng quan hệ chặt chẽ giữa các mành kế nhau của ảnh và đặc trưng của mắt(nhạy với méo trong ảnh tĩnh hơn ảnh động).Nghiên cứu thống kê về cấu trúc ảnh và tín hiệu video cho thấy rằng sự khác nhau giữa các ảnh là không lớn. Để tạo lại 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. Phương pháp cơ bản của DPCM giữa các mành là mã hoá trực tiếp vi sai giữa các mành kề nhau. Nguyên tắc hoạt động được trình bày như trong sơ đồ sau: Mạch trừ Lượng tử hoá m mức Kênh truyền Cộng Trễ mành Cộng Trễ mành Tín hiệu video vào Tín hiệu video ra Tín hiệu dự báo Hình 2.17 : Sơ đồ khối DPCM liên mành. Trong nhiều biến thể của DPCM giữa các mành, có thể thực hiện việc mã hoá tiết kiệm. Nó dựa trên đặc điểm của mắt người, cho phép giảm độ phân giải đối với ảnh chuyển động nhiều hơn so với ảnh tĩnh. Phương pháp này chỉ truyền các điểm ảnh cần thiết và ở phía thu khôi phục tất cả các điểm ảnh còn lại bằng phương pháp nội suy. Đối với tín hiệu video thường sử dụng hàm nội suy tuyến tính. 2:2:2 / Mã chuyển vị (Transform Coding). Việc mã hoá riêng rẽ các điểm ảnh sẽ không tận dụng được mối quan hệ giữa các khối điểm trong ảnh số. Mã chuyển vị là một cách có hiệu quả trong việc mã hoá khối điểm thông qua biến đổi tuyến tính các điểm này thành các hệ số chuyển vị và thực hiện mã hoá các hệ số chuyển vị đó. Phương pháp này tập trung vào một số ít các hệ số chuyển vị chứ không phải là các điểm ảnh của ảnh gốc, trong khi đó lượng thông tin chỉ có trong một số ít các hệ số chuyển vị. như vậy số bit dùng cho quá trình mã hoá sẽ ít đi. Một lý do nữa là HVS không thể nhận biết được hoàn toàn các chi tiết của ảnh khi những chi tiết đó biến đổi nhanh so với các biến đổi chậm, bởi vậy để mã hoá các hệ số chuyển vị ở tần số cao ta chỉ cần một số ít bit mà chất lượng hình ảnh cảm nhận được gần như không thay đổi. Với biến đổi một chiều (1D), thực hiện theo: Y = T . X T: ma trận thuận n * n với các hệ số aij (i, j trong khoảng 1á n). n: số mẫu trên dòng quét. X: xác định n vector. T phải thoả mãn là ma trận trực giao. Với biến đổi 2D các khối điểm n * n mẫu được biểu diễn dưới dạng ma trận X có các phần tử xij . Ma trận Y với các phần tử ykl được xác định theo công thức: ykl = aklijxij Biến đổi ngược: xij = bijkl ykl Biến đổi ảnh 2D tiểu ảnh X thành ma trận Y được thực hiện như sau: X = ykl akl Trong hệ thống mã chuyển vị hai chiều cho ảnh số, trước tiên một ảnh số được chia ra làm nhiều khối hình chữ nhật, sau đó các khối này được chuyển vị. Trong mã chuyển vị bước đầu tiên là phải chọn một chuyển đổi thích hợp để giảm sự đối lập giữa các điểm trong khối một cách hiệu quả. Quá trình chuyển đổi thành mã chuyển vị không làm nén dữ liệu mà nó chỉ là bước chuẩn bị cho việc giảm dữ liệu trong quá trình lượng tử hoá. Phương pháp chuyển đổi tối ưu cho mã chuyển vị là phương pháp mà đạt được bình phương của lỗi trong quá trình xây dựng lại ảnh (với một số bit đã cho) là nhỏ nhất. Theo nghiên cứu người ta thấy rằng phương pháp chuyển đổi tối ưu là chuyển đổi KL nhưng nó không có một thuật toán biến đổi nhanh tổng quát. Do đó phương pháp này không phổ biến. Người ta đã nghiên cứu và đưa ra các phương pháp chuyển đổi gần tối ưu để thay thế, phương pháp thông dụng nhất là biến đổi DCT (Discrete Cosine Trasform). DCT được đưa ra vào năm 1974, từ đó tới nay đã có rất nhiều thuật toán biến đổi nhanh cho việc tính toán DCT và ta sẽ xem xét dưới đây. DCT một chiều. DCT một chiều biến đổi một bảng số biểu diễn các biên độ tín hiệu của các điểm khác nhau theo thời gian hoặc theo không gian thành một bảng khác của các số, mỗi số biểu diễn biên độ của một thành phần tần số nhất định từ tín hiệu gốc.Bảng kết quả chứa đựng cùng số giá trị như bảng gốc, phần tử thứ nhất là trung bình của tất cả các mẫu trong bảng đầu vào và được coi như hệ số điều chế DC, các phần tử còn lại, mỗi phần tử biểu thị biên độ của một thành phần tần số đặc trưng của bảng đầu vào và được gọi là các hệ số AC. Phép biến đổi được tính theo công thức: X(k) = C(k) Hàm biến đổi ngược (DCT một chiều ngược): x(m) = C(k) Trong đó: k: chỉ số bảng kết quả. m: chỉ số của bảng mẫu. N: độ lớn của bảng mẫu. X(k): bảng kết quả. x(m):bảng mẫu. Hình dưới đây minh hoạ quá trình mã hoá DCT một chiều gồm 8 điểm ảnh biểu diễn tín hiệu chói theo tiêu chuẩn lấy mẫu 4:2:2. 8 điểm chói liền nhau trên một dòng 98 92 95 80 75 82 68 50 Biên độ chói của 8 điểm ảnh liên tiếp Mức trung bình DC của một khối trên 1 dòng 1*8 điểm ảnh Biến đổi biên độ so với mức trung bình Phổ điểm chói trong khối 1*8 591 106 -18 28 -34 14 18 3 Phân chia các dải phổ Các giá trị hệ số DCT Hình 2.18 : Quá trình mã hoá DCT một chiều DCT hai chiều. Để đạt được mức giải tương quan cao hơn của nội dung một ảnh, người ta sử dụng DCT hai chiều cho khối 8*8 điểm ảnh. Biến đổi DCT hai chiều được tính theo công thức: F(u,v) = Trong đó: C(u), C(v) nhận giá trị với u=0, v=0. C(u), C(v) nhận giá trị 1 với u,v còn lại. Phương trình trên là một liên kết của hai phương trình DCT một chiều. Hệ số u=v=0 là hệ số điều chế của tín hiệu video (hệ số DC). Phép biến đổi ngược được tính toán theo công thức: f(i,j) = Phép biến đổi DCT hai chiều là hoàn toàn đảo ngược và luôn luôn có thể tạo lại các giá trị mẫu f(i,j) trên cơ sở các hệ số F(u,v) với điều kiện độ chính xác về tính toán đủ lớn. Hình dưới đây minh hoạ bảng kết quả của quá trình mã hoá DCT hai chiều với một khối 8*8 điểm ảnh. (a) (b) (c) Hình 2.19 : Biến đổi DCT hai chiều Hình (a) biểu diễn bảng tỷ lệ mức chói, hình (b) biểu diễn giá trị mức chói của các phần tử ảnh tương ứng, hình (c) biểu diễn khối các hệ số sau khi thực hiện DCT. Đặc điểm của các hệ số DCT hai chiều là hệ số điều chế DC nằm ở góc trái trên cùng. Các hệ số dưới giá trị thành phần một chiều biểu thị các tần số cao hơn theo chiều dọc. Các hệ số bên phải của thành phần một chiều biểu thị các tần số cao hơn theo chiều ngang. Hệ số trên cùng cận phải (0,7) đặc trưng cho tín hiệu có tần số cao nhất theo phương nằm ngang của ma trận. Hệ số hàng cuối cùng bên trái (7,0) đặc trưng cho tín hiệu có tần số cao nhất theo phương thẳng đứng. Các hệ số còn lại ứng với những phối hợp khác nhau của các tần số theo chiều dọc và chiều ngang. Khi biến đổi DCT áp dụng cho các tín hiệu video số thành phần Y, CR, CB các tín hiệu màu CR, CB có biên độ cực đại là ±128 giá trị nhị phân trong hệ thống sử dụng 8 bit biểu diễn mẫu, và biên độ chói Y có biên độ từ 0á255. Để đơn giản cho các bộ mã hoá DCT, tín hiệu chói Y được dịch xuống mức ngang bằng với mức tín hiệu CR, CB . Như vậy khi giải mã DCT giá trị 128 sẽ được cộng với từng giá trị điểm ảnh để thu được tín hiệu Y ban đầu. Khối các hệ số DCT thu được có hệ số DC lớn đặc trưng cho giá trị trung bình thành phần một chiều, còn lại các hệ số AC có giá trị rất nhỏ và phần lớn bằng 0 biểu diễn cho các thành phần tần số cao theo hướng ngang và theo hướng thẳng đứng. Mặc dù có nhiều hệ số tần số bằng 0, giá trị của các hệ số có tần số cao đóng vai trò quan trọng trong việc tạo lại hình ảnh trong quá trình biến đổi DCT ngược. Các hệ số AC theo hướng ngang thường lớn hơn các hệ số AC theo chiều thẳng đứng. Tóm lại DCT làm giảm độ tương quan không gian của thông tin trong khối điểm ảnh. Điều đó cho phép biểu diễn thích hợp ở miền DCT do các hệ số DCT có xu hướng có phần dư thừa ít hơn. Hơn nữa, các hệ số DCT chứa thông tin về nội dung tần số không gian của thông tin trong khối điểm ảnh. Nhờ đặc tính tần số không gian của HVS các hệ số DCT có thể được mã hoá phù hợp để chỉ có các hệ số DCT quan trọng nhất mới được mã hoá và truyền đi. 2.2.3 / Nén trong ảnh (Intra-frame Compression). Nén trong ảnh là loại nén nhằm giảm bớt thông tin dư thừa trong miền không gian, nó bao gồm cả hai quá trình có và không tổn hao để giảm bớt dữ liệu trong một ảnh.Quá trình này không sử dụng thông tin của các ảnh trước và sau ảnh đang xét. Thuật ngữ ảnh ở đây cần được hiểu một cách chính xác bởi lẽ trong kĩ thuật nén ảnh cho phép sử dụng mành (field) hoặc ảnh (frame) như một ảnh gốc. Nếu kĩ thuật nén dùng mành thì nén trong ảnh sẽ tạo ra hai ảnh trong một ảnh. Vì vậy, khi bàn về nén, thuật ngữ ”ảnh” không luôn luôn đồng nghĩa với thuật ngữ ảnh trong lĩnh vực truyền hình. Hình 2.20 : Nén theo ảnh (Frame). Hình 2.21 : Nén theo mành (Field). Sơ đồ nguyên lý chung của quá trình nén trong ảnh như sau: DCT thuận Lượng tử hoá Mã hoá entropy Mạch trộn Khuếch đại đệm Tiền xử lý Điều khiển tốc độ bit Bảng lượng tử Nguồn ảnh Tín hiệu ảnh nén Hình 2.22 : Nén trong ảnh (Intra-frame Compression) Tiền xử lý. Trước khi thực hiện DCT cả ảnh được chia thành các khối lớn MB (Macro Block) riêng biệt không chồng nhau. Mỗi MB bao gồm 4 block các mẫu tín hiệu chói và một số các block của tín hiệu hiệu màu phụ thuộc vào tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu video.  (a) 4:2:0 (4:1:1) (b) 4:2:2 (c) 4:4:4 Hình 2.23 : Cấu tạo của MB theo các chuẩn lấy mẫu Tất cả các block đều có cùng kích thước và là một ma trận 8*8 điểm ảnh được lấy từ một ảnh màn hình theo chiều từ trái sang phải, từ trên xuống dưới. Số đánh trên mỗi block xác định thứ tự của block đó trong chuỗi gửi đến bộ mã hoá DCT. Kích thước block là 8*8 được chọn bởi hai lý do: Từ nghiên cứu cho thấy hàm hiệp phương sai suy giảm rất nhanh khi khoảng cách từ pixel mà ở đó nó được định nghiã vượt quá 8. Nếu kích thước block tăng sẽ gây khó khăn cho việc tính toán và thiết kế mạch cứng. Thực hiện DCT thuận. Công đoạn đâu tiên của hầu hết các quá trình nén là xác định thông tin dư thừa trong miền không gian của một mành hoặc một ảnh trong tín hiệu video. Nén không gian được thực hiện bởi biến đổi cosin rời rạc. DCT biến đổi dữ liệu dưới dạng biên độ thành dữ liệu dưới dạng tần số. Mục đích của quá trình biến đổi là tách liên kết các pixel của từng ảnh con họăc gói càng nhiều năng lượng của ảnh con vào một phần nhỏ các hệ số hàm truyền. Việc mã hoá và truyền chỉ thực hiện với các hệ số năng lượng này và có thể cho kết quả tốt khi tạo lại tín hiệu video có chất lượng cao. Hiện nay, DCT đã trở thành tiêu chuẩn quốc tế cho các hệ thống mã chuyển vị bởi nó có đặc tính gói năng lượng tốt, cho kết quả là số thực và có các thuật toán nhanh để thể hiện chúng. Các phép tính DCT được thực hiện trong phạm vi các khối đã được chia ở phần tiền xử lý. Hiệu quả của việc chia này là một trong những hướng quan trọng của mã hoá video có chất lượng cao. Lượng tử hoá. Các hệ số F(u,v) nhận được sau khi thực hiện DCT có giá trị khác nhau nên chúng có thể được lượng tử hoá bằng phương pháp khác nhau. Những hệ số tương ứng với tần số thấp có giá trị lớn, chứa phần lớn năng lượng chính của tín hiệu được lượng tử hoá với độ chính xác cao. Hệ số DC đòi hỏi độ chính xác cao nhất do nó biểu thị giá trị độ chói trung bình của từng khối phần tử ảnh. Bất kì một sai sót nào trong quá trình lượng tử hoá hệ số DC đều có thể nhận biết dễ dàng bởi nó làm thay đổi mức chói trung bình của khối. Lượng tử hoá 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). Các hệ số có tần số thấp được chia cho các giá trị nhỏ, các hệ số ứng với tần số cao được chia cho các giá trị lớn hơn, sau đó các hệ số được làm tròn (bỏ đi phần thập phân). Kết quả nhận được là bảng Fq(u,v) mới trong đó phần lớn các hệ số tần số cao sẽ bằng 0. Mức độ tổn hao thông tin của quá trình lượng tử phụ thuộc vào giá trị các hệ số trên bảng lượng tử. Với sự lựa chọn các giá trị của Q(u,v) thích hợp sự khác nhau giữa ảnh gốc và ảnh biểu diễn sẽ nhỏ đến mức mắt người không cảm nhận được. Mã hoá entropy. Khi dùng mã hoá entropy có hai vấn đề được đặt ra: thứ nhất là nó làm tăng độ phức tạp và yêu cầu bộ nhớ hơn so với mã độ dài cố định, thứ hai là nó gắn liền với tính không ổn định của tín hiệu video do đó sẽ làm tốc độ bit thay đổi theo thời gian. Bởi vậy cần có một cơ cấu điều khiển bộ đệm khi mã hoá nguồn tốc độ bit biến đổi được ghép với kênh tốc độ bit hằng. Trong qua trình mã hoá này mã Huffman được dùng phổ biến, ngoài ra còn sử dụng thêm mã RLC để tăng hiệu suất nén. Để mã hoá entropy các hệ số được lượng tử hoá, trước hết cần biến đổi mảng hai chiều các hệ số thành một chuỗi số một chiều bằng cách quét zig-zag. Hình 2.24 : Quét zig-zag các hệ số lượng tử hoá DCT. Việc xử lý 64 hệ số của khối bằng cách quét zig-zag làm tăng tối đa chuỗi các giá trị 0 liên tiếp và do vậy làm tăng hiệu quả nén khi dùng RLC. Sau khi thực hiện RLC, các từ mã RLC có tần suất xuất hiện cao được mã hoá bằng các từ mã ngắn, các từ mã RLC có tần suất xuất hiện thấp được mã hoá bằng các từ mã dài. Quá trình này được gọi là mã hoá với độ dài từ mã thay đổi (VLC). Tại đầu ra VLC tất cả các từ mã của cùng một khối DCT được kết hợp tạo thành một dòng tín hiệu ra. Điều khiển tốc độ bit. Từ mã VLC được tạo ra với tốc độ thay đổi phụ thuộc vào độ phức tạp của ảnh và được ghi vào bộ nhớ đệm. Bit đọc ra từ bộ nhớ đệm tại một tốc độ cố định tuỳ theo thiết kế. Điều khiển bộ đệm thường là một cơ cấu hồi tiếp, cơ chế của nó là luôn đảm bảo bộ nhớ không trống hoặc không tràn bằng cách thay đổi hệ số thang độ dùng cho bảng trọng số (thay đổi hệ số nén). Khi số liệu trong bộ nhớ đệm gần bằng dung lượng cực đại thì các hệ số biến đổi DCT được lượng tử hoá ít chính xác hơn (tăng tỷ số nén). Ngược lại, khi bộ nhớ đệm gần cạn số liệu thì độ chính xác của việc lượng tử hoá các hệ số sẽ tăng lên (giảm tỷ số nén). Quá trình này được thực hiện khi biến đổi DCT một cách tự động bằng mạch phản hồi điều khiển tốc độ bit một cách thích hợp. Quá trình giải nén trong ảnh dựa trên cơ sở thực hiện thuật toán ngược với quá trình nén. Các bảng lượng tử và bảng mã Huffman xác định tại bộ mã hoá DCT được sử dụng để phục hồi các giá trị hệ số DCT của khối 8*8 điểm ảnh. Sau giải nén ta thu được ảnh khác biệt rất ít so với ảnh gốc, sự khác nhau này không làm ảnh hưởng nhiều đến sự nhận biết của mắt. Tuy nhiên việc làm giảm mức lượng tử hoá sẽ dẫn đến việc làm giảm lượng thông tin của ảnh được truyền, nếu tăng mức nén sẽ gây ra méo ảnh, chính vì vậy các họ nén sử dụng DCT được xếp vào nhóm có mất thông tin. Như vậy có thể khái quát quá trình nén trong ảnh và giải nén trong ảnh cơ bản theo sơ đồ sau: Định dạng và cấu trúc khối DCT Lượng tử hoá Quét zig-zag RLC VLC Bộ đệm Bảng trọng số Bảng Huffman Hệ số cân bằng Mã DPCM hệ số DC Phân lớp năng lượng khối Điều khiển đệm Xác định khối Lựa chọn tốc độ dòng bit ra Dòng tín hiệu nén Y CR CB Hình 2.25 : Quá trình nén trong ảnh. Bảng Huffman VLC RLC (zig-zag)-1 Lượng tử hoá IDCT Tách khối và cấu trúc khối Giải mã DPCM hệ số DC Bảng lượng tử Y CR CB Hình 2.26 : Quá trình giải nén trong ảnh. 2.2.4 / Nén liên ảnh (Inter-frame Compression). Một phương pháp mạnh của việc giảm tốc độ bit thông tin là dự đoán các phần tử ảnh từ các khung hình trước đó, sau đó sẽ so sánh sự khác nhau giữa hình ảnh thực tế và hình ảnh dự đoán và truyền đi sự sai khác đó. Đây chính là quá trình loại bỏ thông tin dư thừa trong miền thời gian của tín hiệu video. Trong hầu hết các hình ảnh giá trị khác nhau giữa các hình ảnh gần nhau là rất nhỏ như vậy việc mã truyền các thông tin sai khác này sẽ tốn rất ít số bit, điều này cho phép giảm tốc độ bit một cách đáng kể. Tại bộ giải mã quá trình dự đoán được làm giống như bộ mã hóa, giá trị dự đoán sẽ được thêm vào giá trị sai khác được truyền để nhận được giá trị phần tử ảnh nguyên gốc. Để cải thiện quá trình dự đoán, các khối 16x16 điểm ảnh trong mành hiện thời được so sánh với các khối trong vùng tìm kiếm được xác định trong mành trước đó. Khối nào có giá trị gần giống nhất sẽ được lựa chọn và trừ đi giá trị của khối hiện thời. Quá trình này sẽ giảm tối thiểu giá trị khác nhau được phát. Nó được xem như là quá trình bù cho sự chuyển động của các đối tượng trong hình ảnh. Giá trị véc tơ xác định vị trí liên quan đến khung phù hợp nhất với khung hiện thời về mặt không gian sẽ được mã hoá và truyền đi đến bộ giải mã. Vị trí của khối hiện thời trong khung hình n-1 Vị trí của khối hiện thời trong khung hình n-1 Véc tơ chuyển động Cửa số tìm kiếm Hình 2.27 : Sự bù chuyển động. Để giảm quá trình tính toán vector chuyển động, độ phân giải của ảnh có thể được giảm xuống theo cả hai chiều ngang và chiều thẳng đứng. Bằng cách này có thể làm giảm số bit cần xử lý và dự đoán các phần tử chính được thay thế trọng khung hình. Dự báo bù chuyển động dựa trên các khung hình trước là dự đoán một chiều đơn giản và thường gọi là dự đoán thuận. Các khung hình dự đoán được gọi là các khung P (Predicted Frame). Dự báo nội suy bù chuyển động là dự đoán hai chiều, sử dụng thông tin trong một khung hình trước và một khung hình tương lai sau khung hình hiện tại để dự báo khung hình hiện tại gọi là khung hình B (Bidirectionally Predicted Frame). Dự báo hai chiều cho khả năng nén số liệu cao hơn dự đoán một chiều, tuy nhiên dự đoán ngược chỉ thực hiện được khi khung hình tương lai được truyền đi trước khung hình hiện tại B. Khung hình I là khung hình mã hoá dự đoán trong mành, khung hình P là khung hình dự đoán giữa các mành, khung hình B là khung hình dự đoán hai chiều giữa khung I và khung P. Hình 2.28 : Dự đoán trước Dự đoán hai chiều Các khung hình I, B và P . Khung được dự đoán (5) nhận được từ khung I (1) đã được gửi. Trong ví dụ này 3 khung B được gửi giữa khung P và khung I. Khung (2), (3), (4) được nội suy từ khung hình trước (1) và khung hình tương lai (5). Để thực hiện tìm kiếm trong khung hình tương lai tất cả các khung được lưu trữ trước khi xử lý. Một điểm thuận lợi của nội suy hai chiều là khung hình tiếp sau có thể cung cấp thông tin về cảnh thay đổi cho khung hình hiện tại mà khung hình trước đó không cung cấp. Do khung B có thể nhận được ở bộ giải mã mà không cần gửi thêm nhiều thông tin như các khung hình khác nên tốc độ bit có thể được giảm rất nhiều. Điểm không thuận lợi của việc sử dụng khung hình B là yêu cầu xử lý phức tạp, yêu cầu nhiều bộ nhớ hơn, đặc biệt gía thành của bộ giải mã sẽ đắt hơn. Hình 2.29 : Nén liên ảnh. Trên hình vẽ là sơ đồ khối nguyên lý của mạch nén liên ảnh (với ảnh dự đoán trước) và mạch nén liên ảnh (với ảnh dự doán hai chiều). Sự khác nhau cơ bản giữa hai mạch, mạch tạo ảnh B và mạch tạo ảnh P ở bộ nhớ ảnh so sánh. Để tạo ảnh P chỉ cần nhớ ảnh trước đó, trong khi đó để tạo ảnh B phải nhớ cả hai ảnh: ảnh trước và sau ảnh đang xét. Thông thường sau quá trình nén liên ảnh, để tăng hiệu quả nén cần sử dụng kĩ thuật nén trong ảnh để xử lý độ dư thừa không gian của phần thừa bù chuyển động. Sự kết hợp giữa nén trong ảnh và nén liên ảnh là cơ sở cho công nghệ nén video MPEG (Motion Piture Expert Group). 2.2.5 / Chuẩn nén video MPEG. MPEG( Moving Picture Expert Group) là một tổ chức quốc tế được thành lập dưới sự bảo trợ của ISO và IEC. Mục đích của MPEG trước đây là đưa ra chuẩn cho việc mã hoá hình ảnh._.h liên hoạt đầy đủ và có cấu trúc tổng quát như sau: Ghép kênh chương trình Truyền đa chương trình Truyền đa chương trình Truyền đa chương trình Mã hoá đầu cuối cáp Mã hoá kênh Mã hoá kênh Điều chế COFDM Điều chế QPSK Điều chế QAM Ghép kênh PS vàTS PS1 PS2 PSn Truy cập có điều kiện Đến mạng cáp Đến vệ tinh Đến máy phát mặt đất Hình 5.1 : Mô hình hệ thống truyền dẫn DVB. Giải pháp kĩ thuật chung trong các phương tiện truyền dẫn của hệ thống DVB bao gồm: Hệ thống được thiết kế để truyền tải linh động các dòng MPEG-2 video,audio và số liệu. Sử dụng chung ghép kênh dòng truyền tải MPEG-2. Có chung thông tin phục vụ của hệ thống, chỉ dẫn chi tiết các chương trình. Hệ thống điều chế và mã hoá kênh phải tương thích với các phương tiện khác nhau. Có thể có thêm các hệ thống xáo trộn và truy cập có điều kiện. Để truy cập các dịch vụ số người sử dụng dịch vụ cần có thêm một bộ giải mã nối với máy thu hình thông thường. Đó là set-top-box hoặc bộ giải mã máy thu tích hợp IRD(Intergrated Receiver Decoder). Hình 5.2 : Sơ đồ khối máy thu dịch vụ DVB. Họ tiêu chuẩn DVB bao gồm các tiêu chuẩn sau: DVB-S / ETS 300 421, Dec. 1994: hệ thống truyền dẫn số qua vệ tinh, sử dụng băng tần 11/12 GHz, điều chế số QPSK. Tốc độ dữ liệu cực đại từ lớp truyền MPEG-2 là 38.1 Mbps. DVB-C / ETS 300 429, Dec. 1994: hệ thống phân phối qua cáp, tương thích với DVB-S. Sử dụng điều chế số 64 QAM, độ rộng kênh 7á8 MHz, tốc độ dữ liệu cực đại từ lớp truyền MPEG-2 là 38.1 Mbps. DVB-CS / ETS 300 473, Dec.1994: hệ thống truyền qua cáp cục bộ để phân phối đến từng nhà cao tầng, nó còn được gọi là hệ thống SMATV(Satellite Master Antenna TeleVision). Chuẩn này được thích nghi từ DVB-S và DVB-C dùng cho cài đặt anten theo khu vực. DVB-SI / ETS 300 468, Oct. 1995: hệ thống thông tin dịch vụ dùng cho việc tự thiết lập cấu hình của bộ giải mã DVB và giúp người sử dụng dịch vụ điều hướng dòng bit của DVB. DVB-TXT / ETS 300 472, May, 1995: hệ thống truyền teletext trong dòng bit DVB. DVB-CI(Common Interface): hệ thống giao diện chung cho truy cập có điều kiện và các ứng dụng khác của DVB. DVB-T / ETS 300 7XX: hệ thống phát sóng số mặt đất, sử dụng độ rộng kênh 7á8 MHz. Tốc độ dữ liệu cực đại từ lớp truyền MPEG-2 là 24 Mbps, điều chế số COFDM. DVB Common Scrambling Algorithm: sắp xếp một cách đặc bịêt tạo ra sự liên quan trong các hệ thống xáo trộn chung, điều khiển truy cập với dịch vụ Pay-TV. Ngoài ra còn có các chuẩn cho hệ thống phân phối dịch vụ số đa điểm(Digital Multipoint Distribution System) sử dụng sóng viba để phâp phối trực tiếp người xem tại các hộ gia đình: DVB-MC: sử dụng sóng viba tần số dưới 10 GHz, nền tảng của nó dựa trên hệ thống phân phối qua cáp DVB-C. DVB-MS: sử dụng sóng viba tần số trên 10 GHz, nền tảng của nó dựa trên hệ thống phân phối qua vệ tinh DVB-S. Đặc trưng hệ thống video. Mã hoá video theo chuẩn ISO/IEC 13818-2. Tần số mành 25 Hz (ETSI khuyến cáo cho Châu Âu) và có thể có tần số mành khác nhưng không phổ biến. Định dạng hiển thị 4:3 ; 16:9 hoặc 2,21:1 (không phổ biến). IRD phải có bộ chỉnh tỉ lệ hiển thị để cho phép màn hiển thị 4:3 có thể hiển thị được khung hình 16:9. IRD phải có chế độ hiển thị toàn màn hình 720*576 điểm ảnh hoặc 704*576 điểm ảnh. IRD phải cung cấp chuyển đổi thích ứng để cho phép hiển thị toàn màn hình ảnh mã hoá 544x576, 480x576, 352x576 và 352x288 điểm ảnh. Cứ 500ms ít nhất phải có một lần giải mã ảnh I . Đặc trưng hệ thống audio. Mã hoá tín hiệu audio theo tiêu chuẩn ISO/IEC 13818-3 hoặc ISO/IEC11172-3 Layer-I hoặc Layer-II (khuyến nghị). Các chế độ mã hoá: MPEG-1 đơn kênh, kênh kết hợp, stereo kết hợp, stereo. MPEG-2 đa kênh. Không thực hiện tiền nhấn. Tần số lấy mẫu 32KHz, 44,1 KHz, 48 KHz hay có thể tuỳ chọn 16 KHz, 22,05 KHz, 24 KHz. Ghép kênh chương trình và hệ thống truyền. Ghép kênh theo tiêu chuẩn ISO/IEC 13818-1. Dòng dữ liệu sau ghép kênh là dòng truyền tải MPEG-2. Thông tin dich vụ dựa trên thông tin đặc tả chương trình MPEG-2. Không hỗ trợ dòng chương trình(PS). Dòng truyền tải có thể được mã hoá bảo vệ chống lỗi kênh truyền với mã hoá R-S(Reed-Solomon) 5.3 / Tiêu chuẩn ISDB. Tiêu chuẩn ISDB đã được phát triển bởi hiệp hội các ngành công nghiệp vô tuyến và thương mại ARIB (Association of Radio Industries and Businesses) và được chấp nhận bởi Bộ Bưu chính và Viễn Thông của Nhật Bản (MPT). ISDB hỗ trợ cho cả hai chế độ truyền hình SDTV và HDTV. Hệ thống truyền dẫn dùng cho phát sóng trên mặt đất và qua vệ tinh có độ rộng băng tần như hệ NTSC và hoàn toàn tương thích với máy thu NTSC. Tiêu chuẩn này cũng dựa trên kỹ thuật OFDM nhằm giảm hiệu ứng đa đường. Cũng như DVB-T, tiêu chẩn này cũng hỗ trợ thu di động và cấu hình mạng đơn tần SFN (Single Frequency Network). Chương6 Truyền dẫn tín hiệu truyền hình số Để truyền dẫn tín hiệu truyền hình số đến người sử dụng dịch vụ, hiện nay trên thực tế sử dụng ba phương thức tồn tại đồng thời đó là: truyền qua cáp, truyền qua vệ tinh và phát quảng bá mặt đất. Mỗi loại phương thức truyền dẫn đều có những nhược điểm, ưu điểm riêng và đáp ứng những yêu cầu về kinh tế, kĩ thuật khác nhau. Việc tồn tại đồng thời nhiều phương thức truyền dẫn là một tất yếu và rất cần thiết vì chúng có sự bổ sung hỗ trợ cho nhau. 6.1 / Truyền hình số mặt đất DTTB(Digital Terrestrial Television Broadcasting). Hệ thống truyền hình số mặt đất được thiết kế để truyền tải dịch vụ âm thanh và hình ảnh chất lượng cao đến người sử dụng thông qua một kênh quảng bá đơn có độ rộng 6, 7, hoặc 8 MHz. Cốt lõi của hệ thống là sử dụng các trạm phát xạ mặt đất vận hành trong băng tần VHF/UHF. Sự cho phép phân phối tín hiệu hình ảnh chất lượng cao kết hợp với dịch vụ âm thanh trong một kênh đơn 6 ,7 , 8 MHz VHF/UHF là kết quả của việc ứng dụng kĩ thuật mã hoá số vào kĩ thuật truyền dẫn mặt đất. Năm 1992, trong bộ phận truyền thông vô tuyến thuộc tổ chức viễn thông quốc tế (ITU), nhóm làm việc 11/3 đã được thành lập để giải đáp các vấn đề liên quan tới phát quảng bá truyền hình số mặt đất. Nhóm đã thiết lập mô hình của hệ thống và coi đó là nền tảng để nghiên cứu. Mô hình của hệ thống truyền hình số quảng bá mặt đất được ITU phân thành 4 hệ thống con như sau : Nén và mã hoá nguồn. Truyền tải và ghép kênh dịch vụ. Lớp vật lý (phương thức điều chế). Quản lý kế hoạch (bao gồm cả kế hoạch thu phát) và thực hiện kế hoạch phân phối dịch vụ. Mã hoá nguồn đề cập đến phương pháp giảm tốc độ bit được biết đến như là nén số liệu và các kỹ thuật bảo vệ chống lỗi thích hợp cho luồng dữ liệu số của âm thanh, hình ảnh và số liệu phụ. Số liệu phụ bao gồm: số liệu điều khiển, điều khiển truy nhập có điều kiện và số liệu được kết hợp với các dịch vụ chương trình audio, video ví dụ như tiêu đề. Dữ liệu phụ có thể độc lập với các chương trình và dịch vụ số liệu. Truyền tải và ghép kênh dịch vụ đề cập đến các phương tiện phân luồng số liệu thành các gói thông tin, phương tiện nhận dạng mỗi gói hoặc các loại gói và các phương tiện ghép kênh các luồng số liệu video, audio, số liệu phụ thành một luồng duy nhất. Khả năng liên vận hành hoặc sự hoà hợp giữa các phương tiện số như phát quảng bá mặt đất, mạng phân phối sử dụng cáp, phân phối qua vệ tinh , các phương tiện ghi và giao diện máy tính xem xét một cách căn bản trong việc phát triển cơ cấu truyền tải thích hợp. Phần vật lý đề cập đến phương tiện sử dụng thông tin luồng số liệu số để điều chế tín hiệu phát. Các kỹ thuật điều chế bao gồm các kỹ thuật bảo vệ lỗi và mã hoá kênh sử dụng cả phương thức đa sóng mang và đơn sóng mang. Quản lý kế hoạch bao gồm những thảo luận về những hoạch định tương xứng để giới thiệu và phân phối các dịch vụ truyền hình số dựa trên các dịch vụ quảng bá có sẵn. Hình 6.1 : Mô hình hệ thống truyền hình số quảng bá mặt đất(ITU/R). So với các phương thức truyền dẫn khác, phương thức truyền hình số mặt đất có những ưu điểm: Dễ dàng đảm bảo an toàn khi xảy ra chiến tranh. Tạo điều kiện phát triển cho truyền hình địa phương. Tận dụng được phần cơ sở hạ tầng đang sử dụng cho máy phát hình tương tự để lắp đặt máy phát số. Trong phạm vi phủ sóng chất lượng ổn định khắc phục được những vấn đề phiền toái như hình ảnh có bóng, can nhiễu, tạp nhiễu, tạp âm... Máy thu hình có thể được lắp đặt dễ dàng ở các vị trí trong nhà, có thể xách tay hoặc thu lưu động ngoài trời. Có dung lượng lớn chứa âm thanh và các dữ liệu. Có thể linh hoạt chuyển đổi từ phát chương trình có hình ảnh và âm thanh chất lượng cao (HDTV) sang phát một chương trình có chất lượng thấp hơn và ngược lại. Nhược điểm của truyền hình số mặt đất. Khả năng phủ sóng kém hơn vệ tinh. Phải sử dụng tín hiệu đồng bộ để đồng bộ giữa các máy phát nếu sử dụng mạng đơn tần (SFN). Phải xây dựng nhiều trạm phát do đó chi phí cho hệ thống lớn. Kênh bị giảm chất lượng do hiện tượng phản xạ nhiều đường do bề mặt đất cũng như các toà nhà. Giá trị tạp do con người tạo ra là cao. Do phân bố tần số khá dày trong phổ tần số truyền hình giao thoa truyền hình tương tự và số cần xem xét. 6.2 / Truyền hình cáp. Hệ thống truyền hình cáp xuất hiện vào những năm cuối của thập niên 40. Đây là hệ thống truyền hình có khả năng phục vụ cho một khu vực tập trung đông dân cư, nơi khó có thể nhận được tín hiệu truyền hình từ các mấy thu hình đặt trong các nhà riêng do khoảng cách tới đài phát quá xa hay do sự ảnh hưởng của địa hình. Vì vậy cần phải thiết lập trạm anten thu được tín hiệu truyền hình đảm bảo chất lượng và truyền qua đường cáp phục vụ cho khu vực đó. Truyền hình cáp sử dụng các kênh truyền nằm trong phạm vi dải thông ở cận dưới của băng UHF. Các kênh truyền hình cáp được chia thành các băng VHF thấp, VHF giữa, VHF cao và siêu băng (Superband). Trong hệ thống truyền hình cáp có thể sử dụng các kênh kề nhau để truyền tín hiệu trong tất cả các phạm vi mà không xuất hiện hiện tượng nhiễu đồng kênh. Tuy nhiên các tín hiệu phải được điều khiển ở độ tuyến tính cao nhằm tránh hiện tượng điều biến tương hỗ. Hiện nay có hai loại cáp được sử dụng phổ biến được sử dụng trong hệ thống truyền hình cáp: Cáp đồng trục. Cáp quang. Cáp quang có độ rộng dải thông lớn, cho phép truyền tín hiệu số có tốc độ bit cao, độ suy giảm thấp do đó truyền tín hiệu rất có hiệu quả, tuy nhiên hệ thống sử dụng cáp quang cần phải thực hiện điều chế tại các bộ lặp. Mô hình hệ thống truyền hình cáp theo khuyến nghị của ITU như sau: Hình 6.2 : Mô hình hệ thống truyền hình cáp theo khuyến nghị của ITU. Ưu điểm của truyền hình cáp. Chất lượng tín hiệu thu ổn định nhất, ít bị can nhiễu do môi trường truyền dẫn và nhiễu giưã các kênh. Có khả năng tốt trong việc phát triển các dịch vụ tương tác khác. Dễ dàng phát triển dịch vụ truyền hình trả tiền. Nhược điểm của truyền hình cáp. Khó thực hiện phát triển mạng truyền hình cáp trên diện rộng, nó chỉ thích nghi với các khu đô thị lớn tập trung đông dân cư. Phải chi phí nhiều cho việc thiết lập mạng cáp vì phải chôn cáp chạy tới tận từng người sử dụng dịch vụ. Khi thực hiện sửa chữa, bảo dưỡng mạng cáp sẽ gặp nhiều khó khăn. 6.3 / Truyền hình vệ tinh. Hệ thống truyền hình quảng bá qua vệ tinh được bắt đầu khoảng từ những năm 1970 và đã phát triển một cách nhanh chóng. Vai trò của vệ tinh có thể nói là không thể thiếu được trong cả việc truyền dẫn và phát sóng các chương trình truyền hình. Với một địa hình phức tạp nhiều đồi núi rừng rậm và dân cư thưa thớt giải pháp truyền tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh thực sự mang tính kinh tế cao. Đối với vệ tinh, hiện nay thường sử dụng hai băng tần là: băng C (dải tần từ 4 GHz đến 6 GHz) và băng Ku (dải tần từ 12 GHz đến 14 GHz). Băng C thường được dùng để phủ sóng trên diện rộng, phạm vi khu vực lớn. Băng Ku thường sử dụng trong phạm vi quốc gia và cho truyền hình DBS (Direct Broadcast Satellite). Việc lựa chọn băng Ku có một lợi thế rất cơ bản đó là khi thu tần số cao chỉ cần anten kích thước đường kính nhỏ (0,4 m á 0,6 m), bé hơn anten thu tần số băng C (kích thước đường kính 3 m á 3,6 m ), từ đó mở ra khả năng tăng nhanh số lượng các trạm thu vệ tinh ở mọi miền đất nước. Điều đó cũng có nghĩa là giá thành các đầu thu sẽ rẻ, mà đây là mục tiêu của các nhà thiết kế đầu thu cho trạm phát. Trong truyền hình vệ tinh, điều quan trọng nhất được chú ý là số kênh vệ tinh được thiết lập dành cho các chương trình truyền hình. Các chương trình này có thể phục vụ cho hệ thống CATV hay truyền hình quảng bá. Trong truyền hình vệ tinh quảng bá, một số kênh vệ tinh được dùng cho các chương trình cố định. Các chương trình này phát liên tục trong ngày, số kênh còn lại dành cho các dịch vụ tin tức hay thể thao...chỉ phát trong khoảng thời gian nào đó. Công suất thực tế của vệ tinh cần thiết để phát các chương trình phụ thuộc vào các yếu tố như: Số lượng các chương trình đang phát, nếu nhiều chương trình thì yêu cầu công suất phải lớn và ngược lại. Chất lượng chương trình, nếu các chương trình đều đòi hỏi chất lượng cao (có vận tốc bit lớn) thì công suất phát phải tăng và ngược lại. Nếu trời mưa, sóng bị suy giảm thì công suất phát phải tăng để bù cho lượng suy giảm do mưa. Nếu thêm các dịch vụ khác thì phải tăng công suất. Nếu anten parabol phát có kích thước bé, độ tăng ích thấp thì cũng phải tăng công suất. Thành phần chủ yếu gây ra nhiễu cho hệ thống vệ tinh là anten thu và tầng vào của máy thu. Nhiễu từ anten do công suất bắn xạ của trái đất và anten sẽ thu nhận như nguồn tín hiệu. Các mức nhiễu này phụ thuộc hướng tính và góc ngẩng của vệ tinh. Ngoài ra nhiễu của hệ thống còn phụ thuộc vào điều kiện thời tiết. Ưu điểm của truyền hình vệ tinh. Một đường truyền vệ tinh có thể truyền đi các tín hiệu có khoảng cách rất xa do đó đạt hiệu quả cao cho các đường truyền dài cũng như cho các dịch vụ điểm- điểm. Không bị ảnh hưởng bởi điều kiện địa hình, địa vật vì có môi trường truyền dẫn cao so với mặt đất. Việc thiết lập một đường truyền qua vệ tinh được thực hiện trong thời gian ngắn. Có thể sử dụng cho hệ thống điểm-đa điểm, có thể đặt vô số các điểm thu trên mặt đất, có khả năng phân phối chương trình với các hệ thống liên kết khác. Khả năng phủ sóng cao nhất, dễ dàng phủ sóng trên diện rộng, toàn cầu. Nhược điểm của truyền hình vệ tinh. Giá thành của hệ thống thu vệ tinh cao hơn so với hệ thống thu của truyền hình cáp và truyền hình số mặt đất. Chi phí đầu tư cho việc phóng vệ tinh riêng là rất lớn, tuy nhiên có thể thuê kênh vệ tinh của các nước đã có vệ tinh để phát. Phải xây dựng trạm để theo dõi và điều khiển vệ tinh liên tục để chỉnh vệ tinh vào đúng vị trí. 6.4 / Truyền hình MDS (Multipoint Distribution System). Hệ thống phân phối đa điểm MDS được FCC (Federal Communications Commission) phát minh ra năm 1970. Mục đích ban đầu là sử dụng các kênh MDS để truyền tải dữ liệu số hay chương trình truyền hình như một dịch vụ kinh doanh trong một khu vực nhỏ tập trung bán kính không quá 30 dặm. Hệ thống đầu tiên sử dụng sóng viba dải tần từ 2,1 GHz đến 2,7 GHz để cung cấp dịch vụ mạng đa điểm (ngày nay gọi là công nghệ “Push”). Những cố gắng để triển khai hệ thống đã trở nên vô vọng khi giá thành của hệ thống quá cao, công nghệ không thực tế cộng với sự lấn lướt của truyền hình cáp đã chôn vùi ý tưởng MDS trong hơn một thập kỉ. Tuy nhiên vào đầu của những năm thập kỉ 80, cùng với sự phát triển của dịch vụ truyền hình người ta đã nhận ra những giá trị khác biệt giữa những trạm thu mặt đất và hệ thống truyền dẫn MDS, các chương trình truyền hình có trả tiền bắt đầu sử dụng hệ thống MDS để truyền tải đến đầu cuối cáp tín hiệu, đến khách sạn và khu chung cư. 6.4.1 / Truyền hình MMDS (Multichanel Multipoint Distribution System). Hệ thống MMDS hiện nay là kết quả của rất nhiều thay đổi bởi các quy ước viễn thông năm 1996. FCC đã chuyển đổi 8 kênh cung cấp dịch vụ truyền hình cố định ITFS (Instructional Television Fixed Service) thành các kênh “full-time” MMDS nhằm thúc đẩy sự cạnh tranh của MMDS với dịch vụ truyền hình cáp trong vùng. Sự kết hợp giữa các kênh “full-time” và “part-time” đã tạo ra 31 kênh trong hệ thống MMDS như ngày nay. Hình 6.3 : Sự phân bố kênh theo tần số trong hệ thống MMDS. MMDS sử dụng tần số viba để truyền dẫn, yêu cầu của hệ thống truyền dẫn là phải thiết lập giữa anten thu và anten phát tầm nhìn thẳng không bị chắn. Cây cối và các tán lá rậm rạp trên tuyến truyền thẳng có thể làm nhiễu hay mất khối tín hiệu. Bộ điều chế sử dụng trong truyền dẫn của hệ thống MMDS giống như bộ điều chế trong hệ thống truyền hình cáp. Theo thiết kế ban đầu, hệ thống MMDS sẽ được sử dụng kết hợp với hệ thống truyền hình cáp (CATV) và các công nghệ phát quảng bá khác. Thiết lập điển hình của hệ thống MMDS thường được thực hiện như trong hình dưới đây Hình 6.4 : Hệ thống MMDS điển hình. Hệ thống không dây bao gồm các thiết bị đầu cuối (bộ thu tín hiệu từ vệ tinh, bộ truyền dẫn sóng, các thiết bị quảng bá khác, anten truyền dẫn) và các thiết bị thu tại mỗi thuê bao(anten, thiết bị đổi tần, set-top-box). Tín hiệu vào cho hệ thống MMDS có thể lấy từ nhiều nguồn như đầu cuối cáp, vệ tinh, truyền dẫn mặt đất... Các trạm lặp có thể được sử dụng để định hướng lại tín hiệu MMDS tới vùng cần phủ sóng. Anten phát xạ có thể phủ sóng tối đa trong vòng 35 dặm và phụ thuộc và công suất của trạm phát. Công suất phát thường từ 1W đến 100W và thường nhỏ hơn công suất cần thiết cho trạm phát quảng bá mặt đất hoạt động ở băng tần UHF, VHF. Hình 6.5 : Sơ đồ khối hệ thống phát và thu MMDS. Ưu điểm của truyền hình MMDS. Thiết lập hệ thống nhanh chóng. Giá thành hệ thống thấp (nhỏ hơn 25 % so với một hệ thống truyền hình cáp cùng hiệu năng). Cung cấp nhiều loại dịch vụ kết hợp như: internet, thoại, dữ liệu, đa phương tiện... Thích hợp với dịch vụ truyền hình trả tiền, dịch vụ yêu cầu tốc độ số liệu cao. Chi phí vận hành thấp. Dễ dàng thay đổi vùng phủ sóng. Nhược điểm của truyền hình MMDS. Tầm nhìn thẳng giữa anten thu và anten phát phải không bị chắn thì tín hiệu thu được mới đảm bảo. Chỉ thích hợp phủ sóng trong khu vực bán kính nhỏ. Truy cập từ khách hàng tới trạm phát bị hạn chế do băng thông của đường phản hồi hay còn gọi là đường lên (Ustream) hẹp, không đủ khả năng truyền tải dòng bit tốc độ cao. 6.4.2 / Truyền hình LMDS (Local Multipoint Distribution System). LMDS (còn gọi là mạng cáp quang không dây) là công nghệ truyền thống băng rộng cho video và số liệu được FCC hỗ trợ phát triển từ năm 1998. Hệ thống hoạt động trên công nghệ sử dụng sóng milimet trong dải tần 28 GHz (dòng xuống từ 27,5 GHz đến 28,35 GHz). Toàn bộ dải thông tần rộng tới 1 GHz và công nghệ này đã được thử nghiệm từ năm 1992 tại NewYork. Hiện nay LMDS đã được nâng cấp thành dịch vụ tương tác hai chiều (đường lên có dải tần 29,1 GHz đến 29,35 GHz) cho truyền hình và số liệu. Modem số liệu không dây của LMDS được thiết kế để có thể đạt tới tốc độ truyền 30 Mbyte hoặc hơn theo cả hai chiều, nó mở ra khả năng hiện thực đối với các dịch vụ băng rộng. LMDS có thể cung cấp truy nhập vào các mạng khác như PSDN/ISDN (Public Switching Telephone Network / Intergrated Services Digital Network) và có thể kết nối tới các mạng LAN (Local Area Network), có khả năng hoạt động như một mạng diện trung bình ATM (Asynchronous Transfer Mode) hay SONET (Synchronous Optical Network). Hình 6.6 : Phân bố băng tần LMDS (US). Hệ thống có thể truyền tải được 49 kênh TV trong vùng có bán kính 2 đến 3 dặm. Cấu trúc hệ thống sử dụng phương pháp điều tần công suất thấp (Low-Power), thu và phát với độ lệch 20 MHz mỗi kênh. Vùng phủ sóng của các trạm gốc BS (Base Station) trong hệ thống LMDS được chia thành từng ô (Cell) riêng biệt. Các kênh LMDS có thể được tái sử dụng giữa các cell. Chế độ hoạt động của hệ thống có thể là điểm-điểm hay điểm-đa điểm. Hình 6.7 : Sơ đồ tái sử dụng tần số với chia sector anten 900(a) và sector anten 600(b). Mục đích thiết kế của hệ thống là sử dụng một cách hiệu quả phổ tần số và giá thành hệ thống thấp. Giống như công nghệ của những mạng điện thoại tế bào (Cellular Telephone-System), dựa trên tính phân cực trực giao của tín hiệu, LMDS sử dụng xen kẽ tần số đối với các ô có không gian tiếp giáp nhau. Hệ thống LMDS điển hình gồm ba thành phần chính: Thiết bị nút mạng NNE (Network Node Equipment): cung cấp các cổng cơ bản để kết nối mạng truyền dẫn dùng đường dâyvào hệ thống LMDS. Thiết bị nút mạng tương tự như thiết bị số của trạm gốc, nó có nhiệm vụ cung cấp xử lý, nén tín hiệu số, mã hoá, điều chế, ghép kênh, định tuyến, giao tiếp giữa giao thức có dây và không dây... Thiết bị cao tần RFE (Radio Frequency Equipment): thiết bị này có cả ở trong NNE lẫn trong thiết bị truyền thông dùng cho khách hàng CPE (Customer Premises Equipment). RFE bao gồm các bộ thu và phát như là các anten. Thiết bị truyền thông dùng cho khách hàng CPE (Customer Premises Equipment): CPE bao gồm hai thành phần thiết bị là phần ngoài ODU (Outdoor Unit) và phần trong IDU (Indoor Unit). IDU được phân chia thành đơn vị giao diện mạng NIU (Network Interface Unit) và STB (Set-Top-Box). NIU là cổng giao tiếp giữa các thành phần RF và các thiết bị gắn bên trong. STB có tác dụng kết nối với ODU hoặc NIU và thực hiện giải nén tín hiệu video. ODU là bộ thu phát, được sử dụng cho các ứng dụng mạng số liệu tương tác hai chiều, nó cung cấp đường thông tin về trạm phát trong dịch vụ LMDS. Hình 6.8 : Cấu hình hệ thống LMDS. Đặc điểm LMDS MMDS Dải tần 28GHz đến 31GHz (US) 2GHz đến 42GHz (ROW) 2,5GHz đến 2,7GHz Bán kính phủ sóng tối đa 5 dặm 35 dặm Tốc độ bit Thông thường có thể đạt tới 45Mbps Tốc độ cụm có thể lên tới 311Mbps Thông thường từ 0,5Mbps đến 3Mbps Phương thức ghép kênh TDMA, FDMA, CDMA TDMA, FDMA, OFDM, CDMA, DOCSIS+ Giá thành bộ thu (CPE) Cao Thấp-Trung bình Bảng 6.1 : Bảng tóm tắt đặc điểm kĩ thuật chính của LMDS và MMDS. Kết luận Thế giới đã bước vào một kỉ nguyên mới của thời đại thông tin bằng sự hội tụ của các phương tiện truyền thông. Các ứng dụng mới đang được giới thiệu, các dịch vụ tổng hợp đang dần hình thành, các hàng rào ngăn cách giữa các dịch vụ riêng sẽ bị xoá bỏ để các dịch vụ này hòa nhập với nhau tạo thành một thể thống nhất. Với sự dịch chuyển từ truyền hình tương tự sang truyền hình số, truyền hình đang dần hội nhập với các dịch vụ khác để tạo ra thế giới đa phương tiện nhằm có thể đáp ứng yêu cầu của con người một cách hữu hiệu nhất. Truyền hình trong tương lai sẽ không còn là loại thông tin một chiều theo kiểu truyền tin điểm-đa điểm, mà đó là loại thông tin hai chiều, dịch vụ tương tác, là kiểu thông tin giao dịch giữa điểm-điểm. Trong môi trường đa phương tiện, truyền hình từ một phương tiện thông tin đại chúng sẽ trở thành một phương tiện cá nhân. Truyền hình đa kênh sẽ được điều khiển bằng việc phân phối chương trình trực tiếp đến tận hộ gia đình và cung cấp sự lựa chọn rộng rãi cho người xem cả về thời điểm xem cũng như loại chương trình, chất lượng chương trình. Khi một lượng lớn các chương trình được cung cấp, lúc đó có thể coi truyền hình như một hệ thống thư viện ngay trong nhà. Mặt khác truyền hình được sử dụng như một thiết bị cho phép thu nhận các thông tin khác như số liệu, mua bán qua mạng... Truyền hình số trong tương lai thực sự là một phương tiện cực kì hữu ích cho đời sống con người trong giải trí và công việc. Với sự phát triển của khoa học công nghệ, sự hội nhập của truyền hình số để tạo nên môi trường đa phương tiện sẽ trở thành hiện thực trong một tương lai không xa. Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp em đã vận dụng được các kiến thức cơ bản mà thầy, cô đã truyền đạt trong những năm vừa qua đồng thời em cũng hiểu thêm được nhiều kiến thức mới, đặc biệt là các kỹ thuật nén tín hiệu audio, video và cách xử lý tín hiệu trong truyền dẫn phát sóng các chương trình truyền hình số. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Tiến Khải đã trực tiếp hướng dẫn em làm bản đồ án này. Đồng thời em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã truyền đạt cho em những kiến thức cơ bản trong những năm qua để em có thể hoàn thành đề tài được giao. Sinh viên Nguyễn Thành Nam Các từ viết tắt A/D Analog to Digital AC-3 5.1 Channel Digital Audio Compression System ACATS Advisory Committee on Advanced Television Systems (USA) ACI Adjacent Channel Interference AFC Automatic Frequency Control AGC Automatic Gain Control ATSC Advanced Television Systems Committee (USA) ATV Advanced Television AWGN Additive White Gaussian Noise B-pictures Bidirectionally predictive pictures (motion) compensation BAT Bouquet Association Table (part of SI) BER Bit Error Rate BRR Bit Reduction Rate. BST- OFDM Band Segmented Transmission -  Orthogonal Frequency Division Multiplex C/I Carrier to Interference C/N Carrier to Noise CA Conditional Access CAT Conditional-Access Table (part of SI) CCI Co Channel Interference CD Compact Disk CIF Common Image Format COFDM Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing CPE Common Phase Error CRO Cathode Ray Oscilloscope CW Continuous Wave D/A Digital to Analog D/U Desired to Undesired DAB Digital Audio Broadcasting dB Decibel DBPSK Differential Binary Phase Shift Keying. DBS Direct Broadcast Satellite DCA Department of Communications and the Arts DCT Discrete Cosine Transform DMV Digital Media Vision (company now called NDS broadcast) DPCM Differential Pulse Code Modulation DSP Digital Signal Processor DTB Digital Television Broadcasting DTT Digital Terrestrial Television DTTB Digital Terrestrial Television Broadcasting DTV Digital Television DVB Digital Video Broadcasting, suffixed  S for satellite, C for cable, T for terrestrial, CS for SMATV,  TXT for fixed-format teletext and MS for MMDS. DVC Digital Video Cassette DVD Digital Video Disk EBU European Broadcasting Union EDTV Enhanced Definition Television EIT Event Information Table (part of SI) ELG European Launching Group EPG Electronic Programme Guide EPROM Erasable Programmable Read Only Memory ETS European Telecommunication Standard ETSI European Telecommunication Standards Institute FACTS Federation of Australian Commercial Television Stations FCC Federal Communications Commission FEC Forward Error Correction FFT Fast Fourier Transform GA Grand Alliance GOP Group Of Pictures (motion compensation) GPS Global Positioning System HD High Definition HDTV High Definition Television Broadcasting HFC Hybrid Fibre Coax HP Hewlett Packard I-pictures Intra pictures (motion compensation) IBC International Broadcasting Conference ICI Inter-Carrier Interference IDCT Inverse Discrete Cosine Transform IEC International Electrotechnical Commission IF Intermediate Frequency IFFT Inverse fast Fourier transform IMD Inter-Modulation Distortion IR Infra Red IRD Integrated Receiver Decoder ISDB Integrated Services Digital Broadcasting ISO International Standardisation Organisation ITU International Telecommunication Union LDTV Low Definition Television LOP Limit of Perceptibility MAC Multiplexed Analog Components MATV Master Antenna Television MCC Multiplex Control Computer MMDS Multichannel, Multipoint Distribution System,  or, multipoint microwave distribution system MPEG Video bit-rate reduction systems determined by the Moving Picture Experts Group NDS News Data Systems (company previously called DMV) NIT Network Information Table (part of SI) NTA National Transmission Authority OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing P-pictures Predictive pictures PA Power Amplifier PAL Phase Alternate Line Television System PAT Programme Association Table (part of SI) PMT Programme Map Table (part of SI) PPV Pay Per View PRBS Pseudo Random Binary Sequence PROM Programmable Read Only Memory PSI Programme Specific Information (part of SI) PSP Programme Service Provider QAM Quadrature Amplitude Modulation QEF Quasi Error Free QPSK Quadrature Phase-Shift Keying R&S Rhode and Schwarz RF Radio Frequency RLC Run Length Coding RS Reed Solomon error protection RST Running Status Table (part of SI) Rx Receiver S/N Signal to Noise SCM Subjective Comparison Method SCPC Single Carrier Per Channel SDH Synchronous Digital Hierarchy SDT Service Description Table (part of SI) SFN Single Frequency Network SI Service Information, or housekeeping details  added on to the video, audio and/or multi-media data stream SIF Simple Image Format SMATV Satellite Master Antenna Television SMS Subscriber Management System ST Stuffing Table (part of SI) TDT Time and Date Table (part of SI) TOT Time Offset Table (part of SI) TPS Transmission Parameter Signalling TREC Timing Recovery TS Transport Stream TSG Test Signal Generator TTL Transistor Transistor Logic Tx Transmitter UHF Ultra High Frequency 300-1000 MHz VHF Very High Frequency 50-300 MHz VLC Variable Length Coding VSB Vestigial Side Band modulation system, prefixed by,  8 for 8 level terrestrial or 16 for 16 level cable version Tài liệu tham khảo Micheal Robin, Michel Poulin “ Digital television fundamentals , design and installation of video and audio systems “ , Mc Graw Hill, 1997. Document 11-3/3-E of ITU “ A guide to digital terrestrial television broadcasting in UHF,VHF band “, 15/1/1996. European Broadcasting Union “ Digital video broadcasting (DVB) , frame structure, channel coding and modulation for digital television” , 8/1997. European Broadcasting Union “Implementation guidelines for DVB terrestrial services; Transmission aspects”, 12 /1997. Jerry C.Whitaker “DTV: The revolution in electronic imaging”, Mc Graw Hill, 1998. Stephen J.Solary “Digital video and audio compression” Mc Graw Hill, 1997. Đỗ Hoàng Tiến , Vũ Đức Lý “Truyền hình số” , nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật, 2001. Nguyễn Kim Sách “Truyền hình số có nén và multimedia” , nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật, 2000. Ngô Thái Trị “Truyền hình số” , 1998. ._.