khoa luan tot nghiep,phan tich,dong truyen,tai mpeg,(mpeg transport stream),tran van hoan

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

PHÂN TÍCH DÒNG TRUYỀN TẢI MPEG (MPEG TRANSPORT STREAM)

SV: Trần Văn Hoan - Cán bộ hướng dẫn: TS Ngô Thái Trị

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MPEG

1.1. Giới thiệu:

MPEG là viết tắt của cụm từ Moving Pictures Experts Group được thành lập bởi tổ chức ISO (International Standards Organization) Nhằm thiết lập chuẩn cho việc nén và truyền tải cả dữ liệu hình ảnh và dữ liệu âm thanh.

Việc nén dữ liệu là tất yếu cần thiết do hai lý do chính sau đây. Thứ nhất là do lưu trữ: Dữ liệu sau khi nén có dung lượng nhỏ hơn, do vậy cần ít không gian lưu trữ hơn. Thứ hai là do băng thông: Dữ liệu sau khi nén có tốc độ bit thấp hơn nên cần băng thông ít hơn.

Tỉ lệ giữa tốc độ bit của nguồn so với tốc độ bit của kênh truyền gọi là tỉ lệ nén Compression factor hay là Coding gain.

Hệ thống truyền tải là bất đối xứng. Bộ mã hóa cần phải thông minh để thích ứng linh hoạt với phần dữ liệu cần mã hóa, còn bộ giải mã chỉ cần làm đơn giản để có thể hiểu được thông tin của kênh truyền mang tới. Điều này thích hợp cho hoạt động quảng bá khi mà số lượng thiết bị mã hóa ít còn số lượng bộ giải mã là rất nhiều. Với những ứng dụng kiểu điểm-điểm thì hướng thiết kế như vậy không thể hiện được tính ưu việt.

Hướng tiếp cận của MPEG là hết sức đúng đắn bởi vì chuẩn nén này không chuẩn hóa bộ mã hóa hay giải mã mà là chuẩn hóa dòng bít. Dòng bít đảm bảo cho sự phát triển của bộ mã hóa trong tương lai có thể cho chất lượng tốt hơn nhưng những bộ giải mã hiện nay vẫn có thể làm việc được, thậm chí có thể giải mã ngay cả khi bộ mã hóa là một bí mật thương mại.

MPEG hầu như không đề cập gì về cấu trúc và hoạt động của bộ giải mã, mà chỉ đưa ra cấu trúc của dòng bít và mọi bộ giải mã đều có khả năng giải mã dòng bit chuẩn này, mặc dù một số thiết kế sẽ cho ra chất lượng tốt hơn thiết kế khác. Cấu trúc của bộ giải mã không cần phải thể hiện ra dòng bít và do vậy nhà sản xuất có thể sử dụng những thuật toán khác nhau, chi tiết trong công nghệ của họ không cần phải công khai cho tất cả cùng biết. Điều này tạo nên sự cạnh tranh giữa các nhà sản xuất nhằm tạo ra thiết bị tối ưu nhất. Và người sử dụng có thể có nhiều lựa chọn hơn.

MPEG không những là một chuẩn nén, mà còn định nghĩa cách thức và cú pháp để có thể kết hợp hoặc trộn lẫn audio và video để tạo nên một chương trình truyền hình số tương đương. Nhiều chương trình có thể kết hợp với nhau tạo ra một dòng kết hợp. MPEG định nghĩa cách tạo và vận chuyển dòng kết hợp này. Định nghĩa này cũng nêu ra những yêu cầu phần cứng mà bộ giải mã cần phải thỏa mãn để có thể giải mã chính xác và người sử dụng cần gì để có thể tìm thấy chương trình của mình.

Vấn đề đồng bộ ở đây là vấn đề phức tạp bởi dòng kết hợp được tạo ra bởi nhiều chương trình không nhất thiết phải đồng bộ với nhau.

1.2. Ứng dụng của nén dữ liệu:

Ứng dụng của nén dữ liệu là vô cùng rộng lớn và do vậy tổ chức ISO đã cố gắng tạo ra một chuẩn nén có thể đáp ứng nhu cầu rộng lớn trong các ứng dụng cần nén.

Chuẩn nén MPEG bao hàm tất cả từ những chuẩn cho màn hình nhỏ cỡ màn hình của máy điện thoại cho tới những ứng dụng phân giải cao phục vụ cho việc chiếu phim trong rạp, từ những ứng dụng âm thanh mono đến âm thanh đa kênh và âm thanh vòng.

Trong truyền thông, giá phải trả cho một đường truyền thường tỉ lệ với tốc độ dữ liệu, và do áp lực tài chính mà người ta luôn muốn sử dụng hệ số nén cao. Song luôn luôn phải nhớ trong đầu rằng bản thân việc làm tăng được hệ số nén cũng luôn có cái giá phải trả về mặt kinh tế và điều này là không thể tránh khỏi.

Trong trường hợp video theo yêu cầu, công nghệ được nghiên cứu để có thể truyền tải đầy đủ băng thông của video đến người sử dụng, song nếu như vậy thì quá đắt đỏ, nếu không nén HDTV cần quá nhiều băng thông, nếu được nén HDTV có thể truyền được qua kênh SDTV sẵn có với yêu cầu băng thông tương tự. Việc nén này không phải là điều băt buộc về công nghệ mà chỉ là do yêu cầu kinh tế.

Trong các studio có nhiệm vụ dựng phim, người ta cần lưu trữ những đoạn video, audio vào đĩa cứng để có thể tăng thời gian truy xuất. Mặc dù hệ thống xử lý ở cấp cao nhất phải sử dụng dữ liệu không nén nhưng người ta vẫn nén lại để tăng được dung lượng lưu trữ của đĩa cứng.

Việc sử dụng hệ số nén như thế nào trong truyền thông có ý nghĩa rất quan trọng khi mà phổ tần bị hạn chế trong khi nó lại cần thiết cho rất nhiều dịch vụ khác ví dụ như điện thoại di động. Do đó yêu cầu sử dụng phổ tần một cách hiệu quả là một yêu cầu bắt buộc. Truyền hình tương tự là công nghệ cũ và sử dụng phổ tần kém hiệu quả nhất do đó nó bị thay thế bởi truyền hình số là một sự tất yếu do trong thực tế phổ tần còn cần cho nhiều việc khác.

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều bộ giải mã cho người dùng chọn lựa được sản xuất từ những mạch tích hợp giá rẻ. Trong khi chỉ có một số ít bộ mã hóa nên việc chúng có đắt thì cũng không quan trọng lắm. Xu hướng hiện nay là thiết bị lưu trữ thì càng này càng rẻ còn phổ tần thì càng ngày càng đắt do vậy trong tương lai việc nén trong việc lưu trữ là không cần thiết trong khi nén để truyền thông sử dụng sóng vô tuyến sẽ càng tăng lên.

1.3. Mã hóa không tổn hao và mã hóa dự đoán được.

Mặc dù có nhiều công nghệ được sử dụng để nén nhưng chúng có thể được phân thành các loại sau đây.

Với nén không tổn hao, đầu ra của bộ giải mã là tương ứng bit-bit so với dữ liệu gốc. Nó cũng được gọi như là một chương trình stacker sử dụng trong máy tính cá nhân để tăng dung lượng đĩa sử dụng những bộ codec không tổn hao. Sự sai lệch dù chỉ một bit với chương trình máy tính có thể có hậu quả nghiêm trọng. Bằng cách này hệ số nén thường chỉ đạt được khoảng 2: 1.

Chúng ta có thể nhận thấy rằng bộ mã hóa không tổn hao không thể đảm bảo một hệ số nén cho trước và do đó đường truyền hoặc là bộ ghi sẽ phải làm việc với tốc độ dữ liệu ra luôn biến đổi. Bộ mã không tổn hao có thể đi kèm với quá trình kiểm lỗi.

Hệ số nén cao chỉ có thể đạt được với bộ nén có tổn hao. Dữ liệu đi ra khỏi bộ giải mã không phải tương ứng bit-bit với dữ liệu nguồn và so sánh giữa chúng ta sẽ thấy sự khác nhau. Nén có tổn hao không thích hợp với việc sử dụng cho dữ liệu máy tính, nhưng được sử dụng trong chuẩn MPEG cho hệ số nén cao hơn rất nhiều so với nén không tổn hao. Bộ nén có hiệu quả là bộ nén làm cho những lỗi xuất hiện ở nơi mà cơ quan thị giác hoặc thính giác của con người rất khó có thể phát hiện được. Do vậy bộ codec này phải dựa trên sự hiểu biết về cảm nhận của mắt và tai người và chúng được gọi là bộ mã cảm nhận (perceptive codec).

Trong bộ mã hóa có tổn hao, hệ số nén đạt được cao hơn nhiều. Các cơ quan cảm nhận của con người cần được mô hình chính xác. Bộ mã này có thể cho một hệ số nén cố định. Điều này thuận lợi cho việc truyền thông trong thực tế khi mà dữ liệu tốc độ cố định luôn luôn dễ dàng làm việc hơn là dữ liệu có tốc độ thay đổi. Kết quả của việc hệ số nén cố định là chất lượng đầu ra thay đổi theo độ phức tạp của đầu vào. Bộ mã kiểu này không thể móc nối vào nhau một cách tùy ý nếu chúng sử dụng những thuật toán khác nhau. Do dữ liệu sau bộ giải mã không phải tương ứng bit-bit với dữ liệu nguồn do vậy không có bộ kiểm lỗi nào trong bộ codec này và cũng không thể phân biệt được lỗi do bộ mã hóa hay là lỗi do truyền thông.

Dù là công nghệ số mới được chấp nhận gần đây song việc nén thì đã có từ rất lâu khi mà có công nghệ truyền hình. Hình 1.3 chỉ ra những công nghệ nén sử dụng trong TV truyền thống.

Hầu hết tín hiệu video đều có mối liên hệ không tuyến tính giữa độ sáng và mức thế của tín hiệu được gọi là hiện tượng gamma. Gamma là công nghệ nén cảm nhận dựa trên sự cảm nhận của con người về lỗi hình ảnh là một hàm của độ sáng. Công nghệ này cho phép mức độ lỗi do mã hóa 8-bit chỉ như là mã hóa tuyến tính 14-bit.

Một công nghệ sử dụng lâu đời nhất là công nghệ trộn (interlace) Được sử dụng trong công nghệ tương tự để làm giảm băng thông.

Việc tạo ra tín hiệu TV màu từ RGB là một minh họa của bộ mã cảm nhận. Hệ thống cảm nhận của con người không cảm thấy sự khác biệt về chất lượng mặc dù băng thông của tín hiệu màu được giảm đi. Điều này là do cảm nhận của mắt người về thay đổi màu sắc kém hơn nhiều so với thay đổi độ sáng. Hướng tiếp cận này còn được sử dụng trong chuẩn nén MPEG.

1.4. Nguyên lí cơ bản của nén.

Trong hệ thống PCM, tốc độ bit được quyết định do tần số lấy mẫu và số bit trên mỗi mẫu, giá trị này thường là cố định.

Ngược lại, lượng thông tin thì luôn thay đổi. Với những tín hiệu thực luôn có những phần có thể biết trước từ phần trước đó hoặc sau đó, một bộ giải mã có khả năng dự đoán có thể đoán được phần này và do vậy việc gửi những dữ liệu này đi là không cần thiết, chỉ có thông tin thực sự mới được gửi đi. Nếu đặc điểm của bộ giải mã là biết trước thì phía gửi có thể bỏ qua những thông tin mà bên thu có thể tự tái tạo lại được. Và do vậy thì bộ mã hóa luôn hoạt động với một kiểu của bộ giải mã.

Sự khác biệt giữa tốc độ thông tin và tốc độ dòng bit gọi là độ dư thừa. Hệ thống nén được thiết kế để làm giảm càng nhiều càng tốt sự dư thừa này trong phạm vi có thể. Một cách làm điều này là khai thác tính chất dự đoán trước bằng thống kê. Entropy hay lượng thông tin là hàm của sự khác biệt giữa giá trị của nó với giá trị được dự báo trước. Hầu hết các tín hiệu có một số bậc dự đoán. Tín hiệu hình sin hoàn toàn có thể đoán trước bởi mọi chu kì chúng đều như nhau. Theo lý thuyêt Shanon thì một tín hiệu hoàn toàn có thể dự báo trước thì không mang thông tin. Trong trường hợp sóng sin thì điều này là hoàn toàn đúng bởi nó biểu diễn một tần số đơn và không chiếm dải thông. Ngược lại với trường hợp trên, tín hiệu như là ồn thì hoàn toàn không thể đoán trước được.

Một điểm cần lưu ý là một bộ mã làm việc tốt với dữ liệu “sạch” có thể sẽ không làm việc tốt nữa khi mà có ồn cộng thêm vào. Hầu hết các bộ nén trong thực tế luôn đi kèm với bộ tiền xử lý, một bộ giảm ồn thường được thêm vào bộ này khi mà tín hiệu ồn là không thể dự đoán trước được.

Hình 1.4:

(a) Bộ mã hóa lý tưởng không tổn hao chỉ tách ra phần dư thừa của dữ liệu, dữ liệu ban đầu không hề bị mất thông tin, với bộ mã hóa có tổn hao thì một phần lượng thông tin sẽ bị mất đi.

(b) Khi hệ số nén tăng thì độ phức tạp của bộ mã phải tăng lên để đảm bảo chất lượng.

(c) Hệ số nén cao có xu hướng làm tăng độ trễ của hệ thống.

Hình a cho thấy lượng entropy cần được truyền đi. Bộ mã lý tưởng cần tách ra được phần này và chất lượng tín hiệu được khôi phục lại là hoàn hảo. Hình b cho thấy hệ số nén càng cao thì càng phức tạp. Hình c cho thấy càng nén nhiều thì trễ càng tăng.

Hiển nhiên rằng chúng ta cần phải cung cấp một kênh truyền đủ để có thể truyền đi entropy được bộ mã hóa lấy ra. Nếu dung năng kênh truyền không đủ thì bộ mã hóa sẽ phải bỏ qua một phần entropy kèm theo đó là phần thông tin có ích.

Một kênh truyền đơn có tốc độ thay đổi là kênh truyền có từ lâu nhưng không phổ biến lắm với các nhà cung cấp, hiện nay đã có những hệ thống mới như là ATM hỗ trợ kênh có tốc độ thay đổi. Truyền thông số sử dụng trong DVB là tốc độ cố định. Yêu cầu tốc độ biến đổi có thể được khắc phục bằng cách kết hợp một số kênh có tốc độ thay đổi thành một kênh có tốc độ cố định bằng cách phân bố hợp lí tốc độ dữ liệu giữa các kênh. Khả năng tất cả các kênh truyền cùng một lúc đều đạt đỉnh entropy là rất nhỏ do vậy với một kênh có tốc độ cho trước thì những kênh có dữ liệu ít phức tạp, yêu cầu ít băng thông sẽ được truyền cùng với những kênh có dữ liệu phức tạp, yêu cầu băng thông lớn. Đây là nguyên lí cơ bản của việc kết hợp các kênh.

Với những nguồn thông tin được tạo nên từ những phần tử cơ bản giống nhau, ví dụ những bản tin viết bằng tiếng Anh chẳng hạn, ta có thể tiến hành thống kê xác suất xuất hiện của từng chữ cái. Mã hóa chiều dài thay đổi là mã mà sử dụng những từ mã ngắn cho những kí tự có tần số xuất hiện cao, còn những kí tự tần số xuất hiện thấp sử dụng mã có chiều dài lớn hơn. Mã này là một loại mã không mất thông tin. Mã rất nổi tiếng là mã Morse là mã sử dụng phương pháp này. Chữ cái e thường xuyên xuất hiện trong tiếng Anh vì vậy nó được biểu thị bởi một chấm đơn (single dot), còn chữ cái z ít xuất hiện và nó được minh họa bởi một mã rất dài. Hoàn toàn có thể nhận thấy là bộ mã này dựa trên sự hiểu biết về tần số các kí tự đã được thống kê trước. Nếu sử dụng mã này cho ngôn ngữ khác có thể sẽ không hiệu quả nữa, ví dụ như chữ cái z là rất phổ biến với tiếng Séc.

Mã Huffman là mã làm việc với những số liệu thống kê của nguồn dữ liệu đã biết trước. Việc truyền thông được nghiên cứu trước, sau đó người ta sẽ dành những từ mã ngắn để mô tả cho những tín hiệu có tần số xuất hiện cao, ngược lại từ mã dài sẽ cho những tín hiệu có tần số xuất hiện thấp.

-----------------------------------------

Mục lục

Trang phụ bìa

Tóm tắt nội dung

Mục lục

Bảng các kí hiệu viết tắt

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về MPEG

1.1. Giới thiệu

1.2. Ứng dụng của nén dữ liệu

1.3. Mã hóa không tổn hao và mã hóa dự đoán được

1.4. Nguyên lí cơ bản của nén

1.5. Nén video

1.5.1. Nén trong ảnh

1.5.2. Nén liên ảnh

1.5.3. Giới thiệu về phép bù chuyển động

1.6. Giới thiệu về MPEG

1.7. MPEG-2 cùng với các Profile và Level

1.8. Giới thiệu về MPEG

1.9. Giới thiệu về MPEG

1.10. Nén âm thanh

1.11. Dòng bit MPEG

Chương 2: Dòng cơ sở (elementary stream) Và dòng cơ sở đóng gói (packetized elementary stream)

2.1. Dòng cơ sở (elementary stream)

2.2. Dòng cơ sở đóng gói (packetized elementary stream)

2.2.1. Giới thiệu chung về dòng cơ sở đóng gói

2.2.2. Cú pháp dòng cơ sở đóng gói

2.2.3. Cấu trúc chi tiết

Chương 3: Dòng truyền tải

3.1. Giới thiệu chung về dòng truyền tải

3.2. Chuẩn đồng hồ (clock references)

3.3. Giải mã dòng truyền tải

3.4. Phân tích cú pháp dòng truyền tải

3.5. Đặc điểm dòng truyền tải MPEG

3.6. Tính linh hoạt của dòng truyền tải

Kết luận

Tài liệu tham khảo

--------------------------------------------

Keyword: download,khoa luan tot nghiep,phan tich,dong truyen,tai mpeg,(mpeg transport stream),tran van hoan

linkdownload: KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

PHÂN TÍCH DÒNG TRUYỀN TẢI MPEG (MPEG TRANSPORT STREAM)