- VƢƠNG GIA THIẾT NGHIÊN CỨU VỀ ĐỊNH DẠNG CHUẨN NÉN VIDEO VP8 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. - ĐẶNG QUANG HIẾU Hà Nội - Năm 2015 NGHIÊN CỨU VỀ ĐỊNH DẠNG CHUẨN NÉN VP8 1 Vương Gia Thiết MỤC LỤC MỤC LỤC. - Giới thiệu bộ mã H.264. - PHÂN TÍCH MÃ HÓA VP8. - Cấu trúc chi tiết khối mã hóa. - Bộ mã hóa entropy. - SO SÁNH VP8 VÀ H.264. - 34 NGHIÊN CỨU VỀ ĐỊNH DẠNG CHUẨN NÉN VP8 2 Vương Gia Thiết 3.1. - Đánh giá mã hóa nội khung. - Đánh giá mã hóa liên khung. - Kết quả đánh giá qua mã hóa nội khung. - Kết quả đánh giá qua mã hóa liên khung. - 78 NGHIÊN CỨU VỀ ĐỊNH DẠNG CHUẨN NÉN VP8 3 Vương Gia Thiết LỜI CAM ĐOAN Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô trong Viện Điện tử viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo ra một môi trường thuận lợi về cơ sở vật chất cũng như về chuyên môn trong quá trình tôi thực hiện đề tại. - Tác giả Vƣơng Gia Thiết NGHIÊN CỨU VỀ ĐỊNH DẠNG CHUẨN NÉN VP8 4 Vương Gia Thiết LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ thì máy tính đóng vai trò ngày càng quan trọng và không thể thiếu trong cuộc sống xã hội loài người. - Ngoài ra, hiện nay nhu cầu sử dụng các loại dịch vụ truyền hình và các công nghệ hình ảnh như HD, full HD, 2k và thậm chí 4k cũng ngày càng khiến việc đầu tư nghiên cứu vào chuẩn nén hình ảnh nhằm mục đích truyền tải đến người tiêu dùng với trải nghiệm mượt mà và độ trung thực cao hơn. - Do vậy, việc nghiên cứu, tính toán để tìm ra loại chuẩn nén tối ưu và cải tiến các chuẩn nén hiện có một cách hiệu quả để nhắm đáp ứng các nhu cầu trên. - Xuất phát từ nhu cầu và tình hình thực tiễn đó, tôi đã chọn đề tại “Nghiên cứu về định dạng chuẩn nén VP8” cho bài Luận văn Cao học của mình. - Mục đích nghiên cứu: NGHIÊN CỨU VỀ ĐỊNH DẠNG CHUẨN NÉN VP8 5 Vương Gia Thiết Đối với một chuẩn nén ra đời chưa lâu, chúng ta cần có một cái nhìn sâu hơn về cơ sở lý thuyết và kỹ thuật để xem xét rõ mức độ hiệu quả trong thực tiễn của chuẩn nén VP8. - Luận văn hướng tới khía cạnh đánh giá về mặt thực tiễn đối với chuẩn nén VP8. - Đối tƣợng nghiên cứu: Luận văn nghiên cứu chi tiết về công nghệ chuẩn nén VP8 của Google, và so sánh với chuẩn nén đang phổ biến trên thị truờng H.264. - Giới thiệu tổng quan cơ sở lý thuyết của chuẩn nén hình ảnh nói chung và đi sâu vào chuẩn nén H.264 đang phổ biến trên thị trường. - Việc đi sâu vào chuẩn nén H.264 trong Chương 1 nhằm có một cái đánh giá sơ lược về nén ảnh nói chung và chuẩn nén VP8 nói riêng. - Chƣơng 2: Phân tích mã hóa VP8. - Đi sâu hơn về phương án chuẩn nén hình ảnh VP8, ở phần này tập trung đi sâu về cơ chế hoạt động của VP8 để thấy cái nhìn tổng quan về chuẩn nén này. - Bên cạnh đó, cùng tìm hiểu về cấu trúc dữ liệu và cấu trúc chi tiết nhằm so sánh về cơ sở lý thuyết với chuẩn nén H.264 đã được nêu ra trong Chương 1. - Chƣơng 3: So sánh chuẩn nén VP8 với H.264. - Đưa ra các phương án để so sánh với chuẩn nén phổ biến trên thị trường nhằm đưa ra sự khả thi về mặt thực tiễn của chuẩn nén VP8. - Qua kết quả đánh giá có thể đưa ra được NGHIÊN CỨU VỀ ĐỊNH DẠNG CHUẨN NÉN VP8 6 Vương Gia Thiết nhược điểm và ưu điểm của VP8 trên thực tiễn. - Đóng góp của luận văn: Hiện các nghiên cứu về VP8 đã có nhiều nhưng việc so sánh với chuẩn nén phổ biến trên thị truờng hiện nay là chưa có nhiều cho nên hoàn toàn có thể có từ đó đưa ra những cải tiến và hướng phát triển cho VP8. - Chuẩn nén mới của Google có thể thực sự hiệu quả để đáp ứng trên thực tế hay không, việc xuất hiện muộn trên thị trường có thể chiếm được vị trí quan trọng để so sánh với chuẩn nén H.264 đang phổ biến trên thị trường hay không? Luận văn hoàn toàn có thể giúp ích trong việc tìm ra câu trả lời thỏa đáng. - NGHIÊN CỨU VỀ ĐỊNH DẠNG CHUẨN NÉN VP8 7 Vương Gia Thiết DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. - Sơ đồ khối hoạt động của H.264. - Dự đoán nội khung. - Dự đoán liên khung. - Sơ đồ mã hóa H.264. - Cấu trúc dòng bít H.264. - Sơ đồ khối mã hóa VP8. - Sơ đồ thực thi tiến trình mã hóa VP8. - Sơ đồ mã hóa khối. - 30 Hình 2.10. - 31 Hình 2.11. - 31 Hình 2.12. - Đoạn phim Akiyo độ phân giải CIF, 25kbps. - 47 NGHIÊN CỨU VỀ ĐỊNH DẠNG CHUẨN NÉN VP8 8 Vương Gia Thiết Hình 4.2. - So sánh theo khung hình cho đoạn phim Akiyo độ phân giải CIF, 25kbps. - Đoạn phim Akiyo độ phân giải CIF, 50kbps. - So sánh theo khung hình cho đoạn phim Akiyo độ phân giải CIF, 50kbps. - Đoạn phim Students độ phân giải CIF, 25kbps, khoảng I-frame là 300 50 Hình 4.6. - So sánh theo khung hình cho đoạn phim Students độ phân giải CIF, 25kbps, khoảng I-frame là 300. - Đoạn phim Students độ phân giải CIF, 25kbps, khoảng I-frame là 30. - So sánh theo khung hình cho đoạn phim Students độ phân giải CIF, 25kbps, khoảng I-frame là 30. - SSIM của 3 đoạn phim DO, CO, Sin ở 720p, 3000kbps. - 54 Hình 4.10. - Khung hình SSIM của đoạn phim CO ở 720p, 3000kbps. - 55 Hình 4.11. - SSIM của 3 đoạn phim SF, OP, Sin ở 720p, 5000kbps. - 56 Hình 4.12. - Khung hình SSIM của đoạn phim cảnh động ngoài trời ở 1080p. - 57 Hình 4.13. - SSIM của hai đoạn phim Into Tree và Rush Hour. - 58 Hình 4.14. - Khung hình SSIM của đoạn phim Into Tree 720p. - 58 Hình 4.15. - So sánh theo tốc độ bít và SSIM của H.264 Baseline và VP8 Good. - 60 Hình 4.16. - So sánh theo tốc độ bít và SSIM của H.264 High và VP8 Best. - 61 Hình 4.17. - So sánh mã hóa nội khung theo PSNR. - 64 Hình 4.18. - So sánh mã hóa nội khung theo SSIM. - 64 NGHIÊN CỨU VỀ ĐỊNH DẠNG CHUẨN NÉN VP8 9 Vương Gia Thiết DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1.Bảng liệt kê ứng dụng trình duyệt Web. - Các đoạn phim ở phân giải CIF được dùng và nội dung của chúng. - Đoạn phim 4CIF được sử dụng và nội dung của chúng. - Các đoạn phim HD và nội dung của chúng. - Các đoạn phim full HD và nội dung của chúng. - Các đoạn phim 720p. - Các đoạn phim 1080p. - Các tham số và cấu hình mã hóa nội khung. - Các cấu hình để so sánh mã hóa liên khung. - Các giá trị p của đoạn phim khung cảnh thành phố 720p theo SSIM. - Các giá trị p của đoạn phim cảnh động ngoài trời 1080p theo SSIM. - 78 NGHIÊN CỨU VỀ ĐỊNH DẠNG CHUẨN NÉN VP8 10 Vương Gia Thiết THUẬT NGỮ VÀ KÝ TỰ VIẾT TẮT SSIM Structural Similarity - Tính chất giống nhau về cấu trúc PSNR Peak Signal to Noise Ratio -Tỷ số tín hiệu so với tạp âm DCT Decrete Cosine Transform – biến đổi cosin rời rạc WHT Walsh-Hadamard Transform – biến đổi Walsh-Hadamard CABAC Context-adaptive binary arithmetic coding – Mã hóa số học nhị phân thích nghi theo văn bản CAVLC Context-adaptive variable-length coding - Mã hóa độ dài biến thiên thích nghi theo văn bản MSE Mean-Square-Error – lỗi bình phương trung bình RTP Real Time Protocol – giao thức thời gian thực BER Bit Error Rate – tỉ lệ lỗi bít AVC Advanced Video Coding HEVC High Efficency Video Coding DC Direct Current – dòng 1 chiều tương ứng tần số dữ liệu ~ 0 Hz AC Alternating Current – dòng xoay chiều CIF Common Interchange Format ARNR Alternative Reference Noise Reduction CO City Outdoors - Cảnh thành phố DO Detail Outdoors - Cảnh chi tiết ngoài trời SF Sport Film - Đoạn phim thể thao OP Outdoor Pedestrian Film - Đoạn phim cảnh động ngoài trời Sin Sintel Film - Đoạn phim 3D Sintel Altref frame Alternate reference frame Golden frame Golden reference frame Frame Khung hình Video Đoạn phim Luma Độ sáng Chroma Sắc độ HD High-Definition Pixel Điểm ảnh Arithmetic coding Mã hóa số học Intra prediction Dự đoán nội khung Inter prediction Dự đoán liên khung Macroblock Nhóm các điểm ảnh, 8x8 macroblock tương ứng 16 pixel Block Khối được chia từ macroblock Sub-block Khối con được chia từ khối Slice Tương tự macroblock Symbol Ký hiệu Loop filter Bộ lọc vòng NGHIÊN CỨU VỀ ĐỊNH DẠNG CHUẨN NÉN VP8 11 Vương Gia Thiết CHƢƠNG I. - Trên hình 1.1 biểu diễn sơ đồ khối tổng quát hệ thống truyền hình số cho thấy quá trình mã hóa tín hiệu video và audio trong truyền hình số thực chất là quá trình nén tín hiệu ở thiết bị phát, giải mã tín hiệu video và audio là quá trình giải nén được thực hiện ở thiết bị thu. - Video được mã hóa với nhiều tốc độ bit tùy thuộc thiết bị và chất lượng của mạng. - Bộ mã này hỗ trợ NGHIÊN CỨU VỀ ĐỊNH DẠNG CHUẨN NÉN VP8 12 Vương Gia Thiết chủ yếu qua trình duyệt Web và chất lượng như H.264. - Bảng 1.1 là bảng liệt kê các trình duyệt và phiên bản hỗ trợ của VP8 và H.264. - Thực tế là H.264 không được hỗ trợ trong tất cả các ứng dụng trình duyệt như VP8. - Sơ đồ khối tổng quát truyền hình ảnh Bảng 1.1.Bảng liệt kê ứng dụng trình duyệt Web Trình duyệt H.264 VP8 Internet Explorer 9.0 Tùy bản tự cài đặt Mozilla Firefox Không hỗ trợ 4.0 Google Chrome Hỗ trợ 6.0 Safari 3.1 Tùy bản tự cài đặt Opera Không hỗ trợ 10.60 Konquerer Theo phiên bản QT Hỗ trợ Epiphany Theo phiên bản GSTreamer Theo phiên bản GSTreamer Mã hóa và nén data Mã hóa và nén video MUX Chuyển mã (mã chập, mã xoắn) Mã hóa kênh Điều chế phát Mã hóa và nén audio Mã hóa và nén data Mã hóa và nén video Mã hóa và nén audio DE-MUX Giải mã Thu Giải mã kênh NGHIÊN CỨU VỀ ĐỊNH DẠNG CHUẨN NÉN VP8 13 Vương Gia Thiết Trong bài luận văn này, ở Chương 1 chúng ta chỉ đi qua tổng quan về VP8 và H.264, sau đó là hệ số dùng để đánh giá các bộ mã. - Ở Chương 3 sẽ tập trung vào các tiêu chí đánh giá gồm chất lượng và băng thông, mã hóa liên khung, mã hóa nội khung. - Tích hợp đa dạng thiết bị đầu cuối: Bộ mã hóa được xây dưng nhằm phục vụ một dải rộng các thiết bị đầu cuối nên VP8 được thiết kế để tương thích với nhiều bộ xử lý khác nhau. - NGHIÊN CỨU VỀ ĐỊNH DẠNG CHUẨN NÉN VP8 14 Vương Gia Thiết Dự đoán nội và liên khung hiệu quả: VP8 mở rộng thêm nhiều chế độ trong dự đoán nội và liên khung nhằm tăng hiệu quả của nó như chế độ “TM_MODE” trong dự đoán nội hay “SPLITMV” trong dự đoán liên khung [1]. - Mã hóa entropy thích nghi mức khung: Bộ mã entropy của VP8 đặt mức thích nghi ở mức khung nhằm tạo đổ cân bằng giữa hiệu quả nén và độ phức tạp tính toán do VP8 sử dụng thuật toán mã hóa số học (arithmetic coding). - Giới thiệu bộ mã H.264 1.3.1. - Một bộ giải mã giải mã có thể chỉ áp dụng cho ít nhất một cấu hình chứ NGHIÊN CỨU VỀ ĐỊNH DẠNG CHUẨN NÉN VP8 15 Vương Gia Thiết không nhất thiết phải tất cả. - Sơ đồ khối hoạt động của H.264 Hình 1.2 mô tả sơ đồ hoạt động của H.264. - Việc nén được thực hiện qua các quá trình: dự đoán, biến đổi và mã hóa để có được dòng bit H.264 ở đầu phát. - Bộ dự đoán Bộ mã hóa xử lý một khung hình video (frame) dưới dạng các khối (macroblock) 16 x 16 pixel. - Nó xây dựng 1 bộ dự đoán khối dựa trên các dữ liệu mã hóa trước đó, các dữ liệu này có thể ở khung hình hiện tại hoặc ở các khung hình đã được mã hóa và truyền đi trước đó. - Nguồn video Video đầu ra Bộ dự đoán Bộ biến đổi Bộ mã hóa Bộ tái cấu trúc Bộ biến đổi ngược Phát và lưu trữ(Cấu trúc H.264. - Bộ giải mã hóa
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt