Luan Van_ IPTV

8/4/2019 Luan Van_ IPTV

http://slidepdf.com/reader/full/luan-van-iptv 1/60

1

CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ IPTV

1.1 Giới thiệu về truyền hình số theo giao thức IP:

IPTV là tên viết tắt của cụm từ Internet Protocol Television -truyền hình qua giaothức Internet. ITPV theo định nghĩa chính thức như sau: IPTV được định nghĩa là các dịch vụ đa

phương tiện như truyền hình ảnh, tiếng nói, văn bản, dữ liệu được phân phối qua cácmạng dựa trên IP mà được quản lý để cung cấp các cấp chất lượng dịch vụ, bảo mật, tínhtương tác, tính tin cậy theo yêu cầu.

Như vậy IPTV đóng vai trò phân phối các dữ liệu, kể cả hình ảnh, âm thanh, văn bản qua mạng sử dụng giao thức Internet. Điều này nhấn mạnh vào việc Internet khôngđóng vai trò chính trong việc truyền tải thông tin truyền hình hay bất kì loại nội dung

truyền hình nào khác. Thay vào đó, IPTV sử dụng IP là cơ chế phân phối mà theo đó cóthể sử dụng Internet, đại diện cho mạng công cộng dựa trên IP, hay có thể sử dụng mạngriêng dựa trên IP.

Có thể thấy, IPTV là một dịch vụ số mà có khả năng cung cấp những tính năngvượt trội hơn khả năng của bất kì cơ chế phân phối truyền hình nào khác. Ví dụ, set – top

box IPTV có thể thông qua phần mềm để cho phép xem đồng thời 4 chương trình truyềnhình trên màn hiển thị, hay có thể nhận tin nhắn sms, e – mail…

1.2 Một số đặc tính IPTV:

+Hỗ trợ truyền hình tương tác: Khả năng hai chiều của hệ thống IPTV cho phépnhà cung cấp dịch vụ phân phối toàn bộ các ứng dụng TV tương tác. Các loại dịch vụđược truyền tải thông qua một dịch vụ IPTV có thể bao gồm truyền hình trực tiếp chuẩn,truyền hình chất lượng cao (HDTV), trò chơi tương tác, và khả năng duyệt Internet tốc độcao.

+Sự dịch thời gian: IPTV kết hợp với một máy ghi video kĩ thuật số cho phép dịchthời gian nội dung chương trình – một cơ chế cho việc ghi và lưu trữ nội dung IPTV đểxem sau.

+Cá nhân hóa: Một thệ thống IPTV đầu cuối hỗ trợ truyền thông tin hai chiều và

cho phép người dùng cuối cá nhân hóa những thói quen xem TV của họ bằng cách cho phép họ quyết định những gì họ muốn xem và khi nào họ muốn xem.

+Yêu cầu về băng thông thấp: Thay vì phân phối trên mọi kênh để tới mọi ngườidùng, công nghệ IPTV cho phép nhà cung cấp dịch vụ chỉ truyền trên một kênh màngười dùng yêu cầu. Đặc điểm hấp dẫn này cho phép nhà điều hành mạng có thể tiết kiệm băng thông của mạng.



2

+Có thể truy xuất qua nhiều thiết bị: Việc xem nội dung IPTV bây giờ không chỉgiới hạn ở việc sử dụng TV. Người dùng có thể sử dụng máy PC hay thiết bị di động đểtruy xuất vào các dịch vụ IPTV.

1.3 Sự khác biệt giữa IPTV và truyền hình Internet: Do đều được truyền trên mạng dựa trên giao thức IP, người ta đôi lúc hay nhầmIPTV là truyền hình Internet. Tuy nhiên, 2 dịch vụ này có nhiều điểm khác nhau: Các nền tảng khác nhau:

Truyền hình Internet sử dụng mạng Internet công cộng để phân phát các nội dungvideo tới người sử dụng cuối.

IPTV sử dụng mạng riêng để truyền các nội dung video đến khách hàng. Cácmạng riêng này thường được tổ chức và vận hành bởi nhà cung cấp dịch vụ IPTV.

+ Về mặt địa lí:

Các mạng do nhà cung cấp dịch vụ viễn thông sở hữu và điều khiển không cho phép người sử dụng Internet truy cập. Các mạng này chỉ giới hạn trong các khu vực địa lícố định.

Trong khi, mạng Internet không có giới hạn về mặt địa lí, người dùng Inter net nào

cũng có thể xem truyền hình Internet ở bất kì đâu trên thế giới. + Quyền sở hữu hạ tầng mạng:

Khi nội dung video được gửi qua mạng Internet công cộng, các gói sử dụng giaothức Internet mạng nội dung video có thể bị trễ hoặc mất khi nó di chuyển trong cácmạng khác nhau tạo nên mạng Internet công cộng. Do đó, nhà cung cấp các dịch vụ

truyền hình ảnh qua mạng Internet không đảm bảo chất lượng truyền hình như với truyềnhình mặt đất, truyền hình cáp hay truyền hình vệ tinh. Thực tế là các nội dung videotruyền qua mạng Internet khi hiển thị trên màn hình TV có thể bị giật và chất lượng hìnhảnh thấp.

Trong khi, IPTV chỉ được phân phối qua một hạ tầng mạng của nhà cung cấp dịchvụ. Do đó người vận hành mạng có thể điều chỉnh để cung cấp hình ảnh với chất lượngcao.

+ Cơ chế truy cập:

Một set-top box số thường được sử dụng để truy cập và giải mã nội dung video

được phân phát qua hệ thống IPTV , trong khi PC thường được sử dụng để truy cập cácdịch vụ Internet. Các loại phần mềm được sử dụng trong PC thường phụ thuộc vào loạinội dung truyền hình Internet. Ví dụ như, để download các chương trình truyền hình từtrên mạng Internet, đôi khi cần phải cài đặt các phần mềm media cần thiết để xem đượcnội dung đó. Hay hệ thống quản lí bản quyền cũng cần để hỗ trợ cơ chế truy cập. + Giá thành:



3

Phần trăm nội dung chương trình được phân phát qua mạng Internet công cộng tựdo thay đổi. Điều này khiến các công ty truyền thông đưa ra các loại dịch vụ dựa trênmức giá thành. Giá thành các loại dịch vụ IPTV cũng gần giống với mức phí hàng thángcủa truyền hình truyền thống. Các nhà phân tích mong rằng truyền hình Internet và IPTV

có thể hợp lại thành 1 loại hình dịch vụ giải trí.

1.4 Cơ sở hạ tầng một mạng IPTV

Hình 1.1 Sơ đồ khối đơn giản của một hệ thống IPTV

+ Trung tâm dữ liệu IPTV: Cũng được biết đến như là “đầu cuối - headend”. Trung tâm dữ liệu IPTV nhận

nội dung từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm truyền hình địa phương, các nhà tập hợpnội dung, nhà sản xuất, qua đường cáp, trạm số mặt đất hay vệ tinh. Ngay khi nhận đượcnội dung, một số các thành phần phần cứng khác nhau từ thiết bị mã hóa và các máy chủvideo tới bộ định tuyến IP và thiết bị bảo mật giành riêng được sử dụng để chuẩn bị nộidung video cho việc phân phối qua mạng dựa trên IP. Thêm vào đó, hệ thống quản lýthuê bao được yêu cầu để quản lý hồ sơ và phí thuê bao của những người sử dụng. Chú ýrằng, địa điểm thực của trung tâm dữ liệu IPTV được yêu cầu bởi hạ tầng cơ sở mạngđược sử dụng bởi nhà cung cấp dịch vụ.

+ Mạng truyền dẫn băng thông rộng: Việc truyền dẫn dịch vụ IPTV yêu cầu kết nối điểm – điểm. Trong trường hợp

triển khai IPTV trên diện rộng, số lượng các kết nối điểm – điểm tăng đáng kể và yêu cầuđộ rộng băng thông của cơ sở hạ tầng khá rộng. Sự tiến bộ trong công nghệ mạng trongnhững năm qua cho phép những nhà cung cấp viễn thông thỏa mãn một lượng lớn yêucầu độ rộng băng thông mạng. Hạ tầng truyền hình cáp dựa trên cáp đồng trục lai cáp



4

quang và các mạng viễn thông dựa trên cáp quang rất phù hợp để truyền tải nội dungIPTV.

+ Thiết bị người dùng IPTV: Thiết bị người dùng IPTV (IPTVCD) là thành phần quan trọng trong việc cho

phép mọi người có thể truy xuất vào các dịch vụ IPTV. Thiết bị này kết nối vào mạng băng rộng và có nhiệm vụ giải mã và xử lý dữ liệu video dựa trên IP gửi đến. Thiết bịngười dùng hỗ trợ công nghệ tiên tiến để có thể tối thiểu hóa hay loại bỏ hoàn toàn ảnhhưởng của lỗi, sự cố mạng khi đang xử lý nội dung IPTV.+ Mạng gia đình:

Mạng gia đình kết nối với một số thiết bị kĩ thuật số bên trong một diện tích nhỏ. Nó cải tiến việc truyền thông và cho phép chia sẻ tài nguyên (các thiết bị) kĩ thuật số đắttiền giữa các thành viên trong gia đình. Mục đích của mạng gia đình là để cung cấp việctruy cập thông tin, như là tiếng nói, âm thanh, dữ liệu, giải trí, giữa những thiết bị khác

nhau trong nhà. Với mạng gia đình, người dùng có thể tiết kiệm tiền và thời gian bởi vìcác thiết bị ngoại vi như là máy in và máy scan, cũng như kết nối Internet băng rộng, cóthể được chia sẻ một cách dễ dàng.

1.5 Ƣu điểm của IP và sự lựa chọn IP cho IPTV:

Truyền hình số được định thời một cách chính xác, là dòng dữ liệu liên tục có tốcđộ bit không đổi, thường hoạt động trên các mạng mà mỗi tín hiệu được truyền đều phụcvụ cho mục đích truyền hình. Trái với truyền hình, mạng IP truyền những loại dữ liệukhác nhau từ rất nhiều nguồn trên một kênh chung, bao gồm thư điện tử, trang web, tin

nhắn trực tiếp, tiếng nói qua IP (VoIP) mà nhiều loại dữ liệu khác. Để truyền đồng thờinhững dữ liệu này, mạng Internet phân thông tin thành các gói. Như vậy, rõ ràng là IP vàtruyền hình không phải là một sự kết hợp hoàn hảo (lý tưởng) về công nghệ.

Mặc dù không tương thích về căn bản, nhưng thị trường IPTV vẫn bùng nổ. Vậylý do tại sao lại chọn các mạng dựa trên IP để truyền tín hiệu truyền hình? Câu trả lời chocâu hỏi này có thể tóm tắt thành năm điểm sau:

Chú ý: IP khong phải là công nghệ mà là một giao thức! Cần phải nói là: Hạtầng mạng sử dụng giao thức IP hoặc Hạ tầng mạng IP.

Mạng IP băng rộng đã vươn tới rất nhiều gia đình ở nhiều nước, các nhà cung cấp

dịch vụ truyền hình có thể sử dụng những mạng này để phát các dịch vụ truyền hình màkhông cần xây dựng hệ thông mạng riêng của họ.

IP có thể đơn giản công việc phát các dịch vụ truyền hình mới, như là chươngtrình tương tác, truyền hình theo yêu cầu…

Giá thành của mạng IP tiếp tục giảm do số thiết bị được sản xuất mỗi năm rất lớnvà sự tồn tại của các chuẩn trên toàn thế giới.



5

Mạng IP có mặt trên toàn thế giới, và số người dùng mạng Internet tốc độ cao tiếptục tăng rất nhanh.

IP là công nghệ hoàn hảo cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm sự trao đổi dữliệu, mạng cục bộ, chia sẻ tập tin, lướt web và nhiều nhiều nữa…

IP cung cấp cơ chế để định hướng truyền gói giữa các thiết bị được liên kết trongmạng. IP là một giao thức phổ biến được sử dụng khắp các mạng Internet và hàng triệucác mạng khác có sử dụng IP. Không có IP, mọi việc sẽ hỗn loạn bở i vì không có cách

nào để một thiết bị gửi dữ liệu một cách riêng biệt tới một thiết bị khác. Với việc sử dụng các mạng IP để truyền dẫn tín hiệu truyền hình, việc xem truyền

hình hiện đại sẽ rất khác so với xem truyền hình trước đây. Các tín hiệu truyền h ình bây

giờ không khác gì những dữ liệu khác. Nhờ đó, ngoài các kênh truyền hình quảng bátruyền thống, chúng ta sẽ có thêm những kênh truyền hình riêng biệt, tương tác để thỏamãn nhu cầu của từng người.

1.6 Nhu cầu thực tế và ứng dụng của IPTV:

a) Nhu cầu thực tế của IPTV:Theo nhóm nghiên cứu đa phương tiện (MRG ) trong “ Dự đoán IPTV toàn cầu

năm 2005-2009”: tốc độ phát triển IPTV rất cao: gần 1000%. Thị trường IPTV trên thếgiới phát triển ở mức tăng kép hàng năm 78% lên tới 36.9 triệu người sử dụng vào năm2009. Doanh thu dịch vụ còn tăng nhanh hơn trong cùng thời kì, từ 880 triệu USD tới 9.9tỷ USD.

Theo Informa: tốc độ phát triển IPTV tăng nhanh vào 5 năm tới và đạt 25.9 triệu

thuê bao IPTV vào cuối năm 2010. Theo nguyên cứu TDG: Doanh thu IPTV toàn cầu sẽ đạt trên 17 tỷ USD vào năm

2010.Và trên thực tế, dịch vụ IPTV đã được triển khai và đạt dược thành công ở nhiềunhư Italy ( Fast Web), Hồng Kông (PCCW), Canada ( Manitoba) và Japan (Yahoo BB). Tại thị trường Trung Quốc, IPTV bắt đầu được triển khai từ năm 2004 với 2 nhà cungcấp hàng đầu là CHINA Telecom và ZTE cùng với những nhà cung cấp khác. Số lượngthuê bao có thể tăng lến tới 3-6 triệu vào năm 2010. b) Ứng dụng của IPTV:

Các dịch vụ triển khai trên IPTV đến với người dùng:

Dịch vụ truyền hình. Dịch vụ truyền hình theo yêu cầu. Truyền hình tương tác. Truyền hình của hôm trước (TV of Yesterday, TVoY). Máy ghi hình cá nhân (Personal Video Recorder, PVR).

Máy ghi hình cá nhân qua mạng (Network PVR, NPVR).



6

Hướng dẫn chương trình điện tử (Electronic Program Guide, EPG).

Các dịch vụ thông tin.

Các ứng dụng tương tác.

Các ứng dụng băng rộng.

Pay-per-View (PPV) .

Trò chơi theo yêu cầu (Games on Demand).

Âm nhạc theo yêu cầu (Muics on Demand) .

Karaoke theo yêu cầu (Karaoke on Demand).Dịch vụ truyền hình: các nội dung truyền hình được quảng bá theo lịch trình thời

gian cố định như truyền hình truyền thống. Sự lựa chọn các gói kênh theo yêu cầu củakhách hàng có thể bao gồm các kênh truyền hình công cộng (public), các kênh truyềnhình trả tiền (pay TV), các kênh truyền hình được ưa thích, các kênh về mua sắm, cáckênh về thời trang, v.v...

Dịch vụ truyền hình theo yêu cầu: việc phát các nội dung truyền hình được lựachọn bắt đầu khi người sử dụng lựa chọn nội dung đó. Thông thường, nội dung là các bộ

phim hay các phim đã được ghi lại từ một thư viện. Dịch vụ này có thể được sử dụngtrong một thời gian giới hạn. Các chức năng thường giống như chức năng của máy ghihình (VCR) hay đầu DVD (DVD player): phát hình (play), dừng hình (pause), tua hình

(fast forward), v.v...

Máy ghi hình các nhân (Personal Video Recorder, PVR): PVR là một thiết bị điệntử dân dụng cho phép ghi lại các nội dung quảng bá để xem lại ở một thời điểm sau đó. Máy ghi hình cá nhân qua mạng (Network PVR, NPVR): đây là phiên bản sử dụng trên

mạng của PVR. Nó có thể được xem như là một VCR ảo với việc lưu trữ và các chứcnăng khác cung cấp từ mạng. Nội dung truyền hình quảng bá có thể được ghi và xem lạisau đó.

Hướng dẫn chương trình điện tử (Electronic Program Guide, EPG): một hướngdẫn để cung cấp cho người sử dụng các thông tin về các chương trình IPTV đang và sắp

phát. Có thể nói một EPG là phương thức để người sử dụng tìm kiếm các nội dung củanhà cung cấp.

Các dịch vụ thông tin: các dịch vụ thông tin có thể bao gồm tin tức thời sự, tin thểthao, dự báo thời tiết, thông tin về các chuyến bay, các sự kiện trong khu vực/địa phương,

v.v...Truyền hình tương tác: “kênh phụ” (back -channel) IP không chỉ cung cấp khả

năng lấy thông tin mà còn cho phép tương tác với các show truyền hình hoặc khởi tạo cácứng dụng liên kết đến các chương trình đang chạy. Các ví dụ điển hình của truyền hìnhtương tác là tham dự vào các trò chơi truyền hình, bình chọn qua truyền hình, phản hồicủa người xem truyền hình, các chương trình thương mại, v.v...



7

Các ứng dụng tương tác: sự tương tác không chỉ được liên kết đến một chươngtrình truyền hình truyền thống. Đấu giá, mua sắm, dịch vụ ngân hàng là các ứng dụngtruyền hình được sử dụng rộng rãi, tạo ra sự hội tụ của thiết bị và sự phát triển các giao

diện người sử dụng mới. Truyền hình khiến cho việc sử dụng các ứng dụng tương tác

(giống như việc sử dụng Internet) trở thành một trong những thành phần chiếm ưu thếcủa IPTV/VoD tương lai. Đây cũng là một yếu tố khác biệt chủ yểu nhất so với truyềnhình quảng bá truyền thống vốn không có một “kênh phụ” nào (có chăng là một đườngđiện thoại).

Các ứng dụng băng rộng: các ứng dụng dùng cho người tiêu dùng và doanh nghiệpcũng có thể được thực hiện thông qua hạ tầng IPTV/VoD như hội nghị truyền hình, đàotạo từ xa, giám sát an ninh, v.v...

Pay-per-View (PPV): là hình thức trả tiền để xem một phần chương trình truyềnhình, ví dụ: trả tiền để xem một sự kiện thể thao hay trả tiền để nghe một bản nhạc. Hệ

thống cung cấp một kênh phim truyền hình theo hình thức PPV cho các thuê bao.Trò chơi theo yêu cầu (Games on Demand): dịch vụ này sẽ cung cấp nhiều loại game tùychọn đến thuê bao từ một danh sách có sẵn. IPTV yêu cầu game đơn giản dựa trênHTML.

Âm nhạc theo yêu cầu (Muics on Demand): các thuê bao có thể xem những clip canhạc theo yêu cầu, giống như dịch vụ VoD.

Truyền hình của hôm trước (TV of Yesterday, TVoY): dịch vụ này cho phép thuê bao xem phim truyền hình đã được phát những ngày trước.

Karaoke theo yêu cầu (Karaoke on Demand): các thuê bao có thể chọn và xem các

bài Karaoke qua Set-top Box (STB) trên TV. Từ list các bài karaoke đã được giới thiệu,thuê bao có thể mua một hoặc nhiều bài hát cùng lúc. Dịch vụ sẽ được triển khai trongtương lai.



8

CHƢƠNG 2:CHUẨN NÉN SỬ DỤNG TRONG IPTV

Nén cho phép các nhà cung cấp dịch vụ truyền các kênh hình và tiếng với chấtlượng cao qua mạng IP băng rộng. Do mắt người ko thể phân biệt được toàn bộ các phần

của hình ảnh. Do đó việc nén sẽ làm giảm độ lớn của tín hiệu ban đầu bằng cách bỏ bớtcác phần không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng của hình ảnh. Một hệ thống nén video tiêu biểu (hay bộ mã hoá nguồn) bao gồm: bộ chuyển đổi,

bộ lượng tử hoá, bộ mã hoá.

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống nén ảnh tiêu biểu.

+Bộ chuyển đổi: thường dùng phép biến đổi Cosin rời rạc để tập trung năng lượngtín hiệu vào một số lượng nhỏ các hệ số khai triển để thực hiện phép nén hiệu quả hơn làdùng tín hiệu nguyên thủy.

+ Bộ lượng tử hoá: tạo ra một lượng ký hiệu giới hạn cho ảnh nén với hai kỹ thuật:lượng tử vô hướng (thực hiện lượng tử hoá cho từng phần dữ liệu) và lượng tử vectơ (thực hiện lượng tử hoá một lần một khối dữ liệu). Quá trình này không thuận nghịch.

+Bộ mã hoá: gán một từ mã, một dòng bit nhị phân cho mỗi ký hiệu.

2.1 Khái quát về nén MPEG:

MPEG (Moving Picture Expert Group) là nhóm chuyên gia về hình ảnh, đượcthành lập từ tháng 2 năm 1988 với nhiệm vụ xây dựng tiêu chuẩn cho tín hiệu Audio vàVideo số. Ngày nay, MPEG đã trở thành một kỹ thuật nén Audio và Video phổ biến nhấtvì nó không chỉ là một tiêu chuẩn riêng biệt mà tuỳ thuộc vào yêu cầu cụ thể của từngthiết bị sẽ có một tiêu chuẩn thích hợp nhưng vẫn trên cùng một nguyên lý thống nhất.

Nén tín hiệu video theo chuẩn MPEG (Moving Picture Experts Group) là phương pháp

nén ảnh động không những làm giảm dư thừa không gian (như JPEG) mà còn làm giảmdư thừa thời gian giữa các khung ảnh, đây là khác biệt so với JPEG là chuẩn nén ảnh tĩnhchỉ làm giảm dư thừa thông gian trong một khung ảnh.

MPEG là một chuẩn nén được sử dụng rộng rãi trong thông tin vệ tinh, truyềnhình cáp và trong các hệ thống truyền hình mặt đất. MPEG (Moving Pictures Expert

Group) được thành lập nhằm phát triển các kĩ thuật nén cho phù hợp với việc truyền hình



9

ảnh. Từ khi được thành lập, MPEG đã đưa ra các chuẩn nén như: MPEG-1, MPEG-2,

MPEG4-( Part 2 và part 10), MPEG-7, và MPEG-21. Trong các chuẩn này, MPEG-2 và

MPEG-4 Part 10 được sử dụng rộng rãi trong IPTV.

2.1.1 Cấu trúc dòng bit MPEG:Cấu trúc dòng MPEG gồm 6 lớp: lớp dãy ảnh (sequence), lớp nhóm ảnh (GOP),lớp ảnh (picture), lớp cắt lát dòng bit (slice), lớp macroblock, lớp khối (Block).

a) Khối : Khối 8x8 các điểm ảnh tín hiệu chói và tín hiệu màu dùng cho phươngpháp nén DCT.

b) Tổ hợp cấu trúc khối (macroblock): một cấu trúc khối là một nhóm các khốitương ứng với lượng thông tin chứa đựng trong kích thước 16x16 điểm trên bức ảnh. Cấutrúc khối này cũng xác định lượng thông tin chứa trong đó sẽ thay đổi tùy theo cấu trúcmẫu được sử dụng. Thông tin đầu tiên trong cấu trúc khối mang dạng của nó (là cấu trúc

khối Y hay Cr, Cb) và các vector bù chuyển động tương ứng. c) Mảng (Slice): mảng bao gồm một vài cấu trúc khối kề nhau. Kích thước lớn

nhất của mảng có thể bao gồm toàn bộ bức ảnh và kích thước nhỏ nhất của mảng là mộtcấu trúc khối. Thông tin đầu của mảng chứa đựng vị trí của mảng trong toàn bộ ảnh, vàhệ số cân bằng lượng tử.

d) Ảnh (Picture): lớp ảnh cho phép bộ giải mã xác định loại của ảnh được mã hóalà ảnh P, I hay ảnh B. Thông tin đầu dùng để chỉ thứ tự truyền khung để bộ giải mã có thểsắp xếp các ảnh lại theo một thứ tự đúng. Trong thông tin đầu của ảnh còn chứa cácthông tin về đồng bộ, độ phân giải và phạm vi của vector chuyển động.

e) Nhóm ảnh (GOP): nhóm ảnh là tổ hợp của nhiều các khung I, P và B. Cấu trúcnhóm ảnh được xác định bằng hai tham số m và n. Mỗi một nhóm ảnh bắt đầu bằng mộtkhung I cho phép xác định điểm bắt đầu để tìm kiếm và biên tập. Thông tin đầu gồm 25

bit chứa mã định thời và điều khiển. f) Đoạn (chương trình) video: đoạn video bao gồm thông tin đầu, một số nhóm

ảnh và thông tin kết thúc đoạn. Thông tin đầu của đoạn video chứa đựng kích thước mỗichiều của ảnh, kích thước của điểm ảnh, tốc độ bit của dòng video số, tần số ảnh và bộđệm tối thiểu cần có. Đoạn video và thông tin đầu tạo thành một dòng bit được mã hóagọi là dòng cơ bản (Elementary Stream).



10

Hình 2.2: Kiến trúc dòng dữ liệu MPEG

2.1.2 Các loại ảnh trong chuẩn MPEG : Trong nén MPEG người ta sử dụng 3 loại ảnh sau:+ Ảnh I (Intra Pictures): được mã hóa mà không có sự so sánh tham khảo các ảnh

khác, dùng trong nén trong ảnh. Chúng chứa tất cả các thông tin cần thiết để tái tạo lạiảnh sau giải mã, nên tỷ lệ nén các ảnh I tương đối thấp. Vì vậy, ảnh I là điểm nút quantrọng phục vụ việc truy cập vào một đoạn Video.

+Ảnh P (Predicted Pictures): được mã hoá từ ảnh I, ảnh P trước đó, nhờ sử dụngcác thuật toán dự đoán bù chuyển động. Các ảnh P có thể được sử dụng như là cơ sở dữliệu cho việc dự đoán ảnh tiếp theo. Tuy nhiên do hạn chế của kỹ thuật bù chuyển động,số ảnh P giữa hai ảnh I không thể quá lớn. Tỷ lệ nén của các ảnh P tương đối lớn so vớitỷ lệ nén các ảnh I.

+Ảnh B (Bidirectionally Predicted Pictures): được mã hoá bới phép nội suy giữacác ảnh I và P ở trước và sau đó. Vì không được sử dụng để mã hoá các ảnh tiếp theo,



11

ảnh B không phải là nguồn gốc sinh ra các lỗi ảnh trong quá trình mã hoá. Các ảnh B chotỷ lệ nén cao nhất.

2.1.3 Nhóm ảnh (GOP):

Đối với chuẩn MPEG, chất lượng ảnh không những phụ thuộc vào tỷ lệ nén trongtừng khuôn hình mà còn phụ thuộc vào độ dài của nhóm ảnh. Nhóm ảnh (GOP-Group of

picture) là khái niệm cơ bản của MPEG. Nhóm ảnh là đơn vị mang thông tin độc lập củaMPEG.

MPEG sử dụng ba loại ảnh I, B, P. Trong đó, ảnh P, B không phải là một ảnh hoànchỉnh mà chỉ chứa sự khác biệt giữa ảnh đó và ảnh xuất hiện trước nó (đối với ảnh P) haysự khác biệt đối với cả khuôn hình xuất hiện trước và sau nó (đối với ảnh B). Để có mộtkhuôn hình hoàn chỉnh ảnh P và B cần có dữ liệu từ các ảnh lân cận, chính vì vậy đối vớiMPEG một khái niệm mới là GOP (nhóm ảnh) được sử dụng. Mỗi GOP bắt buộc phải bắt

đầu bằng một ảnh hoàn chỉnh I và tiếp sau nó là một loại các ảnh P và B. Nhóm ảnh cóthể mở (Open) hoặc đóng (Closed).

Hình 2.3: Cấu trúc GOP

Trong Hình 2.3, ảnh P ( ảnh 4) được dự báo trước trên cơ sở ảnh I (ảnh 1). Ảnh Bđược dự đoán từ hai hướng, ảnh B (ảnh 2) và ảnh B ( ảnh 3) được dự đoán từ hai ảnh I (ảnh 1) và ảnh P (ảnh 4). Ảnh B (ảnh 5,6) được dự đoán từ ảnh P (ảnh 4) và ảnh I tiếp theo



12

(ảnh 6). Một điều chú ý là thứ tự truyền ảnh và hiện ảnh trên màn hình là không giốngnhau.

Tỷ lệ nén video của MPEG phụ thuộc rất nhiều vào độ dài của GOP. Tuy nhiên,GOP dài thường gây khó khăn cho quá trình tua, định vị, sửa lỗi... Do đó tùy thuộc vào

từng khâu (sản xuất, dựng hình, truyền dẫn, phát sóng v..v) mà ta chọn độ dài GOP thíchhợp. Trong sản xuất hậu kỳ, nếu có yêu cầu truy cập ngẫu nhiên vào bất cứ ảnh nào, điềuđó cũng có nghĩa là yêu cầu dựng chính xác đến từng ảnh, GOP đương nhiên sẽ phải chỉ có duy nhất ảnh I. Trong trường hợp này, tỷ lệ nén sẽ đạt rất thấp. Để tăng tỷ lệ nén chotruyền dẫn và phát sóng, trong GOP số lượng ảnh P, B sẽ phải tăng lên. Lúc này khôngcho phép việc dựng hình cũng như làm các kỹ xảo trên chuỗi hình ảnh đó. Trong trườnghợp này ta có thể có GOP gồm 12 ảnh.

2.1.4 Bù chuyển động trong chuẩn nén MPEG :

Trong tất cả các trường hợp, khi một ảnh mã hoá dùng khung tham khảo thì luôndùng kỹ thuật bù chuyển động để nâng cao hiệu suất nén. Sau đây, chúng ta sẽ đề cập đến

phương pháp bù chuyển động. Các phương pháp bù chuyển động: có hai cách là bù chuyển động ước đoán và nội

suy. Phương pháp ước đoán bù chuyển động giả thiết ảnh hiện tại là một phép biến đổi từảnh trước đó, nghĩa là biên độ và hướng dịch chuyển không cần thiết phải giống ảnhtrước đó. Phương pháp nội suy bù chuyển động là kỹ thuật nhiều độ phân giải: chỉ mãhoá một tín hiệu phụ với độ phân giải thấp (khoảng 1/2 đến 1/3 tốc độ khung). Ảnh có độ

phân giải đầy đủ sẽ được xây dựng lại qua nội suy ảnh có độ phân giải thấp cộng thêm

thành phần sửa sai. Đơn vị xử lý ảnh mà MPEG sử dụng là macroblock (MB) 16× 16điểm ảnh. Trong ảnh mã hoá nội suy, các MB có thể là loại nén trong khung hay nén liênkhung. Trong kỹ thuật ước đoán chuyển động, nếu sử dụng kỹ thuật so sánh khối (BMA -

Block Matching Algorithm) thì sẽ thu được các vectơ chuyển động theo tiêu chí tối thiểuhoá sai số giữa khối cần tìm vectơ chuyển động và mỗi khối ứng cử.



13

Hình2.4: Minh hoạ quá trình bù chuyển động theo giải thuật BMA

2.1.5 Nguyên lý nén MPEG:

Cơ sở của công nghệ nén video MPEG là sự kết hợp giữa nén trong ảnh (Intra -

Frame Compression) và công nghệ nén liên ảnh ( Inter -Frame Compression). Trong đó:

Hình 2.5: Nén MPEG gì?



14

Nén trong ảnh (Intra -Frame Compression): là loại nén nhằm giảm bớt thông tindư thừa trong miền không gian. Nén trong ảnh sử dụng cả hai quá trình có tổn hao vàkhông có tổn hao để giảm bớt dữ liệu trong ảnh. Quá trình này không sử dụng thông tincủa các ảnh trước và sau ảnh đang xét.

Nén liên ảnh (Intra -Frame Compression): Trong tín hiệu video có chứa thông tindư thừa trong miền thời gian. Nghĩa là với một chuỗi liên tục các ảnh, lượng thông tinchứa đựng trong mỗi ảnh thay đổi rất ít từ ảnh này sang ảnh khác. Tính toán sự dịchchuyển vị trí của nội dung ảnh là một phần rất quan trọng trong kỹ thuật nén liên ảnh.Trong thuật nén MPEG, quá trình xác định Vector chuyển động được thực hiện bằngcách chia hình ảnh thành các Macro-Block, mỗi Macro-Block có 16 x 16 phần tử ảnh(tương đương với 4 Block, mỗi Block có 8 x 8 phần tử ảnh). Để xác định chiều chuyểnđộng, người ta tìm kiếm vị trí của Macro-Block trong ảnh tiếp theo, kết quả của sự tìmkiếm sẽ cho ta Vector chuyển động của Macro-Block .

+ Nguyên lý nén MPEG :Dạng thức đầu vào là Rec- 601 4:2:2 hoặc 4:2:0. Ảnh hiện tại được so sánh với

ảnh trước tạo ra ảnh khác biệt. Ảnh này sau đó lại được nén trong ảnh qua các bước : biếnđổi DCT, lượng tử hóa, mã hoá. Dữ liệu của ảnh khác biệt và vector chuyển động (đượcxác định như trên ) mang thông tin về ảnh sau nén liên ảnh được đưa đến bộ đệm ở đầura.

Tốc độ bít của tín hiệu video được nén không cố định, phụ thuộc vào nội dung ảnhđang xét (ví dụ một phần nén ít hơn hoặc nhiều hơn), nhưng tại đầu ra bộ mã hoá dòng

bít phải cố định để xác định tốc độ cho dung lượng kênh truyền.

2.1.6 Nguyên lý giải nén MPEG:

Hình 2.6: Giải nén MPEG gì?



15

+ Nguyên lý giải nén MPEG :- Đầu tiên là giải mã Entropy, sau đó tách dữ liệu ảnh (hệ số biến đổi DCT) ra khỏi

các vector chuyển động. Dữ liệu ảnh sẽ được giải lượng tử hoá và biến đổi DCT ngược.- Nếu ảnh là ảnh loại I bắt đầu ở mỗi nhóm ảnh trong chuỗi, ở đầu ra sẽ nhận được

ảnh hoàn chỉnh bằng cách trên ( vì ảnh loại I chỉ là nén trong ảnh, không có bù chuyểnđộng, không dùng dữ liệu của ảnh khác). Nó được lưu trữ trong bộ nhớ ảnh và được vàđược dùng để giải mã các ảnh tiếp theo.

- Nếu ảnh là ảnh loại P thì cũng thực hiện giải lượng tử hóa và biến đổi DCTngược kết hợp với việc sử dụng vector chuyển động và lưu vào bộ nhớ ảnh sớm hơn.Trên cơ sở đó xác định được dự đoán ảnh đang xét. Ta nhận đựơc ảnh ra sau khi cộng dựđoán ảnh (ảnh dự đoán) và kết quả biến đổi DCT ngược. Ảnh này cũng được lưu vào bộnhớ để có thể sử dụng như là chuẩn khi giải mã các ảnh tiếp theo.

2.2 Sự phát triển của chuẩn nén H264/ MPEG-4 part 10:Khi Internet được phát triển thành hệ thống có qui mô toàn cầu, nó trở nên phổ cập

rất nhanh trong mọi lĩnh vực. Ngoài vấn đề cung cấp dữ liệu dưới dạng văn bản, ảnh đồhoạ ... Internet cũng hỗ trợ truyền dẫn audio và video, cơ sở của các dịch vụ Multimediatrên qui mô toàn cầu. Với sự ra đời của truyền hình kỹ thuật số, các thành tựu mới tronglĩnh vực truyền dẫn Internet tốc độ cao - đặc biệt là công nghệ đường thuê bao số khôngđối xứng ADSL (Assymmetric Digital Subscriber Line) sử dụng kỹ thuật truyền dẫn băngrộng (Broadband) đã cho phép nâng tốc độ tải của các kết nối Internet lên 500 Kbit/s,2Mbit/s, 5Mbit/s và cao hơn nữa – và chuẩn nén MPEG -4 cho phép giảm bớt tốc độ

truyền tải cần thiết của truyền hình số từ 4 – 6 Mbit/s hiện nay xuống 1.5 – 2 Mbit/Slicelà những tiền đề kỹ thuật tạo điều kiện cho sự hội tụ giữa truyền hình và Internet.

2.2.1 Kỹ thuật mã hoá video:



16

Hình 2.7: Sơ đồ mã hoá video của H264/MPEG part 10

Lớp mã hoá video của H264/MPEG Part 10 là sự kết hợp của mã hoá không gian,mã hoá thời gian và mã chuyển vị. Ảnh được tách thành các khối, ảnh đầu tiên của dãyhoặc điểm truy cập ngẫu nhiên thì được mã hoá “Intra”- mã hoá trong ảnh, có nghĩa làkhông dùng thông tin của các ảnh khác mà chỉ dùng thông tin chứa trong ảnh đó. Mỗimẫu của một khối trong một Frame Intra được dự đoán nhờ dùng các mẫu không gian

bên cạnh của các khối đã mã hoá trước đó. Đối với tất cả các ảnh còn lại của dãy hoặcgiữa các điểm truy cập ngẫu nhiên, mã hoá “Inter” được sử dụng, dùng dự đoán bùchuyển động từ các ảnh được mã hoá trước đó.Quá trình mã hoá cho dự đoán liên ảnh (bùchuyển động) gồm việc lựa chọn dữ liệu chuyển động, các ảnh tham chiếu và sự dịchchuyển không gian được ứng dụng cho tất cả việc lấy mẫu của khối.

Bộ mã hoá có thể lựa chọn giữa mã hoá Intra và Inter cho miền hình dạng khối củamỗi ảnh. Mã hoá Intra có thể chỉ ra điểm truy cập của chuỗi được mã hoá, tại đó việc giảimã có thể bắt đầu và tiếp tục một cách chính xác. Mã hoá Intra sử dụng các mode dựđoán không gian riêng rẽ để làm giảm độ dư thừa không gian trong tín hiệu gốc của mỗiảnh đơn. Mã hoá Inter (dự đoán một chiều hay nhiều chiều) thì việc sử dụng dự đoán liênảnh hiệu quả hơn cho mỗi block của giá trị lấy mẫu từ một vài ảnh được giải mã trước đó.

Mã hoá Inter sử dụng các Vector chuyển động cho các block cơ sở dự đoán liênảnh (Inter prediction) để làm giảm sự dư thừa thời gian giữa các ảnh (picture) khác nhau.



17

Việc dự đoán được thu được từ tín hiệu đã lọc tách khối của các ảnh được thiết lập lạitrước đó.

Bộ lọc tách khối làm giảm sự nhiễu khối tại các đường biên của block. Các vector chuyển động và các mode dự đoán trong ảnh (intra prediction) có thể (theo lý thuyết) làm

biến đổi kích thước block trong ảnh. Sự dự đoán thặng dư được nén tốt hơn bằng việc sửdụng một phép biến đổi để loại bỏ sự tương quan theo không gian trong một block trướckhi được lượng tử hoá.

Cuối cùng, Vector chuyển động hay các mode dự đoán liên ảnh được liên kết vớithông tin của hệ số biến đổi lượng tử hóa và được mã hoá sử dụng mã Entropy như mãhoá chiều dài biến đổi thích ứng theo tình huống CAVLC (context-adaptive variable

length code) hay mã hoá theo số học nhị phân thích ứng theo tình huống CABAC(context-adaptive binary arithmetic coding).

2.2.2 Chia ảnh thành các Macro-Block :Mỗi ảnh video, Frame hoặc Field được chia thành các Macro-Block có kích thước

cố định bao trùm một diện tích ảnh hình chữ nhật gồm 16 x 16 mẫu cho thành phần chói(luma) và 8 x 8 mẫu cho một trong hai thành phần màu (chroma). Tất cả các mẫu Macro-

Block của thành phần chói hoặc của thành phần màu được dự đoán theo không gian hoặcthời gian và kết quả sai số dự đoán được truyền đi bằng việc sử dụng mã hoá biến đổi. Dođó, mỗi thành phần màu của sai số dự đoán được chia nhỏ thành các khối. Mỗi khối được

biến đổi nhờ dùng một phép biến đổi nguyên, và các hệ số biến đổi được lượng tử hoá vàđược biến đổi sử dụng phương pháp mã hoá Entropy.

Các Macro-Block được tổ chức thành các Slice, biểu diễn các tập con của ảnh đãcho và có thể được giải mã độc lập. Thứ tự truyền của các Macro-Block trong dòng bít

phụ thuộc vào “Bản đồ định vị Macro-Block ”- Macro-Block Allocation Map- và không

nhất thiết phải theo thứ tự quét.H264/MPEG Part 10 hỗ trợ 5 dạng mã hóa Slice khác nhau. Đơn giản nhất là Slice

I, trong đó tất cả Macro-Block được mã hoá không có sự tham chiếu tới các ảnh kháctrong dãy video. Tiếp theo là hai dạng Slice P và Slice B có sự tham chiếu tới các ảnhkhác; với Slice P thì chỉ tham chiếu tới các ảnh trước đó; còn Slice B thì tham chiếu tớicả ảnh trước và ảnh sau nó. Hai dạng khác mà mới xuất hiên ở H264/MPEG Part 10 đó là

SI (Switching I) và SP (Switching P) được dùng để cho chuyển mạch hiệu quả giữa cácdòng bít được mã hoá ở các tốc độ bít khác nhau.

2.2.3 Dự đoán trong ảnh Intra- Frame:



18

Các tiêu chuẩn trước đó đã chấp nhận Macro-Block mã hoá trong ảnh, mã hoá bằng chính nó mà không có dự đoán thời gian. Macro-Block mã hoá trong ảnh xảy ratrong các mảng (slice) hay các Macro-Block không chấp nhận sự hiệu chỉnh thời gian củaviệc dự đoán bù chuyển động. Về bản chất, Macro-Block mã hoá trong ảnh đưa ra một số

lượng lớn các bít được mã hoá. H.264 sử dụng phương pháp dự đoán các Macro-Block mã hoá trong ảnh để giảm một lượng lớn các bít được mã hoá bằng chính bản thân tínhiệu gốc đưa vào. Để mã hoá một block hay một Macro-Block trong mode mã hoá trong

ảnh, một block được định dạng cơ sở trên các block được khôi phục trước đó (nhưngkhông qua bộ lọc). Tín hiệu dư thừa giữa các block hiện tại và dự đoán cuối cùng đượcmã hoá. Để lấy mẫu tín hiệu chói, Block dự đoán có thể được định dạng là: cho mỗiBlock nhỏ (Subblock) là 4 x 4, mỗi Block là 8 x 8, hay mỗi Macro-Block là 16 x 16.

Trong trường hợp được lựa chọn từ 9 mode, cho các Block luma (khối tín hiệu chói) là 4x 4 và 8 x 8; 4 mode cho một Block luma 16 x 16; và 4 mode cho mỗi Block chroma

(khối tín hiệu màu).

Hình 2.8 : Các mode trong MPEG-4

2.2.4 Bù chuyển động trong các Slice P (Prediction Inter Frame)

Ngoài các dạng mã hoá Macro-Block Intra, các dạng mã hoá bù chuyển động hoặcdự đoán khác được xác định cho các Macro-Block Slice P. Dự đoán liên ảnh được làmgiảm với sự tương quan theo thời gian với sự trợ giúp của việc xác định Vector chuyểnđộng (Motion Estimation) và bù chuyển động (compensation).

+ Chia Macro-Block thành các Block : Trong H.264, ảnh hiện tại có thể được phânchia thành các Macro-Block hay các Block nhỏ hơn. Một Macro-Block của các mẫuthành phần màu 16 x 16 có thể chia nhỏ hơn thành các Block kích cỡ từ 4 x 4. VớiMacro-Block mode 16 x 16, có 4 trường hợp là: 16 x 16, 16 x 8, 8 x 16, hay 8 x 8, ngoài

ra cũng có 4 trường hợp cho mode 8 x 8 là : 8 x 8, 8 x 4, 4 x 8, hay 4 x 4 . Một Block



19

kích cỡ nhỏ hơn yêu cầu một số lượng bít lớn để truyền Vector chuyển động và dữ liệuthêm vào của việc phân chia, tuy nhiên dữ liệu dư bù chuyển động có thể được giảm. Dođó, việc lựa chọn kích cỡ phân chia phụ thuộc vào các đặc điểm video đầu vào. Sự phânchia Macro-Block thành các Block được minh hoạ trong hình sau:

Hình2.9: Phân chia Macro-Block cho bù chuyển động

+ Bù chuyển động: H264/MPEG Part 10 cho phép các Vector chuyển động khônghạn chế, tức là chúng có thể nhắm ra ngoài miền ảnh. Trong trường hợp này các Frametham chiếu được mở rộng ra ngoài biên ảnh bằng việc lặp lại các Pixel biên trước khi nộisuy. Các thành phần Vector chuyển động được mã hoá vi sai khi dùng hoặc là giá trịtrung bình (median) hoặc là dự đoán định hướng từ các khối xung quanh. Không có dựđoán thành phần Vector chuyển động ở các biên của Slice.

H264/MPEG Part 10 hỗ trợ dự đoán bù chuyển động đa ảnh (Multi-Picture). Điềunày có nghĩa là có nhiều hơn một ảnh được mã hoá trước đó có thể được sử dụng để thamchiếu cho dự đoán bù chuyển động. Hình 2.10 minh hoạ khái niệm này.

Cả bộ mã hoá và bộ giải mã phải lưu trữ các ảnh tham chiếu được sử dụng cho dựđoán ảnh Inter trong bộ nhớ đêm đa ảnh (Multi-Picture). Bộ giải mã sao lưu lại bộ nhớ đệm đa ảnh của bộ mã hoá, theo dạng nhớ đệm ảnh tham chiếu và các hoạt động điềukhiển quản lý bộ nhớ bất kỳ được xác định trong dòng bít. Trừ khi kích thước bộ nhớ đệm đa ảnh được đặt cho mỗi ảnh, chỉ số mà ảnh tham chiếu được định vị ở đó bên trong

bộ nhớ đệm đa ảnh thì phải được ký hiệu. Tham số chỉ số tham chiếu cho mỗi khối luma bù chuyển động 16 x 16, 16 x 8, 8 x 16 hoặc 8 x 8.

Ngoài các mode bù chuyển động được mô tả ở trên, Macro-Block P- Slice cũng cóthể được mã hoá trong mode gọi là SKIP. Đối với mode này, cả tín hiệu lỗi dự đoán



20

lượng tử hóa lẫn Vector chuyển động hoặc tham số chỉ số tham chiếu đều không đượctruyền đi. Các tín hiệu thiết lập lại thì thu được tương tự như cách với tín hiệu dự đoáncủa Macro-Block Inter 16 x 16, tức là tham chiếu tới ảnh đặt ở vị trí có chỉ số 0 trong bộnhớ đệm đa ảnh. Nhìn chung Vector chuyển động được sử dụng cho việc thiết lập lại

Macro-Block SKIP là đồng nhất với bộ dự đoán Vector chuyển động cho khối 16 x 16. Nếu các điều kiện đặc biệt được duy trì, Vector chuyển động Zero được sử dụng thay chonó.

Hình 2.10: Bù chuyển động nhiều Frame

2.2.5 Bù chuyển động trong các Slice B (Bi-Direction Prediction Inter Frame)

Dự đoán hai chiều rất có hiệu quả để giảm sự tương quan theo thời gian bằng việcsử dụng các ảnh tham chiếu. Các chuẩn nén hiện nay với các ảnh B sử dụng mode dựđoán hai chiều, tức là chỉ cho phép kết hợp các tín hiệu dự đoán trước đó với các tín hiệudự đoán sau. Một tín hiệu dự đoán được nhận từ một ảnh trong ảnh (Inter Picture) tiếpsau, hay từ một ảnh dự đoán trước, hoặc từ tín hiệu trung bình tuyến tính của hai tín hiệudự đoán bù chuyển động.



21

Hình 2.11: Ảnh nội suy B (dự đoán hai chiều)

So với các tiêu chuẩn trước đó, H264/MPEG Part 10 đã tổng quát khái niệm SliceB và không những chỉ hỗ trợ một cặp dự đoán theo hướng forward/backward (tiến/lùi)mà còn cả hai cặp theo hướng forward/forward (tiến/tiến) và backward/backward(lùi/lùi). Tham chiếu tiến hai bước (two forward) có thể có lợi cho dự đoán bù chuyểnđộng của một vùng vừa thay đổi cảnh trước đó, và tham chiếu lùi hai bước mà cảnh vừathay đổi sau đó. Các Slice đã mã hoá dự đoán hai chiều có thể cũng được sử dụng đểtham chiếu cho việc mã hoá trong ảnh của các ảnh khác. Như vậy, các ảnh khác có thểtham chiếu các ảnh B cho dự đoán chuyển động, phụ thuộc vào hoạt động điều khiểnquản lý bộ nhớ của việc nhớ đệm đa ảnh. Do đó, sự khác nhau cơ bản giữa Slice B và

Slice P là: các Slice B được mã hoá theo cách trong đó một số Macro-Block hoặc Block có thể dùng trung bình trọng số của hai giá trị dự đoán bù chuyển động riêng biệt choviệc hình thành các tín hiệu dự đoán. Nhìn chung các Slice B dùng hai bộ nhớ đệm ảnhtham chiếu khác nhau gọi là bộ nhớ đệm ảnh tham chiếu thứ nhất và thứ hai tương ứng.Các ảnh nào được xắp đặt đúng vị trí thực tế trong mỗi bộ nhớ đệm ảnh tham chiếu thìđược đưa ra điều khiển bộ nhớ đệm ảnh.

+ Các mode dự đoán trong Slice Block: Trong các Slice B, có 4 dạng dự đoán ảnhInter khác nhau được hỗ trợ: dự đoán List 0, List 1, hai hướng (bi- predictive)và trực tiếp(direct). Trong đó, dự đoán List 0 hiển thị rằng tín hiệu dự đoán được tạo thành nhờ dùng

bù chuyển động từ ảnh của bộ nhớ đệm tham chiếu đầu tiên, thì ảnh của bộ nhớ đệm ảnhtham chiếu thứ hai được sử dụng cho việc xây dựng tín hiệu dự đoán nếu dự đoán List 1được sử dụng.

H264/MPEG Part 10 giới thiệu mode trực tiếp (direct-mode), nó không yêu cầuthông tin kèm theo (bên cạnh), nhưng nhận ảnh tham chiếu, kích cỡ khối, dữ liệu Vector



22

chuyển động từ ảnh Inter tiếp theo. Dự đoán trọng số được làm tăng thêm do sự chuyểntiếp dần dần từ cảnh (scene) nọ sang cảnh kia.

2.2.6 Xác định Vector chuyển động (Motion Estimation)

Trong khi thực hiện DCT và lượng tử hóa phục vụ cho nén không gian bên ngoàicủa một Frame, xác định vetor chuyển động được sử dụng để nén sự dư thừa về thời gian,ví dụ như trong miền thời gian qua hai Frame liên tiếp.

Để làm một cảnh tiêu biểu, từ một phim truyện ví dụ từ 25 – 30 frame liên tiếpđược hiển thị trong mỗi giây bằng tivi hay máy chiếu phim. Tuy nhiên, không may làtrong một vài giây bất kỳ, một chuỗi các hình ảnh lưu lại giống nhau.Phông nền có thểkhông thay đổi tất cả, các đặc tính còn lại cũng tương tự và vì vậy các Frame liên tiếp rấtgiống nhau.

Việc xác định vetor chuyển động thực hiện phép phân tích giữa hai frame liên

tiếp và xác định những miền của hình ảnh có thay đổi hay chuyển động giữa các ảnh.Trong nhiều trường hợp một miền lưu lại chính xác vì nó đã ở trong các ảnh dự đoán vìthế nó đủ để cho từ mã hoá đến giải mã để hiển thị miền này khi nó đã ở trong ảnh dựđoán. Nếu miền di chuyển theo một hướng xác định, thuật toán xác định vetor chuyểnđộng điều khiển quá trình giải mã để sử dụng các mảnh (piece) của hình ảnh như trongảnh dự đoán, nhưng để di chuyển nó một lượng nhất định trong một hướng đã được xácđịnh. Trên thực tế điều này được hoàn thành bằng việc gửi vetor chuyển động trong dòngbít MPEG -4. Vetor này sẽ chỉ dẫn để giải mã trong việc chọn các phần thích hợp củacác ảnh giải mã trước đó được sử dụng trong sự thiết lập lại của một dòng khung hình.

Nó được làm sạch vì thế tỷ lệ nén rất cao. Trên thực tế, một vài loại nội dung có thể đượcnén với phạm vi lớn dẫn tới thiếu các hành động trong hình ảnh. Một ví dụ là “lời mở đầu” của nội dung , như là một người phát thanh viên, cái đó tạo ra một dòng MPEG -4

nén rất chặt. Đó có thể là một điều mong đợi, việc xác định vector chuyển động là một hàm

ước lượng rất cao. Việc tìm kiếm qua một hình ảnh cho tất cả các vật có thể (các vùng)thì có thể thay đổi bất kỳ vị trí sẽ cần đến nhiều sự tính toán.Tuy nhiên chỉ có 1/15 đến1/30 giây để làm điều này trước khi khung tiếp theo đến để xử lý.

Để hiểu tốt hơn các cách khác nhau của việc thực hiện xác định vector chuyển

động, hãy quan sát kỹ thao tác bàn tay. Về cơ bản, việc xácđịnh vector chuyển động cầnchia hình ảnh thành các khối nhỏ hơn và lấy mỗi khối tại các thời gian và vị trí khác nhautrên phía trên cùng của ảnh trước đó để xác định nếu đó là cái khớp nhau. Việc so khớpcó thể được làm bằng việc tính toán sự khác nhau giữa mỗi điểm ảnh (pixel) trong khốiảnh và việc so khớp vị trí trong các ảnh trước đó.



23

Như vậy, một con số (giá trị SAD “Summation of Absolute Difference” = tổng sựkhác nhau tuyệt đối) thu được cái đó biểu thị “how well- tốt như thế nào” đó là khối riêng

biệt thích hợp với vị trí nào đó trong ảnh trước đó. Nếu giá trị SAD là không (zero) nghĩalà mỗi điểm ảnh (pixel) là chính xác trong cùng một vị trí như trong ảnh trước đó, cho

nên vị trí mới cho khối đó tìm được. Nếu không một vị trí nào là khớp hoàn toàn, thìthuật toán có hai lựa chọn

- Đầu tiên : nó kết luận rằng tất cả sự khác nhau là quá lớn nghĩa là một câu hỏiđặt ra là một thực thể mới không tồn tại trong ảnh trước đó hay nó di chuyển quá xa sovới vị trí trước hay vị trí sau đó.

- Trong trường hợp thứ hai, giá trị SAD nhỏ khác không (nonezero) nó chấp nhậnsự thoả mãn nhất tuy nhiên sự thoả mãn đó không hoàn toàn.

Trong tiêu chuẩn MPEG -4, với mỗi 16 x 16 điểm ảnh trong một khối thì đượcthoả mãn cho tất cả các vị trí trong một vùng tìm kiếm, phạm vi đó xa bao nhiêu từ vị trí

gốc một khối (block) có thể di chuyển giữa hai khung (frame). Điển hình vùng tìm kiếmlà +/- 16 điểm ảnh. Khi đó, với mỗi vị trí tìm kiếm là 256(=16 x 16) điểm ảnh của mọi

block thì được so sánh với ảnh trước đó. Với định dạng CIF độ phân giải là (352 x 288)tại 30 ảnh (frame) trên một giây (frame/s) cho dòng video, con số so sánh như sau:

- Mỗi Macro-Block có: 16 x 16 = 256 pixel;

- Mỗi Macro-BLock được thoả mãn trong mỗi vị trí tìm kiếm là: 16 x 16 =256; - Mỗi khung hình (frame) bao gồm 396 block; - 30 khung hình được xử lý trong mỗi giây.

Như vậy, tổng sự khác nhau (cả cộng và trừ) trong một giây kết quả là:

256 x 256 x 396 x 30 = 778.567.680

2.2.7 Nén video

a) Nén theo miền thời gian. Những dư thừa về mặt thời gian là những hình ảnh giống nhau lặp đi lặp lại từ

khung này sang khung khác, ví dụ như khung nền không chuyển động của một chươngtrình đối thoại trên truyền hình. Vì vậy, để giảm bớt độ dư thừa này ta phải tiến hành néntheo miền thời gian.

Khi bộ mã hoá đang hoạt động ở chế độ “giữa khối”, khối này sẽ phải qua công

đoạn hiệu chỉnh chuyển động. Quá trình này sẽ phát hiện ra bất kỳ chuyển động nào diễnra giữa khối đó và một khối tương ứng ở một hoặc hơn một ảnh tham chiếu đã được lưutrữ từ trước, sau đó tạo ra khối “chênh lệch” hoặc “lỗi”. thao tác này làm giảm bớt dữ liệutrong mỗi Block một cách hiệu quả do chỉ phải biểu diễn chuyển động của nó mà thôi.Tiếp đến là công đoạn biến đổi Cosine rời rạc DCT để bắt đầu nén theo miền không gian.



24

Khi bộ mã hoá hoạt động ở chế độ “trong khối”, khối này sẽ bỏ qua công đoạn hiệu chỉnhchuyển động và tới thẳng công đoạn DCT. b) Nén theo miền không gian.

Dư thừa về mặt không gian là các khối có chứa các điểm ảnh tương tự nhau hoặc

giống hệt nhau. Trong nhiều trường hợp các điểm ảnh thường không thay đổi nhiều. Nhưvậy có nghĩa là tần số thay đổi giá trị điểm ảnh trong khối này là rất thấp. Những khốinhư thế được gọi là khối có tần số không gian thấp. Bộ lập mã lợi dụng đặc điểm này

bằng cách chuyển đổi các giá trị điểm ảnh của khối thành các thông tin tần số trong côngđoạn biến đổi Cosine rời rạc. + Biến đổi Cosine rời rạc (DCT)

Biến đổi Cosine là một hàm mà làm biến đổi dữ liệu hỉnh ảnh được thể hiện tronghệ toạ độ X-Y sang miền tần số. Công đoạn DCT biến đổi các giá trị điểm ảnh của khốithành một mạng lưới gồm các hệ số ngang dọc đặt trong không gian tần số. Khi khối ban

đầu có tần số không gian thấp, DCT sẽ tập hợp năng lượng tần số vào góc tần số thấp củamạng lưới. Nhờ vậy, những hệ số tần số thấp ở góc đó sẽ có giá trị cao hơn. Một số lượnglớn các hệ số khác còn lại trên mạng lưới đều là các hệ số có tần số cao, năng lượng thấpvà có giá trị thấp. Tại đây, hệ số DC và một vài hệ số tần số thấp sẽ hàm chứa phần lớnthông tin được mô tả trong khối ban đầu. Có nghĩa là bộ lập giải mã có thể loại bỏ phầnlớn hệ số tần số cao còn lại mà không làm giảm chất lượng hình ảnh của khối. Bộ lập mãchuẩn bị các hệ số cho công đoạn này bằng cách quét chéo mạng lưới theo đường zig-

zag, bắt đầu từ hệ số DC và qua vị trí của hệ số ngang dọc tăng dần. Do vậy nó tạo rađược một chuỗi hệ số được sắp xếp theo tần số.

+ Lượng tử hoá Quá trình lượng tử hoá là quá trình biến đổi có mất thông tin, làm giảm bớt số

lượng bít cần thiết để biểu diễn các hệ số. Dựa trên một hệ số tỷ lệ xích (có thể điều chỉnh bởi bộ mã hoá), bộ lượng tử hoá sẽ cân đối tất cả các giá trị hệ số. Do phần lớn các hệ sốđi ra từ DCT đều mang năng lượng cao nhưng giá trị thấp nên bộ lượng tử hoá bắt đầu

bằng một số giá trị cao ở đầu chuỗi, theo sau là một hàng dài các hệ số đã được lượng tửhoá về 0. Bộ lập mã Entropy có thể theo dõi số lượng các giá trị 0 liên tiếp trong mộtchuỗi mà không cần mã hoá chúng, nhờ vật giảm bớt được khối lượng dữ liệu trong mỗichuỗi. Để lượng tử hóa các hệ số biến đổi, H264/MPEG Part 10 dùng phương pháp lượng

tử hóa vô hướng. Các bộ lượng tử hoá được lựa chọn cho mỗi Macro-Block là dựa vàocác tham số lượng tử hoá QP (Quantization Parameter). Các bộ lượng tử hoá được sắpxếp sao cho có sự tăng khoảng 12.5% trong kích thước bước lượng tử hoá khi QP tăngmột đơn vị. Nhìn chung các hệ số biến đổi được lượng tử hoá của khối được quét zig-zag

và được truyền đi nhờ dùng phương pháp mã hoá Entropy.

+Mã hoá entropy:



25

Sau đây là một số kỹ thuật mã hoá entropy hay dùng trong hệ thống xử lý video: - Mã hoá chiều dài dải liên tục (RLC - Run Length Coding): các chuỗi điểm ảnh

có cùng độ chói (mức màu) sẽ được mã hoá bằng cặp thông tin (độ chói, chiều dài chuỗi). - Mã hoá bằng các loại bỏ trùng lặp: các chuỗi đặc biệt được thay thế bằng cờ và

số đếm lặp. - Mã hoá dùng mẫu thay thế: đây là dạng mã hoá thống kê mà nó thay thế các mẫuhay lặp lại bằng một mã.

- Mã hóa với độ dài (của từ mã) thay đổi (VLC- Variable-Length Coding).

Phương pháp này còn được gọi là mã hóa Huffman. Nguyên lý của nó dựa trênxác suất xuất hiện của các giá trị biên độ trùng hợp trong một bức ảnh và việc gán một từmã ngắn cho các giá trị có tần suất xuất hiện cao nhất và từ mã dài hơn cho các giá trị cònlại. Khi thực hiện giải nén, các thiết lập mã trùng hợp sẽ được sử dụng để tạo lại giá trị tínhiệu ban đầu. Mã hóa và giải mã Huffman có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng cách

sử dụng các bảng tìm kiếm. Như vậy, mã Huffman dựa trên nguyên tắc “ký tự có tần sốsuất hiện càng cao thì số bit mã hoá càng ngắn”.

Mã hoá Entropy trong các tiêu chuẩn trước đó như MPEG -1,2,4, H.261, và H.263

thì cơ bản là trên các bảng cố định mã hoá biến đổi theo chiều dài (VLC). Các tiêu chuẩnđó xác định các bộ mã hoá từ là cơ bản trên sự phân bố xác suất của các video chung thaycho mã Huffman chính xác đến các chuỗi video. Tuy nhiên H.264 sử dụng các VLC đểmà khớp với một biểu tượng được mã hoá cơ bản trên các đặc trưng của ngữ cảnh. Tất cảcác phần tử cú pháp, ngoại trừ các dữ liệu dư thừa, được mã hoá bằng mã Exp- Golomb.

Để mà đọc được các dữ liệu dư thừa (các hệ số biến đổi đã lượng tử hoá) thì ta sử dụng

phương pháp quét Zig-Zag (xen kẽ nhau) hay quét lần lượt (không xen kẽ hay phântrường). Để mã hoá dữ liệu dư thừa, một phương pháp phức tạp hơn gọi là CAVLC (mãhoá chiều dài biến đổi tương thích theo tình huống) được phát triển. Ngoài ra, CABAC(mã hoá thuật toán nhị phân tương thích theo tình huống) được phát triển trong MailProfile và High Profile, CABAC có khả năng mã hoá tốt hơn nhưng độ phức tạp cao hơnso với CAVLC.

2.2.8 Bộ lọc tách khối Một đặc trưng riêng của mã hoá dựa trên cơ sở khối là có thể nhìn thấy các cấu

trúc khối. Các mép của khối được cấu trúc lại với độ chính xác kém hơn các phần tử ảnh(pixel) bên trong và nhìn chung dạng khối (blocking) được xem là một trong những nhiễu“artifact” dễ nhìn thấy nhất với các phương pháp nén hiện tại. Do nguyên nhân này màH.264/MPEG-4 Part 10 sử dụng bộ lọc tách khối (Deblocking Filter) để làm giảm hiệntượng tách khối, ngăn chặn việc truyền của tạp âm mã hoá được tích luỹ. Tại bộ lọc này,cường độ lọc được điều khiển bởi giá trị của nhiều phần tử cấu trúc.



26

Các chuẩn nén trước đó đã không sử dụng bộ lọc tách khối bởi vì việc bổ sungrất phức tạp, mặt khác việc chia các nhiễu khối có thể được làm giảm bằng việc sử dụngMC chính xác một nửa phần tử ảnh. Một nửa phần tử ảnh thu được bằng cách lọc tuyếntính (bilinear filtering) của các phần tử ảnh nguyên vẹn bên cạnh đã phát huy vai trò làm

“nhẵn” của mã hoá tạp âm trong miền phần tử ảnh nguyên vẹn. H.264 sử dụng bộ lọc tách khối để việc thực hiện việc mã hoá cao hơn mặc dùviệc thực hiện rất phức tạp. Việc lọc được áp dụng cho các mép của các Block 4 x 4 trongmột Macro-Block. Quá trình điều khiển bộ lọc tách khối thành phần chói được thực hiệntrên 4 cạnh của mẫu 16 x 16 (16-sample) và quá trình xử lý bộ lọc tách khối cho mỗithành phần màu được thực hiện trên 2 cạnh của mẫu 8 x 8.

2.2.9 Kỹ thuật giải mã video

Hình 2.12: Sơ đồ giải mã Video H264/MPEG -4 Part 10

2.2.10 So sánh hiệu quả mã hoá của H264/MPEG- 4 Part 10 với tiêu chuẩn trƣớc đó: Qua quá trình tìm hiểu kỹ thuật mã hoá của H264/MPEG-4 Part 10, ta thấy một số

ưu điểm của H264/MPEG-4 Part 10 so với MPEG-2 là:

- Các công cụ toán học mới như CAVLC và CABAC cho sự cải thiện đáng kểtrong mã hoá Entropy.

- Trong khi bù chuyển động trong MPEG-2 Part 2 được hạn chế đến nội suy haichiều ½ pixel thì H264/MPEG-4 Part 10 cho phép các Vector chuyển động chính xác đến¼ pixel và sau đó dùng nội suy nhiều chiều(Bi-cubic). Nội suy nhiều chiều tạo ra sự thích



27

hợp hơn cho Macro-Block , do vậy giảm năng lượng được lưu trong ảnh lỗi, làm giảm số bít cần phải mã hoá. Tuy nhiên nội suy nhiều chiều đòi hỏi nhiều thuật toán hơn, sự phứctạp thực hiện bù chuyển động cao hơn.

- Việc dùng bộ lọc tách khối ở cả hai phía bộ mã hoá và bộ giải mã làm giảm sự

không liên tục ở các biên của khối do các hệ số chất lượng khác nhau được sử dụng chocác khối cạnh nhau gây ra. Điều này làm giảm nhiễu khối thường thấy trong mã hoáMPEG-2 tốc độ bít thấp vì nó nằm trong vòng bù chuyển động, bộ mã hoá và bộ giải mãvẫn còn trong sự đồng bộ. Công cụ này có ảnh hưởng đến tính phức tạp của bộ mã hoá và

bộ giải mã vì số biên khối và cũng vì thực tế là bộ lọc tách khối cũng không thể đượcthực hiện như một module riêng biệt.

- Kích thước khối thay đổi từ 16 x 16 xuống còn 4 x 4. Khi kích thước khối giảmcung cấp độ lợi mã hoá mà không có sự tăng đáng kể tính phức tạp.

Qua quá trình thực nghiệm đã cho rằng sự tiết kiệm tốc độ bít trung bình của

H264/MPEG 4 Part 10 so với MPEG-2 là khoảng 65%. Như vậy hiệu quả của nénH264/MPEG 4 Part 10 tăng lên đáng kể. Hiệu quả nén tăng của H264/MPEG Part 10 tạora các phạm vi ứng dụng và các cơ hội kinh doanh mới. H.264 giảm yêu cầu băng thôngtrong khi chất lượng ảnh tương đương MPEG-2 và MPEG-4. Công nghệ này giúp chotăng cường khả năng nén không gian và nén thời gian, cho hình ảnh truyền rất nhanh trênmạng LAN, internet. Với những ưu việt của mình, H.264 đang đựơc ứng dụng rất nhiềuvào ngành an ninh.

2.2.11 Ƣu điểm của H.264/AVC

+Chất lượng hình ảnh tốt: H.264 là chuẩn nén sử dụng công nghệ âm thanh, hìnhảnh mới khả năng nén tôt hơn so với các chuẩn nén trước đó. Do đó, chuẩn nén cung cấpdịch vụ phân phát hình ảnh chất lượng cao qua mạng băng thông giới hạn.

+Yêu cầu băng thông thấp: Chất lượng hình ảnh của H.264 gần giống với MPEG-

2 nhưng H.264 cần ít băng thông để truyền tải tín hiệu với cùng chất lượng. Đặc điểmnày rất phù hợp để sử dụng trong hệ thống IPTV.

+Có khả năng kết hợp với các thiết bị xử lí video có sẵn như MPEG-2 và hạ tầngmạng dựa trên IP đã có sẵn.

+Hỗ trợ truyên hình độ phân giải cao: Khi sử dụng tối ưu chuẩn nén có thể làm

tăng khả năng truyền dữ liệu của mạng. Do đó các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông cóthể sử dụng chuẩn nén này để cung cấp chương trình video độ phân giải cao qua mạngsẵn có.

+Hỗ trợ nhiều ứng dụng:Chuẩn nén H.264 được sử dụng trong nhiều ứng dụng,với nền khác nhau thì có những yêu cầu riêng. Ví dụ, ứng dụng truyền đa điểm trongIPTV yêu cầu phải hiện thị hình ảnh ở dạng chuẩn truyền hình, trong khi, đối với các ứng



28

dụng giải trí di động, hình ảnh phải hiển thị được trên các thiết bị di động. Để phù hợpvới mọi ứng dụng, chuẩn nén H.264 có rất nhiều profile và level. Đặc điểm của profile vàlevel là tốc độ bit và kích thước ảnh.

+Có thể truyền độc lập: Chuẩn nén H.264 có thể truyền qua nhiều giao thức như

ATM, RTP, UDP, TCP.+Dễ dàng thích nghi với các mạng chất lượng kém nhờ cơ chế sửa lỗi .

2.2.12 Các ứng dụng của H.264/AVC

Chuẩn nén này được thiết kế cho các ứng dụng sau: + Truyền hình quảng bá qua qua vệ tinh, cáp, mặt đất…

+ Truyền hình tương tác, video theo yếu cầu (VoD). + Lưu trữ đĩa quang, băng từ, DVD. + Tích hợp dịch vụ qua ISDN, LAN, DSL, mạng không dây, mạng di động,

modem.+Nhắn tin đa phương tiện MMS qua ISDN, DSL, LAN mạng di động. Còn nhiều ứng dụng khác được phát triển trên mạng hiện tại như video phone,…

và mạng tương lai.

Kết luận: MPEG -4 với nhiệm vụ là nhằm phát triển các chuẩn xử lý, mã hoá và hiển thị ảnh

động, audio và các tổ hợp của chúng. MPEG -4 khác so với MPEG -2 là trong một khunghình thì nó không mã hoá toàn bộ khung hình mà nó miêu tả từng đối tượng riêng rẽ và

sau đó mới mã hoá từng đối tượng đó. MPEG -4 chia các Macro-Block thành các Block nhỏ hơn. Trong khi bù chuyển động trong MPEG-2 Part 2 được hạn chế đến nội suy haichiều ½ pixel thì H264/MPEG Part 10 cho phép các Vector chuyển động chính xác đến ¼

pixel và sau đó dùng nội suy nhiều chiều(Bi-cubic). Và còn nhiều điểm ưu việt khác nữa.Do đó hiệu quả nén của chuẩn nén MPEG -4 tốt hơn so với MPEG -2.

Qua quá trình thực nghiệm đã cho rằng sự tiết kiệm tốc độ bít trung bình củaH264/MPEG Part 10 so với MPEG-2 là khoảng 65%. Như vậy hiệu quả của nénH264/MPEG Part 10 tăng lên đáng kể so với các chuẩn nén khác. Hiệu quả nén tăng củaH264/MPEG Part 10 tạo ra các phạm vi ứng dụng và các cơ hội kinh doanh mới như: ứng

dụng H264/MPEG Part 10 cho truyền hình số và di động hay có thể cải tạo chất lượngtruyền hình qua giao thức Internet để đạt được chất lượng hình ảnh tốt như truyền hình sốhiện nay.

Từ những đặc điểm và ưu điểm của MPEG-4 AVC đánh dấu một bước ngoặt tronglĩnh vực nén video, áp dụng các kỹ thuật tiên tiến nhằm mục đích sử dụng băng thônghiệu quả hơn và đem lại chất lượng ảnh cao hơn. Với các kỹ thuật này, MPEG-4 AVC có



29

thể giảm tốc độ bit xuống hơn 50% so với chuẩn MPEG-2. Do đó, MPEG-4 Part 10 đượclựa chọn để ứng dụng trong IPTV.



30

CHƢƠNG 3: ĐÓNG GÓI NỘI DUNG VIDEO

Việc đóng gói các chương trình video bao gồm việc chèn và tổ chức các dữ liệuvideo thành các gói riêng biệt.

+Tổng quan về mô hình truyền thông IPTV (IPTVCD) Mô hình truyền thông trong IPTV có 7 lớp (và một lớp tùy chọn) được xếp chồng

lên nhau.

Các dữ liệu video ở phía thiết bị gửi được truyền từ lớp cao xuống lớp thấp trongmô hình IPTV, và được truyền đi trong mạng băng rộng bằng các giao thức của lớp vật lí.Ở thiết bị nhận, dữ liệu nhận được chuyển từ lớp thấp nhất đến lớp trên cùng trong môhình IPTV.

Hình3.1: mô hình truyền thông IPTV

Do đó, nếu một bộ mã hóa gửi chương trình video đến một thiết bị IPTV của

khách hàng, thì phải chuyển qua các lớp trong mô hình IPTV ở cả phía thiết bị nhận vàthiết bị gửi. Mỗi lớp trong mô hình IPTV độc lập với nhau và có chức năng riêng. Khichức năng này được thực hiện, dữ liệu video được chuyển đến lớp tiếp theo trong môhình IPTV. Mỗi lớp sẽ thêm vào hoặc bỏ đi phần thông tin điều khiển của các gói videotrong quá trình xử lí. Thông tin điều khiển chứa các thông tin giúp thiết bị có thể sử dụnggói dữ liệu đúng chức năng của nó, và thường được định dạng như các header hoặctrailer. Bên cạnh việc truyền thông giữa các lớp, còn có các liên kết ảo giữa các tầng



31

cùng mức. 7 lớp và 1 lớp bổ sung trong mô hình IPTV có thể được chia làm 2 loại: cáclớp cao và lớp thấp. các tầng cao hơn thì quan tâm nhiều hơn tới các ứng dụng của IPTVvà các định dạng file, trong khi các tầng thấp hơn thì quan tâm tới việc truyền tải các nộidung.

Mô hình IPTV và truyền tải các nội dung MPEG:

3.2.1 Lớp mã hóa video:

Quá trình truyền thông bắt đầu ở lớp mã hóa, các tín hiệu tương tự hoặc số đượcnén. Tín hiệu lối ra của bộ nén là các dòng MPEG cơ bản. Các dòng MPEG cơ bản đượcđịnh nghĩa là các tín hiệu số liên tục thời gian thực. Có nhiều loại dòng cơ bản. VD, âmthanh được mã hóa sử dụng MPEG được gọi là “dòng âm thanh cơ bản”. Một dòng cơ

bản thực ra chỉ là tín hiệu thô ra từ bộ mã hóa. Các dòng dữ liệu được tổ chức thành cáckhung tại lớp này. Các thông tin chứa trong một dòng cơ bản có thể bao gồm:

+Loại khung và tốc độ.+Vị trí của những block dữ liệu trên màn hình.

+Tỉ số cạnh.

+Các dòng cơ bản là nền tảng để tạo nên các dòng MPEG.

3.2.2 Lớp đóng gói Video:Để truyền các dòng âm thanh, dữ liệu và hình ảnh cơ bản qua mạng số, mỗi dòng

cơ bản này phải được chuyển đổi sang một dòng được chèn của gói PES đã được đánhdấu thời gian (PES- parketized Element Stream ). Một dòng PES chỉ bao gồm một loại dữ

liệu từ một nguồn. Một gói PES có thể có kích thước khối cố định hoặc thay đổi, có thểlên tới 65536 byte/gói. Bao gồm 6 byte header, và số byte còn lại chứa nội dung chươngtrình.

Do bản chất của mạng, thứ tự hay chuỗi các khung video từ lối ra của trung tâmdữ liệu IPTV có thể khác thứ tự các khung do các thiết bị của người dùng nhận được. Dođó, để giúp đỡ quá trình đồng bộ, các hệ thống dựa trên MPEG thường dán nhãn các góiPES khác nhau trong chuỗi video.

Có 2 loại nhãn thời gian được sử dụng đối với mỗi gói PES: nhãn thời gian trìnhdiễn (PTS), và nhãn thời gian giải mã (DTS):

+PTS--- nhãn thời gian trình diễn có giá trị thời gian 33 bit, được đặt trong trườngPES header. Mục đích của việc sử dụng PTS cho mỗi gói là để xác định xem khi nào vàtheo trật tự nào thì gói đó được xem (bởi người xem).

+DTS--- nhãn giải mã để sử dụng giúp bộ giải mã ở thiết bị của người sử dụng biết khi nào xử lí gói đó.



32

Như đã chỉ ra ở trên, thứ tự các gói được truyền đi qua mạng khác với thứ tự cácgói nhận được ở thiết bị của người sử dụng. Thiết bị người sử dụng IPTV sẽ dùng cácnhãn PTS và DTS để tái tạo lại nội dung video gốc. Bên cạnh việc gửi đi các nội dungnén MPEG-2, PES còn có khả năng truyền tải các khối H.264/AVC qua mạng IPTV.

Hình 3.2 Ứng dụng nhãn thời gian với các gói MPEG PES

3.2.3 Lớp cấu trúc dòng truyền tải:Lớp tiếp theo trong mô hình truyền thông IPTV làm nhiệm vụ tạo nên dòng truyền

tải, bao gồm một dòng liên tiếp các gói. Những gói này thường được gọi là các gói TS,được tạo ra bằng cách ngắt các gói PES thành các gói TS có kích thước cố định là 188

byte độc lập với thời gian. Sử dụng thời gian độc lập này làm giảm khả năng mất gói tin

trong quá trình truyền và giảm ồn. Mỗi gói TS bao gồm 1 trong 3 định dạng truyền thông:dữ liêu, âm thanh, hình ảnh. Do đó, các gói TS mang cố định 1 loại hình truyền thông.

Lớp này cũng cung cấp chức năng để tạo ra các dòng chương trình. Một dòngchương trình là một gói PES chứa một vài dòng cơ bản được mã hóa sử dụng cùng đồnghồ chủ, hoặc đồng hồ hệ thống. Các kiểu dòng này được phát triển cho những ứng dụngnhư lưu trữ nội dung video trên các đĩa quang hoặc đĩa cứng.

Khi TS được cấu trúc và định dạng, nó sẽ được chuyển xuống lớp truyền tải trựctiếp hoặc tới lớp sử dụng giao thức truyền tải thời gian thực (RTP).

3.2.4 Lớp giao thức truyền tải thời gian thực( tùy chọn):Lớp tùy chọn này được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau. Lớp này

hoạt động như một lớp trung gian giữa các nội dung được nén MPEG-2, H.264/AVC ở lớp cao hơn và các lớp thấp hơn trong mô hình IPTV. Giao thức RTP chính là lõi của lớpnày và thường là block cơ sở hỗ trợ truyền dòng nội dung theo thời gian thực qua mạngIP.



33

Chú ý rằng, kĩ thuật RTP thường được triển khai trong các mạng không đảm bảochất lượng dịch vụ QoS để truyền các dịch vụ IPTV. Mặc dù RTP giúp làm tăng khảnăng các dòng tới đích trong trật tự đúng, nhưng không được thiết kế để đảm bảo cácmức chất lượng dịch vụ. Do đó, trách nhiệm của nhà cung cấp dịch vụ là đảm bảo video

luôn được ưu tiên khi chúng được truyền đi trong hạ tầng mạng.

3.2.5 Lớp truyền tải:Thông thường các gói RTP là dạng đầu vào của lớp truyền tải. Điều đáng chú ý là

có thể ánh xạ trực tiếp các gói MPEG-TS sang payload giao thức của lớp truyền tải.Lớp truyền tải IPTV được thiết kế để đảm bảo các kết nối đầu cuối là tin cậy. Nếu

dữ liệu tới thiết bị người nhận không đúng. Lớp truyền tải sẽ truyền lại. Lớp truyền tảithông báo với lớp trên để có các thông tin chính xác hơn.

TCP và UDP là 2 giao thức quan trọng nhất được sử dụng ở lớp này.

a) Sử dụng TCP để định tuyến các gói IPTV : TCP là giao thức cốt lõi của bộ giao thức internet và được xếp vào loại định hướng

kết nối. Điều này cơ bản có nghĩa là kết nối được thiết lập giữa đầu cuối nhà cung cấp vàthiết bị IPTV của người sử dụng để truyền các chương trình qua mạng.

TCP có khả năng điều khiển lỗi xảy ra trong quá trình truyền các chương trình quamạng. Các lỗi như mất gói, mất trật tự gói,hoặc lặp gói thường gặp trong môi trườngtruyền IPTV. Để xử lí các tình huống này, TCP sử dụng hệ thống các số liên tục để cho

phép thiết bị gửi có thể gửi lại các dữ liệu hình ảnh bị mất hoặc hỏng. Hệ thống số liêntục này là trường có độ dài 32 bit trong cấu trúc gói. Trường đầu tiên chứa chuỗi số bắt

đầu của dữ liệu trong gói và trường thứ hai chứa giá trị của chuỗi số tiếp theo mà videoserver đang đợi (mong) nhận trở lại từ IPTVCD.



34

Hình 3.3 Cơ chế điều khiển luồng của TCP

Bên cạnh việc sửa các lỗi có thể xảy ra trong quá trình truyền nội dung video quamạng IP băng rộng, TCP còn có điều khiển luồng dữ liệu. Điều này có thể đạt được bằngcách sử dụng trường kích thước cửa sổ, với thuật toán được gọi là cửa sổ trượt. Giá trịtrong trường này xác định số các byte có thể truyền đi qua mạng trước khi nhận được xácnhận từ phía thiêt bị nhận.

Trong môi trường IPTV, giá trị trường kích thước cửa sổ chính là kích thước vùngđệm trong IPTVCD trừ đi lượng nội dung đã có trong vùng đệm tại một thời điểm. Dữliệu này sẽ được giữ cho tới khi bản tin thông báo đã nhận được gửi về từ IPTVCD. Khi giá trị của trường này bằng 0, IPTVCD ở phía đầu thu sẽ không đủ khả năng xử lícác dữ liệu IPTV ở tốc độ đủ lớn. Khi đó, TCP sẽ chỉ thị cho video server dừng hoặc làmchậm lại tốc độ gửi các gói dữ liệu tới IPTVCD. Điều này sẽ đảm bảo rằng IPTVCD sẽkhông bị tràn các gói dữ liệu tới. Khi IPTVCD đã xử lí xong các các gói dữ liệu trongvùng đệm và video server đã biết được điều đó thì giá trị tại vùng đệm sẽ tăng lên, vàvideo server sẽ bắt đầu truyền tiếp các nội dung. Trong môi trường IPTV lí tưởng, số củacửa số được báo về từ IPTVCD sẽ báo cho server biết không gian vùng đệm còn trốngchính là tốc độ mà tại đó các nội dung video được gửi đi từ video server.



35

Các cổng TCP và Socket: Mỗi điểm cuối của một liên kết IPTV thì có một địa chỉIP và một giá trị cổng liên quan. Vì thế mỗi liên kết có 4 thành phần khác nhau:

+Địa chỉ IP của video server .+Số của cổng của video server .

+Địa chỉ IP của IPTVCD.+Số của cổng của IPTVCD.

Việc kết hợp địa chỉ IP và số của cổng cho phép một tiến trình trên IPTVCD cóthể liên lạc trực tiếp với tiến trình đang chạy trên một trong các máy server được đặt ở trung tâm dữ liệu IPTV.

Socket cũng là một thành phần quan trọng khác trong mô hình truyền thông IP.

Một socket về cơ bản là một giao diện ứng dụng chương trình (API), được sử dụng đểlàm việc liên lạc giữa các tiến trình đang chạy trên một thiết bị IP. Một socket được thiếtlập bằng cách kết hợp địa chỉ IP với số của cổng.

Hình 3.4 Quá trình truyền thông trong mạng IPTV

Để hiểu hơn về mối liên hệ giữa địa chỉ IP và socket xét các bước để thiết lập mộtkênh truyền thông giữa một tiến trình chạy trên IPTVCD và một tiến trình chạy trên trungtâm cung cấp dữ liệu IPTV. Bước được mô tả như sau:

(1) Chuẩn bị dữ liệu: Tiến trình gửi chạy trên hệ thống server dòng IPTV chuẩn bị nội dung và gọi module truyền thông TCP/IP để truyền các dữ liệu tới một tiến trình

đang chạy trên một IPTVCD. Các tiến trình truyền thông bắt đầu và thông tin header được thêm vào nội dung khi truyền qua các lớ p trong IPTVCD.

(2) Thiết lập kết nối logic TCP: Cả 2 đầu kết nối đều được định nghĩa bởi một địachỉ IP và một số cổng, kết hợp giữa địa chỉ IP và số cổng gọi là socket. Hệ thống địa chỉđối với liên kết truyền thông bao gồm các thành phần sau:

+Giao thức.



36

+Địa chỉ IP của máy chủ IPTV.

+ID của tiến trình chạy trên máy chủ IPTV .

+Địa chỉ IP của IPTVCD.

+ID của tiến trình chạy trên IPTVCD.

(3) Truyền dữ liệu: Truyền thông bắt đầu thông qua socket giữa 2 tiến trình từ phía IPTV server đến IPTVCD.

(4) Quản lí các dòng nội dung IPTV: giao thức TCP quản lí các dòng IPTV trongkhi kết nối được thiết lập.

(5) Hủy bỏ kết nối: Khi hoàn thành việc truyền các nội dung IPTV, IPTVCDhoặc trung tâm dữ liệu sẽ hủy bỏ socket và kết nối mạng.

b) Sử dụng UDP để định hướng các gói IPTV: UDP là giao thức thuộc về bộ giao thức Internet. UDP cho phép máy chủ kết nối

với mạng băng rộng để gửi tới các IPTVCD dịch vụ truyền hình quảng bá có chất lượng

hài lòng người dùng. UDP giống với TCP nhưng là phiên bản sơ lược hơn, đưa ra cho sốlượng tối thiểu các dịch vụ truyền tải. UDP là giao thức không liên kết, điều đó có nghĩalà kết nối giữa video server và IPTVCD không cần phải thiết lập trước khi dữ liệu đượctruyền đi. Video server đơn giản chỉ thêm vào địa chỉ IP đích và số cổng vào datagramvà gửi tới cơ sở mạng để phân phát tới địa chỉ IP đích. Khi trên mạng, UDP sử dụng cách

tốt nhất để cố gắng thu được dữ liệu về điểm đích của nó. Chú ý rằng UDP sử dụng cáckhối dữ liệu được gọi là các datagram để truyền nội dung qua mạng.Ưu điểm và nhược điểm của UDP:

+Ưu điểm của UDP:

Không có ngắt trong quá trình truyền nội dung video: không có trễ trong quá trình phân phối ngay cả khi trong mạng có các gói bị trễ hoặc bị hỏng. Ngược lại, khi sử dụngTCP, có thể xảy ra sự ngắt quãng khi phải chờ các gói bị trễ và các khung hình tới hoặc

phải chờ các gói bị hỏng được thay thế. Dung lượng thấp: Kích thước header của UDP chỉ bao gồm có 8 byte trong khi

TCP header chiếm tới 20 byte. Tốc độ thiết lập kết nối: thời gian thiết lập và hủy bỏ kết nối giữa IPTVCD và các

thiết bị ở trung tâm dữ liệu IPTV ngắn. Do đó, việc phân phối các gói sử dụng giao thứcUDP thường nhanh hơn so với sử dụng giao thức TCP.

Hỗ trợ truyền một chiều: UDP không yêu cầu đường về, do đó cho phép các côngty sử dụng vệ tinh có thể truyền nội dung IPTV truyền đa điểm tới khách hàng của mình.

+ Nhược điểm của UDP: Mặc dù UDP là nhanh chóng và hiệu quả đối với các ứng dụng cần thời gian, và sẽ

là không hiệu quả trong trường hợp:



37

Tính toàn vẹn của dữ liệu: Tính toàn vẹn của dữ liệu khi sử dụng UDP là không

được bảo đảm khi UDP chỉ cung cấp một dịch vụ duy nhất là kiểm tra tổng vàmultiplexing thông qua số cổng. Bất kì vấn đề nào cũng có thể xảy ra trong quá trìnhtruyền thông ở tại đầu cuối nào cần được điều khiển độc lập với các ứng dụng. Các vấn

đề thường gặp như là phát lại, đóng gói và lắp ráp lại, truyền lại các gói bị mất, sự tắcnghẽn, và điều khiển luồng nằm ngoài khả năng sửa lỗi của UDP. Khó khăn trong việc vượt qua các tường lửa: Nhiều loại tường lửa trên mạng chặn cácthông tin UDP gây ra các lỗi trong quá trình truyền thông. Đây không phải là vấn đề lớnđối với các nhà cung cấp dịch vụ IPTV, tuy nhiên nó cũng ảnh hưởng tới các công tycung cấp dịch vụ Internet TV.

Đối với IPTV, UDP tỏ ra hữu ích khi trung tâm dữ liệu cần gửi các nội dung videoIP tới nhiều IPTVCD và là giao thức mức truyền tải phổ biến nhất mà các nhà cung cấpdịch vụ IPTV.

c) Sự khác biệt giữa TCP và UDP: Khi các nhà cung cấp dịch vụ phát các nội dung IPTV tới các thuê bao, điều quan

trọng là các nội dung này phải đến thiết bị của người dùng đúng lúc và trong dạng đúng. Nói cách khác, các gói video phải không bị ngắt quãng. Do đó, các nhà cung cấp dịch vụcần chắc chắn sử dụng giao thức hỗ trợ khả năng phân phối qua hạ tầng mạng.

Mặc dù TCP cung cấp các ứng dụng với nhiều đặc trưng về mạng so với UDP,nhưng các nhà cung cấp dịch vụ IPTV không thường chọn TCP là giao thức tr uyền tải. Điều này chỉ ra một thực tế rằng IPTV là ứng dụng thời gian thực và không có trễ. TCPcó thể đưa ngầm vào sự phân phối nội dung video IP do thực tế rằng giao thức sử dụng

cơ chế điều khiển dòng.Đặc điểm và hạn chế cuả TCP đối với phân phối chương trình thời gian thực: o Cân bằng giữa độ nhạy và độ trễ---- IPTV ít nhạy với mất hoặc ngắt gói hơn là

với độ trễ. Việc truyền lại các gói nâng cao độ tin cậy của kết nối giữa máy chủvà thiết bị truy cập IPTV. Tuy nhiên, khi việc truyền lại diễn ra nhiều thì sẽ làmđộ trễ tăng lên.

o TCP là giao thức kết nối liên kết---- Như đã trình bày ở trên TCP yêu cầu thiếtlập kết nối logic giữa máy chủ và IPTVCD trước khi truyền các nội dung IPTV.Khi người xem chuyển từ kênh này sang kênh khác cũng sẽ gây ra độ trễ đối

với môi trường truyền hình trực tiếp của IPTV. o Hỗ trợ sửa lỗi---- TCP cung cấp nhiều tính năng, đáng chú ý là khả năng sửa lỗi

và điều khiển luồng. Tuy nhiên, việc sửa lỗi trong mạng IP video có thể làmgiảm chất lượng dịch vụ tới khách hàng.

o Đặc điểm của truyền video: video bao gồm một chuỗi các ảnh liên tiếp, bất cứkhi nào xảy ra ngắt với tốc độ mà tại đó các hình ảnh này được xử lí và hiển thị



38

trên IPTVCD cũng làm giảm chất lượng hình ảnh hiển thị và ảnh hưởng tớingười sử dụng. Thời gian xử lí mỗi ảnh riêng biệt chỉ mất khoảng một phần củagiây. Nếu sử dụng TCP để sửa lỗi do ngắt, cơ chế sửa lỗi như sau: IPTVCD sẽ báo gói dữ liệu bị lỗi bằng việc đặt cờ.

Một bản tin sẽ được gửi tới máy chủ IPTV để thông báo cho ứng dụng biếtmột trong các gói nhận được bị ngắt. Dưới sự quản lí của TCP, máy chủ cần phải tìm ra và gửi lại gói bị ngắt. IPTVCD nhận được gói mới trong vùng đệm và hiển thị nội dung video

trong gói đó. Trong khi TCP thực hiện các bước ở trên, IPTVCD phải chờ gói bị lỗi được

truyền lại và phải để trống luồng video hoặc bỏ qua gói truyền lại khi nhậnđược, Do đó kĩ thuật sửa lỗi của TCP là không cần thiết.

o Mất gói IP----- quá trình xử lí mất các gói IPTV nhiều hay ít cũng giống như

quá trình sửa ngắt gói IPTV. Các gói bị mất cũng cần được truyền lại, gây raảnh hưởng bất lợi tới dịch vụ phân phối IPTV.

o Hỗ trợ điều khiển luồng---- Bên cạnh vấn đề sửa lỗi và thiết lập kết nối logic,giao thức TCP còn hỗ trợ điều khiển tốc độ bit luồng dữ liệu gửi đi, có thể gâyra nhiều trở ngại trong việc truyền và nhận nội dung IPTV. Trở ngại này xảy rakhi vùng đệm IPTV bắt đầu tràn các gói IPTV hoặc mạng bị nghẽn. Khi xảy ratrường hợp này, máy chủ nhận được yêu cầu giảm tốc độ gửi các gói tin lênmạng. Nếu máy chủ thực hiện yêu cầu giảm tốc độ, có một khả năng đó là: khi

tốc độ giảm xuống hình ảnh sẽ không thể hiển thị được. Nếu bản tin dừng được

thực hiện, dịch vụ IPTV sẽ bị tắt hoàn toàn. o Không hỗ trợ đa truyền thông---- TCP không hoạt động hiệu quả trong môi

trường đa truyền thông, Do đó, UDP là lựa chọn tốt hơn TCP đối với các dịchvụ truyền thông như các ứng dụng đa truyền thông IPTV và truyền quảng bá.

Đây là những nguyên nhân chính TCP ít được sử dụng trong IPTV trực tiếp. TCPđược dùng trong các ứng dụng khác như e-mail, download các chương trình Internet TV. Mặc dù, độ tin cậy và khả năng sửa lỗi của UDP không bằng TCP nhưng UDP là giaothức được lựa chọn để phân phát các dịch vụ IPTV.

UDP có các nhược điểm sau: không có khả năng tìm và sửa lỗi. Vấn đề này được

khắc phục bằng cách gắn các hàm sửa lỗi vào các ứng dụng IPTV chạy trên các mạnghoặc trong chính các dòng video.

3.2.6 Lớp IP: Sau lớp truyền tải là lớp IP (còn được gọi là lớp liên mạng ). Nhiệm vụ chính của

lớp này là đưa các dữ liệu tới các vị trí mạng riêng biệt thông qua nhiều mạng độc lập



39

được liên kết với nhau được gọi là liên mạng. Lớp này được sử dụng để gửi các dữ liệuthông qua các đường khác nhau tới đích. IP là giao thức tốt nhất được sử dụng trong lớpliên mạng, giao thức này cung cấp dịch vụ phân phát gói cơ bản cho tất cả các dịch vụIPTV. Các loại dịch vụ này với hệ thống truyền đơn điểm, nơi các gói được truyền từ

nguồn tới một IPTVCD đích, khác với hệ thống truyền đa điểm nơi mà các gói đượctruyền từ máy chủ tới nhiều IPTVCD. IPv4 là giao thức phổ biến nhất được sử dụng trong mạng IPTV ngày nay. Nhiệm

vụ chính của IP là phân phát các bit dữ liệu trong các gói từ nguồn tới đích. IP sử dụng kĩ thuật có hiệu quả cao nhất để phân phát dữ liệu. Nói cách khác không có tiến trình nàođảm bảo quá trình phân phát chính xác thông tin qua mạng. Các khối cơ sở của giao thứcIP là các đoạn bit dữ liệu được đặt trong các gói và được định địa chỉ.

Gói IP là đơn vị dữ liệu bao gồm dữ liệu video thực và các thông tin của việc nhậnvideo từ trung tâm cung cấp dữ liệu IPTV tới đích IPTVCD.

Cách đánh địa chỉ IP: trong môi trường IPTV, địa chỉ IPv4 thường được dùng đểđịnh nghĩa IPTVCD và trung tâm cung cấp dữ liệu. Địa chỉ IPv4 là chuỗi 4 số được ngăncách với nhau bằng các dấu chấm để định nghĩa một cách chính xác vị trí vật lí của một thiết bị, ví dụ như set-top box, trong mạng. Địa chỉ IPv4 gồm 32 bit trong hệ nhị phân.Các số nhị phân này được chia thành 4 octet, mỗi octet 8 bit, mỗi octet được đại diện bởi1 số hệ thập phân nằm trong khoảng từ 0 đến 255. Mỗi octet được ngăn cách bởi 1 dấuchấm trong hệ thâp phân. Địa chỉ IP được tổ chức thành 2 phần:

(1) Địa chỉ mạng dùng để định nghĩa mạng băng rộng mà IPTVCD kết nối tới. (2) Địa chỉ host dùng để định nghĩa các thiết bị IPTV.

Một điểm đáng chú ý là một vài bit đầu tiên của địa chỉ sẽ định nghĩa các bit cònlại của trường địa chỉ sẽ được phân chia thế nào cho host và mạng. Để thuận lợi cho việcsư dụng và quản lí, địa chỉ IP được chia thành các lớ p khác nhau.

Bên cạnh việc chia thành các lớp, một số địa chỉ IP được dành riêng cho các mạngtư nhân. Các địa chỉ này nằm trong dải:

10.0.0.0 to 10.255.255.255

172.16.0.0 to 172.31.255.255

192.168.0.0 to 192.168.255.255



40

Hình3.5 Các lớp địa chỉ IP

a) Mạng con IPTV: Trong các mạng lớn IPTV với hàng ngàn IPTVCD trải rộng trên một khu vực địa

lí rộng, mạng dựa trên IP này cần được chia thành các mạng nhỏ hơn gọi là mạng con.Mạng con của mạng IPTV cho phép nhà cung cấp dịch vụ định nghĩa và giám sát các

phần riêng biệt trong mạng mà không cần địa chỉ IPv4 mới. Người điều hành mạng cũngsử dụng địa chỉ mạng con để giấu đi cấu trúc mạng nội bộ để tránh bị tấn công từ mạngInternet công cộng. Người quản trị mạng IPTV sử dụng các số riêng biệt được gọi là địachỉ subnet mask để tạo các mạng con trong môi trường IPTV. Subnet mask là địa chỉ IP

32 bit. Giá trị mặc định của subnet mask của lớp A, B, C là:

Class A----- 255.0.0.0Class B----- 255.255.0.0

Class C-----255.255.255.0

Các tiến trình chạy trên mạng con thường được quản lí bởi thiết bị phần cứng gọilà router. Một router có thể nối với nhiều mạng và quyết định thông tin sẽ được gửi đếnđâu trong mạng.



41

b) Tương lai của địa chỉ IP: Khi cấu trúc địa chỉ IP của mạng Internet mới được phát triển trong những năm

đầu của thập kỉ 80, người ta đã cho rằng nó đáp ứng được nhu cầu của người dùng hiệntại và trong tương lai. Địa chỉ IP 32 bit trong vesion IPv4 có thể đánh địa chỉ cho hơn 4 tỉ

máy trạm trong khoảng 16,7 triệu mạng khác nhau.Địa chỉ IPv4 không đáp ứng được nhucầu tốc độ phát triển của mạng Internet như hiện nay.Tốc độ phát triển của mạng Internetđã nằm ngoài dự đoán của những người phát triển giao thức IP và số lượng mạng kết nốivới mạng Internet tăng lên từng tháng.

Để tìm giải pháp cho hạn chế của địa chỉ IPv4, Nhóm Kĩ Sư mạng Internet đã đưara version mới IPv6 với 128 bit địa chỉ. . IPv6 có thể cung cấp lượng địa chỉ gấp hàng tỉlần số địa chỉ IPv4. IPv6 có cả các khả năng cung cấp hỗ trợ việc xác thực, tính toàn vẹnQoS, mã hóa và bí mật. Việc sử dụng IPv6 trên mạng IPTV là thích hợp bởi vì cơ chếQoS bên trong nó và có khả năng hỗ trợ số lượng không giới hạn các IPTVCD.Từ 5 tới

10 năm tớ i, IPv6 sẽ dần thay thế IPv4. Tại sao lại sử dụng IPv6 khi triển khai IPTV ? IPv6 có tính năng vượt trội hơn

so với IPv4. Các nguyên nhân chính khiến các nhà cung cấp dịch vụ xem xét việc sưdụng IPv6:

Quy mô được tăng lên: IPv4 dùng địa chỉ 32 bit trong khi IPv6 dùng địa chỉ 128 bit, lớn hơn gấp 4 lần. Điều này cho phép nhà cung cấp dịch vụ IPTV mở rộng số lượngthiết bị có thể quản lý .

Cấu trúc header đơn giản: IPv6 giảm kích thước header xuống còn 40 byte cố địnhvà đơn giản cấu trúc của trường header.

Tăng mức độ bảo vệ: IPv6 có 2 đặc điểm giúp tăng mức độ bảo vệ: (1) Bao gồm header xác thực----- bao gồm các bản tin xác nhận và kiểm tra

người gửi gói. (2) Payload bảo mật được đóng gói----- đặc điểm này đảm bảo tính toàn vẹn của

dữ liệu IPTV và bảo mật giữa các máy chủ trung tâm dữ liệu IPTV và các IPTVCD khác. Lưu lượng thời gian thực tốt hơn: khả năng dán nhãn luồng của IPv6 cho phép nhà cungcấp dịch vụ đánh dấu các gói riêng, phụ thuộc vào từng loại dịch vụ. Trong môi trườngtriple-play, các router có thể coi các gói IP được dán nhãn với một nhận dạng video là cácgói IP được dán nhãn khi mang nội dung web.???

Tự động cấu hình: Khả năng plug and play của IPv6 giúp giảm bớt độ phức tạpkhi cài đặt dịch vụ IPTV tại nhà của khách hàng.

Vì những ưu điểm kể trên IPv6 được xem như giải pháp lâu dài để hỗ trợ triểnkhai các thiết bị số ở quy mô lớn, có thể sử dụng nhiều loại ứng dụng dựa trên IP.

Nhược điểm chính khi sử dụng giao thức IP là không có gì đảm bảo rằng khi nào các góitới đúng đích hay gói có đến đúng lúc không, ngay cả thứ tự các gói được chuyển đến



42

cũng không được xác định. Do đó, lớp IP làm việc cùng với giao thức lớp truyền tải đểđảm bảo rằng các gói đến IPTVCD đúng lúc và theo trật tự đúng. IP cũng làm cho quátrình phân phát nội dung video bị trễ.

3.2.7 Lớp liên kết dữ liệu: Lớp liên kết dữ liệu lấy các dữ liệu thô từ lớp IP và định dạng chúng thành các gói phù hợp để truyền qua mạng vật lí. Chú ý, lớp liên kết dữ liệu khác với các giao thứcmạng. Kĩ thuật Ethetnet là một trong những kĩ thuật phổ biến hơn được sử dụng trong hệthống IPTV. Lớp liên kết dữ liệu bao gồm các chức năng dành cho các mạng dựa trênEthernet:

Encapsulation---- Lớp này thêm vào các gói IPTV một header. Ethernet header là

loại Encapsulation phổ biến nhất dùng trong lớp liên kết dữ liệu của IPTVCD. Định địa chỉ---- Lớp liên kết dữ liệu xử lí các địa chỉ vật lí của mạng người sử

dụng và các thiết bị chủ. Hệ thống địa chỉ khác nhau với các topo mạng. Ví dụ, địa chỉMAC được sử dụng trong mạng Ethernet. Mỗi thiết bị kết nối với mạng IPTV thì có 1 địachỉ MAC. Độ dài của địa chỉ MAC là 48 bit và thường được biểu diễn bằng 12 số tronghệ 16. Trong 12 số hệ 16 này, 6 số đầu tiên để dành cho nhà sản xuất thiết bị IPTV và cácsố còn lại được dùng để định nghĩa giao diện mạng ảo.

Kiểm tra lỗi----- chức năng kiểm tra lỗi được dùng trong vài lớp của mô hìnhIPTV, bao gồm cả lớp liên kết dữ liệu. Các gói bị ngắt là lỗi thường gặp trong quá trình

truyền các nội dung video qua mạng dựa trên IP. Phương pháp sửa lỗi thường dùng là

kiểm tra dư thừa vòng (CRC) trong IPTV để tìm và loại bỏ các gói bị ngắt. Sử dụng kĩ

thuật CRC thiết bị gửi IPTV thực hiện việc tính toán trên các gói và lưu trữ kết quả tronggói. Các phép tính toán tương tự cũng được thực hiện trên thiết bị nhận khi nhận đượccác gói. Nếu kết quả tính toán là như nhau, thì các gói được xử lí bình thường. Tuy nhiên,nếu kết quả này là khác nhau, thì gói bị lỗi sẽ bị loại bỏ.Thiết bị gửi sẽ tạo một gói mớivà gửi lại nó. Thông báo với lớp trên trong mô hình IPTV khi có lỗi xảy ra là nhiệm vụchính của lớp liên kết dữ liệu trong kĩ thuật kiểm tra lỗi mà các hệ thống IPTV end toend.

Điều khiển luồng---- Điều khiển luồng là một trong chức năng của lớp truyền tải.Trong mạng IPTV, điều khiển luồng cho thiết bị IPTV của người sử dụng không bị tràn

bởi các nội dung. Lớp liên kết dữ liệu cùng với lớp truyền tải thực hiện bất kì yêu cầuđiều khiển luồng nào.



43

3.2.8 Lớp vật lí:Lớp vật lí quy định luật lệ truyền các bit số qua mạng. Nó đề cập đến việc đưa các

dữ liệu qua các mạng vật lí riêng biệt như xDSL, và không dây. Lớp này định nghĩa cấuhình mạng vật lí, thông số kĩ thuật, điện trong môi trường truyền.

Khi dòng bit được truyền qua mạng, các gói được chuyển từ lớp thấp đến lớp caotrong mô hình truyền thông IPTV. Ví dụ lớp liên kết dữ liệu sẽ kiểm tra các gói và loại bỏđi phần header Ethernet và trường sửa lỗi CRC. Tiếp đó sẽ kiểm tra trường kiểu mã củaEthernet header và xác định gói cần được xử lí bởi giao thức IP. Do đó gói dữ liệu đượcchuyển lên lớp mang. Lớp mạng kiểm tra và loại bỏ đi phần IP header và chuyển gói đólên lớp truyền tải. Phương pháp bỏ đi phần header khi qua các lớp khác nhau gọi là bócgói. Quá trình này tiếp tục đươc thực hiện cho tới khi gói dữ liệu lên đến tầng trên cùng

trong mô hình. Hình ảnh gốc được thể hiện trên màn hình TV của người xem.



44

CHƢƠNG 4: TRUYỀN DẪN VÀ PHÂN PHỐI

Các giải pháp kỹ thuật cho hệ thống IPTV bao gồm :-IP Unicast : được sử dụng để truyền dữ liệu (hay gói dữ liệu) từ một máy phát

đến một máy thu đơn giản.

Hình 4.1 IP Unicast

- IP Broadcast : sử dụng để gửi dữ liệu từ một máy phát đến toàn bộ mạng conSubnetwork.

Hình 4.2 IP Broadcast

- IP Multicast : được dùng để cung cấp dữ liệu từ một máy phát đến một nhóm cácmáy thu được cài đặt theo một cấu hình thống nhất, các thành viên của một nhóm này cóthể thuộc các mạng phân tán khác nhau.



45

Hình 4.3 IP Multicast

- IP Simulcast : là một giải pháp mang tính cách mạng mới được phát triển bởi

hãng Pipe Dream Inc. Công nghệ mới này bao gồm giao thức truyền thông Internet IPSimulcast, các thuật toán nén video và audio mới cho phép truyền phát dữ liệu video vàaudio thời gian thực tại các tốc độ bịt rất thấp mà vẫn đảm bảo chất lượng ảnh và âmthanh khá cao, hình ảnh được hiển thị trên toàn bộ màn hình.Các phương pháp truyền thông đa phương tiện

Đối với các ứng dụng IPTV , hình thức phân phối dữ liệu một đến nhiều điểm làcần thiết, trong đó dòng dữ liệu cần được truyền đi từ một máy phát đến nhiều máy thuđồng thời, nhưng không được phép đi đến toàn bộ mạng con. Vì lý do này nên giải phápIP Broadcast thường không được sử dụng trong IPTV. Các ứng dụng truyền IPTV hiện

nay thường sử dụng phương pháp IP Unicast và IP Multicast và IP Simulcast, trong đó IPMulticast hiện là giải pháp phổ biến nhất hiện nay. Tuy nhiên do các ưu điểm hơn hẳncủa mình, giải pháp IP Simulcast được dự báo sẽ là công nghệ chủ yếu của IPTV trongvài năm sắp tới.

4.1 IP Unicast :

Một số ứng dụng truyền IPTVcho truyền hình giai đoạn đầu đã sử dụng phương pháp truyền dữ liệu IP Unicast. Trong trường hợp này, các truyền tải theo dòng được địnhhướng kết nối được sử dụng để phân phối dữ liệu đến mỗi máy thu một cách riêng lẻ.



46

Hình 4.4 Giải pháp truyền thông IP Unicast Các ứng dụng này hiện còn mang nhiều hạn chế và hiện nay ít được ứng dụng vì

những lý do sau :

- Băng thông của mạng bị lãng phí- Dịch vụ không thể mở rộng phục vụ khi số lượng máy thu tăng lên

- Không thể sử dụng trong các thiết bị giới hạn thời gian, do sự cung cấp đến mỗimáy thu phải theo trình tự xếp hàng.

4.2 IP Multicast :

4.2.1 Truyền thông IP Multicast: Phương pháp IP Multicast cũng cho phép truyền dữ liệu từ một máy phát sender

đến nhiều máy thu, nhưng không giống như IP Unicast, con số các bản sao (copy) dữ liệu

giống nhau để truyền đi được giảm ở mức tối thiểu. Tất cả các máy thu của một nhómmulticast (lớp mạng D) được cài đặt cấu hình giống nhau. Máy phát sender truyền một gói IP đến một địa chỉ multicast và cho phép gửi chuyển tiếp một bản copy của gói dữliệu đến máy chủ của mỗi nhóm. Nhờ vậy con số các bản copy dôi ra quá mức cần thiếttruyền đến các mạng cấp dưới (subnet) được giảm thiểu và IP Multicast có hiệu quả hơnIP Unicast, do tiết kiệm được nhiều băng thông máy chủ server.



47

Hình 4.5 Giải pháp truyền thông IP Multicast

Giao thức được sử dụng trong truyền thông IP Multicast được thực hiện tại các

Router mạng, không phải trong các máy chủ Server. Các Router mạng tự động tạo ra một bản copy của mỗi gói multicast cho mỗi máy thu. Việc định tuyến trong truyền thông IPMulticast đòi hỏi các Router đặc biệt : các router trung gian giữa máy phát sender và cácmáy thu receiver cần phải có khả năng IP Multicast.

IP Multicast không phải là một phương thức truyền thông kết nối định hướng :máy phát sender gửi dữ liệu đến nhiều máy thu thông qua giao thức gói dữ liệu ngườidùng UDP (User Datagram Protocol). UDP cũng là một giao thức thuộc lớp giao vận(Transport Layer) như TCP. Nhưng khác với TCP, UDP là loại giao thức không liên kết,không đòi hỏi phải thiết lập liên kết logic giữa hai thiết bị trao đổi thông tin với nhau, mà

cho phép truyền số liệu thông qua số hiệu cổng mà không cần thiết lập một phiên kết nốilogic. Khả năng này cho phép rút ngắn được thời gian truyền số liệu, nhưng lại khôngđảm bảo chắc chắn gói dữ liệu được gửi đi sẽ đến đích. Nếu mỗi lỗi xuất hiện trong quátrình truyền thì gói dữ liệu sẽ bị huỷ bỏ. Việc phục hồi các gói dữ liệu bị mất sẽ đượcthực hiện thông qua các yêu cầu phản hồi đến máy phát sender (Điều này tất nhiên sẽ làmcho sơ đồ truyền thông phức tạp hơn hình trên và nảy sinh yêu cầu băng thông mạng caohơn).

Trong nhiều trường hợp, khi các máy thu nằm trong các mạng con được ngăn cáchvới các mạng Internet bằng các bức tường lửa (fire wall), những bức tường lửa này cầnđược có khả năng và được cài đặt cấu hình cho phép các dòng IP Multicast đi qua. Để có thể thu được và hiển thị các dòng truyền thông IP Multicast các máy thu cần đápứng các yêu cầu sau :

- Hỗ trợ truyền thông (truyền và nhận dữ liệu) IP Multicast theo nhóm giao thứcTCP/IP.



48

- Cài đặt phần mềm hỗ trợ giao thức mạng Internet IGMP để gửi các yêu cầu hủy bỏ hay tham gia kết nối multicast đến các máy thu multicast trong nhóm.

- Card giao diện mạng có thể lọc một cách hiệu quả các địa chỉ lớp kết nối dữ liệumạng Lan được ánh xạ từ n địa chỉ.

4.2.2 Định tuyến trong truyền thông IP Multicast:

Định tuyến các dòng lưu thông multicast là một vấn đề phức tạp, vì các địa chỉmulticast cần được nhận biết như là địa chỉ của phiên truyền dữ liệu đặc biệt, chứ khôngđơn thuần chỉ là một địa điểm vật lý cần gửi dữ liệu đến. Một số kỹ thuật mới đã được

phát triển để giải quyết có hiệu quả vấn đề định tuyến dòng lưu thông multicast. Do consố máy thu trong một phiên multicast lớn, nên nguồn phát không cần thiết phải biết rõ tấtcả các địa chỉ này. Thay vào đó các bộ định tuyến mạng cần phải có khả năng chuyển cácđịa chỉ multicast vào trong địa chỉ chính (host addresses). Để tránh lặp lại các hoạt động

này, một thiết bị định tuyến duy nhất được chọn làm bộ định tuyến chính (designatedrouter) cho mỗi mạng, và từ thiết bị định tuyến chính này sẽ tạo ra một cấu trúc mở rộnghình cây kết nối tất cả các thành viên của một nhóm IP Multicast.

Một cấu trúc mở rộng dạng cây chỉ có kết nối với phạm vi vừa đủ sao cho chỉ cómột đường kết nối duy nhất giữa từng cặp router.

Tuỳ theo tình hình mật độ phân bố các máy thu trên mạng, truyền thông IPMulticast sử dụng một trong hai giao thức (và thuật toán) định tuyến sau :

• Giao thức định tuyến mật độ cao (Dense-mode routing protocol) : được sử dụngkhi các thành viên nhóm Multicast được phân bố dày đặc trên toàn mạng. Nó tạo ra sự

lưu thông tràn ngập trên mạng trong từng giai đoạn các dữ liệu multicast để triển khai vàduy trì cấu trúc hình cây mở rộng.

• Giao thức định tuyến mật độ thấp (Sparse-mode routing protocol) : được sử dụngkhi các thành viên nhóm multicast phân bố thưa thớt trên mạng, cần sử dụng các kỹ thuậtchọn lọc hơn để tổ chức và duy trì cấu trúc multicast dạng cây. Trong trường hợp này nếulưu thông tràn ngập các dữ liệu multicast trên mạng sẽ gây lãng phí băng thông và có thểgây ra những vấn đề nghiêm trọng trong vận hành mạng.

Nhìn chung, dù phương thức truyền thông IP Multicast đã cho phép phân phối dữliệu từ một đến nhiều điểm hiệu quả hơn IP Unicast rất nhiều, nhưng vẫn tồn tại một số

vấn đề chưa giải quyết được như :- Các bộ định tuyến trung gian cần phải có khả năng Multicast.- Tính năng và vấn đề cấu hình lại (reconfiguration) các tường lửa trong các mạng

con

- Vấn đề độ tin cậy và khả năng kiểm soát lỗi trong truyền dữ liệu



49

- Các yêu cầu liên quan đên các máy thu, cần có card mạng và phần mềm đặc biệthỗ trợ IP Multicast…

4.3 Truyền thông IP Simulcast:

4.3.1 Nguyên lý truyền thông IP Simulcast:IP Simulcast là một giải pháp mới để truyền dữ liệu trên IPTV từ một máy phát

sender đồng thời đến nhiều máy thu. Nó có những ưu điểm cơ bản so với IP Unicast và IPMulticast, giải quyết được những hạn chế của IP Multicast. IP Simulcast sử dụng môhình truyền thông mới, gọi là mô hình máy chủ - phát lại (repeater -server model). Trong

mô hình này, máy chủ server sẽ quản lý và kiểm soát sự kết nối lẫn nhau giữa các máy phát repeaters. Với kỹ thuật này máy chủ server giống như một máy chủ server thôngthường, nhưng các máy phát lại repeater (máy thu) được bổ xung thêm tính năng của máychủ ngoài những tính năng máy khách thông thường. Điều này có nghĩa là mỗi máy thu

không chỉ hiển thị dòng dữ liệu cho người xem, mà còn truyền phát lại dòng dữ liệu đếnhai máy khách client khác đứng sau nó.

Hình 4.6 Tháp truyền thông IP Simulcast

So với IP Multicast, IP Simulcast giúp làm giảm bớt số server (máy phát sender)cần thiết bằng việc phân tải cho mỗi máy thu receiver (khách hàng). Mỗi máy thu trở thành một máy phát lại repeater, truyền đi tiếp nội dung mà nó nhận được đến hai máy



50

thu ở phía sau (child receiver), tạo thành một mô hình truyền thông hình tháp (Broadcastpyramid).

Phương pháp này sẽ làm giảm một cách đáng kể băng thông server cần thiết trênmạng, do máy chủ server chỉ cần gửi một bản copy dữ liệu, sau đó dữ liệu lại được copy

lại và chuyển tiếp bởi máy thu đứng ngay sau nó. Do không cần các chi phí phục vụ dịchvụ dự phòng để đảm bảo băng thông cố định cho các máy thu (trong trường hợp này cũngđồng thời là máy phát), nên chi phí cho truyền thông IP Simulcast thấp hơn trong trườnghợp IP Multicast. Hơn nữa IP Simulcast cũng không yêu cầu thêm bất cứ thiết bị mạngđặc biệt nào (như các bộ định tuyến Router) để triển khai các dịch vụ truyền thông nhưtrong IP Multicast.

Số máy thu trong tháp truyền thông tăng theo biểu đồ hình cây nhị phân, nếu thápcó 1 tầng thì có 2 khách hàng, nếu có 2 tầng thì sẽ có 6 khách hàng… và nếu có n tầng thìsẽ có 2n(n-1)+2 khách hàng. Các máy thu/phát lại (repeater/receiver) thực hiện các chức

năng máy trạm thông thường, bao gồm sửa lỗi và phát hiện mất kết nối. IP Simulcast cho phép thực hiện việc truyền phát các gói dữ liệu có đảm bảo. Đây là khả năng mà kỹ thuậtIP Multicast không thể đáp ứng được và do vậy các dịch vụ sử dụng kỹ thuật này khó cókhả năng sửa lỗi. Các gói tin bị mất sẽ bị bỏ qua, hay cần bổ sung băng thông server đểthực hiện các yêu cầu sửa lỗi. Điều này làm chi phí băng thông server tăng cao. Như vậy,có thể thấy điểm đặc biệt của truyền thông IP Simulcast nằm trong mối quan hệ giữa cácchức năng server, máy phát lại và máy khách. Các chức năng này được thực hiện hoàntoàn trên các thiết bị đầu cuối (máy chủ server, máy khách client) và không phụ thuộcvào khả năng của các thiết bị mạng Internet, trong đó các server chỉ thực hiện hai chức

năng cơ bản là :- Truyền phát dòng truyền thông.

- Tạo các kết nối, các liên kết làm nhiệm vụ phát lại/máy thu (repeater/receivers)và duy trì truyền thông IP Simulcast.

Các máy khách làm nhiệm vụ phát lại bao gồm hai modul chức năng :- Modul phát chuyển tiếp (Repeater -client) thu nhận dòng dữ liệu truyền thông và

phát lại một cách tương tác dòng dữ liệu này cho máy khách client đứng sau nó. Ngoài ra,nó còn thực hiện các chức năng máy khách client truyền thông bao gồm : kết nối, thunhận dữ liệu, quản lý bộ nhớ trung gian buffer, giải nén các dữ liệu, sửa lỗi, hiển thị và

phát hiện tổn thất kết nối.- Modul phát sửa lỗi (Repeater -sender) phát lại (rebroadcast) dữ liệu đáp ứng yêu

cầu sửa lỗi từ các máy khách mà nó nhận được. Nó cũng thực hiện chức năng phát đi cácyêu cầu sửa lỗi trong các chương trình mà nó thu được.

4.3.2 Phƣơng thức hoạt động truyền thông IP Simulcast:



51

Trong tháp truyền thông IP Simulcast, để đảm bảo dữ liệu truyền đi được thu nhận mộtcách đầy đủ và chính xác, các yêu cầu truyền phát lại gói dữ liệu thất lạc hay bị lỗi đượcthực hiện thông qua các đường cung cấp phụ secondary feeds (các đường chấm chấm trênhình )

Hình 4.7 Mối quan hệ máy chủ-máy phát lại. Yêu cầu truyền lại các gói dữ liệu phục vụsửa lỗi được thực hiện thông qua các đường cung cấp phụ

Trong tháp truyền thông, máy chủ server có các chức năng sau :

- Số hoá chương trình nguồn : một chương trình nguồn thường bao gồm cả audiovà video tương tự. Các chương trình này được số hoá và chuyển thành các dòng dữ liệutheo trình tự thời gian.

- Đồng bộ các nguồn dữ liệu chương trình đã được số hoá, các dòng dữ liệu theotrình tự thời gian có thể đến từ các nguồn khác nhau : số hoá các nguồn tương tự, dữ liệuđược nén và lưu trong đĩa, dữ liệu số từ các chương trình đang phát, các chương trình bảnquyền hay từ các nguồn khác. Các chương trình nguồn có thể được xử lý, được đồng bộkhác với các đoạn chương trình quảng cáo, lập kế hoạch phát sóng…Những nguồn khácnhau của các dòng dữ liệu số cần phải được đồng bộ và đánh dấu thời gian để phát lại sau

này.

- Nén nguồn : mỗi dòng dữ liệu nguồn dưới dạng số thời gian thực có thể đượcnén để giảm kích thước và thời gian truyền phát. Đây là quá trình cân bằng giữa nhiềuyếu tố bao gồm tỉ số nén, chất lượng thu, độ phức tạp nén và giải nén, khả năng thíchnghi tuỳ theo các cấp độ băng thông mạng sẵn có, chống nhiễu….



52

- Tập hợp (trộn) các chương trình nguồn được nén vào các gói dữ liệu truyền phát.Truyền phát sử dụng giao thức IP là công nghệ truyền phát trên cơ sở kỹ thuật gói dữliệu. Dữ liệu sẽ được tập hợp và đóng gói vào các gói IP để truyền phát. Các dữ liệu nénđược thể hiện bằng nhiều sơ đồ đóng gói khác nhau để thích nghi với các tốc độ truyền

tải khác nhau, cũng như năng lực xử lý khác nhau của từng máy PC. Các sơ đồ đóng góinày lại được sử dụng để cung cấp dòng dữ liệu cho các máy khách client đứng sau nó đểcó thể tiếp tục phát lại.

- Truyền phát các gói dữ liệu của nguồn chương trình được nén.- Kết nối các máy trạm client có chức năng phát lại. Việc xác lập các đường cung

cấp phụ cho các máy trạm client có yêu cầu nhận dữ liệu bổ sung để sửa lỗi được thựchiện như sau : khi có một máy trạm client gửi một yêu cầu đến server đề nghị được sửalỗi. Server sẽ chỉ định một máy trạm client thích hợp đang hoạt động gần nhất để làmnguồn và gửi dữ liệu phục vụ sửa lỗi cho máy trạm có yêu cầu thông qua đường cung cấp

phụ được thiết lập giữa hai máy này.- Kết nối thông tin thống kê, server kiểm soát việc tạo dựng và huỷ bỏ kết nối.

Nhóm modul phát chuyển tiếp trong các máy trạm client của mô hình tháp truyềnthông thực hiện các chức năng :

- Thiết lập các kết nối : khi máy trạm client gửi một yêu cầu kết nối đến máy chủ,máy chủ sẽ thiết lập một kết nối riêng cho máy trạm này.

- Kết nối lại : khi một kết nối bị gián đoạn, máy trạm sẽ đưa ra yêu cầu và thựchiện kết nối lại theo sự chỉ đạo của máy chủ.

- Lưu giữ các gói dữ liệu : các gói dữ liệu nhận được cần được phân đoạn và cất

giữ phục vụ cho việc xác định các gói dữ liệu bị thất lạc.- Đưa ra các yêu cầu phát lại để sửa lỗi : các yêu cầu này được gửi đến máy chủ để

thiết lập đường cung cấp phụ phục vụ cho việc truyền phát lại các gói dữ liệu bị thất lạc.- Khắc phục sự cố : trong trường hợp một gói dữ liệu bị hỏng không thể sửa được,

máy trạm client cần thực hiện một số động tác tình thế như : hiển thị trống (play silence), phát lại hình ảnh có, giảm cấp chất lượng...

- Giải nén dòng dữ liệu nhận được.- Hiển thị dòng dữ liệu được giải nén cho khán giả xem chương trình.- Đồng bộ với máy chủ : tốc độ hiển thị trên máy trạm cần được làm đồng bộ (phù

hợp) với tốc độ thu phát của máy chủ hay máy trạm đứng trước làm nhiệm vụ phátchuyển tiếp để tránh hiện tượng quá tải băng thông mạng hay sự trống rỗng của bộ nhớ đệm trong máy trạm. Các máy trạm cần có khả năng thích nghi với những sai khác nhỏvề tốc độ truyền phát thuộc phạm vi cho phép.

Modul phát lại phục vụ sửa lỗi trong máy trạm thuộc mô hình trên thực hiện cácchức năng :



53

- Truyền phát các gói dữ liệu được nén truyền từ nguồn, cả hai đường cung cấpchính và phụ đều được hỗ trợ bởi chức năng này, mỗi đường đều có khả năng nhận vàtruyền phát lại nhờ chức năng này của máy trạm thu nhận dòng dữ liệu này.

- Truyền phát lại các gói dữ liệu bị lỗi cho các máy trạm đứng sau thông qua

đường cung cấp phụ.

Simulcast chính là mạng P2P???

CHƢƠNG 5: KỸ THUẬT ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG TÍN HIỆU VÀ VIDEO

CHO HỆ THỐNG IPTV



54

Trong những năm gần đây xuất hiện nhiều ứng dụng truyền video thời gian thựcqua mạng IP, có thể kể đến như: IPTV, video phone, video-conferencing, tele-medical

hay video theo yêu cầu (VoD),v.v.. khi đó chất lượng video là vấn đề rất quan trọng.

Trong quá trình truyền tải video từ nguồn đến đích có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng làm suygiảm chất lượng video: mã hóa/giải mã và các tham số mạng như: tỷ lệ mất gói, trễ, jitter, băng thông,… Một trong những phương pháp đánh giá chất lượng video cho kết quả tốtnhất đó là phương pháp đánh giá chủ quan của con người (Mean Opinion Score - MOS).

Tuy nhiên, phương pháp này tốn thời gian và tiền bạc, không phải lúc nào cũng thực hiệnđược. Các nghiên cứu gần đây tập trung xây dựng mô hình cho phép đánh giá chất lượnghình ảnh từ các tham số liên quan đến mạng truyền dẫn và các hệ thống mã hóa và giảimã. Có ba mô hình cơ bản: Tham chiếu toàn phần – Full reference; Không tham chiếu – Zero reference và Tham chiếu rút gọn – Reduced reference.

5.1 Tóm lƣợc về tiêu chuẩn MPEG

Mã hóa và giải mã video là một trong những khâu quan trọng trong các ứng dụngđa phương tiện. Hiện tại có hai hệ thống tiêu chuẩn chính trong việc thiết lập các tiêuchuẩn nén video. Đó chính là ITU (International Telecommunications Union) và MPEG(Motion Picture Experts Group). Trong những năm qua cả hai hệ thống tiêu chuẩn nàyđều đưa ra các tiêu chuẩn cho việc mã hóa và giải mã video.

Hình 5. 1: Quá trình phát triển của các tiêu chuẩn mã hóa

Được thiết lập từ năm 1998, MPEG (Motion Picture Experts Group) là một nhómnghiên cứu thuộc ISO/IEC, có nhiệm vụ phát triển các tiêu chuẩn mã hóa cho hình ảnh vàâm thanh kỹ thuật số. Cho đến nay, nhóm nghiên cứu này đã phát triển được một số cáctiêu chuẩn cho việc nén âm thanh và hình ảnh. Mỗi tiêu chuẩn được áp dụng cho nhữngứng dụng cụ thể và tương ứng có tốc độ bit khác nhau.



55

· MPEG-1: Được thiết kế tốc độ tối đa đến 1.5Mbps. Tiêu chuẩn nén cho âmthanh và hình ảnh động. Được dùng phổ biến cho các ứng dụng video CD-ROM và các

ứng dụng video trên internet (các file có phần mở rộng *.mpg). Một phần mở rộng củatiêu chuẩn (level 3) áp dụng cho mã hóa và nén âm thanh, được biết đến với tên MP3.

· MPEG-2: Được thiết kế cho các ứng dụng có tốc độ bit từ 1.5Mbps đến15Mbps. Tiêu chuẩn MPEG-2 áp dụng cho Truyền hình kỹ thuật số (SDTV), HDTV,Video theo yêu cầu (VoD) và các ứng dụng DVD. MPEG-2 được thiết kế dựa trênMPEG-1, nhưng có những yêu cầu đặc biệt cho việc nén và truyền tải Truyền hình kỹthuật số. Một trong những khác biệt so với MPEG-1 đó là việc nén hiệu quả cho videotích hợp.

· MPEG-4: Được thiết kế cho các ứng dụng có tốc độ bit rất thấp cho đến các ứngdụng có tốc đọ bit rất cao. Ứng dụng của MPEG-4 là các ứng dụng đa phương tiện trêninternet hay trên mạng không dây. Kỹ thuật nén trong MPEG-4 dựa trên việc nén theo

đối tượng, các đối tượng trong các cảnh video được theo dõi riêng rẽ và được nén lạicùng nhau.

· MPEG-7 (Multimedia Content Description Interface): tiêu chuẩn này hiện đangđược phát triển. Tiêu chuẩn này cung cấp qui định khung cho các nội dung đa phươngtiện bao gồm cả nội dung video và thông tin điều khiển (các thao tác, lọc hay cá nhânhóa,…). · MPEG-21 (Multimedia Framework): hiện tại tiêu chuẩn này đang được phát triển.MPEG-21 mô tả các thành phần cần thiết và mối quan hệ giữa chúng, để tạo nên cơ sở hạtầng cho việc chuyền tải và sử dụng nội dung đa phương tiện.

MPEG-4 được thiết kế đặc biệt cho việc nén hình ảnh và âm thanh, tiêu chuẩn nàycho phép cung cấp các dịch vụ và nội dung có chất lượng từ thấp cho đến chất lượng caoqua các môi trường truyền tải khác nhau như: băng rộng, không dây, chuyển mạch gói.

MPEG-4 thực sự là một tập các tiêu chuẩn công nghệ nhằm đảm bảo chất lượngdịch vụ từ nhà cung cấp dịch vụ nội dung đến người dùng cuối. MPEG-4 bao gồm cácthành phần sau:

· MPEG-4 Systems

· MPEG-4 Visual

· MPEG-4 Audio

· Delivery Multimedia Integration Framework (DMIF)Trong MPEG-4, âm thanh và hình ảnh có thể được lưu trữ và truyền riêng biệt,

thiết bị đầu cuối cần phải có khả năng kết hợp các thành phần riêng biệt dữ liệu đa phương tiện thực sự để trình diễn. Thành phần MPEG-4 Systems mô tả mối liên hệ giữahai thành phần âm thanh và hình ảnh, cho phép tổng hợp lại nội dung đa phương tiện tạiđầu cuối.



56

5.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng video

5.2.1 Ảnh hƣởng bởi hệ thống mã hóa/giải mã

Dữ liệu Video trong các ứng dụng đa phương tiện hiện nay thường được mã hóa

và nén bằng MPEG2, MPEG4 Part 10/H.264, Microsoft WMV9/VC1 và một số chuẩnnén khác. Các bộ mã hóa video thường hỗ trợ một khoảng khá rộng tốc độ nén, điều nàycho phép những lựa chọn khác nhau giữa chất lượng và băng thông. Phần lớn các phương

pháp nén video đều dựa vào việc mã khác nhau giữa các frame (inter -frame). Điều này cónghĩa là, thay vì phải gửi đi tất cả các frame, thì chỉ gửi đi sự sai khác của một frame vớiframe trước đó. Phương pháp mã hóa này làm việc tốt với những video có những thay đổihình ảnh ít, tuy nhiên sẽ là ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng hình ảnh và băng thôngnếu có sự thay đổi lớn giữa các frame hình ảnh. Đa số các chuẩn mã hóa vừa cho phépmã hóa với tốc độ bít cố định (chất lượng hình ảnh thay đổi) hay tốc độ bít thay đổi (chất

lượng hình ảnh ít thay đổi). Các phương pháp mã hóa video nói chung thường kết hợp cả kiểu mã hóa intra-

frame và inter-frame. Trong kiểu mã hóa intra-frame, một frame ảnh được chia thành cáckhối, mỗi khối này được biến đổi thành tập các hệ số thông qua biến đổi Cosin rời rạc.Một nhóm các khối được kết hợp lại thành một thực thể duy nhất (slice), và đôi khi đượcđóng gói vào một gói. Nếu có lỗi trên đường truyền xảy ra thì có thể cả một nhóm cáckhối sẽ bị mất, tạo nên “sọc” trong các ảnh dải mã. Điều này xảy ra bởi vì các hệ số của

biến đổi Cosin rời rạc trong mỗi khối được tính toán dựa trên khối đầu tiên trong slice,nếu lỗi làm mất thông tin của khối đầu tiên thì tất cả các khối còn lại trong slice là không

xác định. Một vài lỗi có thể làm hỏng cấu trúc của frame, do đó không có khả năng tái tạolại frame. Với kiểu mã hóa inter -frame (motion based coding), các vector chuyển độngđược xác định và mã hóa cho mỗi khối. Trong các hệ thống mã hóa kiểu inter -frame, việcmất một frame có thể làm cho các frame theo sau nó trở nên không sử dụng được cho đếnkhi I-frame tiếp theo được nhận, kết quả là có thể thu được hình ảnh video trắng hay hìnhảnh bị đông cứng, chất lượng video bị suy giảm đáng kể. Trong hầu hết các trường hợpcác tiêu chuẩn mã hóa video đều cung cấp khả năng linh động ở cả bộ mã hóa và giải mãcho việc cân bằng giữa chất lượng và tốc độ. Việc hiểu biết rõ ràng về ảnh hưởng của các

bộ mã hóa và giải mã video là yếu tố quan trọng góp phần vào việc đánh giá chính xác

các ảnh hưởng của mạng đến chất lượng truyền video trên mạng.

5.2.2 Giới hạn về băng thông:

Sự giới hạn về băng thông thường xảy ra tại lớp truy nhập (thường là các kết nốiDSL hay Cable). Nếu băng thông dành sẵn không đủ để truyền một stream video thì sẽ



57

xảy ra mất gói tại các bộ đệm của bộ định tuyến, dẫn đến việc suy giảm chất lượng video.Một vấn đề khá tinh tế cũng xảy ra khi mã hóa video với tốc độ bít thay đổi. Trongtrường hợp này, sự thay đổi hình ảnh hay sự thay đổi các frame là đáng kể sẽ làm tăngyêu cầu về băng thông trong một khoảng thời gian ngắn, điều này có thể gây lên hiện

tượng mất gói và do đó làm suy giảm chất lượng hình ảnh.

5.2.3 Mất gói tin: Sự mất gói tin trên mạng có thể gây ra bởi nhiều nguyên nhân: sự nghẽn mạng,

mất liên kết, không đủ băng thông hay lỗi trên đường truyền, v.v… Sự mất gói thườngxảy ra bùng phát, mức độ tắc nghẽn mạng cao gây lên độ mất gói cao. Sự suy giảm chấtlượng video gây ra bởi hiện tượng mất gói tùy thuộc vào giao thức được sử dụng đểtruyền tải video:

- Khi giao thức UDP được dùng để truyền tải dữ liệu video, khi xảy ra hiện tượng

mất gói thì một vài phần của video stream có thể bị mất. - Khi giao thức TCP được dùng để truyền tải dữ liệu video, khi một gói bị mất thì

sẽ có yêu cầu truyền lại gói đã bị mất, điều này làm sự thiếu hụt bộ đệm tại set-top-box,

gây lên hiện tượng dừng hình. Khi truyền video bằng giao thức UDP, hiện tượng mất gói có thể làm hỏng một

phần hay thậm chí hoàn toàn các frame.

5.2.4 Nghẽn tại máy chủ: Không hẳn mọi yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng video đều gây ra bởi mạng, nếu

máy chủ cung cấp dịch vụ VoD phải phục vụ tối đa số người dùng theo khả năng của nó,điều này sẽ gây ra sự tắc nghẽn tại máy chủ cung cấp dịch vụ. Sự tắc nghẽn này gây rahiện tượng dừng hình quá lâu tại phía đầu cuối. Để giảm tải cho máy chủ dịch vụ có thểdùng các giao thức phù hợp như UDP Multicast. Nhưng giao thức này chỉ phù hợp khi cómột số lượng lớn người dùng xem cùng một nội dung tại cùng một thời điểm.

5.2.5 Jitter và Timing drift:

Jitter là khái niệm dùng để mô tả sự khác nhau của khoảng thời gian đi từ nguồnđến đích của các gói tin. Jitter càng lớn khi xảy ra nghẽn mạng hay tắc nghẽn tại máy

chủ dịch vụ. Jitter có thể gây ra tràn bộ đệm tại set-top- box, gây lên hiện tượng dừng hìnhtại đầu cuối. Hiện tượng Timing drift xảy ra khi đồng hồ tại đầu gửi và đầu nhận có sự saikhác nhau về tốc độ, gây ra sự tràn vùng đệm tại đầu nhận. Để hạn chế sự ảnh hưởng củahiện tượng này, yêu cầu phía đầu nhận phải hiệu chỉnh lại tốc độ của đồng hồ cho phùhợp để tránh hiện tượng tràn bộ đệm.



58

5.3 Các mô hình và chỉ tiêu đánh giá

Như những phân tích ở phần trên, có nhiều yếu tố làm suy giảm chất lượng hìnhảnh khi truyền tải qua mạng IP, bao gồm các ảnh hưởng của việc mã hóa/giải mã và cáctác động của mạng truyền tải. Việc mô hình hóa các tác động này là một vấn đề khá phức

tạp vì những ảnh hưởng này phụ thuộc nhiều vào kiểu mã hóa, các thuộc tính và cấu hìnhcủa hệ thống cụ thể. Hiện tại có khá nhiều thuật toán đánh giá chất lượng video, nhưngđều chưa thống nhất. Một cách tổng quát có thể phân loại thành ba mô hình giải thuậtđánh giá chất lượng video chính:

· Mô hình tham chiếu đầy đủ (Full-reference - FF): Mô hình FF cung cấp giảithuật cho phép so sánh trực tiếp video nguồn và video thu được tại đích.

· Mô hình không tham chiếu (Non-reference/Zero-reference - ZF): Giải thuật môhình này chỉ phân tích chất lượng video thu được tại đích.

· Mô hình tham chiếu rút gọn (Reduced-Reference/Partial-reference - RR): Giải

thuật mô hình này cho phép trích một vài tham số từ đầu vào đem so sánh với các thamsố tương đương tại đầu ra.

5.3.1 Mô hình tham chiếu đầy đủ: Những giải thuật trong mô hình tham chiếu đầy đủ thực hiện so sánh chi tiết giữa

hình ảnh đầu vào và đầu ra của hệ thống. Việc so sánh này là một quá trình tính toán phức tạp không chỉ bao gồm quá trình xử lý theo điểm ảnh mà còn theo thời gian vàkhông gian giữa dòng dữ liệu video đầu vào và đầu ra. Kết quả của các giải thuật thamchiếu đầy đủ khá phù hợp với các kết quả đánh giá chủ quan (MOS), tuy nhiên các giải

thuật này chỉ được sử dụng trong một số ứng dụng nhất định, ví dụ như: các ứng dụngtrong phòng thí nghiệm hay các thử nghiệm trước khi triển khai.

Một trong những giải thuật !!! (đại luợng) ra đời sớm nhất của mô hình tham chiếuđầy đủ là PSNR (Peak Signal to Noise Ratio), theo đúng nghĩa của thuật ngữ sử dụng,giải thuật này đánh giá tỷ số giữa giá trị lớn nhất của tín hiệu trên tạp âm, giá trị này tínhtheo dB. Thông thường giá trị PSNR được coi là “tốt” ở vào khoảng 35dB và nhỏ hơn20dB là không chấp nhận được. Hiện nay PSNR được dùng rộng rãi trong kỹ thuật đánhgiá chất lượng hình ảnh và video.

Bên cạnh giải thuật PSNR hiện tại có khá nhiều các giải thuật cho mô hình tham

chiếu đầy đủ đã được phát triển ví dụ như: MPQM (Moving Pictures Quality Metric -1996) của EPFL Thụy Sỹ, VQM (Video Quality Metric -1999) của Viện nghiên cứu Viễnthông Mỹ (NTIA ITS) và CVQE (Continuous Video Quality Evaluation -2004). Các giảithuật này phù hợp cho các ứng dụng video có tốc độ bit thấp. Trong ba giải thuật trên chỉcó giải thuật VQM được tiêu chuẩn và được tích hợp trong tiêu chuẩn ITU-T J.144 .



59

Cùng với ITU tổ chức VQEG (Video quality Experts Group -1997) cũng tham gia nghiên

cứu, đánh giá chất lượng video. VQEG thiết lập hai giai đoạn thử nghiệm, giai đoạn Ikiểm tra mười giải thuật tham chiếu đầy đủ (bao gồm cả PSNR), kết quả cho các giảithuật là tương đương. Giai đoạn II của thử nghiệm sẽ tiến hành thử nghiệm với số lượng

giải thuật ít hơn, nhằm đánh giá và đưa ra khuyến nghị sử dụng giải thuật nào sẽ cho kếtquả tốt hơn.

5.3.2 Mô hình không tham chiếu: Các giải thuật cho mô hình không tham chiếu nói chung phù hợp cho việc giám

sát, phân tích trực tuyến chất lượng video tại đầu cuối (in-service). Kiểu thuật toán này cóthể xem xét các yếu tố ảnh hưởng ít hơn thuật toán trong mô hình tham chiếu toàn phần,chính vì thế mà mô hình này có thể triển khai trong nhiều ngữ cảnh hơn. Thiết kế các giảithuật cho mô hình không tham chiếu là một công việc khó khăn, chính vì thế mà hiện tại

chỉ có một vài phương pháp được đề xuất , một vài công ty đưa vào trong sản phẩmthương mại của họ và được coi là bí mật công nghệ.

Hiện nay giải thuật và các tham số đánh giá trong mô hình không tham chiếu vẫnđang được tiêu chuẩn hóa. Một số tham số đánh giá trong mô hình không tham chiếu đãđược định nghĩa như sau:

· VSTQ - Video Service Transmission Quality – Tham số không phụ thuộc vào hệthống mã hóa/giải mã, chỉ phụ thuộc vào mạng truyền tải video.

· VSPQ - Video Service Picture Quality – Tham số phụ thuộc hệ thống mãhóa/giải mã.

· VSAQ - Video Service Audio Quality – Tham số đánh giá chất lượng âm thanh.· VSMQ - Video Service Multimedia Quality – Tham số tổng hợp đánh giá chất

lượng âm thanh và hình ảnh kết hợp.

· VSCQ - Video Service Control Quality – Tham số đánh giá chất lượng điềukhiển video (ví dụ như: thời gian đáp ứng).

5.3.3 Mô hình tham chiếu rút gọn: Giải thuật trong hình tham chiếu rút gọn không sử dụng toàn bộ tín hiệu video

tham chiếu, chỉ một phần thông tin tham chiếu được truyền đến bộ so sánh thông qua một

kênh dữ liệu riêng. Băng thông dành cho kênh dữ liệu này tùy thuộc vào điều kiện ràng buộc của từng ứng dụng. Hiện tại có những giải thuật cho phép băng thông dùng chothông tin tham chiếu chỉ yêu cầu nhỏ hơn 10Kbps .



Hình 5.2: Mô hình triển khai tham chiếu không đầy đủ; Thành phần tham chiếuđược trích từ nguồn video gửi đến đích và được sử dụng để đánh giá chất lượng; Môi

trường truyền video có thể xảy ra mất gói, nhưng kênh gửi thành phần tham chiếu được bảo vệ tối đa để không xảy ra hiện tượng dữ liệu bị mất mát hay bị sai lệch.

Kết luận:

Với sự phát triển mạnh mẽ của các ứng dụng đa phương tiện trên mạng internet,thì việc đánh giá chất lượng hình ảnh tại phía khách hàng là một yếu tố quan trọng choviệc triển khai mở rộng dịch vụ của các nhà cung cấp. Vấn đề tìm kiếm, phát triển giảithuật cho mỗi mô hình đánh giá chất lượng video đáp ứng yêu cầu thực tế là rất phức tạp.Vì lẽ đó, việc định nghĩa các tham số cũng như mô hình đánh giá chất lượng video vẫn

đang được tiêu chuẩn hóa. Lĩnh vực này vẫn cần nhiều sự đầu tư nghiên cứu trong tươnglai.

Luan Van_ IPTV

Documents

Transcript of Luan Van_ IPTV