Mã hóa văn bản, giọng nói, hình ảnh, và tín hiệu Video (phần 2)

Bài trước bạn đã được tìm hiểu về kỹ thuật mã hóa thông tin cho Văn bản và Âm thanh. Nếu chưa hiểu bạn nên xem lại trước khi tiếp tục phần hai, tìm hiểu kỹ thuật mã hóa dành cho hình ảnh và video.

Hình ảnh

Để chuyển một hình ảnh, hình ảnh được chia thành lưới gọi là điểm ảnh (hoặc các phần tử hình ảnh). Số lượng các mạng lưới càng cao thì các độ phân giải càng cao. kích cỡ mạng lưới như 768 × 1024 và 400×  600 thường được sử dụng trong đồ họa máy tính. Đối với hình ảnh đen trắng, mỗi điểm ảnh được cho một giá trị màu xám. Nếu có 256 cấp độ màu xám, mỗi điểm ảnh được biểu diễn bằng 8 bit. Vì vậy, để đại diện cho một hình ảnh với kích thước mạng lưới là 400 × 600 điểm ảnh với mỗi điểm ảnh của 8 bit, bắt buộc dung lượng lưu trữ là 240kbytes. Đại diện cho màu sắc, các thang màu của ba màu cơ bản đỏ, xanh dương và xanh lá cây, được kết hợp với nhau. Các sắc thái của màu sắc sẽ cao hơn nếu mức độ mỗi màu được sử dụng nhiều hơn.

Trong mã hóa hình ảnh, hình ảnh được chia thành lưới nhỏ gọi là điểm ảnh, và mỗi điểm ảnh được lượng tử hóa. Số điểm ảnh càng cao thì chất lượng của hình ảnh được tái tạo càng cao.

Ví dụ, nếu một hình ảnh được mã hóa với độ phân giải 352 × 240 pixels và mỗi điểm ảnh được biểu diễn bằng 24 bit, kích thước của hình ảnh là 352 × 240 × 24 / 8 = 247,5 KB.

Để lưu trữ những hình ảnh cũng như để gửi thông tin qua một phương tiện truyền thông, hình ảnh cần phải được nén. Một hình ảnh nén chiếm ít không gian lưu trữ nếu được lưu trữ trên đĩa mềm như là hoặc đĩa CD-ROM. Nếu hình ảnh được gửi qua một phương tiện truyền thông, hình ảnh được nén có thể được truyền đi nhanh chóng.

Một trong những hình ảnh được sử dụng rộng rãi nhất là định dạng mã hóa định dạng JPEG. Liên hiệp các nhóm chuyên gia về hình ảnh (Joint Photograph Experts Group -JPEG) đề xuất tiêu chuẩn này để mã hóa các hình ảnh. Sơ đồ khối nén hình ảnh JPEG được thể hiện trong hình 4.5.

Hình 4.5: Nén JPEG

Để nén hình ảnh bằng cách sử dụng kỹ thuật nén JPEG, hình ảnh được chia thành các khối 8 ×8 điểm ảnh và mỗi khối được xử lý bằng cách sử dụng các bước sau:

1.      Áp dụng biến đổi cosin rời rạc (DCT), trong đó có các ma trận 8 × 8 và tạo ra một ma trận 8 × 8 có chứa các hệ số tần số. Điều này cũng tương tự như Fast Fourier Transform (FFT) được sử dụng trong kỹ thuật số xử lý tín hiệu. Kết quả ma trận thể hiện cho hình ảnh trong miền không gian tần số.

2.      Lượng tử hóa các hệ số tần số thu được ở Bước 1. Đây chỉ là làm tròn các giá trị đến mức lượng tử gần nhất. Kết quả là, chất lượng của hình ảnh sẽ hơi suy giảm.

3.      Chuyển đổi các mức lượng tử hóa thành bit. Vì sẽ có ít thay đổi trong các hệ số tần số liên tiếp, sự khác biệt trong các hệ số tần số được mã hoá thay vì trực tiếp mã hóa các hệ số.

JPEG nén của một hình ảnh được thực hiện theo ba bước sau: (a) phân chia các hình ảnh thành 8 × 8 ma trận và áp dụng biến đổi cosin rời rạc (DCT) trên mỗi ma trận, (b) lượng tử hóa của các hệ số tần số thu được ở bước (a), và (c) chuyển đổi của các mức lượng tử hóa thành bit. Tỷ lệ nén của 30:1 có thể đạt được bằng cách sử dụng kỹ thuật này.

Tỷ lệ nén của 30:1 có thể đạt được bằng cách sử dụng nén JPEG. Nói cách khác, một hình ảnh 300kB có thể được giảm xuống còn khoảng 10kB.

 Lưu ý JPEG nén hình ảnh được sử dụng rộng rãi trong việc phát triển trang web. So với các tập tin ánh xạ bit (trong đó có một phần mở rộng bmp.), Những hình ảnh JPEG (trong đó có một phần mở rộng. Jpg) chiếm không gian ít hơn và do đó có thể được tải về nhanh chóng khi chúng ta truy cập một trang web.

VIDEO

Một tín hiệu video chiếm băng thông 5MHz. Sử dụng định lý lấy mẫu Nyquist, chúng ta cần phải lấy mẫu tín hiệu video là 10 mẫu / mili giây. Nếu chúng ta sử dụng PCM 8-bit, tín hiệu video đòi hỏi băng thông 80Mbps. Đây là một tốc độ dữ liệu rất cao, tỷ lệ, và mã hóa kỹ thuật này không thích hợp cho truyền dẫn video kỹ thuật số. Một số kỹ thuật mã hóa video đã được đề xuất để giảm tốc độ dữ liệu.

Đối với mã hóa video, đoạn video được xem xét một loạt các khung hình. Ít nhất là 16 khung hình / giây được yêu cầu để có được những nhận thức về chuyển động video. Mỗi khung được nén bằng cách sử dụng các kỹ thuật nén hình ảnh và truyền đi. Sử dụng kỹ thuật này, video có thể được nén đến 64kbps, mặc dù chất lượng sẽ không được tốt.

Mã hóa video là một phần mở rộng của mã hóa hình ảnh. Như hình 4.6, một loạt các hình ảnh hoặc khung hình, điển hình là 16-30 khung hình, được truyền đi mỗi giây. Do sự kiên trì của mắt, những hình ảnh rời rạc xuất hiện như thể nó là một đoạn video chuyển động. Theo đó, tốc độ dữ liệu để truyền video sẽ bằng số khung nhân với tỷ lệ dữ liệu cho một khung hình. Tốc độ dữ liệu được giảm xuống còn khoảng 64kbps trong các hệ thống hội nghị video nơi độ phân giải của hình ảnh và số khung được giảm đáng kể. Các kết quả video là thường được chấp nhận cho tiến hành cuộc họp kinh doanh trên Internet, mạng nội bộ công ty, nhưng không cho  truyền, cuộc hội thoại , các chương trình khiêu vũ, bởi vì các video sẽ bị giật nhiều.

.

Hình 4.6: Mã hóa Video thông qua các khung hình và các điểm ảnh.

Nhóm chuyên gia hình ảnh động (Moving Picture Experts Group-MPEG) phát hành một số tiêu chuẩn cho video mã hóa. Các tiêu chuẩn sau đây được sử dụng hiện nay:

MPEG-2: Tiêu chuẩn này là dành cho phát sóng video kỹ thuật số. Các tốc độ dữ liệu là 3 và 7.5Mbps. Chất lượng hình ảnh sẽ tốt hơn nhiều so với truyền hình analog. Tiêu chuẩn này được sử dụng trong phát thanh truyền hình qua vệ tinh phát sóng trực tiếp.

Một loạt các tiêu chuẩn nén video đã được phát triển. Đáng chú ý trong số đó là MPEG-2, được sử dụng để phát sóng video. MPEG-4 được sử dụng trong các ứng dụng hội nghị truyền hình và phát sóng truyền hình HDTV độ nét cao.

MPEG-4: Tiêu chuẩn này được sử dụng rộng rãi để mã hóa, sáng tạo, và phân phối các nội dung nghe nhìn cho nhiều ứng dụng vì nó hỗ trợ một loạt các tốc độ dữ liệu. Các tiêu chuẩn MPEG-4 dựa theo các khía cạnh sau :

Đại diện cho nội dung nghe nhìn, được gọi là các đối tượng truyền thông. Mô tả thành phần của các đối tượng này để tạo ra hợp chất các đối tượng truyền thông.

Ghép kênh và đồng bộ hóa dữ liệu

Các đối tượng nguyên thủy có thể vẫn còn có hình ảnh, âm thanh, văn bản, đồ họa, video, hoặc bài phát biểu tổng hợp. Mã hóa Video khoảng giữa 5kbps và 10Mbps, mã hóa lời thoại từ 1.2Kbps đến 24kbps, audio (âm nhạc) mã hóa ở 128kbps, v.v…  là có thể. MP3 (MPEG Layer-3) là tiêu chuẩn để phân phối âm nhạc với tốc độ dữ liệu 128kbps, mà là một phần của chuẩn MPEG-4.

Đối với hội nghị truyền hình, 384kbps và 2.048Mbps tốc độ dữ liệu là rất thường được sử dụng để có được chất lượng tốt hơn so với 64kbps.Thiết bị cho hội nghị Video có hỗ trợ các tốc độ dữ liệu này rất có giá trị trong thương mại.

MPEG-4 được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động hỗ trợ hội nghị truyền hình trong khi di chuyển. Nó cũng được sử dụng trong hội nghị truyền hình qua Internet.

Mặc dù có nhiều phát triển trong truyền thông kỹ thuật số, phát thanh truyền hình video còn là tín hiệu tương tự ở hầu hết các nước. Nhiều tiêu chuẩn đã được phát triển cho các ứng dụng video kỹ thuật số. Khi cáp quang được sử dụng rộng rãi như là môi trường truyền dẫn, có lẽ sau đó kỹ thuật số video sẽ được phổ biến. Định dạng video kỹ thuật số quan trọng ở Châu Âu  được đưa ra ở đây:

Multimedia CIF format (định dạng đa phương tiện CIF): chiều rộng 360 pixels ; chiều cao 288 pixels ; số khung hình / giây là 6,25-25; tốc độ truyền bit  không nén là 7,8-31 Mbps; có nén là 1-3 Mbps.

Video conferencing (định dạng QCIF): Chiều rộng là 180 pixels , chiều cao 144pixels; khung hình / giây là 6,25-25, tốc độ bit không nén 1,9-7,8 Mbps; có  nén 0,064-1 Mbps.

TV kỹ thuật số, định dạng ITU-R BT.601: Chiều rộng 720pixels, chiều cao 526pixel ; khung hình / giây 25; tốc độ bit không nén 166 Mbps; có nén 5-10 Mbps.

HDTV, định dạng ITU-R BT.109: chiều rộng  1920pixels, chiều cao 1250pixels; khung hình / giây 25; tốc độ bit  không nén 960 Mbps; có nén 20-40 Mbps.

Lưu ý thương mại hóa phát sóng video kỹ thuật số đã không xảy ra rất nhanh. Dự kiến nhu cầu sử dụng  HDTV sẽ cất cánh trong thập kỷ đầu của thế kỷ XXI.

Nguồn http://dinhchithanh.com

Posted in: Các nguyên tắc và kỹ thuật cơ bản, Lý thuyết thông tin