BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

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

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

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Trần Quang Chiến.……………. MSHV: CB120613
Khoá: 2012B……...Viện: Điện tử - Viễn thông …
Ngành: Điện tử - Viễn thông
1. Đầu đề đồ án:
………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………..
2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
……………………………………..……………………………………………..……..……………
………………………………………………………………………………………………………
……………………….…..………………………..……………………………
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
………………………………………………………………………………………………………
………..….
………………………………………………………………………………………………………
……………………………..….…………………………
4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
………………………………………………………………………………………………………

…………..……..….
………………………………………………………………………………………………………
…………………..……….……………
5. Họ tên giảng viên hướng dẫn:
TS. NGÔ VŨ ĐỨC
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….………
7. Ngày hoàn thành đồ án: …………………………………………………………….

Ngày
Chủ nhiệm Bộ mơn

tháng

năm

Giảng viên hướng dẫn

Sinh viên đã hồn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày

tháng

năm

Cán bộ phản biện

Nghiên cứu hoạt động và ứng dụng của chuẩn H.265

Trang 1



BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

--------------------------------------------------BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Trần Quang Chiến……………. MSHV: CB120613
Khoá: 2012B………..Viện: Điện tử - Viễn thông … Ngành: Điện tử viễn thông
Giảng viên hướng dẫn:

TS. NGÔ VŨ ĐỨC

Cán bộ phản biện: ........................................................................................................................................................
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
...................................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................

2. Nhận xét của cán bộ phản biện:
...................................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................................
............................................................................................................................................


Ngày

tháng

năm

Cán bộ phản biện
( Ký, ghi rõ họ và tên )

Nghiên cứu hoạt động và ứng dụng của chuẩn H.265

Trang 2


LỜI NĨI ĐẦU
Để có thể đi sâu vào nghiên cứu chuẩn nén H.265/HEVC, thì chúng ta cần
nắm được các thuật ngữ, các kỹ thuật cần thiết cho việc nén tín hiệu, cũng như là
các ưu nhược điểm của các chuẩn nén trước đó đã mang lại.Vì đây là một đề tài lý
thuyết, nên bước quan trọng nhất của quá trình làm Đồ án tốt nghiệp là tìm kiếm tài
liệu và tổng hợp nó thành một chuỗi các kiến thức liên tục tránh lang man và yếu tố
thuyết phục người tham khảo cũng rất quan trọng, do đó bên cạnh trình bày chi tiết
về cách thức nén, em đã cố gắng mô phỏng một phần ưu điểm của chuẩn nén này
nhằm góp phần sinh động cho đề tài.
TỔ CHỨC ĐỒ ÁN
Đồ án được trình bày thành 6 chương và 1 phụ lục.
Chương I: Trình bày cơ sở về nén tín hiệu video, các thơng số đặc trưng của tín
hiệu số và q trình biến đổi tín hiệu màu, phân loại các nguyên lý nén.
Chương II: Trình bày các kỹ thuật được sử dụng trong nén Video, các phép biến
đổi và các kỹ thuật mã hóa, các tiêu chuẩn đáng giá chất lượng ảnh nén MSE,
PSNR, MAE,SAE …

Chương III: Trình bày các chuẩn nén thuộc họ MPEG, cấu trúc dòng bit, các ưu
điểm đã đạt được.
Chương IV: Trình bày chuẩn nén tiên tiến nhất hiện nay: H.265/HEVC, các đặc
tính nổi bật và các kỹ thuật mới trong chuẩn nén này.
Chương V: Nêu lên những điểm tối ưu của chuẩn H.265/HEVC so với chuẩn
MPEG-4 H.264/AVC.
Chương VI: Mô phỏng để thấy rõ sự khác biệt giữa HEVC và H.264/AVC
Tuy nhiên, do kinh nghiệm còn hạn chế, đồng thời H.265/HEVC là một kỹ thuật
còn trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển, nên chắc chắn luận văn sẽ khơng tránh
khỏi sai sót, kính mong Q Thầy Cơ, và bạn bè đồng nghiệp đóng góp ý kiến
nhằm hoàn thiện tốt luận văn tốt nghiệp này.
Học viên thực hiện:

Trần Quang Chiến

Nghiên cứu hoạt động và ứng dụng của chuẩn H.265

Trang 3


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
“ Nghiên cứu hoạt động và ứng dụng của chuẩn H.265”

Nghiên cứu hoạt động và ứng dụng của chuẩn H.265

Trang 4


ABSTRACT
“ Reseach operations and applications of H.265 ”


Nghiên cứu hoạt động và ứng dụng của chuẩn H.265

Trang 5


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP................................................................................................................1
BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.......................................................................................................2
LỜI NÓI ĐẦU....................................................................................................................................................3
TỔ CHỨC ĐỒ ÁN..............................................................................................................................................3
TÓM TẮT ĐỒ ÁN.............................................................................................................................................4
ABSTRACT.......................................................................................................................................................5
DANH MỤC HÌNH VẼ.....................................................................................................................................8
DANH MỤC BẢNG BIỂU...............................................................................................................................9
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.....................................................................................................................10
Chương 1.
1.1

Cơ sở về nén tín hiệu Video....................................................................................................12

Sự cần thiết của nén tín hiệu...............................................................................................................12

1.2 Q trính số hóa tín hiệu....................................................................................................................13
1.2.1
Lấy mẫu.....................................................................................................................................13
1.2.2
Lượng tử hóa.............................................................................................................................13
1.2.3
Mã hóa.......................................................................................................................................15

1.3 Tốc độ bít và thơng lượng kênh truyền tín hiệu số..............................................................................15
1.3.1
Tốc độ bit...................................................................................................................................15
1.3.2
Thơng lượng kênh truyền tín hiệu số.........................................................................................15
1.4

Q trình biến đổi tín hiệu màu..........................................................................................................16

1.5

Các tiêu chuẩn lấy mẫu video tín hiệu số...........................................................................................17

1.6 Mơ hình nén tín hiệu Video.................................................................................................................18
1.6.1
Nén tín hiệu Video.....................................................................................................................19
1.6.2
Lượng tin trung bình..................................................................................................................19
Chương 2.
2.1

Các kĩ thuật nén Video............................................................................................................22

Phân loại kĩ thuật nén.........................................................................................................................22

2.2 Quá trình biến đổi...............................................................................................................................22
2.2.1
Điều xung mã vi sai DPCM......................................................................................................23
2.2.2
Mã hóa biến đổi.........................................................................................................................23

2.3 Q trình lượng tử..............................................................................................................................25
2.3.1
Lượng tử vơ hướng....................................................................................................................25
2.3.2
Lượng tử vector.........................................................................................................................26
2.4 Q trình mã hóa................................................................................................................................27
2.4.1
Mã hóa độ dài thay đổi..............................................................................................................27
2.4.2
Mã hóa số học............................................................................................................................29
2.5

Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng ảnh nén............................................................................................31

Chương 3.
3.1

Các chuẩn nén thuộc họ MPEC trước H.265/HEVC...........................................................33

Giới thiệu về lịch sử phát triển của chuẩn MPEG..............................................................................33

3.2 Các tiêu chuẩn nén trước H.265/HEVC.............................................................................................33
3.2.1
Tiêu chuẩn MPEC-1..................................................................................................................33

Nghiên cứu hoạt động và ứng dụng của chuẩn H.265

Trang 6



3.2.2
3.2.3
3.2.4

Tiêu chuẩn MPEG-2..................................................................................................................36
Tiêu chuẩn MPEC-4..................................................................................................................38
Tiêu chuẩn H.264......................................................................................................................39

Chương 4.

Chuẩn nén H.265/HEVC.........................................................................................................44

4.1 Tổng quan về chuẩn nén H.265/HEVC...............................................................................................44
4.1.1
Lịch sử phát triển của chuẩn nén H.265/HEVC........................................................................44
4.1.2
Lịch trình triển khai và các sản phẩm liên quan........................................................................44
4.1.3
Các profiles và levels của chuẩn HEVC....................................................................................50
4.2 Kĩ thuật nén video HEVC....................................................................................................................52
4.2.1
Giải thích hoạt động cơ bản.......................................................................................................52
4.2.2
Cấu trúc Mã hóa (Coding Structure).........................................................................................55
Chương 5.
5.1

Những điểm tối ưu của HEVC so với H.264/AVC...............................................................60

Sự tối ưu trên lý thuyết........................................................................................................................60


5.2 Sự khác biệt qua mơ phỏng với hình ảnh cụ thể.................................................................................62
5.2.1
Trong H.264/AVC.....................................................................................................................63
5.2.2
Trong HEVC.............................................................................................................................65
5.2.3
So sánh HEVC và H.264/AVC.................................................................................................69
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................................................73
BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT – ANH........................................................................................75
PHỤ LỤC.........................................................................................................................................................79

Nghiên cứu hoạt động và ứng dụng của chuẩn H.265

Trang 7


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1 Sơ đồ q trình tạo tín hiệu số...................................................................14
Hình 1-2 Q trình biến đổi tín hiệu màu.................................................................16
Hình 1-3 Các tiêu chuẩn lấy mẫu phổ biến...............................................................18
Hình 1-4 Sơ đồ khối nén tín hiệu video....................................................................18
Hình 2-1 Mơ hình hệ thống nén tổn hao...................................................................23
Hình 2-2 Bộ mã hóa và giải mã DPCM....................................................................23
Hình 2-3 Quá trình lượng tử vector..........................................................................26
Hình 2-4 Cây mã Huffman.......................................................................................27
Hình 2-5 Minh họa mã hóa RLC..............................................................................28
Hình 2-6 Minh họa sự sắp xếp trong khoảng [0-1] thành những vùng nhỏ hơn sau
mỗi ký hiệu được mã hóa..........................................................................................30
Hình 3-1 Quá trình phát triển của kĩ thuật nén MPEG qua các giai đoạn................33


Nghiên cứu hoạt động và ứng dụng của chuẩn H.265

Trang 8


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Nghiên cứu hoạt động và ứng dụng của chuẩn H.265

Trang 9


CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
STT

Từ viết tắt

Thuật ngữ tiếng Anh

Thuật ngữ tiếng Việt

1

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet


2

TCP

Transmission Control

Giao thức điều khiển truyền

Protocol

vận

3

JPEG

4

MJPEG

Motion JPEG

Ảnh JPEG động

5

SOF

Start Of Frame


Bắt đầu khung

6

EOF

End Of Frame

Kết thúc khung

7

MAC

Medium Access Control

8

ROM

Read Only Memory

Bộ nhớ chỉ có thể đọc

9

RAM

Ramdom Access Memory


Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

10

SDRAM

Synchronous Dynamic RAM

RAM động đồng bộ

11

MMU

Memory Management Unit

Khối quản lý bộ nhớ

12

IPC

13

USB

Universal Serial Bus

14


MCU

Microcontroller Unit

Khối vi điều khiển

15

ADC

Analog- Digital Converter

Bộ chuyển đổ tương tự- số

16

 COM

Component Object Model

17

 EDK

Embedded Development Kit

Kit phát triển nhúng

18


 IIC hay I2C

Inter-Intergrated Circuit

Mạch liên tích hợp

19

PC

Personal Computer

Máy tính cá nhân

20

RX

Receive Data

Nhận dữ liệu

Joint Photographic Experts
Group

Inter-Process
Communication

Nghiên cứu hoạt động và ứng dụng của chuẩn H.265


Điều khiển truy nhập mơi
trường

Giao tiếp tiến trình nội
Kênh truyền nối tiếp phổ
biến

Mơ hình đối tượng thành
phần

Trang 10


22

TX

Transmit Data

Truyền dữ liệu

23

LAN

Local Area Network

Mạng cục bộ

24


TFTP

Trivial File Transfer

Giao thức truyền tệp tin đơn

Protocol

giản

25

DHCP

Dynamic Host Configuration

Giao thức cấu hình động

Protocol

máy chủ

26

SSH

Secure Shell

Lớp vỏ bảo mật


27

NFS

Network File System

Hệ thống tệp tin trên mạng

28

GNU

General Public License

29

 IC

Integrated Circuit

30

 ASCII

31

UART

American Standard Code for

Information Interchange

Giấy phép phần mềm tự do
phổ biến
Mạch tích hợp
Bảng mã chuẩn

Universal Asynchronous

Bộ truyền nhận không đồng

Receiver Transmitter

bộ phổ biến

Nghiên cứu hoạt động và ứng dụng của chuẩn H.265

Trang 11


Chương 1. Cơ sở về nén tín hiệu Video
1.1 Sự cần thiết của nén tín hiệu
Một tín hiệu video số thường chứa một lượng lớn dữ liệu, do đó sẽ gặp rất
nhiều khó khăn trong việc lưu trữ và truyền đi trong một băng thông kênh truyền
hạn chế. Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngày nay đã sản xuất được bộ cảm
biến màu có độ phân giải lên đến 16 triệu pixel tương đương với một bức ảnh có độ
phân giải 4096x4096 pixels, nhưng thực tế ứng dụng cần độ phân giải cao nhất hiện
nay cũng chỉ dùng lại ở 1920x1080 pixel, do đó để có thể tiết kiệm không gian lưu
trữ và băng thông kênh truyền thì cần nén tín hiệu.
Q trình nén ảnh thực hiện được là do thơng tin trong bức ảnh có tổ chức, có

trật tự, vì vậy nếu xem xét kỹ tính trật tự, cấu trúc ảnh sẽ phát hiện và loại bỏ được
các lượng thông tin dư thừa, chỉ giữa lại các thông tin quan trọng nhằm giảm số
lượng bit khi lưu trữ cũng như khi truyền mà vẫn đảm bảo tính thẩm mỹ của bức
ảnh. Tại đầu thu, bộ giải mã sẽ tổ chức, sắp xếp lại được bức ảnh xấp xỉ gần chính
xác so với ảnh gốc nhưng vẫn đảm bảo thơng tin cần thiết. Tín hiệu video thường
chứa đựng một lượng lớn các thông tin dư thừa, chúng thường được chia thành 5
loại như sau:
 Có sự dư thừa thông tin về không gian: giữa các điểm ảnh lân cận trong
phạm vi một bức ảnh hay một khung video, cịn gọi là thừa tĩnh bên trong
từng frame.
 Có sự dư thừa thông tin về thời gian: giữa các điểm ảnh của các khung video
trong chuỗi ảnh video, còn gọi là thừa động giữa các frame
 Có sự dư thừa thông tin về phổ: giữa các mẫu của các dữ liệu thu được từ các
bộ cảm biến trong camera, máy quay…
 Có sự dư thừa do thống kê: do bản thân của các ký hiệu xuất hiện trong dòng
bit với các xác suất xuất hiện khơng đồng đều.
 Có sự dư thừa tâm thị giác: thông tin không phù hợp với hệ thống thị giác
con người, những tần số quá cao so với cảm nhận của mắt người.

Nghiên cứu hoạt động và ứng dụng của chuẩn H.265

Trang 12


Ưu điểm của việc nén tín hiệu:
 Tiết kiệm băng thông kênh truyền ( trong thời gian thực hoặc nhanh hơn).
 Kéo dài thời giản sử dụng của thiết bị lưu trữ, giảm chi phí đầu tư cho thiết
bị lưu trữ.
 Giảm dung lượng thông tin mà không làm mất tính trung thực của hình ảnh.
Có nhiều phương pháp nén tín hiệu, phương pháp nén bằng cách số hóa tín hiệu

vẫn tỏ ra hữu hiệu trong mọi thời đại, một mặt nó có thể làm giảm lượng thơng tin
khơng quan trọng một cách đáng kể, mặt khác nó cịn giúp cho tín hiệu được bảo
mật hơn.

1.2 Q trính số hóa tín hiệu
Q trình số hố tín hiệu tương tự, bao gồm quá trình lọc trước (prefiltering),
lấy mẫu, lượng tử và mã hố minh họa như hình I.1. Q trình lọc trước nhằm loại
bỏ các tần số không cần thiết ở tín hiệu cũng như nhiễu, bộ lọc này cịn gọi là bộ lọc
chống nhiễu xuyên kênh Aliasing.

1.2.1 Lấy mẫu
Thực chất đây là một phép toán rời rạc hay là một phép điều biên xung PAM
và được thực hiện bằng các mạch Op-amp có cực khiển strobe. Nó tạo ra giá trị tín
hiệu tương tự tại một số hữu hạn các giá trị có biến rời rạc gọi là các mẫu. Các mẫu
được lấy cách đều nhau gọi là chu kỳ lấy mẫu. Tần số lấy mẫu phải thoả mãn định
lý Nyquist-Shannon :

f s ≥2 f maz
Trong đó:

+ fs là tần số lấy mẫu.
+ fmax là tần số cực đại của phổ tín hiệu tương tự.

1.2.2 Lượng tử hóa
Q trình lượng tử là quá trình chuyển một xung lấy mẫu thành một xung có
biên độ bằng mức lượng tử gần nhất hay nói cách khác là lượng tử chuyển đổi các
mức biên độ của tín hiệu đã lấy mẫu sang một trong các giá trị hữu hạn các mức nhị
phân. Lượng tử hố biến đổi tín hiệu liên tục theo thời gian thành tín hiệu có biên

Nghiên cứu hoạt động và ứng dụng của chuẩn H.265


Trang 13


độ rời rạc, nhằm làm giảm ảnh hưởng của tạp âm trong hệ thống, hạn chế các mức
cho phép của tín hiệu lấy mẫu và chuẩn bị truyền tín hiệu gốc từ tương tự sang số.
Giá trị thập phân của các mẫu sau khi lượng tử hoá sẽ được biểu diễn dưới dạng số
nhị phân n bit (N= 2n), với n là độ phân giải lượng tử hoá, n càng lớn thì độ chia
càng mịn, do đó độ chính xác càng cao.
Do làm trịn các mức nên tín hiệu bị méo dạng do sai số lượng tử gọi là méo lượng
tử, tỷ số tín hiệu trên méo lượng tử (S/N) được xác định bởi:
S
=6 , 02n+1, 76( dB)
N

Hình 1-1 Sơ đồ q trình tạo tín hiệu số
Lượng tử hóa có hai loại:
 Lượng tử tuyến tính: phép nén tín hiệu theo quy luật đường cong đồng đều,
bước lượng tử bằng nhau.
 Lượng tử phi tuyến: phép nén tín hiệu theo quy luật đường cong không đồng
đều, tập trung nhiều mức lượng tử ở những vùng tín hiệu nhỏ. Trong kỹ thuật

Nghiên cứu hoạt động và ứng dụng của chuẩn H.265

Trang 14


nén ảnh, nén video thì loại lượng tử phi tuyến được dùng nhiều hơn vì nó
giảm dung lượng đến mức tối đa với độ méo lượng tử có thể chấp nhận được.


1.2.3 Mã hóa
Là q trình thay thế mỗi mức điện áp cố định sau khi lượng tử bằng một dãy
nhị phân gọi là từ mã. Tất cả các từ mã đều chứa số xung nhị phân cố định và được
truyền trong khoảng thời gian giữa 2 thời điểm lấy mẫu cạnh nhau. Bộ mã được sử
dụng để tái tạo các xung nhị phân hoặc các từ mã từ các giá trị đã lượng tử xuất hiện
ở đầu ra của bộ lượng tử hố.

1.3 Tốc độ bít và thơng lượng kênh truyền tín hiệu số
1.3.1 Tốc độ bit
Tốc độ bit là số lượng bit được truyền đi hay lưu trữ trong một đơn vị thời
gian.

C=f s∗n (bit/s)
Trong đó :
+ f s là tần số lấy mẫu (Hz).
+ n là số bit nhị phân trong một ký hiệu.
+ C là tốc độ bit (bps).

1.3.2 Thơng lượng kênh truyền tín hiệu số
Là tốc độ số liệu cực đại có thể truyền được trên kênh truyền có độ rộng
băng tần B.
C =B. log 2 ( 1+

S

N

)

(bps)


Trong đó
+ C là tốc độ bit (bps)
+

S

N

là tỷ số tín hiệu trên nhiễu trắng.

+ B là băng thơng kênh truyền (Hz).
Tốc độ bit càng lớn thì tín hiệu tương tự khôi phục lại càng trung thực tuy
nhiên nó sẽ là cho dung lượng lưu trữ và băng thông kênh truyền càng lớn. Trong

Nghiên cứu hoạt động và ứng dụng của chuẩn H.265

Trang 15


thực tế để truyền tín hiệu có tốc độ bit là C (bps) thì cần băng thơng kênh truyền là:
3
B≥ C
4 (Hz)

Ví dụ: với n = 4, fs = 44,1Khz thì:
Tốc độ truyền thơng tin là : C = n x fs = 4 x 44,1 = 176,3.103 bits/s
3
3
B≥ C

x 176 , 4 .103 =132 , 3 Khz
4
4
Và độ rộng băng tần là
=

1.4 Q trình biến đổi tín hiệu màu

Hình 1-2 Q trình biến đổi tín hiệu màu
Một bức ảnh được chuyển từ RGB sang YUV nhằm giảm dung lượng lưu trữ cũng
như truyền đi, trong quá trình giải mã, trước khi hiển thị ảnh thì nó được biến đổi
ngược lại thành RGB. Cơng thức minh họa q trình biến đổi như sau:

Y =k r R+(1−k b −k r )G+k b B
0 .5
C b=
( B−Y )
1−k b
0 .5
C r=
(R−Y )
1−k r
(1)
Với k b +k r + k g =1 , kb = 0.114, kr = 0.299, khi thế vào công thức (1) thì ta được:

Nghiên cứu hoạt động và ứng dụng của chuẩn H.265

Trang 16



Y =0. 299 R+0 . 587G+0. 114 B
0 .5
C b=
(B−Y )=−0 .169 R−0 .331 G+0 .5 B
1−0 . 114
0 .5
C r=
( R−Y )=0. 5 R−0. 419 G−0 .081 B
1−0 . 299
Nên ta có ma trận biến đổi từ RGB sang YUV như sau:

[ Y ¿ ] [ Cb ¿ ] ¿ ¿ ¿
¿

Thực hiện tương tự ta suy ra được ma trận biến đổi từ YUV sang RGB như sau:

[ R ¿][G ¿]¿¿¿
¿

1.5 Các tiêu chuẩn lấy mẫu video tín hiệu số
Kiểu lấy mẫu cho ảnh video cũng là một vấn đề khá quan trọng của kỹ thuật
nén ảnh. Một số kiểu lấy mẫu phổ biến minh họa như hình I.3 và có đặc điểm như
sau:
 Tốc độ lấy mẫu 4:1:1 - tần số lấy mẫu tín hiệu chói là 13,5MHz, và mỗi
tín hiệu hiệu màu là 3,375MHz.
 Tốc độ lấy mẫu 4:2:2 - tần số lấy mẫu tín hiệu chói là 13,5MHz, và mỗi
tín hiệu hiệu màu là 6,75MHz.
 Tốc độ lấy mẫu 4:4:4 - cả 3 thành phần có cùng độ phân giải, nghĩa là
tần số lấy mẫu tín hiệu chói là 13,5MHz, và mỗi tín hiệu hiệu màu là
13,5MHz.

 Tốc độ lấy mẫu 4:2:0 - là kiểu phổ biến, tần số lấy mẫu tín hiệu chói là
13,5MHz, và mỗi tín hiệu hiệu màu là 6,75MHz theo cả 2 chiều
Ví dụ : Một bức ảnh có độ phân giải 720 × 576 pixels
Độ phân giải của thành phần Y là 720 × 576 pixels được mã hóa bằng từ mã 8 bits.
 Nếu sử dụng kiểu lấy mẫu 4:4:4 thì độ phân giải của thành phần Cb, Cr là 720 ×
576 mẫu cũng được mã hóa bằng từ mã 8 bits.
=> Vậy tổng số bits sử dụng để mã hóa bức ảnh là 720 × 576 × 8 × 3 = 9 953 280
bits
Nghiên cứu hoạt động và ứng dụng của chuẩn H.265

Trang 17


 Nếu sử dụng kiểu lấy mẫu 4:2:0 thì độ phân giải của thành phần Cb, Cr là 360 ×
288 mẫu, cũng được mã hóa bằng từ mã 8 bits.
=> Vậy tổng số bits sử dụng là (720 × 576 × 8) + (360 × 288 × 8) × 2 = 4 976 640
bits

Hình 1-3 Các tiêu chuẩn lấy mẫu phổ biến
Trong kiểu 4:4:4, tổng số mẫu cần thiết là 12 mẫu, do đó tổng số bit là 12 × 8 = 96
bits, và trung bình là 96/4 = 24 bits/pixel
Trong kiểu 4:2:0, tín hiệu được quét xen kẽ, do đó chỉ cần thiết 6 mẫu, 4 mẫu cho
thành phần Y, 1 mẫu cho thành phần Cb, 1 mẫu cho thành phần Cr, do đó tổng số
bits cần thiết là 6 × 8 = 48 bits, và trung bình là 48/4 = 12 bits/pixel.
Ta thấy kiểu lấy mẫu 4:2:0 giảm một ½ số lượng bits so với 4:4:4, đó cũng chính là
lý do mà kiểu lấy mẫu này được sử dụng phổ biến.

1.6 Mơ hình nén tín hiệu Video

Hình 1-4 Sơ đồ khối nén tín hiệu video

Các khối chính là:
- Khối nén dư thừa thời gian.
 Dự đoán chuyển động

Nghiên cứu hoạt động và ứng dụng của chuẩn H.265

Trang 18


 Bù chuyển động
- Khối nén dư thừa theo không gian.
 Biến đổi DCT, DWT
 Lượng tử hóa
 Xắp xếp lại trật tự và mã hóa Entropy

1.6.1 Nén tín hiệu Video
Tín hiệu video có dải phổ nằm trong khoảng 0 -> 6Mhz, do thành phần tần số cao
chỉ xuất hiện ở các đường viền của hình ảnh nên năng lượng phổ rất ít tập trung ở
miền tần số cao mà chủ yếu tập trung ở miền tần số thấp. Điều đó có nghĩa là số
lượng bit ở miền tần số thấp sẽ nhiều hơn ở miền tần số cao.
Trong các hệ thống nén, tỉ số nén chính là tham số quan trọng đánh giá khả năng
nén của hệ thống, ta gọi n1, n2 là số lượng bit của tín hiệu trước và sau khi nén nên
ta có cơng thức như sau:
Tỷ số nén sẽ là

C=

n1
n2


Phần trăm nén hay còn gọi là độ dư thừa dữ liệu tương đối.

( )

R= 1−

n2
n1 −n2
x 100 %=
x 100 %
n1
n1

Nếu n1= n2 thì ta có C =1, và R = 0 nghĩa là khơng có sự dư thừa dữ liệu.
Nếu n2<Ví dụ : n1 = 100Mb/s, n2 = 20Mb/s thì C = 5:1, R = 80%. Tức là ảnh có sự dư thừa
lớn, hiệu quả nén đạt 80%.

1.6.2 Lượng tin trung bình
Trước khi nghiên cứu các phương pháp nén, ta cần đánh giá lượng thông tin
chủ yếu được chứa đựng trong hình ảnh, từ đó xác định dung lượng tối thiểu cần sử
dụng để miêu tả, truyền tải thơng tin về hình ảnh.
Thơng tin được ký hiệu là ai và có xác suất p(ai) thì lượng tin được xác định theo
công thức sau:

I (ai ) = log 2 [

1
]=−log 2 p(a i )
p( ai )

Nghiên cứu hoạt động và ứng dụng của chuẩn H.265

Trang 19


Theo công thức trên ta thấy lượng tin chứa đựng trong một hình ảnh sẽ tỉ lệ
nghịch với khả năng xuất hiện của ảnh đó, nghĩa là sự kiện ít xảy ra sẽ chứa đựng
nhiều thông tin hơn và bằng tổng số lượng thông tin của từng phần tử ảnh.
Gọi lượng tin trung bình của hình ảnh là H(X) và được tính bằng cơng thức sau:
N

H ( X )= ∑ p (ai ) ∗ log 2 [
1

N

1
] = −∑ p( ai ) ∗ log 2 p( ai )
p(ai )
1

Xác suất phân bố càng nhiều thì lượng tin trung bình entropy càng nhỏ.
Entropy đạt giá trị cực đại đối với phân bố đều, do đó nếu một ký hiệu có xác suất
lớn sẽ có số Entropy nhỏ.
Ví dụ: Giả sử có một ảnh đen trắng với độ phân giải lượng tử 8 bit. Ký hiệu i
là mức xám của pixel và bộ ký hiệu A là tập hợp tất cả các mức xám từ 0->255,
mức xám 0 tương ứng với màu đen, mức xám 255 tương ứng với màu trắng. Do đó,
255

Entropy của ảnh là

H ( X )=∑ p( i) log 2 p (i )
0

Giả sử ta có kích thước 4x8 pixels như sau:
21

21

21

95

169

243

243

243

21

21

21

95

169

243

243

243

21

21

21

95

169

243

243

243

21

21

21

95

169

243

243

243

Ta sẽ xét các độ dư thừa của các pixel trong ảnh, hoặc giữa các ảnh liên tiếp như
sau.
 Giả sử các mức xám của tín hiệu hình đen trắng độc lập thống kê với nhau,
dựa vào số liệu thống kê cụ thể là.
Mức xám

Số lượng pixel

Xác suất.

21

12

3/8

95

4

1/8

169

4

1/8

243

12

3/8

Entropy của phần ảnh tĩnh này là:
H(x)

3
3 1
1 1
1 3
3
− log 2 − log 2 − log 2 − log 2
8 8
8 8
8 8
8
= 8

Nghiên cứu hoạt động và ứng dụng của chuẩn H.265

Trang 20