Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển luồng đa phương tiện qua mạng INTERNET

LINK DOWNLOAD MIỄN PHÍ TÀI LIỆU "Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển luồng đa phương tiện qua mạng INTERNET": http://123doc.vn/document/1040635-nghien-cuu-ky-thuat-dieu-khien-luong-da-phuong-tien-qua-mang-internet.htm

3



1.1.3.

Một

số

giải

pháp

cho

nhà

cung

cấp

dịch

vụ


Yêu cầu thực tế đặt ra cho những nhà cung cấp dịch vụ là làm sao để tăng tính cạnh
tranh của các loại hình dịch vụ đợc đa ra, qua đó thu hút đợc sự quan tâm và nhu cầu sử
dụng của càng nhiều khách hàng càng tốt.

Nghiên cứu và tìm ra những phơng thức

mới
mang tính hiện đại và mang lại hiệu quả kinh tế cao đó là:

“Cải thiện tầng liên kết với các phơng thức sửa lỗi thích hợp, cải thiện tầng MAC,
cải thiện tầng mạng, cải thiện tầng giao vận, cải thiện tầng trên, cải thiện và nâng cao hiệu
quả sử dụng các phơng thức mã hóa, giải thuật kiểm soát lỗi và kỹ thuật điều khiển luồng
đa phơng tiện qua mạng Internet”…

1.2


1.2.1.

Mục

đích

và

nhu

cầu


Trong truyền thông Video qua mạng Internet (nh chỉ ra trong hình 1.1) những yêu
cầu về truyền tải là đối lập và cần phải đạt đợc một vài sự cân bằng nào đó để cung cấp
ngời sử dụng với chất lợng yêu cầu của dịch vụ. Đối với bất kỳ loại ứng dụng Video nào
một số yêu cầu đa ra là phải thỏa mãn các yêu cầu của ngời sử dụng bằng các dịch vụ có
chất lợng tốt. Các kỹ thuật điều khiển và mã hóa nhất là số hóa giải nén Video, Audio phải
đợc

áp

dụng

để

luồng

đa

phơng

tiện

qua

mạng

đạt

đợc

hiệu

quả

tối

u

và

tránh

tắc
nghẽn,

nghĩa

là

ngời

sử

dụng

dịch

vụ

sẽ

đợc

cung

cấp

và

sử

dụng

một

dịch

vụ

truyền
thông chất lợng tốt.







Internet







Hình

1.1

Luồng

đa

phơng

tiện

qua

mạng

Internet.

4



1.2.2.

Vai

trò

của

điều

khiển

luồng

đa

phơng

tiện


Đối với các luồng đa phơng tiện nén và không nén thì yêu cầu tỉ lệ mất thông tin
cũng khác nhau. Luồng tin nén đặc biệt nhạy cảm với tỉ lệ mất thông tin, vì một lỗi cũng đã
có thể dẫn đến mất đồng bộ các phơng tiện khác nhau nh Video,

Audio.

Để đảm bảo các yêu cầu về tỉ lệ tổn thất và độ trễ của thông tin, nhà cung cấp dịch vụ
đa phơng tiện cần áp dụng các cơ chế điều khiển luồng lu lợng thích hợp sao cho chất
lợng dịch vụ và hiệu suất sử dụng mạng là tối u. Có thể nói kỹ thuật điều khiển luồng đa
phơng

tiện

đóng

một

vai

trò

rất

quan

trọng

trong

truyền

thông

đa

phơng

tiện

và

mạng
Internet.

1.3.

Kết

luận

chơng

I


Nh vậy việc điều khiển luồng đa phơng tiện là vấn đề thực tế và hết sức cần thiết
nhằm đáp ứng những đòi hỏi của khách hàng về chất lợng dịch vụ nên vấn đề chính đặt ra
cho các nhà cung cấp dịch vụ là phải là sao đảm bảo vấn đề truyền tải và việc cung cấp dịch
vụ với một chất lợng hợp lý. Hơn nữa giải pháp đợc đa ra là phải tơng thích với cho
từng hệ thống và đáp ứng đợc thực trạng của truyền thông đa phơng tiện.



CHƠNG

II.

CÁC

KỸ

THUẬT

ĐIỀU

KHIỂN

LUỒNG

ĐA


PHƠNG

TIỆN

QUA

MẠNG

INTERNET


2.1.

Một

số

kỹ

thuật

điều

khiển


2.1.1.

Điều

khiển

tốc

độ


1)

Tính

biến

thiên

tốc

độ

Bit

của

những

bộ

mã

Video


Kỹ thuật điều khiển tốc độ lợng tử hoá biến thiên mới đã đợc đề xuất để tạo một
tốc độ bít đầu ra nhỏ nhất cho một mục tiêu chất lợng cố định. Bổ sung hiệu chỉnh cho chất
lợng hằng số của sự thay đổi tốc độ Video, sự lên xuống của tốc độ bit thì cũng hữu ích
cho phân bố động của băng thông biến thiên.
5



Tính biến thiên tốc độ truyền theo bit trong

những giải thuật mã hoá Video là sự có
mặt của của mã hoá Huffman. Mã hoá độ dài thay đổi đợc sử dụng để tối u hoá hiệu quả
nén bằng việc đạt đợc một chiều dài bit trung bình tối u mỗi từ mã hiệu

2)

Tốc

độ

mã

cố

định


Mặc

dù

tốc

độ

bit

thay

đổi

thì

đôi

khi

mong

muốn

cho

việc

cấp

phát

băng

thông
động, việc truyền dẫn tốc độ bit không đổi hữu ích cho các kênh băng thông cố định nh
PSTN

(Public

Switching

Telephone

Networks).

Để

đạt

đợc

truyền

dẫn

video

tốc

độ

cố
định, một bộ điệm giữa các bộ mã hoá video và kênh đợc sử dụng để làm mợt đầu ra tốc
độ bit dao động thăng giáng.

Rõ ràng, tạo đệm cho các luồng video bị nén trớc khi truyền dẫn gây ra một lợng
trễ nhất định, điều đó phải đợc ngăn ngừa hay ít nhất đợc tối giản trong những dịch vụ
video thời gian thực.

Đây là bộ đệm chỉ có thể điều chỉnh tốc độ bit đầu ra cho sự biến đổi trong thời gian
ngắn.

Trong

một

số

chuỗi

video,

tốc

độ

bit

dao

động

thăng

giáng

có

thể

kéo

dài

cho

vài
khung và nh vậy một

bộ đệm lớn có thể sau đó yêu cầu hấp thu dài hạn dao động thăng
giáng. Kỹ thuật thông thờng sử dụng nhiều nhất là điều chỉnh một số tham số mã hoá video
nh một chức năng của bộ đếm đầy đủ, đó là bởi sự điều khiển hồi tiếp.

3)

Hiệu

chỉnh

các

tham

số

mã

hoá

cho

điều

khiển

tốc

độ


Bất kỳ sự nỗ lực nào để điều khiển tốc độ truyền theo bit đầu ra của một bộ mã hoá
cần phải cân bằng chất lợng và hiệu năng nén. Giảm bớt tốc độ truyền theo bit làm tổn hại
cho giảm sút chất lợng. Trong những bộ mã hoá Video chuyển đổi khối, có bốn tham số
mã hoá khác nhau mà đã có thể đợc điều chỉnh để điều khiển tốc độ truyền theo bit đầu ra.

Tốc độ khung quyết định số khung đợc mã hóa trên mỗi giây, là một tham số mã
hóa mà có thể đợc điều chỉnh để thích ứng với tốc độ bít. Từ mục tiêu của phơng pháp
điều khiển tốc độ khung, các
d
thừa thời gian và không gian của những tín hiệu Video nói
chung thờng đợc sử dụng khi chất lợng các hình ảnh độc lập không thể đạt đợc sự thoả
hiệp.
6



Sự điều chỉnh các tham số mã hoá dẫn đến thay đổi chất lợng cảm quan, tuy nhiên
sự thay đổi này là “nhẹ nhàng” so với hiện tợng suy giảm chất lợng tạo ra bởi tắc nghẽn.
Phần lớn hệ thống thông tin truyền thông Video dựa ttrên điều chỉnh các tham số mã hoá
Video nh là một phần của điều khiển tốc độ

đầu ra áp dụng các kỹ thuật ngăn ngừa điều
khiển luồng.

2.1.2.

Điều

chỉnh

kích

thớc

Phơng pháp truyền thống để điều chỉnh tốc độ tryền theo bit đầu ra của một Video
gốc là để điều chỉnh tốc độ kích cỡ bớc lợng tử hoá của khung tiếp theo, GOB hoặc MB,
sử dụng bộ đệm cục bộ mà xác định đợc tình trạng của mạng.
Để cung cấp số lợng Video đầu ra ổn định, giải thuật điều chỉnh tốc độ tinh vi hơn
nên đợc sử dụng ở đây. Trong những giải thuật này, cả bộ đệm đầy và hoạt tính ảnh phải
đợc sử dụng để chọn một tham số bộ lợng tử hoá thích hợp Qp sao cho kết quả là tốc độ
truyền theo bit gần tốc độ truyền theo bit mục tiêu. Thêm vào đó, nội dung Video cũng ảnh
hởng đến số lợng của các bit yêu cầu để mã một khung Video.
Do vậy, kỹ thuật điều khiển tốc độ lợng tử hoá cổ điển cung cấp hay không thể dự
báo và đôi khi tốc độ bit giao động rất cao, do đó sự tăng lên có thể xảy ra của bộ đệm cục
bộ chảy tràn ra là kết quả của việc dữ liệu bị mất đi rất nhiều trong trờng hợp mạng nghẽn.
1)

Điều

khiển

tốc

độ

bộ

đệm

cơ

sở


Một kỹ thuật điều khiển tốc độ bộ đệm cơ sở đợc

thừa nhận rộng rãi đợc gọi là
giải thuật điều khiển tốc độ theo thang độ SRC (Scaleable Rate Control) (ISO/IEC 14496,
Annex L) cho sự truyền dẫn Video MPEG-4 thời gian thực. Kỹ thuật này có thể xử lý các
khung I,P và B và chỉ áp dụng cho mục đích điều khiển tốc độ của các đối tợng đơn lẻ.

Ngoài SRC, một sơ đồ điều khiển sự lợng tử hoá tơng tự áp dụng trong bộ mã hoá
Video MPEG-2 là giải thuật kiểm tra mô hình (Test Model 5: TM5) [TMOD] cho mục đích
điều khiển tốc độ. TM5 miêu tả một quá trình điều khiển tốc độ bit thích ứng với tham số
lợng tử hoá của một MB.
7



2)

Điều

khiển

tốc

độ

hồi

tiếp

dương


Trong những giải thuật điều khiển tốc độ lợng tử hoá biến đổi cổ điển các tham số
lợng tử hoá của khung tiếp theo đợc tính toán dựa trên số lợng các của các bit phát sinh

Trong các giải thuật hồi tiếp dơng, một giá trị Qp ban đầu của một khung đợc lựa chọn
dựa trên Qp và tốc độ bit của khung mã hoá cuối cùng.

Giải thuật điều khiển tốc độ bit này mang lại một độ chính xác hơn kém 15% cho các
bit đợc sử dụng để chuyển đổi mã hoá hệ số và tốc độ thay đổi thất thờng ít hơn kỹ thuật
điều khiển tốc độ bit lợng tử hoá biến đổi theo tục lệ. Giải thuật điều khiển tốc độ cho thấy
một sơ đồ điều khiển tốc độ đợc cải thiện so với phơng pháp kỹ thuật Qp thay đổi truyền
thống.

2.2.

Các

kỹ

thuật

điều

khiển

luồng


2.2.1.

Điều

khiển

luồng

sử

dụng

mã

hóa

ROI

Với một vài loại chuỗi Video, kinh nghiệm cho thấy để nâng cao chất lợng của việc
mã hóa hình ảnh bằng cách mã hóa vùng hình ảnh đợc quan tâm nhiều hơn vùng còn lại.
Bởi vậy, cần u tiên nhiều bít cho việc mã hóa những khu vực này hơn những khu
vực khác. Tuy nhiên, để định dạng vùng quan tâm trong cảnh Video.
Để

có

thể

sử

dụng

mã

hóa

ROI,

khung

hình

ảnh

cần

đợc

chia

thành

những

phân
đoạn để định dạng vị trí và hình dạng của những khu vực này trong các khung Video đây là
một

trờng hợp sử dụng giải thuật nén hình ảnh hớng đối tợng giống nh ISO MPE-4.
Các giá trị của hai kích cỡ bớc lợng tử này phụ thuộc vào các tham số

Qp thiết lập bởi
giải thuật điều khiển tốc độ cho khung hình tiếp theo để phù hợp với yêu cầu về tốc độ bít
chuẩn.
Kỹ thuật điều khiển tốc độ đơn giản bằng việc sử dụng mã hóa ROI này đã đem lại
kết

quả

mong

đợi,

xem

kết

quả

thể

hiện

trong

bảng

2.1

với

150

khung

của

chuỗi

Miss
America đợc mã hóa với tốc độ bít đích khác nhau.
nhau

v
ớ
i

các

gi
ả
i

thu
ậ
t

đi
ề
u

khi
ể
n

t
ố
c

đ
ộ

khác

nhau.

Sự

tiến

bộ

chủ

quan

đạt

đợc

nhờ

kỹ

thuật

điều

khiển

tốc

độ

này

miêu

tả

trong

hình
8



Cả giải thuật qui ớc TMN5 và mã hóa ROI làm tăng cờng sự nổi bật của khuôn
mặt đã đợc sử dụng cho mục đích điều khiển tốc độ. Kết quả đợc tạo bảng hiển thị một sự
cải thiện trong mức độ PSNR sáng rõ xung quanh vùng mặt mà không làm xáo lộn hiệu quả.

Mức PSNR dao động không gây ảnh hởng tới hiệu quả của việc điều khiển tốc độ.
Sự trợ giúp Kỹ thuật này điều chỉnh dao động của tốc độ truyền theo bít trong khi mang lại
một chất lợng hình ảnh mịn hơn, rõ nét hơn quanh vùng mặt, vùng đợc quan tâm đặc biệt,
là nhiệm vụ của mã hoá ROI.

Bảng

2.1

150

khung

của

chuỗi

Miss

America

đợc

mã

hóa

ở

những

tốc

độ

bít

khác




2.1 cho ta thấy một khung của chuỗi giải mã Miss American tại tốc độ 14.4 Kbit/s sử dụng
TMN5 truyền thống và giải thuật điều khiển tốc độ ROI cải thiện vùng mặt.

Tăng cờng vùng mặt TMN5
Tốc độ bit đích

(mục tiêu)

(kbit/s)/tốc độ khung

(f/s)
vùng mặt

PSNR
(dB)
Tổng
cộng
PSNR
(dB)
Tốc độ
bit thực
tế
(kbit/s)
vùng mặt

PSNR
(dB)
Tổng
cộng
PSNR
(dB)
Tốc độ
bit thực
tế (kbit/s)

20/10 34.69 36.82 20.29 32.36 37.89 20.2
17/10 33.37 36.53 17.29 31.51 37.22 17.18
14.4/10 31.83 36.02 14.57 30.52 36.43 14.53
9.6/06 30.96 35.71 9.73 29.77 35.91 9.73
T
ổ
ngc
ộ
ngđ
ộ
chóiPSNR

(dB)

B
ề
m
ặ
tđ
ộ
chóiPSNR(dB)

9



















Hình

2.1

Khung

của

Hoa

hậu

Mỹ

chuỗi

giải

mã

tại

tốc

độ

14.4

kbit/s:

(a)

qui

ớc

biến

Qp

điều

khiển

tốc

độ

TMN5

(b)

mã

hóa

ROI

cho

điều

khiển

tốc

độ

tăng

cờng

vùng

mặt.
















Không khung
Không

khung


Hình

2.2

Giá

trị

Y-PSNR

của

chuỗi

mã

hóa

Foreman

với

tốc

độ

48

kbit/s

sử

dụng

ba

giải

thuật

điều

khiển

tốc

độ

khác

nhau:

(a)Tổng

quan

PSNR

(b)

miền

chính

PSNR.


Hình 2.2 cho thấy giá PSNR của chuỗi Foreman sử dụng ba giải thuật điều khiển tốc
độ khác nhau. Có thể thấy rằng giải thuật điều khiển tốc độ đợc thiết lập là cao hơn của mã
hoá ROI, xem hiển thị trên hình 2.2(a). Tuy nhiên giá trị PSNR xung quanh vùng mặt luôn
luôn tốt hơn của những vùng khác vì một giải thuật tốc độ bít đợc thiết lập để tăng mã hoá
vùng mặt nh hiển thị ở hình 2.2(b).
10



2.2.2.

Điều

khiển

luồng

bằng

cách

đẩy

thông

tin

đợc

u

tiê
n

Luồng bít đầu ra của một giải thuật mã hóa hình ảnh chuẩn chính là sự sắp xếp những
từ mã hóa đợc cố định và những từ mã có độ dài thay đổi (VLCs). Mỗi VLC biểu diễn một
phần

khác

nhau

của

thông

tin

kết

hợp

với

những

chi

tiết

về

thời

gian

và

không

gian

của
chuỗi hình ảnh.
Giải thuật điều khiển tốc độ thực thi nh một kỹ thuật điều khiển sự tắc nghẽn có thể
phòng tránh. Giải thuật điều khiển tốc độ bít của thiết bị mã hóa trong khi giảm đến mức tối
thiểu việc mất thông tin ảnh hởng đến chất lợng hình ảnh.
2.2.3.

Điều

khiển

luồng

dùng

vòng

lặp

phản

hồi

bên

trong

Trong

phần

2.2.2

thì

việc

đa

các

tham số

hình

ảnh

đợc

biểu

diễn

trong

một

cấu
trúc lặp mở.
Diễn đạt theo một cách khác, bộ nhớ hình ảnh dựng lại một cách cục bộ không đợc
cập nhật theo cách mà duy trì biểu diễn giữa khung tin dựng lại trong bộ mã hóa và khung
tin tơng ứng trong bộ giải mã. Sự ghép nối không tơng xứng giữa hai khung mã hóa và
giải mã là nguyên nhân hàng đầu dẫn đến làm hỏng khung tin hình ảnh đợc mã hóa.
Tốc độ tổn thất ớc tính phần trăm MV mất trên tổng số dữ liệu MV. Khi kiểu khung
PB đợc dùng, kết quả mong đợi là dữ liệu hình ảnh nén sẽ trở nên nhạy hơn để

đạt đợc tỉ
lệ nén cao nh khung B.
Khi đợc dùng với tùy chọn có thể thay đổi, H.263 trở nên dễ bị lỗi. Tuy nhiên tùy
chọn có thể thay đổi phân bổ góp phần làm

giảm tốc độ bít đầu ra, băng cách này có thể
đảm bảo kết quả mã hóa tốt hơn trong điều kiện nghẽn mạng.
2.3.

Kết

luận

chơng

II

Trong

chơng

này

sự

đa

dạng

của

những

giải

thuật

điều

khiển

tốc

độ

đợc

dùng
trong truyền thông Video đã đợc giới thiệu và phân tích.
Các

giải

thuật

mã

hoá

Video

chỉ

hỗ

trợ

cho

chất

lợng

hằng

số

đợc

giải

mã

với
những tốc độ truyền theo bit biến thiên và những tốc độ bit không thay đổi có thể chỉ thực
hiện với Video đợc giải mã có chất lợng biến thiên.
11



Trớc hết, một chuỗi Video số hợp nhất với một số lớn những thống kê và sự
d
thừa
của thời gian lẫn không gian, loại bỏ mà làm ảnh hởng đến tốc độ của luồng bit mã hoá. Từ
quá trình nén là sự cân bằng giữa tốc độ bit đợc mã hoá và chất lợng.
Các giải thuật điều khiển luồng, trong đó có giải thuật điều khiển hồi tiếp đã đạt đợc
một sự cải tiến hơn các giải thuật điều khiển tốc độ truyền thống trong việc làm trôi chảy ở
ngoài tốc độ bit giao động của bộ mã hoá hình ảnh.
Thêm nữa khả năng điều khiển tốc độ của phơng pháp kỹ thuật hồi tiếp, cải thiện
chất

lợng

có

thể

đợc

đa

ra

nhờ

việc

sử

dụng

mã

hoá

vùng

truyền

thông

(ROI).

Tuy
nhiên, khi băng thông của mạng có những yêu cầu là thay đổi thời gian thì tốc độ bit đầu ra
của một bộ mã Video phải thích ghi với những điều kiện thay đổi băng thông tại bất kỳ thời
gian nào. Vì mục đích này: làm cho các giải thuật điều khiển tốc độ phải đợc sử dụng cho
lu lợng và tối u hoá chất lợng.


CHƠNG

III.

ĐIỀU

KHIỂN

LUỒNG

VIDEO

QUA


MẠNG

INTERNET





3.1.

Kỹ

thuật

nén

Video

và

đặc

điểm

truyền

dẫn


3.1.1.

Vài

nét

về

các

kỹ

thuật

nén

Video

số

hiện

nay


Nén ảnh số mục đích là làm thế nào để lu trữ bức ảnh dới dạng có kích thớc nhỏ
hơn hay dới dạng biểu diễn mà chỉ yêu cầu số bit mã hóa ít hơn so với ảnh gốc. Nén ảnh
thực hiện là do thực tế: thông tin trong bức ảnh không phải là ngẫu nhiên mà có trật tự, có tổ
chức.

Hơn nữa, Video số là chuỗi các ảnh số hoá liên tiếp nhau theo thời gian, mỗi ảnh số
bao gồm nhiều dòng, nhiều phần tử ảnh (pixel); mỗi pixel đợc biểu diễn bởi ba màu cơ bản
R, G, B. Vì vậy thực chất của kỹ thuật nén Video số là loại bỏ các thông tin
d
thừa, nhằm
hớng đến các mục tiêu :
12




Giảm tốc độ dòng bit của tín hiệu gốc xuống một giá trị, đủ để có thể tái tạo ảnh khi
giải nén.

Giảm dung lợng giữ liệu trong lu trữ cũng

nh giảm băng thong

truyền dẫn cần
thiết.

Tiết kiệm chi phí trong lu trữ và truyền dẫn dữ liệu trong khi vẫn duy trì chất lợng
ảnh ở mức chấp nhận đợc.

Để đánh giá một kỹ thuật nén nào đó ngời ta thờng so sánh số bit trung bình dùng
để biểu diễn một ảnh với Entropy đợc xác định nh sau:






Trong

đó:

N

là

số

phần

tử

ảnh.

P(x
i
)

–

xác

xuất

của

từng

phần

tử

ảnh.


Về thực chất, ENTROPY đợc hiểu nh là số bit tối thiểu cần thiết có thể tái tạo ảnh
Video. Kỹ thuật mã có hiệu quả nén càng cao khi số bit trung bình càng tiến gần về giá trị
Entropy.

Mỗi một giải pháp nén Video khác

nhau sẽ cho chất lợng hình ảnh, độ rộng băng
thông kênh truyền Video là khác nhau. Dới góc độ bảo tồn dữ liệu ảnh, kỹ thuật nén Video
đợc phân thành hai nhóm chính là: nén tổn hao và nén không có tổn hao.

3.1.2.

Kỹ

thuật

nén

không

tổn

hao


Trong các kỹ thuật

nén không tổn hao (Losses Compression): ảnh

khôi phục giống
hoàn toàn so với ảnh gốc. Nén Video số không tổn hao còn đợc gọi là: mã hoá nguồn. Đây
là quá trình biểu diễn các kí hiệu trong dòng bit nguồn thành dòng các từ mã, mỗi từ mã bao
gồm một số bit nhất định sao cho giảm đợc tốc độ bit ở mức có thể. Các kỹ thuật thờng
dùng trong nén Video số không tổn hao là:

Mã hoá độ dài thay đổi VLC (Variable Length Coding

Nén liên ảnh (Inter - Frame Compression