Tài liệu Truyền hình số có độ phân giải cao hdtv và khả năng

MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU...............................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HDTV.....................................................................3 1.1.Khái niệm HDTV.........................................................................................3 1.1.1. Khái niệm và ưu điểm của HDTV [5]..................................................3 1.1.2.Tỷ lệ khuụn hỡnh [3].............................................................................3 1.1.3.Đặc tớnh quột ảnh..................................................................................4 1.1.4.Độ phân giải hình và băng thông tín hiệu..............................................5 1.2.Lịch sử và xu hướng phát triển [5]...............................................................7 1.2.1. HDTV tại Nhật Bản..............................................................................7 1.2.2. HDTV tại Mỹ........................................................................................8 1.2.3. HDTV tại châu Âu................................................................................9 1.3.Mô hình tổng quan của hệ thống HD.........................................................11 1.3.1.Hệ thống thiết bị trung tâm (Master Headend)....................................11 1.3.2.Hệ thống mạng phân phối tín hiệu......................................................12 1.3.3.Thiết bị đầu cuối thuê bao...................................................................12 CHƯƠNG 2: CÁC CÔNG NGHỆ VÀ KỸ THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG HDTV...................................................................................................13 2.1.Tần số lấy mẫu và cấu trúc lấy mẫu...........................................................13 2.2.Lượng tử hoá..............................................................................................14 2.3.Nén video số bằng MPEG [3]....................................................................16 2.3.1.Tổng quan nén MPEG.........................................................................16 2.3.2.Nguyên lý nén Video...........................................................................17 2.3.3.Nén trong ảnh......................................................................................18 2.3.4.Nén liên ảnh.........................................................................................19 2.4.Nén MPEG 4 [3]........................................................................................21 2.4.1.Tổng quan về MPEG 4........................................................................21 2.4.2 MPEG 4 Profile...................................................................................26 2.4.3 MPEG 4 Visual (Part 2)..........................................................................30 2.4.4. MPEG 4 AVC (Part 10)/ H264...........................................................34 2.5.Nén HDTV.................................................................................................41 2.6.Chuyển đổi âm thanh tiêu chuẩn SD sang âm thanh tiêu chuẩn HD.........44 CHƯƠNG 3: TRUYỀN DẪN HDTV.................................................................45 3.1.Phát HDTV qua vệ tinh..............................................................................46 3.1.1. Phát sóng theo chuẩn DVB-S.............................................................46 3.1.2. Chuẩn DVB-S2 [4].............................................................................47 3.1.3. Phát HDTV qua vệ tinh sử dụng DVB-S2.........................................50 3.2.Phát HDTV qua sóng mặt đất....................................................................51 3.2.1. Chuẩn DVB-T....................................................................................52 3.2.2. Chuẩn DVB-T2 [4].............................................................................53 3.3.Phát HDTV qua mạng cáp.........................................................................64 3.3.1. Phát HDTV qua chuẩn DVB-C..........................................................64 3.3.2. Giới thiệu DVB-C2[4]........................................................................69 3.3.3. Kiến trúc hệ thống DVB-C2...............................................................70 3.4.Phát HDTV qua IP.....................................................................................80 CHƯƠNG 4: MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG...............................................82 4.1.Mô hình mô phỏng.....................................................................................82 4.1.1.Mô hình hệ thống DVB-T...................................................................82 4.1.2.Mô hình hệ thống DVB-T2.................................................................83 4.1.3.Mô hình hệ thống DVB-S2..................................................................84 4.2.Đánh giá một số kết quả mô phỏng...........................................................84 4.2.1.Hệ HDTV sử dụng chuẩn DVB-T.......................................................84 4.2.2.Hệ thống DVB-S2...............................................................................85 4.2.3.Hệ thống DVB-T2...............................................................................86 CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG TRIỂN KHAI HDTV TẠI VIỆT NAM.................87 5.2.1.Kỹ thuật De-interlacing [6].................................................................89 5.2.2.Kỹ thuật upconvesion [6]....................................................................92 KẾT LUẬN:........................................................................................................94 1 MỞ ĐẦU HDTV (High-definition television) là hệ thống truyền hình số quảng bá có độ phân giải cao cho hình ảnh đẹp, sắc nét, màu sắc đa dạng phong phú kết hợp với hệ thống âm thanh số trung thực, đa kênh tạo ra một dịch vụ có chất lượng nổi trội so với các hệ thống truyền hình truyền thống (PAL, NTSC, SECAM) Chuẩn truyền hình này đưa đến cho người xem không chỉ cảm nhận về chất lượng hình ảnh tốt với độ phân giải cao mà còn mang lại một cảm giác ấn tượng về vẻ đẹp, độ chân thực, độ sâu và kích thước của toàn bộ hình ảnh. Hơn thế nữa, với việc cung cấp tín hiệu âm thanh vòng (surround sound) 5.1 đã mang lại cho người xem một cảm giác như đang ngồi trong rạp chiếu phim. Việc người dùng chuyển lên HDTV thay thế SDTV được coi là một bước tiến đáng nhớ cho ngành công nghiệp điện tử gia dụng, tương tự như việc nhân loại chuyển từ tivi đen trắng sang tivi màu trước đây. Việc truyền dẫn dịch vụ HDTV trờn cụng cỏc công nghệ khác nhau đặc biệt là sử dụng chuẩn DVB (T,S,C) đang gặp khó khăn về yêu cầu cân bằng giữa băng thông tín hiệu và chất lượng kênh truyền. Sự ra đời của chuẩn nén mới MPEG-4/AV đã cải thiện được hiệu suất nộn dũng tín hiệu và hiệu quả sử dụng kênh truyền. Đầu năm 2009 đánh dấu sự công nhận hệ tiêu chuẩn thứ 2 của DVB gồm DVB- T2, DVB-S2, DVB-C2 với việc làm giảm rất nhiều dung lượng của kênh, tăng độ tin cậy và khả năng chống nhiễu do vậy càng thúc đẩy sự phát triển mạnh của dịch vụ HDTV. Hiện nay tại Việt Nam truyền hình độ phân giải cao vẫn là một khái niệm rất mới đối với người sử dụng. Trên thị trường chỉ xuất hiện màn hình Plasma và LCD có thể xem truyền hình với độ phân giải cao, việc sản xuất chương trình cũng như cung cấp loại hình dịch vụ này mới đang trong giai đoạn xây dựng phương án đầu tư, nghiên cứu và phát thử nghiệm. Luận văn “Truyền hình số có độ phân giải cao HDTV và khả năng ứng dụng tại Việt Nam” đi vào nghiên cứu các công nghệ, chuẩn sử dụng trên HDTV và đánh giá so sánh được hiệu quả của việc sử dụng tiêu chuẩn DVB thứ 2 trong truyền dẫn phát sóng HDTV. Đồng thời cũng đánh giá được hiện trạng việc áp dụng công nghệ tiên tiến này vào nước ta để cho người sử dụng có một cách sâu sắc hơn về dịch vụ mới HDTV tại Việt Nam. Nội dung của luận văn được chia thành 5 chương như sau: Chương 1: Tổng quan HDTV Chương 2: Các công nghệ và kỹ thuật sử dụng trong HDTV: Lấy mẫu, lượng tử hoỏ, nộn video số, chuẩn nén MPEG4, MPEG-4/AVC, kỹ thuật âm thanh vòng sử dụng trong HDTV 2 Chương 3: Các công nghệ truyền dẫn HDTV, giới thiệu chuẩn DVB thế hệ thứ 2 (DVB-T2,DVB-S2,DVB-C2) và so sánh đánh giá hiệu quả kênh truyền. Chương 4: Một số kết quả mô phỏng sử dụng phần mềm mô phỏng MATLAB 2009a về mô phỏng hệ HDTV, so sánh đánh giá hiệu suất về việc dùng chuẩn DVB đầu tiên và thế hệ thứ 2 qua mó hoỏ LDPC Chương 5: Ứng dụng triển khai HDTV tại Việt Nam Qua lời nói đầu tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS.Ngụ Thỏi Trị, người đã tận tình hướng dẫn tôi trong quá trình hoàn thiện bản luận văn này; cũng xin được cảm ơn các thầy cô giáo, bạn học cùng lớp, bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Hà Nội, tháng 12 năm 2009 Học viên Nguyễn Thị Thu Trang 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HDTV 1.1.Khái niệm HDTV 1.1.1. Khái niệm và ưu điểm của HDTV [5] HDTV sử các kỹ thuật tiên tiến để tăng thêm các chi tiết ảnh và cải tiến chất lượng âm thanh cung cấp tới tivi. Chất luợng hình ảnh tương đương với 35 mm phim camera, chất lượng âm thanh tương đương với một máy nghe nhạc compact. Để đạt được điều đó HDTV đã tạo thờm cỏc dòng điện tử quét ngang màn hình và thờm cỏc electron để tạo thêm chi tiết ảnh. Các hệ thống truyền hình truyền thống cung cấp loại tivi với 525 dũng quột (NTSC) với 300 điểm ảnh trờn/dũng. HDTV sử dùng hơn 1000 dũng quột với khoảng 1000 điểm ảnh trong một dòng. Với việc tăng thông tin cho hình ảnh nên HDTV yêu cầu một băng thông cao hơn hẳn so với hệ thống truyền hình truyền thống do đó tăng hiệu xuất sử dụng băng thông. Các ưu điểm của HDTV so với SDTV Khuụn hình rộng hơn, hình ảnh có độ sắc nét rõ ràng. Âm thanh với chất luợng cao. Băng thông sử dụng hẹp. Khả năng chống xuyên nhiễu tốt, một số hiện tượng như búng hỡnh(ghosting), hoặc muỗi (snow) không tìm thấy với hệ thống HDTV. 1.1.2.Tỷ lệ khuụn hình [3] Tỷ lệ khuụn hỡnh là tỷ lệ giữa chiều ngang và chiều cao của hình ảnh, về bản chất là tỷ lệ giữa số điểm ảnh tích cực của 1 dũng trờn số dòng tích cực. Tỷ lệ truyền thống là 4:3, còn tỷ lệ của một khuụn hỡnh rộng là 16:9. Một số ưu điểm của khuụn hỡnh rộng là: + Góc nhìn thấy của con người khoảng xung quanh 120 o, nhưng khi nhìn màn hình nhỏ tỷ lệ 4:3 từ khoảng cách vài mét, chúng ta sẽ phải làm hẹp gúc nhỡn một cách đáng kể thậm chí lên đến 10 o. Điều này làm giảm khả năng cảm thụ hình ảnh. + Tỷ lệ khuụn hỡnh 16:9 (1.78:1) gần hơn với tỷ lệ khuụn hỡnh sử dụng trong điện ảnh (thường là 1.85:1 hoặc 2.35:1). + Phần lớn các chuyển động trên màn hình được thực hiện theo chiều ngang (ví dụ bóng đá, đua xe), do đó màn hình rộng sẽ có thể đáp ứng tốt hơn. + Màn hình rộng cũng có nghĩa giảm bớt số lượng cỏc hỡnh cận cảnh và chuyển cảnh. Mặt khác các chuyển động trên màn hình rộng là liền mạch và liên tục với chương trình có tính phim ảnh. Nói một cách đơn giản là có thể giảm bớt 4 được các chuyển cảnh nhanh do ta có thể nhìn được nhiều hơn trên màn hình rộng Hình sau đây sẽ cho ta thấy hiệu quả của tỷ lệ khuụn hỡnh. 16 9 Khoảng cách nhìn: 3HKhoảng cách nhìn: 7H Khoảng cách nhìn: 7H Gúc nhìn: 300 Gúc nhìn: 100 Hình 1.1: So sánh giữa HDTV và SDTV về tỷ lệ khuụn hỡnh HDTV sử dụng tỷ lệ khuụn hỡnh rộng 16:9. 1.1.3.Đặc tớnh quột ảnh Với định dạng 720p, tần số mành cũng là tần số khung, mỗi khung hình truyền đi bao gồm 1 mành quét với 750 dòng tín hiệu.. Với định dạng 1080i, một khung hình gồm 1125 dòng tín hiệu, được truyền đi bằng 2 mành. Mành 1 gồm cỏc dũng lẻ, gồm có 563 dòng. Mành 2 gồm cỏc dũng chẵn, gồm có 562 dòng. Tần số khung tương ứng với 2 hệ tần số là 25Hz và 30Hz. Tần số dòng với định dạng 1080/30i: fH = 30 x 1125 = 33750Hz. Tương tự như vậy, tần số dòng với các định dạng 1080/25i là 28125Hz, với định dạng 720/60p là 45000Hz, với định dạng 720/50p là 37500Hz. Bảng sau đây thể hiện các thông số quét ảnh của HDTV tương tự STT Thông số 1 Tần số khung 50Hz 720p 50 1080i 25 60Hz 720p 60 1080i 30 5 3 4 (Hz) Tần số mành (Hz) Dạng quét Tổng số dòng 5 Dòng tích cực 6 Dòng trống 2 7 50 50 60 1:1 750 2:1 1125 1:1 750 60 2:1 1125 1080 (21720 (26 đến 1080 (21-560, 720 (26 đến 560, 564745) 564-1123) 745) 1123) 45 (1-20, 56145 (1-20, 30 (1-25, 30 (1-25, 563, 1124561-563, 746-750) 746-750) 1125) 1124-1125) Tần số dòng (fH, 37500 28125 Hz) Bảng 1.1: Thông số quét ảnh của HDTV 45000 33750 1.1.4.Độ phân giải hình và băng thông tín hiệu Độ phân giải đứng tương đương với số lần chuyển đổi giữa dòng tín hiệu mức trắng và mức đen trong toàn ảnh. Từ những năm 1930, đã xác định độ phân giải chiều đứng được tính bằng 70% của số dòng tích cực. Hệ số 0.7 được gọi là hệ số K (Kell Factor). Độ phân giải chiều đứng thường được thể hiện ở dạng số dòng của chiều cao 1 ảnh (LPH – Lines per piture height), giá trị này được dùng để xác định mức phân giải đứng tối đa có thể hiển thị được. Nếu 1 ảnh yêu cầu độ phân giải cao hơn giá trị phân giải đứng của mành thì ảnh sẽ bị mờ. Độ phân giải ngang của mành sẽ quyết định bề rộng băng thông cần thiết để truyền tín hiệu. Ta sẽ tính toán trên ví dụ là hệ 1080/25i như sau: Số dòng tích cực: 1080 Độ phân giải đứng: 1080 x 0.7 = 756 LPH Với tỷ lệ khuụn hỡnh 16:9, chiều ngang của mành phải đảm bảo hiển thị số điểm ảnh là: 756 x 16/9 = 1344 điểm ảnh. Tần số mành của hệ 1080/25i là: 28125Hz, do đó thời gian tích cực 1 dòng là: (1/28125) x (1920/2640) = 25.858s Do chiều ngang có số điểm ảnh là 1344, nên số lần chuyển đổi điểm ảnh đen trắng trên 1 dòng là 1344/2 = 672 lần. Thời gian 1 lần chuyển đổi là: 25.858/672 = 0.0384s Tần số cực đại là: 1/0.0384 = 26.04 MHz 6 Đây cũng chính là độ rộng băng thông tối thiểu cần thiết để truyền tín hiệu đảm bảo độ phân giải đứng và ngang nói trên. Nếu giảm độ rộng băng thông truyền tín hiệu, sẽ làm giảm độ phân giải hình. Tính toán trên là với tín hiệu chói, với tín hiệu hiệu mầu, độ rộng băng thông tương ứng sẽ là 13MHz. Độ phân giải của SDTV ở châu Âu là 720 điểm ảnh trên một dòng, 575 dòng tích cực trong một mành được quét xen kẽ, tương đương với 0.41Mpixels. Tại Bắc Mỹ số dòng tích cực thậm chí còn ít hơn, chỉ có 480 dũng quột xen kẽ. Độ phân giải của định dạng HDTV 1080i là hơn 2Mpixels, tức là cao hơn 5 lần so với SDTV. Cũng cần phải nhấn mạnh rằng, một đĩa DVD hay một chương trình truyền hình số (truyền qua cáp, vệ tinh số, hay số mặt đất) cũng chỉ có 575 dòng tích cực mặc dù rất nhiều người nghĩ rằng DVD hay truyền hình số hiện nay là có độ phân giải cao. Để có thể dán nhãn HD ready, thiết bị cần ít nhất 720 dòng vật lý, nhưng hiện nay phần lớn các TV màn hình phẳng có 768 dũng. Cỏc Projector độ phân giải cao thường được gọi là Projector 720p có độ phân giải là 1280x720. Một điều quan trọng cần nhấn mạnh là: Các yêu cầu để đạt HD ready không đề cập đến số điểm ảnh trên 1 dòng, nhưng ta cần hiểu rằng số điểm ảnh là càng nhiều càng tốt. Độ phân giải đặc chưng của hiển thị HD là: 1280x720(0.92Mpix), 1280x768(0.98Mpix), 1024x768(0.78Mpix), 1024x1024(1.05Mpix), 1366x768(1.05Mpix), 1920x1080(2.07Mpix). Thiết bị hiển thị với độ phân giải gốc 1920x1080 được biết đến với tên HD đầy đủ (Full HD) hoặc bộ TV 1080p hoặc Projector. Hình 1.2: Tương quan về độ phân giải 7 1.2.Lịch sử và xu hướng phát triển [5] 1.2.1. HDTV tại Nhật Bản Năm 1968, hãng NHK của Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu và phát triển HDTV, kết quả cho ra đời chuẩn kỹ thuật đầu tiên dành cho studio: Số dũng quột/ảnh : 1125, tỷ lệ khuụn hình : 5/3, thương pháp quét: xen kẽ, tần số mành : 60Hz, độ rộng băng tần : 20MHz. Đến tháng 10/1984, hệ MUSE (Multiple SubNyquist Sampling Encoding) được NHK thiết kế để phát sóng truyền hình tương tự có độ phân giải cao qua vệ tinh. Theo yêu cầu phát sóng, hệ MUSE còn được phát triển với nhiều version khác nhau nữa. Trong đó, băng tần tín hiệu HDTV được nén từ 20MHz xuống 8.1MHz và có thể truyền, phát sóng qua vệ tinh. Nhật Bản cũng được ghi nhận là nước duy nhất phát thương mại HDTV tương tự và cũng đó cú những thành công nhất định. Cho đến đầu những năm 2000 thì Nhật Bản đã chính thức chuyển sang phát sóng HDTV số mặt đất theo tiêu chuẩn ISDB-T, và phát sóng số HDTV qua vệ tinh theo tiêu chuẩn ISDB-S. Hiện nay Nhật Bản sử dụng định dạng 1080i/60 với số mẫu trên 1 dòng là 1440 hoặc 1920. Phát sóng trên mạng vệ tinh và sóng mặt đất theo chuẩn ISDB-T và ISDB-S -Mặt đất: + Có 17,9 triệu đầu thu HDTV số mặt đất được bán tính đến 1/2007 + Đã phủ sóng 84 % lãnh thổ, tính đến cuối năm 2006 + Một số kênh HDTV tại khu vực nội đô Tokyo -Vệ tinh: + Có khoảng 20,4 triệu đầu thu HDTV số vệ tinh được bán, tính đến 1/2007. + Một số kênh HDTV qua vệ tinh tại Nhật Bản: 8 -Mạng cáp: Hiện nay không triển khai trên mạng cáp, tuy nhiên các thuê bao của các mạng vệ tinh và mặt đất có thể thu trực tiếp hoặc thông qua mạng cáp với các thiết bị đầu cuối tương thích. -Thị trường thiết bị hiển thị HDTV. Đa dạng với nhiều model và nhà sản xuất. Giá thành ngày càng giảm. - Xu hướng phát triển Theo lộ trình số hoá, đến năm 2011 thì Nhật Bản sẽ dừng phát sóng analog, toàn bộ các thuê bao truyền hình tại gia sẽ là HDTV số. Việc chuyển đổi từ cỏc kờnh mặt đất tương tự sang số phát HDTV là kế hoạch quốc gia của Nhật Bản và phải mất 4 năm mới hoàn thành. Thị trường TV phẳng như LCD, PDP phát triển mạnh mẽ và là những sản phẩm chính trong thị trường HDTV số rất đông đúc của Nhật Bản. Giá cả các loại TV trên cũng giảm xuống một cách nhanh chóng, với xu hướng xuống còn khoảng 50$/inche HDTV sẽ trở lên thông dụng tại Nhật Bản, bản thân các nhà cung cấp dịch vụ truyền hình cũng xác định tiêu chí này thông qua câu nói: HDTV là điều cần thiết để sống sót. 1.2.2. HDTV tại Mỹ Chính phủ Mỹ đã quyết định nghiên cứu một định dạng HDTV mới so với NHK để có thể phù hợp với các hệ thống phát sóng hiện tại. Các nhà nghiên cứu và các nhà sản xuất đã tập hợp lại thành 4 nhóm riêng biệt để thực hiện việc này. Bản thân 4 nhúm đó xây dựng nên 4 hệ truyền hình HDTV riêng là: DigiCipher HDTV System, DSC HDTV System, Advance Digital (AD) HDTV, và CCDC HDTV System. Đó là tiền thân của tổ chức The Grand Alliance với hệ GA HDTV, được thành lập vào ngày 24/5/1993 từ việc thống nhất 4 nhóm nói trên. 9 Trong quá trình xây dựng hệ thống HDTV, Grand Alliance đã nhận thấy rằng, công nghệ mới này phải được chuyển sang số hoá để có thể tương thích với các hệ thống truyền hình hiện tại. Chính vì vậy, hệ thống HDTV tại Mỹ được xây dựng từ đầu với truyền hình số và hoàn toàn khác biệt với Nhật Bản. Đến năm 1996 thì FCC chính thức lập tiêu chuẩn cho HDTV, được phát số mặt đất theo tiêu chuẩn ATSC. Tín hiệu số HDTV được nén và phỏt trờn kờnh 6MHz của truyền hình NTSC. Đến năm 1998 thì HDTV chính thức được phát sóng thương mại tại Mỹ. Hiện nay các chương trình HDTV được cung cấp tới khách hàng như là một dịch vụ số phát song song với SDTV và các dịch vụ khỏc trờn cả mạng cáp, vệ tinh và sóng mặt đất. Theo lộ trình, đến năm 2006, Mỹ sẽ chấm dứt việc phát sóng tương tự. Toàn bộ hệ thống truyền hình tại Mỹ sẽ là truyền hình số. Khác với Nhật Bản, HDTV tại Mỹ chỉ là một phần trong các dịch vụ số được các thuê bao đăng ký, với tỷ lệ khoảng 10%. Tuy nhiên số lượng kênh lại rất phong phú, diện phủ sóng chiếm 75 % lãnh thổ. Có thể nói hệ thống HDTV tại Mỹ đã được phát triển một cách hoàn chỉnh với khoảng 6 nhà cung cấp dịch vụ chính qua vệ tinh, hơn 30 nhà cung cấp HDTV qua mạng cáp, hệ thống số mặt đất phủ sóng toàn lãnh thổ với hơn 75% số vùng có thể thu HDTV. 1.2.3. HDTV tại châu Âu. Vào năm 1986, 19 nước ở châu Âu đã tổ chức hội nghị bàn thảo về chương trình nghiên cứu HDTV mang tên “Eureka 95”, nhằm phát triển hệ thống HDTV tại châu Âu. Giống như Nhật Bản, châu Âu cũng bắt đầu với hệ truyền hình HDTV tương tự phát sóng qua vệ tinh. Vào tháng 5/1992, EU đưa ra tiêu chuẩn D2-MAC, được phát triển bởi SGS-Thomson của Pháp và Philips của Hà Lan, để phát sóng truyền hình màn rộng và các dịch vụ vệ tinh. Hệ HDTV của châu Âu khi đó có số dũng quột là 1250 với 1152 dòng tích cực, tỷ lệ khuụn hỡnh là 16:9, và tần số mành là 50Hz. Thời điểm đó, EU có kế hoạch chuyển đổi các hệ thống truyền hình tương tự hiện tại sang hệ thống D2-MAC thậm chí sang cả HD-MAC là hệ thống HDTV tương tự đầy đủ. Tuy nhiên việc chuyển đổi này đã gặp một số trở ngại từ một số nước, khi họ lo ngại các hệ truyền hình HDTV này sẽ không thể tồn tại lâu dài do sự phát triển của truyền hình số. Trong khi đó một số nước có nền công nghiệp truyền hình nhỏ như Hy Lạp, Ailen…cũng bày tỏ sự lo ngại về khả năng tài chính của việc đầu tư phát triển HDTV. Chính vì vậy mà HDTV tương tự đã không thể phát triển tại châu Âu, mặc dù một số hãng truyền hình của 10 Phỏp đó lập kế hoạch để triển khai D2-MAC, song sự phát triển của nó cũng rất hạn chế, một phần do giá thành bộ thu HDTV theo D2-MAC khi đó là quá cao. Đến năm 1993 thì hệ truyền hình HDTV tương tự HD-MAC chính thức dừng lại, EU và EBU khi đó tập trung vào phát triển truyền hình số với hệ DVB. Cho đến năm 2003, HDTV mới lại được bắt đầu được phát số thử nghiệm tại châu Âu theo tiêu chuẩn DVB trên cả vệ tinh, cáp và sóng mặt đất. - Hiện nay ở châu Âu đang chấp nhận 4 định dạng HDTV sau: 1080i/25, 1080p/50, 1080p/25 và 720p/50. Định dạng được EBU khuyến cáo nên sử dụng là 720p/50 - Các chuẩn truyền dẫn: DVB-T cho sóng mặt đất, DVB-S, S2 cho sóng vệ tinh, DVB-C cho mạng cáp, DVB-IPI cho mạng IP. Hiện trạng HDTV tại một số nước châu Âu:  HDTV tại Pháp: Vệ tinh: có 7 kênh HDTV được phát với hơn 40000 đầu thu STB Sóng mặt đất: phát thử nghiệm 2 kênh từ tháng 5/2006 cho các chương trình tennis, bóng đá, phim, sân khấu Trên ADSL: Tất cả các nhà cung cấp mạng đều đưa ra các dịch vụ quảng bá HD. Chưa tiến hành trên mạng cáp.  HDTV tại Đức: Hiện chỉ phỏt trờn vệ tinh, với khoảng 10 chương trình. Sẽ triển khai trên mạng cáp và mặt đất.  HDTV tại Anh: Phỏt trên vệ tinh và mặt đất, sớm triển khai trên mạng cáp. Có khoảng 9 chương trình HDTV  HDTV tại Bỉ Phỏt trên vệ tinh và mạng cáp Hiện tại có 3 chương trình HD1,2,3. Sắp cú thờm HD4  Một số nước khác: Tây Ban Nha: Có kế hoạch phát HDTV vào năm 2007 trên mạng cáp và vệ tinh. Italy: Đã phát 5 chương trình trên vệ tinh Na Uy: phỏt trờn vệ tinh và sóng mặt đất Hà Lan, Bồ Đào Nha: Phát HDTV trên mạng cáp Thụy Điển, Phần Lan: phát HDTV trên vệ tinh Thụy Sỹ: sẽ phát HDTV trên vệ tinh năm 2007. Các nước Ba Lan, Slovakia, Rumani, Nga đã bắt đầu thử nghiệm. 11 Xu hướng tại châu Âu: Đa phần các nước đều triển khai HDTV qua vệ tinh với những ưu điểm về băng thông và sự hỗ trợ của DVB-S2 Ngoài một số hệ thống đang sử dụng nén MPEG 2, tất cả các nước bắt đầu triển khai HDTV đều sử dụng MPEG 4/H.264 làm chuẩn nộn. Cỏc nước đã sử dụng MPEG 2 cho HDTV cũng đã thông báo sẽ sử dụng MPEG 4/H.264 cho các hệ thống tiếp theo. 1.3.Mô hình tổng quan của hệ thống HD Hệ thống truyền hình có độ phân giải cao được cấu thành từ ba thành phần chính như sau: - Hệ thống thiết bị trung tâm. - Hệ thống truyền dẫn tín hiệu. - Các thiết bị đầu cuối thuê bao. Hình 1.3: Mô hình tổng quan của một hệ thống HDTV 1.3.1.Hệ thống thiết bị trung tâm (Master Headend)  Hệ thống cung cấp và quản lý các chương trình truyền hình : Hệ thống thu tín hiệu các chương trình truyền hình sau đó qua quá trình xử lý tín hiệu: chèn quảng cáo, key chữ, mó hoỏ, điều chế tín hiệu... và chuyển sang mạng phân phối tín hiệu. Các chương trình có thể thu trực tiếp từ vệ tinh, truyền hình mặt đất, các chương trình tự sản xuất.  Hệ thống kiểm tra, giám sát: Bao gồm hệ thống monitor để kiểm tra chất lượng cũng như nội dung các chương trình truyền, hệ thống chuyển đổi nguồn tín hiệu (matrix), hệ thống điều hành toàn bộ hoạt động của trung tâm thu phát và mạng phân phối tín hiệu... 12 1.3.2.Hệ thống mạng phân phối tín hiệu Hệ thống mạng phân phối tín hiệu có chức năng truyền dẫn các tín hiệu truyền hình cũng như các dữ liệu từ trung tâm tới các thuê bao và ngược lại. 1.3.3.Thiết bị đầu cuối thuê bao Đây là các thiết bị làm chức năng giải mã tín hiệu cung cấp tới tivi. Toàn bộ quá trình xử lý tín hiệu được tích hợp trong một hộp nhỏ gọi là settopbox, nối tới tivi qua chuẩn HDMI. 13 CHƯƠNG 2: CÁC CÔNG NGHỆ VÀ KỸ THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG HDTV 2.1.Tần số lấy mẫu và cấu trúc lấy mẫu Nếu trong SDTV, tần số lấy mẫu là 13.5MHz, là bội số của tần số dòng với cả 2 hệ NTSC và PAL, thì với HDTV, tần số lấy mẫu cũng là bội số của tần số dòng. Việc lấy mẫu tín hiệu có thể thực hiện với tín hiệu chói (Y’) và 2 tín hiệu mầu thành phần (C’B, C’R) hoặc có thể thực hiện với 3 tín hiệu màu cơ bản (R’, B’, G’). Đồng thời tần số lấy mẫu cũng phải đảm bảo lớn hơn 2 lần độ rộng dải phổ tín hiệu. Với HDTV, tần số lấy mẫu tín hiệu chói được lựa chọn là 74.25MHz cho tất cả các định dạng tương tự. Tần số này là bội số của tần số dòng với cả 4 định dạng nói trên. + Với hệ 50Hz: 74.25MHZ = 1980 x fH : với định dạng 720p 74.25MHZ = 2640x fH : với định dạng 1080i + Với hệ 60Hz: 74.25MHZ = 1650 x fH : với định dạng 720p 74.25MHZ = 2200 x fH : với định dạng 1080i Với tín hiệu thành phần, tần số lấy mẫu cũng thường được biểu hiện thông qua tỷ số giữa tần số lấy mẫu tín hiệu chói và tần số lấy mẫu tín hiệu hiệu mầu. Với tín hiệu HDTV thành phần, tần số lấy mẫu 2 tín hiệu hiệu mầu là 37.125MHz. fS (Y): 74.25MHz 74.25MHz fS (C’B): 37.125MHz 37.125MHz fS (C’R): 37.125MHz 37.125MHz Cấu trúc lấy mẫu là trực giao, các mẫu tín hiệu hiệu mầu được lấy cùng với các mẫu tín hiệu chói lẻ trên mỗi dòng. Điểm lấy mầu tín hiệu hiệu mầu sẽ phụ thuộc vào mục đích để sản xuất, lưu trữ hay truyền dẫn. Các cấu trúc lấy mẫu cũng tương tự như SDTV, gồm có các cấu trúc 4:2:0, 4:2:2, 4:4:4. Theo Shanon và Nyquist, dải tần cho tín hiệu chói sẽ không được vượt quá một nửa tần số lấy mẫu là 37.125MHz, và dải tần cho 2 tín hiệu hiệu mầu không được vượt quá 18.5625MHz. Với việc sử dụng một bộ lọc thông thấp, tần số cutoff của đặc tuyến biên tần với tín hiệu chói sẽ là 30MHz, với tín hiệu mầu là 15MHz, giá trị này là đảm bảo độ rộng băng thông cần thiết để truyền tín hiệu HDTV mà không làm suy giảm độ phân giải hình. 14 Hình 2.1: Đặc tuyến biên tần của tín hiệu Y, C’B, C’R 2.2.Lượng tử hoá Tuỳ theo mục đích để lưu trữ hay truyền dẫn, số bít lượng tử có thể là 10 hoặc 8 bít. Thành phần được lượng tử hoá sẽ bao gồm tín hiệu chói, tín hiệu hiệu màu và các tín hiệu về chuẩn thời gian (Time Reference Signal – TRS) bao gồm tín hiệu kết thúc dòng video tích cực (EAV – End of Active Line) và bắt đầu một dòng video tích cực (SAV – Start of Active Line). Với hệ thống có 10 bit lượng tử, các giá trị số sẽ chạy từ 000h đến 3FFh (tương ứng giá trị 0 đến 1023 trong hệ thập phân). Tín hiệu chói sẽ đi từ mức đen 040h (64) đến mức trắng 3ACh (940). Tín hiệu mầu C’ B, C’R sẽ đi từ 040h (640 đến 3C0h (960). Nhằm dự phòng cho sự quá mức tín hiệu, dải lượng tử cho phép sẽ là từ 004h đến 3FBh (từ 4 đến 1019). Các giá trị từ 000h đến 003h (0 đến 3) và từ 3FCh đến 3FFh (1020 đến 1023) được để dành cho các tín hiệu TRS (EAV và SAV). Mỗi tín hiệu TRS sẽ bao gồm 4 từ mã: 3 từ mã đầu là cố định, có giá trị là 3FF, 000, 000. Từ mã thứ tư là XYZ, trong đó có thể mang cỏc bớt V, F và H để định nghĩa xoỏ dũng và xoá mành. Ngoài ra cỏc bớt P0, P1, P2, P3 được định nghĩa thêm, phụ thuộc vào trạng thái của các bit V, F, H sẽ cung cấp các khả năng sửa lỗi khác nhau (sửa 1 bit hay sửa 2 bit). Bảng sau sẽ tổng hợp các thông số với các hệ khác nhau TT Thông số Giá trị 15 1 Mã hoá tín hiệu thành phần 2 Tần số lấy mẫu 3 Cấu trúc lấy mẫu E’Y = 0.7152E’G + 0.2126E’R + 0.0722E’B E’CB = 0.5389 (E’B – E’Y) E’CR = 0.635 (E’R – E’Y) Y : 74.25 MHz CB : 37.125 MHz CR : 37.125 MHz - Trực giao - Mẫu tín hiệu mầu được lấy tại các mẫu tín hiệu chói lẻ 4 5 6 7 8 9 10 11 Mã hoá Lượng tử đồng đều, PCM Mức đen 040h (64) Mức trắng 3Ach (940) Mức mầu dưới 040h (64) Mức mầu trên 3C0h (960) Dải video 004h – 3FBh (4 – 1019) Mức cấm dưới 000h – 003h (0 – 3) Mức cấm trên 3FCh – 3FFh (1020 – 1023) Bảng 2.1 : Tổng hợp các thông số với các hệ khác nhau Tính toán dung lượng video số HDTV Ta sẽ tính toán cụ thể tốc độ bít của video với hệ 1080/25i Thời gian của 1 dòng tích cực: 1/28125 = 35.55s. Tổng số mẫu tín hiệu chói được lấy tại mỗi dòng là: 35.55 x 74.25 = 2640 mẫu/1 dòng Tổng số mẫu tín hiệu mầu được lấy tại mỗi dòng là: 35.55 x 37.125 x 2 = 2640 mẫu/1 dòng Tổng số mẫu chói video là: (2640 + 2640) x 1080 = 5702400 mẫu/1 ảnh Số mẫu trong 1s là: 5702400 x 25 = 142.56 M mẫu Nếu để lưu trữ, mỗi mẫu được mó hoỏ bằng 10 bit, do đó tốc độ tín hiệu video là: 1425.6Mbps Nếu mó hoỏ bằng 8 bít, tốc độ video HDTV là: 1140.48Mbps 2.3.Nén video số bằng MPEG [3] 2.3.1.Tổng quan nén MPEG Hiện nay các chuẩn nén MPEG đang được sử dụng phổ biến và được các tổ chức ISO/IEC, ITU (International Telecommunication Union) công nhận là chuẩn nén quốc tế, áp dụng cho các hệ truyền hình tại Mỹ, Nhật Bản, châu Âu. MPEG 1 16 Được phát triển vào năm 1988-1992, là tiêu chuẩn đầu tiên của MPEG. Chuẩn MPEG1 được sử dụng chủ yếu để nén tín hiệu VCD và các luồng tốc độ thấp khoảng 1.5Mbps. MPEG1 hỗ trợ nộn cỏc tín hiệu có độ phân giải thấp 352x240(60Hz) và 352x288(50Hz), sử dụng biến đổi cosin (DCT) để loại bỏ dư thừa không gian, có dự đoán và bù chuyển động. Điểm nổi bật của MPEG1 khi đó là có hỗ trợ nộn cỏc hình ảnh quét liên tục. MPEG 2 Được xây dựng từ năm 1991 đến 1994 và vẫn đang được sử dụng rộng rãi đến tận bây giờ. MPEG 2 có thuật toán nén tương tự như MPEG 1, song đã được phát triển lên tầm cao hơn, hoàn chỉnh hơn với hệ thống công cụ và cấp đa dạng (Profile & Level), hỗ trợ nén cho rất nhiều định dạng tín hiệu. MPEG 2 gồm có 10 phần (Part 1 đến Part 10), trong đó Part 2 là về video, part 3 là về audio. MPEG 2 / Part 2 tương tự như MPEG 1 song đó cú hỗ trợ nén hình ảnh quét xen kẽ. Chính vì vậy, MPEG 2 được sử dụng rộng rãi và chính thức trong các tiêu chuẩn truyền hình DVB, ITSC, ISDB. MPEG 3 Được phát triển vào năm 1992 với mục đích áp dụng cho HDTV, tuy nhiên nó bị huỷ bỏ vào năm 1993 do nhận thấy rằng: MPEG 2 hoàn toàn có thể thực hiện cho HDTV. MPEG 4 Được bắt đầu vào năm 1993, nhằm nâng cao hiệu quả nén cho HDTV. MPEG 4 vẫn đang được phát triển đến hiện nay. MPEG 7 Được đưa ra không phải là để cho nén, mà là các mô tả về đối tượng số và metadata 2.3.2.Nguyên lý nén Video Nguyờn lý của nén video là loại bỏ các thành phần dư thừa trong chuỗi hình ảnh trước khi truyền đi hay lưu trữ. Các thành phần dư thừa trong chuỗi hình ảnh: + Dư thừa có tính thống kê: là các dư thừa về không gian và thời gian có trong ảnh và trong quá trình chuyển động của ảnh. + Các dư thừa thuộc về khả năng cảm nhận của mắt người: là các thành phần trong ảnh mà mắt người không có khả năng cảm nhận. MPEG sử dụng 3 phương pháp để loại trừ các dư thừa nói trên 17 + Loại trừ các dư thừa không gian (Nén trong ảnh): các dư thừa không gian là các thành phần giống nhau trong ảnh hoặc các thành phần nằm ngoài khả năng cảm nhận của mắt người. Nén trong ảnh sử dụng cả hai quá trình nộn cú tổn hao (làm mất một phần dữ liệu không thể khôi phục) và không tổn hao (làm mất một phần dữ liệu nhưng có thể khôi phục tại đầu thu). + Loại trừ các dư thừa về mặt thời gian (Nộn liờn ảnh): với một chuỗi ảnh liên tục, lượng thông tin chứa đựng trong ảnh thay đổi không nhiều. Do đó thay vì truyền đi cả chuỗi ảnh thì chỉ cần truyền đi một ảnh và vector dự đoán hướng chuyển động – thành phần có dung lượng nhỏ hơn nhiều so với ảnh. Kỹ thuật dự đoán và bù chuyển động là phần rất quan trọng trong nén MPEG. + Sử dụng các phương pháp thống kê (Huffman Coding): Thông qua việc xác định lượng thông tin của ảnh để lựa chọn số bớt mó hoỏ thích hợp. Hình 2.2: Tổng quan về chu trình nén MPEG 2.3.3.Nén trong ảnh 2.3.3.1. Biến đổi cosin rời rạc (Discrete Cosin Transform - DCT) DCT là phép biến đổi toán học không tổn hao và có tính thuận nghịch. DCT biến đổi dữ liệu dưới dạng biên độ thành dữ liệu dưới dạng tần số. Các phép tính được thực hiện trong phạm vi các khối block 8x8 tín hiệu chói và các khối tương ứng của tín hiệu màu. Horizontal frequency 14311813611412011212913413112112 61431341231241331471271341361131 11140129151129132139115116134131 15012411213412612913212513493116 13612413713813114414211914716214 9123132143117103125122109128132 8x8 pixel block 1033720123731-20-41210-26-1287138-4-1-26-18090-16-1114-1-3152171126-3-14-3720110-2-7-63424-9208624611111128-3-10-70 DCT 8x8 coefficients Matrix Vertical frequency 18 Hình 2.3: Biến đổi DCT Hình 2.3: Biến đổi DCT Một block 8x8 pixel cú cỏc dữ liệu dưới dạng mức biên độ, qua biến đổi DCT sẽ chuyển thành ma trận hệ số 8x8. Hệ số gúc trỏi phía trên là thể hiện thành phần 1 chiều trong block, các hệ số còn lại thể hiện các thành phần tần số cao trong block ảnh theo chiều ngang và chiều đứng. Phép biến đổi DCT sẽ cho các thành phần tần số cao ứng với các hệ số nhỏ. Do đặc trưng của mắt người, các thành phần tần số cao có thể biểu thị bằng số lượng bít nhỏ hoặc loại bỏ. 2.3.3.2 Lượng tử hoá Lượng tử hoá là quá trình làm giảm bớt số lượng bit cần thiết để biểu diễn các hệ số của ma trận DCT. Hệ số 1 chiều là thông số quan trọng nhất, biểu thị độ chói trung bình của từng block ảnh, do đó nó cần biểu thị bằng số lượng bít đủ lớn. Các hệ số biểu thị thành phần tần cao có thể cần số lượng bít ít hơn hoặc loại bỏ. Quá trình lượng tử hoá sẽ sử dụng một bảng các hệ số lượng tử, trong đó các hệ số ứng với thành phần tần thấp có giá trị nhỏ và các hệ số ứng với thành phần tần cao có giá trị lớn. Các hệ số tương ứng trong bảng DCT sẽ được chia cho các hệ số trong bảng lượng tử, sau kết quả thu được sẽ được loại bỏ phần thập phân. Do vậy sau quá trình lượng tử hoá, bảng ma trận thu được sẽ cú cỏc hệ số ứng với thành phần tần cao là rất nhỏ và phần lớn là bằng 0. 1033720123731-20-41210-26-1287138-4-1-26-18090-16-1114-1-3152171126-3-14-3720110-2-7-63424-9208624611111128-3-10-70 1291112100011-1-100000000-10001000000-10000000100000001000000000000000 Quantization Hình 2.4: Lượng tử hoá các hệ số biến đổi DCT