Đề tài Tổng quan về IPTV

Mở đầu: Các cải tiến vuợt bậc trong truy cập mạng Internet băng rộng và các kỹ thuật mã hóa video linh hoạt như mã hóa video cải tiến H.264/MPEG-4 đã dẫn đến việc phát triển của IPTV. Trong quá khứ, IPTV là điều không tưởng với kết nối quay số Dialup chậm chạp. Nhờ vào sự đảm bảo về kỹ thuật do tiến bộ của công nghệ và việc cạnh tranh khốc liệt trên thị trường hiện nay đã thúc đẩy nhiều công ty viễn thông chuyển từ việc cung cấp các dịch vụ dữ liệu đơn giản sang cung cấp các dịch vụ Triple Play (gồm dữ liệu, thoại, và video) hoặc thậm chí là Quadruple Play (gồm các dịch vụ Triple Play cộng với dịch vụ di động) trên cơ sở hạ tầng của họ nhằm đảm bảo khả năng tồn tại và tìm kiếm nguồn lợi nhuận mới. Từ đó, IPTV được các công ty viễn thông xem như dịch vụ sẽ mang lại các giá trị mới cho khách hàng hiện nay của họ và là cơ sở cho phép họ phát triển các dịch vụ kinh doanh mới trong tương lai. IPTV có 2 đặc điểm cơ bản là: dựa trên nền công nghệ IP và phục vụ theo nhu cầu. Tính tương tác là ưu điểm của IPTV so với hệ thống truyền hình cáp CATV hiện nay, vì truyền hình CATV tương tự cũng như CATV số đều theo phương thức phân chia tần số, định trước thời gian và quảng bá đơn hướng (truyền từ một trung tâm đến các máy tivi thuê bao). Mạng CATV hiện nay chủ yếu dùng cáp đồng trục hoặc lai ghép cáp đồng trục với cáp quang (HFC) đều phải chiếm dụng tài nguyên băng tần rất rộng. Hơn nữa kỹ thuật ghép nối modem cáp hiện nay đều sản sinh ra tạp âm. So với mạng truyền hình số DTV thì IPTV có nhiều đổi mới về dạng tín hiệu cũng như phương thức truyền bá nội dung. Trong khi truyền hình số thông qua các menu đã định trước (thậm chí đã định trước hàng tuần, hoặc hàng tháng) để các user lựa chọn, thì IPTV có thể đề cao chất lượng phục vụ có tính tương tác và tính tức thời. Người sử dụng (user hoặc viewer) có thể tự do lựa chọn chương trình TV của mạng IP băng rộng. Với ý nghĩa đúng của phương tiện truyền thông (media) giữa server và user. So với VOD (video theo yêu cầu) IPTV có ưu thế là: + Sử dùng dễ dàng, hiển thị trên tivi hiệu quả cao hơn màn máy vi tính, thao tác trên hộp ghép nối và bàn phím đơn giản, thực hiện chuyển đổi nhanh luồng cao tốc/chương trình. + Dễ quản lý, dễ khống chế, sử dụng hộp kết nối làm đầu cuối nhà cung cấp dịch vụ để tiến hành định chế đối với hộp kết nối không cần đến nghiệp vụ an toàn và kiểm tra chất lượng. Đây cũng là cơ sở kỹ thuật để dễ thu phí. IPTV có thể thực hiện các dịch vụ multimedia. Căn cứ vào sự lựa chọn của người dùng, IPTV cung cấp rất nhiều loại hình dịch vụ. Sử dụng hộp kết nối với tivi, chủ nhân ngồi trước máy ấn phím điều khiển có thể xem các tiết mục video đang hoạt động, thực hiện đàm thoại IP có hình, nghe âm nhạc, tra tìm tin tức du lịch trên mạng, gửi và nhận e-mail, thực hiện mua sắm gia đình, giao dịch trái phiếu... Nhờ IPTV chất lượng sinh hoạt gia đình được cải thiện rất nhiều. Một lý do nữa cũng khiến IPTV trở nên mạnh hơn so với kiểu TV truyền thống chính là việc ngày càng có nhiều người sử dụng các hệ thống máy tính giải trí HTPC (Home Theater PC) thay cho dàn gia dụng và ti-vi. Chính vì vậy mà kết nối Internet luôn được đảm bảo tạo điều kiện thuận lợi cho IPTV xâm nhập thị trường. Với hơn 100 triệu khách hàng trên toàn thế giới, IPTV đang dần chiếm lĩnh thị trường. Trong điều kiện đó, ở thị trường Việt Nam, IPTV mới bắt đầu manh nha xuất hiện với tiên phong là công ty truyền thông FPT. Mặc dù nhà cung cấp dịch vụ Internet này mới chỉ đang xúc tiến thử nghiệm cho 500 khách hàng nhưng trên thực tế, những yêu cầu tối thiểu để IPTV có thể sử dụng trơn tru đã lộ rõ. Vấn đề cần nhắc đến đầu tiên chính là băng thông rộng vì để phát đi những nội dung chất lượng cao, tốc độ ADSL như hiện nay không thể đủ đáp ứng. Ngay cả khi FPT hỗ trợ kết nối 8Mbps cho những khách hàng thử nghiệm, việc xem cùng lúc nội dung của IPTV trên hai máy tính trong một gia đình là điều vẫn chưa thể làm được một cách hoàn hảo. Trong tình hình như vậy, ADSL 2+ đang là một trong những giải pháp được cho là hữu hiệu và hiệu quả nhất để giải quyết vấn đề này. ADSL 2+ có khả năng mở rộng kết nối của ADSL truyền thống. Băng thống dữ liệu có thể lên tới 12Mbps tải xuống và 3.5Mbps tải lên tính từ trạm tín hiệu DSLAM tới máy tính của người dùng cuối. Giới thiệu sơ lược IPTV: IPTV là hệ thống phân phối các dịch vụ truyền hình số dùng giao thức IP trên cơ sở hạ tầng mạng. Dịch vụ thường bao gồm truyền trực tiếp (giống phát quảng bá) và truyền theo yêu cầu (VoD – Video on Demand). Nói rộng hơn IPTV là dịch vụ giá trị gia tăng sử dụng mạng băng rộng IP phục vụ cho nhiều người dùng (user). Để sử dụng được IPTV khách hàng cần có máy tính hoặc Set Top Box kết nối với TV. Nội dung video thường được nén (như MPEG-2 hoặc MPEG-4) sau đó mới gửi trong dòng truyền MPEG phân phối trên mạng theo giao thức IP. Người ta dùng cơ chế truyền multicasting cho các chương trình truyền trực tiếp, và unicasting cho trường hợp truyền theo yêu cầu. Ở phía nhà quảng bá, các chương trình TV được mã hóa MPEG-2 và gửi theo các dòng truyền theo chuẩn DVB để truyền tới nhà cung cấp dịch vụ IPTV (bằng vệ tinh hoặc các phương thức truyền dẫn khác). Ở headend của nhà cung cấp dịch vụ IPTV, các chương trình TV được thu nhận và có thể được mã hóa lại theo yêu cầu (ví dụ MPEG-2, H.264). Các nhà cung cấp có thể can thiệp vào dòng truyền video để chèn quảng cáo, chèn các nội dung của họ… Tại đây, nhà cung cấp cũng kiểm soát và quản lý các vấn đề khác như: quyền truy cập, hóa đơn, các yêu cầu đổi kênh, truyền phim theo yêu cầu… Các dòng truyền sau đó được đóng gói theo giao thức IP và truyền trên mạng của nhà cung cấp. Ở phía thu, các gateway tại nhà đóng vai trò như là điểm cuối của mạng Internet và là điểm bắt đầu của mạng trong nhà. Nó thực hiện truyền lưu lượng dữ liệu từ Internet đến thuê bao và ngược lại. Người sử dụng dùng Set Top Box hoặc máy tinh kết nối đến mạng trong nhà (hoặc trực tiếp đến gateway tại nhà) để nhận dữ liệu và giải mã nội dung. Nhìn chung, người sử dụng yêu cầu IPTV phải cung cấp dịch vụ như truyền hình truyền thống. Họ kỳ vọng sẽ mở TV, tìm kênh, xem và không muốn đường truyền bị tạm dừng, gián đoạn. Hơn nữa, họ không muốn đợi vài giây khi chuyển kênh và nhất là khó chịu khi phải xem các chương trình bị giật, gián đoạn. Đây là những thách thức chính đối với những nhà cung cấp dịch vụ IPTV. Trong khi truyền video, thậm chí với mạng đạt yêu cầu QoS, có thể xảy ra lỗi. Với truyền unicasting, STB có thể yêu cầu server gửi lại các gói dữ liệu mất hoặc hư hỏng nhưng với truyền multicasting thì điều này là không thể, nên yêu cầu quan trọng là mạng phải được thiết kế đảm bảo chất lượng. Do đó, nhà cung cấp dịch vụ chỉ tập trung quan tâm đến chất lượng của các dịch vụ phân phối trên mạng của chính họ, không quan tâm đến các dịch vụ khác của những nhà cung cấp thứ 3 khác trên mạng Internet. Để đảm bảo chất lượng QoS, nhà cung cấp sẽ ưu tiên lưu lượng đường truyền cho các dịch vụ của họ nhằm khắc phục trễ, hư hỏng tín hiệu. Nhà cung cấp sẽ khiểm soát end-to-end để đảm bảo yêu cầu chất lượng QoS. Mạng tổng thể IPTV: Từ nguồn nội dung tới đầu cuối người dùng có hể chia làm 4 phần: nghiệp vụ cung cấp và giới thiệu các nội dung, nghiệp vụ chuyển tải, nghiệp vụ tiếp nối đầu cuối và nghiệp vụ quản trị. Sơ đồ khối biểu thị các chức năng của nghiệp vụ IPTV như hình sau: Hình 1.1. Mạng tổng thể IPTV Hay khối đơn giản hơn như hình sau: Hình 1.2. Mạng tổng thể đơn giản IPTV Mạng nội dung: Mạng này cung cấp và giới thiệu nội dung gồm xử lý nội dung truyền hình trực tiếp/truyền hình VOD (theo điểm) và xử lý, giới thiệu các ứng dụng gia tăng (phục vụ tin tức, điện thoại có hình, email, nhắn tin...). Nguồn nội dung truyền hình trực tiếp/truyền hình VOD không qua hệ thống xử lý nội dung được mã hóa để phù hợp với luồng media theo yêu cầu qua mạng chuyển tải đưa các luồng này cung cấp tới các người dùng đầu cuối. Mạng truyền tải (truyền dẫn): Đây là mạng cáp IP. Đối với luồng media có hình thức nghiệp vụ không giống nhau có thể dùng phương thức chuyển đa hướng (multicast) cũng có thể chuyển theo phương thức đơn kênh. Thông thường, truyền hình quảng bá BTV truyền đa hướng tới user đầu cuối, truyền hình theo yêu cầu VOD thông qua mạng cáp phân phát nội dung CDN (Content Distribution Network) tới địa điểm người dùng đầu cuối. Mạng truyền dẫn chia thành hai thành phần chính gồm: mạng lõi (core network) và mạng truy cập (access network): + Mạng lõi: Mạng này liên kết các mạng truy cập đảm nhiệm việc kết nối đến các thiết bị phía người sử dụng. Mạng này có thể là mạng phân phối quốc gia Gigabit Ethernet hoặc IP/MPLS cộng với các mạng phân phối vùng khác (có hỗ trợ chuẩn carrier-Grade Ethernet). Nội dung được quản lý thường tập trung và xử lý trong mạng phân phối quốc gia trước khi được phân phối đến các mạng truy cập. Tuy nhiên, với khả năng lựa chọn các nội dung không được quản lý từ những nhà cung cấp nội dung thứ 3, nội dung không được quản lý cũng được truyền trên mạng lõi đến khách hàng thông qua Internet. + Mạng truy cập: Có nhiều phương thức khác nhau kết nối thiết bị cuối của khách hàng đến mạng truyền dẫn thông qua STB. Các kỹ thuật phổ biến hiện nay chủ yếu là xDSL, mạng lai cáp quang và cáp đồng trục (HFC), mạng cáp quang như FTTN (Fiber-To-The-Node) nhằm mở rộng nhiều đối tượng khách hàng (chứ không chỉ bó buộc trong kết nối xDSL hay cáp). Do băng thông của những mạng truy cập đều rất giới hạn, để phục vụ cho tất cả các khách hàng truy cập đồng thời các kênh truyền hình, kỹ thuật multicasting được ứng dụng rộng rãi cho phép phân phối linh hoạt dữ liệu video trên ITPV. Thay vì dùng kỹ thuật unicasting phải mất nhiều dòng nội dung trực tiếp truyền trên toàn mạng, kỹ thuật multicasting tiết kiệm băng thông và tối thiểu việc sao chép không cần thiết các gói dữ liệu. Chỉ một dòng truyền cho mỗi dữ liệu video duy nhất sẽ được chia xẻ bởi một nhóm các khách hàng cùng yêu cầu nội dung trực tiếp giống nhau. Dữ liệu chỉ được sao chép ở các nhánh thích hợp, có thể tạo thành các dòng truyền con (substream) để cung cấp cho một nhóm khách hàng hoặc chỉ một khách hàng Mạng đầu cuối (còn gọi là mạng cáp gia đình): Theo các nhà khai thác viễn thông, thì mạng này là mạng tiếp nối băng rộng xDSL, FTTx+LAN hoặc WLAN. Set top box là thiết bị phía khách hàng giao tiếp với thiết bị cuối của người sử dụng (như: TV, PC, hoặc laptop) và đường DSL hoặc đường cáp. STB thường cài đặt phần mềm client (middleware) để nhận dữ liệu hướng dẫn chương trình, giải mã dữ liệu video MPEG-2, MPEG-4 và hiển thị trên màn hình. Ngoài ra, dùng trình duyệt Web cũng có thể nhận được dữ liệu hướng dẫn chương trình từ server trung tâm. STB có thể được tích hợp với modem DSL hoặc modem cáp, hoặc thậm chí tích hợp với switch IEEE 802.11 dùng kết nối mạng truy cập Internet trong nhà. Tóm lại hộp STB thực hiện 3 chức năng sau: + Nối tiếp vào mạng băng tần rộng, thu phát và xử lý số liệu IP và luồng video. + Tiến hành giải mã luồng video MPEG-2, MPEG-4, WMV, Real... đảm bảo video VOD hiển thị lên màn hình ti vi các số liệu... + Phối hợp với bàn phím đảm bảo các thao tác trên HTML mạng, tiến hành gửi nhận email… Hộp STB đảm nhiệm các nhiệm vụ trên chủ yếu dựa vào bộ vi xử lý. Bộ quản trị: Bao gồm quản lý nội dung, quản lý cáp truyền, tính cước phí, quản lý các thuê bao, quản lý các hộp ghép nối STB. Ta thấy trong mạng IPTV có 3 dạng luồng tín hiệu: luồng quảng bá BTV, luồng truyền đến địa điểm theo yêu cầu VOD và luồng nghiệp vụ giá trị gia tăng. Ta xét các phương thức truyền tín hiệu thị tần. Có 3 phương thức truyền trực tiếp hiện trường, truyền quảng bá có định thời gian và truyền tới điểm VOD. Khi truyền hình trực tiếp đồng thời ta lấy nội dung này lưu vào bộ nhớ để phát lại vào truyền hình quảng bá định thời gian hoặc làm nguồn các tiết mục cho truyền hình VOD. Đối với tiết mục quảng bá có định thời IPTV dùng phương pháp truyền phát đa điểm IP có tiết kiệm băng tần tức là phương thức multicast. Phương thức này thực hiện "nhất phát, đa thu". Dùng phương thức này, mỗi tiết mục mạng cáp chỉ phát một luồng số liệu thời gian thực (real time) không liên quan tới số người xem tiết mục này. Phương thức này có thể truyền phát cho hàng nghìn thuê bao. IPTV cung cấp đồng thời hình ảnh (video) và âm thanh (audio) trên mạng cáp. Để đảm bảo chất lượng của 2 loại tín hiệu trên IPTV dùng phương pháp đồng bộ A/V thông qua một server duy nhất thu thập các dữ liệu tại hiện trường, văn bản sử dụng theo khuyến nghị truyền dẫn thời gian thực RTP. IPTV dùng kỹ thuật nén thị tần có hiệu suất cao nên băng tần truyền dẫn tại 800kbit/s có thể tiếp cận với băng tần thu DVD nên tạo điều kiện cho các nhà khai thác dễ dàng phát triển các dịch vụ video. Mạng chuyển tải CDN gồm nhiều server cache phân bố tại các khu vực tập trung thuê bao, Khi có yêu cầu của thuê bao, cache server chuyển lên VOD server trong mạng nguồn cung cấp, tìm nội dung phù hợp và chuyển tải cho thuê bao sự hoạt động của các server trong mạng chuyển tải dựa trên kỹ thuật cân bằng phụ tải toàn cục (GSLB). Trong quá trình truyền đưa multimedia IPTV có thể dùng khóa mật mã đảm bảo độ an toàn của nội dung truyền dẫn. IPTV áp dụng các khuyến nghị quốc tế về tiêu chuẩn, như khuyến nghị về truyền dẫn thời gian thực (RTP), khuyến nghị về khống chế thời gian thực (RTCP)... IPTV cũng cùng làm việc với máy tính dùng hệ điều hành UNIX, VIC/VAT, Apple và Quick Time. Hiện nay cách thức mã hóa video của luồng chủ của IPTV theo MPEG-2, MPEG-4, H.264/AVC; Real Microsoft UWMV-9. Trong đó, MPEG-2 và MPEG-4 được phát triển mạnh. H.264 là luật mã hóa thị tần của ITU-T đề xuất thích hợp cho các hệ thống công cộng. Do đó H.264 có khả năng thành cách mã hóa chính của IPTV. Như đã nêu ở trên, nghiệp vụ IPTV chính là phục vụ cho các hộ gia đình. Phương thức tiếp nhập băng rộng tới gia đình thường dùng phương pháp truy nhập ADSL, nhưng vì IPTV thiết lập tới user nghiệp vụ multimedia thời gian thực và tương tác nên ADSL không thỏa mãn các yêu cầu của IPTV. Cáp quang truyền dẫn tới tận nhà FTTH được công nhận là phương thức chuyển tải tối ưu. Cáp quang có băng tần rất rộng và có khả năng truyền dẫn hai hướng đối xứng đảm bảo được yêu cầu truyền hình ảnh động theo hai hướng với chất lượng cao. Phương thức phát truyền tín hiệu của IPTV: Nói một cách giản đơn, trong hệ thống IPTV hình ảnh video do các phần cứng thu thập theo thời gian thực (real time), thông qua phương thức mã hóa (như MPEG 2/4...) tạo thành các luồng tín hiệu số. Sau đó, thông qua hệ thống phần mềm, IPTV phát truyền vào mạng cáp. Đầu cuối của các user tiếp nhận, lựa chọn, giải mã và khuếch đại. Trong hệ thống IPTV có 2 phương thức truyền đa tín hiệu đã được dự định trước (scheduled programs). Đó là: - Phát quảng bá (broadcasting), truyền phát tới mọi nơi - Phát đến địa điểm theo yêu cầu (on demand). Nguyên lý hoạt động của hệ thống quảng bá, các chương trình được vẽ ở hình sau: Hình 1.3. Hệ thống quảng bá. Trong đó MBone (mạng xương sống của hệ thống đa điểm) chính là đường trục Internet. Tuy nhiên người sử dụng chỉ theo lệnh của bộ quản lý nội dung (content manager) để được giới thiệu nội dung chương trình hữu quan. Chương trình cụ thể do rất nhiều bộ IPTV server thu thập được hoặc cùng do các server của mạng MBone cung cấp. Hoạt động của hệ thống VOD IPTV được miêu tả như hình sau: Hình 1.4. Hệ thống VoD của IPTV Các bước thực hiện VOD như sau: 1. Một thuê bao được chứng nhận nhập mạng và chịu sự quản lý của bộ quản lý EPG 2. Thuê bao muốn yêu cầu một nội dung nào đó. Thuê bao gửi yêu cầu đến EGP 3. EGP cho biết địa chỉ của server cần tìm 4. Thuê bao gửi yêu cầu tới server đó. 5. Server dựa theo yêu cầu của thuê bao mà cung cấp nội dung. Trên đây chỉ là một thí dụ đơn giản nhất. Hiện nay các nhu cầu nghiệp vụ của IPTV rất đa dạng nên cấu trúc mạng phức tạp hơn nhiều. Giới thiệu về MPEG: MPEG là tên viết tắt của hội phim ảnh thế giới (The Moving Picture Experts Group) là một sản phẩm nhóm mang tính ISO/IEC được phát triển cho các thiết bị âm thanh và hình ảnh bằng cách nén dữ liệu chuẩn. Chuẩn MPEG lần đầu tiên được ra mắt vào tháng 5 năm 1988 tại Ottawa, Canada. Cho đến ngày nay, MPEG đã phát triển hơn 350 thành viên từ các hội nghi trên tất cả các lĩnh vực công nghiệp, các khu nghiên cứu, đến các trường đại học. Tiêu chuẩn chính thức của MPEG là ISO/IEC JTC1/SC29 WG11. MPEG được chuẩn hóa theo định dạng nén và các chuẩn phụ thuộc như sau: Hình 2.1. Phân loại MPEG. • MPEG-1: Viết tắt của chuẩn video và audio nén. Sau đó được sử dụng như là chuẩn dành cho đĩa VCD (Video CD) và chứa cả âm thanh thông thương ở lớp 3 (MP3) là dạng âm thanh nén. Mpeg-1 có thể nén tín hiệu video tới 1.5Mbit/s với chất lượng VHS và âm thanh lập thể (stereo audio) với tốc độ 192 kbit/s. Nó được dùng để lưu trữ video và âm thanh trên CD-ROM. • MPEG-2: Truyền tải, hình ảnh và âm thanh trên các kênh truyền hình, quảng bá chất lượng cao. Được sử dụg cho các buổi phát hình ATSC, DVB và ISDB, các dịch vụ truyền hình kỹ thuật số vệ tinh, truyền hình cap và dành cho định dạng đĩa DVD. • MPEG-3: Nguyên bản được thiết kế dành cho HDTV, nhưng bị loại bỏ khi phát hiện ra MPEG-2 (với tên đuôi) phù hợp với HDTV (Đừng nhầm với MP3, được định nghĩa là MPEG-1 lớp 3) • MPEG-4: Phát triển từ MPEG1 vứi sự hỗ trợ về âm thanh, hình ảnh, “vật thể”, và nội dụng 3 chiều, mã hóa bitrate thấm và hỗ trợ Quản lý quyền số hóa. Có một vài chức năng mới hơn (MPEG-2) với hiệu quả âm thah và hình ảnh chuẩn. (Chứa cả các định dạng MPEG-2 video thay thế) Mpeg-4 trở thành một tiêu chuẩn cho nén ảnh kỹ thuật truyền hình số, các ứng dụng về đồ hoạ và Video tương tác hai chiều (Games, Video Conferencing) và các ứng dụng Multimedia tương tác hai chiều (World Wide Web hoặc các ứng dụng nhằm phân phát dữ liệu Video như truyền hình cáp, Internet Video...). Mpeg-4 đã trở thành một tiêu chuẩn công nghệ trong quá trình sản xuất, phân phối và truy cập vào các hệ thống Video. Nó đã góp phần giải quyết vấn đề về dung lượng cho các thiết bị lưu trữ, giải quyết vấn đề về băng thông của đường truyền tín hiệu Video hoặc kết hợp cả hai vấn đề trên. • MPEG-7: chứa đặc tả thông tin, giao diện cho việc tìm kiếm thông tin. Mpeg-1 và Mpeg-2 đã được chuẩn hoá trong khi Mpeg-4 và Mpeg-7 đang được phát triển. Dữ liệu Mpeg bao gồm 2 lớp: +Lớp hệ thống (System Layer) chứa thông tin về thời gian (Timing) và các thông tin khác cần thiết cho việc tách các dòng dữ liệu Video và Audio đồng thời đồng bộ hoá Video và Audio trong quá trình phát (Playback). +Lớp dữ liệu nén (Compression Layer) bao gồm các dòng dữ liệu Video và Audio. Hình 2.2. Giải mã MPEG Hệ thống giải mã sẽ tách các thông tin về thời gian từ dữ liệu hệ thống Mpeg và gửi nó đến thiết bị hệ thống khác (Việc đồng bộ hoá sẽ cần thêm nhiều thông tin về thời gian). Hệ thống giải mã cũng tách các dữ liệu Video và Audio từ dữ liệu ban đầu. sau đó gửi chúng đến từng bộ giải mã thích hợp. Bộ giải mã Video (Video Decoder) và Audio (Audio Decoder) giải nén các dòng dữ liệu Video và Audio. Hầu hết các sơ đồ nén Mpeg đều dùng kỹ thuật lấy mẫu bổ xung (Subsampling) và lượng tử hoá (Quantization) trước khi mã hoá. Lấy mẫu bổ xung nhằm mục đích để làm giảm kích thước khung hình đầu vào theo cả theo chiều ngang và chiều dọc, như vậy sẽ giảm số lượng các điểm ảnh trước mã hoá. Trong một số trường hợp người ta còn lấy mẫu bổ xung theo thời gian để làm giảm số lượng các khung hình trong cảnh trước khi mã hoá. Đây được xem như là một kỹ thuật rất cơ bản nhằm loại bỏ sự dư thừa dựa vào khả năng lưu ảnh của mắt người cảm thụ. Chuẩn Mpeg định nghĩa một kiểu phân cấp cấu trúc trong dữ liệu Video như sau: -Cảnh (Video Sequence): bắt đầu với một Sequence Header, bao gồm một hoặc một nhóm khung hình và kết thúc với mã End-of-Sequence. -GOP (Group of Picture): Một dãy liên tiếp các ảnh (Picture) trong cảnh. -Khung hình (Picture): là thành phần mã hoá chính. Thường thường chúng ta có thể phân biệt sự thay đổi về độ sáng của ảnh (Brightness) tốt hơn so với sự thay đổi về màu (Chrominance). Do đó trước hết các sơ đồ nén Mpeg sẽ tiến hành chia khung hình thành các thành phần độ sáng Y và thành phần độ màu Cb, Cr (một thành phần về độ sáng và hai thành phần về độ màu). Một khung hình sẽ gồm có 3 ma trận ứng với các thành phần về độ sáng (Y) và hai thành phần về độ màu Cb và Cr. Hình 2.3. Video Frame trong MPEG. Ma trận Y có số hàng và cột bằng nhau (ma trận vuông). Ma trận Cb và Cr có số hàng và cột bằng nửa ma trận Y. Hình cho thấy quan hệ và vị trí của Y và các thành phần Cb và Cr. Lưu ý rằng cứ 4 giá trị Y lại có 2 giá trị kết hợp một của Cb và một của Cr (Vị trí của giá trị Cb và Cr là tương đương). -Slide: Dãy các Macroblock, thứ tự của các Macroblock bên trong Slide được xác định từ trái qua phải, trên xuống dưới. Slide rất quan trọng trong việc định lỗi. Nếu dòng dữ liệu (Bitstream) có chứa lỗi, bộ giải mã có thể bỏ qua và tiếp tục ở Slide kế tiếp. Nhiều Slide trên dòng dữ liệu cho phép che dấu lỗi tốt hơn và được dùng để cải thiện chất lượng hình ảnh. -Macroblock: 16 pixel trong 16 hàng của thành phần Y tương ứng với 8 pixel trong 8 hàng của thành phần Cb và Cr. Trong hình cho thấy không gian của thành phần Y và Cb, Cr. Một Macroblock chứa 4 Y Block với 1 Cb Block và 1 Cr Block như trong hình với các con số ứng với thứ tự của Block trong dòng dữ liệu. -Block: là tập hợp 8 pixel trong 8 hàng các giá trị của thành phần Y hoặc Cb, Cr. Chuẩn Mpeg cũng định nghĩa cấu trúc phân cấp dữ liệu được chấp nhận, giải mã và xuất ra Audio số. Dữ liệu Mpeg Audio cũng như Mpeg Video gồm hàng loạt các gói (Packet). Mỗi gói chứa Audio Packet Header và dãy các Audio Frame. Mỗi Audio Packet Header chứa các thông tin sau: +Packet Start Code: xác định gói là Audio Parket. +Packet Length: xác định lượng thông tin trong Audio Packet. Hình 2.4. Audio Packet trong MPEG. Mỗi Audio Frame chứa các thông tin: +Audio Frame Header: chứa đồng bộ, ID, độ nén thông tin (Bit rate), thông tin về tần số lấy mẫu. +Error Checking Code: chứa thông tin cho việc kiểm tra lỗi. +Audio Data: chứa thông tin. +Ancillary Data (dữ liệu phụ thuộc): chứa dữ liệu do người dùng xác định. Nén Mpeg là sự kết hợp hài hoà của bốn kỹ thuật cơ bản: Tiền xử lý (Preprocessing), đoán trước sự chuyển động của các khung hình (Picture) ở bộ mã hoá (Temporal Prediction), bù chuyển động ở bộ giải mã (Motion Compensation) và mã lượng tử hoá (Quatization Coding). Các bộ lọc tiền xử lý sẽ lọc ra những thông tin không cần thiết từ tín hiệu Video và những thông tin khó mã hoá nhưng không quan trọng cho sự cảm thụ của mắt người. Kỹ thuật đoán chuyển động dựa trên nguyên tắc là các khung hình trong một cảnh Video (Video Sequence) dường như có liên quan mật thiết với nhau theo thời gian: Mỗi khung hình tại một thời điểm nhất định sẽ có nhiều khả năng giống với các khung hình đứng ngay phía trước và ngay phía sau nó. Các bộ mã hoá sẽ tiến hành quét lần lượt từng phần nhỏ trong mỗi khung hình gọi là Macroblock, sau đó nó sẽ phát hiện Macroblock nào không thay đổi từ khung hình này tới khung hình khác. Bộ mã hoá sẽ tiên đoán trước sự xuất hiện của các Macroblock khi biết vị trí và hướng chuyển động của nó. Do đó chỉ những sự thay đổi giữa các Macroblock trong khung hình hiện tại và các Macroblock được tiên đoán mới được truyền tới bên phía thu. Phía bên thu tức bộ giải mã đã lưu trữ sẵn những thông tin mà không thay đổi từ khung hình này tới khung hình khác trong bộ nhớ đệm của nó và chúng được dùng để điền thêm một cách đều đặn vào các vị trí trống trong ảnh được khôi phục. Nén tín hiệu Video được thực hiện nhờ việc loại bỏ cả sự dư thừa về không gian (Spatial Coding) và thời gian (Temporal Coding). Trong Mpeg, việc loại bỏ dư thừa về thời gian (nén liên khung hình) được thực hiện trước hết nhờ sử dụng các tính chất giống nhau giữa các khung hình liên tiếp (Inter-Picture). Chúng ta có thể sử dụng tính chất này để tạo ra các khung hình mới nhờ vào những thông tin từ những khung hình đã gửi trước nó. Do vậy ở phía bộ mã hoá, chỉ cần gửi những khung hình có thay đổi so với những khung hình trước trước, sau đó dùng phương pháp nén về không gian (Spatial Coding) để loại bỏ sự dư thừa về không gian trong chính khung hình sai khác này. Nén về không gian dựa trên nguyên tắc là phát hiện sự giống nhau của các điểm ảnh (pixel) lân cận nhau (Intra-Picture). Mã hóa MPEG-II: MPEG-2 là một tiêu chuẩn mã hóa nén(thường được gọi tắt là chuẩn nén) trong bộ tiêu chuẩn MPEG dùng để mã hóa luồng dữ liệu hình có kết hợp với các thông tin về âm thanh. Đây là một phương thức mã hóa dữ liệu có tổn hao cho phép lưu trữ và truyền phim ảnh trên nền hệ thống và băng thông hiện thời. Mpeg-2 được mở rộng dựa trên chuẩn Mpeg để hỗ trợ việc nén dữ liệu để truyền Video số chất lượng cao. Để hiểu được tại sao nén Video là rất quan trọng, ta cần tìm hiểu băng thông (Bandwidth) cần thiết để truyền các khung hình Video số không nén. PAL (Phase Alternate Line) là chuẩn để truyền tín hiệu TV tuần tự (Analog) được sử dụng ở khá nhiều nước trên thế giới. Khung hình TV dùng PAL không nén đòi hỏi băng thông rất lớn tới 216 Mbps, lớn hơn rất nhiều khả năng của truyền sóng radio. Một số nước dùng