Đề tài Truyền hình số qua vệ tinh

Lời nói đầu Trong những năm gần đây nền kinh tế nước ta đã bước sang một giai đoạn mới phát triển mạnh mẽ trong mọi lĩnh vực của cuộc sống. Điều đó đòi hỏi ngành vô tuyến truyền hình cần đáp ứng được những thông tin xã hội một cách đây đủ và hoàn thiện hơn. Để đáp ứng được những nhu cầu trên góp phần vào đẩy mạnh sự phát triển của ngành truyền thông trên con đường hiện đại hoá. Trong những năm gần đây đã đưa vào sử dụng nhiều thiết bị hiện đại phù hợp với tình hình thông tin ở Việt nam trong đó có truyền hình số. Nhờ sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là sự phát triển của công nghệ số với sự ưu việt của nó hơn hẳn với công nghệ tương tự. Do đó truyền hình số cũng đang thay đổi truyền hình tương tự. Tốc độ phát triển của ngành vô tuyến truyền hình ở nước ta diễn ra nhanh chóng từ các đài phát quốc gia đến hầu hết các tỉnh, thành phố và đều có máy phát hình công suất từ lớn tới nhỏ, vùng sâu vùng xa đều có các trạm phát lại truyền hình nhờ sự phát triển của thông tin vệ tinh. Truyền hình là nơi hội tụ những thành tựu khoa học tiên tiến các sản phẩm và ứng dụng công nghệ mới trong lĩnh vực viễn thông - điện tử - tin học. Góp phần quan trọng vào sự phát triển của truyền thông ở nước ta. Đồ án, này mang đến cái nhìn tổng quan về hệ thống truyền hình nói chung và hệ thống truyền hình số nói riêng. Tuy nhiên đây là một đề tài rất mới và rộng, hơn nữa do thời gian và tài liệu tham khảo cộng với trình độ còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong sự góp ý của thầy cô giáo và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Vũ Đức Lý và các bạn đã nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. phần I. truyền hình tương tự I. Cơ sở lý thuyết truyền hình I.1 Hệ thống truyền hình: Hệ thống truyền hình là một hệ thống biến đổi hình ảnh và âm thanh kèm theo thành tín hiệu điện, truyền đến máy thu, nơi thực hiện biến đổi tín hiệu này thành dạng ban đầu và hiển thị nên màn dưới dạng hình ảnh truyền hình dựa trên cảm nhận ảnh sáng của mắt người để truyền đi những thông tin cần thiết. Quá trình gia công tín hiệu hình ảnh ở phía phát và phía thu được minh hoạ như sau: 1 2 3 4 5 6 Phía Phát 3 16 4 7 2 Phía thu Hình I.1 Quá trình thu phát truyền hình Phía phát Khối 1: Tín hiệu hình ảnh cần truyền Khối 2: Camera điện tử Khối 3: Trung tâm xử lý (Studio) Khối 4: Truyền dẫn tín hiệu hình Khối 5: Máy phát hình Khối 6: Đường truyền (cáp đồng trục) Khối 7: Anten phát Phía thu Khối 1: Anten thu Khối 2: Đường truyền dẫn từ anten thu (cáp) Khối 3: Mạch điện tử trong máy thu hình. Khối 4: Đèn hình (màn hiện hình) I.2 Nguyên lý hệ thống truyền hình: Hình ảnh quang (1) được hiển thị bằng độ chói phản xạ B(x,y) được thiết bị Camera điện tử (2) chiếu ảnh của vật cần truyền đi và biến đổi ảnh quang thành tín hiệu điện, tức là chuyển đổi ảnh – tín hiệu. Tín hiệu mang tin tức về hình ảnh gọi là tín hiệu video. Tín hiệu video biến đổi theo sáng tối, mầu sắc của hình ảnh quang là tín hiệu không liên tục do sự phân tán ảnh quang thành từng điểm (gọi là phần tử hình). Tín hiệu hình tiếp tục tới trung tâm được gia công (3) khuyếch đại để đạt tiêu chuẩn kỹ thuật và qua truyền dẫn (4) được đưa tới máy phát hình. Tại đây máy phát hình sóng mang, được tín hiệu hình điều chế, qua đường truyền dẫn (6) tới anten (7). Tại đây tín hiệu được bức xạ vào không gian dưới dạng sóng cao tần. Tại phía thu thì quá trình ngược lại: Anten thu nhận sóng từ đài phát qua bộ khuyếch đại lên đến mức cần thiết rồi đưa đến bộ chuyển đổi tín hiệu - ảnh (chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng), đổi tần, tách sóng để phục hồi lại tín hiệu hình. Sau khi đã khuyếch đại đủ mức điện áp cần thiết tín hiệu hình được đưa tới đèn hình. Đèn hình sẽ biến đổi tín hiệu điện thành hình ảnh quang tương ứng lúc ban đầu phát đi. Để đồng bộ cho các mạch quét phía phát và phía thu người ta sử dụng tín hiệu đồng bộ. Để thực hiện được sự đồng bộ và đồng pha người ta dùng một bộ tạo xung đồng bộ. Xung đồng bộ đưa tới bộ chuyển đổi ảnh – tín hiệu để khống chế quá trình phân tích ảnh đồng thời đưa đến bộ khuyếch đại và gia công tín hiệu cộng với tín hiệu hình truyền sang phía thu. Tín hiệu hình cộng thêm xung đồng bộ gọi là tín hiệu truyền hình. Vậy vô tuyến truyền hình là ngành kỹ thuật sử dụng các tín hiệu điện tử, tin học truyền hình ảnh, tiếng nói đến người xem. Truyền hình là phương tiện thông tin đại chúng có sự hấp dẫn và mang tính thuyết phục cao. ở nước ta, năm 1970 truyền hình đen trắng được phát thí nghiệm, năm 1978 phát thí nghiệm truyền hình mầu hệ SECAM và từ tháng 1 năm 1991 phát theo hệ PAL D,K tức là phát hệ mầu PAL kết hợp hệ đen trắng OIRT. Ngày nay chuyển từ kỹ thuật Analog sang kỹ thuật công nghệ Digital. Rõ ràng là chỉ có chuyển sang kỹ thuật Digital thì mới phát huy được những thế mạnh của công nghệ điện tử. Rất nhiều công nghệ mới được đưa vào ứng dụng trong truyền hình để đem lại hiệu quả lớn như điều chế Digital nâng cao hiệu suất máy phát, như vệ tinh đem lại vùng phủ sóng rộng lớn và các công nghệ về nén tín hiệu, kỹ sảo, kiểm tra đo thử nhanh nhạy thực hiện ngay cả khi thiết bị vận hành tự động và điều khiển từ xa, nâng cao chất lượng hồi phục lại tín hiệu âm tần, thị tần. I.3 Quá trình quét: Nhờ hệ thống quang học mà ảnh của các vật trong truyền hình cần truyền đi trong không gian được chiếu lên một mặt phẳng. Các vật trong không gian được chuyển thành ảnh của chúng trên mặt phẳng, rồi mới biến đổi thành tín hiệu hình ảnh (trong truyền hình là ảnh phẳng). Nếu ta chia tấm ảnh thành các ô nhỏ thì mỗi ô vuông đó là một phần tử trong một tấm ảnh (điểm ảnh – pixels). Mỗi điểm ảnh đó có độ chói trung bình và mầu sắc của nó, càng nhiều số điểm ảnh tức là ảnh chia ra càng nhỏ vì vậy độ chói và mầu trên toàn diện của mỗi điểm ảnh càng đồng nhất. Nếu ta chia kích thước điểm ảnh càng nhỏ mà mắt thường không phân biệt được, thì ta không còn phân biệt được các điểm ảnh riêng rẽ nữa, lúc đó ta có cảm giác tầm ảnh như một khối liên tục liền nhau chứ không phải được ghép từ các điểm ảnh nhỏ lại với nhau. Như vậy nếu ta dùng nhiều điểm ảnh có độ chói và mầu tương ứng thì ta có thể ghép thành ảnh. Độ chói của các điểm ảnh trên một dòng quét sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện tương ứng của các dòng quét đó. ảnh quang học sẽ được nhận biết bằng một lượt quét gồm các dòng quét theo chiều từ trái qua phải và từ trên xuống dưới. Dòng điện tử được hội tụ vào 1 điểm ảnh và được lái lần lượt qua ảnh có hai mành theo các dòng liên tiếp. Mỗi mành chứa một nửa số dòng quét của một ảnh. Hai mành gần nhau được sắp xếp theo chiều đứng sao cho các dòng quét xen kẽ nhau và tạo thành một ảnh. Tia quét được điều khiển bằng hai từ trường ngang và đứng thông qua cặp cuộn dây quét người ta gọi quá trình đó là quá trình quét xen kẽ tuyến tính. Quá trình này sẽ được lặp lại cho ảnh tiếp theo. Như vậy thông tin về ảnh sẽ được biến đổi liên tục thành dòng tín hiệu điện theo thời gian trong khoảng thời gian quét hết 1 tấm ảnh và quay về dòng 1 của ảnh tiếp theo trong thời gian này, tín hiệu hình được xoá mặt (thời gian xoá bằng thời gian quét ngược của mặt). Cứ như vậy ảnh sẽ được liên tục quét. Xung đồng bộ cũng được truyền đi từ đầu phát đến đầu thu để hệ thống quét tại đầu thu hoàn toàn đồng bộ với hệ thống tại đầu phát nhằm bảo đảm tái tạo lại một cách chính xác hình ảnh ban đầu. Số dòng quét càng nhiều thì chất lượng ảnh càng đẹp. Khoảng cách tốt nhất từ vị trí người xem đến máy thu hình là: Trong đó: D là khoảng cách người xem đến máy thu H là chiều cao của màn hình Xung quét dòng Xung quét mành mmanmanhmành Hình 1.2 Dạng xung quét dòng và xung quét mành I.4 Số ảnh Truyền trong một giây và tín hiệu video Để cho người xem có cảm giác một hình ảnh chuyển động liên tục, số lượng ảnh truyền trong một giây càng lớn thì chuyển động trong ảnh càng thấy liên tục mà ảnh không bị nhấp nháy. Trong điện ảnh người ta chiếu 24hình/s hình sẽ chuyển động liên tục và ánh sáng không bị chập. Nhưng đối với truyền hình để tránh tình trạng bị rung lắc hoặc có những vệt đen trôi trên màn hình khi bộ lọc nguồn không bảo đảm chất lượng người ta truyền 25 ảnh trên một giây dưới điện lưới có tần số là 50HZ và truyền 30 ảnh trên một giây với điện lưới có tần số dưới 60HZ. Để loại bỏ các hiện tượng chớp sáng trong truyền hình, người ta sử dụng phương pháp quét xen kẽ tức là mỗi ảnh được quét hai lượt, lượt đầu truyền tất cả các dòng lẻ (mành lẻ) lượt hai truyền tất cả các dòng chẵn (mành chẵn). Khi khôi phục lại ảnh, ảnh trên máy thu hình không bị nhấp nháy vì tần số điện lưới 50HZ hoặc 60HZ bằng tần số nhấp nháy tới hạn. Tiêu chuẩn hệ truyền hình OIRT và CCIR mỗi giây truyền đi 50 mành. Trong đó có 25 mành lẻ và 25 mành chẵn, hình thành 25 ảnh. Tuy mỗi dòng chỉ chớp sáng 25 lần nhưng hai dòng kề nhau chớp sáng thành 50 lần trong một giây vì độ rộng và khoảng cách của mỗi dòng là rất bé nên mắt người không phân biệt được. I.5.Hình dạng tín hiệu Video: I.5.1.Tín hiệu Video. ảnh truyền hình được chia thành nhiều điểm ảnh nhỏ các điểm ảnh này mang thông tin về độ chói và mầu sắc của vật. Tại bộ tạo ảnh biến đổi thông tin chứa trong các điểm ảnh thành một tín hiệu điện tương ứng biểu diễn cho tính chất của điểm ảnh đó là quá trình biến đổi năng lượng quang thành năng lượng điện. Tại các tín hiệu điện tương ứng của các điểm ảnh sẽ được sắp xếp một cách liên tục cho ta một dòng các tín hiệu mang thông tin trọn vẹn về một bức ảnh. Đây chính là dòng tín hiệu video. Khi tia điện tử quét hết một lượt qua tất cả các dòng của ảnh từ trên xuống dưới. Sau đó tia lại quét ngược trở lại từ dưới lên trên gọi là thời gian quét ngược của ảnh. Trong thời gian này, tín hiệu không mang theo tin tức của ảnh nên dòng làm truyền xung tắt (xoá) mặt nhằm tắt tia điện tử của ống thu trong thời gian quét ngược của ảnh. Khoảng 23 – 36 chu kỳ của dòng. I.5.2 Tín hiệu đồng bộ Tín hiệu đồng bộ dùng để khống chế độ quét trong máy thu hình điều khiển tia điện tử trong ống thu làm việc đồng bộ và đồng pha với tia điện tử quét trong ống phát. Tín hiệu đồng bộ được truyền đi và được tạo ra trên kênh thông tin cùng với tín hiệu video. Tổng hợp tín hiệu video và tín hiệu đồng bộ cho ta thông tin video và thông tin đồng bộ. Tín hiệu đồng bộ dòng dùng để xác định các dòng quét và điều khiển quá trình quét dòng. Các tính hiệu đồng bộ mành dùng để điều khiển quá trình quét mành và đặt tại đỉnh xung xoá mành. Tín hiệu đồng bộ cũng là các xung có biên độ và thời gian xác định nên còn gọi là xung đồng bộ dòng và xung đồng bộ mành. Tín hiệu đồng bộ mành còn mang theo các xung cân bằng gồm các chuỗi xung nằm trước và sau xung đồng bộ mành trong khoảng thời gian xoá mành. I.5.3 Phổ tín hiệu video: Xác định các thành phần xoay chiều của tín hiệu chính là xác định tần phổ tín hiệu hình. ứng với các chi tiết lớn của ảnh là tần số thấp, với chi tiết nhỏ của ảnh là thành phần tần số cao của tần phổ tín hiệu hình. Tần số cao nhất của phổ tín hiệu phụ thuộc vào số dòng quét, độ rộng dải tần tín hiệu tăng lên thì số dòng quét càng lớn, độ rõ càng cao vì vậy sử dụng phương pháp quét xen kẽ sẽ giảm đi dải tần tín hiệu. Nếu sử dụng quét xen kẽ thì ta nâng tần số mành lên gấp đôi (50 mành) do đó đã giảm tần số tín hiệu hình xuống một nửa. Đặc điểm của phổ tín hiệu giữa các nhóm phổ hai tần số dòng tồn tại các khoảng trống ta có thể lợi dụng khoảng chống truyền thông tin khác hay áp dụng trong truyền hình mầu phổ của tín hiệu mầu được đặt vào khoảng trống của phổ tính hiệu chói. II. Truyền hình mầu II.1 Khái niệm tổng quát về nguyên lý truyền hình mầu Tất cả các nguyên tắc của truyền hình đen trắng đều được tận dụng ở truyền hình mầu, nói cách khác truyền hình mầu trước hết phải làm lại tất cả các công việc đã có của truyền hình đen trắng. Điểm khác biệt giữa truyền hình đen trắng và truyền hình mầu chỉ ở chỗ thay chỉ quan tâm đến cường độ sáng tối của từng điểm trên cảnh thì bây giờ truyền hình mầu phải quan tâm tới tính chất mầu sắc của từng điểm 1 trên ảnh. Truyền hình mầu được đặc trưng bằng các thông số về độ sáng mầu sắc và độ bão hoà mầu. Mầu sắc là cảm nhận chủ quan của con người tuy nhiên kết quả trộn mầu cho thấy một mầu bất kỳ là tập hợp lại của 3 thành phần mầu [(Đỏ, Lục, Lam) (Red, Green, Blue)}. Độ bão hoà mầu được coi như sự mở rộng cho đến khi nào 1 mầu sắc khác xa mầu trắng trong điều kiện trung tính. Trong truyền hình mọi ảnh mầu đều có thể phân tích và tổng hợp từ các mầu cơ bản theo những tỷ lệ nhất định ta sẽ có mầu trắng và các mầu khác nhau. Để phân tích hình ảnh mầu là Camera truyền hình còn để tổng hợp ảnh là các máy thu hình mầu. II.2 Tính tương hợp giữa truyền hình mầu và truyền hình đen trắng. Tính tương hợp thuận cho mọi tivi đen trắng có cùng tiêu chuẩn truyền hình không cần phải thay đổi điều chỉnh gi đều có thể trực tiếp thu được chương trình truyền hình mầu sang ảnh hiện trên màn hình vẫn là đen trắng. Tính tương hợp ngược tại mọi tivi mầu có cùng tiêu chuẩn truyền hình cũng không cần thay đổi điều chỉnh đều có thể trực tiếp thu được truyền hình đen trắng. ảnh hiện trên màn máy thu hình mầu chỉ là đen trắng. Để thực hiện được tính tương hợp thì đài phát truyền hình mầu phải phát đi bẩy thông tin Tín hiệu hình video điều biên Tín hiệu tiếng, âm thanh điều tần Tín hiệu xung đồng bộ dòng FH Tín hiệu xung đồng bộ mành FV Tín hiệu hiệu mầu ER – Ey Tín hiệu hiệu mầu EB - EY Tín hiệu đồng bộ mầu Khi phát truyền hình mầu đi không được gây nhiễu mầu lên ảnh đen trắng do đó phía đài phát đã không trực tiếp gửi đi tín hiệu mầu cơ bản mà đã gửi đi các tín hiệu hiệu mầu tức là lấy tín hiệu mầu trừ đi tín hiệu chói làm như vậy sẽ không gây ra nhiễu mầu lên ảnh đen trắng và tin hiệu là số không II.3 Lý thuyết 3 mầu: II.3.1 ánh sáng và mầu sắc: ánh sáng là sóng điện từ nằm trong dải tần số từ 3,8.1014HZ á 7,8á14 tốc độ truyền lan trong không gian C =3.108m/s C = 300.000km/s Mầu sắc là một thuộc tính của dao động điện tử mà mắt người cảm nhận được. Mỗi ánh sáng có bước sóng khác nhau tác động lên mắt người, thì mầu sắc cảm nhận được sẽ khác nhau. II.3.2 Chọn ba mầu cơ bản: Để tiêu chuẩn hoá việc đo mầu trên thế giới người ta đã quy định ba mầu cơ bản và ngày nay đang được sử dụng rộng rãi trong công nghệ truyền hình được coi là hệ số mầu R, G, B/Red, Green, Blue . Mầu đỏ, ký hiệu bằng chữ R (Red) có bước sóng lR = 700mm . Mầu lục, ký hiệu bằng chữ G (Green) có bước sóng lG = 546,8mm . Mầu lam, ký hiệu bằng chữ B (Blue) có bước sóng lB = 435,8mm Điều kiện để chọn ba mầu cơ bản là . Nếu đem hai trong ba mầu cơ bản trộn với nhau thì không thể cho ra mầu cơ bản thứ ba. . Nếu đem chọn ba mầu cơ bản trộn với nhau theo các tỷ lệ khác nhau thì sẽ đem cho ra được các mầu trong tự nhiên. II. 3.3 Ba yếu tố để xác định một sắc mầu. . Độ chói (Luminance) cho biết mầu sáng hay tối . Sắc mầu (Hue) cho biết mầu sắc khác nhau . Độ bão hoà mầu (Saturation) cho biết nồng độ mầu đậm hay nhạt. II.3.4 tách mầu: Bằng hệ thống kính quang học và kính lọc mầu ta có thể tách từ một nguồn ánh sáng trắng hoặc từ một ảnh mầu ra thành ba mầu cơ bản theo công thức sau: Mầu cơ bản + Mầu phụ = Mầu trắng VD: Mầu đỏ + xanh lơ = mầu trắng Mầu lục + tím mận = mầu trắng Mầu lam + vàng = mầu trắng II.3.5 Trộn mầu: Hình I.3 trộn mầu Vàng Đỏ Lục Lam Xanh lơ Tím Mận Trắng Nếu đem chiếu 3 nguồn sáng mầu cơ bản có cùng cường độ lên phông mầu trắng để sự phản chiếu hoàn toàn thì tại những vùng giao nhau Nếu đem trộn ba mầu cơ bản trên theo tỷ lệ cơ bản khác nhau thì tại vùng chính tâm sẽ được các mầu như tự nhiên. II.3.6 Các định luật cơ bản về trộn mầu: Nhà toán học người Đức H.Grasman đã đưa ra định luật trộn mầu như sau. . Bất kỳ một mầu sắc nào cũng có thể tạo được bằng cách chọn ba mầu cơ bản độc lập tuyến tính đối với nhau. . Sự biến đổi liên tục của các bức xạ có thể tạo nên mầu khác. . Mầu sắc tổng hợp của một số bức xạ không phải được xác định bởi đặc tính phổ của các bức xạ được trộn mà được xác định bởi mầu sắc thành phần của các bức xạ đó. II. 4 Các thông số cơ bản của tín hiệu vô tuyến truyền hình: II.4.1 Tín hiệu truyền hình mầu toàn phần PAL D/K Tín hiệu mầu toàn phần được tạo bởi tín hiệu chói E/Y, tín hiệu mầu Em , xung đồng bộ mầu Esm, xung xoá tổng hợp Ex và xung đồng bộ tổng hợp Es Biểu thức biểu thị là: Emt = E/y + Em + Esm + Ex + Es Trong đó: Emt: Tín hiệu mầu toàn phần E/y = 0,3 E/R + 0,59 E/G + 0,11E/B (tín hiệu chói) E/R: tín hiệu mầu đỏ cơ bản E/G: tín hiệu mầu lục cơ bản E/B: tín hiệu mầu xanh lam cơ bản Em = m2(E/B - E/y)sin Wt ± m1(E/R - E/y)cos Wt(tín hiệu mầu) m1 , m2: hệ số biên độ tín hiệu mầu W = 2Pfm tần số góc mang mầu fm : tần số mang mầu Esm : đồng bộ mầu Ex : xoá tổng hợp Es : đồng bộ tổng hợp của kênh truyền hình với PAL D/K là 6,5 MHZ II.4.2 Các thông số của tín hiệu mầu: II.4.2.1 Tín hiệu chói EY (Lumirace Signal) Để cho máy thu hình đen trắng lúc thu chương trình truyền hình mầu vẫn nhận được ảnh đen trắng bình thường với các bậc sáng chính xác như ở ảnh truyền đi. Các hệ truyền hình mầu đại chúng, ngoài các tín hiệu phản ánh tin tức mầu còn phải tạo ra và truyền sang phía thu tín hiệu chói thường được ký hiệu là EY. Tín hiệu chói chính là tín hiệu hình ở truyền hình đen trắng. Các tín hiệu truyền hình mầu cơ bản đều có mang tin tức về độ chói, vì rằng khi độ chói của hình cần truyền tăng hoặc giảm thì biên độ các tín hiệu mầu cơ bản cũng tăng hoặc giảm theo, nhưng tỷ lệ giữa chúng không thay đổi. Tín hiệu chói được tạo thành bởi tổng hợp tuyến tính các tín hiệu mầu cơ bản sau khi sửa phi tuyến đó là E/y = 0,3 E/R + 0,59 E/G + 0,11E/B Trong đó E/y: tín hiệu chói E/R: tín hiệu mầu đỏ cơ bản E/G: tín hiệu mầu xanh lục cơ bản E/B: tín hiệu mầu xanh lam cơ bản Hiện nay các hệ NTSC, PAL, SECAM đều sử dụng biểu thức này để hình thành tín hiệu chói ở bộ lập mã mầu. Chỗ khác nhau giữa các hệ này là độ rộng dải tần tín hiệu chói. Độ rộng dải tần tín hiệu chói được chọn bằng độ rộng dải tần tín hiệu hình ở hệ truyền hình đen trắng cùng tiêu chuẩn. II.4.2.2 Các tín hiệu hiệu mầu (Color dibberence Signal) Tín hiệu chói, về lý thuyết chứa toàn bộ tin tức về độ chói của cảnh vật truyền đi. Vì vậy, để truyền tất cả tin tức về mầu sắc của cảnh vật, chỉ cần thêm một tín hiệu nữa, nó chỉ chứa toàn bộ tin tức về tính mầu (cả sắc mầu lẫn độ bão hoà mầu) Song trong các tín hiệu mầu cơ bản E/R , E/G ,E/B có chứa cả tin tức về độ chói lẫn tin tức về tính mầu của cảnh vật. Vì vậy nếu truyền tín hiệu chói và các tín hiệu mầu cơ bản là không cần thiết. Để khắc phục tình trạng này. Các hệ NTSC, PAL, SECAM đều dùng các tín hiệu mầu hoặc các tổ hợp tuyến tính của nó thay cho các tín hiệu cơ bản. Để kết hợp giữa truyền hình mầu với truyền hình đen trắng thì đài phát hình mầu đã phát đi các tín hiệu hiệu mầu lấy tín hiệu mầu trừ đi tín hiệu chói làm như vậy là không gây nhiễu mầu lên màn ảnh đen trắng vì tại ảnh trắng các tín hiệu mầu là số không. Ta có các tín hiệu mầu sau: ER – y = ER – EY = 0,7ER – 0,59EG – 0,11EB EG – y = EG – EY = - 0,3ER + 0,41EG – 0,11EB EB – y = EB – EY = - 0,3ER + 0,59EG + 0,89EB Về lý thuyết các tín hiệu mầu chỉ chứa tin tức về tính mầu, không chứa tin tức về độ chói của cảnh truyền đi (ta dùng các mạch ma trận để hình thành các tín hiệu mầu). Như vậy để máy thu đen trắng khi ta truyền tín hiệu mầu vẫn thu được tín hiệu đen trắng đúng ra thì phải truyền đi tin tức chói EY và ba tín hiệu hiệu mầu kể trên. Trong thực tế trong bốn tin tức là EY và ba tín hiệu hiệu mầu ta chỉ cần truyền đi ba tin tức là ta có thể suy ra tin tức thứ 4. Người ta đã chọn ER – EY và EB – EY để truyền đi cùng với EY (EY là tin tức bắt buộc phải truyền cho các máy thu đen trắng). Tại máy thu tin tức còn lại EG – EY sẽ được suy ra từ ba tin tức trên. Lý do không truyền EG – EY cùng cường độ sáng chuẩn như nhau giá trị tín hiệu EG – y nhỏ hơn của EB – y và ER – y. ER - Ey = ± 0,70v EG - Ey = ± 0,41v EB - Ey = ± 0,70v Chính vì vậy trong khi phải chọn hai trong 3 tín hiệu hiệu mầu để truyền đi, người ta đã loại EG – EY Lý do thứ hai để loại EG – EY nữa là vì mắt khá tinh tế với mầu lá cây, do đó dải tần đòi hỏi của EG – EY cao hơn nên khó truyền hơn nếu so với dải tần của ER – EY và EB – EY chỉ vào khoảng 1,5 MHZ. Tại máy thu EG – EY sẽ được suy ra từ ER – EY và EB – EY EG – EY = - 0,509(R/ - Y/) – 0,194(B/ - Y/) Giá trị các tín hiệu hiệu mầu phụ thuộc vào độ bão hoà mầu, độ bão hoà mầu càng cao, giá trị tín hiệu mầu càng lớn. Kết luận: Dùng tín hiệu hiệu mầu thay cho tín hiệu mầu cơ bản có các ưu điểm sau. . Giảm rõ rệt nhiễu do tín hiệu mầu sinh ra trên ảnh truyền hình đen trắng ở máy thu hình đen trắng ở các mảng trắng của ảnh truyền hình mầu. Bởi vì lúc truyền mầu trắng, phải điều chỉnh sao cho ở lối vào của bộ lập mã mầu đạt được điều kiện. E/B = E/G = E/R cho nên E/R – y = E/B – y = 0 Còn lúc truyền các chi tiết có độ bão hoà mầu thấp, giá trị các tín hiệu hiệu mầu nhỏ (các cảnh thường gặp hàng ngày có độ bão hoà thấp). . Giảm nhỏ ảnh hưởng của nhiễu tới độ chói của ảnh truyền hình. Mắt người rất nhạy cảm với sự sai lệch độ chói (so với sự sai lệch mầu sắc). Dù truyền các tín hiệu E/Y, E/R và E/B hay truyền E/Y, E/B – y , E/R – y cả ba tín hiệu đều chịu ảnh hưởng của nhiễu. Mà trong các tín hiệu E/R và E/B chứa tin tức của chói. Còn trong các tín hiệu hiệu mầu E/R – y và E/B – y về lý thuyết, không chứa tin tức này. Vì vậy tác động của nhiễu tới tín hiệu hiệu mầu chỉ làm thay đổi tín hiệu mầu chứs không làm thay đổi độ chói. Trong khi đó, nếu truyền tín hiệu E/R và E/B thì không những thay đổi tín hiệu mầu mà còn làm cho độ chói thay đổi nhiều hơn. . Thuận tiện cho việc xây dựng mạch điện ở máy thu hình mầu chỉ cần cộng từng tín hiệu hiệu mầu với tín hiệu chói sẽ nhận được các tín hiệu mầu cơ bản E/R , E/G và E/B II.4.2.3 Sóng mang phụ truyền tín hiệu hiệu mầu: Ta không thể truyền tín hiệu chói và hai tín hiệu hiệu mầu theo một đường truyền, vì phổ của chúng đều là phổ rời rạc. ở phía thu không thể nào tách riêng chúng. Nên chỉ có tín hiệu chói EY truyền trực tiếp, còn lại hai tín hiệu hiệu mầu phải dịch phổ về phía tần số cao nhất của tín hiệu chói. Việc lựa chọn sóng mang phụ và phương pháp điều chế hai tín hiệu mầu là nguyên nhân tồn tại các hệ mầu ngày nay NTSC, PAL, và SECAM II.4.2.4 Tín hiệu xung đồng bộ mầu: Để cho mầu sắc của ảnh truyền hình mầu không sai so với mầu của ảnh quang truyền đi, điều kiện trước tiên là phải đảm bảo cho được tần số và góc pha của sóng mang phụ chuẩn được tạo ra tại máy thu hình mầu và của sóng mang phụ ở phía phát luôn bằng nhau. Do đó để giúp cho mạch tách sóng mầu ở máy thu làm việc được tốt, phải truyền sang phía thu một tín hiệu đặc biệt, gọi là tín hiệu đồng bộ mầu để thực hiện đồng bộ và đồng pha cưỡng được bức sóng mang phụ chuẩn được tạo ra ở máy thu hình mầu. II.5 Một số hệ truyền hình mầu chính được sử dụng trên thế giới hiện nay Như đã trình bày ở phần trên việc chèn sóng mang mầu đã điều chế vào với tín hiệu chói EY ta thấy có một vùng tần số mà ở đấy có cả tín hiệu chói và tín hiệu mầu, (tín hiệu chói chèn phá tín hiệu mầu và ngược lại) đây là sự xuyên lẫn. Vấn đề lựa chọn sóng mang mầu và phương pháp điều chế hai tín hiệu mầu như thế nào để cho sự xuyên lẫn trên giảm đi tối thiểu là nguyên nhân sinh ra các hệ mầu khác nhau. Như NTSC, PAL, SECAM, cả ba hệ này đều được mặt nọ thì lại kém mặt kia, không hệ nào đạt được tuyệt đối ưu điểm, chính vì vậy cả ba hệ vẫn song song tồn tại. II.5.1 Hệ truyền hình mầu NTSC (National television Sýtem Committee – Tổ chức hệ thống truyền hình quốc gia) II.5.1.1 Hệ này có các đặc điểm chính sau: Hệ truyền hình mầu NTSC là hệ truyền hình mầu có tính tương hợp đầu tiên trên thế giới vào năm 1950 được hình thành tại nước Mỹ. Theo hệ NTSC tín hiệu chói được tạo ra từ ba tín hiệu mầu cơ bản và phát đi trong toàn dải tần dành cho hệ thống truyền hình đen trắng thông thường. Tín chói được xác định theo biểu thức Y/ = 0,299R/ + 0,587G/ + 0,114B/ Có độ rộng rải tần 0 á 4,2MHZ Trong đó Y/ , R/ , G/ , B/ là các giá trị điện áp tín hiệu chói và ba mầu cơ bản sau hiệu chỉnh gamma. Hệ này truyền đồng thời cùng một lúc hai tín hiệu mầu EI và EQ cùng với tín hiệu chói. Hệ NTSC cho phép dùng một tín hiệu mầu có dải tần rộng và một tín hiệu mầu có dải tần hẹp hơn, phối hợp độ rõ mầu của ảnh truyền hình và chống lại hiện tượng nhiễu giữa các tín hiện mầu sau mạch tách sóng đồng bộ. EI = 0,73(ER – EY) – 0,27(EB – EY)có độ rộng dải tần là 1,5 MHZ EQ = 0,48(ER – EY) + 0,41(EB – EY)có độ rộng dải tần là 0,5MHZ Điều biên nén vuông góc EI và EQ vào sóng mang mầu phụ có tần số được chọn là f = 3,58 MHZ Tần số quét dòng fH = 15750 HZ Tần số quét mành fV = 60 HZ Khoảng cách hình cách tiếng: 4,5 MHZ II.5.1.2 Dùng đồ thị véc tơ mầu để giải thích tín hiệu mầu EI và EQ 0 á 0,5MHZ 0 á 1,5MHZ 0 á 1,5MHZ EI EQ 0 (EB – EY) (ER – EY) 330( EI ) 330 Hình I.4 Đồ thị giải thích tín hiệu EI và EQ ở hệ NTSC Riêng tín hiệu EQ vì mắt người không nhạy cảm không phân được các chi tiết nhỏ của hình ảnh. Do đó chỉ cần gửi tín hiệu đi trong một dải thông hẹp từ (0 á 0,5)MHZ là đủ, dải không hẹp để giảm bớt các thiết bị. . Giải thích góc vuông. Ta đem dịch sóng mang mầu 3,58 MHZ lấy một góc dương (+450) vượt trước mang tín hiệu EI và một góc lùi sau âm (-450) mang tín hiệu EQ để cho hai tín hiệu khỏi lẫn vào nhau. Đặc điểm của sóng điều biên nén là khi tín hiệu mầu cần gửi đi không có (bằng không) thì sóng mang mầu cũng bị triệt tiêu hết (bằng không). Biên độ lớn nhất của sóng điều biên nén cũng chỉ bằng độ cao của tín hiệu mầu. Với hai đặc điểm trên người Mỹ đã chọn phương thức điều biên nén để mang tín hiệu mầu đi nhằm không gây nhiễu mầu lên ảnh đen trắng. anten ảnh mầu cần truyền đi ER EG EB Tín hiệu chói Ey ói EY Hai tín hiệu hiệu mầu (ER - EY)(xoay 330) EI (EB - EY)(xoay 330) Mạch ma trận EQ Khuyếch đại EY EY Tín hiệu mầu C Mạch tạo mã mầu (cách gửi tín hiệu mầu đi). Dùng một sóng mang phụ 3,58MHZ điều biên nén và vuông góc để mang hai tín hiệu EI và EQ rồi tổ hợp thành 1 tín hiệu mầu C u f MHZ 0 C Y 3,58 4 Điều biên AM fA Máy phát sóng mang hình ảnh fA ft Tín hiệu Audio đếm Máy phát sóng mang âm thanh ft điều tần Đem tín hiệu mầu C lồng vào trong phổ tần của tín hiệu chói EY C II. 5.1.3 Sơ đồ khối mạch tạo mã mầu phía phát Ey Hình I.5 sơ đồ khối mạch tạo mã mầu phía phát II.5.1.4 Sơ đồ khối mạch giải mã mầu ở phía thu Kênh mầu Tín hiệu video mầu Mạch cộng hưởng 3,58 MHZ - Chọn lọc - Khuyếch đại Trung tần mầu ER - EY (EB - EY) Tách sóng điều biên nén ER - EY EG - EY (EB - EY) Mạch ma trận G - Y FH Xung quét dòng Cổng Bursh So pha Tạo lại sóng mang mầu 3,58 MHZ Dịch pha ± 450 Hình I.6: Sơ đồ khối mạch giải mã mầu phía thu Tín hiệu video mầu đưa đến mạch giải mã mầu trước hết được mạch cộng hưởng 3,58 MHZ để tiếp nhận, chọn lọc lấy trung tần mầu rồi khuyếch đại cho trung tần mầu mạnh lên và đưa đến mạch tách sóng điều biên nén (còn được gọi là mạch tách sóng đồng bộ). Muốn tách được sóng điều biên nén để lấy ra tín hiệu mầu thì trước hết máy thu phải tạo lại sóng mang mầu 3,58 MHZ rồi cho so pha đồng bộ với sóng mang mầu ở phía phát gửi đến làm chuẩn và được xung quét dòng mở cổng để lấy xung đồng bộ mầu do đài phát gửi đến. Sóng mang mầu 3,58 MHZ được dịch pha ± 450 rồi đem cộng với sóng điều biên nén do đài phát gửi đến để thành sóng điều biên thông thường rồi dùng đi ốt tiếp điểm cao tần để tách sóng điều biên lấy ra hai tín hiệu hiệu mầu (ER – EY) và (EB – EY) rồi cho qua mạch ma trận G – Y để cho ra ba tín hiệu hiệu mầu. Tín hiệu mầu NTSC có chứa tổng cộng 7 tin tức: 4 tin tức có sẵn ở truyền hình đen trắng EY, 2 tin hiện mầu EI và EQ, tín hiệu đồng bộ mầu. Trong đó tín hiệu đồng bộ mầu là tin tức về pha gốc của sóng mang phụ cần thiết phải truyền đi để tách sóng điều biên nén. Hệ truyền hình NTSC tồn tại một số nhược điểm trong đó quan trọng hơn cả tín hiệu mầu rất nhạy cảm với méo pha vi sai. Do sự biến đổi pha sóng mang mầu phụ, làm cho mầu sắc của ảnh khôi phục thiếu chính xác. Đòi hỏi các thông số kỹ thuật của các thiết bị truyền hình phải có độ chính xác cao, độ sai lệch là rất nhỏ. II.5.2 Hệ truyền hình mầu PAL (Pluse Alterntion line: pha thay đổi theo dòng) Để khắc phục nhược điểm của hệ NTSC nhiều hệ truyền hình mầu đã lần lượt ra đời và có những khác biệt so với hệ NTSC. Hệ truyền hình PaL là hệ truyền hình mầu được Cộng hoà Liên bang Đức nghiên cứu và được xem là hệ tiêu chuẩn từ năm 1966. Đây là hệ truyền hình đồng thời, nó đồng thời truyền tín hiệu chói và hai tín hiệu hiệu mầu. II.5.2.1 Dùng đồ thị véc tơ mầu để giải thích nguyên lý sửa méo pha trong hệ PAL Trong hệ truyền hình mầu PAL người ta cũng truyền tín hiệu chói Y/ và hai tín hiệu hiệu mầu U và V. Y/: 0,299 R/ + 0,587 G/ + 0,114 B/ V = 0,877 (R – Y) U = 0,493 (B –Y) Dải tần tín hiệu video hệ PAL rộng 5 MHZ (tương thích với chuẩn quét 625 dòng/50. Hai tín hiệu mầu U và V có độ rộng dải tần bằng nhau và bằng 1,3 MHZ. Hệ PAL dùng một sóng mang phụ mang đồng thời hai tín hiệu hiệu mầu U và V, dùng phương pháp điều chế vuông góc và có thành phần sóng mang phụ mang tín hiệu V đảo pha theo từng dòng quét. Việc đảo pha này xẩy ra trong thời gian quét ngược của dòng. Việc đảo pha thành phần sóng mang phụ tín hiệu hiệu mầu V của hệ PAL nhằm giảm ảnh hưởng của méo pha tín hiệu mầu đến chất lượng ảnh mầu được khôi phục. Đồ thị giải thích quá trình này như sau: EV +2EV +2EV EV +EU M1+ M//2 a M/ M//2 M1 0 EU (EB – EY) M/2 M2 - EV - 2EV Hình I.7: Đồ thị giải thích nguyên lý sửa méo pha ở hệ PAL Giả sử tại dòng thứ n thì phía đài phát gửi đi một tín hiệu mầu là véc tơ OM1 có góc pha là a và có toạ độ là + EV và EU nhưng đến phía thu nhận được thì bị sai pha thành véc tơ OM/1. Đến dòng tiếp theo n + 1 thì máy phát cố ý phát đi một mầu giả là véc tơ OM2 có toạ độ là - EV và + EU thì máy thu nhận được cũng bị sai pha thành véc tơ OM/2 nhưng đây là mầu giả máy thu lại phải đảo ngược pha lại để thành mầu thật, do đó thành véc tơ OM//2. Bây giờ đem cộng hai véc tơ mầu của hai dòng kẻ liền kề nhau lại và bảo đó là một mầu của một dòng ta được véc tơ tổng hợp là M/1 + M/2 chính là véc tơ OM1 đã kéo dài ra. Vậy là góc pha đã trở về góc pha ban đầu không bị méo pha nữa, chỉ là biên độ lớn lên gần gấp đôi ta dùng chiết áp giảm xuống một lần là xong. II.5.2.2 Sơ đồ khối mạch tạo mã mầu hệ PAL phía phát C Đem tín hiệu mầu C lồng vào trong phổ tần của tín hiệu chói EY Hình I.8: Sơ đồ khối mạch tạo mã mầu hệ PAL phía phát Máy phát hình fA fA Điều biên AM 6 4,43 Y EY C 0 f (MHZ) u Tín hiệu mầu C EY Khuyếch đại EY EM (EB - EY)(x hệ số) EV (ER - EY)(x hệ số) Hai tín hiệu hiệu Tín hiệu video mầu Mạch tạo mã mầu (cách gửi tín hiệu mầu đi) Dùng một sóng mang phụ 4,43 MHZ điều biên nén và vuông góc để mang hai tín hiệu Ev và EM trong đó riêng EV cứ liên tục đảo pha theo dòng kẻ Rồi tổ hợp thành một tín hiệu mầu C Tín hiệu chói EY anten II.5.2.3 Sơ đồ khối mạch phải giải mã mầu hệ PAL phía thu (ER - EY) Xung quét dòng fH So pha Cổng Burst Mạch cộng hưởng 4,43 MHZ - Chọn lọc - Khuyếch đại Trung tần mầu Kênh mầu tín hiệu video mầu Mạch ma trận G - Y Tách sóng điều biên nén (EB - EY) (ER - EY) + ±2EV + +2EU Đảo pha 1800 Trể 64MS Trực tiếp (EG - EY) (EB - EY) Dịch pha ±450 Tạo lại sóng mang mầu 4,43Mhz 44,43MHZ Hình I.9: Sơ đồ khối mạch tạo mã mầu hệ PAL phía thu thu Các tín hiệu mầu sau tách sóng và tín hiệu chói sau bộ trễ được đưa vào ma trận để tạo lại tín hiệu mầu cơ bản ban đầu. Có thể nhận thấy, độ phân giải mầu theo chiều dọc ở hệ PAL bằng một nửa độ phân giải của thông tin chói. II.5.2.4 Hệ PAL có các đặc điểm chính sau: Tín hiệu chói vẫn xác định như hệ NTSC nhưng dải tần rộng 5 MHZ tương thích với tiêu chuẩn quét 625/50. Tín hiệu mầu được ghép kênh theo tần số cùng tín hiệu chói để truyền đi. Hai tín hiệu hiệu chỉnh mầu là: V = 0,877(R – Y) U = 0,493 (B – Y) Hai tín hiệu mầu U, Y có độ rộng dải tần bằng 1,3 MHZ Tần số quét dòng: fH = 15625 HZ Tần số quét mành: fV = 50HZ Khoảng cách hình cách tiếng: 5,5 MHZ (PAL D/K: 6,5 MHZ) Hệ PAL dùng một sóng mang phụ mang đồng thời hai tín hiệu mầu U và V dùng phương pháp điều chế vuông góc và có thành phần sóng mang phụ mang tín hiệu V đảo pha theo từng dòng quét, đảo pha trong thời gian quét ngược của dòng. Tần số sóng mang phụ phải ở miền tần số cao của phổ tần tín hiệu chói fsc = 4,43 MHZ Cả hai hệ PAL và SECAM đều dùng chung một luận cứ cho rằng hai dòng kẻ liền kề nhau thì tín hiệu hình ảnh và mầu sắc hoàn toàn giống nhau, coi như là một. Do đó, ở hệ PAL đã lấy tín hiệu mầu của dòng trên cho đi chậm lại 64MS là một chu kỳ quét dòng để đồng thời xuất hiện cùng với mầu của dòng sau đến rồi đem cộng hai dòng mầu đó lại và bảo đó là mầu của một dòng để sửa được méo pha. Còn ở hệ SECAM thì lấy tín hiệu mầu ở dòng trên cho đi chậm lại cũng 64MS để đồng thời xuất hiện cùng với mầu của dòng dưới đến và bảo đó là hai mầu của một dòng mặc dù phía đài phát chỉ phát đi mỗi dòng kẻ có một mầu (lần lượt về mầu). II.5.3 Hệ truyền hình mầu SECAM (Séquentiel Couleur Amémoire): là hệ truyền hình mầu đồng thời lần lượt. Sau nhiều năm hoàn thiện năm 1967 hệ còn có tên SECAM IIIB hệ này có tính chống nhiễu tương đối cao, kém nhạy với méo pha, méo pha – visai, méo biên độ – visai. II.5.3.1 Tín hiệu mầu và phương pháp điều chế: Trong hệ truyền hình SECAM người ta truyền đi tín hiệu chói Y/ và hai tín hiệu hiệu mầu D/R và D/B Trong đó Y/ = 0,299 R/ + 0,587 G/ + 0,114 B/ D/R = - 1,9 (R – Y) D/B = 1,5 (B – Y) Tín hiệu chói Y/ có độ rộng bằng tần là 6MHZ, hai tín hiệu hiệu mầu có độ rộng dải tần bằng nhau và bằng 1,3 MHZ, dấu trừ thể hiện cực tính của (R – Y) tín hiệu chí Y/ đường truyền ở tất cả các dòng, còn hai tín hiệu mầu D/R và D/B truyền lần lượt theo dòng quét trên hai sóng mang phụ có tần số trung tâm là fOR và fOB theo phương pháp điều tần. fOR = 282 x fH = 282 x 15,625 = 4,40625 MHZ fOB = 272 x fH = 272 x 15,625 = 4,25 MHZ Người ta chọn fOR và fOB khác nhau để làm tăng tính chống nhiễu mà không giảm hệ thống tương hợp, và tần số cao để làm giảm méo giao thoa giữa các tín hiệu ở máy thu hình II.5.3.2 Tiền nhấn tần cao ở phía phát và giải nhấn tân cao ở phía thu Vì hệ SECAM đã mang tín hiệu mầu đi bằng phương thức điều tần mà sóng điều tần có biên độ rất lớn không hề bị suy giảm nên ở hệ SECAM phải bổ xung thêm hai kỹ thuật tiền nhần và giải nhấn (khác với hệ NTSC và PAL) Dùng mạch cộng hưởng có đặc tuyến tần số dạng chuông ngửa ở phía phát để suy giảm sóng mang mầu xuống cực tiểu nhằm không gây nhiễu mầu lên ảnh đen trắng và dạng chuông xấp ở phía thu để khôi phục lại sóng mang mầu, đỉnh chuông cộng hưởng được chỉnh đúng tần số bằng 4,286 MHZ. 0 F(MH) FoR FoB 4,406 4,286 4,250 U Phía phát Phía thu Hình 10: Đặc tính dạng chuông Vì hệ SECAM dùng phương thức điều tần để mang các tín hiệu hiệu mầu. Do đó trong khi điều tần. Nhiễu lọt vào ở phía tần số cao của tín hiệu mầu là rất nhiều hơn nhiễu ở vùng tần số thấp khi cùng biên độ. Vì vậy trước khi đừa vào điều chế người ta đã cố ý khuyếch đại cho tín hiệu mầu mạnh hẳn lên ở phía tần số cao trước khi đưa vào điều tần để vốn càng được nhiễu và được gọi đó là tiền nhấn tần cao. ậ phía thu, sau khi điều tần lấy ra tín hiệu mầu thì phải suy giảm tần số cao xuống cho trở lại bình thường và gọi là giải nhấn tần cao. K 0 F(MHZ) Tiền nhấn phía phát Giải nhấn phía thu Hình 11. Tiền nhấn tần cao ở phía phát, giải nhấn tần cao ở phía thu Tín hiệu mầu C II.5.3.3Sơ đồ khối mạch tạo mã mầu hệ SECAM: Đem tín hiệu mầu C lồng vào trong phổ tần của tín hiệu chói EY C EY Tín hiệu chói EY Hai tín hiệu hiệu mầu (ER - EY)(xhệ số) DR (EB - EY)(xhệ số) DB Khuyếch đại EY EY Mạch tạo mã mầu (cách giữ tín hiệu mầu đi). Dòng thứ n Dòng thứ n +1 Dòng thứ n +2 Dòng thứ n +3 EyDR fOB = 4,06 MHZ Điều tần EyDB fOB = 4,250 MHZ Điều tần EyDR fOB = 4,06 MHZ Điều tần EyDB fOB = 4,250 MHZ Điều tần u f (MHZ) 0 Y 4,406 6 Điều biên AM fA Máy phát hình C 4,250 C 4,406 anten Hình 12:sơ đô khối mạch tạo mã mầu hệ Secam Tín hiệu video mầu Mạch cộng hưởng 4,286MHZ dạng chuông xấp. -Chọn lọc -Khuyếch đại Trung tần màu Permutalor Trễ 64 mS DR DB DR DB DB DR DB DR Trực tiếp Tín hiệu màu lần lượt lẫn lộn DR DR DB DB Tín hiệu màu đồng thời riêng biêt Tách sáng FM f0= 4,406MHZ phải nhấn tần cao Tách sáng F.M f0B=4,250MHZ giải nhấn tần cao DB DR DR DB DB DR Mạch ma trận G-Y (ER –Ey) (EB –Ey) (ER –Ey) (EG –Ey) (EB –Ey) Kênh màu Tín hiệu Video màu Mạch cộng hưởng 4,250MHZ nhấn dạng màu (Ident gate) Triệt màu Killer Flip Flop fH xung quét dòng fH xung quét dòng Hình.13: Mạch giải mã hệ secam ở phía thu II.5.3.4.Mạch giải mã màu hệ Secam ở phía thu Chuyển mạch Secam Tín hiệu video màu đưa đến mạch giải mã SECAM trước hết đi qua mạch cộng hưởng dạng xung chuông xấp điều chỉnh đúng tần số 4,286 MHZ để chọn lọc và khuyếch đại trung tần mầu rồi chia ba ngả như sau: Ngả 1: Trực tiếp đưa tín hiệu mầu đến đầu vào của chuyển mạch SECAM (permutator) Ngả 2: Cho tín hiệu mầu đi qua dây trễ sóng 64ms làm chậm lại thời gian một dòng kẻ rồi cũng đưa đến đầu vào của chuyển mạch SECAM. Vậy là ở đầu vào của chuyển mạch SECAM chỉ từ một dòng đầu tiên ra, còn từ dòng thứ hai trở đi thì dòng nào vào cũng đồng thời có hai mầu đỏ và lam nhưng tín hiệu mầu ở đây là lần lượt về mầu vẫn lẫn lộn về đường đi. Khi thông qua chuyển mạch SECAM thì tín hiệu mầu đã được hướng đi cho đúng tuyến nên ở đầu ra cuả chuyển mạch SECAM .thì mỗi dòng kẻ đều đồng thời có cả hai mầu đỏ và lam và riêng biệt tách ra thành hai đường. Chúng được dẫn đến hai mạch tách sóng điều tần để lấy ra tín hiệu hiệu màu để lấy ra màu đỏ, mạch tách sóng điều tần phải chỉnh theo tần số f0R = 4,406 MHz để lấy ra màu lam, mạch tách sóng đều mang chỉnh theo tần số FOB = 4,250 MHZ các tín hiệu mầu này được giải nhấn tần cao cho trở lại bình thường rồi đưa đến mạch ma trận G – Y để lấy ra ba tín hiệu hiệu mầu. Ngả 3: Trung tần mầu được đưa đến mạch cộng hưởng 4,250 MHZ để nhận dạng mầu để mở cửa nhận dạng và dùng xung quét dòng fH để mở cửa nhận dạng. Nếu không nhận dạng ra có tín hiệu mầu thì nó sẽ điều khiển cho mạch triệt mầu khoá chuyển mạch SECAM làm tắt kênh mầu để không gây nhiễu mầu lên ảnh đen trắng. Còn việc điều khiển lập trạng thái của chuyển mạch SECAM là lấy xung quét dòng thông qua mạch Flíp Flốp để chia đôi tần số đi vào điều khiển. II.5.3.5 Một vài đặc điểm chính hệ SECAM Tín hiệu chói vẫn xác định như hai hệ trên nhưng độ rộng dải tần 6 MHZ. Truyền hình đồng thời lần lượt từng dòng một hai tín hiệu mầu DR và DB DR = - 1,9 (ER – EY) DB = 1,5 (EB – EY) Cứ một dòng truyền đi DR: 1 dòng DB rồi lại DR và DB Hai tín hiệu này có độ rộng dải tần bằng 1,3 MHZ. Điều tần DR, DB vào hai sóng mang mầu phụ riêng có tần số fOR = 4,406 MHZ fOB = 4,25 MHZ Tín hiệu mầu SECAM có 8 tin tức có sẵn ở đen trắng, tin tức thứ 5 tín tức thứ 6 của fMR và fMB chỉ xuất hiện cái nọ hoặc cái kia tại mỗi thời điểm fMR = fOB = ± 280 KHZ fMB = fOB = ± 230 KHZ Tin tức thứ 7 là nhận dạng dọc, tin tức thứ 8 là nhận dạng ngang chỉ sử dụng một trong hai tại máy thu. Ưu điểm nổi bật của hệ SECAM: tín hiệu điều tần ít nhạy cảm với méo pha nên hệ SECAM đảm bảo được mầu sắc của ảnh truyền hình có độ ổn định cao. Phần II. Truyền hình số Chương I. Tổng quan về truyền hình số. I.Giới thiệu chung. Truyền hình màu với ba hệ: NTSC. PAL, SECAM xuất hiện vào những thập kỷ 50, 60 đã tạo nên một bước ngoặt lớn trong quá trình phát triển của công nghệ truyền hình. Cả ba hệ sử dụng các tín hiệu thành phần là tín hiệu chói và hai tín hiệu màu (Y, R-Y, B-Y). Điều khác nhau cơ bản giữa ba hệ này là phương pháp điều chế tín hiệu hiệu màu, tần số sóng mang màu và phương thức ghép kênh. Trong những năm gần đây, công nghệ truyền hình đang chuyển sang một bước ngoặc mới – quá trình chuyển đổi từ công nghệ Analog sang Digital. Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng “Thời đại Digital Video, Digital Television đã bắt đầu, công nghệ Analog đã sắp hết vai trò lịch sử. Truyền hình Analog ngày càng đưa vào sự quên lãng, nhường đường cho truyền hình số. Công nghệ truyền hình đang trải nghiệm một sự thay đổi lớn lao – một sư thay đổi về chất!”. Thật vậy, thiết bị Analog truyền thống như máy ghi hình, Camera, Mixer, kỹ xảo... đã được Digital hoá. Vài năm trước đây, thiết bị sử dụng công nghệ Digital mới chỉ là những “hòn đảo Digital” nhỏ trong “ đại dương Analog” mênh mông. Ngày nay những “hòn đảo Digital” nhỏ bé đó đã tự khẳng định mình và trở thành “châu lục Digital” rộng lơn, nhanh chóng chiếm lĩnh môi trường công nghệ truyền hình. Trên thực tế, các nhà sản xuất đã giảm việc thiết kế các thiết bị truyền hình Analog. Vì vậy thiết bị Analog ngày càng vắng bóng trên thị trường. Trong một tương lai không xa, các thiết bị sản xuất chương trình, các máy phát hình, các thiết bị vi deo, Audio nói chung sẽ được thay thế bằng thiết bị Digital. Cùng không có gì quá, nếu ta gọi quá trình Digital hoá là một cuộc cách mạng vì công nghệ Digital sẽ làm thay đổi tận gốc cách suy nghĩ cách tiếp cận , phương thức sản xuất chương trình truyền hình, đó là chưa kể đến việc nâng cấp chất lượng tín hiệu, tính linh hoạt, và khả năng hội nhập vào trường thông tin chung như Fax, Telephone, Máy tín .. sự hội nhập này tạo điều kiện không chỉ có ý nghĩa về mặt kinh tế, kỹ thuật mà còn tạo cho ngành truyền hình những khả năng ứng dụng mới. Với công nghệ Digital, tín hiệu Video trong các trung tâm truyền hình sẽ không còn xuất hiện trên màn hình hiện sóng với những thành phần quen thuộc “mức trắng”, “mức đen”... Thế hệ kế tiếp, trong một vài năm tới sẽ chỉ còn biết đến tín hiệu truyền hình như những chuổi bits (bits stremam) hoặc đồ thị mắt EYDGRAM). Tín hiệu Video thực sự trở thành những chuổi số liệu hoàn toàn tương thích và có khả năng truyền tải, xử lý trong mạng máy tính. Trong các Studio Digital, việc truyền và xử lý Video sẽ được thay thế việc truyền và xử lý Data. Với sự phát triển của công nghệ thông tin ngày nay, truyền hình Digital trong tương lai sẽ làm thay đổi về căn bản dây chuyền công nghệ, phương thức sản xuất chương trình truyền hình. Công nghệ truyền hình số đang bộc lộ thế mạnh tuyệt đối so với công nghệ tương tự trên nhiều lĩnh vực. *Tín hiệu số ít nhạy cảm với các dạng méo xảy ra trên đường truyền. *Có khả năng phát hiện lỗi và sửa sai. *Tính đa năng và linh hoạt trong quá trình xử lý tín hiệu. *Hiệu quả sử dụng dải thông cao và có khả năng truyền nhiều chương trình trên một kênh RF. *Tính phân cấp. Ví dụ: một dòng dữ liệu có thể được truyền một chương trình có độ phân giải cao duy nhất hoặc một vài chương trình có độ phân giải tiêu chuẩn. *Khả năng tải nhiều dạng thông tin khác nhau. *Tiết kiệm năng lượng, với cùng một công suất phát, diện phủ sóng lớn hơn công nghệ tương tự. Công suất máy phát số chỉ bằng 1/4 công suất máy phát tương tự. *Truyền hình số với công nghệ mạng đơn tần (SFN) có thể tiết kiệm được tài nguyên tần số quý hiếm của quốc gia. *Dễ dàng thích nghi với các bước phát triển tiếp theo sang truyền hình độ phân giải cao hoặc phát thanh với chất lượng CD trong tương lai. *Thị trường đa dạng, có khả năng cung cấp nhiều loại hình dịch vụ. *Chi phí khai thác thấp. *Hoàn toàn có khả năng hoà nhập vào xa lộ thông tin. Tuy nhiên việc chuyển đổi tín hiệu truyền hình từ tương tự sang số cũng gặp phải nhiều vấn đề cần xem xét nghiên cứu. Quá trình số hoá tín hiệu phải qua ba công đoạn: lấy mẫu, lượng tử hoá, số hoá. Tín hiệu Video theo tiêu chuẩn OIRT có tần số nhỏ hơn hoặc bằng 6MHz, để đảm bảo chất lượng tần số lấy mẫu phải lớn hơn 12MHz, với số hoá 8 bit/s, để truyền tải đầy đủ thông tin một tín hiệu Video thành phần với độ phân giải tiêu chuẩn, tốc độ bit phải lớn hơn 200 bit/s. Đối với truyền hình độ phân giải cao (HDTV) tốc độ bit phải lớn hơn 1 Gbit/s. Dung lượng này quá lớn, các kênh truyền hình thông thường không có khả năng truyền tải. Có một số vấn đề mấu chốt cần xem xét trong quá trình số hoá tín hiệu truyền hình, trong đó bao gồm: *Tần số lấy mẫu. *Phương thức lấy mẫu. *Tỷ lệ giữa tần số lấy mẫu tín hiệu chói và tín hiệu hiệu màu (trong trường hợp số hoá các tín hiệu thành phần) *Và nén tín hiệu Video để có thể truyền tín hiệu truyền hình số trên các kênh truyền hình thông thường trong khi vẫn đảm bảo chất lượng tín hiệu theo mục đích sử dụng. I.1.Đặc điểm của truyền hình số: 1.1.Yêu cầu về băng tần. Tín hiệu số gắn liền với yêu cầu băng tần rộng hơn rất nhiều so với tín hiệu tương tự . Ví dụ đối với tín hiệu tổng hợp yêu cầu tần số lấy mẫu phải bằng 4fsc như đối với hệ NTSC là 14,4 MHz. Nếu thực hiện mã hoá 8bit/mẫu, tốc độ dòng bit sẽ là 115,2 Mbit/s, độ rộng bằng tần khoảng 58 MHz. Trong khi đó tín hiệu tương tự cần một băng tần là 4,2 MHz. Biện pháp khắc phục nén tín hiệu. 1.2.Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (Signall/Noise). *Tỷ lệ : Signal/noise Nhiễu, tạp âm trong tín hiệu tương tự có tính chất cộng. Tỷ lệ S/N của toàn bộ hệ thống là do tổng cộng các nguồn nhiều thành phần gây ra vì vậy S/N của toàn bộ hệ thống < S/N có tỷ lệ thấp nhất ị nhiểu lớn. *Đối với tín hiệu số nhiễu là các bit lỗi được khắc phục bằng mạch sữa lỗi. Khi có quá nhiều bit lỗi, sự ảnh hưởng của nhiễu được làm giảm bằng cách che lỗi, tỷ số S/N của hệ thống sẽ giảm rất ít hoặc không đổi trừ trường hợp tỷ lệ lỗi quá lớn làm cho mạch sữa lỗi mất tác dụng khi đó dòng bit không còn ý nghĩa tin tức. *ý nghĩa: đặc điểm có ích cho việc sản xuất chương trình truyền hình với các chức năng biên tập phức tạp , cần nhiều lần đọc và ghi, việc truyền tín hiệu qua nhiều chặng cũng được thực hiện rất thuận lợi với tín hiệu số mà không làm suy giảm chất lượng tín hiệu hình. 1.3.Méo phi tuyến. Tín hiệu số không bị ảnh hưởng bởi méo phi tuyến trong quá trình ghi và truyền. Cũng như đối với tỷ lệ S/N tính chất này rất quan trọng trong quá trình ghi đọc nhiều lần. 1.4.Chồng phổ (Aliasing). Một tín hiệu số được lấy mẫu theo cả chiều ngang và chiều dọc nên có khả năng xảy ra chồng phổ theo cả hai hướng. Theo chiểu dọc, chồng phổ trong hệ thống tương tự và số là như nhau. Độ lớn của méo chồng phổ theo chiều ngang phụ thuộc vào thành phần tần số vượt quá tần số lấy mẫu giới hạn Nyquist. Để ngăn ngừa hiện tượng chồng phổ theo chiều ngang có thể thực hiện bằng cách sử dụng tần số lấy mẫu bằng hai lần tần số cao nhất trong hệ thống tương tự. 1.5.Xử lý tín hiệu Tín hiệu số có thể được chuyển đổi và xử lý tốt các chức năng mà hệ thống tương tự không làm được hoặc gặp nhiều khó khăn. Có thể thao tác các công việc phức tạp mà không làm giảm chất lượng hình ảnh. Khả năng này được tăng cường nhờ khả năng lưu trữ các bit trong bộ nhớ và có thể đọc ra với tốc độ nhanh. Công việc tín hiệu số có thể thực hiện dễ dàng là: sửa lỗi gốc thời gian , chuyển đổi tiêu chuẩn, dựng hậu kỳ, giảm độ rộng băng tần. 1.6.Khoảng cách giữa các trạm truyền hình đồng kênh. Tín hiệu số cho phép các trạm truyền hình đồng kênh thực hiện ở một khoảng cách gần nhau hơn nhiều so với hệ thống tương tự mà không bị nhiễu. Một phần vì tín hiệu số ít chịu ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh, một phần là do khả năng thay thế xung hoá và xung đồng bộ bằng các từ mã, nơi mà hệ thống tương tự gây ra nhiễu lớn nhất. 1.7.Hiện tượng Ghosts (bóng ma) Hiện tượng này xảy ra trong hệ thống tương tự do tín hiệu truyền đến máy thu theo nhiều đường. Việc tránh nhiễu đồng kênh của hệ thống số cũng làm giảm đi hiện tượng này trong truyền hình quảng bá. I.2.Sơ đồ khối hệ thống thu phát hình số. Sử dụng phương pháp số để tạo, lưu trữ và truyền tín hiệu của chương trình truyền hình trên kênh thông tin mở ra khả năng đặc biệt rộng rãi cho các thiết bị truyền hình. *Nguyên lý cấu tạo của hệ thống và các thiết bị truyền hình số. Mã hoá kênh Biến đổi tín hiệu Thiết bị phát Biến đổi A/D T/h truyền hình Digital Kênh thông tin Giải mã Biến đổi tín hiệu Thiết bị thu Biến đổi A/D T/h truyền hình Analog Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống thu phát hình số. I.3.Nguyên lý hoạt động. Đầu vào của thiết bị truyền hình số sẽ tiếp nhận những tín hiệu truyền hình Analog , qua bộ biến đổi A/D tín hiệu truyền hình sẽ được biến đổi thành tín hiệu truyền hình số. Các tham số và đặc trưng của tín hiệu này được xác định từ hệ thống truyền hình được lựa chọn. Tín hiệu truyền hình số được đưa đến thiết bị phát sau đó qua kênh thông tin tín hiệu truyền hình số được đưa tới thiết bị thu qua giải mã, bộ chuyển đổi, bộ biến đổi tín hiệu Digital thành tín hiệu truyền hình tương tự. (Bộ giải mã). Hệ thống truyền hình số sẽ trực tiếp xác định cấu trúc mã hoá và giải mã tín hiệu truyền hình. Mã hoá kênh thông tin đảm bảo chống các sai sót cho tín hiệu trong kênh thông tin. Các thiết bị biến đổi trên được gọi là bộ điều chế và giải điều chế. Tùy theo phương pháp biến đổi tín hiệu sử dụng tín hiệu Video tổng hợp hoặc tín hiệu Video thành phần mà đặc điểm của hệ thống truyền hình cũng thay đổi theo. II.Số hoá tín hiệu truyền hình. II.1. Mở đầu. Các hệ truyền hình màu được sử dụng hiện nay (NTSC, PAL, SECAM) là những hệ truyền hình tương tự. Tín hiệu Video là hàm liên tục theo thời gian . Tín hiệu truyền hình tương tự (từ khâu tạo, truyền dẫn phát sóng đến khâu thu) chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố (nhiễu và can nhiễu từ nội bộ hệ thống và từ bên ngoài làm giảm chất lượng hình ảnh. Tín hiệu Video số được tạo từ tín hiệu Video tương tự. Tín hiệu Video số có hai trạng thái logíc “0” và “1”. Tập hợp các giá trị logic “0” và “1” biểu diễn tín hiệu Video số. Tín hiệu Video số có tính chống nhiễu cao, có nhiều ưu điểm hơn tín hiệu Video tương tự. Ngày nay nhiều nước đã sử dụng truyền hình số thay thế truyền hình tương tự trong nhiều công đoạn của hệ thống truyền hình. II.2.Biến đổi tương tự sang số. Quá trình biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số bao gồm ba giai đoạn: *Lấy mẫu tín hiệu :Là quá trình gián đoạn theo thời gian băng tần số lấy mẫu (fsa) . Kết quả cho ta chuổi các mẫu (sample). *Lượng tử hoá tín hiệu : Là quá trình rời rạc hoá biên độ tín hiệu, có nghĩa là chia biên độ ra nhiều mức khác nhau và mỗi mức khác nhau sẽ được gán một giá trị biên độ. *Mã hóa tín hiệu: là quá trình biến đổi tín hiệu đã được lượng tử hoá thành tín hiệu số bằng cách sắp xếp các mức tín hiệu tương ứng theo hệ đếm thập phân ( theo hệ đếm nhị phân “0” và “1” ) III.Cơ sở biến đổi tín hiệu truyền hình. III.1.Biến đổi tín hiệu Video. Biến đổi tín hiệu Video tương tự thành tín hiệu Video số là quá trình biến đổi thuận, còn quá trình biến đổi Video số thành Video tương tự là quá trình biến đổi ngược. Trong hệ thống truyền hình số có sử dụng rất nhiều bộ biến đổi thuận ADC và các bộ biến đổi ngược DAC. Trong truyền hình màu tin tức hình ảnh truyền được biểu diễn bằng ba tín hiệu màu cơ bản: Đỏ (R), Lục (G), và Lam (B). Nó có thể được truyền bằng ba khả năng sau: *Ba tín hiệu băng rộng R, G , B. *Một tín hiệu chói băng rộng Y và hai tín hiệu băng hẹp I,Q. *Một tín hiệu Video màu tổng hợp. Như vậy, có thể chia tín hiệu Video thành hai loại chính: tín hiệu Video màu tổng hợp và tín hiệu Video thành phần. Vì thế quá trình biến đổi Video tương tự thành tín hiệu Video số sẽ có hai cách chính. *Biến đổi tín hiệu Video màu tổng hợp. *Biến đổi tín hiệu Video màu thành phần (tín hiệu chói Y và hai tín hiệu hiệu màu R-Y và B-Y hoặc ba tín hiệu màu cơ bản R, G, B). III.2.Tần số lấy mẫu tín hiệu Video. Tần số lấy mẫu được chọn sao cho hình ảnh có chất lượng cao nhất, tín hiệu truyền có tốc độ bit nhỏ nhất, tốc độ băng tần nhỏ nhất và mạch thực hiện đơn giản. Để việc lấy mẫu không gây méo, phải chọn tần số lấy mẫu thỏa mãn định lý Nyquist: fsa (2fgh). Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi tần số lấy mẫu tiến gần tới 13MHz thì chất lượng khôi phục ảnh rất tốt, còn nếu nhỏ hơn 13MHz, chất lượng ảnh giảm rõ rệt ( khi lấy mẫu tín hiệu Video màu tổng hợp). Ví dụ như giảm độ nét conture (độ nhoè) các chi tiết ảnh theo chiều đứng. Trong trường hợp lấy mẫu tín hiệu thành phần , nếu giảm tần số lấy mẫu tín hiệu màu từ 1/2fsa của tín hiệu chói xuống 1/4fsa có thể gây ra méo dưới dạng dòng nhấp nháy hoặc xuất hiện các vòng theo dòng. Việc chọn tần số lấy mẫu tối ưu với từng loại tín hiệu như sau: III.2.1.Tín hiệu Video tổng hợp. Đối với tín hiệu Video tổng hợp (NTSC và PAL), tần số lấy mẫu tín hiệu Video số (fsa) thường gấp nhiều lần tần số sóng mang màu fSC, ví dụ fSa = 2fSC; fSa= 3fSC hoặc fSa= 4fSC. Hệ SECAM dùng hai tải tần mang màu, và sử dụng điều tần nên không dùng được một tần số fSa cho các tín hiệu hiệu số màu và chọn tần số lấy mẫu tối ưu rất khó. ở hệ NTSC, tần số lấy mẫu (fSa), nếu muốn có thể có mỗi quan hệ chặt chẽ với cả tần số dòng (fH) và tần số sóng mang màu fSC. Nhưng điều này không thể thực hiện được ở hệ PAL và SECAM. Nếu chọn fSa= 3fSCđối với hệ NTSC tương đương 10.74 MHz là giá trị chưa đủ lớn. Nếu chọn fSa= 4fSCtương đương 14.3MHz sẽ cho chất lượng hình ảnh rất tốt. Việc chọn tần số lấy mẫu càng lớn sẽ làm cho việc sử dụng các bộ lọc tránh chồng phổ (được đặt trước bộ ADC) dễ dàng hơn và bộ lọc tái tạo cũng đưa lại một đặc tuyến tốt hơn, tuy nhiên nó sẽ làm tăng tốc độ bit, dẫn đến lãng phí dải thông. Để tiến tới xu hướng chuẩn hoá cho các thiết bị Video số, người ta đã đưa ra hai tiêu chuẩn về tần số lấy mẫu là 4fSC NTSC và 4fSCPAL, tần số lấy mẫu bằng 4 lần tần số sóng mang màu, và sử dụng 8 bit hoặc 10 bit để biểu diển các mẫu. Tín hiệu Video số tổng hợp còn mang đầy đủ những nhược điểm của tín hiệu Video tương tự, nhất là hiện tượng can nhiễu giữa tín hiệu chói và tín hiệu màu. Trong những năm gần đây người ta thường sử dụng phương pháp số hoá tín hiệu Video thành phần. Tần số lấy mẫu lớn đòi hỏi thiết bị, đường truyền và các bộ nhớ có dung lượng lớn. Chi phí cho toàn bộ hệ thống do vậy tăng lên gấp nhiều lần. Tần số lấy mẫu thích hợp nhất nằm trong khoảng 12 á 14MHz. Số hoá tín hiệu Video tổng hợp có ưu điểm là tốc độ bit thấp so với số hoá tín hiệu Video thành phần, điều đó cũng có nghĩa là lượng băng từ dùng trong các máy ghi hình hạn chế hơn. Tuy nhiên tín hiệu số tổng hợp bộc lộ, nhiều nhược điểm trong quá trình xử lý số, tạo kỹ xảo, dựng hình... III.2.2.Tín hiệu Video thành phần. Với tín hiệu Video thành phần, tần số lấy mẫu thường được biểu thị thông qua tỷ lệ tần số lấy mẫu tín hiệu chói và tần số lấy mẫu các tín hiệu hiệu màu. Ví dụ 14:7:7 là tỷ lệ lấy mẫu ứng với tần số lấy mẫu tín hiệu chói là 14MHz và đối với hai tín hiệu hiệu màu là 7MHz. Hệ thống dùng tiêu chuẩn 14:7:7 với 8 bit/mẫu cho ta tốc độ bit bằng 244 Mbit/s lớn hơn tốc độ bit hệ 12:4:4 40% và hệ 12:6:6 17%. 4:2:2 là tiêu chuẩn trong đó tỷ số lấy mẫu giữa tần số lấy mẫu của tín hiệu Video thành phần Y/CB/CR= 4:2:2 và các tần số lấy mẫu tương ứng với các tín hiệu thành phần bằng (với cấu trúc lấy mẫu trực giao): fs(Y) = 13,5 MHz; fs(CB) = 6,75 MHz; fs(CR) = 6,75 MHz Giá trị 13,5 MHz là một số nguyên lần tần số dòng cho cả hai tiêu chuẩn 525 và 625 dòng: 13,5 MHz = 864fHđối với tiêu chuẩn 625 (fH = 15625 Hz) 13,5 MHz = 858 fHđối với tiêu chuẩn 525 (fH = 15750 Hz) Tần số lấy mẫu quyết định bề rộng tối đa của dải phổ tín hiệu. Theo Shanno và Nyquist, tần số lấy mẫu tối thiểu phải bằng hai lần tần số cao nhất của tín hiệu. Như vậy với tần số lấy mẫu như trên, bề rộng dải phổ của tín hiệu thành phần theo lý thuyết sẽ bằng 6,75 MHz đối với tín hiệu chói, và 3,75 MHz đối với tín hiệu hiệu màu CB, CR. Video số thành phần được coi là phương pháp số hoá được sử dụng hiện tại cũng như trong tương lai tại các studio hoàn toàn số (All Digital Studio). Tín hiệu Video số thành phần có thể dễ dàng được xử lý, ghi, dựng trong các công đoạn hậu kỳ tại các studio. Tín hiệu Video số thành phần loại bỏ được những ảnh hưởng do sóng mang màu trong tín hiệu Video tổng hợp gây nên. Trong quá trình số hoá tín hiệu Video số thành phần khái niệm tần số lấy mẫu phải là bội số của sóng mang màu đã trở nên không phù hợp. Tần số lấy mẫu, như trên đã trình bày, ngoài yêu cầu có giá trị trong khoảng từ 12414 MHz là bội số của tần số dòng còn phải đạt điều kiện là tần số lấy mẫu chung cho cả hai tiêu chuẩn truyền hình 525 và 625 dòng, để có thể tiến tới một tiêu chuẩn Video số chung cho toàn thế giới. Loại bỏ được những điều phiền phức gây nên bởi tình trạng đa hệ truyền hình tương tự. Tóm lại, tần số lấy mẫu đáp ứng được những yêu cầu trên đã được các tổ chức phát thanh truyền hình (SMPTE, EBU, CCIR) thống nhất lựa chọn là: FSa= 13,5 MHz chung cho cả hai tiêu chuẩn 525 và 625 dòng. Cả hai tiêu chuẩn sử dụng chung cùng một tần số lấy mẫu, cùng một lượng mẫu trong thời gian tích cực của một dòng. Thời gian một dòng của hai hệ 625 và 525 bằng 64 ms và 63,56 ms (hệ 625 có thời gian lớn hơn), trong khi thời gian tích cực của một dòng trong hệ 625 là 52 ms. Nếu cả hai hệ đều lấy thời gian tích cực bằng 52 ms, thời gian xoá dòng tương ứng với từng hệ là 12 ms và 11,59 ms thông số cơ bản đối với mỗi hệ là: Tổng số mẫu mỗi dòng: Hệ 625 dòng: 64 x 13,5 =864 mẫu. Hệ 525 dòng: 63,56 x 13,5 = 858 mẫu Số mẫu trong thời gian tích cực của mỗi dòng: Hệ số 625 dòng: 52 x 13,5 = 702mẫu Hệ 525 dòng : 52 x 13,5 = 702 mẫu Số mẫu trong thời gian xoá dòng: Hệ 625 dòng : 12 x 13,5 = 162 mẫu Hệ 525 dòng : 11,56 x 13,5 = 156 mẫu. III.2.3.Cấu trúc mẫu (sample) Tín hiệu hình ảnh từ camera và được hiển thị trên ảnh hình chứa thông tin về đồng bộ theo mành và dòng, đó là ảnh hai chiều. Vì vậy để khôi phục chính xác ảnh, tần số lấy mẫu phải có liên quan đến tần số dòng. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, tần số lấy mẫu phải là bội số của tần số dòng. Khi đó điểm lấy mẫu trên các dòng quét sẽ thẳng hàng với nhau, do đó tránh được các hiệu ứng méo đường biên. Như vậy, việc lấy mẫu không những phụ thuộc vào thời gian mà còn phụ thuộc vào toạ độ các điểm lấy mẫu. Vị trí các điểm lấy mẫu hay cấu trúc lấy mẫu được xác định theo thời gian, theo các dòng và theo các mành. Hàm lấy mẫu có thể biến đổi dạng xq(t,x,y). Tần số lấy mẫu phù hợp với cấu trúc lấy mẫu sẽ cho phép khôi phục hình ảnh tốt nhất. Vì vậy tần số lấy mẫu phải thích hợp theo cả 3 chiều t,x,y. Tuy nhiên, trong các cấu trúc lấy mẫu phổ biến, ta chỉ xét các mẫu theo 2 chiều x,y. Có 3 dạng cấu trúc được dùng phổ biến cho tín hiệu Video: III.2.3.1.Cấu trúc trực giao. Các mẫu được sắp xếp trên các dòng kề nhau thẳng hàng theo chiều đứng. Cấu trúc này cố định theo mành và theo ảnh (hai mành). Trong trường hợp này tần số lấy mẫu thoả mãn định lý Nyquist do đó tốc độ bit rất lớn được sử dụng. Dòng 1, mành 2 Dòng 2, mành 2 Dòng 2, mành 1 Dòng 1, mành 1 Hình II.2 Cấu trúc trực giao III.2.3.2.Cấu trúc “quincunx” mành. Đối với cấu trúc quincunx mành, các mẫu trên các dòng kề nhau thuộc một mành xếp thẳng hàng theo chiều đứng (trực giao), nhưng các mẫu thuộc mành một lại dịch đi nữa chu kỳ lấy mẫu so với các mẫu của mành thứ hai. Dòng 1, mành 2 Dòng 2, mành 2 Dòng 2, mành 1 Dòng 1, mành 1 Hình II.3. Cấu trúc quinncunx mành Phân bố phổ tần cấu trúc quinncunx mành rất có ý nghĩa với mành 1, nó cho phép giảm tần số lấy mẫu theo dòng. Phổ tần của cấu trúc nói trên của mành 2 so với phổ của mành 1 bị dịch đi và có thể lồng với phổ tần cơ bản, gây ra méo ở các chi tiết ảnh (khi hình ảnh có các sọc đứng). III.2.3.3.Cấu trúc “quinncunx” dòng. Các mẫu trên các dòng kề nhau của một mành sẽ lệch nhau nửa chu kỳ lấy mẫu, còn các mẫu trên một dòng của mành 1 sẽ lệch so với mẫu của dòng tiếp theo của mành 2 một nửa chu kỳ lấy mẫu. ở đây không xảy ra trường hợp lồng phổ biên với phổ chính và không bị méo. Điều đó cho phép sử dụng tần số lấy mẫu nhỏ hơn 25% tần số Nyquist, và tiết kiệm được phổ biến của tín hiệu số. Dòng 1, mành 2 Dòng 2, mành 2 Dòng 2, mành 1 Dòng 1, mành 1 Hình II.4. Cấu trúc quincunx dòng. Tuỳ theo cấu trúc lấy mẫu, sẽ xuất hiện méo ảnh đặc trưng. Đối với cấu trúc trực giao, độ phân giải của ảnh sẽ giảm. Đối với cấu trúc quincunx mành sẽ xuất hiện nhấp nháy các điểm ảnh.Ngược lại cấu trúc quincunx dòng sẽ xuất hiện các vòng tròn theo chiều ngang (méo đường biên). Tóm lại cấu trúc trực giao cho chất lượng ảnh cáo nhất, vì đối với mắt người thì độ phân giải thấp dễ chịu hơn là hai loại méo nêu trên. II.2.4. Các chuẩn lấy mẫu tín hiệu Video. Quá trình lấy mẫu là bước đầu tiên của việc số hoá tín hiệu Video , trước hết ta tìm hiểu về một vài tiêu chuẩn lấy mẫu. Có nhiều tiêu chuẩn Video số thành phần, điểm khác nhau cơ bản giữa chúng ở tỷ lệ giữa tần số lấy mẫu và phương pháp lấy mẫu tín hiệu chói và các tín hiệu màu, trong đó bao gồm: tiêu chuẩn 4:4:4, 4:2:2, 4:4:0, 4:1:1. Dưới đây ta xét phương thức từng chuẩn. Tốc độ lấy mẫu dựa trên cơ sở tần số chuẩn là 3,375 MHz. III.2.4.1.Chuẩn 4:4:4 Mẫu tín hiệu chỉ được lấy đối với các phần tử tích cực của tín hiệu Video . Với hệ PAL, mà hình được chia làm 625 x 720 điểm (pixel). Điểm lấy mẫu tín hiệu chói Y Điểm lấy mẫu màu đỏ CR Điểm lấy mẫu màu lam CB Hình II.5. Tiêu chuẩn 4:4:4. Các tín hiệu chói (Y), tín hiệu hiệu màu (CR, CB) được lấy mẫu tại tất cả các điểm lấy mẫu trên dòng tích cực của tín hiệu Video. Cấu trúc lấy mẫu là cấu trúc trực giao, ví trị lấy mẫu như trình bày trong hình vẽ trên đây: Tiêu chuẩn 4:4:4 có khả năng khôi phục hình ảnh chất lượng tốt nhất trong các tiêu chuẩn, thuận tiện cho việc xử lý tín hiệu. Tiêu chuẩn này có thể dùng trong trường hợp xử lý tín hiệu chói và tín hiệu màu RGB. Nó có thể được dùng trong studio nhằm rời rạc hoá tín hiệu. Tuy nhiên tiêu chuẩn này sẽ đòi hỏi tốc độ bit rất cao. Các tổ chức tiêu chuẩn quốc tế đã thống nhất về chỉ tiêu tần số lấy mẫu cho truyền hình số theo tiêu chuẩn này với tên gọi là CCIR-601. Với chuẩn 4:4:4 tốc độ dòng dữ liệu (ví dụ cho hệ PAL) được tính như sau: *Khi lấy mẫu 8 bit: (720 + 720 + 720) x 576 x 8 x 25 = 249 Mbit/s *Khi lấy mẫu 10 bit: (720 + 720 + 720) x 576 x 10 x 25 = 311 Mbit/s III.2.4.2.Chuẩn 4:2:2. Điểm lấy mẫu tín hiệu chói Y Điểm lấy mẫu màu đỏ CR Điểm lấy mẫu màu lam CB Hình II.6. Tiêu chuẩn 4:2:2. Điểm đầu lấy mẫu toàn bộ ba tín hiệu : chói (Y) và hiệu màu (CR, CB) Điểm kế tiếo chỉ lấy mẫu tín hiệu chói Y, còn hai tín hiệu hiệu màu không lấy mẫu. Khi giải mã màu suy ra từ màu của điểm ảnh trước. Điểm sau nữa là lấy mẫu đủ ba tín hiệu Y, CR, CB Tuần tự như thế, cứ 4 lần lấy mẫu tín hiệu chói Y, thì hai lần lấy mẫu CR, hai lần lấy mẫu CB tạo nên cơ cấu 4:2:2. Đối với hệ PAL tốc độ dòng dữ liệu theo chuẩn này được tính như sau: *Khi lấy mẫu 8 bit: (720 + 360 + 360) x 576 x 8 x 25 = 166 Mbit/s *Khi lấy mẫu 10 bit: (720 + 360 + 360) x 576 x 10 x 25 = 207 Mbit/s Tiêu chuẩn 4:2:2 là tiêu chuẩn cơ bản của truyền hình số. Chất lượng hình ảnh của tiêu chuẩn này cao hơn sau tiêu chuẩn 4:4:4. Nó cho phép xử lý tín hiệu một cách thuận lợi. III.2.4.3.Chuẩn 4:2:0. Theo chuẩn này, tín hiệu Y được lấy mẫu tại tất cả các điểm ảnh của dòng, còn tín hiệu hiệu màu thì cứ cách một điểm sẽ lấy mẫu cho một tín hiệu hiệu màu. Tín hiệu hiệu màu được lấy xen kẽ, nếu hàng chẵn lấy mẫu cho tín hiệu hiệu màu CR thì dòng lẻ sẽ lấy mẫu cho tín hiệu hiệu màu CB. Điểm lấy mẫu tín hiệu chói Y Điểm lấy mẫu màu đỏ CR Điểm lấy mẫu màu lam CB Hình II.8. Tiêu chuẩn 4:2:0. Đối với hệ PAL tốc độ dòng dữ liệu theo chuẩn này được tính như sau: *Khi lấy mẫu 8 bit: (720 + 360) X 576 X 8 X 25 = 124,4 Mbit/s *Khi lấy mẫu 10 bit: (720 + 360) X 576 X 10 X 25 = 155,5 Mbit/s III 2.4.4. Chuẩn 4:1:1 Điểm ảnh đầu lấy màu đủ Y, CR, CB: ba điểm ảnh tiếp sau chỉ lấy Y không lấy mẫu CR, CB. Khi giải mã màu của ba điểm ảnh sau phải suy ra từ điểm ảnh đầu. Tuần tự như thế, cứ bón lần lấy mẫu Y, có một lần lấy mẫu CB ,một lần lầy mẫu CB đây là cơ cấu 4:1:1 Điểm lấy mẫu tín hiệu chói Y Điểm lấy mẫu màu đỏ CR Điểm lấy mẫu màu lam CB Hình II.8 Tiêu chuẩn 4:1:1 Đối với hệ PAL, tốc độ dòng dữ liệu theo chuẩn này được tính như sau: *Khi lấy mẫu 8 bit: (720 + 180 + 180) X 576 X 8 X 25 = 124,4 Mbit/s *Khi lấy mẫu 10 bit: (720 + 180 + 180) X 576 X 10 X 25 = 155,5 Mbit/ Tiêu chuẩn này cho chất lượng hình ảnh tương đối thấp, thường được dùng cho điện thoại truyền hình. Chương II. Nén ảnh số. I.Mục đích nén. Với kỹ thuật số hoá truyền hình, tốc độ truyền và do vậy dải thông truyền là quá lớn. Do vậy đòi hỏi độ rộng kênh truyền là rất lớn. Ví dụ: tín hiệu Video số thành phần (số hoá 8 bit – 625 dòng ) có tốc độ bit bằng 216 Mbit/s. Dải phổ cần thiết để truyền tín hiệu này có bề rộng không dưới (3/4)x216 ằ 162 MHz . Nếu truyền qua vệ tinh băng C với tiêu chuẩn 40 MHz/ 1 Transponder thì phải cần 4 Transponder ghép liền nhau. Trong Studio truyền tín hiệu bằng cáp, rắc nối chất lượng cao và với khoảng cách ngắn, việc nén dải tần chỉ mang tính kinh tế, nên việc truyền tín hiệu có thể thực hiện được mà không cần nén. Song sẽ rất khó khăn, thậm chí không thể thực hiện được việc truyền tín hiệu Video số qua vệ tinh với độ rộng dải tần một kênh 27 MHz hoặc qua hệ thống truyền hình quảng bá trên mặt đất với tiêu chuẩn 7 á8 MHz cho một kênh truyền hình tiêu chuẩn. Do vậy nén Video là công đoạn không thể thiếu được để khắc phục những khó khăn về yêu cầu dải băng tần cho phép. II.Thực chất của nén Video. Bản chất của nén Video là một quá trình trong đó lượng số liệu (data) biểu diễn lượng thông tin của một ảnh hoặc nhiều ảnh được giảm bớt bằng cách loại bỏ những số liệu dư thừa trong tín hiệu Video. Các chuỗi ảnh truyền hình có nhiều phân tử giống nhau. Vậy tín hiệu truyền hình có chứa nhiều dữ liệu dư thừa, ta có thể bỏ qua mà không làm mất thông tin hình ảnh. Đó là quá trình xoá dòng ,xoá mành, vùng ảnh tĩnh hoặc chuyển động rất chậm, vùng ảnh nền giống nhau hoặc khác nhau rất ít. Thường thì chuyển động trong ảnh truyền hình có thể dự báo, do đó chỉ cần truyền các thông tin chuyển động. Các phần tử lân cận trong ảnh giống nhau, do đó chỉ cần truyền các thống tin biến đổi. Các hệ thống nén sử dụng đặc tính này của tín hiệu Video và các đặc trưng của mắt người (là kém nhạy với sai số trong hình ảnh có nhiều chi tiết và các phần tử chuyển động). Quá trình sau nén là giãn ảnh để tạo lại ảnh gốc hoặc một xấp xỉ ảnh gốc. II.1.Mô hình nén ảnh. Tầng đầu tiên của bộ mã hoá Video , tín hiệu Video được trình bày dưới dạng hiệu quả để nén hiệu quả nhất. Điểm cốt yếu là phải xác định cái gì được mã hoá. Sự biểu diễn có thể chứa nhiều mẩu thông tin để mô tả tín hiệu hơn chính là bản thân tín hiệu, nhưng hầu hết các thông tin quan trọng chỉ tập trung trong một phần nhỏ của sự mô tả này. Trong cách biểu diễn hiệu quả, chỉ có phần nhỏ dữ liệu là cần thiết để truyền cho việc tái tạo lại tín hiệu Video. Biểu diễn thuận lợi Lượng tử hoá Gán từ mã Nguồn Xử lý kênh Giải từ mã Giải lượng tử Biểu diễn thuận lợi Giải mã Video Mã mã Video Video khôi phục Hình II.9. Mô hình hệ thống nén Video Hoạt động thứ hai của bộ mã hoá là lượng tử hoá giúp rời rạc hoá thông tin được biểu diễn. Để truyền tín hiệu Video qua một kênh số, những thông tin biểu diễn được lượng tử hoá thành một số hữu hạn mức. ở công đọan này xảy ra sai số, sai số này được gọi là sai số hệ thống. Hoạt động thứ ba là gán các từ mã . Các từ mã này là một chuổi các bít dùng để biểu diễn các mức lượng tử hoá. Các quá trình sẽ ngược lại trong bộ giải mã Video. Mỗi hoạt động cố gắng loại bỏ phần dư thừa trong tín hiệu Video và lợi dụng sự giới hạn của hệ thống nhìn của mắt người, Nhờ bỏ đi phần dư thừa, các thông tin giống nhau hoặc có liên quan đến nhau sẽ không được truyền đi. Những thông tin bỏ đi mà không ảnh hưởng đến việc nhìn cũng sẽ không được truyền đi. II.2. Độ dư thừa dữ liệu. Nén số liệu là quá trình giảm lượng số liệu cần thiết để biểu diễn cùng một lượng thông tin cho trước. Cần phải phân biệt giữa số liệu và thông tin . Thực tế giữa số liệu và thông tin không đồng nhất với nhau. Số liệu (và do đó là tín hiệu) chỉ là phương tiện để truyền tải thông tin. Cùng một lượng thông tin cho trước có thể biểu diễn bằng các lượng số liệu khác nhau, nó bao gồm số liệu hoặc từ không cho thông tin thích hợp lẫn xác định đã biết. Độ dư thừa số liệu là trung tâm trong nén ảnh số. Độ dư thừa dữ liệu không phải là một khái niệm trừu tượng mà là một thực tế có thể định lượng được bằng toán học. Nếu r1 và r2 là lượng số liệu trong hai tập hợp số liệu cùng được dùng để biểu diễn một lượng thông tin cho trước thì độ dư thừa số liệu tương đối của tập hợp số liệu thứ nhất so với hợp số liệu thứ hai có thể được định nghĩa như sau: RD= 1- 1/CN Trong đó CN thường được gọi là tỷ số nén và CN = r1/r2. Trong trường hợp r1=r2 thì CN= 1 và RD= 0, có nghĩa là so với tập hợp số liệu thứ hai thì tập hợp số liệu thứ nhất không dư thừa. Khi r2<<r1 thì CN tiến tới vô cùng và RD tiến tới 1, có nghĩa là độ dư thừa số liệu tương đối của tập hợp số liệu thứ nhất là khá lớn hay tập hợp số liệu thứ hai đã được nén quá nhỏ. ở đây có sự kết hợp giữa tỷ lệ nén và chất lượng hình ảnh. Tỷ lệ nén càng cao sẽ làm giảm chất lượng hình ảnh và ngược lại. Chất lượng và quá trình nén có thể thay đổi tùy theo đặc điểm của hình ảnh nguồn và nội dung ảnh. Đánh giá chất lượng ảnh, người ta tính số bit cho một điểm trong ảnh nén (Nb). Nó được xác định là tổng số bit ở ảnh nén chia cho tổng số điểm: Nb= Số bit nén/ số điểm Trong nén ảnh số có ba loại dư thừa số liệu. II.2.1.Dư thừa mã (Coding Redundancy). Nếu các mức của tín hiệu Video được mã hoá bằng các Symbol nhiều hơn cần thiết thì kết quả có độ dư thừa mã. Để giảm độ dư thừa mã, trong nén ảnh thường sử dụng các mã có độ dài thay đổi (VLC) như mã Huffman, mã RLC.. Lượng thông tin về hình ảnh có xác xuất cao sẽ được mã hoá bằng từ mã ít bit hơn so với lượng thông tin có xác xuất thấp hơn. II.22.Dư thừa trong pixel (Interpixel Redundancy). Vì giá trị của bất kỳ pixel nào đó, cũng có thể được dự báo từ các pixel lân cận nó, nên thông tin từ các pixel riêng là tương đối nhỏ. Sự tham gian của một pixel riêng vào ảnh là dư thừa. Nhiều tên (bao gồm: dư thừa không gian, dư thừa hình học, dư thừa trong ảnh) được đặt ra để phân biệt sự phụ thuộc này của pixel. Ta dùng độ dư thừa pixel để chỉ tất cả các tên trên. Để giảm độ dư thừa trong pixel của một ảnh, dãy pixel hai chiều dùng cho việc nhìn và nội suy phải được biến đổi thành một dạng có hiệu quả hơn. Trong các phương pháp nén ảnh người ta thường sử dụng phương pháp biến đổi Cosin rời rạc (DCT) để biến đổi pixel từ miền không gian sang miền tần số, bằng cách này sẽ giảm được độ dư thừa dữ liệu trong pixel ở miền tần số cao. II.2.3.Dư thừa tâm sinh lý. Bẳng trực quan ta thấy, sự thu nhận cường độ sáng của mắt người thay đổi chỉ giới hạn trong một phạm vi nhất định. Hiện tượng này xuất phát từ sự thật là mắt không đáp ứng với cùng độ nhạy của các thông tin nhì thấy. Thông tin đơn giản có tầm quan trọng ít hơn thông tin khác trong vùng nhìn thấy. Thông tin này được gọi là độ dư thừa tâm sinh lý nhìn. Nó có thể được loại bỏ mà không ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng ảnh. Khác với độ dư thừa mã và độ dư thừa trong pixel, độ dư thừa tâm sinh lý có liên quan đến thông tin định hướng, nó quan trọng tới việc lượng tử hoá. Điều đó có nghĩa là ánh xạ một khoảng cách rộng các giá trị đầu vào lên một số hữu hạn các giá trị đầu ra. Đó là toán tử không đảo ngược (mất thông tin) cho kết quả nén số liệu có tổn hao. III.Các phương pháp nén. Các hệ thống nén là sự phối hợp của rất nhiều các kỹ thuật xử lý nhằm giảm tốc độ bit của tín hiệu số mà vẫn đảm bảo chất lượng ảnh. Có 2 kỹ thuật nén là nén không tổn hao và nén có tổn hao. III.1.Nén không tổn hao. Nén không tổn hao là quá trình nén không mất thông tin, cho phép phục hồi lại đúng tín hiệu ban đầu sau khi giải nén. Đây là quá trình mã hoá có tính thuận nghịch. Hệ số nén phụ thuộc vào chi tiết ảnh được nén. Hệ số nén của phương pháp này luôn nhỏ hơn 2:1 Các kỹ thuật nén không mất thông tin bao gồm: III.1.1.Mã hóa với độ dài từ mã thay đổi (VLC) Phương pháp này còn được gọi là mã hoá Huffman và mã hoá entropy, dựa trên tính thống kê của tín hiệu, khả năng xuất hiện của các giá trị biên độ trùng hợp trong một bức ảnh và thiết lập một từ mã ngắn cho các từ mã có tần suất hiện cao nhất, và từ mã dài cho các giá trị còn lại. Khi thực hiện giải nén, các thiết lập mã trùng hợp sẽ được sử dụng để tạo lại giá trị tín hiệu ban đầu. Mã hoá và giải mã Huffman có thể được thực hiện một cách dễ dàng bằng cách sử dụng các bảng tìm kiếm. III.1.2.Mã hoá với độ dài của từ mã động (RLC) Phương pháp này dựa trên sự lặp lại của cùng một giá trị mẫu để tạo ra các mã đặc biệt biểu diễn sự bắt đầu và kết thúc của giá trị được lặp lại. Chỉ có các mẫu có giá trị khác 0 mới được mã hoá. Số mẫu có giá trị bằng 0 sẽ được truyền đi dọc theo cùng dòng quét. Cuối cùng, các chuổi 0 được tạo ra bằng quá trình giải tương quan như phương pháp DCT hay DPCM. III.1.3.Sử dụng khoảng xoá dòng và mành. Vùng thông tin xoá được loại bỏ khỏi dòng tín hiệu để truyền đi vùng thông tin tích cực của ảnh. Theo phương pháp này, thông tin xoá dòng và mành sẽ không được ghi giữ và truyền đi. Chúng được thay bằng các dữ liệu đồng bộ ngắn hơn tuỳ theo ứng dụng. II.1.4.Biến đổi cosin rời rạc (DCT) Quá trình DCT thuận nghịch được coi là không mất thông tin nếu độ dài từ mã hệ số 13 hoặc 14 băng tần đối với dòng Video số sử dụng 8 bit biểu diễn mẫu. Nếu độ dài từ mã hệ số nhỏ hơn hệ số của phép biến đổi DCT nhỏ hơn thì quá trình này trở nên có mất thông tin. Trong kỹ thuật truyền hình, để nén có hiệu quả người ta thường kết hợp hai phương pháp nén không tổn hao với nén có tổn hao. III.2.Nén có tổn hao. Nén có tổn hao chấp nhận mất mát một ít thông tin để gia tăng hiệu quả nén, nó rất thích hợp với nguồn thông tin là hình ảnh và âm thanh. Nó cho tỷ lệ nén ảnh cao để có thể truyền dẫn, phát sóng. Đồng thời cũng cho một tỷ lệ nén thích hợp cho xử lý và lưu trữ ảnh trong studio. Nén tổn hao thực hiện theo 3 bước: -Bước 1: biến đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số bằng cách sử dụng các thuật toán biến đổi cosin rời rạc DCT. Bước này thực hiện việc giảm độ dư thừa của pixel trong ảnh, tuy nhiên quá trình này không gây tổn hao tín hiệu. -Bước 2: Thực hiện lượng tử hoá các hệ số DCT, làm tròn các số liệu. Việc mất mát số hiệu xảy ra ở giai đoạn làm trơn này. -Bước 3: Nén số liệu đã biến đổi và làm trơn bằng cách mã hoá entropy, ở đây dùng các mã không tổn hao như mã Huffman, RLC... IV.Các loại mã dùng trong nén. I.1.Mã RLC (Run – length Coding). RLC là loại mã xây dựng trên cơ sở sử dụng số lần lặp lại của các điểm ảnh. RLC tách chuỗi các giá trị giống nhau và biểu diễn như là một tổng. Khi dãn giá trị này tạo lại số lần biểu diễn tổng. Kỹ thuật này chỉ có thể áp dụng cho các chuỗi symbol tuyến tính. Do đó, khi áp dụng cho số hiệu ảnh hai chiều, hình ảnh được tách thành một chuỗi các dòng quét. Một loại cải biên của mã RLC là mã VLC (mã có độ dài thay đổi được), mã này dùng để biểu diễn các giá trị symbol cũng như độ dài chạy. Cách thực hiện là tính phân bố xác suất của các độ dài chạy và các giá trị symbol. RLC không thích hợp trực tiếp cho các ảnh tự nhiên có tông ảnh liên tục được mã hoá bằng một quá trình số hoá tuyến tính, vì RLC phải nén tập số liệu có bước chạy tương đối lớn giống nhau, trong khi đó ảnh có tông liên tục có tần số không gian thấp, việc thay đổi các vùng rộng được làm đầy bằng các giá trị pixel giống nhau là tương đối nhỏ. RLC tự nó sẽ không cho các mức nén có ý nghĩa. RLC được dùng kết hợp với các kỹ thuật khác như các chuẩn nén JPEG, MPEG sẽ cho kết quả nén tốt. RLC được dùng cho các hệ số lượng tử hoá tốt hơn là dùng trực tiếp cho số liệu ảnh. II.2.Mã Shannon-Fano. Mã này dựa trên xác suất xuất hiện của những symbol nguồn bên trong một lượng thông tin. Phương pháp này sử dụng những từ mã có độ dài thay đổi để mã hoá các symbol nguồn thông qua xác suất của chúng. Với những symbol có xác suất xuất hiện càng lớn thì từ mã dùng để mã hoá chúng càng ngắn. II.3.Mã Huffman. Mã Huffman thuộc loại mã entropy hoặc mã thống kê. Tư tưởng chính là dùng mã VLC, sử dụng ít bit để mã hoá các giá trị hay xảy ra, và nhiều bit để mã hoá các giá trị xảy ra. Từ đó tốc độ bit sẽ giảm đáng kể. Nói chung, mã Huffman sẽ đạt hiệu suất thấp nếu xác suất xuất hiện các phần tử gần nhau. Ngược lại hiệu suất cao nếu xác suất xuất hiện cách xa nhau. Trên thực tế mã Huffman được phát triển trên một tập ảnh, nhưng sau đó được áp dụng trên các ảnh khác, mỗi ảnh có phân bố xác suất symbol riêng của nó. Do đó, mã Huffman không cần tối ưu cho ảnh đặc biệt nào. III.4.Mã dự đoán (DPCM) Phương pháp mã dự đoán hay còn gọi là điều xung mã vi sai (DPCM). Phương pháp này không mã hoá biên độ thông tin ở mỗi mẫu, mà chỉ mã hoá các thông tin có biên độ chênh lệch giữa mẫu đã cho và mẫu dự báo. Do phân bố chênh lệch về biên độ điểm ảnh có đồ thị hình chuông xung quanh điểm 0. Nếu dựa trên các đặc trưng thống kê ảnh, thì sự khác nhau này là không lớn lắm, do vậy để mã hoá nó chỉ cần giảm một số ít bit là đủ. Phương pháp mã hoá dự đoán còn sử dụng đặc điểm của mắt người và cho phép dùng đặc trưng phi tuyến về lượng tử hoá. Sau đây là sơ đồ mã hoá và giải mã DPCM. Sơ đồ bộ mã hoá: Bộ lượng tử Mã hoá entropy Kênh Bộ dự đoán Tín hiệu Video số ồ e e ồ + - P V’ + - Sơ đồ bộ giải mã Giải mã entropy Đầu ra giải mã Bộ dự đoán Kênh tín hiệu ồ eq + - P + V’ Nhằm tránh các lỗi có thể xuất hiện trong khi truyền, một mẫu đầy đủ được gửi đi theo chu kỳ nhất định, cho phép cập nhật được các giá trị chính xác. Mã hoá DPCM cũng sử dụng thêm các kỹ thuật dự đoán và lượng tử hoá thích nghi để hoàn thiện thêm kỹ thuật nén này. II.4.1.DPCM trong mành (intraframe DPCM). Tín hiệu dự báo được tạo từ các mẫu nằm trong cùng một mành, các mẫu được biến đổi nằm trên cùng một dòng quét (mã giưa các pixel) và cùng với các dòng quét lân cận (mã giữa các dòng). Việc tạo tín hiệu dự báo của DPCM trong mành dựa trên mối liên kết giữa các điểm ảnh. Các công trình nghiên cứu cho thấy hệ số liên kết giảm nhanh khi đi xa điểm ảnh quan sát theo chiều ngang (các pixel trên cùng một dòng) và theo chiều đứng (các pixel của dòng kề nhau). Do đó khi tạo tín hiệu dự báo cần chú ý đến các mẫu tín hiệu nằm kề nhau. Tín hiệu dự báo có thể là hàm tuyến tính hoặc có thể là hàm phi tuyến của các mẫu lân cận. Việc tạo tín hiệu dự báo phi tuyến đòi hỏi thiết kế mạch phức tạp hơn, do đó trong thực tế không dùng cho tín hiệu Video. III.4.2. DPCM giữa các mành. Tín hiệu dự báo được tạo trên cơ sở các mẫu nằm ở các mành kề nhau trước đó. Phương pháp DPCM giữa các mành tận dụng quan hệ chặt chẽ giữa các mành kề nhau của ảnh và đặc trưng của mắt (nhạy méo với ảnh tĩnh hơn ảnh động). Nghiên cứu thống kê về cấu trúc ảnh cho thấy rằng sự khác nhau giữa các ảnh kề nhau là không lớn lắm. Để tạo lại một ảnh trung thực chỉ cần truyền các điểm ảnh làm biến đổi và khôi phục lại (tại phiá thu) tất cả các điểm ảnh còn lại từ mành trước hoặc ảnh trước trong bộ nhớ. Phương pháp DPCM giữa các mành thuận lợi cho truyền hình thoại. Vì tín hiệu truyền hình thoại có đặc điểm là ảnh chuyển động ít, tốc độ chuyển động chậm, do đó vùng ảnh rộng, ít hay đổi giữa các mành kề nhau. Phương pháp cơ bản của DPCM giữa các mành là mã hoá trực tiếp vi sai giữa các mành kề nhau. Đặc trưng lượng tử là phi tuyến nên sự chênh lệch nhỏ giữa các mức sẽ được khôi phục với độ chính xác cao hơn so với mức chênh lệch lớn. Điều đó khẳng định việc khôi phục một cách chính xác các vùng ảnh rộng, chuyển động chậm (mà trên đó tất cả các méo rất dễ nhận biết). Ngược lại, tại vùng ảnh có nhiều chuyển động, khi khôi phục lại sẽ kém chính xác hơn vì do đặc điểm của mắt người, độ phân giải của ảnh có thể thấp hơn. Các loại DPCM thường dùng nhất: III.4.2.1.Intraframe DPCM. Đây là phương pháp lấy mẫu từ phần ảnh chuyển động, chỉ truyền các phần ảnh chuyển động và khôi phục các điểm ảnh còn lại bằng trị trung bình các ảnh được truyền. III4.2.2.Phương pháp làm đầy có chọn lọc (Selective replenishment) Phương pháp đan chéo các mành còn gọi là phương pháp làm đầy có chọn khi ảnh truyền ít chuyển động và tốc độ thấp. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc chỉ truyền phần điểm ảnh được chọn ở mỗi mành và nhận ảnh có độ chiếu sáng lâu. III.4.2.3 Phương pháp chia thành những phần ảnh chuyển động và tĩnh. Phương pháp này là sự kết hợp của phương pháp làm đầy có chọn lọc và phương pháp lấy mẫu từng phần trong ảnh chuyển động cùng với DPCM giữa mành với dự báo 1 phần tử. Mỗi ảnh được chia thành phần tử chuyển động và phần tử tĩnh, đối với phần ảnh tĩnh dùng phương pháp làm đầy có chọn lọc; đối với các phần tử ảnh động thì sử dụng phương pháp lấy mẫu từng phần. III.5.Mã chuyển vị (Transform Coding). Đối với việc mã hoá riêng rẽ từng điểm một sẽ không đạt được hiệu quả bởi vì không tận dụng hết được mối quan hệ giưã các khối điểm trong ảnh số. Phương pháp mã chuyển vị là một cách có hiệu quả trong việc mã hoá khối điểm thông qua biến đổi tuyến tính các điểm này thành các hệ số chuyển vị và mã hoá các hệ số chuyển vị đó. Trong hệ thống PCM (tuyến tính) và DPCM người ta căn cứ vào biên độ tín hiệu để thực hiện, còn trong mã chuyển vị thì dựa vào việc chuyển đổi tin hiệu từ miền thời gian sang miền tần số. ở đây không dùng phép biến đổi Fourier vì nó không phù hợp, mà người ta dùng phép biến đổi tuyến tính. Phương pháp gồm các bước như sau: Chia ảnh thành các khối tiểu ảnh với kích thước nxn. Biến đổi tuyến tính các phần tử (mẫu) của tín hiệu mỗi tiểu ảnh. Mã hoá các phần tử của tín hiệu. Hệ thống mã hoá và giải mã mã chuyển vị: Tạo ảnh nxn ảnh con Biến đổi thuận Lượng tử hoá Symbol encoder ảnh đã nén ảnh nén NxN Symbol decoder Biến đổi ngược ảnh đã nén Tạo hợp nxn ảnh con ảnh đã giải nén a)Mã hoá b)Giải mã Trong mã chuyển vị, bước đầu tiên là phải chọn một chuyển đổi thích hợp để giảm sự đối lập giữa các điểm trong khối một cách hiệu quả. Mặc dù bản thân quá trình chuyển đổi này không làm giảm tốc độ bit đi chút nào nhưng nó có hiệu quả trong việc giảm dữ liệu trong quá trình lượng tử hoá. Hay nói cách khac, quá trình chuyển đổi thành mã chuyển vị không hề xảy ra nén dữ liệu mà chỉ là bước chuẩn bị cho việc giảm dữ liệu trong quá trình lượng tử hoá. Sau khi chọn được biến đổi trực giao thì bước quan trọng nhất là xác đinh bit chỉ định và thiết kế hệ thống lượng tử hóa cho các hệ số này để toàn bộ quá trình nén dữ liệu được thực hiện tại đây. Bước cuối cùng là sử dụng mã entropy để giảm tốc độ dữ liệu. Mục đích của việc chia ảnh thành các ảnh con nxn là để tách liên kết các pixel của từng ảnh con hoặc gói càng nhiều thông tin và một số ít các hệ số biến đổi. Sau đó trạng thái lượng tử hoá tách có chọn lọc hoặc lượng tử hoá thô hơn các hệ số mang tin ít nhất, Các hệ số này ít ảnh hưởng tới chất lượng ảnh con được khôi phục. Quá trình mã hoá xác định các hệ số lượng tử hoá được thực hiện bằng mã VLC. Chọn chuyển vị (biến đổi): các hệ thống mã chuyển vị (biến đổi) trên cơ sở biến đổi Karhuman Loeve (KLT), DFT, DTC, Walsh – hadamard (WHT). Việc chọn một chuyển vị cụ thể cho 1 ứng dụng nhất định phụ thuộc vào mức sai số khôi phục của nó và có thể tính bằng máy tính. Có thể nén trong khi lượng tử hoá các hệ số biến đổi (nhưng ngoài thời gian chuyển vị). Hầu hết các hệ thống mã chuyển vị trên thực tế đều dựa trên cơ sở DCT, nó cho phép phối hợp tốt giữa khả năng gói thông tin và độ phức tạp tính toán. Một đặc tính quan trọng của DCT so với các biến đổi sin khác là: nếu như biến đổi DFT sẽ dẫn đến liên kết không liên tục trong nội dung cần chuyển vị các thành phần tần số cao và nếu các hệ số này được trung chuyển, lượng tử hoá thì sẽ gây ra hiện tượng Gibbs và gây ra sai số. Còn DCT không tạo ra sự rời rạc trong liên kết, do đó nó hạn chế được sai số do Gibbs gây ra. Phương pháp này tập trung vào một số các hệ số chuyển vị mà không phải là các điểm ảnh của ảnh gốc và lượng thông tin chỉ trong một số ít các hệ số chuyển vị. Như vậy số bit dùng cho quá trình chuyển vị sẽ ít đi. Một lý do nữa là do hệ thống thị giác của con người không nhận biết được hoàn toàn các chi tiết của ảnh khi các chi tiết đó biến đổi nhanh so với các chi tiết biến đổi chậm, do vậy, để mã hoá các hệ số chuyển vị ở tần số cao ta chỉ cần một số it bit mà chất lượng hình ảnh vẫn cao. Trong hệ chuyển vị hai chiều cho các ảnh số, dựa trên cơ sở tương quan giữa các mẫu trên dòng hình. Trước tiên một khối được chia thành nhiều khối hình chữ nhật với kích thước pxq. Sau đó các khối này được chuyển vị và các hệ số thu được sau quá trình chuyển vị được lượng tử hoá và mã hoá. Phương pháp chuyển vị xuất hiện méo do việc chia ảnh thành các khối ảnh con, kết quả gây nhòe và phản xạ ở các khối ảnh con. V.Nén trong ảnh. 1.Nguyên lý nén trong ảnh. Sơ đồ nguyên lý quá trình nén trong ảnh. Tiền xử lý DCT thuận Lượng tử hoá Mã hoá entropy Mạch trộn Khuyếch đại đệm Tín hiệu ảnh nén Nguồn ảnh Bảng lượng tử Điều khiển tốc độ Sơ đồ nén trong ảnh Nén trong ảnh là loại nén nhằm làm giảm bớt thông tin dư thừa trong miền không gian. Nén trong ảnh sử dụng cả hai quá trình nén có tổn hao và nén không tổn hao để giảm bớt dữ liệu trong một ảnh. Quá trình này không sử dụng của các ảnh trước và sau ảnh đang xét. Thuật ngữ ảnh ở đây cần được hiểu một cách chính xác, bởi vì trong kỹ thuật nén ảnh cho phép sử dụng hoặc mành (fied) hoặc ảnh (frame) như một ảnh gốc. Nếu kỹ thuật nén dùng mành thì nén trong ảnh sẽ tạo ra hai ảnh trong mỗi ảnh. 2.Tiền xử lý. Trước khi thực hiện biến đổi DCT, cả ảnh được chia thành các khối lớn riêng biệt không chồng nhau (khối MB). Mỗi MB bao gồm 4 block các mẫu tín hiệu chói (Y) và 2:4 hoặc 8 block các mẫu tín hiệu số màu (CR, CB). Số các block phụ thuộc vào các loại chuẩn Video. 0 2 1 3 4 5 0 2 1 3 4 6 5 7 0 2 1 3 4 6 8 10 5 7 9 11 c)4:4:4 b.4:2:2 a)4:2:0 (4:1:1) a)Cấu trúc các block tín hiệu chói (quét liên tục) b)Cấu trúc các block tín hiệu chói (quét xen kẽ) Tất cả các block có cùng kích thước và mỗi block là một ma trận điểm ảnh kích thước 8 x 8 được lấy từ một ảnh màn hình theo chiều từ trái sang phải, từ trên xuống dưới. Cấu trúc của MB cũng phụ thuộc vào loại quét ảnh. Nếu quét liên tục thì các block bao gồm các mẫu từ các dòng liên tục (lúc này quét theo ảnh frame). Ngược lại trong trường hợp quét xen kẽ, trong một block chỉ gồm các mẫu của một nửa ảnh (nén theo mành- field. Việc chia thành ảnh con chỉ thực sự có ý nghia cho bước chuyển vị tiếp theo. 3.Biến đổi cosin rời rạc (DCT). Công đoạn đầu tiên của hầu hết các quá trình nén là xác định các thông số tin dư thừa trong miền không gian của một mành hoặc một ảnh của tín hiệu vi deo. Nén không gian được thực hiện bởi phép biến đổi DCT (Discrete Cosine Tranform). DCT biến đổi dữ liệu dưới dạng biên độ thành dữ liệu dưới dạng tần số. Mục đích của quá trình biến đổi là tách liên kết của từng ảnh con, hoặc gói càng nhiều năng lượng của ảnh con vào một phần nhỏ các hệ số hàm truyền. Việc mã hoá và truyền chỉ thực hiện đối với các hệ số năng lượng này, và có thể cho kết quả tốt khi tạo lại tín hiệu Video có chất lượng cao. DCT đã trở thành tiêu chuẩn quốc tế cho các hệ thống mã chuyển vị bởi nó có đặc tính gói năng lượng tốt, cho kết quả là số thực và có thuật toán nhanh để thực hiện chúng. Các phép tính DCT được thực hiện trong phạm vi các khối 8 x8 mẫu tín hiệu chói Y và các khối tương ứng của tín hiệu màu. Việc chia hình ảnh thành các block đã được thực hiện ở khối tiền xử lý. Hiệu quả của việc chia này rất dễ thấy và đó là một trong các hướng quan trọng của mã hoá có chất lượng cao. Nếu tính toán DCT trên toàn bộ frame thì ta xem toàn bộ frame có độ dư thừa là như nhau. Nhờ đặc tính thay đổi của các ảnh khác nhau và các phần khác nhau của cùng một ảnh, ta có thể cải thiện một cách đáng kể việc mã hoá nếu biết tận dụng. Vì vậy, để sử dụng các đặc tính thay đổi của các phần tử dư thừa trên cơ sở mở rộng không gian của ảnh, DCT được tính trên các MB và mỗi MB được xử lý riêng biệt. Để hiểu biết ứng dụng của DCT trong nén ảnh, ta tìm hiểu thuật toán biến đổi cosin rời rạc. DCT là toán tử dùng để tính các thành phần tần số của một tín hiệu được lấy mẫu tại một tốc độ lấy mẫu. 4.Lượng tử hoá. Bước tiếp theo của quá trình nén là lượng tử hoá các hệ số F(u,v) sao cho giảm được số lượng bit cần thiết. Vì các hệ số có giá trị khác nhau, cho nên các hệ số riêng có thể tính bằng các phương pháp khác nhau. .... .... . Bảng lượng tử 8x8 Lượng tử hoá theo trọng số F0,0/Q0,0 Fq(u,v) Q(u,v) F0,0 F0,1 F1,0 F1,1 .... .... .... F(u,v) Các hệ số ứng với tần số thấp có giá trị lớn hơn, và như vậy nó chứa phần năng lượng chính của tín hiệu, do đó phải lượng tử hoá với độ chính xác cao. Riêng hệ số một chiều đòi hỏi chính xác cáo nhất, vì nó biểu hiện độ chói trung bình của từng khối phần tử ảnh. Bất kỳ một sự sai sót nào trong quá trình lượng tử hoá, hệ số một chiều đều có khả năng nhận biết dễ dàng, vì nó làm thay đổi độ chói trung bình của khối. Ngược lại, với các hệ số tương ứng với tần số cao và có các giá trị nhỏ, thì biểu hiện bằng tập các giá trị nhỏ hơn hẳn các giá trị cho phép. Quá trình này có thể thực hiện bằng cách cho những khoảng cách giữa các bước lượng tử hoá thay đổi theo hệ số. Lượng tử hoá được thực hiện bằng việc chia các hệ số F(u,v) cho các hệ số ở vị trí tương ứng trong bảng lượng tử Q(u,v) để biểu diễn số lần nhỏ hơn các giá trị cho phép của hệ số DCT. Các hệ số có tần số thấp được chia cho các giá trị nhỏ, các hệ số ứng với tần số cao được chia cho các giá trị lớn hơn. Sau đó các hệ số được làm tròn (bỏ đi các phần thập phân). Các giá trị F(u,v) sẽ được mã hoá trong các công đoạn tiếp theo. Cần phải xác định là trong quá trình lượng tử có trọng số có xảy ra mất thông tin, gây tổn hao. Đây là bước gây tổn hao duy nhất trong kỹ thuật nén. Mức độ tổn hao phụ thuộc vào giá trị các hệ số trên bảng lượng tử. Nhiễu lượng tử đối với tín hiệu màu khó nhìn thấy hơn đối với tín hiệu chói, cho nén có thể thực hiện lượng tử hóa thô tin hiệu màu. Như vậy, khối lượng DCT đóng vai trò quan trọng trong quá trình lượng tử hoá khi thiết kế hệ thống nén Video vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến việc khôi phục chất lượng hình ảnh tốt hay xấu. Việc dùng các mã biến đổi sao cho thu được kết quả tốt tuỳ thuộc vào thành phần tần số biến đổi chi tiết ánh sáng từng vùng trong miền không gian ảnh. Các ảnh càng chi tiết thì hệ số thành phần tần số cao càng lớn, nếu hệ số trong các bảng lượng tử tương ứng quá thấp có thể dẫn đến tràn bộ đệm. Một thông tin hồi tiếp về bộ đệm cho phép điều khiển một hệ số cân bằng, qua đó điều khiển tối ưu trạng thái của bộ đệm. Hệ số cân bằng này chỉ đưa vào các thành phần AC mà thôi. Hệ số cân bằng là một hằng số trong một cấu trúc khối cơ bản chứa đựng hai khối màu và một số thay đổi về khối chói phụ thuộc vào cấu trúc ảnh ban đầu. 5.Mã hoá entropy. Các giá trị lượng tử hoá có thể chỉ biểu diễn nhờ các từ mã có độ dài cố định hay đồng đều, tức là các giá trị lượng tử hoá biểu diễn cùng một số bit. Tuy nhiên hiệu quả mã hoá không cao. Để cải thiện người ta dùng mã hoá entropy. Mã hoá entropy dùng đặc tính thống kê của tín hiệu được mã hoá. Khi dùng mã hoá entropy có hai vấn đề được đặt ra: -Thứ nhất : mã hoá entropy làm tăng độ phức tạp và yêu cầu bộ nhớ lớn hơn so với mã độ dài cố định. -Thứ hai: mã hoá entropy gắn liền với tính không ổn định của tín hiệu Video sẽ làm tốc độ bit thay đổi theo thời gian. Do đó cần có một cơ cấu điều khiển bộ đệm khi mã hoá nguồn tốc độ bit biến đổi được ghép với kênh có tốc độ không đổi. VI.Nén liên ảnh. 1.Mô hình. Một tính chất của tín hiệu Video là chứa thông tin dư thừa trong miền thời gian. Có nghĩa là, trong một chuổi ảnh liên tục, lượng thông tin chứa trong mỗi ảnh sẽ thay đổi rất ít từ ảnh này sang ảnh khác. Tính toán sự dịch chuyển vị trị của nội dung hình ảnh là một phần rất quan trọng trong kỹ thuật nén liên ảnh. Mô hình nén liên ảnh như sau: Bù chuyển động Nén trong ảnh ảnh nén Nguồn ảnh Một chuổi Video là một chuổi ảnh tính được hiện ra với tốc độ nhanh sẽ cho cảm giác chuyển động liên tục. Mặc dù các frame có sự khác nhau, cần thiết phải có một tốc độ frame cao để đạt được cảm giác chuyển động thực sự. Từ đó tạo ra nhiều độ dư thừa tạm thời giữa các frame kề nhau, sự bù chuyển động chính là để loại bỏ phần dư thừa này. Sau quá trình bù chuyển động, để tăng hiệu quả nén cần sử dụng kỹ thuật nén trong ảnh để xử lý độ dư thừa trong không gian trong phần thừa của bù chuyển động. 2 Xấp xỉ và bù chuyển động. Nhiều thay đổi về cường độ sáng từ frame này đến frame kế tiếp là do chuyền động của đối tượng. Trong mã bù chuyển động, frame hiện tại được dự báo từ frame trước đó băng cách xấp xỉ chuyển động giữa hai frame và bù chuyển động đó. Sự khác nhau giữa frame hiện tại và frame trước đó gọi là phần dư thừa của bù chuyển động và phần dư thừa này sẽ được mã hoá. Đối với một chuổi Video bình thường , đặc trưng về năng lượng của phần dư thừa thấp hơn rất nhiều so với năng lượng trong tín hiệu Video gốc do loại bỏ thành phần dư thừa tạm thời. Mã hoá phần dư thừa thay vì mã hoá Video giúp đảm bảo thông tin dư thừa tạm thời không bị mã hoá lặp lại. Như vậy, việc xác định phần ảnh động là “xấp xỉ chuyển động”. Quá trình khôi phục một ảnh bằng cách dùng các phần tử ảnh trước cùng với thông tin về chuyển động chính là bù chuyển động. Sự đánh giá chuyển động có thể là toàn frame. Để thực hiện tối ưu, chia mỗi frame thành các khối (8x8 pixel) sau đó mới đánh giá chuyển động cho từng khối. Việc đánh giá toàn bộ chuyển động frame sẽ gây ra hai vấn đề sau: -Thời gian dùng để theo dõi một vùng ảnh rộng của ảnh cho vector chuyển động được tính toán. -Các khối chuyển động dẫn đến việc xác định cái gì để đặt vào không gian trống (do khối chuyển động). Sử dụng xấp xỉ và bù chuyển động là để thay thế hai yêu cầu trong hệ thống mã/ giải mã. Đầu tiên bộ giải mã phải lưu ảnh trước trong khi tạo ảnh tiếp theo. Sau đó, bộ mã hóa phải tạo lại mỗi ảnh sau khi mã hoá nó để dự báo cho bộ giải mã tạo ảnh như thế nào. Điều này cần thiết vì bộ giải mã không có bất kỳ một ảnh gốc nào có thể tạo lại khối bù chuyển động. Vị trí khối trước đó Vùng tìm kiếm Vị trí khối hiện tại Vector chuyển động Vị trí khối 8x8 pixel Một phương pháp dự đoán để tìm ra các chi tiết ảnh thay thế giữa hai khung hình liền nhau và tạo ra một vector chuyển động chỉ ở vị trí của chi tiết ảnh này trong khung hình tương ứng. Theo đó, vector chuyển động sẽ phối hợp với tất cả các khối được nén trong khung hình trước đó mà khối các điểm ảnh này được lặp lại tại một vị trí mới. Vector chuyển động giữa 2 khung hình liền nhau Có nhiều phương pháp khác nhau để xác định vector thay thế, một trong số các phương pháp này có tên gọi là phối hợp các khối (block matching). Khối số liệu điểm ảnh được lựa chọn , gọi là khối tham chiếu, trong khung hình hiện tại chuyển động trong khung hình trước đó. Các giá trị DCT tham chiếu được so sánh với các giá trị khối 8x8 điểm trong vùng tìm kiếm để tìm ra khối thích hợp nhất, tương ứng khi sự sai khác là nhỏ nhất. Khi đó vector xác định khoảng cách giữa vị trị tham chiếu và vị trí phối hợp đã tìm thấy được tạo ra. Thông tin số liệu về vector chuyển động được truyền tới cùng với khối hệ số DCT sai lệch. Để giảm quá trình tính toán vector chuyển động, độ phân giải của ảnh có thể được giảm xuống theo cả 2 chiều ngang và chiều đứng. Bằng cách này có thể giảm số bit cần xử lý và dự đoán các phần chính được thay thế trong khung hình. Ví dụ một ảnh với độ phân giải đầy đủ là 720 x 480 có thể giảm đến mức 360 x 240. ảnh với độ phân giải thấp có thể dùng cho vùng dự đoán lớn hơn. Đầu tiên,một dự đoán chuyển động gần đúng sẽ được tiến hành trên các ảnh có độ phân giải thấp này. Sau đó, một phép dự đoán vector chuyển động chính xác sẽ thực hiện tính toán vị trí thay thế chính xác của đối tượng giữa hai khung hình. Quá trình dự báo sẽ thực hiện qua nhiều bước để thu được dự báo chính xác cuối cùng. Đối với các đối tượng chuyển động nhỏ có thể bỏ qua trong giai đoạn dự đoán chuyển động gần đúng, do đó vector dự đoán sẽ mang sai số. Trường hợp này sẽ sử dụng các khối nhỏ hơn. Với một vùng thay thế có kích thước lớn, sai số trong quá trình phối hợp sẽ trở nên lớn hơn giữa các khối có cùng mức xám song không có liên hệ về chuyển động. Hơn nữa, nhiều những kiểu chuyển động trong bức ảnh có thể tạo ra sự xung đột trong vùng tìm kiếm. Để giải quyết vấn đề này có sự phân chia trong việc phối hợp các khối. 3.Tốc độ truyền sau khi nén. Ta có mối quan hệ giữa tốc độ truyền C băng tần kênh truyền W: W ³ C (W:MHz; C : Mbit/s) Dưới đây thống kê tốc độ truyền của các loại ảnh: -ảnh tĩnh: 1,2 á9,6 kbit/s -ảnh chuyển động chậm: 12 á40 kbit/s -Truyền hình thoại : 58 á2000kbit/s -Truyền hình đen trắng: 70 á108 Mb/s -Truyền hình màu: 216 Mb/s -Truyền hình HĐTV : 1,1 á 2,3Gb/s Sau khi sử dụng các thuật toán nén Video, thì tốc độ truyền của tín hiệu hình được giảm đi đáng kể ,có nghĩa là độ rộng dải thông cũng giảm đi. -C = 2 á 13 Mb/s - Dải thông W: 1,5MHz á 9 MHz Như vậy do ưu điểm như vậy cho nên việc truyền tín hiệu truyền hình số có nén Video hiện đang được sử dụng rộng rãi cho hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao. Chất lượng đường truyền cao, tiết kiệm băng tần. VII. Các chuẩn MPEG 1. Giới thiệu chung về chuẩn MPEG. Chuẩn MPEG ( Moving Picture Expert Group) là chuỗi chuẩn video với mục đích là mã hoá tín hiệu hình ảnh và âm thanh cho DSM (Digital Storage Media) tốc độ từ 1,5 đến 50 Mbit / s và được biết đến như là MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4,...Các chuẩn MPEG tiến tới tối ưu hoá cho các ứng dụng video động và các đặc điểm của nó cũng bao gồm một thuật toán cho việc nén dữ liệu Audio với tỷ lệ là 5:1 cho tới 10:1. Trong chuẩn MPEG, người ta định nghĩa các loại ảnh khác nhau cho phép sự linh hoạt để cân nhắc giữa hiệu quả mã hoá và truy nhập ngẫu nhiên . Các loại ảnh đó như sau: 1.1. ảnh loại I ( Intra-picture). Là ảnh được mã hoá riềng. ảnh I có chứa đựng dữ liệu để tái tạo lại toàn bộ hình ảnh vì chúng được tạo thành bằng thông tin của chỉ một ảnh . ảnh I cho phép truy cập ngẫu nhiên, tuy nhiên đạt được tỷ lện nén thấp nhất. 1.2. ảnh loại P (Predicted - Picture). Là ảnh mã hoá có bù chuyển động từ ảnh I hoặc ảnh P phía trước (ảnh dự đoán trước). ảnh P cung cấp các hệ số nén cao hơn ảnh I. 1.3. ảnh loại B (Bidiretional Predcited-picture). Là ảnh được mã hoá sử dụng bù chuyển động từ ảnh I và ảnh P phía trước và phía sau (ảnh dự đoán hai chiều). ảnh B có tỷ lệ nén cao nhất. Sơ đồ khối quá trình mã hoá và giải mã chuẩn MPEG. 1.4 Nhóm ảnh (GOP). Đối với chuẩn MPEG, chất lượng ảnh không những phụ thuộc vào tỷ lệ nén trong từng khuôn hình mà còn phụ thuộc vào độ dài của nhóm ảnh. Nhóm ảnh (Group Of Picture) là một khái niệm cơ bản của MPEG. GOP là đơn vị mang thông tin độc lập của MPEG. Công nghệ MPEG sử dụng 3 loại ảnh I,P,B. Trong đó ảnh P, B không phải là một ảnh hoàn chỉnh, mà chỉ chứa thông tin về sự khác biệt giữa ảnh đó và ảnh trước nó (đối với ảnh P), hay sự khác biệt với cả ảnh trước và ảnh sau nó (đối với ảnh B). Để có một khuân hình hoàn chỉnh, ảnh P và ảnh B cần có dữ liệu từ các ảnh lân cận, vì vậy MPEG đã đưa ra khái niệm GOP. Mỗi GOP bắt buộc phải bắt đầu bằng một ảnh hoàn chỉnh I và tiếp sau đó là một loạt các ảnh P và B. Nhóm ảnh có thể mở (Open) hoặc đóng (closed). Nhóm ảnh mở luôn bắt đầu bằng một ảnh I và kết thúc ở một ảnh trước ảnh I tiếp theo, có nghĩa là ảnh cuối cùng của GOP dùng làm ảnh đầu tiên của GOP tiếp theo làm ảnh chuẩn. Thứ tự hiện ảnh Thứ tự truyền ảnh ảnh 751 7 I 1 1 I 2 3 B 3 4 B 4 2 P 1 1 1 2 3 B 3 4 B 4 2 P 5 6 B 6 7 B GOP GOP Cấu trúc GOP đóng Cấu trúc GOP mở Đối với cấu trúc khép kín, việc dự đoán ảnh không sử dụng thông tin của GOP khác. Trong trường hợp này theo quy định, ảnh cuối cùng của một GOP bao giờ cũng là ảnh P. Nhóm ảnh này được xác định bởi 2 thông số m và n. Thông số m xác định số khung hình P và khung hình B xuất hiện giữa hai khung hình I gần nhau nhất. Số n xác định số khung B giữa hai khung P. Tỷ lệ nén video của MPEG phụ thuộc rất nhiều vào độ dài của GOP. Tuy nhiên GOP dài thường gây khó khăn cho quả trình tua, định vị, sửa lỗi…Do đó tuỳ thuộc vào từng khâu (sản xuất, dựng, truyền dẫn, phát sóng…) mà ta chọn độ dài GOP thích hợp. Trong sản xuất hậu kì, nếu yêu cầu truy cập ngẫu nhiên vào bất cứ ảnh nào, điều đó có nghĩa là yêu cầu truy cập chính xác đến từng ảnh, GOP khi đó chỉ có ảnh loại I, trường hợp này sẽ cho tỷ len nén rất thấp. Để tăng tỷ lệ nén, số lượng ảnh P và B phải tăng lên, lúc này sẽ không cho phép việc sự dựng hình cũng như