Bài giảng Công cụ Multimedia - Phần 3: Các kỹ thuật trong đa phương tiện - Trần Nguyên Ngọc

rí xuất hiện.
 Để mã hoá một câu mới ta chỉ vị trí của câu trong từ điển và chèn thêm ký hiệu mới
vào cuối. 
145
Các phương pháp nén không mất thông tin
 Ví dụ:
Chuỗi ký tự: PQPQPQRPQRPQRPQRPQR
Từ điển:
256 PQ
257 QR
258 PQP
259 PQR
260 PQRPQR
Kết quả mã hoá: 256 256 260 260 259
Tỷ lệ nén: 2 x 5 / 1 x 19 = 53%
 Để giải mã ta cũng phải lập có từ điển và tra cứu ngược lại trong từ điển
146
Các phương pháp nén mất thông tin
 Nhận xét về các phương pháp nén không mất thông tin:
 Tỷ lệ nén trung bình của các phương pháp nén không mất thông tin 
khoảng 40%.
 Các phương pháp này không thích hợp với thông tin Multimedia.
 Nguyên lý nén mất thông tin.
 Dựa vào khả năng cảm nhận của thị giác và thính giác.
 Giữ những thông tin quan trọng trong cảm nhận bằng thị giác và thính
giác.
 Loại bỏ những thông tin dư thừa đối với cảm nhận.
 Nén âm thanh.
 Dựa vào khả năng cảm nhận âm thanh của thính giác:
 Từ 20Hz đến 20KHz.
 Cảm nhận cực đại trong khoảng: từ 2 KHz – 5KHz 
 Các phương pháp DPCM, ADPCM, LPC.
147
Nén âm thanh
 Một số phương pháp nén âm thanh
 PCM (Pulse-Code Modulation)
 DPCM (differential pulse-code modulation)
 ADPCM (Adaptive Differential PCM)
 PASC (Perceptual Audio Sub-band Coding)
 LPC (Linear predictive coding) 
148
Các phương pháp nén mất thông tin
 Phương pháp PCM
 PCM(Pulse Code Modulation). Biểu diễn các tín hiệu số bằng chuỗi
các xung.
 Dùng để mã hóa tương tự - số
 Tuân theo định lý Nyquist-Shannon
149
Nén âm thanh
 Phương pháp DPCM
 Giảm tỷ lệ dữ liệu của PCM bằng cách mã hoá sự khác biệt giữa giá
trị các mẫu. 
 Mã hoá dự đoán: dự đoán mẫu thứ n+1 theo tổ hợp tuyến tính của n 
mẫu tín hiệu trước đó.
 ai là n hệ số dự đoán




1
0
)()(~
n
i
i isans
150
Nén âm thanh
151
Nén âm thanh
 Phương pháp DM (Delta Modulation) :
 Là trường hợp riêng của phương pháp DPCM
 Mã hóa sai khác chỉ dùng 1 bit
 Mã hóa 0 hoặc 1 tùy thuộc vào cường độ tín hiệu xung hiện tại so 
với xung trước đó
 Ưu nhược điểm
 Đơn giản
 Mã hóa ít bit
 Độ chính xác không cao, sai số lớn
 Tỉ lệ SNR thấp
 Phương pháp tăng cường hiệu năng
 Tăng tần số mã hóa
152
 Phương pháp DM (tiếp)
153
Nén âm thanh
 ADPCM(Adaptive Differential PCM): 
 Phương pháp DPCM có hạn chế là : bộ dự đoán và lượng tử hóa là
cố định  hiệu năng thay đổi tùy vào dữ liệu đầu vào
 ADPCM sử dụng các bộ dự đoán và lượng tử hóa thích nghi dựa
vào các dữ liệu đã nhận được trước đó  tối thiểu hóa sự sai khác
giữa mẫu dự đoán và mẫu thực tế
 Bộ dự đoán thích nghi : thay đổi tham số tùy thuộc đầu vào trước đó
 Lượng tử thích nghi : thay đổi các bước lượng tử hóa khác nhau
 ADPCM sử dụng trong các thiết bị CD-i và DVI.
 Chuẩn ADPCM: CCITT G.721.
 Tỷ lệ nén: 4:1 đến 2:1
154
Nén âm thanh
155
Nén âm thanh
 Phương pháp PASC (Perceptual Audio Sub-band 
Coding)
 Là phương pháp dựa trên SBD (Sub-band Coding) : chia một tín hiệu
thành nhiều dải tần con  mã hóa mỗi dải tần riêng biệt
 Mã hóa dự vào cảm nhận âm thanh của con người
 Cảm nhận từ 20Hz – 20kHz
 Nhưng cảm nhận âm thanh không đồng đều ở các tần số khác nhau
 Hiệu ứng che tần số : âm thanh tần số mạnh che âm thanh tần số yếu
 Được sử dụng trong mã hóa âm thanh chuẩn MPEG 1,2,4
 MP3 : MPEG-1 or MPEG-2 Audio Layer III
 Mã hóa dùng 32 băng tần con, mã hóa cảm nhận và Entropy
156
Nén âm thanh
157
Nén âm thanh
 Phương pháp LPC (Linear Predictive Coding)
 Mã hóa tiếng nói dựa vào các tham số  tổng hợp giọng nói
 Dựa vào cấu tạo hình thành âm thanh con người
 Dây thanh quản
 Vòng họng
 Miệng+mũi
 Phân tích và tổng hợp lại các âm con người phát ra
 Ứng dụng :
 Phân tích và tái tạo tiếng nói
 Sử dụng trong việc truyền âm thanh số, mã hóa trong điều kiện tốc độ
thấp
 Sử dụng kết hợp với các kỹ thuật khác
158
159
Nén mất Thông tin: nén ảnh và video
 Ảnh được khôi phục không giống hoàn toàn với ảnh 
gốc 
 Thích hợp cho việc lưu trữ và truyền ảnh tĩnh, video 
qua một mạng có băng thông hạn chế
 Differential Encoding, Discrete Cosine 
Transform(DCT), Vector Quantization, JPEG (Joint 
Photographic Experts Group) và MPEG (Motion 
Picture Experts Group) 
160
Nén ảnh
 Các phương pháp nén ảnh có mất tín hiệu gồm có 4 
bước như hình .
 Sơ đồ cơ bản của bộ mã hoá
 Các bộ mã hoá khối có thể dựa trên hai nguyên tắc 
biến đổi cơ bản: Discrete Cosine Transform (DCT) và
Vector Quantization (VQ) 
161
Nén ảnh
162
Nén ảnh
 Phương pháp nén ảnh JPG:
 Nguyên lý: 4 bước thực hiện
 Biến đổi hệ toạ độ màu.
 Thay đổi các bước lấy mẫu: các điểm được nhóm theo các thông tin về
màu thành các nhóm 2 điểm hoặc 4 điểm.
 Thực hiện phép biến đổi từ miền không gian về miền tần số không gian.
 Lượng tử hóa không đều các hệ số biến đổi
 Sử dụng các thuật toán nén RLE và Huffman.
163
 Biến đổi hệ màu RGB  YCbCr
 Do mắt người nhạy với thành phần Y hơn so với Cb, 
Cr nên giảm số bit lưu trữ Cb, Cr
164
Nén ảnh
165
Nén ảnh
 Ta có thể xác định 64 giá trị chỉ bằng 5 số ngyên nếu ta ap 
dụng công thức discrete cosine transform (DCT)
 Bộ giải mã có thể tái tạo lại giá trị của các pixel thông qua công 
thức inverse discrete cosine transform (IDCT)
c
166
Nén ảnh
167
Nén ảnh – ví dụ
DCT
Tru
128
168
Nén ảnh – ví dụ
169
170
171
Nén ảnh
 Chuẩn JPEG 2000
 JPEG đã đưa ra một chuẩn nén ảnh mới là JPEG2000. JPEG2000 
sử dụng biến đổi Wavelet và các phương pháp mã hoá đặc biệt để
có được ảnh nén ưu việt hơn hẳn JPEG.
 JPEG2000 có nhiều chức năng đặc biệt hơn các chuẩn nén ảnh tĩnh
khác như JPEG hay GIF. Dưới đây là các chức năng ưu việt của
JPEG2000 so với các chuẩn nén ảnh tĩnh khác
 Cho chất lượng ảnh tốt nhất khi áp dụng nén ảnh tĩnh có tổn thất.
 Sử dụng được với truyền dẫn và hiển thị luỹ tiến về chất lượng, độ phân
giải, các thành phần màu và có tính định vị không gian.
 Sử dụng cùng một cơ chế nén ảnh cho cả hai dạng thức nén.
 Truy nhập và giải nén tại mọi thời điểm trong khi nhận dữ liệu.
 Giải nén từng vùng trong ảnh mà không cần giải nén toàn bộ ảnh
 Có khả năng mã hoá ảnh với tỷ lệ nén theo từng vùng khác nhau
 Nén một lần nhưng có thể giải nén với nhiều cấp chất lượng tuỳ theo yêu
cầu của người sử dụng
172
Nén ảnh
173
Nén ảnh
174
Nén ảnh
175
Nén ảnh
So sánh chuẩn JPEG và JPEG2000 với tỉ lệ 0.25 bpp, CR = 32
176
Nén video 
 Đối với tín hiệu video số, số lượng bit được sử dụng để truyền
tải thông tin đối với mỗi miền tần số khác nhau, có nghĩa là: miền
tần số thấp, nơi chứa đựng nhiều thông tin, được sử dụng số
lượng bít lớn hơn và miền tần số cao, nơi chứa đựng ít thông tin, 
được sử dụng số lượng bít ít hơn. 
 Thực chất của kỹ thuật “nén video số” là loại bỏ đi các thông tin 
dư thừa. Các thông tin dư thừa trong nén video số thường là: 
 Độ dư thừa không gian giữa các pixel; 
 Độ dư thừa thời gian do các ảnh liên tiếp nhau; 
 Độ dư thừa do các thành phần màu biểu diễn từng pixel có độ tương quan
cao; 
 Độ dư thừa thống kê do các kí hiệu xuất hiện trong dòng bít với xác suất xuất
hiện không đều nhau; 
 Độ dư thừa tâm lý thị giác (các thông tin nằm ngoài khả năng cảm nhận của
mắt).vv
177
Nén video
 MJPEG (Motion JPEG) – là việc sử dụng chuẩn mã
hóa video sử dụng các frame được mã hóa bằng
chuẩn nén ảnh JPEG
 Đơn giản – các frame độc lập với nhau
 Giới hạn mã hóa 1:20
 MJPEG được phát triển cho các máy tính cá nhân, 
hiện nay dùng các thiết bị khác. Hiện nay MJPEG 
được ứng dụng cho
 Máy quay số
 Thu nhận và chỉnh sửa video
 IP Camera
 Sử dụng cho các thiết bị hiển thị video
178
Nén video
 MPEG (Moving Picture Expert Group) là nhóm chuyên gia về
hình ảnh, được thành lập từ tháng 2 năm 1988 với nhiệm vụ xây
dựng tiêu chuẩn cho tín hiệu Audio và Video số. Ngày nay, 
MPEG đã trở thành một kỹ thuật nén Audio và Video phổ biến
nhất
 MPEG-1, mã hoá tín hiệu Audio-Video với tốc độ khoảng 1.5Mb/s và lưu trữ
trong đĩa CD.
 MPEG-2 (1990) : MPEG-2 với “công cụ ” mã hoá khác nhau đã được phát
triển. (3-15Mbps)
 MPEG-4 (10/1998), Là chuẩn cho nén ảnh kỹ thuật truyền hình số, các ứng 
dụng về đồ hoạ và video tương tác hai chiều (games, videoconferencing) và
các ứng dụng multimedia tương tác hai chiều (World Wide Web, Internet 
video...) 
 MPEG-7: là một chuẩn dùng để mô tả các nội dung Multimedia, chứ không
phải là một chuẩn cho nén và mã hoá audio/ảnh động như MPEG-1, MPEG-2 
hay MPEG-4. MPEG-7 sử dụng ngôn ngữ đánh dấu mở rộng XML(Extansible
Markup Language) để lưu trữ các siêu dữ liệu Metadata, đính kèm timecode
để gắn thẻ cho các sự kiện, hay đồng bộ các dữ liệu. 
179
180
Nén video
 Các cấu trúc lấymẫu vỡ số hoá tín hiệu video
 Đối với truyền hình số NTSC vỡ PAL, chuỗi video 
gồm các khung hình (frame ảnh) có độ phân giải 576 
x 720, các dòng video chứa 720 điểm ảnh đ−ợc lấy
mẫu vỡ số hoá theo các cấu trúc sau :
181
Nén video
182
Nén video
183
Nén video
 Các chuẩn nén video hầu hết đều sử dụng 2 kỹ thuật
chính là :
 Nén video không dùng kỹ thuật phát hiện và bù chuyển động -
MJPEG
 Nén video dùng kỹ thuật phát hiện và bù chuyển động
 Nén ảnh tĩnh để giảm độ dư thừa không gian
 Đánh giá, ước lượng chuyển động để giảm độ dư thừa về mặt thời gian
184
Nén video
 Phân loại các frame video
 Frame I : là frame đầu tiên trong chuỗi video
 Frame P : (predicted frame) – frame được dự đoán tiếp theo
 Frame B (Bi-directional interpolated prediction frame) - frame được
dự đoán nội suy 2 chiều
185
Nén video
Cấu trúc
dòng bit MPEG 
186
187
Cấu trúc
dòng bit MPEG 
188
Nén video 
 Mô hình mã hóa MPEG 
189
Nén video
 Đánh giá chuyển động (Motion Estimation) : xác định
vector chuyển động
 Bù chuyển động (Motion Compensation) : khôi phục
ảnh bằng cách sử dụng vector chuyển động và sai số
chuyển động (phần sai lệch giữa 2 frame) 
190
Nén video 
 Quá trình nén frame I 
191
Nén video
 Quá trình nén frame P
Frame B ?
192
Giải thuật đối sánh, xác định vector 
chuyển động