Nội dung

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN DUY XUYÊN ĐÁNH GIÁ, PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH HIỆU SUẤT CỦA HAI BỘ MÃ HOÁ VIDEO H.265 VÀ H.264. LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH C NG NGHỆ THUẬT ĐIỆN T , TRU ỀN TH NG HÀ NỘI - 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN DUY XUYÊN ĐÁNH GIÁ, PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH HIỆU SUẤT CỦA HAI BỘ MÃ HOÁ VIDEO H.265 VÀ H.264. Ngành: C ng ngh K thuật Đi n t , Truy n th ng Chuyên ngành: K thuật Đi n t Mã số: 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH C NG NGHỆ THUẬT ĐIỆN T , TRU ỀN TH NG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ V HÀ HÀ NỘI - 2016 LỜI CAM ĐOAN T i xin cam đoan luận văn tốt nghi p “Đánh giá, phân tích và so sánh hiệu suất của hai bộ mã hoá video H.265 và H.264.” là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi được thực hi n dưới sự hướng dẫn của TS Lê Vũ Hà. Luận văn tốt nghi p là kết quả của quá trình nghiên cứu độc lập, không sao chép công trình nghiên cứu của bất kỳ ai khác. Các số li u trong luận văn được s dụng trung thực, trích dẫn từ những nguồn hợp pháp và đáng tin cậy. Hà Nội, ngày 19 tháng 07 năm 2016 Người thực hi n Tr n Duy Xuyên MỤC LỤC MỤC LỤC .......................................................................................................................1 DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................3 DANH MỤC H NH V ..................................................................................................4 DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ........................................................................5 TÓM TẮT........................................................................................................................7 Chương 1. Giới thi u .......................................................................................................8 Chương 2. Tổng quan v H.265/HEVC ........................................................................11 2.1. Cấu trúc bậc cao của H.265/HEVC ....................................................................11 2.1.1. NAL và các loại hình ảnh .............................................................................11 2.1.2. Các tập tham số .............................................................................................14 2.2. Cấu trúc mã hoá ..................................................................................................15 2.3. Cấu trúc khối và k thuật song song ...................................................................16 2.3.1. Phân vùng khối .............................................................................................16 2.3.2. Phân vùng hình ảnh.......................................................................................21 2.3.3. X lý song song trong H.265/HEVC ............................................................22 2.4. Kết luận ...............................................................................................................27 Chương 3. Dự đoán nội ảnh và dự đoán liên ảnh ..........................................................28 3.1. Dự đoán nội ảnh ..................................................................................................28 3.1.1. Thiết lập mẫu tham chiếu .............................................................................29 3.1.2. Dự đoán mẫu nội ảnh ....................................................................................33 3.1.3. Chế độ mã hóa nội ảnh .................................................................................36 3.2. Dự đoán liên ảnh .................................................................................................38 3.2.1. Dự đoán vector chuyển động tiên tiến (AMVP) ...........................................39 3.2.2. Nhập khối dự đoán liên ảnh ..........................................................................40 3.2.3. Nội suy mẫu phân số.....................................................................................41 3.3. Bộ lọc vòng trong ................................................................................................43 3.4. Kết luận ...............................................................................................................45 Chương 4. Những s a đổi đ xuất v dự đoán nội ảnh .................................................46 4.1. Chế độ dự đoán nội ảnh cơ bản trong H.265/HEVC ..........................................46 4.2. Thuật toán chọn chế độ nội ảnh nhanh ...............................................................48 1 4.3. Quá trình dự đoán nội ảnh nhanh bằng k thuật song song ................................49 Chương 5. Tổng kết .......................................................................................................52 5.1. Kết luận ...............................................................................................................52 5.3. Hướng phát triển tiếp theo ..................................................................................53 DANH MỤC T I LI U THAM KHẢO ......................................................................54 2 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1: Các loại gói Non-VCL NAL[1] ...................................................................13 Bảng 2-2: Các loại gói VCL NAL[1]............................................................................13 Bảng 2-3: Kích thước khối bù chuyển động đã được hỗ trợ trong H.265/HEVC và trong k thuật trước đây[1] ............................................................................................20 Bảng 3-1: Sự khác nhau cơ bản của dự đoán nội ảnh giữa ...........................................29 H.265/HEVC và H.264/AVC[1] ...................................................................................29 Bảng 3-3: Giá trị của tham số B[1] ...............................................................................34 Bảng 3-2: Giá trị của tham số A[1] ...............................................................................34 Bảng 3-4: Chế độ dự đoán nội ảnh màu dựa theo chế độ dự đoán nội ảnh[1] .............38 3 DANH MỤC H NH V Hình 2-1: Cấu trúc tiêu đ gói NAL [1]........................................................................12 Hình 2-2: Các tập tham số trong H.265/HEVC[1] .......................................................14 Hình 2-3: Cấu trúc mã hóa video của H.264/AVC .......................................................15 Hình 2-4: Cấu trúc mã hóa video Hybrid của phiên bản H.265/HEVC đ u tiên .........15 Hình 2-6: Ví dụ v phân vùng hình ảnh thành nhi u CTU 64x64[1] ...........................17 Hình 2-5: Ví dụ phân vùng hình ảnh thành nhi u khối macro 16x16[1] ......................17 Hình 2-7: Ví dụ v phân vùng CTU theo thứ tự chi u sâu ...........................................18 Hình 2-8: Tất cả các kích thước của PU trong H.265/HEVC[1] ..................................19 Hình 2-9: Ví dụ v chia một CTB thành nhi u TBs .....................................................20 Hình 2-10: Mối quan h giữa CU, PU và TU trong H.265/HEVC ..............................21 Hình 2-11: Cấu trúc các mảnh độc lập trong H.265/HEVC[1] ....................................21 Hình 2-12: Ví dụ v s dụng tile chia hình ảnh thành 9 vùng, đường gạch thể hi n ranh giới các vùng. [1] ...................................................................................................25 Hình 2-13: Quy trình của tiles ......................................................................................25 Hình 2-14: X lý song song sóng trước .......................................................................26 Hình 3-1: Ví dụ v các chế độ dự đoán nội ảnh của H.265/HEVC[1] ........................29 Hình 3-2: Quá trình thay thế mẫu (a) Mẫu tham chiếu trước khi thực hi n quá trình, các mẫu không có sẵn ký hi u bằng màu xám ..............................................................30 (b) Mẫu tham chiếu sau khi thực hi n quá trình[1] .......................................................30 Hình 3-3: Quá trình lọc mịn (a) Bước thứ nhất (b) bước thứ hai[1] .............................32 Hình 3-4: Các chế độ góc trong dự đoán nội ảnh [1] ...................................................33 Hình 3-5: Ví dụ v vi c đổi chỗ mấu tham chiếu bên trái đểm ở rộng hàng tham chiếu dọc ở chế độ nội ảnh 23[1] ............................................................................................35 Hình 3-6: Ví dụ v vi c s dụng chế độ dự đoán planar nội ảnh .................................36 (a) Tính thành ph n ngang (b) Tính thành ph n dọc .....................................................36 (c) giá trị trung bình của (a) và (b) [1]...........................................................................36 Hình 3-7: Khái ni m cơ bản v dự đoán liên ảnh[1] ....................................................38 Hình 3-8: Quá trình dự đoán liên ảnh trong H.265/HEVC[1] ......................................39 Hình 3-9: Các khối có các ứng viên vector chuyển động[1]. .......................................40 Hình 3-10: (a) Các ứng viên có thể chọn trong danh sách sát nhập của khối X, chúng sáp nhập thành cùng dòng đậm, (b) Các bước kiểm tra dư để thêm ứng viên vào danh sách. [1] .........................................................................................................................41 Hình 3-11: Vị trí mẫu và phân số để nội suy [1] .........................................................42 Hình 3-12: De-blocking filter và SAO trong H.265/HEVC[1] ....................................43 Hình 3-13: 4 mẫu và vị trí của chúng giữa vùng ranh giới của 2 khối P và Q[1] ........44 Hình 4-1: Quá trình quyết định chế độ dự đoán nội ảnh trong H.265/HEVC[5] .........46 Hình 4-2: Quá trình lựa chọn chế độ nội ảnh đã được s a đổi .....................................49 Hình 4-3: WPP bước thứ nhất ......................................................................................50 Hình 4-4: Luồng 4 bắt đ u quá trình đồng thời với bước đ u tiên ...............................50 Hình 4-5: Luồng 4, mã hóa entropy đang chạy theo thứ tự quét ..................................51 4 DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT A AMVP: Advance Motion Vector Dự đoán vector chuyển động tiên tiến Prediction AVC: Advance Video Coding Nén video tiên tiến (H.264/AVC) C CTU: Coding Tree Unit Đơn vị mã hóa cây CTB: Coding Tree Block Khối mã hóa cây CU: Coding Unit Đơn vị mã hóa CB: Coding Block Khối mã hoá CRA: Clean Random Access Truy cập ngẫu nhiên H HEVC: High Efficiency Video Coding Mã hóa video hi u suất cao IDR: Instantaneous Decoding Refresh Giải mã tức thời IRAP: Intra Random Access Point Điểm truy cập ngẫu nhiên nội ảnh N NAL: Network Abstract Layer Lớp trừu tượng mã hóa mạng M MPM: Most Probable Mode Chế độ dự đoán đúng nhất 5 P PB: Prediction Block Khối dự đoán PU: Prediction Unit Đơn vị dự đoán S STSA: Step-wise Temporal Sublayer Access Truy cập t ng phụ tạm thời T TB: Transform Block Khối biến đổi TU: Transform Unit Đơn vị biến đổi V VCL: Video Coding Layer Lớp mã hóa video W K thuật x lý song song sóng trước WPP: Wave-front Parallel Processing 6 TÓM TẮT Video nếu kh ng được nén sẽ có độ phân giải và chất lượng cao nhưng kh ng thể chuyển tín hi u qua mạng truy n th ng bởi vì dung lượng quá lớn, trong khi nhu c u xem, s dụng video ngày càng cao. Do đó, các k thuật mã hóa nén video đã được phát triển và cải thi n trong nhi u thập kỷ để khắc phục vấn đ này, giảm thiểu dung lượng video, giúp cho vi c truy n dẫn video qua mạng đơn giản hơn. Hi n nay, H.264/AVC (Advance Video Coding - Nén video tiên tiến) là tiêu chuẩn nén mã hóa video được s dụng phổ biến trên toàn thế giới. Tuy nhiên, nhu c u v video chất lượng cao hơn, tốc độ khung hình cao hơn, chẳng hạn như video HD, UltraH, 4K và 8K, thì H.264/AVC vẫn chưa có khả năng nén tốt nhất. Vì vậy, một chuẩn nén video mới đã được phát triển, phiên bản đ u tiên của H.265/HEVC đã được c ng bố vào tháng 1 năm 2013, kh ng chỉ có khả năng mã hoá tốt những video có độ phân giải cao mà còn giảm được dung lượng video mã hoá một n a so với chuẩn nén H.264/AVC. Mục tiêu của luận án là tìm hiểu k thuật nén video mới nhất hi n nay, đó là H.265/HEVC (High Efficiency Video Coding - Mã hóa video hi u suất cao). Luận án sẽ đưa ra những so sánh v k thuật nén H.265/HEVC và H.264/AVC, để biết lý do tại sao hi u quả nén của H.265/HEVC tốt hơn 50% so với chuẩn nén trước đó (H.264/AVC). Ngoài ra, H.265/HEVC là một chuẩn nén mới và còn rất nhi u k thuật có thể cải tiến tốt hơn, nên th ng qua quá trình tìm hiểu so sánh, t i sẽ tìm một số phương pháp để cải thi n hi u suất hoặc giảm độ phức tạp, đặc bi t là trong k thuật dự đoán nội ảnh của H.265/HEVC. 7