Embed Size (px)
Citation preview
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA THIẾT KẾ VÀ SÁNG TẠO ĐA PHƯƠNG TIỆN
*****
GIÁO TRÌNH BÀI GIẢNG
(Phương pháp đào tạo theo tín chỉ)
TÊN HỌC PHẦN:
XỬ LÝ VÀ TRUYỀN THÔNG ĐA
PHƯƠNG TIỆN
Mã học phần: CDT1307
(02 tín chỉ)
Biên soạn
ThS. HÀ ĐÌNH DŨNG
TS. VŨ HỮU TIẾN
LƯU HÀNH NỘI BỘ
Hà Nội, 11/2014
PTIT
2
MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................................................2
DANH SÁCH HÌNH VẼ .........................................................................................................................8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ VÀ TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN ....................11
1.1. Định nghĩa về đa phương tiện ............................................................................... 11
1.2. Dữ liệu đa phương tiện ......................................................................................... 11
1.2.1. Phân loại dữ liệu đa phương tiện .......................................................................... 11
1.2.2. Ứng dụng của của dữ liệu trong truyền thông Đa phương tiện ............................ 12
1.3. Xử lý dữ liệu đa phương tiện ................................................................................ 14
1.4. Truyền thông đa phương tiện ................................................................................ 14
1.4.1. Khái niệm về truyền thông .................................................................................... 14
1.4.2. Mô hình truyền thông tổng quát ........................................................................... 15
1.4.3. Sự hình thành các mạng viễn thông ...................................................................... 16
CHƯƠNG 2. XỬ LÝ ĐA PHƯƠNG TIỆN...........................................................................................18
2.1. Xử lý văn bản ........................................................................................................ 18
2.1.1. Giới thiệu về dữ liệu văn bản ................................................................................ 18
2.1.2. Quá trình xử lý văn bản ........................................................................................ 20
2.1.3. Định dạng văn bản ................................................................................................ 21
a. Định dạng văn bản text ............................................................................................. 21
b. Định dạng văn bản rich text ...................................................................................... 22
c. Định dạng văn bản doc (.doc, .docx) ........................................................................ 22
2.1.4. Nén văn bản .......................................................................................................... 22
2.1.4.1. Mã hóa Run-length ........................................................................................ 23
2.1.4.2. Mã hóa thống kê Huffman ............................................................................. 23
a. Tổng quan về mã thống kê ....................................................................................... 23
b. Nguyên lý mã hóa Huffman ..................................................................................... 24
c. Ưu nhược điểm ......................................................................................................... 25
2.1.4.3. Mã hóa Lempel –Zive Welch ........................................................................ 26
a. Tổng quan về mã LZW ............................................................................................. 26
b. Nguyên lý mã hóa LZW ........................................................................................... 26
c. Giải mã LZW ............................................................................................................ 27
2.2. Xử lý âm thanh...................................................................................................... 28
2.2.1. Đặc trưng của âm thanh ........................................................................................ 28
2.2.1.1. Tần số ............................................................................................................ 29
PTIT
3
2.2.1.2. Hiệu ứng Doppler .......................................................................................... 29
2.2.1.3. Băng thông ..................................................................................................... 30
2.2.1.4. Hài âm ........................................................................................................... 30
2.2.1.5. Vận tốc âm ..................................................................................................... 31
2.2.2. Mã hóa âm thanh ................................................................................................... 31
2.2.2.1. Kỹ thuật PCM ................................................................................................ 31
a. Lấy mẫu .................................................................................................................... 31
b. Lượng tử hóa ............................................................................................................ 33
c. Mã hóa ...................................................................................................................... 34
2.2.2.2. Kỹ thuật điều chế xung mã sai phân (DPCM) ............................................... 34
Nguyên lý : ....................................................................................................................... 34
Sơ đồ khối bộ thu phát: .................................................................................................... 35
2.2.2.3. Điều chế xung mã sai phân thích ứng (ADPCM) .......................................... 36
2.2.3. Nén âm thanh ........................................................................................................ 37
2.2.4. Một số khái niệm cơ bản ....................................................................................... 37
2.2.5. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật nén âm thanh [6] ................................................. 38
2.2.6. Chuẩn mã hóa audio Mp3 ..................................................................................... 39
2.2.7. Một số định dạng file âm thanh ............................................................................ 40
2.2.7.1. Định dạng wave (*.wav) ................................................................................ 40
2.2.7.2. Định dạng mp3 (*.mp3) ................................................................................ 40
2.2.7.3. Định dạng flac (*.flac) ................................................................................... 42
2.3. Xử lý hình ảnh ...................................................................................................... 42
2.3.1. Tổng quan về xử lý ảnh ........................................................................................ 42
2.3.2. Thu nhận ảnh ........................................................................................................ 43
2.3.3. Không gian màu. ................................................................................................... 44
2.3.3.1. RGB ............................................................................................................... 44
2.3.3.2. YUV .............................................................................................................. 44
2.3.4. Kỹ thuật nén ảnh JPEG ......................................................................................... 45
2.3.5. Nén không tổn hao ................................................................................................ 45
2.3.6. Nén tổn hao ........................................................................................................... 46
2.3.6.1. Chế độ nén cơ bản ......................................................................................... 46
a. Biến đổi Cosin rời rạc (Discrete Cosin Tranform) ................................................... 47
b. Lượng tử hóa ............................................................................................................ 48
c. Quét zigzag ............................................................................................................... 49
PTIT
4
d. Mã hóa có chiều dài thay đổi (Variable Length Coding – VCL) ............................. 49
Mã hóa hệ số DC ............................................................................................................. 49
Mã hóa hệ số AC ............................................................................................................. 50
Ví dụ: 50
Giải: 51
Mã hóa hệ số DC: ............................................................................................................ 51
Mã hóa các hệ số AC: ...................................................................................................... 51
2.3.6.2. Chế độ nén lũy tiến ........................................................................................ 52
2.3.6.3. Chế độ nén phân cấp ...................................................................................... 52
2.3.6.4. Một số định dạng ảnh .................................................................................... 54
2.4. Xử lý tín hiệu video .............................................................................................. 55
2.5. Tổng quan về xử lý tín hiệu video ........................................................................ 55
2.6. Thu nhận hình ảnh video trong tự nhiên ............................................................... 56
2.6.1. Lấy mẫu theo không gian ...................................................................................... 56
2.6.2. Lấy mẫu theo thời gian ......................................................................................... 58
2.6.3. Frame và Field ...................................................................................................... 58
2.7. Nguyên lý nén video ............................................................................................. 58
2.7.1. Kỹ thuật giảm dư thừa thông tin trong miền không gian ...................................... 59
a. Mã hóa bằng phương pháp dự đoán ......................................................................... 59
b. Mã hóa bằng phương pháp biến đổi ......................................................................... 60
2.7.2. Kỹ thuật giảm dư thừa thông tin trong miền thời gian ......................................... 61
a. Ước lượng chuyển động ........................................................................................... 62
b. Bù chuyển động ........................................................................................................ 63
c. Mã hóa có chiều dài thay đổi (VLC) ........................................................................ 63
2.7.3. Sơ đồ tổng quát của mã hóa video ........................................................................ 63
a. Intraframe/Interframe loop ....................................................................................... 64
b. Ước lượng chuyển động ........................................................................................... 64
c. Inter/Intra switch....................................................................................................... 64
d. DCT .......................................................................................................................... 65
e. Lượng tử hóa ............................................................................................................ 65
f. Variable Length Coding ........................................................................................... 65
g. Giải lượng tử (Inverse Quantization) và biến đổi DCT ngược (Inverse DCT) ........ 65
h. Bộ đệm ...................................................................................................................... 65
2.7.4. Giải nén ................................................................................................................. 65
PTIT
5
2.7.5. Định dạng hình ảnh video ..................................................................................... 66
a. Định dạng SIF ........................................................................................................... 66
b. Định dạng CIF .......................................................................................................... 67
c. Sub-QCIF, QSIF, QCIF ............................................................................................ 67
d. HDTV ....................................................................................................................... 67
e. Ultra HDTV .............................................................................................................. 68
2.7.6. Một số chuẩn mã hóa ............................................................................................ 68
2.7.7. Một số định dạng file video .................................................................................. 70
CHƯƠNG 3. TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN ........................................................................71
3.1 Các đặc trưng và yêu cầu của truyền thông đa phương tiện ................................. 71
3.1.1 Các đặc trưng của sản phẩm đa phương tiện ........................................................ 71
3.1.2 Các yêu cầu đối với hạ tầng truyền thông đa phương tiện.................................... 71
3.2 Mô hình phân lớp mạng ........................................................................................ 72
3.2.1 Ý nghĩa của việc phân tầng ................................................................................... 72
3.2.2 Các tiêu chí để xây dựng mô hình các tầng chức năng trong mạng trao đổi thông tin
72
3.2.3 Khái niệm về giao thức, giao diện và chồng giao thức truyền thông ................... 73
3.2.3.1 Khái niệm về giao thức và giao diện: ................................................................ 73
3.2.3.2 Khái niệm về chồng giao thức truyền thông ..................................................... 73
3.2.4 Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI .................................................................. 74
3.2.4.1 Tầng vật lý ......................................................................................................... 76
3.2.4.2 Tầng liên kết dữ liệu .......................................................................................... 76
3.2.4.3 Tầng mạng ......................................................................................................... 77
3.2.4.4 Tầng giao vận .................................................................................................... 78
3.2.4.5 Tầng phiên ......................................................................................................... 78
3.2.4.6 Tầng trình diễn .................................................................................................. 79
3.2.4.7 Tầng ứng dụng .................................................................................................. 79
3.3 Hạ tầng truyền thông cố định ................................................................................ 80
3.3.1 Mạng PSTN .......................................................................................................... 80
3.3.1.1 Mạch vòng nội hạt ............................................................................................. 81
3.3.1.2 Trạm chuyển mạch trung tâm............................................................................ 82
3.3.1.3 Trung kế ............................................................................................................ 82
3.3.1.4 Mạng tổng đài nội hạt........................................................................................ 83
3.3.2 Mạng truyền số liệu .............................................................................................. 84
PTIT
6
3.3.2.1 Mạng số liệu công cộng chuyển mạch kênh - CSPDN (Circuited Switched Public
Data Network) .................................................................................................................. 84
3.3.2.2 Mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói - PSPDN (Packet Switched Public Data
Network) .......................................................................................................................... 85
3.3.2.3 Mạng điện thoại công cộng - PSTN (Public Switched Telephone Network) ... 85
3.3.2.4 Mạng truyền số liệu X25 ................................................................................... 85
3.3.2.5 Mạng Frame Relay (FR) ................................................................................... 85
3.3.2.6 Mạng ADSL ...................................................................................................... 85
3.3.2.7 Mạng FTTx ....................................................................................................... 87
3.3.3 Mạng máy tính ...................................................................................................... 88
3.3.3.1 Kiến trúc mạng (Network Architecture) ........................................................... 89
3.3.3.2 Cấu hình mạng (Topology) ............................................................................... 90
3.3.3.3 Giao thức mạng máy tính .................................................................................. 91
3.3.3.4 Phân loại mạng máy tính ................................................................................... 91
3.3.4 Mạng thế hệ mới (NGN –Next General Network) ............................................... 93
3.3.4.1 Cấu trúc mạng ................................................................................................... 93
3.3.4.2 Các dịch vụ trên mạng NGN ............................................................................. 94
a. Dịch vụ Internet băng rộng (HSI) ............................................................................. 94
b. Dịch vụ VoIP ............................................................................................................ 94
c. Dịch vụ IPTV ........................................................................................................... 96
d. Dịch vụ VPN ............................................................................................................ 97
3.4 Hạ tầng truyền thông di động ............................................................................... 97
3.4.1 Tổng quan về mạng di động ................................................................................. 97
3.4.1.1 Lịch sử phát triển của di động ........................................................................... 98
3.4.1.2 Phân loại ............................................................................................................ 98
3.4.2 Một số cấu trúc mạng di động điển hình ............................................................ 101
3.4.2.1 Mạng di động 2G............................................................................................. 101
3.4.2.2 Mạng di động 3G............................................................................................. 102
3.4.2.3 Mạng di động 4G............................................................................................. 102
3.4.3 Các dịch vụ mạng di động .................................................................................. 104
3.4.3.1 Dịch vụ SMS ................................................................................................... 104
3.4.3.2 Dịch vụ MMS .................................................................................................. 105
3.4.3.3 Dịch vụ Mobile Internet .................................................................................. 105
3.5 Hạ tầng truyền thông truyền hình ....................................................................... 106
3.5.1 Tổng quan về truyền hình ................................................................................... 106
PTIT
7
3.5.1.1 Lịch sử phát triển truyền hình ......................................................................... 106
3.5.1.2 Phân loại: ......................................................................................................... 107
3.5.2 Cấu trúc mạng truyền hình cáp ........................................................................... 107
3.5.2.1 Truyền hình cáp hữu tuyến .............................................................................. 107
3.5.3 Truyền hình số mặt đất (Digital Video Broadcasting-Terrestrial) ...................... 112
3.5.3.1 Tổng quan về truyền hình số mặt đất .............................................................. 112
3.5.3.2 Các dịch vụ gia tăng trên mạng truyền hình.................................................... 114
Dịch vụ quảng cáo truyền hình ...................................................................................... 114
Dịch vụ truy nhập Internet ............................................................................................. 114
3.6 Truyền thông Internet ......................................................................................... 115
3.6.1 Lịch sử phát triển ................................................................................................ 115
3.6.2 Giao thức TCP/IP ................................................................................................ 116
3.6.3 Các dịch vụ trên Internet ..................................................................................... 117
3.6.3.1 Dịch vụ thư điện tử (Email) ............................................................................ 117
3.6.3.2 Dịch vụ mạng thông tin toàn cầu .................................................................... 117
3.6.3.3 Dịch vụ truyền tập tin – FTP (File Transfer Protocol) .................................... 118
3.6.3.4 Dịch vụ hội thoại trên Internet ........................................................................ 118
3.6.3.5 Dịch vụ Voip ................................................................................................... 119
3.6.3.6 Dịch vụ mạng xã hội ....................................................................................... 119
3.6.3.7 Điện toán đám mây ......................................................................................... 120
PHỤ LỤC A .........................................................................................................................................122
BẢNG MÃ HUFFMAN CHO HỆ SỐ DC VÀ HỆ SỐ AC ................................................................122
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................................125
PTIT
8
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Mô hình về sản xuất đa phương tiện ............................................................................ 11
Hình 1. 2: Sự gắn kết của đa phương tiện với một số lĩnh vực ..................................................... 11
Hình 1. 3: Quá trình xử lý dữ liệu ................................................................................................. 14
Hình 1. 4: Mô tả việc truyền tin .................................................................................................... 15
Hình 1. 5: Truyền thông một chiều................................................................................................ 15
Hình 1. 6: Truyền thông hai chiều ................................................................................................. 16
Hình 1. 7: Các loại hình mạng viễn thông ..................................................................................... 17
Hình 2. 1: Bảng mã ASCII ............................................................................................................ 19
Hình 2. 2: Ví dụ về văn bản có định dạng ..................................................................................... 20
Hình 2. 3 Ví dụ về siêu văn bản .................................................................................................... 20
Hình 2. 4: Quá trình xử lý văn bản ................................................................................................ 21
Hình 2. 5: Nguyên tắc hoạt động của bàn phím máy tính ............................................................. 21
Hình 2. 6: Cây mã Huffman .......................................................................................................... 25
Hình 2. 7: Các bước để mã hóa bằng LZW ................................................................................... 26
Hình 2. 8: Từ điển và chuỗi mã đầu ra của bộ mã hóa .................................................................. 27
Hình 2. 9: Từ điển và chuỗi ký tự sau khi được giải mã ............................................................... 28
Hình 2. 10: Ví dụ về sóng âm ........................................................................................................ 29
Hình 2. 11: Ví dụ về hiệu ứng Doppler ......................................................................................... 30
Hình 2. 12: Ví dụ về hài âm........................................................................................................... 30
Hình 2. 13: Bảng tốc độ âm thanh của một số môi trường ............................................................ 31
Hình 2. 14: Quá trình lấy mẫu, lượng tử và mã hóa ...................................................................... 32
Hình 2. 15: Biểu diễn lấy mẫu và lượng tử tín hiệu sau lấy mẫu. ................................................. 33
Hình 2. 16: Biểu diễn ngưỡng nghe của tai thay đổi theo tần số âm thanh ................................... 37
Hình 2. 17: Hiệu ứng mặt nạ tần số ............................................................................................... 38
Hình 2. 18: Hiệu ứng mặt nạ thời gian .......................................................................................... 38
Hình 2. 19: Sơ đồ khối bộ nén tín hiệu âm thanh theo chuẩn MPEG-1 Layer 3 ........................... 39
Hình 2. 20: Tổ chức các chunk trong tập tin wav .......................................................................... 40
Hình 2. 21: Cấu trúc tập tin mp3 ................................................................................................... 41
Hình 2. 22: Sơ đồ khối xử lý hình ảnh .......................................................................................... 42
Hình 2. 23: Quá trình thu nhận hình ảnh ....................................................................................... 43
PTIT
9
Hình 2. 24: Sự kết hợp của ba màu cơ bản RGB ........................................................................... 44
Hình 2. 25: Sơ đồ nén không tổn hao ............................................................................................ 46
Hình 2. 26: Pixel x được dự đoán từ pixel a, b, c .......................................................................... 46
Hình 2. 27: Thuật toán nén trong chế độ nén cơ bản ..................................................................... 47
Hình 2. 28: Bảng lượng tử cho kênh chói và hai kênh màu Q(u,v) ............................................... 48
Hình 2. 29 Mã hóa các hệ số DCT lần lượt theo đường zigzag .................................................... 49
Hình 2. 30: Biểu diễn các thời điểm giải nén trong chế độ nén cơ bản ......................................... 52
Hình 2. 31: Cấu trúc nén ảnh phân cấp theo hình kim tự tháp ...................................................... 53
Hình 2. 32: Sơ đồ mã hóa trong chế độ phân cấp .......................................................................... 53
Hình 2. 33: Sơ đồ khối xử lý tín hiệu video .................................................................................. 56
Hình 2. 34: Lưới lấy mẫu ảnh ........................................................................................................ 57
Hình 2. 35: Hình ảnh lấy mẫu thưa ............................................................................................... 57
Hình 2. 36: Hình ảnh lấy mẫu dày ................................................................................................. 57
Hình 2. 37: Sơ đồ khối của bộ CODEC DPCM trong xử lý video................................................ 60
Hình 2. 38: Biểu diễn bộ lượng tử UTQ (a) và UTQ-DZ (b) ........................................................ 61
Hình 2. 39(a) Sự khác biệt giữa khung hình hiện thời và trước đó; (b) Ảnh sau khi được bù
chuyển động ................................................................................................................................... 62
Hình 2. 40 Vùng tìm vector chuyển động của macroblock hiện thời ............................................ 62
Hình 2. 41: Sơ đồ nguyên lý tổng quát của bộ mã hóa video ........................................................ 64
Hình 2. 42: Sơ đồ giải nén tín hiệu video ...................................................................................... 66
Hình 2. 43: Tỷ lệ lấy mẫu của các kênh màu trong định dạng SIF ............................................... 67
Hình 2. 44: So sánh tương quan về kích thước hình ảnh giữa các chuẩn video ............................ 68
Hình 2. 45: Một số tiêu chuẩn mã hóa Video ................................................................................ 70
Hình 3. 1: Phân cấp giao thức ........................................................................................................ 74
Hình 3. 2: Mô hình tham chiếu OSI .............................................................................................. 76
Hình 3. 3: Các thành phần cơ bản của mạng điện thoại chuyển mạch kênh ................................. 81
Hình 3. 4: Mạng tổng đài nội hạt ................................................................................................... 84
Hình 3. 5: Sơ đồ cung cấp dịch vụ ADSL ..................................................................................... 86
Hình 3. 6: Sơ đồ cung cấp dịch vụ FTTx ...................................................................................... 87
Hình 3. 7: Mạng máy tính .............................................................................................................. 90
Hình 3. 8: Cấu trúc mạng máy tính điển hình ............................................................................... 93
PTIT
10
Hình 3. 9: Mô hình chức năng mạng NGN ................................................................................... 94
Hình 3. 10: Cấu trúc mạng VoIP ................................................................................................... 95
Hình 3. 11: Cấu trúc mạng cung cấp dịch vụ IPTV ...................................................................... 96
Hình 3. 12: Lịch sử phát triển mạng di động ................................................................................. 98
Hình 3. 13: Mạng thông tin di động tế bào .................................................................................. 101
Hình 3. 14: Cấu trúc mạng di động 3G ....................................................................................... 102
Hình 3. 15: Cấu trúc mạng di động 4G LTE ............................................................................... 103
Hình 3. 16: Các thực thể liên quan đến dịch vụ SMS ................................................................. 104
Hình 3. 17: Đóng gói bản tin MMS ............................................................................................. 105
Hình 3. 18: Sơ đồ khối tổng quát mạng truyền hình cáp ............................................................. 108
Hình 3. 19: Mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp đồng trục ................................................. 109
Hình 3. 20: Sơ đồ mạng cáp quang kết hợp cáp đồng trục .......................................................... 111
Hình 3. 21: Sơ đồ khối hệ thống truyền hình DVB-T ................................................................. 113
Hình 3. 22: Mô hình OSI và TCP/IP ........................................................................................... 116
Hình 3. 23: Mô hình phân lớp giao thức TCP/IP ........................................................................ 117
PTIT
11
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ VÀ TRUYỀN THÔNG
ĐA PHƯƠNG TIỆN
1.1. Định nghĩa về đa phương tiện
Đa phương tiện là tích hợp của văn bản, âm thanh, các loại hình ảnh và công cụ trong
mội môi trường thông tin số. Các công cụ này bao gồm các phần mềm và thiết bị cho phép
người dùng điều chỉnh và cài đặt để sử dụng và tích hợp với nhau để tạo ra các sản phẩm đa
phương tiện.
Hình 1. 1: Mô hình về sản xuất đa phương tiện
Đa phương tiện là thuật ngữ gắn liền với quảng cáo công nghiệp, với TV, radio, phương
tiện in ấn…
Hình 1. 2: Sự gắn kết của đa phương tiện với một số lĩnh vực
1.2. Dữ liệu đa phương tiện
1.2.1. Phân loại dữ liệu đa phương tiện
Chúng ta đã thấy thành phần dữ liệu của hệ thống đa phương tiện bao gồm các dữ liệu
như văn bản, âm thanh, hình ảnh, video.
Thành phần dữ liệu đầu tiên của đa phương tiện là các văn bản- ký tự văn bản. nếu
không có văn bản ta không thể lưu giữ các thông tin từ xa xưa, các thông tin về pháp luật, văn
hóa, chính trị, kỹ thuật,...các thông tin không thể dùng lời nói,.....Các văn bản thể hiện ngôn
ngữ của một quốc gia, của một dân tộc mang đặc trưng văn hóa của dân tộc, quốc gia đó. Dữ
liệu văn bản là thành phần cơ bản nhất của đa phương tiện trong những thời kỳ ban đầu.
PTIT
12
Thành phần dữ liệu thứ hai là âm thanh (audio). Từ âm thanh (audio) có sự khác biệt
một chút so với sound (âm phát ra) . Audio bao gồm tất cả các sound mà chúng ta nghe thấy.
Điều này dường như mâu thuẫn nhưng như đã biết con người không thể nghe tất cả các âm
(sound). Ví dụ: âm thanh sound phát ra bởi con dơi chỉ con dơi mới nhận ra còn con người thì
không. Audio là một trong những thành phần hấp dẫn của bất kỳ hệ thống trình diễn đa
phương tiện nào. Ảnh hưởng của âm thanh tạo tâm trạng và không khí của buổi trình diễn. Nó
có thể được dùng trong nhiều ứng dụng đa phương tiện và là một phần của nội dung audio
trong hệ thống đa phương tiện, chúng ta có thể dùng âm nhạc, hiệu ứng âm thanh, tiếng nói
cho mục đích trình diễn của chúng ta. Audio có được hoặc là do máy tính tạo ra, hoặc là do
chúng ta ghi lại và chuyển đổi sang dạng số.
Có lẽ thành phần quan trọng nhất của đa phương tiện tiếp theo là thành phần hình ảnh.
Các trình diễn đa phương tiện phần lớn dựa trên hình ảnh. Thông tin được truyền thông qua
các bức tranh rất dễ hiểu và nhớ. Các thành phần hình ảnh trong hệ thống đa phương tiện có
thể vẫn là các bức ảnh được chuyển sang dạng số bởi các máy quét hoặc được tạo ra trên máy
tính. Chúng có thể là ảnh 2 chiều như ảnh và tranh vẽ hay có thể là 3 chiều như điêu khắc,
trạm trổ,..Chúng có thể là ảnh tĩnh và ảnh động. Xa hơn là các hoạt họa ảnh 2 chiều như film
hoạt hình hoặc 3 chiều,..
Thành phần cuối cùng trong nhóm dữ liệu đa phương tiện là dữ liệu video. Bản chất của
video là một chuỗi các hình ảnh được trình chiếu với một tốc độ nhất định tạo cho người xem
cảm giác các đối tượng trong hình ảnh đang chuyển động. Do vậy, video giúp cho sản phẩm
đa phương tiện truyền tải các thông tin tới người xem một cách sinh động, giúp người xem
cảm nhận các thông tin trong sản phẩm đa phương tiện gần gũi với đời sống thật.
1.2.2. Ứng dụng của của dữ liệu trong truyền thông Đa phương tiện
a. Ứng dụng của văn bản
Văn bản được sử dụng để củng cố hoặc hỗ trợ các phương tiện truyền thông khác ví dụ
chú thích, tiêu đề, giải thích những hình ảnh minh họa. Những hình ảnh này đã được kết hợp
một cách rất tinh tế với văn bản để nhấn mạnh nội dung của bức hình và làm tăng lên sự cảm
nhận cho người xem trong mỗi bức hình. Văn bản còn được sử dụng như một sự kết nối giữa
các nguồn tài liệu và thông tin giúp cho sự trao đổi thông tin được một cách thuần tiện và dễ
dàng hơn.
Các loại hình văn bản có thể làm tăng thêm hiệu quả hình ảnh cũng như nội dung của
sản phẩm với người sử dụng. Trong xã hội ngày nay quảng bá hình ảnh sản phẩm đóng một
vai trò rất quan trọng trong chiến lược kinh doanh của các công ty, trong trường hợp này các
loại hình chữ viết và văn bản cũng được sử dụng và đóng một vai trò rất quan trọng, các loại
hình chữ viết và văn bản đã được thiết kế và sắp đặt một cách rất tài tình để tạo ra hiệu ứng và
cảm xúc đến người xem một cách ấn tượng và sâu sắc nhất.
b. Ứng dụng của âm thanh
Âm thanh đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng truyền thông đa phương tiện. Các
hiệu ứng đặc biệt của những âm thanh và tiếng nói có thể được đưa vào các ứng dụng, đặc
PTIT
13
biệt là các ứng dụng trong hệ thống đào tạo và bán hàng tự động hoặc hệ thống điểm thông tin.
Một lời chú thích bằng tiếng nói có thể được dùng để diễn tả những gì đang diễn ra trên màn
hình hoặc để làm nổi bật và nhấn mạnh những khái niệm then chốt. Âm thanh có thể được sử
dụng kết hợp với hình ảnh tĩnh hoặc động để giải thích cho người sử dụng một ý tưởng hay
một quy trình hiệu quả hơn theo cách giải thích đơn giản bằng văn bản hay đồ họa. Âm nhạc
có thể được sử dụng để thu hút sự chú ý của khách hàng hoặc để tạo ra được một phong cách
riêng biệt.
Trong một số lĩnh vực chuyên dụng về âm thanh có thể hình thành nên được cái lõi của
một ứng dụng truyền thông đa phương tiện, chẳng hạn như các hệ thống giúp cho người tàn
tật nhìn thấy được. Một dự án mới đây đã đưa đến việc chuyển tải nhật báo đến một thiết bị
máy tính đặt tại nhà người sử dụng. Chỉ cần ngồi nhà, người sử dụng có thể chọn nghe hệ
thống xử lý tiếng nói đọc lớn các bài báo đã được chọn lọc hoặc cho các bài báo đó hiện thị
trên màn hình với kiểu chữ lớn. Một khi chi phí giảm và công nghệ được cải tiến thì mối quan
tâm của người dùng đến việc sử dụng hệ thống xử lý và nhận dạng tiếng nói trong các ứng
dụng kinh doanh nói chung sẽ tăng lên.
c. Ứng dụng của hình ảnh tĩnh
Trong lĩnh vực đa phương tiện, hình ảnh tĩnh được sử dụng trong việc vẽ biểu đồ kỹ
thuật, lược đồ và hoạt hình. Đồ thị và biểu đồ - chính xác có thể truyển tải thông tin nếu được
thiết kế tốt
Các biểu tượng là những biểu tượng đặc biệt được sử dụng để xác định các nơi, mọi thứ
hoặc các thuộc tính. Chúng phải được thiết kế cẩn thận để phục vụ cho sự hiểu biết giữa các
nền văn hóa. Hình ảnh có thể gợi lên những phản ứng cảm xúc mạnh mẽ, chú thích có thể
giúp người dùng tập trung vào chi tiết.
Đồ họa được sử dụng để giải thích, tác động, tìm và cảm nhận của sản phẩm.
d. Ứng dụng của hình ảnh động
Hình ảnh động được sử dụng trong các mô phỏng thế giới ảo để thể hiện những ý tưởng
cũng như sự thử nghiệm của con người.
Ngoài ra, hình ảnh động cũng được sử dụng trong lĩnh vực giải trí: làm phim hoạt hình
2D &3D, làm các clip ngắn vui nhộn cũng như trong các TVC (quảng cáo truyền hình),...
e. Ứng dụng của video
Nhúng các video trong các ứng dụng đa phương tiện là một cách hữu hiệu để chuyển tải
thông tin mà có thể kết hợp một thành phần khác mà các phương tiện truyền thông khác còn
thiếu. Video là một phương tiện quan trọng để truyền đạt các thông điệp cho kênh MTV một
kênh ca nhạc lớn trên thế giới. Nhưng cũng cần chú ý, video clip kỹ thuật số chất lượng tốt
yêu cầu phần cứng rất tinh vi và cấu hình phần mềm hỗ trợ.
Lợi thế của việc tích hợp video vào một bài trình bày đa phương tiện là khả năng truyền
tải hiểu quả rất nhiều thông tin trong thời gian ít nhất. Hãy nhớ rằng chuyển động tích hợp với
âm thanh là một chìa khóa cho sự nhận biết và tiếp thu của người xem trở nên thu hút và hiểu
quả. Nó cũng làm tăng việc lưu giữ các thông tin được trình bày (kiến thức).
PTIT
14
Khả năng kết hợp video được số hóa trong một sản phẩm đa phương tiện đánh dấu một
thành tựu quan trọng trong sự phát triển của ngành công nghiệp đa phương tiện. Video mang
một ý nghĩa của chủ nghĩa hiện thực tới các sản phẩm đa phương tiện và hữu ích trong việc
tham gia kết nối với người sử dụng.
1.3. Xử lý dữ liệu đa phương tiện
Sơ đồ gồm các khối chức năng trong quá trình xử lý dữ liệu đa phương tiện được mô tả
trong hình1.3.
Số hóaDữ liệu Mã
hóa
Truyền hoặc
lưu trữ
Giải
mãGiải số
hóa
Dữ liệu
Hình 1. 3: Quá trình xử lý dữ liệu
Số hóa: Biến đổi dữ liệu vật lý sang dữ liệu số (digital)
Mã hóa: Thực hiện nén, chuyển đổi kích thước, định dạng dữ liệu theo yêu cầu
Truyền hoặc lưu trữ: Lưu thông tin hoặc đưa thông tin từ nơi sản xuất đến người dùng
Giải mã: Biến đổi ngược lại của khối mã
Giải số hóa: Chuyển đổi sang các dữ liệu vật lý như ban đầu.
Ghi chú: Trong một số trường hợp người ta có thể kết hợp 2 khối số hóa và mã hóa
trong cùng một khối gọi là mã hóa. Tương tự với 2 khối còn lại là giải mã.
1.4. Truyền thông đa phương tiện
1.4.1. Khái niệm về truyền thông
Từ xa xưa, con người đã có nhiều hình thức để trao đổi thông tin với nhau, việc trao đổi
thông tin có thể thông qua các dạng khác nhau như dùng âm thanh (tiếng chuông, tiếng tù
và,..), dùng hình ảnh (khói, lửa, các ký hiệu,..) để báo hiệu cho nhau, dùng các con vật (chim
bồ câu, ngựa,..) để truyền tin.
Như vậy, có thể thấy để việc trao đổi thông tin xẩy ra khi có đủ các yếu tố:
- Nhu cầu trao đổi thông tin giữa các đối tượng
- Các thông tin cần truyền đạt
- Môi trường hay phương tiện truyền tin
PTIT
15
Hình 1. 4: Mô tả việc truyền tin
Các thông tin cần truyền đạt cơ bản bao gồm: âm thanh (tiếng nói, âm nhạc,..), hình ảnh
(hình ảnh tĩnh, hình ảnh động), dữ liệu (ký tự, đồ thị). Những thông tin này có thuộc tính
chung là đều chứa đựng ý tưởng trong hoạt động tư duy của con người. Thông tin được thể
hiện ở một dạng thức nhất định được gọi là bản tin. Dạng thể hiện có thể là văn bản, bản nhạc,
hình vẽ, đoạn thoại. Một bản tin chứa đựng một lượng thông tin cụ thể, có nguồn và đích xác
định cần được chuyển một cách chính xác, đúng đích và kịp thời.
Nguồn phát tin là nguồn sinh ra bản tin hay chứa các bản tin cần truyền , nguồn tin có
thể là con người hay các thiết bị thu phát âm thanh, hình ảnh, các thiết bị lưu trữ và thu nhận
thông tin để phát đi … nguồn nhận là nguồn tiếp nhận thông tin.
Như vậy, truyền thông tin hay truyền thông có thể hiểu là sự trao đổi tin tức giữa các đối
tượng có nhu cầu bằng một công cụ nào đó.
Ngày nay, do sự phát triển của khoa học kỹ thuật, con người đã biết sử dụng các tín hiệu
điện để truyền thông ở một khoảng cách xa và cụm từ truyền thông có tên gọi là viễn thông
tức là truyền thông ở khoảng cách xa.
Mặt khác, trước đây chỉ có 2 người có nhu cầu thông tin trao đổi với nhau thì bây giờ
nhu cầu để nhiều người ở khoảng cách xa có thể cùng trao đổi thông tin. Và do vậy, viễn
thông đã được xây dựng và phát triển thành mạng lưới viễn thông hay mạng viễn thông để
giúp nhiều người cùng trao đổi thông tin.
1.4.2. Mô hình truyền thông tổng quát
Mô hình truyền thông tổng quát có thể là một chiều hoặc hai chiều như hình vẽ dưới
đây:
Hình 1. 5: Truyền thông một chiều
PTIT
16
Hình 1. 6: Truyền thông hai chiều
Hình vẽ cho ta sơ đồ khối của mô hình truyền thông, thông tin truyền có thể là một
chiều – truyền đơn hướng (Hình 1.5 ) hoặc trao đổi hai chiều – truyền hai hướng (Hình 1.6).
Thông tin từ nguồn tin đi tới thiết bị đầu cuối (TBĐC) phát để chuyển thành tín hiệu. Tín hiệu
này được truyền qua môi trường truyền dẫn (kênh truyền thông) tới TBĐC thu. Tại đây, tín
hiệu được biến đổi ngược lại thành thông tin và đưa tới nơi nhận tin.
Tùy thuộc vào tin tức, thiết bị đầu cuối trong mô hình truyền thông có thể có các cấu tạo
khác nhau, sử dụng các phương pháp biến đổi tin tức –tín hiệu khác nhau (ví dụ: TBĐC là
micro để chuyển tiếng nói thành tín hiệu thoại, là loa để chuyển tín hiệu thoại thành tiếng nói)
Môi trường truyền dẫn có hai loại là hữu tuyến (có dây) và vô tuyến (không dây). Môi
trường truyền dẫn hữu tuyến bao gồm các loại đường dây thông tin như cáp đồng nhiều đôi,
cáp đồng trục, sợi quang … Môi trường truyền dẫn vô tuyến là khoảng không bao quanh trái
đất, chính là các tầng khí quyển, tầng điện ly và khoảng không vũ trụ khác (không phải chân
không).
1.4.3. Sự hình thành các mạng viễn thông
Viễn thông bao gồm những vấn đề liên quan đến việc truyền thông tin (trao đổi hay
quảng bá thông tin) giữa các đối tượng qua một khoảng cách, nghĩa là bao gồm bất kỳ hoạt
động liên quan tới việc phát/nhận tin tức (âm thanh, hình ảnh, chữ viết, dữ liệu, …) qua các
phương tiện truyền thông (hữu tuyến như đường dây kim loại, cáp quang hoặc vô tuyến hoặc
các hệ thống điện từ khác).
Hình 1.7 là lược đồ phân loại mạng viễn thông. Viễn thông chiếm phần chủ đạo trong
truyền thông. Truyền thông là việc truyền thông tin từ một điểm tới một điểm khác, gồm có
truyền thông cơ học (bưu chính) và truyền thông điện (viễn thông) bởi vì nó phát triển từ dạng
cơ học (máy móc) sang dạng điện/quang và ngày càng sử dụng những hệ thống điện/quang
phức tạp hơn.
PTIT
17
Viễn thông
Đơn hướng Song hướng
Truyền
thanh
Truyền
hinh
Truyền
hình vô
tuyến
Truyền
hình
cáp
Điện
báo Telex Điện
thoại
cố
định
Điện
thoại
di
động
Truyền
dữ liệu
Thư
điện
tử
Truyền
hình
hội
nghị
Truyền
hình
theo
yêu cầu
…
Hình 1. 7: Các loại hình mạng viễn thông
Tỷ phần truyền thông cơ học (thư từ, báo chí) đang có xu hướng giảm trong khi tỷ
phần truyền thông điện/quang, đặc biệt là truyền song hướng, lại gia tăng và sẽ chiếm thị phần
chủ đạo trong tương lai. Vì vậy, ngày nay những tập đoàn báo chí cũng đang tập trung và
hướng tới truyền thông điện/quang, coi đó là cơ hội kinh doanh tương lai của mình.
Mạng viễn thông lâu đời nhất có thể nhắc tới là mạng điện thoại cố định, sau đó là
mạng điện thoại vô tuyến, mạng đa dịch vụ, mạng Internet ... Chúng ta có thể thấy là mỗi
mạng viễn thông có thể cung cấp nhiều dịch vụ cơ bản như là dịch vụ thoại cố định, di động
hay số liệu. Các mạng này có thể liên kết với nhau để cung cấp dịch vụ liên mạng cho nhiều
đối tượng thuê bao.
PTIT
18
CHƯƠNG 2. XỬ LÝ ĐA PHƯƠNG TIỆN
Như trình bày ở chương trước, sơ đồ khối chung vể xử lý dữ liệu đa phương tiện gồm
các khối là: Số hóa, mã hóa, truyền hoặc lưu trữ, giải mã và giải số hóa. Trong các khối trên
thì công nghệ xử lý tập trung ở các khối: Số hóa, mã hóa, giải mã và giải số hóa. Còn khối
truyền và lưu trữ liên quan nhiều đến kỹ thuật lưu trữ và truyền thông tin. Hiện nay việc lưu
trữ không quá phức tạp, do vậy, khối này thường tập trung chủ yêu vào các công nghệ truyền
thông.
Ở chương này sẽ tập trung đi vào các công nghệ xử lý dữ liệu đa phương tiện, còn
chương cuối sẽ tập trung vào phần truyền thông đa phương tiện.
Tùy thuộc vào mỗi loại dữ liệu đa phương tiện mà ta có các thuật toán và công nghệ
xử lý khác nhau. Số lượng các khối liên quan đến việc xử lý cho từng loại dữ liệu là không
giống nhau. Sau đây ta sẽ đi lần lượt việc xử lý cho từng loại dữ liệu khác nhau.
2.1. Xử lý văn bản
2.1.1. Giới thiệu về dữ liệu văn bản
Chủ yếu có 3 loại văn bản được dùng để tạo các trang văn bản:
- Văn bản chưa định dạng (unformatted text): là văn bản đơn giản dùng các ký tự có
kích thước cố định với số lượng ký tự giới hạn. Ví dụ bảng mã ASCII, các ký tự
mosaic.
- Văn bản theo định dạng mẫu (formatted text): là các văn bản đa dạng có nhiều các
ký tự với các kiểu chữ, kích thước chữ, hình dáng, màu sắc chữ và có thể chèn được
các ảnh, đồ họa bên trong văn bản.
- Siêu văn bản (hyper text): là các văn bản có các liên kết bên trong các câu văn giúp
người đọc không nhất thiết phải đọc từ đầu đến cuối mà có thể nhảy tới bất kỳ vị trí
nào của văn bản này hoặc nhảy sang văn bản khác.
a. Văn bản chưa định dạng
Là văn bản không có các định dạng mẫu khác nhau, chỉ duy nhất dùng các ký tự có kích
thước cố định với số lượng ký tự giới hạn. Ví dụ trong bảng mã ASCII dưới đây.
PTIT
19
Hình 2. 1: Bảng mã ASCII
Bảng mã này dùng để hiển thị và lưu giữ các ký tự trong máy tính. Bảng mã này dùng 7
bít để biểu diễn thông tin ký tự. Cơ bản sẽ có 128 giá trị (27). Để biểu diễn một ký tự, ta phải
kết hợp các bít cột và bít hàng theo thứ tự bít cột trước + bít hàng. Ví dụ ký tự A sẽ là 100
0001. Ngoài các ký tự ra, bảng này còn chứa các ký tự điều khiển, ký tự số. cụ thể:
- Các ký tự điều khiển định dạng: BS (Backspace), LF(line feed), CR (carriage
return),SP (space),DEL (Delete),ESC (escape), and FF(form feed).
- Các bộ chia thông tin: FS (file separator), RS(record separator).
- Các ký tự điều khiển truyền tin: SOH (start of heading), STX (start of text), ETX
(end of text), ACK (acknowledge), NAK(negative acknowledge), SYN
(synchronous idle) và DLE (data link escape).
Văn bản dạng này thường đơn điệu, không đa dạng, vì không có các kiểu chữ, cỡ chữ,
phông chữ, mầu chữ khác nhau. Việc trình bày văn bản cũng không linh hoạt, không có các
tiêu đề, không có header, footer, các ghi chú trong văn bản.
b. Văn bản được định dạng (formated text)
Là văn bản sử dụng các kiểu ký tự khác nhau, với các kích thước, mầu sắc khác nhau
thậm chí là cả hình ảnh. Việc bố cục trang văn bản cũng đa dạng có thể theo dạng báo, sách,
tạp chí, ấn phẩm,... Các chữ có thể dạng thẳng, nghiêng, béo. Nội dung văn bản có thể tổ chức
thành các chương, phần, đoạn với các tiêu đề khác nhau, với bảng biểu, đồ họa, hình ảnh được
chèn vào vị trí bất kỳ.
PTIT
20
<B><FONT SIZE =4><P>Formated Text </P></B></FONT>
<P>This is an example of formated text, it includes:</P>
<FONT SIZE=2>
</FONT><I><P>Italics</I><B>Bold</B> and <U>Underlining</U>
Formated Text
This is an example of formated text, it includes:
Italics, Bold and Underlining
Hình 2. 2: Ví dụ về văn bản có định dạng
c. Siêu văn bản (Hypertext)
Siêu văn bản là một dạng văn bản theo định dạng mẫu và có các liên kết với các văn bản
khác thông qua các đường liên kết trong văn bản. Ví dụ văn bản tổ chức thành dạng sách thì
người đọc có thể nhảy đến trang cần đọc thông qua mục lục hoặc có thể tham khảo sách khác
thông qua đường liên kết.
Hình 2. 3 Ví dụ về siêu văn bản
2.1.2. Quá trình xử lý văn bản
Quá trình xử lý văn bản trên máy tính được mô tả trong hình 2.4. Ban đầu, các ký tự
trong văn bản được nhập vào từ bàn phím. Phần mềm xử lý trong máy tính sẽ lưu các ký tự
này, hiển thị và cho phép người dùng có thể định dạng các ký tự một cách trực quan. Ngoài ra,
phần mềm xử lý có chức năng mã hóa văn bản và ghi ra file để tiện cho việc lưu trữ và trao
đổi.
PTIT
21
Thiết bị đầu vào
(bàn phím,...)
Phần mềm xử lý văn bản
(notepad, MS word,…)
Thiết bị hiển thị
(màn hình, máy
chiếu,...)
Hình 2. 4: Quá trình xử lý văn bản
a. Bàn phím
Hình 2. 5: Nguyên tắc hoạt động của bàn phím máy tính
Về nguyên lý hoạt động, bàn phím máy tính bao gồm một ma trận các công tắc trong đó
mỗi vị trí công tắc là một ký tự. Khi người dùng gõ một ký tự, công tắc sẽ được đóng lại và
một tín hiệu điện sẽ được đưa đến bộ vi xử lý trong máy tính để xử lý. Dựa trên các mức điện
áp tại các hàng và cột của ma trận, vi xử lý có thể xác định được vị trí phím bấm và giải mã
được ký tự được bấm.
b. Phần mềm xử lý văn bản
Phần mềm xử lý văn bản có hai chức năng chính là định dạng văn bản và nén văn bản.
Định dạng văn bản có nhiệm vụ tiếp nhận các tín hiệu từ bàn phím và hiển thị các ký tự này
trên màn hình với các định dạng khác nhau. Chức năng nén văn bản có nhiệm vụ mã hóa các
tệp văn bản theo một thuật toán nào đó để làm giảm dung lượng của tệp văn bản, phục vụ cho
việc truyền thông và lưu trữ.
c. Thiết bị hiển thị
Các thiết bị hiển thị có chức năng hình ảnh hóa các ký tự được người dùng nhập vào từ
bàn phím. Thiết bị hiển thị có thể bao gồm màn hình, máy in, máy chiếu,…
2.1.3. Định dạng văn bản
a. Định dạng văn bản text
Tập tin văn bản dạng text là một tập tin văn bản thường dùng trong máy tính. Đây là
dạng tập tin văn bản đơn giản nhất trong các loại tập tin văn bản thường có đuôi mở rộng là
*.txt . Đơn giản vì nó là một dạng văn bản “formated text” nhưng không có nhiều tính năng
phong phú như các định dạng khác như các tập tin *.rtf, *.doc, *.html,....
Về cơ bản tập tin văn bản dạng text chỉ bao gồm các mã ký tự xây dựng sẵn, tuy nhiên
không nhiều, nó cũng cho phép thay đổi phông chữ, kích thước chữ, nhưng không thay đổi
mầu chữ, không chèn được hình ảnh vào trong file. Tóm lại chỉ đơn thuần là ký tự thôi.
PTIT
22
Tập tin text không có nhiều ký tự điều khiển do vậy nó không cho phép trình bày văn
bản theo nhiều bố cục định dạng như các tập tin khác. Nó cũng không bao gồm các chức năng
ghi chú cho đoạn văn, không có tiêu đề, không có footer, header. Các tập tin Text sử dụng tập
ký tự ASCII chủ yếu cho các ký tự ngôn ngữ tiếng Anh. Với những ký tự ngôn ngữ có dấu
khác thì phải sử dụng việc mã hóa ký tự như ISO 8859-1 cho các ký tự ngôn ngữ Châu Âu.
Ngoài ra, các tập tin text hiện nay sử dụng tập ký tự mã hóa Unicode như UTF-8. Đây là
bộ mã được sử dụng rộng rãi bởi nó có ưu điểm là tương thích ngược với ASCII.
b. Định dạng văn bản rich text
Đây là định dạng văn bản mở rộng của văn bản text. Các tập tin văn bản dạng này đã
được bổ sung các tính năng mới góp phần đáp ứng nhu cầu người dùng.
Các đặc trưng của văn bản này gồm:
- Hỗ trợ các loại phông chữ khác nhau gồm: mầu chữ, kiểu chữ (thường, nghiêng,
đậm, gạch chân), mầu chữ.
- Chèn hình ảnh với một số định dạng nhất định và các biểu đồ.
- Hỗ trợ người dùng trình bày tốt hơn như: Căn lề trái, phải, giữa.
- Là sản phẩm của Hãng Microsoft.
Các file RTF thường dùng ký tự đơn giản 7 bít. RTF bao gồm các từ điều khiển, các ký
tự điều khiển và các nhóm. Các file RTF có thể dễ dàng truyền giữa các máy tính PC bởi vì
chúng được mã hóa như là một file text với các ký tự đồ họa 7 bít ASCII. Việc chuyển đổi để
có thể trao đổi từ Word trên Windows sang Word trên Macintosh sẽ là các ký tự 8 bít và các
dữ liệu có giá trị 8 bít.
c. Định dạng văn bản doc (.doc, .docx)
Định dạng văn bản *.doc hay *.docx là một dạng văn bản siêu văn bản. Các tính năng
hỗ trợ người dùng phong phú và mở rộng hơn nhiều so với định dạng *.rtf. Và ngày nay, các
văn bản chủ yếu được sử dụng là dạng này.
Một số đặc trưng:
- Cho phép tùy biến thay đổi các loại chữ, phông chữ, kiểu chữ, mầu sắc
- Cho phép chèn các loại hình ảnh, biểu đồ, các hình vẽ tay vào văn bản
- Cho phép trình bày các trang văn bản theo các mục, chương, phần và có thể tổ chức
thành các dạng khác nhau từ dạng báo, tạp chí, sách, ấn phẩm khác,...
- Cho phép tạo các header, footer, background khác nhau
- Cho phép thêm các ghi chú, chú thích vào văn bản
- Cho phép tạo các mục lục, các liên kết trong và ngoài văn bản,...
2.1.4. Nén văn bản
Như chúng ta đã xem ở phần trước, có 3 loại văn bản: loại chưa được định dạng, loại đã
định dạng theo chuẩn, và siêu văn bản. Tất cả các văn bản đều biểu diễn các chuỗi ký tự từ
một tập ký tự xác định. Đi kèm với các chuỗi ký tự alpha có thêm các ký tự điều khiển khác
PTIT
23
và 3 loại văn bản trên sẽ trình bày các ký tự theo các cách khác nhau. Các thuật toán liên quan
đến xử lý văn bản thường là các thuật toán mã hóa (nén). Tuy nhiên, đây là các thuật toán nén
không mất dữ liệu, vì nếu mất dữ liệu dù chỉ một ký tự đơn cũng có thể làm thay đổi ý nghĩa
của một chuỗi các ký tự. Do đó, nhìn chung, chúng ta hạn chế dùng phương pháp mã hóa
entropy và trong thực tế thường dùng phương pháp mã hóa thống kê.
Về cơ bản, có 2 phương pháp mã hóa thống kê cho văn bản. Một dùng các ký tự đơn mà
cơ sở là lấy từ một tập từ mã tốt nhất và phương pháp còn lại dùng các chuỗi có chiều dài thay
đổi theo các ký tự. Tương ứng với phương pháp đầu có các thuật toán là mã hóa Huffman, mã
hóa số học và phương pháp còn lại là thuật toán Lempel-Zive.
2.1.4.1. Mã hóa Run-length
Mã hóa này ứng dụng nén văn bản dựa trên các đặc trưng của các chữ được dùng trong
mỗi từ và tần suất xuất hiện của chúng.
Ví dụ với chuỗi ký tự: AAAABBBAABBBBBBCCCCC
Chuỗi này có thể được mã hóa một cách đơn giản băng cách thay thế chuỗi ký tự lặp lại
bằng một thể hiện duy nhất của ký tự lặp lại cùng với một biến đếm số lần ký tự đó được lặp
lại. Ta chỉ ra rằng chuỗi này gồm 4 chữ A theo sau bởi 3 chữ B,.....Việc nén một chuỗi theo
phương pháp này gọi là mã hóa độ dài cụm. Khi có những cụm dài, có thể tiết kiệm được
đáng kể. Có nhiều cách để thể hiện ý tưởng này, tùy thuộc vào các đặc trưng của ứng dụng.
Chuỗi trên được mã hóa thành 4A3B2A6B5C.
Chú ý các cụm có độ dài 1 hoặc 2 thì không cần mã hóa vì cần đến 2 ký tự để mã hóa.
2.1.4.2. Mã hóa thống kê Huffman
a. Tổng quan về mã thống kê
Các tập tin của máy tính được lưu dưới dạng các kí tự có chiều dài không đổi là 8 bits.
Trong nhiều tập tin, xác suất xuất hiện các kí tự này là nhiều hơn các kí tự khác, từ đó ta thấy
ngay rằng nếu chỉ dùng một vài bit để biểu diễn cho các kí tự có xác suất xuất hiện lớn và
dùng nhiều bit hơn để biểu diễn cho các kí tự có xác suất xuất hiện nhỏ thì có thể tiết kiệm
được độ dài tập tin một cách đáng kể. Ví dụ, để mã hoá một chuỗi như sau:
"ABRACADABRA".
Nếu mã hoá chuỗi trên trong dạng mã nhị phân 5 bit ta sẽ có dãy bit sau:
0000100010100100000100011000010010000001000101001000001
Ðể giải mã thông điệp này, chỉ đơn giản là đọc ra 5 bits ở từng thời điểm và chuyển đổi
nó tương ứng với việc mã hoá nhị phân đã được định nghĩa ở trên. Trong mã chuẩn này, chữ
D xuất hiện chỉ một lần sẽ cần số lượng bit giống chữ A xuất hiện nhiều lần.
Ta có thể gán các chuỗi bit ngắn nhất cho các kí tự được dùng phổ biến nhất, giả sử ta
gán A là 0, B là 1, R là 01, C là 10 và D là 11 thì chuỗi trên được biễu diễn như sau:
0 1 01 0 10 0 11 0 1 01 0.
PTIT
24
Ví dụ này chỉ dùng 15 bits so với 55 bits như ở trên, nhưng nó không thực sự là một mã
vì phải lệ thuộc vào khoảng trống để phân cách các kí tự. Nếu không có dấu phân cách thì ta
không thể giải mã được thông điệp này. Ta cũng có thể chọn các từ mã sao cho thông điệp có
thể được giải mã mà không cần dấu phân cách, ví dụ như: A là 11, B là 00, C là 010, D là 10
và R là 011, các từ mã này gọi là các từ mã có tính prefix (Không có từ mã nào là tiền tố của
từ mã khác). Với các từ mã này ta có thể mã hoá thông điệp trên như sau:
1100011110101110110001111.
Với chuỗi đã mã hoá này ta hoàn toàn có thể giải mã được mà không cần dấu phân cách.
Nhưng bằng cách nào để tìm ra bảng mã một cách tốt nhất ? Vào năm 1952, D.Huffman đã
phát minh ra một cách tổng quát để tìm ra bảng mã này một cách tốt nhất:
- Bước đầu tiên trong việc xây dựng mã Huffman là đếm số lần xuất hiện của mỗi kí
tự trong tập tin sẽ được mã hoá.
- Bước tiếp theo là xây dựng một cây nhị phân với các tần số được chứa trong các nút.
Hai nút có tấn số bé nhất được tìm thấy và một nút mới được tạo ra với hai nút con
là các nút đó với giá trị tần số của nút mới bằng tổng tần suất của hai nút con. Tiếp
theo hai nút mới với tần số nhỏ nhất lại được tìm thấy và một nút mới nữa lại được
tao ra theo cách trên. Lặp lại như vậy cho đến khi tất cả các nút được tổ hợp thành
một cây duy nhất.
- Sau khi có cây nhị phân, bảng mã Huffman được phát sinh bằng cách thay thế các
tần số ở nút đáy bằng các kí tự tương ứng.
Ưu điểm của phương pháp mã hoá Huffman là đạt được hệ số nén cao (Hệ số nén tuỳ
thuộc vào cấu trúc của các tập tin), phương pháp thực hiện đơn giản, đòi hỏi ít bộ nhớ, có thể
xây dựng trên các mảng nhớ bé hơn 64K. Nhược điểm của phương pháp này là bên nhận
muốn giải mã được thông điệp thì phải có một bảng mã giống như bảng mã ở bên gửi, do đó
khi nén các tập tin bé hệ số nén không được cao.
b. Nguyên lý mã hóa Huffman
Phương pháp mã hóa Huffman là mã hóa các byte trong têp dữ liệu nguồn bằng biến nhị
phân. Nó tạo ra mã độ dài biến thiên là một tập hợp các bít. Đây thuộc dạng phương pháp nén
kiểu thống kê và những ký tự xuất hiện nhiều hơn sẽ có mã ngắn hơn.
Thuật toán nén:
- Bước 1: Tìm hai ký tự có trọng số nhỏ nhất ghép lại thành một, trọng số của ký tự
mới bằng tổng trọng số của hai ký tự đem ghép
- Bước 2: Trong khi số lượng ký tự trong danh sách còn lớn hơn một thì thực hiện
bước 1, nếu không thì thực hiện bước 3.
- Bước 3: Tách ký tự cuối cùng và tạo cây nhị phân với quy ước bên trái mã 0 và bên
phải mã 1.
Ví dụ: Mã hóa một chuỗi ký tự gồm các ký hiệu và số lần xuất hiện các ký tự trong
chuỗi cho ở bảng sau:
Ký hiệu A B C D E
PTIT
25
Số lần xuất hiện 15 7 6 5 6
Giải:
Ký hiệu A B C D E
Trọng số 15/39 7/39
6/39 5/39 6/39
15/39 13/39 11/39
15/39 24/39
Mã 0 101 100 110 111
Số bit 1 3 3 3 3
39
15 24
13 11
6 7 5 6
0 1
0 1
0 1 0 1
A
C B D E
Hình 2. 6: Cây mã Huffman
Thuật toán giải:
- Bước 1: Đọc lần lượt từng bít trong tập tin nén và duyệt cây nhị phân đã được xác
định cho đến khi hết một lá. lấy ký tự ở lá đó ghi ra tệp giải nén.
- Bước 2: trong khi chưa hết tập tin nén thì thực hiện bước 1, ngược lại thì thực hiện
bước 3
- Bước 3: Kết thúc thuật toán
c. Ưu nhược điểm
Ưu điểm:
- Mã Huffman chỉ thực hiện được khi biết được tần suất xuất hiện của các ký tự
- Mã Huffman chỉ giải quyết được độ dư thừa phân bố ký tự
- Huffman tĩnh đòi hỏi phải xây dựng cây nhị phân sẵn chứa các khả năng. Điều này
đòi hỏi thời gian không ít do không biết trước kiểu dữ liệu sẽ thực hiện nén.
PTIT
26
- Quá trình giải nén phức tạp do chiều dài mã không biết trước cho đến khi ký tự đầu
tiên được tìm ra.
Nhược điểm:
- Phải gửi cả bảng mã vào tập tin nén cho phía nhận thì mới giải mã được, do đó hiệu
xuất nén bị ảnh hưởng. Chỉ có hiệu suất cao với tập tin có kích thước lớn.
2.1.4.3. Mã hóa Lempel –Zive Welch
a. Tổng quan về mã LZW
LZW xây dựng một từ điển lưu các mẫu có tần số xuất hiện cao trong dữ liệu. Từ điển là
tập hợp những cặp từ vựng và nghĩa của nó. Trong đó, từ vựng sẽ là các từ mã được sắp xếp
theo thứ tự. Từ điển được xây dựng đồng thời với quá trình đọc dữ liệu. Thuật toán liên tục
kiểm tra và cập nhận từ điển sau mỗi lần đọc một ký tự đầu vào.
Để đảm bảo tốc độ tìm kiếm thường từ điển chỉ giới hạn một số lượng phần tử nhất định
thường là 4096, tức là khả năng lưu lớn nhất là 4096 giá trị của các từ mã, tương ứng với số
lượng bít sử dụng là 12 bít.
256 từ mã đầu tiên theo thứ tự từ 0 đến 255 là các ký tự cơ bản trong mã ASCII. Các từ
mã đánh số từ 256 trở đi được cập nhật trong quá trình mã hóa.
b. Nguyên lý mã hóa LZW
LZW bắt đầu bằng một từ điển 256 ký tự của bảng mã ASCII (trường hợp sử dụng mã
8bit) và sử dụng chúng như tập ký tự chuẩn. Sau mỗi lần đọc, thuật toán đọc 8 bít (ví dụ các
ký tự ‘a’, ‘b’....) và mã hóa thành số tương ứng theo số thứ tự của ký tự đó trong từ điển.
Khi LZW đọc một chuỗi con mới (ví dụ: “ab”,..) chưa có trong từ điển, thì nó thêm
chuỗi con đó vào từ điển.
Mỗi khi nó đọc một chuỗi con mà nó đã thấy trước đó, nó chỉ đọc thêm 1 ký tự mới nữa
và cộng với chuỗi con đã biết để tạo ra một chuỗi con mới. Lần tiếp theo, LZW đọc một chuỗi
con đã có, nó chỉ việc sử dụng số thứ tự tương ứng trong từ điển.
Việc nén LZW không tiêu tốn hết toàn bộ bộ nhớ vì số bit của mã sẽ lớn hơn số bit của
ký tự, trong ví dụ này là 12 bit (lớn hơn 8 bit). Việc nén được thực hiện bởi nhiều chuỗi con
lặp lại sẽ được thay thế bởi một mã duy nhất.
Ví dụ: Sử dụng LZW để mã hóa dãy ký tự sau: BABAABAAA
Giải:
Hình 2. 7: Các bước để mã hóa bằng LZW
PTIT
27
1. Khi mã hóa, bộ mã hóa đọc chuỗi ký tự từ trái sang phải. Với quy tắc này, ký tự
“B” sẽ được đọc đầu tiên. Tuy nhiên ký tự “B” đã có trong từ điển (bảng mã
ASCII) nên bộ mã hóa đọc tiếp đến ký tự A. Chuỗi “BA” chưa có trong từ điển
nên bộ mã hóa thực hiện các việc sau:
a. Chèn thêm chuỗi này vào trong từ điển và gán cho chuỗi này mã là 256
(255 là giới hạn của bảng mã ASCII).
b. Gửi đi từ mã đầu tiên là 66 (mã của ký tự “B” trong từ điển).
2. Sau khi gửi đi mã của ký tự “B”, ký tự tiếp theo được đọc là “A”. Vì “A” đã có
trong từ điển nên bộ mã hóa đọc ký tự tiếp theo là “B”. Chuỗi “AB” chưa có trong
từ điển nên bộ mã hóa thực hiện:
a. Chèn thêm chuỗi “AB” vào từ điển và gán mã là 257.
b. Gửi đi từ mã mã hóa ký tự “A” là 65.
3. Chuỗi “BA” trong từ điển
Chuỗi “BAA” không có trong từ điển nên bộ mã hóa chèn “BAA” vào trong từ
điển và gán mã là 258.
Từ mã mã hóa chuỗi “BA” đã có trong từ điển là 256.
4. Chuỗi “AB” có trong từ điển.
Chuỗi “ABA” không có trong từ điển. Bộ mã hóa chèn “ABA” vào từ điển và gán
mã là 259.
Từ mã mã hóa chuỗi “AB” đã có trong từ điển là 257.
5. Chuỗi “AA” không có trong từ điển nên bộ mã hóa chèn chuỗi “AA” vào từ điển
và gán mã là 260. Từ mã được gửi đi là 65 (ký tự “A”).
6. Chuỗi “AA” đã có trong từ điển nên mã được gửi đi là 260.
Như vậy, sau 6 bước mã hóa, chuỗi mã ban đầu được mã hóa bằng các từ mã: 66, 65,
256, 257, 65, 260.
Quá trình trên được minh họa bằng bảng dưới đây:
Hình 2. 8: Từ điển và chuỗi mã đầu ra của bộ mã hóa
c. Giải mã LZW
Quá trình giải nén LZW không phức tạp và không cần một từ điển mới. Một từ điển mới
đồng nhất với từ điển gốc đã tạo trong khi nén được tái tạo lại trong quá trình giải nén này.
PTIT
28
Quá trình mã hóa và giải mã cần phải sử dụng cùng một từ điển khởi đầu, trong trường
hợp này là 256 ký tự của bảng mã ASCII.
Sau đây là cơ chế hoạt động. Bộ giải mã trước hết đọc một số thứ tự (là một số nguyên),
tìm số thứ tự đó trong từ điển và đưa ra chuỗi con gắn với số thứ tự đó. Ký tự đầu tiên của
chuỗi con này được cộng thêm vào chuỗi đang thực hiện. Chuỗi mới tạo ra được thêm vào từ
điển (hoàn toàn giống với quá trình nén). Chuỗi đã giải mã lại trở thành chuỗi đang làm việc
và cứ thế quá trình này được tiếp tục.
Ví dụ: Giải mã chuỗi mã nhận được: <66><65><256><257><65><260>
Giải:
Hình 2. 9: Từ điển và chuỗi ký tự sau khi được giải mã
Các bước giải mã:
1. 66 có trong từ điển. Từ mã được giải mã là “B”
2. 65 có trong từ điển. Từ mã được giải mã là “A”. Bộ giải mã chèn chuỗi “BA” vào
từ điển và gán mã là 256.
3. 256 có trong từ điển. Từ mã được giải mã là “BA”. Bộ giải mã chèn chuỗi “AB”
vào từ điển và gán mã là 257.
4. 257 có trong từ điển. Từ mã được giải mà là “AB”. Bộ giải mã chèn chuỗi “BAA”
vào từ điển và gán mã là 258.
5. 65 có trong từ điển. Từ mã được giải mã là “A”. Bộ giải mã chèn chuỗi “ABA”
vào từ điển và gán mã là 259.
6. 260 không có trong từ điển. Đầu ra của bộ giải mã là: chuỗi ký tự được giải mã
trước + ký tự đầu tiên của chuỗi ký tự đó. Như vậy, đầu ra của bộ giải mã là “AA”.
Đồng thời, bộ giải mã chèn “AA” vào trong từ điển và gán mã là 260.
2.2. Xử lý âm thanh
2.2.1. Đặc trưng của âm thanh
Âm thanh được nghe thấy trong não là do tín hiệu được truyền đến tai trong thông qua
hệ thống thần kinh. Có một số âm mà tai người không thể nhận được, chúng là các tần số
hoặc là rất cao, hoặc là rất thấp.
PTIT
29
Hình 2. 10: Ví dụ về sóng âm
Sóng âm bao gồm thành phần không khí nén và giãn tạo các sóng dọc. Việc nén có thể
ánh xạ theo các vùng lõm giữa các đỉnh thấp (Trough) và cao (Crest). Biên độ (Amplitude)
sóng liên quan đến mức độ to của âm là khoảng cách giữa đáy và đỉnh của sóng như hình vẽ.
Biên độ sóng xác định âm lượng của âm. Đơn vị đo của âm lượng là decibel.
Một số tham số đặc trưng của âm thanh bao gồm tần số, hiệu ứng Doppler, băng thông,
hài âm, vận tốc âm.
2.2.1.1. Tần số
Khoảng cách giữa 2 đỉnh sóng gọi là chu kỳ (Period). Nó được tính bằng giây. Có số
lượng nhất định các đỉnh sóng trong 1 giây gọi là tần số. Một cách gọi khác liên quan đến tần
số gọi là pitch. Nếu một đỉnh dao động nhanh, nó tạo một “high pitch” của âm. Ngược lại,
một âm thanh tần số thấp được tạo bởi đối tượng rung chậm như dây đàn dày của piano hoặc
ghi ta. Tần số được đo bởi số lượng chu kỳ trong 1 giây và đơn vị của tần số là Hertz (Hz).
Tần số cũng có thể được xác định là số sóng đi qua một điểm trong thời gian 1 giây.
Tai người có thể tiếp nhận dải tần số từ 20 – 20000Hz (hay 20KHz). Tuy nhiên, phần
lớn chỉ có thể nghe được âm từ 2 – 4KHz.
2.2.1.2. Hiệu ứng Doppler
Là hiệu ứng vật lý trong đó tần số và bước sóng âm bị thay đổi khi mà nguồn âm chuyển
động tương đối với người nghe. Khi một nguồn âm di chuyển về phía bạn, tần số sóng âm
nhiều lên làm cho các pitch cao lên (chói). Ngược lại, khi đối tượng di chuyển xa bạn các
pitch giảm đi.
Tại sao còi của ô tô gần bạn có âm thanh to (chói hơn) khi nó càng đến gần bạn và bé
hơn khi nó đi xa bạn? Vì ô tô và còi của nó đi về phía bạn, âm thanh bị dồn càng nhiều làm
cho âm bị chói,...
PTIT
30
Hình 2. 11: Ví dụ về hiệu ứng Doppler
2.2.1.3. Băng thông
Băng thông xác định sự khác biệt giữa tần số cao nhất và thấp nhất của một tín hiệu.
Một tín hiệu trải rộng từ 200 – 3200Hz có băng thông là: BW = 3200- 200 = 3000 Hz.
2.2.1.4. Hài âm
Một vài đối tượng tạo ra âm thanh với tần số duy nhất. Hầu hết các nhạc cụ âm nhạc tạo
ra nhiều tần số tại một nốt nhạc. Đó là cách mà mỗi nhạc cụ trình diễn khác nhau. Tổ hợp các
tần số tạo bởi nhạc cụ gọi là âm sắc. Âm sắc bao gồm một tần số cơ bản hay tần số chính và
các tần số thứ.
Hình 2. 12: Ví dụ về hài âm
Harmonic của một sóng âm là một tần số thành phần của tín hiệu. Nó được tạo thành từ
tần số cơ bản của sóng âm được nhân với một số nguyên. Ví dụ, sóng có tần số là f (Hình
2.12a) thì các harmonic của sóng âm có các tần số 2f (Hình 2.12b), 3f (Hình 2.12c), 4f (Hình
2.12d),...
PTIT
31
Âm thanh mà chúng ta có thể nghe từ các đối tượng rung là tổ hợp trong giác quan gồm
nhiều tần số khác nhau.
2.2.1.5. Vận tốc âm
Vận tốc của âm có thể đo được theo thời gian khi cho sóng âm đi qua một khoảng cách
cụ thể. Tốc độ thay đổi lớn theo môi trường truyền mà âm thanh truyền qua. Tốc độ của âm
tăng khi nhiệt độ tăng và giảm khi nhiệt độ giảm. Bảng dưới đây cung cấp tốc độ của âm tại
00C qua của một vài môi trường:
Hình 2. 13: Bảng tốc độ âm thanh của một số môi trường
2.2.2. Mã hóa âm thanh
Như chúng ta biết, âm thanh sử dụng trong đa phương tiện gồm có tiếng nói và âm nhạc.
Với mỗi loại âm thanh này đều có tính chất và đặc điểm là khác nhau. Cụ thể tín hiệu tiếng
nói thường trong khoảng tần số từ 50Hz đến 10kHz. Còn tín hiệu âm nhạc, các âm có tần số
trong khoảng từ 15Hz đến 20kHz. Để xử lý các âm này thường sử dụng các thuật toán mã hóa
như là kỹ thuật điều chế xung mã PCM (Pulse Code Modulation), kỹ thuật điều chế xung mã
vi sai DPCM (Differential Pulse Code Modulation), kỹ thuật điều chế xung mã vi sai thích
ứng ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation).
2.2.2.1. Kỹ thuật PCM
PCM là phương pháp số hóa tín hiệu tương tự khá phổ biến, có thể áp dụng cho cả tín
hiệu thoại và tín hiệu video. Phương pháp PCM được thực hiện qua 3 bước: Lấy mẫu, lượng
tử, mã hóa.
a. Lấy mẫu
Lấy mẫu là rời rạc hoá tín hiệu tương tự về mặt thời gian theo một qui luật nhất định. Về
ý nghĩa vật lý thì lấy mẫu là lấy ra những giá trị tức thời của tín hiệu tương tự vào những thời
điểm cách đều nhau. Tín hiệu sau khi lấy mẫu là một dãy xung có biên độ được điều chế theo
tín hiệu gốc, dãy xung đó gọi là dãy xung PAM (Pulse Amplitude Modulation). Hình 2.15 mô
tả quá trình lấy mẫu tín hiệu.
Một tín hiệu liên tục theo thời gian X(t) có phổ hữu hạn từ fminđến fmax hoàn toàn khôi
phục được từ các mẫu với tần số lấy mẫu fs bằng hoặc lớn hơn hai lần tần số lớn nhất của tín
hiệu liên tục: 𝑓𝑠 ≥ 2𝑓𝑚𝑎𝑥
PTIT
32
Nghĩa là tín hiệu X(t) chỉ có thể khôi phục một cách chính xác từ các mẫu nếu khoảng
cách giữa hai mẫu này thoả mãn:
𝑇𝑠 ≤1
2𝑓𝑚𝑎𝑥 , Ts gọi là chu kỳ mẫu. (1)
Hình 2. 14: Quá trình lấy mẫu, lượng tử và mã hóa
Nếu điều kiện trên không thỏa mãn, tín hiệu sau khi khôi phục sẽ bị méo hoặc sai lệch
so với tín hiệu gốc ban đầu. Trong thực tế, để đáp ứng yêu cầu chặt chẽ về băng tần hạn chế
của tín hiệu lấy mẫu, thông thường tín hiệu tương tự được cho qua bộ lọc thông thấp trước khi
đưa vào lấy mẫu nhằm gạt bỏ các thành phần tần số có thể gây biến dạng.
Lưu ý: Trong định lý Shannon, trong trường hợp dấu bằng xảy ra thì người ta gọi là tốc
độ lấy mẫu Nyquit. Ví dụ, đối với tín hiệu thoại hoạt động ở băng tần 0,3 ÷ 3,4 kHz thì tần số
lấy mẫu sử dụng là 8 kHz.
PTIT
33
Hình 2. 15: Biểu diễn lấy mẫu và lượng tử tín hiệu sau lấy mẫu.
b. Lượng tử hóa
Lượng tử hoá nghĩa là chia biên độ của tín hiệu thành các khoảng đều, mỗi khoảng là
một bước lượng tử, biên độ tín hiệu ứng với đầu hoặc cuối mỗi bước lượng tử gọi là một mức
lượng tử. Sau khi có các mức lượng tử thì biên độ của các xung mẫu được làm tròn đến mức
gần nhất.
Thực chất lượng tử hóa là quá trình làm tròn giá trị biên độ xung PAM. Biên độ tín hiệu
được chia thành những khoảng đều nhau, sau đó lấy tròn giá trị các xung mẫu đến mức lượng
tử gần nhất. Quá trình lượng tử hoá đều thể hiện như hình vẽ dưới đây:
Hình vẽ 0-1: Biểu diễn lượng tử hóa đều tín hiệu
Bước lượng tử đều bằng Δ. Như vậy, biên độ của tín hiệu gồm có 6 bước lượng tử và 7
mức (đánh số từ -3 ÷ +3). Mối quan hệ giữa số mức lượng tử và số bước lượng tử như
sau:Tổng số mức lượng tử = Tổng số bước lượng tử + 1.
Do phải lấy tròn đến mức lượng tử gần nhất, độ chênh lệch giữa biên độ xung lượng tử
và giá trị tức thời của xung lấy mẫu sẽ gây ra nhiễu lượng tử Qd.
PTIT
34
Hình vẽ 0-2: Độ chênh biên độ xung lượng tử
Biên độ xung nhiễu lượng tử luôn thoả mãn điều kiện sau:
−∆
2≤ 𝑄𝑑 ≤ +
∆
2 (2)
c. Mã hóa
Quá trình mã hoá tín hiệu trong kỹ thuật PCM thực hiện việc chuyển đổi các mẫu tín
hiệu
đã lượng tử hoá thành các mã nhị phân 8 bit. Khuôn dạng của một từ mã PCM như sau:
X = P ABC DEGH
X thể hiện từ mã, P là bít dấu, ABC là bit chỉ thị phân đoạn, DEGH là bit chỉ thị các mức
lượng tử trong đoạn.
2.2.2.2. Kỹ thuật điều chế xung mã sai phân (DPCM)
Nguyên lý :
Tín hiệu đã được lấy mẫu cho thấy mức độ tương quan cao giữa các mẫu kế cận. Hay
nói cách khác, hai mẫu gần nhau là khá tương tự như nhau. Nghĩa là sẽ có nhiều lợi ích nếu
mã hoá sự khác nhau giữa các mẫu kế cận thay cho mã hoá giá trị tuyệt đối của mỗi mẫu.
Hình 2. 16: Biểu diễn sự sai khác giữa các mẫu
PTIT
35
Hình 2. 17: Mã hóa 4 bit thay cho 8 bit
Hình vẽ trên cho thấy 4 bit có thể được sử dụng thay cho 8 bit. Đây là ý tưởng ẩn trong
PCM sai phân (DPCM), ở đây độ chính xác vẫn được giữ lại mặc dù không cần băng tần
rộng.
PCM sai phân có nhược điểm là nếu tín hiệu đầu vào tương tự mà thay đổi quá lớn giữa
các mẫu, thì nó không thể được biểu diễn bằng 4 bit mà sẽ bị cắt
Sơ đồ khối bộ thu phát:
Hình 2. 18: Sơ đồ khối bộ thu phát theo DPCM
- Phần phát:
Tín hiệu tương tự sau khi qua bộ lọc thông thấp để hạn chế băng tần từ 3,4KHz trở
xuống, sau đó qua bộ lọc lấy mẫu là 8KHz. Xung lấy mẫu ở thời điểm t0 được đưa vào đầu
vào thứ nhất của bộ trừ. Đầu vào kia của bộ trừ là xung bậc thang của thời điểm lấy mẫu,
PTIT
36
trước t0 một quãng thời gian là 125𝜇𝑠 (một chu kỳ lấy mẫu). Nghĩa là xung lấy mẫu tại thời
điểm t0 và xung hàm bậc thang tại thời điểm (t0 - 125)𝜇𝑠 được đưa vào bộ trừ. Đầu ra bộ trừ
được hiệu số gọi là số gia ∆𝑈 dương hoặc âm.
Nếu:
o Xung lấy mẫu lớn hơn xung bậc thang thì ∆𝑈 ≥ 0 và được mã hoá có bít bằng 1.
o Xung lấy mẫu nhỏ hơn xung bậc thang thì ∆𝑈 < 0 và được mã hóa có bít bằng
0.
Số gia ∆𝑈 này được đưa vào khối lượng tử để lấy tròn thành số nguyên gần nhất. Ví dụ:
∆𝑈 = 1.6∆ sẽ được lấy tròn thành 2∆. Sau khi lượng tử sẽ mã hóa thành từ mã tương ứng.
Trong PCM mã hóa giá trị tuyệt đối của xung lượng tử có nén bằng từ mã 7 bít, còn
trong DPCM giá trị lượng tử của số gia thường bé hơn giá trị tuyệt đối của các xung bậc thang
và xung lấy mẫu tạo ra số gia ấy. Chính vì vậy mà từ mã trong DPCM đã giảm đi 2 lần (nghĩa
là chỉ còn 4 bít), vì vậy tốc độ truyền cũng giảm đi 2 lần.
Phần phát có khối giải mã để chuyển từ mã DPCM thành số ∆𝑈 tương ứng. Trị số lượng
tử của ∆𝑈 ở mỗi thời điểm lấy mẫu trước đó được tích phân thành hàm bậc thang. Khi giá trị
lượng tử +∆𝑈 xuất hiện ở đầu vào bộ tích phân thì hàm bậc thang đi lên, ứng với −∆𝑈 thì
hàm bậc thang đi xuống.
- Phần thu:
Tín hiệu DPCM từ đường dây đưa tới bộ giải mã để chuyển các từ mã thành số gia +∆𝑈
tương ứng. Số gia này được đưa vào bộ tích phân để lặp lại hàm bậc thang có dạng gần như
đường cong tín hiệu tương tự. Bộ lọc nhánh thu tách đường bao của hàm bậc thang để khôi
phục lại tín hiệu tương tự.
2.2.2.3. Điều chế xung mã sai phân thích ứng (ADPCM)
PCM sai phân thích ứng (ADPCM) là tổ hợp phương pháp DPCM và PCM thích ứng.
ADPCM có nghĩa là các mức lượng tử hoá được thích ứng với dạng của tín hiệu đầu
vào. Kích cỡ của các bước lượng tử tăng lên khi có liên tiếp dốc đứng trong tín hiệu kéo đủ
dài. Trong hình vẽ, số mẫu là 6 có thể được mô tả bằng 5 bước lượng tử lớn thay cho 10 mẫu
nhỏ. Phương pháp này có tên từ khả năng thích ứng ấy, tức là nó tạo ra khả năng giảm các
bước lượng tử.
Trong mã hoá ADPCM, sau khi tín hiệu vào tương tự đã đi qua mã hoá PCM thông
thường, thì luồng các mẫu 8 bit được gửi tiếp tới bộ mã hoá ADPCM. Trong bộ mã hoá này,
một thuật toán chỉ với 15 mức lượng tử được sử dụng để giảm độ dài từ 8 bit xuống 4 bit. 4
bit này không biểu diễn biên độ của mẫu nữa, nhưng nhờ có mã hoá sai phân mà 4 bit vẫn
chứa đủ thông tin để cho phép tín hiệu gốc sẽ được tái tạo ở bộ thu.
PTIT
37
Hình 2. 19: Biểu diễn thuật toán ADPCM
Mức của một mẫu được dự đoán dựa trên mức của mẫu đứng trước. Sự khác nhau giữa
mẫu dự đoán và thực tế là rất nhỏ và vì vậy có thể mã hoá bằng 4 bit. Nếu có vài mẫu tiếp
theo thay đổi lớn, thì các bước lượng tử được thích ứng như mô tả ở trên
2.2.3. Nén âm thanh
2.2.4. Một số khái niệm cơ bản
Mã hóa cảm quan (perceptual encoding) là một kỹ thuật lợi dụng những đặc điểm cảm
quan của tai người để đạt được tỷ lệ nén cao với chất lượng nén tốt. Các nghiên cứu cho thấy
độ nhạy của tai người là khác nhau đối với các thành phần tần số khác nhau. Do vậy, có thể
lợi dụng điều này để lượng tử hóa tín hiệu âm thanh với số bit khác nhau cho mỗi băng con,
dẫn đến số bit trung bình giảm xuống.
Hình 2. 20: Biểu diễn ngưỡng nghe của tai thay đổi theo tần số âm thanh
Hình 2.16 biểu diễn ngưỡng nghe của tai thay đổi theo tần số. Với cùng một biên độ,
nếu âm thanh có tần số nằm ở vùng có ngưỡng nghe cao hơn thì tai người không cảm nhận
được (bị che).
PTIT
38
Khi nghe hai âm thanh mạnh yếu khác nhau với tần số khác nhau xảy ra cùng lúc, âm
mạnh hơn có thể “che khuất” khiến tai không nghe được âm yếu hơn. Hiệu ứng này gọi là mặt
nạ tần số (frequency masking).
Hình 2. 21: Hiệu ứng mặt nạ tần số
Tương tự như trên, nếu âm yếu hơn được phát ra ngay trước hoặc ngay sau âm mạnh
hơn thì cũng bị “che khuất”. Hiệu ứng này gọi là mặt nạ thời gian (temporal masking).
Hình 2. 22: Hiệu ứng mặt nạ thời gian
2.2.5. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật nén âm thanh [6]
Quá trình nén âm thanh được chia thành các bước sau:
Bước 1: Dùng bộ lọc thông dải để chia tín hiệu âm thanh thành các băng con (sub-band)
theo tần số, tương ứng với 32 băng giới hạn lọc sub-band.
Bước 2: Xác định số lượng che của mỗi band gây bởi các band lân cận bằng các kết qủa
bước 1 mô hình âm - tâm lý.
Bước 3: Nếu mức to của một băng mà nhỏ hơn ngưỡng che thì không mã hóa nó.
Bước 4: Ngược lại, xác định số bit cần thiết để mã hóa sao cho nhiễu sinh ra bởi việc
lượng tử hóa này thấp hơn đường cong che.
Bước 5: Định dạng dòng dữ liệu bit
Ví dụ: Sau khi phân tích, 16 band đầu tiên trong số 32 band như sau:
_________________________________________________________
Band 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Level(dB) 0 8 12 10 6 2 10 60 35 20 15 2 3 5 3 1
PTIT
39
_________________________________________________________
Nếu mức to của âm thứ 8 là 60dB, nó sẽ che band thứ 7 ở mức 12dB và band thứ 9 ở
mức 15dB.
Mức to ở band 7 là 10dB (<12dB) nên bị bỏ qua, không mã hóa.
Mức to band 9 là 35 (> 15dB) nên được tiếp tục xử lý.
2.2.6. Chuẩn mã hóa audio Mp3
MPEG là nhóm các chuẩn mã hóa audio cảm quan chất lượng cao. MPEG-1 hoạt động ở
ba chế độ khác nhau gọi là lớp (layer), với mức độ phức tạp và hiệu quả tăng dần từ lớp 1 đến
lớp 3. MPEG-1 lớp 3 (hay còn gọi là MP3) là nhóm MPEG-1 phức tạp nhất. Hình 2.19 là sơ
đồ khối của một bộ mã hóa MP3 điển hình.
Hình 2. 23: Sơ đồ khối bộ nén tín hiệu âm thanh theo chuẩn MPEG-1 Layer 3
- Dải bộ lọc (filterbank): Phân tích tín hiệu vào thành 32 băng con, đầu ra của cá bộ lọc
băng con được nối với bộ biến đổi Cosin rời rạc MDCT (Modified Discrete Cosine
Transform). MDCT chia tiếp các đầu ra của dải bộ lọc thành 576 băng con nhằm đạt
được độ phân giải tốt hơn trong miền tần số. Việc phân chia băng con là nhằm lợi
dụng đặc điểm độ nhạy của tai thay đổi đối với các thành phần tần số khác nhau.
- Lập mô hình cảm quan (Psychoacoustic model): khâu này quyết định chất lượng của
tín hiệu MP3. Bộ mã hóa MP3 tiến hành ánh xạ từ miền thời gian sang miền tần số
bằng phép biến đổi Fourier nhanh FFT (Fast Fourier Trasform) 1024 điểm, để giúp
phân giải tần số tốt hơn nhằm ước lượng ngưỡng mặt nạ chính xác hơn.
- Lượng tử hóa và mã hóa (Quantization and Coding): thực hiện lượng tử hóa và mã hóa
các thành phần phổ với yêu cầu nhiễu lượng tử hóa thấp hơn ngưỡng mặt nạ. Các giá
trị lượng tử hóa được mã hóa Huffman với bảng mã thay đổi đối với những dải tần số
khác nhau, để thích nghi tốt hơn với tín hiệu. Vì mã Huffman là mã có độ dài từ mã
thay đổi và cần giữ cho nhiễu thấp hơn ngưỡng mặt nạ nên phải tính độ lợi và các hệ
số tỷ lệ trước khi lượng tử hóa. Để tìm được độ lợi và các hệ số tỷ lệ tối ưu đối với
một khối cho trước, MP3 dùng hai vòng lặp lồng vào nhau.
- Vòng lặp trong hay vòng lặp điều khiển tốc độ (rate control loop): hiệu chỉnh độ lợi để
tăng dần kích thước bước lượng tử hóa, giảm dần số mức lượng tử hóa cho đến khi số
PTIT
40
bit yêu cầu cho mã hóa Huffman đủ nhỏ, dẫn đến bit tốc độ bit của tín hiệu MP3 đủ
nhỏ.
- Vòng lặp ngoài hay vòng lặp điều khiển nhiễu (distortion control loop): hiệu chỉnh hệ
số tỷ lệ để giảm dần nhiễu lượng tử hóa, lúc đó số mức lượng tử hóa tăng dần lên, làm
tốc độ bit tăng dần lên, dẫn đến vòng lặp trong phải hiệu chỉnh độ lợi. Nếu không đồng
thời thỏa mãn được yêu cầu về tốc độ bit và chất lượng audio thì hai vòng lặp sẽ
không có điểm hội tụ. Để tránh trường hợp này, phải hiệu chỉnh các thông số mã hóa
khi bộ mã hóa hoạt động ở các tốc độ bit khác nhau.
- Định dạng dòng bit (bitstream formatting): dòng bit MP3 được định dạng theo từng
khung, gồm các hệ số phổ đã được mã hóa, đầu khung là header gồm: từ mã đồng bộ,
tốc độ bit, tần số lấy mẫu, lớp, mode mã hóa. Do các thông tin trên được lặp lại trong
tất cả các khung nên ta có thể giải mã vào bất cứ lúc nào.
2.2.7. Một số định dạng file âm thanh
2.2.7.1. Định dạng wave (*.wav)
Định dạng tập tin âm thanh wave hay *.wav là chuẩn định dạng tập tin âm thanh của
IBM và Microsoft. Đây là chuẩn cho việc lưu trữ bít âm thanh trên máy tính. Nó là một ứng
dụng của định dạng RIFF (Resource Interchange File Format) phương thức định dạng luồng
bít theo các “chunk”. Thuật toán mã hóa dùng cho tập tin wave là PCM tuyến tính (LPCM –
Linear Pulse Code Modulation).
Định dạng tập tin âm thanh cho CD cũng là mã hóa LPCM với 2 kênh, tần số lấy mẫu là
44,100 mẫu /s 16 bít mã hóa. Tập tin âm thanh wav có thể dễ dàng được chỉnh sửa bằng phần
mềm. Định dạng wav hỗ trợ việc nén âm thanh dùng các phần mềm trên Windows.
Hình 2. 24: Tổ chức các chunk trong tập tin wav
2.2.7.2. Định dạng mp3 (*.mp3)
MP3 là một định dạng âm thanh đặc biệt được thiết kế bởi MPEG là một phần của
chuẩn MPEG1 và sau này được mở rộng trong chuẩn MPEG2. Nhóm MPEG đầu tiên – nhóm
PTIT
41
âm thanh được hình thành từ một vài nhóm kỹ sư của Fraunhofer IIS, University of
Hannover, AT&T-Bell Labs, Thomson-Brandt, CCETT và các đơn vị khác.
Kỹ thuật dùng trong MP3 là kỹ thuật nén mất dữ liệu được thiết kế để giảm khối lượng
lớn dữ liệu âm thanh mà vẫn gần giống âm thanh chưa nén ban đầu. Một file MP3 với tốc độc
128kbit/s sẽ chỉ bằng 1/11 của file âm thanh CD nguồn. Một file MP3 có thể được tạo ở các tỷ
lệ bít cao hoặc thấp hơn để có chất lượng tốt hơn hoặc kém hơn.
Có một vài phiên bản của MPEG: định nghĩa nén âm thanh ở tốc độ lấy mẫu 32 kHz,
44.1kHz và 48kHz. Với các chế độ đơn kênh (mono) và đa kênh (stereo). Các tốc độ bit đưa
ra trong MP3 là 32, 40, 48, 56, 64, 80, 96, 112, 128, 160, 192, 224, 256 và 320 kbit/s. Tốc độ
lấy mẫu vẫn là 32 kHz, 44.1kHz và 48kHz.
Hình 2. 25: Cấu trúc tập tin mp3
Một tập tin MP3 được tạo ra từ nhiều khung MP3, mỗi khung bao gồm khối header và
khối dữ liệu. Chuỗi các khung này gọi là luồng cơ sở. Các khung không là các thành phần độc
lập và thường không thể tách các khung một cách tùy tiện. Các khối dữ liệu MP3 chứa các
thông tin âm thanh về biên độ và tần số. Sơ đồ trên cho thấy Header MP3 bao gồm phần đồng
bộ từ (sync word) dùng để xác định điểm đầu của một khung. Tiếp theo là một bít hiển thị
chuẩn MPEG và 2 bít hiển thị lớp 3, do vậy nó có tên là chuẩn âm thanh MPEG-1 lớp 3 hoặc
là MP3. Sau này, giá trị sẽ khác phụ thuộc vào file MP3. Chuẩn ISO/IEC 11172-3 xác định
phạm vi giá trị mỗi phần chiều dài của header cho các header đặc biệt. Phần lớn các file MP3
ngày nay chứa thông tin ID3 metadata trước hoặc sau các khung MP3 như hình vẽ.
ID3 metadata là Một nhãn “tag” trong file âm thanh là một phần của file chứa các thông
tin metadata như tiêu đề ,nhạc sỹ, album, số bài hoặc các thông tin khác về file.
Các chuẩn MP3 không định nghĩa các tag cho các file MP3, do vậy không có một định
dạng chuẩn hỗ trợ cho metadata và xóa bỏ tính cần thiết của các tag
Tuy nhiên, một vài chuẩn trong thực tế có tồn tại các tag. Như năm 2010, phổ biến là
các tag ID3v1 và ID3v2 và gần đây hơn là APEv2. Những nhãn này thường được nhúng trong
phần đầu hay cuối của file MP3, phân chia các khung dữ liệu MP3. Các bộ giải mã MP3
thường hoặc là đọc thông tin từ các tag hoặc là bỏ qua.
PTIT
42
2.2.7.3. Định dạng flac (*.flac)
Flac (Free Lossless Audio Codec) là một bộ mã cho phép nén không mất dữ liệu âm
thanh bằng việc giảm kích thước tập tin mà không mất bất kỳ thông tin nào. Thuật toán của
FLAC dùng nén tập tin âm thanh giảm khoảng 50 -60% so với kích thước tập tin ban đầu và
việc giải nén tạo đúng như tập tin ban đầu.
FLAC dùng phương pháp mã hóa tiên đoán tuyến tính (Linear prediction) để chuyển đổi
mẫu âm thanh sang các chuỗi nhỏ, là các số không tương quan được lưu trữ rất hiệu quả theo
mã hóa Golomb-Rice. Nó cũng dùng mã hóa Run Length (như giới thiệu ở chương trước) cho
các khối mẫu như đoạn khoảng lặng.
2.3. Xử lý hình ảnh
2.3.1. Tổng quan về xử lý ảnh
Quá trình xử lý ảnh được xem là quá trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho ra kết quả
mong muốn. Kết quả đầu ra của một quá trình xử lý ảnh có thể là một ảnh chất lượng tốt hơn,
các đặc tính của ảnh hoặc dữ liệu mã hóa của ảnh. Quá trình xử lý ảnh có thể bao gồm những
công đoạn được mô tả trong hình sau:
Thu nhận
ảnh
Tiền xử lý
Phân
đoạn
Biểu diễn
ảnh
Nén ảnh
Nhận dạng
ảnh
Cở sở dữ
liệu ảnh
Ảnh nguồn
Hình 2. 26: Sơ đồ khối xử lý hình ảnh
- Thu nhận ảnh: Đây là giai đoạn đầu tiên và quan trọng nhất trong toàn bộ quá trình
xử lý ảnh. Ảnh nhận được tại đây chính là ảnh gốc để đưa vào xử lý tại các giai đoạn
tiếp theo. Trường hợp ảnh gốc có chất lượng kém sẽ dẫn đến kém hiệu quả ở các
bước tiếp theo. Thiết bị thu nhận có thể là các ống ghi hình chân không (vidicon,
plumbicon, v.v.) hoặc thiết bị cảm biến quan điện bán dẫn CCD (Charge-Coupled
Device).
- Tiền xử lý ảnh: Giai đoạn này ảnh được xử lý đơn giản nhằm nâng cao chất lượng
để trợ giúp cho các quá trình xử lý nâng cao tiếp theo, ví dụ: tăng độ tương phản,
làm nổi biên, khử nhiễu v.v.
- Phân đoạn ảnh: là quá trình tách hình ảnh thành các phần hoặc vật thể riêng biệt.
Đây là một trong những vấn đề khó giải quyết nhất trong lĩnh vực xử lý ảnh. Nếu
thực hiện tách quá chi tiết thì bài toán nhận dạng các thành phần được tách trở nên
PTIT
43
phức tạp. Ngược lại, nếu quá trình phân đoạn được thực hiện sơ sài thì kết quả nhận
được cuối cùng sẽ không chính xác.
- Biểu diễn và mô tả: Là quá trình xử lý tiếp sau khâu phân đoạn ảnh. Các đối tượng
sau phân đoạn có thể được mô tả dưới dạng chuỗi các điểm ảnh tạo nên ranh rới một
vùng hoặc tập hợp tất cả các điểm ảnh nằm trong vùng đó. Biểu diễn vùng thường
được sử dụng khi chúng ta quan tâm tới đặc tính bên trong của vùng như bề mặt
(texture) hay hình dạng (skeletal).
- Nén ảnh: Bao gồm các biện pháp giảm thiểu dung lượng bộ nhớ cần thiết để lưu trữ
hình ảnh, hay giảm băng thông trong truyền thông đa phương tiện. Do đây là một kỹ
thuật của xử lý ảnh thường xuyên được sử dụng trong truyền thông đa phương tiện
nên các thuật toán nén ảnh sẽ được giới thiệu kỹ trong bài giảng này.
- Nhận dạng ảnh: là quá trình phân loại vật thể dựa trên cơ sở các chi tiết mô tả vật
thể đó (ví dụ phân loại các họ thực vật dựa trên hình dạng, kích thước của lá trong
bức ảnh).
2.3.2. Thu nhận ảnh
Ánh sáng từ vật cần
chụp đi tới hệ thống thu
nhận ảnh
Ánh sáng được cho đi
qua một tấm lọc hồng
ngoại
Tấm lọc đơn sắc
Cảm biến biến đổi ánh
sáng thành tín hiệu điện
Cảm biến
Hình 2. 27: Quá trình thu nhận hình ảnh
Thu nhận ảnh là bước đầu tiên trong quá trình xử lý ảnh. Hệ thống thu nhận ảnh bao
gồm các thấu kính một cách hợp lý để đón nhận ánh sáng từ vật cần chụp đi tới và hội tụ
chùm ánh sáng này trên một cảm biến. Trước khi tới cảm biến, ánh sáng được đi qua tấm lọc
ánh sáng hồng ngoại vì ánh sáng này mắt người không cảm nhận được. Tiếp theo, ánh sáng đi
qua tấm lọc đơn sắc chỉ cho ánh sáng đỏ (R) hoặc xanh lá cây (G) hoặc xanh dương (B) đi
qua. Trên mặt phẳng cảm biến là một ma trận các điểm ảnh. Mỗi điểm ảnh bao gồm 3 cảm
biến của 2 màu R, G, B đặt cạnh nhau. Sở dĩ mỗi điểm cảm biến gồm 3 cảm biến R, G, B là vì
màu sắc trong tự nhiên được tạo nên bởi 3 màu cơ bản R, G và B. Khi ánh sáng đơn sắc đi tới
PTIT
44
mỗi điểm, cảm biến mỗi màu sẽ biến đổi ánh sáng màu đó ra tín hiệu điện. Tín hiệu điện này
sẽ được số hóa và đưa vào hệ thống xử lý tín hiệu ảnh.
2.3.3. Không gian màu.
Hiện nay, hầu hết khi đề cập đến hình ảnh chúng ta mặc định hiểu rằng đó là những hình
ảnh có màu ngoại trừ những video được xây dựng từ những năm 60 trở về trước. Để biểu thị
hình ảnh đen trắng, chúng ta chỉ cần thông tin về cường độ sáng của mỗi pixel. Tuy nhiên, đối
với hình ảnh màu, chúng ta phải cần thêm ít nhất ba thông tin khác nữa để biểu thị màu trên
mỗi pixel. Các tham số để biểu thị hình ảnh màu bao gồm độ sáng và các thông tin về màu
được gọi là không gian màu.
2.3.3.1. RGB
Trong không gian màu RGB, một phần tử ảnh được biểu diễn với ba tham số mô tả
cường độ của ba màu đỏ (Red), xanh lá cây (Green) và xanh nước biển (Blue). Đây là 3 màu
cơ bản để tạo nên tất cả các màu trong tự nhiên. Bất kỳ màu sắc nào trong tự nhiên cũng có
thể được tạo ra bằng cách kết hợp màu đỏ, xanh lá cây và màu xanh theo tỷ lệ khác nhau.
Hình 2.24 biểu diễn sự kết hợp của 3 màu cơ bản để tạo nên các màu khác trong tự nhiên.
Vàng
Xanh
lá cây
Xanh nước biển
Xanh
dươngTím
Đỏ
Hình 2. 28: Sự kết hợp của ba màu cơ bản RGB
Để thu nhận ba màu RGB, máy thu sử dụng 3 mảng cảm biến riêng biệt. Mỗi cảm biến
chỉ nhạy với một thành phần màu. Tại mỗi vị trí lấy mẫu sẽ có 3 phần tử màu tương ứng đặt
rất gần nhau. Từ một khoảng cách xem bình thường, người xem sẽ không thấy được sự tách
biệt 3 màu này mà chỉ có cảm giác các thành phần màu riêng biệt này được “trộn” lại thành
màu thật của đối tượng trong tự nhiên.
2.3.3.2. YUV
Hệ màu YUV ra đời khi truyền hình màu được xây dựng trên chính cơ sở hạ tầng của hệ
thống truyền hình màu đen và trắng. Yêu cầu đặt ra đối với phương pháp truyền tín hiệu màu
là phải tương thích với phương pháp truyền tín hiệu đen trắng đã có trước đây để những chiếc
Tivi màu có thể thu được cả hai tín hiệu. Giải pháp được đưa ra là hai tín hiệu màu U và V
được thêm vào bên cạnh tín hiệu Y đã tồn tại trong hệ thống truyền hình đen trắng.
Tín hiệu Y là tín hiệu biểu diễn độ sáng (độ chói) được tách riêng từ các thành phần màu
R,G và B:
PTIT
45
𝑌 = 0.299𝑅 + 0.587𝐺 + 0.114𝐵 (2.1)
Hai thành phần màu U và V cũng được tách ra từ các thành phần R, G, B như sau:
𝑈 = −1.47𝐹 − 0.289𝐺 + 0.436𝐵 = 0.492 𝐵 − 𝑌 (2.2)
𝑉 = 0.615𝑅 − 0.515𝐺 − 0.100𝐵 = 0.877(𝑅 − 𝑌) (2.3)
Thay vì sử dụng hệ màu YUV giống như truyền hình tương tự, trong hệ thống thu phát
video số, hệ màu YCbCr được sử dụng vì mục đích xử lý và lưu trữ. Thực chất hệ màu
YCbCr cũng gần giống như hệ màu YUV ngoại trừ việc người ta thêm vào một vài hằng số:
𝑌 = 0.257𝑅 + 0.505𝐺 + 0.098𝐵 + 16
𝐶𝑏 = −0.148𝑅 − 0.291𝐺 + 0.439𝐵 + 128 (2.4)
𝐶𝑟 = 0.439𝑅 − 0.368𝐺 − 0.071𝐵 + 128
Do thành phần Y được lấy mẫu và lượng tử trong khoảng từ 16 đến 235 nên 16 được
cộng thêm vào thành phần này. Tương tự, trong video số, hai thành phần màu U và V được
lượng tử hóa trong khoảng từ 16 đến 240 với giá trị trung bình là 128. Vì vậy, như ta thấy
trong công thức, 128 được cộng thêm vào để tạo ra hai thành phần màu mới là Cb và Cr.
2.3.4. Kỹ thuật nén ảnh JPEG
Tiêu chuẩn nén ảnh JPEG (Nhóm chuyên gia đồ họa – Joint Photogrphic Experts
Group) là sản phẩm của sự kết hợp giữa hai tổ chức Liên minh viễn thông quốc tế (ITU-T) và
tổ chức các tiêu chuẩn quốc tế (ISO – International Standards Organization). Tiêu chuẩn được
đưa ra nhằm hỗ trợ rất nhiều các ứng dụng sử dụng kỹ thuật nén ảnh tĩnh. Tiêu chuẩn được
thiết kế một cách linh hoạt trong việc đáp ứng các yêu cầu từ nhiều loại ứng dụng khác nhau.
Ví dụ, bộ mã hóa JPEG có thể lượng hóa chất lượng đầu ra để các ứng dụng có thể điều chỉnh
tỷ lệ nén và chất lượng của ảnh đầu ra. Ngoài ra, JPEG cóthể hỗ trợ ngôn ngữ PostScript của
Adobe trong việc in ấn, hỗ trợ các thiết bị hiển thị ở các chế độ quét liên tục hoặc quét xen kẽ.
JPEG cũng được sử dụng để mã hóa video vì ta có thể coi video là một chuỗi các ảnh
tĩnh. Trong trường hợp này, tiêu chuẩn được gọi là Motion JPEG. Hiện nay, Motion JPEG
được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng, đặc biệt là ứng dụng truyền video qua mạng
Internet với tốc độ bit liên tục thay đổi.
2.3.5. Nén không tổn hao
Chuẩn JPEG hỗ trợ hai kỹ thuật nén: không tổn hao (lossless) và tổn hao (lossy). Nén
không tổn hao được dựa trên kỹ thuật DPCM dự đoán giá trị của pixel hiện thời bằng việc sử
dụng giá trị của các pixel liền kề. Hình 2.25 mô tả sơ đồ nguyên lý của nén không tổn hao.
PTIT
46
Bộ dự
đoán
Mã hóa
entropy
Bảng mã
entropy
Ảnh
gốc
Dữ liệu sau
khi nén
Hình 2. 29: Sơ đồ nén không tổn hao
Bức ảnh nguồn ở dạng RGB hoặc YCbCr được đưa vào bộ dự đoán. Bộ dự đoán DPCM
tính toán sự khác biệt cho tất cả các pixel của các thành phần màu. Giá trị dự đoán của pixel x
được tạo ra từ 3 pixel tại các vị trí a, b, c trong cùng một ảnh và cùng một thành phần màu
như mô tả trên hình 2.26
c b
a x
Hình 2. 30: Pixel x được dự đoán từ pixel a, b, c
Giá trị dự đoán được trừ đi giá trị thật của pixel x. Giá trị khác biệt này được mã hóa
entropy không tổn hao bởi mã Huffman hoặc mã số học.
2.3.6. Nén tổn hao
Ngoài chế độ nén không tổn hao, tiêu chuẩn JPEG đưa ra ba chế độ nén có tổn hao: chế
độ nén cơ bản (baseline sequential mode), chế độ nén lũy tiến (progressive mode) và chế độ
nén phân cấp (hierarchical mode). Ba chế độ này khác nhau chủ yếu trong cách mã hóa các
hệ số DCT. Trong chế độ nén cơ bản, các hệ số DCT được mã hóa đơn giản nhất. Chế độ này
được sử dụng trong hầu hết các ứng dụng yêu cầu tỷ lệ nén không cao. Khi các ứng dụng yêu
cầu tỷ lệ nén cao hơn, chế độ nén lũy tiến và nén phân cấp được sử dụng.
2.3.6.1. Chế độ nén cơ bản
Trong chế độ này, ảnh được chia thành các khối pixel 8x8 từ trái sang phải, từ trên
xuống dưới. 64 hệ số DCT sau biến đổi được lượng tử hóa với mức chất lượng mong muốn.
Cuối cùng các giá trị sau lượng tử được mã hóa entropy để thu được dữ liệu nén. Hình 2.27
mô tả thuật toán nén trong chế độ cơ bản.
PTIT
47
- DCT Q
Zigzag scan
Zigzag scan
VCL
VCL
Bảng mã
entropy
Bảng mã
entropy
Bảng
lượng tử
Ảnh gốc
128
AC
DC
Dự liệu sau
khi nén
Hình 2. 31: Thuật toán nén trong chế độ nén cơ bản
a. Biến đổi Cosin rời rạc (Discrete Cosin Tranform)
Mục đích của việc sử dụng phép biến đổi DCT là nhằm loại bỏ dư thừa thông tin theo
không gian. Quá trình được thực hiện bằng cách biến đổi giá trị của các pixel sang miền
không gian khác trước khi loại bỏ những dữ liệu không cần thiết. Ý tưởng chính trong việc áp
dụng DCT vào việc nén ảnh là năng lượng của hầu hết các bức ảnh tập trung chủ yếu tại miền
tần số thấp và được biểu diễn bởi các hệ số sau biến đổi. Quá trình lượng tử hóa được sử dụng
với mục đích giữ lại các hệ số trong miền tần số thấp và loại bỏ các hệ số trong miền tần số
cao. Quá trình này sẽ không làm ảnh hưởng nhiều tới chất lượng của ảnh vì các hệ số trong
miền tần số cao lưu giữ ít thông tin của ảnh hơn. Tuy nhiên quá trình này ít nhiều vẫn làm mất
thông tin của ảnh gốc.
Với một khối ảnh có kích thước N x N pixel, phép biến đổi DCT được triển khai như
sau:
Bước 1: Tính ma trận T:
𝑇𝑖 ,𝑗 =
1
𝑁 𝑁ế𝑢 𝑖 = 0
2
𝑁cos
2𝑗+1 𝑖𝜋
2𝑁 𝑁ế𝑢 𝑖 > 0
(2.5)
Bước 2: Tính ma trận DCT:
𝐷𝐶𝑇 = 𝑇 ∗ 𝐼 ∗ 𝑇′ (2.6)
Trong đó: DCT: Ma trận sau biến đổi
I: Ma trận khối ảnh kích thước NxN
T’: Ma trận chuyển vị của ma trận T
Ví dụ: Cho khối ảnh 𝐼 = 1 00 1
. Tìm các hệ số DCT sau phép biến đổi DCT khối ảnh
I.
Giải:
Bước 1: Tìm ma trận T
PTIT
48
𝑇0,0 = 𝑇0,1 =1
2 (do i = 0)
𝑇1,0 = 2
2cos
𝜋
4 =
1
2
𝑇1,1 = 2
2cos
3𝜋
4 = −
1
2
Vậy 𝑇 = 0 01
2−
1
2
Bước 2: Tìm ma trận hệ số DCT
𝐷𝐶𝑇 =
1
2
1
21
2−
1
2
∗ 1 00 1
∗
1
2
1
21
2−
1
2
= 1 00 1
b. Lượng tử hóa
Các hệ số DCT được lượng tử với giá trị của bảng lượng tử được thay đổi tùy theo từng
ứng dụng cụ thể. Hai ví dụ về bảng lượng tử được cho trong bảng dưới đây ứng với kích
thước các khối ảnh biến đổi DCT là 8x8. Giá trị các bảng này được rút ra từ thực nghiệm và
được sử dụng riêng cho kênh chói và kênh màu. Có thể các giá trị này không phù hợp với một
số ứng dụng thực tế nhưng nói chung, với các bức ảnh 8 bit thì chất lượng đạt được sau khi
giải nén ở mức độ chấp nhận được.
16 11 10 16 24 40 51 61 17 18 24 47 99 99 99 99
12 12 14 19 26 58 60 55 18 21 26 66 99 99 99 99
14 13 16 24 40 57 69 56 24 26 56 99 99 99 99 99
14 17 22 29 51 87 80 62 47 66 99 99 99 99 99 99
18 22 37 56 68 109 103 77 99 99 99 99 99 99 99 99
24 35 55 64 81 104 113 92 99 99 99 99 99 99 99 99
49 64 78 87 103 121 120 101 99 99 99 99 99 99 99 99
72 92 95 98 112 100 103 99 99 99 99 99 99 99 99 99 Hình 2. 32: Bảng lượng tử cho kênh chói và hai kênh màu Q(u,v)
Nếu các giá trị của bảng lượng tử cho kênh chói và kênh màu là Q(u,v), hệ số DCT theo
chiều ngang và chiều dọc trong bảng lượng tử, Fq(u,v), được tính bởi công thức:
𝐹𝑞 𝑢, 𝑣 = 𝐹(𝑢 ,𝑣)
𝑄(𝑢 ,𝑣) (2.6)
Trong đó F(u,v) là hệ số DCT trước lượng tử, toán tử . lấy giá trị nguyên gần nhất sau
phép chia. Tại phía giải mã, các hệ số được giải lượng tử bởi công thức:
𝐹𝑄 𝑢, 𝑣 = 𝐹𝑞 𝑢, 𝑣 . 𝑄(𝑢, 𝑣) (2.7)
PTIT
49
c. Quét zigzag
Sau lượng tử, hệ số 1 chiều DC và 63 hệ số xoay chiều AC được mã hóa theo cách riêng
như chỉ ra trên hình 2.15. Trước khi mã hóa entropy, giá trị DC trong khối pixel trước đó
được sử dụng làm giá trị dự đoán của hệ số DC trong khối pixel hiện thời. Giá trị chênh lệch
giữa hai hệ số DC này được tính và mã hóa entropy:
𝐷𝐼𝐹𝐹 = 𝐷𝐶𝑖 − 𝐷𝐶𝑖−1 (2.8)
Đối với 63 hệ số AC, thứ tự mã hóa được bắt đầu từ vị trí AC(1,0) và lần lượt theo
đường zigzag, các hệ số được mã hóa bằng mã VCL như trong hình 2.15. Lý do các hệ số AC
được mã hóa lần lượt theo đường zigzag là bởi vì theo đường này, các hệ số khác 0 ở vùng tần
số thấp sẽ được mã hóa trước. Như đã đề cập ở phần trên, năng lượng ảnh tập trung chủ yếu ở
vùng tần số thấp.
DC i-1 DC i
DC(0,0)
AC(0,1) AC(7,0)
AC(0,7) AC(7,7)
Hình 2. 33 Mã hóa các hệ số DCT lần lượt theo đường zigzag
d. Mã hóa có chiều dài thay đổi (Variable Length Coding – VCL)
Trong chuẩn nén JPEG, mỗi chuỗi mã gồm hai phần: Phần 1 (symbol1) là mã có độ dài
thay đổi và phần 2 (symbol2) là chuỗi nhị phân biểu diễn độ lớn.
Mã hóa hệ số DC
Thay vì việc gán một từ mã trực tiếp cho mỗi giá trị DIFF, trước tiên, các giá trị này
được phân loại và được gán giá trị CAT (category) dựa vào độ lớn. Sau đó, giá trị CAT mới
được mã hóa entropy. Bảng 2.1 chỉ ra giá trị CAT cho các nhóm giá trị DIFF. Các hệ số DCT
có giá trị từ -2047 đến +2047 được chia làm 11 nhóm và được gán giá trị CAT từ 1 đến 11.
Giá trị CAT = 0 được sử dụng để đánh dấu kết thúc khối. Giá trị CAT sau khi được mã hóa
entropy (symbol1) sẽ được gắn thêm một chuỗi nhị phân biểu diễn giá trị của CAT (symbol2).
CAT Khoảng giá trị của DIFF
0 -
1 -1,1
2 -3,-2,2,3
3 -7,…,-4,4,…,7
4 -15,…,-8,8,…,15
5 -31,…,-16,16,…,31
PTIT
50
6 -63,…,-32,32,…,63
7 -127,…,-64,64,…,127
8 -255,…,-128,128,…,255
9 -511,…,-256,256,511
10 -1023,…,-512,512,…,1023
11 -2047,…,-1024,1024,…,2047 Bảng 2. 1: Bảng giá trị CAT
Trong trường hợp DIFF mang giá trị dương, symbol-2 là chuỗi có trọng số thấp nhất của
DIFF. Phần trọng số thấp nhất này được bắt đầu từ bit có trọng số cao nhất của symbol-2 và
có giá trị bằng 1. Tuy nhiên, nếu DIFF mang giá trị âm, symbol-2 là chuỗi có trọng số thấp
nhất của (DIFF - 1). Phần trọng số thấp nhất này được bắt đầu từ bit có trọng số cao nhất của
symbol-2 và có giá trị bằng 0.
Ví dụ: Với DIFF = 6 = 00…00110, symbol-2 bắt đầu từ 1 và có giá trị là 110. Theo
bảng 2.1, vì 6 nằm trong khoảng từ 4 đến 7 nên CAT = 3. Từ bảng DC trong phụ lục A1, từ
mã của CAT = 3 là 100. Do vậy, từ mã biểu diễn DIFF = 6 sẽ là 100110, trong đó symbol1 =
100, symbol2 = 110.
Với DIFF mang giá trị âm, ví dụ DIFF = -3, theo bảng 2.1, CAT =2. Theo bảng DC
trong phụ lục A1, với CAT = 2 thì symbol1 = 011. DIFF – 1 = -4 = 11…100, do đó symbol-2
= 00. Do vậy, từ mã của DIFF = -3 sẽ là 01100.
Mã hóa hệ số AC
Với mỗi hệ số AC trên đường zigzag, symbol1 được biểu diễn bởi một cặp (RUN,CAT)
trong đó CAT là category của hệ số AC, RUN là số số 0 đứng trước hệ số AC đó trong bảng
hệ số DCT tính theo đường zigzag. Độ dài lớn nhất của RUN là 15. Trong trường hợp số
lượng số 0 lớn hơn 15, hệ số AC = 0 thứ 16 được biểu diễn là (15,0). Nói cách khác, ta hiểu
rằng cặp (15,0) biểu diễn chuỗi 16 số 0. Ví dụ cặp (RUN=34, CAT=5) được hiểu sẽ bao gồm
3 cặp (15,0) và 1 cặp (2,5).
Dấu hiệu kết thúc khối (EOB) được đưa vào để chỉ ra rằng các hệ số DCT còn lại của
đường zigzag sẽ được lượng tử hóa bằng 0. EOB được biểu diễn bởi cặp (RUN=0, CAT=0).
Ví dụ:
Các hệ số DCT của kênh chói trong một khối ảnh được cho trong bảng 2.2. Nếu hệ số
DC của khối trước đó là 29, tìm từ mã mã hóa các hệ số DC và AC.
PTIT
51
31 18 0 0 0 0 0 0
-21 -13 0 0 0 0 0 0
0 5 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
0 5 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
Bảng 2. 2: Các hệ số DCT của kênh chói trong một khối ảnh 8x8
Giải:
Mã hóa hệ số DC:
DIFF = 31 – 29 = 2. Từ bảng 2.1 ta có CAT = 2. Theo bảng trong phụ lục A1, mã
Huffman của giá trị CAT = 2 là 011. Như vậy, symbol1 = 011.
Do DIFF = 2 = 000…0010. Vì vậy, symbol2 = 10.
Vậy từ mã của hệ số DC trong trường hợp này là 01110.
Mã hóa các hệ số AC:
- Mã hóa hệ số AC khác 0 thứ nhất:
Các hệ số AC được mã hóa lần lượt theo đường zig-zag theo bảng 2.2. Hệ số AC
khác 0 đầu tiên có giá trị 18. Theo bảng 2.1, giá trị CAT = 5. Vì không có hệ số AC = 0
đứng trước nên từ mã RUN = 0. Vì vậy, symbol1 = (0,5). Từ bảng mã Huffman trong
phụ lục A2, từ mã của (0,5) là 11010.
Độ lớn của hệ số AC = 18 = 10010. Vậy symbol2 = 10010.
Vậy từ mã của hệ số AC thứ nhất là 11010 10010.
- Mã hóa hệ số AC khác 0 thứ hai:
Theo đường zig-zag, hệ số AC thứ hai có giá trị khác 0 là -21. Vì trước hệ số này
không có giá trị AC = 0. Ngoài ra, theo bảng 2.1, giá trị này nằm trong khoảng từ -31
đến -16 nên RUN = 0, CAT = 5. Vì vậy, symbol1 của hệ số này là (0,5) và được mã hóa
Huffman là 11010.
Độ lớn của hệ số AC = -21 < 0. Với giá trị âm ta phải trừ 1 trước khi mã hóa. Mã
nhị phân của -22 = 111…1101010. Vì vậy, symbol2 = 01010.
Vậy từ mã của hệ số AC thứ hai là 11010 01010.
- Mã hóa hệ số AC khác 0 thứ 3:
Hệ số AC khác 0 thứ 3 là -13. Đứng trước hệ số này có một số 0. Vì vậy, RUN = 1
và CAT = 4. Từ bảng phụ lục A2, ta có symbol1 = (1,4) = 111110110.
PTIT
52
Độ lớn của hệ số AC = -13<0 nên symbol2 = 0010. (Vì -14 = 111…110010).
Vậy từ mã của hệ số AC thứ ba là 1111101100010
- Tương tự như trên, hệ số AC khác 0 thứ tư là 5 và có từ mã là 111111110101 101.
- Vì hệ số AC = 5 là hệ số khác 0 cuối cùng nên dấu hiệu EOB sẽ được thêm vào
cuối dãy từ mã. Theo bảng phụ lục A2, dấu hiệu EOB = (0,0) có từ mã là 1010.
2.3.6.2. Chế độ nén lũy tiến
25% 50%
75% 100%
Hình 2. 34: Biểu diễn các thời điểm giải nén trong chế độ nén cơ bản
Trong chế độ nén cơ bản, bộ giải mã thu nhận các khối pixel 8x8 của ảnh và giải nén lần
lượt từ trái sang phải, từ trên xuống dưới. Tùy theo tốc độ của kênh truyền, bên thu cần một
khoảng thời gian nhất định để tái tạo lại toàn bộ bức ảnh. Hình 2.34 mô tả quá trình tái tạo lại
bức ảnh tại các thời điểm 25%, 50%, 75% và 100% bức ảnh. Trong trường hợp dữ liệu bị mất
trong khi truyền thì bức ảnh sẽ không được tái tạo lại nguyên vẹn mà chỉ có một phần của ảnh
được tái tạo. Khi đó, người xem có thể sẽ không hiểu hết nội dung của ảnh.
Trong chế độ nén lũy tiến, sau khi biến đổi DCT các hệ số được lưu trong bộ đệm trước
khi được truyền đi. Bộ mã hóa chia các hệ số DCT làm nhiều băng và mỗi băng được mã hóa
độc lập. Trên Error! Reference source not found. mô tả chất lượng ảnh sau khi giải mã. Bức
ảnh thứ nhất được khôi phục từ băng chỉ bao gồm các hệ số DC. Bức ảnh thứ hai bao gồm các
hệ số DC và hệ số AC ở vị trí 1 và 8 trên đường zigzag. Sau khi nhận được hai giá trị AC 1 và
8, bên thu tái tạo ảnh và cộng với bức ảnh thứ nhất để ra được bước ảnh thứ hai. Tương tự
như vậy, bức ảnh thứ ba được tái tạo từ các hệ số 0, 1, 8, 16, 9, 2, 3, 10,17 và 24. Và cuối
cùng khi nhận được toàn bộ các hệ số DCT, bức ảnh với chất lượng cao nhất được tái tạo.
2.3.6.3. Chế độ nén phân cấp
Trong chế độ nén phân cấp, bức ảnh được nén theo các lớp có cấu trúc hình kim tự tháp.
Các lớp có độ phân giải thấp được sử dụng để dự đoán cho lớp cao hơn. Tại bên phát, bức ảnh
PTIT
53
được cho qua các bộ lọc giảm (downsampling) hoặc tăng (upsampling) độ phân giải để tạo ra
các ảnh với độ phân giải khác nhau trong cấu trúc hình kim tự tháp (hình 2.35). Hình 2.36 mô
tả cấu trúc của bộ mã hóa phía phát. Tại cấp cao nhất, bức ảnh gốc được giảm độ phân giải
với tỷ lệ 4:1 theo cả hai hướng. Đầu ra sẽ là bức ảnh có độ phân giải bằng 1/16 lần bức ảnh
ban đầu. Sau đó, bức ảnh này sẽ được nén theo chế độ cơ bản. Bên thu thực hiện nội suy với
tỷ lệ 1:4 để khôi phục lại bức ảnh có độ phân giải như bức ảnh gốc. Tại cấp thứ hai của phía
phát, bức ảnh được giảm độ phân giải với tỷ lệ 2:1 và được trừ đi bức ảnh dự đoán được lấy ra
từ cấp 1. Bức ảnh khác biệt này cũng được nén ở chế độ cơ bản và được phát đi. Bằng cách
lặp lại các quá trình này, bức ảnh được nén ở các mức phân giải khác nhau và phía thu cũng
không phục ảnh ở các mức phân giải tương ứng. Do độ phân giải khác nhau nên tốc độ bit ở
các cấp cũng khác nhau phụ thuộc vào mức lượng tử ở mỗi cấp.
Hình 2. 35: Cấu trúc nén ảnh phân cấp theo hình kim tự tháp
1/4 DCT
IDCT
2
-1/2 DCT
IDCT
2
+
- DCT
IDCT
+
-
Ảnh
đầu vào Dữ liệu mã hóa cấp 1
Dữ liệu mã hóa cấp 2
Dữ liệu mã hóa mức cơ
bản
Dữ liệu được mã hóa
không tổn hao
Hình 2. 36: Sơ đồ mã hóa trong chế độ phân cấp
PTIT
54
2.3.6.4. Một số định dạng ảnh
JPEG, TIFF, GIF và PNG là 4 định dạng file dữ liệu chính trong lưu trữ ảnh. Các loại
máy ảnh số và phần mềm xử lý ảnh hỗ trợ tương thích với loại định dạng file ảnh nào đều có
liệt kê rõ trong phần thông số kỹ thuật đi kèm sản phẩm.
Tùy vào từng trường hợp sử dụng mà mỗi định dạng file ảnh có ưu thế riêng hay bộc lộ
hạn chế. Lựa chọn sai định dạng cho mục đích sử dụng có thể dẫn đến việc làm mất dữ liệu,
sai lệch thông tin lưu trữ... Ví dụ khi chọn đính kèm ảnh có định dạng dung lượng quá lớn có
thể khiến chúng ta mất nhiều thời gian chờ. Vì vậy, việc hiểu rõ về các định dạng file ảnh sẽ
giúp việc lưu trữ và sử dụng dữ liệu thêm linh hoạt và tránh được những sự cố như giảm chất
lượng ảnh, tốn dung lượng ổ đĩa, v.v.
a. Định dạng JPEG
Đây là định dạng tập tin hầu hết các loại máy ảnh số và phần mềm xử lý ảnh đều hỗ trợ
tương thích. File JPEG cũng là định dạng file ảnh phổ biến nhất trên Internet. Ưu điểm của
file JPEG chính là dung lượng nhỏ, nhẹ. Việc đính kèm file ảnh cho email hay upload
/download file JPEG trên các website luôn thuận tiện và nhanh chóng với định dạng file này.
Sở dĩ file JPEG nhỏ gọn hơn hầu hết các định dạng file khác bởi vì cơ chế lưu trữ hình
ảnh của dạng file này là nén dữ liệu theo tỉ lệ nhất định. File JPEG thông thường có thể chiếm
dung lượng chỉ 1/10 so với tập tin dữ liệu gốc.
Khi gửi email hay thao tác trên Internet, dung lượng tập tin là yếu tố quan trọng hàng
đầu, cho nên các file dữ liệu JPEG là lựa chọn tối ưu nhằm giúp thao tác được nhanh chóng,
tránh các lỗi treo máy hay timeout. Tuy nhiên, như đã trình bày ở bên trên, hiệu suất nén cao
đồng nghĩa với việc phải loại bỏ nhiều hệ số DCT. Như vậy chất lượng ảnh JPEG sẽ bị giảm
rất nhiều so với ảnh gốc.
b. TIFF
Tag Image File Format là tên đầy đủ của định dạng file TIFF. Đây là định dạng tập tin
“không làm mất dữ liệu” của hình ảnh trong quá trình nén dữ liệu. Ưu điểm lớn nhất của TIFF
là chất lượng ảnh sau khi nén được đảm bảo. Nhược điểm của file TIFF chính là dung lượng
cồng kềnh. Do định dạng tập tin này lưu trữ toàn bộ thông tin của các pixel trong của bức ảnh
gốc nên dung lượng của nó luôn lớn hơn rất nhiều nếu so với file JPEG. Điều này khiến việc
lưu trữ file TIFF luôn tốn nhiều dung lượng bộ nhớ.
c. PNG
PNG (Portable Network Graphics) cũng là định dạng file bảo lưu dữ liệu, không làm
mất chất lượng ảnh trong lưu trữ và nén file. Tương tự như file TIFF, hình ảnh định dạng
PNG thích hợp để lưu trữ tư liệu lâu dài. Có thể người dùng thường không để ý thấy sự khác
biệt nhỏ về file PNG: Định dạng file này thậm chí bảo lưu chất lượng dữ liệu nén còn vượt
trội hơn file TIFF (file PNG nén cho ra dữ liệu với chất lượng cao hơn). PNG cũng là định
dạng file được nhiều chương trình phần mềm xử lý ảnh hỗ trợ.
d. GIF
PTIT
55
File GIF (Graphic Interface Format) là định dạng dữ liệu sử dụng rộng rãi trong đồ họa
và thế giới ảnh số nhưng dạng file này không phù hợp để lưu trữ hình ảnh. Tập tin định dạng
GIF bị giới hạn ở bảng màu 256 màu nên không thể cho ra hình ảnh chân thực của file dữ liệu
gốc.
Các gia thiết kế đồ họa thường dùng định dạng GIF để lưu logo hoặc các hình ảnh có ít
màu sắc. Tương tự file JPEG, dung lượng nhỏ gọn khiến định dạng GIF là lựa chọn lý tưởng
cho các ứng dụng web.
Việc chọn định dạng file nào trong số nhiều định dạng tùy thuộc vào mục đích lưu trữ
và sử dụng ảnh. Nếu lưu trữ tư liệu lâu dài, TIFF và PNG là lựa chọn số 1. Ngược lại, không
ai muốn nhận một email đính kèm tập tin kềnh càng có thể gây treo máy hay làm tràn hộp thư
với các định dạng này. Cho nên khi sử dụng online, các file nhỏ gọn hơn như định dạng JPEG
lại là lựa chọn tốt hơn hẳn mặc dù JPEG không đảm bảo được chất lượng hình ảnh.
Cách tốt nhất trong việc chọn lựa định dạng file ảnh chính là sử dụng linh hoạt các định
dạng này bằng cách:
- Lưu trữ bản chính của file ảnh bằng định dạng TIFF hoặc PNG trong một thư mục
gốc.
- Khi cần sử dụng cho các mục đích online như email, tải lên website... các thao tác
đòi hỏi tính chất nén nhỏ gọn của file ảnh, hãy copy từ tập tin ảnh gốc và lưu chuyển
đổi thành định dạng JPEG rồi thao tác trên bản copy này.
Việc kết hợp các định dạng file ảnh linh hoạt thế này sẽ giúp việc chia sẻ hay ứng dụng
ảnh trên Internet nhanh gọn mà lại lưu trữ tư liệu ảnh an toàn đảm toàn chất lượng cao cho
kho ảnh gốc.
2.4. Xử lý tín hiệu video
2.5. Tổng quan về xử lý tín hiệu video
Quá trình xử lý video bắt đầu từ việc thu nhận các hình ảnh trong tự nhiên và lưu lại
dưới dạng số để phục vụ cho việc xử lý tiếp theo. Trong thời đại công nghệ số như hiện nay,
có rất nhiều thiết bị điện tử hỗ trợ việc thu nhận hình ảnh video như máy ảnh, máy điện
thoại,… Đầu ra của quá trình thu nhận ảnh là dòng bit nhị phân biểu diễn chuỗi ảnh. Giả sử,
hình ảnh video có kích thước 177 pixel x144 pixel, tốc độ ghi hình là 30 hình/giây. Để có thể
lưu được một bộ phim dài 2 giờ với chất lượng hình ảnh là 24 bit/pixel (8 bit/1 kênh màu) thì
ta cần tới bộ nhớ có dung lượng 120 Gb, tức là cần tới 180 đĩa CD-ROM dung lượng 750MB
hoặc 26 đĩa DVD dung lượng 4,7GB. Việc cần tới nhiều dung lượng bộ nhớ như vậy gây ra
sự bất tiện và chi phí lớn trong việc lưu trữ. Để hiệu quả hơn, tín hiệu sau thu nhận được đưa
vào bộ mã hóa (encoder) để mã hóa và nén tín hiệu. Hiện nay có nhiều tiêu chuẩn mã hóa tín
hiệu video được đưa ra tùy theo yêu cầu chất lượng của mỗi ứng dụng. Ví dụ, trong truyền
hình hội nghị, việc truyền hình ảnh với chất lượng vừa phải nhưng dữ liệu truyền đi phải gọn
nhẹ để đảm bảo tính thời gian thực thì tiêu chuẩn H.263 được lựa chọn. Trong khi đó, các ứng
dụng truyền hình qua mạng internet yêu cầu chất lượng cao hơn và khả năng hỗ trợ cơ chế sửa
lỗi thì tiêu chuẩn MPEG-2, MPEG-4 lại là sự lựa chọn hiệu quả. Tại phía thu, tín hiệu được
giải nén và đưa vào các thiết bị phát hình để thực hiện trình chiếu.
PTIT
56
Network
Thu nhận
hình ảnhMã hóa video
Thu nhận
hình ảnhGiải mã video
Hình 2. 37: Sơ đồ khối xử lý tín hiệu video
2.6. Thu nhận hình ảnh video trong tự nhiên
Hình ảnh video trong tự nhiên được tạo thành từ nhiều đối tượng với những đặc tính
riêng biệt như hình dạng, màu sắc, bố cục (texture) v.v…. Các đặc tính này được phân thành
hai loại: (1) Đặc tính trong miền không gian bao gồm sự thay đổi về bố cục trong cùng một
cảnh, số lượng, hình dạng và màu sắc của đối tượng,…(2) Đặc tính trong miền tần số bao
gồm sự chuyển động của đối tượng, sự thay đổi về độ sáng, chuyển động của máy quay,….
Về bản chất, hình ảnh video trong tự nhiên được tạo nên từ sự thay đặc tính của các đối
tượng trong ảnh một cách liên tục theo không gian và thời gian. Vì vậy, khi biểu diễn tín hiệu
video dưới dạng số, hình ảnh sẽ được lấy mẫu theo không gian và theo thời gian. Video số
chính là sự biểu diễn các mẫu tín hiệu đó dưới dạng số. Mỗi mẫu tín hiệu đó được đặc trưng
bởi hai tham số: độ sáng và màu sắc.
Để thu được một bức ảnh hai chiều, máy quay điều chỉnh tiêu cự của ống kính ngắm sao
cho ảnh của đối tượng rơi đúng tiêu điểm của kính. Tại tiêu điểm của thấu kính người ta đặt
một một mảng các phần tử bán dẫn có tác chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện
(Charge Coupled Devices – CCD). Trong trường hợp ta muốn thu nhận ảnh màu, mỗi thành
phần màu sẽ được lọc lấy và thu nhận trên một mảng CCD riêng.
2.6.1. Lấy mẫu theo không gian
Tín hiệu ra của mảng CCD là các tín hiệu điện được biến đổi liên tục tỷ lệ thuận với sự
biến đổi cường độ ánh sáng của hình ảnh ngoài tự nhiên. Khi chúng ta lấy mẫu các tín hiệu
điện đó tại một thời điểm đồng nghĩa với việc ta tạo ra một bức ảnh (image) hay môt khung
hình (frame). Tuy nhiên, thay vì việc chúng ta mô tả bức ảnh đó bằng màu sắc, cường độ
sáng,… thì giờ đây chúng ta mô tả bằng các mức tín hiệu điện. Nếu chúng ta giới hạn hình
ảnh tự nhiên bên ngoài bởi một khung hình chữ nhật và dùng các đường song song chia hình
chữ nhật đó theo chiều dọc và chiều ngang thì vì trí lấy mẫu là các điểm giao nhau của các
đường đó. Ảnh sau lấy mẫu là tập hợp của giao điểm đó và được gọi là các phần tử ảnh
(pixel). Như vậy nếu lấy mẫu càng nhiều điểm trên khung hình tự nhiên thì bức ảnh lấy mẫu
càng giống với khung hình thật. Ngược lại, nếu các điểm lấy mẫu càng thưa thì bức ảnh lấy
PTIT
57
mẫu sẽ không giống với bức ảnh gốc vì bị mất nhiều thông tin. Hình 2.38 là ví dụ một bức
ảnh với 2 lưới lấy mẫu khác nhau.
Hình 2. 38: Lưới lấy mẫu ảnh
Hình 2. 39: Hình ảnh lấy mẫu thưa
Hình 2. 40: Hình ảnh lấy mẫu dày
PTIT
58
Lưới lấy mẫu màu đen có các điểm lấy mẫu thưa sẽ cho ta bức ảnh có độ phân giải thấp
(Hình 2.39). Lưới lấy mẫu màu trắng có các điểm lấy mẫu dày hơn cho ta bức ảnh có độ phân
giải cao hơn (Hình 2.40).
2.6.2. Lấy mẫu theo thời gian
Khung hình được lấy mẫu trong trường hợp trên là khung hình tĩnh và như vậy chúng ta
sẽ không thấy được sự chuyển động của các đối tượng trong ảnh. Trong trường hợp muốn mô
tả chuyển động của đối tượng, chúng ta phải phải lấy mẫu liên tục các khung hình tự nhiên tại
các khoảng thời gian đều nhau. Sử dụng chuỗi khung hình sau lấy mẫu đó để trình chiếu ta sẽ
tái tạo lại được sự chuyển động của các đối tượng trong ảnh. Việc lấy mẫu theo cách này
được gọi là lấy mẫu theo thời gian. Số lần lấy mẫu trong một khoảng thời gian (frame rate)
càng cao sẽ tạo cho người xem cảm nhận sự chuyển động của đối tượng trong video càng liên
tục (smooth motion). Frame rate thấp (dưới 10 frame/giây) thường được sử dụng trong truyền
thông có băng thông hạn chế vì khi đó dữ liệu video ít. Tuy nhiên chất lượng hình ảnh kém vì
frame rate thấp tạo ra hiện tượng chuyển động của các đối tượng bị giật và hiện tượng răng
cưa (jerky). Hiện tượng răng cưa là hiện tượng đường viền của các đối tượng trong ảnh có
hình răng cưa. Frame rate trong khoảng từ 10 đến 20 frame/giây thường được sử dụng nhiều
hơn trong truyền tín hiệu video tốc độ thấp. Khi đó, chuyển động của các đối tượng trong
video sẽ liên tục hơn nhưng hiện tượng jerky vẫn xảy ra đối với các đối tượng chuyển động
nhanh. Frame rate trong khoảng 25 đến 30 frame/giây là tiêu chuẩn trong truyền hình. Nếu
frame rate trong khoảng 50 đến 60 frame/giây sẽ cho hình ảnh chất lượng cao. Tuy nhiên lúc
này chi phí sẽ cao vì đòi hỏi đường truyền tốc độ cao để truyền hình ảnh video này.
2.6.3. Frame và Field
Mỗi khung hình trong chuỗi hình ảnh video có thể được lấy mẫu theo một trong hai chế
độ: toàn bộ (progressive) hoặc xen kẽ (interlace). Trong chế độ progressive, toàn bộ khung
hình được lấy mẫu lần lượt từ trên xuống dưới và từ trái qua phải. Khi đó, toàn bộ các điểm
lấy mẫu được gọi là một frame. Trong chế độ interlace, một frame được chia là 2 phần (field).
Mỗi field bao gồm toàn bộ các dòng chẵn hoặc lẻ của frame. Ưu điểm của chế độ interlace là
tốc độ field sẽ cao gấp hai lần so với tốc độ frame trong chế độ progressive và nó tạo cho
người xem cảm giác chuyển động của đối tượng trong ảnh trở lên liên tục hơn.
2.7. Nguyên lý nén video
Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng giữa các frame trong chuỗi video và giữa các
pixel trong cùng một frame có một mối tương quan nhất định. Dựa vào các mối tương quan
này chúng ta có thể thực hiện việc nén tín hiệu video mà không làm ảnh hưởng tới độ phân
giải của ảnh. Ngoài ra, khai thác đặc điểm của mắt người là kém nhạy cảm với một số thông
tin hình ảnh theo không gian và thời gian nên có thể loại bỏ thông tin này trong quá trình nén.
Đây chính là kỹ thuật nén tổn hao để tiết kiệm băng thông trong khi vẫn đảm bảo chất lượng
video ở mức có thể chấp nhận được.
Trong quá trình nén ảnh tĩnh, kỹ thuật nén sử dụng mối tương quan theo không gian
giữa các pixel trong ảnh. Kỹ thuật này gọi là nén “trong ảnh” (Intraframe). Thuật ngữ này có
hàm ý rằng trong quá trình nén ảnh, thông tin được sử dụng chỉ trong phạm vi nội tại bức ảnh
PTIT
59
đó. Đây là kỹ thuật cơ bản của chuẩn nén JPEG sẽ được giới thiệu trong phần sau. Trường
hợp nếu mối tương quan theo thời gian được khai thác thì kỹ thuật nén được gọi là nén “ngoài
ảnh” (Interframe). Khi đó thông tin được sử dụng để nén ảnh có thể nằm trên một bức ảnh
trước hoặc sau trong chuỗi video. Đây là kỹ thuật được sử dụng trong các chuẩn nén video
như H.261, H.263, MPEG -1, 2 và 4. Nguyên lý của việc nén video dựa trên các kỹ thuật
giảm các dư thừa thông tin sau:
- Dư thừa thông tin trong miền không gian (Spatial redundancy): Dư thừa thông tin
trong miền không gian xuất hiện giữa các pixel trong cùng một khung hình (ví dụ sự
tương đồng giữa các pixel). Thông tin dư thừa được loại bỏ bằng kỹ thuật mã hóa
biến đổi (transform coding).
- Dư thừa thông tin trong miền thời gian (Temporal redundancy): Loại thông tin dư
thừa này xuất hiện khi giữa các khung ảnh liên tiếp có những thông tin tương đồng.
Để giảm dư thừa này người ta dùng kỹ thuật mã hóa sự khác biệt giữa các frame.
- Dư thừa thông tin trong dữ liệu ảnh sau khi nén: Để loại bỏ dư thừa này người ta
dùng mã entropy, cụ thể là mã có độ dài thay đổi (Variable Lenth Coding).
Chi tiết về các kỹ thuật nén ở trên sẽ được đề cập chi tiết ở các mục sau đây.
2.7.1. Kỹ thuật giảm dư thừa thông tin trong miền không gian
a. Mã hóa bằng phương pháp dự đoán
Tại thời điểm ban đầu, phương pháp giảm dư thông không gian được đưa ra dựa trên
việc dự báo giá trị của các pixel hiện tại dựa vào giá trị của pixel đã được mã hóa trước đó.
Phương pháp này được gọi là “Điều chế xung mã sai phân” (Differential Pulse Code
Modulation – DPCM). Hình 2.41 mô tả sơ đồ khối của bộ mã hóa này. Theo sơ đồ, sự sai
khác giữa giá trị của pixel hiện tại và giá trị dự đoán từ bộ dự đoán được lượng tử và mã hóa
trước khi truyền đi. Tại phía giải mã, sự sai khác này được cộng với giá trị dự đoán từ bộ dự
đoán để khôi phục lại giá trị đúng của pixel hiện tại. Trong trường hợp bộ lượng tử không
được sử dụng thì kỹ thuật này được gọi là mã hóa không tổn hao (loss-less coding).
Bộ lượng tửMã hóa
entropy
Bộ dự đoán
+-
++
Ảnh đầu
vàoMã nhị
phân
PTIT
60
Giải mã
entropy
Bộ dự đoán
+
+Mã nhị
phânẢnh được
giải nén
Hình 2. 41: Sơ đồ khối của bộ CODEC DPCM trong xử lý video
Bộ dự đoán cho kết quả tốt nhất nếu quá trình dự báo được dựa trên những giá trị của
các pixel liền kề đã được mã hóa trước đó. Các pixel liền kề có thể nằm trong cùng frame (mã
hóa nội ảnh) hoặc có thể nằm trong frame trước (mã hóa liên ảnh). Nếu bộ dự đoán sử dụng
cả hai kỹ thuật trên thì được gọi là “mã hóa dự đoán lai” (Hybrid predictive coding).
b. Mã hóa bằng phương pháp biến đổi
Tương tự như trong mã hóa hình ảnh tĩnh, trong mã hóa tín hiệu video, biến đổi DCT
cũng được sử dụng. Tuy nhiên, chúng ta lưu ý rằng phép biến đổi các giá trị từ miền không
gian pixel sang miền không gian khác chưa phải là nén tín hiệu. Một khối 64 pixel qua phép
biến đổi DCT ta thu được 64 hệ số DCT. Do tính trực giao của phép biến đổi, năng lượng trên
cả hai miền pixel và miền không gian sau biến đổi đều bằng nhau. Tuy nhiên, phép biến đổi
làm cho năng lượng của ảnh được tập trung chủ yếu trong vùng của các hệ số DCT gần với hệ
số 1 chiều (vùng tần số thấp) trong khi phần lớn các hệ số khác mang năng lượng ít hơn. Hệ
số DC có giá trị cao nhất. Các hệ số AC càng xa hệ số DC thì giá trị càng bé. Dựa vào đặc
điểm của mắt người là ít nhạy cảm với các hình ảnh bị méo ở tần số cao nên bộ lượng tử được
sử dụng nhằm loại bỏ đi các hệ số AC tại vùng tần số này. Hình 2.42 biểu diễn các giá trị đầu
vào và đầu ra của bộ lượng tử. Như ta thấy, với các hệ số có giá trị nhỏ sau khi qua bộ lượng
tử sẽ bị nén về mức 0. Đây chính là quá trình loại bỏ những hệ số DCT ở vùng tần số cao.
Người ta chia bộ lượng tử ra làm hai loại: bộ lượng tử đồng nhất (Uniform quantiser –
UTQ) và bộ lượng tử đồng nhất có dead zone (UTQ-DZ). Các hệ số DC của chế độ nén nội
ảnh được lượng tử bởi UTQ trong khi các hệ số AC và hệ số DC của chế độ nén liên ảnh được
lượng tử bởi UTQ-DZ. Lý do là UTQ-DZ làm cho nhiều hệ số AC trở thành giá trị 0 nên hệ
số nén sẽ cao hơn.
q 2q 3q
-3q -2q q
3
2
1
-1
-2
-3
Giá trị trước
lượng tử
Giá trị sau
lượng tử
(a)
PTIT
61
q/2 3q/2 5q/2
-5q/2 -3q/2 q/2
3
2
1
-1
-2
-3
Giá trị trước
lượng tử
Giá trị sau
lượng tử
(b)
Hình 2. 42: Biểu diễn bộ lượng tử UTQ (a) và UTQ-DZ (b)
Trong bộ lượng tử UTQ, các hệ số F(u,v) được lượng tử bởi công thức:
I u, v = F(u,v)±q
2q (2.9)
Giá trị I(u,v) gọi là các chỉ số lượng tử (quantization index). Tại phía giải mã, các hệ số
được giải lượng tử theo công thức:
Fq u, v = I u, v × 2q (2.10)
Trong bộ lượng tử UTQ-DZ, các chỉ số lượng tử được tính bởi công thức:
I u, v = F(u,v)
2q (2.11)
Giá trị giải lượng tử phía giải nén được tính bởi công thức:
Fq u, v = 2I(u, v) ± 1 × q (2.12)
2.7.2. Kỹ thuật giảm dư thừa thông tin trong miền thời gian
Kỹ thuật giảm dư thừa thông tin trong miền thời gian được thực hiện dựa trên việc tìm
ra sự khác nhau giữa các khung hình liên tiếp. Đây chính là thuật toán mã hóa liên ảnh. Đối
với các đối tượng tĩnh trong ảnh , sự khác biệt gần như bằng 0. Do vậy những đối tượng này
không cần nhiều thông tin để mã hóa. Ngược lại, đối với các đối tượng chuyển động nhiều, sự
khác biệt giữa các khung hình là rất lớn. Điều này đồng nghĩa với việc chúng ta cần nhiều
thông tin để mã hóa. Để làm giảm lượng thông tin này, người ta tiến hành thêm một bước
trung gian gọi là ước lượng chuyển động (motion estimation) cho các đối tượng trong hình.
Quá trình ước lượng chuyển động sẽ cho kết quả là các vector chuyển động. Dựa vào các
vector này và khung hình trước đó, khung hình hiện tại sẽ được dự đoán. Quá trình này được
gọi là “bù chuyển động” (motion compensated). Như vậy, sự khác biệt giữa khung hình hiện
tại và khung hình dự đoán sẽ được giảm đi so với sự khác biệt giữa khung hình hiện thời và
khung khung hình trước đó.
Hình 2.43 biểu diễn sự khác biệt của khung hình hiện thời với khung hình trước đó (a)
và với khung hình sau khi được bù chuyển động (b).
PTIT
62
(a)
(b)
Hình 2. 43(a) Sự khác biệt giữa khung hình hiện thời và trước đó; (b) Ảnh sau khi được
bù chuyển động
a. Ước lượng chuyển động
Trong các tiêu chuẩn mã hóa video, thuật toán BMA (Block Matching Algorith) thường
được sử dụng để ước lượng chuyển động. Trong thuật toán này, một khung hình được chia
thành các khối có kích thước N x N pixel. Mỗi khối pixel này sẽ được di chuyển quanh vị trí
ban đầu một khoảng w pixel để tìm ra vị trí của khối trong khoảng (N+2w) x (N+2w) có cùng
tọa độ nhưng ở khung hình trước đó giống với nó nhất. Khoảng cách từ tâm hình vuông
(N+2w) x (N+2w) tới tọa độ khối tìm được chính là khoảng chuyển động của khối pixel N x
N.
Vector chuyển động
Frame I
Frame P
Vùng tìm vector
chuyển động
N + 2w
N +
2w
w
w
Khối pixel
N x N
Vùng tìm
kiếm khối
giống với khối
N x N nhất
Hình 2. 44 Vùng tìm vector chuyển động của macroblock hiện thời
Để tìm và đánh giá mức độ giống nhau giữa hai khối pixel, chúng ta sử dụng một số
phương pháp như sử dụng hàm tương quan chéo (Crosscorrelation function - CCF), hàm
trung bình bình phương lỗi (Mean Square Error – MSE) và hàm trung bình tuyệt đối của lỗi
(Mean absolute error – MAE). Khối pixel giống với khối ban đầu sẽ có CCF lớn nhất hoặc có
MSE và MAE nhỏ nhất. Trong thực tế, các chuẩn mã hóa video thường sử dụng phương pháp
MSE hoặc MAE:
Phương pháp MSE:
M i, j =1
N2 (f m, n − g(m + i, n + j))2N
n=1Nm=1 , − w ≤ i, j ≤ w (2.13)
Phương pháp MAE:
M i, j =1
N2 f m, n − g(m + i, n + j) N
n=1Nm=1 , − w ≤ i, j ≤ w (2.14)
PTIT
63
Trong đó f(m,n) là giá trị của pixel có tọa độ (m,n) trong khối pixel N x N của frame hiện
tại, g(m+i,n+j) là giá trị của pixel có tọa độ (m+i,n+j) trong khối pixel N x N của trước đó.
Để xác định được khối pixel giống nhất, chúng ta cần thực hiện (2w+1)2 phép so sánh.
Do vậy, phương pháp MAE thường hay được sử dụng hơn MSE để giảm sự phức tạp trong
tính toán.
b. Bù chuyển động
Sau quá trình ước lượng chuyển động ta có được vector chuyển động của các đối tượng
trong khối pixel N x N. Dựa vào các vector chuyển động, các khối pixel N x N trong khung
hình trước đó được dịch chuyển theo hướng và độ lớn của vector chuyển động đã chỉ ra. Quá
trình này được gọi là bù chuyển động. Kết quả của quá trình này là một khung hình mới được
cho là giống với khung hình hiện thời. Tuy nhiên, đây vẫn chỉ là quá trình dự đoán nên khung
hình dự đoán sẽ không thể giống hoàn toàn với khung hình hiện thời.
c. Mã hóa có chiều dài thay đổi (VLC)
Trong trường hợp chúng ta muốn giảm số bit mã hóa tại đầu ra của bộ mã hóa, các hệ số
DCT và vector chuyển động sẽ được mã hóa bằng mã có chiều dài thay đổi (Variable Length
Coding – VLC). Nguyên lý của việc mã hóa này là các từ mã ngắn sẽ được gán cho các thông
tin có xác suất xuất hiện lớn, các từ mã dài được gán cho các thông tin có xác suất xuất hiện
bé. Như vậy, độ dài của các từ mã sẽ biến đổi tỷ lệ nghịch với xác suất xuất hiện của ký hiệu
cần được mã hóa. Theo định luật Shannon, số bit tối thiểu cần thiết để mã hóa một ký hiệu có
xác suất xuất hiện p là log2p. Như vậy, số lượng bit trung bình tối thiểu cần để mã hóa 1 trong
n ký hiệu của nguồn thông tin S được tính như sau:
H x = − pilog2pini=1 (2.15)
H(x) được gọi là entropy của nguồn tin S. Đây cũng chính là giới hạn (Shannon limit)
người ta mong muốn đạt được khi xây dựng bộ mã cho các nguồn tin. Khi giới hạn này đạt
được đồng nghĩa với việc quá trình mã hóa hoặc quá trình nén là tối ưu.
Trong chuẩn nén video có hai loại mã VLC thường được sử dụng là mã Huffman và mã
số học (Arithmetic). Mã Huffman thường được sử dụng nhiều hơn nhưng phương pháp này
được cho là không tối ưu vì mã bị ràng buộc là phải gán cho mỗi ký hiệu của nguồn một số
nguyên các bit. Ví dụ, với ký hiệu có xác suất xuất hiện là 0.9, theo giới hạn Shannon ta chỉ
cần 0.15 bit để mã hóa ký hiệu này. Tuy nhiên mã Huffman bắt buộc phải sử dụng 1 bit để mã
hóa. Điều này dẫn đến việc lãng phí tài nguyên (ví dụ băng thông). Khác với mã Huffman, mã
số học có thể đạt được giới hạn Shannon vì các ký hiệu không cần phải mã hóa riêng biệt. Mã
Huffman thường được sử dụng để mã hóa các hệ số DCT và vector chuyển động. Trong
trường hợp cần mã hóa các thông tin khác thì mã số học được sử dụng.
2.7.3. Sơ đồ tổng quát của mã hóa video
Hình 2.26 mô tả sơ đồ tổng quát của bộ mã hóa video được sử dụng trong các chuẩn nén
như H.261, H.264, MPEG-1, MPEG-2 và H.264/MPEG-4 part 10.
PTIT
64
a. Intraframe/Interframe loop
Trong chế độ nén liên ảnh, các giá trị khác biệt giữa các pixel của khung hình hiện tại và
khung hình dự đoán dựa vào khung hình trước đó được mã hóa và truyền đi. Tại phía thu, sau
khi giải mã, các giá trị khác biệt này sẽ được cộng với khung hình dự đoán do bên thu đưa ra
để xây dựng lên khung hình hiện tại. Như vậy quá trình dự đoán đóng vai trò rất quan trọng vì
nếu dự đoán càng chính xác thì giá trị khác biệt sẽ càng nhỏ và do đó cần ít thông tin để
truyền đi. Đối với trường hợp chuỗi ảnh tĩnh, giá trị dự đoán của các pixel trong khung hình
hiện tại sẽ là các pixel cùng tọa độ trong khung hình trước đó.
Trong chế độ nén nội ảnh, giá trị dự đoán được dựa trên các khối hoặc các pixel liền kề
trước đó trong cùng một khung hình. Chế độ này được áp dụng cho khung hình đầu tiên của
một nhóm các khung hình hoặc áp dụng trong việc nén ảnh tĩnh JPEG sẽ được đề cập chi tiết
trong phần sau.
b. Ước lượng chuyển động
Lượng dữ liệu truyền đi sẽ rất lớn nếu với mỗi pixel đều có một vector chuyển động.
Thay vào đó, người ta sẽ gán cho mỗi nhóm pixel (block) một vector chuyển động. Trong các
chuẩn nén, mỗi nhóm pixel là một hình vuông có kích thước 16x16 (được gọi là một
Macroblock - MB) được ước lượng chuyển động và được bù chuyển động. Thông thường,
việc ước lượng chuyển động được thực hiện trên kênh chói (kênh Y) của các khung hình.
DCT-
Ảnh đầu
vào Bộ
lượng tửVLC Buffer
Bit
stream
IQ &
IDCT
Lưu trữ
frame
Bù chuyển
động
Ước lượng
chuyển
động
+Inter mode
Intra mode
Inter mode
Intra mode
Hình 2. 45: Sơ đồ nguyên lý tổng quát của bộ mã hóa video
c. Inter/Intra switch
Inter/Intra switch có tác dụng chuyển đổi giữa hai chế độ liên ảnh và nội ảnh. Trong
chuẩn nén ảnh JPEG, tất cả các MB trong ảnh được nén ở chế độ nội ảnh. Với các chuẩn nén
video như H.26x và MPEG, một số loại frame được nén ở chế độ nội ảnh, một số loại frame
được nén ở chế độ liên ảnh. Ngoài ra, trong cùng một frame liên ảnh, một số MB được nén ở
chế độ nội ảnh để tối ưu hóa tỷ lệ nén.
PTIT
65
d. DCT
Trên kênh Y và hai kênh màu U,V, mỗi MB được chia thành các khối nhỏ hơn có kích
thước 8x8. Như vậy, sẽ có 4 khối 8x8 thuộc kênh Y và một số khối thuộc kênh màu tùy theo
độ phân giải của ảnh. Mỗi khối 8x8 này sẽ được biến đổi DCT để có được một ma trận 8x8
các hệ số của biến đổi DCT.
e. Lượng tử hóa
Như đã đề cập trong mục 2, có hai loại lượng tử hóa. Một loại có dead zone được sử
dụng cho các hệ số AC và hệ số DC của các MB nén liên ảnh. Loại còn lại không có dead
zone được sử dụng cho các hệ số DC của MB nội ảnh. Khoảng giá trị của các hệ số được
lượng tử có thể từ -2047 đến +2047. Với bộ lượng tử có dead zone, nếu trị tuyệt đối của các
hệ số nhỏ hơn bước lượng tử q thì sẽ được gán bằng 0. Ngược lại, theo công thức 3.6, giá trị
của các hệ số sau lượng tử sẽ trong khoảng từ 1 đến 31.
f. Variable Length Coding
Các hệ số sau khi được lượng tử sẽ được mã hóa bằng mã có độ dài thay đổi. Ngoài ra,
giá trị của vector chuyển động cũng được mã hóa bằng mã này cùng với các hệ số lượng tử.
g. Giải lượng tử (Inverse Quantization) và biến đổi DCT ngược (Inverse DCT)
Để tái tạo khung hình hiện thời, các hệ số DCT sau lượng tử được giải lượng tử và biến
đổi DCT ngược. Sau đó, các giá trị này được cộng với khung hình trước đó đang được bộ mã
hóa lưu giữ để tái tạo lại khung hình hiện thời. Khung hình hiện thời này sẽ lại được lưu giữ
để dùng cho quá trình dự đoán khung hình tiếp theo.
h. Bộ đệm
Tốc độ bit được tạo ra bởi bộ mã hóa sẽ liên tục thay đổi vì tốc độ bit phụ thuộc vào
mức độ chuyển động của các đối tượng trong video. Vì vậy, trước khi truyền tín hiệu video
trên các kênh truyền có băng thông cố định (ví dụ 2Mb/s) thì các bit được lưu trong bộ đệm
để điều tiết việc truyền đi. Bộ đệm trong trường hợp này chính là bộ nhớ có hai cổng ghi và
đọc. Cổng ghi có nhiệm vụ nhận dữ liệu là các bit sau khi được mã hóa. Cổng đọc có nhiệm
vụ đọc ra dữ liệu với một tốc độ ổn định. Mỗi khi dữ liệu được đọc thì bộ đệm sẽ giải phóng
dữ liệu đó trong bộ đệm. Trong trường hợp có dữ liệu ghi vào nhiều hơn dữ liệu đọc ra (với
những video có nhiều chuyển động) thì bộ đệm gửi thông tin phản hồi tới bộ lượng tử để tăng
mức lượng tử. Khi đó dữ liệu ra của bộ mã hóa sẽ ít đi vì các hệ số DCT bị giảm đi. Ngược
lại, với những video có ít chuyển động thì bộ lượng tử sẽ giảm mức lượng tử để cải thiện chất
lượng video. Quá trình này được gọi là ổn định tốc độ bit (Constant Bit Rate). Với những bộ
mã hóa có tốc độ bit thay đổi (Variable Bit Rate – VBR) thì bộ đệm không được sử dụng và
mức lượng tử được giữ nguyên trong suốt quá trình mã hóa.
2.7.4. Giải nén
Về cơ bản, quá trình giải nén bao gồm các bước giống như quá trình nén nhưng thứ tự
ngược lại. Hình 2.46 mô tả quá trình giải nén tín hiệu video. Ban đầu dữ liệu nhận được là các
tín hiệu mã hóa được tách thành hai phần: dữ liệu mã hóa giá trị khác biệt và dữ liệu mã hóa
giá trị vector chuyển động. Vector chuyển động sẽ được đưa vào bộ dự đoán để dự đoán
PTIT
66
khung hình hiện tại. Dữ liệu mã hóa giá trị khác biệt giữa khung hình hiện tại và khung hình
trước đó lần lượt được giải mã entropy, giải luợng tử, biến đổi DCT ngược. Sau khi biến đổi
DCT ngược ta sẽ được khung hình là hiệu số của khung hình hiện tại và khung hình dự đoán.
Sau khi được cộng với khung hình dự đoán, ta sẽ thu được khung hình tái tạo của khung hình
hiện tại.
BufferGiải mã
VLC
Inverse
QuantizationIDCT
Lưu trữ
frame
Bù chuyển
động
+
Vector chuyển động
Khung hình
dự đoán
Dữ liệu
mã hóa
Khung hình
được tái tạo
Hình 2. 46: Sơ đồ giải nén tín hiệu video
2.7.5. Định dạng hình ảnh video
a. Định dạng SIF
Khuyến nghị ITU-R BT.601, thường được biết đến với chữ viết tắt Rec. 601 hoặc
BT.601 (hoặc tên cũ của nó, CCIR 601) là một tiêu chuẩn được công bố vào năm 1982 bởi
Liên minh Viễn thông quốc tế - lĩnh vực thông tin vô tuyến (trước đây là CCIR) nhằm khuyến
nghị việc chuyển đổi tín hiệu video tương tự sang tín hiệu video số. Theo khuyến nghị này,
trước khi tín hiệu video được mã hóa, số đường quét tích cực theo hướng dọc, ngang của mỗi
khung hình video tương tự sẽ được giảm xuống một nửa. Dạng tín hiệu video này được gọi là
SIF (Source Input Format). Với tiêu chuẩn châu Âu, độ phân giải của ảnh SIF sẽ là 360 pixel
trên một dòng, 288 dòng trên một khung hình và 25 khung hình trên một giây. Với tiêu chuẩn
Bắc Mỹ, các tham số tương ứng sẽ là 360, 240 và 30.
Trong định dạng SIF, người ta phân loại một số định dạng tùy theo tỷ lệ giữa số pixel
của kênh chói và số pixel của kênh màu trên một dòng. Nếu số pixel của kênh chói gấp đôi số
pixel của mỗi kênh màu thì ta có định dạng SIF 4:2:2. Nếu cứ 4 pixel kênh chói ta có 1 pixel
của mỗi kênh màu thì định dạng đó là SIF 4:2:0. Hình 2.47 mô tả tỷ lệ giữa số lượng các pixel
của kênh chói và kênh màu.
PTIT
67
Y pixel C pixelb C pixelr
Hình 2. 47: Tỷ lệ lấy mẫu của các kênh màu trong định dạng SIF
b. Định dạng CIF
Trong các ứng dụng truyền hình hội nghị, bộ mã hóa video xử lý được cả hai loại nguồn
tín hiệu video theo tiêu chuẩn Châu Âu (625 dòng, 50Hz) và tiêu chuẩn Bắc Mỹ (525 dòng,
60Hz). Để làm được điều này, video nguồn trước tiên phải được chuyển thành định dạng
chung gọi là định dạng CIF (Common Intermediate Format). Cả hai chuẩn Châu Âu và Bắc
Mỹ đều có số pixel trên một dòng là 720. Vì vậy trong định dạng chung, độ phân giải theo
chiều ngang là 360 pixel/dòng. Theo tiêu chuẩn châu Âu 625/50, số dòng quét tích cực là 576
dòng nên tiêu chuẩn chung là 288 dòng. Theo tiêu chuẩn Bắc Mỹ 525/60, tần số quét là 60Hz
nên trong tiêu chuẩn chung, tần số quét là 30Hz. Tóm lại, trong kênh chói của định dạng CIF,
trên mỗi dòng có 360 pixel, mỗi khung hình có 288 dòng và tốc độ khung hình là 30
hình/giây. Trong kênh màu, mỗi dòng có 180 pixel, 144 dòng trong một khung hình và tốc độ
khung hình là 30 hình/giây.
c. Sub-QCIF, QSIF, QCIF
Trong các dịch vụ như truyền hình qua mạng di động hay thoại video, tốc độ khung hình
yêu cầu chỉ cần 15, 10 hoặc 7.5 hình/giây. Để cân bằng độ phân giải theo không gian và thời
gian, các định dạng SIF và CIF sẽ phải giảm độ phân giải theo không gian xuống một nửa.
Khi đó, các định dạng tương ứng sẽ được gọi là QSIF (Quarter-SIF) và QCIF (Quarter-CIF).
Một vài ứng dụng truyền hình qua mạng di động thậm chí yêu cầu định dạng ảnh có
kích thước bé hơn QCIF và QSIF. Định dạng này được gọi là Sub-QCIF với kích thước ảnh là
128x96, tốc độ khung hình là 5 hình/giây.
d. HDTV
HDTV là viết tắt của High Definition TV, có nghĩa là tiêu chuẩn truyền hình độ nét cao
để phân biệt với tiêu chuẩn truyền hình có độ nét chuẩn (SDTV). Trong tiêu chuẩn HDTV, độ
phân giải của hình ảnh có thể là 720p, 1080i/p.
720p là độ phân giải thấp nhất trong số các độ phân giải được coi là HD, với kích thước
hình ảnh được quy định là 1280x720. Độ phân giải phù hợp với chuẩn màn ảnh rộng (16:9)
đang dần trở thành tiêu chuẩn, thay thế cho chuẩn hình ảnh tỉ lệ 4:3. So với độ phân giải của
chuẩn CCIR-601(720x480) thì sự gia tăng đột biến của số lượng điểm ảnh có thể hiện thị trên
màn hình mang lại hình ảnh chi tiết hơn nhiều lần so với trước.
PTIT
68
1080i ra đời cùng một thời điểm với 720p. Tuy mang độ phân giải hiển thị là 1960x1080
nhưng do độ phân giải này phải hiển thị với phương thức đan xen (1080i có nghĩa là 1080
dòng được quét đan xen) nên trong một số trường hợp hình ảnh mang lại hơi kém chi tiết hơn
so với 720p.
1080p cũng là tiêu chuẩn có độ phân giải lớn nhất trong thời điểm hiện tại thuộc chuẩn
hình ảnh HD. Tuy nhiên độ phân giải này ứng dụng phương thức hiển thị quét tuần tự
(Progressive Scan) thì mức độ trung thực của hình ảnh được mang lại là lớn nhất.
e. Ultra HDTV
Tiêu chuẩn Ultra HDTV hay còn gọi là chuẩn 4K bao gồm hai độ phân giải độ nét cao:
3840 x 2160 pixel hoặc 4096 x 2160 pixel. 4K được hiểu là độ phân giải cao gấp bốn lần so
với độ phân giải độ nét cao full HD - 1080p (1920x1080 pixel) - là một trong những tiêu
chuẩn độ phân giải cao hiện nay. Hiện tại, 4K chính thức được chỉ định cho các sản phẩm tiêu
dùng như Ultra HD hoặc Ultra High Definition, nhưng cũng tùy vào các thời điểm và lĩnh
vực, chẳng hạn như trong môi trường chuyên nghiệp hoặc thương mại là 4K x 2K, Quad High
Definition, hoặc 2160p.
4K
1080p
2K
720p
DVD
VCD
Hình 2. 48: So sánh tương quan về kích thước hình ảnh giữa các chuẩn video
Độ phân giải 4K hiện đang được sử dụng ngày càng nhiều trong các máy quay phim
điện ảnh kỹ thuật số thương mại sử dụng tùy chọn độ phân giải 4096 x 2160 ảnh điểm, nhiều
hơn và nhiều hơn nữa các bộ phim điện ảnh đang quay hoặc sử dụng bản master với định
dạng 4K, hoặc upscaled từ 2K (1998x1080 tỉ lệ khung hình 1.85:1 / hoặc 2048 x 858 tỉ lệ
khung hình 2.35:1).
Ngoài ra, 4K, dưới tên tiêu dùng chính thức là Ultra HD, đang bắt đầu được triển khai
vào môi trường rạp hát gia đình, bằng cách sử dụng tùy chọn 3840 x 2160 điểm ảnh và khả
năng upscaling chất lượng video lên 4K, cũng như một số TV 3D và máy chiếu video 3D.
2.7.6. Một số chuẩn mã hóa
Hầu hết các ứng dụng video hiện nay đều hỗ trợ một vài chuẩn nén quốc tế. Trên thế
giới hiện nay có hai tổ chức đưa ra các tiêu chuẩn cho mã hóa video là Tổ chức Viễn thông
quốc tế (International Standards Organisation – ISO) và Hiện hội Viễn thông quốc tế
(International Telecommunications Union – ITU). Tiêu chuẩn do ITU đưa ra tập trung vào
PTIT
69
các ứng dụng video thời gian thực, ứng dụng thoại video. Nhóm đưa ra các tiêu chuẩn này của
ITU có tên là VCEG (Video Coding Experts Group) và các tiêu chuẩn đã được đề xuất bởi
nhóm bao gồm:
- H.261 (1990): Sử dụng cho ứng dụng thoại video qua các kênh có tốc độ bit không
đổi. Ví dụ như kênh ISDN với tốc độ các kênh p x 64 kbps.
- H.263 (1995): Sử dụng cho ứng dụng thoại video qua mạng chuyển mạch kênh và
mạng chuyển mạch gói với tốc độ bit thấp từ 20-30 kbps đến tốc độ cao vài Mbps.
- H.263+ (1998), H.263++ (2001): Mở rộng của chuẩn H.263 và có hiệu suất nén
cao hơn để hỗ trợ các ứng dụng thoại video qua mạng các mạng không phải mạng
chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói.
- H.26L: Sử dụng cho các ứng dụng giao tiếp video qua các kênh có tốc độ bit từ 20
kbps đến các kênh có tốc độ bit cao.
Cùng với ITU, ISO cũng đưa ra một số chuẩn nén hỗ trợ lưu trữ và các ứng dụng video.
Có hai nhóm của ISO tham gia vào việc đề xuất các chuẩn: JPEG (Joint Photographic Experts
Group) và MPEG (Moving Picture Expert Group)
- JPEG (1992): Sử dụng cho việc nén các ảnh tĩnh.
- MPEG-1 (1993): Sử dụng cho nén video và audio để lưu trữ trên các đĩa CD-ROM
(tốc độ bit là 1.4 Mbps).
- MPEG-2 (1995):
- MPEG-4 (1998): Sử dụng cho các ứng dụng trên các thiết bị đầu cuối đa phương
tiện để nén và truyền video và audio qua mạng với tốc độ bit từ 20-30kbps hoặc
cao hơn.
- JPEG-2000 (2000): Sử dụng cho việc nén ảnh tĩnh nhưng có hiệu suất cao hơn
JPEG.
Sau khi đề xuất chuẩn nén MPEG-4, nhóm MPEG đã đưa ra tiếp hai tiêu chuẩn MPEG-
7 và MPEG-21 là các khung làm việc cho các ứng dụng đa phương tiện:
- MPEG-7: Giao diện mô tả nội dung đa phương tiện. Đây là tiêu chuẩn mô tả kiểu
dữ liệu đa phương tiện cho các ứng dụng truy cập thông tin đa phương tiện hơn là
cơ chế cho việc mã hóa và nén video. MPEG-7 được đưa ra vào năm 2001.
- MPEG-21: Khung làm việc đa phương tiện. MPEG-21 định nghĩa ra các phần tử
chính bao gồm mô tả nội dung, xử lý nội dung, quản lý nội dung, mạng và thiết bị
đầu cuối trong mạng đa phương tiện. Mục đích của MPEG-21 là tích hợp các công
nghệ để tạo ra, phân phối và giải mã dữ liệu đa phương tiện. MPEG-21 đưa đưa ra
vào năm 2000.
Vào năm 2003, sự ra đời của chuẩn H.264/MPEG-4 Part 10 hay còn gọi AVC
(Advanced Video Coding) đã đánh dấu sự hợp tác hiệu quả giữa hai nhóm VCEG và MPEG.
Mục đích của dự án H.264/AVC là tạo ra một tiêu chuẩn có khả năng cung cấp video có chất
lượng tốt nhất với tốc độ bit thấp hơn đáng kể hơn so với các tiêu chuẩn trước đó như MPEG-
2, MPEG-4, H.263, mà không làm tăng sự phức tạp của hệ thống. Các ứng dụng của
H.264/AVC bao gồm:
PTIT
70
- Truyền hình quảng bá qua mạng cáp, vệ tinh, mạng IP
- Ứng dụng tương tác hoặc lưu trữ trên các phương tiện như đĩa quang, đĩa từ,
DVD,…
- Dịch vụ thoại video qua ISDN, Ethernet, LAN, DSL, vô tuyến và mạng di động.
- Dịch vụ VoD hay các dịch vụ đa phương tiện qua mạng cáp, DSL, ISDN, LAN và
mạng di động.
- Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện qua mạng IP
Hình 2.49 mô tả tóm tắt các chuẩn do hai tổ chức ISO và ITU đã đưa ra.
JPEG MPEG VCEG
JPEG
JPEG-2000
MPEG-1
MPEG-2
MPEG-4
MPEG-7
MPEG-21
H.261
H.263
H.26L
H.264/
MPEG-4
Part 10
ISO ITU
Hình 2. 49: Một số tiêu chuẩn mã hóa Video
2.7.7. Một số định dạng file video
Sau khi mã hóa video, các dòng bit hoặc sẽ được đóng gói vào các gói tin để truyền qua
mạng hoặc được đóng gói vào các file để lưu trữ. Các file lưu trữ này bao gồm video, âm
thanh, phụ đề, tên các chương, thông tin đồng bộ, v.v. được “gói” chung với nhau theo một
khuôn dạng nhất định tùy theo bộ CoDec. Một số định dạng file tiêu biểu:
- AVI: (Audio Video Interleave), định dạng Video phổ biến. nhất của codec DIVX,
XVID. Nhược điểm của file AVI là không thể chứa được âm thanh AAC, Vorbis
và nhiều loại khác nữa.
- MKV: từ viết tắt của "Matroska Video", dạng file đa năng nhất hiện nay, rất phổ
biến cho các phim HD, do hỗ trợ rất nhiều audio, video& subtitle stream nên có
thể được sử dụng ở nhiều chế độ video, âm thanh và phụ đề khác nhau.
- WMV: (Windows Media Video) dạng phim nén được phát triển, sở hữu bởi
Microsoft. Ngoài khả năng tương thích tốt với các phần mềm chơi nhạc, WMV
còn được chơi trực tuyến thông qua Internet.
- MP4: Lợi thế chính của MP4 là dung lượng lưu trữ khá nhỏ so với MPEG-2 và
được dùng nhiều vào các thiết bị cấm tay như Ipod, điện thoại di động.
Ngoài các định dạng trên còn có thêm một số định dạng của các hãng khác nhau như
Quicktime (.mov) do Apple phát triển, Real (.rm) do RealNetworks phát triển,…. Đây là các
định dạng đa phương tiện phổ biến, thường được dùng trên mạng Internet do ưu điểm tiết
kiệm dung lượng của nó.
PTIT
71
CHƯƠNG 3. TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN
Như chúng ta thấy, các sản phẩm đa phương tiện để có thể đi từ nhà sản xuất đến người
dùng thì phải được đưa bằng một phương phương thức nào đó. Phương thức này có thể sử
dụng một phương tiện mang thông tin như tín hiệu điện hoặc một dạng tín hiệu điện nào đó.
Cách thức để phân phối các sản phẩm đa phương tiện gọi là truyền thông đa phương tiện.
Vậy truyền thông đa phương tiện hay hạ tầng truyền thông đa phương tiện có những dạng
nào? cấu trúc của nó ra sao để có thể truyền tải các sản phẩm đa phương tiện? Tuy nhiên,
trước khi đi vào phần hạ tầng , cần xem lại đặc trưng của sản phẩm đa phương tiện là ? và yêu
cầu của nó đối với hạ tầng truyền tải ra sao?
3.1 Các đặc trưng và yêu cầu của truyền thông đa phương tiện
3.1.1 Các đặc trưng của sản phẩm đa phương tiện
Như chúng ta đã biết, các sản phẩm đa phương tiện rất đa dạng và thường là sự kết hợp
của hai hay nhiều dữ liệu đa phương tiện sau:
- Văn bản (text);
- Ảnh (image);
- Âm thanh;
- Video;
- Ảnh động (animation);
- ....
Do vậy đăc trưng chính của sản phẩm đa phương tiện là tích hợp nhiều thông tin do đó
tác động cùng lúc vào nhiều giác quan của con người giúp con người tiếp nhận thông tin
nhiều hơn, rõ hơn về thông tin mà sản phẩm muốn truyền tải.
Ngoài việc kết hợp giữa các dữ liệu với nhau, một đặc trưng của sản phẩm đa phương
tiện ngày nay là có tính tương tác cao. Cho phép con người tương tác trực tiếp vào các sản
phẩm đa phương tiện để lấy thông tin hoặc các hoạt động tiện ích khác. Do đặc điểm này mà
các sản phẩm đa phương tiện có đặc điểm là thiết kế mở, dễ dàng tích hợp và thích nghi trên
nhiều hạ tầng, nền tảng, dễ dàng liên kết đến nhiều ứng dụng khác.
Một đặc điểm của sản phẩm đa phương tiện là có nhiều dữ liệu, nên đòi hỏi thiết bị đầu
cuối của người dùng phải có khả năng đáp ứng ví dụ các cuội gọi có hình ảnh, vừa gọi vừa
truyền dữ liệu hình ảnh, vừa xem truyền hình vừa mua bán sản phẩm
Do sự tích hợp nhiều dữ liệu trong một sản phẩm đòi hỏi các dữ liệu thường phải được
xử lý (nén) trước đó theo các kỹ thuật khác nhau để đảm bảo hiệu quả lưu trữ và truyền thông.
3.1.2 Các yêu cầu đối với hạ tầng truyền thông đa phương tiện
Với các đặc trưng của sản phẩm đa phương tiện ở trên, chúng ta thây, hạ tầng truyền tải
cần phải đáp ứng một số yêu cầu sau:
- Do phải truyền tải nhiều loại dữ liệu nên hạ tầng truyền tải phải có khả năng phân
chia lưu lượng cho từng loại dữ liệu, từng loại dịch vụ;
PTIT
72
- Với nhiều dịch vụ, sản phẩm có tính tương tác đòi hỏi tính thực tế cao (thời gian
thực) phải có các chính sách ưu tiên cho từng loại để đảm bảo chất lượng;
- Đảm bảo khả năng kết nối các loại thiết bị đầu cuối của khách hàng vào mạng;
- Đảm bảo dung lượng đủ lớn và cho phép chạy nhiều ứng dụng, dịch vụ trên một
hạ tầng truyền tải duy nhất;
- Có khả năng quản lý tốt thông qua các hệ thống phần mềm theo dõi, cảnh báo, báo
cáo,....;
- Dễ dàng mở rộng và nâng cấp cũng như bảo dưỡng mạng.
3.2 Mô hình phân lớp mạng
3.2.1 Ý nghĩa của việc phân tầng
Để giảm độ phức tạp của việc thiết kế và cài đặt các mạng trao đổi thông tin được xây
dựng theo quan điểm phân tầng (layering). Mỗi hệ thống thành phần của mạng được xem như
một cấu trúc đa tầng (tầng nọ được xây trên tầng kia).
Số lượng các tầng cũng như tên và chức năng của từng tầng là tùy thuộc vào các nhà
thiết kế. Nguyên tắc chung là mỗi tầng tiếp nhận các dịch vụ từ tầng dưới nó, đồng thời lại
cung cấp một bộ các dịch vụ cho tầng phía trên. Việc các dịch vụ này được cung cấp như thế
nào thì các tầng trên không được biết.
Cách phân tầng trong các mạng có thể khác nhau, song trong cùng một mạng thì các hệ
thống thành phần phải có cấu trúc tầng (số lượng tầng, chức năng mỗi tầng) là như nhau.
Những tác dụng khác của các tầng được chuẩn hoá:
- Thiết kế dễ dàng hơn (các hệ thống phức tạp được chia thành nhiều hệ thông nhỏ
dễ quản lý)
- Hiệu quả hơn cho việc phát triển sau này (thay thế một tầng)
- Việc định nghĩa trách nhiệm của mỗi tầng sẽ giúp cho việc chuẩn hoá các chức
năng mới.
- Những chức năng nhất định sẽ thuộc về một giao thức của một tầng nhất định.
3.2.2 Các tiêu chí để xây dựng mô hình các tầng chức năng trong mạng trao đổi thông
tin
- Số lượng các tầng không nhiều quá để đơn giản hóa việc thiết kế mạng, song cũng
không được ít quá vì khi đó các bài toán cần giải quyết trên mỗi tầng lại trở nên
quá phức tạp;
- Tạo ranh giới các tầng sao cho sự tương tác và mô tả các dịch vụ giữa chúng là tối
thiểu;
- Chia các tầng sao cho các chức năng khác nhau được tách biệt với nhau; các tầng
sử dụng các loại công nghệ khác nhau cũng được tách biệt;
- Các chức năng giống nhau được đặt vào cùng một tầng; các chức năng được định
vị sao cho có thể thiết kế lại tầng mà ảnh hưởng ít nhất đến các tầng kề nó;
- Tạo ranh giới các tầng sao cho có thể chuẩn hóa các giao diện tương ứng và theo
kinh nghiệm đã được chứng tỏ là thành công;
- Khi dữ liệu được xử lí một cách khác biệt thì cần phải tạo một tầng mới;
PTIT
73
- Các thay đổi về chức năng hoặc giao thức trong một tầng không được ảnh hưởng
đến các tầng khác (đảm bảo tính trong suốt giữa các tầng);
- Mỗi tầng chỉ có các ranh giới (giao diện) với các tầng kề trên và dưới nó.
- Có thể chia một tầng thành các tầng con khi cần thiết; nguyên tắc chia tầng con
được áp dụng tương tự như trên; khi không cần thiết các tầng con có thể hủy bỏ.
3.2.3 Khái niệm về giao thức, giao diện và chồng giao thức truyền thông
Các máy tính muốn trao đổi thông tin với nhau thì chúng phải hiểu được nhau. Chúng
phải nói chung một ngôn ngữ. Ngôn ngữ chung này chính là giao thức truyền dữ liệu. Trong
trường hợp đơn giản nhất, khi chỉ có hai máy tính tham gia trao đổi bản tin thì cũng cần phải
thống nhất một loạt các thỏa thuận (ví dụ như mức và dạng của tín hiệu, phương pháp xác
định kích thước của bản tin, phương pháp kiểm tra lỗi …) để hai bên có thể hiểu nhau.
Các thỏa thuận cần phải đạt được ở tất cả các tầng, từ thấp nhất (vật lý) cho đến tầng cao
nhất (triển khai các dịch vụ cho người sử dụng). Thủ tục giao tiếp giữa hai nút mạng được mô
tả bằng một bộ các qui tắc giao tiếp của từng cặp tầng tương ứng.
3.2.3.1 Khái niệm về giao thức và giao diện:
- Những qui tắc hình thức xác định tuần tự và dạng của các bản tin trao đổi giữa các
thành phần mạng trên cùng một tầng, nhưng ở các nút khác nhau, được gọi là giao
thức (protocol).
- Các khối chức năng thực hiện các giao thức của các tầng kề nhau trong cùng một
nút cũng giao tiếp với nhau thông qua các qui tắc chặt chẽ. Những qui tắc đó được
gọi là giao diện (interface). Giao diện xác định bộ các dịch vụ mà tầng này có thể
cung cấp cho tầng kia. Các khối chức năng của một tầng cần phải bảo đảm tuân
thủ giao thức của tầng mình cũng như là các giao diện với các tầng kề trên và
dưới.
3.2.3.2 Khái niệm về chồng giao thức truyền thông
Tập hợp các tầng và các giao thức của mỗi tầng gọi là chồng giao thức. Chồng giao thức
này được tổ chức đủ để đảm bảo được việc giao tiếp giữa các nút trong mạng. Để truyền
thông thành công, hai máy tính phải sử dụng chính xác cùng một chồng giao thức. Mỗi tầng
sẽ tuân theo chồng giao thức này với cùng một tiêu chuẩn chi tiết.
PTIT
74
Tầng n
…
Tầng 5
Tầng 4
Tầng 3
Tầng 2
Tầng 1
Tầng n
…
Tầng 5
Tầng 4
Tầng 3
Tầng 2
Tầng 1
Giao thức tầng n
Giao thức tầng 5
Giao thức tầng 4
Giao thức tầng 3
Giao thức tầng 2
Giao thức tầng 1
Máy chủ B Phần mềm
ứng dụng
Phần mềm Máy chủ A
ứng dụng
Môi trường vật lý
Truyền thông ảo
giữa các thực thể ngang hàng tại tầng
4
Truyền thông vật lý giữa tầng 4 của máy
chủ A và B
Dịch vụ cung cấp
bởi tầng 3
Giao điện giữa tầng
2 và tầng 3
Hình 3. 1: Phân cấp giao thức
Hình 3.1 minh họa các khái niệm về giao thức, giao diện và chồng giao thức của hệ
thống máy tính. Ở đây chồng giao thức gồm có n tầng, Mỗi tầng trên một máy tính thực hiện
một cuộc đối thoại với tầng tương ứng của máy tính khác. Các luật và các quy ước được sử
dụng trong cuộc đối thoại này được biết đến như là giao thức của tầng này. Chúng ta có thể
nói rằng giao thức chỉ rõ ý nghĩa, định dạng của thông tin mà một tầng gửi xuống tầng dưới.
Thông tin này được nhận và được hiểu bởi tầng tương ứng tại phía bên kia nếu như ở đó cũng
sử dụng cùng giao thức này.
Nhờ có giao thức, mỗi tầng bên dưới cung cấp các dịch vụ cho tầng trên nó. Đôi khi các
đặc tả dịch vụ được tách rời khỏi các đặc tả giao thức. Chúng ta có thể nói dịch vụ của 1 tầng
xác định tầng đó như thế nào theo cách nhìn của tầng trên nó. Ví dụ, nếu một tầng cung cấp
dịch vụ truyền dữ liệu có hoặc không có chế độ tìm lỗi, thì tầng trên có thể sử dụng dịch vụ đó
ở chế độ có tìm lỗi hay không là tuỳ ý. Việc các dịch vụ được thực hiện như thế nào trong một
tầng được chỉ rõ trong đặc tả giao thức.
Các giao diện giữa các tầng được định nghĩa càng đơn giản, càng rõ ràng càng tốt và
mỗi tầng thực hiện một tập hợp cụ thể các chức năng.
3.2.4 Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI
Vào cuối thập niên 70, tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế (ISO) đã lập ra một tiểu ban
nhằm phát triển một khung chuẩn cho kiến trúc mạng máy tính, đó chính là mô hình tham
chiếu cho việc kết nối các hệ thống mở (OSI). Mục đích của mô hình này là giảm thiểu sự
không tương thích giữa các hệ thống máy tính.
PTIT
75
Năm 1982, ISO phát hành bản dự thảo các tiêu chuẩn quốc tế mang tên ISO 7498. Tài
liệu này chỉ đưa ra khung chuẩn cho việc thiết kế các giao thức truyền thông chứ không đưa ra
các đặc tính kỹ thuật chi tiết cần thiết cho tính tương thích. CCITT và ITU-T đã phát hành tài
liệu này trên khuyến nghị X.200.
Ban đầu OSI được thiết kế cho truyền thông máy tính. Ngày nay dữ liệu và thoại
không nhất thiết phải được tách ra thành các mạng khác nhau. Nhiều khi mạng không biết và
không quan tâm tới việc dữ liệu đang truyền chứa thông tin gì. ISO và ITU-T định rõ tất cả
các hệ thống và mạng mới theo nguyên lý phân tầng của OSI. Tuy nhiên có một vài hệ thống
toàn cầu không được thiết kế theo OSI, tiêu biểu nhất là Internet. Internet dựa trên các chuẩn
sẵn có, nhưng không được phê chuẩn bởi ISO hoặc ITU-T.
Tên OSI xuất phát từ mục đích làm cho các hệ thống trở thành “mở” với hệ thống
khác trong việc truyền thông. Các nhà sản xuất được tự do sử dụng các đặc tính kỹ thuật “mở”
này. Tuy nhiên vẫn tồn tại nhiều hệ thống truyền dữ liệu độc quyền, các đặc tính kỹ thuật của
hệ thống này là độc quyền của nhà sản xuất. Do vậy chúng không thể sử dụng được cho các
hệ thống khác.
Trong mô hình OSI, truyền thông được chia thành 7 tầng (xem hình 3.2).
Khi chúng ta xem xét đến các chức năng mỗi tầng thực hiện, chúng ta sẽ nhận thấy ở
các tầng càng thấp càng có nhiều chức năng liên quan đến công nghệ mạng sử dụng cho
truyền dữ liệu thực sự. Còn các tầng càng cao càng có nhiều chức năng phục vụ cho các ứng
dụng phầm mềm chạy trên các máy chủ. Trong mô hình OSI, tất cả các tầng từ tầng 4 đến
tầng 7 được thực hiện chỉ trong truyền thông ở các máy trạm cuối, chúng không thực hiện quá
trình truyền dữ liệu đầu-cuối thực sự. Quá trình này thuộc về các tầng từ 1 đến 3. Mục đích
của các tầng cao nhất là trợ giúp cho các ứng dụng phần mềm, và để thực hiện được điều này
các tầng cao nhất cung cấp các dịch vụ phức tạp hơn chứ không chỉ đơn giản là một luồng dữ
liệu. Luồng dữ liệu này được tầng mạng cung cấp và có thể chứa lỗi. Trong trường hợp dịch
vụ phục hồi lỗi không được giao thức tầng giao vận cung cấp thì các nhà thiết kế phần mềm
ứng dụng phải thiết kế một lược đồ phục hồi lỗi trong ứng dụng của mình.
PTIT
76
Application
Presentation
Session
Transport
Network
Data link
Physical
Giao thức tầng ứng dụng Ứng dụng
Trình diễn
Phiên
Giao vận
Mạng
Liên kết dữ liệu
Vật lý
Phần mềm
ứng dụng Máy chủ B
Giao thức tầng trình diễn
Giao thức tầng phiên
Giao thức tầng giao vận
Network
Data link
Physical
Mạng
Liên kết dữ liệu
Vật lý
a)
b)
c)
a)
b)
c)
Mạng truyền thông cấp dưới
Môi trường vật lý a) Giao thức tầng mạng
b) Giao thức tầng liên kết dữ liệu
c) Giao thức tầng vật lý
Tầng 7
Tầng 6
Tầng 5
Tầng 4
Tầng 3
Tầng 2
Tầng 1
Phần mềm
ứng dụng Máy chủ A
Hình 3. 2: Mô hình tham chiếu OSI
3.2.4.1 Tầng vật lý
Tầng vật lý liên quan đến quá trình truyền dẫn tín hiệu qua một kênh truyền thông.
Vấn đề chính của việc thiết kế là đảm bảo khi một bên gửi bít “1” thì bên kia cũng phải nhận
được bít “1” chứ không phải bít “0”. Các đặc tính kỹ thuật điển hình của tầng vật lý gồm: tốc
độ bít, giá trị điện áp sử dụng để biểu diễn bít “0” và bít “1”, số chân cắm và loại bộ nối
(connector) sử dụng. Tầng vật lý trong các hệ thống được thiết kế để giảm thiểu lỗi khi hoạt
động. Trong trường hợp có lỗi thì các tầng trên sẽ bị ảnh hưởng.
Các đặc tả của tầng vật lý liên quan đến các giao diện điện, cơ và phương tiện truyền
dẫn vật lý. Phương tiện truyền dẫn được hiểu là ở dưới tầng vật lý, nhưng các đặc tính nó yêu
cầu có chứa trong đặc tả của tầng vật lý.
Ví dụ của tầng này là các cổng như RJ45, dây mạng,...
3.2.4.2 Tầng liên kết dữ liệu
Tầng liên kết dữ liệu có nhiệm vụ tạo lập các khung, gửi chúng tới kênh truyền thông
vật lý thông qua tầng vật lý; nhận khung, kiểm tra lỗi và chuyển khung không có lỗi lên tầng
mạng. Tầng liên kết dữ liệu phía nhận gửi tín hiệu xác nhận cho tầng liên kết dữ liệu phía
truyền. Phía truyền có thể truyền lại khung nếu trong một khoảng thời gian nhất định phía
nhận không gửi tín hiệu xác nhận.
ISO định rõ tầng liên kết dữ liệu cho các mạng LAN và chia các đặc tả thành 2 tầng
con:
PTIT
77
- Tầng điều khiển truy nhập phương tiện (MAC – Medium Access Control)
- Tầng điều khiển liên kết logic (LLC – Logical Link Control)
Do tính chất phức tạp của tầng liên kết dữ liệu trong các mạng LAN mà sự phân chia
này là cần thiết. Trong mạng LAN, các máy tính được nối tới cùng một dây cáp, chúng chia
sẻ khả năng truyền dẫn của một kênh quảng bá (đa truy nhập hoặc truy nhập ngẫu nhiên).
Tầng con MAC liên quan đến các chức năng phụ thuộc phần cứng mạng. Hai ví dụ phổ biến
nhất của các công nghệ mạng LAN là CSMA/CD (Ethernet) và Token Ring. Tầng con LLC
quan tâm nhất đến khía cạnh toàn vẹn dữ liệu như: truyền lại dữ liệu, xác nhận việc nhận dữ
liệu. Đối với các liên kết điểm-điểm đơn giản hơn thì không cần phải tách tầng MAC. Trong
trường hợp này, chỉ một đặc tả giao thức tầng liên kết dữ liệu cũng có thể bao phủ toàn bộ
tầng liên kết dữ liệu.
Trong mạng LAN, mỗi máy tính có riêng một địa chỉ MAC (địa chỉ phần cứng). Địa
chỉ này được sử dụng để xác định nguồn và đích của mỗi khung trên kênh quảng bá. Nhờ có
địa chỉ MAC, các máy tính có thể có một kết nối điểm-điểm thông qua một kênh quảng bá
được chia sẻ bởi nhiều kết nối điểm-điểm. Cần chú ý rằng địa chỉ MAC chỉ được sử dụng ở
bên trong mạng LAN chứ không được truyền tới các mạng khác.
3.2.4.3 Tầng mạng
Các tầng bên dưới tầng mạng chỉ quan tâm đến các kết nối điểm-điểm giữa 2 nút.
Tầng mạng có những kiến thức về kiến trúc mạng và cùng với tầng mạng của các nút nó phục
vụ, các gói dữ liệu được định tuyến thông qua mạng để tới đích. Mỗi nút có riêng một địa chỉ
toàn cục (tầng mạng).
Vấn đề chính yếu là xác định có bao nhiêu gói tin được định tuyến từ điểm nguồn tới
điểm đích. Việc định tuyến có thể dựa trên các bảng định tuyến cố định tại tầng mạng và
chúng hiếm khi thay đổi, hoặc các tuyến có thể thay đổi để phản ánh tải trọng hiện thời của
mạng.
Khi có nhu cầu, các máy chủ của mạng có thể tự do gửi các gói tin. Chúng thường
không được biết gì về mật độ lưu lượng của các máy chủ khác hoặc của các kết nối trên
mạng. Tình cờ, nếu có nhiều máy chủ cùng trao đổi thông tin tại một thời điểm và có quá
nhiều gói được truyền thì sẽ tạo ra các khu vực dễ bị tắc nghẽn trên mạng. Việc điều khiển tắc
nghẽn cũng thuộc về tầng mạng.
Trong các mạng dữ liệu công cộng, chức năng tính cước thường được xây dựng bên
trong tầng mạng. Phần mềm trong tầng mạng phải đếm xem có bao nhiêu gói tin hoặc ký tự
mà mỗi khách hàng đã gửi để đưa ra thông tin tính cước.
Trong một mạng quảng bá biệt lập (chẳng hạn Ethernet) việc định tuyến đơn giản đến
mức có thể không cần đến tầng mạng. Địa chỉ MAC có thể nhận dạng các máy chủ. Tuy nhiên
nếu các mạng này được nối tới các mạng khác, thì các địa chỉ mạng bắt buộc phải có. Chú ý
rằng các địa chỉ MAC sử dụng trong tầng liên kết dữ liệu là không quan trọng bên ngoài mạng
LAN.
PTIT
78
3.2.4.4 Tầng giao vận
Tầng giao vận là tầng đầu-cuối thực sự đầu tiên. Các giao thức từ tầng giao vận trở lên
của các trạm sử dụng mạng như một kết nối điểm-điểm để truyền thông. Thông điệp nguồn
trên đường đi có thể được tầng mạng tách ra và tầng phiên bên nhận sẽ là nơi đầu tiên các gói
nhỏ thuộc cùng một thông điệp gặp lại nhau.
Tầng giao vận hoạt động như một tầng giao diện giữa các tầng thấp (dành cho việc kết
nối mạng) và các tầng cao (dành cho các dịch vụ ứng dụng). Nhiệm vụ của tầng này là đảm
bảo ngăn chặn thường xuyên việc truyền dẫn từ đầu cuối đến đầu cuối không có lỗi và các gói
tin khôn gbị mất trong quá trình truyền thông. Để thực hiện điều này trong tầng giao vận có
thể bao gồm các thủ tục truyền lại hoặc thủ tục xác nhận.
Tầng giao vận thường cung cấp 2 lớp dịch vụ cơ sở cho tầng phiên:
- Truyền các thông điệp và gói dữ liệu riêng biệt qua mạng. Các thông điệp được truyền
có thể tới đích theo thứ tự khác nhau và lỗi có thể xuất hiện. Ví dụ giao thức UDP –
User Datagram Protocol của Internet (không thuộc về các giao thức OSI) và giao thức
giao vận, lớp 1 (TP1) của OSI (IS 9072).
- Kênh truyền điểm-điểm không lỗi sẽ chuyển các thông điệp theo cùng một thứ tự như
khi chúng được gửi. Ví dụ giao thức điều khiển truyền thông (TCP) của Internet
(không có trong chuẩn giao thức OSI) và TP4 của OSI (IS 8072/8073)
3.2.4.5 Tầng phiên
Tầng giao vận đảm bảo cho sự thành công trong truyền thông đầu-cuối giữa các máy
tính. Thực tế, quá trình truyền thông được thực hiện bởi 4 tầng bên dưới tầng phiên. Ba tầng
cao nhất không cần thiết cho quá trình truyền dữ liệu, nhưng chúng tạo sự tương thích cho các
ứng dụng và do vậy các chương trình ứng dụng chạy trên các máy có thể hiểu được nhau.
Tầng phiên cho phép sử dụng trên các máy khác nhau thiết lập các phiên làm việc với
nhau. Ví dụ, nó cho phép người sử dụng truy nhập vào một hệ thống chia sẻ thời gian ở xa
hoặc cho phép truyền tệp giữa 2 máy tính.
Tầng phiên cho phép truyền thông các dữ liệu bình thường, giống như tầng giao vận
thực hiện, nhưng nó còn cung cấp một số dịch vụ mở rộng hữu ích cho các ứng dụng. Chẳng
hạn dịch vụ quản lý điều khiển đàm thoại. Các phiên làm việc có thể cho phép truyền thông 2
hướng hoặc 1 hướng tại một thời điểm. Nếu truyền thông một hướng được cho phép, tầng
phiên có thể cho biết hướng nào đang sử dụng. Tầng phiên còn cung cấp chức năng quản lý
thẻ bài, và với sự trợ giúp của chức năng này chỉ có máy nào nắm thẻ bài mới có thể thực hiện
một thao tác nguy cấp.
Một dịch vụ khác của tầng phiên là dịch vụ truyền thành công các tệp kích thước lớn.
Nếu không có dịch vụ này thì chỉ cần một lỗi đơn giản trong quá trình truyền thông cũng có
thể phá hủy cả một tệp và do đó phải truyền lại cả tệp. Để hạn chế điều này, tầng phiên cung
cấp cách chèn các điểm kiểm tra vào trong luồng dữ liệu, và do vậy nếu có lỗi thì chỉ cần
truyền lại dữ liệu từ điểm kiểm tra cuối cùng.
PTIT
79
3.2.4.6 Tầng trình diễn
Như chúng ta thấy, các tầng thấp chủ yếu liên quan tới quá trình truyền có thứ tự các
bít hoặc dữ liệu từ nguồn đến đích. Thay vào đó, tầng trình diễn liên quan đến dạng thông tin
được truyền đi. Mỗi máy tính có thể có cách biểu diễn dữ liệu nội tại riêng của nó, do vậy
những thoả thuận và chuyển đổi là cần thiết để các máy tính có thể hiểu được nhau.
Nhiệm vụ của tầng trình diễn là mã hóa dữ liệu được cấu trúc theo các định dạng của
máy tính thành luồng dữ liệu phù hợp cho truyền dẫn. Chẳng hạn như việc nén dữ liệu. Tầng
trình diễn phía nhận giải mã dữ liệu đã được nén thành dạng biểu diễn được yêu cầu. Tầng
trình diễn giúp cả 2 máy tính hiểu được ý nghĩa của luồng bít nhận được theo cùng một cách.
Các máy tính khác nhau có cách biểu diễn dữ liệu nội tại khác nhau. Tất cả các máy tính
lớn IBM đều sử dụng mã trao đổi thập phân được mã hoá nhị phân mở rộng (EBCDIC –
Extended Binary-Coded Decimal Interchange Code), mã ký tự 8 bít; trong khi thực tế tất
cả các máy khác đều sử dụng mã ASCII 7 hoặc 8 bít. Các chíp Intel đánh số các byte của
nó từ phải sang trái, trong khi các chíp Motorola thì lại đánh số từ trái qua phải. Do các
hãng sản xuất máy tính hiếm khi thay đổi các quy ước của riêng mình nên các chuẩn toàn
cầu cho việc biểu diễn dữ liệu nội tại sẽ không bao giờ được chấp nhận.
Một giải pháp đảm bảo tính tương thích là định nghĩa một chuẩn cho “dạng biểu diễn
mạng” của dữ liệu. Như vậy bất kỳ máy tính nào cũng có thể truyền thông được với các máy
tính khác nếu nó chuyển đổi những biểu diễn dữ liệu nội tại thành dạng mạng được chuẩn hoá
này.
3.2.4.7 Tầng ứng dụng
Tầng ứng dụng bao hàm các ứng dụng truyền thống sử dụng dịch vụ của các tầng thấp
hơn. Các ứng dụng của người sử dụng thực hiện các công việc trên máy tính không thuộc vào
tầng ứng dụng, nhưng chúng trao đổi thông tin nhờ sự trợ giúp của giao thức tầng ứng dụng.
Chương trình xử lý văn bản là một ví dụ về ứng dụng của người sử dụng.
Để phục vụ các ứng dụng người sử dụng, các ứng dụng truyền thông cần thiết như
truyền tệp hoặc một đầu cuối ASCII thường được định nghĩa như các giao thức tầng ứng
dụng. Ứng dụng truyền thông cung cấp cho các ứng dụng người sử dụng những dịch vụ
không phụ thuộc nhà sản xuất. Các dịch vụ tầng ứng dụng thường sẵn có đối với các lập trình
viên giống như các dịch vụ khác cuả hệ điều hành. Với sự trợ giúp của các dịch vụ này, nhà
lập trình phần mềm ứng dụng không phải lo lắng gì về quá trình truyền thông dữ liệu thực tế.
Họ có thể sử dụng tất cả các dịch vụ của chồng giao thức được thực hiện trên môi trường phát
triển phần mềm của họ.
Thư điện tử (Email) là một ví dụ về các giao thức ứng dụng. Trong ví dụ này, ngoài các
chức năng giống với các chức năng của giao thức truyền tệp, nó còn cung cấp các chức
năng viết sẵn như xoá, gửi và đọc thư. Ví dụ, những đặc tính kỹ thuật của tầng ứng dụng
định nghĩa định dạng của trường địa chỉ và trường thông điệp.
Để phân biệt giữa chương trình ứng dụng và tầng ứng dụng được xác định bởi một giao
thức, chúng ta hãy lấy thư điện tử làm ví dụ. Chúng ta có thể có một ứng dụng chạy bên
trên tầng ứng dụng. Chương trình này có thể cung cấp 9 mầu, một trình soạn thảo thân
PTIT
80
thiện người sử dụng, các cửa sổ để đánh địa chỉ và đánh nội dung thông điệp. Nó cũng có
thể cung cấp một phương pháp đánh địa chỉ thân thiện người sử dụng chẳng hạn như khi
chúng ta đánh một địa chỉ đích là “John” thì địa chỉ này sẽ được phần mềm chuyển đổi
thành dạng mà tầng ứng dụng hiểu được.
Cần chú ý rằng dịch vụ tầng ứng dụng cung cấp cho chúng ta các dịch vụ truyền thông
nhưng chúng ta có thể phải nâng cao các dịch vụ này cùng với một phần mềm ứng dụng để sử
dụng nó cho các mục đích nội bộ.
3.3 Hạ tầng truyền thông cố định
Hạ tầng truyền thông cố định tập trung vào một số mạng bao gồm mạng PSTN, mạng
máy tính và mạng NGN.
Mỗi môi trường mạng có những đặc tính riêng với những yêu cầu khác nhau về thiết kế
và vận hành. Tùy vào đặc điểm và tính chất của dịch vụ cung cấp mà một mạng viễn thông có
thể sử dụng công nghệ này hay công nghệ khác để thực hiện việc trao đổi thông tin. Song dù
sử dụng công nghệ nào thì mục đích cuối cùng của mạng viễn thông là cung cấp dịch vụ viễn
thông cho khách hàng với chất lượng cao nhất và giá thành rẻ nhất
3.3.1 Mạng PSTN
Trong thời kỳ đầu của các mạng điện thoại, khi chỉ có rất ít máy điện thoại thì việc kết
nối được thực hiện trực tiếp giữa các máy điện thoại vì số lượng đường dây nhỏ và dễ dàng
quản lý được. Tuy nhiên khi số lượng người sử dụng điện thoại tăng lên thì số đường kết nối
trực tiếp giữa các máy điện thoại sẽ gia tăng rất nhanh và việc kết nối trực tiếp giữa các máy
điện thoại trở nên lãng phí. Vì thế cần có một mạng để chuyển mạch các kênh thoại, gọi tắt là
mạng chuyển kênh (switched network). Khi đó mỗi máy điện thoại chỉ cần có một đôi dây kết
nối tới trung tâm chuyển mạch. Chuyển mạch này sẽ cung cấp các kết nối trong khoảng thời
gian mà hai máy điện thoại gọi cho nhau và khi người sử dụng không đàm thoại nữa thì thiết
bị chuyển mạch sẽ cắt bỏ kết nối đó.
Mạng chuyển kênh cho phép người sử dụng dùng chung thiết bị mạng và vì thế chi phí
cho mạng sẽ giảm đi rất nhiều. Lượng thiết bị dùng chung này được tính toán để đáp ứng một
cấp độ chất lượng dịch vụ nhất định với giá thành hợp lý nhất. Việc tính toán thiết kế mạng
dựa trên đặc điểm là không có nhiều người gọi điện thoại đồng thời cùng lúc, vì thế có thể sử
dụng một kết nối chung cho rất nhiều người sử dụng.
Hình 3.1 chỉ ra các thành phần của mạng chuyển kênh. Đường kết nối trực tiếp từ mỗi
máy điện thoại tới chuyển mạch nội hạt (local switch) được gọi là mạch vòng nội hạt (local
loop), trong trường hợp đơn giản nhất là một đôi dây. Thông thường, mỗi thuê bao có một đôi
dây dành riêng để kết nối vào mạng.
PTIT
81
Trung kế Trung kế
Trung kế
Trạm trung tâm
Khách hàng Khách hàng
Trạm trung tâm
Chuyển mạch
tandem
Khách hàng
Mạch vòng nội hạt Mạch vòng nội hạt Mạch vòng nội hạt
Hình 3. 3: Các thành phần cơ bản của mạng điện thoại chuyển mạch kênh
Hầu hết các mạng điện thoại yêu cầu có một chuyển mạch để cung cấp kết nối giữa các
đường dây của bất kỳ hai thuê bao nào kết nối tới chuyển mạch đó. Vì có nhiều cộng đồng
khách hàng được một chuyển mạch phục vụ nên có nhiều cuội gọi thực hiện là nội hạt (từ
thuê bao này đến thuê bao khác trong cùng khu vực quản lí của một chuyển mạch). Tuy
nhiên, nếu hai thuê bao có yêu cầu kết nối lại nối với hai thiết bị chuyển mạch khác nhau thì
yêu cầu kết nối phải thông qua hai chuyển mạch mới thực hiện được. Kết nối giữa chuyển
mạch với chuyển mạch ở đây được gọi là trung kế (trunk).
Nếu có 10 đường trung kế kết nối trạm A và B thì chỉ có thể có 10 cuộc gọi được thực
hiện đồng thời giữa các thuê bao của A với thuê bao của B. Song ngay khi có một cuộc gọi
kết thúc thì trung kế đó sẽ trở thành rỗi và lại tiếp tục phục vụ cho một cuộc gọi khác. Vì thế
các trung kế dùng chung này có thể được huy động liên tiếp cho nhiều người dùng. Các kỹ sư
nghiên cứu về lưu lượng chịu trách nhiệm tính toán chính xác số lượng trung kế cần thiết để
kết nối giữa các chuyển mạch sao cho tối ưu nhất.
3.3.1.1 Mạch vòng nội hạt
Mạch vòng nội hạt là đường kết nối giữa thuê bao và trạm chuyển mạch trung tâm (CO -
Central Office). Là đường dây truy nhập của khách hàng nối tới mạng, mạch vòng nội hạt
được dành riêng cho một thuê bao. Như vậy, mỗi khi khách hàng gọi điện thoại thì mạch vòng
hoạt động.
Mạch vòng này thường là mạch hai dây. Nó cho phép nhà cung cấp dịch vụ mạng, hay
còn gọi là nhà cung cấp tổng đài nội hạt (LEC - Local Exchange Carrier), trang bị đường
truyền dẫn chất lượng hợp lý với giá thành thấp. Trên vòng nội hạt hai dây này việc truyền
dẫn bằng dòng điện phải thực hiện ở cả hai hướng (hướng truyền tín hiệu từ điện thoại đến
chuyển mạch và ngược lại).
PTIT
82
Đối với môi trường hội thoại thì thường một người tham gia cuộc thoại nói trong khi
người kia nghe (bán song công - half duplex) và người nói thì hiếm khi nghe tại thời điểm
mình nói. Tuy nhiên các ứng dụng dữ liệu thường cần truyền hai chiều đồng thời (song công -
full duplex). Đặc điểm này của dữ liệu yêu cầu những đặc tính kỹ thuật để có thể truyền dẫn
dữ liệu song công trên mạch vòng nội hạt. Đây chính là một trong những vấn đề gặp phải khi
người ta cố gắng chuyển dữ liệu trên mạng được xây dựng để truyền lưu lượng thoại.
3.3.1.2 Trạm chuyển mạch trung tâm
Trạm chuyển mạch trung tâm (CO) là thành phần cốt lõi dùng để thiết lập những kết nối
tạm thời giữa các thuê bao. Để thực hiện được điều này, chuyển mạch CO phải đặt ở cuối các
đường dây thuê bao và các đường trung kế liên trạm. Để thuê bao thực hiện một cuộc gọi và
được cung cấp các chỉ dẫn cho các thủ tục gọi, các mạch dịch vụ cũng phải kết cuối ở chuyển
mạch.
Từ những năm 1950 đến 1960 các chuyển mạch là cơ điện, từ những năm 70 đến 80 là
chuyển mạch điện tử và từ những năm 90 trở lại đây thì chuyển mạch dựa trên công nghệ số.
Phần tử điều khiển là phần rất quan trọng trong việc điều khiển và giám sát việc thiết lập
cuộc gọi và tiến hành cuộc gọi. Chức năng của nó có thể phân tán ở các phần tử chuyển mạch
hay được tập hợp ở thiết bị trung tâm. Chức năng điều khiển có thể được thực hiện bởi các
rơle cơ điện hay các máy tính kỹ thuật số. Một chức năng phần tử điều khiển thường được
thực hiện khác là tính cước và giám sát lượng sử dụng.
Có một thành phần chính nữa của trạm CO song lại không thuộc về chuyển mạch, đó là
trung tâm đầu dây (wire center). Trung tâm này chứa cả chuyển mạch điện thoại và các thiết
bị cấp nguồn, thiết bị của nhà cung cấp, các khung đầu cuối cho các đường dây dành riêng và
các bảng thử nghiệm. Những bộ phận trong trung tâm này là thành phần bắt buộc để trạm CO
có thể vận hành được.
3.3.1.3 Trung kế
Trung kế là thiết bị truyền dẫn giữa các chuyển mạch. Thông thường trung kế là các
đường truyền số ghép kênh tốc độ cao (kim loại hoặc cáp quang). Các đường trung kế có thể
dài hàng trăm kilomét và được nhiều khách hàng dùng chung. Nếu không đủ đường trung kế
trực tiếp để đáp ứng nhu cầu kết nối (ví dụ khi các đường trung kế đã được sử dụng hết) thì
cuộc gọi có thể kết nối trên nhiều trung kế xuyên qua nhiều chuyển mạch.
Mạng điện thoại của AT&T (Mỹ) từ những năm 1970 được thiết kế hình tháp 5 cấp.
Ngày nay mạng điện thoại ở các quốc gia có ít cấp hơn, thường là 3 hoặc 4 cấp (ở Việt Nam
là 3 cấp). Trong sơ đồ phân cấp này thì cấp thấp nhất là trạm CO. Nếu không tìm được trung
kế kết nối trực tiếp giữa các trạm CO thì cuộc gọi được chuyển tiếp lên cấp tiếp theo. Cấp
chuyển mạch tiếp theo này lại tìm kết nối trực tiếp, nếu không tìm được, nó sẽ chuyển cuộc
gọi lên cấp cao hơn nữa. Khi cuộc gọi đã tới đỉnh phân cấp thì lượng thiết bị chiếm dùng cũng
đã gia tăng. Việc tính toán lưu lượng trong mạng này là vấn đề sống còn vì nó phải đảm bảo
giảm thiểu chi phí cho việc định tuyến một cuộc gọi.
Vì trung kế thường khá dài và có số lượng ít hơn so với các mạch vòng nội hạt nên nó
rất quan trọng và cần phải điều chỉnh một cách kinh tế để cung cấp được chất lượng đường
PTIT
83
truyền tốt hơn so với mạch vòng nội hạt. Vì thế, các trung kế thường là các đường truyền 4
dây số nếu là dây đồng hoặc ngày nay thì người ta hay dùng trung kế quang.
Sự đánh đổi giữa chi phí dịch vụ và chất lượng là vấn đề phổ cập trong mạng điện thoại
công cộng. Mục đích của nó là để cấp được dịch vụ rẻ tới khách hàng và đem lại lợi nhuận
hợp lý cho nhà cung cấp viễn thông. Sự đánh đổi này liên quan tới chất lượng truyền dẫn. Nó
hữu ích cho việc chi trả nhiều hơn cho số ít trung kế chất lượng cao. Còn về phía người sử
dụng, với số lượng mạch vòng thuê bao rất lớn thì lượng đầu tư cũng sẽ rất lớn.
3.3.1.4 Mạng tổng đài nội hạt
Hình 3.2 mô tả mạng tổng đài nội hạt (mạng LEC). Ở đây hai trạm CO cung cấp đường
truyền cho khách hàng và trung kế tới các trạm khác. Chú ý phân biệt giữa các nhóm trung kế
có mật độ sử dụng cao (high-usage trunk) với nhóm trung kế cuối (final-trunk) qua cách thức
truy nhập.
Nhóm mật độ sử dụng cao là những trung kế không đủ khả năng để chuyển tải toàn bộ
lưu lượng. Các cuộc gọi giữa hai chuyển mạch được kết nối bằng nhóm trung kế có mật độ sử
dụng cao trước tiên được định tuyến tới chính nhóm trung kế này. Nếu không còn trung kế rỗi
thì cuộc gọi sẽ được định tuyến sang nhóm trung kế cuối và cuộc gọi có thể sẽ chuyển tới một
chuyển mạch CO khác. Các chuyển mạch CO này được gọi là chuyển mạch chuyển tiếp
(tandem). Trước đây các chuyển mạch tandem là chuyển mạch lớp 4 và chuyển mạch CO là
chuyển mạch lớp 5. Chúng được phân lớp theo cấu trúc hình tháp (mạng AT&T trước 1983).
Chuyển mạch tandem có thể được cấu hình chỉ để kết cuối các trung kế hoặc cả kết cuối trung
kế và đường dây của khách hàng.
PTIT
84
Chuyển
mạch
IEC
IEC “A”
Chuyển
mạch
IEC
POP
Chuyển
mạch
IEC
IEC “B”
Chuyển
mạch
IEC
POP
Chuyển mạch
tandem
Trung kế cuốiTrung kế cuối
Trung kế mật độ
sử dụng cao
Trạm trung tâm Trạm trung tâm
Khách hàng Khách hàng
Hình 3. 4: Mạng tổng đài nội hạt
3.3.2 Mạng truyền số liệu
Truyền số liệu là một loại hình rất phổ biến trong thời đại thông tin hiện nay. Đó là một
trong các loại hình dịch vụ viễn thông và được thực hiện trên một số mạng khác nhau như:
Mạng số liệu chuyển mạch gói, mạng số liệu chuyển mạch kênh, mạng điện thoại công cộng,
hay đơn giản là các mạng máy tính (LAN, MAN, WAN), các mạng thuê riêng, … Các mạng
truyền số liệu được phát triển từ rất sớm và ngày nay nó hiện diện ở rất nhiều khía cạnh trong
cuộc sống con người.
Ngoài ra, việc truyền số liệu còn được thực hiện thông qua một số mạng khác, trong đó
việc truyền số liệu qua mạng máy tính, mạng Internet đang phát triển rất mạnh mẽ. Chúng ta
sẽ nghiên cứu về các mạng này ở phần sau.
Khi thực hiện truyền số liệu trên mạng, người sử dụng đòi hỏi một số yêu cầu như:
chất lượng truyền, tốc độ, vấn đề an toàn và bảo mật thông tin… Để đạt được điều này, dữ
liệu truyền phải được mã hóa và xử lý tuân theo các thể thức nhất định nào đó.
3.3.2.1 Mạng số liệu công cộng chuyển mạch kênh - CSPDN (Circuited Switched Public
Data Network)
Được đưa vào sử dụng từ những năm 1980. Đây là mạng hoàn toàn số và được thiết kế
riêng cho truyền thông số liệu. Thường có bốn tốc độ truyền cơ bản là: 600, 2400, 4800 và
PTIT
85
9600 b/s, có thể lựa chọn một trong bốn tốc độ này. Kênh truyền sẽ được duy trì trong suốt
thời gian truyền.
3.3.2.2 Mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói - PSPDN (Packet Switched Public Data
Network)
Được sử dụng khắp thế giới từ những năm 1970. Mạng này cho phép các đầu cuối có
tốc độ bit khác nhau và người sử dụng có thể thâm nhập một số cơ sở dữ liệu lớn trên khắp
thế giới. Hầu hết các mạng truyền số liệu trên thế giới đều là mạng chuyển gói.
3.3.2.3 Mạng điện thoại công cộng - PSTN (Public Switched Telephone Network)
Do các đường dây điện thoại chỉ dùng để truyền các tín hiệu âm thanh với dải tần 0,3 –
3,4 KHz nên muốn truyền số liệu thì phải sử dụng Modem là các thiết bị điều chế và giải điều
chế tín hiệu truyền dữ liệu thành tín hiệu tương tự có dải tần phù hợp với đường dây điện
thoại và ngược lại.
3.3.2.4 Mạng truyền số liệu X25
X.25 là một giao thức đã được CCITT (Consultative Committee for International
Telegraph and Telephone: Hội Đồng Tham Vấn về Điện Thoại và Điện Tín Quốc Tế) công
nhận. Giao thức này là giao thức rất phổ biến được đưa ra nhằm bảo đảm sự nguyên vẹn của
dữ liệu khi di chuyển trong mạng. Nó định nghĩa sự kết nối với nhau của nhiều mạng dùng kỹ
thuật nối chuyển gói với các máy tính liên hệ hoặc các đầu ra. X.25 cho phép các máy tính
của nhiều mạng công cộng khác nhau có thể liên lạc xuyên qua một máy tính trung gian ở
tầng mạng.
3.3.2.5 Mạng Frame Relay (FR)
FR được dùng cho việc nối các thiết bị trong WAN. Giao thức FR được tạo ra để dùng
trong môi trường có tốc độ truyền dẫn cao hơn X.25 và khả năng bị lỗi ít. Ở Mỹ, nó hỗ trợ tốc
tốc T-1 (hay DS1) lên đến 1,544 Mb/s. Thực ra, frame relay cơ bản dựa trên giao thức cũ là
X.25. Sự khác biệt là ở chỗ frame relay là kỹ thuật "gói nhanh" (fast-packet) và kỹ thuật này
sẽ không tiến hành điều chỉnh lỗi. Khi tìm ra lỗi, nó chỉ đơn giản huỷ bỏ gói có lỗi đi. Các đầu
cuối chịu trách nhiệm cho việc phát hiện lỗi và yêu cầu gửi lại gói đã hủy bỏ.
3.3.2.6 Mạng ADSL
Mạng ADSL cung cấp một phương thức truyền dữ liệu với băng thông rộng, tốc độ cao
hơn nhiều so với giao thức truy cập qua đường dây điện thoại truyền thống theo phương thức
truy cập quay số (Dial up). Khi truyền băng thông trên đường dây điện thoại được tách ra làm
2 phần, 1 phần nhỏ dùng cho các tín hiệu như Phone, Fax. Phần lớn còn lại dùng cho truyền
tải tín hiệu ADSL. Ý nghĩa của cụm từ "bất đối xứng" trong ADSL là do lượng dữ liệu tải
xuống và tải lên là không bằng nhau, với dữ liệu chủ yếu là tải xuống
Sơ đồ cung cấp dịch vụ:
PTIT
86
Mang IPDSLAM
ADSL Modem
Internet
Radius Server
BRAS
ADSL Modem
Hình 3. 5: Sơ đồ cung cấp dịch vụ ADSL
Modem: Đóng vai trò cổng kết nối tới internet cho các máy tính thuộc mạng LAN phía
khách hàng.
IP DSLAM: Đóng vai trò như một thiết bị mạng lớp 2 switch trên mạng nhằm tập trung
lưu lượng, các thuê bao truy cập internet. Các IP DSLAM kết nối đến BRAS theo các VLAN
thông qua mạng truyền tải mạng IP
Bras và Radius Server: Đóng vai trò xác thực username và password của thuê bao sử
dụng dịch vụ internet, tính cước ngoài ra BRAS cung cấp địa chỉ IP public cho modem và có
chức năng định tuyến ra môi trường Internet.
Những ưu điểm của ADSL
- Tốc độ truy nhập cao: Tốc độ Download: 1,5 - 8 Mbps. Nhanh hơn Modem dial-up
56Kbps 140 lần. Nhanh hơn truy nhập ISDN 128Kbps 60 lần. Tốc độ Upload: 64-640
Kbps.
- Tối ưu cho truy nhập Internet: Tốc độ chiều xuống cao hơn nhiều lần so với tốc độ
chiều lên. Vừa truy nhập Internet, vừa sử dụng điện thoại. Tín hiệu truyền độc lập so
với tín hiệu thoại/Fax đo đó cho phép vừa truy nhập Internet, vừa sử dụng điện thoại.
Kết nối liên tục: Liên tục giữ kết nối (Always on) Không tín hiệu bận, không thời gian
chờ.
- Không phải quay số truy nhập: Không phải thực hiện vào mạng/ra mạng. Không phải
trả cước điện thoại nội hạt.
- Cước phí tuỳ vào chính sách của ISP: Thông thường cấu trúc cước theo lưu lượng sử
dụng, dùng bao nhiêu, trả tiền bấy nhiêu.
Nhược điểm
- Sự phụ thuộc của tốc độ vào khoảng cách từ nhà thuê bao đến nơi đặt tổng đài ADSL
(DSLAM). Khoảng cách càng dài thì tốc độ đạt được càng thấp. Nếu khoảng cách trên
5Km thì tốc độ sẽ xuống dưới 1Mbps. Tuy nhiên, hiện tại hầu hết các tổng đài vệ tinh
của nhà cung cấp (nơi sẽ đặt các DSLAM) chỉ cách các thuê bao trong phạm vi dưới
2km. Như vậy, sự ảnh hưởng của khoảng cách tới tốc độ sẽ không còn là vấn đề lớn.
- Trong thời gian đầu cung cấp dịch vụ, nhà cung cấp dịch vụ sẽ không thể đầu tư các
DSLAM tại tất cả các tổng đài điện thoại vệ tinh (chi phí rất lớn) vì vậy một số khách
PTIT
87
hàng có nhu cầu không được đáp ứng do chưa đặt được DSLAM tới tổng đài điện
thoại vệ tinh gần nhà thuê bao. Như vậy, trong thời gian đầu cung cấp dịch vụ, dịch vụ
sẽ chỉ được triển khai tại các thành phố lớn, các khu vực tập trung nhiều khách hàng
tiềm nǎng. Tuy nhiên, khi số lượng khách hàng tăng thì sẽ tăng cường số lượng
DSLAM để phục vụ khách hàng.
3.3.2.7 Mạng FTTx
FTTx (Fiber To The x) là 1 thuật ngữ nói chung chỉ một kiến trúc mạng sử dụng cáp
quang để kết nối viễn thông. FTTx bao gồm các loại sau:
- FTTN (Fiber To The Node)
- FTTC (Fiber To The Curb)
- FTTB (Fiber To The Building)
- FTTH (Fiber To The Home).
Sơ đồ mạng :
Mang IPOLT
ONU/ONT
Internet
Radius Server
L2SWCPE
BRAS
Hình 3. 6: Sơ đồ cung cấp dịch vụ FTTx
Các thiết bị trong mạng FTTx bao gồm:
- OLT/ONU (Optical Line Terminal / Optical Network Unit) : Các thiết bị truy cập
mạng quang thụ động.
- CPE: Thiết bị đầu cuối khách hàng
- BRAS, RADIUS: Tương tự như của mạng ADSL.
Hiện nay, công nghệ FTTH (Fiber-To-The-Home là mạng viễn thông băng thông rộng
bằng cáp quang được nối đến tận nhà để cung cấp các dịch vụ tốc độ cao như điện thoại,
Internet tốc độ cao và TV) đang được triển khai khá mạnh mẽ trên thế giới.
Khi dùng công nghệ FTTH, đường truyền dẫn hoàn toàn bằng cáp quang tới tận phòng
máy của người sử dụng. Chất lượng truyền dẫn tín hiệu bền bỉ ổn định không bị suy hao tín
hiệu bởi nhiễu điện từ, thời tiết hay chiều dài cáp như đối với ADSL.
Độ bảo mật rất cao. Với ADSL, khả năng bảo mật thấp hơn vì có thể bị đánh cắp tín
hiệu trên đường dây, còn với FTTH thì hầu như không thể bị đánh cắp tín hiệu trên đường
dây.
PTIT
88
Với công nghệ FTTH, nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp tốc độ download lên đến 10
Gigabit/giây, nhanh gấp 200 lần so với ADSL 2+ (hiện chỉ có thể đáp ứng 20 Megabit/giây).
Tốc độ truyền dẫn với ADSL là không cân bằng, có tốc độ tải lên luôn nhỏ hơn tốc độ tải
xuống (Bất đối xứng, Download > Upload) và tối đa 20 Mbps. Còn FTTH cho phép cân bằng,
tốc độ tải lên và tải xuống như nhau (Đối xứng, Download = Upload) và cho phép tối đa là 10
Gbps, có thể phục vụ cùng một lúc cho hàng trăm máy tính.
FTTH đặc biệt hiệu quả với các dịch vụ: Hosting Server riêng, VPN (mạng riêng ảo),
Truyền dữ liệu, Game Online, IPTV (truyền hình tương tác), VoD (xem phim theo yêu cầu),
Video Conferrence (hội nghị truyền hình), IP Camera…với ưu thế băng thông truyền tải dữ
liệu cao, có thể nâng cấp lên băng thông lên tới 1Gbps, An toàn dữ liệu, Độ ổn định cao,
không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện, từ trường...
Dự kiến FTTH sẽ dần thay thế ADSL trong tương lai gần một khi băng thông ADSL
không đủ sức cung cấp đồng thời các dịch vụ trực tuyến trong cùng một thời điểm. FTTH
cung cấp 1 IP tĩnh thích hợp với các doanh nghiệp, tổ chức triển khai dễ dàng các dịch vụ trực
tuyến như IP Camera, lưu trữ mail, truyền dữ liệu tốc độ cao...
Mạng FTTx chia làm 2 loại:
- AON (Active Optical Network): Mạng quang chủ động là mạng sử dụng các phần tử
phân chia mạng chủ động (phải cấp nguồn điện) trên đường truyền. Đặc điểm các
thiết bị chia như switch phải được cấp nguồn và với mạng AON phải sử dụng 2
đường quang: một cho chiều xuống và một cho chiều lên. Tốc độ có thể đối xứng –
chiều xuống bằng chiều lên.
- PON (Passive Optical Network): Mạng quang bị động là mạng quang sử dụng các
phần tử phân chia mạng bị động (không phải cấp nguồn) trên đường truyền. Đặc
điểm các thiết bị spliter quang không cần cấp nguồn chỉ là bộ chia quang. GPON sử
dụng công nghệ ghép bước sóng cao nên sử dụng 2 bước sóng: 1 cho chiều xuống và
1 cho chiều lên. Do vậy chỉ cần sử dụng duy nhất một sợi quang cho cả chiều xuống
và chiều lên. Tốc độ chiều xuống lớn hơn nhiều so với chiều lên. Tốc độ của thuê
bao phụ thuộc vào bộ chia, nếu bộ chia 1: n với n càng lớn thì tốc độ càng giảm (n
thường là số lũy thừa của 2). Tốc độ chiều xuống thường là 2,5Gb và chiều lên là
1,25Gb.
3.3.3 Mạng máy tính
Vào những năm 1980, máy tính để bàn đã nổi lên như một phương án thay thế rẻ tiền
cho các máy tính lớn đắt giá. Mỗi máy tính để bàn đều có khả năng tích hợp mọi thiết bị ngoại
vi và phần mềm để hoàn thành một số công việc cụ thể, song việc chuyển giao dữ liệu giữa
các hệ thống chưa được thực hiện tự động, khi cần trao đổi dữ liệu người sử dụng phải dùng
tới đĩa mềm.
Với đà phát triển của công nghiệp máy tính, các quản trị viên PC*, các chuyên viên tiếp
thị, người dùng, và thiết kế viên bắt đầu thấy rõ các ưu điểm của việc dùng chung dữ liệu và
PTIT
89
phần cứng giữa một nhóm các máy PC tuy riêng lẻ song lại mang tính hợp tác. Từ đó mạng
máy tính ra đời, nó đã trở thành một phương tiện để truyền bá thông tin.
Mạng máy tính (computer network) là một nhóm các máy tính tương kết chia sẻ các
dịch vụ thông qua một kết nối dùng chung. Do đó, yêu cầu của mạng máy tính là hai hoặc
nhiều cá nhân có một tài liệu nào đó muốn cùng nhau chia sẻ. Một cá nhân phải có khả năng
cung cấp một tài liệu nào đó. Các hệ thống riêng lẻ phải được kết nối với nhau thông qua một
phương tiện vật lý. Mọi hệ thống nối với phương tiện vật lý này phải tuân thủ một loạt các
quy tắc truyền thông chung thì dữ liệu mới đến được đích chúng đã định, và do đó các hệ
thống gửi nhận mới hiểu được nhau. Các quy tắc điều hành tiến trình truyền thông máy tính
được gọi là giao thức (protocol).
Mạng máy tính thường có một trong hai mô hình sau: khách/chủ (Client/Server) và
ngang hàng. Nhiều môi trường mạng sử dụng cả hai mô hình. Ví dụ, một công ty có thể dùng
đồng thời các hệ điều hành Netware khách/chủ cùng với Novell và Windows for Workgroup
ngang hàng của Microsoft.
Mô hình khách/chủ
Trong môi trường khách/chủ, tài nguyên thường nằm trên một nhóm máy chủ. Máy chủ
là máy tính được chỉ định cụ thể để cung cấp dịch vụ cho các máy tính khác trên mạng. máy
khách chỉ truy nhập tài nguyên sẵn có từ các máy chủ chứ không cung cấp dịch vụ.
Dưới mô hình khách/chủ, các tài nguyên phần cứng có thể được tập trung trên các máy
chủ và các máy khách có thể được thiết kế theo các cấu hình phần cứng tối thiểu. Mô hình
khách/chủ tỏ ra là lý tưởng đối với các mạng lớn cần đến hệ thống bảo mật mạng. Dưới mô
hình khách/chủ, người quản trị có thể dễ dàng điều khiển quyền truy nhập các tài nguyên
mạng.
Mô hình ngang hàng
Trong môi trường mạng ngang hàng, tài nguyên được phân phối trên toàn mạng thông
qua các máy tính; các máy tính này có thể hoạt đông như những máy chủ hoặc máy khách.
Trong môi trường này, người dùng trên từng PC chịu trách nhiệm điều hành và chia sẻ các tài
nguyên PC của họ. Các mạng ngang hàng rất phù hợp với các tổ chức nhỏ, có số người dùng
giới hạn và không đặt nặng vấn đề bảo mật.
3.3.3.1 Kiến trúc mạng (Network Architecture)
Kiến trúc mạng bao gồm cách thức đấu nối các máy tính lại với nhau và trong quá
trình hoạt động truyền thông chúng phải tuân theo một số quy tắc, quy ước bắt buộc.
Cách thức đấu nối các máy tính lại với nhau bao gồm việc bố trí các phần tử mạng
theo một cấu trúc hình học nào đó và cách thức kết nối chúng (gọi là cấu hình mạng hay là
topo của mạng). Tập các quy tắc, quy ước bắt buộc các thành phần của mạng khi tham gia các
hoạt động truyền thông phải tuân theo, gọi là các giao thức của mạng (Protocols).
PTIT
90
Thiết bị đầu cuối (Users)
Các nút mạng
Printer
Hình 3. 7: Mạng máy tính
3.3.3.2 Cấu hình mạng (Topology)
Cấu hình mạng là cấu trúc hình học không gian của mạng, thực chất là cách bố trí vị trí
vật lý các nút (node) và cách thức kết nối chúng lại với nhau. Có hai kiểu cấu trúc mạng, đó là
kiểu điểm - điểm và kiểu đa điểm.
Kiểu điểm - điểm (Point to Point): Đường truyền nối từng cặp nút lại với nhau theo
một dạng hình học xác định nào đó. Nếu các nút có nhu cầu trao đổi thông tin, một kênh
truyền vật lý sẽ được thiết lập giữa nút nguồn và nút đích bằng thông qua một chuỗi tuần tự
các nút. Các nút trung gian có chức năng tiếp nhận thông tin, lưu trữ thông tin tạm thời trong
bộ nhớ phụ và chờ cho đến khi đường truyền rỗi sẽ gửi tiếp thông tin sang nút tiếp theo...cứ
như vậy cho đến nút đích. Người ta gọi mạng có cấu trúc điểm- điểm là mạng lưu và gửi tiếp
(Store - and - Forward). Mạng hình sao (Star), mạng chu trình (đôi khi gọi là mạng vòng -
Loop), mạng hình cây (Tree) và mạng hình đầy đủ (Complete) là những mạng có cấu trúc
kiểu điểm - điểm. Ưu điểm của loại mạng này ít xẩy ra va chạm thông tin (collision) trên
đường truyền, nhưng nhược điểm lớn nhất của nó là hiệu suất sử dụng đường truyền không
cao, tốc độ trao đổi thông tin thấp, độ trễ lớn, cần tiêu tốn nhiều thời gian để thiết lập đường
truyền và xử lý tại các nút.
Kiểu đa điểm, quảng bá (Point to Multipoint, Broadcasting):Tất cả các nút cùng truy
nhập chung trên một đường truyền. Thông tin được truyền đi từ nút nguồn nào đó, tất cả các
nút còn lại tiếp nhận thông tin, kiểm tra địa chỉ đích, thông tin nhận đến có phải là của nó hay
không. Vì các nút cùng truy nhập đồng thời trên đường truyền chung, cần thiết phải có cơ chế
để giải quyết va chạm thông tin trên đường truyền, nhất là trong mạng hình BUS và RING.
Các mạng có cấu trúc quảng bá có hai loại, quảng loại tĩnh và quảng bá động.
Quảng bá
Quảng bá tĩnh
Quảng bá động
Quảng bá động tập trung
Quảng bá động phân tán
PTIT
91
- Quảng bá tĩnh: Người ta chia thời gian thành nhiều khoảng rời rạc và dùng cơ chế
quay vòng (Round Robin) để cấp phát đường truyền cho các nút. Các nút có quyền
truy nhập khi đến thời gian của nó. Tuy nhiên có nhiều nút không có nhu cầu truyền
tin khi đến lượt nó được phép truyền, vì vậy vẫn có hiện tượng kênh rỗi trong
khoảng thời gian nào đó trong khi các nút có nhu cầu truyền tin lại không được phép
truy nhập, điều này dẫn đến việc hiệu suất kênh truyền không cao.
- Quảng bá động tập trung: Người ta thiết kế và cài đặt thêm một bộ phận trung
gian có chức năng tiếp nhập và cấp phát đường truyền cho các nút khi có nhu cầu
trao đổi thông tin. Kiểu cấp phát này giảm được tối đa thời gian chết của đường
truyền (khi đường truyền rỗi mà không thể gửi được thông tin lên đó), nhưng việc
thiết kế và cài đặt rất phức tạp và khó khăn, không dễ dàng gì.
- Quảng bá động phân tán: Các nút tự quyết định có nên truy nhập đường truyền
hay không phụ thuộc vào trạng thái của đường truyền. Đây là giải pháp tốt nhất
trong thiết kế và cài đặt các phương pháp truy nhập đường truyền.
3.3.3.3 Giao thức mạng máy tính
Ngoài các quy định về đường truyền vật lý đảm bảo truyền dữ liệu dưới dạng chuỗi bit
giữa các thành phần trong mạng, còn phải có các tiến trình (Proccess), các quy định nhằm duy
trì cho mọi hoạt động truyền thông được chính xác và thông suốt. Các thành phần của mạng
muốn trao đổi thông tin với nhau trước tiên chúng phải hiểu nhau, đàm phán với nhau về một
số thủ tục, nguyên tắc. Các máy chủ có thể cung cấp các dịch vụ cho các trạm làm việc, trước
tiên hai thực thể đó phải trao đổi liên lạc được với nhau. Như vậy trong quá trình hoạt động
truyền thông, các thành phần của mạng phải bắt buộc phải tuân theo tập các quy tắc về cách
khởi động và kết thúc một tương tác, điều khiển tốc độ truyền, kiểm soát và phát hiện lỗi, sửa
lỗi; tập các quy ước về cú pháp, ngữ nghĩa của dữ liệu.... được gọi là tập các "giao thức mạng"
(Protocols). Như vậy giao thức mạng được hiểu là các quy tắc điều khiển các tiến trình truyền
thông giữa các thành phần trong mạng với nhau. Giao thức mạng là sản phẩm của các tổ chức
chuẩn hóa quốc tế. Nhóm các giao thức cùng thực hiện một chức năng truyền thông nào đó
được gọi là các chuẩn hoặc khuyến nghị... Trong một mạng máy tính, có thể sử dụng nhiều
chuẩn khác nhau, sản phẩm của các công ty khác nhau.
3.3.3.4 Phân loại mạng máy tính
Phân loại theo chỉ tiêu khoảng cách
Mạng máy tính thường được phân chia theo khoảng cách, khi đó mạng máy tính được
chia thành 4 loại: mạng cục bộ (LAN), mạng đô thị (MAN), mạng diện rộng (WAN) và mạng
toàn cầu GAN.
- Mạng cục bộ: LAN (Local Area Network) là một nhóm các máy tính và thiết bị
mạng được kết nối với nhau trong một khu vực địa lý giới hạn, chẳng hạn tòa nhà
hay khu trường học. Nó thường kết nối các trạm làm việc, máy tính cá nhân, máy in,
máy chủ và một số thiết bị khác. Mạng cục bộ cung cấp cho người dùng máy tính
nhiều lợi ích, gồm truy nhập chia sẻ tới các thiết bị và ứng dụng, trao đổi tệp và
truyền thông giữa các người dùng thông qua thư điện tử và các ứng dụng khác.
PTIT
92
Mạng LAN thường sử dụng 3 topo chính là hình sao (star), xa lộ (bus) và vòng
(ring).
- Mạng đô thị: MAN (Metropolitan Area Network) là nhóm các máy tính và thiết bị
mạng được kết nối với nhau trong giới hạn phạm vi là khu vực cấp thành phố. MAN
có thể kết nối các mạng cục bộ sử dụng các kiểu phần cứng và phương tiện truyền
dẫn khác nhau.
- Mạng diện rộng: WAN (Wide Area Network) kết nối các LAN hoặc MAN. Một
WAN có thể trải rộng khắp trên toàn quốc gia hay thậm trí khắp toàn thế giới. Mạng
diện rộng WAN là một mạng truyền số liệu bao phủ một vùng địa lý tương đối rộng
lớn và thường sử dụng các phương tiện truyền dẫn do các nhà khai thác mạng cung
cấp. Các công nghệ mạng diện rộng hoạt động ở 2 tầng thấp nhất trong mô hình
tham chiếu OSI: Tầng vật lý, tầng liên kết dữ liệu
- Mạng toàn cầu: GAN (Global Area Network) là mạng kết nối máy tính và thiết bị
mạng có phạm vi trải rộng khắp các lục địa của trái đất.
Phân loại theo cấu trúc mạng
- Mạng hình sao (Star): Các nút thông tin được nối vào một trung tâm điều khiển (có
thể là bộ chuyển mạch- Switching hoặc bộ tập trung - Hub). Trung tâm này điều
khiển toàn bộ hoạt động của mạng.
- Mạng hình lưới (Mesh): Các nút thông tin được kết nối trực tiếp với nhau.
- Mạng hình cây (Tree): Các nút kết nối theo hình cây, mỗi nút sẽ được kết nối tới
tối đa 2 nút.
- Mạng xa lộ (hình BUS): Các trạm làm việc (Workstations) được nối vào một Bus
thông tin xác định 2 đầu, cùng truy nhập chung đường truyền. Bus thông tin gọi là
trục mạng hay xương sống của mạng. Các mạng cục bộ hình Bus như TRANAS
NET, ETHERNET, D-LINK...
- Mạng hình vòng (Ring): Các trạm làm việc (Workstations) được nối vào một
đường truyền vòng tròn khép kín. Các nút truy nhập vào mạng theo kiểu nối tiếp
nhau.
Hình 3.8 minh họa các cấu trúc mạng máy tính điển hình. PTIT
93
H×nh sao (star) Chu tr×nh (loop) Líi (mesh) C©y (tree)
Vßng (ring) Xa lé (bus)
Hình 3. 8: Cấu trúc mạng máy tính điển hình
3.3.4 Mạng thế hệ mới (NGN –Next General Network)
Theo khuyến nghị của Liên minh Viễn thông thế giới (ITU), mạng thế hệ mới - Next
Generation Network (NGN) được coi là mạng gói có khả năng cung cấp các dịch vụ viễn
thông, sử dụng băng tần rộng và các công nghệ truyền tải hỗ trợ QoS trong đó các chức năng
liên quan đến dịch vụ không phụ thuộc vào công nghệ truyền tải. Hệ thống hỗ trợ tính di động
linh hoạt cho phép cung cấp dịch vụ cho thuê bao một cách ổn định mọi lúc, mọi nơi.
NGN được hiểu là mạng dựa trên mạng chuyển mạch gói trong đó các phần tử thực hiện
chức năng chuyển mạch định tuyến và các phần tử điều khiển được phân tách một cách logic
và vật lý theo khả năng thông minh điều khiển dịch vụ hoặc cuộc gọi. Mạng NGN hỗ trợ rất
đa dạng các loại hình dịch vụ dựa trên một cơ sở hạ tầng truyền dẫn chung, bao gồm từ các
dịch vụ thoại cơ bản cho đến các dịch vụ số liệu, video, đa phương tiện, dịch vụ băng thông
rộng, và các ứng dụng quản lý mạng thông minh.
3.3.4.1 Cấu trúc mạng
Về cơ bản, mô hình chức năng của mạng NGN như hình 3-9. Trong mô hình này, mạng
NGN được chia thành các phân lớp cơ bản: lớp truy nhập, lớp truyền tải, lớp điều khiển và
lớp ứng dụng. Mỗi phân lớp có chứa một số phần tử chức năng cơ bản như: Máy chủ cuộc gọi
(Call Sever) hay còn gọi là Chuyển mạch mềm (SoftSwitch), Cổng truy nhập (Access
Gateway), Cổng báo hiệu (Signalling Gateway) ,..
PTIT
94
Hình 3. 9: Mô hình chức năng mạng NGN
3.3.4.2 Các dịch vụ trên mạng NGN
a. Dịch vụ Internet băng rộng (HSI)
Dịch vụ HSI (High Speed Internet) hay còn gọi là Internet băng thông rộng là nhóm các
dịch vụ truy cập Internet tốc độ cao trên hạ tầng mạng viễn thông.
Các loại dịch vụ HSI:
- Nhóm các các dịch vụ xDSL (truy cập qua cáp đồng)
- Nhóm các dịch vụ FTTx (truy cập qua cáp quang)
- Nhóm các dịch vụ truy cập không dây (Satellite, CityWifi, WiMax, 3G, 4G…)
b. Dịch vụ VoIP
VoIP là một dịch vụ cho người sử dụng thực hiện cuộc gọi thoại trên hạ tầng mạng IP
thay vì các mạng điện thoại chuyển mạch kênh TDM truyền thống.
Một số ứng dụng thực tế đã triển khai trên mạng VT: các dịch vụ thoại giá rẻ 171, 178,
179...
Một số ứng dụng Voip điển hình trên Internet như Skype, Yahoo,Kakao talk, Zalo,..
Cấu trúc mạng Voip điển hình:
PTIT
95
Mạng IP
VoIP server
IP phone VoIP GW
POTS
phone
Mạng
PSTN
Hình 3. 10: Cấu trúc mạng VoIP
Mạng Voip gồm các thực thể:
- Thiết bị đầu cuối IP phone: Có thể là một phần mềm chạy trên máy tính (
softphone) hoặc một điện thoại IP (hardphone).
- Hạ tầng truyền tải IP: Cung cấp kết nối IP để truyền tải dữ liệu báo hiệu điều khiển
và thoại.
- Máy chủ dịch vụ VoiP (VoiP Server): Là thiết bị quản lý các thuê bao dịch vụ và
điều khiển cuộc gọi VoiP.
- VoIP gateway: Cổng giao tiếp sang các mạng truyền thống hoặc cung cấp các giao
diện xuống các POTS phone
Trong hệ thống cung cấp dịch vụ VoIP, có 2 loại thông tin chính được trao đổi giữa các
thành phần:
- Thông tin báo hiệu điều khiển: Mang các thông tin của các giao thức điều khiển
cuộc thoại (SIP, MGCP, H.323, H.248,…) giữa VoIP server và IP phone/VoIP GW.
- Thông tin thoại: Mang nội dung thoại trao đổi được mã hóa và đóng trong các gói tin
(RTP,…) giữa các IP phone với nhau và giữa Ip phone với VoIP gateway.
Hoạt động của dịch vụ Voip:
Việc trao đổi thoại trên IP về bản chất chính là trao đổi các gói tin IP chứa dữ liệu thoại
của người sử dụng. Mỗi đầu cuối sẽ có một địa chỉ IP.
Hai đầu cuối có thể trao đổi thoại nếu biết được địa chỉ IP của nhau. Tuy nhiên trên thực
tế người sử dụng không thể nhớ được các IP này mà chỉ nhớ số điện thoại của nhau nên vai
trò của VoiP Server là phân tích địa chỉ dạng số sang địa chỉ IP (thông thường sẽ có thêm địa
chỉ Port) tương ứng của các đầu cuối và cập nhật lại cho các đầu cuối bằng giao thức báo hiệu
nào đó (SIP, H.248/MEGACO,..). Sau đó, các đầu cuối có thể gửi/nhận các tín hiệu thoại
đến/từ đối tác trong các gói tin IP bằng một giao thức truyền tải thoại nào đó (RTP,…).
Hiện nay, các giao thức điều khiển khác ngoài giao thức SIP đã không còn đươc dủng
rộng rãi và các thiết bị cũng chủ yếu là dùng giao thức SIP. Do vậy, bài thực hành này sẽ lấy
giao thức SIP để mô tả hoạt động của một cuộc gọi cơ bản.
PTIT
96
c. Dịch vụ IPTV
IPTV (Internet Protocol TV) - là mạng truyền hình sử dụng cơ sở hạ tầng truyền tải IP.
Người dùng có thể thông qua máy vi tính PC hoặc máy thu hình phổ thông kết hợp với hộp
phối ghép – Set-top-box (STB) để sử dụng dịch vụ IPTV.
IPTV bao gồm 3 dịch vụ chính là Truyền hình quảng bá - Broadcast TV (BTV), Truyền
hình theo yêu cầu – Video on Demand (VoD) và nhóm dịch vụ tương tác như truyền thanh
(Broadcast Radio), trò chơi trực tuyến (Game Online), Thông tin (Information), các dịch vụ
chia sẻ đa phương tiện (Media Sharing), dịch vụ lưu trữ (usage data), dịch vụ quảng cáo…
Hiện nay trên mạng có 1 số nhà cung cấp dịch vụ IPTV như VNPT (MyTV), Viettel
(NetTV), FPT (iTV), VTC…
IPTV có thể truyển khai trên mạng viễn thông IP cũng như trên mạng truyền hình cáp
HFC.
Cấu trúc mạng cung cấp IPTV:
Mang IPDSLAM
ADSL ModemSTB
Mạng cung cấp Nội dung
BTV ServerVoD Server
DHCP ServerEPG Server
L2SWSTB FTTx Router
Hình 3. 11: Cấu trúc mạng cung cấp dịch vụ IPTV
Cấu trúc gồm:
- Mạng truy nhập phía người dùng sử dụng các thiết bị như Modem (ADSL hoặc
FTTx), Set-top-box (STB).
- Mạng truyền tải IP: Đối với các kênh truyền hình quảng bá (BTV) trên mạng này sẽ
sử dụng kỹ thuật định tuyến Multicast để cấp phát nội dung từ nguồn (source) đến
các ngưới dùng IPTV (đích) để việc sử dụng tài nguyên mạng truyền tải hiệu quả.
Đối với dịch vụ VoD thì một kết nối Điểm-Điểm sẽ được thiết lập giữa người sử
dụng và nguồn phát nội dung.
- Mạng cung cấp nội dung: Phần mạng này bao gồm chức năng thu thập nội dung
thông tin, lưu trữ và phát các nội dung này đến thuê bao. Nguồn nội dung được mã
hóa trước khi cung cấp tới các người dùng đầu cuối.
Để dịch vụ MyTV có thể hoạt động cần phải trải qua các bước sau đây:
- STB nhận được IP chính xác từ DHCP Server trong mạng cung cấp nội dung.
PTIT
97
- Sau khi nhận được địa chỉ IP chính xác STB xác thực thành công với EPG Server
(Electronic Program Guides) trong mạng cung cấp nội dung. Sau STB xác thực
thành công, dịch vụ MyTV được sử dụng bình thường.
d. Dịch vụ VPN
VPN (virtual private network) là công nghệ xây dựng hệ thống mạng riêng ảo nhằm đáp
ứng nhu cầu chia sẻ thông tin, truy cập từ xa và tiết kiệm chi phí.
VPN cho phép các máy tính truyền thông với nhau thông qua một môi trường chia sẻ
như mạng Internet nhưng vẫn đảm bảo được tính riêng tư và bảo mật dữ liệu. Để cung cấp kết
nối giữa các máy tính, các gói thông tin được bao bọc bằng một header có chứa những thông
tin định tuyến, cho phép dữ liệu có thể gửi từ máy truyền qua môi trường mạng chia sẻ và đến
được máy nhận, như truyền trên các đường ống riêng được gọi là tunnel. Để bảo đảm tính
riêng tư và bảo mật trên môi trường chia sẻ này, các gói tin được mã hoá và chỉ có thể giải mã
với những khóa thích hợp, ngăn ngừa trường hợp "trộm" gói tin trên đường truyền.
Các trường hợp VPN :
- Remote Access: Đáp ứng nhu cầu truy cập dữ liệu và ứng dụng cho người dùng ở
xa, bên ngoài công ty thông qua Internet. Ví dụ khi người dùng muốn truy cập vào
cơ sở dữ liệu hay các file server, gửi nhận email từ các mail server nội bộ của công
ty
- Site To Site: Áp dụng cho các tổ chức có nhiều văn phòng chi nhánh, giữa các văn
phòng cần trao đổi dữ liệu với nhau. Ví dụ một công ty đa quốc gia có nhu cầu chia
sẻ thông tin giữa các chi nhánh đặt tại Singapore và Việt Nam, có thể xây dựng một
hệ thống VPN Site-to-Site kết nối hai site Việt Nam và Singapore tạo một đường
truyền riêng trên mạng Internet phục vụ quá trình truyền thông an toàn, hiệu quả.
3.4 Hạ tầng truyền thông di động
3.4.1 Tổng quan về mạng di động
Mạng di động là mạng vô tuyến được phân bố có cấu trúc dạng ô (cell) trên mặt đất. Tại
mỗi ô có các trạm thu phát tín hiệu gọi là các BTS hoặc NodeB. Trong mạng di động, các cell
cạnh nhau dùng bộ tần số khác nhau để đảm bảo không bị ảnh hưởng băng thông bên trong
mỗi cell.
PTIT
98
3.4.1.1 Lịch sử phát triển của di động
Hình 3. 12: Lịch sử phát triển mạng di động
- AMPS: Advanced Mobile Phone Service- Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến
- NAMPS: Narrow AMPS – AMPS băng hẹp
- TACS : Total Access Communiction System -Hệ thống thông tin truy nhập đầy đủ
- ETACS: TACS mở rộng
- NMT450: Nordic Mobile Telephone 450- Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu tần
số 450MHz
- NMT900: Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu tần số 900MHz
- NTT: Nippon Telegraph and Telephone – Hệ thống do NTT phát triển
- JTACS: Japanese TACS
- NTACS: Narrow TACS
- Các hệ thống thông tin di động thế hệ hai bao gồm:
- IS-54B TDMA
- IS -136 TDMA
- IS-95 CDMA
- GSM : Global System for Mobile Communications – Hệ thống thông tin di động
toàn cầu
- .....
3.4.1.2 Phân loại
Mạng thông tin di động 1G: Là mạng thông tin di động không dây cơ bản đầu tiên trên
thế giới. Nó là hệ thống giao tiếp thông tin qua kết nối tín hiệu analog được giới thiệu lần đầu
tiên vào những năm đầu thập niên 80s. Nó sử dụng các ăng-ten thu phát sóng gắn ngoài, kết
PTIT
99
nối theo tín hiệu analog tới các trạm thu phát sóng và nhận tín hiệu xử lý thoại thông qua các
module gắn trong máy di động. Chính vì thế mà các thế hệ máy di động đầu tiên trên thế giới
có kích thước khá to và cồng kềnh do tích hợp cùng lúc 2 module thu tín hiện và phát tín hiệu.
Mặc dù là thế hệ mạng di động đầu tiên với tần số chỉ từ 150MHz nhưng mạng 1G cũng phân
ra khá nhiều chuẩn kết nối theo từng phân vùng riêng trên thế giới: NMT (Nordic Mobile
Telephone) là chuẩn dành cho các nước Bắc Âu và Nga; AMPS (Advanced Mobile Phone
System) tại Hoa Kỳ; TACS (Total Access Communications System) tại Anh; JTAGS tại
Nhật; C-Netz tại Tây Đức; Radiocom 2000 tại Pháp; RTMI tại Ý.
Mạng thông tin di động 2G: Là thế hệ kết nối thông tin di động mang tính cải cách
cũng như khác hoàn toàn so với thế hệ đầu tiên. Nó sử dụng các tín hiệu kỹ thuật số thay cho
tín hiệu analog của thế hệ 1G và được áp dụng lần đầu tiên tại Phần Lan bởi Radiolinja (hiện
là nhà cung cấp mạng con của tập đoàn Elisa Oyj) trong năm 1991. Mạng 2G mang tới cho
người sử dụng di động 3 lợi ích tiến bộ trong suốt một thời gian dài: mã hoá dữ liệu theo dạng
kỹ thuật số, phạm vi kết nối rộng hơn 1G và đặc biệt là sự xuất hiện của tin nhắn dạng văn
bản đơn giản – SMS. Theo đó, các tin hiệu thoại khi được thu nhận sẽ đuợc mã hoá thành tín
hiệu kỹ thuật số dưới nhiều dạng mã hiệu (codecs), cho phép nhiều gói mã thoại được lưu
chuyển trên cùng một băng thông, tiết kiệm thời gian và chi phí. Song song đó, tín hiệu kỹ
thuật số truyền nhận trong thế hệ 2G tạo ra nguồn năng lượng sóng nhẹ hơn và sử dụng các
chip thu phát nhỏ hơn, tiết kiệm diện tích bên trong thiết bị hơn... Mạng 2G chia làm 2 nhánh
chính: nền TDMA (Time Division Multiple Access) và nền CDMA cùng nhiều dạng kết nối
mạng tuỳ theo yêu cầu sử dụng từ thiết bị cũng như hạ tầng từng phân vùng quốc gia.
Mạng thông tin di động 2,5G: Là thế hệ kết nối thông tin di động bản lề giữa 2G và
3G. Chữ số 2.5G chính là biểu tượng cho việc mạng 2G được trang bị hệ thống chuyển mạch
gói bên cạnh hệ thống chuyển mạch theo kênh truyền thống. Mạng 2.5G cung cấp một số lợi
ích tương tự mạng 3G và có thể dùng cơ sở hạ tầng có sẵn của các nhà mạng 2G trong các
mạng GSM và CDMA. Và tiến bộ duy nhất chính là GPRS - công nghệ kết nối trực tuyến, lưu
chuyển dữ liệu được dùng bởi các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông GSM. Bên cạnh đó, một
vài giao thức, chẳng hạn như EDGE cho GSM và CDMA2000 1x-RTT cho CDMA, có thể
đạt được chất lượng gần như các dịch vụ cơ bản 3G (bởi vì chúng dùng một tốc độ truyền dữ
liệu chung là 144 kbit/s), nhưng vẫn được xem như là dịch vụ 2.5G (hoặc là nghe có vẻ phức
tạp hơn là 2.75G) bởi vì nó chậm hơn vài lần so với dịch vụ 3G thực sự.
EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution), hay còn gọi là EGPRS, là một công
nghệ di động được nâng cấp từ GPRS - cho phép truyền dự liệu với tốc độ có thể lên đến 384
kbit/s dành cho người dùng cố định hoặc di chuyển chậm, 144kbit/s cho người dùng di
chuyển với tốc độ cao. Trên đường tiến đến 3G, EDGE được biết đến như là công nghệ
2.75G. Thực tế bên cạnh điều chế GMSK, EDGE dùng phương thức điều chế 8-PSK để tăng
tốc độ dữ liệu truyền. Chính vì thế, để triển khai EDGE, các nhà cung cấp mạng phải thay đổi
trạm phát sóng BTS cũng như là thiết bị di động so với mạng GPRS
Mạng thông tin di động 3G: Là thế hệ truyền thông di động thứ ba, tiên tiến hơn hẳn
các thế hệ trước đó. Nó cho phép người dùng di động truyền tải cả dữ liệu thoại và dữ liệu
ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh, âm thanh, video clips... Công
PTIT
100
nghệ 3G cũng được nhắc đến như là một chuẩn IMT-2000 của Tổ chức Viễn thông Thế giới
(ITU). Ban đầu 3G được dự kiến là một chuẩn thống nhất trên thế giới, nhưng trên thực tế, thế
giới 3G đã bị chia thành 4 phần riêng biệt:
- UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), dựa trên công nghệ truy cập
vô tuyến W-CDMA, là giải pháp nói chung thích hợp với các nhà khai thác dịch vụ
di động (Mobile network operator) sử dung GSM, tập trung chủ yếu ở châu Âu và
một phần châu Á (trong đó có Việt Nam). UMTS được tiêu chuẩn hóa bởi tổ chức
3GPP, cũng là tổ chức chịu trách nhiệm định nghĩa chuẩn cho GSM, GPRS và
EDGE.
- CDMA 2000:Là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95. Các đề xuất của
CDMA2000 được đưa ra bàn thảo và áp dụng bên ngoài khuôn khổ GSM tại Mỹ,
Nhật Bản và Hàn Quốc. CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2 – một tổ chức độc lập
với 3GPP. Và đã có nhiều công nghệ truyền thông khác nhau được sử dụng trong
CDMA2000 bao gồm 1xRTT, CDMA2000-1xEV-DO và 1xEV-DV.CDMA 2000
cung cấp tốc độ dữ liêu từ 144 kbit/s tới trên 3 Mbit/s. Chuẩn này đã được chấp nhận
bởi ITU. Người ta cho rằng sự ra đời thành công nhất của mạng CDMA-2000 là tại
KDDI của Nhận Bản, dưới thương hiệu AU với hơn 20 triệu thuê bao 3G. Kể từ năm
2003, KDDI đã nâng cấp từ mạng CDMA2000-1x lên mạng CDMA2000-1xEV-DO
với tốc độ dữ liệu tới 2.4 Mbit/s. Năm 2006, AU nâng cấp mạng lên tốc độ 3.6
Mbit/s. SK Telecom của Hàn Quốc đã đưa ra dịch vụ CDMA2000-1x đầu tiên năm
2000, và sau đó là mạng 1xEV-DO vào tháng 2 năm 2002.
- TD-SCDMA: Chuẩn được ít được biết đến hơn là TD-SCDMA, được phát triển
riêng tại Trung Quốc bởi công ty Datang và Siemens.
- Wideband CDMA: Hỗ trợ tốc độ giữa 384 kbit/s và 2 Mbit/s. Giao thức này được
dùng trong một mạng diện rộng WAN, tốc độ tối đa là 384 kbit/s. Khi nó dùng trong
một mạng cục bộ LAN, tốc độ tối đa chỉ là 1,8 Mbit/s. Chuẩn này cũng được công
nhận bởi ITU
Mạng thông tin di động 3.5G: là hệ thống mạng di động truyền tải tốc độ cao HSDPA
(High Speed Downlink Packet Access), phát triển từ 3G và hiện đang được 166 nhà mạng tại
75 nước đưa vào cung cấp cho người dùng. Nó đuợc kết hợp từ 2 công nghệ kết nối không
dây hiện đại HSPA và HSUPA, cho phép tốc độ truyền dẫn lên đến 7.2Mbp/s
Mạng thông tin di động 4G: là công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ tư, cho
phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 - 1,5 Gbit/s. Công
nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây. Các nghiên cứu đầu tiên của
NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbit/s khi di
chuyển và tới 1 Gbit/s khi đứng yên, cũng như cho phép người sử dụng có thể tải và truyền
lên các hình ảnh, video clips chất lượng cao. Mạng điện thoại 3G hiện tại của DoCoMo có tốc
độ tải là 384 Kbit/s và truyền dữ liệu lên với tốc độ 129 Kbit/s. NTT DoCoMo cũng hy vọng
trong vòng 2010 - 2012 sẽ có thể đưa mạng 4G vào kinh doanh. Và trong tương lai, mạng di
động LTE Advance, WiMax (nhánh khác của 4G)… sẽ là những thế hệ tiến bộ hơn nữa, cho
phép người dùng truyền tải các dữ liệu HD, xem tivi tốc độ cao, trải nghệm web tiên tiến hơn
cũng như mang lại cho người dùng nhiều tiện lợi hơn nữa từ chính chiếc di động của mình
PTIT
101
3.4.2 Một số cấu trúc mạng di động điển hình
3.4.2.1 Mạng di động 2G
BTS
BTS
BSC
Gateway
MSC
PSTN/ISDN
Internet
MS
S
HLR
VLR
BTS
BSC
MSC
PDSN
Hình 3. 13: Mạng thông tin di động tế bào
Trong đó:
- Thiết bị đầu cuối di động MS (máy điện thoại di động): là thiết bị đầu cuối của
người sử dụng; thiết bị này gọn, nhẹ, dễ sử dụng và có nhiều tính năng hỗ trợ khách
hàng. Mỗi thiết bị đầu cuối đều có một số máy riêng biệt và thông tin về thuê bao
được ghi trong vi mạch SIM. Tùy theo loại máy đầu cuối mà khả năng thu phát tín
hiệu có mạnh yếu khác nhau khi thuê bao ở gần ngoài vùng phủ sóng.
- Trạm thu phát BTS: thực hiện việc thu phát thông tin giữa thiết bị đầu cuối và đấu
nối với tổng đài chuyển mạch trung tâm (thông tin vô tuyến) để truyền đi những
thông tin liên quan đến thiết bị đầu cuối tới trung tâm chuyển mạch di động (MSC).
Mỗi trạm BTS sẽ phủ sóng trên một vùng địa lý nhất định và có khả năng phục vụ
một số lượng thuê bao xác định; vì vậy đôi khi có quá nhiều thuê bao MS cùng tập
trung trong vùng phủ sóng của một trạm BTS sẽ xảy ra hiện tượng nghẽn mạch
(trong khu vực triển lãm, sân bóng đá, trung tâm hội nghị lớn ...); mỗi vùng phủ
sóng như vậy được gọi là một tế bào. Mạng thông tin di động bao gồm nhiều trạm
BTS có thể phủ sóng trong một khu vực rộng lớn. Khi thuê bao di động ra khỏi vùng
phủ sóng, trạm BTS và thuê bao đó sẽ không kết nối được với nhau.
- Tổng đài chuyển mạch trung tâm MSC: thực hiện các công việc liên quan đến thiết
lập/giải phóng cuộc gọi, quản lý thuê bao, đấu nối với các mạng khác để thực hiện
các cuộc gọi liên mạng. MSC quản lý các BTS và được trang bị các cơ sở dữ liệu
cho phép nhanh chóng cập nhật các thông tin về thuê bao, vị trí thuê bao để có các
đáp ứng phù hợp.
PTIT
102
- Tổng đài chuyển mạch cửa ngõ *GMSC: kết nối với các mạng khác như mạng điện
thoại cố định hay mạng Internet. GMSC thực hiện điều khiển các cuộc gọi từ mạng
di động vào mạng cố định và ngược lại.
- Bộ đăng ký định vị thuê bao nhà HLR: là một cơ sở dữ liệu cơ bản lưu giữ các thông
tin lâu dài về thuê bao như địa chỉ, các quyền của thuê bao và các thông tin tham
khảo khác.
- Bộ đăng ký định vị thuê bao khách VLR: là một cơ sở dữ liệu của MSC lưu giữ các
thông tin tạm thời về thuê bao như vị trí hiện tại của thuê bao ...
3.4.2.2 Mạng di động 3G
Mạng di động 3G có nhiều phiên bản, tuy nhiên đặc điểm chung của mạng 3G là tách
dần phần thoại và phần dữ liệu. So với mạng 2G các hệ thống thay đổi một vài phần tử như
BTS được thay bằng Node B, BSC thay bằng RNC, MSC thay bằng SGSN và có thêm phần
tử GGSN.
Hình 3. 14: Cấu trúc mạng di động 3G
3.4.2.3 Mạng di động 4G
Các công nghệ mạng di động được cho là thuộc mạng thế hệ thứ 4 (4G) hiện vẫn còn
chưa ngã ngũ, tuy vậy, một số công nghệ được coi là thuộc vào thế hệ này bao gồm: HSPA+,
LTE, LTE-Advanced, WiMAX Rel 1 (IEEE 802.16e),WiMAX Rel 1.5 (IEEE 802.16e-2009),
WiMAX Rel 2 (IEEE 802.16m). Trong đó, LTE-Advanced và WiMAX Rel 2
(WirelessMAN-Advanced hay 802.16m) thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống
IMT-Advanced do ITU đưa ra. Chính ITU đã từng công bố những công nghệ nào phù hợp với
những tiêu chuẩn về IMT-Advanced mới thuộc thế hệ mạng 4G, tuy nhiên gặp phải những
tranh cãi về tên thương mại 4G với các nhà mạng nên ITU cũng đã coi các mạng
LTE,WiMAX Rel 1 và các mạng 3G cải tiến là các mạng 4G.
Ý tưởng về hệ thống mạng 4G được DARPA (một đơn vị chuyên nghiên cứu về công
nghệ phục vụ cho quân đội của Bộ quốc phòng Hoa Kỳ) đưa ra nhằm xây dựng một mạng
ngang hàng, trong đó mỗi thiết bị mobile vừa là một thiết bị thu phát, đồng thời là một router
cho các thiết bị khác trong mạng. Khác với các mạng 2.5G và 3G cần có đồng thời các node
* Cửa ngõ (Gateway): Còn được gọi là cổng, ở vị trí biên mạng.
PTIT
103
chuyển mạch kênh và chuyển mạnh gói, trong hệ thống mạng 4G chỉ sử dụng chuyển mạch
gói, điều này có nghĩa là các cuộc gọi thoại truyền thống sẽ được thay thế bởi công nghệ thoại
trên IP.
Kiến trúc cơ bản của mạng LTE được mô tả như hình dưới đây, trong đó phần mạng lõi
EPC chịu trách nhiệm điều khiển toàn bộ các UE và thiết lập các bearer.
Hình 3. 15: Cấu trúc mạng di động 4G LTE
Các node logic chính của mạng lõi gồm :
- Thực thể quản lý di động MME: Nó điều khiển nút xử lý báo hiệu giữa UE và mạng
lői. Giao thức chạy giữa UE và EPC được gọi là giao thức không truy nhập (NAS).
Các chức năng quản lý bearer bao gồm thiết lập, duy trì và giải phóng các bearer,
được thực hiện bởi lớp quản lý phiên trong giao thức NAS. Các chức năng quản lý
kết nối bao gồm thiết lập kết nối và bảo mật giữa mạng và UE. Mỗi MME được cấu
hình để điều khiển một tập hợp các S-GW và eNodeB. Cả hai S-GW và eNodeB
cũng có thể được kết nối tới các MME khác. Các MME có thể phục vụ một số UE
cùng một lúc, trong khi mỗi UE sẽ chỉ kết nối tới một MME tại một thời điểm.
- Cổng dịch vụ S-GW: Tất cả các gói IP người dùng đều phải đi qua S-GW, nó đóng
vai trò như một điểm neo di động cho các bearer khi UE di động giữa các eNodeB.
Nó lưu giữ thông tin về các bearer khi UE ở trạng thái rỗi gọi là ECM_IDLE và tạm
thời lưu đệm dữ liệu đường xuống khi MME thực hiện tìm gọi UE để thiết lập
bearer. Thêm vào đó, S-GW thực hiện một vài chức năng quản trị trong mạng khách
như thu nhập thông tin để tính cước.
- Cổng mạng dữ liệu gói (P – GW hay PDN – GW): Cổng mạng dữ liệu gói là tuyến
biên giữa EPS và các mạng dữ liệu gói bên ngoài. Nó là nút cuối di động mức cao
nhất trong hệ thống. Nó chịu trách nhiệm cấp phát địa chỉ IP cho các UE, cũng như
gán QoS và tính cước dựa trên luồng tùy theo các quy tắc đặt ra trong PCRF. P –
GW lọc các gói IP người dùng đường xuống vào các chính sách QoS khác nhau dựa
vào bearer. Nó cũng đóng vai trò như một điểm neo di động cho tương tác với các
công nghệ ngoài 3GPP như CDMA2000 hay WiMax.
Ngoài ra, EPC còn bao gồm một số nút chức năng như:
PTIT
104
- Máy chủ thuê bao thường trú HSS:HSS đóng vai trò như HLR trong GSM, lưu trữ
thông tin thuê bao như QoS và các hạn chế truy nhập, đồng thời cũng giữ các thông
tin về các PDN hoặc MME mà thuê bao kết nối tới. HSS có thể bao gồm cả Trung
tâm nhận thực (AuC) mà khởi tạo các vector nhận thực và các khóa bảo mật.
- Chức năng điều khiển chính sách và các quy tắc tính cước PCRF: Cung cấp nhận
dạng QoS (phân lớp và tốc độ bit), quyết định việc luồng dữ liệu sẽ được xử lý như
thế nào theo những quy tắc đã đặt ra trong PCRF và phù hợp với thông tin đăng ký
của thuê bao.
3.4.3 Các dịch vụ mạng di động
3.4.3.1 Dịch vụ SMS
Dịch vụ SMS là một trong 2 dịch vụ cơ bản trên mạng di động bên cạnh dịch vụ thoại.
Dịch vụ này cho phép gửi tin nhắn tối đa 160 kí tự giữa các thuê bao di động với nhau và giữa
thuê bao di động với các ứng dụng gia tăng trên SMS khác (voting, tra cứu thông tin ...).
Dịch vụ SMS có bắt đầu từ mạng di động 2G. Đối với mạng GSM, dịch vụ này sử dụng
báo hiệu MAP, còn trên mạng CDMA sử dụng báo hiệu ANSI-41.
Dịch vụ SMS giữa các MS gọi là dịch vụ SMS cơ bản. Dịch vụ gửi nhận tin nhắn giữa
MS và các ứng dụng gọi là dịch vụ SMS gia tăng.
Hiện nay dịch vụ SMS cơ bản cũng như dịch vụ SMS gia tăng đang là dịch vụ mang lại
doanh thu lớn cho nhà khai thác di động cũng như các nhà cung cấp nội dung (Content
Provider - CP). Dịch vụ này cũng tạo ra nhiều tiện ích cho người dùng. Hiện nay ở VN có
hàng trăm CP sử dụng dịch vụ SMS này.
Các thực thể mạng di động liên quan đến cung cấp dịch vụ SMS bao gồm: HLR, MSC,
SMSC, APP server, MS.
SMSC MSC MS
HLR/VLR
APP
server
MAP
SMPP
Hình 3. 16: Các thực thể liên quan đến dịch vụ SMS
Trong đó:
- SMSC là nơi lưu trữ, lập lịch, chuyển tiếp bản tin SMS và tính cước
- HLR là nơi lưu trữ thông tin về vị trí của MS thông qua Point-code của MSC mà
thuê bao đích đang thuộc về
- MSC là thực thể trực tiếp phát bản tin SMS (do SMSC gửi đến) tới MS
- APP server là các server ứng dụng gia tăng trên nền SMS
PTIT
105
3.4.3.2 Dịch vụ MMS
Dịch vụ MMS bắt đầu từ thế hệ mạng di động 2,5G (GPRS), là dịch vụ được phát triển
dựa trên kênh số liệu, cho phép các thuê bao di động trao đổi các bản tin đa phương tiện bao
gồm văn bản, âm thanh, hình ảnh, video.
Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện là một bước thay đổi rất lớn trong công nghệ nhắn tin,
do với dịch vụ SMS vốn giới hạn ở 160 kí tự trước đây. Dịch vụ MMS hỗ trợ các dạng bản tin
khác nhau từ chỗ các bản tin ngắn có độ dài hữu hạn của SMS đến các bản tin đa phương tiện
bao gồm cả hình ảnh, âm thanh.
Cấu trúc mô tả bản tin MMS có dạng MIME như bên dưới:
Hình 3. 17: Đóng gói bản tin MMS
MMS không chỉ đơn thuần là cung cấp dịch vụ nhắn tin, nó còn là dịch vụ nền tảng cho
việc phát triển các dịch vụ giá trị gia tăng đem lại doanh thu lớn đối với các nhà khai thác
như: dịch vụ quảng cáo sinh động trên mạng di động, dịch vụ tìm đường thông minh,
Download Game, Video On Demand, Liver Score …
3.4.3.3 Dịch vụ Mobile Internet
Mobile Internet là dịch vụ giúp khách hàng truy cập Internet trực tiếp từ điện thoại di
động ở bất cứ nơi nào có sóng di động. Thông qua mạng di động, chúng ta có thể sử dụng
những dịch vụ của Internet như:
- Đọc tin tức trên các báo điện tử như : vnexpress.net, dantri.com.vn
- Tìm kiếm thông tin trên mạng Internet: google.com,..
- Giải trí: Nghe và tải nhạc trên các trang cung cấp nhạc như Zing, Mp3, xem phim
hay các video clip trên YouTube; Tải và chơi game.
- Kết nối bạn bè: Facebook, Twitter…
- Email&Chat: Nhận và gửi email trên YahooMail, Gmail hay chat với bạn bè trên
Yahoo, Ola chat..
PTIT
106
- Và rất nhiều những tiện ích khác.
Để sử dụng được dịch vụ này yêu cầu thiết bị điện thoại của khách hàng phải có tính
năng hỗ trợ như:
- Hỗ trợ công nghệ 2G(GPRS),2.5G(EDGE), 3G(HSPDA)
- Cài đặt thành công cấu hình GPRS. Các nhà cung cấp dịch vụ đều hỗ trợ việc cấu
hình này bằng các file hướng dẫn hoặc các cấu hình sẵn, chỉ cần gửi tin nhắn là sẽ tự
động cấu hình.
- Đăng ký gói cước tương ứng với nhu cầu sử dụng.
3.5 Hạ tầng truyền thông truyền hình
3.5.1 Tổng quan về truyền hình
3.5.1.1 Lịch sử phát triển truyền hình
- Năm 1911, Boris Rosing và học trò của ông Vladimir Kosma Zworykin thành công
trong việc tạo ra hệ thống tivi sử dụng bộ phân hình gương để phát hình, theo
Zworykin, "các hình rất thô" qua các dây tới ống điện tử Braun (ống cathode- ống
thu điện tử ) trong đầu nhận.
- Năm 1920, hai nhà khoa học Mỹ Charles Francis Jenkins và nhà khoa học Anh John
Logie Baird đã tạo ra vật mẫu thành công đầu tiên của chiếc TV.
- Năm 1927, một người Mỹ trẻ tuổi là Philo Taylor Farnsworth đã phát triển thành
công phiên bản thương mại ống tia nhằm phát tín hiệu truyền hình điện tử và đây là
bước đột phá trong nghệ truyền hình của nhân loại.
- Năm 1930, một vài tiêu chuẩn của công nghệ TV cùng xuất hiện và cạnh tranh để
thống trị thị trường non trẻ này. Một trong những sản phẩm chiếm ưu thế là chiếc
EMI-Marconi.
- Năm 1950 có thể chạy 25 khung hình trên một giây và khá phổ biến tại Anh. Một
tiêu chuẩn TV khác có thể chạy 30 khung hình trên giây và chủ yếu phát triển tại
Mỹ. Chiếc TV thương mại thành công đầu tiên bắt đầu xuất hiện tại các showroom ở
Mỹ vào đầu những năm 1950, Nỗ lực phát triển TV màu xuất hiện từ đầu những
năm 1950 và chiếc đầu tiên được hãng RCA giới thiệu năm 1954. Nhưng phải đến
những năm 1960 việc bán các TV màu mới bắt đầu sinh lợi.
- Tới năm 1974 thì TV màu đã trở thành biểu tượng cho các gia đình giàu có tại Mỹ.
- Năm 1959, hãng Philco đưa vào thị trường chiếc TV chỉ có màn hình rộng 2 inch và
có thể thu cả sóng radio.
- Năm 1980, ngành truyền hình Mỹ do 3 mạng lưới chính thống trị, trong khi khán giả
tại các nước châu Âu và châu Á bị giới hạn trong các lựa chọn chương trình.
- Ngày 17 tháng 2 năm 2009, các Đài truyền hình Mỹ phát sóng duy nhất chỉ những
tín hiệu số hoá, kết thúc các hoạt động của hệ thống truyền hình tương tự được sử
dụng tại Hoa Kỳ suốt 55 năm qua. 12/6/2009 Mỹ phát sóng truyền hình Digital trên
toàn quốc.
- Năm 2000, Nhật Bản phát sóng các chương trình HDTV đầu tiên.
PTIT
107
3.5.1.2 Phân loại:
Như đã trình bày việc phân loại truyền hình có thể chia như sau:
- Theo công nghệ truyền tải:
o Truyền hình vô tuyến: vệ tinh , mặt đất
o Truyền hình hữu tuyến: truyền hình cáp
- Theo thương mại:
o Truyền hình công cộng: Phát miễn phí các kênh tin tức, thời sự, ....
o Truyền hình trả tiền: Thu phí các chương trình
- Theo mục đích nội dung:
o Truyền hình giáo dục: Cung cấp kiến thức văn hóa, kỹ thuật,...
o Truyền hình giải trí: Ca nhạc, phim truyện,....
- Theo kỹ thuật:
o Truyền hình tương tự
o Truyền hình số
3.5.2 Cấu trúc mạng truyền hình cáp
Hệ thống truyền hình cáp (CATV) xuất hiện vào những năm cuối của thập niên 40 như
đã giới thiệu ở phần lịch sử. Mục tiêu ban đầu của truyền hình cáp là phân phối các chương
trình quảng báo tới những khu vực do các điều kiện khó khăn về địa hình không thể thu được
bằng các anten thông thường, gọi là vùng lõm sóng. Truyền hình cáp sử dung các kênh truyền
nằm trong phạm vi dải thông ở cận dưới băng UHF. Các kênh truyền hình cáp được chia
thành các băng VHF thấp, VHF giữa và VHF cao và siêu băng (SuperBand).
3.5.2.1 Truyền hình cáp hữu tuyến
Là hệ thống mà tín hiệu truyền hình được dẫn thẳng từ trung tâm chương trình đến hộ
dân bằng một sợi cáp (đồng trục, cáp quang hoặc cáp xoắn). Nhờ đó người dân có thể được
xem các chương trình truyền hình chất lượng cao mà không phải sử dụng các cột anten. Về
góc độ kỹ thuật truyền hình cáp hữu tuyến có những ưu điểm vượt trội so với các hệ thống
truyền hình khác.
Ít chịu ảnh hưởng của nhiễu công nghiệp: Tín hiệu truyền hình cáp hữu tuyến được dẫn
thẳng đến thuê bao qua các sợi cáp quang hoặc cáp đồng trục. Các sợi cáp này có khả năng
chống nhiễu công nghiệp cao hơn gấp nhiều lần so với tín hiệu vô tuyến, vì thế sẽ hạn chế tối
đa nhiễu công nghiệp, đảm bảo chất lượng cho tín hiệu.
Không bị ảnh hưởng của thời tiết: Các chương trình truyền hình cáp sẽ không chịu ảnh
hưởng của thời tiết do khả năng cách lý và chống nhiễu tốt của cáp.
Không chiếm dụng phổ tần số vô tuyến: Là môt mạng thông tin hữu tuyến riêng biệt,
mạng truyền hình cáp được xây dựng sẽ cho phép cung cấp hàng chục chương trình truyền
hình mà không chiếm dụng cũng như ảnh hưởng đến phổ tần số vô tuyến đã chật chội, điều
này càng trở nên quý giá khi càng ngày các đài phát thanh truyền hình mặt đất càng tăng số
lượng chương trình phát sóng.
PTIT
108
Không gây can nhiễu cho các trạm phát sóng nghiệp vụ khác: Các tín hiệu truyền trên
các sợi cáp được cách ly và chống nhiễu tốt sẽ không gây ra nhiễu vô tuyến cho các trạm vô
tuyến khác.
Có khả năng cung cấp tốt dịch vụ truyền hình số và các dịch vụ hai chiều khác: Dải
thông lớn của mạng truyền hình cáp hữu tuyến sẽ cho phép không chỉ cung cấp các dịch vụ
truyền hình tương tự mà còn cho phép cung cấp nhiều các chương trình truyền hình số, truyền
hình tương tác và đặc biệt là khả năng cung cấp dịch vụ viễn thông hai chiều, truy cập
Internet, truyền số liệu tốc độ cao mà một mạng viễn thông.
Một ưu điểm nữa của hệ thống truyền hình cáp là có thể sử dụng các kênh kề nhau để
truyền tín hiệu trong tất cả các phạm vi mà không xuất hiện hiện tượng nhiễu đồng kênh. Tuy
nhiên, các tín hiệu phải được điều khiển ở độ tuyến tính cao nhằm tránh hiện tượng điều biến
tương hỗ.
Sơ đồ khối tổng quát
Hình 3. 18: Sơ đồ khối tổng quát mạng truyền hình cáp
Mạng truyền hình cáp bao gồm 3 thành phần chính: Hệ thống thiết bị tại trung tâm, hệ
thống mạng phân phối tín hiệu và thiết bị thuê bao.
Hệ thống thiết bị trung tâm (Headend System) là nơi cung cấp, quản lý chương trình cho
hệ thống mạng truyền hình cáp. Đây cũng chính là nơi thu thập các thông tin giám sát trạng
thái, kiểm tra hoạt động mạng và cung cấp các tín hiệu điều khiển mạng. Với các hệ thống
hiện tại có khả năng cung cấp các dịch vụ tương tác, truyền số liệu, hệ thông thiết bị trung tâm
còn có thêm các nhiệm vụ như : Mã hóa tín hiệu, quản lý truy nhập, tính cước truy nhập, giao
tiếp với các hệ thống mạng viễn thông như mạng Internet,...
Mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp là môi trường truyền dẫn tín hiệu từ trung tâm
mạng đến các thuê bao. Tùy theo đặc trưng của mỗi hệ thống truyền hình cáp, môi trường
truyền dẫn tín hiệu sẽ thay đổi: với hệ thống truyền hình cáp vô tuyến như MMDS, môi
trường truyền dẫn sẽ là sóng vô tuyến, còn đối với hệ thống truyền hình cáp hữu tuyến môi
trường truyền dẫn sẽ là các hệ thống cáp hữu tuyến( cáp quang, cáp đồng, cáp xoắn,...). Mạng
phân phối tín hiệu truyền hình cáp hữu tuyến có nhiệm vụ nhận tín hiệu ra từ các thiết bị trung
tâm, điều chế, khuếch đại và truyền vào mạng cáp, các thiết bị khác trong mạng có nhiệm vụ
khuếch đại, cấp nguồn và phân phối tín hiệu truyền hình đến tận thiết bị thuê bao. Hệ thống
mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp là bộ phận quyết định đến chất lượng dịch vụ,
khoảng cách phục vụ, số lượng thuê bao và khả năng mở rộng và nâng cấp.
PTIT
109
Thiết bị tại thuê bao: Với một mạng truyền hình cáp sử dụng công nghệ tương tự, thiết
bị tại thuê bao có thể chỉ là một máy thu hình, thu tín hiệu từ mạng phân phối tín hiệu. Với
mạng truyền hình cáp sử dụng công nghệ hiện đại hơn, thiết bị thuê bao gồm các bộ chia tín
hiệu, các đầu thu tín hiệu truyền hình (set top box) và các modem. Các thiết bị này có nhiệm
vụ thu tín hiệu và đưa đến tivi và các máy tính để thuê bao sử dụng các dịch vụ của mạng như
: chương trình tivi, truy nhập Internet, truyền dữ liệu.
Phần này chủ yếu tập trung vào mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp còn các phần
khác tham khảo trên Internet.
Mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp hữu tuyến
a. Mạng toàn cáp đồng trục:
Hình 3. 19: Mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp đồng trục
Mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp đồng trục có cấu hình chủ yếu là hình cây như
hình 3.16. Các chương trình thu được từ vệ tinh hoặc viba tại headend. Headend thực hiện
nhiệm vụ :
- Thu các chương trình từ vệ tinh, các trạm vi ba, các mạng cáp hữu tuyến khác.
- Chuyển đổi từng kênh tần số RF mong muốn, thực hiện trộn kênh khi có yêu
cầu.
- Thực hiện ghép kênh (FDM) thành một kênh đơn tương tự băng rộng và phát
quản bá tới các thuê bao.
Hệ thống mạng truyền dẫn bao gồm các thân cáp chính (trunk), các nhánh cáp phụ rẽ ra
từ các thân cáp chính (feeder) và phần cáp kết nối từ cáp nhánh đến thuê bao hộ gia đình
(drop). Các thân cáp chính (trunk) truyền dẫn tín hiệu, khuếch đại và phân chia tín hiệu ra các
cáp nhánh (feeder) bằng các thiết bị chia tín hiệu (splitter). Tín hiệu đưa đến thuê bao được
PTIT
110
trích ra từ các cáp nhánh nhờ bộ trích tín hiệu (tap) và truyền đến thuê bao qua các cáp thuê
bao.
Trên đường đi của tín hiệu, các bộ khuếch đại tín hiệu được đặt ở các khoảng cách phù
hợp để khôi phục tín hiệu bị suy hao. Các bộ khuếch đại được cấp nguồn nhờ các bộ cấp
nguồn đặt rải rác trên đường đi của cáp, các bộ nguồn này lấy tín hiệu từ mạng điện sở tại.
Các bộ khuếch đại xa nguồn được cấp nguồn cũng chính bằng sợi cáp đồng trục dòng đến các
bộ khuếch đại, dòng một chiều sẽ được tách riêng để cấp nguồn cho bộ khuếch đại.
Vì tín hiệu suy hao tỷ lệ với khoảng cách truyền dẫn nên để cung cấp cho các thuê bao ở
xa thì cần phải khuếch đại tín hiệu ở mức cao, làm cho cả mức tín hiệu và méo đều lớn. Do
vậy, tại thuê bao ở gần Headend cần có một thiết bị thụ động để làm suy giảm bớt mức tín
hiệu gọi là Pad.
Các hệ thống cáp đồng trục cải thiện đáng kể chất lượng tín hiệu thu của TV, cấu trúc
mạng chủ yếu được dùng để truyền tín hiệu tương tự, các thiết bị mạng đơn giản, sẵn có, giá
thành thấp. Tuy nhiên, mạng toàn cáp đồng trục có một số nhược điểm sau:
- Các hệ thống thuần túy cáp trục không thể thỏa mãn các dịch vụ băng rộng tốc
độ cao.
- Do truyền dẫn tín hiệu bằng cáp đồng trục có suy hao rất lớn, dẫn đến cần phải
đặt nhiều bộ khuếch đại tín hiệu trên đường truyền, dẫn đến các chi phí khác
kèm theo: cấp nguồn cho bộ khuếch đại, công suất tiêu thụ của mạng tăng lên,...
dẫn đến chi phí cho mạng lớn.
- Do sử dụng các bộ khuếch đại tín hiệu để bù suy hao cáp, nhiễu đường truyền
tác động vào tín hiệu và nhiễu nội bộ của khuếch đại được loại bỏ không hết và
tích tụ trên đường truyền, nên càng xa trung tâm chất lượng tín hiệu càng giảm,
dẫn đến hạn chế bán kính phục vụ của mạng.
- Các hệ thống cáp đồng trục rất phức tạp khi thiết kế và vận hành hoạt động. Việc
giữ cho công suất cân bằng cho tất cả các thuê bao là vấn đề rất khó.
- Để giải quyết các nhược điểm trên, các nhà cung cấp cũng đi tới ý tưởng sử dụng
cáp quang thay cho cáp trung kế đồng trục. Toàn hệ thống sẽ có cả cáp quang và
cáp đồng trục gọi là mạng kết hợp cáp quang và cáp đồng trục (HFC –Hybrid
Fiber Coaxial)
b. Mạng kết hợp cáp quang và cáp đồng trục
Mạng HFC là mạng kết hợp cáp quang và cáp đồng trục, sử dụng đồng thời cáp quang
và cáp đồng trục để truyền và phân phối tín hiệu. Việc truyền tín hiệu từ trung tâm đến các
node quang là cáp quang, còn từ các node quang đến thuê bao là cáp đồng trục.
PTIT
111
Hình 3. 20: Sơ đồ mạng cáp quang kết hợp cáp đồng trục
Mạng truyền đẫn bao gồm hệ thống cáp quang và các Hub sơ cấp, nhiệm vụ của nó là
truyền dẫn tín hiệu từ headend đến các khu vực xa. Các Hub sơ cấp có chức năng thu/phát
quang từ/đến các node quang và chuyển tiếp tín hiệu quang tới các Hub khác.
Mạng phân phối tín hiệu bao gồm hệ thống hệ thống cáp quang, các Hub thứ cấp và các
node quang. Tín hiệu quang từ các Hub sẽ được chuyển thành tín hiệu điện tại các node quang
để truyền đến thuê bao. Ngược lại trong trường hợp mạng 2 chiều, tín hiệu điện từ mạng truy
nhập sẽ được thu tại node quang và truyền thành tín hiệu quang để truyền đến Hub về
Headend.
Mạng truy nhập bao gồm hệ thống cáp đồng trục, các thiết bị thu phát cao tần có nhiệm
vụ truyền tải các tín hiệu cao tần RF giữa node quang và các thiết bị thuê bao. Thông thường
bán kính phục vụ của mạng con truy nhập tối đa khoảng 300m.
Ưu điểm của mạng HFC:
- Sử dụng cáp quang để truyền dẫn tín hiệu, mạng HFC sẽ tận dụng được các ưu
điểm vượt trội của cáp quang so với các phương tiện truyền dẫn khác: dải thông
rất lớn, suy hao tín hiệu rất thấp, ít bị nhiễu điện từ, chống lão hóa và ăn mòn
hóa học tốt. Với các sợi quang sản xuất với công nghệ hiện đại hiện nay cho
phép truyền các tín hiệu có tần số lên đến hàng trăm Tetra Hezt(1014 – 1015
Hz). Đây là dải thông tín hiệu vô cùng lớn, có thể đáp ứng mọi yêu cầu dài thông
đường truyền mà không phương tiện truyền dẫn nào có thể có được.
- Tín hiệu quang truyền trên sợi quang hiện nay chủ yếu nằm trong hai bước sóng
quang là 1310nm và 1550nm. Đây là bước sóng có suy hao tín hiệu rất nhỏ: 0.3
dB/km với bước sóng 1310nm và 0.2dB/km với bước sóng 1550nm. Điều này
cho thấy với bước sóng 1550nm, năng lượng tín hiệu quang chỉ bị suy hao 0.2
dB khi truyền trên 1km, trong khi đó với một sợi cáp đồng trục loại có suy hao
thấp nhất cũng phải mất 43 dB/km tại tần số 1GHz.
PTIT
112
- Tín hiệu truyền trên sợi cáp là tín hiệu quang, vì vậy không bị ảnh hưởng bởi các
nhiễu điện từ từ môi trường, dẫn đến đảm bảo được chất lượng tín hiệu trên
đường truyền. Được chế tạo từ các chất trung tính là plastic và thủy tinh, các sợi
quang là các vật liệu không bị ăn mòn hóa học vì thế tuổi thọ của sợi quang cao.
c. Mạng có cấu trúc kết hợp cáp quang và cáp xoắn đồng
Với mạng kiểu này, cáp quang thực hiện nhiệm vụ truyền tín hiệu từ trung tâm đến các
nút quang tại khu vực thuê bao, từ nút quang đến thuê bao sẽ là cáp đồng xoắn điện thoại
thông thường.
Cấu trúc mạng này có ưu điểm là sử dụng mạng sẵn có của bưu điện để truyền tín hiệu
truyền hình, do đó không cần đầu tư mới, tiết kiệm chi phí ban đầu.
Thực tế hiện nay tín hiệu truyền hình được truyền trên cáp đồng xoắn được truyền theo
công nghệ xDSL như đã trình bày ở chương trước.
Đặc điểm:
- Không thể truyền được tín hiệu truyền hình tương tự vì để truyền một kênh
truyền hình tương tự yêu cầu độ rộng băng thông là 6MHz với hệ NTSC và
8MHz với hệ PAL.
- Chỉ có thể truyền được tín hiệu truyền hình số có nén và chỉ truyền được 2 đến 3
kênh truyền hình. Để khắc phục điều này, người ta chỉ gửi đi kênh truyền hình
được yêu cầu. Như vậy, thuê bao không thể cùng lúc xem được nhiều kênh với
nhiều máy thu.
- Nếu triển khai mạng kết hợp cáp quang và cáp đồng xoắn, rõ ràng hoàn toàn
phải dựa vào hệ thống mạng viễn thông bưu điện dẫn đến không thuận lợi và
linh hoạt trong quá trình triển khai và điều hành mạng.
3.5.3 Truyền hình số mặt đất (Digital Video Broadcasting-Terrestrial)
3.5.3.1 Tổng quan về truyền hình số mặt đất
Việc phát triển các tiêu chuẩn DVB đã khởi đầu vào năm 1993 và tiêu chuẩn DVB-T đã
được tiêu chuẩn hoá vào năm 1997 do Viện tiêu chuẩn truyền thông châu Âu (ESTI:
European Telecommunication Standards Institute). Hiện nay tiêu chuẩn này đã được các nước
Châu Âu và nhiều nước khác trên thế giới thừa nhận. Năm 2001 đài truyền hình Việt Nam đã
quyết định chọn nó làm tiêu chuẩn để phát sóng cho truyền hình mặt đất trong những năm tới.
DVB là sơ đồ truyền dựa trên tiêu chuẩn MPEG-2, là một phương pháp phân phối từ một
điểm tới nhiều điểm video và audio số chất lượng cao có nén. Nó là sự thay thế có tăng cường
tiêu chuẩn truyền hình quảng bá tương tự vì DVB cung cấp phương thức truyền dẫn linh hoạt
để phối hợp video, audio và các dịch vụ dữ liệu.
PTIT
113
M
U
X
Mã hóa
Mã hóa
Phối hợp ghép
kênh truyền tải
và ngẫu nhiên
hóa dữ liệu
Khối
mã
ngoại
Khối
ghép
xen
Khối
mã nội
M
U
X
Mã hóa
Mã hóa
Phối hợp ghép
kênh truyền tải
và ngẫu nhiên
hóa dữ liệu
Khối
mã
ngoại
Khối
ghép
xen
Khối
mã nội
Ghép nội
Chòm sao tín
hiệu và ánh
xạ
Khung và
ODFM
Chèn khoảng
bảo vệD/A
Thiết bị đầu
cuối
Các tín hiệu
chuẩn
Ghép kênh và mã hóa nguồn
dữ liệu MPEG-2
RF
Hình 3. 21: Sơ đồ khối hệ thống truyền hình DVB-T
Phần ghép kênh và mã hóa nguồn dữ liệu MPEG-2: Các tín hiệu đầu vào gồm hình
ảnh, âm thanh và các dữ liệu phụ sẽ được số hóa nhờ khối ghép kênh và mã hóa nén MPEG-2.
Đầu ra của khối này sẽ là dòng truyền truyền tải MPEG-2 (dòng dữ liệu số) với một tốc độ bit
nhất định đưa vào máy phát. Đây là quá trình số hóa tín hiệu.
Khối mã hóa phân tán năng lượng và phối hợp ghép kênh: Để đảm bảo cho việc
truyền dẫn không có lỗi, dòng dữ liệu đến từ khối nén sẽ được ngẫu nhiên hoá. Các gói dữ
liệu này đầu tiên được nhận dạng bởi chuỗi giả ngẫu nhiên. Mục đích của quá trình này là
phân tán năng lượng trong phổ tín hiệu số và xác định số nhị phân thích hợp (loại bỏ các
chuỗi dài “0” và “1”), đồng thời đây cũng được xem là quá trình phối hợp để ghép kênh
truyền tải.
Khối mã ngoại và ghép xen ngoại (Outer encoder and interleaver): Dòng dữ liệu sau
khi đã được ngẫu nhiên hóa sẽ tiếp tục được xử lý tại khối mã ngoại và ghép xen ngoại. Sở dĩ
gọi là "ngoại" vì việc xử lý ở đây là theo byte, còn mã nội và ghép xen nội là xử lý theo "bit".
Khối mã nội (inner encoder): Đây là quá trình mã hoá tiếp theo nhưng việc mã sẽ chi
tiết đến từng bit. Thông số mã hóa ở đây chính là tỷ lệ mã hóa n/m (1/2, 2/3, 3/4...). Nghĩa là
cứ m bít truyền đi thì chỉ có n bit mang thông tin, các bit còn lại là để sửa lỗi.
Khối ghép xen nội (inner interleaver): Dữ liệu đến đây sẽ được tráo hoàn toàn theo
từng bit, thông tin sẽ rất khác so với ban đầu. Quá trình này để giảm thiểu lỗi đến mức tối đa.
PTIT
114
Các khối điểu chế tín hiệu (Mapper, Frame Adaptation, OFDM...): Đây là quá trình
xử lý phức tạp nhất, nhưng về nguyên lý ta có thể hiểu như sau: dữ liệu sau khi đã hoàn thành
mã sửa lỗi sẽ được ánh xạ lên chòm sao điều chế (khối mapper), và sau khi thêm các pilot
đồng bộ, các dữ liệu sẽ được đưa lên các sóng mang. Và tất nhiên là có rất nhiều sóng mang.
Việc chèn thêm các khoảng bảo vệ cũng sẽ được thực hiện nhằm tối ưu hoá tính ưu việt của
truyền hình số.
Khối D/A: Đây không phải là biến đổi Digital/Analog thuần tuý thông thường. Mà đó là
quá trình hoàn chỉnh hàng ngàn sóng mang để đảm bảo việc phát tín hiệu lên anten.
3.5.3.2 Các dịch vụ gia tăng trên mạng truyền hình
Ngoài các dịch vụ cung cấp các thông tin về thời sự, thể thao, giải trí mạng truyền hình
còn cung cấp các dịch vụ khác như mua sắm, game tương tác qua điện thoại, truy nhập
internet.
Dịch vụ quảng cáo truyền hình
Quảng cáo truyền hình (television advertisement -Tvad hoặc television commercial -
TVC) là dịch vụ phát các mẫu quảng cáo bằng video clip ngắn với sự kết hợp của hình ảnh,
âm thanh và chuyển động. Dịch vụ quảng cáo truyền hình giúp:
- Giới thiệu doanh nghiệp, sản phẩm, dịch vụ
- Thúc đẩy trực tiếp hành động mua sản phẩm của người tiêu dùng
- Khuyến khích khán giả tìm hiểu về thông tin của sản phẩm
- Tạo mối liên kết giữa sản phẩm và nhu cầu tiêu dùng của khán giả
- Nhắc người tiêu dùng nhớ lại sản phẩm và thúc đẩy họ mua sản phẩm trở lại
- Thay đổi thái độ của người tiêu dùng: thường dùng để củng cố, thay đổi quan niệm
về sản phẩm. Đặc biệt khi sản phẩm đang có mặt trên thị trường
- Củng cố thái độ của người tiêu dùng đối với sản phẩm: nhắc người tiêu dùng luôn
nhớ đến tên tuổi của nhãn hiệu và gắn bó với sản phẩm.
Dịch vụ quảng cáo truyền hình là một cách tuyệt vời cho doanh nghiệp quảng bá hình
ảnh doanh nghiệp, sản phẩm dịch vụ đến khách hàng mục tiêu một cách nhanh nhất và hiệu
quả. Tuy nhiên chi phí cho việc phát sóng là không nhỏ cần có nguồn tiền đầu tư để đảm bảo
tần suất và thời gian phát sóng mới đem lại hiệu quả tốt cho doanh nghiệp.
Dịch vụ truy nhập Internet
Dịch vụ truy nhập internet là dịch vụ gia tăng trên mạng truyền dẫn truyền hình nhằm
cung cấp cho người dùng vừa xem tivi và vừa truy cập Internet trên cùng một đường truyền.
Tuy nhiên 2 dịch vụ này là song song mà chưa tích hợp với nhau như dịch vụ IPTV trên mạng
viễn thông.
Hiện nay có nhiều đơn vị truyền hình tham gia cung cấp dịch vụ này như: VTC, VTV,
HTV, CMC telecom,... Để sử dụng dịch vụ người dùng cần phải đăng ký dich vụ với nhà
cung cấp truyền hình và mua một thiết bị MODEM. MODEM có chức năng tách tín hiệu
Internet và tín hiệu truyền hình. Người dùng máy tính thông qua MODEM để truy cập
PTIT
115
Internet. Tùy theo gói cước của nhà cung cấp mà tốc độ truy cập chiều lên và chiều xuống của
mỗi gói cước sẽ cao hay thấp.
3.6 Truyền thông Internet
Truyền thông Internet hay Internet là một mạng thông tin toàn cầu có thể được truy nhập
công cộng gồm các mạng máy tính được liên kết với nhau. Mạng này truyền thông tin theo
kiểu chuyển gói dữ liệu dựa trên một bộ giao thức đã được chuẩn hóa (TCP/IP). Môi trường
liên mạng của Internet bao gồm hàng ngàn mạng máy tính nhỏ hơn của các doanh nghiệp, các
viện nghiên cứu và trường đại học, các chính phủ cũng như là người dùng cá nhân trên toàn
cầu.
3.6.1 Lịch sử phát triển
Mạng Internet ngày nay là một mạng toàn cầu, bao gồm hàng chục triệu người sử dụng,
được hình thành từ cuối thập kỷ 60 từ một thí nghiệm của Bộ quốc phòng Mỹ. Tại thời điểm
ban đầu đó là mạng ARPAnet của Ban quản lý dự án nghiên cứu Quốc phòng .ARPAnet là
một mạng thử nghiệm phục vụ các nghiên cứu quốc phòng, một trong những mục đích của nó
là xây dựng một mạng máy tính có khả năng chịu đựng các sự cố ( ví dụ một số nút mạng bị
tấn công và phá huỷ nhưng mạng vẫn tiếp tục hoạt động ). Mạng cho phép một máy tính bất
kỳ trên mạng liên lạc với mọi máy tính khác.
Khả năng kết nối các hệ thống máy tính khác nhau đã hấp dẫn mọi người, vả lại đây
cũng là phương pháp thực tế duy nhất để kết nối các máy tính của các hãng khác nhau. Kết
quả là các nhà phát triển phần mềm ở Mỹ, Anh và Châu Âu bắt đầu phát triển các phần mềm
trên bộ giao thức TCP/IP (giao thức được sử dụng trong việc truyền thông trên Internet) cho
tất cả các loại máy. Điều này cũng hấp dẫn các trường đại học, các trung tâm nghiên cứu lớn
và các cơ quan chính phủ, những nơi mong muốn mua máy tính từ các nhà sản xuất, không bị
phụ thuộc vào một hãng cố định nào.
Bên cạnh đó các hệ thống cục bộ LAN bắt đầu phát triển cùng với sự xuất hiện các máy
để bàn ( desktop workstations )- 1983. Phần lớn các máy để bàn sử dụng Berkeley UNIX,
phần mềm cho kết nối TCP/IP đã được coi là một phần của hệ điều hành này. Một điều rõ
ràng là các mạng này có thể kết nối với nhau dễ dàng.
Trong quá trình hình thành mạng Internet, NSFNET ( được sự tài trợ của Hội khoa học
Quốc gia Mỹ) đóng một vai trò tương đối quan trọng. Vào cuối những năm 80, NFS thiết lập
5 trung tâm siêu máy tính. Trước đó, những máy tính nhanh nhất thế giới được sử dụng cho
công việc phát triển vũ khí mới và một vài hãng lớn. Với các trung tâm mới này, NFS đã cho
phép mọi người hoạt động trong lĩnh vực khoa học được sử dụng. Ban đầu, NFS định sử dụng
ARPAnet để nối 5 trung tâm máy tính này, nhưng ý đồ này đã bị thói quan liêu và bộ máy
hành chính làm thất bại. Vì vậy, NFS đã quyết định xây dựng mạng riêng của mình, vẫn dựa
trên thủ tục TCP/IP, đường truyền tốc độ 56kbps. Các trường đại học được nối thành các
mạng vùng, và các mạng vùng được nối với các trung tâm siêu máy tính.
Đến cuối năm 1987, khi lượng thông tin truyền tải làm các máy tính kiểm soát đường
truyền và bản thân mạng điện thoại nối các trung tâm siêu máy tính bị quá tải, một hợp đồng
về nâng cấp mạng NSFNET đã được ký với công ty Merit Network Inc, công ty đang cùng
PTIT
116
với IBM và MCI quản lý mạng giáo dục ở Michigan. Mạng cũ đã được nâng cấp bằng đường
điện thoại nhanh nhất lúc bấy giờ, cho phép nâng tốc độ lên gấp 20 lần. Các máy tính kiểm
soát mạng cũng được nâng cấp. Việc nâng cấp mạng vẫn liên tục được tiến hành, đặc biệt
trong những năm cuối cùng do số lượng người sử dụng Internet tăng nhanh chóng.
Điểm quan trọng của NSFNET là nó cho phép mọi người cùng sử dụng. Trước
NSFNET, chỉ có các nhà khoa học, chuyên gia máy tính và nhân viên các cơ quan chính phủ
có được kết nối Internet. NSF chỉ tài trợ cho các trường đại học để nối mạng, do đó mỗi sinh
viên đại học đều có khả năng làm việc trên Internet.
Ngày nay mạng Internet đã được phát triển nhanh chóng trong giới khoa học và giáo dục
của Mỹ, sau đó phát triển rộng toàn cầu, phục vụ một cách đắc lực cho việc trao đổi thông tin
trước hết trong các lĩnh vực nghiên cứu, giáo dục và gần đây cho thương mại.
3.6.2 Giao thức TCP/IP
TCP/IP là một bộ giao thức được phát triển bởi cục các dự án nghiên cứu cấp cao
(ARPA) của bộ quốc phòng Mỹ. Ban đầu nó được sử dụng trong mạng ARPANET. Khi công
nghệ mạng cục bộ phát triển, TCP/IP được tích hợp vào môi trường điều hành UNIX và sử
dụng chuẩn Ethernet để kết nối các trạm làm việc với nhau. Đến khi xuất hiện các máy PC,
TCP/IP lại được chuyển mang sang môi trường PC, cho phép các máy PC chạy DOS và các
trạm làm việc chạy UNIX có thể liên tác trên cùng một mạng. Hiện nay, TCP/IP được sử
dụng rất phổ biến trong mạng máy tính, mà điển hình là mạng Internet.
Ứng dụng
Trình diễn
Phiên
Giao vận
Mạng
Liên kết dữ liệu
Vật lý
Ứng dụng
Giao vận
Liên mạng
Giao diện mạng
Mô hình OSI Mô hình TCP/IP
Hình 3. 22: Mô hình OSI và TCP/IP
TCP/IP được phát triển trước mô hình OSI. Do đó, các tầng trong TCP/IP không tương
ứng hoàn toàn với các tầng trong mô hình OSI. Chồng giao thức TCP/IP được chia thành bốn
tầng: giao diện mạng (network interface), liên mạng (internet), giao vận (transport) và ứng
dụng (application).
PTIT
117
RARP ARP
TCP
Data link
IP
UDP
DNS
Application layer
Transport layer
Internet layer
Network
Access layer
FTP Telnet SMTP NNTP
RIP IGMP ICMP BGP OSPF
TFTP etc...
Media
(physical)
Ping RPC NFS BOOTP etc...
Hình 3. 23: Mô hình phân lớp giao thức TCP/IP
3.6.3 Các dịch vụ trên Internet
3.6.3.1 Dịch vụ thư điện tử (Email)
Thư điện tử, hay thường gọi e-mail, là một trong những tính năng quan trọng nhất của
Internet. Mặc dù ban đầu được thiết kế như một phương thức truyền các thông điệp riêng giữa
những ng−ời dùng Internet, Internet e-mail là phương pháp truyền văn bản rẻ tiền nhất có ở
mọi nơi. Chỉ tốn khoảng vài cent để gửi e-mail đi bất kỳ đâu trên thế giới, rẻ hơn nhiều so với
cước bưu điện loại thấp nhất. Một trong những lợi ích chính của e-mail là tốc độ lưu chuyển.
Tuy không tức thời như fax, thời gian truyền e-mail thường được tính bằng phút, ngay cả khi
người gửi và người nhận ở tận hai đầu của trái đất.
Hệ thống địa chỉ e-mail: Một vấn đề vô cùng quan trọng trong quá trình gửi hay nhận
thư là cách xác định chính xác địa chỉ của thư cần gửi đến. Để thực hiện điều này người ta sử
dụng dịch vụ đánh tên vùng (Domain Name Service - DNS). Dựa trên dịch vụ đánh tên vùng,
việc đánh địa chỉ e-mail cho người sử dụng sẽ rất đơn giản như sau:
Tên_người_sử_dụng@Tên_đầy_đủ_của_domain
Ví dụ người dùng Nguyễn Văn A thuộc domain là gmail.com sẽ có thể có địa chỉ e-mail
3.6.3.2 Dịch vụ mạng thông tin toàn cầu
Đây dịch vụ mới và mạnh nhất trên Internet. WWW được xây dựng dựa trên một kỹ
thuật có tên gọi là hypertext (siêu văn bản). Hypertext là kỹ thuật trình bày thông tin trên một
trang trong đó có một số từ có thể "liên kết" với các trang thông tin khác. Trên cùng một
trang thông tin có thể có nhiều kiểu dữ liệu khác nhau như: text, hình ảnh hay âm thanh,
video , clip,... Để xây dựng các trang dữ liệu với các kiểu dữ liệu khác nhau như vậy, WWW
sử dụng một ngôn ngữ có tên là HTML (HyperText Markup Language). Ngôn ngữ HTML
được xây dựng trên cơ sở ngôn ngữ SGML (Standard General Markup Language). HTML cho
phép định dạng các trang thông tin, cho phép thông tin được kết nối với nhau. Hiện nay có bổ
sung thêm các ngôn ngữ khác như ASP, JAVA,..
PTIT
118
Để thực hiện việc liên kết các tài nguyên này, WWW sử dụng phương pháp có tên là
URL (Universal Resource Locator). Với URL, WWW cũng có thể truy nhập tới các tài
nguyên thông tin từ các dịch vụ khác nhau như: FTP, Gopher, Wais... trên các server khác
nhau.
Người dùng sử dụng một phần mềm Web Browser để xem thông tin trên các máy chủ
WWW. Tại server phải có một phần mềm Web server. Phần mềm này thực hiện nhận các yêu
cầu từ Web Browser gửi lên và thực hiện yêu cầu đó.
Với sự bùng nổ dịch vụ WWW, dịch vụ này càng ngày càng được mở rộng và đưa thêm
nhiều kỹ thuật tiên tiến nhằm tăng khả năng biểu đạt thông tin cho người sử dụng.
Một số công nghệ mới được hình thành như Active X, Java cho phép tạo các trang Web
động thực sự mở ra một hướng phát triển rất lớn cho dịch vụ này.
3.6.3.3 Dịch vụ truyền tập tin – FTP (File Transfer Protocol)
Dịch vụ FTP dùng để truyền tải các file dữ liệu giữa các host trên Internet. Công cụ để
thực hiện dịch vụ truyền file là chương trình ftp, nó sử dụng một giao thức của Internet là giao
thức FTP (File Transfer Protocol). Như tên của giao thức đã nói, công việc của giao thức này
là thực hiện chuyển các file từ một máy tính này sang một máy tính khác. Giao thức này cho
phép truyền file không phụ thuộc vào vấn đề vị trí địa lý hay môi trường hệ điều hành của hai
máy. Điều duy nhất cần thiết là cả hai máy đều có phần mềm hiểu được giao thức FTP.
Muốn sử dụng dịch vụ này trước hết bạn phải có một đăng ký người dùng ở máy remote
và phải có một password tương ứng. Việc này sẽ giảm số người được phép truy cập và cập
nhập các file trên hệ thống ở xa. Một số máy chủ trên Internet cho phép bạn login với một
account là anonymous, và password là địa chỉ e-mail của bạn, nhưng tất nhiên, khi đó bạn chỉ
có một số quyền hạn chế với hệ thông file ở máy remote.
Để phiên làm việc FTP thực hiện được, ta cũng cần 2 phần mềm. Một là ứng dụng FTP
client chạy trên máy của người dùng, cho phép ta gửi các lệnh tới FTP host. Hai là FTP server
chạy trên máy chủ ở xa, dùng để xử lý các lệnh FTP của người dùng và tương tác với hệ
thống file trên host mà nó đang chạy.
FTP cho phép bạn tìm kiếm thông tin trên server bằng các lệnh thông dụng như ls hay
dir. Khi người dùng đánh các lệnh này, ftp sẽ chuyển lên cho server, tại server sẽ thực hiện
lệnh này và gửi về thông tin danh sách các file tìm được. Người sử dụng sau khi nhận được
các thông tin này sẽ gửi yêu cầu về một file nào đó bằng lệnh:
>get source_file_name destination_file_name.
Còn khi muốn truyền một file lên máy ở xa, người sử dụng dùng lệnh:
>put source_file_name destination_file_name
3.6.3.4 Dịch vụ hội thoại trên Internet
Internet Relay Chat (IRC - Nói chuyện qua Internet) là phương tiện "thời gian thực",
nghĩa là những từ bạn gõ vào sẽ xuất hiện gần như tức thời trên màn hình của người nhận và
trả lời của họ của xuất hiện trên màn hình của bạn như vậy. Thay vì phải chờ vài phút hay vài
PTIT
119
ngày đối với thông điệp, bạn có thể trao đổi tức thời với tốc độ gõ chữ của bạn. IRC có thể
mang tính cá nhân như e-mail, người lạ không khám phá được nội dung trao đổi của bạn, hoặc
bạn có thể tạo "kênh mở" cho những ai bạn muốn cùng tham gia. Cũng không hiếm các kênh
IRC có từ 10 người trở lên tham gia hội thoại dạng Chat Room. Ngoài việc trao đổi lời, người
dùng IRC còn có thể gửi file cho nhau như hình ảnh, video, chương trình, tài liệu hay những
thứ khác.
Các chương trình IRC phổ biến hiện nay như: Yahoo Messenger, Skyper,....đã phát triển
và tích hợp nhiều tính năng trên chương trình như vừa trao đổi thoại, vừa chat, vừa chat vừa
nhìn thấy mặt nhau thông qua webcam, chia sẻ hình ảnh tương tác tức là vừa chỉnh sửa hình
ảnh và share để người nói chuyện cũng thấy được kết quả,.. và tích hợp các trò chơi,....
3.6.3.5 Dịch vụ Voip
Dịch vụ Voip là một dịch vụ thoại trên nền internet, nó thường tích hợp trong các phần
mềm IRC như đã nói ở trên nhằm cung cấp việc trao đổi voice cho người dùng. Để sử dụng
dịch vụ này, người dùng phải có micro + máy tính nối mạng + phần mềm voip. Dịch vụ voice
này thường không đảm bảo, nó phụ thuộc vào băng thông và tốc độ đường truyền. Nếu băng
thông và tốc độ đường truyền không có vấn đề, thoại sẽ nghe nói rất tốt, tuy nhiên, nếu đường
truyền bị nghẽn hoặc tốc độ thấp, tiếng nói sẽ bị mất lúc được lúc không và phải thực hiện
thiếp lập cuộc gọi thường xuyên. Tuy nhiên, nó có ưu điểm là thường miễn phí nên hiện nay
được sử dụng nhiều trong những trường hợp không yêu cầu chất lượng cao.
3.6.3.6 Dịch vụ mạng xã hội
Mạng xã hội (hay mạng xã hội ảo) là một dịch vụ kết nối các thành viên có cùng các sở
thích trên Internet với nhau với nhiều mục đích khác nhau không phân biệt không gian và thời
gian.
Mạng xã hội ảo hiện nay đã tích hợp nhiều tính năng như nói chuyện trực tuyến (chat),
thoại trực tuyến (voice chat), chia sẻ file, xem phim, ảnh, trang cá nhân ( blog), diễn đàn
(forum),....
Hiện nay thế giới có nhiều mạng xã hội khác nhau, như MySpace và Facebook nổi tiếng
nhất trong thị trường Bắc Mỹ và Tây Âu; Orkut và Hi5 tại Nam Mỹ; Friendster tại Châu Á và
các đảo quốc Thái Bình Dương. Mạng xã hội khác gặt hái được thành công đáng kể theo vùng
miền như Bebo tại Anh Quốc, CyWorld tại Hàn Quốc, Mixi tại Nhật Bản và tại Việt
Nam xuất hiện rất nhiều các mạng xã hội như: Zing Me, YuMe, Tamtay,..
Mạng tạo liên kết mọi người theo một cách hoàn toàn mới và đang trở thành một phần
tất yếu của hàng triệu người trên thế giới. Đặc điểm mạng xã hội ảo cung cấp các công cụ tìm
kiếm giúp các thành viên tìm kiếm bạn bè, đối tác,.. dựa trên các nhóm (group) như tên
trường, tên thành phố, hoặc theo thông tin cá nhân (tên, ngày sinh, địa chỉ email), hoặc theo
sở thích (thể thao, phim ảnh, sách báo, ca nhạc,...) hoặc các lĩnh vực ( kinh doanh, mua bán,
đấu giá,..)
Mạng xã hội xuất hiện lần đầu tiên năm 1995 với sự ra đời của trang Classmate với mục
đích kết nối bạn học, tiếp theo là sự xuất hiện của SixDegrees vào năm 1997 với mục đích
giao lưu kết bạn dựa theo sở thích.
PTIT
120
Năm 2002, Friendster trở thành một trào lưu mới tại Hoa Kỳ với hàng triệu thành viên
ghi danh. Tuy nhiên sự phát triển quá nhanh này cũng là con dao hai lưỡi: server của
Friendster thường bị quá tải mỗi ngày, gây bất bình cho rất nhiều thành viên.
Năm 2004, MySpace ra đời với các tính năng như chia sẻ phim ảnh (embedded video)
và nhanh chóng thu hút hàng chục ngàn thành viên mới mỗi ngày, các thành viên cũ của
Friendster cũng lũ lượt chuyển qua MySpace và trong vòng một năm, MySpace trở thành
mạng xã hội đầu tiên có nhiều lượt xem hơn cả Google và được tập đoàn News Corporation
mua lại với giá 580 triệu USD.
Năm 2006, sự ra đời của Facebook đánh dấu bước ngoặt mới cho hệ thống mạng xã hội
trực tuyến với nền tảng lập trình "Facebook Platform" cho phép thành viên tạo ra những công
cụ (apps) mới cho cá nhân mình cũng như các thành viên khác dùng. Facebook Platform
nhanh chóng gặt hái được thành công vược bậc, mang lại hàng trăm tính năng mới cho
Facebook và đóng góp không nhỏ cho con số trung bình 19 phút mà các thành viên bỏ ra trên
trang này mỗi ngày.
3.6.3.7 Điện toán đám mây
Điện toán đám mây (cloud computing), còn gọi là điện toán máy chủ ảo, là mô hình điện
toán sử dụng các công nghệ máy tính và mạng Internet. Điện toán đám mây cung cấp các dịch
vụ liên quan đến công nghệ thông tin cho phép người dùng truy nhập và sử dụng các công
nghệ này mà không cần phải có kiến thức và kinh nghiệm về công nghệ cũng như không quan
tâm về hạ tầng phục vụ công nghệ đó.
Sử dụng điện toán đám mây người dùng không phải mất nhiều tiền cho việc đầu tư về hạ
tầng như các máy chủ (server), về các chương trình phần mềm quản lý, các phần mềm ứng
dụng,...
Đặc điểm của điện toán đám mấy là dựa vào Internet để cung cấp các phần mềm xử lý,
các ứng dụng lưu trữ cho người dùng có thể sử dụng bất kỳ đâu, bất kỳ thời điểm nào.
Các đặc tính:
- Sử dụng các tài nguyên tính toán động (Dynamic computing resources) : Các tài
nguyên được cấp phát cho người dùng / doanh nghiệp đúng như những gì người
dùng hoặc doanh nghiệp muốn một các tức thời và người dung /doanh nghiệp thay
vì phải tính toán việc đầu tư máy chủ, phần mềm thì họ chỉ cần tập trung vào kinh
doanh hoặc công việc.
- Giảm chi phí: Người dùng hoặc doanh nghiệp sẽ có khả năng cắt giảm chi phí để
mua bán, cài đặt và bảo trì tài nguyên. Rõ ràng thay vì việc phải cử một chuyên gia
đi mua máy chủ, cài đặt máy chủ, bảo trì máy chủ thì nay người dùng không cần phải
làm gì ngoài việc xác định chính xác tài nguyên mình cần.
- Giảm độ phức tạp trong cơ cấu của doanh nghiệp: Doanh nghiệp sản xuất hàng hóa
sẽ không cần phải có đội ngũ chuyên gia IT để vận hành, bảo trì máy chủ, do vậy
giảm bớt độ phức tạp trong cơ cấu.
- Tăng khả năng sử dụng tài nguyên tính toán: Một trong những câu hỏi đau đầu của
việc đầu tư tài nguyên (ví dụ máy chủ) là bao lâu thì nó sẽ hết khấu hao, tôi đầu tư
PTIT
121
như thế có lãi hay không, có bị lạc hậu về công nghệ hay không. Khi sử dụng tài
nguyên trên đám mây thì chúng ta không còn phải quan tâm tới điều này nữa.
Điện toán đám mây đang được phát triển và cung cấp bởi nhiều nhà cung cấp, trong đó
có Amazon, Google, DataSynapse, và Salesforce cũng như những nhà cung cấp truyền thống
như Sun Microsystems, HP, IBM, Intel, Cisco và Microsoft.
PTIT
122
PHỤ LỤC A
BẢNG MÃ HUFFMAN CHO HỆ SỐ DC VÀ HỆ SỐ AC
Bảng A. 1: Bảng mã Huffman cho các hệ số DC
Bảng A. 2: Bảng mã Huffman cho các hệ số AC
PTIT
123
PTIT
124
PTIT
125
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Tiến Ban, Nguyễn Đình Long, “Tổng quan về mạng viễn thông”, Học viện Bưu
chính Viễn thông.
[2]. Đỗ Hoàng Tiến, Dương Thanh Phương, “Kỹ thuật truyền hình”, NXB Khoa học và Kỹ
thuật 2004.
[3]. Multimedia Communications: Applications, Networks, Protocols and Standards” Fred
halsall, September 24, 2000, ISBN-10: 0201398184
[4]. Iain E. G. Richardson, “H264 And Mpeg-4 Video Compression - Video Coding for Next-
generation Multimedia”
[5]. Mohammed Ghanbari, “Video coding – an introduction to standard codecs”,
[6]. Hoàng Lê Uyên Thục, Phạm Văn Tuấn, “Tổng quan về các kỹ thuật nén audio chất
lượng cao MP3 và AAC dùng trong thiết bị số hiện nay”, Tạp chí Khoa học và Công
nghệ, Đại học Đà nẵng, số 4(39), 2010.
[7]. Các trang web: wiki.org
PTIT
