Thứ Tư, 30 tháng 9, 2015

Phương án triển khai các dịch vụ 3DTV theo tiêu chuẩn DVB-T2

Các kết quả trình bày trong bài viết này được trích từ công trình [1] đã công bố. Theo đó, bài viết này giới thiệu một số khảo sát về các đặc tính của chuẩn DVB-T2 ứng dụng trong triển khai phát sóng các nội dung 3DTV.


Trên cơ sở các cải tiến kỹ thuật, việc triển khai phát sóng 3DTV được xét đến ở các khâu từ sản xuất đến hiển thị, trong đó chú trọng đến các định dạng và hiệu quả mã hóa. Dựa trên các yêu cầu về tốc độ bit và định dạng, khả năng truyền tải các dịch vụ 3D và 2D theo chuẩn DVB-T2 được khảo sát với hai ”kịch bản”. Ở phía thu, hai phương thức thu được khảo sát gồm thu cố định và thu di động, một số vấn đề về tương thích ngược và giải pháp xử lý cũng được quan tâm. Kết quả của các khảo sát này là đưa ra được ước tính khả năng số dịch vụ (cả 2D và 3D) mà DVB-T2 có thể phát sóng.
1. Giới thiệu.  
DVB-T2 là chuẩn phát sóng truyền hình số mặt đất thế hệ kế tiếp của DVB-T, đã được chấp nhập bởi ETSI (European Telecommunication Standards Institute) vào năm 2009. Chuẩn này ra đời nhằm đáp ứng khả năng gia tăng hiệu quả sử dụng phổ của các hệ thống quảng bá số mặt đất trong các băng tần VHF/UHF. Điều này có nguyên nhân chính từ nhu cầu phải cung cấp các nội dung HDTV và các dịch vụ kỳ vọng 3DTV có yêu cầu băng thông truyền tải lớn hơn so với các dịch vụ SD.

Chuẩn này cung cấp khả năng linh hoạt trong cấp phát ghép kênh (multiplex), cài đặt các thông số mã hóa (coding), điều chế và các thông số RF. Sự linh hoạt này cho phép kênh truyền hỗ trợ tốc độ bit từ vài Mbps đến 50 Mbps phụ thuộc vào lựa chọn mức độ kháng nhiễu hay ”độ mạnh” của tín hiệu. Tuy nhiên, sự linh hoạt phải trả giá bằng sự gia tăng của mức độ phức tạp, cụ thể là việc cài đặt kết hợp các thông số của hệ thống tăng lên theo hàm mũ nếu so với các hệ thống sử dụng các chuẩn truyền dẫn phiên bản trước (DVB-T, DVB-H).
Mục tiêu của bài viết này là phân tích khả năng và các thông số cấu hình của các hệ thống DVB-T2 trong phân phối các dịch vụ tổng hợp gồm HDTV (2D) và 3D. Thông qua một số các giả định, bài viết sẽ đề xuất chọn giải pháp cấu hình DVB-T2 thích hợp nhất. Bài viết cũng xét đến hai ”kịch bản” có thể triển khai ra trong các thời điểm khác nhau trong tương lai gần gồm: giai đoạn chuyển tiếp, các dịch vụ HD và 3D cùng được cung cấp; giai đoạn tiếp theo, khi kỹ thuật 3D đã ”trưởng thành” và đa dạng nội dung 3D được phân phối đến khách hàng.
2. Một số kỹ thuật 3DTV.
Để cung cấp nội dung 3DTV cho hệ thống quảng bá mặt đất, một số kỹ thuật được sử dụng cả trong hai phía đầu cuối của hệ thống cung cấp. Các kỹ thuật này có tác động trực tiếp đến những thông số trong chuẩn phân phối và truyền dẫn các nội dung 3D, mà cụ thể là liên quan chặt chẽ đến các yêu cầu về mã hóa, tốc độ bit, chất lượng dịch vụ (QoS), và chế độ thu (cố định, di động)…
2.1. Sản xuất nội dung.
Bước đầu tiên trong chuỗi truyền hình 3D là tạo nội dung 3D. Việc lựa chọn định dạng kỹ thuật sẽ xác định một số ràng buộc tương ứng với phương pháp sản xuất. Hiện nay, một loạt các phương thức sản xuất khác nhau có thể ứng dụng như [2], [3], cụ thể sản xuất nội dung 3D từ: các camera đơn lẻ, các hệ thống two-camera, các hệ thống multi-camera. Các kỹ thuật khác như các camera ”Time-of-Flight” tích hợp thông tin ảnh (image) và độ sâu cảnh (scene depth) trong thời gian thực [2]. Các stereoscopic camera có thể tạo nội dung 3D theo định dạng stereoscopic. Các hệ thống multi-camera lấy từ các hệ thống telepresence và videoconference có yêu cầu phức tạp và cần độ chính xác cao trong đồng bộ và chuẩn hóa giữa nhiều camera. Một nhóm các kỹ thuật dựa trên các bản đồ độ sâu ảnh (image depth map) như: hệ thống Time-of-Flight [4] bắt (capture) các cảnh dựa trên các định dạng LDV (Layered Depth Video) và MVD (Multiview Plus Depth Video); các dự án ATTEST [5], 3D4YOU [6] khảo sát các kỹ thuật tạo chính xác các bảng đồ độ sâu nội dung, các bản đồ độ sâu này có thể xử lý như thành phần video cộng thêm vào thông tin video 2 chiều. Một số kỹ thuật khác dựa trên N camera đang được nghiên cứu cho phép trải nghiệm truyền hình với góc nhìn tự do [7].
2.2. Mã hóa.
Mục đích của việc mã hóa là để đáp ứng yêu cầu về băng thông cần cho truyền dẫn của dòng truyền các nội dung, và độ phức tạp tính toán thấp nhất có thể trong khi vẫn đảm bảo được độ phân giải cao của hình ảnh. Các hệ thống và định dạng 3D khác nhau (stereoscopic, multiview, depth map) yêu cầu các phương pháp biểu diễn cảnh (scene) khác nhau do đó có các kỹ thuật mã hóa khác nhau. Nhìn chung, kỹ thuật mã hóa đạt hiệu quả cao là chìa khóa cho sự thành công của tổng thể hệ thống 3DTV.
Các kỹ thuật mã hóa cho các hệ thống stereoscopic khám phá sự tương tự giữa mỗi cặp frame của chuỗi video và giữa các frame trong chuỗi. Một số giải thuật nén dựa trên mã hóa độc lập của một trong các thành phần video và mã hóa tương quan của thành phần video khác trên cơ sở của các khái niệm bù chuyển động. Theo đó, một số giải pháp nén đã sử dụng là MPEG-2 (MPEG-2 Multiview Profile), và H.264 hoặc MPEG-4 Visual. Tuy nhiên, hiệu quả nén đạt được từ các kỹ thuật inter-view stereoscopic vẫn bị hạn chế vì chỉ mã hóa độc lập của mỗi thành phần.
Với các hệ thống multi-view, các giải thuật mã hóa sẽ loại bỏ thông tin dư thừa giữa các góc nhìn khác nhau của cùng một cảnh. Các kỹ thuật MVC (Multiview Video Coding) kết hợp mã hóa thời gian và inter-view. Việc dự đoán được thực hiện không chỉ từ các frame lân cận theo thời gian mà gồm cả từ các frame cùng thời điểm trong các góc nhìn liền kề. Một số thực nghiệm cho thấy MVC có tỉ lệ nén vượt trội so với mã hóa độc lập. Tuy nhiên, hiệu quả mã hóa phụ thuộc nhiều vào nội dung và tính chất hệ thống capturing (khoảng cách giữa các camera, tốc độ frame, độ phức tạp của scene,…). Tuy nhiên, sự phức tạp quá mức của cấu trúc dự đoán thời gian/inter-view sẽ tác động đến hiệu quả mã hóa (mặc dù các nghiên cứu được thực hiện theo hướng đơn giản hóa các giải thuật mà vẫn đảm bảo tỉ lệ nén).
Nhìn chung, vẫn còn nhiều vấn đề cần cải tiến trong mã hóa các định dạng stereoscopic và multi-view video.
2.3. Thu sóng truyền hình mặt đất.
Cấu trúc thu sóng của truyền hình mặt đất không thay đổi đáng kể trong 20 năm qua, việc phát triển và thu sóng truyền hình số mặt đất cũng dựa trên phương thức thu sóng analog bằng anten truyền thống. Thách thức chủ yếu có thể thấy là việc cấp phát băng tần phù hợp cho các dịch vụ quảng bá mặt đất trong hoạch định băng tần đã có. Nếu tỉ lệ dân số sử dụng việc thu sóng mặt đất chiếm số đông thì băng tần UHF (một phần hoặc toàn bộ) sẽ vẫn là băng tần chính được sử dụng để phát sóng quảng bá truyền hình mặt đất.
Mục tiêu chính của các phiên bản gần đây của các chuẩn hướng đến hỗ trợ khả năng thu sóng với mức tối thiểu sóng mang/nhiễu (C/N) có thể và khả năng phủ sóng của hệ thống.
Ở phía thu, xu hướng thu di động của các nội dung 3D được chú ý trong nhiều quốc gia (ví dụ: Hàn Quốc,…). Thế hệ đầu của các máy thu di động và hiển thị dựa trên T-DMB đã được cung cấp và sẵn sàng cho bước triển khai thương mại. Đồng thời, hiệu quả thu di động cho các nội dung 2D vẫn được duy trì như trước.
2.4. Trình diễn và hiển thị.
Hiển thị là bước cuối trong chuỗi 3DTV và là một trong những yếu tố quan trọng thuyết phục sự chấp nhận rộng rãi nội dung 3D của người dùng. Có nhiều cách thức để hiển thị nội dung 3D, tuy nhiên nhìn chung, có 4 loại hiển thị chính gồm: autostereoscopic, volumetric, holographic, và dựa trên ”head-mounted display”. Xem tài liệu [10] cho các mô tả chi tiết hơn về các loại hiển thị này.
3. Chuẩn DVB-T2.
Hình 1 trình bày sơ đồ khối của chuẩn DVB-T2.
 
3.1. Các định dạng ngõ vào và các stream.
Một trong những điểm mới của chuẩn DVB-T2 là hỗ trợ khả năng truyền các stream khác nhau của video, voice và dữ liệu như các stream độc lập với các thông số cài đặt riêng, điều này cho phép cấp phát dung lượng hệ thống tốt hơn. DVB-T2 hỗ trợ 4 khả năng ngõ vào. Bên cạnh dòng truyền MPEG TS, hệ thống hỗ trợ các định dạng dữ liệu với độ dài gói cố định và thay đổi: Generic Stream Encapsulation GSE, Generic Continuous Stream GCS, và Generic Fixed-length Packetized Stream (GFPS).
3.2. Điều chế và mã hóa.
DVB-T2 sử dụng điều chế OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), có các tùy chọn mode FFT lớn hơn so với DVB-T như 16K, 32K và bổ sung tùy chọn giản đồ chòm sao với mức điều chế QAM lớn (265-QAM) giúp gia tăng số bit truyền trên mỗi symbol và tăng dung lượng đường truyền cho hệ thống. Những đặc điểm này sẽ được khảo sát trong bài viết này nhằm tìm hiểu khả năng đáp ứng các yêu cầu về băng thông cho các nội dung 3D và HDTV.
Tương tự DVB-S2, DVB-T2 sử dụng mã sửa sai LDPC kết hợp với mã hóa BCH để tăng cường khả năng sửa lỗi cho modul FEC. DVB-T2 cũng hỗ trợ các mẫu pilot phân tán (scattered pilot patterns) với tùy chọn gia tăng số mẫu có sẵn có hỗ trợ tối đa dữ liệu payload theo kích thước FFT và khoảng bảo vệ (Guard Interval). Bài viết này cũng đề xuất việc lựa chọn các thông số điều chế và FEC dựa trên tốc độ bit yêu cầu và tối thiểu tỉ số sóng mang/nhiễu.
3.3. Các đường ống lớp vật lý (PLP Physical Layer Pipes).
Dữ liệu lớp vật lý DVB-T2 được phân chia hoàn toàn theo logic và gọi là các đường ống lớp vật lý PLP, mỗi PLP truyền tải một dòng stream dữ liệu với các đặc tính mã hóa và điều chế riêng biệt. Cấu trúc PLP được thiết kế linh hoạt nên có thể tùy chỉnh khả năng kháng nhiễu của tín hiệu và tăng dung lượng truyền tải dễ dàng. Với khái niệm PLP, các mode với mức độ kháng nhiễu khác nhau có thể được chọn tùy theo yêu cầu các dịch vụ cung cấp nhằm cải thiện hiệu suất và tính linh hoạt của hệ thống. Đặc điểm này cung cấp công cụ để hỗ trợ cả dịch vụ thu cố định và di động trên cùng kênh RF, với cấu hình cài đặt tương thích cho mỗi phương thức thu.
4. Các định dạng 3D cho truyền hình mặt đất.
Phần này mô tả các định dạng nội dung 3D được nghiên cứu hiện nay. Do không có không có qui chuẩn cụ thể từ đầu, nên có nhiều định dạng 3D được chấp nhận trong một thời gian dài như một số định dạng đã giới thiệu trong Mục 2. Các tùy chọn sử dụng trong bài viết này là theo các kỹ thuật stereoscopic hoặc autostereoscopic, nên hệ thống hiển thị đầu cuối yêu cầu phải có các ảnh trái và ảnh phải. Các hệ thống volumetric và holographic không được xét đến ở đây. Do đó, có 3 định dạng được khảo sát là:
- Frame Compatible 3D, còn được gọi là ”3D in 2D”,
- 2D + Enhancement Layer, còn được gọi là ”2D + Delta”,
- 3D + Enhancement Layer. Tương tự như cách gọi của 2 định dạng trên, định dạng này được gọi là ”3D in 2D + Enhancement”
Tất cả 3 tùy chọn này đều dựa trên các định dạng 2D HDTV. Tuy nhiên, tính tương thích của các định dạng này với hiển thị HDTV hiện có chỉ phù hợp với định dạng thứ hai là ”2D + Delta”, và còn phụ thuộc vào cách thức các dòng dữ liệu stream truyền tải định dạng này cùng hỗ trợ hiển thị ở máy thu.
4.1. 3D tương thích 2D (Frame Compatible 3D).
Cấu trúc của định dạng này được trình bày trong Hình 2. Video stereoscopic sẽ được truyền với độ phân giải của ảnh HDTV 2D. Nghĩa là số pixel và tốc độ frame của ảnh 3D được gói gọn trong độ phân giải ảnh HDTV 2D, nên nội dung 3D để nhúng được trong cấu trúc này sẽ bị giảm mẫu, dẫn đến chất lượng ảnh tạo ra bị suy giảm.
 
Định dạng này tương thích với các STB hiện có (các đầu thu DTV) nhưng yêu cầu phải có hỗ trợ hệ thống hiển thị để xem được ảnh 3D. Kết quả là định dạng này không thể tạo ảnh đạt được độ phân giải theo chất lượng HDTV thông thường.
4.2. 2D + Enhancement Layer.
 
4.3. 3D in 2D + Enhancement Layer.
Định dạng này hỗ trợ được cho các máy thu 3D thế hệ đầu chỉ có thể hiển thị nội dung 3D có độ phân giải hạn chế chỉ hiển thị ”3D in 2D” và các máy thu thế hệ sau hỗ trợ hiển thị 3D có độ phân giải ảnh cải tiến.
 
Với định dạng này, lớp cơ bản là nội dung 3D với định dạng ”3D in 2D” được sử dụng cho máy thu thế hệ đầu, lớp enhancement được máy thu thế hệ sau sử dụng để tạo ra ảnh 3D có độ phân giải đầy đủ. Hình 4 trình bày một giải pháp thực thi của định dạng này.
Lớp enhancement có kích thước đạt mức phân giải HDTV nên tốc độ bit cần cho lớp enhancement là đáng kể, nhưng thông thường vẫn kém hơn một nữa tốc độ bit cần cho lớp ảnh cơ bản: ”3D in 2D”.
5. Lựa chọn các thông số để khảo sát khả năng cung cấp dịch vụ.
Như đã nói, do không có qui chuẩn ban đầu nên có nhiều giải pháp ứng dụng các kỹ thuật cơ sở (gồm các định dạng, kỹ thuật hiển thị, mã hóa) cho phát sóng quảng bá mặt đất nội dung 3D. Để giới hạn, phần này sẽ cố gắng đưa ra một số điều kiện ”biên” phục vụ cho việc khảo sát trong bài viết này. Các điều kiện ”biên” gồm phương thức thu (cố định, xách tay, di động), các yêu cầu tương thích ngược với các máy thu DVB-T2 hiện có (đồng thời các dịch vụ HDTV & 3D), các yêu cầu về chất lượng nội dung (cấp phát tốc độ bit cho mỗi nội dung HDTV & 3D), các vùng phủ sóng dịch vụ và yêu cầu tối thiểu về cường độ trường. Trong khuôn khổ bài viết này, các mô hình kinh doanh kết hợp với phương án cung cấp dịch vụ được bỏ qua, chỉ có các yêu cầu về kỹ thuật, những ràng buộc, và cấu trúc cơ bản hệ thống được quan tâm khảo sát.
5.1. Về các phương thức thu.
Hai loại máy thu được quan tâm đầu tiên là thu cố định và thu xách tay ngoài trời. Thu di động và thu xách tay trong nhà đang trong giai đoạn phát triển. Thực tế, phương thức thu ngoài trời xách tay được xem như phương thức trung gian cho triển khai phương thức thu di động và trong nhà ứng với yêu cầu chặt chẽ hơn về hạ tầng DVB-T2 hoặc bổ sung các tính năng khác (chuẩn DVB-NGH trong tương lai).
Trong trường hợp thu cố định, thường được hiểu là thu bằng anten định hướng gắn trên nóc nhà, các vùng phủ sóng mục tiêu trong giai đoạn đầu là các vùng đô thị. Ở phía thu, hạ tầng hiện có cho thu sóng cố định được xem là không đổi. Các hệ thống thu TV trong nhà (SMATV) hoặc thu RF của thị trường STB 3D trong thời gian gần có thể không có nhiều cải tiến mang tính đột phá, tuy nhiên chúng vẫn sẽ tác động đến việc lựa chọn mode DVB-T2, các yêu cầu C/N và vùng phủ sóng.
Việc thu xách tay được khảo sát với anten vô hướng ở độ cao 1.5m so với mặt đất, một số máy thu xách tay ở giai đoạn chuẩn bị cho thương mại đã sẵn có ở một số quốc gia như Hàn Quốc.
5.2. Về các loại dịch vụ và tốc độ bit yêu cầu.
3 loại dịch vụ được quan tâm trong bài viết này: dịch vụ 2D HD, dịch vụ 3D (có độ phân giải đầy đủ hoặc giảm một nữa) và dịch vụ 3D cho các máy thu xách tay.
Có 3 định dạng có thể dùng để phân phối các nội dung HD: 1280×720 quét liên tục (720p), 1920×1080 quét xen kẽ (1080i), và 1920×1080 quét liên tục (1080p). Hiện nay, 2 tùy chọn đầu được khuyến cáo sử dụng bởi nhiều quốc gia và các tập đoàn khác nhau. Khảo sát đã công bố [8] so sánh chất lượng của mỗi định dạng theo các nội dung và mã hóa khác nhau (MPEG 4/AVC và MPEG-2). Kết quả cho thấy là định dạng 720p được đánh giá đạt hiệu suất tốt hơn (về tốc độ bit) so với 1080i (tốc độ bit lên đến 13 Mbps), và định dạng 1080p đạt chất lượng tốt nhất nhưng tốc độ bit chỉ tăng thêm 30%-50% (ứng với mã hóa MPEG-4/AVC được sử dụng trong tất cả các trường hợp khảo sát).
Trên cơ sở các tham chiếu trên và các dịch vụ HDTV hiện đang phát sóng (trên các phương thức mặt đất, cáp và vệ tinh), Bảng 1 tổng hợp các tốc độ bit yêu cầu.
 
Các giá trị tốc độ bit HDTV thay đổi từ 6 đến 18 Mbps có thể thấy trong một số thông báo kỹ thuật tùy thuộc vào chất lượng hình ảnh và hạ tầng phân phối (mặt đất, cáp, và vệ tinh). Các giá trị chọn để khảo sát trong bài viết này dựa trên kết quả tổng hợp từ các tham khảo được công bố gần đây, bao gồm cả dự đoán trong thời gian từ 5-7 năm. Các tốc độ bit này được kỳ vọng sẽ giảm xuống khi dùng ghép kênh thống kê và thông qua các cải tiến về kỹ thuật mã hóa trong tương lai.
Các cải tiến trong kỹ thuật mã hóa hiện tập trung vào hai hướng chính: MVC (Multiview Video Coding) nhắm đến ứng dụng vào mã hóa video cho các ứng dụng 3D và bộ mã video thế hệ kế tiếp (Next Generation Video gọi là H.266 hoặc H.NGVC) hướng đến cải tiến 100% hiệu quả mã hóa so với H.264. Tuy vậy, việc chuẩn hóa các bộ mã này sẽ chưa thể đạt được trong thời gian gần.
Tốc độ bit yêu cầu kết hợp các dịch vụ 3D sẽ phụ thuộc vào các định dạng mô tả trong Mục 2 và Mục 4 cùng mã hóa sử dụng (như MPEG-4/AVC cho ảnh 2D). Thực tế, lớp cơ sở của các định dạng xét đến trong bài viết này luôn luôn dựa trên các ảnh 2D (”3D in 2D”) hoặc các frame 2D phẳng (”2D+Delta”), riêng lớp enhancement của các định dạng ”2D+Delta” và ”3D in 2D + Enhancement” có tốc độ bit yêu cầu phụ thuộc công cụ mã hóa. Bảng 2 trình bày các tốc độ bit xét đến trong bài viết này.
 
Trong trường hợp các máy thu xách tay, tùy chọn ”3D in 2D + Enhancement” không sử dụng do yêu cầu chất lượng ứng với giảm kích thước hiển thị có nhiều điểm khác biệt. Các tốc độ bit khác cho các dịch vụ di động 3D đang được nghiên cứu ở Hàn Quốc và Châu Âu đã đề xuất sử dụng các tốc độ bit từ 512 Kbps đến hơn 1Mbps tùy theo nội dung và các tùy chọn chất lượng. Bài viết này giả sử một stream là 0.75 Mbps cho mỗi dịch vụ di động.
6. Các kết quả khảo sát.
Phần này trình bày 2 khảo sát về khả năng triển khi tối đa các nội dung 3D trên mạng truyền dẫn mặt đất. Mục đích là cho thấy được khả năng cung cấp dịch vụ của chuẩn DVB-T2 có xét đến các vần đề về: tương thích với các máy thu HDTV hiện tại và hạ tầng quảng bá mặt đất hiện có.
6.1. Các giả định khi triển khai.
Vấn đề đầu tiên xét đến là khả năng thương thích cùng mức độ phổ cập của các dịch vụ 2D hiện có. Ở thời điểm phát triển nội dung 3D trong một số khu vực (quốc gia), dịch vụ HDTV vẫn cho thấy là loại nội dung nổi bật. Có 2 cách để triển khai các dịch vụ 3D trong khi vẫn duy trì sự phổ cập của các dịch vụ 2D. Cách thứ nhất là trộn (ghép kênh) các nội dung HDTV và 3D để phân phối trên cùng hạ tầng (trên cùng một tín hiệu DVB-T2). Cách thứ 2 là dùng các tín hiệu RF riêng, nghĩa là có một số kênh RF UHF sử dụng cho cung cấp các dịch vụ HD và một số khác dùng cho cung cấp các dịch vụ 3D. Theo quan điểm này, sự thành công của mỗi cách thức hay đồng thời cả hai cách phụ thuộc vào mô hình kinh doanh và chính sách sử dụng phổ ở khu vục nơi những dịch vụ này được cung cấp.
Hai cách thức triển khai cung cấp dịch vụ này không bị ảnh hưởng trong trường hợp ở những khu vực mà việc cung cấp các dịch vụ 2D SD (Standard Definition) vẫn còn duy trì hoặc duy trì trong thời gian ngắn. Việc cung cấp các chương trình SD có thể xem là một trường hợp bao gồm trong trường hợp cung cấp nội dung 2D HD. Tất nhiên, nếu các chương trình 2D SD được cung cấp nhiều thay vì 2D HD thì dung lượng dành cho nội dung 3D sẽ được gia tăng.
Vấn đề thứ hai liên quan đến hoạch định phổ tần. Bài viết này giả sử đơn vị hoạch định kênh là một kênh RF trong băng tần UHF. Với giả định này, việc lựa chọn phân phối các dịch vụ khác nhau được thiết kế dựa trên sự linh hoạt của PLP trong DVB-T2. Chuẩn này còn có thêm công cụ giúp tăng cường sự linh hoạt là: các khung mở rộng trong tương lai (Future Extension Frames) nếu có các yêu cầu từ các kỹ thuật ghép kênh, mã kênh, điều chế mới (ví dụ thêm khả năng MINO cho thu sóng di động).
Đặc biệt, khi xét đến khả năng cân bằng giữa các dịch vụ 3D cung cấp cho thu cố định và di động, bài viết này giả định người dùng cố định chiếm phần lớn lượng khán giả và các thiết bị thu xách tay là mục tiêu thứ cấp, ít nhất là trong giai đoạn triển khai ban đầu. Điều này có nghĩa là khi ghép kênh các nội dung dành cho thu cố định và thu xách tay sẽ được ưu tiên, nhưng hạn chế dung lượng dành cho các nội dung di động.
Bài viết cũng giả định trong trường hợp thu cố định, vùng phủ sóng mục tiêu trong giai đoạn đầu sẽ là vùng thành thị. Với quốc gia đã hoàn thành việc chuyển đổi phát sóng tương tự sang số thì vùng dịch vụ cho truyền hình số phủ gần đạt 100% dân cư trong các thành phố chính. Khảo sát trong phần này sẽ duy trì mục tiêu này nghĩa là cấu trúc mạng phát sóng mặt đất đáp ứng được các yêu cầu tương tự (ít nhất là về số lượng máy phát và các thông số bức xạ). Nếu tỉ lệ phần trăm phủ sóng là tương tự với cấu trúc mạng giả định, thì trong hầu hết trường hợp ngưỡng thu sóng không có quá nhiều khác biệt so với các ngưỡng thu DTV đang sử dụng. Trong các quốc gia đã chấp nhận chuẩn DVB, có nhiều cấu hình hệ thống mạng phát sóng khác nhau đang được sử dụng. Theo đó, yêu cầu tối thiểu về C/N là khoảng 17 dB, và giá trị này được sử dụng cho mục tiêu tham chiếu. Các mode khảo sát có yêu cầu về C/N tối thiểu từ 17 đến 23 dB.
6.2. Trường hợp cung cấp các dịch vụ 2D và 3D.
Kịch bản thứ nhất là khi một kênh UHF RF truyền tải trộn lẫn (ghép kênh) cả nội dung HD 2D và 3D với ”trọng số” khác nhau phụ thuộc vào sức hút của các dịch vụ 3D. Vấn đề của tình huống này là ở giai đoạn đầu khi cung cấp các nội dung 3D thì phần lớn các STB không hỗ trợ các dịch vụ 3D. Tuy nhiên, điểm mạnh là khi sử dụng cùng nguồn tài nguyên RF để phân phối HD và 3D thì quá trình chuyển một phần dung lượng sang cung cấp dịch vụ 3D không gây xáo trộn lớn đến người dùng dịch vụ 2D và nó cũng linh hoạt khi thiết kế ghép kênh các loại nội dung, hình 5.
 
Có hai lựa chọn ghép kênh, lựa chọn đầu tiên là giữ số lượng cố định các chương trình trong các PLP của tín hiệu phát sóng. Lựa chọn thứ hai là số chương trình động, nghĩa là số dịch vụ HD và 3D thay đổi phụ thuộc vào nội dung (phim, thể thao, tin tức) và các thời điểm trong ngày. Trong cả hai trường hợp, yêu cầu chung là phải có sự tương thích với khán giả HD hiện có, thường thì phải luôn có một nhóm tối thiểu của các chương trình HD trong bộ ghép kênh.
Việc giới hạn loại dịch vụ HD hoặc 3D là tùy thuộc vào chính sách của nhà cung cấp. Trong trường hợp HD, các cải tiến trong mã hóa video cho thấy định dạng video sẽ chiếm ưu thế trong tương lai là 1080p. Trong trường hợp của 3D, không phải tất cả 3 định dạng đã giới thiệu trong phần trên sẽ đều được quan tâm. Một lưu ý là trong giai đoạn khởi động của việc triển khai cung cấp các dịch vụ 3D thì chỉ có các định dạng ”3D in 2D” và ”2D + Delta” được chọn. Vấn đề này không liên quan đến khả năng kháng nhiễu (độ mạnh của sóng) khi phủ sóng các dịch vụ HD và 3D. Việc sử dụng cùng PLP để phân phối các dịch vụ HD và 3D, hoặc cung cấp các dịch vụ này tách biệt mỗi loại trên riêng các PLP không có sự khác biệt đáng kể về thiết kế phổ tần, mà khác biệt chính là về vấn đề quản lý tín hiệu và thói quen sử dụng của người dùng DVB-T2 hiện tại trước khi phát triển các dịch vụ 3D.
Một số cấu hình tín hiệu DVB-T2 dựa trên việc tùy chọn nhóm các mode trình bày trong Bảng 3.
 
Liên quan đến mỗi mode, các tốc độ bit hữu dụng được cấp phát sẵn cho tập các nội dung HD và 3D. Các kết quả được tổng kết trong Hình 6: cấu hình chọn có thể được nghiên cứu trong 3 nhóm; các cột trình bày các kết hợp khác nhau của các dịch vụ 2D (720p, 1080i, 1080p), và 3D (2D+Delta, 3D in 2D). Các tốc độ bit yêu cầu để cấp phát cho dải lựa chọn này là từ 31.6 đến 47.6 Mbps. Giải pháp tốt nhất là cung cấp 4 chương trình HD và một chương trình ”2D+Delta”. Trong trường hợp dùng các nội dung 2D là 1080i và 1080p thì số dịch vụ sẽ giảm đi, và giải pháp tốt nhất về dung lượng được giới hạn bởi 3 dịch vụ HD cộng một dịch vụ 3D.
Các giá trị cường độ trường tối thiểu được cho trong Bảng 4 với phổ tần khảo sát là phổ tần đầu tiên của UHF IV. Các giá trị được lấy dựa trên tài liệu hướng dẫn của DVB [9] và dùng các giá trị C/N yêu cầu tối thiểu trong Bảng 3 với giả sử là vùng phủ sóng đạt 95% các địa điểm.  

 
6.3. Trường hợp kênh DVB-T2 chỉ cung cấp các dịch vụ 3D.
Đơn vị hoạch định kênh cho trường hợp này cũng là một kênh RF (DVB-T2). Trường hợp này sẽ không yêu cầu về tương thích với các nội dung HD, toàn bộ dung lượng truyền dẫn của tín hiệu RF sẽ dành để truyền các dịch vụ 3D. Kịch bản này giả sử có đủ phổ quảng bá dành riêng cho các chương trình 3D. Khi đó, có thể dành một lượng dung lượng truyền tải của hệ thống cho các dịch vụ 3D di động. Nội dung cho người dùng di động được ghép kênh trong một PLP khác nhằm gia tăng khả năng kháng nhiễu tín hiệu thông qua cài đặt các thông số đều chế và mã hóa riêng.
Trường hợp này có thể ứng dụng để phân phối bất kỳ 3 định dạng 3D. Tuy nhiên, khả năng tương thích với các máy thu 2D là hạn chế. Định dạng ”3D in 2D” có thể ứng dụng phù hợp cho cả thu di động và cố định, và mỗi phương pháp thu sẽ có các thông số điều chế và mã hóa khác nhau. Định dạng ”3D in 2D + Enhancement” có thể xem như là giải pháp có thể cung cấp nội dung 3D với độ phân giải đầy đủ, và thường chỉ dược dùng cho thu cố định. Việc giảm kích thước và độ phân giải của định dạng ”3D in 2D” có thể phù hợp với các thiết bị xách tay.
Việc lựa chọn các mode phát sóng phải đồng thời với chọn phương thức thu di động và cố định. Theo đó, xu hướng mạng đơn tần được xét đến để giới thiệu các thực nghiệm cụ thể. Trong trường hợp sử dụng mạng đa tần MFN thì tốc độ bit sẵn có sẽ được gia tăng.
Các đặc tính kỹ thuật ứng dụng cho thu cố định giống như trong trường hợp đã trình bày ở trên. Ngưỡng tham chiếu C/N là 17 dB và ngưỡng tùy theo các mode có thể nâng lên đến 22.3 dB. Trong trường hợp các dịch vụ di động, ngưỡng C/N được cài đặt từ 7 đến 10 dB. Khi tính toán tốc độ bit và ước tính số dịch vụ phân phối cho thu cố định và di động, sự ưu tiên luôn tập trung cho thu cố định và dành riêng tốc độ bit khoảng 2-3 Mbps cho các dịch vụ di động. Hình 7 trình bày một số phương án kết hợp các dịch vụ đề xuất ứng với các mode. Dải tốc độ bit yêu cầu trong trường hợp này là từ 16-34 Mbps và được cấp phát trong hai PLP riêng biệt, mỗi PLP có các tùy chọn riêng. Hầu hết các phương án dùng một PLP truyền tải các dịch vụ cố định sử dụng điều chế 256 QAM, các dịch vụ di động có thể truyền trên một PLP dùng điều chế QPSK hoặc 16 QAM, phụ thuộc ngưỡng C/N (xấp xỉ từ 7-10 dB).
 

 Bảng 6 tổng hợp các dịch vụ 3D có thể phân phối trong một kênh RF (toàn bộ nội dung là 3D). Phương án tốt nhất bao gồm hai chương trình 3D với độ phân giải đầy đủ và một dịch vụ di động. Điều chế khuyến cáo cho thu di động là dùng điều chế QPSK. Mode dùng điều chế này có thể được sử dụng cho bất kỳ phương án thu di động nào và cho khả năng thu tốt nhất. Các giá trị về độ mạnh cường độ trường cũng được giới thiệu trong bảng này. Giá trị đề xuất cho thu cố định là trong khoảng 50-60 dBBBV/m (tương tự với trường hợp truyền dẫn trộn các dịch vụ HD và 3D), trong khi mode thu di động sẽ yêu cầu giá trị cao hơn và phụ thuộc vào yêu cầu về tỉ lệ vùng phủ sóng. Yêu cầu này dẫn đến phải thiết kế mạng quảng bá có mật độ dày mới đạt được mục tiêu phủ sóng 100% người dùng.
7. Kết luận.
Bài viết này giới thiệu các khảo sát về khả năng cung cấp các dịch vụ 3D của chuẩn DVB-T2. Các định dạng 3D lựa chọn khảo sát là ”3D in 2D”, ”2D+Delta” và ”3D in 2D + Enhancement”. Mỗi định dạng có ưu điểm và các vấn đề tồn tại về độ phân giải, khả năng tương thích với máy thu 2D hiện có, độ phức tạp khi mã hóa video…
Khảo sát thứ nhất ứng với việc cung cấp đồng thời các dịch vụ HDTV và 3D trên cùng một phổ tần theo chuẩn DVB-T2. Theo đó, một tập các cấu hình HDTV (định dạng và tốc độ bit) đã được giới thiệu. Với mỗi định dạng nội dung và tốc độ bit được thiết lập, khảo sát đã thực hiện phân phối đồng thời các dịch vụ 3D và HDTV cho máy thu cố định trong cùng ghép kênh và đề xuất các mode DVB-T2 lựa chọn cùng một số thông số đã được mô tả. Cụ thể, chuẩn DVB-T ứng dụng cho một kênh RF có thể phân phối từ 1 đến 4 chương trình HDTV và từ 1 đến 2 chương trình 3D nếu dùng mode 32K, 256 QAM. Các mode khảo sát cũng đưa ra các ngưỡng C/N là khoảng 17 dB (trừ hai trường hợp hỗ trợ tốc độ bit cao gần 50 Mbps yêu cầu ngưỡng C/N 22.3 dB).
Khảo sát thứ hai loại bỏ được các ràng buộc về khả năng tương thích với máy thu 2D. Trong trường hợp này, toàn bộ dung lượng của phổ tần kênh DVB-T2 được sử dụng để phân phối các chương trình 3D và các định dạng ảnh quan tâm là ”3D in 2D” (có thể xem như độ phân giải chuẩn 3D) và ”3D in 2D + Enhancement” (xem như 3D có độ phân giải cao). Khảo sát này cũng xét đến khả năng cung cấp các dịch vụ di động 3D trên cùng phổ tần kênh DVB-T2, và được truyền tải trong một PLP có các thông số cài đặt riêng giúp tăng cường khả năng thu tín hiệu. Số chương trình 3D có thể cung cấp trong khảo sát này là 1 hoặc 2 cho thu cố định (phụ thuộc định dạng ảnh chọn) và 1 hoặc 2 cho thu di động.
Các kết quả khảo sát cho thấy chuẩn DVB-T2 đủ linh hoạt để truyền dẫn cả dịch vụ HD và 3D và có thể cấu hình hệ thống phù hợp cho nhiều phương án triển khai khác nhau. Tuy nhiên, các khảo sát này chỉ mới tập trung vào phần kỹ thuật mà chưa xét đến các mô hình kinh doanh có liên quan, là một trong những yếu tố cũng đặc biệt quan trọng để triển khai thành công một mạng phát sóng thương mại.
Tài liệu tham khảo:
[1]. Javier Morgade, Alex Usandizaga, Pablo Algeria,,David de la Vega, Amaia Arrinda, Manuel Vélez, Juan Luis Ordiales, ”3DTV Roll-Out Scenarios: A DVB-T2 Approach”, IEEE TRANSACTIONS ON BROADCASTING, VOL. 57, NO. 2, JUNE 2011
[2]. E. Stoykova, A. Alatan, P.Benzie, N. Grammalidis, S. Malassiotis, J. Ostermann, S. Piekh, V. Sainov, C. Theobalt, T. Thevar, X. Zabulis, ”3-D Time-Varying Scene Capture Technologies A survey”, IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, vol.17, n.11, Nov. 2007.
[3]. O. Grau, V. Vinayagamoorthy, ”Stereoscopic 3D sports content without stereo rigs”, Research White Paper, WHP180, BBC, Nov. 2009.
[4]. A. Kolb, E. Barth, R. Koch, ”ToF-Sensors: New Dimensions for Realism and Interactivity”, IEEE Conf. on Computer Vision and Pattern Recognition Workshops, 2008.
[5]. A. Redert et al., ”Advanced three-dimensional television system technologies,” 3D Data Processing Visualization and Transmission, 2002. Proceedings. First International Symposium on, pp. 313333319, 2002.
[6]. A. Frick, F. Kellner, B. Bartczak, R. Koch, ”Generation of 3D-TV LDVContent with the Time of Flight Camera”, 3DTV Conference 2009 (3DTV-CON), May 2009, pp. 1-4.
[7]. i3DLive: interactive 3D methods for live-action media project, 2009-2011, http://www.bbc.co.uk/rd/projects/2009/10/i3dlive.shtml
[8]. H. Hoffmann, T. Itagaki,, David Wood, and Alois Bock, ”Studies on the Bit Rate Requirements for a HDTV Format With 1920 1080 pixel Resolution, Progressive Scanning at 50 Hz Frame Rate Targeting Large Flat Panel Displays”, IEEE Transactions on Broadcasting, vol.52, n.4, Dec. 2006
[9]. ”Digital Video Broadcasting (DVB); DVB-H Implementation guidelines”, DVB Document A09r3, April 2009
[10]. L. Onural, T. Sikora, J. Ostermann, A. Smolic, M.R. Civanlar, J.Watson, ”An Assessment of 3DTV Technologies”, NAB BEC Proccedings, 2006, pp. 456-467.
Theo Khoa học Kỹ thuật Truyền hình – Số 2/2012

0 nhận xét:

Đăng nhận xét