Các giải pháp nâng cao chất lượng truyền dẫn hình ảnh qua vệ tinh

Một trong những giải pháp để đảm bảo chất lượng dịch vụ là nâng cao chất lượng truyền dẫn hình ảnh với hệ thống phát sóng theo chuẩn hiện đại nhất, tối ưu hóa việc thuê dung lượng truyền dẫn vệ tinh theo hướng mở, thuận tiện khi tăng số lượng kênh chương trình, có khả năng liên kết với các đối tác khác trong việc bổ sung, nâng cấp thiết bị và khai thác hệ thống.

Bài toán truyền dẫn tín hiệu hình ảnh và âm thanh với chất lượng cao luôn là vấn đề trung tâm của ngành truyền hình nói chung cũng như việc truyền dẫn hình ảnh qua vệ tinh nói riêng.

Hằng năm, trên thế giới các công ty và viện nghiên cứu đầu tư hàng tỷ đô la cho việc nghiên cứu các thuật toán và cách xử lý ảnh, ảnh động và âm thanh. Trong đó bài toán quan trọng nhất, có giá trị kinh tế lớn nhất là bài toán nén hình ảnh động vừa đủ để đảm bảo việc suy giảm chất lượng ít nhất (lossy compression) nhưng tiết kiệm băng thông nhất.

Với cùng mức chất lượng hình ảnh, bộ nén (video encoder) nào nén dòng video tới băng thông nhỏ nhất là tốt nhất. Tỷ số nén này là tham số quyết định khi lựa chọn các bộ nén hình ảnh trong các Hệ thống xử lý tín hiệu trung tâm (head end) đặc biệt với các mạng truyền hình có băng thông giới hạn và đắt đỏ như truyền hình vệ tinh hoặc truyền hình số mặt đất.

Với truyền hình cáp, yêu cầu này ít khắt khe do băng thông trong cáp được dành riêng và lớn hơn nhiều so với các kênh truyền dẫn vô tuyến. Ngoài ra một số tham số khác cũng cần tính đến như độ trễ khi nén vì chúng có tác động đến trải nghiệm người xem nhất là trong các sự kiện thể thao.

Các thuật toán nén được nghiên cứu và ứng dụng vào thực tế thông qua các qua trình chuẩn hóa thành các chuẩn nén MPEG2, MPEG4, H264, HEVC (H265)… Các tiêu chuẩn này được định nghĩa bởi các tổ chức MPEG và ITU-T nhằm đảm bảo cập nhật các kết quả nghiên cứu mới về nén hình ảnh đồng thời đảm bảo tính tương thích khi tích hợp thiết bị của nhiều nhà sản xuất khác nhau từ trung tâm đến thiết bị đầu cuối, từ nhà cung cấp các bộ nén đến nhà chế tạo các chíp giải mã.

Trong thời đại Internet hiện nay, các bộ tiêu chuẩn nén vẫn đang tiếp tục được phát triển và chuẩn hóa cùng sự tham gia của nhưng người chơi mới như Google với tiêu chuẩn VP9 dùng cho dịch vụ Youtube.

Các thuật toán nén hình ảnh đòi hỏi việc xử lý khối lượng lớn thông tin theo thời gian thực, vì vậy, trước đây các bộ nén thương mại cao cấp tại các trung tâm truyền dẫn thường dùng các mạch cứng chuyên dụng (ASIC) hoặc các mạch cứng lập trình được (FPGA) mới đảm bảo đủ hiệu năng xử lý.

Tuy nhiên, gần đây hiệu năng của các chíp đa năng đã phát triển đến mức phần mềm chạy trên các chíp đa năng đã có thể đảm nhiệm được các tác vụ này. Điều này dẫn đến sự đa dạng trong việc thực hiện giải pháp nén trong thời gian vừa qua.

Trên thị trường, có những hãng chế tạo bộ nén vẫn sử dụng chip ASIC như Ericsson (Tandberg), có hãng sử dụng các card đồ họa như Elemental, có hãng sử dụng hoàn toàn phần mềm nhưng trên phần cứng với các chíp đa năng nhưng dùng các công nghệ tối ưu của máy chủ và siêu máy tính Harmonic và Ateme.

Để đảm bảo lựa chọn được giải pháp chất lượng hình ảnh tốt nhất với khả năng nén băng thông nhỏ nhất, đội ngũ kỹ sư và nghiên cứu viên giàu kinh nghiệm của Công ty VTC Dịch vụ Truyền hình số (VTC Digital) và Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ thuộc Tổng công ty VTC đã thiết lập thí nghiệm và đo kiểm (shoot-out test) trên thiết bị với các cách tiếp cận khác nhau: ASIC, card đồ họa, phần mềm …

Sau khi kiểm tra với các định dạng video với nhiều loại video: thể thao, phong cảnh, tĩnh vật… và với các độ phân giải khác nhau: SD, HD, UHD (4K), nhóm kỹ thuật Tổng công ty VTC nhận thấy các giải pháp trên cơ sở phần mềm đã đáp ứng được hiệu năng xử lý video đến độ phân giải HD (1080p) và UHD (4K, 60fps).

Ưu điểm của các giải pháp phần mềm là có thể nâng cấp thường xuyên các bản cập nhập theo lộ trình phát triển của các hãng, trong khi đó các giải pháp dùng phần cứng ASIC chỉ được nâng cấp đáng kể sau mỗi chu kỳ phát triển của dòng chíp. Tuy các giải pháp trên cơ sở chíp ASIC có lợi thế về độ trễ nén nhỏ nhưng các giải pháp trên cơ sở phần mềm cũng đã tiệm cận mức này.

Các giải pháp dùng FPGA hay card đồ họa (Nvidia, AMD…) về nguyên tắc sẽ có thể tiết kiệm chi phí phần cứng nhưng lại làm tăng nguồn lực cho việc phát triển hệ thống phức tạp kết hợp cả phần cứng và phần mềm. Trong khi đó, số lượng các hệ thống chuyên dụng triển khai tại các trung tâm là không lớn, chi phí phần cứng sẽ nhỏ so với chi phí nghiên cứu phát triển. Thực tế cho thấy các giải pháp dùng FPGA hay card đồ họa cũng không có chi phí thấp hơn.

Sau khi nghiên cứu và kiểm tra kỹ các hướng giải pháp, đội ngũ kỹ thuật Tổng Công ty VTC đã lựa chọn thành công giải pháp trên cơ sở phần mềm. Giải pháp này đã được triển khai thực tế với việc tối ưu các tham số nén ghép kênh động (StartMux), hệ thống xử lý tín hiệu trung tâm mới đã tối ưu hóa được một tỷ lệ khá lớn băng thông so với hệ thống cũ trong khi chất lượng hình ảnh, âm thanh vẫn được nâng cao rõ rệt.

Do đặc tính mềm dẻo dễ nâng cấp, giải pháp trên cơ sở phần mềm và phần cứng đa dụng còn đảm bảo trung tâm xử lý hình ảnh của VTC cung cấp luồng video đa tốc độ (multi-bitrate) dùng cho việc truyền video qua môi trường Intenet (OTT) khi hệ thống sử dụng công nghệ biến đổi tốc độ (adaptive bitrate) theo băng thông. Khi áp dụng cho OTT, hệ thống nén đảm bảo cả nén theo thời gian thực (on-line) và nén không theo thời gian thực (off-line) nhưng khi đó có các tham số nén sẽ đạt mức tốt hơn.

Giải pháp trên cơ sở phần mềm cũng sẵn sàng cho nén dòng video độ phân giải 4K (UHD), cũng như các tiêu chuẩn nén H.265, VP9 sẽ áp dụng trong các dịch vụ tương lai của Tổng công ty VTC. Hệ thống xử lý tín hiệu trung tâm mới cũng đảm bảo các yêu cầu về bảo mật, tính tương thích và khả năng giám sát theo tiêu chuẩn hiện đại. Năng lực hiện tại của hệ thống đảm bảo đủ khả năng xử lý 48 kênh HD và 140 SD đồng thời và luôn có khả năng mở rộng theo yêu cầu.

Việc ứng dụng thành công giải pháp qua Hệ thống xử lý tín hiệu trung tâm mới đã nhận được sự ủng hộ tích cực và tin tưởng từ các đối tác sử dụng dịch vụ truyền dẫn kênh truyền hình là các đài truyền hình tỉnh và các công ty truyền thông cũng như khách hàng sử dụng dịch vụ truyền hình trả tiền của VTC.

Hệ thống xử lý tín hiệu trung tâm mới của Tổng công ty VTC

Hệ thống có khả năng xử lý đồng thời lên tới 48 kênh HD và 140 SD, và luôn sẵn sàng mở rộng theo yêu cầu

Liên quan đến nỗ lực và cam kết đảm bảo chất lượng dịch vụ dành cho khách hàng, đội ngũ kỹ thuật VTC Digital cũng đã đề xuất và triển khai thành công phương án thiết lập trạm phát sóng dự phòng tại tỉnh Ninh Thuận với mục đích cải thiện chất lượng tín hiệu nói chung, chất lượng hình ảnh nói riêng.

Một điểm hạn chế của truyền hình vệ tinh băng Ku so với các loại loại hình truyền dẫn khác là bị ảnh hưởng bởi thời tiết mưa lớn hoặc mây mù dày đặc. Khi có ảnh hưởng suy hao do thời tiết, giải pháp thường được dùng là tăng cường công suất phát tại trạm mặt đất cho đường phát lên (uplink). Tuy nhiên, giải pháp này cũng không hoàn toàn khắc phục được trong mọi điều kiện thời tiết. Tỷ lệ lỗi bít (BER) vẫn tăng mạnh khi có thời tiết bất lợi dẫn đến hiện tượng vỡ hình ảnh tại đầu thu trong khi thời tiết tại điểm thu vẫn đang tốt.

Với điều kiện tự nhiên đặc trưng là tỉnh có lượng mưa ít nhất Việt Nam (khoảng 700-800mm/năm), thời điểm mùa mưa khác với các tỉnh miền bắc, vì vậy 2 trạm phát ở Hà Nội và Ninh Thuận dự phòng cho nhau là mô hình tối ưu cho việc phát sóng của truyền hình vệ tinh VTC. Đây được xem là phương án thực sự hiệu quả với chi phí truyền dẫn tín hiệu hợp lý, chất lượng dịch vụ của VTC đã được cải thiện rõ rệt, đảm bảo thực hiện các cam kết với đối tác và khách hàng.

Trạm phát sóng dự phòng của VTC tại Ninh Thuận

Để đáp ứng yêu cầu nhiệm vụ, trong bối cảnh công nghệ phát triển nhanh và mạnh chưa từng thấy, hướng tới cuộc cách mạng công nghệ 4.0, đội ngũ kỹ thuật VTC Digital đã và đang không ngừng nghiên cứu, sáng tạo, tìm tòi các giải pháp mới hiệu quả, tối ưu quy trình, góp phần bảo đảm chất lượng dịch vụ cung cấp đến đối tác và khách hàng theo đúng phương châm “Hợp tác, tôn trọng, trách nhiệm cao, bảo đảm chất lượng dịch vụ”.