TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BÁO CÁO MÔN HỌC XỬ LÝ ẢNH Giảng viên hướng dẫn ThS PHẠM TRỌNG TUẤN Đề tài Tìm hiểu, khảo sát và xây dựng ứng dụng thử nghiệm của chuẩn nén ảnh JPEG Nhóm thực hiện Nhóm 1 Thành viên 1 Phùng Xuân Nghĩa 2 Phạm Văn Tài 3 Phạm Đức Trọng 4 Tạ Quang Vinh 5 Vũ Minh Phúc Hà Nội, tháng 10 năm 2021 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 3 I TỔNG QUAN NÉN ẢNH JPEG 4 1 Công nghệ JPEG 4 2 Nguyên lý chuẩn nén JPEG 5 2 1 Chuyển ảnh thành khối 8x8 7 2 2 Biến đổi DCT 8 2 2 1 Biến.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BÁO CÁO MÔN HỌC XỬ LÝ ẢNH Giảng viên hướng dẫn : ThS PHẠM TRỌNG TUẤN Đề tài : Tìm hiểu, khảo sát xây dựng ứng dụng thử nghiệm chuẩn nén ảnh JPEG Nhóm thực : Nhóm Thành viên : Phùng Xuân Nghĩa Phạm Văn Tài Phạm Đức Trọng Tạ Quang Vinh Vũ Minh Phúc Hà Nội, tháng 10 năm 2021 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Hiện nay, mạng Inernet nói riêng thành tựu lĩnh vực cơng nghệ thơng tin nói chung tiếp tục mở rộng phát triển nhanh chóng, đạt dấu mốc quan trọng Song hàng với phát triển đó, khái niệm, quy chuẩn, đối tượng tài nguyên đời nhằm phục vụ tốt cho nhu cầu người Hơn nữa, thành cơng lồi người công khai phá tri thức Khi việc sử dụng phụ thuộc vào máy tính tiếp tục phát triển, nhu cầu cách hiệu để lưu trữ lượng lớn liệu Ví dụ: người có trang web danh mục trực tuyến - sử dụng hàng chục có lẽ hàng trăm hình ảnh - nhiều khả cần sử dụng số hình thức nén hình ảnh để lưu trữ hình ảnh Điều số lượng không gian cần thiết để giữ hình ảnh khơng thay đổi lớn chi phí May mắn thay, có số phương pháp nén hình ảnh có sẵn ngày hơm Chúng rơi vào hai loại chung: nén hình ảnh lossless lossy Quá trình JPEG hình thức nén hình ảnh lossy sử dụng rộng rãi tập trung xung quanh biến đổi Cosine rời rạc Trong suốt trình thực đề tài này, nhóm nỗ lực tìm hiểu, khảo sát, xây dựng nội dung cần thực Tuy nhiên, thiếu sót, sơ suất tránh khỏi nhiều vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, cải thiện tương lai Nhóm xin chân thành cảm ơn hướng dẫn, giúp đỡ tận tình ThS Phạm Trọng Tuấn suốt trình thực đề tài I TỔNG QUAN NÉN ẢNH JPEG Công nghệ JPEG JPEG viết tắt Joint Photographic Experts Group, nhóm nhà nghiên cứu phát minh định dạng để hiển thị hình ảnh đầy đủ màu (full-colour) cho định dạng di động mà kích thước file lại nhỏ Đây phương pháp nén ảnh hiệu quả, cho phép làm việc với ảnh có nhiều màu kích cỡ lớn, tỷ lệ nén ảnh đạt mức so sánh tới vài chục lần (chứ phần trăm) Tiêu chuẩn JPEG (Joint Photographic Experts Group) định cho nén ảnh tĩnh đơn sắc màu Công nghệ nén ảnh JPEG công nghệ nén ảnh hiệu quả, cho phép làm việc với ảnh có nhiều màu kích cỡ lớn Tỷ lệ nén ảnh đạt mức vài chục lần Thông thường ảnh dùng bit (1 byte) hay 256 mức cường độ tương ứng màu đỏ, xanh xanh da trời Mỗi điểm ảnh cần byte để lưu mã màu, lượng byte ảnh màu chiếm gấp 24 lần ảnh trắng đen cỡ Với ảnh phương pháp nén ảnh không mát thông tin đạt tỉ lệ 2:1 hay 3:1 Nó khơng đáp ứng u cầu với số ứng dụng Ưu điểm cao phương pháp ảnh nén sau giải nén trùng khớp với ảnh ban đầu Một số phương pháp nén khác không để thông tin Lempel - Ziv and Welch (LZW) cho hệ số nén tới 6:1 Nhưng chưa thật đáp ứng yêu cầu đòi hỏi thực tế Phương pháp nén ảnh theo thuẩn JPEG cho hệ số nén tới 80:1 hay lớn hơn, ta phải chịu thông tin (ảnh sau bung nén khác với ảnh ban đầu), lượng thông tin mát tăng dần theo hệ số nén Tuy nhiên mát thông tin không bị làm cách cẩu thả JPEG tiến hành sửa đổi thông tin ảnh nén cho ảnh gần giống ảnh cũ, khiến phần đông người không nhận thấy khác biệt Và ta hồn tồn quản lý mát cách hạn chế hệ số nén Như người dùng cân nhắc lợi việc tiết kiệm nhớ mức độ thơng tin ảnh, để chọn phương án thích hợp Nguyên lý chuẩn nén JPEG Phương pháp nén ảnh JPEG dựa nguyên lý sau: ảnh màu không gian màu RGB (red Green Blue) biến đổi hệ YUV (hay YCbCr) (điều thiết, thực cho kết nén cao hơn) Hệ YUV kết nghiên cứu nhà sản xuất vô tuyến truyền hình hệ Pal, Secam NTSC, nhận thấy tín hiệu video phân thành phần Y, U, V (cũng phân theo màu chuẩn đỏ, xanh xanh da trời) Và điều hệ nhãn thị người nhạy cảm với thành phần Y nhạy cảm với hai loại U V Phương pháp JPEG nắm bắt phát để tách thông tin thừa ảnh Tỉ số nén thành phần Y ảnh nhỏ so với U, V, người ta nhận thấy thay đổi U V so với Y JPEG sử dụng cho nhiều ứng dụng với ảnh động cho chất lượng ảnh khơi phục tốt tính tốn so với nén MPEG JPEG nén hình ảnh sử dụng rộng rãi việc phát triển trang web so với bitmap (phần mở rộng bmp) Những ảnh JPEG chiếm khơng gian tải nhanh chóng truy cập trang web Nén JPEG thực bốn phương mã hóa là: - Mã (sequential DCT-based): ảnh mã hóa theo kiểu quét từ - trái qua phải, từ xuống dựa khối DCT Mã hóa lũy tiến (progressive DCT-based): ảnh mã hóa kiểu quét phức hợp theo chế độ phân giải không gian cho ứng dụng - kiểu băng hẹp thời gian truyền dẫn có dài Mã hóa không tổn thất (lossless): ảnh đảm bảo khôi phục xác cho giá trị mẫu nguồn Thơng tin không cần thiết cắt bỏ hiệu nén thấp so với phương pháp có tổn thất - Mã hóa phân cấp (hierarchical): ảnh mã hóa chế độ phân giải khơng gian phức hợp, ảnh có độ phân giải thấp có thểđược truy xuất hiển thị mà khơng cần giải nén ảnh có độ phân - giải không gian cao Nén ảnh trình làm giảm thơng tin dư thừa liệu Nén JPEG (Joint Photographic Expert Group) chuẩn nén ảnh ứng dụng nhiều lĩnh vực: lưu trữ ảnh, Fax màu, truyền ảnh báo chí, ảnh cho y học, camera số… Tiêu chuẩn JPEG định cho nén ảnh tĩnh đơn sắc màu Tuy nhiên sử dụng cho nhiều ứng dụng ảnh động cho chất lượng ảnh khơi phục tốt Phân Khối 8x8 DCT Lượng tử hóa Mã Hóa ảnh nén 8x8 Bảng lượng tử Bảng Mã 8x8 Sơ đồ khối thuật toán nén ảnh JPEG 2.1 Chuyển ảnh thành khối 8x8 : Biến đổi Cosin khối có kích thước nhỏ làm tăng độ xác tính tốn với số dấu phẩy tĩnh, giảm thiểu sai số làm tròn sinh Do điểm ảnh hàng xóm có độ tương quan cao hơn, phép biến đổi Cosin cho khối nhỏ tập trung lượng số hệ số biến đổi Việc loại bớt số hệ số lượng thấp khối tạo mát thông tin cục giúp nâng cao chất lượng ảnh Chuyển ảnh thành khối (block) có kích thước block ma trận điểm ảnh 8×8 pixel lấy từ ảnh hình theo chiều từ trái sang phải, từ xuống Lí kớch thc mi block l 8ì8: ã Qua vic nghiên cứu cho thấy hàm tương quan suy giảm nhanh • khoảng cách pixel vượt Độ phức tạp tính tốn tăng kích thước block tăng Tiện lợi cho việc tính tốn thiết kế phần cứng Giả sử ảnh gốc có ma trận sau : 2.2 Biến đổi DCT Vì ảnh gốc có kích thước lớn trước đưa vào biến đổi DCT, ảnh phân chia thành khối vng, khối thường có kích thước x pixel biểu diễn mức xám 64 điểm ảnh, mức xám số nguyên dương có giá trị từ đến 255 Việc phân khối làm giảm phần thời gian tính tốn hệ số chung, mặt khác biến đổi cosin khối nhỏ làm tăng độ xác tính tốn với dấu phẩy tĩnh, giảm thiểu sai số làm tròn sinh Giá trị x(n1, n2) biểu diễn mức xám ảnh miền không gian, X(k1, k2) hệ số sau biến đổi DCT miền tần số Biến đổi DCT chiều Biến đổi DCT chiều định nghĩa sau: 2.2.1 Với Khi dãy đầu vào x(n) thực dãy hệ số X(k) số thực Biến đổi DCT chiều giúp ta hiểu rõ biến đổi DCT chiều Biến đổi DCT hai chiều Biến đổi DCT thực khối gồm pixel dòng 2.2.2 ảnh thật lấy mẫu ma trận x với điểm hệ sốDCT.Các hệ số DCT nói lên biến đổi tần số mẫu theo chiều ngang chiều dọc Phép tồn DCT mơ tả sau: • Trong đó: x,y : tọa độ pixel ảnh gốc u,v : độ độ hệ số DCT N: kích thước ma trận thực phép biến đổi Thuật toán biến đổi DCT hai chiều cho khối trường hợp • bao gồm 16 phép biến đổi DCT chiều Đầu tiên, người ta biến đổi nhanh Cosin chiều cho dãy • điểm ảnh hàng Lần lượt thực cho hàng Sau biến đổi DCT chiều theo cột ma trận vừa thu sau phép biến đổi Cũng thực cho cột Ma trận cuối ma trận hệ số biến đổi khối tương ứng Thành phần chói Y sau số hóa có biên độ mẫu nằm khoảng 0-255, mẫu thành phần màu CR, CB có biên độ cực đại ±128 Để sử dụng mã hóa DCT cho tín hiệu chói màu, tín hiệu Y dịch mức xuống cách trừ 128 từ giá trị pixel block 8x8 Từ ma trận ảnh gốc ta dịch mức xám -128, ta ma trận : Biến đổi DCT ta ma trận: 2.3 Lượng tử hóa Bước q trình nén ảnh lượng tử hóa hệ số DCT F(u,v) với mục đích làm giảm số lượng bit cần thiết dùng để mơ tả hệ số Đầu vào khối nén ảnh gồm thành phần: chiều xoay chiều Các hệ số tương ứng với tần số thấp thường có giá trị lớn, hệ số chứa phần lớn lượng tín hiệu, chúng phải lượng tử hóa với độ xác cao Riêng hệ số DC cần mã hóa với độ xác cao nhất, hệ số giá trị độ chói trung 10 Bảng tần suất Bảng tần suất theo thứ tự giảm dần Lưu ý rằng, phương pháp Huffman, mã ký tự không mã phần bắt đầu mã khác Vì vậy, đọc tệp nén bit từ đầu đến cuối ta duyệt mã lá, tức ký tự giải nén 14 Bảng từ mã gán cho kí tự mã Huffman • Mã hóa hệ số DCT Fq(u,v) Để mã hóa entropy hệ số Fq(u,v), ta cần biến đổi hệ số Fq(u,v) • thành chuỗi số chiều Hệ số Fq(0,0) (thành phần chiều) thành phần trung bình 2.4.2 block đưa vào mã hóa vi sai (DPCM- Differential • pulse code modulation) Các hệ số khác (thành phần xoay chiều) block đọc • theo kiểu zig-zag đưa tới mã hóa loạt dài (RLC) Cuối liệu từ mã hóa DPCM RLC mã hóa • lần mã Entropy Dữ liệu nén, bảng mã, bảng lượng tử kết hợp lại thành file theo chuẩn JPEG Mã hóa thành phần chiều - Các hệ số DC giá trị trung bình khối ảnh 8x8 Độ chói trung bình block ảnh gần thường biến đổi, chuẩn nén JPEG, hệ số DC mã hóa theo phương - pháp DPCM Để tăng hiệu suất nén, kết nhận sau mã hóa tiếp - mã Huffman Trên lý thuyết, dải động giá trị nhận sau mã hóa DPCM lớn gấp đơi dải động hệ số DCT, có nghĩa thành phần có giá trị nằm khoảng -211 đến 211-1 Số bit cần để mã hóa thành phần chiều 11 • Sơ đồ khối mã hóa thành phần chiều DC 15 Hệ số DC Từ mã DC Hệ số DC khối DCT đưa tới DPCM Thành phần sai số hai hệ số DC liên tiếp mã hóa mã Huffman Q trình mã hóa Huffman thực cho thành phần DC sau: • Dị tìm bảng phân loại để phân loại giá trị ∆DC (phân • loại chiều dài từ mã dùng để mã hóa thành phần ∆DC) Dùng bảng mã Huffman cho thành phần DC để tìm từ mã cho • loại ∆DC tìm bước Mã hóa nhị phân giá trị ∆DC 16 • Ghép từ mã Huffman giá trị nhị phân ∆DC để có từ mã cho thành phần DC Trên bảng bảng tra cần thiết để thực mã hóa thành phần Loại NA 10 11 Phạm vi hệ số -1 -3, -2 2, -7,-6,-5,-4 4,5,6,7 -15,…,-8 8,…,15 -31,…,-16 16,…,31 -63,…,-32 32,…,63 -127,…,-64 64,…,127 -255,…-128 128,…,255 -511,…,-256 256,…,511 -1023,…,-512 512,…,1023 -2047,…,-1024 1024,…,2047 Bảng : Phân loại hệ số DC AC Các -255,…-128 128,…,255 -127,…,-64 64,…,127 -63,…,-32 32,…,63 -31,…,-16 16,…,31 -15,…,-8 8,…,15 -7,-6,-5,-4 4,5,6,7 -3, -2 2, -1 Phân loại Từ mã 1111 110 1111 10 1111 1110 110 101 01 00 100 17 Bảng 2: bảng mã Huffman cho thành phần DC Ví dụ: Ta có ma trận hệ số DCT: 15 -1 0 0 -2 -1 0 0 0 -1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Thành phần DC khối ma trận DCn=15 Giả sử DCn-1=12 Kết mã hóa DPCM =DCn-DCn-1 = Trên bảng phân loại hệ số =3 thuộc loại Dựa vào bảng mã Huffman ta có từ mã tương ứng với loại 01 (2 độ dài từ mã) Giá trị =3 mã hóa nhị phân 11 Từ mã DC n 0111 Mã hóa thành phần xoay chiều Quét zig-zag: Kĩ thuật nén JPEG sử dụng phương pháp quét zig-zag Tác dụng xếp lại theo thứ tự ZigZag tạo nhiều loại hệ số giống nhau, dùng mã RLC hiệu nén tăng lên Chúng ta biết lượng khối hệ số giảm dần từ góc bên trái xuống góc bên phải nên việc xếp lại hệ số theo thứ tự ZigZag tạo điều kiện cho hệ số xấp xỉ (cùng mức lượng tử) nằm dòng 18 Sơ đồ khối mã hóa thành phần AC: 19 Các hệ số AC Từ mã AC Chuỗi hệ số AC đưa vào mã hóa RLC Ở đầu ta nhận từ mã bao gồm hai thành phần: 20 • Giá trị chạy số lượng bit "0" đứng trước hệ số khác "0" mã • hóa Biên độ hệ số khác "0" nói Từ mã Huffman ứng với cặp giá trị tìm bảng phân loại (bảng trên) bảng mã Huffman cho thành phần AC Từ mã AC bao gồm từ mã Huffmanvà giá trị biên độ hệ số AC Ví dụ từ ma trận DCT trên, Sau trình quét zig-zag, ta nhận chuỗi hệ số AC sau: 0, -2, -1, -1, -1, , 0,-1, 0, 0…… Chuỗi bit nhận sau mã hóa RLC: (1,-2) (0, -1) (0, -1) (0, -1) (2,-1) (EOB) Từ mã cuối để báo hiệu kết thúc khôi: EOB (end of block) Sử dụng bảng phân loại ta tìm loại biên độ hế số (1,2)(-2), (0,1)(-1), (0,1)(-1), (0,1)(-1), (2,1)(-1), (0,0) Ý nghĩa giá trị (a,b) c: a giá trị chạy b loại c biên độ Bảng mã Huffman cho thành phần AC Giá trị chạy 0 1 1 2 Loại 2 Độ dài mã 2 Từ mã 00 01 1100 111001 1111001 111110110 11011 11111000 111011 21 EOB 1 7 1111010 1111011 1010 1,2)(-2) mã hóa 11100101 Kết mã hóa thành phần AC DC ta chuỗi bit: 0111 DC II 11100101 0000 0000 0000 1101100 AC 1010 EOB ỨNG DỤNG CHUẨN NÉN ẢNH JPEG Trong phần ứng dụng JPEG sử dụng phương pháp DCT q trình định lượng hình ảnh ớt chng Hình Ảnh ớt chuông nguyên Mỗi khối bits pixel thang độ mức xám hiển thị : 22 Hình DCT hiển thị Mỗi phần tử khối hình ảnh sau kết DCT lưu Tại thời điểm này, nhiều yếu tố trở nên khơng bị loại bỏ hình ảnh chiếm khơng gian để lưu trữ Hình DCT lưu 23 Bây hình ảnh giải nén cách sử dụng chuyển đổi Cosin rời rạc nghịch đảo Chất lượng nén ảnh mức 50 ta thấy khơng có tổn thất gì, có độ nén cao Ở mức chất lượng thấp hơn, chất lượng giảm nhiều, độ nén khơng tăng nhiều Hình Ảnh ngun Hình Ảnh mức 23% Hình Ảnh mức 62% Hình Ảnh mức 98% 24 Sau kết trực quan nén 100 ảnh theo phương pháp DCT : Sau thực biến đổi cosine rời rạc cho hình ảnh, chúng tơi lấy số tần số để xem hiệu ứng chúng thấy chụp tần số cao, chi tiết xuất nhiều Những hình ảnh thấy chuỗi 100 hình ảnh tần số 1x1 đến 100x100 Hình ảnh cuối 100x100 = 10000 tần số hình ảnh gốc Hình ảnh gốc 700 * 525 = 367500 pixel Vì chúng tơi sử dụng 2,72% so với kích thước ban đầu gần đạt kết tốt Ưu nhược điểm DCT: - Ưu điểm biến đổi DCT với việc xử lý khối tiêu chuẩn 8x8 pixel tốc độ chấp nhận Đây ưu điểm lớn biến đổi DCT - Nhược điểm biến đổi DCT tương quan pixel lề khối 8x8 có ảnh hưởng đến chất lượng ảnh KẾT LUẬN Công nghệ nén ảnh JPEG phương pháp nén ảnh vơ hiệu Vì III dẫn đến việc có nhiều thuật tốn phát minh sử dụng để nén mã hóa 25 ảnh liệu sử dụng nhiều mạng máy tính Tác dụng việc nén mã hóa ảnh nhằm vào mục đích : • Giảm kích thước ảnh mà chất lượng ảnh đảm bảo Tăng khả truyền tải lưu trữ • Chèn thêm thơng tin khác quyền, xuất xứ thông tin ẩn nhằm tránh việc bị sửa đổi trái phép, lưu tái sử dụng mà khơng có cho phép nguời sở hữu hợp pháp • Truyền thơng tin ẩn không muốn bên thứ ba biết 26 IV - TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình Xử lý ảnh – TS TRẦN QUANG ĐỨC Wikipedia , jpeg.org, ….v.v… Sử dụng phần mềm VISUAL STUDIO 2019 & OPEN CV 4.3.5 27 ... Group) chuẩn nén ảnh ứng dụng nhiều lĩnh vực: lưu trữ ảnh, Fax màu, truyền ảnh báo chí, ảnh cho y học, camera số… Tiêu chuẩn JPEG định cho nén ảnh tĩnh đơn sắc màu Tuy nhiên sử dụng cho nhiều ứng dụng. .. định cho nén ảnh tĩnh đơn sắc màu Công nghệ nén ảnh JPEG công nghệ nén ảnh hiệu quả, cho phép làm việc với ảnh có nhiều màu kích cỡ lớn Tỷ lệ nén ảnh đạt mức vài chục lần Thông thường ảnh dùng... 11100101 0000 0000 0000 1101100 AC 1010 EOB ỨNG DỤNG CHUẨN NÉN ẢNH JPEG Trong phần ứng dụng JPEG sử dụng phương pháp DCT trình định lượng hình ảnh ớt chng Hình Ảnh ớt chuông nguyên Mỗi khối bits pixel