Chương 5. Nén dữ liệu ảnh

Xử lý tín hiệu và mã hóa (Master program) Xử lý tín hiệu và mã hóa (Master program) Giảng viên TS Phạm Việt Hà Email phamviethagmail com ĐT CQ (04) 37544486 Địa chỉ CQ 122 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội 1 Chương 5 Nén dữ liệu ảnh Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 2 5 1 Giới thiệu chung 5 2 Phân loại các thuật toán nén ảnh 5 3 Các bước trong nén ảnh 5 3 Thuật toán mã hóa Huffman 2 5 1 Giới thiệu chung Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 3 So sánh kích thước ảnh gốc và ảnh nén Bức ảnh màu bên 352 x.

Xử lý tín hiệu mã hóa (Master program) Giảng viên: TS Phạm Việt Hà Email: phamvietha@gmail.com ĐT CQ: (04).37544486 Địa CQ: 122 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội Chương Nén liệu ảnh 5.1 Giới thiệu chung 5.2 Phân loại thuật toán nén ảnh 5.3 Các bước nén ảnh 5.3 Thuật toán mã hóa Huffman Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 5.1 Giới thiệu chung So sánh kích thước ảnh gốc ảnh nén:  Bức ảnh màu bên: 352 x 288 điểm ảnh  Hiển thị dạng RGB: 24 bit (8 bit cho màu Đỏ-Lục-Lam)  Kích thước ảnh > 300Kbyte  Với tiêu chuẩn JPEG kích thước ảnh < 20Kbyte với chất lượng tương đương Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 5.1 Giới thiệu chung So sánh kích thước file Video tốc độ môi trường truyền Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 5.1 Giới thiệu chung Tính chất dư thừa thông tin ảnh số: Tương quan điểm ảnh cạnh ảnh số lớn, điều dẫn đến dư thừa thông tin để biểu diễn ảnh Dư thừa thông tin làm cho việc mã hố khơng tối ưu Do cơng việc cần làm để nén ảnh phải tìm biểu diễn ảnh với tương quan nhỏ để giảm thiểu độ dư thừa thơng tin ảnh Thực tế, có hai kiểu dư thừa thông tin phân loại sau: - Dư thừa miền không gian: tương quan giá trị pixel ảnh, điều có nghĩa pixel lân cận ảnh có giá trị gần giống (trừ pixel giáp đường biên ảnh) - Dư thừa miền tần số: Tương quan mặt phẳng màu dải phổ khác Trọng tâm nghiên cứu nén ảnh tìm cách giảm số bit cần để biểu diễn ảnh việc loại bỏ dư thừa miền không gian miền tần số nhiều tốt Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 5.2 Phân loại thuật tốn nén ảnh  Nén ảnh khơng thơng tin: với phương pháp sau giải nén ta khôi phục xác ảnh gốc Các phương pháp nén bao gồm mã hoá Huffman, mã hoá thuật toán…  Nén ảnh có thơng tin: ảnh giải nén có sai khác nhỏ so với ảnh gốc Các phương pháp bao gồm:  Lượng tử hoá vơ hướng: PCM DPCM  Lượng tử hố vector  Mã hoá biến đổi: biến đổi cosin rời rạc (DCT), biến đổi Fourier nhanh (FFT)  Mã hoá băng Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 5.3 Các bước nén ảnh Các bước nén ảnh: Biến đổi: biến đổi hệ màu RGB sang hệ màu YCrCb Chia nhỏ: phân chia ảnh thành thành phần nhỏ 8x8 pixel Biến đổi DCT thuận: biến đổi cosin rời rạc DCT nhằm biến giá trị pixel ảnh miền không gian sang giá trị khác miền tần số cho giá trị có tương quan điểm ảnh gần nhỏ Lượng tử hóa Mã hóa Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 5.3 Các bước nén ảnh Biến đổi: Trong không gian màu YCrCb YUV nhãn thị người nhạy cảm với thành phần Y (độ sáng) nhạy cảm với hai loại Cr, Cb U, V (hai thành phần màu) Cr Cb phiên biến thể U V Phương pháp nén ảnh nắm bắt phát để tách thông tin thừa ảnh Hệ thống nén thành phần Y ảnh với mức độ suy giảm so với Cr, Cb U,V người ta nhận thấy thay đổi Cr, Cb U,V so với Y Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B U= 0.492(B − Y) = − 0.147R − 0.289G + 0.436B V= 0.877(R − Y) = 0.615R − 0.515G − 0.100B Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 5.3 Các bước nén ảnh Biến đổi: Ảnh gốc Ảnh gốc R Y G Cr B Cb Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 5.3 Các bước nén ảnh Biến đổi: Lấy mẫu thành phần màu sử dụng mơ hình: 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0 Khi chuyển đổi từ RGB sang YCrCb mơ hình 4:4:4 hai thành phần màu bị loại bỏ nên băng thông giảm 50% Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 10 5.3 Các bước nén ảnh Chia nhỏ: 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 Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 11 5.3 Các bước nén ảnh Biến đổi DCT thuận: Mỗi khối 64 điểm ảnh sau biến đổi DCT thuận nhận 64 hệ số thực DCT Mỗi hệ số có chứa 64 thành phần tần số không gian hai chiều Hệ số với tần số không theo hai hướng (tương ứng với k1 k2 0) gọi hệ số chiều DC, hệ số giá trị trung bình 64 điểm ảnh khối 63 hệ số lại gọi hệ số xoay chiều AC Hệ số chiều DC tập trung phần lớn lượng ảnh Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 12 5.3 Các bước nén ảnh Biến đổi DCT thuận: Chú ý thân biến đổi DCT không làm thông tin DCT biến đổi tuyến tính chuyển giá trị điểm ảnh từ miền không gian thành hệ số miền tần số Miền thời gian Miền tần số Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 13 5.3 Các bước nén ảnh Lượng tử: Sau thực biến đối DCT, 64 hệ số lượng tử hoá dựa bảng lượng tử gồm 64 phần tử Q(u,v) với 0≤u, v≤7 Bảng định nghĩa ứng dụng cụ thể Các phần tử bảng lượng tử có giá trị từ đến 255 gọi bước nhảy cho hệ số DCT Quá trình lượng tử coi việc chia hệ số DCT cho bước nhảy lượng tử tương ứng, kết sau làm trịn xuống số ngun gần nhất.  Mục đích việc lượng tử hoá giảm số lượng bit cần để lưu trữ hệ số biến đổi việc giảm độ xác hệ số lượng tử q trình xử lý có thơng tin (mã hóa Entropy) Bảng lượng tử đặt phần header ảnh Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 14 5.3 Các bước nén ảnh Lượng tử: Các hệ số thu sau lượng tử hoá xếp thành chuỗi ký hiệu theo kiểu “zig-zag” để đặt hệ số có tần số thấp lên trước hệ số tần số cao Các hệ số mã hoá dựa bảng mã Huffman cho chiều dài trung bình từ mã nhỏ Bảng mã đặt phần mào đầu ảnh để thực giải nén ảnh Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 15 5.3 Các bước nén ảnh Lượng tử: Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 16 5.3 Các bước nén ảnh Mã hóa: Mã hố bước cuối hệ thống nén ảnh dựa biến đổi DCT Chuẩn nén ảnh JPEG dùng phương pháp mã hoá Huffman, phép mã hố khơng làm thơng tin Phương pháp dựa mơ hình thống kê Dựa vào liệu gốc, người ta tính tần suất xuất hệ số Việc tính tần suất thực cách duyệt từ đầu khối đến cuối khối, sau đó, hệ số có tần suất cao gắn cho từ mã ngắn, hệ số có tần suất thấp gán từ mã dài Với cách thức chiều dài trung bình từ mã giảm xuống Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 17 5.4 Mã hóa Huffman  Bài tốn: Có tin dãy ký hiệu lấy tập hữu hạn A Mỗi ký hiệu xuất tin theo tần suất biết Hãy xây dựng mã tiền tố cho tập A cho độ dài chuỗi mã tin ngắn  Kết quả: Bộ mã tìm mang tính tối ưu gọi mã Huffman  Gọi d số ký hiệu tin, (x) tần suất xuất ký hiệu x tin  Mỗi nhị phân T với nhãn 0,1 cạnh có số số ký hiệu tập A cho ta mã tiền tố cho tập ký hiệu A  Mức (x) x chiều dài mã ký hiệu x Khi đó, độ dài chuỗi mã tồn tin là: M = d. (x)(x) Cây mã tiền tố T tối ưu độ dài M mã tin đạt giá trị nhỏ Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 18 5.4 Mã hóa Huffman  Ví dụ: Xét tin gồm 1000 ký hiệu tập ký hiệu A = {a, b, c, d, e} với tần suất xuất ký hiệu tin sau: Ký hiệu a b c d e Tần suất% 23 44 17 12 Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 19 5.4 Mã hóa Huffman  Xây dựng mã tiền tố: Mã hóa tập ký hiệu dãy chữ số 0, thoả mãn tính chất tiền tố, nghĩa khơng có mã ký hiệu lại tiền tố mã ký hiệu khác Xây dựng nhị phân cho: - Mỗi ký hiệu tương ứng với lá, - Cạnh xuống trái đỉnh gán nhãn - Cạnh xuống phải gán nhãn Khi đó, dãy nhãn đường từ gốc đến cho mã tiền tố ký hiệu tương ứng 1 0 a b c 0 d e Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 0 1 a c d e b 20 5.4 Mã hóa Huffman  Bộ mã tối ưu: 56 44 a 33 23 b c 16 17 d 12 e Cây mã tiền tố hình vẽ xây dựng dựa nguyên lý: đỉnh có tần suất lớn đường từ gốc tới đỉnh ngắn Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 21 5.4 Mã hóa Huffman  Kết quả: Độ dài mã tin với Bộ mã ví dụ mã tiền tố Bộ mã (tối ưu) Ký hiệu Bộ mã Bộ mã Bộ mã a 000 000 10 b 001 11 c 010 01 110 d 011 001 1110 e 100 10 1111 Độ dài mã tin 3000 2270 2050 Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 22 5.3 Mã hóa Huffman  Thuật tốn Huffman: Xây dựng rừng T có l cây, gồm đỉnh tương ứng với ký hiệu x A gán nhãn (x) Chọn hai T có gốc với nhãn nhỏ Thêm đỉnh với nhãn tổng nhãn hai gốc vừa chọn Nối đỉnh với hai gốc hai cạnh có nhãn 0, để tạo thành nhị phân Nếu T chưa phải lặp lại bước 2), ngược lại dừng Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 23 .. .Chương Nén liệu ảnh 5.1 Giới thiệu chung 5.2 Phân loại thuật toán nén ảnh 5.3 Các bước nén ảnh 5.3 Thuật tốn mã hóa Huffman Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 5.1 Giới thiệu chung... đầu ảnh để thực giải nén ảnh Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 15 5.3 Các bước nén ảnh Lượng tử: Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 16 5.3 Các bước nén ảnh Mã hóa: Mã hố bước cuối hệ thống nén ảnh. .. 0.515G − 0.100B Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 5.3 Các bước nén ảnh Biến đổi: Ảnh gốc Ảnh gốc R Y G Cr B Cb Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 5.3 Các bước nén ảnh Biến đổi: Lấy mẫu thành phần màu sử