Đồ án tốt nghiệp tìm hiểu một số phương pháp nén ảnh

Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh MỞ ĐẦU Ngày nay, với phát triển khơng ngừng khoa học cơng nghệ máy tính đóng vai trị ngày quan trọng khơng thể thiếu sống xã hội lồi người Việc trao đổi thông tin người tất ngành, lĩnh vực đời sống ngày trở nên cần thiết với đời phát triển mạng Internet Xử lý ảnh ngành khoa học tương đối mẻ so với nhiều ngành khoa học khác tập trung nghiên cứu phát triển ứng dụng thực tiễn nhiều ngành , lĩnh vực khác Trong “Nén ảnh” phần xử lý ảnh có ứng dụng to lớn truyền thơng lưu trữ, có nhiều phương pháp nén ảnh đời không ngừng cải tiến để ngày hoàn thiện đem lại hiệu nén cao cho chất lượng ảnh tốt Trong đồ án tốt nghiệp “TÌM HIỂU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NÉN ẢNH” hướng dẫn PGS TS Ngô Quốc Tạo em sâu nghiên cứu số phương pháp nén ảnh phổ biến : mã loạt dài RLE, HUFFMAN, LZW, JPEG phương pháp nén ảnh JPEG2000 dựa biến đổi Wavelet với đặc tính vượt trội so với chuẩn nén trước đem lại hiệu nén cao , cho ảnh nén chất lượng tốt nhiều ưu điểm khác mà chuẩn nén trước khơng thể có Nội dung đồ án tốt nghiệp bao gồm phần : chương giới thiệu tổng quan xử lý ảnh, mục đích chương giới thiệu số khái niệm cần biết ảnh số xử lý ảnh số Chương hai giới thiệu số phương pháp nén ảnh cách phân loại phương pháp nén ảnh Chương ba giới thiệu chương trình thử nghiệm kết đạt đựơc Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh chương trình Cuối phần kết luận đánh giá kết nghiên cứu thu hướng phát triển đề tài CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ NÉN ẢNH I.1.Giới thiệu ảnh số xử lý ảnh số: I.1.1.Ảnh số: Ảnh biểu diễn dạng tín hiệu tương tự tín hiệu số Trong biểu diễn số ảnh đa mức xám, ảnh biểu diễn dạng ma trận hai chiều Mỗi phần tử ma trận biểu diễn cho mức xám hay cường độ ảnh vị trí Mỗi phần tử ma trận gọi phần tử ảnh, thông thường kí hiệu PEL (Picture Element) điểm ảnh (Pixel) - Với ảnh đa cấp xám: Nếu dùng bit (1 byte) để biểu diễn mức xám, số mức xám biểu diễn 28 hay 256 Mỗi mức xám biểu diễn dạng số nguyên nằm khoảng từ đến 255, với mức biểu diễn cho mức cường độ đen 255 biểu diễn cho mức cường độ sáng - Với ảnh màu: Cách biểu diễn tương tự với ảnh đen trắng, khác số phần tử ma trận biểu diễn cho ba màu riêng rẽ gồm: đỏ (red), lục (green) lam (blue) Để biểu diễn cho điểm ảnh Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh màu cần 24 bit, 24 bit chia thành ba khoảng bit Mỗi khoảng biểu diễn cho cường độ sáng màu Pixel or PEL Độ sáng trung bình hình chữ nhật = giá trị điểm ảnh Hình 1.1 Biểu diễn mức xám ảnh số I.1.2.Xử lý ảnh số: Xử lý ảnh khoa học tương đối so với nhiều ngành khoa học khác ,nhất quy mơ cơng nghiệp Xử lý ảnh số có nhiều ứng dụng làm ảnh y học, khơi phục lại ảnh tác động khí thiên văn học, tăng cường độ phân giải ảnh truyền hình mà khơng cần thay đổi cấu trúc bên hệ thống chuyển tải, nén ảnh truyền xa lưu trữ Các giai đoạn xử lý ảnh mơ tả hình sau: Lưu CAMERA Thu nhận ảnh Số Phân tích ảnh Nhận dạng SENSOR Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Lưu trữ Hệ định Trang : LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh I.2.Mục đích cần thiết “ nén ảnh ”: Nén ảnh kỹ thuật mã hoá ảnh số hoá nhằm giảm số lượng bit liệu cần thiết để biểu diễn ảnh Mục đích giảm chi phí việc lưu trữ ảnh chi phí thời gian để truyền ảnh xa truyền thông đảm bảo chất lượng ảnh Nén ảnh thực thực tế: thông tin ảnh khơng phải ngẫu nhiên mà có trật tự , tổ chức.Vì bóc tách tính trật tự, cấu trúc biết phần thơng tin quan trọng ảnh để biểu diễn truyền với số lượng bit so với ảnh gốc mà đảm bảo tính đầy đủ thơng tin.Ở bên nhận q trình giải mã tổ chức, xếp lại ảnh xấp xỉ gần xác so với ảnh gốc thỏa mãn chất lượng yêu cầu Dưới ví dụ lưu trữ ảnh số truyền xa với đường truyền 9600 baud (9600 bps) để thấy rõ cần thiết việc nén ảnh: • Ảnh đa cấp xám hay ảnh 256 màu có kích thước 800 x 600, bit/điểm ảnh, cần 3.840.000 bit lưu trữ 6.67 phút để truyền • Ảnh màu RGB (24 bit/điểm ảnh ) độ phân giải cần 10 triệu bit để lưu trữ 20 phút để truyền • Một phim âm có kích thước 24 × 36 mm (35 mm) chia khoảng cách 12 àm, vào khoảng 3000 × 2000 điểm, bit / pixel, yêu cầu 48 triệu bit cho lưu giữ ảnh 83 phút để truyền Qua ví dụ ta thấy nhiều vấn đề việc lưu trữ truyền tải ảnh số hố Nén ảnh có nhiều ứng dụng thực tế : truyền văn Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh đồ hoạ qua đường điện thoại (Fax), nén ảnh y tế truyền hình cáp….Chính ứng dụng nhiều lĩnh vực nén ảnh với tiến lĩnh vực vi điện tử dẫn đến đời chuẩn nén ảnh Nén ảnh đạt cách loại bỏ phần dư thừa ảnh số hoá Dư thừa dư thừa thơng tin khơng gian, dư thừa cấp xám hay dư thừa thời gian: • Dư thừa thơng tin khơng gian : ảnh tồn tương quan điểm ảnh cạnh • Dư thừa thơng tin cấp xám :là dư thừa dựa vào tương quan màu sắc cạnh • Dư thừa thông tin thời gian : Trong chuỗi ảnh video, tồn tương quan điểm ảnh frame khác I.3.Các khái niệm bản: • Pixel (picture element) : phần tử ảnh Ảnh thực tế ảnh liên tục khơng gian giá trị độ sáng Để xử lý ảnh máy tính cần thiết phải tiến hành số hoá ảnh Như ảnh tập hợp pixel Mỗi pixel gồm cặp toạ độ x, y màu Cặp toạ độ x,y tạo nên độ phân giải (resolution) Màn hình máy tính có nhiều loại với độ phân giải khác nhau: 320 x 200, 640x350, 800x600, 1024x768,… • Mức xám (Graylevel) Mức xám kết mã hoá tương ứng cường độ sáng điểm ảnh với giá trị số – kết trình lượng hố • Dữ liệu Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh Trong toán, liệu bao gồm tập phần tử sở mà ta gọi liệu nguyên tử Nó chữ số, ký tự, số, từ, điều phụ thuộc vào tốn • Nén liệu Nén liệu trình giảm dung lượng thơng tin “dư thừa” liệu gốc làm cho lượng thông tin thu sau nén thường nhỏ liệu gốc nhiều Do vậy, tiết kiệm nhớ giảm thời gian trao đổi liệu mạng thông tin mà lại cho phép khôi phục lại liệu ban đầu • Tỷ lệ nén Tỷ lệ nén đặc trưng quan trọng phương pháp nén Tỷ lệ nén định nghĩa sau: Tỷ lệ nén = 1/r*% với r tỷ số nén định nghĩa: r = kích thước liệu gốc / kích thước liệu nén Như hiệu suất nén = (1- tỷ lệ nén)*100% Đối vơi ảnh tĩnh, kích thước số bit biểu diễn tồn ảnh Đối với ảnh video, kích thước số bit để biểu diễn khung hình video (video frame) Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP NÉN ẢNH II.1.Cách phân loại phương pháp nén ảnh: II.1.1.Cách phân loại dựa vào nguyên lý nén: Nén bảo tồn thơng tin (losses compression): bao gồm phương pháp nén mà sau giải nén thu đựơc xác liệu gốc.Tuy nhiên nén bảo tồn thơng tin đạt hiệu nhỏ so với phương pháp nén khơng bảo tồn thơng tin Nén khơng bảo tồn thông tin (lossy compression): bao gồm phương pháp nén sau giải nén không thu liệu gốc Các phương pháp gọi “tâm lý thị giác” lợi dụng tính chất mắt người chấp nhận số vặn xoắn ảnh khôi phục lại.Phương pháp đem lại hiệu cao loại bỏ thông tin dư thừa không cần thiết II.1.2.Cách phân loại dựa vào cách thức thực nén: Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh Phương pháp không gian (Spatial Data Compression ): phương pháp thực nén cách tác động trực tiếp lên việc lấy mẫu ảnh miền không gian Phương pháp sử dụng biến đổi (Transform Coding): gồm phương pháp tác động lên biến đổi ảnh gốc không tác động trực tiếp II.1.3.Cách phân loại dựa vào lý thuyết mã hoá: Các phương pháp nén hệ thứ nhất: gồm phương pháp có mức độ tính tốn đơn giản lấy mẫu , gán từ mã,… Các phương pháp nén hệ thứ hai: gồm phương pháp dựa vào mức độ bão hoà tỷ lệ nén cách sử dụng phép toán tổ hợp đầu cách hợp lý sử dụng biểu diễn ảnh : phương pháp kim tự tháp Laplace, phương pháp dựa vào vùng gia tăng, phương pháp tách hợp II.1.4.Quá trình nén giải nén : Gồm công đoạn : Nén : liệu gốc qua mã hoá liệu , mã hoá thực nén liệu đến mức thích hợp cho việc lưu trữ truyền dẫn thông tin Quá trình thực việc loại bỏ hay cắt bớt dư thừa ảnh để thu thông tin cần thiết đảm bảo chất lượng ảnh Giải nén : liệu nén qua giải mã liệu, giải mã thực giải nén để thu liệu gốc ban đầu.Việc giải nén thường phải dựa vào thông tin theo liệu nén ,tuỳ thuộc vào kiểu nén hay phương pháp nén mà liệu giải nén có hồn tồn giống với liệu gốc ban đầu hay không Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh Tóm lại trình nén giải nén liệu mơ tả cách tóm tắt theo sơ đồ đây: Quá trình nén Dữ liệu ố Dữ liệu Quá trình giải nén Hình 2.1 : Quá trình nén giải nén II.2.Phương pháp mã hoá độ dài loạt RLE: Mã hoá theo độ dài loạt RLE (Run Length Encoding) phương pháp nén ảnh dựa cắt bớt dư thừa khơng gian (một vài hình ảnh có vùng màu lớn khơng đổi đặc biệt ảnh nhị phân) Loạt định nghĩa dãy phần tử điểm ảnh (pixel) liên tiếp có chung giá trị II.2.1.Nguyên tắc : Nguyên tắc phương pháp phát loạt điểm ảnh lặp lại liên tiếp, ví dụ :110000000000000011 Ta thấy điểm ảnh có giá trị xuất nhiều lần liên tiếp thay phải lưu trữ tồn điểm ảnh có giá trị ta cần lưu trữ chúng cách sử dụng cặp (độ dài loạt, giá trị) Ví dụ: Cho chuỗi nguồn d : d =5 5 5 5 5 19 19 19 19 19 0 0 0 23 23 23 23 23 23 23 23 Ta có chuỗi : (10 5) (5 19) (7 0) (8 23) Tỷ số nén = 20/ = 2.5 Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh Đối với ảnh đen trắng sử dụng bit để biểu diễn điểm ảnh phương pháp tỏ hiệu quả, ta thấy điều qua ví dụ sau : Cho chuỗi nguồn d: 000000000000000111111111100000000001111111111000000000000000 Ta có chuỗi : (15, 10, 10, 10, 15) Tỷ số nén = 60 bit / (5*4 bit) = ( sử dụng bit để thể độ dài loạt khơng thể giá trị loạt ảnh đen trắng có giá trị bit là 1) Chú ý: • Đối với ảnh chiều dài dãy lặp lớn 255, ta dùng byte để lưu trữ chiều dài khơng đủ Giải pháp dùng tách chuỗi thành chuỗi: chuỗi có chiều dài 255, chuỗi có chiều dài cịn lại • Phương pháp nén RLE đạt hiệu chuỗi lặp lớn ngưỡng định hay nói khác ảnh cần nén phải có nhiều điểm ảnh kề có giá trị màu.Do phương pháp không đem lại cho ta kết cách ổn định phụ thuộc hồn tồn vào ảnh nén thích hợp cho ảnh đen trắng hay ảnh đa cấp xám Ví dụ: Ta có chuỗi nguồn: d=5 11 13 18 28 38 48 58 30 35 40 45 Chuỗi kết sau mã hoá : 11 18 28 38 48 58 30 35 40 45 Tỷ số nén = 14 / 28 = 0.2 Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh Hình 2.6.2 II.6.3.3 Biến đổi riêng thành phần (biến đổi Wavelet) : Biến đổi riêng thành phần áp dụng JPEG2000 biến đổi Wavelet Để đảm bảo tính tồn vẹn thơng tin phải áp dụng phép biến đổi thuận nghịch không thuận nghịch Do phép biến đổi Wavelet phép biến đổi trực giao biến đổi DCT mà phép biến đổi băng nên thành phần phân chia thành băng tần số khác băng mã hóa riêng rẽ JPEG2000 áp dụng biến đổi Wavelet nguyên thuận nghịch 5/3 (IWT) biến đổi thực không thuận nghịch Daubechies 9/7 Việc tính tốn biến đổi JPEG2000 thực theo phương pháp Lifting Sơ đồ phương pháp Lifting 1D áp dụng JPEG2000 hình 2.6.3.Việc tính tốn biến đổi Wavelet 2D suy từ biến đổi Wavelet 1D theo phương pháp phân giải ảnh tuỳ chọn Trong JPEG2000 có phương pháp phân giải ảnh phương pháp sử dụng nhiều phương pháp kim tự tháp Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : 57 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh Hình 2.6.3 Do biến đổi Wavelet 5/3 biến đổi thuận nghịch nên áp dụng cho nén ảnh theo hai phương pháp, có tổn thất không tổn thất biến đổi 9/7 áp dụng cho nén ảnh theo phương pháp có tổn thất thơng tin II.6.3.4 Lượng tử hố - Giải lượng tử hoá : Các hệ số phép biến đổi tiến hành lượng tử hố Q trình lượng tử hoá cho phép đạt tỷ lệ nén cao cách thể giá trị biến đổi với độ xác tương ứng cần thiết với mức chi tiết ảnh cần nén Các hệ số biến đổi lượng tử hố theo phép lượng tử hố vơ hướng Các hàm lượng tử hoá khác áp dụng cho băng khác thực theo biểu thức: V(x,y) = ⎡| U ( x, y ) | ⎤ sgnU ( x, y ) Δ ⎥⎦ ⎢⎣ với Δ bước lượng tử, U(x,y) giá trị băng đầu vào; V(x,y) giá trị sau lượng tử hoá Trong dạng biến đổi nguyên, đặt bước lượng tử 1.Với dạng biến đổi thực bước lượng tử chọn tương ứng cho Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : 58 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh băng riêng rẽ Bước lượng tử băng phải có dịng bít truyền để phía thu giải lượng tử cho ảnh Cơng thức giải lượng tử hố là: U(x,y) = [V ( x, y ) + r sgn V ( x, y )]Δ r tham số xác định dấu làm tròn, giá trị ( U x,y);V(x,y) tương ứng giá trị khôi phục giá trị lượng tử hố nhận JPEG2000 khơng cho trước r nhiên thường chọn r =1/ II.6.3.5 Mã hố kết hợp dịng liệu sau mã hoá: JPEG2000 theo khuyến nghị uỷ ban JPEG quốc tế sử dụng nhiều phương pháp mã hoá khác nhiều cách biến đổi Wavelet khác để thu chất lượng ảnh tương ứng với ứng dụng cần xử lý Điều giúp cho JPEG2000 mềm dẻo nhiều so với JPEG Việc áp dụng phương pháp mã hoá khác mở rộng sang lĩnh vực nén ảnh động biến đổi Wavelet Trong thực tế phương pháp mã hoá ảnh áp dụng nén ảnh biến đổi Wavelet JPEG2000 có hai phương pháp coi sở áp dụng nhiều nhất: phương pháp SPIHT phương pháp EZW Hiện JPEG2000 áp dụng mã hoá hai phương pháp phương pháp phát triển từ hai phương pháp phương pháp mã hoá mặt phẳng bít Vì xem xét hai phương pháp Việc kết hợp dòng liệu sau mã hoá JPEG2000 thực chất để thực tính đặc biệt JPEG2000 tính ROI v.v II.6.3.6 Phương pháp mã hoá SPIHT: Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : 59 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh Có thể thấy dù áp dụng biến đổi Wavelet hay với phép phân giải ảnh băng có số thứ tự thấp thành phần tần số cao (mang thông tin chi tiết ảnh) băng có số thứ tự cao chứa thành phần tần số thấp (mang thơng tin ảnh) Điều nghĩa hệ số chi tiết giảm dần từ băng mức thấp (HH1 chẳng hạn) (ứng với thành phần tần số cao) xuống băng mức cao (ứng với thành phần tần số thấp) có tính tương tự khơng gian băng con, ví dụ đường biên hình vẽ ảnh tồn vị trí băng (tương ứng với mức độ phân giải băng ấy) Điều dẫn tới đời phương pháp SPIHT (Set partitioning in hierarchical trees - phương pháp mã hoá phân cấp theo phân vùng) Phương pháp SPIHT thiết kế tối ưu cho truyền dẫn luỹ tiến Điều có nghĩa thời điểm trình giải nén ảnh theo phương pháp mã hố chất lượng ảnh hiển thị thời điểm tốt đạt với số lượng bít đưa vào giải mã tính thời điểm Ngồi ra, phương pháp sử dụng kỹ thuật embedded coding; điều có nghĩa ảnh sau nén với kích cỡ (lưu trữ) lớn (tỷ lệ nén thấp) chứa liệu sau nén ảnh có kích cỡ (lưu trữ) nhỏ (tỷ lệ nén cao) Bộ mã hoá cần nén lần giải nén nhiều mức chất lượng khác Giả sử gọi pixel ảnh p cần mã hoá pi, j Áp dụng phép biến đổi Wavelet T cho pixel ảnh để tạo hệ số phép biến đổi Wavelet ci, j Các hệ số tạo ảnh biến đổi C Phép biến đổi viết dạng toán tử sau: C=T(p) Trong phương pháp truyền dẫn luỹ tiến với ảnh mã hố bắt đầu q trình khơi phục (giải nén) ảnh cách đặt giá trị ảnh khôi phục từ hệ số biến đổi cˆ Sử dụng giá trị giải mã hệ số biến đổi để tạo ảnh khôi phục (vẫn chưa áp dụng biến đổi ngược Wavelet) cˆ sau áp dụng biến đổi Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : 60 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh ngược Wavelet để tạo ảnh cuối pˆ Chúng ta viết dạng tốn tử sau: pˆ =T−1 ( cˆ ) Nguyên tắc quan trọng phương pháp truyền dẫn ảnh theo kiểu luỹ tiến phương pháp truyền giá trị mang thông tin quan trọng ảnh trước Sở dĩ làm thơng tin thơng tin làm giảm thiểu nhiều độ méo dạng ảnh (sự sai khác ảnh gốc ảnh khơi phục) Đây lý phương pháp SPIHT truyền hệ số lớn trước nguyên tắc quan trọng phương pháp Một nguyên tắc bít có trọng số lớn mang thông tin quan trọng liệu nhị phân Phương pháp SPIHT sử dụng hai nguyên tắc này; xếp hệ số biến đổi truyền bít có trọng số lớn Q trình giải mã dừng lại bước ứng với giá trị ảnh cần mã hố u cầu Đây cách mà phương pháp mã hố SPIHT làm tổn thất thơng tin II.6.3.7 Phương pháp mã hoá EZW: Phương pháp mã hoá EZW (Embedded Zerotree Wavelet Encoder) dựa sở phép mã hoá luỹ tiến (progressive coding) giống phương pháp mã hoá SPIHT Phương pháp chủ yếu dựa khái niệm zero (zerotree) Về bản, thuật toán dựa hai nguyên tắc trình bày phần phương pháp mã hoá SPIHT Sau xem xét khái niệm thuật toán: Cây tứ phân: Sau áp dụng biến đổi Wavelet ứng với mức phân giải khác biểu diễn hệ số biến đổi dạng Ta thấy với biểu diễn nút cha có nút Sở dĩ có điều trình biến đổi Wavelet tỷ lệ khác Ta gọi tứ phân (quadtree) Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : 61 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh Hình 2.6.4: Cây tứ phân Cây zero (zerotree): Cây zero tứ phân, tất nút nhỏ nút gốc Một mã hoá mã hoá đối tượng giải mã cho tất giá trị khơng Ngồi để mã hố hệ số Wavelet trường hợp này, giá trị nút gốc phải nhỏ giá trị ngưỡng xem xét ứng với hệ số Wavelet Sau có đủ khái niệm cần thiết tứ phân zero, trình bày ngun lý hoạt động thuật tốn Thuật toán mã hoá hệ số theo thứ tự giảm dần Chúng ta dùng giá trị gọi ngưỡng (threshold) sử dụng ngưỡng để tiến hành mã hoá hệ số biến đổi Các hệ số mã hoá theo thứ tự từ vùng tần số thấp đến vùng tần số cao Và hệ số có giá trị tuyệt đối lớn ngưỡng mã hố Tiếp theo giảm ngưỡng tiếp tục làm ngưỡng đạt tới giá trị nhỏ giá trị hệ số nhỏ Cách giảm giá trị ngưỡng thực tương đối đặc biệt, giá trị ngưỡng giảm xuống nửa so với trước Bộ giải mã phải biết mức ngưỡng giải mã ảnh thành cơng Nhưng ta từ nút cha đến nút tứ phân có nút Vậy ta phải theo nhánh có nút trước Hay nói cách đầy đủ ta di chuyển từ hệ số đến hệ số khác theo thứ tự Có nhiều cách di chuyển khác nhau, nhiên hai cách di chuyển hình sử dụng nhiều Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : 62 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh Hình 2.6.5 Việc xếp phải quy ước thống q trình mã hố q trình giải mã để việc giải mã ảnh thành công Trên nguyên lý phương pháp mã hoá EZW Hiện phương pháp mã hoá áp dụng ngày nhiều nén ảnh động Phương pháp cho tỉ lệ nén độ tin cậy giải mã cao Ngoài phương pháp EZW dễ triển khai máy tính phương pháp khơng yêu cầu việc lập trình phức tạp II.6.4.So sánh chuẩn JPEG2000 với JPEG chuẩn nén ảnh tĩnh khác: Một tính quan trọng ưu điểm rõ nét JPEG2000so với JPEG chuẩn nén ảnh khác MPEG VTC hay JPEG - LS v v JPEG2000 đưa hai kỹ thuật nén có tổn thất khơng tổn thất theo chế mã hoá nghĩa JPEG2000 thực tất dạng thức JPEG chế mã hoá Nếu xét tồn hai kỹ thuật JPEG có khả nén ảnh có tổn thất không tổn thất thông tin Tuy nhiên với JPEG chế mã hố với hai dạng khác khó để sử dụng hai dạng lúc cho ứng dụng Do đó, thấy JPEG có tính mềm dẻo chuẩn nén ảnh tĩnh trước Hơn thế, thấy tất phương pháp thiết kế cho chuẩn JPEG2000 ưu việt có nhiều tính Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : 63 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh so với JPEG; thống kê thực tế cho thấy với tỷ lệ nén loại ảnh ảnh nén JPEG2000 ln có chất lượng tốt so với JPEG Chúng ta xem xét hai ảnh hình 2.6.6 để thấy rõ điều này, ảnh bên trái nén theo JPEG ảnh bên phải nén theo JPEG2000 JPEG JPEG 2000 JPEG JPEG 2000 Hình 2.6.6 (a ,b) Tính ưu việt thứ hai JPEG2000 so với JPEG dạng thức nén có tổn thất thơng tin, JPEG2000 đưa tỷ lệ nén cao nhiều so với JPEG Các phần mềm nén ảnh JPEG (kể Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : 64 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh Photoshop) thiết kế để nén tới tỷ lệ 40:1nhưng với JPEG2000 tỷ lệ nén lên tới 200:1 Theo cơng thức tính PSNR đơn vị dB, có: (b số bít dùng biểu diễn pixel ảnh gốc) ⎛ RMSE ⎞ ⎜ ⎟ 10 ⎜ 2b − ⎟ ⎝ ⎠ PSNR(dB) = − 20 log Trong MSE( Mean square error ) sai số bình phương trung bình , PSNR (peak to signal to noise ratio) tỉ số tín hiệu nhiễu đỉnh.MSE thường gọi phương sai lượng tử - σ q (quantization error variance) MSE ảnh gốc ảnh khơi phục tính sau : MSE = σ q2 = N ∑ ( f [i, k ] − g [i, k ]) j ,k Trong tổng lấy theo j, k tính cho tổng tất điểm ảnh ảnh N số điểm ảnh ảnh RMSE bậc MSE Với hai ảnh hình 2.6.6, so sánh tham số PSNR cho bảng bên Để so sánh dễ dàng hơn, ta xét ảnh nén với tỷ lệ khác (đo lường hệ số bít/pixel hay bpp) Tất số liệu bảng cho thấy JPEG2000 nén ảnh tốt JPEG; hệ số PSNR mà xét bảng đo hệ đơn vị logarit Bit per pixel 0.125 0.50 2.00 Ảnh theo JPEG 24.42 31.17 35.15 Ảnh theo JPEG2000 28.12 32.95 37.35 Ảnh theo JPEG 22.6 28.92 35.99 Ảnh theo JPEG2000 24.85 31.13 38.80 Tính ưu việt thứ JPEG2000 so với JPEG chuẩn nén ảnh hiển thị ảnh với độ phân giải kích thước khác từ ảnh nén Với JPEG điều thực Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : 65 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh Sở dĩ có điều JPEG2000 sử dụng kỹ thuật phân giải ảnh mã hố đính kèm mà nói tới phần mã hố ảnh theo JPEG2000 Tính lợi đặc biệt quan trọng JPEG2000, JPEG chuẩn nén ảnh tĩnh trước phải nén nhiều lần để thu chất lượng với lần nén khác với JPEG2000 ta cần nén lần cịn chất lượng ảnh định tuỳ theo người sử dụng trình giải nén ảnh theo JPEG2000.Một tính ưu việt JPEG2000 tính mã hố ảnh quan trọng theo vùng (ROI - Region of Interest) mà đề cập phần mã hoá ảnh theo JPEG2000 Hình 2.6.7 : Minh hoạ tính ROI JPEG2000 cịn có khả đặc biệt ưu việt so với JPEG, khả vượt trội khơi phục lỗi Đó ảnh truyền mạng viễn thơng thơng tin bị nhiễu; với chuẩn nén ảnh JPEG nhiễu thu vào hiển thị, nhiên với JPEG2000, đặc trưng phép mã hố chống lỗi, JPEG2000 giảm thiểu lỗi tới mức khơng có CHƯƠNG III: CÀI ĐẶT CHƯƠNG TRÌNH VÀ THỬ NGHIỆM Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : 66 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh • Từ sở lý thuyết trình bày em tiến hành cài đặt chương trình cho số phương pháp nén ảnh : RLE, HUFFMAN, LZW, JPEG ngơn ngữ lập trình Visual C++ 6.0 • Chương trình chạy tương đối ổn định hỗ trợ định dạng ảnh Bitmap Các phương pháp RLE, HUFFMAN, LZW chương trình chạy tốt ảnh Bitmap 256 màu cịn JPEG thời hỗ trợ cho ảnh Bitmap 24 bit màu • Các file ảnh nén theo phương pháp khác lưu với định dạng đuỗi khác HUFFMAN (*.huff) , LZW (*.lzw) , JPEG (*.jpg) riêng RLE giữ ngun *.bmp • Ngồi thư viện hàm hỗ trợ sẵn Visual C++ 6.0 chương trình cịn sử dụng thêm số thư viện riêng • Các thuật tốn có ưu nhược điểm khác đem lại kết chương trình khác Tốc độ nén hiệu nén phương pháp khác độ phức tạp giải thuật chất lượng ảnh kết yêu cầu khác Phương pháp RLE, HUFFMAN cho kết nhanh chóng chất lượng ảnh không thay đổi hiệu suất nén thường không cao ảnh Bitmap 256 màu cịn phương pháp LZW thuật tốn phải xây dựng từ điển nên tốc độ nén tương đối chậm kết nén cao.Cuối phương pháp JPEG chất lượng ảnh nén hiệu nén tỷ lệ nghịch với nhau, chất lượng ảnh nén tốt kích thước file giảm ngược lại Giao diện chương trình : Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : 67 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh Phương pháp nén ảnh RLE Phương pháp nén ảnh HUFFMAN Phương pháp nén ảnh LZW Phương pháp nén ảnh JPEG Xem ảnh Đường dẫn file nguồn Đường dẫn file đích Kích thước file nguồn Kích thước file đích Các bước thực chương trình : Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : 68 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh Chọn mục đích thực nén (Compression) giải nén (Decompression ) phương pháp nén muốn sử dụng Click vào nút “Duongdan” thứ để mở file muốn thực thi ,nếu muốn xem ảnh chọn (nếu ảnh Bitmap) click nút >> để xem ảnh cịn kích thước file hiển thị bên Click vào nút “Duongdan” thứ hai để đường dẫn đến file muốn lưu lại kết Click nút “Thuchien” xong chương trình thơng báo hộp hội thoại MessageBox riêng với JPEG ta cịn phải chọn chất lượng ảnh nén thực nén Chất lượng cao ảnh bị thay đổi hiệu suất nén thấp ngược lại Thơng báo hồn tất nén giải nén KẾT LUẬN Kết đạt ứng dụng đồ án Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : 69 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh Đồ án trình bày khái niệm quan trọng cần thiết kỹ thuật nén ảnh nói chung nguyên tắc , sở lý thuyết ,thuật toán số phương pháp nén ảnh phổ biến : mã loạt dài RLE, HUFFMAN, LZW, JPEG, JPEG2000.Trong trình bày phương pháp nén ánh JPEG2000 sử dụng biến đổi Wavelet để nén ảnh, phương pháp nén ảnh quan tâm phát triển tính bật so với phương pháp khác Phương pháp không cho hiệu suất nén cao, chất lượng ảnh bảo đảm so với phương pháp nén RLE, HUFFMAN, LZW, JPEG mà cịn tính riêng biệt sư dụng biến đổi Wavelet để nén ảnh : nén ảnh theo vùng (ROI) , ảnh vùng đối tượng có tỷ lệ nén khác ,nén ảnh lần giải nén ảnh với chất lượng ảnh kích thước ảnh khác tuỳ theo yêu cầu người sử dụng Các phương pháp nén trình bày đồ án phương pháp sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực đặc biệt truyền thông cho ảnh mạng đảm bảo tốc độ, thời gian chất lượng liệu truyền Hướng phát triển nghiên cứu Một số hướng nghiên cứu tương lai : • Đồ án đề cập đến phương pháp nén ảnh tĩnh mà chưa ứng dụng chúng cho âm thanh, video, đặc biệt biến đổi Wavelet chuẩn JPEG2000 việc sâu nghiên cứu tìm hiểu họ Wavelet cần thiết • Nghiên cứu thêm giải thuật SPIHT, EZW ứng dụng chúng • Các phương pháp nén trình bày đồ án đời từ nhiều năm trước cần nghiên cứu cải tiến phuơng pháp để nâng cao hiệu nén Các tài liệu tham khảo: Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : 70 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh PGS.Nguyễn Thanh Thuỷ, Ths.Lương Mạnh Bá, Nhập môn xử lý ảnh số Võ Đức Khánh (2003),Giáo trình xử lý ảnh , Nxb Thống kê, Hà Nội D.Huffman , A method for the contruction of minimum – redundancy codes, Proc IRE 40, 1098-1101 (1952) Nguyễn Kim Sách (1997), Xử lý ảnh video số , Nxb Khoa học Kỹ thuật , Hà Nội Michael David Adams - Faouzi Kossentini - Touraji Ebrahimi “JPEG2000 : The Next Generation Still Image Compression Standard” (2000) Website: http://www.JPEG.org/JPEG2000.html Website: http://www.codeproject.com Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : 71 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP NÉN ẢNH II.1.Cách phân loại phương pháp nén ảnh: II.1.1.Cách phân loại dựa vào nguyên lý nén: Nén bảo tồn... luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh I.2.Mục đích cần thiết “ nén ảnh ”: Nén ảnh kỹ thuật mã hoá ảnh số hoá nhằm giảm số lượng bit liệu cần thiết để biểu diễn ảnh Mục đích... luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh Tóm lại trình nén giải nén liệu mơ tả cách tóm tắt theo sơ đồ đây: Quá trình nén Dữ liệu ố Dữ liệu Quá trình giải nén Hình 2.1 : Quá trình nén