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

Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số ph-ơng pháp nén ảnh Lời cảm ơn ! Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS TS Ngô Quốc Tạo, thầy đà tận tình h-ớng dẫn giúp đỡ em nhiều trình thực tập tìm hiểu nghiên cứu đề tài đ-ợc giao để em hoàn thành tốt báo cáo tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn dạy bảo thầy giáo, cô giáo Khoa Công Nghệ Thông Tin - Tr-ờng Đại học Dân Lập Hải Phòng đà trang bị cho em kiến thức để em hoàn thành báo cáo tốt nghiệp đề tài đ-ợc giao Trong trình nghiên cứu đề tài đà đ-ợc thầy cô giáo h-ớng dẫn tận tình nh-ng nhiều nguyên nhân chủ quan khách quan nên đề tài không tránh khỏi sai sót Em mong đ-ợc thầy cô giáo dẫn ,đóng góp ý kiến quý báu giúp em hoàn thiện báo cáo tốt nghiệp , phát triển mở rộng đề tài đựoc giao Em xin chân thành cám ơn ! Hải Phòng, ngày tháng năm 2007 Sinh viên Tạ Minh Thắng 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 ph-ơng pháp nén ảnh Mục lục Mở đầu CH-¬ng I: Giíi thiƯu tỉng quan vỊ nÐn ¶nh I.1.Giíi thiƯu vỊ ¶nh sè xử lý ảnh số I.1.1.¶nh sè I.1.2.Xư lý ¶nh sè I.2.Mục đích cần thiết nén ảnh I.3.C¸c kh¸i niệm Ch-ơng II: Các ph-ơng pháp nén ảnh II.1.Cách phân loại ph-ơng pháp nén ảnh II.1.1.C¸ch phân loại dựa vào nguyên lý nén II.1.2.Cách phân loại dựa vào cách thức thực nén II.1.3.Cách phân loại dựa vào lý thuyết mà hoá 10 II.1.4.Quá trình nén giải nén 10 II.2.Ph-ơng pháp mà hoá độ dài lo¹t RLE 11 II.2.1.Nguyên tắc 11 II.2.2.ThuËt to¸n 13 II.2.3.Một số thủ tục ch-ơng trình 14 II.3.Ph-ơng pháp m· ho¸ Huffman 19 II.3.1 Nguyên tắc 19 II.3.2 ThuËt to¸n 19 II.3.3.Mét sè thđ tơc ch-¬ng tr×nh 24 II.4.Ph-ơng pháp mà hoá LZW 27 II.4.1.Nguyên tắc 27 II.4.2 ThuËt to¸n 31 II.4.3.Mét số thủ tục ch-ơng trình 34 II.5.Ph-ơng pháp mà hoá JPEG 38 II.5.1.Nguyên tắc 38 II.5.2.ThuËt to¸n 38 II.5.3.Một số thủ tục ch-ơng trình 48 II.6.Ph-¬ng ph¸p m· ho¸ JPEG2000 54 II.6.1 Lịch sử đời phát triển chuẩn JPEG2000 54 II.6.2.Các tính JPEG2000 54 II.6.3.Các bước thực nén ảnh theo chuẩn JPEG2000 55 II.6.3.1.Xử lý trước biến đổi 55 II.6.3.2 Biến đổi liên thành phần 55 II.6.3.3 Biến đổi riêng thành phần (biến đổi Wavelet) 56 II.6.3.4 Lượng tử hoá - Giải lượng tử hoá 57 II.6.3.5 Mã hố kết hợp dịng liệu sau mã hoá 58 II.6.3.6 Phương pháp mã hoá SPIHT 59 II.6.3.7 Phương pháp mã hoá EZW 60 II.6.4.So sánh chuẩn JPEG2000 với JPEG chuẩn nén nh tnh khỏc 62 Ch-ơng III: Cài đặt ch-ơng trình vµ thư nghiƯm 66 KÕt ln 69 Sinh viên thực : Tạ Minh Th¾ng CT 702 Trang : LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số ph-ơng pháp nén ảnh Mở đầu Ngày nay, với phát triển không ngừng khoa học công nghệ máy tính đóng vai trò ngày quan trọng thiếu sống xà hội loài ng-ời Việc trao đổi thông tin ng-ời tất ngành, lĩnh vực đời sống ngày trở nên cần thiết với đời phát triển mạng Internet Xử lý ảnh ngành khoa học t-ơng đối mẻ so với nhiều ngành khoa học khác nh-ng đ-ợc tập trung nghiên cứu phát triển ứng dụng thực tiễn nhiều ngành , lĩnh vực khác Trong ‚NÐn °nh‛ l¯ mét phÇn cđa xư lý °nh cã ứng dụng to lớn truyền thông l-u trữ, đà có nhiều ph-ơng pháp nén ảnh đ-ợc đời không ngừng đ-ợc cải tiến để ngày hoàn thiện đem lại hiệu nén cao v cho chất lượng nh tốt Trong đồ n tốt nghiệp TìM hiểu số ph-ơng pháp nén ảnh hướng dẫn PGS TS Ngô Quốc Tạo em đà sâu nghiên cứu số ph-ơng pháp nén ảnh phổ biến nh- : mà loạt dài RLE, HUFFMAN, LZW, JPEG ph-ơng pháp nén ảnh JPEG2000 dựa biến đổi Wavelet với đặc tính v-ợt trội so với chuẩn nén tr-ớc đem lại hiệu nén cao , cho ảnh nén chất l-ợng tốt nhiều -u điểm khác mà chuẩn nén tr-ớc có Nội dung đồ án tốt nghiệp bao gồm phần nh- : ch-ơng giới thiệu tổng quan xử lý ảnh, mục đích ch-ơng giới thiệu số khái niệm cần biết ảnh số xử lý ảnh số Ch-ơng hai giới thiệu số ph-ơng pháp nén ảnh cách phân loại ph-ơng pháp nén ảnh Ch-ơng ba giới thiệu ch-ơng trình thử nghiệm kết đạt đựơc ch-ơng trình Cuối phần kết luận đánh giá kết nghiên cứu thu đ-ợc h-ớng phát triển đề tài 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 ph-ơng pháp nén ảnh CH-ơng I: Giới thiệu tổng quan nén ¶nh I.1.Giíi thiƯu vỊ ¶nh sè vµ xư lý ¶nh số: I.1.1.ảnh số: ảnh biểu diễn d-ới dạng tín hiệu t-ơng tự tín hiệu số Trong biểu diễn số ảnh đa mức xám, ảnh đ-ợc biểu diễn d-ới dạng ma trận hai chiều Mỗi phần tử ma trận biểu diễn cho mức xám hay c-ờng độ ảnh vị trí Mỗi phần tử ma trận đ-ợc gọi phần tử ảnh, thông th-ờng 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 đ-ợc 28 hay 256 Mỗi mức xám đ-ợc biểu diễn d-ới dạng số nguyên nằm khoảng từ đến 255, với mức biểu diễn cho mức c-ờng độ đen 255 biểu diễn cho mức c-ờng độ sáng - Với ảnh màu: Cách biểu diễn t-ơng tự nh- 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 màu cần 24 bit, 24 bit đ-ợc chia thành ba khoảng bit Mỗi khoảng biểu diễn cho c-ờng độ sáng màu 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 ph-ơng pháp nén ảnh 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 t-ơng đối so với nhiều ngành khoa học khác ,nhất quy mô công nghiệp Xử lý ¶nh sè cã rÊt nhiỊu øng dơng nh- lµm nỉi ảnh y học, khôi phục lại ảnh tác động khí thiên văn học, tăng c-ờng độ phân giải ảnh truyền hình mà không cần thay đổi cấu trúc bên hệ thống chuyển tải, nén ảnh truyền xa l-u trữ Các giai đoạn xử lý ảnh đ-ợc mô tả hình sau: L-u trữ CAMERA Thu nhận ảnh Số hoá Phân tích ảnh Nhận dạng ddạngạng SENSOR L-u trữ Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Hệ định Trang : LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com §å án tốt nghiệp Tìm hiểu số ph-ơng pháp nén ảnh I.2.Mục đích cần thiết nén ảnh : Nén ảnh kỹ thuật mà hoá ảnh số hoá nhằm giảm số l-ợng bit liệu cần thiết để biểu diễn ảnh Mục đích giảm chi phí việc l-u trữ ảnh chi phí thời gian để truyền ảnh xa truyền thông nh-ng đảm bảo đ-ợc chất l-ợng ảnh Nén ảnh thực đ-ợc thực tế: thông tin ảnh ngẫu nhiên mà có trật tự , tổ chức.Vì bóc tách đ-ợc tính trật tự, cấu trúc biết phần thông tin quan trọng ảnh để biểu diễn truyền với số l-ợng bit so với ảnh gốc mà đảm bảo tính đầy đủ thông tin.ở bên nhận trình giải mà tổ chức, xếp lại đ-ợc ảnh xấp xỉ gần xác so với ảnh gốc nh-ng thỏa mÃn chất l-ợng yêu cầu D-ới ví dụ l-u trữ ảnh số truyền xa với đ-ờng truyền 9600 baud (9600 bps) để thấy rõ cần thiết việc nén ảnh: ã ảnh đa cấp xám hay ảnh 256 màu có kích th-ớc 800 x 600, bit/điểm ảnh, cần 3.840.000 bit l-u trữ 6.67 phút để truyền ã ảnh màu RGB (24 bit/điểm ảnh ) độ phân giải nh- cần 10 triệu bit để l-u trữ 20 phút để truyền Một phim âm có kích th-ớc 24 36 mm (35 mm) chia khoảng cách 12 àm, vào khoảng 3000 2000 điểm, bit / pixel, yêu cầu 48 triệu bit cho l-u giữ ảnh 83 phút để truyền Qua ví dụ ta thấy nhiều vấn đề việc l-u trữ truyền tải ảnh số hoá Nén ảnh có nhiều ứng dụng thực tế nh- : truyền văn đồ hoạ qua đ-ờng điện thoại (Fax), nén ảnh y tế truyền hình cáp.Chính ứng dụng nhiều lÜnh vùc cđa nÐn ¶nh cïng víi sù tiÕn bé lÜnh vùc vi ®iƯn tư dÉn ®Õn sù đời chuẩn nén 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 ph-ơng pháp nén ảnh Nén ảnh đạt đ-ợc cách loại bỏ phần d- thừa ảnh đà đ-ợc số hoá D- thừa d- thừa thông tin không gian, d- thừa vỊ cÊp x¸m hay d- thõa vỊ thêi gian: “ D- thõa th«ng tin vỊ kh«ng gian : mét ảnh tồn t-ơng quan điểm ảnh cạnh D- thừa thông tin cấp xám :là d- thừa dựa vào t-ơng quan màu sắc cạnh D- thừa thông tin thời gian : Trong chuỗi ảnh video, tồn t-ơng quan điểm ảnh frame khác I.3.Các khái niệm bản: Pixel (picture element) : phần tử ảnh ảnh thực tế ảnh liên tục không gian giá trị độ sáng Để xử lý ảnh máy tính cần thiết phải tiến hành số hoá ảnh Nhvậy 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 mà hoá t-ơng ứng c-ờng độ sáng điểm ảnh với giá trị số kết trình l-ợng hoá Dữ liệu Trong toán, liệu bao gồm tập phần tử sở mà ta gọi liệu nguyên tử Nó mét ch÷ sè, mét ký tù, nh-ng cịng cã thể số, từ, điều phụ thuộc vào toán 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 ph-ơng pháp nén ảnh Nén liệu Nén liệu l qu trình gim dung lượng thông tin dư thừa liệu gốc làm cho l-ợng thông tin thu đ-ợc sau nén th-ờng nhỏ liệu gốc nhiều Do vậy, tiết kiệm đ-ợc nhớ giảm thời gian trao đổi liệu mạng thông tin mà lại cho phép khôi phục lại liệu ban đầu “ Tû lƯ nÐn Tû lƯ nÐn lµ mét đặc tr-ng quan trọng ph-ơng pháp nén Tỷ lệ nén đ-ợc định nghĩa nh- sau: Tỷ lệ nén = 1/r*% với r tỷ số nén đ-ợc định nghĩa: r = kích th-ớc liệu gốc / kÝch th-íc d÷ liƯu nÐn Nh- vËy hiƯu st nÐn = (1- tỷ lệ nén)*100% Đối vơi ảnh tĩnh, kích th-íc chÝnh lµ sè bit biĨu diƠn toµn bé bøc ảnh Đối với ảnh video, kích th-ớc 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 ph-ơng pháp nén ảnh Ch-ơng II: Các ph-ơng pháp nén ảnh II.1.Cách phân loại ph-ơng pháp nén ảnh: II.1.1.Cách phân loại dựa vào nguyên lý nén: Nén bảo toàn thông tin (losses compression): bao gồm ph-ơng pháp nén mà sau giải nén thu đựơc xác liệu gốc.Tuy nhiên nén bảo toàn thông tin đạt hiệu nhỏ so với ph-ơng pháp nén không bảo toàn thông tin Nén không bảo toàn thông tin (lossy compression): bao gồm ph-ơng pháp nén sau giải nén không thu đ-ợc liệu nh- gốc Các ph-ơng pháp gọi l tâm lý thị gic l lợi dụng tính chất mắt ng-ời chấp nhận số vặn xoắn ảnh khôi phục lại.Ph-ơng pháp đem lại hiệu cao loại bỏ thông tin d- thừa không cần thiết II.1.2.Cách phân loại dựa vào cách thức thực nén: Ph-ơng pháp không gian (Spatial Data Compression ): ph-ơng pháp thực nén cách tác động trực tiếp lên việc lấy mẫu ảnh miền không gian Ph-ơng pháp sử dụng biến đổi (Transform Coding): gồm ph-ơng pháp tác động lên biến đổi ảnh gốc không tác động trực tiếp 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 ph-ơng pháp nén ảnh II.1.3.Cách phân loại dựa vào lý thuyết mà hoá: Các ph-ơng pháp nén hệ thứ nhất: gồm ph-ơng pháp có mức độ tính toán đơn giản nh- lấy mẫu , gán từ mÃ, Các ph-ơng pháp nén hệ thứ hai: gồm ph-ơng 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 nh- : ph-ơng pháp kim tự tháp Laplace, ph-ơng pháp dựa vào vùng gia tăng, ph-ơng pháp tách hợp II.1.4.Quá trình nén giải nén : Gồm công đoạn : Nén : liệu gốc qua mà hoá liệu , mà hoá thực nén liệu đến mức thích hợp cho việc l-u trữ truyền dẫn thông tin Quá trình thực việc loại bỏ hay cắt bớt d- thừa ảnh để thu đ-ợc thông tin cần thiết nh-ng đảm bảo đ-ợc chất l-ợng ảnh Giải nén : liệu nén qua giải mà liệu, giải mà thực giải nén để thu đ-ợc liệu gốc ban đầu.Việc giải nén th-ờng phải dựa vào thông tin theo liệu nén ,tuỳ thuộc vào kiểu nén hay ph-ơng pháp nén mà liệu giải nén đ-ợc có hoàn toàn giống với liệu gốc ban đầu hay không Tóm lại trình nén giải nén liệu mô tả cách tóm tắt theo sơ đồ d-ới đây: Quá trình nén Dữ liệu gốc Dữ liệu nén Quá trình giải nén Hình 2.1 : Quá trình nén giải nén 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 ph-ơng pháp nén ảnh nghch (Irreversible Color Transform - ICT) biến đổi thuận nghịch làm việc với giá trị nguyên, biến đổi không thuận nghịch làm việc với giá trị thực ICT RCT chuyển liệu ảnh từ không gian màu RGB sang YCrCb RCT áp dụng hai dạng thức nén có tổn thất khơng tổn thất, cịn ICT áp dụng cho nén có tổn thất Việc áp dụng biến đổi trước nén ảnh khơng nằm ngồi mục đích làm tăng hiệu nén Các thành phần Cr, Cb có ảnh hưởng tới cảm nhận hình ảnh mắt thành phần độ chói Y có ảnh hưởng lớn tới ảnh Chúng ta thấy rõ điều hình vẽ sau: H×nh 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 thông 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 thnh cỏc Sinh viên thực : Tạ Minh Th¾ng CT 702 Trang : 56 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số ph-ơng pháp nén ảnh bng tn s khỏc 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 H×nh 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 khơng 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 hoá - Giải lượng tử hoá : Các hệ số phép biến đổi tiến hành lượng tử hố Q trình lượng tử hố cho phép đạt tỷ lệ nén cao cách thể giá 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 ph-ơng pháp nén ảnh tr bin i vi chớnh xỏc 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 )    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 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 hoá là: U(x,y) = V ( x, y)  r sgn V ( x, y) r tham số xác định dấu làm tròn, giá trị ( U x,y);V(x,y) tương ứng giá trị khơi phục giá trị lượng tử hố nhận JPEG2000 không 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 phỏp EZW Hin Sinh viên thực : Tạ Minh Th¾ng CT 702 Trang : 58 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số ph-ơng pháp nén ảnh JPEG2000 c áp dụng mã hoá hai phương pháp phương pháp phát triển từ hai phương pháp phương pháp mã hố mặt phẳng bít Vì xem xét hai phương pháp Việc kết hợp dịng liệu sau mã hố JPEG2000 thực chất để thực tính đặc biệt JPEG2000 tính ROI v.v II.6.3.6 Phương pháp mã hố SPIHT: 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 hố cần nén lần giải nén nhiều mức chất lượng khác Giả sử gi cỏc pixel Sinh viên thực : Tạ Minh Th¾ng CT 702 Trang : 59 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số ph-ơng pháp nén ảnh mt nh 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 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 ln truyền giá trị mang thông tin quan trọng ảnh trước Sở dĩ làm thông 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 trờn khỏi nim Sinh viên thực : Tạ Minh Th¾ng CT 702 Trang : 60 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số ph-ơng pháp nén ảnh v cõy 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 cỏc cõy t phõn (quadtree) 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 hoá 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 toán 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 giỏ tr ca h Sinh viên thực : Tạ Minh Th¾ng CT 702 Trang : 61 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số ph-ơng pháp nén ảnh s nh nht 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 công 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 H×nh 2.6.5 Việc xếp cịn 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 u cầu việc lập trình q 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 tn tht 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 ph-ơng pháp nén ảnh theo cựng mt c ch 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 khơng tổn thất thơng 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 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 H×nh 2.6.6 (a ,b) 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 ph-ơng pháp nén ảnh Tớnh nng u vit th hai ca 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 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) PSNR(dB) =  20 log  RMSE    10  2b     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 -  q (quantization error variance) MSE ảnh gốc ảnh khôi phục tính sau : MSE   2q   f i, k   gi, k 2  N 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 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 ph-ơng pháp nén ảnh Tớnh nng u vit th ca JPEG2000 so với JPEG chuẩn nén ảnh hiển thị ảnh với độ phân giải kích thước khác từ ảnh nén Với JPEG điều khơng thể thực 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 Sinh viªn thùc : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : 65 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số ph-ơng pháp nén ảnh Ch-ơng III: Cài đặt ch-ơng trình thử nghiệm Từ sở lý thuyết trình bày em đà tiến hành cài đặt ch-ơng trình cho số ph-ơng pháp nén ảnh : RLE, HUFFMAN, LZW, JPEG ngôn ngữ lập trình Visual C++ 6.0 Ch-ơng trình chạy t-ơng đối ổn định nh-ng hỗ trợ định dạng ảnh Bitmap Các ph-ơng pháp RLE, HUFFMAN, LZW ch-ơng trình chạy tốt ảnh Bitmap 256 màu JPEG thời hỗ trợ cho ảnh Bitmap 24 bit màu Các file ảnh đ-ợc nén theo ph-ơng pháp khác đ-ợc l-u với định dạng đuỗi khác HUFFMAN (*.huff) , LZW (*.lzw) , JPEG (*.jpg) riêng RLE giữ nguyên đuôi *.bmp Ngoài th- viện hàm đ-ợc hỗ trợ sẵn Visual C++ 6.0 ch-ơng trình sử dụng thêm số th- viện riêng Các thuật toán có -u nh-ợc điểm khác đem lại kết ch-ơng trình khác Tốc độ nén hiệu nén ph-ơng pháp khác độ phức tạp giải thuật chất l-ợng ảnh kết yêu cầu khác Ph-ơng pháp RLE, HUFFMAN cho kết nhanh chóng chất l-ợng ảnh không thay đổi nh-ng hiệu suất nén th-ờng không cao ảnh Bitmap 256 màu ph-ơng pháp LZW thuật toán phải xây dựng từ điển nên tốc độ nén t-ơng đối chậm nh-ng kết nén cao.Cuối ph-ơng pháp JPEG chất l-ợng ảnh nén hiệu nén tỷ lệ nghịch với nhau, chất l-ợng ảnh nén tốt kích th-ớc file giảm ng-ợc lại 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 ph-ơng pháp nén ảnh Giao diện ch-ơng trình : Ph-ơng pháp nén ảnh RLE Ph-ơng pháp nén ảnh HUFFMAN Ph-ơng pháp nén ảnh LZW Ph-ơng pháp nén ảnh JPEG Xem ảnh §-êng dÉn file ngn §-êng dÉn file ®Ých KÝch th-íc file nguồn Kích th-ớc file đích 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 ph-ơng pháp nén ảnh Các b-ớc thực ch-ơng trình : Chọn mục đích thực nén (Compression) giải nén (Decompression ) ph-ơng pháp nén muốn sử dụng Click vào nút ‚Duongdan‛ thø nhÊt ®Ĩ më file mn thùc thi ,nÕu muốn xem ảnh chọn (nếu ảnh Bitmap) click nút >> để xem ảnh kích th-ớc file hiển thị bên d-ới Click vào nút Duongdan thứ hai ®Ĩ chØ ®-êng dÉn ®Õn file mn l-u l¹i kÕt Click nút Thuchien xong chương trình thông bo bng hộp hội thoại MessageBox riêng với JPEG ta phải chọn chất l-ợng ảnh nén thực nén Chất l-ợng cao ảnh bị thay đổi nh-ng hiệu suất nén thấp ng-ợc lại Thông báo hoàn tất nén giải nén 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 ph-ơng pháp nén ảnh Kết luận Kết đạt đ-ợc ứng dụng đồ án Đồ án đà trình bày khái niệm quan trọng cần thiết kỹ thuật nén ảnh nói chung nguyên tắc , sở lý thuyết ,thuật toán số ph-ơng pháp nén ảnh phổ biến nh- : mà loạt dài RLE, HUFFMAN, LZW, JPEG, JPEG2000.Trong trình bày ph-ơng pháp nén ánh JPEG2000 sử dụng biến đổi Wavelet để nén ảnh, ph-ơng pháp nén ảnh đ-ợc quan tâm phát triển tính bật so với ph-ơng pháp khác Ph-ơng pháp không cho hiệu suất nén cao, chất l-ợng ảnh bảo đảm so với ph-ơng pháp nén RLE, HUFFMAN, LZW, JPEG mà tính riêng biệt s- dụng biến đổi Wavelet để nén ảnh nh- : nén ảnh theo vùng (ROI) , ảnh vùng đối t-ợng có tỷ lệ nén khác ,nén ảnh lần nh-ng giải nén ảnh với chất l-ợng ảnh kích th-ớc ảnh khác tuỳ theo yêu cầu ng-ời sử dụng Các ph-ơng pháp nén trình bày đồ án ph-ơng pháp đ-ợc sử dụng rộng rÃi nhiều lĩnh vực đặc biệt truyền thông cho ảnh mạng đảm bảo tốc độ, thời gian chất l-ợng liệu truyền H-ớng phát triển nghiên cứu Một số h-ớng nghiên cứu t-ơng lai : Đồ án đề cập đến ph-ơng pháp nén ảnh tĩnh mà ch-a 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 ph-ơng pháp nén đ-ợc trình bày đồ án đà đời từ nhiều năm tr-ớc cần nghiên cứu cải tiến phuơng pháp để nâng cao hiệu nén 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 ph-ơng pháp nén ảnh Các tài liệu tham khảo: PGS.Nguyễn Thanh Thuỷ, Ths.L-ơng 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) Ngun Kim S¸ch (1997), Xư lý ¶nh vµ video sè , Nxb Khoa häc vµ Kü thuËt , Hµ Néi 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 : 70 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số ph-ơng pháp nén ảnh Ch-ơng II: Các ph-ơng pháp nén ảnh II.1.Cách phân loại ph-ơng pháp nén ảnh: II.1.1.Cách phân loại dựa vào nguyên lý nén: Nén bảo toàn... đồ n tốt nghiệp TìM hiểu số ph-ơng pháp nén ảnh hướng dẫn PGS TS Ngô Quốc Tạo em đà sâu nghiên cứu số ph-ơng pháp nén ảnh phổ biến nh- : mà loạt dài RLE, HUFFMAN, LZW, JPEG ph-ơng pháp nén ảnh. .. Tìm hiểu số ph-ơng pháp nén ảnh I.2.Mục đích cần thiết nén ảnh : Nén ảnh kỹ thuật mà hoá ảnh số hoá nhằm giảm số l-ợng bit liệu cần thiết để biểu diễn ảnh Mục đích giảm chi phí việc l-u trữ ảnh