TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT HẬU CẦN CAND KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ CƠ SỞ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG CHUYÊN ĐỀ 3 KỸ THUẬT MÃ HÓA/GIẢI MÃ TRONG CHUẨN JPEG VÀ JPEG2000 NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN NHÓM[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT HẬU CẦN CAND KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ CƠ SỞ KỸ THUẬT VIỄN THƠNG CHUN ĐỀ KỸ THUẬT MÃ HĨA/GIẢI MÃ TRONG CHUẨN JPEG VÀ JPEG2000 NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN: NHÓM – B3D10 Bắc Ninh, 1/2023 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT HẬU CẦN CAND KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ CƠ SỞ KỸ THUẬT VIỄN THƠNG CHUN ĐỀ KỸ THUẬT MÃ HĨA/GIẢI MÃ TRONG CHUẨN JPEG VÀ JPEG2000 NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN: NHÓM – B3D10 STT Họ tên Lớp Nguyễn Tất Thắng B3D10 Nguyễn Công Thơm B3D10 Bắc Ninh, 1/2023 MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT LỜI NÓI ĐẦU .1 Chương 1: Cơ sở mã hóa ảnh tĩnh .2 1.1 Xử lý ảnh 1.1.1 Một số khái niệm 1.1.2 Hệ thống xử lý ảnh 1.1.3 Các vấn đề xử lý ảnh 1.2 Cơ sở lý thuyết mã hóa ảnh 1.2.1 Tốn tử tuyến tính .5 1.2.2 Tích chập 1.2.3 Biến đổi Fourier 1.2.4 Biến đổi KL .7 1.2.5 Biến đổi Wavalet .8 1.3 Mã hóa ảnh tĩnh 10 1.3.1 Mã hóa nén ảnh tĩnh 10 1.3.2 Các chuẩn mã hóa ảnh tĩnh 11 Chương 2: Tiêu chuẩn JPEG JPEG2000 12 2.1 Tiêu chuẩn JPEG 12 2.1.1 Giới thiệu tiêu chuẩn JPEG .12 2.1.2 Cấu trúc, sơ đồ tắc nén ảnh JPEG 13 2.1.2.1 Quá trình phân khối chuyển ảnh ban đầu thành block 8x8 13 2.1.2.2 Chuyển mức điểm ảnh: .13 2.1.2.3 Biến đổi cosin rời rạc DCT 14 2.1.2.4 Lượng tử hóa 19 2.1.2.5 Quét zig-zag .20 2.1.2.6 Mã hóa entropy 20 2.1.2.7 Bộ nhớ đệm 24 2.1.2.8 Quá trình giải nén .24 2.1.3 Nguyên lý nén ảnh JPEG 26 2.1.4 Ưu nhược điểm phương pháp nén ảnh theo chuẩn JPEG 26 2.1.4.1 Ưu điểm 26 2.1.4.2 Nhược điểm 27 2.2 Chuẩn nén JPEG2000 27 2.2.1 Giới thiệu chuẩn nén JPEG2000 27 2.2.2 Cấu trúc, sơ đồ nén ảnh JPEG2000 27 2.2.2.1 Xử lý trước biến đổi 27 2.2.2.2 Biến đổi liên thành phần 28 2.2.2.3 Biến đổi riêng thành phần 28 2.2.2.4 Lượng tử hóa – giải lượng tử hóa .29 2.2.2.5 Mã hóa kết hợp dịng liệu .30 2.2.3 Nguyên lý nén ảnh JPEG2000 32 2.2.4 Ưu nhược điểm phương pháp nén ảnh theo chuẩn JPEG2000 33 2.2.4.1 Ưu điểm 33 2.2.4.2 Nhược điểm 33 2.3 So sánh chuẩn JPEG-2000 với JPEG .33 Chương 3: Ứng dụng chuẩn mã hóa JPEG/JPEG2000 thực mô 37 3.1 Những ứng dụng JPEG JPEG2000 .37 3.2 Lý JPEG JPEG2000 không phổ biến 38 3.3 Thực mô nén JPEG 39 3.3.1 Giao diện chương trình: 39 3.3.2 Nút bấm 40 3.4 Mơ hình nén 40 3.5 Kết mô 40 3.5 Nhận xét kết .42 3.6 Đánh giá 42 KẾT LUẬN .43 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Minh họa phân nhóm hệ số AC 22 Bảng 2.2 Ví dụ bảng Huffman cho hệ số AC 22 Bảng 2.3 So sánh JPEG JPEG-2000 35 Bảng 2.4 So sánh tính JPEG2000 với JPEG .36 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mô hàm hai chiều ảnh tĩnh .2 Hình 1.2 Các giai đoạn xử lý ảnh Hình 1.3 Đồ thị biến đổi Fourier Hình 1.4 Mô biến đổi Fourier Hình 1.5 Mơ tả biến đổi Wavalet .9 Hình 2.1 Sơ đồ mã hóa giải mã theo JPEG 13 Hình 2.2 Mã hóa khổi 8x8 DCT chiều 16 Hình 2.3 Khai triển DCT bảng trọng số Q(u,v) 17 Hình 2.4 Khai triển DCT cho khối ảnh có độ chói dạng bàn cờ 18 Hình 2.5 Các bảng lượng tử cho tín hiệu chói màu theo chuẩn JPEG 19 Hình 2.6 Quét zig-zag hệ số lượng tử hóa DCT 20 Hình 2.7 Mã hóa entropy 20 Hình 2.8 Q trình mã hóa RLC 21 Hình 2.9 Sơ đồ khối hệ thống mã VLC cho hệ số DC (a) AC (b) .23 Hình 2.10 Sơ đồ khối hệ thống giải mã JPEG 24 Hình 2.11 Khơi phục điểm ảnh khối 8x8 25 Hình 2.12 Sai số điểm ảnh khôi phục so với giá trị ban đầu 26 Hình 2.13 Trình tự mã hóa (a) giải mã JPEG-2000 (b) .27 Hình 2.14 Minh họa ảnh RGB sang YcrCb 28 Hình 2.15 Sơ đồ phương pháp Lifting 1D dùng phép biến đổi Wavelet 29 Hình 2.16 Sơ đồ minh họa tứ phân (a) phân mức (b) .31 Hình 2.17 Hai cách xếp thứ tự hệ số biến đổi 32 Hình 2.18 So sánh JPEG JPEG-2000 34 Hình 2.19 Minh họa tính ROI 35 Hình 3.1 Giao diện chương trình nén 39 Hình 3.2 Chọn ảnh để nén 40 Hình 3.3 Mơ hình nén .40 Hình 3.4 Nén lần 41 Hình 3.5 Nén lần 41 Hình 3.6 Kích cỡ trước sau nén JPEG 42 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ đầy đủ JPEG Joint Photographic Experts Group Wavelet Wavelet Transform DCT Discrete Cosine Transform RLC Run Length Code VLC Variable Length Code SPIHT Set Partitioning In Hierarchical Trees EZW Embedded Zerotree Wavelet Encoder Nghĩa từ LỜI NÓI ĐẦU Khi nhắc tới ngành công nghệ thông tin – truyền thông đặc biệt giới ảo mạng toàn cầu rộng lớn, phải nhắc đến khái niệm Dữ liệu đa phương tiện – bước đột phá lịch sử loài người tổ chức lưu trữ liệu thơng minh Đó tất dạng tổ chức lưu trữ liệu số hoạt động thiết bị số, máy tính đại, thiết bị số tạo ra, xử lí truyền thông thành phần mạng thông qua phương thức đặc thù riêng Khái niệm Dữ liệu đa phương tiện phong phú, nêu số đối tượng bản, phổ biến như: tệp liệu âm (audio file), tệp liệu hình ảnh/đồ họa số (image/graphic file) hay tệp phim/hình chuyển động (video file) Việc tìm hiểu, khảo sát đối tượng liệu đa phương tiện địi hỏi cơng sức chi phí lớn Trong phạm vi học phần, nhóm xin đưa nhìn cụ thể, rõ ràng đối tượng số là: chuẩn nén ảnh JPEG JPEG2000 Đây chuẩn liệu sử dụng phổ biến nay, đời sống lẫn công tác nghiên cứu khoa học Hơn nữa, ứng dụng chuẩn JPEG2000 thực mang lại tiện ích lớn cho người dùng việc lưu trữ, xử lí truyền tải thơng tin dạng hình ảnh mạng máy tính hay thiết bị số khác Trong chuyên đề này, chúng em trình bày mục sau: - Chương 1: Chương giới thiệu sở mã hóa ảnh tĩnh - Chương 2: Sẽ trình bày nội dung tiêu chuẩn JPEG JPEG2000 - Chương 3: Trình bày ứng dụng JPEG JPEG2000, thực mô nén JPEG đánh giá Trong trình thực hiện, nhóm nghiên cứu sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng, cho kết cụ thể trực quan Tuy nhiên, kiến thức cịn hạn hẹp nên nhóm chúng em chưa thể sử dụng thực thành thạo phần mềm Trong chun đề này, nhóm nỗ lực tìm hiểu, khảo sát, đánh giá nội dung cần thực Tuy nhiên, thiếu sót, sơ suất tránh khỏi nhiều vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, cải thiện tương lai Qua nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn, giúp đỡ tận tình Khoa Điện tử viễn thông thầy cô giáo giảng dạy học phần Cơ sở kỹ thuật viễn thông suốt trình thực đề tài Kính mong thầy giáo nhận xét, bảo để báo cáo chúng em hồn thiện Nhóm học viên xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG 1: CƠ SỞ MÃ HÓA ẢNH TĨNH 1.1 XỬ LÝ ẢNH 1.1.1 Một số khái niệm - Ảnh: thông tin vật thể hay quang cảnh chiếu sáng mà người quan sát cảm nhận mắt hệ thần kinh thị giác Ảnh thực tế ảnh liên tục không gian giá trị độ sáng Để xử lý ảnh máy tính cần thiết phải tiến hành số hóa ảnh Q trình số hóa biến đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc thơng qua q trình lấy mẫu (rời rạc hóa khơng gian) lượng tử hóa thành phần giá trị mà nguyên tắc mắt thường phân biệt hai điểm liền kề Các điểm gọi pixel (Picture Element) hay phần tử ảnh điểm ảnh Khái niệm pixel thiết bị xém xét sau: ta quan sát hình (trong chế độ đồ họa), hình khơng liên tục mà gồm điểm nhỏ, gọi pixel Mỗi pixel gồm tập tọa độ (x, y) màu Như ảnh tập hợp điểm ảnh Khi số hóa thường biểu diễn mảng chiều I(n,p): n dòng p cột - Ảnh tĩnh hiểu tranh, ảnh thể cố định nội dung Trong tín hiệu số: ảnh tĩnh (Still Image) định nghĩa hàm hai chiều, f(x, y), x y tọa độ không gian (mặt phẳng) biên độ f cặp tọa độ (x, y) gọi cường độ mức độ màu xám hình ảnh điểm Khi x, y giá trị cường độ f đại lượng hữu hạn, rời rạc, gọi hình ảnh hình ảnh kỹ thuật số" (Hình 1.1) Hình 1.1 Mơ hàm hai chiều ảnh tĩnh - Xử lý ảnh đối tượng nghiên cứu lĩnh vực thị giác máy, trình biến đổi từ ảnh ban đầu sang ảnh với đặc tính tuân theo ý muốn người sử dụng Xử lý ảnh gồm q trình phân tích, phân lớp đối tượng, làm tăng chất lượng, phân đoạn tách cạnh, gán nhãn cho vùng hay q trình biên dịch thơng tin hình ảnh ảnh - Xử lý ảnh phân ngành xử lý số tín hiệu với tín hiệu xử lý ảnh Xử lý ảnh gồm lĩnh vực chính: Xử lý nâng cao chất lượng ảnh Nhận dạng ảnh Nén ảnh Truy vấn ảnh 1.1.2 Hệ thống xử lý ảnh Hình 1.2 Các giai đoạn xử lý ảnh - Thu nhận ảnh: Đây cơng đoạn mang tính định trình xử lý ảnh Ảnh đầu vào thu nhận qua thiết bị camera, sensor, máy scanner,v.v… sau tín hiệu số hóa Việc lựa chọn thiết bị thu nhận ảnh phụ thuộc vào đặc tính đối tợng cần xử lý Các thông số quan trọng bước độ phân giải, chất lượng màu, dung lượng nhớ tốc độ thu nhận ảnh thiết bị - Tiền xử lý: Ở bước này, ảnh đuợc cải thiện độ tương phản, khử nhiễu, khử bóng, khử độ lệch,v.v… với mục đích làm cho chất lượng ảnh trở lên tốt nữa, chuẩn bị cho bước xử lý phức tạp sau trình xử lý ảnh Quá trình thường thực lọc - Phân đoạn ảnh: phân đoạn ảnh bước then chốt xử lý ảnh Giai đoạn phân tích ảnh thành thành phần có tính chất dựa