Công nghệ nén ảnh jpeg chuẩn jpeg và các loại jpeg thử nghiệm trên ứng dụng cụ thể

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Viện Công nghệ Thông tin Truyền thông BÀI TẬP LỚN XỬ LÝ ẢNH Đề tài: Công nghệ nén ảnh JPEG, chuẩn JPEG loại JPEG Thử nghiệm ứng dụng cụ thể Sinh viên thực hiện: Phạm Chiến Thắng Đinh Đức Tân MSSV: 20082485 MSSV: 20082311 Nguyễn Mạnh Hoằng MSSV: 20081088 Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Hoàng Lan HÀ NỘI – 2010 MỤC LỤC A MỞ ĐẦU…………………………………………………….… tr3 B NỘI DUNG…………………………………………………… tr3 I Công nghệ JPEG…………………………………….… tr3 JPEG gì…………………………………………….tr3 Phương pháp nén ảnh JPEG……………………… tr3 2.1 Khái quát phương pháp nén ảnh tĩnh…….tr3 2.2 Phương pháp nén ảnh theo chuẩn JPEG…….tr5 2.3 Ưu nhược điêmt phương pháp nén ảnh JPEG………………………… tr11 II Chuẩn JPEG…………………………………………… tr12 III Các loại JPEG…………………………………………….tr16 JPEG 1992…………………………………………… tr16 LS JPEG ……………………………………………….tr16 JPEG 2000………………………………………… …tr18 JPEG search……………………………………………tr22 JPEGXR……………………………………… ………tr22 IV Thử nghiệm ứng dụng………………………………… …tr23 C KẾT LUẬN……………………………………………………… tr29 D DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………… tr30 A MỞ ĐẦU Cùng với phát triển mạnh mẽ máy tính đời Internet việc tìm phương pháp nén ảnh để giảm bớt không gian lưu trữ thông tin truyền thơng tin mạng nhanh chóng yêu cầu cần thiết Trong năm gần đây, có nhiều phương pháp nghiên cứu rộng rãi để thực nén ảnh Tất với mục đích chung làm để biểu diễn ảnh với dung lượng để tối thiểu hố dung lượng kênh truyền không gian lưu trữ giữ tính trung thực ảnh Và JPEG phương pháp nén ảnh hiệu Trong đề tài cung nghiên cứu “Công nghệ nén ảnh JPEG, chuẩn JPEG loại JPEG Thử nghiệm ứng dụng cụ thể” B NỘI DUNG I CƠNG NGHỆ JPEG JPEG gì? JPEG viết tắt Joint Photographic Experts Group, nhóm nhà nghiên cứu phát minh định dạng để hiển thị hình ảnh đầy đủ màu (fullcolour) 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) Phương pháp nén ảnh JPEG 2.1 Khái quát phương pháp nén ảnh tĩnh Có nhiều cách để nén ảnh, dựa vào yếu tố bảo tồn thơng tin phân chia thành phương pháp nén ảnh tĩnh, là: - Nén khơng mát thông tin: sử dụng phương pháp mã hóa liệu Nén có mát thơng tin: Phương pháp nén dựa phép biến đổi ảnh Quá trình nén ảnh mô tả theo sơ đồ: Các phương pháp mã hóa liệu kể đến: - Mã hang loạt(RLE): Dùng số đếm để thay đặc diểm giống lặp lại Mã Shannon-Fano: Dùng cụm bít có độ dài thay đổi để mã hóa Mã Huffman: Sử dụng đặc điểm mã hóa Shannon-Fano với ý tưởng: Kí hiệu có khả xuất nhiều có từ mã ngắn Mã Lemple- Ziv: Dựa việc xây dựng tra từ điển Mã dự đốn: Dựa q trình tạo điểm luật dự đoán Các phép biến đổi áp dụng nén ảnh bao gồm: - Phép biến đổi Cosin rời rạc(DCT): Biểu diễn giá trị điểm ảnh miền tần số, tập trung lượng vào số hệ số DCT sử dụng chuẩn JPEG MPEG Phép biến đổi Wavelet rời rạc(DWT): sử dụng lọc thơng dải xử lý phân tích đa phân phép DWT Phép biến đổi Fractal: Sử dụng phép biến đổi hình học Nén ảnh tĩnh dựa phép biến đổi ảnh mô tả sơ đồ: 2.2 Phương pháp nén ảnh theo chuẩn JPEG a Phép biến đổi DCT (Discrete Cosin Transform) Như nói trên, phép biến đổi DCT sử dụng phương pháp nén ảnh theo chuẩn JPEG Vì trước vào tìm hiểu phương pháp nén ảnh JPEG khái quát sơ qua phép biến đổi DCT b Phương pháp nén ảnh theo chuẩn JPEG Phương pháp nén ảnh theo thuẩn JPEG cho hệ số nén tới 80:1 hay lớn hơn, bạn 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 bạn hồn tồn quản lý mát cách hạn chế hệ số nén Như người dùng cân nhắc lợi việc tiết kiệm nhớ mức độ thông tin ảnh, để chọn phương án thích hợp 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) theo công thức : YUV = 0.615R − 0.515G − 0.100B Y= 0.299R + 0.587G + 0.114B U= 0.492(B − Y)= = − 0.147R − 0.289G + 0.436B V= 0.877(R − Y) 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 thú vị 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 Hệ thống nén thành phần Y ảnh với mức độ so với U, V, người ta nhận thấy thay đổi U V so với Y Giai đoạn biến đổi vùng thể dùng biến đổi cosin rời rạc (thông thường vùng 8x8 pixel) Khi thơng tin 64 pixel ban đầu biến đổi thành ma trận có 64 hệ số thể "thực trạng" pixel Điều quan trọng hệ số có khả thể "thực trạng" cao nhất, khả giảm nhanh với hệ số khác Nói cách khác lượng thơng tin 64 pixel tập trung chủ yếu số hệ số ma trận theo biến đổi Trong giai đoạn có mát thơng tin, khơng có biến đổi ngược xác Nhưng lượng thơng tin bị chưa đáng kể so với giai đoạn Ma trận nhận sau biến đổi cosin rời rạc lược bớt khác hệ số Đây lúc nhiều thơng tin người ta vứt bỏ thay đổi nhỏ hệ số Như bung ảnh nén bạn có tham số khác pixel Các biến đổi áp dụng cho thành phần U V ảnh với mực độ cao so với Y (mất nhiều thông tin U V hơn) Sau áp dụng phương pháp mã hóa Hoffman: Phân tích dãy số, phần tử lặp lại nhiều mã hóa ký hiệu ngắn (marker) (1) (2) Với Khi bung ảnh người ta việc làm lại bước theo trình ngược lại với biến đổi ngược Vì phương pháp thực với vùng ảnh (thông thường x pixel) nên hay xuất mát thông tin vùng biên vùng (block) Hiện người ta giải vấn đề cách làm trơn ảnh sau bung nén để che lấp khác biệt biên giới block Một hệ nén ảnh theo chuẩn JPEG algorithm làm trơn ảnh công ty ASDG đưa hệ Art Department Professional Chất lượng Hình ảnh Kích Tỷ số thước nén (byte) Chất lượng 83,261 cao (Q = 100) 2.6:1 Bình luận Các điểm ảnh nhỏ Chất lượng trung 15,138 bình (Q = 50) 15:01 Vừa chất lượng (Q 9,553 = 25) Tạo tác mạnh mẽ hơn; thông 23:01 tin độ phân giải cao Chất lượng 4,787 thấp (Q = 10) 10 46:1 Dấu hiệu ban đầu điểm ảnh Tổn thất nghiêm trọng biên vùng ảnh JPEG XR AIC Phần 2010 ISO / IEC 29199-4 ITU-T Rec T.834 hệ thống mã hóa hình ảnh JPEG XR: kiểm tra phù hợp Phần 2010 ISO / IEC 29199-5 ITU-T Rec T.835 hệ thống mã hóa hình ảnh JPEG XR: phần mềm liên quan Kém phát ISO / IEC 29170 triển NP III mã hóa nâng cao phương pháp đánh giá CÁC LOẠI JPEG 1.JPEG(1992):Là loại JPEG chuẩn nói 2.LS-JPEG( Lossness JPEG) LS-JPEG phát triển bổ sung muộn màng cho JPEG vào năm 1993,bằng cách sử dụng kỹ thuật khác từ tiêu chuẩn JPEG cũ.Nó sử dụng hệ thống dự báo xếp dựa ba điểm lân cận( upper,left and upper-left) entropy mã hóa dựa lỗi dự báo Không giống chế độ dự liệu dựa DCT, trình mã hóa khơng mát thơng tin dựa mơ hình tiên đoán mã đơn giản gọi chuyển mã xung vi sai(Differential Pulse Code Modulation-DPCM) Đây mô hình dự đốn giá trị mẫu từ mẫu lân cận mã hóa hình ảnh Hầu hết dự đốn lấy trung bình mẫu bên bên trái mẫu mục tiêu.DPCM mã hóa khác biệt mẫu dự đốn thay mẫu mã hóa độc lập.Sự khác biệt từ mẫu thường gần khơng 16 Các bước chế độ hoạt động không giảm chất lượng mô tả Hình Trong trình này, dự báo kết hợp tối đa ba mẫu lân cận A, B, C thể hình để dự báo giá trị mẫu vị trí dán nhãn X Ba mẫu láng giềng phải được dự đoán mẫu Bất kỳ dự đốn cho thấy bảng sử dụng để ước tính mẫu đặt Bất kỳ tám dự đoán liệt kê bảng sử dụng Lưu ý lựa chọn 1, 2, dự đoán chiều lựa chọn 4, 5, 6, dự đoán hai chiều Giá trị lựa chọn bảng, không, sử dụng để mã hóa khác biệt chế độ phân cấp hoạt động Một tất mẫu dự đốn, khác biệt mẫu lấy entropy-mã hóa thời trang khơng giảm chất lượng cách sử dụng mã hóa Huffman mã số học Thuật toán LoCo-I 17 Cốt lõi LS-JPEG dựa thuật toán LoCo-I.Trong thuật toán LoCo-I, cạnh phát ban đầu cạnh theo chiều ngang chiều dọc cách kiểm tra điểm ảnh lân cận điểm ảnh X thời hình 3.Các điểm ảnh có nhãn B sử dụng trường hợp cạnh thẳng đứng điểm có nhãn A sử dụng trưởng hợp cạnh cạnh nằm ngang.Điều dự đoán đơn giản gọi phát cạnh trung vị(Median Edge Dectection-MED) hay dự đoán LoCoI(LoCo-I predictor) Điểm ảnh X dự đốn LoCo-I predictor theo tiêu chí sau đây: Ba dự đoán đơn giản chọn theo điều kiện:(1) có khuynh hướng nhận B trường hợp tồn cạnh dọc trái X,(2) A trường hợp cạnh nằm ngang phía trên, (3) A+B-C khơng có cạnh phát 3.JPEG 2000 Như trình bày, kỹ thuật nén JPEG làm thông tin lúc giải nén, nén với hệ số cao thơng tin nhiều bung Vì để giải vấn đề này, tháng 12/1999 phác thảo tiêu chuẩn nén hình ảnh theo công nghệ JPEG2000 Tháng 8/2000, phác thảo tiêu chuẩn JPEG2000 lưu hành giới chuyên gia hình ảnh Sau cơng nhận tiêu chuẩn quốc tế vào tháng 12/2000 ISO hợp thức hóa năm phép ứng dụng vào hệ xử lý, phân phối Với JPEG2000 kỹ thuật xử lý hình ảnh đạt kết ngoạn mục nén nhỏ từ 100-200 lần mà hình ảnh khơng sai sót so với hình ảnh gốc Nhưng đâu điểm khác biệt để kỹ thuật JPEG2000 vượt trội hẳn so với JPEG? JPEG2000 hệ thống mã hóa hình ảnh mà kỹ thuật nén dựa kỹ thuật sóng ngắn Là tiện ích tốn học cho phép mơ tả cơng thức đơn giản xảy thời điểm xác tín hiệu Với chuỗi sóng ngắn, cần biểu diễn vài công thức, đường biểu diễn không mà không cần phải mơ tả đặc tính điểm Và lẽ dĩ nhiên đắc lực phân tích tỉ mỉ file ảnh kỹ thuật số 18 Thuật toán kỹ thuật JPEG2000 chọn số nhỏ sóng ngắn, sóng lập lại nơi khác nhau, tỷ lệ khác mơ tả xác tín hiệu hình ảnh File ảnh nén không chứa nhiều số lượng vị trí giãn nở sóng ngắn Và kỹ thuật mã hóa theo khối, theo khu vực ưu tiên hình ảnh (ROI Regional Of Interest) áp dụng tiến đáng kể thuật tốn mã hóa JPEG2000 Các điểm ý JPEG2000 3.1-Sự thay đổi thành phần màu Ban đầu hình ảnh phải chuyển đổi từ khơng gian màu RGB sang không gian màu khác, dẫn đến tách biệt thành phần màu này.Có lựa chọn: 19 a.Không thể đảo màu(Irreversible Color Transform -ICT): sử dụng khơng gian màu YC BCR b.Có thể đảo màu(Reversible Color Transform-RCT):sử dụng không gian màu YUV sửa đổi mà không thực lỗi lượng tử đảo màu Thực yêu cầu RCT tức số làm tròn theo quy định mà khơng thể thể xác dạng ma trận Quá trình chuyển đổi là: 3.2-Lát(Tiling) Sauk hi chuyển đổi màu sắc,bức ảnh phân chia-gọi lát,các vùng vng ảnh chuyển đổi mã hóa riêng biệt nhau.Lát có nhiều kích cỡ, coi lát ảnh lát nhất.Khi kích thước chọn, tất lát có kích thước(ngoại trừ lát bên phải phía đường bao).Việc chia hình ảnh thành nhìu lát có lợi,các giải mã cần nhở để giải mã ảnh lựa chọn giải mã lát chọn để giải mã phần ảnh.Bất lợi phương pháp chất lượng hình ảnh giảm thấp tín hiệu tốt đến tỷ số truyền( peak signal to noise ratio) Sử dụng nhiều lát tạo khối ảnh hưởng giống chuẩn JPEG 1992 3.3-Hàm biến thiên chuyển đổi(Wavelet Trasform) Những lát sau biến đổi đến độ sâu tùy ý,trái với JPEG 1992-sử dụng biến đổi cosin vùng ảnh kích thước 8x8 :JPEG 2000 sử dụng biến đổi wavelet 1.Không thể đảo ngược: gọi khơng thể đảo sử dụng kĩ thuật lượng tử hóa phụ thuộc vào độ xác giải mã 2.Đảo ngươc:Nó sử dụng hệ số nguyên,cho nên đầu không u cầu làm trịn số(lượng tử) khơng thực sai số lượng tử nào.Nó sử dụng mã hóa khơng mát thơng tin 20