Tìm Hiểu Một Số Phương Pháp Nén Ảnh.doc

Lêi c¶m ¬n Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu một số phương pháp nén ảnh LỜI CẢM ƠN ! Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới PGS TS Ngô Quốc Tạo, thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em rất nhiều trong q[.]

Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh LỜI CẢM ƠN ! Em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS TS Ngơ Quốc Tạo, thầy tận tình hướng dẫn giúp đỡ em nhiều trình thực tập tìm hiểu nghiên cứu đề tài giao để em hồn thành tốt báo cáo tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn dạy bảo thầy giáo, cô giáo Khoa Công Nghệ Thông Tin - Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng trang bị cho em kiến thức để em hồn thành báo cáo tốt nghiệp đề tài giao Trong trình nghiên cứu đề tài thầy cô giáo hướng dẫn tận tình nhiều nguyên nhân chủ quan khách quan nên đề tài không tránh khỏi sai sót Em mong thầy 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 Mục lụcc lục lụcc Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu s phng phỏp nộn nh Mở đầu CH¬ng I: Giíi thiƯu tỉng quan vỊ nÐn ¶nh I.1.Giíi thiƯu ảnh số xử lý ảnh số .4 I.1.1.¶nh sè I.1.2.Xư lý ¶nh sè .5 I.2.Mục đích cần thiết nén ảnh I.3.C¸c kh¸i niệm Chơng II: Các phơng pháp nÐn ¶nh II.1.Cách phân loại phơng pháp nén ảnh II.1.1.Cách phân loại dựa vào nguyên lý nén .9 II.1.2.Cách phân loại dựa vào cách thức thực nén .9 II.1.3.Cách phân loại dựa vào lý thuyết mà hoá 10 II.1.4.Quá trình nén giải nén 10 II.2.Phơng pháp mà hoá độ dài loạt RLE .11 II.2.1.Nguyên tắc 11 II.2.2.ThuËt to¸n 13 II.2.3.Một số thủ tục chơng trình 14 II.3.Phơng pháp mà hoá Huffman 19 II.3.1 Nguyên tắc 19 II.3.2 ThuËt to¸n 19 II.3.3.Mét sè thñ tục chơng trình 24 II.4.Phơng pháp mà hoá LZW 27 II.4.1.Nguyªn t¾c 27 II.4.2 ThuËt to¸n 31 II.4.3.Một số thủ tục chơng trình 34 II.5.Phơng 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 chơng trình 48 II.6.Phơng pháp 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 hoá kết hợp dịng liệu sau mã hố 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 chun nộn nh tnh khỏc 62 Chơng III: Cài đặt chơng trình thử nghiệm 66 KÕt luËn 69 MỞ ĐẦU Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh 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 nh : chương mét 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 chương trình Cuối phần kết luận đánh giá kết nghiên cứu thu hướng phát triển đề tài Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ NÉN ẢNH I.1.Giới thiệu ảnh số xử lý ảnh số: I.1.1.Ảnh sè: 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, thơng 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 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 chia thành ba khoảng bit Mỗi khoảng biểu diễn cho cường độ sáng màu Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh Pixel or PEL Độ sáng trung bình hình chữ nhật = giá trị điểm ảnh Hỡnh 1.1 Biu din ca 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 mô công nghiệp Xử lý ảnh số có nhiều ứng dụng làm ảnh y học, khôi 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: Lu tr÷ CAMERA Thu nhận ảnh Số hoá Phân tích ảnh Nhận dạng ddạngạng SENSOR Lu trữ Hệ định I.2.Mc ớch v 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 Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh thực tế: thông tin ảnh 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 Ýt bit so với ảnh gốc mà đảm bảo tính đầy đủ thơng tin.Ở bên nhận 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 sè 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 nh cần 10 triệu bit để lưu trữ 20 phút để truyền • Mét phim âm có kích thước 24  36 mm (35 mm) chia khoảng cách 12 µm, 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 thùc tế : truyền văn 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 bá phần dư thừa ảnh sè hố Dư thừa dư thừa thông tin không gian, dư thừa cấp xám hay dư thừa thời gian: • Dư thừa thông tin không gian : ảnh tồn tương quan điểm ảnh cạnh • Dư thừa thơng tin cấp xám :là dư thừa dựa vào tương quan màu sắc cạnh Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh • 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 không gian giá trị độ sáng Để xử lý ảnh máy tính cần thiết phải tiến hành số hoá ảnh Nh 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 nhiỊu 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 – kÕt trình lượng hố • Dữ liệu 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 thông 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 Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh • Tỷ lệ nén Tỷ lệ nén đặc trưng quan trọng phương pháp nén Tỷ lệ nén định nghĩa nh sau: Tỷ lệ nén = 1/r*% với r tỷ số nén định nghĩa: r = kích thước liệu gốc / kích thước liệu nén Nh hiệu suất nén = (1- tỷ lệ nén)*100% Đối vơi ảnh tĩnh, kích thước số bit biểu diễn toàn ảnh Đối với ảnh video, kích thước số bit để biểu diễn khung hình video (video frame) 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: Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh 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 thơng tin (lossy compression): bao gồm phương pháp nén sau giải nén không thu liệu nh 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: 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 nh 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 Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 Trang : Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu số phương pháp nén ảnh II.1.4.Q trình nén giải nén : Gồm cơng đoạn : Nén : liệu gốc qua mã hoá liệu , mã hoá thực nén liệu đến mức thích hợp cho việc lưu trữ truyền dẫn thơng tin Q 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 hoàn toàn giống với liệu gốc ban đầu hay khơng Tóm lại q trình nén giải nén liệu mơ tả cách tóm tắt theo s di õy: Quá trình nén Dữ liệu gốc Dữ liệu nén Quá trình giải nén Hỡnh 2.1 : Q trình nén giải nén II.2.Phương pháp mã hố độ dài loạt RLE: Mã hoá theo độ dài loạt RLE (Run Length Encoding) phương pháp nén ảnh dựa cắt bớt dư thừa không 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 : Sinh viên thực : Tạ Minh Thắng CT 702 10 Trang :