Trang 5 APSG CCD CU DCT DWTEBCOT EZBC G IFICT JPEG RCT RLE LSB MSB MSE MR PCM PSF PSNR R-D RWT Alphabet Partitioning and Sample Grouping Charge Coupled Device Clean-UpDiscrete Cosine Tra
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH : ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÀI TOÁN VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ NÉN ẢNH JPEG2000 PHAN VIỆT CƯỜNG HÀ NỘI 2006 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131459051000000 MỤC LỤC CHƯƠNG : CƠ SỞ BIỂU DIỄN ẢNH 1.1 Một số khái niệm ảnh ……………………………………… 1.2 Các định dạng xử lý ảnh ………………………… 1.2.1 Định dạng ảnh IMG …………………………………………… 1.2.2 Định dạng ảnh PCX …………………………………………… 1.2.3 Định dạng ảnh TIFF …………………………………………… 1.2.4 Định dạng ảnh GIF …………………………………………… 1.3 Thay đổi nhịp lấy mẫu ………………………………………… 10 1.3.1 Bộ phân chia …………………………………………………… 10 1.3.2 Bộ lọc nội suy ………………………………………………… 11 1.4 13 Điều kiện để khơi phục hồn hảo ……………………………… CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CÁC BÀI TOÁN VỀ XỬ LÝ ẢNH 2.1 Mở đầu …………………………………………………………… 19 2.2 Bài toán nâng cao chất lượng ảnh ………………………………… 19 2.2.1 Tăng cường ảnh ………………………………………………… 19 2.2.1.1 Cải thiện ảnh dùng toán tử điểm ……………………………… 20 2.2.1.2 Cải thiện ảnh dùng tốn tử khơng gian ……………………… 22 2.2.2 Khơi phục ảnh ………………………………………………… 23 2.3 Phát đường biên …………………………………………… 26 2.3.1 Phương pháp Gradient ………………………………………… 27 2.3.2 Phương pháp Laplace …………………………………………… 29 2.4 Bài toán phân vùng ảnh …………………………………………… 30 2.5 Bài toán nhận dạng ảnh …………………………………………… 32 2.6 Bài toán nén ảnh ………………………………………………… 33 2.6.1 Biến đổi ảnh …………………………………………………… 34 2.6.2 Lượng tử hoá …………………………………………………… 34 2.6.3 Mã hoá Entropy ………………………………………………… 35 2.7 Kết luận …………………………………………………………… 45 CHƯƠNG : HỆ THỐNG NÉN ẢNH TĨNH JPEG2000 3.1 Giới thiệu ………………………………………………………… 46 3.2 Đặc điểm – yêu cầu - ứng dụng ………………………………… 47 3.3 Kiến trúc tiêu chuẩn ………………………………… 51 3.3.1 Tiling …………………………………………………………… 53 3.3.2 Dịch chiều biến đổi thành phần ảnh …………………… 55 3.3.3 Biến đổi wavelet ……………………………………………… 58 3.3.3.1 Định nghĩa biến đổi wavelet ………………………………… 58 3.3.3.2 Biến đổi wavelet ảnh JPEG2000 ……………………… 61 3.3.3.3 Các phương pháp thực biến đổi wavelet ………………… 63 3.3.4 Lượng tử hoá …………………………………………………… 66 3.3.5 Mã hoá Entropy ………………………………………………… 67 3.3.5.1 Mã hoá Code-Blocks ………………………………………… 67 3.3.5.2 Mã hoá theo ngữ cảnh ……………………………………… 69 3.3.5.3 Mã hoá MQ: Mã hoá Entropy phụ thuộc ngữ cảnh …………… 78 3.3.6 Gói lớp ……………………………………………………… 83 3.3.3.6.1 Cách chia gói lớp ………………………………………… 83 3.3.3.6.2 Ước lượng đường cong tỉ lệ méo …………………………… 84 3.4 Ví dụ nén ảnh JPEG2000 ………………………………………… 87 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ SO SÁNH VÀ MÔ PHỎNG 4.1 Kết so sánh ………………………………………………… 93 4.2 Mô ………………………………………………………… 97 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO CÁC TỪ VIẾT TẮT AGP Alphabet and Group Partitioning APSG Alphabet Partitioning and Sample Grouping CCD Charge Coupled Device CU Clean-Up DCT Discrete Cosine Transform DWT Discrete Wavelet Transform EBCOT Embedded Block Coding with Optimal Truncation EZBC Embedded ZeroBlock Coding and context modelling GIF Graphics Interchanger Format ICT Irrversible Component Transformation JPEG Joint Photographic Experts Group RCT Reversible Component Transformation RLE Run Length Encoded LSB Least Significant Bit MSB Most Significant Bit MSE Mean Square Error MR Magnitude Refinement PCM Pulse Code Modulation PSF Point Spread Function PSNR Peak Signal to Noise Ratio R-D Rate - Distortion RWT Reversible Wavelet Transform ROI Region of Interest SNR Signal to Noise Ratio SP Significance Propagation bpp bits per pixel bps bits per second ppi pixels per inch MỞ ĐẦU Từ có ảnh đen trắng, máy ảnh màu đến máy ảnh số đặc biệt có đời truyền hình đen trắng, truyền hình màu, tiếp đến truyền hình số cơng nghệ xử lý ảnh coi trọng nhằm nâng cao chất lượng ảnh, hỗ trợ nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực sống như: y tế, bảo mật, nhận dạng, quân … Cùng với phát triển thiết bị thu ảnh công nghệ xử lý ảnh phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu ngày cao người Ngày nay, thiết bị điện tử, quang điện tử số hố mạnh mẽ cơng nghệ xử lý ảnh truyền thống trước thay công nghệ xử lý ảnh số Đề tài xuất phát từ yêu cầu thực tế với kiến thức học nghiên cứu trường quan làm việc tơi chọn đề tài “BÀI TỐN VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ NÉN ẢNH JPEG2000” Đề tài tiến hành với mục đích nghiên cứu sở lý thuyết, kỹ thuật xử lý ảnh số, đặc biệt đề tài sâu vào kỹ thuật nén ảnh JPEG2000 IEEE ITU nghiên cứu bước đầu thử nghiệm ứng dụng số lĩnh vực hệ điều hành Windows Vista Trên sở lý thuyết, đề tài cịn phần mơ cho thấy hiệu nén ảnh JPEG2000 với định dạng nén ảnh khác JPEG, GIF Nội dung đề tài chia thành chương sau: Chương 1: Cơ sở biểu diễn ảnh: đưa số định dạng file ảnh phương pháp lọc số nhiều nhịp ứng dụng wavelet mã hoá băng điều kiện để khơi phục hồn hảo bên phân tích bên tổng hợp băng Chương 2: Tổng quan toán xử lý ảnh: đưa số toán tác động lên ảnh nhằm đạt mục đích mong muốn như: nâng cao chất lượng ảnh, khôi phục ảnh, phát đường biên ảnh, phân vùng ảnh, nhận dạng ảnh, nén ảnh Chương 3: Hệ thống nén ảnh tĩnh JPEG2000: sâu vào kỹ thuật nén ảnh từ ảnh ban đầu đến dịng bít liệu đầu Phương pháp nén ảnh JPEG2000 dựa kỹ thuật biến đổi wavelet mã hoá số học Arithmetic với mã hoá khối nhúng cắt cụt tối ưu EBCOT Chương 4: Kết so sánh mô phỏng: đưa số kết luận so sánh chủ quan khách quan nén ảnh JPEG2000 JPEG phương pháp nén ảnh tổn hao không tổn hao Mô nén JPEG2000 đánh giá kết luận thân JPEG2000 Trong khuôn khổ đề tài với quỹ thời gian khơng cho phép số khó khăn việc cập nhật tài liệu hạn chế thân nên chắn đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót, kính mong thầy đồng nghiệp đóng góp bảo, phê bình để đề tài ngày hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Văn Khang tận tình hướng dẫn bảo em thời gian thực đề tài ! Em xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, 4/11/2006 Tác giả Phan Việt Cường Chương 1: Cơ sở biểu diễn ảnh CHƯƠNG 1: CƠ SỞ BIỂU DIỄN ẢNH 1.1 Một số khái niệm ảnh Hình 1.1 : Ảnh số 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 hố ảnh Trong q trình số hố, người ta biến đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc thơng qua q trình lấy mẫu (rời rạc hóa khơng gian) lượng hoá thành phần giá trị mà nguyên tắc mắt thường không phân biệt hai điểm kề Trong trình này, người ta sử dụng khái niệm Picture element mà ta quen gọi hay viết Pixel - phần tử ảnh Như ảnh tập hợp Pixel tạo thành ma trận ảnh x(i,j) với i j số theo chiều dọc ngang ma trận liệu ảnh, giá trị x kết màu thời điểm xét Ảnh xám: ảnh mà pixel biểu thị giá trị mức xám Ảnh màu : ảnh mã pixel vector màu (R, G, B) với R, G, B biểu diễn giá trị màu Red, Green, Blue 1.2 Các định dạng ảnh xử lý ảnh Trang - - Chương 1: Cơ sở biểu diễn ảnh Ảnh thu sau q trình số hố có nhiều loại khác nhau, phụ thuộc vào kỹ thuật số hoá ảnh Như nói phần trên, ta chia làm loại: ảnh đen trắng ảnh màu ảnh thu nhận lưu trữ tệp để phục vụ cho bước xử lý Dưới trình bày số định dạng ảnh thơng dụng hay dùng trình xử lý ảnh 1.2.1 Định dạng ảnh IMG Ảnh IMG ảnh đen trắng Phần đầu ảnh IMG có 16 bytes chứa thông tin cần thiết : - byte đầu: dùng để đánh dấu định dạng nh IMG Giá trị byte viết dạng Hexa 0x0001 0x0008 0x0001 - byte tiếp theo: chứa độ dài mẫu tin Đó độ dài dãy byte kề liền mà dãy lặp lại số lần Số lần lặp lưu byte đếm Nhiều dãy giống lưu byte - byte tiếp: mơ tả kích cỡ pixel - byte tiếp : số pixel dòng ảnh - byte cuối: số dòng ảnh ảnh Ảnh IMG nén theo dòng Mỗi dịng bao gồm gói (pack) Các dịng giống nén thành gói Có loại gói sau: - Loại 1: Gói dịng giống nhau: Quy cách gói tin sau: 0x00 0x00 0xFF Count Ba byte đầu cho biết số dãy giống nhau; byte cuối cho biết số dòng giống - Loại 2: Gói dãy giống Quy cách gói tin sau: 0x00 Count Byte thứ hai cho biết số dãy giống nén gói Độ dài dãy ghi đầu tệp Trang - -