Phương pháp này có hiệu suất nén cao hơn rất nhiều so với phương pháp nén dự đoán bởi vì chính các phép biến đổi sử dụng các thuộc tính nén năng lượng của mình đã gói gọn toàn bộ năng lư
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI MAI THỊ THU NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH XỬ LÝ ẢNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP WAVELET ĐỊNH HƯỚNG Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật truyền thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS Nguyễn Hữu Trung Hà Nội – Năm 2013 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131858611000000 Mục lục Chương Giới thiệu chung 1.1 Giới thiệu nén ảnh 1.1.1 Sự cần thiết công nghệ nén 1.1.2 Nguyên lý nén ảnh 1.1.3 Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng mã hoá ảnh 11 1.2 Độ phân giải thời gian – tần số nguyên lý bất định 12 1.3 Kỹ thuật mã hoá dựa phép biến đổi 13 1.3.1 Phép biến đổi Fourier 13 1.3.2 Phép biến đổi Fourier thời gian ngắn 14 1.3.3 Đa phân giải Biến đổi Wavelet 15 1.4 Tổ chức luận văn .16 Chương Lý thuyết Wavelet 18 2.1 Giới thiệu chung Wavelet 18 2.2 Biến đổi wavelet liên tục 20 2.3 Biến đổi Wavelet rời rạc (Discrete wavelet transform) 20 2.3.1 Phân tích đa phân giải 21 2.3.2 Biến đổi wavelet rời rạc 22 2.3.3 Phân tích đa phân giải sử dụng băng lọc 23 2.3.4 Biểu diễn ma trận DWT 27 2.4 Chuỗi Wavelet 30 2.4.1 Tính chất 30 2.4.2 Các tính chất hàm tỷ lệ 32 2.4.3 Biến đổi chuỗi wavelet tín hiệu 32 2.5 Phân loại Wavelet 33 2.6 Các họ Wavelet 34 2.7 Ứng dụng Wavelet 39 2.7.1 Nén tín hiệu 39 2.7.2 Khử nhiễu 40 2.7.3 Mã hoá nguồn mã hoá kênh 40 2.7.4 Wavelet ứng dụng y sinh 40 2.7.5 Ứng dụng an tồn thơng tin liên lạc 41 Chương Ứng dụng Wavelet định hướng kỹ thuật nén ảnh .42 3.1 Giới thiệu 42 3.2 Tính chất bất đẳng hướng ảnh dư thừa dự đoán 43 3.3 Nguyên lý biến đổi định hướng 44 3.4 Khái niệm lifting 46 3.5 Biến đổi Wavelet xử lý nén ảnh .52 3.5.1 Việc nén ảnh 57 3.5.2 Việc truyền hình ảnh tăng cấp chi tiết 60 3.6 Biến đổi wavelet dựa chế lifting 61 3.7 Biến đổi wavelet ADL 62 3.7.1 Nội suy pixel .68 3.7.2 So sánh biến đổi wavelet ADL với biến đổi wavelet thẳng 70 3.8 Biến đổi Wavelet 2-D dựa chế Lifting kết hợp dự đoán định hướng (2D-dirDWT) 72 3.9 Biến đổi Wavelet 1-D dựa chế lifting kết hợp dự đốn dư thừa(1D-dir-DWT) 73 Chương Mơ thực nghiệm 75 4.1 Mô theo thuật toán đề xuất 75 4.2 Nhận xét kết mô thu .78 4.3 Một số kết nghiên cứu thực nghiệm 79 4.4 Tổng kết 82 Chương Kết luận đề xuất hướng nghiên cứu 83 5.1 Những kết luận luận văn 83 5.2 Hướng nghiên cứu 83 Các thuật ngữ viết tắt 85 Tài liệu tham khảo .86 Mục lục hình Hình 1-1Mơ hình mã hố ảnh biểu diễn tồn Hình 2-1: Không gian không gian đa phân giải Không gian không gian biểu diễn không gian con, biểu diễn chi tiết 22 Hình 2-2 Thuật tốn hình chóp hay thuật toán mã hoá băng 24 Hình 2-3 Băng lọc hai kênh 27 Hình 2-4 Lấy mẫu đơi tiling thời gian 31 Hình 2-5 Sơ đồ phân tích DWT 33 Hình 2-6 Sơ đồ tổng hợp DWT 33 Hình 2-7 Hàm biến đổi Haar 35 Hình 2-8 Hàm biến đổi Meyer 35 Hình 2-9 Hàm họ biến đổi Daubechies với 36 Hình 2-10 Một vài hàm cặp họ biến đổi Biorthogonal 37 Hình 2-11 Hàm họ biến đổi Coiflets 37 Hình 2-12 Một vào hàm họ biến đổi Symlets 38 Hình 2-13 Hàm biến đổi Morlet 38 Hình 2-14 Hàm biến đổi Mexican Hat 38 Hình 3-1 Ảnh gốc (có độ phân giải CIF), ảnh MC-residual ảnh RE-residual 44 Hình 3-2 Mơ hình biến đổi lifting thuận 47 Hình 3-3 Bước dự đốn Update Lifting 47 Hình 3-4 Tính tốn hệ số wavelet Lifting 50 Hình 3-5 Rosa Parks (1955) Nelson Mandela (1990) 53 Hình 3-6 Rosa Parks – Trích dẫn vùng ảnh nhỏ để nghiên cứu 54 Hình 3-7 Việc nén ảnh với mức ngưỡng khác 59 Hình 3-8 Bức ảnh sau nén 60 Hình 3-9 Quá trình truyền ảnh Nelson Mandela 61 Hình 3-10 Biến đổi wavelet dựa chế lifting 62 Hình 3-11 Bước dự đốn update theo góc dọc biến đổi ADL 64 Hình 3-12 Ảnh gốc (a) ảnh kết sau băng LL (b), LH (c), HL (d), HH (e) 66 Hình 3-13 Phân vùng ảnh Barbara hướng block 67 Hình 3-14 So sánh ảnh xử lý theo JPEG2000 biến đổi ADL 2D mức 68 Hình 3-15 So sánh ảnh giải mã tốc độ 0.3bpp dùng lọc 5/3 71 Hình 3-16 Đồ thị PSNR biến đổi wavelet thẳng wavelet ADL 72 Hình 3-17 Các lựa chọn dự đốn hướng 73 Hình 4-1 Ảnh gốc ban đầu 75 Hình 4-2 Kết sau biến đổi Wavelet chiều theo hàng 76 Hình 4-3 Kết sau biến đổi Wavelet chiều mức 76 Hình 4-4 Kết sau biến đổi Wavelet chiều mức 77 Hình 4-5 Ảnh sau biến đổi wavelet dựa chế lifting mức 77 Hình 4-6 Ảnh sau biến đổi wavelet dựa chế lifting mức 78 Hình 4-7 Mức tiết kiệm hệ số 2D-dir-DWT so với 2D-sep-DWT 81 Hình 4-8 Mức tiết kiệm hệ số 1D-dir-DWT+2D-sep-DWT so với 2D-sep-DWT 81 Mục lục bảng Bảng 1-1 Yêu cầu không gian lưu trữ loại liệu không nén Bảng 3-1 Kết bước biến đổi Wavelet tương ứng 56 Bảng 3-2 Giá trị hệ số trung bình băng LH, HL HH 69 Bảng 4-1 So sánh kết biến đổi DWT-2D Lifting DWT 78 Lời mở đầu Cuộc sống phát triển, nhu cầu thông tin người phong phú, dẫn đến phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật, loại hình thơng tin vơ tuyến, hình thức xử lý tín hiệu, đặc biệt cơng nghệ xử lý ảnh Vấn đề đặt yêu cầu ngày cao việc xử lý tín hiệu để đảm bảo vừa nén liệu, tiết kiệm dung lượng đường truyền tín hiệu, vừa đảm bảo loại trừ nhiễu tín hiệu có khả khơi phục lại tín hiệu với chất lượng tốt Có nhiều phương pháp xử lý tín hiệu với nhiều thuật toán, biến đổi toán học nghiên cứu Trong số đó, biến đổi Wavelet xem phép biến đổi mới, có nhiều tiềm năng, phát triển mạnh mẽ với ưu điểm vượt trội so với phép biến đổi truyền thống Wavelet cho phép phân tích tín hiệu miền thời gian tần số Do đó, biến đổi Wavelet ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực, từ y sinh tới công nghệ xử lý ảnh Trong khuôn khổ luận văn này, em xin phép giới thiệu Nghiên cứu phân tích xử lý ảnh phương pháp Wavelet định hướng Trong q trình thực luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận nhiều ý kiến đóng góp thầy giáo, anh chị bạn để luận văn hoàn thiện Qua lời mở đầu, em xin gửi lời trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Hữu Trung TS Nguyễn Thuý Anh tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt luận văn Em xin chân thành cảm ơn! Chương Giới thiệu chung Chương Giới thiệu chung 1.1 Giới thiệu nén ảnh 1.1.1 Sự cần thiết cơng nghệ nén Ngày nay, ứng dụng truyền Video/Hình ảnh mơi trường Internet hay Truyền hình trở nên phổ biến Tuy nhiên, liệu Video/Hình ảnh khơng nén lớn Chúng ta tham khảo vài ví dụ kích thước liệu khơng nén: Dữ liệu Multi- Kích thước/ Bits/pixel Kích thước Media Khoảng Bits/sample khơng nén Văn 11”x8.5” Có độ phân giải 16-32 kbits khác Tín hiệu thoại 1s bps 64kbit Ảnh xám 512x512 bpp 2mbits Ảnh màu 512x512 24 bpp 6.26 mbits 24 bpp 2.21 gbits Video đủ hoạt động 640x480.10s (full motion) Bảng 1-1 Yêu cầu không gian lưu trữ loại liệu khơng nén Ví dụ nêu cho thấy ảnh số, liệu audio video cầu không gian lưu trữ lớn Để giải vấn đề này, người ta tiến hành nén dự liệu trước lưu trữ truyền Quá trình giải nén thực người dung muốn sử dụng liệu Với tỷ lệ nén 16:1, không gian lưu trữ yêu cầu giảm 16 lần so với dung lượng yêu cầu 1.1.2 Nguyên lý nén ảnh Hình ảnh mang lượng thơng tin lớn đó, u cầu không gian lưu trữ băng thông truyền lớn Việc thực lưu trữ truyền hình ảnh với kích thước gốc tốn Trong đó, tính chất chung tất