Kỹ thuật nén ảnh theo chuẩn JPEG

Nén ảnh là một kỹ thuật mã hoá hiệu suất cao ảnh số nhằm làm giảm số bit cần cho biểu diễn ảnh. Chức năng của kỹ thuật này là giảm độ lớn dữ liệu phải lưu trữ cùng với thời gian truyền trong khi vẫn giữ nguyên chất lượng của ảnh. Để đánh giá sự cần thiết của nén ảnh, chúng ta xem xét về yêu cầu bộ nhớ và thời gian truyền khi dùng một modem 9600 baud (bits) cho các ảnh sau đây:

1 Nguyn Nguyn Vn Luõn Mục lục: I. Tổng quan về nén dữ liệu ảnh và chuẩn JPEG: 1.1.Tổng quan về nén dữ liệu ảnh: 1.1.1. Sự cần thiết phải nén dữ liệu ảnh: 1.1.2. Một số khái niệm: 1.1.3. Phân loại phơng pháp nén ảnh 1.1.3.1.Nén không mất mát thông tin 1.1.3.2.Nén ảnh tĩnh dựa trên phép biến đổi ảnh 1.2.Kĩ thuật nén ảnh JPEG: 1.2.1.Không gian màu: 1.2.2.Chuẩn JPEG 1.2.2.1. Biến đổi Cosin rời rạc: 1.2.2.2.Sắp xếp Zigzag: 1.2.2.3.Lợng tử hoá. 1.2.2.4.Mã hoá dữ liệu ảnh. 1.2.3. Cấu trúc ảnh JPEG: II.Nén ảnh theo chuẩn JPEG: 2.1. Biến đổi Cosin rời rạc: 4.1. 4.2. 2.2. Sắp xếp Zigzag: 5.2 2.3.Lợng tử hoá 6.1 6.1 2.4.Mã hoá ảnh 1 2 Nguyn Nguyn Vn Luõn 7.1 7.2 III.Phụ lục: 3.1.Các tài liệu tham khảo và chơng trình 3.2.Các thuật ngữ. I. Tổng quan về nén dữ liệu ảnh và chuẩn JPEG: 1.1.Tổng quan về nén dữ liệu ảnh: 1.1.1 Sự cần thiết phải nén dữ liệu ảnh: Nén ảnh là một kỹ thuật mã hoá hiệu suất cao ảnh số nhằm làm giảm số bit cần cho biểu diễn ảnh. Chức năng của kỹ thuật này là giảm độ lớn dữ liệu phải lu trữ cùng với thời gian truyền trong khi vẫn giữ nguyên chất lợng của ảnh. Để đánh giá sự cần thiết của nén ảnh, chúng ta xem xét về yêu cầu bộ nhớ và thời gian truyền khi dùng một modem 9600 baud (bit/s) cho các ảnh sau đây: 2 3 Nguyn Nguyn Vn Luõn Một ảnh 512 ì 512 điểm, 8 bit cho một điểm, ảnh mức xám yêu cầu 2,097,152 bit cho lu giữ và mất 3.64 phút để truyền. Một ảnh màu RGB có cùng các bớc xử lý nh trờng hợp trên yêu cầu xấp xỉ 6 triệu bít cho lu trữ và mất gần 11 phút để truyền. Một phim âm bản có kích thớc 24 ì 36 mm (35 mm) chia bằng các khoảng cách nhau 12 àm, vào khoảng 3000 ì 2000 điểm, 8 bit cho một điểm, yêu cầu 48 triệu bit cho lu giữ ảnh và 83 phút để truyền. Một phim âm bản màu sẽ yêu cầu một số lớn gấp ba lần cho lu giữ và truyền. Rõ ràng, việc truyền và lu giữ các ảnh sẽ có nhiều vấn đề. Có rất nhiều ví dụ khác mà sẽ dễ dàng làm sáng tỏ vai trò của nén ảnh, và rất có nhiều nghiên cứu tập trung vào lĩnh vực này. Fax, một tài liệu đồ hoạ đợc truyền qua đờng dây điện thoại, nén dữ liệu ảnh y học, truyền hình là một vài trong số nhiều ứng dụng tiềm tàng của nén ảnh. Sự phát triển của kỹ thuật vi điện tử và sự phát triển của rất nhiều ứng dụng thơng mại dẫn dắt sự phát triển cho các tiêu chuẩn và phần cứng của bộ nén ảnh theo thời gian thực. 1.1.2.Một số khái niệm: *Nén dữ liệu ảnh: -Biến đổi dòng thông tin ảnh thành từ mã nhằm giảm độ d thừa thông tin. *Các độ d thừa thông tin: -D thừa thông tin về không gian, về thời gian, đô d thừa phổ và d thừa do độ cảm thụ. *ảnh tĩnh : *ảnh động: 3 4 Nguyn Nguyn Vn Luõn Các tham số chất lợng nén ảnh *Tỷ số nén : -Tỷ số: C R = -Tỷ số bít: -Tốc độ dòng bít(đối với ảnh động):bit/s *Chất lợng nén: -Nén có mất mát thông tin(lossless). -Nén không mất mát thông tin(lossy). *Độ phức tạp: -Về thời giannén: Nén thời gian thực/ không thời gian thực. -Về không gian bộ nhớ. 1.1.3. Phân loại ph ơng pháp nén ảnh: 1.1.3.1.Nén không mất mát thông tin : -Mã loạt dài (RLE):Dùng số đếm để thay thế các điểm giống nhau lặp lại. -Mã Shannon-Fano:Dùng cụm bít có độ dài thay đổi để mã hoá . -Mã Hufman:Sử dụng đặc điểm mã hoá của Shannon-Fano với ý t- ởng:kí hiệu có xác suât xuất hiện nhiều thì đợc mã hoá với từ mã ngắn. -Mã Lemple-Ziv:Dựa trên việc xây dựng và tra từ điển. -Mã dự đoán (prediction): Dựa trên quá trình tạo điểm tuần tự và luật dự đoán. 1.3.2.Nén ảnh tĩnh dựa trên phép biến đổi ảnh -Phép biến đổi Cosin rời rạc (DCT):biểu diễn các giá trị điểm ảnh trên miền tần số, tập trung năng lợng vào một số hệ số, DCT cho phép áp dụng trong các chuẩn JPEG va MPEG. -Phép biến đổi Wavelet rời rạc (DWT):Sử dụng các bộ lọc thông giải xử lý đa phân giải trong phép DWt. 4 5 Nguyn Nguyn Vn Luõn - Phép biến đổi dựa trên hình học Fractal (Phép biến đổi Fractal): Sử dụng các phép biến đổi hình học. 1.3.Kĩ thuật nén ảnh JPEG : 1.3.1.Chuẩn JPEG : Trong chuẩn JPEG ảnh đợc nén nh sau: 1. Khối điểm kích thớc 8 ì 8 của DCT trên ảnh nguyên gốc đợc tính. 2. Hệ số chuyển đổi đợc tiêu chuẩn hoá bằng cách áp dụng một mảng do ngời sử dụng định nghĩa nó đợc định trớc cho tất cả các khối. 3. Hệ số DC đợc mã hóa với lợc đồ DPCM. 4. Mỗi khối đợc sắp xếp lại sử dụng mã zigzag (xem hình 13.21). Điều này là theo RLC và lợc đồ mã Huffman. Để nén một ảnh màu, JPEG đề xuất rằng mỗi thành phần đợc mã hoá một cách độc lập với nhau. 1.2.1.1. Biến đổi Cosin rời rạc: 1.2.1.2.Sắp xếp Zigzag: 1.2.1.3.Lợng tử hoá. 1.2.1.4.Mã hoá dữ liệu ảnh. 1.3.2.Cấu trúc ảnh JPEG: Các byte đánh dấu GiảI thích FF D8 Bắt đầu File FF FE Chú giảI-có thể không có FF E0 Byte đánh dấu dữ liệu ứng dụng ( thông thờng không dùng) FF DB Định nghĩa bảng lợng tử FF C0 Bắt đầu của Baseline DCT 5 6 Nguyễn Nguyễn Văn Luân FF C4 §Þnh nghÜa b¶ng Huffman FF DA B¾t ®Çu d÷ liÖu ¶nh XX XX KÕt thóc d÷ liÖu ¶nh FF D9 KÕt thóc File ¶nh VÝ dô: ff d8 ff e0 00 10 4a 46 49 46 00 01 01 00 00 01 00 01 00 00 ff fe 00 46 76 77 78 79 7a 83 84 85 86 b5 b6 b7 b8 b9 ba c2 03 00 04 ff db 00 43 00 08 06 06 07 06 05 08 07 07 07 09 09 08 0a 0c 14 0d 0c 0b 0b 0c 19 12 13 0f 14 1d 1a 1f 1e 1d 1a 1c 1c 20 24 2e 27 20 22 2c 23 1c 1c 28 37 29 2c 30 31 34 34 34 1f 27 39 3d 38 32 3c 2e 33 34 32 ff c0 00 0b 08 01 00 01 00 01 01 11 00 ff c4 00 1f 00 00 01 05 01 01 01 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b ff c4 00 b5 10 00 02 01 03 03 02 04 03 05 05 04 04 00 00 01 7d 01 02 03 00 04 11 05 12 21 31 41 06 13 51 61 07 22 71 14 32 81 91 a1 08 23 42 b1 c1 15 52 d1 f0 24 33 62 72 82 09 0a 16 17 18 19 1a 25 26 27 28 29 2a 34 35 36 37 38 39 3a 43 44 45 6 7 Nguyn Nguyn Vn Luõn 46 47 48 49 4a 53 54 55 56 57 58 59 5a 63 64 65 66 67 68 69 6a 73 74 75 76 77 78 79 7a 83 84 85 86 87 88 89 8a 92 93 94 95 96 97 98 99 9a a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8 a9 aa b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b9 ba c2 c3 c4 c5 c6 c7 c8 c9 ca d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 da e1 e2 e3 e4 e5 e6 e7 e8 e9 ea f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 fa ff da 00 08 01 01 00 00 3f 00 xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx ff d9 II.Nén ảnh theo chuẩn JPEG: 2.1. Biến đổi Cosin rời rạc: Biến đổi cosin Biến đổi một chiều cosin rời rạc (DCT-Discrete Cosin Transform) cho bởi = + = 1 0 2 )12( cos)( 2 )( N n k N kn nx N kX (13.4) ở đây (13.46) Vì vậy, tín hiệu ra từ các bớc cuối cùng của các thao tác bớm có thể tính dới dạng các hệ số của FCT nh trong hình 13.7. Nếu chúng ta sắp xếp lại vị trí của các giá trị bít dùng dịch chuyển bít, chúng ta rút ra tín hiệu ra nh hình (13.8). Sau đó,các tín hiệu ra này có thể đợc dùng để rut ra FCT nh hình (13.9). Bớc cuối cùng này gọi là bớc cộng truy hồi. 7 8 Nguyn Nguyn Vn Luõn Có rất nhiều bớc (các thao tác bớm, dịch chuyển bít, và cộng truy hồi) bây giờ có thể nằm trong một bớc trong hình 13.10. Từ sơ đồ này, chơng trình FCT có thể phát triển. Chơng trình này dùng các thuật toán phát triển cho FFT. Chơng trình dùng một bảng tra cứu để chứa các giá trị cosin, một bảng cho dịch chuyển bit. Chi tiết của chơng trình này để lại cho ngời dùng nh một bài tập. Thuật toán cho 2-D FCT có thể phát triển dùng phơng pháp hàng-cột bình thờng nh thuật toán 2-D FFT. Chơng trình 13.5 rút ra biến đổi FCT của các khối ngời dùng tự xác định kích thớc, thông thờng là 8 ì 8 hoặc là 16 ì 16, bằng các chia nhỏ các khối của ảnh. ảnh đợc giả sử là có chiều dài bằng chiều rộng với cac chiều là bội của 2. Chơng trình sử dụng thuật toán 1-D FCT và tận dụng các bảng tra cứu (LUT) nh các trạng thái trớc. Hình 13.10 Biểu đồ chuyển đổi cosin nhanh. Biến đổi ngợc DCT đợc cho bỏi = + = 1 0 2 )12( cos)()( N k k N nk kXnx (13.48) 8 16 2C 2 1 2 1 2 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 C 4 C 4 C 4 C 4 Dịch chuyển bit. X(0) X(1) X(2) X(7) X(3) X(4) X(5) X(6) 8 2C 5 8 2C 5 8 2C 5 16 2C 9 16 2C 13 16 2C 9 Nguyn Nguyn Vn Luõn ở đây = 1-N , 1,2,=k cho 1 0=k cho 2 1 k Thay vì lập lại cả một chơng trình để tính biến đổi ngợc FCT, chúng ta sẽ dùng lu đồ của FCT tiến (forward). Để rút ra FCT ngợc, tất cả các việc mà chúng ta cần làm là đảo ngợc biểu đồ ở hình 13.10. Hình 13.11 giới thiệu phép biến đổi ngợc của một bớm. Kết quả của thuật toán biến đổi ngợc của lu đồ FCT cho trong hình 13.12. Từ lu đồ của hình 13.11 biến đổi ngợc của FCT có thể phát triển bình thờng từ FCT tiến. Chơng trình tính 2-D FCT ngợc cho trong chơng trình 13.6. Giá trị của khối ảnh gốc phải đợc cho trớc bởi ngời dùng. Hình 13.11 Phép đổi ngợc của một bớm. 9 1/2CX 0.5 A B C D C X -1 A=C+D B=(C-D)CX C D A B -1 C=0.5A+B/(2CX) D=0.5A-B/(2CX) 13 16 1 C 9 16 1 C 0. 5 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1-1 -1 -1 5 16 1 C 16 1 C 8 4 1 C 5 8 4 1 C 8 4 1 C 8 4 1 C 4 2 1 C 4 2 1 C 4 2 1 C 4 2 1 C 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 + + + + + Dịch chuyển bit. X(0 ) X(1 ) X(2 ) X(3 ) X(4 ) X(6 ) X(7 ) (0)x ~ (1)x ~ (2)x ~ (3)x ~ (4)x ~ (6)x ~ (7)x ~ X(5 ) (5)x ~ 10 Nguyn Nguyn Vn Luõn Hình 13.12 Biểu đồ đảo ngợc giải thuật FCT. Tiếp theo tôi sẽ giới thiệu một chơng trình mà sẽ hiển thị các khối 8 ì 8 của kết quả đã chuyển đổi trên màn hình văn bản. Chú ý rằng giá trị sẽ giảm xuống một cách nhanh chóng kể từ góc trái của màn hình, hay là điểm tần số (0,0). Để thoát khỏi chơng trình này, bấm ESC. Chơng trình 13.7 "DISPFCT.C". Chơng trình hiển thị khối 2-D FCT. Một mẫu của 2-D FCT từ một khối rút ra từ ảnh IKRAM.IMG giới thiệu trong hình 13.13. Các thành phần một chiều (các khối có tần số 0,0) có giá trị lớn nhất. Thành phần này biểu diễn giá trị trung bình của khối. Các thành phần khác (đợc hiểu là các thành phần xoay chiều) phải có các giá trị nhỏ hơn. 2.2. Sắp xếp Zigzag: 10 [...]... Thứ hai, bạn có thể nghe và xem các bài hát, bản tin, giới thiệu phim… 25 Phạm Minh Đức từ khắp mọi nơi trên thế giới - Thứ ba là phim theo yêu cầu (tiếng Anh gọi là movie-on-demand), với băng thông rộng và công nghệ nén và truyền hình ảnh, âm thanh tiên tiến, phim ảnh có thể được truyền qua Internet và bạn có toàn quyền chọn lựa chương trình, tạm dừng hoặc tua đi tua lại tùy thích Hiện nay nhà cung... ra các thông tin quý giá, cần thiết cho việc ra quyết định và cải tiến các hoạt động kinh doanh XML – chuẩn dữ liệu trên Internet Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng - XML (eXtensible Markup Language) là một kỹ thuật phát triển tương tự ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản HTML (HyperText Markup Language) Đây là 1 chuẩn mới về dữ liệu trên Internet, giúp cho các ứng dụng dựa trên các hệ quản trị CSDL khác nhau có thể... trình web (gọi là các ngôn ngữ script) để thực hiện các yêu cầu xử lý và truy xuất dữ liệu, để trả về trang web có nội dung thay đổi tùy theo đối tượng và hoàn cảnh (web động) Các ngôn ngữ script có thể là : CGI, Perl, ASP, VBScript (dựa trên ngôn ngữ Visual Basic), PHP (theo cú pháp ngôn ngữ C++), JSP, JavaScript (dựa trên ngôn ngữ Java)… Các script này có thể được quy định chạy phía máy server hoặc client... Thiện Minh cho rằng cơ hội để Internet băng rộng phát triển nên theo lộ trình tuần tự, bắt đầu từ kế hoạch trung hạn và tiếp theo mới đến kế hoạch dài hạn Với vai trò của doanh nghiệp chủ lực “phủ sóng” dịch vụ viễn thông tới các khu vực vùng sâu vùng xa, kế hoạch trung hạn của VNPT là kéo cáp đồng và phát triển dịch vụ điện thoại cố định Tiếp theo đó, kế hoạch dài hạn sẽ kéo cáp quang và từng bước cung... trường cũng có đào tạo nhưng các tiêu chí từ giáo viên, giáo trình cho đến hình thức thi tuyển, đào tạo, công nhận (bằng, chứng chỉ, chứng nhận ) chưa được qui chuẩn thống nhất Vì vậy giữa tháng 4/2007 xảy ra chuyện 474 học viên khoá I, hệ "Kỹ thuật viên tin học ứng dụng" của Viện Công nghệ thông tin, thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội đã phản ứng kịch liệt vì đã tốt nghiệp rồi mà nhà trường không thể cấp... Đức Từ năm học 2006 - 2007 trở đi mới xuất hiện những hình thức đào tạo một cách bài bản, qui chuẩn Hiện có 75% số trường Đại học, Cao đẳng có khoa kinh tế hoặc khoa Quản trị kinh doanh thuộc các tỉnh phía Bắc có môn học TMĐT Thời lượng các môn học ở mức phổ biến là 45 tiết, riêng Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp I có 90 tiết và Đại học Ngoại thương có 60 tiết Nhưng cũng còn nhiều trường,... viên được đào tạo chuyên nghiệp cả về thương mại lẫn điện tử Đồng thời do không đủ điều kiện cơ sở hạ tầng kỹ thuật, thiếu các phần mềm TMĐT hiện đại hỗ trợ cho đào tạo nên các giảng viên vẫn chủ yếu sử dụng phương pháp giảng dạy truyền thống 34 Phạm Minh Đức Nguồn giáo trình TMĐT cũng chưa được quy chuẩn, chủ yếu từ nước ngoài và thông qua mạng Internet, cụ thể gồm: Các chương trình đào tạo TMĐT ở bậc... của HSBC đáp lại Bài toán cơ sở hạ tầng Theo các diễn giả, hai vấn đề lớn nhất cho bài toán phát triển của VN vẫn là cơ sở hạ tầng và nguồn nhân lực Đại diện HSBC nhận định, cơ sở hạ tầng của VN đang cản trở sự phát triển của đất nước Hệ thống đường sá, phương tiện và các dự án xây dựng đang chịu sức ép lớn từ sự phát triển nhanh chóng và đang gồng mình để theo kịp tốc độ tăng trưởng kinh tế nhanh... gồm các cột (field) và các dòng (record) Các bảng thường có quan hệ với nhau, trên đó có cài đặt các cơ chế đảm bảo nhất quán và toàn vẹn dữ liệu ♣Truy vấn dữ liệu : sử dụng ngôn ngữ SQL là 1 ngôn ngữ theo chuẩn ANSI & ISO để truy vấn dữ liệu 1 cách nhanh chóng và hiệu quả Ngoài ra, các HQTCSDL còn có thể có các chức năng sau : ♣Quản lý sao lưu và phục hồi dữ liệu ♣Quản lý bảo mật và cấp phát quyền cho... để xây dựng và ban hành Theo Bộ Thương mại, thanh toán điện tử là một khâu quan trọng trong hoạt động TMĐT, tuy nhiên, trong giai đoạn phát triển ban đầu của TMĐT VN (2001-2005) hầu như chưa tồn tại dịch vụ thanh toán điện tử Các chuyên gia kinh tế nhận định, từ năm 2006 nếu các ngân hàng vẫn chưa cung cấp dịch vụ thanh toán điện tử thì sẽ cản trở lớn tới sự phát triển của TMĐT Theo kế hoạch, dự kiến . trình 3.2.Các thuật ngữ. I. Tổng quan về nén dữ liệu ảnh và chuẩn JPEG: 1.1.Tổng quan về nén dữ liệu ảnh: 1.1.1 Sự cần thiết phải nén dữ liệu ảnh: Nén ảnh là một kỹ thuật mã hoá hiệu suất cao ảnh số. học. 1.3.Kĩ thuật nén ảnh JPEG : 1.3.1 .Chuẩn JPEG : Trong chuẩn JPEG ảnh đợc nén nh sau: 1. Khối điểm kích thớc 8 ì 8 của DCT trên ảnh nguyên gốc đợc tính. 2. Hệ số chuyển đổi đợc tiêu chuẩn hoá. quan về nén dữ liệu ảnh và chuẩn JPEG: 1.1.Tổng quan về nén dữ liệu ảnh: 1.1.1. Sự cần thiết phải nén dữ liệu ảnh: 1.1.2. Một số khái niệm: 1.1.3. Phân loại phơng pháp nén ảnh 1.1.3.1 .Nén không