một số kĩ thuật nén ảnh và ứng dụng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYÊN THÔNG NGUYỄN HÀ AN MỘT SỐ KĨ THUẬT NÉN ẢNH VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Thái Nguyên, năm 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Trên thực tế không có thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong suốt thời gian học tập tại trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của thầy cô, bố mẹ, bạn bè và những người thân. Với lòng biết ơn sâu sắc tôi xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô trong trường Đại Học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên, đặc biệt thày PGS.TS. Phạm Việt Bình, cùng với các quý thầy cô ở Viện Công nghệ thông tin, đặc biệt thày PGS.TS. Đỗ Năng Toàn, PGS.TS. Đặng Văn Đức, PGS.TSKH. Nguyễn Xuân Huy, đã truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho tôi. Và đặc biệt các thầy cô đã tạo điều kiện cho tôi làm luận văn tốt nghiệp với đề tài: “Một số kỹ thuật nén ảnh và ứng dụng”. Xin chân thành cám ơn các thầy cô công tác tại Phòng Đào tạo, trường Đại học công nghệ thông tin và truyền thông, Đại học Thái Nguyên, đặc biệt thầy Lê Hùng Linh và cô Vân đã tạo điều kiện để các học viên Hải Phòng hoàn thành khóa đào tạo sau đại học về công nghệ thông tin. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Đỗ Trung Tuấn đã tận tình giúp đỡ hướng dẫn tôi qua từng buổi học trên lớp cũng như nhưng buổi nói chuyện thảo luận nghiên cứu đề tài. Nếu không có sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy thì thiết nghĩ bài báo cáo này sẽ khó có thể hoàn thành được. Với đề tài còn khá mới mẻ và vốn kiến thức còn hạn chế nên bài tiểu luận còn có nhiều sai sót trong quá trình tiếp cận đề tài. Tôi rất mong sự góp ý của các quý thầy cô và các bạn để bài tiểu luận được hoàn thiện hơn nữa. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô và các bạn. Học viên gửi lời biết ơn đến gia đình và người thân, đã chia sẻ những khó khăn trong việc hoàn thành khóa học và viết luận văn này. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ NGHĨA CỦA TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ vi PHẦN MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1 3 KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ BÀI TOÁN NÉN ẢNH 3 1.1. Khái quát về xử lý ảnh 3 1.1.1. Giới thiệu 3 1.1.2. Một số vấn đề trong xử lý ảnh. 4 1.1.2.1. Một số khái niệm cơ bản 4 1.1.2.2. Nắn chỉnh biến dạng 4 1.1.2.3. Khử nhiễu 5 1.1.2.6. Nhận dạng 6 1.1.2.7. Nén ảnh 7 1.2. Bài toán nén ảnh 8 1.2.1. Giới thiệu 8 1.2.2. Các cách tiếp cận bài toán nén ảnh 10 1.3. Kết luận chương 10 CHƢƠNG 2 11 MỘT SỐ KĨ THUẬT NÉN ẢNH 11 2.1. Nén bảo toàn 11 (Run-Length Encoding) 12 2.1.1.1. Ý tưởng của thuật toán 12 2.1.1.2. Thuật toán 14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv 14 2.1.3. Đánh giá thuật toán 20 2.2. Nén không bảo toàn 21 2.2.1. Nén JPEG 22 2.2.1.1. Ý tưởng của thuật toán 22 2.2.1.2. Thuật toán nén ảnh JPEG 22 2.2.2. Kỹ thuật nén AIC (Advanced Image Coding) 28 2.2.2.1. Giới thiệu 29 2.2.2.2. Nén và chất lượng ảnh AIC khi so sánh với JPEG và JPEG-2000 30 2.2.2.3. Thuật toán AIC 30 2.2.2.4. Các kết quả - AIC 42 1.3. Kết luận chương 42 CHƢƠNG 3 43 CHƢƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG TRUYỀN ẢNH QUA MẠNG 43 3.1. Bài toán truyền ảnh qua mạng 43 3.2. Lựa chọn chương trình nén ảnh trên JPEG 43 3.3. Thử nghiệm nén ảnh JPEG 44 3.3.1. Sơ đồ thực hiện bài toán ứng dụng 44 3.3.2. Các tham số thử nghiệm 45 3.3.3. Một số kết quả thử nghiệm. 46 3.3.4. Đánh giá chương trình thử nghiệm 51 3.4. Kết luận chương 51 KẾT LUẬN 52 52 2. Một số hạn chế 52 53 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 PHỤ LỤC 55 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ NGHĨA CỦA TỪ VIẾT TẮT 3D Ba chiều DIB Device Independent Bitmap DTC Disrete Cosine Transformation FDCT Forward Disrete Cosine Transformation IDCT Inverse Disrete Cosine Transformation MPEG JPEG Joint Photographic Expert Group ES Bar Vạch camera Máy chụp ảnh, có thể dùng như máy quay video VHS FORTRAN Ngôn ngữ lập trình FORTRAN Fourier Tên nhà toán học, đề xuất phép biến đổi tín hiệu AIC Advanced Image Coding IPTV Truyền hình số IP IT Công nghệ thông tin PSNR Peak Signal to Noise Ratio pixel Điểm ảnh RGB Ba màu đỏ, lục, xanh lam toolbox Hộp công cụ PEL Picture Element AVC Advanced Video Coding CABAC Context adaptive binary arithmetic coding ITU-T Liên hiệp viễn thông quốc tế ISO/IEC Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế và Ủy ban kỹ thuật điện tử quốc tế PSNR tỉ số tín hiệu đỉnh trên nhiễu LZW Jacob và Abraham Ziv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Hình 1. 1. Quá trình xử lý ảnh 3 Hình 1. 2. Các bước cơ bản trong một hệ thống xử lý ảnh 4 Hình 1. 3. Ảnh thu nhận và ảnh mong muốn 4 Hình 1. 4. Quá trình hiển thị và chỉnh sửa, lưu trữ ảnh thông qua DIB 9 Hình 1.5. Sự chuyển đổi giữa các mô hình biểu diễn ảnh 9 Bảng 2.1. Cấu trúc từ điển của các phần tử mã 15 Bảng 2.2. Ví dụ cơ chế nén LZW 16 Hình 2.3. Sơ đồ thuật toán nén LZW 18 Hình 2.5: Quá trình nén ảnh theo chuẩn JPEG. 22 Hình 2.6. Quá trình giải nén ảnh theo chuẩn JPEG. 23 Hình 2.7: Hình minh họa về khối Zig-Zag. 28 Hình 2.8. So sánh ảnh gốc và ảnh nén 30 Hình 2.9. Sơ đồ khối nén AIC và giải nén AIC. 31 Hình 2.10. Ảnh chuyển đổi sang kênh RGB. 31 Hình 2.11. Ảnh chuyển đổi sang kênh YCbCr 32 Hình 2.12. Hình ảnh khi chia thành các khối. 33 Hình 2.13. Khối 8x8 với 25 điểm ảnh. 34 Hình 2.14. Các chế độ dự đoán khối 36 Hình 2.15. Quá trình dự đoán 37 Hình 2.16. Ảnh độ chói dư thừa 38 Hình 2.17. Hình so sánh các kỹ thuật nén ảnh khác nhau. 42 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii Hình 3.1. Sơ đồ nén ảnh bằng JPEG 44 Hình 3.2. Sơ đồ thực hiện bài toán ứng dụng 45 Hình 3.3. Giao diện chương trình ứng dụng 46 Hình 3.4. Giao diện chương trình chạy thử 47 Hình 3.5. Cửa sổ thông báo hoàn tất quy trình nén ảnh 47 Hình 3.6. Kết quả sau khi thử nghiệm với ảnh *.gif 48 Hình 3.7. Thử nghiệm với ảnh JPEG. 50 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ PHẦN MỞ ĐẦU Cuộc cách mạng thông tin kỹ thuật số đã đem lại những thay đổi sâu sắc trong xã hội và trong cuộc sống của chúng ta. Bên cạnh những thuận lợi mà thông tin kỹ thuật số mang lại cũng nảy sinh những thách thức mới cho quá trình đổi mới này. Sự ra đời những phần mềm có tính năng rất mạnh, các thiết bị mới như máy ảnh kỹ thuật số, máy quét chất lượng cao, máy in, máy ghi âm kỹ thuật số…đã giúp con người có thể sáng tạo, xử lý và thưởng thức các dữ liệu đa phương tiện (multimedia data). Mạng Internet toàn cầu đã biến thành một xã hội ảo, nơi diễn ra quá trình trao đổi thông tin trong mọi lĩnh vực chính trị, quân sự, quốc phòng, kinh tế, thương mại vv. Trao đổi thông tin qua các kênh truyền thông công khai đã, đang và sẽ được sử dụng phổ biến trong kỷ nguyên công nghệ số hiện đại này. Và chính trong môi trường mở và tiện nghi như thế xuất hiện những khó khăn trong việc truyền tải một lượng lớn các file ảnh, file text, các file dữ liệu đa phương tiện… đi cùng một lúc. Do vậy đã có rất nhiều phần mềm nén và giải nén dữ liệu ra đời. Hiện nay, phổ biến và được sử dụng nhiều nhất là phần mềm nén và giải nén „WinRAR ZIP archive‟. Phần mềm này bổ trợ và hữu ích tiện lợi cho người sử dụng. Dù dung lượng các file có lớn đến đâu chỉ cần nhấp chuột là nó trở nên nhỏ gọn và dễ dàng gửi đi một cách nhanh chóng. Phần mềm nay rất dễ cài đặt và dễ sử dụng. Bên cạch đó phần mềm Matlab cũng khá phổ biến và tiện ích trong các bài toán số học, logic … ngoài ra phần mềm Matlab cũng được ứng dụng rộng dãi trong xử lý ảnh số (Indexed Images), ảnh cường độ (Intensity Images), ảnh nhị phân (Binary Images), ảnh RGB (RGB Images)…. Nén ảnh là một bộ phận chiếm tỉ lệ lớn nhất trong các chương trình ứng dụng, các phần mềm nén dữ liệu sử dụng nhiều trong dữ liệu đa phương tiện bởi lượng thông tin được trao đổi bằng hình ảnh và video là rất lớn và hơn nữa nén ảnh cũng đóng vai trò hết sức quan trọng trong hầu hết các ứng dụng thông tin trên mạng internet cũng như trong các trang web quản cáo. Chính vì thế mà vấn đề này đã nhận được sự quan tâm rất lớn của các cá nhân, tổ chức, trường đại học, và viện nghiên cứu trên thế giới vv. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2 Tôi tin rằng lĩnh vực nghiên cứu này có nhiều hứa hẹn trong tương lai gần và dần trở thành một hướng đi mới trong lĩnh vực nén ảnh trên ngôn ngữ lập trình C Sharp 2010. Trong luận văn này chúng ta sẽ đi sâu vào nghiên cứu các kĩ thuật nén ảnh và sử dụng ngôn ngữ lập trình C Sharp 2010 để giải quyết bài toán ứng dụng nén ảnh của mình. Cấu trúc luận văn Luận văn gồm có các chương: Chương 1: Khái quát về xử lý ảnh và bài toán nén ảnh Chương 2: Một số kĩ thuật nén ảnh Chương 3: Chương trình ứng dụng truyền ảnh qua mạng Cuối khóa luận là phần kết luận và danh sách các tài liệu tham khảo, phụ lục chương trình. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 CHƢƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ BÀI TOÁN NÉN ẢNH 1.1. Khái quát về xử lý ảnh 1.1.1. Giới thiệu Con người thu nhận thông tin qua các giác quan, trong đó thị giác đóng vai trò quan trọng nhất. Những năm trở lại đây với sự phát triển của phần cứng máy tính, xử lý ảnh và đồ họa đó phát triển một cách mạnh mẽ và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống. Xử lý ảnh và đồ họa đóng vai trò quan trọng trong tương tác người máy. Quá trình xử lý ảnh được xem như là quá trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho kết quả mong muốn. Kết quả đầu ra của một quá trình xử lý ảnh có thể là một ảnh „tốt hơn‟ hoặc một kết luận. Hình 1. 1. Quá trình xử lý ảnh Ảnh có thể xem là tập hợp các điểm ảnh và mỗi điểm ảnh được xem như là đặc trưng cường độ sáng hay một dấu hiệu nào đó tại một vị trí nào đó của đối tượng trong không gian và nó có thể xem như một hàm n biến P(c 1 , c 2 , c 3 , … , c n ). Do đó, ảnh trong xử lý ảnh có thể xem như ảnh n chiều. Sơ đồ tổng quát của một hệ thống xử lý ảnh: [...]... ảnh trong các vùng gần nhau Ví dụ cho kỹ thuật này là mã nén *.PCX Nén ảnh sử dụng phép biến đổi: Đây là kỹ thuật tiếp cận theo hướng nén không bảo toàn và do vậy, kỹ thuật thướng nến hiệu quả hơn *.JPG chính là tiếp cận theo kỹ thuật nén này Nén ảnh Fractal: Sử dụng tính chất Fractal của các đối tượng ảnh, thể hiện sự lặp lại của các chi tiết Kỹ thuật nén sẽ tính toán để chỉ cần lưu trữ phần gốc ảnh. .. cao và thay thế bằng từ mã tương ứng mỗi khi gặp lại chúng Giải thuật LZW hay hơn các giải thuật trước đó ở kỹ thuật tổ chức từ điển cho phép nâng cao tỷ lệ nén Giải thuật LZW được sử dụng cho tất cả các file nhị phân Nó thường được dùng để nén các loại văn bản, ảnh đen trắng ảnh màu, ảnh đa mức xám… Và là chuẩn nén các dạng ảnh GIF và TIFF Mức độ hiệu quả của LZW không phụ thuộc vào số bit màu của ảnh. .. 2.2.1.2 Thuật toán nén ảnh JPEG Nén ảnh JPEG bao gồm nhiều công đoạn, sơ đồ thuật toán nén và giải nén được mô tả như dưới đây: Hình 2.5: Quá trình nén ảnh theo chuẩn JPEG Quá trình giải nén sẽ được thực hiện ngược lại, người ta dựa vào các thông tin liên quan ghi trong phần Header của file nén để giải mã từng phần ảnh nén ứng với phương Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 23 pháp nén. .. cũng như các ảnh nghệ thuật Phương pháp này không đòi hỏi độ chính xác cao Ảnh mới cho chất lượng ảnh có độ nét cao có thể chấp nhận được và phương pháp này được sử dụng rộng dãi trong các lĩnh vục nén ảnh số cũng như nén các loại video số, … 1.3 Kết luận chƣơng Chương này đã trình bày khái quát về xử lý ảnh Các cách biểu diễn ảnh cũng như các cách nén ảnh từ đó đặt ra bài toán nén ảnh và đưa ra cách... bản trong nén ảnh: Nén ảnh thống kê: Kỹ thuật nén này dựa vào việc thống kê tần xuất xuất hiện của giá trị các điểm ảnh, trên cơ sở đó mà có chiến lược mã hóa thích hợp Một ví dụ điển hình cho kỹ thuật mã hóa này là *.TIF Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 8 Nén ảnh không gian: Kỹ thuật này dựa vào vị trí không gian của các điểm ảnh để tiến hành mã hóa Kỹ thuật lợi dụng sự giống... 1.2 Các bƣớc cơ bản trong một hệ thống xử lý ảnh 1.1.2 Một số vấn đề trong xử lý ảnh 1.1.2.1 Một số khái niệm cơ bản * Ảnh và điểm ảnh: Điểm ảnh được xem như là dấu hiệu hay cường độ sáng tại 1 toạ độ trong không gian của đối tượng và ảnh được xem như là 1 tập hợp các điểm ảnh * Mức xám, màu Là số các giá trị có thể có của các điểm ảnh của ảnh 1.1.2.2 Nắn chỉnh biến dạng Ảnh thu nhận thường bị biến... toàn vào ảnh nén và chỉ thích hợp cho những ảnh đen trắng hay ảnh đa cấp xám 2.1.2 2.1.2 Khái niệm nén từ điển được Jacob và Abraham Ziv đưa ra đầu tiên vào năm 1997, sau đó phát triển thành họ giải thuật nén từ điển LZ Năm 1984, Terry Welch đã cải tiến thuật giải LZ thành một giải thuật mới hiệu quả hơn và đặt tên là LZW Phương pháp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 15 nén từ... toàn Bức ảnh sau khi nén cho kích thước ảnh giống như kích thước ban đầu ảnh mới có dạng ảnh *.jpeg có size: 138KB Trong khi ảnh cũ có size: 160KB Sau khi giải nén cho ảnh mới có size như size ảnh ban đầu Cách tiếp cận bảo toàn cho ta bức ảnh mới có độ nén thấp chỉ vài chục phần trăm Nhưng ảnh sau khi giải nén không bị mất mát dữ liệu, điều này rất cần cho nén ảnh chụp X – quang hay các loại ảnh chụp... đó một ảnh được quan niệm là nhiều mảnh ảnh, và từ điển là một bộ từ điển gồm nhiều từ điển con Cứ hết một mảnh ảnh người ta lại gửi một mã xoá để báo hiệu kết thúc mảnh ảnh cũ, bắt đầu mảnh ảnh mới đồng thời khởi tạo lại từ điển cho mảnh ảnh mới Mã xoá có giá trị là 256 Từ mã thứ 257 chứa mã kết thúc thông tin (EOI – End Of Information) Mã này có giá trị là 257 Như chúng ta đã biết, một file ảnh có... giải quyết bài toán nén ảnh Từ đó em chọn cách nén ảnh không bảo toàn để giải quyết bài toán ứng dụng nén ảnh rồi truyền qua mạng đều này được thể hiện ở chương 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 11 CHƢƠNG 2 MỘT SỐ KĨ THUẬT NÉN ẢNH 2.1 Nén bảo toàn Dữ liệu, đặc biệt là văn bản, đồ họa luôn chứa trong nó những chuỗi thông tin giống hệt nhau lặp đi lặp lại Việc nén dữ liệu được thực . dụng nén ảnh của mình. Cấu trúc luận văn Luận văn gồm có các chương: Chương 1: Khái quát về xử lý ảnh và bài toán nén ảnh Chương 2: Một số kĩ thuật nén ảnh Chương 3: Chương trình ứng dụng. 1.1.2.7. Nén ảnh 7 1.2. Bài toán nén ảnh 8 1.2.1. Giới thiệu 8 1.2.2. Các cách tiếp cận bài toán nén ảnh 10 1.3. Kết luận chương 10 CHƢƠNG 2 11 MỘT SỐ KĨ THUẬT NÉN ẢNH 11 2.1. Nén bảo toàn. Hình 1.2. Các bƣớc cơ bản trong một hệ thống xử lý ảnh 1.1.2. Một số vấn đề trong xử lý ảnh. 1.1.2.1. Một số khái niệm cơ bản * Ảnh và điểm ảnh: Điểm ảnh được xem như là dấu hiệu hay cường