Nghiên cứu về phương pháp trong phân mảnh Fractal Image Coding áp dụng cho kỹ thuật nén ảnh

` i TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG  ĐỒ ÁN Đề tài: Nghiên cứu về phương pháp trong phân mảnh Fractal Image Coding áp dụng cho kỹ thuật nén ảnh Sinh viên thực hiện: Trần Bảo Nam Lớp: ĐTVT-KSTN-K54 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS.NGUYỄN TIẾN DŨNG Hà Nội, 6-2014 ` ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ` iii BỘ GI ÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨ A VI ỆT NAM T R Ư Ờ N G Đ Ạ I H Ọ C B Á C H K H O A H À N Ộ I - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NG HIỆP Họ và tên sinh viên: .…………….………….…… Số hiệu sinh viên: ……………… Khoá:…………………….Viện: Điện tử - Viễn thông Ngành: ………………. 1. Đầu đề đồ án: ……………………………………………… ……………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… ……… 2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: …………………………………… …………………………………………… …… …………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………. … ……………………… ……………………………………………………………………………………. 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ……………………………………………………………………………………………………………… ….…………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ….…… ……………………………………………………………………………………………………………………………… … ….…………………………………………………………………………………………… 4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ……………………………………………………………………………………………………………………… ….…… …………………………………………………………………………………………………………………… ……….… ………………………………………………………………………………………………………. 5. Họ tên giảng viên hướng dẫn: ……………………………………………………… …………………… 6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….…………… 7. Ngày hoàn thành đồ án: ……………………………………………………………………… ……… Ngày tháng năm Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm Cán bộ phả n biện ` iv BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Số hiệu sinh viên: Ngành: Khoá: Giảng viên hướng dẫn: Cán bộ phản biện: 1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp: 2. Nhận xét của cán bộ phản biện: Ngày tháng năm Cán bộ phản biện ( Ký, ghi rõ họ và tên ) Đồ án tốt nghiệp Đặng Thị Xuân – ĐTVT_KSTN_K52 Trang 1 LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, công nghệ điện tử cũng như sự gia tăng của nhiều loại hình dịch vụ như Internet, truy ền hình kỹ thuật số… các thiết bị điện tử đều hoạt động và làm việc với tín hiệu số vì việc xử lý tín hiệu số thực hiện dễ dàng hơn và cho chất lượng cao hơn đối với tín hiệu tương tự. Môt y êu cầu đăt ra là làm sao việc lưu trữ đạt được hiệu quả cao, tốc độ truy ền dẫn lớn m à vẫn phù hợp với tốc độ kênh truy ền? Một trong những giải pháp được đưa ra là sử dụng kĩ thuật nén – một lượng nhỏ dữ liệu được lưu trữ, truyền thay vì số lượng lớn ban đầu. Trong quá trình học tâp tại trường đại học Bách khoa Hà Nội, em đã được tiếp xúc, được đọc, được học và tham khảo những tài liệu về các kĩ thuật này . Một công nghệ nén mới và có những ưu điểm trội hơn so với các chuẩn khác là nén ảnh phân mảnh ( Fractal Image Com pression – FIC ). Đây là một kĩ thuật nén tổn hao. Nhược điểm lớn nhất của kĩ thuật nén này là y êu cầu số lượng lớn các phép tính toán để thực hiện nên thời gian m ã hóa lớn. Nhưng ưu điểm của nó chỉ ra rằng kĩ thuật nén phân mảnh là tốt và có thể tốt hơn một số kĩ thuật nén khác như chuẩn JPEG. Các ưu điểm đó là: tỉ lệ nén cao ( có bài báo đã tuy ên bố rằng tỉ lệ nén có thể lên tới 10000 lần ), giải quy ết độc lập vì các ảnh có thể được khôi phục lại dễ dàng và quá trình giải mã đơn giản. Trong vài năm gần đây , nén ảnh phân mảnh đã đạt được những kết quả đáng kể trong nén ảnh tĩnh cũng như chuỗi ảnh, video. Sự kết hợp giữa công nghệ nén ảnh Fractal với những phương pháp nén ảnh khác cũng thu được những kết quả cao. Xuất phát từ lí do nắm bắt kĩ thuật công nghệ mới, em đã thực hiện đề tài: „Nghiên cứu về phương pháp trong phân mảnh Fractal Image Coding áp dụng cho kỹ thuật nén ảnh ồ án trình bày tổng quan về một số kĩ thuật nén khác nhau và đặc biệt tập trung vào kĩ thuật nén ảnh phân mảnh thực hiện trên ảnh nhiều mức xám và ảnh màu. Ngoài ra, kết quả của sự kết hợp kĩ thuật nén này với công nghệ VLSI nhằm kiểm tra kết quả, thời gian xử lý và tăng hiệu quả nén dữ liệu cũng được giới thiệu. Đồ án tốt nghiệp Đặng Thị Xuân – ĐTVT_KSTN_K52 Trang 2 Do thời gian có hạn và đây cũng là một công nghệ mới, hơn nữa kiến thức của em còn nhiều hạn chế nên chắc chắn rằng đồ án sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Mong các thầy, cô và các bạn góp ý để em có thể hiểu sâu hơn, rộng hơn về kĩ thuật này. Đồ án tốt nghiệp Đặng Thị Xuân – ĐTVT_KSTN_K52 Trang 3 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin cảm ơn các thầy , cô giáo Viện Điện tử Viễn thông, các thầy cô giáo trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã truy ền đạt cho em nhiều kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Nguy ễn Tiến Dũng, người đã hướng dẫn, định hướng, góp ý cho em nhiều điều vô cùng quý báu trước và trong quá trình em thực hiện đề tài này . Trong thời gian làm việc trên SIPlab, em đã học tập được rất nhiều điều bổ ích về phương pháp làm việc và nghiên cứu khoa học của thầy . Cuối cùng, con xin cảm ơn bố mẹ, những người đã sinh thành, nuôi dưỡng, thương y êu và chăm sóc con, đã chăm lo cho con để có được như hiện nay . Chúc bố m ẹ luôn mạnh khỏe. Hà Nội, tháng 6 năm 2014 Sinh viên Đồ án tốt nghiệp Đặng Thị Xuân – ĐTVT_KSTN_K52 Trang 4 TÓM TẮT ĐỒ ÁN Nén ảnh theo phương pháp phân mảnh ( Fractal Image Compression – FIC) được biết như một kĩ thuật nén tổn hao, yêu cầu một số lượng lớn phép toán trong quá trình thực hiện mã hóa. Sự phát triển của công nghệ VLSI cho phép tạo ra một hệ thống hoàn chỉnh bên trong một chip đơn ( single chip – SoC) như FPGA, do đó số lượng các phép toán cần thiết trong quá trình thực hiện kĩ thuật nén này có thể được giảm xuống và việc nén dữ liệu trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn – rất có ích trong việc lưu trữ và truyền dữ liệu. Đồ án này đưa ra tổng quan về một số kĩ thuật nén khác nhau và đặc biệt tập trung vào kĩ thuật nén ảnh phân mảnh FIC thực hiện cho ảnh nhiều mức xám và ảnh màu. Kết quả thực hiện FIC trên Xilinx Virtex 5 (XUPV5-LX110T) FPGA board, nhằm giảm đáng kể thời gian mã hóa và được so sánh với kết quả thực hiện trên DSP TMS320C5515 USB Kit với cùng tốc độ clock 100 Mhz cũng được trình bày. Những kết quả thực hiện theo phương pháp của Fisher cho ảnh xám và mở rộng cho ảnh màu đã chứng mình khả năng có thể thiết kế một chip đơn SoC cho bộ mã hóa/ giải mã phân mảnh nhanh với hiệu suất nén tăng. Cụ thể, nội dung của đồ án bao gồm những phần sau:  Chƣơng 1: Tổng quan Giới thiệu tổng quan về công nghệ nén ảnh theo phương pháp phân mảnh, ứng dụng và các chuẩn nén khác.  Chƣơng 2: Nén ảnh theo phƣơng pháp phân mảnh Giới thiệu cơ sở toán học của công nghệ nén ảnh Fractal, quá trình mã hóa và giải mã cho ảnh nhiều mức xám và ảnh màu.  Chƣơng 3: Thực hiện nén ảnh phân mảnh cho ảnh xám và ảnh màu trên FPGA Thực hiện FIC cho ảnh nhiều mức xám/ ảnh màu trên FPGA.  Chƣơng 4: Kết quả thực nghiệm và đánh giá Trình bày và đánh giá kết quả thu được, từ đó rút ra các kết luận, đánh giá quá trình triển khai đề tài cũng như đưa ra hướng phát triển tiếp theo của đồ án. Kết luận và hƣớng phát triển. Đồ án tốt nghiệp Đặng Thị Xuân – ĐTVT_KSTN_K52 Trang 5 ABSTRACT Fractal Image Compression (FIC) is known as a lossy technique, which requires a large amount of operations to complete the codification. The development of VLSI technology allows the creation of complete systems inside a single chip (SoC) likely FPGA, therefore the number of required operations may reduce and data compression becomes increasingly significant for storage and transmission. This thesis demonstrates the overview about different compression technologies especially fractal compression of gray-scale and color images. In the addition, the results of the implementation of a FIC framework on Xilinx Virtex 5 ( XUPV5-LX110T ) FPGA board, which allows to significantly decrease the elapsing time compared to that implemented in DSP TMS320C5515 USB Kit at the same clock rate of 100MHz also present. The experimental results performed by Fisher‟s method for a gray level and color image have verified the possibility to design a SoC for fast fractal coder/decoder with an increased compression performance. This thesis is divided into four following main chapters:  Chapter 1: Overview Introduces an overview of fractal image compression technology, applications and other compression technologies.  Chapter 2: Fractal image compression Introduces basic mathematical knowledge of fractal image compression, encoding and decoding process of gray-scale and color image.  Chapter 3: Implementation of fractal gray-scale and color image compression on FPGA. Implements fractal gray-scale and color image compression on FPGA.  Chapter 4: Experimental results and performance evaluation Presents and evaluates the experimental results, from which to draw conclusions and evaluate project implementation process. The results and future research. Đồ án tốt nghiệp Đặng Thị Xuân – ĐTVT_KSTN_K52 Trang 6 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 LỜI CẢM ƠN 3 TÓM TẮT ĐỒ ÁN 4 ABSTRACT 5 MỤC LỤC 6 DANH SÁCH HÌNH VẼ 9 DANH SÁCH BẢNG BIỂU 11 BẢNG CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 12 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 14 1.1 Giới thiệu chung 14 1.2 Công nghệ nén ảnh phân mảnh 14 1.3 Ứng dụng của công nghệ nén ảnh theo phương pháp phân mảnh 16 1.4 Các chuẩn nén khác 17 1.4.1 JPEG 18 1.4.2 MPEG 24 1.4.3 H261 26 1.4.4 H263 26 1.4.5 H264 26 CHƢƠNG 2. NÉN ẢNH THEO PHƢƠNG PHÁP PHÂN MẢNH 27 2.1 Cơ sở toán học 27 2.1.1 Ánh xạ co và nguyên lý điểm bất động 27 2.1.2 Khoảng cách Housdorff và không gian metric Housdorff 27 2.1.3 Lược đồ hàm lặp 27 2.2 Nén ảnh mức xám theo phương pháp phân mảnh 29 2.2.1 Định nghĩa ảnh xám 29 2.2.2 Mã hóa theo phương pháp phân chia cây tứ phân 31 [...]... chip giải nén và lưu trữ ảnh số sử dụng công nghệ nén ảnh theo phương pháp phân mảnh Trong suốt những năm 90, Iterated Systems Inc và các đối tác đã phát triển nén video theo phương pháp phân mảnh Trong đó: ClearVideo: tương tự Realvideo ( Fractal ) và SoftVideo là sản phản nén video theo phương pháp phân mảnh ClearFusion được sử dụng cho các web browsers Năm 1994, SoftVideo được cấp bản quyền cho Spectrum... nghiệp 2.2.3 Giải mã theo phương pháp phân chia cây tứ phân 35 2.2.4 Phương pháp nâng cao tốc độ trong mã hóa ảnh theo phương pháp phân mảnh 37 2.3 Nén ảnh màu theo phương pháp phân mảnh .38 2.3.1 RGB ( Red, Green, Blue) 39 2.3.2 YCbCr 41 2.4 Tham số đánh giá chất lượng của ảnh 44 2.4.1 Peak Signal to Noise Ratio ( PSNR ) 44 2.4.2 Tỉ lệ nén 45... phƣơng pháp phân chia cây tứ phân 2.2.2.1 Quá trình mã hóa theo phƣơng pháp phân chia cây tứ phân Hình 2-2 Một phân chia cây tứ phân là một đại diện của một ảnh Trong nén ảnh theo phương pháp phân mảnh, một ảnh được chia thành một tập R gồm các range block vuông kích thước n x n không chồng lấn lên nhau Một tập D khác bao gồm các domain block vuông có kích thước 2n x 2n Đối với mỗi Ri ∈ R, phương pháp nén. .. lớn Do đó, cách phân chia ảnh sao cho giảm số lượng phép so sánh nhưng vẫn giữ được chất lượng ảnh sau khi khôi phục đóng vai trò rất quan trọng trong nén ảnh theo phương pháp Fractal Có rất nhiều cách phân chia ảnh rất tốt Trong khuôn khổ đồ án này, em sử dụng phương pháp lược đồ cây tứ phân( quadtree partition) Trong phương pháp này thì một block vuông lớn hơn kích thước nhỏ nhất trong ảnh sẽ được chia... sắc của mỗi điểm ảnh được ghi nhận lại Kết quả cần nén sẽ được chuyển thành một tập tin có kích thước nhỏ hơn rất nhiều vì chỉ gồm các thông tin màu sắc Phương pháp này thích hợp cho các ảnh có khối cùng tông màu lớn cũng như các ảnh phối màu 1.3 Ứng dụng của công nghệ nén ảnh theo phƣơng pháp phân mảnh Nén ảnh phân mảnh được sử dụng nhiều trong ứng dụng thương mại Năm 1992, Iterated Systems Inc thu... lượng ảnh nén quá kém so với ảnh ban đầu Đây là trường hợp của các phương pháp nén mất thông tin ví dụ chuẩn nén JPEG Các nghiên cứu lý thuyết cho thấy, để đạt một tỷ lệ nén hiệu quả (kích thước dữ liệu nén giảm so với ban đầu ít nhất hàng trăm lần), phương pháp nén mất thông tin là bắt buộc Tuy nhiên một vấn đề đặt ra là làm thế nào có được một phương pháp nén kết hợp cả tính hiệu quả về tỷ lệ nén lẩn... Hình 1-4 Quét Zigzag 23 Hình 2-1 Ảnh xám Lenna 64x64 30 Hình 2-2 Một phân chia cây tứ phân là một đại diện của một ảnh 31 Hình 2-3 Thuật toán mã hóa ảnh xám theo phương pháp phân mảnh 33 Hình 2-4 Thuật toán giải mã ảnh xám theo phương pháp phân mảnh 36 Hình 2-5 Biểu diễn điểm ảnh trên màn hình 40 Hình 2-6 Định dạng 4:4:4 42 Hình 2-7 Định dạng 4:2:2... = 20 74 Bảng 4-4 Bảng so sánh hiệu suất thực thi phương pháp của Fisher trên FPGA và DSP 78 Bảng 4-5 Bảng kết quả thực thi nén theo phương pháp phân mảnh 79 Bảng 4-6 Bảng so sánh hiệu suất thực thi nén theo phương pháp phân mảnh và JPEG 80 Đặng Thị Xuân – ĐTVT_KSTN_K52 Trang 11 Đồ án tốt nghiệp BẢNG CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Thuật ngữ 1 IFS 2 JPEG Joint Photographic Experts Group... ảnh và âm thanh khổng lồ Đứng trước bài toán này, khoa học máy tính đã giải quyết bằng những cải tiến vượt bậc cả về phần cứng lẩn phần mềm Tất cả các cải tiến đó dựa trên ý tưởng nén thông tin hình ảnh trùng lặp Tuy nhiên cho đến gần đây, các phương pháp nén thông tin hình ảnh đều có 1 trong 2 yếu điểm sau: - Cho tỉ lệ nén không cao Đây là trường hợp của các phương pháp nén không mất thông tin - Cho. .. hoặc cao hơn Ngoài phương pháp nén ảnh Fractal của Barnsley, còn có một phương pháp khác cũng đang được phát triển Phương pháp đó do F.H.Preston, A.F.Lehar, R.J.Stevens đưa ra dựa trên Đặng Thị Xuân – ĐTVT_KSTN_K52 Trang 15 Đồ án tốt nghiệp tính chất của đường cong Hilbert Ý tưởng cơ sở của phương pháp là sự biến đổi thông tin n chiều về thông tin một chiều với sai số cực tiểu Ảnh cần nén có thể xem là . bắt kĩ thuật công nghệ mới, em đã thực hiện đề tài: Nghiên cứu về phương pháp trong phân mảnh Fractal Image Coding áp dụng cho kỹ thuật nén ảnh ồ án trình bày tổng quan về một số kĩ thuật nén. 2.2.3 Giải mã theo phương pháp phân chia cây tứ phân 35 2.2.4 Phương pháp nâng cao tốc độ trong mã hóa ảnh theo phương pháp phân mảnh 37 2.3 Nén ảnh màu theo phương pháp phân mảnh 38 2.3.1 RGB. tổng quan về công nghệ nén ảnh theo phương pháp phân mảnh, ứng dụng và các chuẩn nén khác.  Chƣơng 2: Nén ảnh theo phƣơng pháp phân mảnh Giới thiệu cơ sở toán học của công nghệ nén ảnh Fractal,