Tìm hiểu các phương pháp nén ảnh và ứng dụng biến đổi wavelet trong thông tin di động

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU THUẬT NGỮ TIẾNG ANH .4 DANH MỤC CÁC HÌNH CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NÉN ẢNH 1.1 Giới thiệu ảnh số xử lý ảnh số: 1.1.1 Ảnh số: 1.1.2 Xử lý ảnh số: .7 1.2 Mục đích cần thiết nén ảnh: .8 1.3 Các khái niệm bản: 1.4 Cách phân loại phương pháp nén ảnh: .10 1.4.1 Cách phân loại dựa vào nguyên lý nén: .10 1.4.2 Cách phân loại dựa vào cách thức thực nén: 10 1.4.3 Cách phân loại dựa vào lý thuyết mã hoá: 11 1.4.4 Quá trình nén giải nén: 11 Chương 12 CÁC PHƯƠNG PHÁP NÉN ẢNH 12 2.1 Phương pháp mã hoá độ dài loạt RLE: 12 2.1.1 Nguyên tắc: 12 2.1.2 Thuật toán: 14 2.1.3 Một số thủ tục chương trình: .14 2.2 Phương pháp mã hoá Huffman: .18 2.2.1 Nguyên tắc: 18 2.2.2 Thuật toán: 18 `2.2.3 Một số thủ tục chương trình: 21 2.3 Phương pháp mã hoá LZW: 23 2.3.1 Nguyên tắc: .23 2.3.2 Thuật toán: .26 2.3.3 Một số thủ tục chương trình: 28 2.4 Phương pháp mã hoá JPEG: 30 2.4.1 Nguyên tắc: .30 2.4.3 Một số thủ tục chương trình: 38 Chương 42 BIẾN ĐỔI WAVELET VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG .42 3.1 Biến đổi wavelet .42 3.2 Giới thiệu số họ Wavelet 45 3.2.1 Biến đổi Wavelet Haar 45 3.2.2 Biến đổi Wavelet Meyer 46 3.2.3 Biến đổi Wavelet Daubechies 46 3.3 Một số ứng dụng bật Wavelet 47 3.3.1 Nén tín hiệu .47 3.3.2 Khử nhiễu 47 3.3.3 Mã hoá nguồn mã hoá kênh 48 3.4 Chuẩn nén ảnh tĩnh dựa biến đổi Wavelet-JPEG2000 .48 3.4.1 Lịch sử đời phát triển chuẩn JPEG2000 48 3.4.2 Các tính JPEG2000 48 3.4.3 Các bước thực nén ảnh theo chuẩn JPEG2000 49 3.4.4 So sánh chuẩn JPEG2000 với JPEG chuẩn nén ảnh tĩnh khác 55 3.4.5 Ứng dụng Wavelet thông tin di động 58 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với phát triển không ngừng khoa học công nghệ máy tính đóng vai trò ngày quan trọng thiếu sống xã hội loài người Việc trao đổi thông tin người tất ngành, lĩnh vực đời sống ngày trở nên cần thiết với đời phát triển mạng Internet Xử lý ảnh ngành khoa học tương đối mẻ so với nhiều ngành khoa học khác tập trung nghiên cứu phát triển ứng dụng thực tiễn nhiều ngành, lĩnh vực khác Trong “Nén ảnh” phần xử lý ảnh có ứng dụng to lớn truyền thông lưu trữ, có nhiều phương pháp nén ảnh đời không ngừng cải tiến để ngày hoàn thiện đem lại hiệu nén cao cho chất lượng ảnh tốt Trong đồ án tốt nghiệp “Tìm Hiểu Các Phương Pháp Nén Ảnh Và Ứng Dụng Biến Đổi Wavelet Trong Thông Tin Di Động” hướng dẫn cô giáo NGÔ THÚY NGÂN em nghiên cứu số phương pháp nén ảnh phổ biến như: mã loạt dài RLE, HUFFMAN, LZW, JPEG phương pháp nén ảnh JPEG2000 dựa biến đổi Wavelet với đặc tính vượt trội so với chuẩn nén trước đem lại hiệu nén cao, cho ảnh nén chất lượng tốt nhiều ưu điểm khác mà chuẩn nén trước có Nội dung đồ án bao gồm chương sau: - Chương 1: Tổng quan nén ảnh - Chương 2: Các phương pháp nén ảnh - Chương 3: Biến đổi Wavelet ứng dụng thông tin di động THUẬT NGỮ TIẾNG ANH CWT Biến đổi Wavelet liên tục (Continuous Wavelet Transform) DCT Biến đổi Cosine rời rạc (Discrete Cosine Transform) DFT Biến đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transform) DPCM Điều xung mã vi sai (Differized Pulse Code Modulation) DWT Biến đổi Wavelet rời rạc (Discrete Wavelet Transform) EZW Wavelet zero (Embedded Zerotree Wavelet) HVS Hệ thống cảm nhận hình ảnh mắt người (Human Visual System) IDWT Biến đổi Wavelet rời rạc ngược JPEG Chuẩn nén ảnh ủy ban JPEG quốc tế (Joint Photographic Experts Group) JPEG2000 Chuẩn nén ảnh JPEG2000 MRA Phân tích đa phân giải (Multi Resolution Analysis) MSE Sai số bình phương trung bình (Mean Square Error) PCM Điều xung mã(Pulse Code Modulation) PSNR Tỷ số tín hiệu đỉnh nhiễu (Peak Signal to Noise Ratio) QMF Lọc gương cầu tứ phương (Quardrature Mirror Filters) RLC Mã hoá loạt dài (Run Length Coding) ROI Kỹ thuật mã hóa ảnh theo vùng (Region Of Interest) – Một tính bật JPEG2000 SPIHT Phương pháp mã hoá phân cấp theo vùng (Set partitioning in hierarchical trees) STFT Biếnđổi Fourier thời gian ngắn (Short Time Fourier Transform) Wavelet Biến đổi băng Wavelet DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Cấu trúc từ điển .24 Bảng 2: So sánh JPEG JPEG2000 .56 Bảng 3: So sánh tính JPEG2000 với chuẩn nén ảnh tĩnh khác 58 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NÉN ẢNH 1.1 Giới thiệu ảnh số xử lý ảnh số: 1.1.1 Ảnh số: Ảnh biểu diễn dạng tín hiệu tương tự tín hiệu số Trong biểu diễn số ảnh đa mức xám, ảnh biểu diễn dạng ma trận hai chiều Mỗi phần tử ma trận biểu diễn cho mức xám hay cường độ ảnh vị trí Mỗi phần tử ma trận gọi phần tử ảnh, thông thường kí hiệu PEL (Picture Element) điểm ảnh (Pixel) - Với ảnh đa cấp xám: Nếu dùng bit (1 byte) để biểu diễn mức xám, số mức xám biểu diễn 28 hay 256 Mỗi mức xám biểu diễn dạng số nguyên nằm khoảng từ đến 255, với mức biểu diễn cho mức cường độ đen 255 biểu diễn cho mức cường độ sáng - Với ảnh màu: Cách biểu diễn tương tự với ảnh đen trắng, khác số phần tử ma trận biểu diễn cho ba màu riêng rẽ gồm: đỏ (red), lục (green) lam (blue) Để biểu diễn cho điểm ảnh màu cần 24 bit, 24 bit chia thành ba khoảng bit Mỗi khoảng biểu diễn cho cường độ sáng màu Hình 1.1 Biểu diễn mức xám ảnh số 1.1.2 Xử lý ảnh số: Xử lý ảnh khoa học tương đối so với nhiều ngành khoa học khác, quy mô công nghiệp Xử lý ảnh số có nhiều ứng dụng làm ảnh y học, khôi phục lại ảnh tác động khí thiên văn học, tăng cường độ phân giải ảnh truyền hình mà không cần thay đổi cấu trúc bên hệ thống chuyển tải, nén ảnh truyền xa lưu trữ Các giai đoạn xử lý ảnh mô tả hình sau: LƯU CAMERA SỐ THU NHẬN ẢNH PHÂN TÍCH ẢNH NHẬN DẠNG SENSOR LƯU TRỮ HỆ QUYẾT ĐỊNH Hình 2: Các giai đoạn xử lý ảnh 1.2 Mục đích cần thiết nén ảnh: Nén ảnh kỹ thuật mã hoá ảnh số hoá nhằm giảm số lượng bit liệu cần thiết để biểu diễn ảnh Mục đích giảm chi phí việc lưu trữ ảnh chi phí thời gian để truyền ảnh xa truyền thông đảm bảo chất lượng ảnh Nén ảnh thực thực tế: thông tin ảnh ngẫu nhiên mà có trật tự, tổ chức.Vì bóc tách tính trật tự, cấu trúc biết phần thông tin quan trọng ảnh để biểu diễn truyền với số lượng bit so với ảnh gốc mà đảm bảo tính đầy đủ thông tin Ở bên nhận trình giải mã tổ chức, xếp lại ảnh xấp xỉ gần xác so với ảnh gốc thỏa mãn chất lượng yêu cầu Dưới ví dụ lưu trữ ảnh số truyền xa với đường truyền 9600 baud (9600 bps) để thấy rõ cần thiết việc nén ảnh: • Ảnh đa cấp xám hay ảnh 256 màu có kích thước 800 x 600, bit/điểm ảnh, cần 3.840.000 bit lưu trữ 6.67 phút để truyền • Ảnh màu RGB (24 bit/điểm ảnh ) độ phân giải cần 10 triệu bit để lưu trữ 20 phút để truyền • Một phim âm có kích thước 24×36 mm (35mm) chia khoảng cách 12 mm, vào khoảng 3000×2000 điểm, bit/pixel, yêu cầu 48 triệu bit cho lưu giữ ảnh 83 phút để truyền Qua ví dụ ta thấy nhiều vấn đề việc lưu trữ truyền tải ảnh số hoá Nén ảnh có nhiều ứng dụng thực tế như: truyền văn đồ hoạ qua đường điện thoại (Fax), nén ảnh y tế truyền hình cáp Chính ứng dụng nhiều lĩnh vực nén ảnh với tiến lĩnh vực vi điện tử dẫn đến đời chuẩn nén ảnh Nén ảnh đạt cách loại bỏ phần dư thừa ảnh số hoá Dư thừa dư thừa thông tin không gian, dư thừa cấp xám hay dư thừa thời gian: • Dư thừa thông tin không gian: ảnh tồn tương quan điểm ảnh cạnh • Dư thừa thông tin cấp xám: dư thừa dựa vào tương quan màu sắc cạnh • Dư thừa thông tin thời gian: Trong chuỗi ảnh video, tồn tương quan điểm ảnh frame khác 1.3 Các khái niệm bản: • 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 hoá ảnh Như ảnh tập hợp pixel Mỗi pixel gồm cặp toạ độ x, y màu Cặp toạ độ x,y tạo nên độ phân giải (resolution) Màn hình máy tính có nhiều loại với độ phân giải khác nhau: 320 x 200, 640x350, 800x600, 1024x768,… • Mức xám (Graylevel) Mức xám kết mã hoá tương ứng cường độ sáng điểm ảnh với giá trị số – kết trình lượng hoá • Dữ liệu Trong toán, liệu bao gồm tập phần tử sở mà ta gọi liệu nguyên tử Nó chữ số, ký tự, số, từ, điều phụ thuộc vào toán • Nén liệu Nén liệu trình giảm dung lượng thông tin “dư thừa” liệu gốc làm cho lượng thông tin thu sau nén thường nhỏ liệu gốc nhiều Do vậy, tiết kiệm nhớ giảm thời gian trao đổi liệu mạng thông tin mà lại cho phép khôi phục lại liệu ban đầu • Tỷ lệ nén Tỷ lệ nén đặc trưng quan trọng phương pháp nén Tỷ lệ nén định nghĩa sau: Tỷ lệ nén = 1/r*% với r tỷ số nén định nghĩa: r = kích thước liệu gốc / kích thước liệu nén Như hiệu suất nén = (1- tỷ lệ nén)*100% Đối vơi ảnh tĩnh, kích thước số bit biểu diễn toàn ảnh Đối với ảnh video, kích thước số bit để biểu diễn khung hình video (video frame) 1.4 Cách phân loại phương pháp nén ảnh: 1.4.1 Cách phân loại dựa vào nguyên lý nén: Nén bảo toàn thông tin (losses compression): bao gồm phương pháp nén mà sau giải nén thu đựơc xác liệu gốc Tuy nhiên nén bảo toàn thông tin đạt hiệu nhỏ so với phương pháp nén không bảo toàn thông tin Nén không bảo toàn thông tin (lossy compression): bao gồm phương pháp nén sau giải nén không thu liệu gốc Các phương pháp gọi “tâm lý thị giác” lợi dụng tính chất mắt người chấp nhận số vặn xoắn ảnh khôi phục lại Phương pháp đem lại hiệu cao loại bỏ thông tin dư thừa không cần thiết 1.4.2 Cách phân loại dựa vào cách thức thực nén: Phương pháp không gian (Spatial Data Compression): phương pháp thực nén cách tác động trực tiếp lên việc lấy mẫu ảnh miền không gian Phương pháp sử dụng biến đổi (Transform Coding): gồm phương pháp tác động lên biến đổi ảnh gốc không tác động trực tiếp phép biến đổi Wavelet Các hệ số tạo ảnh biến đổi C Phép biến đổi viết dạng toán tử sau: C=T(p) Trong phương pháp truyền dẫn luỹ tiến với ảnh mã hoá bắt đầu trình khôi phục (giải nén) ảnh cách đặt giá trị ảnh khôi phục từ hệ số biến đổi Sử dụng giá trị giải mã hệ số biến đổi để tạo ảnh khôi phục (vẫn chưa áp dụng biến đổi ngược Wavelet) sau áp dụng biến đổi ngược Wavelet để tạo ảnh cuối Chúng ta viết dạng toán tử sau: Nguyên tắc quan trọng phương pháp truyền dẫn ảnh theo kiểu luỹ tiến phương pháp truyền giá trị mang thông tin quan trọng ảnh trước Sở dĩ làm thông tin thông tin làm giảm thiểu nhiều độ méo dạng ảnh (sự sai khác ảnh gốc ảnh khôi phục) Đây lý phương pháp SPIHT truyền hệ số lớn trước nguyên tắc quan trọng phương pháp Một nguyên tắc bít có trọng số lớn mang thông tin quan trọng liệu nhị phân Phương pháp SPIHT sử dụng hai nguyên tắc này; xếp hệ số biến đổi truyền bít có trọng số lớn Quá trình giải mã dừng lại bước ứng với giá trị ảnh cần mã hoá yêu cầu Đây cách mà phương pháp mã hoá SPIHT làm tổn thất thông tin g Phương pháp mã hoá EZW Phương pháp mã hoá EZW (Embedded Zerotree Wavelet Encoder) dựa sở phép mã hoá luỹ tiến (progressive coding) giống phương pháp mã hoá SPIHT Phương pháp chủ yếu dựa khái niệm zero (zerotree) Về bản, thuật toán dựa hainguyên tắc trình bày phần phương pháp mã hoá SPIHT Sau xem xét khái niệm thuật toán: Cây tứ phân: Sau áp dụng biến đổi Wavelet ứng với mức phân giải khác biểu diễn hệ số biến đổi dạng Ta thấy với biểu diễn nút cha có nút Sở dĩ có điều trình biến đổi Wavelet tỷ lệ khác Ta gọi tứ phân (quadtree) Sơ đồ tứ phân minh hoạ hình 3.8 Hình 3.8: Minh hoạ tứ phân (a) phân mức (b) Cây zero (zerotree): Cây zero tứ phân, tất nút nhỏ nút gốc Một mã hoá mã hoá đối tượng giải mã cho tất giá trị không Ngoài để mã hoá hệ số Wavelet trường hợp này, giá trị nút gốc phải nhỏ giá trị ngưỡng xem xét ứng với hệ số Wavelet Sau có đủ khái niệm cần thiết tứ phân zero, trình bày nguyên lý hoạt động thuật toán Thuật toán mã hoá hệ số theo thứ tự giảm dần Chúng ta dùng giá trị gọi ngưỡng (threshold) sử dụng ngưỡng để tiến hành mã hoá hệ số biến đổi Các hệ số mã hoá theo thứ tự từ vùng tần số thấp đến vùng tần số cao Và hệ số có giá trị tuyệt đối lớn ngưỡng mã hoá Tiếp theo giảm ngưỡng tiếp tục làm ngưỡng đạt tới giá trị nhỏ giá trị hệ số nhỏ Cách giảm giá trị ngưỡng thực tương đối đặc biệt,giá trị ngưỡng giảm xuống nửa so với trước Bộ giải mã phảibiết mức ngưỡng giải mã ảnh thành công Nhưng ta từ nút cha đến nút tứ phân có nút Vậy ta phải theo nhánh có nút trước Hay nói cách đầy đủ ta di chuyển từ hệ số đến hệ số khác theo thứ tự Có nhiều cách di chuyển khác nhau, nhiên hai cách di chuyển hình 3.9 sử dụng nhiều Hình 3.9: Hai cách xếp thứ tự hệ số biến đổi Việc xếp phải quy ước thống trình mã hoá trình giải mã để việc giải mã ảnh thành công Trên nguyên lý phương pháp mã hoá EZW Chi tiết thuật toán mã hoá xem phần chương trình Hiện phương pháp mã hoá áp dụng ngày nhiều nén ảnh động Phương pháp cho tỉ lệ nén độ tin cậy giải mã cao Ngoài phương pháp EZW dễ triển khai máy tính phương pháp không yêu cầu việc lập trình phức tạp 3.4.4 So sánh chuẩn JPEG2000 với JPEG chuẩn nén ảnh tĩnh khác Một tính quan trọng ưu điểm rõ nét JPEG2000 so với JPEG chuẩn nén ảnh khác MPEG VTC hay JPEG - LS JPEG2000 đưa hai kỹ thuật nén có tổn thất không tổn thất theo chế mã hoá nghĩa JPEG2000 thực tất dạng thức JPEG chế mã hoá Nếu xét tồn hai kỹ thuật JPEG có khả nén ảnh có tổn thất không tổn thất thông tin Tuy nhiên với JPEG chế mã hoá với hai dạng khác khó để sử dụng hai dạng lúc cho ứng dụng Do đó, thấy JPEG có tính mềm dẻo chuẩn nén ảnh tĩnh trước Hơn thế, thấy tất phương pháp thiết kế cho chuẩn JPEG2000 ưu việt có nhiều tính so với JPEG; thống kê thực tế cho thấy với tỷ lệ nén loại ảnh ảnh nén JPEG2000 có chất lượng tốt so với JPEG Chúng ta xem xét hai ảnh hình 3.10 để thấy rõ điều này, ảnh bên trái nén theo JPEG ảnh bên phải nén theo JPEG2000 Hình 3.10: So sánh JPEG JPEG2000 Tính ưu việt thứ hai JPEG2000 so với JPEG dạng thức nén có tổn thất thông tin, JPEG2000 đưa tỷ lệ nén cao nhiều so với JPEG Các phần mềm nén ảnh JPEG (kể Photoshop) thiết kế để nén tới tỷ lệ 40:1 với JPEG2000 tỷ lệ nén lên tới 200:1 Theo công thức tính PSNR đơn vị dB, có: (b số bít dùng biểu diễn pixel ảnh gốc) Với hai ảnh hình 3.10, so sánh tham số PSNR cho bảng Để so sánh dễ dàng hơn, ta xét ảnh nén với tỷ lệ khác (đo lường hệ số bít/pixel hay bpp) Tất số liệu bảng cho thấy JPEG2000 nén ảnh tốt JPEG; hệ số PSNR mà xét bảng đo hệ đơn vị logarit Bảng 2: So sánh JPEG JPEG2000 Bit per pixel 0.125 0.50 2.00 Ảnh theo JPEG Ảnh theo JPEG2000 Ảnh theo JPEG Ảnh theo JPEG2000 24.42 28.12 22.6 24.85 31.17 32.95 28.92 31.13 35.15 37.35 35.99 38.80 Tính ưu việt thứ JPEG2000 so với JPEG chuẩn nén ảnh hiển thị ảnh với độ phân giải kích thước khác từ ảnh nén Với JPEG điều thực Sở dĩ có điều JPEG2000 sử dụng kỹ thuật phân giải ảnh mã hoá đính kèm mà nói tới phần mã hoá ảnh theo JPEG2000 Tính lợi đặc biệt quan trọng JPEG2000, JPEG chuẩn nén ảnh tĩnh trước phải nén nhiều lần để thu chất lượng với lần nén khác với JPEG2000 ta cần nén lần chất lượng ảnh định tuỳ theo người sử dụng trình giải nén ảnh theo JPEG2000 Một tính ưu việt JPEG2000 tính mã hoá ảnh quan trọng theo vùng (ROI - Region of Interest) mà đề cập phần mã hoá ảnh theo JPEG2000 Chất lượng toàn ảnh thấy rõ hình 3.11 Hình 3.11: Minh hoạ tính ROI Như thấy hình 3.11, chất lượng vùng ảnh lựa chọn tăng cao vùng áp dụng phương pháp nén ảnh ROI JPEG2000 có khả đặc biệt ưu việt so với JPEG, khả vượt trội khôi phục lỗi Đó ảnh truyền mạng viễn thông thông tin bị nhiễu; với chuẩn nén ảnh JPEG nhiễu thu vào hiển thị, nhiên với JPEG2000, đặc trưng phép mã hoá chống lỗi, JPEG2000 giảm thiểu lỗi tới mức Sau xem xét tính vượt trội JPEG2000 so với JPEG (chuẩn nén ảnh thông dụng nay) so sánh chức JPEG2000 với số chuẩn nén ảnh JPEG - LS; PNG; MPEG VTC qua bảng 4.2 (Dấu + biểu thị chuẩn có chức tương ứng, số dấu + nhiều chuẩn thực chức tương ứng tốt) dấu - biểu thị chuẩn tương ứng không hỗ trợ tính đó) Bảng 3: So sánh tính JPEG2000 với chuẩn nén ảnh tĩnh khác JPEG200 Khả nén ảnh không tổn thất Khả nén ảnh có tổn thất Khả luỹ tiến khôi phục ảnh Kỹ thuật mã hoá theo vùng ROI Khả tương tác với vật thể có hình dạng Khả truy nhập ngẫu nhiên dòng bít ảnh nén Tính đơn giản Khả khôi phục lỗi Khả thay đổi tỷ lệ nén Tính mềm dẻo (khả nén nhiều loại ảnh khác nhau) JPEG MPEG -4 VTC PNG ++++ + - +++ +++++ + +++ ++++ - +++++ - ++ +++ + +++ - - + - - - - ++ - ++ - - - - ++ +++ +++ +++++ ++ - +++++ ++ - + +++ + +++ + - +++ +++ ++ +++ +++ +++ JPEG LS Từ bảng thấy tính vượt trội khảnăng ưu việt JPEG2000 so với chuẩn nén ảnh tĩnh trước 3.4.5 Ứng dụng Wavelet thông tin di động a Nén ảnh Wavelet Trong chương trước thấy ưu điểm Wavelet ứng dụng nén ảnh tĩnh Chương xin đưa giải pháp vừa sử dụng biến đổi Wavelet để khai thác khả nén cao, chất lượng hình ảnh đảm bảo (kỹ thuật nén ảnh Wavelet thông thường) mà phù hợp với môi trường thông tin di động có băng thông hẹp, tốc độ bít thấp thường xuyên bị nhiễu kênh, hiệu ứng fading Một cách tiếp cận đáp ứng yêu cầu là: kỹ thuật nén ảnh Wavelet hiệu với hai đặc tính quan trọng thuật toán: (i) giảm thiểu lượng tính toán để thực nén ảnh (ii) giảm thiểu lượng truyền thông cho ứng dụng đa phương tiện mạng di động mà đảm bảo chất lượng ảnh Chi tiết kỹ thuật trình bầy phần Hình 3.12: Sơ đồ khối trình nén ảnh Wavelet Hình 3.12 sơ đồ khái quát trình nén ảnh (mã hoá nguồn) Quá trình sau: ảnh mẫu đưa qua phép biến đổi để tạo thành tập hệ số biến đổi Các hệ số tiếp tục lượng tử hoá (chia cho giá trị cố định cho trước) để giảm dung lượng liệu Đầu bước luồng số nguyên mà số tương ứng với số nhị phân lượng tử hoá Bước cuối mã hoá: luồng liệu chuyển thành chuỗi từ mã nhị phân (binary symbol) theo cách: từ mã nhị phân có độ dài ngắn mã hoá cho số nguyên có xác suất xuất cao Điều làm giảm số bít cần truyền.Các nguyên lý mã hoá là: Huffman RLC (mã chạy dài) Có nhiều thuật toán sử dụng cho nén ảnh như: dựa theo phép biến đổi, lượng tự hoá véctơ mã hoá băng Việc lựa chọn thuật toán truyền thông đa phương tiện di động không phụ thuộc vào tỉ số nén đạt được, chất lượng ảnh khôi phục mà liên quan đến lượng tiêu hao khả trống lại lỗi bít cao Gần nhóm JPEG phát triển chuẩn nén ảnh dựa biến đổi Wavelet gọi JPEG2000 với nhiều ưu điểm Tuy nhiên thống kê cho thấy bước biến đổi Wavelet trình nén tiêu tốn 60% thời gian CPU Như tối ưu đặc điểm thuật toán bước biến đổi lượng hiệu suất nén cải thiện đáng kể Do ta tập trung vào tối ưu lượng tiêu hao bước biến đổi b Biến đổi Wavelet Phép biến đổi Wavelet thuận sử dụng phân ly 1D (một chiều) để chuyển tập mẫu 1D thành hai băng: băng thông thấp (Li) băng thông cao (Hi) Băng Li phiên có độ phân giải thấp ảnh gốc lấy mẫu xuống (downsampled), băng Hi biểu thị thông tin dư thừa ảnh gốc (chỉ cần thiết cần khôi phục hoàn toàn ảnh gốc từ băng thông thấp) Quá trình phân ly băng 2D mở rộng trình phân ly băng 1D Toàn trình thực trình phân ly 1D hai lần: theo hàng, theo cột Theo cách này, băng thông thấp Li tạo thành phân ly theo hàng lại tiếp tục phân ly theo cột tạo thành băng LLi LHi Tương tự vậy, băng Hi tiếp tục phân ly thành HLi HHi Sau mức biến đổi đầu tiên, ảnh tiếp tục phân ly cách áp dụng trình phân ly 2D cho băng LLi Như ảnh biến đổi nhiều mức Hình 3.13 minh hoạ trình phân ly ảnh mức Hình 3.13: (a) Biến đổi Wavelet 2D mức (b) Minh hoạ ảnh “CASTLE” d Tính toán lượng tiêu hao Để thực biến đổi Wavelet cần chọn lọc cho Ở ta chọn lọc có cặp Daubechies 5-tap / 3-tap ưu điểm sau nó: • Kết sau lọc Wavelet có chứa thông tin điểm ảnh lân cận loại bỏ hiệu ứng khối mà biến đổi DCT gặp phải • Có tính chất đối xứng định vị cho phép dễ dàng phát đường viền, tính toán nhanh, ảnh nén có chất lượng cao • Dễ dàng thực phần cứng gồm cộng dịch nhị phân (không phải ghép kênh chia) (thực tế chọn nhiều cặp lọc khác cho biến đổi Wavelet, lựa chọn cặp Daubechies 5-tap/ 3-tap mục mục sau mang tính chất cục bộ, kết cuối không tính tổng quan) Phương trình lọc Daubechies 5tap/3-tap là: (3.15) Để xác định hiệu thuật toán, sử dụng ma trận không phụ thuộc vào việc thực thuật toán Chúng ta phân tích hiệu cách xác định số lần phép toán thực đầu vào cho trước, tiếp xác định định lượng hoạt động chuyển mạch lương tiêu hao Lấy ví dụ, phép phân ly Wavelet thuận sử dụng lọc trên, cần phép toán cộng - A(Add) dịch - S(Shift) để chuyển điểm ảnh mẫu thành hệ số thông thấp Tương tự vậy, phân ly thông cao cần phép toán dịch phép toán cộng Chúng ta lập mô hình tiêu hao lượng phân ly thông thấp/cao cách đếm số phép toán xem chúng tải tính toán (computational load) Như có 8*S (phép dịch) + 8*A (phép cộng) tải tính toán cần cho điểm ảnh trình phân ly thông thấp 2S + 4A phép toán cho thông cao Với ảnh đầu vào cho trước kích thước M x N trình phân ly áp dụng với L mức biến đổi, đánh giá tổng tải tính toán sau: Giả sử trước tiên áp dụng trình phân ly theo chiều ngang Nhưng tất điểm ảnh vị trí chẵn phân ly thành hệ số thông thấp điểm ảnh vị trí lẻ phân ly thành hệ số thông cao, tổng tải tính toán trình phân ly chiều ngang 1/2MN(10S+12A) Lượng tải tính toán trình phân ly theo chiều dọc dễ nhận Do kích thước ảnh giảm theo hệ số sau mức biến đổi, tổng tải tính toán có thê biểu diễn công thức sau: Tải tính toán với biến đổi Wavelet thường – : Ngoài phép toán số học, bước biến đổi bao gồm số lượng lớn lần truy nhập nhớ Do lượng tiêu hao lần truyền liệu nội ngoại hệ thống đáng kể, ước lượng tải truy nhập liệu (data-acces load) cách đếm tổng số lần truy nhập nhớ trình thực biến đổi Wavelet Tại mức biến đổi, điểm ảnh đọc hai lần ghi hai lần Do vậy, với điều kiền phương pháp đánh trên, tổng tải truy nhập liệu rút số toán tử đọc ghi” Tải truy nhập liệu với biến đổi Wavelet thường: (3.16) Năng lượng tính toán tổng tính tổng trọng số tải tính toán tải truy nhập liệu Từ kết tiến hành thực nghiệm, ta thấy thực phép cộng tiêu tốn lượng gấp đôi so với thực phép dịch lượng tiêu tốn cho tải truy nhập liệu gấp 2.7 lần tải tính toán Chúng ta ước lượng lượng truyền thông C*R, C kích thước ảnh nén (tính bít) R tổn hao lượng để truyền bít phát RF Như ta phân tích biên độ nguồn gốc tổn hao lượng biến đổi Wavelet, trình bầy kỹ thuật để tối thiểu lượng tiêu hao lượng truyền thông yêu cầu cho việc nén ảnh Wavelet truyền vô tuyến e Thuật toán nén ảnh Wavelet hiệu – EEW Trong phần này, trình bầy thuật toán EEW (Effective Energy Wavelet) - thuật toán biến đổi Wavelet mà mục đích tiết kiệm lượng chất lượng ảnh bị ảnh hưởng EEW khai thác phân bố số học hệ số thông cao để khéo léo loại bỏ số lượng lớn mẫu trình nén ảnh Hình 3.14 minh hoạ phân bố hệ số thông cao (high-pass coefficients) sau áp dụng biến đổi Wavelet hai mức cho ảnh mẫu Lena kích thước 512 x 512 Chúng ta quan sát thấy hệ số thông cao thường biểu diễn giá trị số nguyên nhỏ Lấy ví dụ, 80% hệ số thông cao mức (level 1) không vượt Chính phân bố số học hệ số thông cao ảnh hưởng bước lượng tử hoá hệ số có giá trị nhỏ, làm tròn hệ số thông cao (và loại bỏ phép toán liên quan đến chúng) suy hao chất lượng ảnh mức nhỏ Cách tiếp cận có hai ưu điểm Thứ nhất, hệ số thông cao không cần phải tính toán, EEW làm giảm lượng tính toán tiêu hao trình nén ảnh Wavelet cách giảm số lượng phép toán thực Thứ hai, mã hoá giải mả kỹ thuật làm tròn (ước lượng), thông tin yêu cầu truyền qua kênh vô tuyến, giảm lượng tiêu hao cần có Hình 5.14: Phân bố số học hệ số thông cao sau phép biến đổi Wavelet mức Sử dụng kỹ thuật ước lượng xây dựng thuật toán gồm hai kỹ thuật hạn chế tiêu hao lượng: hạn chế tính toán truyền thông cho hệ số thông cao: Kỹ thuật loại bỏ băng ý nghĩa Trong số băng ta thấy băng đường chéo (HHi) ý nghĩa (xem hình 3.14), ứng cử viên sáng giá để loại bỏ bước biến đổi Wavelet Chúng ta gọi kỹ thuật kỹ thuật “loại bỏ HH” Ở kỹ thuật thứ 2, băng có ý nghĩa (chứa thông tin độ phân giải thấp, LLi) giữ lại băng thông cao khác (LHi, HLi HHi) loại bỏ Chúng ta gọi kỹ thuật kỹ thuật “loại bỏ H*” (tất băng thông cao bị loại bỏ bước biến đổi) Tiếp theo trình bầy chi tiết kỹ thuật loại bỏ HH H* so sánh hiệu hai kỹ thuật với thuật toán sử dụng Wavelet nguyên (được xem thuật toán biến đổi Wavelet không loại bỏ thông tin f Hiệu kỹ thuật loại bỏ Để thực kỹ thuật loại bỏ HH H* (EEW), thay đổi phép biến đổi Wavelet mô tả hình 3.15 Như giải thích trình biến đổi Wavelet, ảnh đầu vào thực phép biến đổi theo hàng đến cột phân ly ảnh thành bốn băng (LL, LH, HL, HH) Tuy nhiên, để thực kỹ thuật loại bỏ HH, sau thực biến đổi theo hàng, hệ số thông cao đưa vào lọc thông thấp mà không đưa vào lọc thông cao bước biến đổi theo cột (trong hình 3.15 bên , ký hiệu hình có bóng sáng) Cách làm loại bỏ băng đường chéo HH Còn để thực kỹ thuật loại bỏ H*, ảnh đầu vào xử lý cho qua lọc thông thấp trình thực biến đổi hàng cột Và loại bỏ tất bước phân ly thông cao trình biến đổi Hình 3.15: Dữ liệu sau phép biến đổi Wavelet với hai kỹ thuật loại bỏ HH H* Để ước lượng hiệu kỹ thuật EEW trên, tiến hành tính tải tính toán tải truy nhập liệu theo phương pháp đề cập Chúng ta giả thiết rằng, kỹ thuật tính toán áp dụng E mức biến đổi tổng số L mức Lý ưu điểm hệ số thông cao thực loại bỏ ý nghĩa mức biến đổi thấp Trong kỹ thuật loại bỏ HH, tải tính toán trình thực biến đổi theo hàng với thuật toán Wavelet thường Tuy nhiên, trình thực biến đổi theo cột băng thông cao kết từ phép biến đổi theo dòng trước, băng HH không tính Kết làm tiết kiệm 1/4MN(4A+2S) phép toán cho tải tính toán ( nghĩa tiết kiệm 7.4% so với thuật toán Wavelet thường) Và thế, tổng tải tính toán tính sau: (3.17) Bởi băng thông cao sau phép biến đổi theo hàng vần cần để tính băng HL phép biến đổi theo cột nên tiết kiệm số lần “đọc” kỹ thuật loại bỏ HH Tuy nhiên, tiết kiệm 1/4 lần “ghi” (tiết kiệm 25%) trình thực phép biến đổi theo cột Do kết băng HH gán trước trước trình biến đổi thực Do vậy, tổng tải truy cập liệu tính: (3.18) Kỹ thuật loại bỏ H* cho kết đáng kể việc tiết kiệm lượng tính toán có tổng số băng loại bỏ KẾT LUẬN Đồ án trình bày khái niệm quan trọng cần thiết kỹ thuật nén ảnh nói chung nguyên tắc, sở lý thuyết, thuật toán số phương pháp nén ảnh phổ biến như: mã loạt dài RLE, HUFFMAN, LZW, JPEG, JPEG2000.Trong trình bày phương pháp nén ánh JPEG2000 sử dụng biến đổi Wavelet để nén ảnh, phương pháp nén ảnh quan tâm phát triển tính bật so với phương pháp khác Phương pháp không cho hiệu suất nén cao, chất lượng ảnh bảo đảm so với phương pháp nén RLE, HUFFMAN, LZW, JPEG mà tính riêng biệt sư dụng biến đổi Wavelet để nén ảnh : nén ảnh theo vùng (ROI), ảnh vùng đối tượng có tỷ lệ nén khác nhau, nén ảnh lần giải nén ảnh với chất lượng ảnh kích thước ảnh khác tuỳ theo yêu cầu người sử dụng Các phương pháp nén trình bày đồ án phương pháp sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực đặc biệt truyền thông cho ảnh mạng đảm bảo tốc độ, thời gian chất lượng liệu truyền Hướng phát triển đồ án • Đồ án đề cập đến phương pháp nén ảnh tĩnh mà chưa ứng dụng chúng cho âm thanh, video, đặc biệt biến đổi Wavelet chuẩn JPEG2000 việc sâu nghiên cứu tìm hiểu họ Wavelet cần thiết • Nghiên cứu thêm giải thuật SPIHT, EZW ứng dụng chúng • Các phương pháp nén trình bày đồ án đời từ nhiều năm trước cần nghiên cứu cải tiến phuơng pháp để nâng cao hiệu nén Các tài liệu tham khảo: [1] PGS.Nguyễn Thanh Thuỷ, Ths.Lương Mạnh Bá, Nhập môn xử lý ảnh số [2] Võ Đức Khánh (2003),Giáo trình xử lý ảnh , Nxb Thống kê, Hà Nội [3] D.Huffman , A method for the contruction of minimum –redundancy codes, Proc IRE 40, 1098-1101 (1952) [4] Nguyễn Kim Sách (1997), Xử lý ảnh video số , Nxb Khoa học Kỹ thuật , Hà Nội [5] Michael David Adams - Faouzi Kossentini - Touraji Ebrahimi - “JPEG2000 : The Next Generation Still Image Compression Standard” (2000) [6] Website: http://www.JPEG.org/JPEG2000.html [7] Website: http://www.codeproject.com [...]...1.4.3 Cách phân loại dựa vào lý thuyết mã hoá: Các phương pháp nén thế hệ thứ nhất: gồm các phương pháp có mức độ tính toán đơn giản như lấy mẫu, gán từ mã, Các phương pháp nén thế hệ thứ hai: gồm các phương pháp dựa vào mức độ bão hoà của tỷ lệ nén bằng cách sử dụng các phép toán tổ hợp đầu ra một cách hợp lý hoặc sử dụng biểu di n ảnh như: phương pháp kim tự tháp Laplace, phương pháp dựa vào vùng... độ nén: nén mất mát thông tin và nén không tổn thất Do độ phức tạp và hiệu suất nén của JPEG không mất mát thông tin mà nó không được sử dụng phổ biến Dưới đây chỉ trình bày chi tiết về một trong các dạng nén biến đổi chấp nhận mất mát thông tin dùng biến đổi Cosin tuần tự (Sequential DTC- Based) của chuẩn JPEG 2.4.2 Thuật toán: Mã hoá JPEG bao gồm nhiều công đoạn, sơ đồ thuật toán nén và giải nén. .. giải nén để thu được dữ liệu gốc ban đầu.Việc giải nén này thường phải dựa vào các thông tin đi kém theo dữ liệu nén, tuỳ thuộc vào kiểu nén hay phương pháp nén mà dữ liệu giải nén được có hoàn toàn giống với dữ liệu gốc ban đầu hay không Tóm lại quá trình nén và giải nén dữ liệu có thể mô tả một cách tóm tắt theo sơ đồ dưới đây DỮ LIỆU QUÁ TRÌNH NÉN DỮ LIỆU QUÁ TRÌNH GIẢI Hình 1.3: Quá NÉNtrình nén và. .. GIẢI Hình 1.3: Quá NÉNtrình nén và giải nén Chương 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NÉN ẢNH 2.1 Phương pháp mã hoá độ dài loạt RLE: Mã hoá theo độ dài loạt RLE (Run Length Encoding) là một phương pháp nén ảnh dựa trên sự cắt bớt các dư thừa về không gian (một vài hình ảnh có vùng màu lớn không đổi đặc biệt đối với ảnh nhị phân) Loạt được định nghĩa là dãy các phần tử điểm ảnh (pixel) liên tiếp có cùng chung một giá... 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 pháp nén Kết quả thu được là hệ số đã lượng tử Căn cứ vào bảng lượng tử sẽ khôi phục lại giá trị trước khi lượng tử hoá của các hệ số này Cuối cùng là biến đổi Cosin ngược để thu lại được ảnh như ban... sử dụng phép biến đổi, nhiệm vụ của công đoạn này là tập trung năng lượng vào một số ít các hệ số biến đổi Công thức biến đổi cho mỗi khối là: Trong đó: khi k1=0 khi (0 ... nén ảnh - Chương 2: Các phương pháp nén ảnh - Chương 3: Biến đổi Wavelet ứng dụng thông tin di động THUẬT NGỮ TIẾNG ANH CWT Biến đổi Wavelet liên tục (Continuous Wavelet Transform) DCT Biến đổi. .. phát triển phép biến đổi Wavelet Biến đổi Daubechies phép biến đổi phức tạp biến đổi Wavelet Họ biến đổi ứng dụng rộng rãi, biến đổi Wavelet áp dụng JPEG2000 biến đổi họ biến đổi Wavelet Daubechies... sizeof(BYTE), Chương BIẾN ĐỔI WAVELET VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3.1 Biến đổi wavelet Tất biết biến đổi Fourier biến đổi áp dụng rộng rãi nhiều ngành khoa học kỹ thuật khác Biến đổi Fourier chuyển