Báo cáo Truyền thông Đa phương tiện Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ──────── * ─────── BÁO CÁO Môn học: Truyền thông đa phương tiện Đề tài Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG, khảo sát đánh giá thực nghiệm chất lượng ảnh JPEG trường hợp ứng dụng Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Hoàng Lan Sinh viên thực hiện: Nguyễn Xuân Thạo 20122461 Đoàn Anh Tuấn 20122668 Nguyễn Mạnh Cường 20121365 Lê Thị Hải Yến 20122839 Nguyễn Đình Phúc 20122233 Hà Nội, tháng 12 năm 2015 Mục Lục I TÌM HIỂU CHUNG VỀ CHUẨN JPEG VÀ CÁC LOẠI JPEG Tổng quan JPEG Có nhiều phương pháp nén ảnh, dựa nguyên tắc tìm “phần tử thừa” liệu mã hóa chúng theo nhiều mức độ khác Một công nghệ nén ảnh tương đối hiệu làm việc với ảnh kích cỡ lớn, nhiều màu công nghệ JPEG (Joint Photographic Experts Group) Tiêu chuẩn JPEG – Định dạng ảnh JPEG tiêu chuẩn nén ảnh phát triển Nhóm chuyên gia xử lý ảnh JPEG thành lập năm 1986 với hợp tác tổ chức ITU (International Telecommunication Union – Liên minh Viễn thông quốc tế), ISO (International Organization for Standardization – Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế) IEC (International Electrotechnical Commission - Ủy ban Kỹ thuật điện tử quốc tế), tiêu chuẩn đặt tên nhóm JPEG Kỹ thuật đạt hệ số nén tám mươi lần so với ảnh gốc Tuy nhiên, hệ số nén cao hình ảnh sau giải nén bị sai lệch nhiều hơn, gần giống ban đầu không đạt hoàn toàn hình ảnh gốc Dù với mắt thường khó nhận điều khác biệt Nguyên lý phương pháp nén JPEG là: Cắt hình ảnh thành khối nhỏ, phân tích tất liệu màu sắc, độ sáng mà khối chứa phương trình ma trận Ảnh màu không gian RGB (Red, Green, Blue) chuyển đổi qua hệ YUV Trong thị giác người lại nhạy cảm với hệ Y, nhạy cảm nhiều với hệ U, V Hệ thống nén thành phần Y ảnh mức độ nhiều so với U V Kế tiếp dùng biến đổi Cosin rời rạc, sau mã hóa theo phương pháp Hoffman Khi giải nén ảnh, bước thực thi làm ngược lại trình nói Tiêu chuẩn có hai phương pháp nén ảnh là: phương pháp dựa biến đổi cosin rời rạc (Discrete Cosine Transformation - DCT) đặc tả dành cho nén ảnh có tổn thất (lossy) phương pháp tiên đoán (predictive) đặc tả dành cho nén ảnh không tổn thất (lossless) Nhóm Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG Các loại JPEG phân loại theo phương thức thực mã hóa: - JPEG JPEG JPEG JPEG (Sequential DCT) hay Baseline JPEG lũy tiến (Progressive DCT) không mát thông tin (Sequential lossness) phân cấp (Hierarchial progressive) Chuẩn JPEG ban đầu nhận đón nhận rộng rãi có mặt khắp nơi thông qua ứng dụng máy tính: khuôn dạng cho ảnh chụp web toàn cầu sử dụng rộng rãi lưu trữ hình ảnh Hơn nữa, ảnh số hóa ngày phổ biến với người dùng yêu cầu chất lượng ngày tăng lên, vấn đề xử lý hình ảnh tăng theo Tuy nhiên, việc nén hình ảnh không làm giảm dung lượng lưu trữ yêu cầu băng thông, mà cho để nguyên ghép tách, ghép để xếp xử lý đáp ứng mục tiêu ứng dụng thiết bị cụ thể Ngoài ra, yêu cầu hiệu suất nén tốt với tỷ số nén cao dẫn tới phát triển tiêu chuẩn JPEG 2000 Tháng 12 năm 2000, Nhóm ban hành tiêu chuẩn JPEG 2000 Phần với tên thức tiêu chuẩn ISO/IEC 15444-1 | ITU-T T.800 Tiêu chuẩn JPEG 2000 sử dụng mã hóa co giãn độ phân giải (scalable) ảnh tĩnh liên tục (từ có tổn thất đến không tổn thất) dựa biến đổi wavelet Tiêu chuẩn không cung cấp khả nén ảnh với chất lượng hiệu cao hệ thống JPEG mà có khả biểu diễn ảnh với nhiều tính hơn, hỗ trợ luồng bit đáp ứng nhiều ứng dụng có ứng dụng Ưu nhược điểm phương pháp nén ảnh JPEG 2.1 Ưu điểm Phương pháp nén ảnh theo chuẩn JPEG đạt hệ số nén tới 80:1 hay lớn hơn, phải chịu thông tin (ảnh sau giải nén khác với ảnh ban đầu), lượng thông tin mát tăng dần theo hệ số nén Tuy nhiên mát thông tin không bị làm cách cẩu thả JPEG tiến hành sửa đổi thông tin ảnh nén cho ảnh gần giống ảnh cũ, khiến phần đông người không nhận thấy khác biệt Và bạn hoàn toàn quản lý mát Nhóm Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG cách hạn chế hệ số nén Như người dùng cân nhắc lợi việc tiết kiệm nhớ mức độ thông tin ảnh, để chọn phương án thích hợp JPEG cho phép hiển thị hình ảnh đầy đủ màu (fullcolour) cho định dạng di động mà kích thước file lại nhỏ JPEG sử dụng nhiều Web Lợi ích chúng chúng hiển thị hình ảnh với màu xác true-colour (chúng lên đến 16 triệu màu), điều cho phép chúng sử dụng tốt cho hình ảnh chụp hình ảnh minh họa có số lượng màu lớn 2.2 Nhược điểm Nhược điểm JPEG chúng nén thuật toán lossy (mất liệu) Điều có nghĩa hình ảnh bạn bị số chitiết chuyển sang định dạng JPEG Đường bao khối màu xuất nhiều điểm mờ, vùng rõ nét, tỉ số nén cao mát thông tin ảnh JPEG lớn Nói cách khác định dạng JPEG thực bảo quản tất thông tin màu hình ảnh đó, nhiên với hình ảnh chất lượng màu cao high-colour hình ảnh chụp điều không hấn Các ảnh JPEG làm suốt chuyển động-trong trường hợp bạn sử dụng định dạng GIF (hoặc định dạng PNG để tạo suốt) Các loại JPEG 3.1 JPEG 1992 Tiêu chuẩn JPEG sử dụng mã hóa ảnh tĩnh liên tục có tổn thất (lossy) dựa biến đổi cosin rời rạc DCT, ITU công bố tiêu chuẩn viễn thông ITU-T Recommendation T.81 công nhận tiêu chuẩn quốc tế với tên thức ISO/IEC 10918-1:1994 Mục tiêu tiêu chuẩn JPEG năm 1992 hỗ trợ nén ảnh với nhiều kích cỡ/không gian màu sắc, với tỉ lệ nén theo yêu cầu người dùng, hỗ trợ tái tạo lại ảnh với chất lượng cao hỗ trợ quản lý mức độ phức tạp tính toán nén ảnh Phương pháp nén ảnh dựa nguyên lý sau: Ảnh màu không gian màu RGB (Red Green Blue) biến Nhóm Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG đổi hệ YUV (hay YCBCr) (điều thiết, thực cho kết nén cao hơn) Hệ YUV kết nghiên cứu nhà sản xuất vô tuyến truyền hình hệ Pal, Secam NTSC, nhận thấy tín hiệu video phân thành phần Y, U, V (cũng phân theo màu chuẩn đỏ, xanh xanh da trời).Và điều thú vị thị giác người nhạy cảm với thành phần Y nhạy cảm với hai loại U V Phương pháp JPEG nắm bắt phát để tách thông tin thừa ảnh Hệ thống nén thành phần Y ảnh với mức độ íthơn so với U, V, người ta nhận thấy thay đổi U V so với Y Vì phương pháp thực với vùng ảnh (thông thường x pixel) nên hay xuất mát thông tin vùng biên vùng (block) Hiện người ta giải vấn đề cách làm trơn ảnh sau bung nén để che lấp khác biệt biên giới block Một hệ nén ảnh theo chuẩn JPEG algorithm làm trơn ảnh công ty ASDG đưa hệ Art Department Professional 3.2 JPEG-LS LS-JPEG phát triển bổ sung muộn màng cho JPEG vào năm1993, cách sử dụng kỹ thuật khác từ tiêu chuẩn JPEG cũ Nó sử dụng hệ thống dự báo xếp dựa ba điểm lân cận (upper, left andupperleft) entropy mã hóa dựa lỗi dự báo Tiêu chuẩn JPEG-LS sử dụng mã hóa ảnh tĩnh liên tục không tổn thất (lossless) tổn thất (nearlossless) dựa mã hóa tiên đoán mã hóa ngẫu nhiên, công bố tiêu chuẩn quốc tế ISO/IEC IS 14495-1|ITU-T Recommendation T.87 3.3 JPEG Search Ngày nay, nhiều định dạng siêu liệu khác tồn đ ể mô tả hình ảnh nhiều vấn đề khả tương tác.Trong bối cảnh đó, trọng tâm JPEG Search cung cấp khả tương tác tốt tìm Nhóm Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG kiếm hình ảnh Phiên dự án JPSearch chia thành phần chính: - - - - Phần được hoàn thành: Nó mô tả cấu trúc tổng thể JP Search, tập hợp lớn trường hợp phác thảo kho phục hồi hình ảnh thành phần Phần 2: Đăng ký, nhận dạng, quản lý siêu liệu lược đồ(Registration, Identification, and Management of Metadata Schema): cố gắng vượt qua rắc rối mô hình siêu liệu Phần 3:Định dạng Truy vấn JPSearch(JPSearch Query Format): cung cấp giao thức thông báo chuẩn để khôi phục hình ảnh Phần 4: Tập tin định dạng cho siêu liệu nhúng vào liệu hình ảnh (JPEG JPEG 2000) Phần 5: Định dạng trao đổi liệu Kho Hình ảnh (Data Interchange Format between Image Repositories) 3.4 JPEG XR Là định dạng hình ảnh cung cấp số cải tiến so với JPEG: - - Khả nén tốt hơn: JPEG XR định dạng tập tin hỗ trợ tỷ lệ nén cao so với JPEG để mã hóa hình ảnh với chất lượng tương đương Nén không mát Hỗ trợ cấu trúc lát (Tile structure support) Chất lượng màu tốt Hỗ trợ High Dynamic Range (HDR) imaging Hỗ trợ đồ suốt (Transparency map support) Giảm bớt vùng nén ảnh (Compressed-domain image modification) Hỗ trợ siêu liệu (Metadata support) 3.5 JPEG 2000 Kỹ thuật nén JPEG làm thông tin lúc giải nén, nén với hệ số cao thông tin nhiều giải nèn Nhóm Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG Công nghệ JPEG 2000 giải vấn đề Với JPEG 2000 kỹ thuật xử lý hình ảnh đạt kết khả quan nén nhỏ từ 100-200 lần mà hình ảnh không sai sót so với hình ảnh gốc JPEG 2000sử dụng mã hóa co giãn (scalable) ảnh tĩnh liên tục (từ có tổn thất đến không tổn thất) dựa biến đổi wavelet (một công cụ xử lý tín hiệu thành công, đặc biệt xử lý ảnh) Là tiện ích toán học cho phép mô tả công thức đơn giản xảy thời điểm xác tín hiệu Với chuỗi sóng ngắn, cần biểu diễn vài công thức, đường biểu diễn không mà không cần phải mô tả đặc tính điểm Và lẽ dĩ nhiên đắc lực phân tích tỉ mỉ file ảnh kỹ thuật số Thuật toán kỹ thuật JPEG 2000 chọn số nhỏ sóng ngắn, sóng lập lại nơi khác nhau, tỷ lệ khác mô tả xác tín hiệu hình ảnh File ảnh nén không chứa nhiều số lượng vị trí giãn nở sóng ngắn Và kỹ thuật mã hóa theo khối, theo khu vực ưu tiên hình ảnh (ROI -Regional Of Interest) áp dụng tiến đáng kể thuật toán mã hóa JPEG 2000 Tiêu chuẩn JPEG 2000 không cung cấp khả nén ảnh với chất lượng hiệu cao hệ thống JPEG mà có khả biểu diễn ảnh với nhiều tính hơn, hỗ trợ bit-stream (chuỗi bit mã hóa giải mã phần chứa đoạn mã hóa liệu ngẫu Nhóm Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG nhiên) đáp ứng nhiều ứng dụng có ứng dụng Các đặc điểm nén ảnh JPEG-2000 II - Tốc độ dòng bit thấp, hiệu tỷ số nén tăng 30% so - với ảnh JPEG nén dựa DCT JPEG-2000 gồm nén không tổn hao có tổn hao Phù hợp nén lũy tiến với kỹ thuật truyền dòng bit Có xử lý vùng mã hóa vùng quan tâm khác - Cho phép xử lý truy nhập ngẫu nhiên vào vùng - quan trọng ảnh Tồn sai số nội Kiến trúc mở Cho phép đặc tả nội dung Có khả bảo vệ an toàn an ninh thông tin ảnh phương pháp nén SƠ ĐỒ NÉN ẢNH JPEG CƠ BẢN (BASELINE JPEG), SỰ KHÁC NHAU GIỮA SƠ ĐỒ JPEG VÀ SƠ ĐỒ NÉN JP-LS Quá trình mã hóa giải mã JPEG Các bước chủ yếu thực nén ảnh: - Xử lí màu chuyển không gian màu YCbCr - Ảnh đầu vào phân chia thành khối 8*8 để xử lí - Thực biến đổi Cosin (DCT) khối xử lí khối - Lượng tử hóa : Dùng bảng lượng tử - Quá trình mã hóa : + Thành phần DC: mã hóa dự đoán DPCM + Thành phần AC xếp lại theo zig-zag mã hóa RLC, mã hóa Huffman - Ghép khối tạo thành dòng liệu, dòng bit Nhóm Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG Hình: Sơ đồ nén ảnh JPEG 1.1 Xử lý màu chuyền không gian màu YcBCr Bước tiền xử lý: Level Offset - Để đơn giản việc thiết kế mã hóa DCT - Nếu dùng trình DCT cho tín hiệu số thành phần Y, Cr,Cb tín hiệu Cr,Cb có biên độ cực đại ±128 ( giá trị nhị phân hệ thống lấy mẫu bit), tín hiệu Y có khoảng cực đại từ đến 255 giá trị nhị phân Để đơn giản việc thiết kế mã hóa DCT, tín hiệu Y dịch mức xuống cách trừ 128 từ giá trị pixel khối để có khoảng cực đại tín hiệu giống tín hiệu CR CB Ở phần giải mã DCT, giá trị (128) cộng vào giá trị pixel chói Giá trị hệ số DC khối DCT có khoảng từ –1024 đến 1016 Đối với hệ số AC ( với u,v=1,2, ,7), C(u) C(v)=1 giá trị cực đại nằm khoảng ±1020 theo phương trình FDCT Khối 8×8 giá trị hệ số DCT đưa giá trị DC lớn (ví dụ =591), biểu diễn độ sáng trung bình khối 8×8 giá trị nhỏ thành phần tần số cao theo chiều ngang chiều đứng Bước tiên xử lý: Chuyển đổi không gian màu - Biến đổi ảnh từ không gian màu RGB sang YCbCr : tăng thành phần độ chói, giảm thành phần màu sắc (mắt người nhạy cảm với độ sáng màu sắc ), sử dụng công thức biến đổi : Y‘ = 0.299*R' + 0.587*G' + 0.114*B‘ U‘ = -0.147*R' - 0.289*G' + 0.436*B' = 0.492*(B'- Y') V‘ = 0.615*R' - 0.515*G' - 0.100*B' = 0.877*(R'- Y') R' = Y' + 1.140*V' G' = Y' - 0.394*U' - 0.581*V' B' = Y' + 2.032*U' Nhóm Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG 10 1.2 Ảnh đầu vào phân thành khối 8x8 để xử lý Mục đích : Giảm thời gian tính toán làm tăng khả xác tính toán Do điểm ảnh lân cân có độ tương quan cao, phép biến đổi DCT cho khối nhỏ tập trung lượng vào số hệ biến đổi Việc loại bỏ số lượng thấp khối tạo mát thông tin cục giúp nâng cao chất lượng ảnh 1.3 Biến đổi DCT Vai trò : DCT (Discrete Cosine Transform) phép biến đổi Cosin rời rạc để chuyển tín hiệu từ miền không gian sang miền tần số Đặc điểm phép biến đổi tín hiệu ảnh miền không gian chuyển sang miền tần số thành phần DC thành phần AC mang hầu hết thông tin chứa ảnh gốc Trong DC thành phần quan trọng mang độ chói trung bình ảnh, thành phần AC chứa thông tin chi tiết ảnh Sau qua tầng lượng tử hóa, hệ số quan trọng bị loại bỏ giữ lại số hệ số gọi hệ số DCT Vai trò chủ yếu phương pháp DCT giảm độ dư thừa liệu pixcel miền tần số cao ( giá trị pixcel dự đoán từ giá trị pixcel lân cân nên thông tin từ pixcel tương đối nhỏ) Không vậy, sau biến đổi DCT hàm giải tương quan giảm đáng kể Chính mà hiệu suất nén đạt tỉ số nén cao Mục đích: - Chuyển từ miền không gian sang miền tần số=> tín hiệu tập trung sang miền tần số thấp - DCT làm giảm độ tương quan không gian block Điều cho phép biểu diễn thích hợp miền DCT hệ số DCT có xu hướng có phần dư thừa Điều có nghĩa DCT gói phần lớn lượng tín hiệu vào thành phần có thành phần tần số tương ứng để lưu trữa truyền dẫn tạo ) giá trị thấp thành phần tần số cao, nhờ đặc tính mắt người, hệ số DCT mã hóa phù hợp Chỉ hệ số DCT quan trọng mã hóa truyền DCT thuận kết hợp với video đầu vào hóa mẫu dài bit Nếu hệ số lượng tử hóa 11 bit nén tổn hao Sau thực DCT lượng thấp tập trung chủ yếu miền tần số thấp Nhóm Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG 11 Biến đổi DCT chiều - Thuận: - Ngược: Trong : + X(k) chuỗi kết + x(m) giá trị mẫu m + k số hệ số khai triển + m số mẫu + N- số mẫu có tín hiệu Biến đổi DCT chiều - Để tách tương quan nội dung ảnh cao hơn, mã hóa DCT chiều dùng cho khối 8*8 giá trị điểm chói Quá trình biến đổi DCT tiến FDCT (forward DCT) dùng tiêu chuẩn JPEG định nghĩa sau: - Biến đổi DCT công đoạn quan trọng JPEG Nhiệm vụ tập trung lượng vào số giá trị để giải tương quan tất nhằm nâng cao tỉ số nén Trong : + f(i, k): mẫu gốc khối 8*8 + F(u,v) : hệ số khối DCT 8*8 - Phương trình liên kết phương trình DCT chiều, cho tần số ngang cho tần số đứng Giá trị trung bình block 8*8 hệ số thứ ( u,v =0) - Phương trình cộng tất giá trị pixcel khối 8*8 chia kết cho Kết phép tính lần giá trị pixcel trung bình khối Do hệ số thứ gọi hệ số DC Các hệ số khác, giá trị thành phần chiều biểu diễn tần số cao theo chiều dọc Nhóm Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG 12 - Các hệ số phía bên phải thành phần chiều biểu thị tần số cao theo chiều ngang Hệ số cận phải (0,7) đặc trưng cho tín hiệu có tần số cao theo phương nằm ngang ma trận 8×8, hệ số hàng cuối bên trái (7,0) đặc trưng cho tín hiệu có tần số cao theo phương thẳng đứng Còn tần số khác ứng với phối hợp khác tần số theo chiều dọc chiều ngang Hình: Các bước trình biến đổi DCT với khối: 1.4 Lượng tử hóa: Dùng bảng lượng tử Mục đích: - Làm giảm số lượng bit cần thiết để lưu trữ hệ số => trình xử lí có mát thông tin - JPEG sử dụng phương pháp lượng tử không đồng đều, hệ số có tần số thấp chia cho giá trị nhỏ, hệ số tương ứng với tần số cáo chia cho giá trị lớn hơn, kết làm tròn ( bỏ phần thập phân) - Bảng lượng tử Q(u,v) thông dụng: Nhóm Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG 13 Ví dụ: - Kết DCT(đầu vào): - Kết thu sau trình lượng tử hóa: 1.5 Quá trình mã hóa Quét zig-zag: tạo đầu vào gồm nhiều số giống Thông thường hệ số tương ứng tần số cao phần lớn giá trị dẫn đến tạo nhiều dãy hệ số liên tiếp Ví dụ: Nhóm Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG 14 Hình: Quét zig-zag Mã hóa : Đầu vào khối nén gồm thành phần thành phần hệ số chiều (DC) thành phần hệ số xoay chiều (AC) - Thành phần DC: + Sau trình lượng tứ hóa, hệ số DC xem tách riêng khỏi 63 hệ số AC + hệ số DC thước đo giá trị trung bình 64 mẫu (image sample) => có tương quan mạnh hệ số DC khối 8x8 liền kề, hệ số DC mã hóa dựa khác hệ số DC khối liền trước theo thứ tự mã hóa + Các hệ số DC giá trị trung bình khối ảnh 8x8 Độ chói trung bình block ảnh gần thường biến đổi, chuẩn nén JPEG, hệ số DC mã hóa theo phương pháp DPCM Để tăng hiệu suất nén, kết nhận sau mã hóa tiếp mã Huffman Hình : Quét zig-zag Nhóm Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG 15 Hình: Mã hóa thành phần DC - Thành phần AC: xếp lại theo zig-zag mã hóa RLC, mã hóa Huffman Hình: Mã hóa thành phần AC Ghép khối tạo thành dòng liệu, dòng bit 1.6 Sau mã hóa, ghép khối tạo thành dòng bit, dòng liệu Sau chuyển liệu mã hóa tệp để lưu trữ Sự khác sơ đồ JPEG 2.1 Mối quan hệ JPEG-LS JPEG sơ đồ nén JPEG-LS File JPEG-LS có cấu trúc tương tự file JPEG đến mức người ta coi JPEG-LS loại JPEG, hay phần mở rộng JPEG Tuy nhiên số khác nhau, thực tế ứng dụng hỗ trợ JPEG mà hỗ trợ JPEG-LS, nên JPEG Nhóm Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG 16 JPEG-LS nên coi định dạng khác không tương thích Sơ đồ nén ánh JPEG-LS Thuật toán LOCO-I JPEG-LS áp dụng lý thuyết nén ảnh không tổn hao theo DPCM, mẫu dự đoán ᾶ tính toán dựa lân cận hình sau: 2.2 2.2.1 Trong hình vẽ, mẫu vị trí X mẫu cần dự đoán Các vị trí A, B, C mẫu lân cận sở cho dự đoán dự đoán mẫu vị trí X Giả sử giá trị điểm ảnh A, B, C a, b, c số nguyên biết Giá trị mẫu dự đoán X theo thuật toán LOCO-I là: ᾶ= Mẫu dự đoán ᾶ sau so sánh sai khác với giá trị mẫu thực tế α, sai khác thông tin mã hóa 2.2.2 Sơ đồ nén ảnh JPEG-LS Nhóm Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG 17 Sơ đồ nén ảnh JPEG-LS giống với sơ đồ nguyên lý nén ảnh không tổn hao áp dụng DPCM Trong hình vẽ, tín hiệu đầu vào mẫu ( giá trị điểm ảnh ) so sánh sai khác với mẫu dự đoán đầu khối dự đoán ( khối Predict ) Khối dự đoán thực tính toán mẫu dự đoán theo thuật toán LOCO-I nói Sự sai khác thông tin dùng để mã hóa Nó đầu khối Modeler Sau đưa đến khối Coder, khối mã hóa Từ thông tin sai khác mã hóa thành từ mã Mã hóa sử dụng mã hóa Golomb Sản phẩm cuối trình nén từ mã xếp liên tiếp tạo thành dòng bit Giải thích tính chất không mát thông tin nén sơ đồ: • Không mát thông tin: từ thuật toán LOCO-I trên, ta nhận thấy giá trị mẫu dự đoán giá trị điểm ảnh lân cận ( a, b ) sai khác tính toán giá trị điểm ảnh ( a+b-c ) Dù trường hợp giá trị nhận mẫu dự đoán số nguyên ( a, b số nguyên, hiệu a, b, c số nguyên ) Khi giải nén khôi phục ảnh giá trị điểm ảnh tính dựa sai khác cộng với giá trị nguyên, kết Nhóm Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG 18 cho giá trị điểm ảnh mà không sai lệch so với ban đầu ( cộng trừ số nguyên ) Vì sơ đồ mát thông tin Nén ảnh: thông thường giá trị điểm ảnh biểu diễn số nguyên bit Nếu mã hóa điểm ảnh phải dùng tất từ mã bit Tuy nhiên, sai khác điểm ảnh nhỏ so với giá trị ( thường giá trị chữ số hệ 10 ), lượng bit dùng để mã hóa cần dùng 3, bit Mã hóa sai khác cho phép tính toán giá trị điểm ảnh từ sai khác giá trị điểm ảnh lân cận nên bảo toàn giá trị điểm ảnh, hay bảo toàn thông tin Vậy thay mã hóa điểm ảnh ta cần mã hóa sai khác, dùng số bit cho từ mã Điều tạo tính chất nén sơ đồ 2.3 So sánh sơ đồ nén ảnh JPEG-LS sơ đồ JPEG Sơ đồ nén ảnh JPEG Trong sơ đồ nén ảnh JPEG bản, liệu ảnh gồm điểm ảnh chia thành khối 8x8, sau khối biến đổi DCT, lượng tử hóa mã hóa Nhóm Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG 19 Sơ đồ nén ảnh JPEG-LS Trong sơ đồ nén ảnh JPEG-LS, điểm ảnh đưa vào để tính sai khác mẫu thực mẫu dự đoán Sau mã hóa Sự khác sơ đồ: • 2.4 JPEG Xử lí khối điểm ảnh • JPEG-LS Xử lí điểm ảnh • Giá trị điểm ảnh sau biến đổi DCT trở thành số thực, qua trình lượng tử hóa làm tròn thành số nguyên • Mọi trình xử lí cho kết số nguyên • Phần giá trị làm tròn lượng thông tin mát phục hồi => mát thông tin • Không không tin mát Khả ứng dụng JPEG-LS Sử dụng thông tin sai khác điểm ảnh tạo nên tính chất nén JPEG-LS Vì hiệu nén JPEG- Nhóm Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG 20 LS phụ thuộc vào sai khác Nếu sai khác điểm ảnh nhỏ, tức giá trị sai khác tập trung số giá trị định đồng nghĩa với việc số lượng bit sử dụng mã hóa nhỏ Ngược lại giá trị điểm ảnh khác biệt, số lượng giá trị sai khác lớn, số lượng bit sử dụng cho từ mã nhiều Khi phương pháp không hiệu Trong thực tế giá trị điểm ảnh cách biệt lớn làm sai khác có nhiều giá trị Điều làm cho phương pháp nén tỉ số nén cao dẫn đến chuẩn nén JPEG-LS không sử dụng rộng rãi Thực tế ứng dụng hỗ trợ chuẩn JPEG-LS JPEG-LS dùng chủ yếu lĩnh vực coi trọng xác hàng đầu quốc phòng, y tế, vệ tinh Còn ứng dụng truyền thông chủ yếu dùng JPEG hiệu tỉ số nén III CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG NÉN ẢNH JPEG CƠ BẢN Nhóm Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG 21 [...]... trị điểm ảnh từ sự sai khác và giá trị điểm ảnh lân cận nên vẫn có thể bảo toàn giá trị điểm ảnh, hay bảo toàn thông tin Vậy thay vì mã hóa các điểm ảnh ta chỉ cần mã hóa sự sai khác, dùng số bit cho từ mã ít hơn Điều này tạo ra tính chất nén của sơ đồ 2.3 So sánh sơ đồ nén ảnh JPEG- LS và sơ đồ JPEG cơ bản Sơ đồ nén ảnh JPEG cơ bản Trong sơ đồ nén ảnh JPEG cơ bản, dữ liệu ảnh gồm các điểm ảnh được... giữa sơ đồ JPEG và 2.1 Mối quan hệ giữa JPEG- LS và JPEG sơ đồ nén JPEG- LS File JPEG- LS có cấu trúc tương tự như file JPEG đến mức người ta coi JPEG- LS là một loại JPEG, hay phần mở rộng của JPEG Tuy nhiên do một số sự khác nhau, và trong thực tế rất ít ứng dụng hỗ trợ JPEG mà hỗ trợ JPEG- LS, nên JPEG và Nhóm 3 Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG 16 JPEG- LS... Nhóm 3 Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG 19 Sơ đồ nén ảnh JPEG- LS Trong sơ đồ nén ảnh JPEG- LS, các điểm ảnh được đưa lần lượt vào để tính sự sai khác giữa mẫu thực và mẫu dự đoán Sau đó được mã hóa Sự khác nhau giữa 2 sơ đồ: • 2.4 JPEG Xử lí từng khối điểm ảnh • JPEG- LS Xử lí từng điểm ảnh • Giá trị điểm ảnh sau khi biến đổi DCT sẽ trở thành số thực, qua quá... với giá trị mẫu thực tế α, sự sai khác này sẽ là thông tin được mã hóa 2.2.2 Sơ đồ nén ảnh JPEG- LS Nhóm 3 Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG 17 Sơ đồ nén ảnh JPEG- LS về cơ bản giống với sơ đồ nguyên lý nén ảnh không tổn hao áp dụng DPCM Trong hình vẽ, tín hiệu đầu vào là các mẫu ( các giá trị điểm ảnh ) cũng được so sánh sai khác với mẫu dự đoán... lượng thông tin mất mát không thể phục hồi => mất mát thông tin • Không mất không tin mát Khả năng ứng dụng của JPEG- LS Sử dụng thông tin sự sai khác giữa các điểm ảnh tạo nên tính chất nén của JPEG- LS Vì vậy hiệu năng nén của JPEG- Nhóm 3 Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG 20 LS cũng phụ thuộc vào sự sai khác ấy Nếu sự sai khác giữa các điểm ảnh. .. Nhóm 3 Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG 18 quả cho ra đúng giá trị điểm ảnh mà không sai lệch so với ban đầu ( chỉ là sự cộng trừ giữa các số nguyên ) Vì vậy sơ đồ này không có sự mất mát thông tin Nén ảnh: thông thường giá trị của điểm ảnh sẽ được biểu diễn bằng số nguyên 8 bit Nếu mã hóa các điểm ảnh thì sẽ phải dùng tất cả từ mã 8 bit Tuy nhiên, sự sai khác của các điểm ảnh là rất nhỏ so với... tế là rất ít ứng dụng hỗ trợ chuẩn JPEG- LS JPEG- LS được dùng chủ yếu trong các lĩnh vực coi trọng sự chính xác hàng đầu như quốc phòng, y tế, vệ tinh Còn các ứng dụng truyền thông chủ yếu vẫn dùng JPEG do hiệu quả về tỉ số nén III CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG NÉN ẢNH JPEG CƠ BẢN Nhóm 3 Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG 21 ... giá trị trung bình của các khối ảnh 8x8 Độ chói trung bình của các block ảnh gần nhau thường ít biến đổi, do đó trong chuẩn nén JPEG, các hệ số DC được mã hóa theo phương pháp DPCM Để tăng hiệu suất nén, kết quả nhận được sau đó được mã hóa tiếp bằng mã Huffman Hình : Quét zig-zag Nhóm 3 Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG 15 Hình: Mã hóa thành phần... xử lí có mất mát thông tin - JPEG sử dụng phương pháp lượng tử không đồng đều, các hệ số có tần số thấp được chia cho các giá trị nhỏ, các hệ số tương ứng với tần số cáo được chia cho các giá trị lớn hơn, kết quả sẽ được làm tròn ( bỏ đi các phần thập phân) - Bảng lượng tử Q(u,v) thông dụng: Nhóm 3 Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG 13 Ví dụ: -... nhất định đồng nghĩa với việc số lượng bit sử dụng mã hóa càng nhỏ Ngược lại nếu giá trị các điểm ảnh quá khác biệt, khi ấy số lượng giá trị sai khác sẽ lớn, số lượng bit sử dụng cho từ mã sẽ nhiều Khi ấy phương pháp sẽ không mấy hiệu quả Trong thực tế các giá trị điểm ảnh cách biệt khá lớn làm sự sai khác có nhiều giá trị Điều này làm cho phương pháp nén không có tỉ số nén cao dẫn đến chuẩn nén JPEG- LS ... thuật khác từ tiêu chuẩn JPEG cũ Nó sử dụng hệ thống dự báo xếp dựa ba điểm lân cận (upper, left andupperleft) entropy mã hóa dựa lỗi dự báo Tiêu chuẩn JPEG-LS sử dụng mã hóa ảnh tĩnh liên tục... hình siêu liệu Phần 3:Định dạng Truy vấn JPSearch(JPSearch Query Format): cung cấp giao thức thông báo chuẩn để khôi phục hình ảnh Phần 4: Tập tin định dạng cho siêu liệu nhúng vào liệu hình ảnh... lượng tử không đồng đều, hệ số có tần số thấp chia cho giá trị nhỏ, hệ số tương ứng với tần số cáo chia cho giá trị lớn hơn, kết làm tròn ( bỏ phần thập phân) - Bảng lượng tử Q(u,v) thông dụng: