Kỹ thuật nén ảnh JPEG cơ bản

JPEG được sử dụng để lưu trữ ảnh và truyền qua mạng Internet (World Wide Web).Định dạng nén JPEG được sử dụng trong tất cả máy ảnh kỹ thuật số có kích thước rất nhỏ nên thường chụp được nhiều ảnh trên một thẻ nhớ, JPEG dễ hiển thị trên màn hình, ảnh cóthể chuyển nhanh qua thư điện tử (dung lượng từ 300KB đến 700KB), ảnh JPEG chất lượngcao có dung lượng khoảng vài MB hay lớn hơn, khuyết điểm chính của ảnh JPEG là ảnh có chất lượng thấp, ảnh thường bị suy giảm nếu so với ảnh gốc. Công nghệ nén ảnh JPEG là một trong những công nghệ nén ảnh hiệu quả, cho phép làm việc với các ảnh có nhiều màu và kích cỡ lớn. Tỷ lệ nén ảnh đạt mức so sánh tới vài chục lần. Tuy nhiên nó cũng có một số mặt hạn chế.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG    Báo cáo Xử Lý Dữ Liệu Đa Phương Tiện Đề tài 7: Kĩ thuật nén ảnh JPEG (Sequential DCT-Baseline JPEG) GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Hoàng Lan Sinh viên thực hiện: Nguyễn Nam Tiến 20092705 Bùi Thái Bình 20114628 Đinh Hải Anh 20111106 Hà Nội, 05/2015 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Hiện nay, mạng Internet nói riêng thành tựu lĩnh vực công nghệ thông tin – truyền thông nói chung tiếp tục mở rộng phát triển nhanh chóng, đạt dấu mốc quan trọng Song hành với phát triển đó, khái niệm, quy chuẩn, đối tượng tài nguyên đời nhằm phục vụ tốt cho nhu cầu người Hơn nữa, thành công loài người công khai phá tri thức Khi nhắc tới ngành công nghệ thông tin – truyền thông đặc biệt giới ảo mạng toàn cầu rộng lớn, phải nhắc đến khái niệm Dữ liệu đa phương tiện – bước đột phá lịch sử loài người tổ chức lưu trữ liệu thông minh Đó tất dạng tổ chức lưu trữ liệu số hoạt động thiết bị số, máy tính đại, thiết bị số tạo ra, xử lí truyền thông thành phần mạng thông qua phương thức đặc thù riêng Khái niệm Dữ liệu đa phương tiện phong phú, nêu số đối tượng bản, phổ biến như: tệp liệu âm (audio file), tệp liệu hình ảnh/đồ họa số (image/graphic file) hay tệp phim/hình chuyển động (video file) Việc tìm hiểu, khảo sát đối tượng liệu đa phương tiện đòi hỏi công sức chi phí lớn Trong phạm vi tiểu luận học phần, nhóm xin đưa nhìn cụ thể, rõ ràng đối tượng số đó: chuẩn nén ảnh JPEG vấn đề có liên quan Đây chuẩn liệu sử dụng phổ biến nay, đời sống lẫn công tác nghiên cứu khoa học Hơn nữa, ứng dụng chuẩn JPEG thực mang lại tiện ích lớn cho người dùng việc lưu trữ, xử lí truyền tải thông tin dạng hình ảnh mạng máy tính hay thiết bị số khác Trong suốt trình thực đề tài này, nhóm nỗ lực tìm hiểu, khảo sát, đánh giá nội dung cần thực Tuy nhiên, thiếu sót, sơ suất tránh khỏi nhiều vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, cải thiện tương lai Nhóm em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn, giúp đỡ tận tình GS Nguyễn Thị Hoàng Lan suốt trình thực đề tài PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ CÁC CHUẨN JPEG I.1 Tổng quan JPEG JPEG viết tắt Joint Photographic Experts Group tên nhóm nghiên cứu phát minh chuẩn này, từ năm 1986 nhóm nghiên cứu đưa chuẩn nén ảnh JPEG đến năm 1994 JPEG khẳng định với tiêu chuẩn ISO 10918-1 JPEG định dạng nén ảnh có tổn thất, có thay đổi biếnthể giữ nguyên lý chuẩn nén JPEG (các định dạng mở rộng khác jpg, jpeg, jpe jif) JPEG sử dụng để lưu trữ ảnh truyền qua mạng Internet (World Wide Web) Định dạng nén JPEG sử dụng tất máy ảnh kỹ thuật số có kích thước nhỏ nên thường chụp nhiều ảnh thẻ nhớ, JPEG dễ hiển thị hình, ảnh chuyển nhanh qua thư điện tử (dung lượng từ 300KB đến700KB), ảnh JPEG chất lượng cao có dung lượng khoảng vài MB hay lớn hơn, khuyết điểm ảnh JPEG ảnh có chất lượng thấp, ảnh thường bị suy giảm so với ảnh gốc Công nghệ nén ảnh JPEG công nghệ nén ảnh hiệu quả, cho phép làm việc với ảnh có nhiều màu kích cỡ lớn Tỷ lệ nén ảnh đạt mức so sánh tới vài chục lần Tuy nhiên có số mặt hạn chế Thông thường ảnh màu dùng bit (1 byte) hay 256 màu thay cho mức cường độ màu đỏ, xanh xanh da trời Như điểm ảnh cần byte để lưu mã màu, lượng byte ảnh màu chiếm gấp 24 lần ảnh trắng đen cỡ Với ảnh phương pháp nén ảnh IFF(Image File Format) theo phương pháp RLE (Run Length Encoding) không mang lại hiệu hệ số nén đạt tới 2:1 hay 3:1 (tất nhiên kết nén theo phương pháp RLE phụ thuộc vào cụ thể loại ảnh, ví dụ kết tốt với loại ảnh đổi màu) Ưu điểm cao phương pháp ảnh nén sau giải nén trùng khớp với ảnh ban đầu Một số phương pháp nén khác không để thông tin Lempel- Ziv -Welch (LZW) cho hệ số nén tới 6:1 Nhưng chưa thật đáp ứng yêu cầu đòi hỏi thực tế Phương pháp nén ảnh theo thuẩn 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 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 I.2 Ưu nhược điểm phương pháp nén ảnh JPEG I.2.1 Ưu điểm JPEG cho phép nén ảnh với tỉ số nén lên đến 80:1 cao hơn, hiển thị hình ảnh đầy đủ màu (full-colour) 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 I.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 highcolour 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) I.3 Các tiêu chuẩn JPEG I.3.1 JPEG 1992 Đây loại JPEG tiêu chuẩn Phương pháp nén ảnh dựa nguyên lý sau: Ảnh màu không gian màu RGB (Red Green Blue) biến 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 Giai đoạn biến đổi vùng thể dùng biến đổi cosin rời rạc (thông thường vùng 8x8 pixel) Khi thông tin 64 pixel ban đầu biến đổi thành ma trận có 64 hệ số thể "thực trạng" pixel Điều quan trọng hệ số có khả thể "thực trạng" cao nhất, khả giảm nhanh với hệ số khác Nói cách khác lượng thông tin 64 pixel tập trung chủ yếu số hệ số ma trận theo biến đổi Trong giai đoạn có mát thông tin, biến đổi ngược xác Nhưng lượng thông tin bị chưa đáng kể so với giai đoạn Ma trận nhận sau biến đổi cosin rời rạc lược bớt khác hệ số Đây lúc nhiều thông tin người ta vứt bỏ thay đổi nhỏ hệ số Như giải nén ảnh nén bạn có tham số khác pixel Các biến đổi áp dụng cho thành phần U V ảnh với mực độ cao so với Y (mất nhiều thông tin U V hơn) Sau áp dụng phương pháp mã hóa Huffman: Phân tích dãy số, phần tử lặp lại nhiều mã hóa ký hiệu ngắn (marker) Khi giải nén ảnh người ta việc làm lại bước theo trình ngược lại với biến đổi ngược 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 I.3.2 LS-JPEG (Lossness JPEG) 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 andupper-left) entropy mã hóa dựa lỗi dự báo I.3.3 JPEG Search Ngày nay, nhiều định dạng siêu liệu khác tồn để 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 kiếm hình ảnh Phiên dự án JPSearch chia thành phần • 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) I.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) CHƯƠNG II: CÁC KỸ THUẬT NÉN ẢNH JPEG II.1 Tổng quan kỹ thuật nén ảnh JPEG Các kỹ thuật nén ảnh hướng tới việc giải toán giảm khối lượng thông tin cần thiết để mô tả ảnh số Nền tảng trình nén loại bỏ dư thừa có tín hiệu Phương pháp nén hiệu thường sử dụng biến đổi toán học để biến ma trận điểm ảnh không gian hai chiều sang không gian hai chiều khác, nơi mức độ tương quan hệ số biến đổi nhỏ Như biết, độ dư thừa tín hiệu ảnh số phụ thuộc vào mức độ tương quan điểm ảnh, độ tương quan lớn độ dư thừa lớn II.1.1 Phân loại phương pháp nén ảnh  Phân loại theo nguyên lý nén • Nén không tổn hao (Lossless data reducation) • Nén có tổn hao (Loss data reducation)  Phân loại theo cách thực nén • Phương pháp không gian ( spatial Data Compresstion): phương pháp nén trực tiếp tác động lên điểm ảnh • Phương pháp sử dụng biến đổi (Transform coding): phương pháp nén sử dụng phép biến đổi không gian, trình nén thực cách tác động lên ảnh biến đổi II.1.2 Độ dư thừa liệu Độ dư thừa số liệu vấn đề trung tâm nén ảnh số Độ dư thừa xác định sau: N1 N2 số lương hai tập hợp số liệu dùng để biểu diễn lượng thông tin cho trước độ dư thừa số liệu tương đối tập số liệu thứ so với tập số liệu thứ hai định nghĩa sau: =1-1/ với =N1/N2 Trong trường hợp N1=N2 R=0, điều có nghĩa so với tập số liệu thứ hai tập số liệu thứ không chứa số liệu dư thừa N2[...]... hiện sửa các lỗi đó II.2 Các kỹ thuật nén ảnh JPEG II.2.1 Nén ảnh JPEG tuần tự (JPEG Baseline) II.2.1.1 Khái niệm JPEG tuần tự là phương pháp nén ảnh JPEG cơ bản và đơn giản nhất, được ứng dụng rộng rãi Đối với phương pháp này, ảnh JPEG được mã hóa theo thứ tự từ trái sang phải, từ trên xuống dưới (vì thế mới có tên là JPEG tuần tự) II.2.1.2 Quá trình mã hóa và giải mã ảnh JPEG tuần tự 11  Xử lý màu:... truyền đi block 64 điểm ảnh, như vậy hiệu quả nén của phương pháp JPEG trong trường hợp này là 0.5 bit/điểm ảnh 34  Giải nén Sơ đồ khối bộ giải nén JPEG biểu diễn trên hình 11, quá trình giải nén JPEG được thực hiện với trình tự ngược với quá trình mã hóa Đầu tiên bộ giải mã tách thông tin ghi trong phần header của ảnh nén: đó là bảng mã và lượng tử Sơ đồ bộ giải mã tín hiệu JPEG Các bảng này được đưa tới... phát hiện II.2.3 Nén ảnh JPEG lũy tiến (JPEG progressive) II.2.3.1 Giới thiệu về JPEG lũy tiến - - - Khai triển DCT là kĩ thuật then chốt trong JPEG vì nó cho phép nén ảnh với chất lượng tốt nhất tại tốc độ bít thấp, giải thuật chuyển đổi nhanh và dễ dàng thực hiện bằng phần cứng Hiệu quả trong việc truyền ảnh kích thước lớn JPEG lũy tiến dùng cho những ứng dụng yêu cầu truyền nhanh các ảnh có độ phân... mức ảnh ở “mức thô” ngay mà không cần chờ đến khi quá trình truyền ảnh kết thúc 35 II.2.4 Nén ảnh JPEG phân cấp (JPEG Hierarchical) II.2.4.1 Khái niệm JPEG phân cấp (Hierarchical JPEG) là phương pháp mã hóa ảnh JPEG với nhiều độ phân giải khác nhau Ví dụ: Cùng một bức ảnh có thể được nén với 3 độ phân giải khác nhau: 320x240, 640x480, 1280x960 Quá trình giải mã ở thiết bị đầu cuối sẽ cho ra bức ảnh. .. 255 chứa các số nguyên từ 0 … 255 Đây là mã của 256 kí tự cơ bản trong bảng mã ASCII • Từ mã thứ 256 chứa một mã đặc biệt là mã xoá (CC - Clear Code) Khi số mẫu lặp lớn hơn 4096 thì người ta sẽ coi ảnh gồm nhiều mảnh ảnh và từ điển sẽ gồm nhiều từ điển con Khi hết một mảnh ảnh sẽ gửi 1 mã xoá (CC ) để báo hiệu kết thúc mảnh ảnh cũ và bắt đầu mảnh ảnh mới đồng thời sẽ khởi tạo lại từ điển • Từ mã thứ 257... từ hai bộ mã hóa 28 DPCM và RLC được mã hóa một lần nữa bằng mã entropy Dữ liệu nén cùng các bảng mã và bảng lượng tử được kết hợp lại thành file ảnh nén theo chuẩn JPEG Sau đây chúng ta phân tích tưng khâu trong quá trình nén ảnh JPEG lũy tiến 1.1 Phân tích sơ đồ  Biến đổi DCT Công đoạn đầu tiên của quá trình nén theo JPEG là biến đổi cosin rời rạc DCT(Discrete Cosinr Transform ).DCT biến đổi dữ liệu... tiếp  Ví dụ: 20 Sử dụng bảng phân loại và bảng Huffman để mã hóa:  Ghép các khối để tạo thành dữ liệu  Chuyển các dữ liệu đã mã hóa ra tệp để lưu trữ II.2.2 Nén ảnh JPEG không tổn hao (JPEG lossless) II.2.2.1 Khái niệm Nén không tổn hao (Lossless) là các phương pháp nén mà sau khi giải nén sẻ thu được chính xác dữ liệu gốc tuy nhiên nén không tổn hao chỉ đạt hiệu quả nhỏ so với nén có tổn hao II.2.2.2... Lemple-Ziv Giải thuật LZW hay hơn các giải thuật trước nó ở kĩ thuật tổ chức cho đến cho phép nâng cao dựa trên tỉ lệ nén Phương pháp này dựa trên việc xây dựng các từ điển lưu các chuỗi kí tự có tần suất lặp lại cao và thay bằng từ mã tương ứng mỗi khi gặp lại chúng Giải thuật nén LZW được sử dụng cho tất cả các loại file nhị phân Nó thường được dùng để nén các loại văn bản, ảnh đen trắng, ảnh màu, ảnh đa... ví dụ: truyền ảnh y học, ảnh chụp từ vệ tinh cũng như truyền hình ảnh qua Internet, phóng viên chiến trường… Với phương pháp nén và giải nén theo JPEG lũy tiến , người quan sát không thấy khó chịu khi ngồi chờ trước màn hình trống trong một thời gian dài Hơn nữa khi quan sát được nội dung chính của ảnh, người nhận có thể nhanh chóng, quyết định tải tiếp hay ngừng quá trình tải ảnh Với cơ chế như vậy... giải nén  Giải thích mục đích Nén JPEG thông thường các blok ảnh được khôi phục theo trình tự từ trái sang phải, từ trên xuống dưới Ảnh chỉ được hiện thị khi nhận được tất cả các gói tin phía phát Vì vậy khi truyền ảnh số chất lượng cao qua mạng băng thông hẹp, thời gian truyền ảnh có thê tương đối lâu, người xem có thể chờ trong một thời gian dài.phương pháp nén ảnh JPEG lũy tiến thực hiện ghi dữ ... bớt vùng nén ảnh (Compressed-domain image modification) • Hỗ trợ siêu liệu (Metadata support) CHƯƠNG II: CÁC KỸ THUẬT NÉN ẢNH JPEG II.1 Tổng quan kỹ thuật nén ảnh JPEG Các kỹ thuật nén ảnh hướng... lỗi II.2 Các kỹ thuật nén ảnh JPEG II.2.1 Nén ảnh JPEG (JPEG Baseline) II.2.1.1 Khái niệm JPEG phương pháp nén ảnh JPEG đơn giản nhất, ứng dụng rộng rãi Đối với phương pháp này, ảnh JPEG mã hóa... điểm ảnh JPEG ảnh có chất lượng thấp, ảnh thường bị suy giảm so với ảnh gốc Công nghệ nén ảnh JPEG công nghệ nén ảnh hiệu quả, cho phép làm việc với ảnh có nhiều màu kích cỡ lớn Tỷ lệ nén ảnh