Dữ liệu video, tín hiệu ảnh, số, video

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ──────── * ─────── BÁO CÁO MÔN: XỬ LÍ DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN Sinh viên thực : Lớp : CNTT1.01-K57 Giáo viên hướng dẫn : PGS TS Nguyễn Thị Hoàng Lan Hà Nội, tháng năm 2016 PHÂN CÔNG THÀNH VIÊN TRONG NHÓM o An Mạnh Công -Tín hiệu video ,số hóa tín hiệu video màu RGB,số hóa tín hiệu video màu PAL -Cấu trúc liệu ảnh số ,video số o Đoàn Khắc Hùng -Phân biệt định dạng video số định dạng file video -TÌm hiểu thuật toán xử lí chuyển đổi hệ màu RGB-YCbCr xây dựng ứng dụng thử nghiệm thuật toán I.Tín hiệu video 1.Khái niệm: Thông tin thị giác vật thể truyền bao gồm tin tức độ chói, màu sắc vị trí vật không gian Khi vật thể chuyển động hay nguồn sáng chiếu lên vật thể thay đổi Khi biến đổi tín hiệu hình ảnh chiều thành tín hiệu điện chiều người ta dựa nguyên tắc rời rạc hình ảnh (trong không gian thời gian) quét hình Rời rạc hình ảnh không gian phương pháp chia nhỏ hình ảnh thành số hữu hạn thành phần rời rạc Một phần tử hình ảnh chi tiết nhỏ ảnh có độ chói sắc màu không thay đổi diện tích chi tiết Hình 1.1.Ma trận điểm ảnh rời rạc ảnh "phần tử" ảnh Về mặt lý thuyết, số lượng phần tử ảnh nhiều độ nét ảnh cao Nhưng thực tế, hạn chế độ phân giải mắt người, hình ảnh cần phân chia thành phần tử có kích thước định đủ để mắt người không nhận cấu trúc rời rạc hình ảnh (Hình 1.1) Chia nhỏ thêm phần tử không làm cho hình ảnh rõ nét thêm (theo cảm nhận mắt), đó, lượng thông tin tăng lên nhiều lần Các Tham Số: • +Tốc độ khung hình (Frame rate): 25-75 Hz • + Số Dòng quét mặt ( Nb of scan line) : 525,625 dòng • + Tỷ số kích thước mặt ( Aspect Ratio): 4:3 • +Quét cách dòng: Chuẩn 2:1 • +Chất lượng: Thương mại, quảng bá, chuyên nghiệp Sau hình ảnh rời rạc, phần tử mã hoá truyền riêng rẽ sang bên thu Nhưng truyền song song tất phần tử cần đến nhiều kênh truyền Để giải vấn đề này, hệ thống truyền hình người ta sử dụng nguyên tắc quét hình: nguyên tắc truyền theo thời gian phần tử hình ảnh Nguyên tắc dựa đặc điểm lưu ảnh mắt người Sự lưu ảnh khả mà người xem nhớ lại ấn tượng ảnh thời gian (~0.1- 0.3 giây) sau tác động ảnh chấm dứt Chính vậy, để truyền hình ảnh tĩnh, ta “chiếu” tất phần tử ảnh tĩnh lên hình, vào vị trí tương đương phần tử hình ảnh truyền Nếu tốc độ “chiếu” hình nhanh thời gian lưu ảnh mắt người xem thu nhận lưu lại tất phần tử truyền để tái tạo ảnh tĩnh hai chiều Quá trình truyền phần tử ảnh gọi trình quét (scanning) ảnh Tiếp theo, "chiếu" nhiều ảnh tĩnh nhận phương pháp với tần số tương đối lớn (trên 10 hình/giây), ảnh pha hình ảnh chuyển động, người xem có cảm giác quan sát chuyển động liên tục Tần số ảnh lựa chọn để đáp ứng hai yếu cầu: 1- Tạo cảm giác trình chuyển động liên tục ảnh; 2- Ảnh động tái tạo hình không bị chớp Trong hệ truyền hình đại chúng, tần số chọn 25 (hoặc 30) ảnh/giây Khi quét theo phương pháp xen kẽ, người ta chia ảnh thành mành, mành truyền dòng lẻ 1, 3, …, mành truyền dòng chẵn 2, 4, …(hình 3.1.26) Như toàn ảnh chia làm mành Tần số ảnh 25 (30) Hz, tần số mành 50 (60) Hz Hình 1.2 Tín hiệu hình ảnh rời rạc không gian ( theo dòng) thời gian ( theo mảnh) Một phần tử hình ảnh chi tiết ảnh có độ chói sắc màu không thay đổi chi tiết Về mặt lý thuyết, số lượng phần tử ánh sáng nhiều độ nét ảnh cao Nhưng thực tế , so hạn chế độ phân giải mắt người Các hình ảnh cần phân chia thành phần tử có kích thước định đủ để mắt người không nhận cấu trúc rời rạc hình ảnh Chia nhỏ thêm thành phần không làm cho hình ảnh rõ nét thêm ( theo cảm nhận mắt) , lượng thông tin tăng lên nhiều lần Tín hiệu Video tạo ống ghi hình phương pháp quét xen kẽ, tuyến tính từ trái sang phải, xuống hàm thời gian, giá trị hàm tỉ lệ thuận với độ chói phần tử ảnh truyền hình Hình 1.3 Hình dạng tín hiệu Video Tín hiệu Video đầy đủ bao gồm thành phần sau: tín hiệu video, tín hiệu đồng dòng mảnh, tín hiệu xóa Trong tín hiệu Video màu có thêm thành phần mang tin tức màu sắc dòng ảnh 2.Đặc điểm -Tín hiệu video tín hiệu mang tính chất xung: xung đồng xung xóa, tín hiệu video thường có thay đổi biên đột ngột, tạo biên nước va biên sau “xung hình” -Tin hiệu Video tín hiệu đơn cực, có thành phần chiều; -Tín hiệu video coi tín hiệu tuần hoàn Tín hiệu video tương tự tín hiệu ảnh tính phải số hóa trước đưa vào hệ thống xử lý số Cũng hệ thống xử lý tín hiệu chiều, trình số hóa tín hiệu hình ảnh chia làm giai đoạn; 1.Rời rạc tín hiệu miền không gian hai chiều, trình lấy mẫu 2.Số lượng vô hạn mức xám tín hiệu hình ảnh tương tự thay số lượng hữu hạn mức lượng tử trình lượng tử hóa tín hiệu 3.Mỗi mức lượng tử biểu diễn số nhị phân – Mã Hóa tín hiệu 3.Xử lý tín hiệu Video (lấy mẫu tín hiệu Số Hóa) - Tham số Video Số: + Tần số lấy mẫu (Sampling video) + Lượng tử hóa kích thước mẫu (số bit/giá trị) + Tốc độ truyền số liệu (Data rate) (bits/s) + Tốc độ khung hình ( Frame rate) +Chuẩn nén :DVI,JPEG,MPEG +Hỗ trợ tương tác So với tín hiệu chiều , trình số hóa tín hiệu hình ảnh không gian chiều thực với nhiều cấu trúc lấy mẫu khác bước lượng tử khác nhằm giảm dung lượng tín hiệu số nhận Tuy nhiên, thực tế cấu trúc lấy mẫu đa số trường hợp có dạng trực giao với giá trị bước lượng tử không thay đổi, trình số hóa đơn giản Khi sử dụng cấu trúc lấy mẫu trực giao, ảnh số nhận dạng ma trận điểm ảnh phân bố theo dòng cột Quá trình lấy mẫu tín hiệu video phải thỏa mãn định nghĩa lấy mẫu Nyquist Trên thực tế, tần số lấy mẫu thường lựa chọn cao để tăng khoảng cách dải phổ phổ phụ tín hiệu video rời rạc, thành phần phổ tách (trong trình khôi phục ảnh gốc) mạch lọc thông thấp đơn giản Ngoài ra, tín hiệu video tổng hợp (bao gồm thành phần màu) lấy mẫu với tần số bội số tầnsố sóng mang phụ fs (sóng mang màu) Với hệ PAL, tần số lấy mẫu fs(13,3 MHz) fs (17,7 MHz).Trong hệ thống số hóa tín hiệu video theo thành phần, ba tín hiệu R, G, B thành phần chói Y hai tín hiệu hiệu màu R-Y, B-Y lấy mẫu với tần số đáp ứng định lý Nyquist bội số tần số dòng theo tiêu chuẩn 525 625 dòng/ ảnh Tiêu chuẩn CCIR-601 cho phép sử dụng tần số lấy mẫu 13,5 MHz Số bít để mã hóa tín hiệu video 10 bít Các tiêu chuẩn lấy mẫu video thành phần: có nhiều tiêu chuẩn lấy mẫu theo thành phần, điểmkhác chủ yếu tỷ lệ tần số lấy mẫu phương pháp lấy mẫu tín hiệu chói tín hiệu màu (hoặc hiệu màu): tiêu chuẩn 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0, 4:1:1 Tiêu chuẩn 4:4:4: Tín hiệu chói màu lấy mẫu tất điểm lấy mẫu dòng tích cực tín hiệu video Cấu trúc lấy mẫu trực giao: Hình 1.4 Cấu trúc lấy mẫu theo chuẩn 4:4:4 Tiêu chuẩn lấy mẫu 4:4:4 cho chất lượng hhình ảnh tốt nhất,thuận tiện cho việc xử lý tín hiệu video số Tuy nhiên, với phương pháp lấy mẫu này, tốc độ dòng liệu video số tương đối cao, ví dụ số hóa tín hiệu video có độ phân giải 720x576 (hệ PAL), bít lượng tử /điểm ảnh, 25 ảnh/s luồng liệu số nhận có tốc độ : 3x720x576x8x25=249Mbits/s -Tiêu chuẩn 4:2:2: Tín hiệu chói lấy mẫu tất điểm lấy mẫu dòng tích cực tín hiệu video Tín hiệu màu dòng lấy mẫu với tần số nửa tần số lấy mẫu tín hiệu chói Hình 1.5 Cấu trúc lấy mẫu theo chuẩn 4:2:2 -Tiêu chuẩn 4:2:0: Tín hiệu chói lấy mẫu tất điểm lấy mẫu dòng tích cực tín hiệu video Cách điểm lấy mẫu tín hiệu màu Tại dòng chẵn lấy mẫu tín hiệu màu CR, dòng chẵn lấy mẫu tín hiệu CB Như vậy, tần số lấy mẫu tín hiệu chói fD, Thì tần số lấy mẫu tín hiệu màu fD/2 Hình 1.6 Cấu trúc lấy mẫu theo chuẩn 4:2:0 -Tiêu chuẩn 4:1:1: Tín hiệu chói lấy mẫu tất điểm lấy mẫu dòng tích cực tín hiệu video Tín hiệu màu dòng lấy mẫu với tần số phần tư tần số lấy mẫu tín hiệu chói (Hình 2.1.32) Như vậy, tần số lấy mẫu tín hiệu chói fD, tần số lấy mẫu tín hiệu màu CR CB fD/4 Hình 1.7 Cấu trúc lấy mẫu theo chuẩn 4:1:1 Như Ảnh Video chuỗi ảnh tĩnh xuất liên tiếp tạo cảm thụ chuyển động theo thời gian, gọi chuỗi Frame ảnh ( Khung Hình) Tốc độ xuất khung hình độ phân giải ảnh nhân tố quan trọng chất lượng video Vì thế, trình tìm hiểu Nén tín hiệu trình số hóa cần làm rõ, bước Lượng tử hóa II.Cấu trúc liệu ảnh số ,video số 1.Cấu trúc liệu ảnh số -Ảnh số tạo nên từ hàng trăm ngàn hàng triệu ô vuông nhỏđược coi thành tố ảnh thường biết tên gọi pixels Máy tính hay máy in sử dụng ô vuông nhỏ để hiển thị hay in ảnh Để làm điều máy tính hay máy in chia hình, trang giấy thành mạng lưới chứa ô vuông, sau sử dụng giá trị chứa file ảnh để định mầu sắc, độ sáng tối pixel mạng lưới - ảnh số hình thành Việc kiểm soát, định địa theo mạng lưới gọi bit mapping ảnh số gọi ảnh bit-maps -Có thể mường tượng ảnh số giống tranh tạo nên từ vô số hạt đậu tương nhuộm mầu Mỗi hạt đậu tương coi pixel -Pixels Ảnh số tạo từ ma trận điểm ảnh có kích cỡ nhau,gọi pixels.Nếu liên tục phóng to ảnh kĩ thuật số ( không làm mịn chương trình xem ảnh) thấy điểm ảnh hình vuông màu không đổi ↓ -Chú ý cách mép viền vàng mắt xuất trơn tru ảnh đầu dù mức pixel cao lởm chởm.Điều bước ảnh đột ngột từ màu vàng sang màu khác.Điểm ảnh liền kề màu trung gian -Colour Các màu sắc điểm ảnh trình bày màu bản:đỏ,lục,lam.Vì mắt chung ta làm việc theo cách tương tự.Các tế bào trung tâm võng mạc mắt người bình thường có sắc tố nhạy cảm với màu số ví dụ màu sắc ,tỉ lệ cho giá trị từ 0-> 255 2.Cấu trúc Video số: Các tham số định dạng : -Tần số lấy mẫu tín hiệu video -Lượng hóa kích thước mẫu(số bits/giá trị) -Tốc độ liệu(data/s) -Tốc độ khung hình:25-30fps -Các chuẩn định dạng file liệu nén AVI,M-JPEG,H26X, mpeg1,… III.Phân biệt định dạng video-Video số Video format Digital Video Format -NTCS (tiêu chuẩn TV USA) +Định dạng video tương tự +refresh rate: 30Hz -HDTV: +nghiên cứu HDTV Nhật năm 1968 +là chuẩn TV -Resolution 833x 635 -High 1440 Level with 1440x1152 High level with 1920x1152 -Aspect ratio: -4:3 -16:9 -interlaced format: - Mỗi frame tạo Hệ thống qui ước sử dụng trường liên tiếp ,mỗi trường định dạng hỗn hợp gồm nửa số dòng ảnh quét IV.Chuyển đổi hệ màu RGB-YCBCR 1.RGB-> YcbCr Y = 0.299R+ 0.587G + 0.144B Cb =-0.169R - 0.331G + 0.5B Cr = 0.5R - 0.419G - 0.081B Thành phần G có đụng chạm cao Y-channel,vì mắt nhạy cảm với màu xanh,và theo màu đỏ lam.Khi R[...]...2.Cấu trúc Video số: Các tham số định dạng : -Tần số lấy mẫu đối với tín hiệu video -Lượng hóa và kích thước mẫu(số bits/giá trị) -Tốc độ dữ liệu( data/s) -Tốc độ khung hình:25-30fps -Các chuẩn định dạng file dữ liệu nén AVI,M-JPEG,H26X, mpeg1,… III.Phân biệt định dạng video- Video số Video format Digital Video Format -NTCS (tiêu chuẩn TV USA) +Định dạng video tương tự +refresh rate:... màu xanh,và được theo bởi màu đỏ và lam.Khi R