Kỹ thuật nén ảnh JPEG cơ bản

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ─────── * ─────── BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC: XỬ LÝ DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN ĐỀ TÀI: Kỹ thuật nén ảnh JPEG Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Hoàng Lan Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Công Hoan 20121724 Nguyễn Phúc Lương 20122036 Nguyễn Duy Thái 20122438 Nguyễn Hồng Quân 20122280 Mục lục Mục lục Phần Tổng quan đề tài tập lớn Phần Tìm hiểu chung chuẩn JPEG loại JPEG 2.1 Giới thiệu 2.2 Phân loại JPEG 2.2.1 JPEG 1992 .5 2.2.2 LS-JPEG (Lossness JPEG) .6 2.2.3 JPEG 2000 .6 2.2.4 JPEG Search 2.2.5 JPEG XR Phần 3.1 Phân tích sơ đồ nén ảnh JPEG Sơ đồ mã hóa giải mã JPEG chung 3.1.1 Tiền xử lý 3.1.2 Ảnh đầu vào chia khối 8x8 3.1.3 DCT – biến đổi cosin rời rạc .9 3.1.4 Lượng tử hóa 12 3.1.5 Quét Zigzag 12 3.1.6 Mã hóa .13 Phần Xây dựng thử nghiệm thuật toán nén ảnh JPEG 14 4.1 Sơ đồ thuật toán nén ảnh JPEG 14 4.2 Phân tích chương trình: 14 Phần 5.1 Phần Đo lường, đánh giá hiệu nén 19 Đánh giá sai số, tỉ số nén 19 Tài liệu tham khảo 21 Phần Tổng quan đề tài tập lớn  Nội dung tập lớn: Kỹ thuật nén ảnh JPEG - Tìm hiểu chung chuẩn JPEG loại JPEG - Phân tích sơ đồ nén JPEG - Xây dựng cài đặt thử nghiệm thuật toán ứng dụng nén ảnh JPEG - Đo lường, đánh giá hiệu nén(tỷ số nén, độ tổn hao) giải pháp thử nghiệm đánh giá hiệu giải pháp  Phân công công việc : Công việc Thực Tìm hiểu chung chuẩn JPEG loại JPEG Nguyễn Hồng Quân Phân tích sơ đồ nén ảnh JPEG Nguyễn Phúc Lương Xây dựng thử nghiệm thuật toán nén ảnh JPEG Nguyễn Công Hoan Đo lường, đánh giá hiệu nén giải pháp thử nghiệm Nguyễn Duy Thái đánh giá hiệu giải pháp Phần Tìm hiểu chung chuẩn JPEG loại JPEG 2.1.Giới thiệu JPEG viết tắt Joint Photographic Expert Group Chuẩn phát triển từ thập niên 80 hợp tác tổ chức ISO ITU đến 1992 công nhận chuẩn ảnh quốc tế, phục vụ ứng dụng ảnh cho nhiều lĩnh vực mạng truyền thông, y khọc, quân sự, 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 Các 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 Các kỹ thuật nén ảnh JPEG:  JPEG (Sequential DCT) hay Baseline JPEG  JPEG lũy tiến (Progressive DCT)  JPEG không mát thông tin (Sequential lossness)  JPEG 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 2.2.Phân loại JPEG 2.2.1 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 2.2.2 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 Không giống chế độ liệu dựa DCT, trình mã hóa không mát thông tin dựa mô hình tiên đoán mã đơn giản gọi chuyển mã xung vi sai(Differential Pulse Code Modulation-DPCM) Đây mô hình dự đoán giá trị mẫu từ mẫu lân cận mã hóa hình ảnh Hầu hết dự đoán lấy trung bình mẫu bên bên trái mẫu mục tiêu.DPCM mã hóa khác biệt mẫu dự đoán thay mẫu mã hóa độc lập.Sự khác biệt từ mẫu thường gần không 2.2.3 JPEG 2000 Kỹ thuật nén JPEG làm thông tin lúc giải nén, nén với hệ số cao thông tin nhiều bung Vì để giải vấn đề này, tháng 12/1999 phác thảo tiêu chuẩn nén hình ảnh theo công nghệ JPEG2000 Tháng 8/2000, phác thảo tiêu chuẩn JPEG2000 lưu hành giới chuyên gia hình ảnh Sau công nhận tiêu chuẩn quốc tế vào tháng 12/2000 ISO hợp thức hóa năm phép ứng dụng vào hệ xử lý, phân phối Với JPEG2000 kỹ thuật xử lý hình ảnh đạt kết ngoạn mục nén nhỏ từ 100-200 lần mà hình ảnh không sai sót so với hình ảnh gốc 2.2.4 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) 2.2.5 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) Phần Phân tích sơ đồ nén ảnh JPEG 3.1 Sơ đồ mã hóa giải mã JPEG chung Quy trình mã hóa giải mã JPEG tuân theo sơ đồ bên dưới: 3.1.1 Tiền xử lý - Chuyển hệ màu từ RGB sang YcbCr Biến đổi ảnh từ không gian màu RGB sang YcbCr: tăng thành phần độ chói, giảm thành phần màu sắc Sử dụng công thức: 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' - Lấy mẫu theo cấu trúc 4:2:2 - Level offset 3.1.2 Ảnh đầu vào chia khối 8x8 Chuẩn nén JPEG phân ảnh khối 8x8 để biến đổi Cosin chiều cho khối 8x8 đạt hiệu hơn, giúp giảm thời gian tính toán làm khả xác tính toán 3.1.3 DCT – biến đổi cosin rời rạc Mục đích: DCT (Discrete Cosine Transform): phép biến đổi Cosin rời rạc để chuyển tín hiệu từ miền không gian sang miền tần số, tín hiệu tập trung sang miền tần số thấp 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 Biến đổi DCT chiều: DCT chiều biến đổi biên độ tín hiệu điểm rời rạc theo thời gian không gian thành chuỗi hệ số rời rạc, hệ số biểu diễn biên độ thành phần tần số định có tín hiệu gốc Hệ sốđầu tiên biểu diễn mức DC trung bình tín hiệu Từ trái sang phải, hệ số thể thành phần tần số không gian cao tín hiệu gọi hệ số AC Thông thường, nhiều hệ số AC có giá trị gần Quá trình biến đổi DCT thuận (FDCT) dùng tiêu chuẩn JPEG định nghĩa sau: o Thuận: o 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) 10 - 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 - 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: 11 3.1.4 Lượng tử hóa 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) Công thức: - Bảng lượng tử Q(u,v) thông dụng: 3.1.5 Quét Zigzag 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 12 3.1.6 Mã hóa Sử dụng phương pháp mã hóa Huffman: Mục đích : Để mã hóa khối liệu sau zigzag giảm chiều dài dòng liệu sau đưa liệu thành dòng bit để lưu trữ Phương pháp mã hóa Huffman phương pháp dựa vào mô hình thống kê Tính tần suất xuất ký tự cách duyệt Các ký tự có tần suất cao mã hóa từ mã ngắn, ký tự có tần suất thấp mã hóa từ mã dài Với cách làm ta giảm chiều dài trung bình từ mã 13 Phần Xây dựng thử nghiệm thuật toán nén ảnh JPEG 4.1 Sơ đồ thuật toán nén ảnh JPEG Chương trình thử nghiệm tuân theo sơ đồ thuật toán mã hóa giải mã sơ đồ đây: 4.2 Phân tích chương trình: Tuân theo sơ đồ thuật toán nén ảnh Chia chương trình thành phần:  Quá trình nén ảnh o Đọc ảnh: Ảnh đầu vào đọc bao gồm thành phần màu RGB 14 o Tiền xử lý: Xử lý ảnh đầu vào bao gồm giai đoạn:  Đầu vào : ma trận liệu ảnh màu R, G, B  Đầu ra: ma trận liệu ảnh màu Y, Cb, Cr  Chuyển hệ màu từ RGB Sang YcbCr  Lấy mẫu theo cấu trúc 4:2:2  Level offset o Phép biến đổi DCT  Đầu vào : Ma trận liệu ảnh sau tiền xử lý  Đầu ra: Ma trận liệu ảnh sau biến đổi DCT o Lượng tử hóa  Đầu vào : Ma trận liệu ảnh sau biến đổi DCT  Đầu ra: Ma trận liệu ảnh lượng tử hóa 15 o Quét Zigzag  Đầu vào : Ma trận lượng tử hóa  Đầu ra: Vector ảnh sau quét  Với mà Y: Thực tương tự với thành phần màu Cb, Cr o Mã hóa Huffman  Đầu vào : Chuỗi sau quét zigzag  Đầu ra: Dữ liệu ảnh chứa bit nhị phân mã hóa theo Huffman từ điển Huffman  Quá trình giải nén o Giải mã Huffman  Đầu vào: Dữ liệu ảnh chứa bit nhị phân mã hóa theo Huffman từ điển Huffman  Đầu ra: Dữ liệu ảnh giải mã Huffman 16 o Zizag ngược  Đầu vào: Dữ liệu ảnh sau giải mã Huffman  Đầu ra: Ma trận liệu ảnh thành phần o Lượng tử hóa ngược  Đầu vào : Ma trận liệu ảnh sau quét zigzag ngược  Đầu ra: Ma trận thành phần lượng tử hóa ngược o Biến đổi DCT ngược  Đầu vào : Ma trận liệu ảnh sau lượng tử hóa ngược  Đầu : Ma trận liệu ảnh sau biến đổi DCT ngược o Hậu xử lý  Đầu vào: Ma trận liệu ảnh sau biến đổi DCT ngược  Đầu ra: Dữ liệu ảnh phục hồi 17 o Hiển thị ảnh 18 Phần Đo lường, đánh giá hiệu nén 5.1 Đánh giá sai số, tỉ số nén Thuật toán cho hiệu tốt, với tỉ số hệ số lượng tử sai số tín hiệu nhiễu mức đỉnh mức cho phép, ảnh nhận dạng chi tiết Cụ thể, đánh giá thực nghiệm với mức lượng tử hóa so với ảnh gốc đầu vào: Ảnh Gốc 19 -Ảnh nén với mức lượng tử hóa +Tỉ số nén: 35.33 : +Sai số MSE: 20.6797 +Tỉ số PSNR: 34.9754 -Ảnh nén với mức lượng tử hóa +Tỉ số nén: 85.64 : +Sai số MSE: 93.6880 +Tỉ số PSNR: 28.4140 20 Phần Tài liệu tham khảo 1, “Bài giảng xử lý liệu đa phương tiện”, PGS.TS Nguyễn Thị Hoàng Lan 2, Digital image processing - C.Gonzalez, Richard E.Woods 3, Fundamentals of Multimedia - Li & Drew Prentice Hall 2003 4, Data Classification and Compression class - Dr Salari, Univ of Toledo 21 [...]... và thử nghiệm thuật toán nén ảnh JPEG cơ bản 4.1 Sơ đồ thuật toán nén ảnh JPEG Chương trình thử nghiệm tuân theo sơ đồ thuật toán mã hóa và giải mã như sơ đồ dưới đây: 4.2 Phân tích chương trình: Tuân theo sơ đồ thuật toán nén ảnh cơ bản ở trên Chia chương trình ra thành 2 phần:  Quá trình nén ảnh o Đọc ảnh: Ảnh đầu vào được đọc ra bao gồm 3 thành phần của màu RGB 14 o Tiền xử lý: Xử lý ảnh đầu vào... ra: Dữ liệu ảnh được phục hồi 17 o Hiển thị ảnh 18 Phần 5 Đo lường, đánh giá hiệu năng nén 5.1 Đánh giá sai số, tỉ số nén Thuật toán cho hiệu năng khá tốt, với tỉ số hệ số lượng tử bằng nhưng sai số tín hiệu trên nhiễu mức đỉnh vẫn ở mức cho phép, ảnh vẫn có thể nhận dạng được các chi tiết Cụ thể, đánh giá thực nghiệm với các mức lượng tử hóa 1 và 5 so với ảnh gốc đầu vào: Ảnh Gốc 19 -Ảnh nén với mức... Dữ liệu ảnh sau khi được giải mã Huffman  Đầu ra: Ma trận dữ liệu ảnh các thành phần o Lượng tử hóa ngược  Đầu vào : Ma trận dữ liệu ảnh sau quét zigzag ngược  Đầu ra: Ma trận thành phần được lượng tử hóa ngược o Biến đổi DCT ngược  Đầu vào : Ma trận dữ liệu ảnh sau lượng tử hóa ngược  Đầu ra : Ma trận dữ liệu ảnh sau khi được biến đổi DCT ngược o Hậu xử lý  Đầu vào: Ma trận dữ liệu ảnh sau khi... ma trận dữ liệu ảnh màu R, G, B  Đầu ra: 3 ma trận dữ liệu ảnh màu Y, Cb, Cr  Chuyển hệ màu từ RGB Sang YcbCr  Lấy mẫu theo cấu trúc 4:2:2  Level offset o Phép biến đổi DCT  Đầu vào : Ma trận dữ liệu ảnh sau khi đã được tiền xử lý  Đầu ra: Ma trận dữ liệu ảnh sau khi đã biến đổi DCT o Lượng tử hóa  Đầu vào : Ma trận dữ liệu ảnh sau khi đã biến đổi DCT  Đầu ra: Ma trận dữ liệu ảnh đã lượng tử... Vector ảnh sau khi được quét  Với mà Y: Thực hiện tương tự với thành phần màu Cb, Cr o Mã hóa Huffman  Đầu vào : Chuỗi sau khi được quét zigzag  Đầu ra: Dữ liệu ảnh chứa các bit nhị phân đã được mã hóa theo Huffman và các bộ từ điển Huffman  Quá trình giải nén o Giải mã Huffman  Đầu vào: Dữ liệu ảnh chứa các bit nhị phân đã được mã hóa theo Huffman và các bộ từ điển Huffman  Đầu ra: Dữ liệu ảnh. .. các chi tiết Cụ thể, đánh giá thực nghiệm với các mức lượng tử hóa 1 và 5 so với ảnh gốc đầu vào: Ảnh Gốc 19 -Ảnh nén với mức lượng tử hóa bằng 1 +Tỉ số nén: 35.33 : 1 +Sai số MSE: 20.6797 +Tỉ số PSNR: 34.9754 -Ảnh nén với mức lượng tử hóa bằng 5 +Tỉ số nén: 85.64 : 1 +Sai số MSE: 93.6880 +Tỉ số PSNR: 28.4140 20 Phần 6 Tài liệu tham khảo 1, “Bài giảng xử lý dữ liệu đa phương tiện”, PGS.TS Nguyễn Thị Hoàng... lượng bit cần thiết để lưu trữ các hệ số => quá trình 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) Công thức: - Bảng lượng tử Q(u,v) thông dụng: 3.1.5 Quét Zigzag Quét zig-zag: tạo ra đầu vào