NÉN ẢNH sử DỤNG BIẾN đổi WAVELET và ỨNG DỤNG TRONG các DỊCH vụ dữ LIỆU đa PHƯƠNG TIỆN DI ĐỘNG

Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NÉN ẢNH SỬ DỤNG BIẾN ĐỔI WAVELET VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC DỊCH VỤ DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN DI ĐỘNG NGHÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỖ NGỌC ANH Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Đức Thuận HÀ NỘI 2006 Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN THUẬT NGỮ TIẾNG ANH LỜI GIỚI THIỆU .8 CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Cơ sở nghiên cứu mục đích luận văn 1.2 Tổ chức luận văn 10 CHƯƠNG 2:TỔNG QUAN CÁC KỸ THUẬT NÉN TRONG MÃ HOÁ ẢNH 11 2.1 Giới thiệu chung nén ảnh số .11 2.2 Phân loại kỹ thuật nén .13 2.2.1 Nén tổn hao không tổn hao 13 2.2.2 Mã hoá dự đoán mã hoá dựa phép biến đổi 13 2.2.3 Mã hoá băng 14 2.3 Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng mã hoá ảnh 14 2.4.Các kỹ thuật nén có tổn hao 15 2.4.1 Kỹ thuật mã hoá băng 15 2.4.2 Kỹ thuật mã hoá dựa phép biến đổi .19 2.4.2.1 Kỹ thuật mã hoá dựa phép biến đổi DCT .19 2.4.2.2 Kỹ thuật mã hoá dựa phép biến đổi DWT .25 CHƯƠNG 3:CƠ SỞ LÝ THUYẾT BIẾN ĐỔI WAVELET 30 3.1 Cơ sở toán học .30 3.1.1 Biến đổi Wavelet liên tục 30 3.1.2 Biến đổi Wavelet rời rạc 32 3.2 Tính chất biến đổi Wavelet 33 3.3 Giới thiệu số họ Wavelet 37 3.3.1 Biến đổi Wavelet Haar 37 3.3.2 Biến đổi Wavelet Meyer 38 Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 3.3.3 Biến đổi Wavelet Daubechies 38 3.4 Một số ứng dụng bật Wavelet 39 3.4.1 Nén tín hiệu 39 3.4.2 Khử nhiễu .40 3.4.3 Mã hoá nguồn mã hoá kênh .40 CHƯƠNG 4:CHUẨN NÉN ẢNH TĨNH DỰA TRÊN BIẾN ĐỔI WAVELET – JPEG2000 41 4.1 Lịch sử đời phát triển chuẩn JPEG2000 .41 4.2 Các tính JPEG2000 41 4.3 Các bước thực nén ảnh theo chuẩn JPEG2000 .42 4.3.1 Xử lý trước biến đổi 42 4.3.2 Biến đổi liên thành phần 42 4.3.3 Biến đổi riêng thành phần (biến đổi Wavelet) 43 4.3.4.Lượng tử hoá - Giải lượng tử hoá 44 4.3.5 Mã hoá kết hợp dòng liệu sau mã hoá 45 4.3.6 Phương pháp mã hoá SPIHT 45 4.3.7 Phương pháp mã hoá EZW .47 4.4 So sánh chuẩn JPEG2000 với JPEG chuẩn nén ảnh tĩnh khác .49 CHƯƠNG 5:ỨNG DỤNG WAVELET TRONG CÁC DỊCH VỤ DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG .54 5.1 Nén ảnh Wavelet 54 5.2.1 Sơ đồ khối tổng quát .54 5.1.2 Biến đổi Wavelet 55 5.1.3 Tính toán lượng tiêu hao 56 5.2 Thuật toán nén ảnh Wavelet hiệu - EEW .58 5.2.1 Hiệu kỹ thuật loại bỏ .60 5.3.2 Các kết thực nghiệm 62 5.3.2.1 Ảnh hưởng đến lượng tính toán chất lượng ảnh 62 Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 5.3.2.2 Ảnh hưởng đến lượng truyền thông chất lượng ảnh .62 5.4 Các tham số nén ảnh Wavelet .62 5.4.1 Thay đổi mức biến đổi Wavelet 62 5.4.2 Thay đổi mức lượng tử .62 5.5 Truyền ảnh mạng 62 5.5.1 Phương pháp lựa chọn tham số động 62 5.5.2 Kết thực nghiệm .62 KẾT LUẬN .63 Kết đạt ứng dụng luận văn .63 Hướng phát triển nghiên cứu 63 PHỤ LỤC 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN Hình 2.1 Sơ đồ khái quát hệ thống nén ảnh .12 Hình 2.2 Sơ đồ minh hoạ kỹ thuật mã hoá băng – M băng .16 Hình 2.3 Minh hoạ trình phân ly băng bát phân 17 Hình 2.4 Phân ly hai ảnh mẫu thành bốn băng 18 Hình 2.5 Sơ đồ mã hoá theo chuẩn JPEG 23 Hình 2.6 Sắp xếp Zigzag hệ số DCT mã hoá 23 Hình 2.7 Sơ đồ khối giải mã theo chuẩn JPEG 23 Hình 2.8 Bank lọc khôi phục lý thuyết sử dụng DWT 1D 28 Hình 2.9 Minh hoạ DWT hai chiều cho ảnh 28 Hình 2.10(a) Minh hoạ DWT kiểu dyadic mức để nén ảnh 28 Hình 2.10(b) Minh hoạ DWT kiểu dyadic mức để nén ảnh 29 Hình 3.1 Minh hoạ lưới nhị tố dyadic với giá trị m n 33 Hình 3.2 Phân tích đa phân giải áp dụng cho biểu diễn tín hiệu .36 Hình 3.3 Hàm ψ ( t ) biến đổi Haar 38 Hình 3.4: Hàm ψ ( t ) biến đổi Meyer 38 Hình 3.5 Hàm ψ ( t ) họ biến đổi Daubechies n với n=2, 3, 7, 39 Hình 4.1: Trình tự mã hoá (a) giải mã JPEG2000 (b) .42 Hình 4.2: Minh hoạ ảnh với RGB YCrCb 43 Hình 4.3: Phương pháp Lifting 1D dùng tính toán biến đổi Wavelet .44 Hình 4.4: Minh hoạ tứ phân (a) phân mức (b) 47 Hình 4.5: Hai cách xếp thứ tự hệ số biến đổi .48 Hình 4.6: So sánh JPEG JPEG2000 50 Bảng 4.1: So sánh JPEG JPEG2000 51 Hình 4.7: Minh hoạ tính ROI 52 Bảng 4.2: So sánh tính JPEG2000 với chuẩn nén ảnh tĩnh khác 53 Hình 5.1 Sơ đồ khối trình nén ảnh Wavelet .54 Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Hình 5.2 (a) Biến đổi Wavelet 2D mức (b) Minh hoạ ảnh “CASTLE” 56 Hình 5.3 Phân bố số học hệ số thông cao sau phép biến đổi Wavelet mức .59 Hình 5.4: Dữ liệu sau phép biến đổi Wavelet với hai kỹ thuật loại bỏ HH H* 61 Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 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 Lossless Compression Kỹ thuật nén ảnh không tổn hao (không liệu) Lossy Compression Kỹ thuật nén ảnh có tổn hao (có liệu) 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 Biến đổi Fourier thời gian ngắn (Short Time Fourier Transform) Wavelet Biến đổi băng Wavelet Wavelet Decomposition Cây phân giải Wavelet Tree Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 LỜI GIỚI THIỆU Trong năm gần đây, nhu cầu dịch vụ liệu mạng di động, liệu đa phương tiện lớn Cùng với nhu cầu đó, vấn đề đặt làm tìm kỹ thuật mã hoá liệu then chốt (chuẩn), có hiệu để truyền liệu mạng di động Mục đích luận văn trình bầy kỹ thuật nén ảnh sử dụng biến đổi Wavelet cho ảnh tĩnh đặc biệt ảnh tĩnh dịch vụ liệu đa phương tiện mạng di động So với kỹ thuật nén sử dụng phép biến đổi trước biến đổi Fourier (FT), biến đổi cosine rời rạc (DCT), biến đổi xếp chồng (LT), , biến đổi Wavelet (DWT) có nhiều ưu điểm không xử lý ảnh mà nhiều ứng dụng khác Bằng chứng đời chuẩn nén JPEG2000 (dựa DWT) có tính vượt trội so với JPEG (DCT) Tuy nhiên chuẩn JPEG, MPEG hay JPEG2000 tập trung vào hiệu nén (tỉ số nén) chất lượng ảnh mà không ý đến lượng tiêu hao trình xử lý truyền mạng Trong luận văn trình bầy kỹ thuật nén ảnh mạng di động sử dụng biến đổi Wavelet hiệu không đem lại hiệu nén, chất lượng hình ảnh mà tiết kiệm lượng xử lý hệ thống Điều hứa hẹn xây dựng mã hoá ảnh tiết kiệm lượng xử lý, thời gian truyền mà phù hợp với điều kiện băng thông thấp, ràng buộc chất lượng liệu mạng thông tin di động Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Cơ sở nghiên cứu mục đích luận văn Để sử dụng dịch vụ Internet không dây nhiều dịch vụ liệu khác ứng dụng di động cần có kỹ thuật then chốt để hỗ trợ truyền thông nhiều dạng liệu thông tin di động tế bào như: thoại, văn bản, hình ảnh video Tuy nhiên vấn đề truyền thông nội dung đa phương tiện thông tin di động gặp số khó khăn: băng thông mạng di động tế bào, nhiễu kênh, giới hạn pin cho ứng dụng, tính tương thích liệu thuê bao Trong việc cải thiện băng thông di động cần công nghệ tương lai việc cải thiện giới hạn pin không đáp ứng phát triển dịch vụ tương lai, phương pháp giảm kích thước liệu kỹ thuật nén cách tiếp cận hiệu giải khó khăn Mặc dù có nhiều kỹ thuật nén liệu đa phương tiện như: chuẩn JPEG (dựa biến đổi DCT), chuẩn JPEG2000 (dựa biến đổi Wavelet) chuẩn MPEG, nhiên kỹ thuật tập trung vào hiệu nén cố gắng đánh chất lượng ảnh chúng bỏ qua vấn đề tiêu hao lượng trình nén truyền RF (trong thông tin động) Luận văn trình bầy kỹ thuật hiệu để khắc phục khó khăn cho loại liệu đa phương tiện điển hình thông tin di động ảnh tĩnh Đó kỹ thuật nén ảnh sử dụng biến đổi Wavelet thích nghi hiệu cho liệu đa phương tiện thông tin di động Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 1.2 Tổ chức luận văn Luận văn trình bầy thành chương phụ lục Chương 1, tác giả trình bày tóm tắt sở nghiên cứu mục đích tổ chức luận văn Chương trình bầy khái quát kỹ thuật nén ảnh, phân loại nguyên lý nén định nghĩa số thuật ngữ sử dụng rộng rãi MSE, PSNR SNR Chương trình bầy sở lý thuyết nguyên lý nén có tổn hao điển hình như: mã hoá băng con; mã hoá dựa biến đổi cosine rời rạc (DCT), biến đổi xếp chồng (LT), biến đổi Wavelet rời rạc (DWT) Chương trình bầy sở toán học, tính chất biến đổi Wavelet Nội dung chương lý thuết tảng cho ứng dụng Wavelet Chương đưa số họ Wavelet phổ biến giới thiệu số ứng dụng bật Wavelet ứng dụng để nén ảnh Chương giới thiệu tổng quan chuẩn nén JPEG2000 dựa biến đổi Wavelet Mục đích không giới thiệu chuẩn nén vượt trội so với chuẩn JPEG dựa biến đổi DCT mà đưa lựa chọn giải toán đặt luận văn JPEG2000 bước tổ chức ISO công nhận nên chắn trở thành chuẩn nén phổ biến ứng dụng di động tương lai Cũng chương này, tác giả trình bầy tóm tắt bước thực nén ảnh theo JPEG200 so sánh với chuẩn JPEG chuẩn nén ảnh tĩnh khác Chương chương quan trọng Dựa kỹ thuật nén ảnh Wavelet, luận văn đưa thuật toán biến đổi ảnh Wavelet hiệu làm giảm đáng kể lượng tính toán truyền thông cần thiết cho ảnh mà đảm bảo chất lượng ảnh (và giảm giá thành dịch vụ) Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 JPEG2000 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 LS JPEG MPEG -4 VTC PNG +++ ++++ + - +++ +++++ + +++ ++++ - +++++ - ++ +++ + +++ - - + - - - - ++ - ++ - - - - ++ +++ +++++ ++ +++++ ++ + +++ +++ + +++ - - + - +++ +++ ++ ++ +++ Bảng 4.2: So sánh tính JPEG2000 với chuẩn nén ảnh tĩnh khác Từ bảng thấy tính vượt trội khả ưu việt JPEG2000 so với chuẩn nén ảnh tĩnh trước Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 CHƯƠNG 5:ỨNG DỤNG WAVELET TRONG CÁC DỊCH VỤ DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5.1 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 5.2.1 Sơ đồ khối tổng quát Hình 5.1 Sơ đồ khối trình nén ảnh Wavelet Hình 5.1 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 Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 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 [4] RLC (mã chạy dài) [4] 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 5.1.2 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 Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 tiếp tục phân ly cách áp dụng trình phân ly 2D cho băng LLi Như ảnh biến đổi nhiều mức Hình 5.2 minh hoạ trình phân ly ảnh mức Hình 5.2 (a) Biến đổi Wavelet 2D mức (b) Minh hoạ ảnh “CASTLE” 5.1.3 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 5-tap/3-tap là: ⎡ − x[2n − 2] + x[2n − 1] + x[2n] + x[2n + 1] − x[2n + 2] + ⎤ L[2n] = ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎡ − x[2n] + x[2n + 1] − x[2n + 2] ⎤ H [2n + 1] = ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ (5.1) Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 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 – CW: K CW = MN (12 A + 10S )∑ l =1 1 − 4− L = MN (12 A + 10S ) ≤ MN (12 A + 10S ) 4l −1 − −l (5.2) Ngoài phép toán số học, bước biến đổi bao gồm số lượng lớn lần truy nhập nhớ Do lượng tiêu hao Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 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: L CREAD _ W = CWRITE_W = MN ∑ l =1 ≤ 4l −1 (5.3) 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 5.2 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 5.3 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 Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 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 tuyên, giảm lượng tiêu hao cần có Hình 5.3 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 5.2), 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 Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 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 (đã đề cập mục 5.2.2 5.2.3) 5.2.1 Hiệu kỹ thuật loại bỏ Để thực kỹ thuật loại bỏ HH H* (EEW), thay đổi phép biến đổi Wavelet mô tả hình 5.4 Như giải thích mục 5.2.2, 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 5.4 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 Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Hình 5.4: 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 mục 5.2.3 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 mục 5.2.3 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: CHH = L MN (22 A + 19 S ) E 1 + MN (12 A + 10 S ) ∑ l −1 ∑ 4l −1 l =1 l = E +1 (5.4) 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 Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 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: E L 1 C READ _ HH = C READ _ W , CWRITE _ HH = MN ∑ l −1 + 2MN ∑ l −1 (5.5) l =1 l = E +1 Kỹ thuật loại bỏ H* cho kết đáng kể việc tiết kiệm lượng tính toán có tổng số băng loại bỏ Phần tới tập trung mô tả minh hoạ kỹ thuật 5.3.2 Các kết thực nghiệm Phần tiến hành thực nghiệm để xem xết kết tiết kiệm lượng tính toán từ việc áp dụng kỹ thuật loại bỏ Thực chất tập trung vào khả tiết kiệm lượng tính toán truyền thông sử dụng kỹ thuật đồng thời xét ảnh hưởng chúng đến chất lượng ảnh 5.3.2.1 Ảnh hưởng đến lượng tính toán chất lượng ảnh 5.3.2.2 Ảnh hưởng đến lượng truyền thông chất lượng ảnh 5.4 Các tham số nén ảnh Wavelet 5.4.1 Thay đổi mức biến đổi Wavelet 5.4.2 Thay đổi mức lượng tử 5.5 Truyền ảnh mạng 5.5.1 Phương pháp lựa chọn tham số động 5.5.2 Kết thực nghiệm Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 KẾT LUẬN Kết đạt ứng dụng luận văn Luận văn trình bầy kỹ thuật nén ảnh, nguyên lý nén số khái niệm quan trọng lĩnh vực xử lý ảnh Tác giả tập trung trình bầy nguyên lý nén có tổn hao điển hình kỹ thuật cốt lõi chuẩn nén (JPEG, JPEG2000, MPEG,…) Với mục đích luận văn nghiên cứu kỹ thuật nén ảnh sử dụng biến đổi Wavelet từ áp dụng liệu đa phương tiện di động, nên tác giả sâu nghiên cứu sở lý thuyết phép biến đổi đồng thời giới thiệu chuẩn nén ảnh JPEG2000 – chuẩn nén phổ biến dựa biến đổi Wavelet Hơn chuẩn lựa chọn hiệu bổ sung chuẩn JPEG sử dụng server chuyển đổi định dạng ảnh Luận văn giới thiệu thuật toán nén ảnh Wavelet hiệu không cho hiệu suất nén ảnh cao, chất lượng ảnh truyền đảm bảo ưu điểm Wavelet, mà hết tiết kiệm lượng xử lý, lượng truyền thông cho ảnh mạng Điều hứa hẹn xây dựng mã hoá ảnh tiết kiệm lượng xử lý, thời gian truyền mà phù hợp với điều kiện băng thông thấp, ràng buộc chất lượng liệu mạng thông tin di động Hướng phát triển nghiên cứu Tác giả xin đề cập số hướng nghiên cứu tương lai: • Luận văn đưa ứng dụng Wavelet cho ảnh tĩnh liệu đa phương tiện di động Những ưu điểm Wavelet khiến áp dụng cho âm thanh, video, khử nhiễu, bảo mật,… • Có nhiều họ Wavelet khả dụng, lựa chọn nhiều cặp Wavelet khác mà không thiếtchỉ lựa chọn cặp 5-tap/3-tap Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 • Nghiên cứu khả ứng dụng chuẩn JPEG2000 cho liệu đa phương tiện thông tin di động nhằm tương thích liệu hình ảnh thuê bao, khữ nhiễu, khôi phục lỗi gói tin ảnh,… • Nghiên cứu thêm giải thuật SPIHT, EWZ ứng dụng thông tin di động Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 PHỤ LỤC Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 TÀI LIỆU THAM KHẢO Martin Vetterli - Jelena Kovacevic - “Wavelet and Subband Coding”(1995) Satish Kumar - “An Introduction to Image Compression” (10/2001) Jin Li - “Image Compression - the Mechanics of the JPEG2000”(2001) David Salomon - “Data Compression - The Complete Reference” (2001) Lương Mạnh Bá - TS Nguyễn Thanh Thuỷ - “Nhập môn xử lý ảnh số”(1999) Nguyễn Kim Sách – “Xử lý ảnh video số” – NXB KHKT, 1997 Đỗ Hoàng Tiến, Vũ Đức Lý – “Truyền hình số” – NXB KHKT, 2000 PGS TS Hồ Anh Tuý - “Xử lý tín hiệu số” (2002) Thomas Sikora – “MPEG-1 and MPEG-2 Digital Video Coding Standards” 10 Borko Furht, Stephen W.Smoliar, Hong Jiang Zhang – “Video and Image Processing in multimedia systems” 11 Thomas Sikora – “Digital Video Coding Standards and Their Role in Video” Communications - Signal Processing for Multimedia, J.S Byrnes (Ed), IOS Press, 1999 12 Anil K Jain - “Fundamental of Digital Image Processing”(1994) 13 Geoffrey Davis - Arina Nosratinia - “Waveled-Based Image Encoding Overview” (1997) 14 Michael David Adams - “JPEG2000 - The Next Standard for Still Image Compressing” (12/2002) 15 Y Kheong Chee - “Information Theory and Its Application to Image Coding” (11/1995) 16 Geoffrey Davis - Roger Claypoole - Wim Sweldens - Richard G.Baraniuk “Nonlinear Wavelet transform for Image Coding via lifting” (8/1999) 17 Michael David Adams - “Reversible Wavelet Transform and their Application to embedded image compression”(1999) Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 18 Michael David Adams - Faouzi Kossentini - Touraji Ebrahimi “JPEG2000: The Next Generation Still Image Compression Standard” (2000) 19 R Calderbank - I Daubechies - Wim Sweldens - “Wavelet transform that map integer to integer”(1998) 20 Website: http://www.citeseer.nj.nec.com 21 Website: http://research.microsoft.com 22 Website: http://www.JPEG.org/JPEG2000.html “ISO/IEC Standard 15444 JPEG2000- Final Committee Draft” (2001) Đỗ Ngọc Anh