Kỹ thuật nén ảnh JPEG 2000

JPEG2000 (ISOIEC15444) : ra đời và thành chuẩn năm 2000.Là phương pháp nén ảnh dựa trên phép biến đổi sóng con ( Wavalet).Chất lượng ảnh tốt hơn ảnh JPEGBao gồm cả nén tổn hao và nén không tổn haoJPEG2000 có thể kết hợp với xử lý vùng ảnh quan tâm và dễ dàng thực hiện phương pháp nén lũy tiến ( Progressive decoding ).

Đề 10 : Kỹ thuật nén ảnh JPEG-2000 Giảng viên hướng dẫn: PGT.TS Nguyễn Thị Hoàng Lan Sinh viên thực : Ngô Quang Anh Nguyễn Hiển Tường Nguyễn Huy Hoàng Phân chia công việc • Nguyễn Hiển Tường - Tìm hiểu khái quát chung chuẩn JPEG-2000 - Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG-2000 • Nguyễn Huy Hoàng - Tìm hiểu thuật toán mã hóa nén ảnh JPEG2000 • Ngô Quang Anh - Xây dựng, cài đặt thử nghiệm thuật toán nén ảnh JPEG-2000 đo lường, đánh giá hiệu nén ( tỷ số nén, độ tổn hao ) giải pháp thử nghiệm, đánh giá hiệu phương pháp Khái quát sơ đồ nén ảnh theo chuẩn JPEG2000 Nguyễn Hiển Tường Khái quát chuẩn JPEG-2000 • JPEG-2000 (ISO/IEC15444) : đời thành chuẩn năm 2000 • Là phương pháp nén ảnh dựa phép biến đổi sóng ( Wavalet) • Chất lượng ảnh tốt ảnh JPEG • Bao gồm nén tổn hao nén không tổn hao • JPEG-2000 kết hợp với xử lý vùng ảnh quan tâm dễ dàng thực phương pháp nén lũy tiến ( Progressive decoding ) Sơ đồ nén ảnh theo chuẩn JPEG-2000 DWT Tiền xử lí • Chia khối • Đổi hệ màu • Xử lý wavelet rời rạc Lượng tử hóa • Uniform quantizin g with deadzone Mã hóa entropy • EZW • SPIHT Tổ chức dòng bit • Sắp xếp đơn giản Xử lý trước biến đổi Xử lý trước biến đổi • Chia ảnh gốc thành ô vuông nhỏ không chồng lên gọi Title • Cách xử lý : Chuyển hệ màu, Biến đổi Wavalet, lượng tử hóa, mã hóa Entropy thực độc lập Tile • Chuyển hệ màu RGB -> YCbCr Biến đổi liên thành phần Biến đổi DWT (Discrete Wavelet Transform) • Các thành phần phan chia thành băng tần số khác băng mã hóa riêng rẽ • DWT phan tách ảnh thành nhiều dải tần số gọi subband • Mỗi mức DWT tác động lần : lần duyệt theo chiều dọc lần duyệt theo chiều ngang Ta thu dải tần : horizontally and vertically lowpass (LL) horizontally lowpass and vertically highpass(LH) horizontally highpass and vertically lowpass (HL) horizontally highpass and vertically highpass (HH) Biến đổi DWT (Discrete Wavelet Transform) Lượng tử hóa • Sau thực biến đổi Wavelet, tất hệ số Wavelet lượng tử hóa • Quá trình làm mát thông tin • Hệ lượng tử hóa được mã hóa từng bit bắt đầu từ bit MSB đến bit LSB (Most đến Least Significant Bit) Mã hóa • Thuật toán mã hóa EZW ( embedded Zerotree Wavelet), SPIHT ( Set Partitioning in hierarchial tree) • Một mặt phẳng bit mã hóa riêng mã số học thích nghi • Mã hóa mặt phẳng bit chia thành khối • Mỗi mặt phẳng bit chia thành khối Thuật toán nén ảnh JPEG2000 Thuật toán EZW (Embeded Zerotree Wavelet) • Hình vẽ: tứ phân: Sau thực phép biến đổi Wavelet ta thu nhận hệ số băng tần khác xếp lại cách khái quát hình trên, liệu (hình ảnh) gốc chia làm bốn phần tương ứng với băng tần LL, HL, LH, HH Đặc điểm hệ số giá trị lớn tập trung băng tần thấp (LL), băng tần lại chứa hệ số có giá trị thấp hơn, đặc biệt HH giá trị nhỏ gần • Cây không (zerotree) Phương pháp xây dựng dựa nhận xét: coi cấu trúc băng tần sau biến đổi Wavelet có dạng hình mô tả hình vẽ nút cha có giá trị không đáng kể nút có giá trị không đáng kể; nút cha nút hầu hết 0, nghĩa không tạo khác biệt lớn lưu hay lưu chi tiết • - Nguyên lý hoạt động thuật toán: Thuật toán mã hóa hệ số theo thứ tự giảm dần - Sử dụng giá trị, gọi ngưỡng để tiến hành mã hóa hệ số biến đổi, theo thứ tự từ vùng tần số thấp đến vùng tần số cao Và hệ số có giá trị tuyệt đối lớn ngưỡng mã hóa - Tiếp theo giảm ngưỡng (giá trị giảm xuống nửa) tiếp tục làm ngưỡng đạt tới giá trị nhỏ giá trị hệ số nhỏ Bộ giải mã phải biết mức ngưỡng giải mã ảnh thành công • Ngưỡng tính theo công thức: • Với ngưỡng đó, đưa hệ số qua hai vòng kiểm soát (pass), cụ thể: - Significant pass: Các hệ số xác định tính đáng kể sau mã hóa thành kí tự ‘p’, ‘n’, ‘t’, ‘z’, đó: ‘p’ – positive significant: giá trị tuyệt đối hệ số dương lớn ngưỡng xét ‘n’ – negative significant: giá trị tuyệt đối hệ số âm lớn ngưỡng xét ‘z’ – insignificant with significant descendants: giá trị tuyệt đối hệ số nhỏ ngưỡng xét, có hệ số có trị tuyệt đối lớn hơn, tức có đáng kể ‘t’ – zerotree root: gốc không, tức trị tuyệt đối giá trị hệ số không đáng kể - Refinement pass: Các hệ số mã hóa ‘p’ hay ‘n’ xét giá trị cụ thể cho ‘0’ ‘1’ • Sử dụng thuật toán quét (scan) giá trị hệ số bảo đảm yêu cầu: - Hệ số mức thực Wavelet cao quét trước - Mức Wavelet thấp quét sau - Hệ số băng tần thấp quét trước tới hệ số băng tần cao Thông thường áp dụng Morton Scan hình chữ Z: Ví dụ Cmax= 57 To = 2^5 = 32 A3 = 57 > 32 => A3= P H3 = -35 |-35| > 32 => H3= N V3 = -29 |-29| < 32 có V1 có giá trị 47 > 32 => V3= Z D3 = 25 < 32 giá trị D2 D1 > 32 => D3 = T ⇒ [A3, H3, V3, D3] = PNZT Tương tự ta có H2 = PTTT, V2 = TZTT D2 không cần mã hóa D3 zero Tiếp tục mã hóa bước ta dãy: PNZT PTTT TZTT TTTT TPTT Tiếp theo ta mã hóa giá trị P N, ta lấy dọc theo bit thứ giá trị Sau hoàn thành ta thu • Bước thứ ta giảm ngưỡng xuống nửa 16 • Ta thu P2 = ZTNPTTTTTTTT • Các giá trị vượt ngưỡng : 57 35 52 47 29 25, giá trị bước ghi sau giá trị bước • Mã hóa giá trị lần lấy dọc bit thứ ta dc S2 = 100111 • Cứ tiếp tục đến ngưỡng đạt giá trị thấp ta Giải mã P nhận giá trị Tn, N nhận giá trị -Tn Z T không nhận giá trị Cứ lần cộng thêm S, giá trị Tn giảm nửa nhận giá trị Tn, j • Xét P1, giá trị P = To = 32, N = -To = -32, Z = T = • Các giá trị điền theo mô hình Morton Scan mã hóa • Xét S1, giá trị 1,0,1,0 cộng vào giá trị P N tương ứng P1 • = 1/2To = 16, Thêm 16 P – 16 N • Các giá trị không thêm • Ngưỡng P2 16 • Ngưỡng S2 giảm nửa lại • Cứ tiếp tục đến ta giải mã xong Thử nghiệm nén ảnh JPEG2000 với Matlab Ảnh gốc Biến đổi thuận thành phần Lượng tử hóa Biến đổi DWT SPIHT Ảnh mã hóa Giải mã hóa Mã hóa Ảnh sau mã hóa Biến đổi EZW Giải lượng tử hóa Biến đổi ngược thành phần Ảnh khôi phục [...]... vẫn là 16 • Ngưỡng ở S2 giảm 1 nửa còn lại 8 • Cứ tiếp tục như vậy đến khi ta giải mã xong Thử nghiệm nén ảnh JPEG2 000 với Matlab Ảnh gốc Biến đổi thuận thành phần Lượng tử hóa Biến đổi DWT SPIHT Ảnh mã hóa Giải mã hóa Mã hóa Ảnh sau khi mã hóa Biến đổi EZW Giải lượng tử hóa Biến đổi ngược thành phần Ảnh khôi phục ... đến bit LSB (Most đến Least Significant Bit) Mã hóa • Thuật toán mã hóa EZW ( embedded Zerotree Wavelet), SPIHT ( Set Partitioning in hierarchial tree) • Một mặt phẳng bit được mã hóa riêng bằng mã số học thích nghi • Mã hóa mỗi mặt phẳng bit được chia thành các khối • Mỗi mặt phẳng bit được chia thành các khối Thuật toán nén ảnh trong JPEG2 000 Thuật toán EZW (Embeded Zerotree Wavelet) • Hình vẽ: cây... giá trị không đáng kể; ngoài ra nếu nút cha là 0 thì các nút con cũng hầu hết là 0, nghĩa là không tạo ra sự khác biệt lớn nếu chỉ được lưu là 0 hay lưu chi tiết hơn • - Nguyên lý hoạt động của thuật toán: Thuật toán sẽ mã hóa các hệ số theo thứ tự giảm dần - Sử dụng một giá trị, gọi là ngưỡng để tiến hành mã hóa các hệ số biến đổi, theo thứ tự từ vùng tần số thấp đến vùng tần số cao Và chỉ những hệ... theo giảm ngưỡng (giá trị giảm xuống 1 nửa) và tiếp tục làm như vậy cho tới khi ngưỡng đạt tới giá trị nhỏ hơn giá trị của hệ số nhỏ nhất Bộ giải mã phải biết các mức ngưỡng này thì mới có thể giải mã ảnh thành công • Ngưỡng đầu tiên được tính theo công thức: • Với một ngưỡng nào đó, đưa các hệ số qua hai vòng kiểm soát (pass), cụ thể: - Significant pass: Các hệ số được xác định tính đáng kể sau đó... tức là trị tuyệt đối giá trị hệ số ở đây không đáng kể và các con của nó cũng thế - Refinement pass: Các hệ số đã được mã hóa ‘p’ hay ‘n’ sẽ được xét giá trị cụ thể và cho ra ‘0’ hoặc ‘1’ • Sử dụng một thuật toán quét (scan) các giá trị hệ số bảo đảm yêu cầu: - Hệ số ở mức thực hiện Wavelet cao hơn được quét trước - Mức Wavelet thấp hơn được quét sau - Hệ số ở băng tần thấp được quét trước rồi tới hệ... vẽ: cây tứ phân: Sau khi thực hiện phép biến đổi Wavelet thì ta thu nhận được các hệ số ở các băng tần con khác nhau và có thể được sắp xếp lại một cách khái quát như hình trên, trong đó dữ liệu (hình ảnh) gốc được chia đều làm bốn phần tương ứng với các băng tần LL, HL, LH, HH Đặc điểm của các hệ số này là giá trị rất lớn tập trung ở băng tần thấp (LL), ngoài ra các băng tần còn lại chứa các hệ số ... chung chuẩn JPEG-2000 - Tìm hiểu sơ đồ nén ảnh JPEG-2000 • Nguyễn Huy Hoàng - Tìm hiểu thuật toán mã hóa nén ảnh JPEG2000 • Ngô Quang Anh - Xây dựng, cài đặt thử nghiệm thuật toán nén ảnh JPEG-2000. .. pháp nén ảnh dựa phép biến đổi sóng ( Wavalet) • Chất lượng ảnh tốt ảnh JPEG • Bao gồm nén tổn hao nén không tổn hao • JPEG-2000 kết hợp với xử lý vùng ảnh quan tâm dễ dàng thực phương pháp nén. .. đánh giá hiệu nén ( tỷ số nén, độ tổn hao ) giải pháp thử nghiệm, đánh giá hiệu phương pháp Khái quát sơ đồ nén ảnh theo chuẩn JPEG2000 Nguyễn Hiển Tường Khái quát chuẩn JPEG-2000 • JPEG-2000 (ISO/IEC15444)