Thông tin ảnh vô tuyến

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN NHƯ CƯỜNG THÔNG TIN ẢNH VÔ TUYẾN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VÔ TUYẾN – ĐIỆN TỬ MÃ SỐ NGÀNH: 2.07.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2003 Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Trường Đại học Bách khoa Cộng hoà Xã hội Chủ nghĩa Việt nam Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ Họ tên học viên: Nguyễn Như Cường Ngày,tháng, năm sinh: 31-10-1973 Chuyên ngành: Kỹ thuật Vô tuyến – Điện tử I Phái: Nam Nơi sinh: Hà Bắc Mã số: 2.07.01 TÊN ĐỀ TÀI Thông tin ảnh vô tuyến II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG - III IV V Tìm hiểu mạng thơng tin di động GSM Khảo sát việc truyền liệu qua mạng GSM Tìm hiểu ảnh số phương pháp nén ảnh số Nghiên cứu phép biến đổi Wavelets ứng dụng nén ảnh Thực giải pháp nén truyền ảnh hai máy tính PC qua mơi trường mạng thông tin di động GSM, đánh giá thông số nén ảnh, truyền ảnh vấn đề liên quan NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/12/2002 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/06/2003 HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS Lê Tiến Thường TS Đinh Việt Hào CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS Lê Tiến Thường TS Đinh Việt Hào CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MƠN QUẢN LÝ NGÀNH PGS TS Vũ Đình Thành TS Phạm Hồng Liên Nội dung đề cương luận văn thạc sỹ Hội Đồng Chuyên Ngành thơng qua PHỊNG ĐÀO TẠO SĐH Ngày tháng năm 2003 KHOA QUẢN LÝ NGÀNH Tóm tắt Lý lịch trích ngang Họ tên: NGUYỄN NHƯ CƯỜNG Ngày, tháng, năm sinh: 31-10-1973 Nơi sinh: Hà Bắc Địa liên lạc: 500/109 Phạm Văn Hai, phường 3, quận Tân Bình, Tp Hồ Chí Minh Điện thoại: 8464347 Q TRÌNH ĐÀO TẠO • • ĐẠI HỌC: - Chế độ học: Chính quy tập trung - Thời gian học: Từ 1992 đến 1997 - Nơi học: Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh - Ngành học: Điện - Điện tử, chuyên ngành Viễn thông - Tên luận án: Thiết kế, mô thi công mạch siêu cao tần - Nơi bảo vệ luận án: Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh - Người hướng dẫn: ThS Tạ Cơng Đức TRÊN ĐẠI HỌC: - Cao học từ: 1999 đến 2003 trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh - Tên luận án cao học: Thông tin ảnh vô tuyến - Ngày bảo vệ: 10/06/2003, trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh - Người hướng dẫn: TS Lê Tiến Thường TS Đinh Việt Hào QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC - Từ tháng 8-1997 đến nay: Trung tâm Quản Lý Bay Miền Nam LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn Thầy LÊ TIẾN THƯỜNG Thầy ĐINH VIỆT HÀO tận tâm giảng dạy, nhiệt tình hướng dẫn bảo em kiến thức tài liệu để em hoàn thành luận án tốt nghiệp Xin chân thành cảm ơn tập thể Thầy Cơ trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh giúp em thu lượm lượng kiến thức khoa học suốt trình học tập trường để có sở vững thực đề tài nghiên cứu Cũng xin chân thành cảm ơn bạn bè, quan, gia đình ln sẵn lịng giúp đỡ, động viên tơi suốt q trình học tập thực luận án Học viên NGUYỄN NHƯ CƯỜNG THD: TS Lê Tiến Thường TS Đinh Việt Hào Thơng Tin Ảnh Vơ Tuyến MỤC LỤC Trang Tóm tắt Giới thiệu Chương Hệ Thống Thông Tin Di Động Toàn Cầu GSM 1.1 Tổng Quan Hệ Thống Điện Thoại Di Động Tổ Ong Tổng Quan 1.1.1 Cấu Hình Hệ Thống Tổng Quát 1.1.2 Sự Phát Triển Của Hệ Thống Tổ Ong 1.1.3 1.2 Lịch Sử Phát Triển Hệ Thống GSM 1.3 Cấu Trúc Mạng Thông Tin Di Động GSM 1.4 Các Loại Kênh Trong Mạng GSM Kênh Vật Lý 1.4.1 Kênh Logic 1.4.2 1.5 Các Phương Pháp Đa Truy Cập Phương Pháp Đa Truy Cập Chia Tần FDMA 1.5.1 Phương Pháp Đa Truy Cập Chia Thời Gian TDMA 1.5.2 Phương Pháp Đa Truy Cập Phân Chia Theo Mã CDMA 1.5.3 1.6 Nhiễu Trong Hệ Thống GSM Nhiễu Ngoại 1.6.1 Nhiễu Nội 1.6.2 Méo Hài 1.6.3 Méo Q Điều Chế 1.6.4 Chỉ Số Cơng Suất Tín Hiệu Trên Nhiễu 1.6.5 Chỉ Số Nhiễu 1.6.6 1.7 Kỹ Thuật Điều Chế Trong Hệ Thống GSM 1.8 Môi Trường Truyền Dẫn Và Suy Hao Đường Truyền Trong Hệ Thống GSM Mơ Hình Truyền Dẫn Trong Khơng Gian Tự Do 1.8.1 Mơ Hình Đáp Ứng Xung Của Kênh Nhiều Đường 1.8.2 Suy Hao Đường Truyền 1.8.3 Hiệu Ứng Doppler 1.8.4 Fading 1.8.5 1.9 Các Loại Giao Thoa Trong Hệ Thống GSM Giao Thoa Đồng Kênh 1.9.1 Giao Thoa Kênh Kề 1.9.2 Giao Thoa Đầu Gần Đầu Xa 1.9.3 Giao Thoa Ký Tự 1.9.4 Mục Lục i 6 14 18 18 18 20 20 21 22 23 23 24 24 25 25 25 26 30 30 31 33 34 35 39 39 40 40 41 HV: Nguyễn Như Cường THD: TS Lê Tiến Thường TS Đinh Việt Hào Thông Tin Ảnh Vô Tuyến 1.10 Các Phương Pháp Cải Thiện Đường Truyền Vô Tuyến Trong Hệ Thống GSM 1.10.1 Kỹ Thuật Cân Bằng 1.10.2 Kỹ Thuật Phân Tập 1.10.3 Kỹ Thuật Mã Hóa Kênh Chương Truyền Dữ Liệu Qua Hệ Thống GSM 2.1 2.2 2.3 41 42 44 45 48 Truyền Dữ Liệu Qua Hệ Thống GSM Sơ Đồ Truyền Dẫn Tập Lệnh Hayes 48 49 51 Chương Các Phương Pháp Nén Ảnh Số 56 3.1 Giới Thiệu Về Ảnh Số Sơ Lược Về Gam Màu 3.1.1 Sơ Lược Về Màu Sắc 3.1.2 Cấu Trúc Ảnh Số 3.1.3 Cấu Trúc Ảnh MicroSoft Windows Bitmap BMP 3.1.4 Nội Dung File BMP 3.1.5 Miêu Tả Chi Tiết Một Số Trường 3.1.6 3.2 Nén Không Tổn Hao Kỹ Thuật Mã Hóa Độ Dài Loạt 3.2.1 Nén Trong Truyền Fax 3.2.2 Mã Hóa Số Học 3.2.3 Các Giải Thuật Thích Ứng Với Chuỗi 3.2.4 3.3 Nén có tổn hao Phép Biến Đổi Cosin Rời Rạc 3.3.1 Nén Ảnh JPEG 3.3.2 Nén Video MPEG 3.3.3 Nén Hình Ảnh Fractal 3.3.4 56 56 61 71 72 73 76 81 81 83 86 95 96 96 104 114 118 Chương Biến Đổi Wavelets Và Ứng Dụng Trong Nén Ảnh 4.1 Giới Thiệu Biến Đổi Wavelets Biến Đổi Fourier 4.1.1 Biến Đổi Fourier Thời Gian Ngắn 4.1.2 Biến Đổi Wavelets 4.1.3 Các Khả Năng Của Biến Đổi Wavelets 4.1.4 Cơ Bản Về Phép Biến Đổi Wavelets 4.1.5 4.2 Biến Đổi Wavelets Liên Tục Định Nghĩa 4.2.1 Tỉ Lệ Và Dịch Một Wavelets 4.2.2 Năm Bước Đơn Giản Để Tính Một Biến Đổi Wavelets Liên Tục 4.2.3 Sự Liên Quan Giữa Tỉ Lệ Và Tần Số 4.2.4 Sự Liên Tục Ở Biến Đổi Wavelets Liên Tục 4.2.5 Mục Lục ii 127 127 127 127 128 128 129 130 130 131 132 134 134 HV: Nguyễn Như Cường THD: TS Lê Tiến Thường TS Đinh Việt Hào Thông Tin Ảnh Vô Tuyến 4.3 Biến đổi Wavelets rời rạc Bộ Lọc Một Tầng 4.3.1 Sự Phân Giải Nhiều Mức 4.3.2 Sự Tái Tạo Lại Tín Hiệu Của Wavelets 4.3.3 4.4 Ứng Dụng Wavelets Trong Nén Ảnh Nhu Cầu Cần Có Một Chuẩn Nén Ảnh Mới 4.4.1 Tiêu Chuẩn Nén Ảnh JPEG 2000 4.4.2 Cơ Chế Nén JPEG 2000 4.4.3 135 135 136 137 139 139 144 150 Chương Chương Trình Ứng Dụng Nén Và Truyền Ảnh 5.1 Giới thiệu 5.2 Phần nén ảnh Cấu Trúc File Ảnh Nén JP2 5.2.1 Cấu Trúc Dữ Liệu Ảnh Nén Code Stream 5.2.2 Quá Trình Nén Ảnh 5.2.3 Quá Trình Giải Nén Ảnh 5.2.4 Tính Tốn Các Chỉ Tiêu Kỹ Thuật Của Việc Nén Ảnh 5.2.5 5.3 Phần truyền ảnh Cấu Trúc Phần Cứng 5.3.1 Chương Trình Truyền Ảnh 5.3.2 Đánh Giá Các Chỉ Tiêu Kỹ Thuật Truyền Ảnh 5.3.3 5.4 Hình Ảnh Giao Diện Của Chương Trình 159 159 160 160 162 164 178 180 183 183 184 190 190 Chương Kết Luận 195 6.1 6.2 6.3 195 209 213 Kết Quả Mơ Phỏng Của Chương Trình Phần Nén Ảnh Kết Quả Mơ Phỏng Của Chương Trình Phần Truyền Ảnh Kết Luận Và Hướng Phát Triển Của Đề Tài 215 Tài Liệu Tham Khảo Mục Lục iii HV: Nguyễn Như Cường THD: TS Lê Tiến Thường TS Đinh Việt Hào Thông Tin Ảnh Vô Tuyến ABSTRACT The GSM (Global System for Mobile Communications), which came into being in the early 1990’s, has developed restlessly and produced many unexpected successes Up to Mar 2003, the GSM network has got 821.3 million subscribers and 172 countries have used the GSM network It is expected that at the end of 2003, the subscriber number will reach 941.2 million The GSM Mobile Network uses digital technology therefore it has a great capacity to provide a large variety of services In addition to the traditional mobile phone provision, the GSM network provides various data services such as data transfer rates from 300 to 9,600 bps, fax G3 with the rate of up to 9,600 bps… However, these services have not been very popular due to many factors, for example, limited IT knowledge of users, not many applications are available and user-friendly… and partly data transfer rates are not very high while user service fees are expensive On the other hand, the GSM user demand has been becoming wider and more sophisticated Besides the phone service, users want to send messages, pictures, fax and music files Therefore, finding out data service solutions is one of the top interests of manufacturers, service providers and users in the near future This thesis will discuss about the possibility of transferring data over a mobile channel between two PCs It also discusses a number of requirements for imaging applications as well as the JPEG 2000 standard – the most recent ISO/IEC standard The outcome of this thesis will be a picture compressiontransmission system between two PCs over a mobile channel TĨM TẮT Mạng thơng tin di động GSM kể từ đời vào khoảng năm đầu thập kỷ 90 không ngừng phát triển đạt thành cơng ngồi mong đợi Tính đến tháng năm 2003 mạng GSM tồn giới có khoảng 821.3 triệu thuê bao có 172 quốc gia vùng lãnh thổ thức hịa mạng GSM Theo dự kiến đến cuối năm 2003 này, số lượng thuê bao mạng di động GSM toàn giới đạt số 941.2 triệu thuê bao Mạng thông tin di động GSM sử dụng cơng nghệ số có khả cung cấp dịch vụ đa dạng Bên cạnh việc cung cấp dịch vụ thoại truyền thống, mạng GSM cung cấp nhiều dịch vụ liệu truyền liệu tốc độ từ 300 đến 9600bps, fax nhóm với tốc độ lên đến 9600bps,… Tuy nhiên dịch vụ liệu chưa sử dụng rộng rãi nhiều nguyên nhân kiến thức máy tính người sử dụng cịn nhiều hạn chế, trình ứng dụng chưa nhiều chưa thuận tiện,… phần tốc độ liệu chưa cao, dịch vụ phí lại cao người sử dụng Ngược lại nhu cầu khách hàng sử dụng mạng GSM ngày đa dạng phong phú Bên cạnh việc gọi điện thoại, người sử dụng cịn có nhu cầu gửi tin nhắn, hình ảnh, fax, nhạc… Do việc đưa giải pháp dịch vụ số liệu mối quan tâm hàng đầu nhà sản xuất, cung cấp dịch người sử dụng thời gian tới Luận án thảo luận khả gửi liệu qua kênh truyền dẫn di động máy tính PC Đề tài thảo luận yêu cầu ứng dụng hình ảnh miêu tả chuẩn JPEG 2000, chuẩn nén ảnh ISO/IEC Kết luận án hệ thống nén truyền ảnh máy tính PC qua kênh điện thoại di động Tóm tắt HV: Nguyễn Như Cường THD: TS Lê Tiến Thường TS Đinh Việt Hào Thông Tin Ảnh Vô Tuyến GIỚI THIỆU Các mạng thông tin di động ngày phát triển với tốc độ chóng mặt Tính đến tháng 03-2003, tồn giới có khoảng 1.3 tỉ thuê bao di động Trong thuê bao mạng thơng tin di dộng tồn cầu GSM (Global System for Mobile communication) 821.3 triệu, 172 quốc gia vùng lãnh thổ tồn giới thức hòa mạng GSM (các số liệu lấy từ GSM Association, www.gsmworld.com) Chính dịch vụ ứng dụng qua mạng thông tin di động, đặc biệt mạng thông tin di động số GSM, đề tài quan tâm nhiều nhà nghiên cứu, sản xuất, cung cấp dịch vụ người tiêu dùng toàn giới Bên cạnh việc gọi điện thoại, dịch vụ truyền liệu qua mạng thông tin di động GSM ngày phát triển Nhắn tin dịch vụ truyền liệu phát triển nhanh Trong năm 2002 có 366 tỉ tin nhắn gửi toàn giới Tuy nhiên dịch vụ truyền liệu qua mạng thơng tin di động GSM nói chung cịn chưa phát triển tương xứng với vai trị Ngun nhân chủ yếu dịch vụ cịn khó sử dụng khách hàng, tốc độ truyền liệu chưa cao, ứng dụng khai thác dịch vụ chưa nhiều không thật sinh động, hấp dẫn Một trở ngại để sử dụng dịch vụ khách hàng cần phải có kiến thức định máy tính PC Mặc dù dịch vụ ngày phát triển mạnh mẽ tình hình tương lai chắn khác Đề tài thảo luận khả gửi hình ảnh âm qua kênh truyền dẫn di động vấn đề liên quan Các vấn đề thảo luận bao gồm hệ thống thông tin di động GSM, vấn đề truyền liệu qua mạng GSM, khái niệm ảnh số nén ảnh số Đề tài giới thiệu chuẩn nén ảnh JPEG 2000, chuẩn nén ảnh ISO/IEC sử dụng phép biến đổi Wavelets Phần kết hệ thống nén truyền ảnh, âm máy tính PC qua kênh điện thoại di động Ảnh số trước truyền nén với phương pháp sử dụng phép biến đổi Wavelets Đây phương pháp hiệu cho tỉ số nén chất lượng ảnh tốt so với chuẩn nén ảnh JPEG phổ biến Internet Sau nén ảnh truyền qua kênh liệu mạng thông tin di động Ở đầu thu ảnh giải nén hiển thị cho người sử dụng Do tốc độ truyền kênh liệu mạng thơng tin di động GSM cịn chưa cao (tối đa 9600bps), nên việc nén ảnh với tỉ số nén cao chất lượng ảnh tốt có ý nghĩa quan trọng việc truyền ảnh Nếu ta nén ảnh nhỏ 20 lần thời gian truyền ảnh khoảng 1/20 thời gian Giới Thiệu HV: Nguyễn Như Cường THD: TS Lê Tiến Thường TS Đinh Việt Hào Thông Tin Ảnh Vô Tuyến để truyền ảnh gốc chưa nén Điều tiết kiệm băng thơng mà cịn mở khả phát triển ứng dụng khác tương lai Việc truyền liệu qua mạng thơng tin di động GSM nói chung liệu ảnh nói riêng cịn chưa khai thác nhiều mẻ nhiều người Luận án cố gắng tìm hiểu làm sáng tỏ vấn đề cố gắng đưa giao thức truyền liệu qua mạng GSM hiệu mang tính khả thi Giao thức đáp ứng việc truyền liệu hình ảnh nói riêng liệu nhị phân nói chung Kênh truyền liệu qua mạng GSM khai thác thông qua điện thoại di động Hai điện thoại di động gọi để thiết lập kênh truyền liệu qua mạng GSM Một đường truyền thiết lập, liệu gửi thông qua đường truyền Đề tài tìm hiểu khả giao tiếp máy tính PC với máy điện thoại di động qua cổng nối tiếp hay hồng ngoại để gửi liệu qua máy tính PC phía bên thông qua kênh truyền hai điện thoại di động Ngồi việc truyền liệu hình ảnh qua mạng GSM, đề tài cố gắng kết hợp truyền kèm theo liệu âm nói riêng hay liệu khác nói chung để chương trình ứng dụng thêm phong phú Phần nén ảnh hỗ trợ thêm chuẩn nén ảnh JPEG để thuận tiện cho việc so sánh hiệu phương pháp nén ảnh Hệ thống truyền ảnh vơ tuyến tóm tắt hình Phần mềm hệ thống truyền ảnh có tên “Wireless Image Communications” viết ngôn ngữ lập trình Microsoft Visual C++, version 6.0 Đây ngơn ngữ lập trình có khả can thiệp chức hệ thống mạnh phần thiết kế giao diện tương đối thuận tiện ảnh số nguồn Máy PC ảnh số đích Nén ảnh số Cổng nối tiếp Điện thoại di động Mạng thông tin di động GSM Nhạc hay thoại Giải nén ảnh số Cổng nối tiếp Điện thoại di động Máy PC Giới Thiệu HV: Nguyễn Như Cường THD: TS Lê Tiến Thường TS Đinh Việt Hào Thông Tin Ảnh Vô Tuyến * SO SÁNH CHẤT LƯỢNG NÉN ẢNH VỚI CHUẨN JPEG Chương trình có tích hợp chuẩn nén JPEG để thuận lợi cho việc so sánh Để so sánh nén ảnh dùng Wavelets JPEG với tốc độ bit trước hết ta nén ảnh theo chuẩn JPEG trước, lấy thông số bpp vừa tìm dùng cho cách nén wavelets Thay đổi số chất lượng Q chuẩn nén JPEG từ đến 90 với bước nhảy thay đổi Bảng 6.5 số kết đạt nén ảnh 256 mức xám elaine.bmp, kích thước 512 x 512 chuẩn nén JPEG nén dùng Wavelets Hình 6.7 đồ thị minh họa chất lượng ảnh chuẩn nén JPEG nén dùng Wavelets ảnh elaine.bmp Ta nhận thấy ảnh elaine.bmp có kích thước 512x512, chuẩn nén dùng wavelets có chất lượng PSNR nén cao JPEG khoảng 0,6dB Đặc biệt vùng tốc độ nén cao (2bpp) số PSNR wavelets JPEG khoảng dB ngày lớn xa trung tâm Ảnh JPEG 0,2 bpp chất lượng xấu, khó xem ảnh wavelet chấp nhận Ảnh JPEG hay bị tượng khối chất lượng ảnh thấp ảnh wavelet hoàn tồn khơng có tượng Ảnh JPEG cho chất lượng ảnh tốt (PSNR>33dB) tốc độ khoảng 0.65bpp wavelets cần 0.5bpp Một ưu điểm nén dùng Wavelets ta xác định trước cách xấp xỉ kích thước file nén, tốc độ nén, chuẩn nén JPEG ta hồn tồn khơng biết trước thơng tin Các thông tin nén JPEG biết sau nén xong Tất nhiên số chất lượng Q thấp ảnh nén nhỏ khơng có phụ thuộc rõ ràng số Q kích thước file ảnh nén Bảng 6.5 Kết nén ảnh elaine.bmp, kích thước 512 x 512 JPEG Nén dùng Wavelets Bits per pixel Tỉ số nén (%) Quality RMSE PSNR (dB) RMSE PSNR (dB) 0.1325 0.1577 0.2188 0.2786 0.3865 0.5019 0.6141 0.7231 0.8855 1.1249 1.7192 98.3501 98.0374 97.2764 96.5314 95.1889 93.7520 92.3547 90.9977 88.9766 85.9966 78.5983 10 15 25 35 45 55 65 75 85 14.1606 10.7510 8.1205 7.1924 6.4030 6.0154 5.7616 5.5554 5.3102 4.9852 4.2518 25.1432 27.5358 29.9731 31.0273 32.0372 32.5795 32.9539 33.2705 33.6626 34.2112 35.5933 7.3426 7.0652 6.6409 6.3183 5.9704 5.6223 5.3418 5.0371 4.6486 4.1569 3.0379 30.8478 31.1823 31.7203 32.1528 32.6447 33.1666 33.6111 34.1211 34.8183 35.7893 38.5134 C6: Kết Luận 203 HV: Nguyễn Như Cường THD: TS Lê Tiến Thường TS Đinh Việt Hào Thông Tin Ảnh Vô Tuyến Ảnh elaine.bmp, kích thước 512x512, nén JPEG tốc độ 0.2188bpp Ảnh elaine.bmp, kích thước 512x512, nén Wavelets tốc độ 0.2202bpp Hình 6.6 So sánh nén ảnh JPEG wavelets ảnh elaine.bmp C6: Kết Luận 204 HV: Nguyễn Như Cường THD: TS Lê Tiến Thường TS Đinh Việt Hào Thơng Tin Ảnh Vơ Tuyến Hình 6.7 So sánh chất lượng ảnh nén wavlets JPEG ảnh elaine.bmp kích thước 512x512 Bảng 6.6 so sánh chất lượng kiểu nén dùng JPEG dùng wavelets ảnh lacorn.bmp Hình 6.8 so sánh trực quan kiểu nén Ảnh nén JPEG nén tốc độ bit thấp xuất hiện tượng khối vng khó chịu ảnh nén Wavelets hồn tồn khơng có tượng Chất lượng nén dùng Wavelets cao nén JPEG tốc độ bít Hình 6.9 minh họa chất lượng nén thể điều So với đồ thị hình 6.6 độ chênh lệch hai đầu chất lượng không thay đổi chênh lệch nhiều Bảng 6.6 Ảnh lacorn.bmp, kích thước 256x25, kích thước file 66614 bytes Bits per pixel Tỉ số nén (%) 0.2839 0.5323 0.7012 0.8475 0.9725 1.0865 1.2509 1.4888 1.9766 3.5568 96.5082 93.4533 91.3772 89.5773 88.0401 86.6379 84.6173 81.6915 75.6928 56.2599 C6: Kết Luận JPEG Nén dùng Wavelets Quality RMSE PSNR (dB) RMSE PSNR (dB) 15 25 35 45 55 65 75 85 95 15.0329 8.9019 7.1109 6.1886 5.5945 5.1271 4.6254 4.0442 3.1902 1.7054 24.6239 29.1752 31.1263 32.3330 33.2096 33.9673 34.8619 36.0281 38.0883 43.5283 11.2561 7.3723 6.2335 5.0971 4.6241 4.1799 3.6882 3.1522 2.4141 1.1106 27.1371 30.8127 32.2702 34.0184 34.8642 35.7414 36.8284 38.1926 40.5098 47.2539 205 HV: Nguyễn Như Cường THD: TS Lê Tiến Thường TS Đinh Việt Hào Thông Tin Ảnh Vô Tuyến Nén JPEG Nén Wavelets Ảnh nén 0.2839 bpp Ảnh nén 0.2716 bpp Ảnh nén 0.5323 bpp Ảnh nén 0.5381 bpp Ảnh gốc lacorn.bmp Hình 6.8 So sánh kiểu nén ảnh ảnh lacorn.bmp C6: Kết Luận 206 HV: Nguyễn Như Cường THD: TS Lê Tiến Thường TS Đinh Việt Hào Thơng Tin Ảnh Vơ Tuyến Hình 6.9 So sánh chất lượng ảnh nén wavelets JPEG ảnh lacorn.bmp kích thước 256x256 Bảng 6.7 kết đạt nén ảnh 24 bits màu girl.bmp, kích thước ảnh 256 x 256 Hình 6.10 so sánh ảnh trực quan hình 6.11 đồ thị chất lượng ảnh theo tốc độ bit kiểu nén Bảng 6.7 Kết nén ảnh 24 bits màu girl.bmp, kích thước 256 x 256 JPEG Nén dùng Wavelets Bits per pixel Tỉ số nén (%) Quality RMSE PSNR (dB) RMSE PSNR (dB) 0.2648 0.3060 0.3890 0.4678 0.5920 0.7084 0.8131 0.9185 1.0529 1.2625 1.6772 3.0979 98.8971 98.7252 98.3795 98.0515 97.5338 97.0493 96.6130 96.1741 95.6143 94.7412 93.0134 87.0956 10 15 25 35 45 55 65 75 85 95 20.6033 15.8057 12.0450 10.4483 8.9542 8.1225 7.7165 7.3796 6.9389 6.3728 5.8753 5.1477 21.8861 24.1885 26.5486 27.7839 29.1243 29.9710 30.4164 30.8041 31.3390 32.0782 32.7842 33.9325 8.4507 7.7585 6.6572 6.1067 5.2961 4.7208 4.3701 4.1466 3.8660 3.4730 3.0236 2.2519 29.6269 30.3693 31.6990 32.4487 33.6856 34.6845 35.3551 35.8109 36.4196 37.3507 38.5542 41.1137 C6: Kết Luận 207 HV: Nguyễn Như Cường THD: TS Lê Tiến Thường TS Đinh Việt Hào Thông Tin Ảnh Vô Tuyến Nén JPEG Nén Wavelets Ảnh nén 0.2648 bpp Ảnh nén 0.2648 bpp Ảnh nén 0.3890 bpp Ảnh nén 0.3890 bpp Ảnh nén 1.2625 bpp Ảnh nén 1.2625 bpp Hình 6.10 So sánh kiểu nén ảnh ảnh girl.bmp C6: Kết Luận 208 HV: Nguyễn Như Cường THD: TS Lê Tiến Thường TS Đinh Việt Hào Thông Tin Ảnh Vơ Tuyến Hình 6.11 So sánh chất lượng ảnh nén wavlets JPEG ảnh màu girl.bmp kích thước 256x256 Ta nhận thấy ảnh màu girl, chất lượng nén dùng Wavelets cao hẳn nén dùng JPEG Độ chênh lệch thấp đạt 4,5dB So với ảnh 256 mức xám độ chênh lệch lớn hẳn 6.2 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG CỦA CHƯƠNG TRÌNH PHẦN TRUYỀN ẢNH 6.2.1 PHƯƠNG THỨC KHÔNG TRUYỀN LẠI FRAME BỊ LỖI Với phương thức này, phía truyền ảnh truyền liên tục liệu ảnh không truyền lại bất chấp bên nhận ảnh có nhận hay khơng Q trình truyền liệu ảnh mạng GSM, liệu thêm vào bít phát sai sửa sai nhằm làm cho đường truyền tin cậy Toàn liệu thực nghiệm thu qua việc truyền ảnh qua mạng GSM MobiFone Ta thực truyền ảnh nhiều lần, qua lần ta thay đổi kích thước frame liệu để xem xét kết Thời gian truyền ảnh tính từ lúc bắt đầu truyền file ảnh truyền xong file ảnh Thống kê thời gian truyền file ảnh nén có kích thước 9911 bytes theo kích thước frame Đây ảnh màu girl.bmp nén tốc độ bit 1.2098 bpp Tốc độ kết nối 9600bps Bảng 6.8 kết thu C6: Kết Luận 209 HV: Nguyễn Như Cường THD: TS Lê Tiến Thường TS Đinh Việt Hào Thông Tin Ảnh Vô Tuyến Bảng 6.8 Truyền ảnh theo phương thức không truyền lại frame bị lỗi, file ảnh 9911 bytes Kích thước Frame (bytes) Tổng số frame Thời gian truyền Số frame bị lỗi Tốc độ liệu trung bình (bps) 32 54 118 246 502 1014 2038 4086 8182 16370 310 184 84 41 20 10 11 s 810 11 s 090 10 s 490 10 s 220 10 s 110 10 s 000 09 s 990 10 s 110 10 s 330 10 s 660 0 0 0 0 0 6713.63 7149.50 7558.44 7758.12 7842.53 7928.80 7936.74 7842.53 7675.51 7438.90 Hình 6.12 Tốc độ truyền ảnh theo phương thức không truyền lại frame bị lỗi Ta nhận thấy tốc độ kết nối 9600bps tốc độ truyền thực tế khoảng 8000bps Phần nhiều tốc độ đạt khoảng 7000 đến 8000 bps Khơng có frame bị lỗi truyền Địa điểm tiến hành thí nghiệm truyền ảnh quận Tân Bình, Thành Phố Hồ Chí Minh Nơi sóng MobiFone tương đối tốt Ảnh thu đầu nhận có chất lượng tương tự ảnh truyền C6: Kết Luận 210 HV: Nguyễn Như Cường THD: TS Lê Tiến Thường TS Đinh Việt Hào Thông Tin Ảnh Vô Tuyến 6.2.2 PHƯƠNG THỨC TRUYỀN LẠI FRAME BỊ LỖI Với phương thức này, phía truyền ảnh truyền lại frame liệu ảnh nhận bên nhận ảnh trả lời NACK Frame xem truyền xong bên truyền ảnh nhận tín hiệu ACK từ bên nhận ảnh Quá trình truyền ảnh tin cậy bên thu trả lời ACK thu frame khơng có lỗi Ta thực truyền ảnh nhiều lần, qua lần ta thay đổi kích thước frame liệu để xem xét kết Thống kê thời gian truyền file ảnh nén có kích thước 21059 bytes (ảnh man.bmp nén với tốc độ 0.02) theo kích thước frame Tốc độ kết nối 9600bps Các kết thu bảng 6.9 Còn bảng 6.10 số liệu thống kê thời gian truyền file ảnh nén có kích thước 10566 bytes Tốc độ kết nối 9600bps Bảng 6.9 Truyền ảnh theo phương thức truyền lại frame bị lỗi, file ảnh 21059 bytes Kích thước Frame (bytes) Số frame Thời gian truyền Số frame lỗi Tốc độ liệu trung bình (bps) 54 118 246 502 1014 2038 4086 8182 16372 390 179 86 42 21 11 04:18 s 590 02:20 s 060 01:23 s 320 00:50 s 920 00:35 s 040 00:27 s 410 00:24 s 000 00:21 s 860 00:21 s 800 0 0 0 0 0651.50 1202.86 2021.99 3308.56 4807.99 6146.37 7023.00 7706.86 7728.07 Bảng 6.10 Truyền ảnh theo phương thức truyền lại frame bị lỗi, file ảnh 10566 bytes Kích thước Frame (bytes) Tổng số frame Thời gian truyền Số frame bị lỗi Tốc độ liệu trung bình (bps) 32 54 118 246 502 1014 2038 4086 8182 331 196 90 43 22 11 03:25 s 260 02:09 s 900 01:09 s 260 00:43 s 060 00:26 s 860 00:18 s 070 00:14 s 610 00:12 s 360 00:11 s 650 0 0 0 0 0411.81 0650.72 1220.44 1963.03 3146.99 4677.81 5785.63 6838.83 7248.76 C6: Kết Luận 211 HV: Nguyễn Như Cường THD: TS Lê Tiến Thường TS Đinh Việt Hào Thông Tin Ảnh Vô Tuyến Hình 6.13 Đồ thị phụ thuộc thời gian truyền ảnh theo kích thước frame file ảnh nén 21059 bytes theo phương thức truyền lại frame bị lỗi Hình 6.14 Đồ thị phụ thuộc thời gian truyền ảnh theo kích thước frame file ảnh nén 21059 bytes 10566 bytes theo phương thức truyền lại frame bị lỗi Ta nhận thấy tốc độ bit cao đạt 7kbps Tốc độ bit trung bình phụ thuộc nhiều vào kích thước frame phải chờ nơi nhận ảnh kiểm tra frame trả lời truyền tiếp frame kế C6: Kết Luận 212 HV: Nguyễn Như Cường THD: TS Lê Tiến Thường TS Đinh Việt Hào Thông Tin Ảnh Vô Tuyến 6.3 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Chương trình nén truyền ảnh “Wireless Image Communications” (WIC) đáp ứng nhu cầu đề đề tài Việc thử nghiệm nén ảnh truyền ảnh cho kết đáng khích lệ Phần nén ảnh cho tỉ lệ nén tốt Với tỉ lệ nén với JPEG, WIC cho ảnh có chất lượng tốt Chất lượng ảnh phụ thuộc nội dung ảnh Đối với ảnh mức xám kích thước 256x256 với mức chất lượng chấp nhận (PSNR>30dB) cho tỉ số nén lên đến khoảng 93% (ảnh lacorn.bmp) Đối với ảnh màu, kết cịn khích lệ Với mức chất lượng PSNR>30dB đạt tỉ số nén 98%, tức nén 50 lần (ảnh girl.bmp) Qua kết thực nghiệm ta nhận thấy số mức phân giải ảnh khoảng từ đến thích hợp Các mức phân giải cao làm tăng khối lượng tính tốn khơng cải thiện chất lượng ảnh nén So sánh nén ảnh sử dụng Wavelets chuẩn nén ảnh JPEG cho thấy nén Wavelets cho chất lượng nói chung tốt với tỉ số nén nhiều loại nội dung ảnh khác Đối với ảnh mức xám, PSNR nén Wavelets cao nén JPEG tối thiểu 1.5dB Còn ảnh màu số đạt đến 4dB (ảnh girl.bmp) Tất nhiên điều tùy thuộc vào nội dung ảnh cụ thể Ảnh nén wavelets tốc độ bit thấp không bị hiệu ứng khối JPEG Tuy nhiên so với nén ảnh JPEG giải thuật dùng wavelets phức tạp hơn, thời gian nén ảnh chậm so với ảnh JPEG Đối với ảnh kích thước lớn (1024x1024) thời gian nén ảnh tương đối lâu (gần giây) gây cảm giác chờ đợi khó chịu cho người sử dụng Đối với ảnh có kích thước lẻ (không lũy thừa 2) phương pháp nén dùng wavelets giảm tính hiệu Phần truyền ảnh hai máy tính PC qua mơi trường hệ thống thông tin di động GSM thực thành công, sử dụng hai phương thức truyền liệu dựa protocol truyền file Xmodem Với đường truyền có tốc độ 9600 bps, qua thực tế nhận thấy tốc độ truyền ảnh tối đa đạt khoảng 8000bps hai phương thức Đối với phương thức không truyền lại frame lỗi, tốc độ trung bình khơng phụ thuộc nhiều vào kích thước frame Tốc độ trung bình đạt khoảng từ 7000 đến 8000bps kích thước frame thay đổi từ 32 đến 8182 bytes Đối với phương thức truyền lại frame lỗi, tốc độ trung bình khơng phụ thuộc nhiều vào kích thước frame Với frame có kích thước nhỏ 100 bytes tốc độ trung bình đạt 1000bps Tuy nhiên phương thức cho liệu đảm bảo phía thu Nói chung ảnh nén kích thước 60 Kbytes truyền với thời gian phút Đường truyền qua môi trường hệ thống thông tin di động GSM (cụ thể nhà cung cấp dịch vụ di động MobiFone) đảm bảo Trong thời gian thử nghiệm khu vực Tân Bình, Thành Phố Hồ Chí Minh chưa thấy tượng lỗi đường truyền Âm chương trình nén với tốc độ 1Kbps, đáp ứng nhu cầu chất lượng thoại (voice) Đối với nhu cầu chất lượng cao tất nhiên yêu cầu tốc độ truyền lớn C6: Kết Luận 213 HV: Nguyễn Như Cường THD: TS Lê Tiến Thường TS Đinh Việt Hào Thông Tin Ảnh Vô Tuyến Đối với nhu cầu truyền ảnh động tốc độ 9600bps khó đáp ứng Đối với chuẩn nén ảnh động MPEG, để có chất lượng hình ảnh chấp nhận cần tốc độ bít khoảng 1.5Mbps Tuy nhiên GPRS triển khai nhiều nơi giới có khả cung cấp tốc độ lên tới 115kbps với yêu cầu chất lượng thấp MPEG (khung hình nhỏ số khung hình giây hơn) khả truyền ảnh động qua mạng GSM hồn tồn Hiện giới có mạng GSM máy điện thoại di động hỗ trợ truyền ảnh động trực tiếp qua mạng GSM Chương trình ứng dụng truyền ảnh qua mạng GSM hồn tồn truyền liệu nhị phân qua chức Communications_Send File Các chức giám sát cổng COM, ghi loại thao tác trạng thái chương trình vào log file thuận tiện cho việc debug nâng cấp chương trình sau Chương trình cịn nhiều khiếm khuyết phần hiển thị ảnh chưa linh động, khung hình cố định Ảnh đầu vào hỗ trợ ảnh bitmap BMP, chưa hỗ trợ nhiều định dạng file ảnh Phần truyền ảnh dùng protocol tương tự X-Modem mang tính đơn giản chưa phải protocol hồn thiện khả phát sai hạn chế, việc sửa sai chưa thực Chương trình chưa xử lý êm đẹp số lỗi việc truyền ảnh Tuy nhiên nỗ lực lớn tác giả phần truyền thông thử nghiệm tương đối vất vả tốn kém, gây phần khó khăn việc thực luận án Hướng phát triển đề tài mở rộng cho loại khuôn dạng ảnh khác hướng tới hỗ trợ ảnh động Thời gian nén ảnh sử dụng wavelets cịn chậm dó mức độ phức tạp lớn JPEG, đặc biệt phần phân giải ảnh mã hóa số học Yếu tố cải thiện sử dụng máy tính tốc độ cao, tài nguyên dồi Bộ vi xử lý Pentium Intel hỗ trợ tốc độ 3GHz Ngoài hãng Analog Devices, Inc cho đời chíp ADV-JP2000 dùng nén ảnh theo chuẩn JPEG 2000 phần cứng Với tốc độ đường truyền 9600bps khó hỗ trợ truyền ảnh động Tuy nhiên nhiều nơi giới nhà cung cấp dịch vụ hỗ việc truyền liệu tốc độ cao dựa công nghệ GPRS tạm gọi Tốc độ liệu cao GSM EDGE (Enhanced Data rate for GSM Evolution) cho phép nâng tốc độ truyền liệu lên đến 115kbps đủ đáp ứng cho số nhu cầu cao cấp Trong năm nhà cung cấp dịch vụ GSM Việt Nam MobiFone VinaPhone đưa dịch vụ hứa hẹn mang lại nhiều dịch vụ hấp dẫn cho người tiêu dùng Vì thời gian thực đề tài có hạn lực tác giả cịn có hạn chế nên đề tài chắn khơng tránh khỏi thiếu sót định Tác giả mong đóng góp ý kiến người để hoàn thiện thêm C6: Kết Luận 214 HV: Nguyễn Như Cường THD: TS Lê Tiến Thường TS Đinh Việt Hào Thông Tin Ảnh Vô Tuyến TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] T Le-Tien, T Van On, N Duc Hoang, L Trong Sy, "Improving image processing efficiency using Wavelets", Proceedings of 7th Conference on Science and Technology, HoChiMinh University of Technology, pp 53-60, 22-23 April, 1999 (in Vietnamese) [2] T Le-Tien, H.D Chien, Chu H Son, P The Trung, "Wavelets and Subband Coding and some their applications in signal processing", Proceedings of 7th Conference on Science and Technology, HoChiMinh University of Technology, pp 43-52, 22-23 April, 1999 (in Vietnamese) [3] T Le-Tien, H.D Chien, "Wavelets, Subband Coding and some their applications in signal processing", Special Issue: Research and Development on Informatics and Telecommunications Technology, Vietnam DGPT – Posts and Telecommunications Journal, 7-1999, pp 18-28 (in Vietnamese) [4] Ts Nguyễn Kim Sách, “XỬ LÝ ẢNH VIDEO SỐ”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 1997 [5] Charles Poynton, “Frequently Asked Questions http://www.inforamp.net/~poynton/PDFs/GammaFAQ.pdf [6] Charles Poynton, “Frequently Asked Questions http://www.inforamp.net/~poynton/PDFs/ColorFAQ.pdf [7] Wavelets Image Proccessing Toolbox, Matlab 6.0 [8] Michael D Adams, “The JPEG-2000 Still Image Compression Standard”, Dept of Elec and Comp Engineering, University of British Columbia Vancouver, BC, Canada V6T 1Z4, http://www.ece.ubc.ca/˜mdadams [9] ITU-T Recommendation T.800 hay ISO/IEC 15444-1, “JPEG 2000 IMAGE CODING SYSTEM: Core Coding System”, tháng 03-2000 [10] M D Adams and F Kossentini, “JasPer: A software-based JPEG-2000 codec implementation,” in Proc of IEEE International Conference on Image Processing, Vancouver, BC, Canada, Oct 2000 Tài Liệu Tham Khảo 215 about about Gamma”, Color”, HV: Nguyễn Như Cường THD: TS Lê Tiến Thường TS Đinh Việt Hào Thông Tin Ảnh Vô Tuyến [11] M D Adams, “JasPer software reference manual,” Documentation distributed with the JasPer software, 2001 [12] ROBI POLIKAR, “The wavelets tuturial” part I – Fundamental Concepts & An Overview of the wavelets theory” – Second edition [13] ROBI POLIKAR, “The Story of Wavelets”, Dept of Electrical and Computer engineering and the biomedical engineering program – IOWA State University [14] Wim Wouters, “BMP Format”, Clean Coding Company, September 2002 [15] William Stallings, “HIGH-SPEED NETWORKS: TCP/IP and ATM DESIGN PRINCIPLES”, Prentice-Hall International, Inc, 1998, ISBN: 0-13-904954-1 [16] Extended ETSI Hayes AT command parameters, http://www.mobileoffice.co.za [17] Joel Askelưf, Charilaos Christopoulos, Mathias Larsson Carlander and Fredrik Ưijer, “Wireless image applications and next-generation imaging”, Ericsson Review No 2, 2001 [18] Athanassios Skodras, Charilaos Christopoulos, and Touradj Ebrahimi, “The JPEG 2000 Still Image Compression Standard”, IEEE SIGNAL PROCESSING MAGAZINE SEPTEMBER 2001 [19] Bryan E Usevitch, “A Tutorial on Modern Lossy Wavelet Image Compression: Foundations of JPEG 2000”, IEEE SIGNAL PROCESSING MAGAZINE SEPTEMBER 2001 [20] Jelena Kova_cevic, Bell Labs, and Martin Vetterli, EPFL, University of California, Berkeley, “Transform Coding: Past, Present, and Future”, IEEE SIGNAL PROCESSING MAGAZINE SEPTEMBER 2001 [21] Chuck Forsberg, “XMODEM/YMODEM PROTOCOL REFERENCE, A compendium of documents describing the XMODEM and YMODEM File Transfer Protocols”, 10-27-1987 [22] Em Decay, Mark Korhonen, Chris Fillion, “Understanding The X-Modem CRC File Transfer Protocol”, em_decay@norlink.net, 03-01-1995 [23] Thomas G Lane, JPEG software, Independent JPEG Group, 1994-1998, http://www.ijg.org [24] “Manual Reference Modem Commands for the SIEMENS Mobile Phone S35i, C35i, M35i, version 1.0”, Siemens Tài Liệu Tham Khảo 216 HV: Nguyễn Như Cường THD: TS Lê Tiến Thường TS Đinh Việt Hào Thông Tin Ảnh Vô Tuyến [25] “Manual Reference AT Command Set (GSM 07.07, GSM 07.05, Siemens specific commands) for the SIEMENS Mobile Phones S35i,C35i, M35i”, Siemens [26] “AT Command Set Siemens Cellular Engines Version: 03.02 DocID: MC35_ATC_01_V03.02 Document Name: AT Command Set Siemens Cellular Engines Version: 03.02”, 13-03-2002, Doc Id: MC35_ATC_01_V03.02, Siemens [27] Các địa WEB GSM: www.gsmworld.com, www.mobileSMS.com, www.mobileMMS.com, http://www.mobileoffice.co.za, http://www.mobimak.com.mk/english/, http://www.telstra.com.au/mobilenet/services/, www.wapforum.org [28] Các địa WEB nén ảnh: http://www.ece.ubc.ca/~mdadams/jasper, http://www.imagepower.com, http://www.jpeg.org/software [29] Ảnh nguồn đề tài lấy từ Signal and Image Processing Institute, University of Southern California, http://sipi.usc.edu/services/database/ [30] Các địa WEB điện thoại, modem: www.my-siemens.com, ACTRIX Networks, http://www.actrix.gen.nz/faq/modem.html [31] WEB: www.brb.dmt.csiro.au, www.berkeley.edu, http://citeseer.nj.nec.com/robins99local.html, … [32] Tạp chí Bưu Chính Viễn Thơng, www.vnpt.com.vn [33] Tổng Cơng Ty Bưu Chính Viễn Thơng Việt Nam, "Thông Tin Di Động Số", Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật, 1993 [34] Tổng Công Ty Bưu Chính Viễn Thơng Việt Nam, "Thơng Tin Di Động" tập 1, 2, Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật, 1997 [35] Search Tool: Google, Yahoo, Teoma, Lycos, … CIE Commission Internationale de L’Eclairage www.mobileGPRS.com, www.mobileEMS.com, http://www.etisalat.co.ae, http://www.kcell.kz/en/, http://www.xcelsat.com, www.public.iastate.edu, ÌÌÌ Tài Liệu Tham Khảo 217 HV: Nguyễn Như Cường ... gần giống phải xa Trạm vô tuyến gốc BTS (Base Transceiver Station) Mỗi cell có trạm vô tuyến gốc BTS hoạt động tập kênh vô tuyến Các kênh vô tuyến cell khác với kênh vô tuyến cell lân cận để tránh... Đinh Việt Hào Thông Tin Ảnh Vô Tuyến tin ban đầu Sau đó, tin mã hóa điều chế phát lên kênh vơ tuyến Mã hóa kênh dùng để máy thu phát sai sửa sai với số lỗi kênh truyền số bits thông tin đặc biệt... Hào Thông Tin Ảnh Vô Tuyến để truyền ảnh gốc chưa nén Điều tiết kiệm băng thơng mà cịn mở khả phát triển ứng dụng khác tương lai Việc truyền liệu qua mạng thông tin di động GSM nói chung liệu ảnh