Nghiên cứu và phát triển phần mềm thực hiện chuẩn JPEG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - - PHÓ MẠNH CƯỜNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM THỰC HIỆN CHUẨN JPEG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG HÀ NỘI – 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - - PHÓ MẠNH CƯỜNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM THỰC HIỆN CHUẨN JPEG Chuyên ngành: Điện tử Viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN VŨ THẮNG HÀ NỘI - 2012 Phần mềm mã hóa giải mã JPEG Mục lục Mục lục i Danh mục bảng iv Danh mục hình vẽ iv THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi LỜI NÓI ĐẦU TÓM TẮT LUẬN VĂN CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT NÉN ẢNH .1 1.1 Giới thiệu chung nén ảnh 1.2 Sự cần thiết phải nén liệu ảnh 1.3.Phân loại kĩ thuật nén ảnh 1.3.1 Nén có tổn hao nén khơng có tổn hao 1.3.2 Mã hóa dự đốn 1.3.3 Mã hóa chuyển đổi 1.3.4 Mã hóa băng 1.4 Các tiêu đánh giá chất lượng ảnh CHƯƠNG II CÔNG NGHỆ NÉN ẢNH JPEG 2.1 Giới thiệu JPEG 2.1.1 Giới thiệu chung JPEG 2.1.2 Các phương thức mã hóa 10 2.1.2.1 Mã 10 2.1.2.1 Mã lũy tiến 11 2.1.2.3 Mã phân cấp 12 2.1.2.4 Mã không mát thông tin 13 2.1.3 Định dạng File JPEG 13 2.1.3.1 Quy định Frame header 17 2.1.3.2 Cấu trúc scan header 18 Phó Mạnh Cường i Phần mềm mã hóa giải mã JPEG 2.1.5.Mã Huffman 20 2.1.5.1.Cách sử dụng tần số 20 2.1.5.2 Mã hoá Huffman JPEG 31 2.1.5.3 Giải mã mã Huffman 33 2.2 Công nghệ nén ảnh JPEG 36 2.2.1.Sơ đồ thuật toán nén ảnh JPEG 36 2.2.2 Phép biến đổi Cosine rời rạc DCT 37 2.2.2.1 Biến đổi DCT chiều 37 2.2.2.2 Biến đổi DCT chiều 40 2.2.3 Lượng tử hóa giải lượng tử hóa 41 2.2.4 Sắp xếp zigzag 42 2.2.5 Mã hóa giải mã 43 CHƯƠNG III THIẾT KẾ PHẦN MỀM NÉN VÀ GIẢI NÉN ẢNH THEO CHUẨN JPEG TUẦN TỰ 44 3.1 Chức mơ hình kiến trúc phần mềm 44 3.1.1 Chức phần mềm 44 3.2 Quá trình thực thiết kế phần mềm 45 3.2.1 Ngôn ngữ thực thiết kế phần mềm 45 3.2.2 Quá trình thực thiết kế phần mềm 45 3.2.2.1 Mã hóa ảnh theo chuẩn JPEG 45 3.2.2.1.2 Q trình mã hóa frame 46 3.2.2.1.3 Q trình mã hóa scan 46 3.2.2.1.3 Q trình mã hóa resart interval 47 3.2.2.1.3 Q trình mã hóa MCU ( minimum coded unit) 49 3.2.2.2 Giải mã ảnh theo chuẩn JPEG 50 3.2.2.2.1 Giải mã frame 51 3.2.2.2.2 Giải mã scan 52 Phó Mạnh Cường ii Phần mềm mã hóa giải mã JPEG 3.2.2.2.3 Giải mã resart interval 53 3.2.2.2.4 Giải mã MCU 54 CHƯƠNG IV CHỨC NĂNG PHẦN MỀM .55 4.1 Giao diện phần mềm 55 4.1.1 Giới thiệu chức phần mềm 55 4.1.2 Kết chạy phần mềm 57 4.1.2.1 Đọc ảnh dạng bitmap ảnh jpeg 57 KẾT LUẬN 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 Phó Mạnh Cường iii Phần mềm mã hóa giải mã JPEG Danh mục bảng Bảng 2.1 Liệt kê marker đơn JPEG 13 Bảng 2.2 JPEG Markers với Dữ liệu 14 Bảng 2.3 Kích thước giá trị tham số Frame header 18 Bảng 2.4 Tham số scan header 19 Bảng 2.6 Cách sử dụng tần số 20 Bảng 2.7 Mã Morse 21 Bảng 2.8 Mã Huffman kí hiệu 25 Bảng 3.1 Định nghĩa marker 51 Bảng 4.1 Ảnh sử dụng kiểm tra phần mềm 57 Bảng 4.2 Kịch kiểm tra phần mềm 58 Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Subband Coding Hình 2.1 Bức ảnh mã hóa với ba lần quét sử dụng chế độ lũy tiến 12 Hình 2.2 Cấu trúc file ảnh nén JPEG 16 Hình 2.3 Quy đinh frame header 17 Hình 2.4 Quy định cấu trúc scan header 18 Hình Cách dịch chuyển nút 32 Hình 2.3 Sơ đồ thuật tốn nén JPEG 36 Hình 2.5 Hàm Cosine 40 Hình 2.6 Quét Zigzag 43 Hình 3.1 Mơ hình kến trúc phần mềm mã hóa giả mã ảnh JPEG 44 Hình 3.2 Quá trình nén ảnh jpeg 45 Hình 3.3 Quá trình mã hóa frame 46 Hình 3.4 Quá trình mã hóa scan 47 Hình 3.5 Quá trình mà hóa resart interval 48 Hình 3.6 Q trình mã hóa MCU 49 Hình 3.7 Quá trình giải mã ảnh nén theo JPEG 50 Phó Mạnh Cường iv Phần mềm mã hóa giải mã JPEG Hình 3.8 Q trình giải mã Frame 51 Hình 3.9 Quá trình giải mã scan 52 Hình 3.10 Quá trình giải mã resart interval 53 Hình 3.11 Quá trình giải mã MCU 54 Hình 4.0: Giao diện phần mềm 55 Hình 4.1 Blue Hills Hình 4.2 Sunnet 57 Hình 4.3 Water lilies Hình 4.4 Winter 57 Hình 4.5 Ảnh gốc Blue Hills 59 Hình 4.6 Giao diện phần mềm ta chọn ảnh Blue Hills 59 Hình 4.7 Thủ tục load cấu hình bảng lượng tử cho ảnh Blue Hills 60 Hình 4.8 Kết load cấu hình bảng lượng tử cho ảnh Blue Hills 61 Hình 4.9 Kết nén ảnh Blue Hills 61 Hình 4.10 Ảnh gốc Sunset 62 Hình 4.11 Kết nén ảnh Sunset 62 Hình 4.12 Ảnh gốc Water lilies 63 Hình 4.13 Kết nén với ảnh Water Lilies 63 Hình 4.14 Ảnh gốc Winter 64 Hình 4.15 Kết mã hóa ảnh Winter 64 Hình 4.16 Ảnh gốc Blue Hills 67 Hình 4.17 Thay đổi độ sáng ảnh Bule 67 Hình 4.18 Kết thay đổi độ sáng ảnh Blue Hills 68 Hình 4.19 Kết nén ảnh Blue với độ sáng lớn ảnh gốc tăng 75 68 Hình 4.20 Kết nén với ảnh Blue Hills với độ sáng tăng 150 69 Hình 4.22 Chọn thay đổi tồn hệ số lượng tử block 71 Hình 4.23 kết trình thay đổi hệ số lượng tử 71 Hình 4.24 Chọn lưu bảng lượng tử 72 Hình 4.25 Kết chạy với hệ số lượng tử cộng thêm 72 Hình 4.27 Kết nén ảnh Blue Hills với thay đổi ¼ hệ số block lượng tử 75 Phó Mạnh Cường v Phần mềm mã hóa giải mã JPEG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT JPEG Joint Photographic Experts Group Liên hiệp nhóm chuyên gia hình ảnh DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi Cosine rời rạc FDCT Forward Discrete Cosine Transform Biến đổi DCT thuận IDCT Inverse Discrete Cosine Transform Biến đổi DCT ngược KLT Kahurme Loeve Transform Biến đổi Kahume Loeve PC Predictive Coding Mã hóa dự đốn TB Transform Based Coding Mã hóa dựa phép biến đổi PCM Pulse Code Modulation Điều xung mã DPCM Differential Pulse Code Modulation Điều xung mã vi sai SBC Subband Coding Mã hóa băng MSE Mean Square Error Sai số bình phương trung bình RCT Reverse Color Transform Biến đổi màu thuận nghịch PSNR Peak to Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu nhiễu đỉnh QEV Quantization Error Variance Phương sai lượng tử BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit IJG Independent JPEG Group Nhóm nghiên cứu JPEG độc lập HVS Human Visual System Hệ thống cảm nhận mắt người ICT Irreversible Color Transform Biến đổi màu không thuận nghịch CWT Common Control Channel Biến đổi Wavelet liên tục MRA Multi Resolution Analysis Phân tích đa phân giải DWT Common Control Physical Channel Biến đổi Wavelet rời rạc EZW Coded Composite Transport Channel Wavelet zero IDWT Inverse Dicrete Wavelet Transform Biến đổi Wavelet rời rạc ngược Phó Mạnh Cường vi Phần mềm mã hóa giải mã JPEG LỜI NĨI ĐẦU Nén ảnh mã hóa thơng tin ảnh phần quan trọng lĩnh vực xử lý ảnh Nén ảnh mang đặc tính chung nén liệu máy tính đồng thời bao hàm đặc trưng riêng tính đặc thù liệu ảnh Vì thế, tìm hiểu nén liệu ảnh tương tự tìm hiểu nén liệu thông thường phải lưu ý thêm nét cải tiến kỹ thuật để tăng tính hiệu Nén ảnh thường ứng dụng nhiều q trình truyền lưu trữ thơng tin Chúng ta bắt gặp nhiều ứng dụng nén liệu ảnh sống hàng ngày Ứng dụng nén truyền ảnh thường có kỹ thuật truyền hình; thu nhận từ xa vệ tinh; viễn thơng qn thơng qua sóng radar, thiết bị phát tàu ngầm; hội nghị truyền hình … Cịn vấn đề lưu trữ ảnh đề cập đến nhiều việc lưu trữ tài liệu kinh tế giáo dục, lưu trữ ảnh y tế chụp máy chụp X-Quang (CT – Computer Tomography), máy chụp ảnh cộng hưởng từ; ảnh động; ảnh vệ tinh; đồ thời tiết … Ứng dụng nén liệu cịn nói đến q trình phát triển thuật tốn tối ưu cho trình truy nhập liệu cách làm việc với liệu nén Từ liệt kê trên, thấy phần tính quan trọng nén ảnh nói riêng nén liệu nói chung Luận văn “Thiết kế phần mềm mã hóa giải mã ảnh theo chuẩn JPEG” trình bày vấn đề kĩ thuật nén ảnh theo chuẩn JPEG Phương pháp tối ưu thuật toán biến đổi DCT, IDCT tối ứu thuật tốn mã hóa giải mã Huffman, Phương pháp tính toán lượng tử cho ảnh thực mã hóa Việc nghiên cứu cơng nghệ nén ảnh theo chuẩn JPEG cần có kiến thức sâu rộng đầu tư thoả đáng thời gian Vì khn khổ luận văn chắn khơng tránh Phó Mạnh Cường Phần mềm mã hóa giải mã JPEG khỏi sai sót cịn nhiều vấn đề chưa giải thoả đáng Rất mong nhận bảo thầy giáo, góp ý phê bình bạn Xin gửi lời biết ơn trân trọng tới TS Nguyễn Vũ Thắng tạo điều kiện tận tình hướng dẫn suốt thời gian thực luận văn Hà Nội, tháng năm 2012 Học viên Phó Mạnh Cường Phần mềm mã hóa giải mã JPEG 4.1.2.1.1.2 Hệ số bảng lưởng tử không đổi độ sáng ảnh thay đổi Hình 4.16 Ảnh gốc Blue Hills Để thay đổi độ sáng ảnh sử dụng trượt khu Image select Hình 4.17 Thay đổi độ sáng ảnh Bule Sau hoàn thành chọn hệ số thay đổi độ sáng ấn nút Brightness để thực thay đổi độ sáng kết quả: Phó Mạnh Cường 67 Phần mềm mã hóa giải mã JPEG Ảnh gốc Ảnh thay đổi độ sáng Hình 4.18 Kết thay đổi độ sáng ảnh Blue Hills Chúng ta thực trình nén với ảnh thay đổi độ sáng thực với ảnh Blue Hills Chúng ta kết quả: Hình 4.19 Kết nén ảnh Blue với độ sáng lớn ảnh gốc tăng 75 Phó Mạnh Cường 68 Phần mềm mã hóa giải mã JPEG Ảnh gốc Ảnh nén không thay đổi độ sáng Ảnh thay đổi độ sáng PSNR : 48 PSNR: 48 Tỷ lệ nén: 30 Tỷ lệ nén : 33 Hình 4.20 Kết nén với ảnh Blue Hills với độ sáng tăng 150 Phó Mạnh Cường 69 Phần mềm mã hóa giải mã JPEG Ảnh gốc Ảnh giải mã PSNR : 48 Tỷ lệ nén: 30 PSNR : 48 Tỷ lệ nén: 33 PSNR : 48 Tỷ lệ nén: 39 Kiểm tra với ảnh cịn lại ta có kết luận sau: Tỷ lệ nén ảnh phụ thuộc vào độ sáng ảnh ảnh sáng tỷ lệ nén cang cao Phó Mạnh Cường 70 Phần mềm mã hóa giải mã JPEG 4.1.2.1.1.2 Thay đổi hệ số bảng lượng tử với ảnh đầu vào Chúng ta giữ cố định ảnh đầu vào thay đổi hệ số lượng để kiểm tra phụ thuộc hệ số lượng tử tỷ số nén PSNR Cách thay đổi hệ số lượng tử làm sau: • Chọn thay đổi hệ số lượng tử a Toàn hệ số block Hình 4.22 Chọn thay đổi tồn hệ số lượng tử block Chúng ta kéo trượt thấy hệ số lượng tử cộng thêm với giá trị hiển thị block Hình 4.23 kết trình thay đổi hệ số lượng tử Phó Mạnh Cường 71 Phần mềm mã hóa giải mã JPEG Sau thay đổi hệ số lượng tử xong lưu lại bảng hệ số lượng làm tham chiếu cho lần khác cách sau : Hình 4.24 Chọn lưu bảng lượng tử Nhấn nút lưu lại nhập tên file lượng tử bạn muốn lưu kết hình 4.22 Với thay đổi 1/4 block 1/16 ta làm tương tự • Thay đổi tất hệ số block lượng tử Hình 4.25 Kết chạy với hệ số lượng tử cộng thêm Phó Mạnh Cường 72 Phần mềm mã hóa giải mã JPEG Làm tương tự ta có kết liệt kê sau: Tỷ Ảnh gốc Ảnh giải mã Bảng lượng tử lệ PSNR nén 8,6,5,8,12,20,26,31,6,6,7,1 0,13,29,30,28,7,7,8,12,20, 29,35,28,7,9,11,15,26,44,4 0,31,9,11,19,28,34,55,52,3 30 48.17 33 48.16 36 48.16 9,12,18,28,32,41,52,57,46, 25,32,39,44,52,61,60,51,3 6,46,48,49,56,50,52,51 10,8,7,10,14,22,28,33,8,8, 9,12,15,31,32,30,9,9,10,14 ,22,31,37,30,9,11,13,17,28 ,46,42,33,11,13,21,30,36,5 7,54,41, 14,20,30,34,43,54,59,48,2 7,34,41,46,54,63,62,53,38, 48,50,51,58,52,54,53 13,11,10,13,17,25,31,36,1 1,11,12,15,18,34,35,33,12, 12,13,17,25,34,40,33,12,1 4,16,20,31,49,45,36,14,16, 24,33,39,60,57,44,17,23,3 3,37,46,57,62,51,30,37,44, 49,57,66,65,56, 41,51,53,54,61,55,57,56 Phó Mạnh Cường 73 Phần mềm mã hóa giải mã JPEG 18,16,15,18,22,30,36,41,1 6,16,17,20,23,39,40,38,17, 39 48.16 17,18,22,30,39,45,38,17,1 9,21,25,36,54,50,41,19,21, 29,38,44,65,62,49,22,28,3 8,42,51,62,67,56,35,42,49, 54,62,71,70,61, 46,56,58,59,66,60,62,61 98,96,95,98,102,110,116, 121,96,96,97,100,103,119, 120,118,97,97,98,102,110, 119,125,118,97,99,101,10 5,116,134,130,121,99,101, 38.62 109,118,124,145,142,129, 102,108,118,122,131,142, 78 147,136,115,122,129,134, 142,151,150,141,126,136, 138,139,146,140,142,141 Khi thay đổi hệ số lượng tử thành phần Lum tỷ số nén ảnh bị thay đổi tỷ số PSNR ảnh thay đổi thay đổi chậm Thể qua đồ thị sau Phó Mạnh Cường 74 Phần mềm mã hóa giải mã JPEG • Thay đổi ¼ hệ số blok bảng lượng tử Hình 4.27 Kết nén ảnh Blue Hills với thay đổi ¼ hệ số block lượng tử Bảng kết tổng hợp Tỷ số Ảnh gốc Ảnh giải mã Hệ số lượng tử nén PSNR 42 45.15 26,24,23,26,12,20,26,31,24, 24,25,28,13,29,30,28,25,25, 26,30,20,29,35,28,25,27,29, 33,26,44,40,31,9,11,19,28, 34,55,52,39,12,18,28,32,41, 52,57,46,25,32,39,44,52,61, 60,51,36,46,48,49,56,50,52,51 Phó Mạnh Cường 75 Phần mềm mã hóa giải mã JPEG 53,51,50,53,12,20,26,31,51,51 ,52,55,13,29,30,28,52,52,53, 57,20,29,35,28,52,54,56,60, 26,44,40,31,9,11,19,28,34, 63 41 66 38 55,52,39,12,18,28,32,41, 52,57,46,25,32,39,44,52,61, 60,51,36,46,48,49,56,50,52,51 113,111,110,113,12,20,26,31,111, 111,112,115,13,29,30,28,112, 112,113,117,20,29,35,28,112, 114,116,120,26,44,40,31,9,11, 19,28,34,55,52,39,12,18,28,32 ,41,52,57,46,25,32,39,44,52, 61,60,51,36,46,48,49,56,50,52,51 Nhận xét : tỷ số nén PSNR phụ thuộc lớn vào hệ số góc ¼ block lượng tử Phó Mạnh Cường 76 Phần mềm mã hóa giải mã JPEG 4.1.2.1.1.2 Kết kiểm tra với số ảnh khác Ảnh gốc Ảnh giải mã Kich thươc: 186x270 PSNR: 39.71 Số bit mã hóa : 147Kb Tỷ lệ nén: Ảnh giải mã Ảnh giải mã PSNR: 31.8 PSNR: 26.6 Tỷ lệ nén : Tỷ lệ nén: 15 Phó Mạnh Cường 77 Phần mềm mã hóa giải mã JPEG Ảnh giải mã Ảnh giải mã PSNR: 25 PSNR: 25 Tỷ lệ nén: 18 Tỷ lệ nén: 15 Ảnh gốc Ảnh giải mã Kích thước : 194x259 PSNR: 26.06 Số bít mã hóa : 147Kb Tỷ lệ nén: Phó Mạnh Cường 78 Phần mềm mã hóa giải mã JPEG Ảnh gốc Ảnh giải mã Kích thước : 194x259 PSNR: 40.3 Số bít mã hóa : 147Kb Tỷ lệ nén: Ảnh gốc Ảnh giải mã Kích thước : 190x265 PNSR: 23.46 Số bít mã hóa : 147kb Tỷ lệ nén: Phó Mạnh Cường 79 Phần mềm mã hóa giải mã JPEG KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu chuẩn JPEG tơi hồn thành thiết kế phần mềm nén giải nén ảnh theo chuẩn JPEG sử dụng đánh giá chất lượng ảnh thông qua số PSNR tỷ sổ nén (compress ration) tạo file báo cáo giúp người dùng đánh giá chất lượng ảnh dễ dàng, phần mềm chạy tốt hệ điều hành win XP Sau chạy phần mềm với số ảnh thấy tỷ lệ nén hệ số PSNR ảnh sau giải mã phụ thuộc nhiều vào hệ số lượng tử mà chọn Vậy để thay đổi tỷ số nén PSNR cần thay đổi hệ số lượng tử Việc nghiên cứu công nghệ nén ảnh theo chuẩn JPEG đòi hỏi kiến thức sâu rộng đầu tư thoả đáng thời gian Vì khn khổ luận văn chắn khơng tránh khỏi sai sót cịn nhiều vấn đề chưa giải thoả đáng Rất mong nhận bảo thầy cô giáo, góp ý phê bình bạn Phó Mạnh Cường 80 Phần mềm mã hóa giải mã JPEG TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Introduction to Data Compression, K Sayood, Morgan Kauffman, Second Edition, 2000 (Primary) [2] A.N Skodra, C.A Christopoulos, T Ebrahimi, « JPEG2000, the upcoming still image compression standard », Proceeding of the 11th Portuguese Conference on Pattern recognition, Porto, Portugal, May 11th-12th, pp 359366, 2000 [3] JPEG, Official site: http://www.jpeg.org [4] Martin Vetterli - Jelena Kovacevic - “Wavelet and Subband Coding”(1995) [5] Satish Kumar - “An Introduction to Image Compression” (10/2001) [6] Lương Mạnh Bá - TS Nguyễn Thanh Thuỷ - “Nhập môn xử lý ảnh số”(1999) [7] Nguyễn Kim Sách – “Xử lý ảnh video số” – NXB KHKT, 1997 [8] Đỗ Hồng Tiến, Vũ Đức Lý – “Truyền hình số” – NXB KHKT, 2000 [9] PGS TS Hồ Anh Tuý - “Xử lý tín hiệu số” (2002) [10] Anil K Jain - “Fundamental of Digital Image Processing”(1994) [11] Geoffrey Davis - Arina Nosratinia - “Waveled-Based Image Encoding - Overview” (1997) [12] Michael David Adams - “JPEG2000 - The Next Standard for Still Image [13] Compressing” (12/2002) [14] Addison Wesley - Compressed Image File Formats-JPEG, PNG, GIF, XBM, BMP (Miano) (1999) [15] Gonzalez, Woods, and Eddins Digital Image Processing Using MatLab 2004 Phó Mạnh Cường 81 ... Nghiên cứu cơng nghệ nén ảnh JPEG • Nghiên cứu cấu trúc file ảnh nén theo chuẩn JPEG • Nghiên cứu thuật toán biến đổi DCT IDCT • Nghiên cứu thuật tốn mã hóa Huffman giải mã Huffman • Nghiên cứu. .. THIẾT KẾ PHẦN MỀM NÉN VÀ GIẢI NÉN ẢNH THEO CHUẨN JPEG TUẦN TỰ 44 3.1 Chức mơ hình kiến trúc phần mềm 44 3.1.1 Chức phần mềm 44 3.2 Quá trình thực thiết kế phần mềm ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - - PHÓ MẠNH CƯỜNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM THỰC HIỆN CHUẨN JPEG Chuyên ngành: Điện tử Viễn thông