Tài liệu LUẬN VĂN NÉN ẢNH SỬ DỤNG BIẾN ĐỔI WAVELET VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC DỊCH VỤ DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN DI ĐỘNG ppt

Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Đỗ Ngọc Anh 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 Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Đỗ Ngọc Anh MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN 5 THUẬT NGỮ TIẾNG ANH 7 LỜI GIỚI THIỆU .8 CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 9 1.1. Cơ sở nghiên cứu và mục đích của luận văn .9 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 về nén ảnh số .11 2.2. Phân loại các kỹ thuật nén .13 2.2.1. Nén tổn hao và không tổn hao 13 2.2.2. Mã hoá dự đoán và mã hoá dựa trên phép biến đổi 13 2.2.3. Mã hoá băng con .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 con 15 2.4.2. Kỹ thuật mã hoá dựa trên phép biến đổi .19 2.4.2.1. Kỹ thuật mã hoá dựa trên phép biến đổi DCT .19 2.4.2.2. Kỹ thuật mã hoá dựa trên 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 của biến đổi Wavelet 33 3.3. Giới thiệu một số họ Wavelet 37 3.3.1. Biến đổi Wavelet Haar 37 3.3.2. Biến đổi Wavelet Meyer .38 Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Đỗ Ngọc Anh 3.3.3. Biến đổi Wavelet Daubechies .38 3.4. Một số ứng dụng nổi bật của Wavelet .39 3.4.1. Nén tín hiệu .39 3.4.2. Khử nhiễu .40 3.4.3. Mã hoá nguồn và mã hoá kênh .40 CHƯƠNG 4:CHUẨN NÉN ẢNH TĨNH DỰA TRÊN BIẾN ĐỔI WAVELET – JPEG2000 41 4.1. Lịch sử ra đời và phát triển chuẩn JPEG2000 .41 4.2. Các tính năng của JPEG2000 41 4.3. Các bước thực hiện 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 và kết hợp dòng dữ 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 và các 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 bằng Wavelet .54 5.2.1. Sơ đồ khối tổng quát .54 5.1.2. Biến đổi Wavelet .55 5.1.3. Tính toán năng lượng tiêu hao 56 5.2. Thuật toán nén ảnh bằng Wavelet hiệu năng - EEW .58 5.2.1. Hiệu năng của các kỹ thuật loại bỏ .60 5.3.2. Các kết quả thực nghiệm 62 5.3.2.1. Ảnh hưởng đến năng lượng tính toán và chất lượng ảnh 62 Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Đỗ Ngọc Anh 5.3.2.2. Ảnh hưởng đến năng lượng truyền thông và chất lượng ảnh .62 5.4. Các tham số nén ảnh bằng Wavelet .62 5.4.1. Thay đổi mức biến đổi Wavelet 62 5.4.2. Thay đổi các mức lượng tử .62 5.5. Truyền ảnh trên mạng .62 5.5.1. Phương pháp lựa chọn tham số động 62 5.5.2. Kết quả thực nghiệm .62 KẾT LUẬN .63 Kết quả đạt được và ứng dụng của luận văn .63 Hướng phát triển nghiên cứu 63 PHỤ LỤC 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Đỗ Ngọc Anh CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN Hình 2.1 Sơ đồ bộ khái quát hệ thống nén ảnh .12 Hình 2.2. Sơ đồ minh hoạ kỹ thuật mã hoá băng con – M băng con .16 Hình 2.3 Minh hoạ quá trình phân ly băng con cây bát phân .17 Hình 2.4. Phân ly hai ảnh mẫu thành bốn băng con .18 Hình 2.5. Sơ đồ bộ mã hoá theo chuẩn JPEG 23 Hình 2.6. Sắp xếp Zigzag các hệ số DCT ở bộ mã hoá 23 Hình 2.7. Sơ đồ khối bộ 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 3 để nén ảnh 28 Hình 2.10(b). Minh hoạ DWT kiểu dyadic mức 3 để nén ảnh 29 Hình 3.1. Minh hoạ lưới nhị tố dyadic với các giá trị của m và n 33 Hình 3.2. Phân tích đa phân giải áp dụng cho biểu diễn tín hiệu .36 Hình 3.3. Hàm () t ψ của biến đổi Haar 38 Hình 3.4: Hàm ( ) t ψ của biến đổi Meyer 38 Hình 3.5. Hàm () t ψ của họ biến đổi Daubechies n với n=2, 3, 7, 8 39 Hình 4.1: Trình tự mã hoá (a) và giải mã JPEG2000 (b) .42 Hình 4.2: Minh hoạ ảnh với RGB và YCrCb .43 Hình 4.3: Phương pháp Lifting 1D dùng tính toán biến đổi Wavelet .44 Hình 4.4: Minh hoạ cây tứ phân (a) và sự phân mức (b) 47 Hình 4.5: Hai cách sắp xếp thứ tự các hệ số biến đổi .48 Hình 4.6: So sánh JPEG và JPEG2000 50 Bảng 4.1: So sánh JPEG và JPEG2000 .51 Hình 4.7: Minh hoạ tính năng ROI .52 Bảng 4.2: So sánh tính năng của JPEG2000 với các chuẩn nén ảnh tĩnh khác .53 Hình 5.1. Sơ đồ khối quá trình nén ảnh bằng Wavelet .54 Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Đỗ Ngọc Anh Hình 5.2. (a) Biến đổi Wavelet 2D mức 3 và (b) Minh hoạ bằng ảnh “CASTLE” 56 Hình 5.3. Phân bố số học các hệ số thông cao sau phép biến đổi Wavelet mức 2 .59 Hình 5.4: Dữ liệu sau phép biến đổi Wavelet với hai kỹ thuật loại bỏ HH và H* .61 Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Đỗ Ngọc Anh 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 cây zero (Embedded Zerotree Wavelet) HVS Hệ thống cảm nhận hình ảnh của mắt người (Human Visual System) IDWT Biến đổi Wavelet rời rạc ngược JPEG Chuẩn nén ảnh của ủy ban JPEG quốc tế (Joint Photographic Experts Group) JPEG2000 Chuẩn nén ảnh JPEG2000 Lossless Compression Kỹ thuật nén ảnh không tổn hao (không mất dữ liệu) Lossy Compression Kỹ thuật nén ảnh có tổn hao (có mất dữ 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 trên 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 năng mới nổi bật của 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 con Wavelet Wavelet Decomposition Tree Cây phân giải Wavelet Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Đỗ Ngọc Anh LỜI GIỚI THIỆU Trong những năm gần đây, nhu cầu các dịch vụ dữ liệu trên mạng di động, nhất là dữ liệu đa phương tiện là rất lớn. Cùng với nhu cầu đó, vấn đề đặt ra là làm thế nào tìm được một kỹ thuật mã hoá dữ liệu then chốt (chuẩn), có hiệu quả để truyền các dữ liệu này trên mạng di động. Mục đích của luận văn là trình bầ y một kỹ thuật nén ảnh sử dụng biến đổi Wavelet cho ảnh tĩnh và đặc biệt là ảnh tĩnh trong các dịch vụ dữ liệu đa phương tiện trong mạng di động. So với các kỹ thuật nén sử dụng phép biến đổi trước đây như biến đổi Fourier (FT), biến đổi cosine rời rạc (DCT), biến đổi xếp chồng (LT), , biế n đổi Wavelet (DWT) có nhiều ưu điểm không chỉ trong xử lý ảnh mà còn nhiều ứng dụng khác. Bằng chứng là sự ra đời của chuẩn nén JPEG2000 (dựa trên DWT) có tính năng vượt trội so với JPEG (DCT). Tuy nhiên chuẩn JPEG, MPEG hay ngay cả JPEG2000 cũng chỉ tập trung vào hiệu quả nén (tỉ số nén) và chất lượng ảnh mà không chú ý đến năng lượng tiêu hao trong quá trình xử lý và truyền trên mạ ng. Trong luận văn đã trình bầy một kỹ thuật nén ảnh trong mạng di động sử dụng biến đổi Wavelet hiệu năng không chỉ đem lại hiệu quả nén, chất lượng hình ảnh mà còn tiết kiệm năng lượng xử lý của hệ thống. Điều này hứa hẹn có thể xây dựng một bộ mã hoá ảnh tiết kiệm năng lượng xử lý, thời gian truy ền mà vẫn phù hợp với điều kiện băng thông thấp, ràng buộc về chất lượng dữ liệu trong các mạng thông tin di động. Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Đỗ Ngọc Anh CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1. Cơ sở nghiên cứu và mục đích của luận văn Để có thể sử dụng các dịch vụ Internet không dây cũng như nhiều dịch vụ dữ liệu khác trên nền các ứng dụng di động cần có một kỹ thuật then chốt để có thể hỗ trợ truyền thông nhiều dạng dữ liệu trong thông tin di động tế bào như: thoại, văn bản, hình ảnh và video. Tuy nhiên vấn đề truyền thông nội dung đa phương tiện trong thông tin di động gặp một số khó khăn : băng thông của mạng di động tế bào, nhiễu kênh, giới hạn của pin cho các ứng dụng, tính tương thích dữ liệu giữa các thuê bao. Trong khi việc cải thiện băng thông di động cần một công nghệ mới của tương lai còn việc cải thiện giới hạn của pin không đáp ứng được sự phát tri ển của các dịch vụ tương lai, thì phương pháp giảm kích thước dữ liệu bằng các kỹ thuật nén là một cách tiếp cận hiệu quả giải quyết các khó khăn trên. Mặc dù cho đến nay có rất nhiều kỹ thuật nén dữ liệu đa phương tiện như: chuẩn JPEG (dựa trên biến đổi DCT), chuẩn JPEG2000 (dựa trên biến đổi Wavelet) và chuẩn MPEG, tuy nhiên nhữ ng kỹ thuật này chỉ tập trung vào hiệu quả nén và cố gắng đánh mất chất lượng ảnh ít vì thế chúng bỏ qua vấn đề tiêu hao năng lượng trong quá trình nén và truyền RF (trong thông tin động). Luận văn này trình bầy một kỹ thuật hiệu quả để khắc phục những khó khăn trên cho loại dữ liệu đa phương tiện điển hình trong thông tin di động là ảnh tĩnh. Đó là kỹ thu ật nén ảnh sử dụng biến đổi Wavelet thích nghi và hiệu năng cho dữ liệu đa phương tiện trong thông tin di động. Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Đỗ Ngọc Anh 1.2. Tổ chức luận văn Luận văn được trình bầy thành 5 chương và 1 phụ lục. Chương 1, tác giả trình bày tóm tắt cơ sở nghiên cứu và mục đích cũng như tổ chức của luận văn. Chương 2 trình bầy khái quát các kỹ thuật nén ảnh, phân loại các nguyên lý nén và định nghĩa một số thuật ngữ được sử dụng rộng rãi như MSE, PSNR và SNR. Chương này cũng trình bầ y cơ sở lý thuyết của các nguyên lý nén có tổn hao điển hình như: mã hoá băng con; mã hoá dựa trên biến đổi cosine rời rạc (DCT), biến đổi xếp chồng (LT), biến đổi Wavelet rời rạc (DWT). Chương 3 trình bầy cơ sở toán học, tính chất của biến đổi Wavelet. Nội dung của chương này là lý thuết nền tảng cho các ứng dụng Wavelet. Chương này cũng đư a ra một số họ Wavelet phổ biến và giới thiệu một số ứng dụng nổi bật của Wavelet ngoài ứng dụng để nén ảnh. Chương 4 giới thiệu tổng quan về chuẩn nén JPEG2000 dựa trên biến đổi Wavelet. Mục đích không chỉ là giới thiệu một chuẩn nén vượt trội so với chuẩn JPEG dựa trên biến đổi DCT mà còn đưa ra mộ t lựa chọn giải quyết bài toán đặt ra trong luận văn. JPEG2000 đang từng bước được tổ chức ISO công nhận nên chắc chắn sẽ trở thành một chuẩn nén phổ biến trong các ứng dụng di động tương lai. Cũng trong chương này, tác giả trình bầy tóm tắt các bước thực hiện nén ảnh theo JPEG200 và so sánh nó với chuẩn JPEG và các chuẩn nén ảnh tĩnh khác. Chương 5 cũng là chương quan trọng nhấ t. Dựa trên kỹ thuật nén ảnh bằng Wavelet, luận văn đưa ra một thuật toán biến đổi ảnh bằng Wavelet hiệu năng làm giảm đáng kể năng lượng tính toán và truyền thông cần thiết cho ảnh mà vẫn đảm bảo được chất lượng bức ảnh (và như vậy giảm được giá thành dịch vụ). [...]... phép biến đổi với ảnh để chuyển sự biểu di n ảnh từ miền không gian sang một miền biểu di n khác Các phép biến đổi thường dùng là: DCT - biến đổi Cosine rời rạc, DWT - biến đổi Wavelet rời rạc, LT - biến đổi trồng (lapped) , tiếp đó thực hiện mã hoá đối với các hệ sộ biến đổi Phương pháp này có hiệu suất nén cao hơn rất nhiều so với phương pháp nén dự đoán bởi vì chính các phép biến đổi (sử dụng các. .. hiệu ảnh tương đương với biến đổi Karhunen-Loeve (KLT) KLT là phép biến đổi theo khối tối ưu nhất cho nén dữ liệu ở khía cạnh thống kê bởi: nó có thể giải tương quan một cách tối ưu tín hiệu ảnh trong miền phép biến đổi (bằng cách tập trung hầu hết thông tin ảnh vào một số hệ số của phép biến đổi) và so với các phép biến đổi khác nó có thể tối thiểu hoá MSE giữa ảnh khôi phục và ảnh gốc Nén và giải nén. .. dyadic mức 3 để nén ảnh Hai thuật toán nén sử dụng DWT điển hình So với biến phép biến đổi DCT sử dụng trong chuẩn nén JPEG ra đời 1992, nén ảnh dựa trên biến đổi DWT đã có những cải tiến đáng kể Tuy nhiên cải tiến mang tính đột phá sử dụng DWT để nén ảnh bắt đầu là kỹ thuật mã hoá – EZW (embedded zero-tree wavelet) Thuật toán EZW dựa trên khả năng khai thác các thuộc tính đa phân giải của biến đổi Wavelet. . .Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 CHƯƠNG 2:TỔNG QUAN CÁC KỸ THUẬT NÉN TRONG MÃ HOÁ ẢNH 2.1 Giới thiệu chung về nén ảnh số Nén ảnh số là một đề tài nghiên cứu rất phổ biến trong lĩnh vực xử lý dữ liệu đa phương tiện Mục đích là làm thế nào để lưu trữ bức ảnh dưới dạng có kích thước nhỏ hơn hay dưới dạng biểu di n mà chỉ yêu cầu số bít mã hoá ít hơn so với bức ảnh gốc Nén ảnh thực hiện... hệ số 2 rồi sử dụng các bộ lọc khôi phục H’, G’ (lý tưởng là H’ và G’ chính là H, G) Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Hình 2.8 Bank lọc khôi phục lý thuyết sử dụng DWT 1D Từ biến đổi DWT một chiều có thể mở rộng định nghĩa biến đổi DWT hai chiều theo cách: Sử dụng các bộ lọc riêng biệt, thực hiện biến đổi DWT một chiều dữ liệu vào (ảnh) theo hàng rồi thực hiện theo cột Theo cách này nếu... đây nghĩa là biến đổi nhiều chiều của nó có thể phân tách thành các biến đổi một chiều Tính chất trực giao ở đây nghĩa là nếu các ma trận của DCT và IDCT là không bất thường (non-singular) và thực thì biến đổi ngược của chúng có thể đạt được bằng cách áp dụng toán tử hoán vị Cũng như biến đổi FT, DCT cũng coi dữ liệu đầu vào là tín hiệu ổn định (bất biến) Trong các chuẩn nén ảnh tĩnh vào video, người... trước những năm 80 của thế kỷ trước và cũng đã Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 được ứng dụng trong một số ngành khoa học và công nghệ khác nhau nhưng biến đổi Wavelet vẫn là một lĩnh vực đang và sẽ tiếp tục được nghiên cứu và phát triển cũng như ứng dụng rộng rãi hơn nữa Tham số b trong biến đổi Wavelet cho biết khoảng dịch của hàm Wavelet mẹ và độ phân giải các tần số khác nhau của f ( t... ta sẽ trình bầy các kỹ thuật mã hoá dựa trên phép biến đổi được sử dụng trong nén ảnh (a) Kỹ thuật mã hoá dựa trên phép biến đổi cosine rời rạc – DCT (b) Kỹ thuật mã hoá dựa trên phép biến đổi chồng – LT (c) Kỹ thuật mã hoá dựa trên phép biến đổi DWT 2.4.2.1 Kỹ thuật mã hoá dựa trên phép biến đổi DCT Phép biến đổi cosine rời rạc – DCT (Discrete Cosine Transform) biến đổi thông tin ảnh từ miền không... hết các ảnh có tông liên tục đều là những ảnh có tính định hướng Ngoài ra người ta thường áp dụng một cách kết hợp biến đổi Wavelet với các hàm Wavelet thích hợp với dạng tín hiệu cần khảo sát và phép phân tích đa phân giải để việc xử lý tín hiệu tiếng nói và hình ảnh đạt hiệu quả cao hơn Trước khi xem xét ứng dụng của phân tích đa phân giải trong nén ảnh, chúng ta xem xét lý thuyết về đa phân giải trong. .. vào video, người ta thường sử dụng DCT và IDCT có kích thước 8 mẫu Bức ảnh hoặc khung ảnh video kích thước NxN được chia thành các khối không chồng chéo nhau hai chiều gọi là các ảnh con kích thước 8x8 rồi áp dụng biến đổi DCT hai chiều ở bộ mã hoá và áp dụng biến đổi IDCT ở bộ giải mã Biến đổi DCT và IDCT 8 mẫu tạo thành các ma trận 8x8 theo công thức: Đỗ Ngọc Anh Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 . biến đổi Wavelet cho ảnh tĩnh và đặc biệt là ảnh tĩnh trong các dịch vụ dữ liệu đa phương tiện trong mạng di động. So với các kỹ thuật nén sử dụng phép biến. ---------------- 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