Tìm hiểu về chuẩn nén JPEG

JPEG cho phép ảnh nén với tỷ số nén lên đến 80:1 hoặc cao hơn, hiển thị các hình ảnh đầy đủ màu hơn (full color). JPEG cũng được sử dụng rất nhiều trên Web. Lợi ích chính của chúng là chúng có thể hiển thị các hình ảnh với màu chính xác true – color (chúng có thể lên đến 16 triệu màu), điều đó cho phép chúng được sử dụng tốt nhất cho các hình ảnh chụp và hình ảnh minh họa có số lượng màu lớn.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CƠNG NGHỆ THƠNG TIN  BÀI BÁO Tìm hiều chuẩn nén liệu ảnh JPEG Truyền thông đa phương tiện Lê Hoài Linh - 60130509 GV hướng dẫn: Đinh Đồng Lưỡng Nha Trang, tháng 11 năm 2021 1|13 Table of Contents 2|13 Giới thiệu chung 1.1 JPEG ? JPEG viết tắt Joint Photographic Experts Group tên nhóm nghiên cứu phát minh chuẩn Từ năm 1986 nhóm nghiên cứu đưa chuẩn nén ảnh JPEG đến năm 1994, JPEG khẳng định với tiêu chuẩn ISO 10918 – JPEG định dạng nén ảnh có tổn thất, có thay đổi biến thể giữ nguyên lý chuẩn nén JPEG (các định dạng mở rộng khác jpg, jpeg, jpe, jfif jif) Phương pháp nén ảnh theo chuẩn JPEG đạt hệ số nén tới 80:1 hay lớn hơn, phải chịu mát thông tin (ảnh sau giải nén khác với ảnh ban đầu), lượng thông tin mát tăng dần theo hệ số nén Tiêu chuẩn có hai phương pháp nén ảnh là: phương pháp dựa biến đổi cosin rời rạc (Discrete Cosine Transformation - DCT) đặc tả dành cho nén ảnh có tổn thất (lossy) phương pháp tiên đoán (predictive) đặc tả dành cho nén ảnh không tổn thất (lossless) 1.2 Ưu nhược điểm phương pháp nén JPEG  Ưu điểm JPEG cho phép ảnh nén với tỷ số nén lên đến 80:1 cao hơn, hiển thị hình ảnh đầy đủ màu (full - color) JPEG sử dụng nhiều Web Lợi ích chúng chúng hiển thị hình ảnh với màu xác true – color (chúng lên đến 16 triệu màu), điều cho phép chúng sử dụng tốt cho hình ảnh chụp hình ảnh minh họa có số lượng màu lớn  Nhược điểm Nhược điểm định dạng JPEG chúng nén thuật toán lossy (mất liệu) Điều có nghĩa hình ảnh bị số chi tiết chuyển sang định dạng JPEG Đường bao khối màu xuất nhiều điểm mờ vùng rõ nét, tỉ số nén cao mát thông tin ảnh JPEG lớn Các loại JPEG Hiện có phiên JPEG công bố : 3|13 - Tiêu chuẩn JPEG năm 1992 sử dụng mã hóa ảnh tĩnh liên tục có tổn thất (lossy) dựa biến đổi cosin rời rạc DCT Mục tiêu tiêu chuẩn JPEG năm 1992 hỗ trợ nén ảnh với nhiều kích cỡ/khơng gian màu sắc, với tỉ lệ nén theo yêu cầu người dùng, hỗ trợ tái tạo lại ảnh với chất lượng cao hỗ trợ quản lý mức độ - phức tạp tính tốn nén ảnh Tiêu chuẩn JPEG-LS: sử dụng mã hóa ảnh tĩnh liên tục khơng tổn thất (lossless) - tổn thất (nearlossless) dựa mã hóa tiên đốn mã hóa ngẫu nhiên Tiêu chuẩn JPEG 2000: hệ thống mã hóa hình ảnh mà kỹ thuật nén dựa kỹ thuật sóng ngắn Kỹ thuật nén ảnh JPEG 3.1 Giới thiệu nén ảnh jpeg Các kỹ thuật nén ảnh hướng tới việc giải tốn giảm khối lượng thơng tin cần thiết để mô tả ảnh số Nền tảng trình nén loại bỏ dư thừa có tín hiệu Nguyên lý nén đơn giản, dựa vào thiếu nhạy cảm mắt người với không gian màu U,V để ẩn giấu thông tin dư thừa ảnh Nén jpeg thực bốn phương pháp mã hóa : - Khơng tổn thất (Sequential lossless) - Biến đổi cosin rời rạc (Sequential DCT-based): định dạng - JPEG Biến đổi cosin rời rạc lũy tiến (Progressive DCT-based Phân cấp (hierarchical): cho phép nhiều ảnh có độ phân giải khác tổ chức tệp tin 3.2 Nén ảnh jpeg 3.2.1 Sơ đồ 4|13 Hình 1:Sơ đồ khối mã hóa ảnh theo JPEG 3.2.2 Khơng gian màu Trước đưa tới chuyển đổi DCT, ảnh màu gốc phải phân tích thành ảnh đơn sắc số hóa theo tiêu chuẩn hành Ảnh màu không gian màu RGB (Red Green Blue) biến đổi hệ YUV Thị giác người nhạy cảm với thành phần Y nhạy cảm với hai loại U V Phương pháp JPEG nắm bắt phát để tách thông tin thừa ảnh Hệ thống nén thành phần Y ảnh với mức độ so với U, V, người ta nhận thấy thay đổi U V so với Y Ánh chói (Y) hai màu đơn sắc UV chia thành block 8*8 đưa tới chuyển đối DCT Kích thước block 8*8 chọn lý do: - Các cơng trình nghiên cứu cho thấy hàm tương quan điểm ảnh suy - giảm nhanh khoảng cách pixel vượt Kích thước 8*8 tiện lợi cho việc tính tốn thiết kế phần cứng 5|13 Hình 2: Chia block 8*8 3.2.3 Giai đoạn DCT Công đoạn trình nén theo JPEG biến đổi cosin rời rạc DCT (Discrete Cosine Transform) DCT biến đổi liệu từ miền không gian sang miền tần số Hình 3: block 8*8 Để xử lý đồng thành phần hình ảnh khác nhau, mã hóa DCT thường yêu cầu giá trị trung bình dự kiến cho tất pixel Trừ 128 cho giá trị pixel thu giá trị pixel từ -128 đến 127 Biến đổi DCT thực phạm vi khối 8*8 F(u,v) = Trong : - f ( j ,k) giá trị pixel tọa độ (x, y) - F(u,v) – hệ số khối DCT 8*8 - C (u),C (v )= 6|13 Phương trình kết hai phương trình DCT chiều, cho tần số ngang cho tần số dọc Hình 4: Sau DCT 3.2.4 Lượng tử hóa Bước q trình nén ảnh bước lượng tử hóa hệ số DCT F(u,v) với mục đích làm giảm số lượng bit cần thiết dùng để mơ tả hệ số Mắt người thường tập trung vào thông tin tần số thấp nhiều so với thông tin tần số cao Do đó, lỗi nhỏ biểu diễn tần số cao không dễ dàng nhận thấy, việc loại bỏ hoàn toàn số thành phần tần số cao thường chấp nhận mắt thường Q trình lượng tử hóa JPEG tận dụng lợi để giảm lượng thơng tin DCT cần mã hóa cho khối × định Để thực trình nén liệu, ma trận hệ số khai triển sau DCT phải chia cho bảng trọng số Q(u,v) để loại bỏ phần hệ số DCT có biên độ giá trị lớn hơn, kết làm tròn (bỏ phần thập phân): Fq(u,v) = round 7|13 (b) (a) Hình 5: Bảnh lượng tử (a) kết lượng tử (b) 3.2.5 Phân loại Zig-Zag Để mã hóa entropy hệ số Fq(u,v), trước hết cần biến đổi ma trận hệ số Fq(u,v) thành chuỗi số chiều, Trong kỹ thuật JPEG sử dụng phương pháp đọc theo đường zig-zag Việc đọc 64 hệ số khối 8*8 pixel theo đường zig-zac làm tăng tối đa độ dài chuỗi giá trị liên tiếp Như vậy, hiệu nén dùng mã RLC tăng AC01 DC AC07 AC70 AC77 Hình 6: Quét zig-zag hệ số lượng tử hóa DCT Theo phân loại zig-zag ta khối 64*1 15 -2 -1 -1 -1 0 -1 …… 63 hệ số AC lại hệ số xoay chiều (còn gọi thành phần xoay chiều) 3.2.6 Mã hóa DC 8|13 Hệ số DC (còn gọi thành phần khơng đổi), xác định màu sắc cho tồn khối Các hệ số DC mã hóa theo phương pháp DPCM Để tăng hiệu suất nén, kết nhận sau mã hóa tiếp Huffman Trên lý thuyết, dải động giá trị nhận sau mã hóa DPCM lớn gấp đơi dải động hệ số DCT, có nghĩa thành phần có giá trị nằm khoảng −2 11 đến 211-1 Số lượng bit cần thiết để mã hóa thành phần DC lên tới 11 Hình 7: Phân loại hệ số Hình 8: Bảng mã Huffman cho thành phần DC Thành phần DC block hình có giá trị DCn = 15 Giả sử thành phần DC block trước DCn-1 = 12 9|13 Như vậy, kết mã hóa DPCM giá trị ∆DC = DC n−DCn-1 = Trên bảng 7, ∆DC = thuộc “size” Dựa vào bảng mã Huffman ta có từ mã tương ứng với “size” (011) → độ dài từ mã Giá trị ∆ DC = biểu diễn chuối nhị phân “11” Như từ mã DC 01111 3.2.7 Mã hóa AC Mã hóa Entropy dạng nén khơng liệu Nó liên quan đến việc xếp thành phần hình ảnh theo thứ tự " zig-zag" sử dụng thuật toán run-length encoding (RLE) để nhóm tần số tương tự lại với Thay phải lưu trữ tồn điểm ảnh, cần lưu trữ chúng cách sử dụng cặp (Giá trị chạy, giá trị) Sau trình quét zig-zag, từ block hệ số DCT hình ta nhận chuỗi hệ số AC sau: 0, -2, -1, -1, -1, , 0, -1, , 0…… Chuỗi bít nhận sau mã RLC là: (1,-2) (0, -1) (0, -1) (0, -1) (2,-1) (EOB) Sử dụng bảng phân loại (hình 7) tìm loại biên độ hệ số Tín hiệu đưa vào mã hóa Huffman có cấu trúc sau: (1,2)(-2), (0,1)(-1), (0,1)(-1), (0,1)(-1) (2,1)(-1), (0,0) Giá trị chạy (1,2)(-2) Giá trị Size 10 | Run/Size Hình 9:Bảng mã Huffman cho thành phần AC Từ mã Hufman cho cặp giá trị chạy loại tìm sau tra bảng hình Kết mã hóa thành phần AC: 11100101 0000 0000 0000 1101100 1010 Kết mã hóa thành phần AC Nhị DC phân đượccủa tập1hợp lại thành chuỗi bít có dạng sau: 01111 11100101 0000 0000 0000 1101100 1010 Có thể thấy cần 36 bits để truyền block 64 điểm ảnh, hiệu nén phương pháp JPEG trường hợp 0.5 bit/điểm ảnh Ứng dụng Định dạng ảnh JPEG sử dụng vơ phổ biết có ứng dụng lớn thực tiễn Nhờ đặc tính hiển thị màu dung lượng nhỏ ảnh JPEG sử dụng để hiển thị thiết bị kỹ thuật số Các trang web, mạng xã hội lưu trữ sử dụng nhiều định dạng ảnh JPGE giúp tối ưu không gian lưu trữ, khả tương thích hiển thị hình ảnh tốt Trong thực tiễn định dạng ảnh JPEG sử dụng với trường hợp bao gồm: Các hình ảnh tĩnh; Sử dụng lưu trữ hình ảnh nhiếp ảnh; hiển thị 11 | hình ảnh có màu sắc phức tạp Cùng ảnh bạn thấy ảnh có định dạng nén JPEG cho màu đẹp tươi định dạng ảnh khác Tài liệu tham khảo https://en.wikipedia.org/wiki/JPEG https://www.eetimes.com/baseline-jpeg-compression-juggles-imagequality-and-size/ https://www.javatpoint.com/jpeg-compression BTL-CNPDT-JPEG-MPEG.docx https://slideplayer.com/slide/9415253/ 12 | ... – JPEG định dạng nén ảnh có tổn thất, có thay đổi biến thể giữ nguyên lý chuẩn nén JPEG (các định dạng mở rộng khác jpg, jpeg, jpe, jfif jif) Phương pháp nén ảnh theo chuẩn JPEG đạt hệ số nén. .. chung 1.1 JPEG ? JPEG viết tắt Joint Photographic Experts Group tên nhóm nghiên cứu phát minh chuẩn Từ năm 1986 nhóm nghiên cứu đưa chuẩn nén ảnh JPEG đến năm 1994, JPEG khẳng định với tiêu chuẩn. .. mã hóa ngẫu nhiên Tiêu chuẩn JPEG 2000: hệ thống mã hóa hình ảnh mà kỹ thuật nén dựa kỹ thuật sóng ngắn Kỹ thuật nén ảnh JPEG 3.1 Giới thiệu nén ảnh jpeg Các kỹ thuật nén ảnh hướng tới việc giải