Một trong s nh ng thu t toỏn nộn nh ố ữ ậ ả được đề xu t g n õy là thu t ấ ầ đ ậ
toỏn ASWDR của Walker[4]. ASWDR là viết tắt của Adaptively Scanned Wavelet Difference Reduction. Quột thớch ứng (Adaptively Scanned) nghĩa là thuật toỏn sửa đổi trật tự quột của WDR đểđạt được hiệu năng cao hơn.
3.4.1.Nguyờn tắc dự đ oỏn giỏ trị quan trọng
Thuật toỏn ASWDR thớch ứng trật tự quột nhằm mụ đc ớch dự đoỏn vị
trớ cỏc giỏ trị quan trọng mới. Nếu dự đ oỏn là chớnh xỏc, ta sẽ xỏc định được dấu của giỏ trị quan trọng ứng với vị trớ dự đoỏn đú. Khai triển nhị phõn rỳt gọn của một số bước sẽ được lo i b . Nh vạ ỏ ư ậy, m t s ộ ơđồ dự đ oỏn chớnh xỏc sẽ làm giảm đỏng kể dữ liệu mó húa đầu ra của WDR.
Phương phỏp dự đ oỏn được sử ụ d ng bởi ASWDR như sau: nếu w(m) là quan trọng v i ngớ ưỡng T, cỏc giỏ trị con của m được dự đ oỏn là quan trọng với ngưỡng T/2. Với nhiều ảnh tự nhiờn, phương phỏp dự đoỏn này là khả thi. Vớ dụ như hỡnh 3.8 chỉ ra 2 băng con theo phương thẳng đứng c a biủ ến đổi wavelet Daub 9/7 với ảnh Lena.
Hỡnh 3.8: Băng con thứ 2 (a) ngưỡng 16 và băng con thứ 1 (b) ngưỡng 8
Hỡnh 3.8.a thể hiện những giỏ trị quan trọng của băng con thẳng đứng mức 2 với ngưỡng 16 (tương ứng với phần màu trắng). Hỡnh 3.8.b là những giỏ trị quan trọng c a bủ ăng con thẳng đứng mức 1 với ngưỡng 8. Dễ dàng thấy rằng cú sự tương đồng lớn gi a 2 nh. Do nh a ữ ả ả được phúng đại hai l n, ầ
cỏc pixel trắng củ ảa nh thực sự thể ệ hi n sự dự đ oỏn v trớ c a cỏc giỏ tr mị ủ ị ới trong băng con thẳng đứng m c 1. Mứ ặc dự những dự đ oỏn này khụng chớnh xỏc tuyệt đối, hai ảnh vẫn cú nhiều phần trựng nhau.
Cũng cần lưu ý rằng vị trớ của cỏc giỏ trị quan trọng cú mức tương quan cao với vị trớ cỏc đường gờ trong ảnh Lena.
Trật tự quột của thuật toỏn ASWDR thớch ứng động với vị trớ đường gờ
chi tiết trong ảnh, từ đ ú giỳp tăng cường độ phõn giải của phần gờ này.
Thực nghiệm cho thấy ASWDR mó húa nhiều giỏ trị quan trọng h n ơ
3.4.2.Nội dung thuật toỏn
Thuật toỏn ASWDR cú bước Significance tương tự nh trong thu t ư ậ
toỏn WDR, bước Refinement tương tự nh ph n mó húa m t ph ng bit. ư ầ ặ ẳ Đ ểi m khỏc biệt là việc bổ sung thờm bước tạo trỡnh tự quột mới.
Bước 1(Khởi tạo): Chọn m t ngộ ưỡng kh i t o, T=Tở ạ 0, sao cho tất cả cỏc giỏ trị biến đổi thỏa món |w(m)|<T0 và ớt nhất một giỏ trị biến đổi thỏa món|w(m)|≥T0/2. Thiết lõp LIP bằng H, LSP bằng ỉ, gỏn LIS bằng tất cả cỏc chỉ số trong H mà H cú nỳt con chỏu (kiểu A)
Bước 2(Cập nhật ngưỡng): Gỏn Tk=Tk-1/2
Bước 3 (Significance): Thực hi n th tệ ủ ục sau v i cỏc ch sớ ỉ ố khụng quan trọng trong trỡnh tự quột: ắ Khở ại t o b ộ đếm bước C=0 ắ Gỏn Cold=0 ắ Với mỗi ch s khụng quan tr ng th c hi n: ỉ ố ọ ự ệ Lấy chỉ số khụng quan trọng m kế tiếp Tăng bộ đếm bước C thờm một đơn vị Nếu |w(m)|≥Tk thỡ Đưa ra dấu c a w(m) và gỏn wủ Q(m)=Tk
Chuyển m v cu i dóy cỏc ch s quan tr ng ề ố ỉ ố ọ
Đặt n=C-Cold
Gỏn C=Cold
Nếu n>1 thỡ đưa ra khai triển nhị phõn rỳt gọn của n Ngược lạ ếi n u |w(m)|<Tk thỡ wQ(m) giữ giỏ trị 0
ắ Đưa ra ký hiệu k t thỳc bế ước 3 tương tự như ớ v i thuật toỏn WDR
Bước 4 (Refinement): Quột tấ ảt c cỏc giỏ tr quan tr ng tỡm ị ọ được v i giỏ tr ớ ị
ngưỡng Tj cao hơn, với j<k (Nếu k=1, bỏ qua bước này). Vớ ừi t ng giỏ trị
quan trọng w(m), th c hiự ện như sau:
ắ Nếu |w(m)| trong khoảng [wQ(m), wQ(m)+Tk) thỡ đưa ra bit 0
ắ Nếu |w(m)| trong khoảng [wQ(m)+Tk, wQ(m)+2Tk) thỡ
Đưa ra bit 1
Thay giỏ trị wQ(m) bằng wQ(m)+Tk
Bước 5 (Tạo trỡnh tự quột mới): Với m i m c j trong bi n ỗ ứ ế đổi wavelet (ngo i ạ
trừ j=1), quột qua cỏc giỏ trị quan trọng sử dụng trỡnh tự quột cũ.
Phần ban đầu của trỡnh tự quột mới ở mức j-1 bao g m ch sồ ỉ ố cỏc giỏ trị khụng quan trọng tương ứng với chỉ số con của giỏ trị quan trọng mức j.
Sau đú, quột lại cỏc giỏ tr khụng quan trị ọng mở ức j s dử ụng trỡnh t ự
quột cũ. Nối vào phần ban đầu của trỡnh tự quột mớ ởi mức j-1 cỏc ch sỉ ố
khụng quan trọng tương ứng với cỏc chỉ số con c a cỏc giỏ tr khụng quan ủ ị
trọng mức j này.
Cần lưu ý rằng khụng thực hiện thay đổi trỡnh tự quột ở mức L v i L là ớ
số mức biến đổi wavelet
Bước 6 (Bước lặp): Lặ ạ ừp l i t bước 2 t i bớ ước 5.
Việc bổ sung thờm bước tạo trỡnh tự quột mới chỉ làm tăng độ phức tạp lờn chỳt ớt so với thuật toỏn WDR. Ngoài ra, ASWDR vẫn giữ lạ ấ ải t t c cỏc tớnh năng quan trọng c a WDR: tớnh ủ đơn giản, khả năng truy n d n l y ti n ề ẫ ũ ế
Thuật toỏn nộn ASWDR cho PSNR cao hơn chỳt ớt so với WDR. Nhưng quan trọng h n, ASWDR cho sơ ự cảm nh n tr c giỏc t t h n so v i ậ ự ố ơ ớ
SPIHT và WDR. Hỡnh 3.9 là phần phúng đại của cỏc ảnh Lena (được nộn với tỷ lệ 128:1 và 64:1). Quan sỏt th y ASWDR b o toàn hỡnh d ng ph n mấ ả ạ ầ ũi Lena, chi tiế ảt nh trờn mũ và ảnh ớt bị mộo hơ ởn phần mỏ bờn trỏi (đặc biệt là với trường hợp 0.125 bpp).
Hỡnh 3.9: SPIHT, WDR, ASWDR với 0.0625 bpp (a->c), 0.125 bpp (d->f)
Cỏc thực nghiệm khỏc cũng cho thấy ASWDR mang lại chất lượng ảnh tốt hơn cả SPIHT và WDR đặc biệt là khi tỷ lệ nộn cao. Khi truy n d n v i ề ẫ ớ
3.4.Ứng dụng của cỏc thuật toỏn nộn wavelet
Thực nghiệm chứng minh cỏc thuật toỏn nộn wavelet như EZW, SPIHT… mang tỷ lệ nộn r t cao so v i thu t toỏn nộn nh truy n th ng. Phộp ấ ớ ậ ả ề ố
bi n ế đổi wavelet khai thỏc rất tốt những thuộc tớnh tự nhiờn của ảnh. Vỡ vậy, cỏc thuật toỏn này được ỏp dụng hi u quệ ả với nhi u lo i nh khỏc nhau nh ề ạ ả ư ảnh t nhiờn (chõn dung, phong c nh,…), nh y h c (X-ray, CT,…). Ngoài ra, ự ả ả ọ
chỳng cũn thể hi n sệ ức mạnh khi xử lý những kiểu dữ liệu đặc biệt khỏc như
dữ liệu khoa học, bản đồ…
Trong những hệ thống cần khả năng truy n d n l y ti n nh cỏc trỡnh ề ẫ ũ ế ư
duyệt web, ảnh cần phải hiển thị theo trỡnh tự chất lượng ngày càng tăng theo thời gian. Cỏc sơ đồ nộn ảnh thụng thường sử dụng phương phỏp truy n d n ề ẫ ảnh liờn t c c i n, nh hi n th lụ ổ đ ể ả ể ị ần lượt t ng ph n cho t i khi ừ ầ ớ đạt được toàn b ộ ảnh chứ khụng hiển thị theo trỡnh tự chất lượng tăng dần. Đ ềi u này khụng phự hợp với sự cảm nh n m t ngậ ắ ười. V i ớ đường truy n d n t c ề ẫ ố độ cao, th i ờ
gian chuyển tiếp này rất nhanh và người sử dụng h u nh khụng th nh n ra. ầ ư ể ậ
Với tốc độ truyền dẫn chậm, khoảng thời gian này là rất lõu và thậm chớ cú thể phải mất hàng giờđể tải về mộ ảt nh lớn.
Trong khi đú, cỏc thuật toỏn nộn wavelet được thiết kế tố ưi u cho truyền dẫn lũy tiến phự hợp với sự cảm nh n th giỏc, ngậ ị ười xem s nhỡn th y ẽ ấ
toàn bộ ả nh ngay cả khi thụng tin về ả nh ú chđ ưa được tải v trề ọn vẹ Ưn. u
đ ểi m tuy t v i này cú ệ ờ được là do s dử ụng mó húa nhỳng, ngh a là bĩ ở ất k ỳ
th i ờ đ ểi m nào, chất lượng ảnh hiển thị ở mứ ốc t t nh t cú th xột v i s lấ ể ớ ố ượng bit nhận được thở ờ đ ể đi i m ú.
Do đú, cỏc thuật toỏn nộn ảnh wavelet như EZW, SPIHT rất cần thiết cho những ng dứ ụng truyền d n lẫ ũy tiến. ú, ngỞ đ ười sử dụng cú th xem ể
Cỏc thuật toỏn nộn wavelet như WDR, ASWDR khắc phục nhược đ ểi m
của SPIHT và EZW là khụng hỗ trợ tớnh năng ROI, nghĩa là khả năng l a ự
chọn một phần ảnh nộn cú chất lượng cao hơn. Vỡ vậy thuật toỏn WDR và ASWDR được sử dụng để truy n ho c l u tr nh v i s lề ặ ư ữ ả ớ ố ượng bit ớt trong khi một số phần quan trọng củ ảa nh v n cú ch t lẫ ấ ượng cao. Do ú, thu t toỏn đ ậ được ứng d ng trong l nh v c y h c ho c ng d ng theo dừi v t th . ụ ĩ ự ọ ặ ứ ụ ậ ể
Ngoài khả năng ROI, th c nghi m ch ng minh r ng WDR và ự ệ ứ ằ đặc bi t ệ
là ASWDR thể hiện phần gờ củ ảa nh t t h n nhi u SPIHT và EZW ngay c ố ơ ề ả
khi tỷ lệ nộn r t cao. Vỡ h th ng c m nh n c a m t ngấ ệ ố ả ậ ủ ắ ười th ng t p trung ườ ậ
vào cỏc phần gờ củ ảa nh. Do ú ASWDR đ được ng d ng r ng rói v i nh ng ứ ụ ộ ớ ữ ứng d ng truy n nh v i t c ụ ề ả ớ ố độ r t th p. ấ ấ
Một ứng dụng cụ thể của ASWDR là ng d ng trong cỏc h th ng ứ ụ ệ ố
truyền dẫn dữ liệu thời gian thực như hệ th ng SAR (Synthetic Aperture ố
Radar), được sử dụng cho nh ng ng d ng kh t khe nh trinh thỏm, dũ tỡm ữ ứ ụ ắ ư
mục tiờu quõn sự để thực hiện sứ mệnh h y di t m c tiờu và c trong nh ng ủ ệ ụ ả ữ ứng d ng kh o sỏt khoa h c. ụ ả ọ
3.5.Kết luận chương 3
Chương 3 đó tập trung phõn tớch một số thuật toỏn nộn ảnh tĩnh trờn cơ
sở biến đổi wavelet tiờu biểu: EZW, SPIHT, WDR, ASWDR. Cỏc thuật toỏn này cho tỷ lệ nộn cao và t i u húa cho truy n d n l y ti n. Do ú kh c ph c ố ư ề ẫ ũ ế đ ắ ụ
mọi hạn chế của thuật toỏn nộn ảnh truyền thống.
Bảng 3.1 tổng kết lại tớnh năng tiờu biểu và hạn chế của cỏc thu t toỏn ậ đó trỡnh bày trong chương 3.
Kiểu nộn Tớnh năng Hạn chế EZW 9 Phự hợp v i truy n d n l y ớ ề ẫ ũ tiến 9 Sử dụng cõy zero 9 Trỡnh tự quột ph i ả định s n. ẵ 9 Cho kết qu nộn t t mà ả ố khụng cần bảng tham chiếu mó 9 Khụng thể gi i nộn ả nếu thụng tin về vị trớ cỏc hệ số wavelet b ị mất trong quỏ trỡnh truyền dẫn 9 Khụng nộn thời gian thực 9 Phả ửi s dụng b sung ổ một bộ mó húa số học. SPIHT
9 Được sử dụng r ng rói, cho ộ
PSNR cao với r t nhiấ ều cỏc thể loạ ải nh 9 Cõy cấu trỳc phõn c p ấ được phõn chia tập hợp. Nhờ đ ú khai thỏc tốt cấu trỳc cõy hướng khụng gian 9 Giữ tr ng thỏi c a t p h p ạ ủ ậ ợ cỏc chỉ số trong 3 danh sỏch: LSP, LIP, LIS. 9 Phự hợp cho truy n d n l y ề ẫ ũ tiến 9 Khụng chỉ rừ ràng v ị trớ của cỏc hệ số quan trọng 9 Yờu cầu nhi u b nh ề ộ ớ để lưu tr 3 danh ữ sỏch. 9 Thụng tin gử đi i là những bit đơn 9 Chất lượng c m nh n ả ậ trực quan chưa thật tối ưu
9 Hiệu qu hả ơn h n JPEG xột ẳ về tỷ lệ PSNR và cảm nh n ậ trực quan. WDR 9 Sử dụng khỏi niệm ROI 9 Mó húa vị trớ cỏc giỏ tr ị wavelet quan trọng 9 Mang lạ ải c m nh n tr c quan ậ ự tốt hơn SPIHT 9 Phự hợp v i nh y t cú ớ ả ế độ phõn giải thấp và truyền với tốc độ bit thấp 9 Ít phứ ạc t p h n SPIHT ơ
9 Độ tương quan gờ cao h n ơ
SPIHT. Do đú bảo toàn phần gờ chi tiết ảnh tốt hơn SPIHT. 9 PSNR khụng cao hơn so với thuật toỏn SPIHT ASWDR 9 Trậ ựt t quột được s a ử đổi so với WDR 9 D ự đoỏn vị trớ cỏc giỏ trị quan trọng mới. 9 Thớch ứng động v i v trớ c a ớ ị ủ phần chi tiết gờ.
9 Cho tỷ lệ PSNR cao h n ơ WDR và SPIHT 9 Cho chất lượng c m nh n ả ậ trực quan tốt hơn SPIHT và WDR 9 Độ tương quan gờ tốt h n ớt ơ nhiều so với WDR. Do đú bảo toàn phần chi tiết tốt hơn. 9 Phự hợp v i nh yờu c u tớ ả ầ ỷ lệ nộn cao như ảnh trinh thỏm, y học… Bảng 3.1: Tớnh năng và hạn chế của cỏc thuật toỏn nộn
CHƯƠNG 4: TIấU CHUẨN NẫN ẢNH TĨNH JPEG2000 4.1. Lịch sử ra đời và phỏt triển chuẩn JPEG2000
4.1. Lịch sử ra đời và phỏt triển chuẩn JPEG2000
Như chỳng ta đó biết, s ra ự đời của JPEG mang lại nhiều lợi ớch to lớn. JPEG cú thể giảm nhỏ kớch thước ảnh, giảm thời gian truyền và làm giảm chi phớ xử lý ảnh trong khi chất lượng ảnh là khỏ tốt. Tuy nhiờn cho đến nay người ta mới chỉ ứ ng dụng d ng thạ ức nộn cú tổn thất thụng tin của JPEG vỡ mó hoỏ khụng tổn thấ ủt c a JPEG là khỏ phức tạp.
Để việc nộn nh cú hi u qu hả ệ ả ơ Ủn, y ban JPEG ó đ đưa ra m t chu n ộ ẩ
nộn ảnh mới là JPEG2000. JPEG2000 sử dụng bi n ế đổi Wavelet và cỏc phương phỏp mó hoỏ đặc biệt để cú được ảnh nộn ưu việt hơn hẳn JPEG. JPEG2000 hiện vẫn đang tiếp tục được phỏt triển và chắc chắn sẽ trở thành tiờu chuẩn nộn ảnh quốc tế ỏp dụng cho ảnh tĩnh.
Chuẩn nộn ảnh JPEG2000 mà nền tảng là biến đổi Wavelet với tớnh năng vượt trội so với JPEG chắc chắn sẽ được sử dụng rộng rói trong cỏc ứng dụng truyền thụng đa phương tiện.
4.2. Cỏc tớnh năng của JPEG2000
JPEG2000 cú nhiều chức năng đặc biệt hơn mọi chuẩn nộn ảnh tĩnh khỏc như JPEG hay GIF, cụ ể th như sau:
a) Sử ụ d ng cựng một cơ chế nộn ảnh cho cả hai dạng thức nộn.
Một tớnh năng quan trọng và là ưu đ ểi m của JPEG2000 so với JPEG là
JPEG2000 đưa ra cả hai kỹ thuật nộn cú tổn thất và khụng tổn thất theo cựng
một cơ chế mó hoỏ. Nghĩa là JPEG2000 thực hiện tất cả cỏc dạng thức của
JPEG chỉ ằ b ng một cơ chế mó hoỏ duy nh t. ấ
JPEG cũng cú khả ă n ng nộn ảnh cú tổn thất và khụng t n th t thụng tin. ổ ấ
Tuy nhiờn với JPEG thỡ cơ chế mó hoỏ với hai dạng này là khỏc nhau và rất khú để sử dụng c hai d ng này cựng lỳc cho cựng m t ng d ng. Do ú, ả ạ ộ ứ ụ đ
JPEG2000 cú tớnh mềm dẻo h n bơ ất kỳ chuẩn nộn ảnh tĩnh nào trước đõy.
b)Tỷ lệ nộn cao
Tớnh năng u viư ệt thứ hai của JPEG2000 so với JPEG chớnh là trong dạng thức nộn cú tổn thất thụng tin, JPEG2000 cú thể đưa ra tỷ lệ nộn cao hơn nhiều so với JPEG.
Cỏc phần mềm nộn ảnh JPEG hiện tại cũng chỉ thiết kế để cú thể nộn
được tớ ỷ ệi t l 40:1 nh ng v i JPEG2000 thỡ t l nộn cú thư ớ ỷ ệ ể lờn tới 200:1.
c)Cho phộp truyền dẫn và hiển thị lu tiỹ ến về chất lượng, độ phõn giải
Tớnh năng u viư ệt thứ 3 của JPEG2000 so với JPEG là chuẩn nộn ảnh này cú thể hiển thịđược cỏc ảnh với độ phõn giải và kớch thước khỏc nhau từ
cựng mộ ảt nh nộn do sử ụ d ng kỹ thuậ đt a phõn giả ải nh và mó hoỏ nhỳng. Tớnh năng này là một l i thợ ế đặc biệt quan trọng của JPEG2000. Trong khi JPEG cũng như cỏc chuẩn nộn ảnh tĩnh trước đõy ph i thả ực hiện nộn
