(f t) [x () ( tw t) ]e dtXjπ f
4.3.2. Chuẩn JPEG-
Chuẩn JPEG ban đầu đã thu được sự đón nhận rộng rãi và hiện tại có mặt ở khắp nơi thông qua các ứng dụng của máy tính: nó là khuôn dạng chính cho các ảnh chụp trong web toàn cầu và được sử dụng rộng rãi trong lưu trữ hình ảnh. Hơn nữa, ảnh số hóa ngày càng phổ biến với người dùng và yêu cầu chất lượng ngày càng tăng lên, vì vậy các vấn đề xử lý ảnh cũng tăng theo. Nén hình ảnh không chỉ là làm giảm dung lượng lưu trữ
và các yêu cầu băng thông, mà còn cho để nguyên phép tách, ghép để sắp xếp xử lý và
đáp ứng các mục tiêu trên các ứng dụng và thiết bị cụ thể. Ngoài ra, yêu cầu về hiệu suất nén tốt hơn với tỷ số nén cao đã dẫn tới sự phát triển chuẩn JPEG-2000.
Hệ thống nén JPEG-2000 có tỉ lệ xuyên âm thấp hơn hẳn các chuẩn công nghệ
JPEG truyền thống, cho dù JPEG-2000 không phải là một chuẩn mới hoàn toàn mà được phát triển từ các tiêu chuẩn đã có.
Điều quan trọng hơn, nó cho phép tách các phân giải khác nhau, các điểm ảnh, các miền quan tâm, các thành phần và hơn nữa, tất cả chúng được đưa vào một dòng bit nén
đơn. Nó cho phép một ứng dụng xử lý hoặc truyền các thông tin cần thiết cho bất kỳ một thiết bị nào, từ một ảnh nguồn đã được mã hóa theo chuẩn JPEG-2000. Tính tương thích này là một trong những ưu điểm nổi trội mà các kỹ thuật xử lý JPEG truyền thống gặp rất nhiều khó khăn.
Không giống như tiêu chuẩn JPEG truyền thống, kỹ thuật mã hóa dựa trên biến
đổi cosin rời rạc (DCT – Discrete Cosin Tranform) dùng mã hóa Huffman, JPEG-2000 sử dụng kỹ thuật mã hóa dạng sóng rời rạc (DWT – Descrete Wavelet Transform) dùng mã số học. Sử dụng DWT cho phép nâng cao độ phân giải tần số mang tính không gian
129
trong thể hiện biến đổi hình ảnh. Sơ đồ khối của quá trình nén và giải nén theo chuẩn JPEG-2000 mô tảở hình 4.3 dưới đây:
Hình 4.3: Sơđồ quá trình nén và giải nén theo chuẩn JPEG-2000
Bước 1: Xử lý trước biến đổi
Do sử dụng biến đổi Wavelet, JPEG2000 cần có dữ liệu ảnh đầu vào ở dạng đối xứng qua 0. Xử lý trước biến đổi chính là giai đoạn đảm bảo dữ liệu đưa vào nén ảnh có dạng trên. Ở phía giải mã, giai đoạn xử lý sau biến đổi sẽ trả lại giá trị gốc ban đầu cho dữ liệu ảnh.
Bước 2: Biến đổi liên thành phần
Giai đoạn này sẽ loại bỏ tính tương quan giữa các thành phần của ảnh. JPEG-2000 sử dụng hai loại biến đổi liên thành phần là biến đổi màu thuận nghịch (Reversible Color Transform - RCT) và biến đổi màu không thuận nghịch (Irreversible Color Transform - ICT) trong đó biến đổi thuận nghịch làm việc với các giá trị nguyên, còn biến đổi không thuận nghịch làm việc với các giá trị thực. ICT và RCT chuyển dữ liệu ảnh từ không gian màu RGB sang YCrCb. RCT được áp dụng trong cả hai dạng thức nén có tổn thất và không tổn thất, còn ICT chỉ áp dụng cho nén có tổn thất. Việc áp dụng các biến đổi này trước khi nén ảnh không nằm ngoài mục đích làm tăng hiệu quả nén. Các thành phần Cr, Cb có ảnh hưởng rất ít tới sự cảm nhận hình ảnh của mắt trong khi thành phần độ chói Y có ảnh hưởng rất lớn tới ảnh.
Bước 3: Biến đổi riêng thành phần
Biến đổi riêng thành phần được áp dụng trong JPEG-2000 chính là biến đổi Wavelet.
Bước 4: Lượng tử hoá - Giải lượng tử hoá
Các hệ số của phép biến đổi sẽ được tiến hành lượng tử hoá. Quá trình lượng tử
hoá cho phép đạt tỷ lệ nén cao hơn bằng cách thể hiện các giá trị biến đổi với độ chính xác tương ứng cần thiết với mức chi tiết của ảnh cần nén. Các hệ số biến đổi sẽ được
130
lượng tử hoá theo phép lượng tử hoá vô hướng. Các hàm lượng tử hoá khác nhau sẽđược áp dụng cho các băng con khác nhau và được thực theo biểu thức:
(4.1)
với ∆ là bước lượng tử, U(x, y) là giá trị băng con đầu vào; V(x, y) là giá trị sau lượng tử
hoá. Trong dạng biến đổi nguyên, đặt bước lượng tử bằng 1.Với dạng biến đổi thực thì bước lượng tử sẽ được chọn tương ứng cho từng băng con riêng rẽ. Bước lượng tử của mỗi băng do đó phải có ở trong dòng bít truyền đi để phía thu có thể giải lượng tử cho
ảnh. Công thức giải lượng tử hoá là:
(4.2)
r là một tham số xác định dấu và làm tròn, các giá trị U(x, y); V(x, y) tương ứng là các giá trị khôi phục và giá trị lượng tử hoá nhận được. JPEG-2000 không cho trước r tuy nhiên thường chọn r = 1/2 .
Bước 5: Mã hoá
JPEG-2000 theo khuyến nghị của uỷ ban JPEG quốc tế có thể sử dụng nhiều phương pháp mã hoá khác nhau cũng như nhiều cách biến đổi Wavelet khác nhau để có thể thu được chất lượng ảnh tương ứng với ứng dụng cần xử lý. Điều này giúp cho JPEG- 2000 mềm dẻo hơn nhiều so với JPEG. Việc áp dụng các phương pháp mã hoá khác nhau cũng được mở rộng sang lĩnh vực nén ảnh động bằng biến đổi Wavelet. Trong thực tế các phương pháp mã hoá ảnh được áp dụng khi nén ảnh bằng biến đổi Wavelet cũng như
JPEG-2000 thì có hai phương pháp được coi là cơ sở và được áp dụng nhiều nhất: phương pháp SPIHT và phương pháp EZW (Embedded Zerotree Wavelet Encoder).
JPEG-2000 là một chuẩn nén có thể tạo ra khả năng nén ảnh tốt hơn đáng kể so với JPEG. Với cùng chất lượng hình ảnh, thông thường JPEG-2000 có thể nén ảnh gấp ít nhất là 2 lần so với JPEG. Với tỷ số nén cao, chất lượng của hình ảnh giảm ít hơn. Tuy nhiên
điều này cũng đồng nghĩa với việc tăng độ phức tạp và các yêu cầu lưu trữ trong quá trình mã hóa và giải mã. Một tác động khác của điều này là những hình ảnh có thể tốn mất nhiều thời gian hơn khi lưu trữ và hiển thị.