Đang tải... (xem toàn văn)
CÁC KỸ THUẬT NÉN ẢNH SỐ Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ thì máy tính đóng vai trò ngày càng quan trọng và không thể thiếu trong cuộc sống xã hội loài người. Việc trao đổi thông tin của con người trong tất cả các ngành, các lĩnh vực của đời sống ngày càng trở nên cần thiết cùng với sự ra đời và phát triển của mạng Internet.
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA oOo TIỂU LUẬN MÔN HỌC XỬ LÝ ẢNH NÂNG CAO Đề tài: CÁC KỸ THUẬT NÉN ẢNH SỐ GVHD : TS. NGÔ VĂN SỸ Nhóm 3 : Mai Thị Kim Liên Võ Hoàng Nam Dƣơng Ngọc Pháp Phạm Hoàng Phƣơng Lớp : K25.KDT.DN Niên khoá : 2012-2014 Đà Nẵng, tháng 05/2014 2 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 3 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ NÉN ẢNH 4 1.1 Giới thiệu về ảnh số và xử lý ảnh số 4 1.1.1 Ảnh số 4 1.1.2 Xử lý ảnh số 4 1.2 Mục đích và sự cần thiết của nén ảnh 5 1.3 Các khái niệm cơ bản 6 CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP NÉN ẢNH 8 2.1 Cách phân loại các phƣơng pháp nén ảnh 8 2.1.1 Phân loại dựa vào nguyên lý nén 8 2.1.2 Phân loại dựa vào cách thức thực hiện nén 8 2.1.3 Phân loại dựa vào lý thuyết mã hóa 8 2.1.4 Quá trình nén và giải nén 8 2.2 Phƣơng pháp mã hóa loạt dài RLE 9 2.2.1 Nguyên tắc 9 2.2.2 Thuật toán 11 2.2.3 Một số thủ tục chƣơng trình 11 2.3 Phƣơng pháp mã hóa Huffman 15 2.3.1 Nguyên tắc 15 2.3.2 Thuật toán 16 2.3.3 Một số thủ tục chƣơng trình 20 2.4 Phƣơng pháp mã hóa LZW 22 2.4.1 Nguyên tắc 22 2.4.2 Thuật toán 25 2.4.3 Một số thủ tục chƣơng trình 28 2.5 Phƣơng pháp mã hóa JPEG 30 2.5.1 Nguyên tắc 30 2.5.2 Thuật toán 31 2.5.3 Một số thủ tục chƣơng trình 37 CHƢƠNG 3: CÀI ĐẶT CHƢƠNG TRÌNH VÀ CHẠY THỬ NGHIỆM 43 3 MỞ ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ thì máy tính đóng vai trò ngày càng quan trọng và không thể thiếu trong cuộc sống xã hội loài người. Việc trao đổi thông tin của con người trong tất cả các ngành, các lĩnh vực của đời sống ngày càng trở nên cần thiết cùng với sự ra đời và phát triển của mạng Internet. Xử lý ảnh là một ngành khoa học đang được tập trung nghiên cứu và phát triển vì những ứng dụng thực tiễn của nó trong nhiều ngành, lĩnh vực khác nhau. Trong đó “Nén ảnh” là một phần của xử lý ảnh có ứng dụng to lớn trong truyền thông và trong lưu trữ, đã có rất nhiều phương pháp nén ảnh được ra đời và không ngừng được cải tiến để ngày càng hoàn thiện đem lại hiệu quả nén cao và cho chất lượng ảnh tốt nhất. Trong tiểu luận này sẽ tìm hiểu một số phương pháp nén ảnh như: mã loạt dài RLE, HUFFMAN, LZW, JPEG. 4 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ NÉN ẢNH 1.1 Giới thiệu về ảnh số và xử lý ảnh số 1.1.1 Ảnh số Ảnh có thể biểu diễn dưới dạng tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số. Trong biểu diễn số của các ảnh đa mức xám, một ảnh được biểu diễn dưới dạng một ma trận hai chiều. Mỗi phần tử của ma trận biểu diễn cho mức xám hay cường độ của ảnh tại vị trí đó. Mỗi phần tử trong ma trận được gọi là một phần tử ảnh, thông thường kí hiệu là PEL (Picture Element) hoặc là điểm ảnh (Pixel). - Với ảnh đa cấp xám: Nếu dùng 8 bit (1 byte) để biểu diễn mức xám, thì số các mức xám có thể biểu diễn được là 2 8 hay 256. Mỗi mức xám được biểu diễn dưới dạng là một số nguyên nằm trong khoảng từ 0 đến 255, với mức 0 biểu diễn cho mức cường độ đen nhất và 255 biểu diễn cho mức cường độ sáng nhất. - Với ảnh màu: Cách biểu diễn cũng tương tự như với ảnh đen trắng, chỉ khác là các số tại mỗi phần tử của ma trận biểu diễn cho ba màu riêng rẽ gồm: đỏ (red), lục (green) và lam (blue). Để biểu diễn cho một điểm ảnh màu cần 24 bit, 24 bit này được chia thành ba khoảng 8 bit. Mỗi khoảng này biểu diễn cho cường độ sáng của một trong các màu chính. Hình 1.1 Biểu diễn của một mức xám của ảnh số 1.1.2 Xử lý ảnh số Xử lý ảnh là một khoa học mặc dù còn tương đối mới so với nhiều ngành khoa học khác ,nhất là trên quy mô công nghiệp. Xử lý ảnh số có rất nhiều ứng dụng như làm nổi các ảnh trong y học, khôi phục lại ảnh do tác động của khí quyển trong thiên văn học, tăng cường độ phân giải của ảnh truyền hình mà không 5 cần thay đổi cấu trúc bên trong của hệ thống chuyển tải, nén ảnh trong khi truyền đi xa hoặc lưu trữ. Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh có thể được mô tả trong hình sau: Hình 1.2 Các giai đoạn của quá trình xử lý ảnh 1.2 Mục đích và sự cần thiết của nén ảnh Nén ảnh là một kỹ thuật mã hoá các ảnh số hoá nhằm giảm số lượng các bit dữ liệu cần thiết để biểu diễn ảnh. Mục đích là giảm đi những chi phí trong việc lưu trữ ảnh và chi phí thời gian để truyền ảnh đi xa trong truyền thông nhưng vẫn đảm bảo được chất lượng của ảnh. Nén ảnh thực hiện được là do một thực tế: thông tin trong bức ảnh không phải là ngẫu nhiên mà có trật tự , tổ chức.Vì thế nếu bóc tách được tính trật tự, cấu trúc đó thì sẽ biết phần thông tin nào quan trọng nhất trong bức ảnh để biểu diễn và truyền đi với số lượng ít bit hơn so với ảnh gốc mà vẫn đảm bảo tính đầy đủ của thông tin.ở bên nhận quá trình giải mã sẽ tổ chức, sắp xếp lại được bức ảnh xấp xỉ gần chính xác so với ảnh gốc nhưng vẫn thỏa mãn chất lượng yêu cầu. Dưới đây là ví dụ về lưu trữ ảnh số và truyền đi xa với đường truyền 9600 baud (9600 bps) để thấy rõ sự cần thiết của việc nén ảnh: - Ảnh đa cấp xám hay ảnh 256 màu có kích thước 800 x 600, 8 bit/điểm ảnh, cần 3.840.000 bit lưu trữ và mất 6.67 phút để truyền. - Ảnh màu RGB (24 bit/điểm ảnh ) cùng độ phân giải như vậy cần hơn 10 triệu bit để lưu trữ và 20 phút để truyền. - Một phim âm bản có kích thước 24 - 36 mm (35 mm) chia bằng các khoảng cách nhau 12 m, vào khoảng 3000 x 2000 điểm, 8 bit/pixel, yêu cầu 48 triệu bit cho lưu giữ ảnh và 83 phút để truyền. Qua ví dụ trên ta thấy nhiều vấn đề trong việc lưu trữ và truyền tải ảnh số hoá. Nén ảnh có nhiều ứng dụng trong thực tế như : truyền các văn bản đồ hoạ qua đường điện thoại (Fax), nén ảnh trong y tế và truyền hình cáp… .Chính sự 6 ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của nén ảnh cùng với sự tiến bộ trong lĩnh vực vi điện tử dẫn đến sự ra đời các chuẩn nén ảnh. Nén ảnh đạt được bằng cách loại bỏ các phần dư thừa trong ảnh đã được số hoá. Dư thừa có thể là dư thừa thông tin về không gian, dư thừa về cấp xám hay dư thừa về thời gian: - Dư thừa thông tin về không gian: trong một bức ảnh luôn tồn tại sự tương quan giữa các điểm ảnh cạnh nhau. - Dư thừa thông tin về cấp xám: là dư thừa dựa vào sự tương quan giữa các màu sắc cạnh nhau. - Dư thừa thông tin về thời gian: Trong một chuỗi ảnh video, tồn tại sự tương quan giữa các điểm ảnh của các frame khác nhau. 1.3 Các khái niệm cơ bản a. Pixel (picture element) : phần tử ảnh Ảnh trong thực tế là một ảnh liên tục về không gian và về giá trị độ sáng. Để có thể xử lý ảnh bằng máy tính cần thiết phải tiến hành số hoá ảnh. Như vậy một ảnh là một tập hợp các pixel. Mỗi pixel là gồm một cặp toạ độ x, y và màu. Cặp toạ độ x, y tạo nên độ phân giải (resolution). Màn hình máy tính có nhiều loại với độ phân giải khác nhau: 320x200, 640x350, 800x600, 1024x768,… b. Mức xám (Graylevel) Mức xám là kết quả sự mã hoá tương ứng của mỗi cường độ sáng của mỗi điểm ảnh với một giá trị số kết quả của quá trình lượng hoá. c. Dữ liệu Trong một bài toán, dữ liệu bao gồm một tập các phần tử cơ sở mà ta gọi là dữ liệu nguyên tử. Nó có thể là một chữ số, một ký tự, nhưng cũng có thể là một con số, một từ, điều đó phụ thuộc vào từng bài toán. d. Nén dữ liệu Nén dữ liệu là quá trình giảm dung lượng thông tin “dư thừa” trong dữ liệu gốc và làm cho lượng thông tin thu được sau nén thường nhỏ hơn dữ liệu gốc rất nhiều. Do vậy, tiết kiệm được bộ nhớ và giảm thời gian trao đổi dữ liệu trên mạng thông tin mà lại cho phép chúng ta khôi phục lại dữ liệu ban đầu. e. Tỷ lệ nén Tỷ lệ nén là một trong các đặc trưng quan trọng của mọi phương pháp nén. Tỷ lệ nén được định nghĩa như sau: Tỷ lệ nén = 1/r*% 7 với r là tỷ số nén được định nghĩa: r = kích thước dữ liệu gốc / kích thước dữ liệu nén. Như vậy hiệu suất nén = (1ư tỷ lệ nén)*100%. Đối vơi ảnh tĩnh, kích thước chính là số bit biểu diễn toàn bộ bức ảnh. Đối với ảnh video, kích thước chính là số bit để biểu diễn một khung hình video (video frame). 8 CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP NÉN ẢNH 2.1 Cách phân loại các phƣơng pháp nén ảnh 2.1.1 Phân loại dựa vào nguyên lý nén Nén bảo toàn thông tin (losses compression): bao gồm các phương pháp nén mà sau khi giải nén sẽ thu đựơc chính xác dữ liệu gốc.Tuy nhiên nén bảo toàn thông tin chỉ đạt hiệu quả nhỏ so với phương pháp nén không bảo toàn thông tin. Nén không bảo toàn thông tin (lossy compression): bao gồm các phương pháp nén sau khi giải nén sẽ không thu được dữ liệu như bản gốc. Các phương pháp này được gọi là “tâm lý thị giác” đó là lợi dụng tính chất của mắt người chấp nhận một số vặn xoắn trong ảnh khi khôi phục lại.Phương pháp này luôn đem lại hiệu quả cao do loại bỏ đi những thông tin dư thừa không cần thiết. 2.1.2 Phân loại dựa vào cách thức thực hiện nén Phương pháp không gian (Spatial Data Compression ): các phương pháp này thực hiện nén bằng cách tác động trực tiếp lên việc lấy mẫu của ảnh trong miền không gian. Phương pháp sử dụng biến đổi (Transform Coding): gồm các phương pháp tác động lên sự biến đổi của ảnh gốc chứ không tác động trực tiếp. 2.1.3 Phân loại dựa vào lý thuyết mã hóa Các phương pháp nén thế hệ thứ nhất: gồm các phương pháp có mức độ tính toán đơn giản như lấy mẫu, gán từ mã,… . Các phương pháp nén thế hệ thứ hai: gồm các phương pháp dựa vào mức độ bão hoà của tỷ lệ nén bằng cách sử dụng các phép toán tổ hợp đầu ra một cách hợp lý hoặc sử dụng biểu diễn ảnh như: phương pháp kim tự tháp Laplace, phương pháp dựa vào vùng gia tăng, phương pháp tách hợp. 2.1.4 Quá trình nén và giải nén Gồm 2 công đoạn : Nén : dữ liệu gốc qua bộ mã hoá dữ liệu , bộ mã hoá này thực hiện nén dữ liệu đến một mức thích hợp cho việc lưu trữ và truyền dẫn thông tin. Quá trình này sẽ thực hiện việc loại bỏ hay cắt bớt những dư thừa của ảnh để thu được thông tin cần thiết nhưng vẫn đảm bảo được chất lượng ảnh. Giải nén : dữ liệu nén đi qua bộ giải mã dữ liệu, bộ giải mã sẽ thực hiện giải nén để thu được dữ liệu gốc ban đầu.Việc giải nén này thường phải dựa vào các 9 thông tin đi kém theo dữ liệu nén ,tuỳ thuộc vào kiểu nén hay phương pháp nén mà dữ liệu giải nén được có hoàn toàn giống với dữ liệu gốc ban đầu hay không. Tóm lại quá trình nén và giải nén dữ liệu có thể mô tả một cách tóm tắt theo sơ đồ dưới đây: Hình 2.1 Quá trình nén và giải nén 2.2 Phƣơng pháp mã hóa loạt dài RLE Mã hoá theo độ dài loạt RLE (Run Length Encoding) là một phương pháp nén ảnh dựa trên sự cắt bớt các dư thừa về không gian (một vài hình ảnh có vùng màu lớn không đổi đặc biệt đối với ảnh nhị phân). Loạt được định nghĩa là dãy các phần tử điểm ảnh (pixel) liên tiếp có cùng chung một giá trị. 2.2.1 Nguyên tắc Nguyên tắc của phương pháp này là phát hiện một loạt các điểm ảnh lặp lại liên tiếp, ví dụ :110000000000000011 .Ta thấy điểm ảnh có giá trị 0 xuất hiện nhiều lần liên tiếp thay vì phải lưu trữ toàn bộ các điểm ảnh có giá trị 0 ta chỉ cần lưu trữ chúng bằng cách sử dụng các cặp (độ dài loạt, giá trị). Ví dụ: Cho một chuỗi nguồn d : d =5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 19 19 19 19 19 0 0 0 0 0 0 0 23 23 23 23 23 23 23 23 Ta sẽ có chuỗi mới : (10 5) (5 19) (7 0) (8 23) Tỷ số nén = 20/ 8 = 2.5 Đối với ảnh đen trắng chỉ sử dụng 1 bit để biểu diễn 1 điểm ảnh thì phương pháp này tỏ ra rất hiệu quả, ta thấy điều đó qua ví dụ sau : Cho một chuỗi nguồn d: 000000000000000111111111100000000001111111111000000000000000 Ta có chuỗi mới : (15, 10, 10, 10, 15) 10 Tỷ số nén = 60 bit / (5*4 bit) = 3 ( chỉ sử dụng 4 bit để thể hiện độ dài loạt và không thể hiện giá trị loạt vì ảnh đen trắng chỉ có 2 giá trị bit là 0 hoặc là 1) Chú ý: - Đối với ảnh chiều dài của một dãy lặp có thể lớn hơn 255, nếu ta dùng 1 byte để lưu trữ chiều dài thì sẽ không đủ. Giải pháp được dùng là tách chuỗi đó thành 2 chuỗi: một chuỗi có chiều dài là 255, chuỗi kia có chiều dài còn lại. - Phương pháp nén RLE chỉ đạt hiệu quả khi chuỗi lặp lớn hơn 1 ngưỡng nhất định nào đó hay nói các khác trong ảnh cần nén phải có nhiều điểm ảnh kề nhau có cùng giá trị màu. Do đó phương pháp này không đem lại cho ta kết quả một cách ổn định vì nó phụ thuộc hoàn toàn vào ảnh nén chỉ thích hợp cho những ảnh đen trắng hay ảnh đa cấp xám. Ví dụ: Ta có một chuỗi nguồn: d=5 7 9 11 13 18 28 38 48 58 30 35 40 45 Chuỗi kết quả sau khi mã hoá : 1 5 1 7 1 9 1 11 1 3 1 18 1 28 1 38 1 48 1 58 1 30 1 35 1 40 1 45 Tỷ số nén = 14 / 28 = 0.2 Như vậy chuỗi sau khi mã hoá đã lớn hơn nhiều chuỗi nguồn ban đầu. Do đó cần phương pháp cải tiến để xử lý những trường hợp như trên tránh làm mở rộng chuỗi dữ liệu nguồn nghĩa là chỉ mã hoá độ dài loạt dữ liệu lặp lại. Người ta đã đưa ra cách đó là thêm kí tự tiền tố vào trước độ dài loạt, việc giải mã được thực hiện nếu gặp kí tự tiền tố với độ dài loạt và giá trị điểm ảnh theo sau. Ví dụ: Ta có chuỗi nguồn : d = 5 8 4 8 8 8 8 8 8 8 8 10 10 10 10 10 10 10 10 10 Giả sử kí tự tiền tố là “+” ta có : 5 8 4 +7 8 + 9 10 Tỷ số nén = 19 / 9 = 2.1 Tuy nhiên trong một số trường hợp các điểm ảnh có độ tương quan với nhau vể giá trị mức xám như trong ví dụ dưới đây ta có thể tiến hành xử lý như sau. Ví dụ: Ta có một chuỗi nguồn: d = 5 7 9 11 13 18 28 38 48 58 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Ta có dựa vào độ tương quan này để có được hiệu quả nén cao , bằng việc áp dụng e(i) = d(i) - d(i-1) sẽ thu được : [...]... chui to bi chui c vi ký t va c Ký t ny ng thi l ký t u tiờn trong chui ng vi t mó s c ghi ra tip theo Thut toỏn c mụ t nh sau: WHILE (GetNextCode() != EOI) { 26 IF (First_Code) /*Mã đầu tiên của mỗi mảnh ảnh* / { OutBuff(DeCode(code)) OldStr = DeCode(code) } ELSE { IF (code == CC) /*Mã xoá*/ { InitDictionary() First_Code = TRUE } NewStr = DeCode(code) OutBuff(NewStr) OldStr = OldStr + FirstChar(NewStr)