Đang tải... (xem toàn văn)
Nén ảnh dựa trên phép biến đổi và các chuẩn JPEG, JPEG 2000 LỜI NÓI ĐẦU3A.JPEG41.Sơ đồ chung của phương pháp nén ảnh42.Giới thiệu chung về chuẩn nén JPEG53.Sơ đồ khối nén và giải nén ảnh JPEG (Baseline JPEG System)63.1 DCT73.2 Lượng tử hóa103.3 DC coding và Zigzag tuần tự103.4 Mã hóa Entropy114.Nén và chất lượng ảnh14B.JPEG 2000151.Giới thiệu về jpeg 2000152.Sơ đồ chung của phương pháp nén ảnh JPEG 2000162.1 Tiền xử lý ( Original image )172.2 Chuyển đổi ( Transformation – DWT)182.3 Lượng tử hóa ( Quantization)192.4 Mã hóa ( Encoding )203.Ưu điểm so sánh JPEG 2000 với JPEG21C – Thực nghiệm và so sánh hai chuẩn nén ảnh JPEG và JPEG 2000.211. Thực nghiệm nén ảnh JPEG.211.1 Xác định tiêu chí nén ảnh.211.2 Lựa chọn môi trường, công cụ.211.3 Phân tích tình huống.221.4 Quá trình thực hiện.222. Thực nghiệm nén ảnh JPEG 2000.252.1 Xác định tiêu chí nén.252.2 Lựa chọn môi trường, công cụ.26Những tính năng của FILEminimizer Pictures:262.3 Phân tích tình huống.272.4 Quá trình thực hiện.273.3 Đánh giá kết quả.29
1 MỤC LỤC Contents LỜI NÓI ĐẦU 2 Từ khi máy ảnh ra đời, cùng với sự phát triển nhanh chóng của internet thì nhu cầu sử dụng, lưu trữ, truyền tải và chia sẻ hình ảnh, âm thanh hay video chưa bao giờ cao như vậy. Người dùng chỉ quan tâm tới một điều đơn giản là làm sao họ có thể chia sẻ, truyền tải những tấm ảnh tâm đắc của họ chỉ sau vài giây mà chất lượng ảnh không có sự khác biệt quá nhiều. Vì lẽ đó mà việc phát triển các chuẩn phục vụ nén dữ liệu, nén ảnh ngày càng được chú ý. Tiêu biểu nhất là chuẩn JPEG và JPEG 2000 ra đời như một bước tiến quan trọng cho hàng loạt ứng dụng sử dụng hình ảnh sau này. Chúng em, những sinh viên yêu công nghệ và thông tin đã quyết định chọn đề tài: “Nén ảnh dựa trên phép biến đổi và các chuẩn JPEG, JPEG 2000” để tìm hiểu và báo cáo. Điều này một phần dựa trên sự yêu thích của bản thân, phần nhiều dựa trên bài giảng chi tiết của cô Hoàng Lan ở trên lớp. Nhóm em gồm các thành viên Nguyễn Tuấn Dũng, Nguyễn Xuân Họa, Trần Trọng Dũng qua quá trình làm việc nghiêm túc và chăm chỉ đã hoàn thiện bản báo cáo này gồm tìm hiểu công nghệ và minh họa trên ảnh thực tế. Chúng em chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Hoàng Lan đã cho chúng em nhiều nhận xét, góp ý để chúng em hoàn thiện bản báo cáo này. A. JPEG 1. Sơ đồ chung của phương pháp nén ảnh 3 Hình 1: sơ đồ chung về nén ảnh trong truyền thông. Trong đó: - Bộ biến đổi (T): thường dùng phép biến đổi cosin rời rạc (DCT) để tập trung năng lượng tín hiệu vào một số nhỏ các hệ số triển khai để thực hiện phép nén hiệu quả hơn là dùng tín hiệu nguyên thủy. Đặc điểm của phép biến đổi DCT là tín hiệu ảnh trong miền không gian chuyển sang miền tần số thì các thành phần DC và các thành phần AC mang hầu hết các thông tin chứa trong ảnh gốc. DC là thành phần quan trọng nhất mang độ chói của ảnh , còn AC chứa các thông tin về chi tiết của ảnh. Sau đó khi qua tầng lượng tử hóa, các hệ số ít quan trọng sẽ bị loại bỏ bớt và chỉ giữ lại một số hệ số đầu tiên gọi là hệ số DCT. - Bộ lượng tử hóa (Q): tạo ra một lượng ký hiệu giới hạn cho ảnh nén với hai kĩ thuật: lượng tử vô hướng (thực hiện lượng tử hóa cho từng thành phần dữ liệu) và lượng tử vectơ (thực hiện lượng tử hóa một lần một khối dữ liệu). Quá trình này không thuận nghịch. 4 Ảnh giải nén Bảng mã hóa Bảng lượng tử Giải mã (E -1 ) Lượng tử hóa ngược (Q -1 ) Biến đổi ngược (T -1 ) Ảnh nén Ảnh nén Lượng tử hóa (Q) Mã hóa (E) Bảng mã hóa Bảng lượng tử Biến đổi thuận (T) Ảnh gốc - Bộ mã hóa (E): gán một từ mã, một dòng bit nhị phân cho mỗi kí hiệu. Các hệ thống nén được phân biệt dựa trên sự kết hợp khác nhau của 3 bộ xử lý trên và được phân loại là: - Hệ thống nén không mất mát thông tin: thực hiện tối thiểu tốc độ bit mà không làm méo ảnh, còn được gọi là nén toàn bit hay có tính chất thuận nghịch. - Hệ thống nén có mất mát thông tin: đạt được độ trung thực tốt nhất đối với tốc độ bit cho trước, phù hợp áp dụng cho âm thanh và hình ảnh vì có hệ số nén cao. Trong sơ đồ trên, bộ biến đổi và bộ mã hóa là nơi tín hiệu xử lý không bị tổn thất, tầng lượng tử có tổn thất. Hiệu quả ảnh nén được xác định bằng: độ mất mát thông tin nhiều hay ít, tỉ lệ nén thông qua độ phức tạp của thuật toán nén (số bước tính toán trong 2 quá trình mã hóa và giải mã). 2. Giới thiệu chung về chuẩn nén JPEG - Là Join Photographic Experts Group, một trong những phương pháp nén ảnh hiệu quả có tỷ lệ nén ảnh tới vài chục lần. - Chất lượng ảnh sau nén sẽ suy giảm và phụ thuộc vào hệ số nén. Sự mất mát này là có thể chấp nhận được và được loại bỏ dựa trên những nghiên cứu về hệ nhãn thị của mắt người. - Chuẩn nén ảnh này là cần thiết để cho phép khả năng tương tác của các thiết bị từ những nhà sản xuất khác nhau. - Là chuẩn nén ảnh số đầu tiên trên thế giới cho tông màu liên tục ( cả màu xám và các màu khác). - Cần phải nén ảnh bởi vì nhu cầu về lưu trữ và tốc độ truyền dữ liệu sẽ gặp khó khăn nếu dung lượng lưu trữ của tấm ảnh quá lớn. Vd ảnh màu 24bit: 640.480.24bits = 7372800bits ~ 1Mbyte sau khi nén ta sẽ thu được ảnh với kích thước 200 000 bits mà không có sự suy thoái thị giác nào. - Phân loại JPEG theo phương thức hoạt động mã hóa: + JPEG tuần tự (Sequential encoding) hay Baseline JPEG: ảnh được mã hóa theo kiểu quét từ trái qua phải, từ trên xuống dưới. + JPEG lũy tiến (Progressive encoding): ảnh được mã hóa theo kiểu nhiều kiểu cho các ứng dụng với thời gian truyền tải dài. + JPEG không mất mát thông tin (Sequential lossless encoding): ảnh được đảm bảo khôi phục chính xác cho mỗi giá trị mẫu của nguồn. 5 + JPEG phân cấp (Hierarchical encoding): ảnh được mã hóa ở chế độ đa phân giải, để những ảnh có độ phân giải thấp có thể được truy xuất và hiển thị mà không cần giải nén như những ảnh có độ phân giải cao. 3. Sơ đồ khối nén và giải nén ảnh JPEG (Baseline JPEG System) 3.1 DCT DCT biến đổi dữ liệu trong miền không gian thành dữ liệu trong dạng tần số. Mục đích của quá trình biến đổi là thay đổi dữ liệu biểu diễn thông tin. DCT đã trở thành tiêu chuẩn quốc tế cho các hệ thống mã chuyển vị bởi nó có đặc tính gói năng lượng tốt, cho kết quả là số thực và có các thuật toán nhanh để thể hiện chúng. 1.1.1 DCT một chiều 6 DCT một chiều biến đổi biên độ tín hiệu tại các điểm rời rạc theo thời gian hoặc không gian thành chuỗi các hệ số rời rạc, mỗi hệ số biểu diễn biên độ của một thành phần tần số nhất định có trong tín hiệu gốc. Hệ số góc trên bên trái được gọi là hệ số DC, là thước đo mức trung bình năng lượng của khối. Hệ số khác được gọi là hệ số AC, hệ số tương ứng với tần số cao có xu hướng là số 0 hoặc gần bằng 0 cho hầu hết các hình ảnh tự nhiên. Quá trình biến đổi DCT thuận dùng trong tiêu chuẩn JPEG được định nghĩa như sau: trong đó: X(k) là chuỗi kết quả, x(m) là giá trị của mẫu m, k là chỉ số của hệ số khai triển, m là chỉ số của mẫu, N là số mẫu có trong tín hiệu 3.1.2 DCT hai chiều (FDCT &IDCT). Tại đầu vào, mẫu ảnh nguồn là tập hợp các khối block 8x8, chuyển đổi từ số nguyên không dấu với phạm vi [0, 2 P – 1] đến số nguyên có dấu với phạm vi [-2 P-1 , 2 P-1 – 1] và đi vào Forward DCT (FDCT). Chuẩn JPEG phân ảnh thành các khối 8x8 để giảm thời gian tính toán cũng như làm tăng độ chính xác khi tính toán. Đầu ra của bộ giải mã, Inverse DCT (IDCT) cho đầu ra là các khối 8x8 blocks để tái tạo lại hình ảnh. Biến đổi DCT là một trong những công đoạn quan trọng trong JPEG. Nhiệm vụ của nó là tập trung năng lượng vào một số các giá trị để giải tương quan tốt nhất nhằm nâng cao tỉ số nén. Dưới đây là công thức toán học của FDCT 8x8 (1)và IDCT 8x8 (2): 7 Và biến đổi ngược: f(x,y) là các mẫu gốc trong khối 8x8 pixel và F(u,v) là các hệ số của khối DCT 8x8. DCT giống như chuyển đổi Fourier rời rạc (DFT). Nó biểu diễn phổ tần tín hiệu thông qua các mẫu f(x,y). Bản thân phép biến đổi DCT không nén được số liệu, từ 64 mẫu ta có 64 hệ số. Tuy nhiên phép biến đổi DCT thay đổi phân bố giá trị các giá trị hệ số so với các giá trị mẫu. Khi nén ảnh JPEG, ma trận các hệ số triển khai sau DCT phải được nhân với bảng trọng số Q(u,v) để loại bỏ một phần các hệ số có biên độ nhỏ (thường là các thành phần cao tần). Đây là bảng trọng số Q(u,v). Như vậy ta sẽ có kết quả khai triển DCT như sau: 8 Như vậy, DCT làm giảm độ tương quan của thông tin trong block, nghĩa là DCT gói một phần lớn năng lượng tín hiệu vào các thành phần biến đổi có tần số tương đối thấp để lưu trữ hoặc truyền dẫn. 3.2 Lượng tử hóa Bước tiếp theo của quá trình nén ảnh là lượng tử hóa các hệ số F(u,v) sao cho làm giảm số lượng bit cần thiết. Các hệ số tương ứng tần số thấp có giá trị lớn hơn và do đó nó chứa phần năng lượng chính, cần phải lượng tử hóa với độ chính xác cao. Chức năng cơ bản là chia các hệ số F(u,v) cho các hệ số tương ứng trong bảng lượng tử Q(u,v) sau đó làm tròn đến số nguyên gần nhất: 9 Với lượng tử hóa ngược thì ta thực hiện phép nhân sau: Quá trình lượng tử hóa có trọng số có xảy ra mất thông tin, gây tổn hao. Đây là bước tổn hao duy nhất trong thuật toán nén. Mức độ tổn hao phụ thuộc vào giá trị các hệ số trên bảng lượng tử. 3.3 DC coding và Zig-zag tuần tự Sau khi lượng tử, các hệ số DC được xử lý riêng rẽ với 63 hệ số AC, hệ số DC là thước đo giá trị trung bình của 64 mẫu ảnh. Hệ số DC thường chứa một phần đáng kể trong tổng số năng lượng hình ảnh. Các hệ số AC được sắp xếp theo zig-zag tuần tự. Quét zig-zag là biến đổi mảng hai chiều của các hệ số F q (u,v) thành chuỗi số một chiều để nâng cao hiệu quả nén cho mỗi bộ hệ số. Lấy ví dụ là bảng kết quả ở trên: 10 [...]... phương pháp nén ảnh JPEG 2000 Sơ đồ chung của nén ảnh: Sơ đồ của nén ảnh JPEG Sơ đồ của nén ảnh JPEG 2000 Giống như JPEG , JPEG 2000 các nén ảnh chuẩn bao gồm 4 bước cơ bản trong các kỹ thuật gồm 4 bước cơ bản: Tiền xử lý ( Original image ) Chuyển đổi ( Transformation –DWT ) Lượng tử hóa ( Quantization ) Mã hóa ( Encoding ) 15 2.1 Tiền xử lý ( Original image ) Giống như JPEG chuyển đổi ảnh màu... quá trình giải nén ảnh C – Thực nghiệm và so sánh hai chuẩn nén ảnh JPEG và JPEG 2000 1 Thực nghiệm nén ảnh JPEG 1.1 Xác định tiêu chí nén ảnh Xét JPEG, ta đánh giá về: - Tỉ số nén Dung lượng các tệp ảnh (KB) sau khi nén Chất lượng hiển thị (trực quan) 1.2 Lựa chọn môi trường, công cụ - Sử dụng phần mềm Advanced JPEG Compressor Giới thiệu phần mềm Advanced JPEG Compressor Advanced JPEG Compressor... sử dụng hệ màu YcrCb: 22 Ảnh ban đầu Dung lượng : 374 KB Ảnh JPEG Tỉ số nén kém nhất có thể 1:11.6 Dung lượng : 310KB 23 Ảnh JPEG Tỉ số nén 1:27.5 Dung lượng : 131KB Ảnh JPEG Tỉ số nén 1:89.5 Dung lượng : 40KB 24 Ảnh JPEG Tỉ số nén tốt nhất có thể 1:309.5 2 Thực nghiệm nén ảnh JPEG 2000 2.1 Xác định tiêu chí nén Đánh giá về : - Tỉ số nén Dung lượng các tệp ảnh (KB) sau khi nén Chất lượng hiển thị 2.2... thất, JPEG 2000 có thể đưa ra lỷ lệ nén cao hơn nhiều so với JPEG Đưa ra ảnh có độ phân giải và kích thước khác nhau từ cùng một ảnh nén : JPEG không thể thực hiện được việc này Do JPEG 2000 sử dụng kỹ thuật phân giải ảnh và mã hóa đính kèm ở phần mã hóa Trong khí JPEG phải nén nhiều lần để thu được chất lượng với từng nén ảnh khác nhau thì JPEG 2000 ta chỉ cần nén một lần còn chất lượng ảnh thì sẽ... : JPEG 2000 còn có tổ chức dòng bit ( Bit stream Organization ) 3 Ưu điểm so sánh JPEG 2000 với JPEG Mềm dẻo hơn : JPEG 2000 đưa ra các kỹ thuật nén có tẩn thất và không tổn thất theo cùng một cơ chế mã hóa duy nhất trong khi JPEG thì nén tỏn thất và không tổn thất là theo 2 cơ chế mã hóa khác nhau và nén không tổn thất là rất khó thực hiện Tỉ lệ nén cao hơn: Trong dạng thức nén có tổn thất, JPEG. .. ảnh gốc nhưng chúng ta cung khó mà phân biệt được ra JPEG sẽ làm mất thông tin khi giải nén và dễ mất thông tin khi bung Để giải quyết vấn đề này , tháng 12/1999 một bản phác thảo tiêu chuẩn nén hình ảnh theo công nghệ mới JPEG2 000 Tháng 8 /2000, bản phác thảo về tiêu chuẩn JPEG 2000 đã được lưu hành trong giới chuyên gia hình ảnh Sau đó nó đã được công nhận là tiêu chuẩn quốc tế vào tháng 12 /2000 và. .. chất lượng hình ảnh cao hơn Với rất nhiều phương pháp nén ảnh , nhưng đều dựa trên nguyên tắc tìm ra các “ phần tử thừa “ trong dữ liệu và mã hóa chúng theo nhiều mức độ khác nhau Tiền đề của chuẩn jpeg 2000 là jpeg cơ bản có thể làm việc với các ảnh kích cỡ lớn , nhiều màu , có thể đạt hệ số nén hơn tám mươi lần so với ảnh gốc Tuy nhiên, hệ số nén càng cao thì hình ảnh sau khi giải nén sẽ càng bị sai... đầu về nén ảnh ở định dạng JPEG, chuyển đổi các ảnh từ định dạng khác về định dạng JPEG Phần mềm này có khả năng tạo ra các bức ảnh siêu nhỏ chất lượng cao, với khả năng nén ảnh từ 90,5 – 96,7% so với ảnh gốc định dạng bmp Nén ảnh chất lượng cao: 20 Sau khi cài đặt, chúng ta mở chương trình lên, sau đó vào File > Open rồi tìm đến tấm ảnh muốn thu nhỏ dung lượng Bây giờ, để thu nhỏ dung lượng cho ảnh tới... Ta sử dụng một bức ảnh ban đầu (raw image) được chụp từ máy ảnh lưu dưới dạng ảnh bmp (Bitmap) - Nén ảnh theo định dạng JPEG, tiếp đó xác định dung lượng tệp ảnh - So sánh kết quả về dung lượng của ảnh sau khi được nén 21 1.4 Quá trình thực hiện - Ảnh ban đâu là một bức ảnh kích thước 960x1280 ở hệ màu RBG với dung lượng 374 KB Ảnh ban đầu - Nén ảnh theo định dạng jpeg ở các tỉ số nén khác nhau sử dụng... trong các thành phần màu sắc Y có vai trò quan trọng nhất, ảnh hưởng lớn đến cảm nhận của mắt 2.2 Chuyển đổi ( Transformation – DWT) Cấu trúc JPEG 2000 có cốt lõi là một wavelet dựa trên phương pháp nén mới cung cấp cho một số lợi ích so với chuyển đổi cosin rời rạc (DCT) là phương pháp nén được sử dụng trong JPEG Các DCT nén một ảnh thành các khối 8x8 , trong quá trình nén này , các khối được nén riêng . định chọn đề tài: Nén ảnh dựa trên phép biến đổi và các chuẩn JPEG, JPEG 2000 để tìm hiểu và báo cáo. Điều này một phần dựa trên sự yêu thích của bản thân, phần nhiều dựa trên bài giảng chi. giải nén ảnh . C – Thực nghiệm và so sánh hai chuẩn nén ảnh JPEG và JPEG 2000. 1. Thực nghiệm nén ảnh JPEG. 1.1 Xác định tiêu chí nén ảnh. Xét JPEG, ta đánh giá về: - Tỉ số nén. - Dung lượng các. cho các thiết bị di động như máy tính cầm tay và điện thoại di động 2. Sơ đồ chung của phương pháp nén ảnh JPEG 2000 Sơ đồ chung của nén ảnh: Sơ đồ của nén ảnh JPEG Sơ đồ của nén ảnh JPEG 2000