Hà Nội, 2011 ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BÀI TẬP LỚN Môn : Xử Lý Ảnh 1. Đề tài: Tìm hiểu công nghệ nén ảnh JPEG, chuẩn JPEG và các loại JPEG. Thử nghiệm ứng dụng cụ thể. 1 Giảng viên hướng dẫn GV. Trần Hùng Cường Lớp : Nhóm thực hiện: KHMT2 K3 Nhóm 1 1. Nguyễn Ngọc Tân ( NT ) 2. Vương Tiến Anh 3. Trịnh Quang Phú 4. Vi Văn Thái 5. Mai Văn Tùng MỤC LỤC A. MỞ ĐẦU…………………………………………………….………………3 B. NỘI DUNG…………………………………………………… 3 I. Công nghệ JPEG…………………………………….………… 3 1. JPEG là gì……………………………………………………… 3 2. Phương pháp nén ảnh JPEG……………………………………3 2.1. Khái quát về phương pháp nén ảnh tĩnh……………… 3 2.2. Phương pháp nén ảnh theo chuẩn JPEG……………… 5 2.3. Ưu nhược điêmt của phương pháp nén ảnh JPEG…….11 II. Chuẩn JPEG…………………………………………………………12 III. Các loại JPEG……………………………………………………… 16 1. JPEG 1992……………………………………………………… 16 2. LS JPEG ………………………………………………………… 16 3. JPEG 2000………………………………………… …………… 18 4. JPEG search……………………………………………………….22 5. JPEGXR……………………………………… ………………… 22 IV. Thử nghiệm ứng dụng………………………………… …………….23 C. KẾT LUẬN……………………………………………………………………29 D. DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………… 30 2 A. MỞ ĐẦU. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính và sự ra đời của Internet thì việc tìm một phương pháp nén ảnh để giảm bớt không gian lưu trữ thông tin và truyền thông tin trên mạng nhanh chóng đang là một yêu cầu cần thiết. Trong những năm gần đây, có rất nhiều các phương pháp đã và đang được nghiên cứu rộng rãi để thực hiện nén ảnh. Tất cả đều với một mục đích chung là làm thế nào để biểu diễn một ảnh với dung lượng ít nhất để có thể tối thiểu hoá dung lượng kênh truyền và không gian lưu trữ trong khi vẫn giữ được tính trung thực của ảnh. Và JPEG là một trong những phương pháp nén ảnh khá hiệu quả. Trong đề tài này chúng ta cung nghiên cứu về “Công nghệ nén ảnh JPEG, chuẩn JPEG và các loại JPEG. Thử nghiệm trên ứng dụng cụ thể” B. NỘI DUNG. I. CÔNG NGHỆ JPEG. 1. JPEG là gì? JPEG viết tắt của Joint Photographic Experts Group, một nhóm các nhà nghiên cứu đã phát minh ra định dạng này để hiển thị các hình ảnh đầy đủ màu hơn (full- colour) cho định dạng di động mà kích thước file lại nhỏ hơn. Đây là một phương pháp nén ảnh hiệu quả, nó cho phép làm việc với các ảnh có nhiều màu và kích cỡ lớn, tỷ lệ nén ảnh đạt mức so sánh tới vài chục lần (chứ không phải phần trăm). 2. Phương pháp nén ảnh JPEG. 2.1. Khái quát về phương pháp nén ảnh tĩnh Có nhiều cách để nén ảnh, nhưng dựa vào yếu tố bảo toàn thông tin có thể phân chia thành 2 phương pháp nén ảnh tĩnh, đó là: - Nén không mất mát thông tin: sử dụng các phương pháp mã hóa dữ liệu - Nén có mất mát thông tin: Phương pháp nén dựa trên phép biến đổi ảnh Quá trình nén ảnh được mô tả theo sơ đồ: 3 Các phương pháp mã hóa dữ liệu có thể kể đến: - Mã hàng loạt(RLE): Dùng số đếm để thay thế các đặc diểm giống nhau lặp lại. - Mã Shannon-Fano: Dùng các cụm bít có độ dài thay đổi để mã hóa - Mã Huffman: Sử dụng các đặc điểm mã hóa của Shannon-Fano với ý tưởng: Kí hiệu có khả năng xuất hiện nhiều có từ mã ngắn. - Mã Lemple- Ziv: Dựa trên việc xây dựng và tra từ điển - Mã dự đoán: Dựa trên quá trình tạo điểm tuần tự và luật dự đoán. Các phép biến đổi áp dụng trong nén ảnh bao gồm: - Phép biến đổi Cosin rời rạc(DCT): Biểu diễn các giá trị điểm ảnh trên miền tần số, tập trung năng lượng vào một số hệ số. DCT sử dụng trong các chuẩn JPEG và MPEG - Phép biến đổi Wavelet rời rạc(DWT): sử dụng các bộ lọc thông dải xử lý phân tích đa phân trong phép DWT. - Phép biến đổi Fractal: Sử dụng các phép biến đổi hình học. Nén ảnh tĩnh dựa trên phép biến đổi ảnh được mô tả trong sơ đồ: 4 2.2. Phương pháp nén ảnh theo chuẩn JPEG a. Phép biến đổi DCT (Discrete Cosin Transform) Như chúng ta đã nói ở trên, phép biến đổi DCT được sử dụng trong phương pháp nén ảnh theo chuẩn JPEG. Vì vậy trước khi đi vào tìm hiểu về phương pháp nén ảnh JPEG chúng ta cùng khái quát sơ qua về phép biến đổi DCT. b. Phương pháp nén ảnh theo chuẩn JPEG 5 Phương pháp nén ảnh theo thuẩn JPEG có thể cho hệ số nén tới 80:1 hay lớn hơn, nhưng bạn phải chịu mất thông tin (ảnh sau khi bung nén khác với ảnh ban đầu), lượng thông tin mất mát tăng dần theo hệ số nén. Tuy nhiên sự mất mát thông tin này không bị làm một cách cẩu thả. JPEG tiến hành sửa đổi thông tin ảnh khi nén sao cho ảnh mới gần giống như ảnh cũ, khiến phần đông mọi người không nhận thấy sự khác biệt. Và bạn hoàn toàn có thể quản lý sự mất mát này bằng cách hạn chế hệ số nén. Như thế người dùng có thể cân nhắc giữa cái lợi của việc tiết kiệm bộ nhớ và mức độ mất thông tin của ảnh, để chọn phương án thích hợp. Phương pháp nén ảnh JPEG dựa trên nguyên lý sau: ảnh màu trong không gian của 3 màu RGB (red Green Blue) được biến đổi về hệ YUV (hay YCBCr) (điều này không phải là nhất thiết, nhưng nếu thực hiện thì cho kết quả nén cao hơn) theo công thức : YUV. = 0.615R − 0.515G − 0.100B Y= 0.299R + 0.587G + 0.114B U= 0.492(B − Y)= = − 0.147R − 0.289G + 0.436B V= 0.877(R − Y) Hệ YUV là kết quả nghiên cứu của các nhà sản xuất vô tuyến truyền hình hệ Pal, Secam và NTSC, nhận thấy tín hiệu video có thể phân ra 3 thành phần Y, U, V (cũng như phân 6 theo màu chuẩn đỏ, xanh lá cây và xanh da trời). Và một điều thú vị là hệ nhãn thị của con người rất nhạy cảm với thành phần Y và kém nhạy cảm với hai loại U và V. Phương pháp JPEG đã nắm bắt phát hiện này để tách những thông tin thừa của ảnh. Hệ thống nén thành phần Y của ảnh với mức độ ít hơn so với U, V, bởi người ta ít nhận thấy sự thay đổi của U và V so với Y. Giai đoạn tiếp theo là biến đổi những vùng thể hiện dùng biến đổi cosin rời rạc (thông thường là những vùng 8x8 pixel). Khi đó thông tin về 64 pixel ban đầu sẽ biến đổi thành ma trận có 64 hệ số thể hiện "thực trạng" các pixel. Điều quan trọng là ở đây hệ số đầu tiên có khả năng thể hiện "thực trạng" cao nhất, khả năng đó giảm rất nhanh với các hệ số khác. Nói cách khác thì lượng thông tin của 64 pixel tập trung chủ yếu ở một số hệ số ma trận theo biến đổi trên. Trong giai đoạn này có sự mất mát thông tin, bởi không có biến đổi ngược chính xác. Nhưng lượng thông tin bị mất này chưa đáng kể so với giai đoạn tiếp theo. Ma trận nhận được sau biến đổi cosin rời rạc được lược bớt sự khác nhau giữa các hệ số. Đây chính là lúc mất nhiều thông tin vì người ta sẽ vứt bỏ những thay đổi nhỏ của các hệ số. Như thế khi bung ảnh đã nén bạn sẽ có được những tham số khác của các pixel. Các biến đổi trên áp dụng cho thành phần U và V của ảnh với mực độ cao hơn so với Y (mất nhiều thông tin của U và V hơn). Sau đó thì áp dụng phương pháp mã hóa của Hoffman: Phân tích dãy số, các phần tử lặp lại nhiều được mã hóa bằng ký hiệu ngắn (marker). (1) (2) Với và Khi bung ảnh người ta chỉ việc làm lại các bước trên theo quá trình ngược lại cùng với các biến đổi ngược. 7 Vì phương pháp này thực hiện với các vùng ảnh (thông thường là 8 x 8 pixel) nên hay xuất hiện sự mất mát thông tin trên vùng biên của các vùng (block) này. Hiện nay người ta đã giải quyết vấn đề này bằng cách làm trơn ảnh sau khi bung nén để che lấp sự khác biệt của biên giới giữa các block. Một hệ nén ảnh theo chuẩn JPEG cùng algorithm làm trơn ảnh đã được công ty ASDG đưa ra trong hệ Art Department Professional. 8 Hình ảnh Chất lượng Kích thước (byte) Tỷ số nén Bình luận Chất lượng rất cao (Q = 100) 83,261 2.6:1 Các điểm ảnh cực kì nhỏ 9 Chất lượng trung bình (Q = 50) 15,138 15:01 Dấu hiệu ban đầu của các điểm ảnh Vừa chất lượng (Q = 25) 9,553 23:01 Tạo tác mạnh mẽ hơn; mất thông tin độ phân giải cao Chất lượng thấp (Q = 10) 4,787 46:1 Tổn thất nghiêm trọng về biên giữa các vùng ảnh 10 [...]... thể bức ảnh) So sánh với các định dạng ảnh khác sử dụng phần mềm ReaCompressor Ảnh JPG(6.1Kb) 24 Ảnh GIF(36Kb) Ảnh PNG(81Kb) 25 Ảnh TIF(5Kb) 26 C KẾT LUẬN: Công nghệ nén ảnh JPEG là một phương pháp nén ảnh vô cùng hiệu quả Trong sự phát triển của công nghệ thông tin và Internet thì JPEG là một công cụ rất hữu hiệu trong việc truyền thông tin và lưu trữ thông tin Trong quá trình phát triển, JPEG ngày... Advanced JPEG Compressor 20 Ảnh gốc ( dung lượng19KB) Ảnh nén tỉ lệ 1:10(13Kb) (Ảnh hầu như không khác ảnh gốc) 21 Ảnh nén tỉ lệ 1:30(4.84Kb) (Chất lượng ảnh hơi kém so với ảnh gốc) Ảnh nén tỉ lệ 1:50(2.97Kb) (Chất lượng ảnh sai khác đáng kể so với ảnh gốc) 22 Ảnh nén tỉ lệ 1:80(1.86Kb) (Lượng thông tin mất mát khá lớn) Ảnh nén tỉ lệ 1:150(0.99Kb) (Chất lượng ảnh vô cùng xấu) 23 Ảnh nén tỉ lệ 1:200(0.84Kb)... thảo tiêu chuẩn nén hình ảnh theo công nghệ mới JPEG2 000 Tháng 8/2000, bản phác thảo về tiêu chuẩn JPEG2 000 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 được ISO hợp thức hóa năm nay để cho phép ứng dụng vào các hệ xử lý, phân phối Với JPEG2 000 kỹ thuật xử lý hình ảnh sẽ đạt được những kết quả rất ngoạn mục vì có thể nén nhỏ từ... Experts Group - tiêu chuẩn công bố và được phát triển Tên thường gặp JPEG Phần Năm công bố ISO / IEC số Số ITU Cách thức thực hiện Phần 1 1992 ISO / IEC 10918-1 ITU-T Rec T.81 nén kĩ thuật số và mã hóa liên tục màu sắc của hình ảnh – dựa theo các điều kiện và nguyên tắc Phần 2 1994 ISO / IEC 10918-2 ITU-T Rec T.83 nén kĩ thuật số và mã hóa liên tục màu sắc của hình ảnh - dựa theo các thí nghiệm Phần 3 1996... thức thông báo chuẩn để khôi phục hình ảnh Phần 4: Tập tin định dạng cho các siêu dữ liệu nhúng vào dữ liệu hình ảnh (JPEG và JPEG 2000) Phần 5: Định dạng trao đổi dữ liệu giữa Kho Hình ảnh( Data Interchange Format between Image Repositories) 5 JPEGXR Là 1 định dạng hình ảnh cung cấp 1 số cải tiến so với JPEG 1.Khả năng nén tốt hơn: JPEG XR định dạng tập tin hỗ trợ tỷ lệ nén cao hơn so với JPEG để mã hóa... hình ảnh với chất lượng tương đương 2 .Nén không mất mát 3.Hỗ trợ cấu trúc lát(Tile structure support) 4.Chất lượng màu tốt hơn và hỗ trợ High Dynamic Range (HDR) imaging 5.Hỗ trợ bản đồ trong suốt(Transparency map support) 6.Giảm bớt vùng nén ảnh( Compressed-domain image modification) 7.Hỗ trợ siêu dữ liệu(Metadata support) IV THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG CỤ THỂ: - Thử nghiệm nén ảnh với phần mềm Advanced JPEG. .. mất màu sắc và 144:1 chi tiết, các lá gần như không thể nhận ra 2.3 Ưu nhược điểm của phương pháp nén ảnh JPEG a Ưu điểm: JPEG cho phép nén ảnh với tỉ số nén lên đến 80:1 hoặc cao hơn, hiển thị các hình ảnh đầy đủ màu hơn (full-colour) cho định dạng di động mà kích thước file lại nhỏ hơn 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... (JFIF) JPEG- LS Phần 1 1998 ISO / IEC 14495-1 ITU-T Rec T.87 Không tổn thất và gần như giữ được màu sắc cơ bản của hình ảnh Phần 2 2002 ISO / IEC 14495-2 ITU-T Rec T.870 Không tổn thất và gần như giữ được màu sắc của toàn bộ bức ảnh Phần 1 2000 ISO / IEC 15444-1 ITU-T Rec T.800 Hệ thống mã hóa hình ảnh JPEG 2000- Nòng 13 của cốt hệ thống mã hóa JPEG 2000 III CÁC LOẠI JPEG 1 .JPEG( 1992):Là loại JPEG chuẩn. .. thông tin trên ảnh JPEG càng lớn Nói một cách khác, định dạng JPEG thực hiện bảo quản tất cả thông tin màu trong hình ảnh đó, tuy nhiên với các hình ảnh chất lượng màu cao high-colour như hình ảnh chụp thì điều này sẽ không hề hấn gì Các ảnh JPEG không thể làm trong suốt hoặc chuyển động - trong trườn hợp này bạn sẽ sử dụng định dạng GIF (hoặc định dạng PNG để tạo trong suốt) 11 II CHUẨN JPEG 12 Joint... Rec T.84 nén kĩ thuật số và mã hóa liên tục màu sắc của hình ảnh: mở rộng thêm Phần 4 1998 ISO / IEC 10918-4 ITU-T Rec T.86 nén kĩ thuật số và mã hóa liên tục màu sắc của hình ảnh: cấu hình đăng kí của JPEG, cấu hình SPIFF, thẻ SPIFF, không gian màu SPIFF, APPn đánh dấu, các dạng nén SPIFF Phần 5 Kém phát triển ISO / IEC 10918-5 FCD nén kĩ thuật số và mã hóa liên tục màu sắc của hình ảnh: JPEG File . 2011 ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BÀI TẬP LỚN Môn : Xử Lý Ảnh 1. Đề tài: Tìm hiểu công nghệ nén ảnh JPEG, chuẩn JPEG và các loại JPEG. Thử nghiệm ứng dụng cụ thể. 1 Giảng. nghệ nén ảnh JPEG, chuẩn JPEG và các loại JPEG. Thử nghiệm trên ứng dụng cụ thể B. NỘI DUNG. I. CÔNG NGHỆ JPEG. 1. JPEG là gì? JPEG viết tắt của Joint Photographic Experts Group, một nhóm các nhà. được sử dụng trong phương pháp nén ảnh theo chuẩn JPEG. Vì vậy trước khi đi vào tìm hiểu về phương pháp nén ảnh JPEG chúng ta cùng khái quát sơ qua về phép biến đổi DCT. b. Phương pháp nén ảnh