›
›

Bài giảng Xử lý âm thanh và hình ảnh - Chương 3: Xử lý ảnh

pdf 121 trang ngocly 680
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Xử lý âm thanh và hình ảnh - Chương 3: Xử lý ảnh", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_xu_ly_am_thanh_va_hinh_anh_chuong_3_xu_ly_anh.pdf

Nội dung text: Bài giảng Xử lý âm thanh và hình ảnh - Chương 3: Xử lý ảnh

  1. Chương 3 Xử lý ảnh
  2. Xử lý ảnh số Xử lý ảnh số là quá trình biến đổi ảnh số trên máy tính (PC). Ảnh số được tạo ra bởi một số hữu hạn các điểm ảnh, mỗi điểm ảnh nằm tại một vị trí nhất định và có 1 giá trị nhất định. Một điểm ảnh trong một ảnh còn được gọi là một pixel
  3. Tại sao cần xử lý ảnh số? • Tại sao phải nén tín hiệu? – Ảnh được sủ dụng mọi lúc, mọi nơi – Hạn chế về không gian lưu trữ và tốc độ đường truyền • Lý do phải xử lý ảnh – Ảnh có thể bị lỗi trong quá trình thu ảnh, truyền dẫn và hiển thị (hồi phục, nâng cao chất lượng ảnh, nội suy) – Ảnh có thể mang các nội dung nhạy cảm (vd, chống lại copy không hợp pháp, giả mạo và lừa đảo) – Tạo các bức ảnh có hiệu ứng nghệ thuật • Lý do phải phân tích ảnh – Dạy máy tính có khả năng “nhìn” được (nhận dạng)
  4. Các giai đoạn chính trong hệ thống xử lý ảnh
  5. Các giai đoạn chính trong hệ thống xử lý ảnh • + Thu nhận ảnh: - Qua các camera (tương tự, số). - Từ vệ tinh qua các bộ cảm ứng (Sensors). - Qua các máy quét ảnh (Scaners). • + Số hóa ảnh: Biến đổi ảnh tương tự thành ảnh rời rạc để xử lý bằng máy tính: Thông qua quá trình lấy mẫu (rời rạc về mặt không gian) và lượng tử hóa(rời rạc về mặt biên độ). • + Xử lý số: là một tiến trình gồm nhiều công đoạn nhỏ: Tăng cường ảnh (Enhancement), khôi phục ảnh (Restoration), phát hiện biên (Egde Detection), phân vùng ảnh (Segmentation), trích chọn các đặc tính (Feature Extraction) • + Hệ quyết định: Tùy mục đích của ứng dụng mà chuyển sang giai đoạn khác là hiển thị, nhận dạng, phân lớp, truyền thông
  6. Các thành phần chính của hệ thống xử lý ảnh
  7. Ứng dụng của xử lý ảnh  Trong y học  Trong lĩnh vực địa chất, hình ảnh nhận được từ vệ tinh có thể được phân tích để xác định cấu trúc bề mặt trái đất. Kỹ thuật làm nổi đường biên (image enhancement) và khôi phục hình ảnh (image restoration) cho phép nâng cao chất lượng ảnh vệ tinh và tạo ra các bản đồ địa hình 3-D với độ chính xác cao.  Trong ngành khí tượng học, ảnh nhận được từ hệ thống vệ tinh theo dõi thời tiết cũng được xử lý, nâng cao chất lượng và ghép hình để tạo ra ảnh bề mặt trái đất trên một vùng rộng lớn, qua đó có thể thực hiện việc dự báo thời tiết một cách chính xác hơn.  Xử lý ảnh còn được sử dụng nhiều trong các hệ thống quản lý chất lượng và số lượng hàng hóa trong các dây truyền tự động, ví dụ như hệ thống phân tích ảnh để phát hiện bọt khí bên vật thể đúc bằng nhựa, phát hiện các linh kiện không đạt tiêu chuẩn (bị biến dạng) trong quá trình sản xuất hoặc hệ thống đếm sản phẩm thông qua hình ảnh nhận được từ camera quan sát.  Xử lý ảnh còn được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực hình sự và các hệ thống bảo mật hoặc kiểm soát truy cập  Ngoài ra, có thể kể đến các ứng dụng quan trọng khác của kỹ thuật xử lý ảnh tĩnh cũng như ảnh động trong đời sống như tự động nhận dạng, nhận dạng mục tiêu quân sự, máy nhìn công nghiệp trong các hệ thống điều khiển tự động, nén ảnh tĩnh, ảnh động để lưu và truyền trong mạng viễn thông v.v.
  8. Số hóa ảnh • Phương pháp chung để số hóa ảnh là lấy mẫu theo hàng và mã hóa từng hàng.
  9. Nguyên tắc số hóa ảnh Ảnh vào fi(m,n) Lượng hóa u(m,n) f(x,y) Lấy mẫu Máy tính • Ảnh vào là ảnh tương tự. • Tiến trình lấy mẫu thực hiện các công việc sau: Quét ảnh theo hàng, và lấy mẫu theo hàng. Đầu ra là rời rạc về mặt không gian, nhưng liên tục về mặt biên độ. • Tiến trình lượng hóa: lượng tử hóa về mặt biên độ (độ sáng) cho dòng ảnh vừa được rời rạc hóa.
  10. Lấy mẫu • Yêu cầu tín hiệu có dải phổ hữu hạn fx fxmax • Ảnh thỏa mãn điều kiện trên, và được lấy mẫu đều trên một lưới hình chữ nhật, với bước nhảy(chu kỳ lấy mẫu) x, y sao cho 1 1 2 f , 2 f x x max y y max • Thực tế luôn tồn tại nhiễu ngẫu nhiên trong ảnh, nên có một số kỹ thuật khác được dùng đó là: lưới không vuông, lưới bát giác.
  11. Lượng tử hóa • Lượng hóa ảnh nhằm ánh xạ từ một biến liên tục u(biểu diễn giá trị độ sáng) sang một biến rời rạc u* với các giá trị thuộc t rậ1 ,pr2 , ,hrữL  u hạn • Cơ sở lý thuyết của lượng hóa là chia dải độ sáng biến thiên từ Lmin đến Lmax thành một số mức (rời rạc và nguyên)- Phải thỏa mãn tiêu chí về độ nhậy của mắt. Thường Lmin=0, Lmax là số nguyên dạng 2 B (Thường chọn B=8, mỗi điểm ảnh sẽ được mã hóa 8 bít).
  12. Ảnh tương tự và Ảnh số hóa
  13. Các tiêu chuẩn lấy mẫu • Các tiêu chuẩn lấy mẫu video thành phần: có nhiều tiêu chuẩn lấy mẫu theo thành phần, điểm khác nhau chủ yếu ở tỷ lệ giữa tần số lấy mẫu và phương pháp lấy mẫu tín hiệu chói và tín hiệu màu (hoặc hiệu màu): • đó là các tiêu chuẩn 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0, 4:1:1.
  14. Tiêu chuẩn 4:4:4 • Tiêu chuẩn 4:4:4: Tín hiệu chói và màu được lấy mẫu tại tất cả các điểm lấy mẫu trên dòng tích cực của tín hiệu video. Cấu trúc lấy mẫu trực giao
  15. Tiêu chuẩn 4:4:4 • ví dụ khi số hóa tín hiệu video có độ phân giải 720x576 (hệ PAL), 8 bít lượng tử /điểm ảnh, 25 ảnh/s luồng dữ liệu số nhận được sẽ có tốc độ : 3x720x576x8x25= 249Mbits/s
  16. Tiêu chuẩn 4:2:2 • Tín hiệu chói được lấy mẫu tại tất cả các điểm lấy mẫu trên dòng tích cực của tín hiệu video. Tín hiệu màu trên mỗi dòng được lấy mẫu với tần số bằng nửa tần số lấy mẫu tín hiệu chói
  17. Tiêu chuẩn 4:2:0 • Tín hiệu chói được lấy mẫu tại tất cả các điểm lấy mẫu trên dòng tích cực của tín hiệu video. Cách một điểm lấy mẫu một tín hiệu màu. Tại dòng chẵn chỉ lấy mẫu tín hiệu màu CR, tại dòng lẻ lấy mẫu tín hiệu CB. Như vậy, nếu tần số lấy mẫu tín hiệu chói là fD, Thì tần số lấy mẫu tín hiệu màu sẽ là fD/2.
  18. Tiêu chuẩn 4:1:1 • Tín hiệu chói được lấy mẫu tại tất cả các điểm lấy mẫu trên dòng tích cực của tín hiệu video. Tín hiệu màu trên mỗi dòng được lấy mẫu với tần số bằng một phần tư tần số lấy mẫu tín hiệu chói . Như vậy, nếu tần số lấy mẫu tín hiệu chói là fD, thì tần số lấy mẫu tín hiệu màu CR và CB sẽ là fD/4.
  19. Biểu diễn tín hiệu ảnh số f 0,0 f 0,1 f 0, N 1 f 1,0 f 1,1 f 1, N 1 f x, y    f M 1,0 f M 1,1 f M 1, N 1 S (m , n)   S (k , l ) (m k , n l ) k l Với 0 m,k M 1, 0 n,l N 1
  20. Các phương pháp xác định và dự đoán biên ảnh • Đường biên là đường nối các điểm ảnh nằm trong khu vực ảnh có thay đổi đột ngột về độ chói, đường biên thường ngăn cách hai vùng ảnh có các mức xám gần như không đổi.
  21. Phương pháp phát hiện đường biên  1- Phương pháp phát hiện đường biên trực tiếp dựa trên các phân tích về sự thay đổi độ chói của ảnh. Kỹ thuật chủ yếu dùng để phát hiện biên là dùng đạo hàm. Khi lấy đạo hàm bậc nhất của ảnh ta có phương pháp gradient, khi lấy đạo hàm bậc hai ta có kỹ thuật Laplace.  2- Phương pháp phát hiện đường biên trong ảnh màu: phân tích ảnh màu thành các ảnh đơn sắc (R,G,B) và xác định đường biên trên cơ sở sự thay đổi màu sắc trong các ảnh đơn sắc nói trên.  3- Phân tích ảnh thành vùng theo các đặc điểm đặc trưng (thí dụ kết cấu bề mặt (texture)), ranh giới giữa các vùng chính là đường biên của ảnh.
  22. Phương pháp Gradient  Ảnh gốc f(x,y) được đưa vào khối làm nổi đường biên. Ở đây, bằng phương pháp xử lý tuyến tính hoặc phi tuyến ảnh F(x,y) được làm tăng mức chênh lệch độ chói giữa các vùng ảnh. Ảnh G(x,y) là ảnh gốc đã được tăng cường biên độ đường biên giữa các vùng ảnh. Sau đó, tại khối so sánh, người ta so sánh giá trị các điểm ảnh G(x,y) với mức ngưỡng T để xác định vị trí các điểm có mứuc thay đổi độ chói lớn.
  23. Nén ảnh • Nén Ảnh là gì? • Mục đích của nén ảnh • Các khái niệm • Nén Ảnh • Các chuẩn ảnh nén hiên nay
  24. NÉN ẢNH LÀ GÌ? • Nén là quá trình làm giảm thông tin dư thừa trong dữ liệu. 1600x1200 1600x1200 Nén 5,7MB 406KB
  25. MỤC ĐÍCH CỦA VIÊC NÉN ẢNH • Truyền Thông: 100KB/s ~ 1phut 5,7MB=5760KB 3x640x480 x8 x24 = 177MB Video 24 h/s
  26. Nén ảnh Tại sao lại cần nén ảnh? -Ví dụ: camera số (4Mpixel) Dữ liệu ban đầu – 24bits, 5.3M pixels 16M bytes 256M memory card ($30-50) 16 pictures ảnh thô Nén JPEG compressed JPEG file (16M bytes) (1M bytes) compression ratio=16 256 pictures
  27. Ví dụ Nén để giảm không gian lưu trữ, tiết kiệm băng thông
  28. CÁC KHÁI NIỆM Một số tham số được dùng để đánh giá chất lượng của ảnh nén Peak Signal-to-Noise Ratio(PSNR):
  29. CÁC KHÁI NIỆM • Tỷ số nén: Là đặc trưng của mọi phương pháp nén. • Dư thừa dữ liệu: – Sự phân bố kí tự – Sự lặp lại ký tự. – Sự phân bố của các chuỗi ký tự . – Dư thừa trong pixel (Interpixel Redundancy) – Dư thừa tâm lý thị giác
  30. DƯ THỪA DỮ LIỆU • Sự phân bố ký tự – Một số ký tự (pixel) xuất hiện với tần suất lớn hơn so với các ký tự khác trong dữ liệu gốc (ảnh) .Ta có thể thay thế các ký tự này bằng từ mã nhị phân ít bít hơn và các ký tự xuất hiện nhiều hơn bằng từ mã nhị phân có nhiều bit hơn. – Dùng mã hóa Huffman để mã hóa loại dư thừa này.
  31. DƯ THỪA DỮ LIỆU • Sự lặp lại các ký tự – Một chuỗi các ký tự (bit 1 hoặc 0) được lặp lại nhiều lần. Ta có thể mã hóa chuỗi lặp đó bằng ít bit hơn. Đây chính là nguyên tắc hoạt động của mã hóa RLC ( Run-Length Coding)
  32. DƯ THỪA DỮ LIỆU • Sự lặp lại của các chuỗi ký tự: – Một số chuỗi ký tự (pixel) có tần suất xuất hiện tương đối cao. – Có thể mã hóa các chuỗi đó bằng từ mã ít bít hơn . – Để xử lý loại dư thừa này ta sử dụng phương pháp mã hóa LWZ (mã hóa kiểu từ điển) .
  33. Nén tổn thất và nén không tổn thất • Nén mất thông tin và không mất thông tin – Nén mất thông tin: Nén ẢNH NÉN G i ả i N é n
  34. Nén ảnh có tổn thất compressed JPEG file JPEG (20,407 bytes) decoder Q Q decompressed image 100 low compression ratio high quality high compression ratio original raw image 0 low quality (262,144 bytes)
  35. Nén tổn thất và nén không tổn thất • Nén mất thông tin và không mất thông tin – Nén không mất thông tin: Nén ẢNH NÉN G i ả i N é n
  36. Nén ảnh không tổn thất Định nghĩa - Ảnh sau khi giải nén giống hoàn toàn với ảnh gốc (zero error) Hệ số nén (Compression ratio) - Phụ thuộc lớn vào kiểu ảnh và nội dung ảnh ảnh nhân tạo ảnh tự nhiên >10 1~3 Ứng dụng -Lưu trữ và truyền các ảnh y học
  37. Các kỹ thuật nén ảnh không tổn thất phổ biến WinZip - Dựa trên thuật toán Lempel-Ziv được phát minh cách đây 30 năm GIF (Graphic Interchange Format) -Dựa trên thuật toán LZ nâng cao, tạo ra bởi Welch năm 1983 PNG (Portable Network Graphics)
  38. Sơ đồ khối hệ thống nén ảnh tiêu biểu  Bộ chuyển đổi: thường dùng phép biến đổi Cosin rời rạc để tập trung năng lượng tín hiệu vào một số lượng nhỏ các hệ số khai triển để thực hiện phép nén hiệu quả hơn là dùng tín hiệu nguyên thủy.  Bộ lượng tử hoá: tạo ra một lượng ký hiệu giới hạn cho ảnh nén với hai kỹ thuật: lượng tử vô hướng (thực hiện lượng tử hoá cho từng phần dữ liệu) và lượng tử vectơ (thực hiện lượng tử hoá một lần một khối dữ liệu). Quá trình này không thuận nghịch.  Bộ mã hoá: gán một từ mã, một dòng bit nhị phân cho mỗi ký hiệu.
  39. Các kỹ thuật mã hoá entropy (mã hóa không tổn thất)  Mã hoá loạt dài chạy (RLC-Run Length Coding): các chuỗi điểm ảnh có cùng độ chói (mức màu) sẽ được mã hoá bằng cặp thông tin (độ chói, chiều dài chuỗi).  Mã hoá bằng các loại bỏ trùng lặp: các chuỗi đặc biệt được thay thế bằng cờ và số đếm lặp.  Mã hoá dùng mẫu thay thế: đây là dạng mã hoá thống kê mà nó thay thế các mẫu hay lặp lại bằng một mã.  Mã hóa với độ dài (của từ mã) thay đổi (VLC- Variable-Length Coding)
  40. Các kỹ thuật mã hoá nguồn (mã hóa tổn thất ) • Mã hoá chuyển đổi: dùng phép biến đổi Fourier hay Cosin để chuyển từ miền thời gian hay miền không gian sang miền tần số. • Mã hoá sai phân: cũng được gọi là mã hoá ước đoán do chỉ mã hoá sự khác biệt giữa giá trị mẫu thực và giá trị ước đoán, mã hoá sai phân thường dùng cho video hình ảnh động. Lớp kỹ thuật này bao gồm: điều mã xung sai phân, điều chế delta, điều mã xung thích nghi. • Lượng tử hoá vectơ: mã hoá từng khối hai chiều kích thước cố định (gọi là vectơ) và tra bảng tìm mã phù hợp nhất. Kỹ thuật chỉ thích hợp cho dữ liệu có cấu trúc biết trước.
  41. Các tiêu chuẩn nén ảnh • JPEG (The Joint Photographic Expert Group): dùng cho nén ảnh tĩnh, phát triển bởi sự kết hợp giữa ITU-TS (the International Telecommunications Union-Telecommunication Sector) và ISO (International Standards Organization) • MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, MPEG-7: do Ủy ban ISO IEC/JTC1/SC29- /WG11 phát triển cho mã hoá kết hợp giữa video và audio. • H.261: do Nhóm nghiên cứu XI phát triển và được biết rộng rãi như tiêu chuẩn mã hoá video cho các dịch vụ nghe nhìn tốc độ nx 64Kbps. • ITU-TS H.263 cho các ứng dụng điện thoại thấy hình tốc độ dưới 64Kbps.
  42. Các kỹ thuật mã hoá entropy (mã hóa không tổn thất ) –Run length Coding (RLC) –Huffman –Lempel Ziv – Wench (LZW)
  43. RUN LENGTH CODING- RLC • Tư tưởng của phương pháp này là dựa trên sự lặp lại các bit. • Thay thế các bit đó bởi chiều dài chuỗi và bít lặp . • Để phân biệt với các ký tự khác ta có thể thêm 1 từ mã đặc biệt trước 2 thông tin chiều dài chuỗi và bit lặp . • Ví Dụ: Ta có 1 dãy các giá trị mức xám như sau – 55 22 22 22 22 22 22 22 22 51 52 52 52 60 – Ta có thể thay đoạn mã trên bằng • 55 E 8 22 51 E 3 52 60 • Với E là ký tự đặc biệt , giá trị sau E là chiều dài ký tự lặp và ký tự lặp .
  44. HUFFMAN  Dựa vào mô hình thống kê tính tần suất xuất hiện các ký tự.  Gán cho các ký tự có tần xuất cao bằng một từ mã ngắn, các ký tự có tần xuất thấp bằng một từ mã dài.  Thuật toán:  Bước 1:  Tính tần suất xuất hiện các ký tự trong dữ liệu gốc  Xây dựng bảng mã  Sắp xếp lại bảng mã theo thứ tự tần suất giảm dần  Bước 2:  Tạo cây huffman
  45. HUFFMAN Bảng tần xuất sắp xếp theo thứ tự giảm dần Ký tự Tần suất Ký tù Tần suất xác suất "1" 152 "0" 1532 0.2770 "2" 323 "6" 602 0.1088 "3" 412 "." 536 0.0969 "4" 226 " " 535 0.0967 "5" 385 "3" 112 0.0746 "6" 602 "5 " 385 0.0696 "7" 92 "2" 323 0.0585 "8" 112 "_" 315 0.0569 "9" 87 "4" 226 0.0409 "0" 1532 "+" 220 0.0396 "." 536 "1" 152 0.0275 "+" 220 "8" 112 0.0203 "_" 315 "7" 92 0.0167 " " 535 "9" 87 0.0158
  46. Mã LZW • Được Jacob Braham Ziv đưa ra lần đầu tiên năm 1977, sau đó phát triển thành một họ giải thuật nén từ điển là LZ. • Năm 1984, Terry Welch cải tiến giải thuật LZ thành một giải thuật tốt hơn :LZW • Dùng để giảm dư thữa trong pixel • Không cần biết trước xác suất phân bố của các pixel • Thường được dùng để nén các loại văn bản, ảnh đen trắng, ảnh màu, ảnh đa mức xám Và là chuẩn nén cho các dạng ảnh GIF và TIFF.
  47. Mã LZW • Phương pháp : • Xây dựng 1 từ điển Cấu trúc từ điển
  48. Mã LZW • Từ điển được xây dựng đồng thời với quá trình đọc dữ liệu. Sự có mặt của một chuỗi con trong từ điển khẳng định rằng chuỗi đó đã từng xuất hiện trong phần dữ liệu đã đọc. • Thuật toán liên tục “tra cứu ” và cập nhật từ điển sau mỗi lần đọc một kí tự ở dữ liệu đầu vào. • Do kích thước bộ nhớ không phải vô hạn và để đảm bảo tốc độ tìm kiếm, từ điển chỉ giới hạn 4096 ở phần tử dùng để lưu lớn nhất là 4096 giá trị của các từ mã. Như vậy độ dài lớn nhất của mã là 12 bít(4096= 212).
  49. Ví dụ Cho ma trận ảnh 4x4 8bit
  50. LEMPEL ZIV – WENCH (LZW) Ví dụ: bảng mã hóa và xây dựng tự điển Kết quả: input: 16*8=128bit output : 5*8+5*9=85bit tỷ số nén 128/85=1,5
  51. Mã LZW • Ví dụ cơ chế nén LZW Cho chuỗi ban đầu là “ABCBCABCABCD” (Mã ASCII của A là 65,B là 66, C là 67). Từ điển ban đầu đã gồm 256 kí tự cơ bản. Chuỗi đầu ra sẽ là: 65 - 66 - 67 - 259 - 258 - 67 – 262 Đầu vào có kích thước :12 x 8 = 96 bits. Đầu ra có kích thước là: 4x8 +3x9 = 59 bits Tỉ số nén là: 96:59  1,63.
  52. Bài tập • Dùng mã hóa LZ để mã hóa chuỗi ACCBCABCABACD tính tỉ lệ nén và hiệu suất nén 1 • Tỉ lệ nén % c r 1 • Hiệu suất nén (1 ) % cr
  53. Biến đổi Cosin và chuẩn JPEG 1 7 7 Trong đó X 0, 0   x ( m , n ) 8 m 0 n 0
  54. Biến đổi Cosin và chuẩn JPEG 2()()c k c l7 7 (2 m 1) k (21) n l X(,),k l   x m n cos( ) cos( ) NNNm 0 n 0 2 2
  55. Chuẩn JPEG • JPEG ( Joint Photographic Expert Group ) là tên của một tổ chức nghiên cứu về các chuẩn nén ảnh (trước đây là ISO) được thành lập vào năm 1982. Năm 1986, JPEG chính thức được thiết lập nhờ sự kết hợp giữa nhóm ISO/IEC và ITV. Tiêu chuẩn này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực : lưu trữ ảnh, Fax màu, truyền ảnh báo chí, ảnh cho y học, camera số v.v • Tiêu chuẩn JPEG được định ra cho nén ảnh tĩnh đơn sắc và màu. Tuy nhiên cũng được sử dụng cho nhiều ứng dụng với ảnh động bởi vì nó cho chất lượng ảnh khôi phục khá tốt và ít tính toán hơn so với nén MPEG.
  56. Chuẩn JPEG Các công đoạn Nén ảnh JPEG n â h P 8x8 Lượng tử Mã ảnh hóa Hóa nén DCT 8x8 h K Bảng Bảng lượng tử Mã ố 8x8 i
  57. Chuẩn JPEG
  58. Chuyển ảnh thành các MB • Tất cả các block có cùng kích thước và mỗi block là một ma trận điểm ảnh 8 8 pixel được lấy từ một ảnh màn hình theo chiều từ trái sang phải, từ trên xuống dưới. Kích thước MB là 8 8 được chọn bởi hai lý do sau: • 1. Qua việc nghiên cứu cho thấy hàm tương quan suy giảm rất nhanh khi khoảng cách giữa các pixel vượt quá 8. • 2. Tiện lợi cho việc tính toán và thiết kế phần cứng. Nói chung, độ phức tạp về tính toán sẽ tăng nếu kích thước block tăng.
  59. Chuyển mức điểm ảnh (trừ 128) Ví Dụ: -128
  60. Biến đổi DCT Ví Dụ: Biến đổi DCT và làm tròn các hệ số DCT
  61. Lượng tử hóa Ví dụ: Sử dụng Ma trận lượng tử hóa (Q)
  62. Lượng tử hóa Ví Dụ (tt): Chia các phần tử của ma trận DCT với các phần tử tương ứng của ma trận lượng tử hóa ở trên theo công thức: AC DC Kết Quả T(0,0) 415 G(0,0) round round 26 Q(0,0) 16
  63. Mã hóa AC Sử Dụng Mã hóa Huffman kết thúc sớm chuổi khi các kí tự còn lại là 0 Ký tự đặc biệt là EOB Kết Quả Giả sử nếu DC của khối trước là -17 Mã hóa nhị phân
  64. Mã hóa DC
  65. Mã hóa DC
  66. Mã hóa DC
  67. Bảng mã DC
  68. Mã hóa AC
  69. Mã hóa AC
  70. Bảng mã AC
  71. Mã hóa AC
  72. Ví dụ: DC coefficient of the previous block is 60 Cho ma trận ảnh lượng tử: Biết rằng hệ sô DC của khối trước là 60 . Hãy mã hóa ma trận ảnh thành mã nhị phân. Tính tỉ số nén
  73. Kết quả • “11011001, 100010, 001, 1111100001, 0110, 0110, 000,1010”.
  74. Khôi phục ảnh JPEG Các công đoạn khôi phục ảnh: Lượng Tử Giải Mã Hóa DCT ngược ảnh nen Bảng Bảng Mã Lượng tử
  75. Khôi phục ảnh JPEG R(u,v)=Fq(u,v)Q(u,v)
  76. Khôi phục các điểm ảnh trong khối 8x8
  77. Quá trình biến đổi DCT ngược (IDCT) Tạo lại khối giá trị các điểm ban đầu theo biểu thức: 7 7 C u C v (2j 1) u (2 k 1) v f* j, k  F ( u , v )cos cos u 0 v 0 4 16 16 Sai số giữa các giá trị khôi phục và giá trị gốc được tính như sau: e(j,k)=f(j,k)-f*(j,k)
  78. Biến đổi cosin và chuẩn JPEG Ảnh Gốc Anh nén và giải nén
  79. Biến đổi cosin và chuẩn JPEG Ảnh sau khi nén và giải nén bằng phép biến đổi Cosin cho chất lượng không tốt như cũ. Khắc phục bằng việc làm trơn ảnh sau khi giải nén .
  80. Chuẩn JPEG Chuẩn JPEG cho nhiều tùy chọn khác nhau để nén ảnh,tùy vào những tùy chọn mà cho hệ số nén và chất lượng ảnh khác nhau 31KB 46KB 60KB 100KB Ảnh gốc có kích thước 400x300=120KB
  81. Bài tập 9 1 Cho ma trận ảnh S là 2x2 s 1 9 Tính các hệ số DCT, và viết chuỗi nhị phân sau khi sử dụng phương pháp nén JPEG, tìm ảnh khôi phục sau khi giải nén , biết rằng ma trận lượng tử 3 3 Q 3 5
  82. Lời giải • Áp dụng công thức DCT để tính hệ số DC và AC 27 7 ((2m 1) k ((2 n 1) l 2 DCT X(,)(,)k l c ( k ) c ( l ) x m n c os( ) c os( ) NNNm 0 n 0 2 2 Trong đó k,l=0,1, .7 1 ,k & l 0 c( k ), c ( l ) 2 2 2 1,k l 0 T (S,U ) (9 1 1 9)/2 10,T (S,U ) (9 1 1 9)/2 0, Hệ số DCT 0,0 0,0 0,1 0,1 T1,0 (S,U1,0) (9 1 1 9)/2 0,T1,1 (S,U1,1) (9 1 1 9)/2 8. Ảnh khôi phục sau khi giải nén ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ 9 1 1 10 1 1 9.5 0.5 S T0,0U0,0 T0,1U0,1 T1,0U1,0 T1,1U1,1 2 1 1 2 1 1 0.5 9.5
  83. TỔNG QUAN JPEG 2000 • Ảnh số hóa ngày càng phổ biến và yêu cầu chất lượng ngày càng cao, ngoài ra còn có các nhu cầu về xử lí ảnh kéo theo • Nén hình ảnh không chỉ làm giảm dung lượng mà còn phải cho phép tách ghép để sắp xếp xử lí và đáp ứng các nhu cầu trên các thiết bị cụ thể • Yêu cầu về hiệu suất nén với tỉ số nén cao SỰ PHÁT TRIỂN CỦA JPEG 2000 LÀ TẤT YẾU JPEG2000
  84. TỔNG QUAN JPEG 2000 JPEG2000
  85. ƯU ĐIỂM CỦA JPEG2000 SO VỚI JPEG JPEG2000
  86. Chuẩn JPEG2000 và nén ảnh màu • JPEG2K sử dụng phép biến đổi wavelet và các phương pháp đặc biệt để có được ảnh nén tối ưu nhất • Cho chất lượng tốt nhất khi sử dụng nén ảnh tĩnh • Sử dụng được với truyền dẫn và hiển thị lũy tiến về chất lượng, độ phân giải. • Truy cập và giải nén tại mọi thời điểm trong khi nhận dữ liệu • Giải nén từng vùng ảnh mà không giải nén toàn bộ ảnh
  87. CHUẨN JPEG2K
  88. Các bước nén ảnh trong JPEG 2000 Sơ đồ nén và giải nén trong jpeg 2000 JPEG2000
  89. CHUẨN JPEG2000 VÀ NÉN ẢNH MÀU • Các bước thực hiện nén ảnh theo chuẩn JPEG2K Ảnh Mã hóa nén Xử lý trước Biến đổi liên Biến đổi riêng Lượng tử biến đổi thành phần thành phần hóa
  90. Các bước nén ảnh trong JPEG 2000 JPEG2000
  91. Các bước nén ảnh trong JPEG 2000 JPEG2000
  92. Các bước nén ảnh trong JPEG 2000 JPEG2000
  93. Các bước nén ảnh trong JPEG 2000 JPEG2000
  94. Các bước nén ảnh trong JPEG 2000 JPEG2000
  95. Các bước nén ảnh trong JPEG 2000 JPEG2000
  96. Các bước nén ảnh trong JPEG 2000 JPEG2000
  97. CHUẨN JPEG2000 VÀ NÉN ẢNH MÀU • Giải nén: Làm ngược lại các bước trên Xử lý sau Ảnh biến đổi nén Biến đổi Gải lượng Biến đổi ngược Giải mã ngược liên tử hóa riêng thành phần thành phần
  98. Các chuẩn nén ảnh hiện nay Các định dạng ảnh và tỉ lệ nén: 1600x1200 5760KB BMP 5626KB TGA 5626KB PGM 5626KB PBM 5626KB TIF 5565KB PNP 4405KB XPM 3759KB GIF 1802KB JPEG 754KB
  99. Ưu điểm của chuẩn nén JPEG2k
  100. JPEG và JPEG2k
  101. JPEG và JPEG2k
  102. Bài tập
  103. Bài tập
  104. Các chuẩn nén video
  105. MPEG • MPEG-1 ~ 1-1.5Mbps (early 90s) – For compression of 320x240 full-motion video at rates around 1.15Mb/s – Applications: video storage (VCD) • MPEG-2 ~ 2-80Mbps (mid 90s) – For higher resolutions – Support interlaced video formats and a number of features for HDTV – Address scalable video coding – Also used in DVD • MPEG-4 ~ 9-40kbps (later 90s) – For very low bit rate video and audio coding – Applications: interactive multimedia and video telephony • MPEG-21 ~ ongoing
  106. MPEG Format Video Compressed Parameters bit rate SIF 352x240 at 1.2-3 Mbps MPEG-1 30Hz CCIR 601 720x486 at 5-10 Mbps 30Hz EDTV 960x486 at 7-15 Mbps 30Hz MPEG-2 HDTV 1920x1080 at 20-40 Mbps 30Hz
  107. MPEG • Tiêu chuẩn MPEG là sự kết hợp giữa nén trong ảnh và nén liên ảnh. • Phương pháp nén có tổn hao dựa trên sự biến đổi DCT • Bù chuyển động. • MPEG dùng biểu diễn màu bằng YCrCb.
  108. Các phương pháp bù chuyển động - Phương pháp ước đoán bù chuyển động : giả thiết ảnh hiện tại là một phép biến đổi từ ảnh trước đó, nghĩa là biên độ và hướng dịch chuyển không cần thiết phải giống ảnh trước đó. - Phương pháp nội suy bù chuyển động là kỹ thuật nhiều độ phân giải: chỉ mã hoá một tín hiệu phụ với độ phân giải thấp (khoảng 1/2 đến 1/3 tốc độ khung). Ảnh có độ phân giải đầy đủ sẽ được xây dựng lại qua nội suy ảnh có độ phân giải thấp cộng thêm thành phần sửa sai. Đơn vị xử lý ảnh mà MPEG sử dụng là macroblock (MB) 16X 16 điểm ảnh.
  109. Các phương pháp bù chuyển động PREVIOUS FRAME CURRENT FRAME PREDICTED FRAME PREDICTION ERROR FRAME
  110. MPEG-1 Picture Types and Group-of- Pictures • A Group-of-Picture (GOP) contains 3 types of frames (I/P/B) • Frame order I1 BBB P1 BBB P2 BBB I2 • Coding order I1 P1 BBB P2 BBB I2 BBB
  111. Các cấu trúc ảnh  Ảnh loại I (Intra-picture)  Ảnh loại P (Predicted-picture)  Ảnh loại B (Bi-directional predicted picture)
  112. Cấu trúc dòng bit MPEG
  113. Kiến trúc dòng dữ liệu MPEG
  114. Bộ mã hóa MPEG tiêu biểu
  115. Bộ mã hóa MPEG tiêu biểu
  116. Ứng dụng MPEG trong truyền thông đa phương tiện
  117. Ứng dụng MPEG trong truyền thông đa phương tiện
  118. Ứng dụng MPEG trong truyền thông đa phương tiện