NG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘ NỘI TRƯỜ NG ĐẠI HỌ Viện Công nghệ Thông tin và Truyền thông
BÀI TẬP LỚ N XỬ LÝ ẢNH Đề tài: Công nghệ nén ảnh JPEG, chuẩn JPEG và các loại JPEG. Thử nghiệm trên ứng dụng cụ thể
Sinh viên thự c hiện:
1. Phạm Chiến Thắng
MSSV: 20082485
2. Đinh Đức Tân
MSSV: 20082311
3. Nguyễn Mạnh Hoằng MSSV: 20081088
Giáo viên hướ ng ng dẫ dẫn: Nguyễn Thị Hoàng Lan
– 2010 HÀ NỘ NỘI – 2010 1
MỤC LỤ LỤC Ở ĐẦU…………………………………………………….…..tr3 ĐẦU…………………………………………………….…..tr3 A. MỞ B. NỘI DUNG……………………………………………………...tr3 I. Công nghệ nghệ JPEG…………………………………….…..tr3 1. JPEG là gì…………………………………………….tr3 gì……………………………………………. tr3 2. Phương pháp nén ảnh JPEG………………………...tr3 2.1. Khái quát về v ề phương pháp nén ảnh tĩnh…….tr3 ả nh theo chuẩn JPEG…….tr5 2.2. Phương pháp nén ảnh chuẩn JPEG…….tr5 2.3. Ưu nhược điêmt của phương pháp nén ảnh JPEG…………………………....tr11 JPEG…………………………....tr11 II. Chu Chuẩẩn JPEG…………………………………………… JPEG……………………………………………...tr12 ...tr12 III. Các loại loại JPEG…………………………………………….tr16 JPEG…………………………………………….tr16 1992…………………………………………… ..tr16 1. JPEG 1992……………………………………………..tr16 ……………………………………………….tr16 2. LS JPEG ……………………………………………….tr16 3. JPEG 2000…………………………………………..…tr18 2000…………………………………………..… tr18 4. JPEG search……………………………………………tr22 search……………………………………………tr22 5. JPEGXR………………………………………..……… JPEGXR………………………………………..………tr22 tr22 IV. Th Thử ử nghi nghiệệm ứ ng ng dụng………………………………… dụng…………………………………....…tr23 …tr23 C. K ẾT LUẬN……………………………………………………… LUẬN………………………………………………………..tr29 ..tr29 D. DANH MỤ MỤC TÀI LIỆ LIỆU THAM KHẢO……………………… KHẢO………………………...tr30 ...tr30
2
Ở ĐẦ ĐẦU. A. MỞ U. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính và sự s ự 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 hoá dung lượng kênh truyền và không không gian lưu trữ trong khi vẫn giữ được tính trung trung thực của ảnh. Và JPEG là một trong những phương pháp nén ảnh ảnh khá hiệu quả. Trong Trong đề tài này chúng chúng ta cung nghiên nghiên cứu về “Công nghệ nén ảnh JPEG, chuẩn JPEG và các loại JPEG. Thử nghiệm trên ứng dụng cụ thể” thể ” B. NỘI DUNG. I. CÔNG NGHỆ NGHỆ JPEG. 1. JPEG là gì? JPEG viết tắt của Joint Photographic Photographic Experts Experts Group, một nhóm các nhà nghiên cứu đã phát minh ra đị nh dạng này để hiển thị các hình ảnh đầy đủ màu hơn (fullcolour) cho đị nh dạng di động mà kích thướ c file lại nhỏ hơn. Đây là một phương pháp nén ảnh hiệu quả, nó cho phép làm việc vớ i các ảnh có nhiều màu và kích cỡ lớ n, n, tỷ lệ nén ảnh đạt mức so sánh tớ i vài chục lần (chứ không phải phần trăm).
2. Phương pháp nén ảnh ả nh JPEG. nén ảnh tĩnh 2.1. Khái quát về phương pháp nén Có nhiều cách để nén ảnh, nhưng dựa vào yếu tố bảo toàn thông tin có thể phân chia thành 2 phương phá p nén ảnh tĩnh, đó là: - Nén không mấ t mát thông tin: sử dụng các phương pháp mã hóa dữ liệu - Nén có mấ t mát thông tin: Phương pháp nén dự a trên phép biến đổi ảnh Quá trình nén ảnh đượ c mô tả theo sơ đồ:
3
Các phương pháp mã hóa dữ liệu có thể k ể đến: - Mã hang loạt(RLE): Dùng số đếm để thay thế các đặc diểm giống nhau lặ p 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 tưở ng: 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 d ự 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 đổ i Cosin r ời r ạc(DCT): Biểu diễn các giá tr ị điểm ảnh trên miền tần số, tập trung năng lượ ng vào một số hệ số. DCT sử dụng trong các chuẩn JPEG và MPEG - Phép biến đổ i Wavelet r ời r ạc(DWT): sử dụng các bộ lọc thông dải xử lý phân tích đa phân trong phép DWT. - Phép biến đổ i Fractal: Sử dụng các phép biến đổi hình học. Nén ảnh tĩnh dựa trên phép biến đổi ảnh đượ c mô tả trong sơ đồ:
4
2.2. Phương pháp nén ảnh theo chuẩ n J PEG a. Phép biến đổ i DCT (Discrete Cosin Transform) Như chúng ta đã nói ở trên, phép biến đổi DCT đượ c sử dụng trong phương pháp nén ảnh theo chuẩn JPEG. Vì vậy trước khi đi vào tìm hiể u về phương pháp nén ảnh JPEG chúng ta cùng khái quát sơ qua về phép biến đổi DCT.
b. Phương pháp nén ảnh theo chuẩ n JPEG 5
Phương pháp nén ả nh theo thuẩn JPEG có thể cho hệ số nén tớ i 80:1 hay lớn hơn, nhưng bạn phải chịu mất thông tin (ảnh sau khi bung nén khác vớ i ảnh ban đầu), lượ ng 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 mớ i gần giống như ảnh cũ, khiế n phần đông mọi ngườ i 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 ngườ i dùng có thể cân nhắc giữa cái lợ i của việc tiết kiệm bộ nhớ và mức độ mất thông tin của ảnh, để chọn phương án thích hợ p.
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. = 0.615 R − 0.515G − 0.100 B Y = 0.299 R + 0.587G + 0.114 B U = 0.492( B − Y )= = − 0.147 R − 0.289G + 0.436 B 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 theo màu chuẩn đỏ, xanh lá cây và xanh da trời). Và một điều thú vị là hệ nhãn thị của 6
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 rạ c (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 n hanh 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 alg orithm làm trơn ảnh đã được công ty ASDG đưa ra trong hệ Art Department Professional.
8
Chất lượng
Hình ảnh
Kích Tỷ số thước nén (byte)
Bình luận
Chất lượng rất Các điểm ảnh 83,261 2.6:1 cao (Q = cực kì nhỏ 100)
9
Chất lượng Dấu hiệu ban đầu trung 15,138 15:01 của các điểm ảnh bình (Q = 50)
Vừa chất lượng (Q 9,553 = 25)
Tạo tác mạnh mẽ hơn; mất thông 23:01 tin độ phân giải cao
Chất lượng 4,787 thấp (Q = 10)
Tổn thất nghiêm trọng về biên giữa các vùng ảnh
10
46:1
Thấp nhất chất 1,523 lượng (Q = 1)
Phần mở rộng 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 điể m: 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 chính xác true -colour (chúng có thể lên đến 16 triệu màu), điều đó cho phép chúng được sử dụng tốt nhất cho các hình ảnh chụp và hình ảnh minh họa có số lượng màu lớn. b. Nhược điểm.
Nhược điểm chính của định dạng JPEG là chúng được nén bằng thuật toán lossy (mất dữ liệu). Điều này có nghĩa rằng hình ảnh của bạn sẽ bị mất một số chi tiết khi chuyển sang định dạng JPEG. Đường bao giữa các khối màu có thể xuất hiện nhiều điểm mờ, và các vùng sẽ mất sự rõ nét, tỉ số nén càng cao thì sự mất mát 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 nà y bạn sẽ sử dụng định dạng GIF (hoặc định dạng PNG để tạo trong suốt).
11
II. CHUẨN JPEG
Joint Photographic Experts Group - tiêu chuẩn công bố và được phát triển Tên thường gặp
Phần
Năm công bố
ISO / IEC số
JPEG
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
ISO / IEC 10918-3
ITU-T 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 ISO / IEC 10918-5 FCD triển 12
Số ITU
Cách thức thực hiện
nén kĩ thuật số và mã hóa liên tục màu sắc của hình ảnh: JPEG
File Interchange Format (JFIF) JPEGLS
JPEG 2000
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 cốt của hệ thống mã hóa.
Phần 2
2004
ISO / IEC 15444-2
ITU-T Rec. T.801
Hệ thống mã hóa hình ảnh JPEG 2000 thêm phần mở rộng
Phần 3
2002
ISO / IEC 15444-3
ITU-T Rec. T.802
Hệ thống mã hóa hình ảnh JPEG 2000: Motion JPEG 2000
Phần 4
2002
ISO / IEC 15444-4
ITU-T Rec. T.80
Hệ thống mã hóa hình ảnh JPEG 2000: kiểm tra sự phù hợp
Phần 5
2003
ISO / IEC 15444-5
ITU-T Rec. T.804
Hệ thống mã hóa hình ảnh JPEG 2000: phần mềm có liên quan
Phần 6
2003
ISO / IEC 15444-6
Hệ thống mã hóa hình ảnh JPEG 2000: định dạng phức hợp cho tập tin hình ảnh. 13
MRC
Phần 8
2007
ISO / IEC 15444-8
ITU-T Rec. T.807
Hệ thống mã hóa hình ảnh JPEG 2000: Bảo mật JPEG 2000
Phần 9
2005
ISO / IEC 15444-9
ITU-T Rec. T.808
Hệ thống mã hóa hình ảnh JPEG 2000: Tương tác công cụ, API và giao thức
Phần 10
2008
ISO / IEC 15444-10
ITU-T Rec. T.809
Hệ thống mã hóa hình ảnh JPEG 2000: Phần mở rộng cho dữ liệu ba chiều
Phần 11
2007
ISO / IEC 15444-11
ITU-T Rec. T.810
Hệ thống mã hóa hình ảnh JPEG 2000: không dây
Phần 12
2004
ISO / IEC 15444-12
Phần 13
2008
ISO / IEC 15444-13
Phần 14
Kém phát ISO / IEC 15444-14 AWI triển
Hệ thống mã hóa hình ảnh JPEG 2000: cơ cấu XML đại diện và tham khảo
1999
pha trộn các lớp nội dung
Hệ thống mã hóa hình ảnh JPEG 2000: căn cứ theo tiêu chuẩn ISO định dạng tập tin truyền thông ITU-T Rec. T.812
ISO / IEC 16485 ITU-T Rec. T.44 14
Hệ thống mã hóa hình ảnh JPEG 2000: Một mục nhập cấp bộ mã hóa JPEG 2000
JPSearch Phần 1
JPEG XR
2007
JPSearch: Hệ thống khung và các thành phần
ISO / IEC TR 24800-1
Phần 2
Kém phát ISO / IEC 24800-2 FCD triển
JPSearch: Đăng ký, nhận dạng và quản lý các lược đồ và bản thể
Phần 3
2010
JPSearch: truy vấn dạng
Phần 4
Kém phát ISO / IEC 24800-4 FCD triển
JPSearch: định dạng tập tin cho các siêu dữ liệu nhúng vào dữ liệu hình ảnh (JPEG và JPEG 2000)
Phần 5
Kém phát ISO / IEC triển 24800-5 FCD
JPSearch: trao đổi dữ liệu giữa các kho lưu trữ hình ảnh định dạng
Phần 6
Kém phát ISO / IEC 24800-6 NP triển
JPSearch:các phần mềm liên quan
Phần 1
Kém phát ISO / IEC triển 29199-1 DTR
hệ thống mã hóa h ình ảnh JPEG XR: Hệ thống kiến trúc
Phần 2
2009
Phần 3
Kém phát ISO / IEC 29199-3 FDIS triển
ISO / IEC 24800-3
ISO / IEC 29199-2
ITU-T Rec. T.832
15
hệ thống mã hóa hình ảnh JPEG XR: Hình ảnh đặc tả kỹ thuật mã hóa hệ thống mã hóa hình ảnh JPEG XR:trao đổi qua lại gữa các dạng
JPEG XR
AIC
Phần 4
2010
ISO / IEC 29199-4
ITU-T Rec. T.834
hệ thống mã hóa hình ảnh JPEG XR: kiểm tra sự phù hợp
Phần 5
2010
ISO / IEC 29199-5
ITU-T Rec. T.835
hệ thống mã hóa hình ảnh JPEG XR: các phần mềm liên quan
Kém phát ISO / IEC 29170 NP triển
III.
mã hóa nâng cao và các phương pháp đánh giá
CÁC LOẠI JPEG
1.JPEG(1992):Là loại JPEG chuẩn đã đượ c nói ở trên. 2.LS-JPEG( Lossness JPEG) LS-JPEG đượ c phát triển như sự bổ sung muộn màng cho JPEG vào năm 1993,bằ ng cách sử dụng 1 k ỹ thuật khác nhau từ tiêu chuẩn JPEG cũ.Nó sử dụng 1 hệ thống dự báo đượ c sắ p xế p dựa trên ba điểm lân cận( upper,left and upper-left) và entropy mã hóa dựa trên các lỗi dự báo. Không giống như chế độ mất dự liệu dựa trên DCT, các quá trình mã hóa không mất mát thông tin dựa trên mô hình tiên đoán mã đơn giả n gọi là chuyển mã xung vi sai(Differential Pulse Code Modulation-DPCM) . Đây là một mô hình dự đoán các giá tr ị mẫu từ các mẫu lân cận đã đượ c mã hóa trong hình ảnh .Hầu hết các dự đoán lấy trung bình của các mẫu ngay lậ p tức ở bên trên và bên trái của mẫu mục tiêu.DPCM mã hóa sự khác biệt giữa các mẫu dự đoán thay vì mỗ i mẫu mã hóa độc lậ p.Sự khác biệt từ một trong những mẫu tiếp theo thườ ng là gần bằng không.
16
Các bướ c chính của chế độ hoạt động không giảm chất lượng đượ c mô tả trong Hình 2
Trong quá trình này, dự báo các k ết hợ p tối đa ba mẫu lân cận tại A, B, và C đượ c thể hiện trong hình 3 để dự báo giá tr ị của mẫu tại vị trí dán nhãn của X.
Ba mẫu láng giềng phải được đã đượ c dự đoán mẫu . Bất k ỳ một trong những dự đoán cho thấy trong bảng dưới đây có thể đượ c sử dụng để ướ c tính mẫu đặt tại . Bất k ỳ một trong tám dự đoán đượ c liệt kê trong bảng có thể đượ c sử dụng. Lưu ý rằng các lựa chọn 1, 2, và 3 đượ c dự đoán một chiều và lựa chọn 4, 5, 6, và 7 đượ c dự đoán hai chiều. Giá tr ị lựa chọn đầu tiên trong bảng, bằng không, chỉ đượ c sử dụng để mã hóa khác biệt ở chế độ phân cấ p hoạt động. Một khi tất cả các mẫu đượ c dự đoán, sự khác biệt giữa các mẫu có thể đượ c lấy và entropy-mã hóa trong một thờ i trang không giảm chất lượ ng bằng cách sử dụng mã hóa Huffman hoặc mã số học .
Thuật toán LoCo-I 17
Cốt lõi của LS-JPEG dựa trên các thuật toán LoCo-I.Trong thuật toán LoCo-I, cạnh đượ c phát hiện ban đầu của các cạnh theo chiều ngang hoặc chiều dọc bằng cách kiểm tra các điểm ảnh lân cận của điểm ảnh X hiện thời như trong hình 3.Các điể m ảnh có nhãn B đượ c sử dụng trong trườ ng hợ p của cạnh thẳng đứng trong khi điểm có nhãn A sử dụng trong trưở ng hợ p cạnh của cạnh nằm ngang.Điều dự đoán đơn giản này đượ c gọi là phát hiện cạnh trung vị(Median Edge Dectection-MED) hay dự đoán LoCoI(LoCo-I predictor)
Điểm ảnh X đượ c dự đoán bằng LoCo-I predictor theo tiêu chí sau đây:
Ba dự đoán đơn giản đượ c chọn theo các điề u kiện:(1) nó có khuynh hướ ng nhận B trong trườ ng hợ p tồn tại cạnh dọc trái của X,(2) A trong trườ ng hợ p cạnh nằm ngang ở phía trên, hoặc (3) A+B-C nếu không có cạnh nào đượ c phát hiện.
3.JPEG 2000 Như đã trình bày, kỹ thuật nén JPEG sẽ làm mất thông tin lúc giải nén, càng nén với hệ số cao thì thông tin càng mất nhiều khi bung. Vì vậy để giải quyết vấn đề này, tháng 12/1999 một bản phác thảo tiêu chuẩn nén hình ảnh theo công nghệ mới JPEG2000. Tháng 8/2000, bản phác thảo về tiêu chuẩn JPEG2000 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 JPEG2000 kỹ thuật xử lý hình ảnh sẽ đạt được những kết quả rất ngoạn mục vì có thể nén nhỏ từ 100 -200 lần mà hình ảnh không sai sót bao nhiêu so với hình ảnh gốc. Nhưng đâu là điểm khác biệt để kỹ thuật JPEG2000 vượt trội hơn hẳn so với JPEG? JPEG2000 là hệ thống mã hóa hình ảnh mà kỹ thuật nén dựa trên kỹ thuật sóng ngắn. Là một tiện ích toán học cho phép mô tả bằng một công thức đơn giản những gì xảy ra tại một thời điểm chính xác của tín hiệu. Với một chuỗi sóng ngắn, chỉ cần biểu diễn bằng vài công thức, đường biểu diễn không đều mà không cần phải mô tả đặc tính của từng điểm một. Và lẽ dĩ nhiên sẽ rất đắc lực khi phân tích tỉ mỉ một file ảnh kỹ thuật số. Thuật toán trong kỹ thuật JPEG2000 là chọn một số nhỏ các sóng ngắn, các sóng này được lập lại ở những nơi khác nhau, tỷ lệ khác nhau đã mô tả chính xác tín hiệu của hình 18
ảnh. File ảnh nén không chứa nhiều hơn số lượng chỉ vị trí và giãn nở của từng sóng ngắn. Và kỹ thuật mã hóa theo từng khối, theo từng khu vực ưu tiên của hình ảnh (ROI Regional Of Interest) được áp dụng cũng là một tiến bộ đáng kể trong thuật toán mã hóa JPEG2000.
Các điểm chú ý trong JPEG2000 3.1-Sự thay đổi các thành phần màu Ban đầu hình ảnh phải được chuyển đổi từ không gian màu RGB sang không gian màu khác, dẫn đến sự tách biệt của 3 thành phần màu này.Có 2 sự lựa chọn: a.Không thể đảo màu( Irreversible Color Transform - ICT): sử dụng không gian màu YC B C R 19
b.Có thể đảo màu(Reversible Color Transform-RCT):sử dụng không gian màu YUV đã sửa đổi mà không thực hiện các lỗi lượ ng tử cho nên nó có thể đảo màu. Thực hiện đúng các yêu cầu RCT tức là số được làm tròn theo quy đị nh mà không thể đượ c thể hiện chính xác dướ i dạng ma tr ận. Quá trình chuyển đổi là:
3.2-Lát(Tiling) Sauk hi chuyển đổi màu sắc,bức ảnh đượ c phân chia-gọi là các lát,các vùng vuông của ảnh đó đượ c chuyển đổi và mã hóa riêng bi ệt nhau.Lát có nhiều kích cỡ , và nó có thể coi các lát của ảnh như 1 lát duy nhất.Khi kích thước đượ c chọn, tất cả các lát sẽ có cùng kích thướ c(ngoại tr ừ những lát bên phải và phía dưới đườ ng bao).Việc chia hình ảnh thành nhìu lát là có l ợ i,các bộ giải mã cần ít bộ nhở hơn để giải mã bức ảnh và nó có thể lựa chọn chỉ giải mã lát đượ c chọn để giải mã 1 phần của bức ảnh.Bất lợ i của phương pháp này là chất lượ ng hình ảnh giảm thấp hơn tín hiệ u tốt nhất đến tỷ số truyền( peak signal to noise ratio). S ử dụng nhiều lát có thể tạo khối ảnh hưở ng giống chuẩn JPEG 1992.
3.3-Hàm biến thiên chuyển đổi(Wavelet Trasform) Những lát này sau đó được biến đổi đến độ sâu tùy ý,trái với JPEG 1992-sử dụng biến đổi cosin vùng ảnh kích thước 8x8 :JPEG 2000 sử dụng 2 biến đổi wavelet 1.Không thể đảo ngược: nó được gọi là không thể đảo bởi nó sử dụng kĩ thuật lượng tử hóa phụ thuộc vào độ chính xác của bộ giải mã.
2.Đảo ngươc:Nó chỉ sử dụng hệ số nguyên,cho nên đầu ra không yêu cầu làm tròn số(lượng tử) và vì vậy nó không thực hiện bất kì sai số lượng tử nào.Nó được sử dụng trong mã hóa không mất mát thông tin.
20
3.4-Lượ ng tử hóa(Quantization ) Sau khi biến đổi wavelet transform,các hệ số là vô hướ ng-đã được lượ ng tử hóa để giảm số lượ ng các bit ,tại các điểm tổn hao của mất mát lượ ng tử.Đầu ra là 1 tậ p hợ p các số nguyên phải đượ c mã hóa bit-by-bit.Các tham số có thể được thay đổi để đạt chất lượ ng cuối cùng là bước lượ ng tử hóa:các bướ c quan tr ọng hơn là bướ c nén và sự mất mát thông tin lượ ng tử.Với 1 bước lượ ng tử bằng 1,không có quá trình lượ ng tử nào đượ c thực hiện(nó đượ c gọi là nén không mất mát)
3.5-Siêu dữ liệu(Metadata) Đối với JPEG truyền thống, bổ sung các siêu dữ liệu: lưu trữ các thông tin về bức ảnh( kích cỡ,độ sâu màu,độ phân giải, ngày tạo bức ảnh…) 3.6- Motion JPEG 2000 Motion JPEG quy định việc sử dụng định dạng JPEG 2000 cho các trình tự tính thời gian của hình ảnh (tự động), có thể kết hợp với âm thanh, và tạo ra cách trình bày tổng thể. Tên file mở rộng cho các tệp video Motion JPEG 2000 là .mj2 .mjp2 Motion JPEG 2000 (thường được biết đến như MJ2 hoặc MJP2) cũng đang được xem xét như là một định dạng lưu trữ kỹ thuật số của Library of Congress. Nó là một tiêu chuẩn quốc tế mở và cập nhật những thuận lợi cho MJPEG (hoặc MJ), được dựa trên những thành tựu của định dạng JPEG. Không giống như các định dạng video phổ biến, chẳng hạn như MPEG-4 Part 2, WMV, và H.264 thì MJ2 không sử dụng các khung nội suy (inter frame). Thay vào đó, mỗi frame là một thực thể độc lập được mã hóa bởi một biến thể hoặc mất dữ liệu hay không giảm chất lượng của JPEG 2000. Nó là 1 cấu trúc vật lý không phụ thuộc vào time ordering,nhưng nó sử dung những profile riêng biệt để bổ sung dữ liệu. Đối với âm thanh, nó hỗ trợ LPCM mã hóa, cũng như biến thể khác của MPEG-4 , như là dữ liệu thô "hoặc bổ sung dữ liệu". 3.7-JPEG2000 Security – JPSEC Vấn đề an ninh,bản quyền trong sao chép,truyền thông ảnh được xử lý trong JPSEC:Mật mã,nguồn chứng thực,toàn vẹn dữ liệu,điều kiện truy cập,bảo vệ quyền sở hữu 3.8-JPEG2000 Wireless-JPWL Cải tiến JPEG2000 cho phù hợp với các ứng dụng đa phương tiện không dây. 3.9-JPXML 21
Hình ảnh được nhúng vào XML sử dụng ngôn ngữ đánh dấu (Geography Markup Language-GML) 3.10-JP3D Đây là phần mở rộng cho hình ảnh không gian 3 chiều(thể tích hình ảnh)
4. JPEGSearch Ngày nay, nhiều định dạng siêu dữ liệu khác nhau tồn tại để mô tả hình ảnh nhưng vẫn còn nhiều vấn đề trong khả năng tương tác.Trong bối cảnh đó,trọng tâm chính của JPEGSearch là cung cấp một khả năng tương tác tốt hơn trong tìm kiếm hình ảnh. Phiên bản hiện tại của dự án JPSearch được chia thành 5 phần chính. Phần 1 đã được đã được hoàn thành: Nó mô tả cấu trúc tổng thể của JPSearch, một tập hợp lớn các trường hợp và phác thảo một kho phục hồi hình ảnh và các thành phần của nó. Phần 2: Đăng ký, nhận dạng, và quản lý các siêu dữ liệu lược đồ(Registration, Identification, and Management of Metadata Schema): cố gắng vượt qua những rắc rối trong mô hình siêu dữ liệu. Phần 3:Định dạng Truy vấn JPSearch(JPSearch Query Format): cung cấp một giao 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 một hình ảnh với chất lượng tương đương. 2.Nén không mất mát 22
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 tr ợ 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 Compressor
Ảnh gốc ( dung lượng19KB)
23
Ảnh nén tỉ lệ 1:10(13Kb) (Ảnh hầu như không khác ảnh gốc)
Ảnh nén tỉ lệ 1:30(4.84Kb) (Chất lượng ảnh hơi kém so với ảnh gốc)
24
Ảnh nén tỉ lệ 1:50(2.97Kb) (Chất lượng ảnh sai khác đáng kể so với ảnh gốc)
Ảnh nén tỉ lệ 1:80(1.86Kb) (Lượng thông tin mất mát khá lớn)
25
Ảnh nén tỉ lệ 1:150(0.99Kb) (Chất lượng ảnh vô cùng xấu)
Ảnh nén tỉ lệ 1:200(0.84Kb) (Gần như không thể xác định chủ thể bức ảnh)
26
So sánh với các định dạng ảnh khác sử dụng phần mềm ReaCompressor
Ảnh JPG(6.1Kb)
Ảnh GIF(36Kb)
27
Ảnh PNG(81Kb)
Ảnh TIF(5Kb)
28
C. K ẾT LUẬN: Công nghệ nén ảnh JPEG là một phương pháp nén ả nh vô cùng hiệu quả. Trong sự phát triển của công nghệ thông tin và Internet thì JPEG là một công cụ r ất hữu hiệu trong việc truyền thông tin và lưu trữ thông tin. Trong quá trình phát tri ển, JPEG ngày càng đượ c cải tiến để khắc phục những nhược điểm của mình để tr ở thành định dạng ảnh phổ biến nhất trên thế giớ i. Tuy nhiên, vì JPEG là chu ẩn không bảo toàn bở i thông tin về ảnh sẽ bị thay đổi khi nó bị mã hóa nhiều lần. Vì vậy mà các chuyên gia trên thế giới đã bắt đầu nghiên cứu các định dạng ảnh thừa k ế những ưu điểm của JPEG mà hạn chế đượ c sự mất mát thông tin. Có th ẻ k ể đến định dạng Webp do google phát triển. Và chúng ta cùng chờ đợ i nhiều định dạng ảnh khác hiệu quả hơn ra đời trong tương lai gầ n
29