Nén ảnh sử dụng biến đổi Wavelet và ứng dụng trong các dịch vụ dữ liệu đa phương tiện di động

Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006

Đỗ Ngọc Anh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

--------WX--------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NÉN ẢNH SỬ DỤNG BIẾN ĐỔI WAVELET VÀ

ỨNG DỤNG TRONG CÁC DỊCH VỤ DỮ LIỆU ĐA

PHƯƠNG TIỆN DI ĐỘNG

NGHÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỖ NGỌC ANH

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Đức Thuận

HÀ NỘI 2006

Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006

Đỗ Ngọc Anh

MỤC LỤC

CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN ..............................5

THUẬT NGỮ TIẾNG ANH ......................................................................7

LỜI GIỚI THIỆU .......................................................................................8

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU..............................................................................9

1.1. Cơ sở nghiên cứu và mục đích của luận văn ...................................9

1.2. Tổ chức luận văn............................................................................10

CHƯƠNG 2:TỔNG QUAN CÁC KỸ THUẬT NÉN TRONG MÃ HOÁ

ẢNH..........................................................................................................11

2.1. Giới thiệu chung về nén ảnh số .....................................................11

2.2. Phân loại các kỹ thuật nén .............................................................13

2.2.1. Nén tổn hao và không tổn hao ................................................13

2.2.2. Mã hoá dự đoán và mã hoá dựa trên phép biến đổi................13

2.2.3. Mã hoá băng con.....................................................................14

2.3. Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng mã hoá ảnh .................................14

2.4.Các kỹ thuật nén có tổn hao............................................................15

2.4.1. Kỹ thuật mã hoá băng con ......................................................15

2.4.2. Kỹ thuật mã hoá dựa trên phép biến đổi.................................19

2.4.2.1. Kỹ thuật mã hoá dựa trên phép biến đổi DCT.................19

2.4.2.2. Kỹ thuật mã hoá dựa trên phép biến đổi DWT ...............25

CHƯƠNG 3:CƠ SỞ LÝ THUYẾT BIẾN ĐỔI WAVELET...................30

3.1. Cơ sở toán học ...............................................................................30

3.1.1. Biến đổi Wavelet liên tục........................................................30

3.1.2. Biến đổi Wavelet rời rạc .........................................................32

3.2. Tính chất của biến đổi Wavelet......................................................33

3.3. Giới thiệu một số họ Wavelet ........................................................37

3.3.1. Biến đổi Wavelet Haar ............................................................37

3.3.2. Biến đổi Wavelet Meyer .........................................................38

Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006

Đỗ Ngọc Anh

3.3.3. Biến đổi Wavelet Daubechies .................................................38

3.4. Một số ứng dụng nổi bật của Wavelet ...........................................39

3.4.1. Nén tín hiệu.............................................................................39

3.4.2. Khử nhiễu ...............................................................................40

3.4.3. Mã hoá nguồn và mã hoá kênh...............................................40

CHƯƠNG 4:CHUẨN NÉN ẢNH TĨNH DỰA TRÊN BIẾN ĐỔI

WAVELET – JPEG2000..........................................................................41

4.1. Lịch sử ra đời và phát triển chuẩn JPEG2000...............................41

4.2. Các tính năng của JPEG2000........................................................41

4.3. Các bước thực hiện nén ảnh theo chuẩn JPEG2000 .....................42

4.3.1. Xử lý trước biến đổi................................................................42

4.3.2. Biến đổi liên thành phần.........................................................42

4.3.3. Biến đổi riêng thành phần (biến đổi Wavelet) ........................43

4.3.4.Lượng tử hoá - Giải lượng tử hoá............................................44

4.3.5. Mã hoá và kết hợp dòng dữ liệu sau mã hoá ..........................45

4.3.6. Phương pháp mã hoá SPIHT ..................................................45

4.3.7. Phương pháp mã hoá EZW .....................................................47

4.4. So sánh chuẩn JPEG2000 với JPEG và các chuẩn nén ảnh tĩnh

khác .......................................................................................................49

CHƯƠNG 5:ỨNG DỤNG WAVELET TRONG CÁC DỊCH VỤ DỮ

LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG...............54

5.1. Nén ảnh bằng Wavelet ...................................................................54

5.2.1. Sơ đồ khối tổng quát...............................................................54

5.1.2. Biến đổi Wavelet.....................................................................55

5.1.3. Tính toán năng lượng tiêu hao................................................56

5.2. Thuật toán nén ảnh bằng Wavelet hiệu năng - EEW .....................58

5.2.1. Hiệu năng của các kỹ thuật loại bỏ.........................................60

5.3.2. Các kết quả thực nghiệm ........................................................62

5.3.2.1. Ảnh hưởng đến năng lượng tính toán và chất lượng ảnh 62

Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006

Đỗ Ngọc Anh

5.3.2.2. Ảnh hưởng đến năng lượng truyền thông và chất lượng

ảnh.................................................................................................62

5.4. Các tham số nén ảnh bằng Wavelet ...............................................62

5.4.1. Thay đổi mức biến đổi Wavelet..............................................62

5.4.2. Thay đổi các mức lượng tử.....................................................62

5.5. Truyền ảnh trên mạng...................................................................62

5.5.1. Phương pháp lựa chọn tham số động......................................62

5.5.2. Kết quả thực nghiệm...............................................................62

KẾT LUẬN...............................................................................................63

Kết quả đạt được và ứng dụng của luận văn.........................................63

Hướng phát triển nghiên cứu ................................................................63

PHỤ LỤC..................................................................................................65

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................66

Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006

Đỗ Ngọc Anh

CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN

Hình 2.1 Sơ đồ bộ khái quát hệ thống nén ảnh.........................................12

Hình 2.2. Sơ đồ minh hoạ kỹ thuật mã hoá băng con – M băng con .......16

Hình 2.3 Minh hoạ quá trình phân ly băng con cây bát phân...................17

Hình 2.4. Phân ly hai ảnh mẫu thành bốn băng con .................................18

Hình 2.5. Sơ đồ bộ mã hoá theo chuẩn JPEG ..........................................23

Hình 2.6. Sắp xếp Zigzag các hệ số DCT ở bộ mã hoá............................23

Hình 2.7. Sơ đồ khối bộ giải mã theo chuẩn JPEG..................................23

Hình 2.8. Bank lọc khôi phục lý thuyết sử dụng DWT 1D ......................28

Hình 2.9. Minh hoạ DWT hai chiều cho ảnh ............................................28

Hình 2.10(a). Minh hoạ DWT kiểu dyadic mức 3 để nén ảnh..................28

Hình 2.10(b). Minh hoạ DWT kiểu dyadic mức 3 để nén ảnh..................29

Hình 3.1. Minh hoạ lưới nhị tố dyadic với các giá trị của m và n............33

Hình 3.2. Phân tích đa phân giải áp dụng cho biểu diễn tín hiệu .............36

Hình 3.3. Hàm ψ ( )t của biến đổi Haar ....................................................38

Hình 3.4: Hàm ψ (t) của biến đổi Meyer..................................................38

Hình 3.5. Hàm ψ ( )t của họ biến đổi Daubechies n với n=2, 3, 7, 8........39

Hình 4.1: Trình tự mã hoá (a) và giải mã JPEG2000 (b).........................42

Hình 4.2: Minh hoạ ảnh với RGB và YCrCb ...........................................43

Hình 4.3: Phương pháp Lifting 1D dùng tính toán biến đổi Wavelet.......44

Hình 4.4: Minh hoạ cây tứ phân (a) và sự phân mức (b)..........................47

Hình 4.5: Hai cách sắp xếp thứ tự các hệ số biến đổi...............................48

Hình 4.6: So sánh JPEG và JPEG2000....................................................50

Bảng 4.1: So sánh JPEG và JPEG2000 ...................................................51

Hình 4.7: Minh hoạ tính năng ROI...........................................................52

Bảng 4.2: So sánh tính năng của JPEG2000 với các chuẩn nén ảnh tĩnh

khác ...........................................................................................................53

Hình 5.1. Sơ đồ khối quá trình nén ảnh bằng Wavelet .............................54

Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006

Đỗ Ngọc Anh

Hình 5.2. (a) Biến đổi Wavelet 2D mức 3 và (b) Minh hoạ bằng ảnh

“CASTLE” ................................................................................................56

Hình 5.3. Phân bố số học các hệ số thông cao sau phép biến đổi Wavelet

mức 2.........................................................................................................59

Hình 5.4: Dữ liệu sau phép biến đổi Wavelet với hai kỹ thuật loại bỏ HH

và H*.........................................................................................................61