BÁO CÁO "TÌM HIỀU THÔNG TIN VỀ BIỂU DIỄN ẢNH" doc

Hiện nay nó đang là một trong những lĩnh vực được quan tâm và đã trở thành môn học chuyên ngành của sinh viên hệ kỹ sư, cử nhân ngành Công nghệ thông tin Với đề tài “Tìm hiểu thông tin v

BÁO CÁO TỐT NGHIỆP

BÁO CÁO

"TÌM HIỀU THÔNG TIN

VỀ BIỂU DIỄN ẢNH"

Mục Lục:

BÁO CÁO TỐT NGHIỆP 1

BÁO CÁO 1

"TÌM HIỀU THÔNG TIN VỀ BIỂU DIỄN ẢNH" 1

Mục Lục: 2

LỜI NÓI ĐẦU 4

Sinh viên thưc hiện 5

Giáo viên hướng dẫn 5

PHẦN I : MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 6

1.1 Khái Niệm về ảnh 6

1.2 Pixel (Picture Element): phần tử ảnh 6

1.3 Gray level: Mức xám 6

PHẦN II : CÁC ĐỊNH DẠNG ẢNH CƠ BẢN 7

2.1 Khái niệm chung 7

2.1.1 Mào đầu tệp(Header): .8

2.1.2 Dữ liệu ảnh(Data Image): 8

2.1.3 Bảng màu(Palette Color): .8

2.1.4 Quy trình đọc một tệp ảnh 8

2.2 Định dạng ảnh IMG 8

2.3 Định dạng ảnh PCX .9

2.4 Định dạng ảnh BMP(Bitmap) 11

2.4.1 Data of Image 11

2.4.2 Color Palette (Bảng màu) 12

2.4.3 Header 13

Windows 3 Bitmap Header 13

2.5 Định dạng ảnh GIF(Graphics Interchanger Format) 14

2.6 Định dạng ảnh JPEG (Joint Photographic Experts Group) 17

2.7 Định dạng ảnh PNG 18

2.7.3 Thành phần cơ bản 19

PHẦN III : PHÂN LOẠI ẢNH 20

3.1 Định nghĩa ảnh số (Digital Image) 20

3.2 Ảnh nhị phân, ảnh đa mức xám 20

3.2.1 Ảnh nhị phân 20

3.2.2 Ảnh đa mức xám 21

3.3 Ảnh màu 21

3.4 Các loại ảnh khác 22

3.4.1 Raster Image 22

3.4.2 Vector Image 22

PHẦN IV : CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG CHUYỂN ĐỔI ẢNH MÀU  ẢNH ĐA MỨC XÁM HOẶC ẢNH NHỊ PHÂN 23

4.1 Xác định vào – ra 23

4.2 Thiết kế form 24

4.3 Thiết kế các modul 25

4.4 Thuật toán 25

4.4.1 Thuật toán chuyển đổi từ file ảnh màu  ảnh đa mức xám 25

4.4.2 Thuật toán chuyển đổi từ file ảnh màu(Đa mức xám) ảnh nhị phân 27

4.5 Xây dựng chương trình 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

LỜI NÓI ĐẦU

Khoảng hơn mười năm trở lại đây, phần cứng máy tính và các thiết bị liên quan đã

có sự tiến bộ vượt bậc về tốc độ tính toán, dung lượng chứa, khả năng xử lý v.v và giá

cả đã giảm đến mức máy tính và các thiết bị liên quan đến xử lý ảnh đã không còn là thiết

bị chuyên dụng nữa Khái niệm ảnh số đã trở nên thông dụng với hầu hết mọi người trong

xã hội và việc thu nhận ảnh số bằng các thiết bị cá nhân hay chuyên dụng cùng với việcđưa vào máy tính xử lý đã trở nên đơn giản

Xử lý ảnh là một ngành khoa học còn tương đối mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác Hiện nay nó đang là một trong những lĩnh vực được quan tâm và đã trở thành môn học chuyên ngành của sinh viên hệ kỹ sư, cử nhân ngành Công nghệ thông tin

Với đề tài “Tìm hiểu thông tin về biểu diễn ảnh”, sau một thời gian nghiên cứu về đề tài này, em đề cập đến một số vấn đề về biểu diễn, các loại file ảnh, thông tin định dạng một số loại file ảnh thông dụng Tài liệu báo cáo gồm 4 chương:

Chương I: Một số khái niệm cơ bản

Chương II: Các định dạng ảnh thông dụng

Chương III: Phân loại ảnh

Chương IV: Chương trình ứng dụng chuyển dổi ảnh màu  Ảnh đa mức xám hoặc ảnh nhị

Mặc dù rất cố gắng nhưng do đây là lần đầu tiên em đi sâu vào nghiên cứu đề tài này nên tài liệu chắc chắn không tránh khỏi những sai sót Vì vậy em rất mong nhận được

sự đóng góp ý kiến của thầy và các bạn để nhóm hoàn thiện hơn nữa về để tài này tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

ĐÁNH GIÁ VÀ CHO ĐIỂM

Hải Phòng, Ngày Tháng Năm 2010

Sinh viên thưc hiện

Phạm Văn Hải

Giáo viên hướng dẫn

Nguyễn Ngọc Khương

PHẦN I : MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN.

- Có nhiều file ảnh với cấu trúc khác nhau, ví dụ như file ảnh bmp, jpeg, jpg, gif, png…

1.2 Pixel (Picture Element): phần tử ảnh

- Ảnh trong thực tế là một ảnh liên tục về không gian và về giá trị độ sáng Để có thể

xử lý ảnh bằng máy tính cần thiết phải tiến hành số hoá ảnh Trong quá trình số hoá , người ta biến đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc thông qua quá trình lấy mẫu (rời rạc hóa về không gian) và lượng hoá thành phần giá trị mà thể về nguyên tắc bằng mắt thường không phân biệt được hai điểm kề nhau Trong quá trình này, người ta sử dụng khái niệm Picture element mà ta quen gọi hay viết là Pixel - phần tử ảnh ở đây cũng cần phân biệt khái niệm pixel hay đề cập đến trong các hệ thống đồ hoạ máy tính Để tránh nhầm lẫn ta tạm gọi khái niệm pixel này là pixel thiết bị Khái niệm pixel thiết bị có thể xem xét như sau: khi ta quan sát màn hình (trong chế độ đồ hoạ), màn hình không liên tục

mà gồm nhiều điểm nhỏ, gọi là pixel Mỗi pixel gồm một cặp toạ độ x, y và màu

- Cặp toạ độ x, y tạo nên độ phân giải (resolution) Như màn hình máy tính có nhiều loại với độ phân giải khác nhau: màn hình CGA có độ phân giải là 320 x 200; màn hình VGA là 640 x 350,

- Như vậy, một ảnh là một tập hợp các điểm ảnh Khi được số hoá, nó thường được biểu diễn bởi bảng hai chiều I(n,p): n dòng và p cột Ta nói ảnh gồm n x p pixels Người

ta thường kí hiệu I(x,y) để chỉ một pixel Thường giá trị của n chọn bằng p và bằng 256 Một pixel có thể lưu trữ trên 1, 4, 8 hay 24 bit

1.3 Gray level: Mức xám

- Mức xám là kết quả sự mã hoá tương ứng một cường độ sáng của mỗi điểm ảnh với một giá trị số - kết quả của quá trình lượng hoá Cách mã hoá kinh điển thường dùng

16, 32 hay 64 mức Mã hoá 256 mức là phổ dụng nhất do lý do kỹ thuật Vì 28 = 256 (0,

1, , 255), nên với 256 mức, mỗi pixel sẽ được mã hoá bởi 8 bit

1.4 Biểu diễn ảnh

- Trong biểu diễn ảnh, người ta thường dùng các phần tử đặc trưng của ảnh là pixel Nhìn chung có thể xem một hàm hai biến chứa các thông tin như biểu diễn của một ảnh Các mô hình biểu diễn ảnh cho ta một mô tả lô gic hay định lượng các tính chất của hàm này Trong biểu diễn ảnh cần chú ý đến tính trung thực của ảnh hoặc các tiêu chuẩn

“thông minh” để đo chất lượng ảnh hoặc tính hiệu quả của các kỹ thuật xử lý

- Việc xử lý ảnh số yêu cầu ảnh phải được mẫu hoá và lượng tử hoá Thí dụ một ảnh

ma trận 512 dòng gồm khoảng 512 x 512 pixel Việc lượng tử hoá ảnh là chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (Analog Digital Convert) của một ảnh để lấy mẫu sang một

số hữu hạn mức xám

- Một số mô hình thường được dùng trong biểu diễn ảnh: Mô hình toán, mô hình thống kê Trong mô hình toán, ảnh hai chiều được biểu diễn nhờ các hàm hai biến trực giao gọi là các hàm cơ sở Với mô hình thống kê, một ảnh được coi như một phần tử của một tập hợp đặc trưng bởi các đại lượng như: kỳ vọng toán học, hiệp biến, phương sai, moment…

PHẦN II : CÁC ĐỊNH DẠNG ẢNH CƠ BẢN

2.1 Khái niệm chung

- Ảnh thu được sau quá trình số hóa thường được lưu lại cho các quá trình xử lý tiếp theo hay truyền đi Trong quá trình phát triển của kỹ thuật xử lý ảnh, tồn tại nhiều định dạng ảnh khác nhau từ ảnh đen trắng (với định dạng IMG), ảnh đa cấp xám cho đến ảnh màu: (BMP, GIF, JPEG…) Tuy các định dạng này khác nhau, song chúng đều tuân theo một cấu trúc chung nhất Nhìn chung, một tệp ảnh bất kỳ thường bao gồm 3 phần:

+ Mào đầu tệp (Header) + Dữ liệu nén (Data Image) + Bảng màu (Palette Color)

2.1.1 Mào đầu tệp(Header):

- Mào đầu tệp là phần chứa các thông tin về kiểu ảnh, kích thước, độ phân giải, số bit dùng cho 1 pixel, cách mã hóa, vị trí bảng màu…

2.1.2 Dữ liệu ảnh(Data Image):

- Đây là phần dữ liệu của ảnh mà ta thấy đc

khiển, ta xác định đựợc vị trí bảng màu và đọc nó vào bộ nhớ Cuối cùng, ta đọc phần dữ liệu nén

- Sau khi đọc xong các khối dữ liệu ảnh vào bộ nhớ ta tiến hành nén dữ liệu ảnh Căn cứ vào phương pháp nén chỉ ra trong phần Header ta giải mã được ảnh.Cuối cùng là khâu hiện ảnh Dựa vào số liệu ảnh đã giải nén, vị trí và kích thước ảnh, cùng sự trợ giúp của bảng màu ảnh được hiện lên trên màn hình

+ 2 bytes tiếp theo: chứa độ dài mẫu tin Đó là độ dài của dãy các bytes kề liền nhau mà dãy này sẽ đợc lặp lại một số lần nào đó Số lần lặp này sẽ đợc lu trong byte

đếm Nhiều dãy giống nhau đợc lu trong một byte

+ 4 bytes tiếp: mô tả kích cỡ pixel

+ 2 bytes tiếp : số pixel trên một dòng ảnh

+ 2 bytes cuối: số dòng ảnh trong ảnh

- Ảnh IMG đợc nén theo từng dòng Mỗi dòng bao gồm các gói(pack) Các dòng giống nhau cũng đợc nén thành một gói Có 4 loại gói sau:

- Loại 1: Gói các dòng giống nhau

Quy cách gói tin này nh sau: 0x00 0x00 0xFF Count Ba byte đầu cho biết

số các dãy giống nhau; byte cuối cho biết số các dòng giống nhau

- Loại 2: Gói các dãy giống nhau

Quy cách gói tin này nh sau: 0x00 Count Byte thứ hai cho biết số các dãy giống nhau đợc nén trong gói Độ dài của dãy ghi ở đầu tệp

- Loại 3: Dãy các pixel không giống nhau, không lặp lại và không nén đợc.

Qui cách nh sau: 0x80 Count Byte thứ hai cho biết độ dài dãy các pixel không giống nhau không nén đợc

- Loại 4: Dãy các pixel giống nhau

Tuỳ theo các bit cao của byte đầu đợc bật hay tắt Nếu bit cao đợc bật (giá trị 1) thì đây là gói nén các bytes chỉ gồm bit 0, số các byte đợc nén đợc tính bởi 7 bit thấp còn lại Nếu bit cao tắt (giá trị 0) thì đây là gói nén các byte gồm toàn bit 1 Số các byte đợc nén đợc tính bởi 7 bit thấp còn lại

- Các gói tin của file IMG phong phú nh vậy là do ảnh IMG là ảnh đen trắng, do vậy chỉ cần 1 bit cho 1 pixel thay vì 4 hoặc 8 nh đã nói ở trên Toàn bộ ảnh chỉ có những

điểm sáng và tối tơng ứng với giá trị 1 hoặc giá trị 0 Tỷ lệ nén của kiểu định dạng này là khá cao

2.3 Định dạng ảnh PCX

- Định dạng ảnh PCX là một trong những định dạng ảnh cổ điển nhất Nó sử dụng phơng pháp mã loạt dài RLE (Run-Length-Encoded) để nén dữ liệu ảnh Quá trình nén và giải nén đợc thực hiện trên từng dòng ảnh Thực tế, phơng pháp giải nén PCX kém hiệu

quả hơn so với kiểu IMG Tệp PCX gồm 3 phần: đầu tệp (header), dữ liệuảnh (image data) và bảng màu mở rộng(xem hình 2.10).

Header của tệp PCX có kích thớc cố định gồm 128 byte và đợc phân bố nh sau:

+ 1 byte : chỉ ra kiểu định dạng Nếu là kiểu PCX/PCC nó luôn có giá trị là 0Ah + 1 byte: chỉ ra version sử dụng để nén ảnh, có thể có các giá trị sau:

- 0: version 2.5

- 2: version 2.8 với bảng màu

- 3: version 2.8 hay 3.0 không có bảng màu

- 5: version 3.0 có bảng màu

+ 1 byte: chỉ ra phơng pháp mã hoá Nếu là 0 thì mã hoá theo phơng pháp BYTE PACKED, nếu không là phơng pháp RLE

+ 1 byte: số bit cho một điểm ảnh plane

+ 1 word: toạ độ góc trái trên của ảnh Với kiểu PCX nó có giá trị là (0,0); còn PCC thì khác (0,0)

+ 1 word: toạ độ góc phải dới

+ 1 word: kích thớc bề rộng và bề cao ảnh

+ 1 word: số điểm ảnh

+ 1 word: độ phân giải màn hình

+ 1 word

+ 48 byte: chia thành 16 nhóm, mỗi nhóm 3 byte Mỗi nhóm này chứa thông tin

về một thanh ghi màu Nh vậy ta có 16 thanh ghi màu

+ 1 byte: không dùng đến và luôn đặt là 0

+1 byte: số bit plane mà ảnh sử dụng Với ảnh 16 màu, giá trị này là 4, với ảnh

256 màu (1 pixel/8 bit) thì số bit plane lại là 1

+ 1 byte: số bytes cho một dòng quét ảnh

+ 1 word: kiểu bảng màu

+ 58 byte: không dùng

- Tóm lại, định dạng ảnh PCX thờng đợc dùng để lu trữ ảnh vì thao tác đơn giản, cho phép nén và giải nén nhanh Tuy nhiên vì cấu trúc của nó cố định, nên trong một số trờng hợp nó làm tăng kích thớc lu trữ Và cũng vì nhợc điểm này mà một số ứng dụng lại

sử dụng một kiểu định dạng khác mềm dẻo hơn: định dạng TIFF (Targed Image File Format) sẽ mô tả dới đây.

2.4 Định dạng ảnh BMP(Bitmap)

- Trong đồ họa mỏy vi tớnh, BMP, cũn được biết đến với tờn tiếng Anh khỏc là

Windows bitmap, là một định dạng tập tin hỡnh ảnh khỏ phổ biến Cỏc tập tin đồ họa lưu

dưới dạng BMP thường cú đuụi là BMP hoặc DIB (Device Independent Bitmap).

Nếu ta hình dung trong một tệp ảnh xếp liên tiếp các byte từ đầu đến cuối và dồn chúng vào trong một hộp chữ nhật, thì có thể hình dung tệp ảnh BMP nh hình vẽ sau:

• Mỗi điểm ảnh chiếm 1 byte, chỉ số hiệu màu của điểm ảnh này

• Số hiệu màu của các điểm ảnh: 0, 1, , 255

• Màu của điểm ảnh đợc mô tả trong bảng màu Giả sử byte mô tả điểm

ảnh có giá trị là b và bảng màu đợc chứa trong mảng P, thì thành phần các màu của điểm ảnh này là P[b].R, P[b].G, P[b].B Chẳng hạn, một điểm ảnh có số hiệu màu 20, các thành phần của màu 20 là

P[20].R, P[20].G, P[20].B

- Ảnh 16 màu:

• Bảng màu có 16 màu, đợc đánh số từ 0 đến 15

• Mỗi điểm ảnh đợc mô tả bởi một con số, có giá trị từ 0 đến 15 Do vậy, giá trị mỗi điểm ảnh chỉ cần 4 bit để mô tả

• Hai điểm ảnh đợc chứa trong một byte: điểm ảnh đứng trớc (bên trái)

đợc chứa trong 4 bit cao, điểm ảnh đứng sau (bên phải) đ ợc chứa trong 4 bit thấp

• Ví dụ, byte b = 217 (11011001) chứa dữ liệu của hai điểm ảnh có giá trị lần lợt là 13 và 9

điểm ảnh có giá trị lần lợt là 1, 1, 0,1, 1, 0, 0 và 1

2.4.2 Color Palette (Bảng màu)

- Ảnh 24bit:Tệp ảnh khụng cú bảng màu.

- Ảnh 256,16 và 2 màu:

• Bảng màu chiếm 256*4=1024, 16*4=64, 2*4=8 byte

• Mỗi màu đợc mô tả bởi 4 byte, thể hiện 4 thành phần màu: BLUE, GREEN, RED và DARKGRAY

• Với hầu hết các tệp ảnh BMP, thành phần DARKGRAY bằng 0

• Giá trị của các thành phần BLUE, GREEN và RED đợc lu trữ ở 6 bit cao

Blue Green Red Darkgray

Blue Green Red Darkgray

Blue Green Red Darkgray

Windows 3 Bitmap Header

4 Image width in pixels

4 Image height in pixels

2 Number of iImage planes, must be 1

4 Size in byte of compressed image, or 0

4 Horizontal resolution, in pixels/meter

4 Vertical resolution, in pixels/meter

4 Number of colors used

4 Number of “important” colors

4*n Colors palette

2.5 Định dạng ảnh GIF(G raphics I nterchanger F ormat)

- Cách lu trữ kiểu PCX có lợi về không gian lu trữ: với ảnh đen trắng kích thớc tệp có thể nhỏ hơn bản gốc từ 5 đến7 lần Với ảnh 16 màu, kích thớc ảnh nhỏ hơn ảnh gốc 2-3 lần, có trờng hợp có thể xấp xỉ ảnh gốc Tuy nhiên, với ảnh 256 màu thì nó bộc lộ

rõ khả năng nén rất kém Điều này có thể lý giải nh sau: khi số màu tăng lên, các loạt dài xuất hiện ít hơn và vì thế, lu trữ theo kiểu PCX không còn lợi nữa Hơn nữa, nếu ta muốn

lu trữ nhiều đối tợng trên một tệp ảnh nh kiểu định dạng TIFF, đòi hỏi có một định dạng khác thích hợp

- Định dạng ảnh GIF do hãng ComputServer Incorporated (Mỹ) đề xuất lần đầu tiên vào năm 1990 Với địng dạng GIF, những vớng mắc mà các định dạng khác gặp phải khi số màu trong ảnh tăng lên không còn nữa Khi số màu càng tăng thì u thế của định dạng GIF càng nổi trội Những u thế này có đợc là do GIF tiếp cận các thuật toán nén LZW(Lempel-Ziv-Welch) Bản chất của kỹ thuật nén LZW là dựa vào sự lặp lại của một nhóm điểm chứ không phải loạt dài giống nhau Do vậy, dữ liệu càng lớn thì sự lặp lại càng nhiều.(Dạng ảnh GIF cho chất lợng cao, độ phân giải đồ hoạ cũng đạt cao, cho phép hiển thị trên hầu hết các phần cứng đồ hoạ

Định dạng tổng quát của ảnh GIF nh sau:

• Chữ ký của ảnh GIF note

• Bộ mô tả hiển thị GIF Header (7 byte)

• Bản đồ màu tổng thể Global Palette

• Mô tả một đối tợng của ảnh Header Image (10 byte)

- Dấu phân cách Palete of Imge 1(nếu có)

- Bộ mô tả ảnh Data of Image 1

- Bản đồ màu cục bộ ' ,' ký tự liên kết

- Dữ liệu ảnh Phần mô tả này lặp n lần nếu ảnh chứa n đối tợng ';' GIF terminator

• Phần đầu cuối ảnh GIF(terminator)

- Chứ ký của ảnh GIF có giá trị là GIF87a Nó gồm 6 ký tự, 3 kí tự đầu chỉ ra kiểu

định dạng, 3 ký tự sau chỉ ra version của ảnh

- Bộ hình hiển thị: chứa mô tả các thông số cho toàn bộ ảnh GIF:

+ Độ rộng hình raster theo pixel: 2 byte;

+ Độ cao hình raster theo pixel: 2 byte;

+ Các thông tin về bản đồ màu, hình hiển thị,

+ Thông tin màu nền: 1 byte;

+ Phần cha dùng: 1 byte

- Bản đồ màu tổng thể: mô tả bộ màu tối u đòi hỏi khi bit M = 1 Khi bộ màu tổng thể đợc thể hiện, nó sẽ xác lập ngay bộ mô tả hình hiển thị Số lợng thực thể bản đồ màu lấy theo bộ mô tả hình hiển thị ở trên và bằng 2 m, với m là lợng bit trên một pixel khi mỗi thực thể chứa đựng 3 byte (biểu diễn cờng độ màu của ba màu cơ bản Red-Green-Blue) Cấu trúc của khối này nh sau:

Bộ mô tả ảnh gồm 10 byte và có cấu trúc nh sau:

Bit Thứ thự

byte

Mô tả

Màu Red 1 Giá trị màu đỏ theo index 0

Màu Green 2 Giá trị màu xanh lục theo index 0

Màu Blue 3 Giá trị màu xanh lơ theo index 0

Màu Red 4 Giá trị màu đỏ theo index 1

Màu Green 5 Giá trị màu xanh lục theo index1

Màu Blue 6 Giá trị màu xanh lơ theo index 0