tìm hiểu công nghệ nén ảnh jpeg, chuẩn jpeg và các loại jpeg. thử nghiệm ứng dụng cụ thể.

MỞ ĐẦU.Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính và sự ra đời của Internet thì việc tìmmột phương pháp nén ảnh để giảm bớt không gian lưu trữ thông tin và truyền thông tin trên mạng nh

Trang 1

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

KHMT2 K3 Nhóm 1

Trang 2

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

Trang 3

A MỞ ĐẦU.

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính và sự ra đời của Internet thì việc tìmmột 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 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)

(full-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:

Trang 4

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:

Trang 5

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 phươngpháp 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

Trang 6

b Phương pháp nén ảnh theo chuẩn JPEG

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)

Trang 7

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 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 đổithành 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)

Trang 8

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

Trang 9

Hình ảnh lượng Chất

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

Trang 11

Thấp nhấtchất lượng (Q

= 1)

1,523 144:1

Phần mở rộng mất màu sắc và 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 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 này bạn sẽ sử dụng định dạng GIF (hoặc định dạng PNG để tạo trong suốt)

Trang 12

II CHUẨN JPEG

Joint Photographic Experts Group - tiêu chuẩn công bố và được phát triển

ISO / IEC số Số ITU Cách thức thực hiện

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

liên tục màu sắc của hình ảnh: mở rộng thêm

liên tục màu sắc của hình ảnh: cấu hình đăng kí của JPEG, cấu hình SPIFF, thẻSPIFF, 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 Interchange Format (JFIF)

JPEG-LS Phần 1 1998 ISO / IEC 14495-1 ITU-T Rec T.87 Không tổn thất và gần như

Trang 13

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

Phần 3 2002 ISO / IEC 15444-3 ITU-T Rec T.802 Hệ thống mã hóa hình ảnh

JPEG 2000: Motion JPEG 2000

JPEG 2000: kiểm tra sự phù hợp

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

JPEG 2000: Bảo mật JPEG2000

Trang 14

JPEG 2000: Tương tác công cụ, API và giao thức

Phần 10 2008 ISO / IEC 15444-10ITU-T Rec T.809 Hệ thống mã hóa hình ảnh

JPEG 2000: Phần mở rộng cho dữ liệu ba chiều

JPEG 2000: không dây

Phần 12 2004 ISO / IEC 15444-12 Hệ thống mã hóa hình ảnh

JPEG 2000: căn cứ theo tiêu chuẩn ISO định dạng tập tin truyền thông

JPEG 2000: Một mục nhậpcấp bộ mã hóa JPEG 2000

Phần 14 Kém phát

triển

ISO / IEC 15444-14AWI

Hệ thống mã hóa hình ảnh JPEG 2000: cơ cấu XML đại diện và tham khảo

MRC 1999 ISO / IEC 16485 ITU-T Rec T.44 pha trộn các lớp nội dung

JPSearch Phần 1 2007 ISO / IEC TR

Trang 15

Phần 4 Kém phát

triển

ISO / IEC 24800-4 FCD

JPSearch: định dạng tập tincho các siêu dữ liệu nhúng vào dữ liệu hình ảnh (JPEG và JPEG 2000)

JPSearch:các phần mềm liên quan

JPEG XR Phần 1 Kém phát

triển

ISO / IEC 29199-1 DTR

hệ thống mã hóa hình ảnh JPEG XR: Hệ thống kiến trúc

Phần 2 2009 ISO / IEC 29199-2 ITU-T Rec T.832 hệ thống mã hóa hình ảnh

hệ thống mã hóa hình ảnh JPEG XR:trao đổi qua lại gữa các dạng JPEG XR

JPEG XR: kiểm tra sự phù hợp

JPEG XR: các phần mềm liên quan

triển

ISO / IEC 29170 NP

mã hóa nâng cao và các phương pháp đánh giá

Trang 16

III CÁC LOẠI JPEG

1.JPEG(1992):Là loại JPEG chuẩn đã được nói ở trên.

2.LS-JPEG( Lossness JPEG)

LS-JPEG được phát triển như sự bổ sung muộn màng cho JPEG vào năm 1993,bằng cách

sử dụng 1 kỹ thuật khác nhau từ tiêu chuẩn JPEG cũ.Nó sử dụng 1 hệ thống dự báo được sắp xếp 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 giản gọi là chuyển mã xung vi

sai(Differential Pulse Code Modulation-DPCM) Đây là một mô hình dự đoán các giá trị mẫu từ các mẫu lân cận đã được mã hóa trong hình ảnh Hầu hết các dự đoán lấy trung bình của các mẫu ngay lập tức ở bên trên và bên trái của mẫu mục tiêu.DPCM mã hóa sự khác biệt giữa các mẫu dự đoán thay vì mỗi mẫu mã hóa độc lập.Sự khác biệt từ một trong những mẫu tiếp theo thường là gần bằng không

Các bước chính của chế độ hoạt động không giảm chất lượng được mô tả trong Hình 2

Trong quá trình này, dự báo các kết hợp tối đa ba mẫu lân cận tại A, B, và C được thể hiện trong hình 3 để dự báo giá trị của mẫu tại vị trí dán nhãn của X

Trang 17

Ba mẫu láng giềng phải được đã được dự đoán mẫu Bất kỳ một trong những dự đoán cho thấy trong bảng dưới đây có thể được sử dụng để ước tính mẫu đặt tại Bất kỳ một trong tám dự đoán được liệt kê trong bảng có thể được sử dụng Lưu ý rằng các lựa chọn

1, 2, và 3 được dự đoán một chiều và lựa chọn 4, 5, 6, và 7 được dự đoán hai chiều Giá trị lựa chọn đầu tiên trong bảng, bằng không, chỉ được sử dụng để mã hóa khác biệt ở chế

độ phân cấp hoạt động Một khi tất cả các mẫu được dự đoán, sự khác biệt giữa các mẫu

có thể được lấy và entropy-mã hóa trong một thời trang không giảm chất lượng bằng cách

sử dụng mã hóa Huffman hoặc mã số học

Thuật toán LoCo-I

Cốt lõi của LS-JPEG dựa trên các thuật toán LoCo-I.Trong thuật toán LoCo-I, cạnh đượcphát 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 điểm ảnh có nhãn B được sử dụng trong trường hợp của cạnh thẳng đứng trong khi điểm có nhãn A sử dụng trong trưởng hợp cạnh của cạnh nằm ngang.Điều dự đoán đơn giản này được gọi là phát hiện cạnh trung vị(Median Edge Dectection-MED) hay dự đoán LoCo-I(LoCo-I

predictor)

Điểm ảnh X được dự đoán bằng LoCo-I predictor theo tiêu chí sau đây:

Ba dự đoán đơn giản được chọn theo các điều kiện:(1) nó có khuynh hướng nhận B trong trường hợp tồn tại cạnh dọc trái của X,(2) A trong trường hợp cạnh nằm ngang ở phía trên, hoặc (3) A+B-C nếu không có cạnh nào được phát hiện

Trang 18

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 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

Định dạng
Số trang	29
Dung lượng	1,85 MB