Tìm hiểu phương pháp nén ảnh theo chuẩn JPEG 2000

JPEG 2000 là một phương pháp nén ảnh mới dựa trên phép biến đổi sóng con (wavelet), với các dạng : Haar wavelet, Daubechies wavelet, Spline wavelet JPEG 2000 được phát triển bởi ISO JPEG để cải thiện hiệu suất cho JPEG trong khi thêm vào những khả năng, tính năng mới quan trọng, cho phép trên những ứng dụng hình ảnh mới. Phương pháp nén JPEG 2000 là một trong những chuẩn có định rõ kiến trúc nén, định dạng file , giao thức clientserver và thành phần khác cho những ứng dụng nâng cao.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

──────── * ────────

BÁO CÁO TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN

ĐỀ TÀI:

TÌM HIỂU PHƯƠNG PHÁP NÉN ẢNH THEO

CHUẨN JPEG 2000

Sinh viên thực hiện:

MỤC LỤC

Phân công công việc

Lê Thị Kim Anh Tìn hiểu phương pháp nén ảnh theo

chuẩn JPEG2000Bùi Tuấn Ánh Tìm hiểu hoạt động sơ đồ nén ảnhNguyễn Hữu Đông Entropy coding và Bit stream OrgNguyễn Gia Tuyến Thử nghiệm sử dụng nén ảnh

Thái Thị Lộc So sánh ảnh JPEG2000 với JPEG

I TÌM HIỂU CHUNG VỀ JPEG 2000

1. JPEG 2000 là gì?

JPEG 2000 là một phương pháp nén ảnh mới dựa trên phép biến đổi sóng con(wavelet), với các dạng : Haar wavelet, Daubechies wavelet, Spline waveletJPEG 2000 được phát triển bởi ISO JPEG để cải thiện hiệu suất cho JPEG trongkhi thêm vào những khả năng, tính năng mới quan trọng, cho phép trên nhữngứng dụng hình ảnh mới Phương pháp nén JPEG 2000 là một trong những chuẩn

có định rõ kiến trúc nén, định dạng file , giao thức client-server và thành phầnkhác cho những ứng dụng nâng cao

2. Đặc điểm JPEG 2000

- Nén với tỷ lệ bit thấp: tiêu chuẩn JPEG 2000 đưa ra khả năng nén với tốc

độ bit thấp hơn so với tiêu chuẩn nén hiện tại (ví dụ dưới 0.25bpp cho ảnhxám chi tiết cao) Ý nghĩa của đặc điểm này là đạt được tốc độ bit thấp

mà không làm méo ảnh, hiệu quả tỷ số nén tăng 30% so với JPEG

- Nén tổn hao và nén không tổn hao: JPEG 2000 có khả năng nén không

tổn hao và nén tổn hao Ví dụ ứng dụng sử dụng đặc tính nén không tổnhao: ảnh y tế , các ứng dụng mạng Nó cũng yêu cầu tiêu chuẩn có đặctính tạo ra dòng bit nhúng và cho phép cải thiện chất lượng ảnh

- Tăng độ phân giải và độ chính xác pixel: tăng cường độ phân giải cho

phép ảnh có thể khôi phục với độ chính xác pixel tăng hoặc độ phân giảikhông gian cần thiết cho nhiều ứng dụng Đặc tính này cho phép khôiphục ảnh với các độ phân giải khác nhau và độ chính xác pixel theo yêucầu và đòi hỏi, cho các thiết bị đầu cuối khác nhau như World Wide Web,ảnh lưu giữ và in ấn

- Mã hóa vùng quan tâm ROI: thông thường trong một ảnh người ta chỉ

quan tâm đến một số vùng của ảnh Đặc điểm này cho phép người sửdụng xác định chính xác vùng quan tâm trong ảnh để mã hóa và truyền đivới chất lượng tốt hơn và ít méo hơn so với các vùng còn lại Phươngpháp này có 2 phương pháp thực hiện là MAXSHIFT và Scale

- Xử lý và truy cập ngẫu nhiên: đặc điểm này cho phép người sử dụng xác

định vùng quan tâm của ảnh để truy nhập ngẫu nhiên hoặc giải nén ít méohơn so với các vùng ảnh còn lại Xử lý dòng mã ngẫu nhiên này cũng chophép ta quay ảnh, dịch ảnh, lọc ảnh, khai triển các đặc điểm và tỷ lệ ảnh

Giảm khả năng lỗi bit: giảm khả năng lỗi bit trong khi thiết kế dòng mã

- Kiến trúc mở: đặc điểm này cho kiến trúc mở để tối ưu hệ thống cho các

ứng dụng và loại ảnh khác nhau Với đặc tính này, giải mã chỉ thực hiện

bộ công cụ lõi và phân tích để hiểu dòng mã Nếu cần thiết, không xácđịnh được công cụ có thể yêu cầu từ bộ giải mã để bên nguồn gửi sang

- Miêu tả nội dung: ảnh lưu giữ, index và tìm kiếm đặc điểm quan trọng

trong xử lý ảnh Miêu tả nội dung của ảnh là một thành phần của hệ thốngnén ảnh (ví dụ thông tin dữ liệu phụ metadata)

- Thông tin kênh không gian (trong suốt): thông tin kênh không gian như

mặt phẳng alpha và mặt phẳng trong suốt là hữu ích cho truyền thông tincho xử lý ảnh như hiển thị, in ấn và dựng

- Bảo mật ảnh: bảo vệ ảnh số có nhận được nhờ watermarking, label, tem

và mã mật hóa (Encryption) Nhãn được thực hiện trong SPIFF và phải dễtruyền đi truyền lại tới file ảnh JPEG 2000

- Nén hai mức và nén nhiều mức: đưa ra tiêu chuẩn mã hóa có khả năng mã

hóa cả ảnh hai mức, nhiều mức Nếu thực hiện, tiêu chuẩn này cố gắngđạt được với nguồn hệ thống tương tự nhau Hệ thống này phải nén vàgiải nén với dải thông thay đổi (ví dụ 1 bit tới 16 bit) cho mỗi thành phầnmàu Ví dụ sử dụng đặc tính này là: ảnh y học với một lớp chú thích, ảnh

đồ họa và ảnh máy tính tạo ra với nhị phân và gần vùng nhị phân, mặtphẳng alpha và trong suốt

3. Tính năng JPEG 2000

JPEG 2000 có nhiều chức năng đặc biệt hơn mọi chuẩn nén ảnh tĩnh hiện tại.Gồm có:

- Cho chất lượng ảnh tốt nhất khi áp dụng nén ảnh tĩnh có tổn thất

- Sử dụng được với truyền dẫn hiển thị lũy tiến về chất lượng, độ phân giải,các thành phần màu và có tính định vị về không gian

- Sử dụng cùng một cơ chế nén ảnh cho cả hai dạng thức nén

- Truy nhập và giải nén tại mọi thời điểm trong khi nhận dữ liệu

- Giải nén từng vùng trong ảnh mà không cần giải nén toàn bộ ảnh

- Có khả năng mã hóa ảnh với tỉ lệ nén theo từng vùng khác nhau

- Nén một lần nhưng lại có thể giải nén với nhiều cấp chất lượng tùy theo yêu cầu người sử dụng

- Hiện tại ISO và ủy ban JPEG đã đưa ra khuyến nghị thay thế JPEG bằng JPEG 2000

- Alpha channel (ví dụ: tính trong suốt).

- Accurate color interpretation: thể hiện màu chính xác

- Hỗ trợ “True color” và “palette color”

- Intellectual property information

- Capture and default display resolution

- File “magic number”

- File transfer errors (ASCII ftp, 7 bit e-mail, vv )

II. TÌM HIỂU HOẠT ĐỘNG SƠ ĐỒ NÉN ẢNH JPEG

Quá trình nén ảnh gồm có 5 bước cơ bản:

a) Image Tiling

Phương pháp này chia ảnh thành các ảnh hình vuông nhỏ hơn (title) vàkhông đè lên nhau, các tile này có kích thước bằng nhau trừ các tile ở phíangoài ảnh

Các tile này được mã hóa một các độc lập trong các bước còn lại của quátrình nén ảnh, nó không phụ thuộc vào việc nén ảnh ban đầu Thành phần tile làphần cơ bản của cấu trúc ảnh Tiling giảm bộ nhớ yêu cầu và chúng ta có thểxây dựng lại chúng một cách độc lập với nhau, do đó chúng ta có thể giải néncác phần của ảnh thay vì giải nén cả bức ảnh

Các tile tác động một cả chủ quan và khách quan đến chất lượng ảnh sau nén(hình dưới):

b) DC Level Shifing

Trước khi tính DWT các thành phần tile của ảnh cần ở dạng đối xứng qua 0,

vì vậy tất cả các hệ số cần được dc level shifed bằng cách trừ cho 2P-1, trong dố

P là độ chính xác hay số bit biểu diễn điểm ảnh

c) Biến đổi liên thành phần (Component Transformations)

JPEG 2000 hỗ trợ nhiều hệ màu ảnh, các hệ màu này có độ sâu bit khác nhau

và độ nhạy của mắt người với chúng cũng khác nhau Ví dụ trong hệ màuYcrCb thì Y là thành phần mắt chúng ta nhạy cảm nhất có khả năng phân biệt

nó tốt nhât vì vậy ta sẽ nén thành phần này với hệ số thấp hơn 2 thành phần kia.Chuẩn JPEG hỗ trợ 2 biến đổi liên thành phần là biến đổi liên thành phầnkhông thuận nghịch (ICT) và biến đổi liên thành phần thuận nghịch (RCT) ICTđược áp dụng với biến đổi DWT không thuận nghịch 9/7 trong nén ảnh có tổnhao, nó biến đổi hệ màu từ RBG sang YcrCb nó được tính theo công thức:

RCT được áp dụng trong biến đổi DWT thuận nghịch 5/3, RCT biến đổiRBG sang YUV trong cả 2 dạng thức nén ảnh có tổn hao và không có tổn hao:

2. Biến đổi DWT 2 chiều – Biến đổi riêng thành phần

Phương pháp này chia ảnh thành các băng con có các thành phần tần số khácnhau, ý tưởng thực hiện dựa trên việc ảnh hưởng băng con đến hình ảnh Cácthành phần tần số thấp có chứa thành phần chính của ảnh và các thành phần tần

số cao chứa chi tiết của ảnh Do đó dựa vào việc nhận biết của mắt người thìtrong quá trình lượng tử hóa với mỗi băng con có hệ số nén sẽ khác nhau và sẽ

có được hệ số nén ảnh cao hơn

DWT 2D tác động 2 lần: một duyệt theo chiều ngang và một duyệt theochiều dọc (không xét thứ tự do bản chât đối xứng) và do đó ta thu được bốngiải:

LL: horizontally and vertically lowpass LH: horizontally lowpass and vertically highpass HL: horizontally highpass and vertically lowpass LL: horizontally and vertically highpass

a) Biến đổi Wavelet liên tục (CWT)

- Biến đổi Wavelet của một hàm f(t)

Biến đổi Wavelet dù chỉ làm việc với các tín hiệu một chiều (liên tụchoặc rời rạc) nhưng sau khi biến đổi ta thu được một hàm hai biến số hoặc mộttập giá trị W(a,b) minh họa các thành phần tần số khác nhau xảy ra tại t Các giátrị W(ai,b) tạo thành một cột (I = 1, 2, …, n) cho biết một thành phần tần số cótrong những thời điểm t của tín hiệu f(t) và các giá trị W(a,bi) tạo thành hànhcho biết tại thời điểm t của tín hiện f(t) có những thành phần tần số nào.

b) Biến đổi Wavelet rời rạc

Việc tính toán biến đổi DWT thực chất là quá trình rời rạc hóa biến đổiWavelet liên tục (CWT) việc rời rạc hóa được thực hiện với sự lựa chọn hệ số a

và b như sau:

a = 2m; b = 2m.n m,n ZViệc tính toán hệ số của biến đổi DWT được thực hiện bằng băng lọc số nhiềunhịp đa kênh.Ta có khung biến đổi (bộ lọc nhiều nhịp 2 kênh):

Tuy nhiên nếu thực hiện như trên thì theo lý thuyết xử lý tín hiệu số vớibăng lọc nhiều nhịp với tấn số lấy mẫu ra bằng ½ tần số lấy mẫu đầu vào thì sẽchỉ có ½ dữ liệu được mã hóa Vì vậy ta sử dụng 2 phương pháp biến đỏi DWTthuận nghịch 5/3 và biến đổi DWT không thuận nghịch 9/7

- Biến đổi DWT 5/3:

Sơ đồ nén:

- Biến đổi không thuận nghịch 9/7Giả sử ta có vô hạn các điểm đầu vào x1, x2,…

Các giá trị L, H đầu ra cần tìm sẽ được tính theo sơ đồ

Nhưng do dữ liệu của chúng ta có giới hạn nên ta sẽ lấy đối xứng đầu vàoqua x0 và tính theo sơ đồ dưới:

- Biến đổi Wavelet 2 chiều

Ta thực hiện biến biến đổi Wavelet 1 chiều 2 lần:

3. Lượng tử hóa

Các hệ số của phép biến đổi sẽ được tiến hành lượng tử hóa Quá trìnhlượng tử hóa cho phép đạt tỉ lệ nén cao hơn bằng cách thể hiện các giá trị biến

Với là bước lượng tử hóa, U (x,y) là giá trị băng con đầu vào, V(x,y) làgiá trị sau lượng tử hóa Trong dạng biến đổi DWT 5/3 (nguyên), đặt bướclượng tử bằng 1 Với dạng biến DWT 9/7 (thực) thì bước lượng tử sẽ được chọntheo băng con tương ứng Công thức giải lượng tử hóa:

Trong đó r là tham số xác định dấu làm tròn IPEG 2000 không quy định trước rtuy nhiên thường chọn r = ½

4. Entropy coding (Tier-1 coding)

Đến đây, mỗi dải sẽ được chia ra thành các hình chữ nhật có cùng độ dàikhông chồng lên nhau Ba hình chữ nhật tương ứng với các dải HL, LH, HHtrong mỗi mức phân giải sẽ được gộp lại trong một gói (packet)

Hình 2.4.1 Cấu trúc giảiMỗi packet sẽ cung cấp thông tin về không gian vì nó có chứa các thôngtin cần cho việc giải mã hóa ảnh tại vùng không gian đó và trong mức phân giải

đó

Các gói còn được chia nhỏ hơn thành các khối mã (code-block) hình chữnhật không chồng lên nhau, đó là các thực thể cơ bản trong việc mã hóa

entropy.Một codeblock phải có chiều dài và rộng là lũy thừa của 2 TrongJPEG2000, kích cỡ mặc định của mỗi code block là 64x64.

Sau đó, các code block sẽ được mã hóa một cách độc lập bằng cách dùng

bộ mã hóa theo bit-plane (bit-plane coder) Mỗi code block sẽ được chứa hoàntoàn trong một dải đơn và các code block sẽ được mã hóa hoàn toàn độc lập vớicác code block khác: vì thế mà có khả năng phục hồi lỗi Mã hóa bit-plane sẽđưa ra chuỗi các kí hiệu cho mỗi coding pass, một số hoặc tất cả các kí hiệu này

có thể được mã hóa entropy thông qua bộ mã hóa số học thích nghi (adaptivebinary arithmetic coder)

Có ba kiểu coding pass: significance propagation, magnitude refinement,cleanup pass.Mỗi một pass trong số này sẽ quét các mẫu (samples) của mộtcodeblock dưới dạng các stripes theo chiều dọc (mỗi stripes có chiều cao địnhdanh là 4 mẫu) Thứ tự quét là từ trên xuống dưới trong một stripe còn các cộtđược quét từ trái sang phải Trong một cột, các mẫu được quét từ trên xuốngdưới

Hình 2.4.2 Pass coding quét các mẫu trong code-blockPass cleanup bắt buộc đòi hỏi mã hóa toán học (arithmetic coding) nếukhông có các pass khác nó cũng có thể đòi hỏi việc mã hóa thô (raw coding).Đối với khả năng phục hồi lỗi, quy trình mã hóa toán học, mã hóa thô sẽ đảmbảo cho các mẫu bit nào đó bị cấm trong đầu ra

Hình 2.4.3 Ví dụ về Code block, bit-plane, pass coding

Đối với việc chọn ngữ cảnh, thông tin trạng thái cho các láng giềng -4 và lánggiềng -8 được đặt trong tài khoản

Hình 2.4.4 a) láng giềng -4, b) láng giềng-8

Ngữ cảnh phụ thuộc vào các bit đã được mã hóa sẽ phân loại các bit vàcác tín hiệu (signs) thành các lớp khác nhau cần cho sự phân bổ xác suất đồngdạng độc lập.

Cho số lớp bằng N và có trong lớp i, với xác suất của các bit, để lấy đượcgiá trị “1”, là thì entropy (H) của mảng bit theo thuyết thông tin của Shannonđược tính bằng:

Mã hóa entropy sẽ biến đổi các cặp bit và ngữ cảnh này thành dòng bit đãđược nén với độ dài gần đạt đến lí tưởng, ví dụ giới hạn Shannon, là hoàn toàn

có thể được Có rất nhiều bộ mã hóa (coder) như thế và JPEG2000 đã mượn bộ

mã hóa coder theo chuẩn JBIG2, ví dụ MQ[10]

5. Tổ chức dòng bit (Bit stream Organization)

Trong bước này, các thông tin của coding pass được đóng gói lại trong cácđơn vị dữ liệu gọi là các packets bởi quá trình packetization, quá trình này buộccách tổ chức riêng biệt thành dữ liệu coding pass trong dòng mã đầu ra (outputcode stream) vì thế rất thuận lợi để đạt các đặc tính mã hóa mong muốn gồm có:thay đổi tỉ lệ (rate scalability) và phục hồi lũy tiến với độ chính xác và độ nét Header của packet sẽ cho biết nó chứa coding pass nào, trong khi đó phầnthân chứa dữ liệu coding pass thực của chính nó

Đối với việc thay đổi tỉ lệ (rate scalability) cho mỗi tile được tổ chức thànhmột hoặc nhiều tầng, được đánh số từ 0 đến l-1, với l là số tầng Các tầng thấphơn chứa các coding pass có dữ liệu quan trọng nhất, trong khi đó các tầng trên

có các coding pass chứa các chi tiết nên nó cho phép bộ giải mã xây dựng lạiảnh với chất lượng được cải thiện với mỗi số gia

Việc nén mất mát thông tin cần loại bỏ một số coding pass bằng cách loại bỏ

nó ở bất kì lớp (layer) nào trong khi nén không mất mát thông tin không đượcloại bỏ bất kì coding pass nào

Các code block được nhóm lại và được gọi là các precincts Đối với mỗi kếthợp thành phần-mức phân giải-lớp-khu (component-resolution-layer-precinctcombination), một gói sẽ được tạo ra ngay cả khi nó không truyền đi thông tin

gì cả : gói rỗng Một phân khu precinct cho mỗi dải được lấy từ phân khu của

năng phục hồi lỗi tốt hơn với cùng chi phí cho hiệu suất mã hóa vì mật độ góiđược tăng lên

Hình 2.4.5 Mối liên quan giữa không gian và sự tổ chức dòng bits

III DEMO JPEG 2000

Thực hiện trên matlap gọi thư viện của Java (jj2000-5.1.jar)

Chương trình sẽ nhận tham số đầu vào

- image: đường dẫn của ảnh

>> nenanhjpeg2000('Lena512.png', 0.145)

Thì chương trình sẽ có kết quả như sau

Tham khảo:

- Thông tin mã nguồn của Java: https://github.com/anjackson/jj2000

IV SO SÁNH CHUẨN JPEG 2000 VÀ CHUẨN JPEG

Dựa vào demo nén ảnh với JPEG 2000, có thể so sánh JPEG 2000 với JPEG

ở một số tính năng sau:

Một tính năng quan trọng và là ưu điểm rõ nét nhất của JPEG 2000 so vớiJPEG là JPEG 2000 đưa ra cả hai kĩ thuật nén ảnh có tổn thất và không tổn thấttheo cùng một cơ chế mã hóa, nghĩa là JPEG 2000 thực hiện tất cả các dạng

thể là ở kĩ thuật nén có tổn thất sử dụng biến đổi DCT còn ở kĩ thuật nén khôngtổn thất sử dụng phép tiên đoán Do đó, có thể thấy rằng JPEG2 000 có tínhmềm dẻo hơn bất kì chuẩn nén ảnh tĩnh nào trước đây

Hơn thế, những thống kê thực tế cho thấy với cùng một tỉ lệ nén và mộtloại ảnh thì ảnh được nén bởi JPEG 2000 luôn có chất lượng tốt hơn so vớiJPEG Chúng ta xem xét hai ảnh dưới đây để thấy rõ điều này, ảnh bên trái đượcnén theo JPEG còn ảnh bên phải được nén theo JPEG 2000

Hình 4.1: So sánh ảnh JPEG và ảnh JPEG2000

Có được điều này bởi vì kỹ thuật nén JPEG sử dụng phép biến đổi DCT sẽ làmmất mát thông tin lúc giải nén, cụ thể là quá trình lượng tử hóa sẽ giảm số lượngbit cần để lưu trữ các hệ số biến đổi bằng việc giảm độ chính xác của hệ sốxuống Do đó càng nén với hệ số cao thì thông tin càng mất nhiều khi bung.Ảnh đầu vào được phân chia thành nhiều khối độc lập, sau đó được thực hiệnbiến đổi DCT riêng cho nên vẫn có tương quan ở dọc đường biên của các khối.Điều này làm ảnh khôi phục bị ảnh hưởng bởi nhiễu khối Trong khi đó, kĩ thuậtnén trong JPEG 2000 phân chia ảnh thành nhiều dải tần số con và được mã hóariêng biệt nhờ DWT Vì vậy, trong mỗi gói sẽ dẫn đến mất mát thông tin ít hơn,khả năng phục hồi lỗi tốt hơn Nên ảnh khôi phục không bị ảnh hưởng bởi nhiễukhối như với biến đổi DCT Vì vậy, chất lượng ảnh của JPEG 2000 tốt hơn củaJPEG