CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÃ HÓA VÀ HIỂN THỊ HÌNH ẢNH Chương đầu tiên của luận văn giới thiệu cơ sở lý thuyết mã hóa hình ảnh theo định dạng chuẩn JPEG và phương pháp hiển thị hình ảnh trên màn hình chuẩn VGA. Cơ sở lý thuyết về mã hóa hình ảnh JPEG Trong thời đại kỹ thuật số ngày nay, hình ảnh được lưu trữ ở nhiều định dạng khác nhau như BMP, JPEG, PNG, GIF, TIFF. Trong đó, định dạng ảnh chuẩn JPEG được sử dụng phổ biến nhất trên Internet và được hầu hết các máy ảnh kỹ thuật số và phần mềm xử lý ảnh hỗ trợ tương thích. JPEG viết tắt của Joint Photographic Experts Group được công bố lần đầu vào năm 1992 dựa trên khuyến cáo ITU – T81, là một trong những phương pháp nén ảnh hiệu quả, có tỷ lệ nén tới vài chục lần.
Ảnh sau khi giải nén sẽ không hoàn toàn giống như ban đầu mà chất lượng ảnh sẽ bị suy giảm sau khi giải nén. Tuy nhiên sự suy giảm này có thể khắc phục được bằng việc loại bỏ đi những thông tin dư thừa dựa trên sự nghiên cứu về thị giác của con người. Khi nghiên cứu về lý thuyết và hiển thị hình ảnh, chúng ta xét đến không gian màu YUV được tạo bởi một độ sáng và hai thành phần màu. Thị giác của con người rất nhạy cảm với thành phần Y và kém nhạy cảm với hai thành phần U và V.
Dựa trên đặc tính này của mắt con người, phương pháp JPEG đã tách những thông tin dư thừa của ảnh và nén thông tin sao cho sự suy giảm tín hiệu thành phần Y là ít hơn so với hai thành phần còn lại là U và V. Phương pháp nén ảnh JPEG có công đoạn chính là chia bức ảnh thành nhiều vùng nhỏ (thông thường là 8×8 điểm ảnh) rồi sử dụng phép biến đổi cosin rời rạc để biến đổi những vùng này thành dạng ma trận có 64 hệ số thể hiện trạng thái các điểm ảnh. Hệ số đầu tiên có khả năng thể hiện trạng thái cao nhất, khả năng đó giảm nhanh với các hệ số khác. Điều đó có nghĩa là lượng thông tin của 64 điểm ảnh tập trung chủ yếu ở một số hệ số ma trận trong phép biến đổi trên.
Trong giai đoạn này có sự mất mát thông tin bởi không có một phép biến đổi ngược chính xác, tuy nhiên lượng thông tin mất mát này chưa đáng kể so với các bước sau. Ma trận có được sau phép biến đổi cosin rời rạc được lược bớt sự khác nhau giữa các hệ số, đây chính là bước làm cho 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thông tin bị mất nhiều nhất vì những thay đổi nhỏ của các hệ số sẽ được làm tròn. Các phép biến đổi trên áp dụng với thành phần U và V nhiều hơn so với thành phần Y. Bước tiếp theo là dùng một thuật toán mã hóa khác để phân tích dãy số.
Những phần tử nào được lặp lại nhiều sẽ được mã hóa bằng ký tự ngắn hơn. Với phương pháp mã hóa theo chuẩn JPEG, khi giải mã chúng ta chỉ cần làm lại các bước trên theo quá trình ngược lại cùng với các phép biến đổi ngược. Quá trình mã hóa Hình 1-1: Sơ đồ quá trình mã hóa JPEG [1]. Quá trình mã hóa hình ảnh JPEG được mô tả theo Hình 1-1 [1].
Ảnh nguồn ban đầu được chia thành các khối có kích thước 8×8 điểm ảnh trước khi đưa vào khối mã hóa bao gồm DCT, lượng tử hóa và mã hóa Entropy. Kết quả của quá trình mã hóa là đầu ra hình ảnh nén JPEG. Chuyển đổi hệ màu Bộ mã hóa JPEG sẽ thực hiện biến đổi hệ màu từ RGB sang YCbCr trước khi chuyển đổi DCT. Dữ liệu ảnh được đại diện bởi ba thành phần màu chính là R, G, B tương ứng ba màu cơ bản là đỏ, xanh lục, xanh dương.
Mỗi màu sẽ sử dụng một byte để biểu diễn, do đó mỗi điểm ảnh cần ba bytes để biểu diễn. Như đã trình bày ở trên, mắt người nhạy cảm với sự thay đổi về độ chói và kém nhạy với những sự thay đổi về sắc độ. Thông thường trong kỹ thuật nén ảnh sử dụng biến đổi DCT các điểm ảnh sẽ được chuyển đổi từ hệ màu RGB sang YCbCr. Trong đó thành phần Y tương ứng với độ chói của điểm ảnh, hai thành phần Cb và Cr lần lượt là sự sai khác về sắc độ của hai thành phần màu xanh dương và đỏ.
12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Công thức về sự biến đổi như sau: 𝑌 = 0,299𝑅 + 0,587𝐺 + 0,144𝐵 𝐶𝑏 = −0,16874𝑅 − 0. ,3126𝐺 + 0,5𝐵 + 128 𝐶𝑟 = 0,5𝑅 − 0,41869𝐺 − 0,08131𝐵 + 128 Ta có thể quan sát các thành phần R, G, B tương ứng với các thành phần Y, Cb, Cr trong bức ảnh nổi tiếng “lena” Hình 1-2: [3] Hình 1-2: So sánh hệ màu RGB và YCbCr. Lấy mẫu Do mắt người nhạy cảm với thành phần Y hơn nên việc giảm thành phần sắc độ đi 50% so với thành phần độ chói Y cũng không làm giảm đi nhiều cảm nhận của mắt về sự thay đổi của hình ảnh. Có nhiều phương pháp lấy mẫu khác nhau như mô tả trên hình 1.3 [3], điển hình là lấy mẫu theo tỉ lệ 4:2:0.
Tức là độ phân giải của thành phần Cb, Cr sẽ được giảm đi một nửa theo cả hai chiều dọc và chiều ngang, trong bước này ta sẽ giảm thành phần sắc độ. Cứ bốn điểm thành phần Y được chọn thì sẽ có một 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com điểm thành phần Cb, và một điểm thành phần Cr được lựa chọn như hình 1. Một vài cách lấy mẫu khác nhau như 4:2:2 có nghĩa là hai thành phần Cb, Cr chỉ giảm đi một nữa theo chiều ngang. Hình 1-3: Các kiểu lấy mẫu dữ liệu[3].
Dấu “×” thể hiện nơi điểm thành phần Y được chọn. Dấu “o” chỉ nơi các thành phần sắc độ được chọn. Quá trình giải mã Hình 1-4: Sơ đồ khối quá trình giải mã [1]. Quá trình giải mã theo mô tả trên hình 1-4 [1], dựa trên cơ sở thực hiện thuật toán ngược của quá trình mã hóa.
Hình vẽ trên minh họa sơ đồ khối của quá trình giải mã JPEG. Các thành phần của bộ giải mã cũng tương tự như các thành phần của bộ mã hóa nhưng được đặt theo thứ tự ngược lại. Chuyển đổi hệ màu được thực hiện theo công thức: R = Y + 1,402 (Cr - 128) G = Y – 0,71414 (Cr - 128) – 0,34414 (Cb - 128) B = Y + 1,772 (Cb - 128) 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Hiển thị hình ảnh lên màn hình chuẩn VGA Trên thị trường màn hình hiển thị có nhiều loại khác nhau, tùy theo loại màn hình được sử dụng là màn hình CRT, LCD hay plasma, chúng ta có phương pháp để hiển thị hình ảnh là khác nhau.
Tuy nhiên, các loại màn hình được chế tạo theo cùng chuẩn hiển thị VGA có nguyên lý hiển thị một hình ảnh lên màn hình là giống nhau. Nguyên lý quét hình ảnh Về nguyên lý của ảnh kỹ thuật số, mỗi hình ảnh được xem như một ma trận các điểm ảnh.Phương pháp quét hình ảnh là phương pháp hiển thị lần lượt các điểm ảnh này theo từng hàng một, từ trái qua phải và từ trên xuống dưới như minh họa ở hình 1.5 thay vì hiển thị đồng thời toàn bộ hình ảnh. Các đường nét liền thể hiện các dòng điểm ảnh được quét ngang màn hình. Các đường nét đứt là đường trở về của tia quét để bắt đầu một dòng quét mới.
Hình ảnh quét được sau một lượt quét từ trên xuống dưới gọi là một mành quét. Trong thời gian màn hình hiển thị ảnh, cần phải đưa tới màn hình các tín hiệu điện chứa các thông tin của các điểm ảnh này. Ngoài ra, có những thời gian không hiển thị, khi tia quét trở về đầu dòng hoặc đầu mành mới. Các thông tin về hình ảnh không được đưa đến màn hình trong thời gian này mà thay vào đó là các tín hiệu đặc biệt dùng để đồng bộ dòng và đồng bộ mành.
Hình 1-5: Minh họa phương pháp quét hình ảnh. Chúng ta xét một ví dụ trên hình 1-6 [5] về một dòng quét bằng tia điện tử của màn hình CRT sẽ làm rõ thêm nguyên lý quét ảnh. Màn hình được chia làm 480 dòng, mỗi dòng có 640 điểm ảnh. Xung răng cưa trên hình 1-6 có tác dụng lái tia điện tử theo chiều ngang.
Mỗi một xung răng cưa ứng với một dòng, như vậy, tần số xung 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com răng cưa tương ứng với tần số dòng. Trong phần thời gian xung răng cưa là đường dốc ổn định, tia điện tử quét ngang màn hình thể hiện hình ảnh. Phần thời gian còn lại, xung răng cưa có tác dụng lái tia điện tử trở về đầu dòng tiếp theo và đồng thời là căn cứ để sinh ra tín hiệu đồng bộ dòng HS. Xung đồng bộ dòng là một xung âm, trong khoảng thời gian tích cực mức thấp trên tín hiệu HS.
Thời gian từ khi có xung đồng bộ dòng đến khi bắt đầu có tín hiệu thông tin hình ảnh gọi là “front porch”, thời gian sau khi kết thúc phần thông tin hình ảnh đến khi bắt đầu một xung đồng bộ dòng mới gọi là “back porch”. Hình 1-6: Tín hiệu điện cho một dòng quét trên màn hình CRT [5]. Hình ảnh được điều khiển quét theo chiều dọc bằng cách tạo ra xung răng cưa lái tia điện tử theo chiều dọc và tín hiệu đồng bộ mành VS với cách làm tương tự với quét dòng. Sau đây là ví dụ VGA Display Timing với chế độ 640×480: 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 1-7: Chế độ điều khiển VGA 640×480 [5].
Tín hiệu màu VGA Có ba tín hiệu màu là red, green và blue gửi tín hiệu màu sắc đến màn hình VGA. Mỗi một tín hiệu điều khiển một súng bắn điện tử để phóng các hạt electron vẽ lên một màu cơ bản tại một điểm trên màn hình. Dải của tín hiệu nằm từ 0V tương ứng với màu tối hoàn toàn và 0,7V sáng hoàn toàn, điều khiển cường độ của mỗi thành phần màu và ba thành phần màu kết hợp với nhau tạo lên màu của điểm ảnh (dot) hay phần tử ảnh (pixel) trên màn hình. 17 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 1-8: Cổng kết nối VGA.
Mỗi tín hiệu màu analog có thể là một trong 8 mức bằng 3 tín hiệu digital bằng cách dùng bộ chuyển đổi digital to analog 3 bit (DAC 3 bit). Hình 1-9: Các màu cơ bản [5].