Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử xây dựng bản đồ nhiễu blocking và ringing ứng dụng trong nâng cao chất lượng ảnh nén

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật điện tử xây dựng bản đồ nhiễu blocking và ringing ứng dụng trong nâng cao chất lượng ảnh, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Minh Hải
• Người hướng dẫn: TS. Võ Trung Dũng
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Xây dựng bản đồ nhiễu blocking và ringing ứng dụng trong nâng cao chất lượng ảnh nén
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu luận văn thạc sĩ

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc xây dựng bản đồ nhiễu blocking và ringing để nâng cao chất lượng ảnh nén, đặc biệt là trong quá trình nén JPEG. Nghiên cứu này nhằm giải quyết các vấn đề liên quan đến nhiễu blocking và nhiễu ringing, hai dạng nhiễu phổ biến ảnh hưởng lớn đến chất lượng hiển thị của ảnh nén ở tốc độ bit thấp. Kỹ thuật xử lý ảnh và tối ưu hóa ảnh được áp dụng để cải thiện chất lượng hình ảnh. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ nén ảnh và hệ thống hình ảnh hiện đại.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn thạc sĩ là xây dựng bản đồ nhiễu cho nhiễu blocking và nhiễu ringing, từ đó đề xuất các thuật toán xử lý ảnh để nâng cao chất lượng ảnh nén. Nghiên cứu này cũng tập trung vào việc phân tích nhiễu và tối ưu hóa ảnh để cải thiện chất lượng hình ảnh trong các ứng dụng thực tế.

1.2. Cấu trúc luận văn

Luận văn thạc sĩ được chia thành sáu chương, bao gồm giới thiệu tổng quan, chuẩn nén ảnh JPEG, các dạng nhiễu, xây dựng bản đồ nhiễu, ứng dụng bản đồ nhiễu, và kết luận. Mỗi chương tập trung vào một khía cạnh cụ thể của nghiên cứu, từ lý thuyết đến thực tiễn.

II. Tổng quan về chuẩn nén ảnh JPEG

Chương này giới thiệu về chuẩn nén ảnh JPEG, một trong những chuẩn nén phổ biến nhất hiện nay. JPEG sử dụng biến đổi cosin rời rạc (DCT) để nén ảnh, giúp giảm dung lượng lưu trữ và băng thông truyền tải. Tuy nhiên, quá trình nén này cũng gây ra các dạng nhiễu như nhiễu blocking và nhiễu ringing, ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích nhiễu và đề xuất các giải pháp để nâng cao chất lượng ảnh nén.

2.1. Quá trình nén JPEG

Quá trình nén JPEG bao gồm các bước chính như chuyển đổi không gian màu, giảm mẫu thành phần, biến đổi cosin rời rạc (DCT), lượng tử hóa, và mã hóa Huffman. Mỗi bước đóng vai trò quan trọng trong việc giảm dung lượng ảnh nhưng cũng gây ra các dạng nhiễu không mong muốn.

2.2. Các dạng nhiễu trong JPEG

Nhiễu blocking và nhiễu ringing là hai dạng nhiễu phổ biến trong quá trình nén JPEG. Nhiễu blocking xuất hiện do việc chia ảnh thành các khối 8x8, trong khi nhiễu ringing là kết quả của việc lượng tử hóa các hệ số DCT tần số cao. Cả hai dạng nhiễu này đều ảnh hưởng lớn đến chất lượng hình ảnh, đặc biệt là ở tốc độ bit thấp.

III. Xây dựng bản đồ nhiễu blocking và ringing

Chương này tập trung vào việc xây dựng bản đồ nhiễu cho nhiễu blocking và nhiễu ringing. Nghiên cứu sử dụng các đặc tính hệ thống thị giác người (HVS) để cải thiện độ chính xác của thuật toán xử lý ảnh. Bản đồ nhiễu được xây dựng dựa trên việc xác định các vùng nhiễu và ước lượng mức độ nhiễu. Kết quả cho thấy thuật toán đề xuất có khả năng phát hiện chính xác các vùng nhiễu và cải thiện đáng kể chất lượng hình ảnh.

3.1. Xác định vùng nhiễu

Quá trình xác định vùng nhiễu dựa trên các đặc tính không gian của ảnh nén JPEG. Nhiễu blocking được xác định bằng cách phân tích các cạnh thuộc đường bao khối, trong khi nhiễu ringing được xác định thông qua cường độ nhiễu cục bộ. Hiệu ứng mặt nạ của hệ thống thị giác người cũng được xem xét để nâng cao độ chính xác của bản đồ nhiễu.

3.2. Ước lượng mức độ nhiễu

Mức độ nhiễu được ước lượng dựa trên cường độ nhiễu cục bộ và ảnh hưởng của hiệu ứng mặt nạ. Bộ lọc fuzzy được sử dụng để làm giảm nhiễu, với bộ lọc một chiều cho nhiễu blocking và bộ lọc hai chiều cho nhiễu ringing. Kết quả thử nghiệm cho thấy thuật toán đề xuất hiệu quả hơn so với các phương pháp trước đây.

IV. Ứng dụng bản đồ nhiễu để nâng cao chất lượng ảnh nén

Chương này trình bày việc ứng dụng bản đồ nhiễu để nâng cao chất lượng ảnh nén. Bộ lọc fuzzy được điều khiển bởi bản đồ nhiễu để làm giảm nhiễu blocking và nhiễu ringing. Kết quả thử nghiệm cho thấy chất lượng hình ảnh được cải thiện đáng kể, với các chỉ số PSNR và SSIM cao hơn so với các phương pháp khác. Nghiên cứu này có tiềm năng ứng dụng trong các hệ thống hình ảnh và công nghệ nén ảnh hiện đại.

4.1. Làm giảm nhiễu blocking

Bộ lọc fuzzy một chiều được sử dụng để làm giảm nhiễu blocking. Bản đồ nhiễu giúp xác định các vùng cần xử lý, từ đó cải thiện hiệu quả của thuật toán. Kết quả thử nghiệm cho thấy chất lượng hình ảnh được nâng cao rõ rệt, đặc biệt là ở các vùng có nhiễu blocking nặng.

4.2. Làm giảm nhiễu ringing

Bộ lọc fuzzy hai chiều được áp dụng để làm giảm nhiễu ringing. Bản đồ nhiễu giúp xác định các vùng có nhiễu ringing và điều chỉnh bộ lọc phù hợp. Kết quả thử nghiệm cho thấy thuật toán đề xuất hiệu quả hơn so với các phương pháp trước đây, với chất lượng hình ảnh được cải thiện đáng kể.

V. Kết quả và đánh giá

Chương này trình bày các kết quả thử nghiệm và đánh giá về hiệu quả của thuật toán đề xuất. Bản đồ nhiễu được xây dựng chính xác, giúp phát hiện các vùng nhiễu một cách hiệu quả. Chất lượng hình ảnh được cải thiện rõ rệt, với các chỉ số PSNR và SSIM cao hơn so với các phương pháp khác. Nghiên cứu này chứng minh tiềm năng ứng dụng của bản đồ nhiễu trong việc nâng cao chất lượng ảnh nén.

5.1. Kết quả xây dựng bản đồ nhiễu

Bản đồ nhiễu được xây dựng chính xác, giúp phát hiện các vùng nhiễu blocking và nhiễu ringing một cách hiệu quả. Thuật toán đề xuất cho thấy khả năng phát hiện nhiễu tốt hơn so với các phương pháp trước đây.

5.2. Kết quả nâng cao chất lượng ảnh

Chất lượng hình ảnh được cải thiện đáng kể sau khi áp dụng bộ lọc fuzzy điều khiển bởi bản đồ nhiễu. Các chỉ số PSNR và SSIM cho thấy thuật toán đề xuất hiệu quả hơn so với các phương pháp khác.

VI. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn thạc sĩ này đã thành công trong việc xây dựng bản đồ nhiễu blocking và ringing và đề xuất các thuật toán xử lý ảnh để nâng cao chất lượng ảnh nén. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện chất lượng hình ảnh và ứng dụng trong các hệ thống hình ảnh hiện đại. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc tối ưu hóa thuật toán và ứng dụng trong các công nghệ nén ảnh mới.

6.1. Kết luận

Nghiên cứu đã đạt được mục tiêu đề ra, với việc xây dựng bản đồ nhiễu chính xác và đề xuất các thuật toán xử lý ảnh hiệu quả. Chất lượng hình ảnh được cải thiện đáng kể, chứng minh tiềm năng ứng dụng của nghiên cứu.

6.2. Hướng phát triển

Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc tối ưu hóa thuật toán và ứng dụng trong các công nghệ nén ảnh mới. Nghiên cứu cũng có thể mở rộng sang các lĩnh vực khác như xử lý video và hệ thống hình ảnh đa phương tiện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở Đầu VY Chương 2 — Giới thiệu chuân nén ảnh phô biến JPEG, các dạng nhiễu gây ra do quá trình nén, nguyên nhân của các dạng nhiễu và khảo sát các nghiên cứu nâng cao chất lượng giảm nhiễu do nén đã được báo cáo trong các tải liệu. Y Chương 3 — Khao sát các đặc tính mô hình thị giác người (HVS) ảnh hưởng đến mức độ hiển thi của các dạng nhiễu gây ra trong qua trình nén. Trên cơ sở đặc điểm xuất hiện của nhiễu gây ra do nén và đặc tính hệ thông HVS đối với nhiễu dé xuất cách thức định vị các dạng nhiễu va cách thức ước lượng mức độ nhiễu. VY Chương 4 — Đề xuất phương pháp sử dụng bản đồ nhiễu đã được xây dựng ở chương 3 điều khiến bộ lọc nhăm nâng cao chất lượng ảnh và giảm các dạng nhiễu do quá trình nén.

Y Chương 5 — Trình bày kết quả đạt được khi thực hiện mô phỏng các giải thuật đề xuất dé xây dựng bản đồ nhiễu blocking, nhiễu ringing. Đồng thời trình bày các kết quả khi sử dụng các bản đồ nhiễu để điều khiển các bộ lọc nhăm nâng cao chất lượng. *x Chương 6 — Trinh bày kết luận dé tài va đề xuất hướng phát triển. HVTH: Nguyễn Minh Hải 2 GVHD: TS.

Võ Trung Dũng Chương 2 — Tổng Quan Tinh Hình Nghiên Cứu Chuong 2 TONG QUAN TINH HÌNH NGHIÊN CỨU 2.1 Chuan Nén Anh JPEG JPEG (Joint Photographic Expert Group) [1] [3] là tên của một tổ chức nghiên cứu về các chuẩn nén ảnh được thành lập vào năm 1982. Năm 1986, JPEG chính thức được thiết lập nhờ sự kết hợp giữa nhóm ISO/IEC và ITV. Tiêu chuẩn này đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: lưu trữ ảnh, Fax màu, truyền ảnh báo chí, ảnh cho y học, camera số. Chuan nén JPEG có thé thực hiện bởi bốn phương pháp mã hóa đó là: e Mã tuần tự (sequential DCT-based): ảnh được mã hóa theo kiểu quét từ trái qua phải, từ trên xuống dưới dựa trên biến đôi DCT của các khối.

e Mã hóa lũy tiến (progressive DCT-based): anh được mã hóa băng kiểu quét phức hợp theo chế độ phân giải không gian. e Ma hóa không tốn that (lossless): ảnh được đảm bảo khôi phục chính xác cho mỗi giá trị mau của nguồn. Thông tin không can thiết mới cắt bỏ cho nên hiệu quả nén thập hon so với phương pháp có tôn that. e Mã hóa phân cấp (hierarchical): ảnh được mã hóa ở chế độ phân giải không gian phức hop, để cho những ảnh có độ phân giải thap có thé được truy xuất và hiển thị mà không can giải nén như những ảnh có độ phân giải trong không gian cao hơn.

B G Re Chuyén sang Giảm mẫu thành > tọa độ màu > phần màu v Ảnh YVU (4:2:2 hoặc 4:2:0) FDCT | > Quét zigza s86 > Ma hoa Huffman >| Lượngtử — Chuỗi bit 3 _| Mã hóa độ sai _| Mãhóa biệt DC Huffman Bảng lượng tử Hình 2.1 — Sơ đô khối bộ mã hóa JPEG HVTH: Nguyễn Minh Hải 3 GVHD: TS. Võ Trung Dũng Chương 2 — Tổng Quan Tinh Hình Nghiên Cứu Giải mã _| Quét Zigzag Huffman nguoc Chuỗi bit "| Giải lượng tử [> Giải mã ¬ + Huffman Giải mã DC Bảng lượng tử - 8X8 Nang mau thanh Chuyén doi a B - SH G y phan mau A sang tọa độ ' Ảnh giải IDCT (4:2:2 hoặc 4:2:0) mau RGB nén Hình 2.2 — Sơ đồ khối bộ giải mã JPEG Trong số các phương pháp mã hóa JPEG thì mã hóa có tổn hao được sử dụng phố biến nhất.2 trình bay cau trúc bộ mã hóa và giải mã JPEG có ton hao. Phân tiếp theo sẽ đề cập chỉ tiết từng khối trong quá trình nén JPEG 2.1 Chuyến đỗi không gian màu Đề đạt được hiệu suất nén cao, dau tiên sự tương quan giữa các thành phần màu cần được giảm xuống băng các chuyền đôi từ không gian màu RGB sang không gian mau không tương quan như YC;C> theo công thức sau: Y 0.081312 || B 128 Quá trình chuyển đổi ngược từ không gian mau YC;C; sang không gian mau RGB được thực hiện như sau: R 1.2 Gidm mẫu thành phan màu Mat con người nhạy cảm với thành phan độ chói hơn thành phan mau. Do đó dé nâng cao tý số nén, các thành phân màu thường được giảm số lượng mẫu.

Có ba định dạng mảu thường được sử dụng trong nén JPEG bao gồm: (a) Định dạng 4:4:4: thành phần độ chói và thành phần màu có cùng độ phân giải ở cả hai chiêu. HVTH: Nguyễn Minh Hải 4 GVHD: TS. Võ Trung Dũng Chương 2 — Tổng Quan Tinh Hình Nghiên Cứu (b) Định dạng 4:2:2: thành phần màu có cùng độ phân giải với thành phần độ chói ở phương thắng đứng và bằng một nửa ở phương ngang. (c) Định dạng 4:2:0: độ phân giải của thành phần màu ở cả hai chiều đều bằng một nửa so với thành phan độ chói.

‘ ¥ ‘ bá " bá W W/2 W/2 _ wd] œ H Cb HỊ| Cb W _w/2 _w/2 , H2 Cr H Cr H Cr Hình 2.3 — Ba định dang mau thường duoc sử dung trong nén JPEG Hình 2.4 trình bày ví dụ anh lena với các định dang mau khác nhau (a) Ảnh gốc lena (b) Ảnh lena hệ màu YCbCr (c) Ảnh lena YCbCr4:2:2 (d) Anh lena YCbCr 4:2:0 Hình 2.4 — Anh lena với các định dang màu khác nhau HVTH: Nguyễn Minh Hải 5 GVHD: TS. Võ Trung Dũng Chương 2 — Tổng Quan Tinh Hình Nghiên Cứu 2.3 Biên đôi cosin ròi rac Bước tiếp theo của quá trình nén JPEG là thực hiện biến đổi cosin rời rac (DCT: Discrete Cosine Transform). Đề thực hiện biến đổi DCT, ảnh được chia thành các khối 8x8. Quá trình chia ảnh thành khối được thực hiện từ trái sang phải từ trên xuống dưới.

Định nghĩa toán học của biến đổi DCT như sau: Biến đổi DCT thuận: F(uv)= CWCOYY fx, »)eos| SA | =—=— (2.3) 7 7 ] x=0 y=0 1/42 với k=0 = Va C(k) Voi u=0,.,7 1 giá tri k khác Biến đổi DCT ngược: ƒ(,y)= 1> » CUNCOFUre05| roe Z6 1 7 7 ————— |COS|— u=0 v=0 16 16 (2.,7 Thanh phan F(u,v) được gọi là hệ số DCT và biến đổi DCT cơ bản được định nghĩa là: Cứ)C@) cos] BOD | BND (2.4 Lượng tử hóa Bước kế tiếp trong quá trình nén JPEG là lượng tử hóa. Trong quá trình lượng tử, các hệ số DCT của ma trận 8x8 được chia cho giá trị lượng tử tương ứng của nó. Quá trình lượng tử được định nghĩa trong công thức (2.7) và quá trình giải lượng tử được định nghĩa trong công thức (2.8) HVTH: Nguyễn Minh Hải 6 GVHD: TS. Võ Trung Dũng Chương 2 — Tổng Quan Tinh Hình Nghiên Cứu Mục dich của quá trình lượng tử là làm giảm hau hết các hệ số DCT tần số cao không quan trọng về giá trị 0, càng nhiều hệ số DCT bằng 0 thì ty số nén sẽ càng cao.

Dé đạt được điều nay ma trận lượng tử Q thường có giá trị nhỏ ở phan góc trái phía trên và giá trị lớn ở phần góc phải phía dưới. Trong quá trình giải lượng tử, mặc dù các thành phan tan số cao bị loại bỏ, biến đổi DCT ngược vẫn có thé xấp xỉ gần đúng ma trận của khối ban đầu. Chuan JPEG giới thiệu ma trận lượng tử chuẩn hóa đạt được hiệu quả cao gan với điều kiện tôi wu cho thành phan độ chói và thành phan màu như công thức (2.10) 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 Tuy nhiên, Các mức độ nén khác nhau (tương ứng với các hệ số chất lượng q khác nhau) có thé đạt được bằng cách nhân ma trận lượng tử chuẩn với một hệ số K được xác định như sau: _=.5 Quét Zig-Zag Sau khi thực hiện biến d6i DCT va lượng tử các giá trị của khối 8x8, chúng ta sẽ có những khối 8x8 mới. Sau đó, khối 8x8 sẽ được quét zig-zag như Hình 2.

Sau khi thực hiện quét zig-zag, chung ta sẽ được một véc tơ với 64 hệ số (0,1. Mục HVTH: Nguyễn Minh Hải 7 GVHD: TS. Võ Trung Dũng Chương 2 — Tổng Quan Tinh Hình Nghiên Cứu đích của việc quét zig-zag là nhằm sắp xếp các thành phan tan số không gian theo thứ tự tăng dan. DC AC, AC ⁄ BK AC AC; Hình 2.5 — Quét zig-zag 2.6 Mã hóa độ sai biệt của các hệ số DC Bởi vì hệ số DC chứa đựng nhiều năng lượng hơn nên nó thường có giá trị lớn hơn nhiều so với các hệ số AC.

Đông thời hệ số DC của các khối lân cận cũng có liên hệ mật thiết với nhau. Vì vậy chuẩn JPEG chỉ mã hóa độ sai biệt giữa hệ số DC của các khối liên tiếp thay vì mã hóa giá tri thực của nó. Công thức toán học biểu diễn độ sai biệt của các hệ số DC liên tiếp như sau: DIff = DC; — DC;-1 (2.12) Hé s6 DCo duoc cho bang 0. Hệ số DC; của khối thứ 7 sẽ là DC,.

Các hệ số DC trong nén JPEG được biéu diễn như Hình 2. <« DCi-1 a Khốii Khối: Diff, = DC; - DC,; Hình 2.6 — Mã hóa các hệ số DC của các khối 8x8 liên tiếp 2.7 Mã hóa độ dài chạy (RLE) các hệ số AC Vector lượng tử chứa nhiều giá trị 0 liên tiếp. Do đó, chúng ta có thể lợi dụng mã hóa độ dài chạy (RLE: Run Length Encoding) nhăm nâng cao hiệu quả nén. Ví dụ với 63 hệ số AC như sau: HVTH: Nguyễn Minh Hải 8 GVHD: TS.

Võ Trung Dũng Chương 2 — Tổng Quan Tinh Hình Nghiên Cứu 57, 45, 0, 0, 0, 0, 23, 0, -30, -16, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,., 0 Chúng ta thực hiện mã hóa cho các giá trị khác 0, sau đó thêm số lượng giá trị băng 0 vào trước giá tri khác 0 đã mã hóa. Với chuỗi hệ số AC ở ví dụ trên, ta có mã hóa độ dài chạy của nó như sau: (0,57); (0,45); (4,23) ; (1,-30); (0,-16) ; (2,1) ; EOB EOB (End of Block) là một từ mã đặc biệt. Nếu trong quá trình mã hóa độ dài chạy chúng ta phát hiện một vi trí mà từ nó trở về sau của chuối kết thúc với toàn gia tri 0 thi từ mã EOB sẽ được su dụng ở vi trí đó. EOB tương ứng với (0, 0).8 Mã hóa Huffman Thay vì lưu trữ giá trị thực, để làm giảm tối đa kích thước ảnh chuẩn JPEG thực hiện phân loại giá trị thành từng nhóm và lưu trữ chỗi bít biểu diễn giá trị như Bang 2.