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.