CHƯƠNG 1 TỎNG QUAN 1. SỰ CAN THIẾT THUC HIỆN DE TÀI Ảnh vệ tinh đa phố hay siêu phố bao gồm nhiều kênh ảnh được thu nhận theo các bước sóng khác nhau và được lưu trữ, phân tích hay hién thị như một tập của những anh đơn sắc (Hình 1). Các bước sóng được sử dụng trong thu nhận ảnh vệ tinh đa pho hay siêu pho thuộc vùng phố khá rộng từ vùng khả kiến đến hồng ngoại và mở rộng đến vùng hồng ngoại nhiệt, nam ngoài sự cảm nhận của mắt người quan sát. Do đó ảnh vệ tinh cung cấp nhiều thông tin hơn so với ảnh kỹ thuật số thu nhận hình ảnh bằng các camera thông thường (chỉ thu nhận vùng khả kiến với ba bước sóng cơ bản tương ứng với Red, Green và Blue, tạo ảnh mau RGB).
Anh viễn thám Landsat4 với 7 kênh pho. Hiện nay, với sự phát triển ngày càng nhanh của công nghệ thu nhận ảnh vệ tinh đa phố hay siêu phố và sự đòi hỏi ngày càng cao về chất lượng thông tin ảnh đã dẫn đến sự cải tiến không ngừng về độ phân giải không gian, độ phân giải phố, độ phân giải bức xa và độ phân giải thời gian. Cùng với sự phát triên đó, nhu câu hoàn Trang | thiện trong truyền dữ liệu, xử lý và lưu trữ hiệu quả cũng đã đặt ra. Cụ thể với những ảnh khi được thu nhận, chỉ một kênh phổ đã có dung lượng lên đến hang trăm megabytes.
Nếu mỗi ảnh vệ tinh đa phổ có vài chục kênh va ảnh vệ tinh siêu pho có đến vài trăm kênh, độ phân giải bức xạ tăng từ 8 lên 12, 16 hay 24 bits thì dung lượng dữ liệu ảnh vệ tinh sẽ rất lớn. Do đó, kỹ thuật nén ảnh viễn thám đã được quan tâm nghiên cứu, nhằm góp phan hoàn thiện các giải pháp ứng dụng ảnh vệ tỉnh trong nhiều lĩnh vực khác nhau như quản lý tài nguyên đất, giám sát ô nhiễm. khí tượng, giám sát môi trường biến, tính toán biến động đường bờ, thực phủ. Khi hién thị ảnh vệ tinh đa phố chỉ cho phép lựa chọn 3 kênh phổ trong số rất nhiều kênh của ảnh dé thé hiện ảnh tô hợp màu, trên cơ sở gán ba kênh được chon cho ba mau cơ bản (R, G, B).
Do đó, ảnh tổ hợp màu không thé hiện được thông tin của ảnh được ghi nhận ở các kênh phố còn lại. Tùy thuộc vào ứng dụng và yêu cầu của việc giải đoán ảnh, người thực hiện sẽ phải chọn kênh phố thích hợp tùy thuộc vào đặc trưng phố của đối tượng cần quan tâm. Trong kỹ thuật truyền thống, với đặc trưng ảnh viễn thám là các kênh phổ có độ tương quan cao, dé sử dụng tối đa lượng thông tin mà ảnh viễn thám cung cấp, nhu cau d6n thông tin ảnh ở nhiều kênh phô thành ảnh có ít kênh phố hơn tạo thuận lợi cho việc giải đoán ảnh. Đáp ứng các nhu cầu về nén ảnh này, phương pháp phân tích thành phần chính (PCA) thường được sử dụng để giảm số lượng các kênh phố mà vẫn giữ được lượng thông tin thay đổi không đáng kể.
PCA là tổ hợp tuyến tính từ không gian nhiêu chiêu vê không gian có sô chiêu ít hơn, loại bỏ tương quan giữa các kênh ảnh. Một giả thiết được đưa ra là sự kết hợp thông tin không gian giữa các điểm ảnh ở từng kênh pho trong bước làm giảm số chiều của ảnh viễn thám có thé sẽ cho khả năng nén tốt hơn so với việc chỉ làm giảm số chiều dựa vào tương quan giữa các kênh phố như PCA đã thực hiện. Thuật toán cổ điển đại diện cho phương pháp này là biến đối Fourier và biến đổi Fourier thời gian ngăn (biến đổi Fourier trong cửa số nhỏ hơn của chuỗi số liệu), biến đối tín hiệu từ miền không gian sang miền tan sô. Tuy nhiên, biên đôi Fourier không thê cung cap thông tin về biên thiên tan sô Trang 2 trong từng vùng ảnh để cho biết thông tin tại những vị trí cụ thể của ảnh [17].
Và theo nguyên lý bất định Heisenburg, khi độ phân giải của tín hiệu cải thiện trong miền không gian bang cách thu hẹp kích thước các cửa số thì độ phân giải tần số sẽ kém di và ngược lại [17]. Lý tưởng nhất là thực hiện việc phân tích ảnh viễn thám ở nhiều kích thước cửa số khác nhau, phương pháp này được gọi là phương pháp đa phân giải, hướng tiếp cận này sẽ cho phép các phần của ảnh được phân tích tốt trong miền không gian và các phần khác sẽ được phân tích tốt trong miền tan số. Day là cơ sở khoa học của phép biến đổi wavelet. Phương pháp nén ảnh dựa vào wavelet cho phép cải thiện đáng ké chất lượng hình ảnh ở tỉ lệ nén cao [25] và được áp dụng trong nén ảnh đa phố theo phép nén không bảo toàn.
Trong quá trình ứng dụng, wavelet đã phát triển gồm nhiều họ wavelet với các hàm wavelet khác nhau phù hợp cho đặc trưng của các loại dữ liệu khác nhau. Và trong nén ảnh viễn thám, câu hỏi đặt ra là với ảnh viễn thám cần nén thì phải lựa chọn loại wavelet nào ở mức phân tích đa phân giải nào sẽ cho tỉ lệ nén cao, tốn thời gian ít và ảnh giải nén có chất lượng tốt. Tuy nhiên, các mục tiêu này không thể đồng thời được thỏa bởi vì nếu tỉ lệ nén cao thì ảnh giải nén sẽ có chất lượng thấp và ngược lại. Từ đây, luận văn thực hiện thử nghiệm thống kê nén ảnh Landsat với một số họ wavelet ở các mức phân tích khác nhau và với các bitrate khác nhau.
Theo đó, với từng tiêu chí ưu tiên mà người dùng đặt ra, có thé lựa chọn được bộ thông số gdm loại wavelet, mức phân tích và bitrate phù hợp. Nhiệm vụ tiếp theo là luận văn thực hiện nén ảnh viễn thám bằng phương pháp nén bảo toản và phương pháp nén không bảo toàn. Kết quả nén của các phương pháp được đánh giá và so sánh. CAC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN Từ những năm 1990, nhiều nghiên cứu của những nhà khoa học trong lĩnh vực nén ảnh viễn thám đa pho sử dụng biến đổi wavelet đã được công bố.
Các kĩ thuật nổi bật như: Embedded Zerotree Wavelet coding (EZW), mã hóa thiết lập phân vùng trong cây phân cấp (Set Partitioning in Hierarchical Tree coding — SPIHT), bộ mã hóa thiết lập phân vùng khối được nhúng (the Set Partitioned Trang 3 Embedded Block Coder - SPECK), thuật toán mã hóa khối được nhúng với sự chặt cụt tối ưu (the Embedded Block Coding with Optimized Truncation algorithm — EBCOT). Đến nay vẫn còn nhiều nghiên cứu được công bố nhằm đánh giá ưu thế giữa các giải thuật. Theo tác giá Napoleon D. Trong nghiên cứu [18] phương pháp nén ảnh đa phổ được thể hiện như Hình 2.
Mặc dù kỹ thuật OWT-3D phức tạp hơn so với kỹ thuật SPIHT-3D, nhưng cho phép cung cấp khả năng nén thông tin tốt hơn (Hình 3 đến Hình 6). Ngoài ra, thuật toán OWT-3D thích hợp cho nén ảnh vệ tính hơn thuật toán SPIHT-3D. Kết quả tương tu cũng thể hiện trong [22] với giải thuật OWT-2D. | Anh dau vao Phan tich wavelet Mã hoa »ị Lượngtửhoá |_— | ay y Luge donén | Thuật toán Mã hoá Huffman Anh nén OWT-3D | SPIHT-3D Hình 2.
Hệ thống nén ảnh viễn thám da phố dùng lược đồ OWT-3D và SPIHT-3D [18] Li B. và cộng sự cũng đã cho thay một mô hình cấu trúc song trực giao wavelet (OPT9/7 và DB9/7) được sử dụng cho việc nén ảnh vệ tinh [12]. Những tham số mô hình được tối ưu, bằng cách sử dụng thuật toán di truyền và áp dụng nén thông tin như hàm đối tượng tối ưu. Để giải quyết vẫn đề phức tạp trong tính toán, các tác giả xây dựng wavelet với những lớp khác nhau của ảnh và thực hiện giải thuật lựa chọn wavelet thích ứng nhanh (Fast Adaptive Wavelet Selection - FAWS).
Kết quả cho thay OPT9/7 (FAWS) cho hiệu quả thực hiện tốt hơn DB9/7 mà không can tăng mức độ phức tạp tính toán (Bảng 1, Hình 7). Trang 4 120 100 wo ‹ mm om = 60 40 20 0 Các ảnh. THỨ: viện ảnh ` lộan Hình 3. So sánh ti lệ nén giữa SPIHT- Hình 4.
So sánh MSE giữa SPIHT-3D 3D va OWT-3D [18] va OWT-3D [18] 40 | 45 35 án 30 ä 44 = 25 5, 30 + ko l 5 `| 30 SPIHT Bb ng. o 4 0 & a 2 “ a Imagel Image2 Image3 Imagea images imagel image? images imaged = images Hình 5. So sánh PSNR giữa SPIHT- Hình 6. So sánh thời gian thực thi 3D va OWT-3D [18] gitta SPIHT-3D va OWT-3D [18] 90 Tmage DR9/7 OPT9/7 sg LÍ L] DB9/ [T] OPT9/7 — CITY 93.71 76 74 72 70 os CITY FACTORY HONGKONG XIAMEN Bang |.
PSNR so sánh giữa OPT9/7 Hình 7. So sánh phan trăm năng lượng (FA WS) và DB9/7 (dB) [12] giữa OPT9/7 (FA WS) va DB9/7 [12] Kumar, R. [10] nhận thay quá trình nén anh da phô và siêu phô can bao gôm nhiêu bước, kêt hop những ki thuật hiệu quả vào các bước của qua trình nén ảnh, sẽ tạo nên sự tôi ưu toàn cục cho kêt quả nén ảnh. Sau biên đôi wavelet hai chiều, lược đồ Gain shape vector quantization dùng để lượng tử hóa Trang 5 những hệ số wavelet.
Bài báo sử dụng phép lọc song trực giao 9/7 cho phân tích và tái cau trúc ảnh. Tỉ số nhiễu của tín hiệu (SNR) là chỉ số phù hợp hơn PSNR khi xét đến yếu tố nhận biết của mắt người được sử dụng để đánh giá hiệu quả nén (kí hiệu bpp mô tả số bit mã hóa trên mỗi điểm ảnh). Áp dụng nén ảnh Landsat 4 TM, kết quả được so sánh với kỹ thuật nén JPEG-2000 (Hình 8, Hình 9). và cộng sự [8] đã so sánh phương pháp nén Multi-2D (wavelet hai chiều kết hợp với SPIHT-2D) với hai thực nghiệm khác nhau cho phương pháp ba chiều là Full 3D (wavelet hai chiều kết hợp với SPIHT-3D) và Hybrid (wavelet ba chiều kết hợp với SPIHT-3D).
Những phương pháp này déu kết hợp với bước loại bỏ tương quan giữa các kênh phố bằng phân tích thành phân chính để tối ưu giải thuật. Hiệu quả về thời gian và không gian lưu trữ cũng được so sánh, từ kết quả thực nghiệm đạt được có thé tóm tắt như sau: Liên quan đến biến đối chiều không gian ảnh, kết quả nén của ba phương pháp có xu hướng tương tự nhau. Phương pháp Full 3D cho thay có sự nhanh hơn nhiều so với phương pháp Multi- 2D và phương pháp Hybrid ở những tốc độ bit (bpp) cao. Với tốc độ bit thấp, phương pháp Multi-2D cho những kết quả tốt nhất.
Kết quả của những phương pháp này giảm khi số chiều không gian tăng lên.