ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ QUÓC BẢO TRÍ THIET KE LOI IP TRIỆT NHIÊU ANH SỬ DỤNG BIEN DOI CONTOURLET Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã so: 60 52 70 TP. HO CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013 Công trình được hoàn thành tại: Trường Dai học Bách Khoa-DHQG- HCM Cán bộ hướng dẫn khoa hỌC: .- =6 s t3 S583 E123 vs rvvserved (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vi và chữ ký) Cán bộ chấm nhận Xét 1: .- - s6 EESESEEESESEEESESEEeEseserecee (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vi và chữ ký) Cán bộ chấm nhận Xét 2: .-- - - + skE+kSkEESESEEESESEEESESEEEErkrkreree (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vi và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai học Bach Khoa, ĐHQG Tp. Thanh phan Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vi của Hội đông cham bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐẠI HỌC QUOC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LE QUOC BẢO TRÍ MSHV: 12140050 Ngày, tháng, năm sinh: 23/07/1989 Nơi sinh: Thừa Thiên Huế Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã số: 60 52 70 I.
TÊN DE TÀI: THIẾT KE LOI IP TRIỆT NHIÊU ANH SỬ DỤNG BIEN DOI CONTOURLET II. NHIỆM VU VÀ NỘI DUNG. NGÀY GIAO NHIEM VU: (Ghi theo trong QD giao dé tài). NGÀY HOÀN THÀNH NHIEM VU: (Ghi theo trong QD giao dé tài).
CAN BO HUONG DAN: (Ghi rõ hoc hàm, học vị, họ, tên). CÁN BỘ HƯỚNG DAN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ (Họ tên và chữ ký) Thiết kế lõi IP triệt nhiễu ảnh sử dụng biến doi Contourlet GVHD: TS. Trương Quang Vinh LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cắm ơn quý thay cô trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chi Minh, những người đã truyền dat cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu frong suốt khóa học cao học tại truong. Tôi xin được gửi lời cam on sâu sac đến thay — TS.
Truong Quang Vinh. Thay đã hướng đây tận tình, tạo cho tôi cách tw duy và làm việc khoa hoc, và hướng cho tôi đến các dé tài khoa học mới mẽ. Tôi xin cam ơn các ban học viên, sinh viên làm việc tại phòng Lab 116 BI đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn động viên và ung hộ, giúp tôi có thêm động lực dé hoàn thành dé tài.
Hô Chí Minh, 28/11/2013 Hoc vién Lé Quoc Bao Tri HVTH: Lê Quốc Bảo Trí i Thiết kế lõi IP triệt nhiễu ảnh sử dụng biến doi Contourlet GVHD: TS. Trương Quang Vinh TOM TAT Nang cao chat lượng anh luôn là một vấn đề phức tạp vì các loại nhiễu ảnh rất đa dạng như nhiễu Gauss, nhiễu xung, nhiễu hạt tiêu, nhiễu liên khung hình. Thực hiện việc lọc nhiễu và nâng cao chất lượng ảnh thời gian thực còn khó khăn hơn vì thuật toán phức tạp cho kết quả tốt thì không thể hiện thực trên phần cứng để xử lý thời gian thực. Các phương pháp lọc nhiễu truyền thống thường dựa vào bộ lọc trong miền không gian như bộ lọc Mean, Gaussian, Median,.
Các bộ lọc nhiễu hiện đại thường sử dụng công cụ biến đổi ảnh như FFT, DCT, hoặc Wavelet dé phân tích hình ảnh thành các tham số thể hiện được đặc tính cả không gian và tần số. Tuy nhiên, van đề triệt nhiễu luôn cần được cải tiễn và nâng cao dé thỏa mãn yêu cầu chất lượng hình ảnh ở ngõ ra. Đề tài này thực hiện nghiên cứu giải thuật lọc nhiều ảnh dựa trên phép biến đổi Contourlet, là một phép biến đổi cải tiến vượt trội hon Wavelet. Phép biến đối Contourlet cho phép phân tích hình ảnh với các đặc điểm về thời gian, tần số, Vi tri, hướng.
va đa phan giải. Nhờ tính chất này, loc nhiễu trong miền Contourlet có thé thực hiện dé dàng bằng phương pháp cắt ngưỡng tín hiệu. Tuy nhiên phép biến đổi Contourlet rất phức tạp, khó xử lý trong thời gian thực. Vì vậy, cần phải có thiết bị phân cứng để hỗ trợ xử lý trong thời gian thực.
Dựa trên giải thuật lọc nhiễu anh dé nghị, dé tài thực hiện thiết kế phần cứng và phát triển lõi IP để triệt nhiễu ảnh trong thời gian thực. Lõi IP được thiết kế trên ngôn ngữ Verilog với kiến trúc đường ống (pipeline) để có thể xử lý ảnh thời gian thực. Việc kiểm định IP được thực hiện trên FPGA Cyclone III của hang Altera. HVTH: Lê Quốc Bảo Tri ii Thiết kế lõi IP triệt nhiễu ảnh sử dụng biến doi Contourlet GVHD: TS.
Trương Quang Vinh ABSTRACT Image enhancement is always a complex problem because the image noise is diverse as Gaussian noise, impulse noise, pepper noise. Denoising and improving image in the real-time is even more difficult because they require heavy computation and they are hardly implemented on the hardware for real-time processing. The traditional denoising methods are based on filters in the spatial domain as Mean filter, Gaussian, Median, etc. Modern noise filters usually use image transform tools such as FFI, DCT, or Wavelet to decompose image into coefficients which present both the spatial and frequency characteristics.
However, the denoising problem always needs to be improved and enhanced to satisfy the requirements of output image quality. This project researches image denoising algorithm using Contourlet transform which surpassed Wavelet transform. Contourlet is a new emerging transformation method to decompose an image into subbands which are characterized as time, frequency, location, direction, and multi-resolution. Based on these characteristics, Contourlet transform is effectively applicable for video and image desnoising.
However, the heavy computation of contourlet transform makes it hard to apply for real-time image processing. Thus, hardware implementation is a solution to enhance processing time of Contourlet transform. Based on the proposal image denoising algorithm, we implemented the proposed hardware architecture in Bitec development kit using Cyclone III FPGA. The hardware architecture is described in Verilog language.
In order to achieve highest throughput, we design full pipeline architecture for hardware design. Eventually, the video denoising design was packaged as an IP core with Avalon interface. HVTH: Lê Quốc Bảo Tri iii Thiết kế lõi IP triệt nhiễu ảnh sử dụng biến doi Contourlet GVHD: TS. Trương Quang Vinh LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan các kết quả dé tài thực hiện chưa từng công bồ trong bat kỳ công trình khoa học trước đây.
Người cam đoan Lê Quoc Bảo Tri HVTH: Lê Quốc Bảo Trí iv Thiết kế lõi IP triệt nhiễu ảnh sử dụng biến doi Contourlet GVHD: TS. Trương Quang Vinh MỤC LỤC LOI CAM 0900. ii ABSTRACT ooo. ili LOI CAM 029000577.
Vv DANH MỤC CAC KÝ HIỆU, CAC CHỮ VIET TAT. eseecseessesssessseesseesneeseeesneesssesseesnessseenneeses vii DANH SÁCH HINH VE VA BANG BIÊU.-- 5+ tệ TH HH viii CHUONG 1: TONG QUAN VE ĐỀ TÀI.-- (5 SE S SE 9 5 1 E5 1 1 1 1 1 11111111111 1x ce.1 GiGi HhiGu GE 1008.2 Tinh hình nghién CỨU. ngờ 2 13 Mục tiêu và giới hạn để tài.4 Bố cục luận văn.- - c1 1911115111111 1011111 1H11 11 T110 TH HT ng ve, 6 CHƯƠNG 2: GIỚI THIEU VE BIEN DOI CONTOURLUET.2 Biến đổi Contourlet rời rạc (Multiscale and directional decomposifion).3 Phân tích mutiscale dùng Laplacian Pyrarmid.4 Directional Filter Bank IDecomPOSIẨIOIN.2 Bién di nguoc Contourlet 0207777.1 Laplacian Pyramid ReconSfTUCfIOTI.2 Directional Filter Bank ReconfTUCfIOW.- 5 5< 3 3101113999931 11 99955511 rre 16 CHƯƠNG 3: GIẢI THUẬT TRIET NHIÊU ANH TRONG MIEN CONTOURLET SỬ DỤNG PHƯƠNG PHAP PHAN LOẠI KHÔI ẢNH.1 Phân tích sự tác động của việc áp dụng ngưỡng lên các băng con Contourlet với các khôi ảnh có hướng khác nhau. -- - 2< 5E 11191 9319 K0 nghe 19 BLL Phan 0n cố .2 Sự tác động của việc áp dụng ngưỡng lên các băng con Contourlet với các khối ảnh M9801)ï150 3190:0018.2 Phương pháp triệt nhiễu ảnh trong miền Contourlet dựa trên phân loại khối ảnh.3 Kết quả thực nghiệm.
28 CHƯƠNG 4: THIẾT KE LÕI IP TRIỆT NHIÊU ANH .1 Thiết kế đặc tính lõi IIP.2 Cấu trúc phan cứng cho giải thuật triệt nhiễu ảnh sử dụng Contourlet.1 Cầu trúc phần cứng cho khối Contourlet Transform (CT).2 Cau trúc phan cứng khối Block Classification.3 Cau trúc phần cứng khối Denoise.----- ¿+ +22 2+ £2+E+E££££E£Ev£E+EeEezxrxersrrcree 44 HVTH: Lê Quốc Bảo Trí y Thiết kế lõi IP triệt nhiễu ảnh sử dụng biến doi Contourlet GVHD: TS. Trương Quang Vinh 4.4 Cau trúc phần cứng của khối Inverse Contourlet Transform (ICT) .3 Đóng gói lõi IP triệt nhiễu ảnh .--¿-¿ ¿2-22 S2222E2EE‡ESEEEEEEEEEEEkEErrrkrrrerrres 54 CHUONG 5: THÁM TRA THIET KE LOT IPueeeecccccccccccscsscsessssesesscsessesesesscseseseseescsesnessseeeeseaes 56 5.1 Môi trường kiểm tra lõi IP trên ModelSim và Matlab.2 Thử nghiệm 161 IP trên FPGA Cyclone [ID .-- -- - 5= «<< + x ££+++ + seeesss 62 CHUONG 6: KẾT LUẬN VA HƯỚNG PHAT TRIEN .2 Hướng phát triỂn. 77 HVTH: Lê Quốc Bảo Trí vỉ Thiết kế lõi IP triệt nhiễu ảnh sử dụng biến doi Contourlet GVHD: TS. Trương Quang Vinh DANH MỤC CAC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIET TAT LP : Laplacian Pyramid.
DFBDEC : Direction Filter Bank Decomposition. QFBDEC : Quincunx Filter Bank Decomposition. LPR : Laplacian Pyramid Reconstruction. DFBREC : Direction Filter Bank Reconstruction.
QFBREC : Quincunx Filter Bank Reconstruction. CT : Contourlet Transform. ICT : Inverse Contourlet Transform. LP_LI : Laplacian Pyramid Decomposition Level 1.
LP_L2 : Laplacian Pyramid Decomposition Level 2. DFB_L1 : Direction Filter Bank Decomposition Level 1. DFB_L2 : Direction Filter Bank Decomposition Level 2. ATD_LI : Apdaptive Threshold Denoising Level 1.
ATD_L2 : Apdaptive Threshold Denoising Level 2. DFBR_L1 : Direction Filter Bank Reconstruction Level 1. DFBR_L2 : Direction Filter Bank Reconstruction Level 2. LPR_LI : Laplacian Pyramid Reconstruction Level 1.
LPR_L2 : Laplacian Pyramid Reconstruction Level 2. HVTH: Lê Quốc Bảo Tri vii Thiết kế lõi IP triệt nhiễu ảnh sử dụng biến doi Contourlet GVHD: TS. Trương Quang Vinh DANH SÁCH HÌNH VE VA BANG BIEU Hình 2.1: Minh hoa wavelets có hỗ trợ dang vuông chỉ có thé ? "bat “ được các điểm không liên A YD tuc,trong khi contourlets hồ trợ “bat” được các đoạn tuyên tính kéo đài nên có thê biêu diễn đoạn biên trơn chỉ với VAI NE SỐ. - «ket kề 1111111111111 1111511111111 S Hình 2.2: Bộ lọc băng Contourlet: trước tiên, phân tích mutiscale vào các băng bang Laplacian pyramid, sau đó băng lọc hướng được áp vào mỗi kênh.3: Laplacian Pyramid DeCOIDOSÍIOH.
SG Họ re 9 Hình 2.4: Kết qua mô phóng Laplacian Pyramid bằng Matlab. - 5255555 ce+xeesrecee: 10 Hình 2.5: Direction Filter Bank ở mức n=3 tạo ra 2” vùng TAN SO.---- 5c cc5cce+esccrececec 11 Hình 2.6: (a) Diamond-Shaped Filter, (b) Fan-Shaped Filter .7: Sơ đồ DFBDEC level 1, level 2.8: Sơ đồ DFBDEC level 3 trở len.9: Sơ đồ khối QFBDEC level. «<< 5< SE EEEEEEE5135 51111511 11111111 1111111110111 re.10: Sơ đồ khối QFBDEC level 2. -- + <5 < SE SE SESk SE EEEEEEEEE351511 151111111111 11111111 111111.11: Vi du vé 2 todin tie Qo Vl Oj.