Luận Văn Nén ảnh sử dụng biến đổi wavelet và ứng dụng trong các dịch vụ dữ liệu đa phương tiện di động

LỜI GIỚI THIỆU
Trong những năm gần đây, nhu cầu các dịch vụ dữ liệu trên mạng di động, nhất là dữ liệu đa phương tiện là rất lớn. Cùng với nhu cầu đó, vấn đề đặt ra là làm thế nào tìm được một kỹ thuật mã hoá dữ liệu then chốt (chuẩn), có hiệu quả để truyền các dữ liệu này trên mạng di động.
Mục đích của luận văn là trình bầy một kỹ thuật nén ảnh sử dụng biến đổi Wavelet cho ảnh tĩnh và đặc biệt là ảnh tĩnh trong các dịch vụ dữ liệu đa phương tiện trong mạng di động. So với các kỹ thuật nén sử dụng phép biến đổi trước đây như biến đổi Fourier (FT), biến đổi cosine rời rạc (DCT), biến đổi xếp chồng (LT), , biến đổi Wavelet (DWT) có nhiều ưu điểm không chỉ trong xử lý ảnh mà còn nhiều ứng dụng khác. Bằng chứng là sự ra đời của chuẩn nén JPEG2000 (dựa trên DWT) có tính năng vượt trội so với JPEG (DCT). Tuy nhiên chuẩn JPEG, MPEG hay ngay cả JPEG2000 cũng chỉ tập trung vào hiệu quả nén (tỉ số nén) và chất lượng ảnh mà không chú ý đến năng lượng tiêu hao trong quá trình xử lý và truyền trên mạng. Trong luận văn đã trình bầy một kỹ thuật nén ảnh trong mạng di động sử dụng biến đổi Wavelet hiệu năng không chỉ đem lại hiệu quả nén, chất lượng hình ảnh mà còn tiết kiệm năng lượng xử lý của hệ thống. Điều này hứa hẹn có thể xây dựng một bộ mã hoá ảnh tiết kiệm năng lượng xử lý, thời gian truyền mà vẫn phù hợp với điều kiện băng thông thấp, ràng buộc về chất lượng dữ liệu trong các mạng thông tin di động.
MỤC LỤC
CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN 5
THUẬT NGỮ TIẾNG ANH 7
LỜI GIỚI THIỆU .8
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 9
1.1. Cơ sở nghiên cứu và mục đích của luận văn .9
1.2. Tổ chức luận văn 10
CHƯƠNG 2:TỔNG QUAN CÁC KỸ THUẬT NÉN TRONG MÃ HOÁ ẢNH .11
2.1. Giới thiệu chung về nén ảnh số .11
2.2. Phân loại các kỹ thuật nén .13
2.2.1. Nén tổn hao và không tổn hao 13
2.2.2. Mã hoá dự đoán và mã hoá dựa trên phép biến đổi 13
2.2.3. Mã hoá băng con . 14
2.3. Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng mã hoá ảnh .14
2.4.Các kỹ thuật nén có tổn hao . .15
2.4.1. Kỹ thuật mã hoá băng con 15
2.4.2. Kỹ thuật mã hoá dựa trên phép biến đổi .19
2.4.2.1. Kỹ thuật mã hoá dựa trên phép biến đổi DCT .19
2.4.2.2. Kỹ thuật mã hoá dựa trên phép biến đổi DWT .25
CHƯƠNG 3:CƠ SỞ LÝ THUYẾT BIẾN ĐỔI WAVELET .30
3.1. Cơ sở toán học .30
3.1.1. Biến đổi Wavelet liên tục . .30
3.1.2. Biến đổi Wavelet rời rạc .32
3.2. Tính chất của biến đổi Wavelet . .33
3.3. Giới thiệu một số họ Wavelet 37
3.3.1. Biến đổi Wavelet Haar 37
3.3.2. Biến đổi Wavelet Meyer .38
3.3.3. Biến đổi Wavelet Daubechies .3 8
3.4. Một số ứng dụng nổi bật của Wavelet .39
3.4.1. Nén tín hiệu .39
3.4.2. Khử nhiễu .40
3.4.3. Mã hoá nguồn và mã hoá kênh . 40
CHƯƠNG 4:CHUẨN NÉN ẢNH TĨNH DỰA TRÊN BIẾN ĐỔI WAVELET – JPEG2000 41
4.1. lịch sử ra đời và phát triển chuẩn JPEG2000 .41
4.2. Các tính năng của JPEG2000 41
4.3. Các bước thực hiện nén ảnh theo chuẩn JPEG2000 .42
4.3.1. Xử lý trước biến đổi 42
4.3.2. Biến đổi liên thành phần .42
4.3.3. Biến đổi riêng thành phần (biến đổi Wavelet) 43
4.3.4.Lượng tử hoá - Giải lượng tử hoá 44
4.3.5. Mã hoá và kết hợp dòng dữ liệu sau mã hoá 45
4.3.6. Phương pháp mã hoá SPIHT 45
4.3.7. Phương pháp mã hoá EZW .47
4.4. So sánh chuẩn JPEG2000 với JPEG và các chuẩn nén ảnh tĩnh khác .49
CHƯƠNG 5:ỨNG DỤNG WAVELET TRONG CÁC DỊCH VỤ DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG .54
5.1. Nén ảnh bằng Wavelet .54
5.2.1. Sơ đồ khối tổng quát .54
5.1.2. Biến đổi Wavelet .55
5.1.3. Tính toán năng lượng tiêu hao . .56
5.2. Thuật toán nén ảnh bằng Wavelet hiệu năng - EEW .58
5.2.1. Hiệu năng của các kỹ thuật loại bỏ .60
5.3.2. Các kết quả thực nghiệm 62
5.3.2.1. Ảnh hưởng đến năng lượng tính toán và chất lượng ảnh 62
5.3.2.2. Ảnh hưởng đến năng lượng truyền thông và chất lượng ảnh .62
5.4. Các tham số nén ảnh bằng Wavelet .62
5.4.1. Thay đổi mức biến đổi Wavelet 62
5.4.2. Thay đổi các mức lượng tử .62
5.5. Truyền ảnh trên mạng .62
5.5.1. Phương pháp lựa chọn tham số động 62
5.5.2. Kết quả thực nghiệm .62
KẾT LUẬN .63
Kết quả đạt được và ứng dụng của luận văn .63
Hướng phát triển nghiên cứu 63
PHỤ LỤC . .65
TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN
Hình 2.1 Sơ đồ bộ khái quát hệ thống nén ảnh .12
Hình 2.2. Sơ đồ minh hoạ kỹ thuật mã hoá băng con – M băng con .16
Hình 2.3 Minh hoạ quá trình phân ly băng con cây bát phân .17
Hình 2.4. Phân ly hai ảnh mẫu thành bốn băng con .18
Hình 2.5. Sơ đồ bộ mã hoá theo chuẩn JPEG 23
Hình 2.6. Sắp xếp Zigzag các hệ số DCT ở bộ mã hoá 23
Hình 2.7. Sơ đồ khối bộ giải mã theo chuẩn JPEG 23
Hình 2.8. Bank lọc khôi phục lý thuyết sử dụng DWT 1D 28
Hình 2.9. Minh hoạ DWT hai chiều cho ảnh 28
Hình 2.10(a). Minh hoạ DWT kiểu dyadic mức 3 để nén ảnh 28
Hình 2.10(b). Minh hoạ DWT kiểu dyadic mức 3 để nén ảnh 29
Hình 3.1. Minh hoạ lưới nhị tố dyadic với các giá trị của m và n 33
Hình 3.2. Phân tích đa phân giải áp dụng cho biểu diễn tín hiệu .36
Hình 3.3. Hàm () t ψ của biến đổi Haar 38
Hình 3.4: Hàm ( ) t ψ của biến đổi Meyer . .38
Hình 3.5. Hàm () t ψ của họ biến đổi Daubechies n với n=2, 3, 7, 8 39
Hình 4.1: Trình tự mã hoá (a) và giải mã JPEG2000 (b) .42
Hình 4.2: Minh hoạ ảnh với RGB và YCrCb .43
Hình 4.3: Phương pháp Lifting 1D dùng tính toán biến đổi Wavelet .44
Hình 4.4: Minh hoạ cây tứ phân (a) và sự phân mức (b) 47
Hình 4.5: Hai cách sắp xếp thứ tự các hệ số biến đổi .48
Hình 4.6: So sánh JPEG và JPEG2000 50
Bảng 4.1: So sánh JPEG và JPEG2000 .51
Hình 4.7: Minh hoạ tính năng ROI .52
Bảng 4.2: So sánh tính năng của JPEG2000 với các chuẩn nén ảnh tĩnh khác 53
Hình 5.1. Sơ đồ khối quá trình nén ảnh bằng Wavelet .54
Hình 5.2. (a) Biến đổi Wavelet 2D mức 3 và (b) Minh hoạ bằng ảnh “CASTLE” .56
Hình 5.3. Phân bố số học các hệ số thông cao sau phép biến đổi Wavelet mức 2 59
Hình 5.4: Dữ liệu sau phép biến đổi Wavelet với hai kỹ thuật loại bỏ HH và H* 61


THUẬT NGỮ TIẾNG ANH

CWT Biến đổi Wavelet liên tục (Continuous Wavelet Transform)
DCT Biến đổi Cosine rời rạc (Discrete Cosine Transform)
DFT Biến đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transform)
DPCM Điều xung mã vi sai (Differized Pulse Code Modulation)
DWT Biến đổi Wavelet rời rạc (Discrete Wavelet Transform)
EZW Wavelet cây zero (Embedded Zerotree Wavelet)
HVS Hệ thống cảm nhận hình ảnh của mắt người
(Human Visual System)
IDWT Biến đổi Wavelet rời rạc ngược
JPEG Chuẩn nén ảnh của ủy ban JPEG quốc tế
(Joint Photographic Experts Group)
JPEG2000 Chuẩn nén ảnh JPEG2000
Lossless Compression Kỹ thuật nén ảnh không tổn hao (không mất dữ liệu)
Lossy Compression Kỹ thuật nén ảnh có tổn hao (có mất dữ liệu)
MRA Phân tích đa phân giải (Multi Resolution Analysis)
MSE Sai số bình phương trung bình (Mean Square Error)
PCM Điều xung mã (Pulse Code Modulation)
PSNR Tỷ số tín hiệu đỉnh trên nhiễu (Peak Signal to Noise Ratio)
QMF Lọc gương cầu tứ phương (Quardrature Mirror Filters)
RLC Mã hoá loạt dài (Run Length Coding)
ROI Kỹ thuật mã hóa ảnh theo vùng (Region Of Interest) – Một
tính năng mới nổi bật của JPEG2000
SPIHT Phương pháp mã hoá phân cấp theo vùng
(Set partitioning in hierarchical trees)
STFT Biến đổi Fourier thời gian ngắn (Short Time Fourier
Transform)
Wavelet Biến đổi băng con Wavelet
Wavelet Decomposition