Đang tải... (xem toàn văn)
Đồ án chia làm 3 chương: Giới thiệu tổng quan về ảnh số và các kĩ thuật nâng cao chất lượng ảnh như biến đổi ảnh xám, biến đổi âm bản, các phương pháp lọc ảnh nhiễu... Giới thiệu về kĩ thuật nén ảnh và đi sâu vào 2 chuẩn nén ảnh JPEG và JPEG2000. Giới thiệu tổng quan về ngôn ngữ lập trình Matlab và chương trình mô phỏng kĩ thuật nâng cao chất lượng và nén ảnh bằng Matlab.
Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục Nguyễn Phương Hiền – D04VT2 i MỤC LỤC MỤC LỤC I DANH MỤC HÌNH VẼ IV DANH MỤC BẢNG BIỂU VI THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VII LỜI NÓI ĐẦU A CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ẢNH SỐ VÀ CÁC KĨ THUẬT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH 1 1.1 TỔNG QUAN VỀ ẢNH SỐ 1 1.2 CÁC KĨ THUẬT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH 1 1.2.1 Biến đổi mức xám 1 1.2.1.1 Biến đổi âm bản 2 1.2.1.2 Biến đổi log 2 1.2.1.3 Biến đổi hàm mũ 3 1.2.1.4 Giãn độ tương phản 3 1.2.1.5 Kĩ thuật cắt theo mức 4 1.2.2 Cân bằng mức xám 5 1.2.3 So sánh mức xám 6 1.2.4 Chèn nhiễu 6 1.2.5 Lọc ảnh 7 1.2.5.1 Lọc làm mịn ảnh 8 a. Lọc không gian tuyến tính 8 b. Lọc không gian phi tuyến 8 c. Lọc trung bình 8 d. Lọc thông thấp miền tần số 9 1.2.5.2 Lọc sắc nét ảnh 9 a. Lọc thông cao 9 b. Lọc tần số từ không gian 10 1.2.5 Các kĩ thuật làm nổi đường biên ảnh 10 1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 11 CHƯƠNG 2 CÁC KĨ THUẬT NÉN ẢNH 12 Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục Nguyễn Phương Hiền – D04VT2 ii 2.1 TỔNG QUAN VỀ NÉN ẢNH 12 2.1.1 Giới thiệu chung về nén ảnh số 12 2.1.2 Sơ đồ khối hệ thống nén ảnh điển hình 13 2.1.3 Phân loại các kỹ thuật nén 13 2.1.4 Các nguyên tắc khi nén ảnh 14 2.1.5 Dư thừa số liệu 14 2.1.5.1 Dư thừa mã (Coding Redundancy) 15 2.1.5.2 Dư thừa trong pixel ( Interpixel Redudancy) 16 2.1.5.3 Dư thừa tâm sinh lý (Psychovisual Redudancy) 16 2.1.6 Giới thiệu một số kỹ thuật sử dụng trong nén ảnh 17 2.1.6.1 Mã hoá dựa trên phép biến đổi DCT 17 a. Biến đổi DCT thuận và nghịch 17 b. Lượng tử và giải lượng tử 19 c. Mã hóa và giải mã 19 2.1.6.2 Kỹ thuật mã hoá băng con 20 a. Ý tưởng mã hoá băng con 20 b. Mã hoá băng con 20 2.1.6.3 Biến đổi Wavelet trong nén ảnh 22 a. Biến đổi Wavelet 1-D 23 b. Biến đổi Wavelet rời rạc 2-D 24 2.1.7 Các tiêu chuẩn nén ảnh 26 2.2. GIỚI THIỆU JPEG VÀ JPEG2000 26 2.2.1 JPEG 26 2.2.1.1 Giới thiệu sơ lược 26 2.2.1.2 Sơ đồ khối 27 2.2.2 JPEG2000 28 2.2.2.1 Giới thiệu sơ lược 28 2.2.2.2 Sơ đồ khối bộ mã hóa và bộ giải mã JPEG 2000 28 2.2.3 So sánh JPEG và JPEG2000 29 2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 31 CHƯƠNG 3 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 32 3.1 NGÔN NGỮ MATLAB 32 Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục Nguyễn Phương Hiền – D04VT2 iii 3.1.1 Sơ lược lịch sử Matlab 32 3.1.2 Đặc điểm của Matlab và các ứng dụng 34 3.2 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG SỬ DỤNG MATLAB 35 3.2.1 Giao diện chương trình mô phỏng 35 3.2.2 Nâng cao chất lượng ảnh 36 3.2.2.1 Biến đổi mức xám 36 a. Biến đổi mức xám sử dụng hàm imadjust 37 b. Biến đổi âm bản 38 c. Biến đổi log 39 d. Biến đổi hàm mũ 39 e. Biến đổi giãn độ tương phản 40 f. Kĩ thuật cắt theo mức 41 3.2.2.2 Cân bằng mức xám 41 3.2.2.3 So sánh mức xám 42 3.2.2.4 Chèn nhiễu 43 3.2.2.5 Lọc ảnh 44 a. Lọc làm mịn ảnh 45 b. Lọc sắc nét ảnh 51 3.2.2.6 Các kĩ thuật làm nổi đường biên ảnh 53 3.2.3 Nén ảnh 54 3.2.3.1 Nén ảnh dùng mã hóa Huffman 54 3.2.3.2 Nén ảnh dùng mã dự đoán không tổn thất 54 3.2.3.3 Nén ảnh JPEG dùng biến đổi DCT 54 3.2.3.4 Nén ảnh JPEG2000 55 3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 56 KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ Nguyễn Phương Hiền – D04VT2 iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Biến đổi âm bản 2 Hình 1.2 Đồ thị hàm log 3 Hình 1.3 Đồ thị hàm mũ 3 Hình 1.4 Biến đổi giãn độ tương phản 4 Hình 1.5 Đồ thị kĩ thuật cắt theo mức 4 Hình 1.6 Biểu đồ hàm s = T(r) 5 Hình 1.7 Cơ chế lọc không gian 7 Hình 1.8 Đường biên của ảnh 10 Hình 2.1 Sơ đồ khối một hệ thống nén ảnh điển hình 13 Hình 2.2 Mô hình mã hóa dự đoán không tổn thất bao gồm bộ mã hóa và bộ giải mã 16 Hình 2.3 Sơ đồ mã hóa và giải mã dùng biến đổi DCT 17 Hình 2.4 Các bước của quá trình mã hóa biến đổi DCT đối với 1 khối 18 Hình 2.5 a) Băng lọc phân tích; b) Hai bộ lọc thông thấp và thông cao c) Phần vùng trong miền tần số; d) Băng lọc tổng hợp 21 Hình 2.6 Sơ đồ khối phân tích tín hiệu mức j 23 Hình 2.7 Sơ đồ biến đổi ngược Wavelet mức j 24 Hình 2.8 Sơ đồ phân tích Wavelet rời rạc 2-D 25 Hình 2.9 Sơ đồ biến đổi ngược Wavelet rời rạc 2-D 25 Hình 2.10 Sơ đồ khối bộ mã hóa và giải mã JPEG dựa trên biến đổi DCT 27 Hình 2.11 Sơ đồ khối bộ mã hóa và bộ giải mã JPEG 2000 28 Hình 2.12 So sánh JPEG, JPEG2000 29 Hình 2.13 Tỉ lệ nén của JPEG2000 và JPEG 30 Hình 2.14 Minh hoạ tính năng ROI 31 Hình 3.1 Giao diện chương trình nâng cao chất lượng và nén ảnh 36 Hình 3.2 Giao diện chương trình biến đổi ảnh xám 37 Hình 3.3 Đồ thị của các giá trị trong hàm imadjust 38 Hình 3.4 Ảnh âm bản 39 Hình 3.5 Ảnh biến đổi hàm log 39 Hình 3.6 Ảnh biến đổi hàm mũ 40 Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ Nguyễn Phương Hiền – D04VT2 v Hình 3.7 Ảnh giãn độ tương phản 40 Hình 3.8 Ảnh cắt theo mức không nền và có nền 41 Hình 3.9 Ảnh cân bằng và biểu đồ 42 Hình 3.10 Hai ảnh xám gần giống nhau 42 Hình 3.11 Ảnh xám thu được trước và sau khi cân bằng 43 Hình 3.12 Ảnh chèn nhiễu salf & pepper 43 Hình 3.13 Giao diện chương trình mô phỏng các phương pháp chèn và lọc nhiễu 44 Hình 3.14 Ảnh lọc sử dụng bộ lọc trung bình 47 Hình 3.15 Ảnh thu được nhờ bộ lọc Laplace có giá trị -4 và -8 ở chính giữa 48 Hình 3.16 Ảnh lọc không gian phi tuyến 49 Hình 3.17 Ảnh lọc trung vị 3x3 50 Hình 3.18 Ảnh lọc trung bình 50 Hình 3.19 Ảnh lọc thông thấp 51 Hình 3.20 Ảnh lọc thông cao cơ bản 51 Hình 3.21 Ảnh lọc emphasis cao tần 52 Hình 3.22 Ảnh lọc tần số từ không gian 53 Hình 3.23 Giao diện nén ảnh JPEG và JPEG2000 55 Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục bảng biểu Nguyễn Phương Hiền – D04VT2 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Số bit mỗi pixel 30 Bảng 3.1 Các bộ lọc đặc biệt 45 Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt Nguyễn Phương Hiền – D04VT2 vii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ Tên tiếng Anh Tiếng Việt D DCT Discrete Cosin Transform Biến đổi cosin rời rạc DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DWT Discrete Wavelet Transform Biến đổi Wavelet rời rạc F FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh I IEEE Institute of Electrical and Electronic Enginee Học viện kĩ nghệ điện và điện tử IPT Image Processing Toolbox Hộp công cụ xử lí ảnh ISO International Organization for Standardization Tổ chức chuẩn hóa quốc tế J JPEG Joint Photo Graphic Experts Group Liên hiệp các nhóm chuyên gia về hình ảnh M MIT Massachusetts Institute of Technology Học viện Công nghệ Massachusetts MPEG Motion Picture Experts Group Nhóm chuyên gia về hình ảnh động MSE Mean Square Error Lỗi trung bình quân phương P PSNR Peak Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu đỉnh trên nhiễu Q QMF Quadrature Mirror Filter Bộ lọc gương cầu phương Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt Nguyễn Phương Hiền – D04VT2 viii S SBC Subband Coding Mã hóa băng con SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu R RLC Run Length Coding Mã hoá loạt dài RMSE Root Mean Square Error Lỗi trung bình quân phương chuẩn ROI Region of Interest Mã hoá ảnh theo vùng V VLC Variable Length Coding Mã hóa với độ dài mã thay đổi W WIC Wavelet Image Compession Nén ảnh sử dụng Wavelet Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu Nguyễn Phương Hiền – D04VT2 a LỜI NÓI ĐẦU Trong nhiều thập kỷ gần đây, cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, sự phát triển mạnh mẽ của máy tính và sự ra đời của Internet thì nhu cầu các dịch vụ dữ liệu truyền trên mạng là rất lớn, nhất là dữ liệu đa phương tiện. Ảnh số ra đời khiến cho nhu cầu của con người về chất lượng ảnh cũng ngày càng tăng cao. Con người sử dụng ảnh số cho nhiều mục đích, nhiều lĩnh vực khác nhau, từ nghệ thuật, y học cho tới thiên văn học, địa lý,…Vì vậy ảnh số phải được xử lí sao cho phù hợp với từng mục đích cụ thể. Xuất phát từ nhu cầu đó của con người, nhiều kỹ thuật xử lí ảnh số ra đời. Xử lí ảnh số mặc dù là một khoa học còn tương đối mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác nhất là trên quy mô công nghiệp, song nó đã đem lại nhiều lợi ích. Xử lí ảnh số bao gồm việc tìm tòi nghiên cứu về các kĩ thuật nén ảnh để đảm bảo tiết kiệm băng thông truyền dẫn, giảm bớt không gian lưu trữ để truyền thông tin trên mạng một cách dễ dàng và nhanh chóng. Ngoài ra, các thuật toán nhằm nâng cao chất lượng ảnh cũng là một vấn đề đòi hỏi sự đầu tư nghiên cứu. Các thuật toán, các phép biến đổi nâng cao chất lượng ảnh mà chúng ta đã biết như tạo ảnh âm bản, chèn nhiễu, tăng, giãn độ tương phản, biến đổi logic số học, phép lọc… Các kỹ thuật nén sử dụng phép biến đổi Fourier (FT), biến đổi cosine rời rạc (DCT), biến đổi Wavelet (DWT) có nhiều ưu điểm không chỉ trong xử lí ảnh mà còn nhiều ứng dụng khác. Bằng chứng là sự ra đời của chuẩn nén JPEG (DCT) và JPEG2000 (dựa trên DWT) đang được sử dụng rất rộng rãi. Với mục tiêu xây dựng chương trình mô phỏng, minh họa cho các kĩ thuật nâng cao chất lượng và nén ảnh, em quyết định chọn đề tài này để làm đồ án tốt nghiệp. Đồ án của em chia làm 3 chương: - Chương 1 giới thiệu tổng quan về ảnh số và các kĩ thuật nâng cao chất lượng ảnh như biến đổi ảnh xám, biến đổi âm bản, các phương pháp lọc ảnh nhiễu - Chương 2 giới thiệu về kĩ thuật nén ảnh và đi sâu vào 2 chuẩn nén ảnh JPEG và JPEG2000. - Chương 3 giới thiệu tổng quan về ngôn ngữ lập trình Matlab và chương trình mô phỏng kĩ thuật nâng cao chất lượng và nén ảnh bằng Matlab. Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu Nguyễn Phương Hiền – D04VT2 b Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, ThS. Nguyễn Xuân Hoàng đã nhiệt tình hướng dẫn, tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Hà nội, tháng 11 năm 2008 Sinh viên Nguyễn Phương Hiền [...]... thụng cao Khi offset Nguy n Ph ng Hi n D04VT2 9 ỏn t t nghi p ih c Ch ng 1: Nõng cao ch t l k t h p v i vi c nhõn b l c v i m t s l n h n 1 thỡ ph ng phỏp ny emphasis cao t n b i vỡ phộp nhõn lm n i rừ cỏc t n s cao Emphasis cao t n cú hm truy n ng nh c g i l l c t: Hhfe(u,v) = a + bHhp(u,v) (1.19) [2] trong ú a l offset, b l s nhõn v Hhp(u, v) l hm truy n t c a b l c thụng cao cú k t qu l c cao h... cao l c s c nột nh nh lm suy gi m cỏc thnh ph n t n th p v lo i b g n h t cỏc thnh ph n cao t n c a bi n i Fourier L c thụng cao c b n Cho hm truy n c a b l c thụng cao t t Hlp(u, v) c a 1 b l c thụng th p, ta thu ng ng nh s d ng: Hhp(u,v) = 1 Hlp(u,v) (1.18) c hm truy n t [2] L c emphasis cao t n Cỏc b l c thụng cao nh trờn s lm gi m giỏ tr trung bỡnh c a nh t i 0 Nh ta ó th y trờn, nh l c nột h n...ỏn t t nghi p ih c Ch CH T NG QUAN NH S ng 1: Nõng cao ch t l ng nh NG 1 V CC K THU T NNG CAO CH T L NG NH L ch s c a x lớ nh b t ngu n t vi c nõng cao ch t l ng hỡnh nh c truy n qua gi a ng cỏp London v NewYork vo n m 1920 Lỳc y x lớ nh ch n gi n l x lớ phõn b cỏc m c sỏng (m c xỏm v phõn gi i c a nh) Vi c nõng cao ch t l ng nh b ng cỏc ph ng phỏp x lớ truy n nh s c nghiờn c u liờn... ng u n gi n v k t qu 10 ỏn t t nghi p 1.3 K t lu n ch ih c Ch ng 1: Nõng cao ch t l ng nh ng 1 K t thỳc ch ng 1, m t s k thu t nõng cao ch t l ng nh nh bi n i nh xỏm (bi n i õm b n, bi n i hm log, hm m ), l c nhi u (l c thụng th p, thụng cao, l c phi tuy n, tuy n tớnh, l c trung v , ), lm n i biờn nh ó c c p n Trờn th c t , nõng cao ch t l ng nh cũn r t nhi u v n ỏng chỳ ý khỏc nh cỏc k thu t lm tr n... MPEG-4, MPEG-7: dựng cho nộn nh ng, do y ban ISO IEC/JTC1/SC29 /WG11 phỏt tri n cho mó húa k t h p gi a video v audio MPEG1 dựng cho nộn nh ng cú kớch th c 320x240 v t c bit 1-1,5 Mbit/s i v i ghi hỡnh trờn b ng t v a quang (CD), 250 Kbps i v i mó húa audio stereo MPEG-2 c s d ng cho cỏc ng d ng cao h n v i t c 10 Mbit/s cho vi n thụng, truy n thụng thụng th ng v truy n hỡnh cú phõn gi i cao (HDTV) MPEG-4... b l c thớch h p Tr ng h p t ng quỏt cú th dựng ph ng phỏp l c trung bỡnh v i cỏc b l c cú kớch th c khỏc nhau, m i i m nh c thay th b ng trung bỡnh tr ng s c a cỏc i m lõn c n v c nh ngh a nh sau: Nguy n Ph ng Hi n D04VT2 8 ỏn t t nghi p ih c v(m, n) = Ch ồ ( k ,l)e ồ W ng 1: Nõng cao ch t l a(k , l ) y (m - k , n - l ) (1.16) N u trong k thu t l c trờn, ta dựng cỏc tr ng s nh nhau, ph tr thnh: v(m,... tõm s lm suy gi m cỏc thnh ph n cao t n c a F(u, v), trong khi ú vi c lo i b cỏc t n s th p g n nh khụng thay i 1.2.5.2 L c s c nột nh M c ớch c a l c lm s c nột nh l lm n i b t cỏc chi ti t nh ho c chi ti t b m , cú th do nhi u ho c do quỏ trỡnh thu nh n nh Cỏc k thu t l c lm s c nột u l l c mi n t n s a L c thụng cao L c thụng th p lm m m t nh, ng c l i, l c thụng cao l c s c nột nh nh lm suy gi... d i t n c a nh, nh v y s gõy d th a thụng tin khi mó hoỏ trong mi n t n s cao vỡ t n s cao khụng cú nhi u thụng tin c a nh Vỡ v y, c n thi t ph i a ra m t ph ng phỏp m i t i u h n í t ng c a ph ng phỏp mó hoỏ b ng con l chia d i t n s c a nh thnh nhi u d i t n con v mó hoỏ m i d i t n m t s l ng bit khỏc nhau Vớ d , d i t n s cao s bit mó hoỏ s khụng c n nhi u b ng mi n t n s th p V i ph ng phỏp ny... t ng ng l cỏc b l c thụng th p v thụng cao m t chi u T n s 2 chi u c a nh c tỏch ra t ng chi u theo tr c w1 v w2 Hỡnh 2.5 (c) mụ t b ng l c c phõn thnh 4 vựng t n s LL, LH, HL v HH Vựng trung tõm (LL) l vựng cú t n s th p theo c hai h ng B n gúc (HH) l vựng cú cỏc thnh ph n t n s cao theo c hai h ng B n vựng bờn c nh (HL, LH) l cỏc vựng cú t n s th p v t n s cao, m i thnh ph n i theo m t h ng Chỳ ý... kộm cỏc t n s cao; phõn gi i t n s t t v phõn gi i th i gian kộm cỏc t n s th p Nh v y k thu t ny r t thớch h p v i nh ng tớn hi u: cú cỏc thnh ph n t n s cao xu t hi n trong kho ng th i gian ng n, cỏc thnh ph n t n s th p xu t hi n trong kho ng th i gian di ch ng h n nh nh v khung nh video Bi n i Wavelet r i r c (DWT) Cú th hi u phộp bi n i DWT nh l ỏp d ng m t t p cỏc b l c: thụng cao v thụng th . kĩ thuật nén ảnh và đi sâu vào 2 chuẩn nén ảnh JPEG và JPEG2000. - Chương 3 giới thiệu tổng quan về ngôn ngữ lập trình Matlab và chương trình mô phỏng kĩ thuật nâng cao chất lượng và nén ảnh. học Chương 1: Nâng cao chất lượng ảnh Nguyễn Phương Hiền – D04VT2 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ẢNH SỐ VÀ CÁC KĨ THUẬT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH Lịch sử của xử lí ảnh bắt nguồn từ việc nâng cao chất. BIỂU VI THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VII LỜI NÓI ĐẦU A CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ẢNH SỐ VÀ CÁC KĨ THUẬT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH 1 1.1 TỔNG QUAN VỀ ẢNH SỐ 1 1.2 CÁC KĨ THUẬT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH 1 1.2.1