Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu một số kỹ thuật nén dữ liệu dựa trên phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc và ứng dụng trong máy ảnh kỹ thuật số
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn =-=.LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Bùi Thế Hồng đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo và hết lòng giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành luận văn của mình. Xin cảm ơn Khoa Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn nghiên cứu. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2009 Tác giả luận văn NGUYỀN HỒNG NGỌC ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGUYỄNC HỒNG NGỌC NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT NÉN DỮ LIỆU DỰA TRÊN PHÉP BIẾN ĐỔI SÓNG NHỎ RỜI RẠC VÀ ỨNG DỤNG TRONG MÁY ẢNH KỸ THUẬT SỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN THÁI NGUYÊN - 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGUYỄN HỒNGN NGỌC NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT NÉN DỮ LIỆU DỰA TRÊN PHÉP BIẾN ĐỔI SÓNG NHỎ RỜI RẠC VÀ ỨNG DỤNG TRONG MÁY ẢNH KỸ THUẬT SỐ Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. BÙI THẾ HỒNG THÁI NGUYÊN - 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thày giáo TS. Bùi Thế Hồng - Viện Công nghệ Thông tin thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam là ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình và hết lòng giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm luận văn này. Xin cảm ơn các thày giáo, cô giáo, công tác tại Phòng Cơ sở dữ liệu – Viện Công nghệ thông tin, các thầy cô giáo công tác tại Khoa công nghệ thông tin – ĐHTN, cùng tập thể các bạn học viên lớp cao học Khóa 6 đã luôn giúp đỡ, động viên và nhiệt tình chia sẻ với tôi những kinh nghiệm học tập, nghiên cứu trong suốt khoá học. Xin đƣợc cảm ơn Ban lãnh đạo Trƣờng CĐCN Việt đức, cùng toàn thể các bạn đồng nghiệp trong Khoa CNTT đã nhiệt tình tạo điều kiện giúp đỡ cả về thời gian, vật chất và tinh thần để tôi hoàn thành đƣợc khóa học của mình. Thái Nguyên, ngày 10 tháng 11 năm 2009 Học viên Nguyễn Hồng Ngọc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung bản luận văn này là do tôi tự sƣu tầm, tra cứu và sắp xếp cho phù hợp với nội dung yêu cầu của đề tài. Nội dung luận văn này chƣa từng đƣợc công bố hay xuất bản dƣới bất kỳ hình thức nào và cũng không đƣợc sao chép từ bất kỳ một công trình nghiên cứu nào. Tất cả phần mã nguồn của chƣơng trình đều do tôi tự thiết kế và xây dựng, trong đó có sử dụng một số thƣ viện chuẩn và các thuật toán đƣợc các tác giả xuất bản công khai và miễn phí trên mạng Internet. Nếu sai tôi xin tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày 10 tháng 11 năm 2009 Ngƣời cam đoan Nguyễn Hồng Ngọc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i MỤC LỤC CHƢƠNG 1 4 TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT NÉN ẢNH . 4 1.1. Giới thiệu chung về nén ảnh số . 4 1.2. Phân loại các kỹ thuật nén . 6 1.2.1. Nén tổn hao và không tổn hao . 6 1.2.2. Mã hoá dự đoán và mã hoá dựa trên phép biến đổi . 6 1.2.3. Mã hoá băng con 7 1.3. Tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng mã hoá ảnh . 7 1.4. Các kỹ thuật nén có tổn hao 7 1.4.1. Kỹ thuật mã hoá băng con . 7 1.4.2. Kỹ thuật mã hóa dựa trên phép biến đổi . 9 1.4.2.1. Kỹ thuật mã hóa dựa trên phép biến đổi DCT 9 1.4.2.2. Kỹ thuật mã hoá dựa trên phép biến đổi DWT. Mối quan hệ giữa biến đổi Wavelet và Fourier 10 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA BIẾN ĐỔI WAVELET . 13 2.1. Cơ sở toán học. . 13 2.1.1. Biến đổi Wavelet liên tục. 13 2.1.2. Biến đổi Wavelet rời rạc . 13 2.1.3. Tính chất của biến đổi Wavelet. . 14 2.2. Giới thiệu một số họ Wavelet. . 15 2.2.1. Biến đổi Wavelet Haar. 15 2.2.2. Biến đổi Wavelet Meyer . 15 2.2.3. Biến đổi Wavelet Daubechies. 16 2.3. Một số ứng dụng nổi bật của Wavelet. 16 2.3.1. Nén tín hiệu. 16 2.3.2. Khử nhiễu. . 17 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii 2.3.3. Mã hoá nguồn và mã hoá kênh. 17 CHƢƠNG 3 CHUẨN NÉN ẢNH TĨNH DỰA TRÊN BIẾN ĐỔI WAVELET JPEG2000 . 18 3.1. Lịch sử ra đời và phát triển chuẩn JPEG2000. 18 3.2. Các tính năng của JPEG2000 . 18 3.3. Các bƣớc thực hiện nén ảnh theo chuẩn JPEG2000. . 19 3.3.1. Xử lý trƣớc biến đổi. 19 3.3.2. Biến đổi liên thành phần. 19 3.3.3. Biến đổi riêng thành phần (biến đổi Wavelet). 20 3.3.4. Lƣợng tử hoá - Giải lƣợng tử hoá. 20 3.3.5. Mã hoá và kết hợp dòng dữ liệu sau mã hoá. 21 3.3.6. Phƣơng pháp mã hoá SPIHT. . 21 3.3.7. Phƣơng pháp mã hoá EZW. 23 3.4. So sánh chuẩn JPEG2000 với JPEG và các chuẩn nén ảnh tĩnh khác. 24 CHƢƠNG 4 ỨNG DỤNG THỦY VÂN TRONG MÁY ẢNH KỸ THUẬT SỐ 27 4.1. Giới thiệu về máy ảnh kỹ thuật số. 27 4.2. Kỹ thuật thuỷ vân sử dụng phép biến đổi DWT. 28 4.3. Đề xuất qui trình nén và thủy vân ảnh trong máy ảnh số 42 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN Hình 1.1 Sơ đồ bộ khái quát hệ thống nén ảnh 5 Hình 1.2. Sơ đồ minh hoạ kỹ thuật mã hoá băng con – M băng con 8 Hình 1.3. Sơ đồ bộ mã hoá theo chuẩn JPEG 10 Hình 2.1. Minh hoạ lƣới nhị tố dyadic với các giá trị của m và n 14 Hình 3.1: Trình tự mã hoá (a) và giải mã JPEG2000 (b) 19 Bảng 3.1: So sánh JPEG và JPEG2000 25 Hình 4.1. Lƣợc đồ chung cho quá trình giấu tin 28 Hình 4.2. Lƣợc đồ chung cho quá trình giải mã. 29 Hình 4.3. Sơ đồ nhúng thuỷ vân. 32 Hình 4.4. Sơ đồ tách thuỷ vân. 33 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv THUẬT NGỮ TIẾNG ANH CWT DCT DPCM DWT EZW IDWT JPEG JPEG2000 MRA MSE PCM PSNR RLC SPIHT STFT Wavelet Wavelet Decomposition Tree Biến đổi Wavelet liên tục (Continuous Wavelet Transform) Biến đổi Cosine rời rạc (Discrete Cosine Transform) Điều xung mã vi sai (Differized Pulse Code Modulation) Biến đổi Wavelet rời rạc (Discrete Wavelet Transform) Wavelet cây zero (Embedded Zerotree Wavelet) Biến đổi Wavelet rời rạc ngƣợc Chuẩn nén ảnh của ủy ban JPEG quốc tế (Joint Photographic Experts Group) Chuẩn nén ảnh JPEG2000 Phân tích đa phân giải (Multi Resolution Analysis) Sai số bình phƣơng trung bình (Mean Square Error) Điều xung mã (Pulse Code Modulation) Tỷ số tín hiệu đỉnh trên nhiễu (Peak Signal to Noise Ratio) Mã hoá loạt dài (Run Length Coding) Phƣơng pháp mã hoá phân cấp theo vùng (Set partitioning in hierarchical trees) Biến đổi Fourier thời gian ngắn (Short Time Fourier Transform) Biến đổi băng con Wavelet Cây phân giải Wavelet Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 MỞ ĐẦU Trong thời đại của Internet, thông tin ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi và lƣợng thông tin đƣợc trao đổi qua mạng càng lớn mạnh. Tuy nhiên, với lƣợng thông tin lớn nhƣ vậy thì nguy cơ truy cập dữ liệu trái phép cũng tăng lên. Vì thế, nhu cầu đảm bảo an toàn và bảo vệ bản quyền và sở hữu trí tuệ sản phẩm đang là một nhu cầu cấp thiết. Một trong những giải pháp hữu hiệu cho vấn đề này là giấu thông điệp vào những phƣơng tiện chứa. Phƣơng tiện chứa đƣợc dùng phổ biến là các bức ảnh. Ngày nay, hầu hết các bức ảnh đều đƣợc chụp bằng các máy ảnh kỹ thuật số. Để thu gọn độ lớn của các files ảnh, ngƣời ta đã sử dụng các kỹ thuật nén dữ liệu khác nhau và phát sinh ra các định dạng ảnh tƣơng ứng. Các kỹ thuật này có thể đƣợc nhúng trực tiếp vào trong ảnh và là một khâu trong qui trình tạo ảnh. Luận văn này nghiên cứu và đề xuất một kỹ thuật thủy vân các bức ảnh số ngay trong qui trình tạo ảnh đƣợc nén bằng kỹ thuật sóng nhỏ rời rạc DWT nhƣ là một minh chứng cho bản quyền tác giả khi cần thiết. So với các kỹ thuật nén sử dụng phép biến đổi nhƣ biến đổi Fourier (FT), biến đổi cosine rời rạc (DCT), biến đổi xếp chồng (LT), , biến đổi Wavelet (DWT) có nhiều ƣu 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 vƣợt 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 lƣợng. Trong luận văn trình bầy một kỹ thuật nén ảnh sử dụng biến đổi Wavelet hiệu năng đem lại hiệu quả nén, chất lƣợng hình ảnh. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 Cơ sở nghiên cứu và mục đích của luận văn Để có thể sử dụng các dịch vụ Internet và các thông tin số rộng rãi cần có một kỹ thuật, một công nghệ mang lại nhiều hứa hẹn trong ứng dụng bảo vệ bản quyền, không bị biến dạng, điều khiển truy cập đối với các dữ liệu đa phƣơng tiện. Phƣơng pháp giảm kích thƣớc dữ liệu bằng các kỹ thuật nén là một cách tiếp cận hiệu quả giải quyết các khó khăn trên. Mặc dù cho đến nay có rất nhiều kỹ thuật nén dữ liệu đa phƣơng tiện nhƣ: chuẩn JPEG (dựa trên biến đổi DCT), chuẩn JPEG2000 (dựa trên biến đổi Wavelet) và chuẩn MPEG, tuy nhiên những kỹ thuật này chỉ tập trung vào hiệu quả nén và cố gắng đánh mất chất lƣợng ảnh ít vì thế chúng bỏ qua vấn đề tiêu hao năng lượng trong quá trình nén và truyền. Luận văn này trình bầy một kỹ thuật hiệu quả để khắc phục những khó khăn trên cho dữ liệu đa phƣơng tiện. Đó là kỹ thuật nén ảnh sử dụng biến đổi Wavelet thích nghi, hiệu năng cho dữ liệu đa phƣơng tiện trong thông tin và kỹ thuật nhúng thủy vân vào sản phẩm mà không ảnh hƣởng đến chất lƣợng và bảo vệ bản quyền tác giả, đây là ứng dụng cơ bản bản nhất của kỹ thuật thủy vân số. Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu tác giả gọi là thủy vân sẽ đƣợc nhúng vào trong các sản phẩm, thủy vân đó chỉ một mình ngƣời chủ sở hữu hợp pháp các sản phẩm đó có và đƣợc dùng làm minh chứng cho bản quyền sản phẩm. Tổ chức luận văn Luận văn đƣợc trình bầy thành 4 chƣơng và 1 phụ lục. Chƣơng 1 trình bầy khái quát các kỹ thuật nén ảnh, phân loại các nguyên lý nén và định nghĩa một số thuật ngữ đƣợc sử dụng rộng rãi nhƣ MSE, PSNR và SNR. Chƣơng này cũng trình bầy cơ sở lý thuyết của các [...]... im trong khi nhn d liu Gii nộn tng vựng trong nh m khụng cn gii nộn ton b nh Cú kh nng mó hoỏ nh vi t l nộn theo tng vựng khỏc nhau Nộn mt ln nhng cú th gii nộn vi nhiu cp cht lng tu theo yờu cu ca ngi s dng 3.3 Cỏc bc thc hin nộn nh theo chun JPEG2000 ảnh gốc Xử lý tr-ớc biến đổi ảnh mã hoá Giải mã hoá Biến đổi thuận liên thành phần Biến đổi thuận riêng thành phần L-ợng tử hóa Giải l-ợng tử hoá Biến. .. gốc Xử lý tr-ớc biến đổi ảnh mã hoá Giải mã hoá Biến đổi thuận liên thành phần Biến đổi thuận riêng thành phần L-ợng tử hóa Giải l-ợng tử hoá Biến đổi ng-ợc riêng thành phần Biến đổi ng-ợc liên thành phần Mã hoá ảnh sau khi mã hoá (a) Xử lý sau biến đổi ảnh khôi phục (b) Hỡnh 3.1: Trỡnh t mó hoỏ (a) v gii mó JPEG2000 (b) 3.3.1 X lý trc bin i Do s dng bin i Wavelet, JPEG2000 cn cú d liu nh u vo dng... tõm n thnh phn ph no cú trong tớn hiu m khụng quan tõm n khi no xut hin trong tớn hiu Tuy nhiờn, nu thụng tin v thi gian xut hin ca ph trong tớn hiu l cn thit, thỡ phộp bin i FT khụng cú kh nng ỏp ng c yờu cu ny, õy l hn ch ca phộp bin i ny * Nộn v gii nộn nh da theo phộp bin i DCT trong JPEG JPEG l chun nộn s quc t u tiờn cho cỏc nh tnh cú tụng mu liờn tc gm c nh n sc v nh mu Trong k thut ny cỏc khi... Haar 2.2.3 Bin i Wavelet Daubechies Ging nh Meyer, Daubechies cng l mt nh khoa hc cú cụng lao to ln trong vic nghiờn cu phỏt trin phộp bin i Wavelet Bin i Daubechies l mt trong nhng phộp bin i phc tp nht trong bin i Wavelet H bin i ny c ng dng ht sc rng rói, bin i Wavelet ỏp dng trong JPEG2000 l mt bin i trong h bin i Wavelet Daubechies 2.3 Mt s ng dng ni bt ca Wavelet Phn ny ch nờu ra cỏc lnh vc mang... cn phõn tớch cú th mang li nhng hiu qu rt rừ rt trong nộn tớn hiu Do tớnh cht ch tn ti trong cỏc khong thi gian rt ngn (khi phõn tớch tớn hiu trong min thi gian tn s) m cỏc h s ca bin i Wavelet cú kh nng tp trung nng lng rt tt vo cỏc h s bin i Cỏc h s mang thụng tin chi tit ca bin i Wavelet thng rt nh v cú th b qua m khụng nh hng ti vic mó hoỏ d liu (trong phng phỏp mó hoỏ nh hay ting núi l nhng tớn... http://www.lrc-tnu.edu.vn 15 tn s no Tham s b trong bin i Wavelet cho bit khong dch ca hm Wavelet m v phõn gii cỏc tn s khỏc nhau ca f t c minh ha bi h t l chớnh l a Bin i Wavelet ngy cng c ỏp dng rng rói c bit l trong x lý ting núi, x lý nh s X lý tớn hiu nh s l x lý tớn hiu hai chiu v do c im ca nh s l bao gi cng cú tớnh nh hng v tớnh nh v Tớnh nh hng ca mt nh ngha l trong nh bao gi cng cú mt s ớt cỏc thnh... chỳng ta ó xột ti trong phn ng dng cho nộn tớn hiu c m rng bi Iain Johnstone v David Donohos trong cỏc ng dng kh nhiu cho tớn hiu Phng phỏp kh nhiu ny c gi l Wavelet Shrinkage Denoising (WSD) í tng c bn ca WSD da trờn vic tớn hiu nhiu s l rừ khi phõn tớch bng bin i Wavelet cỏc h s bin i bc cao Vic ỏp dng cỏc ngng loi b tng ng vi cỏc bc cao hn ca h s Wavelet s cú th d dng loi b nhiu trong tớn hiu 2.3.3... ỏp dng cỏc ngng loi b tng ng vi cỏc bc cao hn ca h s Wavelet s cú th d dng loi b nhiu trong tớn hiu 2.3.3 Mó hoỏ ngun v mó hoỏ kờnh S d Wavelet c ng dng trong mó hoỏ ngun v mó hoỏ kờnh vỡ trong mó hoỏ ngun thỡ chỳng ta cn kh nng nộn vi t l nộn cao cũn trong mó hoỏ kờnh thỡ cn kh nng chng nhiu tt Bin i Wavelet kt hp vi mt s phng phỏp mó hoỏ nh mó hoỏ Huffman hay mó hoỏ s hc cú th thc hin c c hai iu trờn... Wavelet Haar Bin i Haar Wavelet l bin i n gin nht trong cỏc phộp bin i Wavelet Hỡnh v 2.3 cho thy dng ca hm t vi bin i Haar Do tớnh cht n gin ca bin i Haar m nú c ng dng tng i nhiu trong nộn nh, khi ỏp dng bin i ny nộn nh thỡ thut toỏn nộn nh trờn mỏy tớnh cú mt s im khỏc vi cụng thc toỏn hc ca bin i Haar 2.2.2 Bin i Wavelet Meyer Yves Meyer l mt trong nhng nh khoa hc ó t nn múng cho phộp bin i Wavelet... JPEG2000 da trờn bin i Wavelet V trong chng ny, trỡnh by túm tt cỏc bc thc hin nộn nh theo JPEG200 v so sỏnh nú vi chun JPEG v cỏc chun nộn nh tnh khỏc Chng 4, t rỡnh by ng dng thy võn trong mỏy nh k thut s S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 CHNG 1 TNG QUAN V CC K THUT NẫN NH 1.1 Gii thiu chung v nộn nh s Nộn nh s l mt ti nghiờn cu rt ph bin trong lnh vc x lý d liu a . NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT NÉN DỮ LIỆU DỰA TRÊN PHÉP BIẾN ĐỔI SÓNG NHỎ RỜI RẠC VÀ ỨNG DỤNG TRONG MÁY ẢNH KỸ THUẬT SỐ Chuyên ngành: Khoa học máy tính. NGUYỄNC HỒNG NGỌC NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT NÉN DỮ LIỆU DỰA TRÊN PHÉP BIẾN ĐỔI SÓNG NHỎ RỜI RẠC VÀ ỨNG DỤNG TRONG MÁY ẢNH KỸ THUẬT SỐ LUẬN VĂN