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

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

3
nguyên lý nén có tổn hao điển hình nhƣ: mã hoá băng con; mã hoá dựa
trên biến đổi cosine rời rạc (DCT), biến đổi xếp chồng (LT), biến đổi
Wavelet rời rạc (DWT).

Chƣơng 2, trình bầy cơ sở toán học, tính chất của biến đổi Wavelet.
Nội dung của chƣơng này là lý thuyết nền tảng cho các ứng dụng Wavelet.

Chƣơng 3, giới thiệu tổng quan về chuẩn nén JPEG2000 dựa trên
biến đổi Wavelet. Và trong chƣơng này, trình bầy tóm tắt các bƣớc thực
hiện nén ảnh theo JPEG200 và so sánh nó với chuẩn JPEG và các chuẩn nén
ảnh tĩnh khác.

Chƣơng 4, trình bày ứng dụng thủy vân trong máy ảnh kỹ thuật số.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

4
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT NÉN ẢNH
1.1. Giới thiệu chung về nén ảnh số
Nén ảnh số là một đề tài nghiên cứu rất phổ biến trong lĩnh vực xử lý
dữ liệu đa phƣơng tiện. Mục đích là làm thế nào để lƣu trữ bức ảnh dƣới
dạng có kích thƣớc nhỏ hơn hay dƣới dạng biểu diễn mà chỉ yêu cầu số bít
mã hoá ít hơn so với bức ảnh gốc. Nén ảnh thực hiện đƣợc là do một thực
tế: thông tin trong bức ảnh không phải là ngẫu nhiên mà có trật tự, có tổ
chức. Vì thế nếu bóc tách đƣợc tính trật tự, cấu trúc đó thì sẽ biết đƣợc phần
thông tin nào quan trọng nhất trong bức ảnh để biểu diễn và truyền đi với
số lƣợng bít ít hơn so với ảnh gốc mà vẫn đảm bảo tính đầy đủ thông tin. Ở
phía thu, quá trình giải mã sẽ tổ chức, sắp xếp lại đƣợc bức ảnh xấp xỉ gần
chính xác so với ảnh gốc nhƣng vẫn thoả mãn chất lƣợng yêu cầu, đảm bảo
đủ thông tin cần thiết.
Tóm lại, tín hiệu ảnh, video hay audio đều có thể nén lại bởi chúng có
những tính chất nhƣ sau:
 Có sự tƣơng quan (dƣ thừa) thông tin về không gian: Trong phạm vi
một bức ảnh hay một khung video tồn tại sự tƣơng quan đáng kể (dƣ
thừa) giữa các điểm ảnh lân cận.
 Có sự tƣơng quan (dƣ thừa) thông tin về phổ: Các dữ liệu thu đƣợc từ
các bộ cảm biến của thiết bị thu nhận ảnh tồn tại sự tƣơng quan đáng
kể giữa các mẫu thu, đây chính là sự tƣơng quan về phổ.
 Có sự tƣơng quan (dƣ thừa) thông tin về thời gian: Trong một
chuỗi ảnh video, tồn tại sự tƣơng quan giữa các điểm ảnh của các

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

5
khung video (frame).
Sơ đồ của một hệ thống nén dữ liệu tổng quát nhƣ sau:


Hình 1.1 Sơ đồ bộ khái quát hệ thống nén ảnh
Trong hình1.1, bộ mã hoá dữ liệu thực hiện quá trình nén bằng cách
giảm kích thƣớc dữ liệu ảnh gốc đến một mức phù hợp với việc lƣu trữ và
truyền dẫn trên kênh. Tốc độ bít đầu ra của bộ mã hoá đƣợc tính là số bít
cho một mẫu (điểm ảnh). Bộ mã hoá kênh thực hiện việc chuyển đổi luồng
bít đã đƣợc nén thành dạng tín hiệu phù hợp cả cho việc lƣu trữ và truyền
dẫn, thƣờng bộ mã hoá kênh sử dụng các kỹ thuật: mã hoá có độ dài thay
đổi – RLC (Run Length Coding)[4], mã hoá Huffman[4], mã hoá số học
[4]. Bộ giải mã thực hiện quá trình ngƣợc lại so với bộ mã
hoá.

Trong các hệ thống nén, tỉ số nén chính là tham số quan trọng đánh giá
khả năng nén của hệ thống, công thức đƣợc tính nhƣ sau:
Tỉ số nén = Kích thước dữ liệu gốc / Kích thước dữ liệu nén
Đối với ảnh tĩnh, kích thước chính là số bít để biểu diễn toàn bộ bức
ảnh. Đối với ảnh video, kích thước chính là số bít để biểu diễn một
khung hình video (video frame).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

6

1.2. Phân loại các kỹ thuật nén
Các kỹ thuật nén chủ yếu đƣợc phân loại nhƣ sau:
1.2.1. Nén tổn hao và không tổn hao
Trong các kỹ thuật nén không tổn hao (losses compression), ảnh
khôi phục giống hoàn toàn so với ảnh gốc. Tuy nhiên, nén không tổn hao
chỉ đạt đƣợc hiệu quả nén rất nhỏ. Trái lại, các kỹ thuật nén có tổn hao (lossy
compression) có thể đạt đƣợc hiệu quả nén cao hơn rất nhiều mà ở điều
kiện cảm nhận hình ảnh thông thƣờng sự mất mát thông tin không cảm
nhận đƣợc và vì thế vẫn đảm bảo chất lƣợng ảnh. Một số kỹ thuật nén có tổn
hao gồm: điều xung mã vi sai – DPCM, điều xung mã – PCM, lƣợng tử hoá
véctơ – VQ, mã hoá biến đổi và băng con. Ảnh khôi phục trong hệ thống nén
có tổn hao luôn có sự suy giảm thông tin so với ảnh gốc bởi vì: phƣơng pháp
nén này đã loại bỏ những thông tin dƣ thừa không cần thiết.
1.2.2. Mã hoá dự đoán và mã hoá dựa trên phép biến đổi
Đối với mã hoá dự đoán (predictive coding) các giá trị mang thông tin
đã đƣợc gửi hay đang sẵn có sẽ đƣợc sử dụng để dự đoán các giá trị khác, và
chỉ mã hoá sự sai lệch giữa chúng. Phƣơng pháp này đơn giản và rất phù
hợp với việc khai thác các đặc tính cục bộ của bức ảnh. Kỹ thuật DPCM
chính là một ví dụ điển hình của phƣơng pháp này. Trong khi đó, mã hoá
dựa trên phép biến đổi (transform based coding) thì lại thực hiện nhƣ sau:
trƣớc tiên thực hiện phép biến đổi với ảnh để chuyển sự biểu diễn ảnh từ
miền không gian sang một miền biểu diễn khác. Các phép biến đổi
thƣờng dùng là: DCT - biến đổi Cosine rời rạc, DWT - biến đổi Wavelet rời
rạc, LT - biến đổi trồng (lapped) , tiếp đó thực hiện mã hoá đối với các hệ số
biến đổi. Phƣơng pháp này có hiệu suất nén cao hơn rất nhiều so với

Xem chi tiết: 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