LỜi cảM Ơn trên con đường thành công không bao giờ vắng bóng của những người thầy đầy nhiệt huyết, sự giúp đỡ của bạn bè và đặc biệt đó là niềm tin của gia đình
tải về 3.2 Mb.
|
- Điều hướng trang này:
- 2.2.1 Dự đoán tuyến tính (DPCM- Differential Pulse Code Modulation)
- 2.2.2 Biến đổi cosin rời rạc ( DCT)
- 2.2.3 Mã hoá chạy dài RLC (Run Length Coding)
- 2.2.4 Mã hoá độ dài thay đổi VLC (Variable Length Coding)
- 2.3 Nén dữ liệu sử dụng phương pháp điều chế xung mã vi sai DPCM
- 2.3.1 Xử lý giải tương quan trong công nghệ DPCM
- 2.3.2 Kỹ thuật tạo dự đoán
- 2.4 Nén dữ liệu sử dụng biến đổi cosin rời rạc DCT
2.2 Phân loại kỹ thuật nénTheo nguyên lý nén được chia ra làm hai loại đó là nén dữ liệu không tổn tao và nén có tổn tao - Với nén dữ liệu không tổn hao : Tín hiệu sau khi giải nén sẽ được khôi phục lại như tín hiệu nguồn và không bị mất thông tin trong quá trình tái tạo dữ liệu, quá trình này có tính thuận nghịch. Đây là quá trình biểu diễn các kí hiệu trong dòng bit nguồn thành dòng các từ mã, mỗi từ mã bao gồm một số bit nhất định sao cho giảm được tốc độ bit ở mức tối đa. - Với nén dữ liệu có tổn hao : Độ sai lệch dữ liệu được xác định bằng số thông tin bị mất đi sau quá trình nén so với lượng thông tin ban đầu, nén có tổn hao loại bỏ các thông tin không phù hợp với khả năng cảm nhận của mắt người và những thông tin ít quan trọng. Sau quá trình nén sẽ cho chất lượng hình ảnh thấp do hình ảnh khôi phục lại gần giống với ảnh nguồn. Đây là một quá trình không thuận nghịch. Và để thực hiện nén dữ liệu thường dùng các kỹ thuật sau: 2.2.1 Dự đoán tuyến tính (DPCM- Differential Pulse Code Modulation)Phương pháp này còn được gọi là điều chế xung mã vi sai, thực hiện mã hóa dự đoán. Thay vì truyền đi các mẫu như phương pháp PCM thì DPCM thực hiện mã hóa và truyền đi các giá trị sai lệch giữa các mẫu (giá trị sai lệch giữa giá trị thực và trá trị dự đoán của mẫu tín hiệu). Để tạo lại giá trị mẫu cần thiết ta cộng giá trị sai lệch này với giá trị mẫu mà đã được giải mã. Để tăng hiệu quả nén, quá trình mã hóa DPCM sẽ sử dụng thêm kỹ thuật lượng tử hóa thích nghi và bộ dự đoán. 2.2.2 Biến đổi cosin rời rạc ( DCT)Bộ biến đổi cosin rời rạc (Discrete Cosine Transform –DCT) tương đương với biến đổi Fourier rời rạc ( DFT), nhưng chỉ sử dụng số thực. DTC là phép biến đổi toán học được coi là không tổn hao và có tính thuận nghịc, nó biến đổi dữ liệu dưới dạng biên độ thành dữ liệu dưới dạng tần số. Biến đổi DCT thuận (FDCT) thường được áp dụng trên một mảng dữ liệu có kích thước hai chiều cố định, nghịch đảo DCT (IDCT) được sử dụng để biến đổi giải mã dữ liệu ngẫu nhiên. Phép biến đổi DCT sẽ cho các thành phần tần số thấp ứng với các hệ số thấp (luma hay chroma thay đổi chậm), thành phần tần số cao ứng với các hệ số cao (luma hay chroma thay đổi nhanh). Đối với tín hiệu video số sử dụng 8 bít biểu diễn mẫu, để nén là không tổn hao khi độ dài từ mã có hệ số từ 13 đến 14 bít. Với số bit ít hơn thì quá trình DCT trở thành nén có tổn hao. 2.2.3 Mã hoá chạy dài RLC (Run Length Coding)Do sự tương quan của các điểm ảnh trong một vùng ảnh lặp lại nhiều lần. Từ sự lặp lại nhiều lần này phương pháp nén RLC đã được xây dựng dựa trên cơ sở sử dụng tần số lặp lại của cùng giá trị mẫu. Vì vậy các giá trị mẫu được lặp lại sẽ được đánh dấu bằng một từ mã đặc biệt, và từ mã đặc biệt đó sẽ được mã hóa bằng mã RLC. Một cải biên của mã RLC là mã hóa độ dài chạy VLC. VLC tính xác suất phân bố của các giá trị symbol. 2.2.4 Mã hoá độ dài thay đổi VLC (Variable Length Coding)VLC còn gọi là mã entropy ( mã Huffman) . VLC là một thuật toán mã hóa dùng để nén dữ liệu. Nó dựa trên bảng tần suất xuất hiện các kí tự cần mã hóa để xây dựng một bộ mã nhị phân cho các kí tự đó sao cho dung lượng (số bít) sau khi mã hóa là nhỏ nhất, và trung bình đầu ra có chiều dài nhỏ hơn hoặc bằng với dung lượng ban đầu trước khi giải mã. Xác suất xuất hiện các phần tử giống nhau nhiều thì hiệu xuất nén thấp, khi xác suất xuất hiện các phần tử lệch nhau lớn thì đạt hiệu suất cao. 2.3 Nén dữ liệu sử dụng phương pháp điều chế xung mã vi sai DPCMPhương pháp điều chế xung mã vi sai DPCM được thực hiện dựa trên nguyên tắc điều chế xung mã PCM bằng việc mã hóa các mức lượng tử đều (các mẫu tín hiệu) ở đầu vào. Nhưng do các mẫu tín hiệu đầu vào có tính tương quan cao và các mẫu kề nhau thường có độ sai lệch khá nhỏ nên DPCM đã tận dụng lợi thế này để thực hiện mã hóa tín hiệu bằng cách mã hóa giá trị sai lệch giữa các mẫu và như vậy sẽ sử dụng ít bít để mã hóa. 2.3.1 Xử lý giải tương quan trong công nghệ DPCMCông nghệ DPCM loại bỏ các dữ liệu dư thừa của nguồn tín hiệu và khả năng nhớ dữ liệu được thực hiện bằng một bộ lọc ở đầu ra là hiệu số giữa mẫu tín hiệu đầu vào và giá trị dự đoán. Với các điểm ảnh biến đổi không đều thì giá trị sai lệch sẽ gần đến 0 hơn, còn với ảnh có rất nhiều các chi tiết thì giá trị sai số dự đoán có thể rất lớn. Do mắt người kém nhạy với những tín hiệu có tần số cao và biến đổi nhanh do đó có thể thực hiện lượng tử hóa tín hiệu này bằng mức lượng tử cao hơn. 
Xn
Tín hiệu nhịp khôi phục Hình 2.2: Cấu trúc mã hóa và giải mã DPCM Sau khi lượng tử hóa các mức tín hiệu ( gọi mẫu tín hiệu đầu vào là  , tín hiệu đầu vào được đưa vào bộ mã hóa PCM (  , sử dụng các bít để mã hóa các mức lượng tử. Sau đó tín hiệu được giải mã để đưa vào bộ cộng so sánh với tín hiệu ban đầu để tính toán tìm ra giá trị sai lệch giữa các giá trị mẫu liên tiếp, giá trị sai lệch là hiệu giữa giá trị của mẫu kế tiếp với giá trị mẫu trước đó: Xn+1-Xn  . Do giá trị sai lệch giữa hai mẫu liên tiếp là nhỏ so với gái trị của từng mẫu
Xn> 2.3.2 Kỹ thuật tạo dự đoánD  o lượng thông tin của nguồn là rất lớn, nếu dựa trên mối tương quan giữa các điểm ảnh để thực hiện lượng tử hóa các mẫu với các thông tin dư thừa thì hiệu suất nén sẽ rất thấp. Do vậy trong kỹ thuật nén cần giảm sự tương quan giữa các mẫu tín hiệu dựa trên các điểm lân cận. Trong quá trình mã hóa có bộ dự đoán, dự báo về giá trị mẫu tiếp theo dựa trên mối tương quan giữa các mẫu tín hiệu. Khi dự đoán này phù hợp thì độ sai lệch giữa giá trị dự đoán và giá trị mẫu tín hiệu còn có thể nhỏ hơn rất nhiều so với độ sai lệch giữa các mẫu kế tiếp đó. Như vậy ta chỉ cần mã hóa độ sai lệch giữa giá trị thực và giá trị dự đoán các mẫu tín hiệu.
Mã hóa 
Giải mã Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc mã hóa và giải mã DPCM có bộ dự đoán Ở mã hóa, tín hiệu nguồn được đưa qua bộ lọc thông thấp nhằm hạn chế phổ tới tần số cực đại với  (2.1)
Trong đó :  là giá trị ước lượng của mẫu tiếp theo được lấy từ đầu ra của bộ dự đoán với N mẫu trước đó.
 (2.2)
 là hệ số trọng số của thuật toán dự đoán
Quá trình giải mã DPCM được thực hiện bằng bộ lọc có đầu ra là hiệu giữa các giá trị đầu vào liên tiếp và dự báo giá trị của mẫu tiếp theo dựa trên các giá trị lân cận theo một quy luật nhất định. 2.4 Nén dữ liệu sử dụng biến đổi cosin rời rạc DCTDCT thực hiện biến đổi giá trị một khối các điểm ảnh thành một khối các hệ số trong miền tần số. Thực chất DCT nó không làm giảm tốc độ bit và không nén dữ liệu. Bởi vậy để nén dữ liệu thì cần lượng tử hóa các hệ số DCT theo một bảng trọng số nhất định với các hệ số khác 0 ứng với lượng thông tin trong một khối là nhỏ nhất. Và các hệ số DCT cũng được quét theo một cách đặc biệt để có nhiều các hệ số 0 đi liền nhiều nhất với mục đích giảm số bít cần dùng cho mã hóa hệ số DCT. Mã hóa DCT theo chiều thuận có công thức tổng quát như sau:  ( 2.4)
Trong đó : F(u,v): các hệ số biến đổi DCT khối 8 x 8 U: tần số chuẩn hóa theo chiều ngang ( 0 V: tần số chuẩn hóa theo chiều đứng ( 0 C(u), C(v) = C(u), C(v) = 1 với u,v =1,2,…,7.
Minh họa quá trình mã hóa DCT một chiều gồm 8 điểm ảnh biểu diễn tín hiệu chói theo tiêu chuẩn lấy mẫu 4:2:2. Để đạt được mức giải tương quan nội dung bức ảnh cao hơn có thể sử dụng phép biến đổi DCT hai chiều cho khối 8 x 8 giá trị các điểm chói, được minh họa như hình dưới đây: Hệ số đầu tiên trên cùng bên trái là hệ số DC biểu diễn mức trung bình một chiều của tín hiệu trong khối 8 x 8 điểm chói tương ứng. Các hệ số còn lại là các hệ số AC biểu diễn thành phần tần số cao lần lượt từ trái qua phải. Nếu loại bỏ các thành phần tần số cao thì sau quá trình biến đổi DCT ngược sẽ cho một mảng gồm các ô đen trắng xem kẽ nhau ( mảng màu xám). Như vậy để loại bỏ thành phần màu xám này trước quá trình biến đổi DCT ngược thì ta sử dụng bộ lọc thông thấp. Hình dưới đây minh họa biểu diễn ba chiều của khối điểm chói ban đầu: Hệ số biến đổi IDCT được thực hiện bằng quá trình |
với n là giá trị của mẫu tín hiệu vào tại nhịp lấy mẫu thứ n, khi đó DPCM sẽ thực hiện mã hóa và truyền đi độ sai lệch này.
= 0.5
. Thực hiện rời rạc hóa tín hiệu, biến đổi tín hiệu tương tự thành các tín hiệu rời rạc bằng cách nhân tín hiệu với một chuỗi xung nhịp với số mẫu ban đầu là L mẫu với tín hiệu đầu vào là 
là giá trị mẫu của tín hiệu vào tại nhịp lấy mẫu thứ n
là mẫu ban đầu trong khối 8 x 8 điểm chói
với u,v= 0
để khôi phục lại khối giá trị các điểm ban đầu theo biểu thức như sau: