0
Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o
TR−êNG §¹I Häc B¸CH KHOA Hµ Néi
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LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
nÐn ¶nh ®éng dïng wavelet
Ngµnh: §iÖn tö viÔn th«ng
NguyÔn H÷u ph¸t
Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: PGS TS. Hå Anh Tuý
Hµ néi 2005
1
Môc lôc
Trang
Lêi nãi ®Çu.................................................................................................. 4
Ch−¬ng 1 TæNG QUAN VÒ NÐN ¶NH Video THEO CHUÈN MPEG
......................................................................................................................... 6
1.1. Kh¸i niÖm vÒ Video vµ ph−¬ng ph¸p nÐn Video........................................ 5
1.1.1. Kh¸i niÖm Video..................................................................................... 5
1.1.1.1. Kh«ng gian mÇu (Color Space)............................................................ 5
1.1.1.2. C¸c c¬ cÊu sè ho¸ tÝn hiÖu Video ........................................................ 6
1.1.2. C¸c ph−¬ng ph¸p nÐn Video ................................................................... 8
1.1.2.1. Gi¶m tèc ®é dßng bit............................................................................ 9
1.1.2.2. NÐn dßng tÝn hiÖu Video sè theo kh«ng gian ..................................... 10
1.1.2.3. NÐn dßng tÝn hiÖu theo thêi gian........................................................ 11
1.1.2.4. NÐn hçn hîp sö dông tæ hîp c¸c ph−¬ng ph¸p trªn .......................... 11
1.1.3. Tham sè nÐn Video. .............................................................................. 11
1.2. Giíi thiÖu chung vÒ chuÈn MPEG ........................................................... 12
1.3. C¸c kh¸i niÖm c¬ b¶n trong nÐn Video theo chuÈn MPEG...................... 14
1.3.1. CÊu tróc ph©n cÊp Video theo chuÈn MPEG. ...................................... 14
1.3.2. Ph©n lo¹i frame Video. ......................................................................... 17
1.3.3. Nhãm ¶nh (GOP: Group Of Picture).................................................... 19
1.4. Ph−¬ng ph¸p nÐn ¶nh Video theo chuÈn MPEG. ..................................... 21
1.4.1. M« h×nh tæng qu¸t bé m· ho¸ Video theo chuÈn MPEG...................... 21
1.4.2. LÊy mÉu th«ng tin vÒ mµu..................................................................... 22
1.4.3. L−îng tö ho¸. ........................................................................................ 23
1.4.4. Néi suy ¶nh........................................................................................... 23
1.4.5. Dù ®o¸n bï chuyÓn ®éng. ..................................................................... 24
1.4.5.1. §¸nh gi¸ chuyÓn ®éng (motion estimation)....................................... 24
1.4.5.2. Bï chuyÓn ®éng (Motion Compensation). ......................................... 24
1.4.6. BiÕn ®æi Cosine rêi r¹c......................................................................... 26
1.4.7. M· VLC................................................................................................. 27
1.5. Qu¸ tr×nh nÐn Video theo chuÈn MPEG-1. .............................................. 27
1.5.1. Tham sè ®Æc tr−ng. ............................................................................... 27
1.5.2. Qu¸ tr×nh m· ho¸.................................................................................28
1.5.3.Qu¸ tr×nh gi¶i m·.................................................................................. 32
1.6. Qu¸ tr×nh nÐn Video theo chuÈn MPEG-2. .............................................. 33
2
1.6.1. Tham sè ®Æc tr−ng. .............................................................................. 36
1.6.2. M« h×nh m· ho¸ Non-scalable theo MPEG-2. .................................... 37
1.6.3. M« h×nh m· ho¸ scalable theo MPEG-2. ............................................ 38
Ch−¬ng 2 M∙ ho¸ SCALABLE VIDEO .............................................. 42
2.1. B¨ng läc 1/2 pixel biÕn ®æi ng−îc theo thêi gian - tÝnh to¸n bï chuyÓn
®éng................................................................................................................ 42
2.1.1. Giíi thiÖu............................................................................................... 44
2.1.2. ThuËt to¸n............................................................................................. 46
2.1.2.1 M« h×nh Video phæ biÕn...................................................................... 46
2.1.2.2. QuÐt luü tiÕn Video víi vÐct¬ chuyÓn ®éng chÝnh x¸c 1/2 ®iÓm ¶nh .49
2.1.2.3. Di chuyÓn côc bé më réng ................................................................. 51
2.1.3. Ba tham sè m· ho¸ b¨ng con sö dông IMCTF ..................................... 54
2.1.4. KÕt qu¶ thùc nghiÖm............................................................................. 55
2.1.5. Tãm t¾t vµ kÕt luËn................................................................................ 59
2.2. M· ho¸ scalable video.............................................................................. 61
2.2.1. Kh¸i qu¸t............................................................................................... 62
2.2.1.1. M· ho¸ lai truyÒn thèng..................................................................... 63
2.2.1.1.1.M· ho¸ Scalable SNR ..................................................................... 63
2.2.1.1.2 Ph©n gi¶i m· Scalable ..................................................................... 66
2.2.1.2. Embedded Coding and Fine Granularity Scalability ........................ 66
2.2.1.3. M· ho¸ sö dông b¨ng con 3 chiÒu vµ m· ho¸ Wavelet ........................... 69
2.2.2. HÖ thèng tæng quan.................................................................................. 70
2.2.3. B¨ng con m· ho¸ 3 chiÒu...................................................................... 71
2.2.4. Tû lÖ dßng bÝt m· ho¸............................................................................... 74
2.2.4.1.HÖ thèng dßng bÝt................................................................................ 74
2.2.4.2. Lùa chän dßng bÝt m· ho¸ vµ truyÒn dÉn ......................................... 78
2.2.5. KÕt qu¶ thùc nghiÖm ............................................................................. 81
2.2.5.1. So s¸nh víi m· ho¸ Nonscalable....................................................... 81
2.2.5.2. So s¸nh m· ho¸ LZC vµ 3D-SPIHT........................................................ 83
2.2.5.3. M· ho¸ tèc ®é ®a ph©n gi¶i................................................................... 86
2.2.6. Tãm t¾t vµ kÕt luËn................................................................................ 91
Ch−¬ng 3 §èi t−îng-c¬ së m∙ ho¸ SCALABLE............... 95
3.1. §èi t−îng c¬ b¶n - C¬ së m· ho¸............................................................. 97
3.1.1 MÆt ph¼ng ®èi t−îng Video.................................................................... 97
3.1.2. C«ng cô m· ho¸ cho ®èi t−îng Video................................................... 98
3.1.2.1. §Þnh d¹ng m· ho¸.............................................................................. 98
3.1.2.2. CÊu tróc m· ho¸ ................................................................................ 99
3.2. §èi t−îng-C¬ së m· ho¸ sö dông EZBC................................................ 100
3
3.2.1. Tæng quan ........................................................................................... 101
3.2.2. MiÒn – C¬ së biÕn ®æi Wavelet rêi r¹c.............................................. 102
3.2.3. §èi t−îng-C¬ së m· ho¸ mÆt ph¼ng bÝt EZBC.................................. 103
3.3. KÕt qu¶ thùc nghiÖm .............................................................................. 104
3.4. Tãm t¾t vµ kÕt luËn................................................................................. 106
Ch−¬ng 4: Ch−¬ng tr×nh thö nghiÖm vµ ®¸nh gi¸ kÕt
qu¶.............................................................................................................. 111
4.1. X©y dùng ch−¬ng tr×nh .......................................................................... 111
4.1.1. Kh¸i qu¸t chung .................................................................................... 111
4.1.2. CÊu tróc ch−¬ng tr×nh............................................................................ 111
4.2. §¸nh gi¸ kÕt qu¶ thö nghiÖm................................................................. 112
4.2.1 D÷ liÖu thö nghiÖm.................................................................................. 112
4.2.2. KÕt qu¶ thö nghiÖm................................................................................ 112
4.2.3. NhËn xÐt vÒ tû sè nÐn,chÊt l−îng nÐn....................................................... 115
KÕt luËn..................................................................................................118
1. øng dông luËn v¨n .................................................................................... 118
2. H−íng ph¸t triÓn cho t−¬ng lai ................................................................. 119
TµI LIÖU THAM KH¶O ............................................................................. 120
PHô LôC...................................................................................................... 122
THUËT NG÷ tiÕng anh ......................................................................... 122
4
Lêi nãi ®Çu
Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y do sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña Internet nªn vÊn
®Ò truyÒn d÷ liÖu trªn m¹ng ®Æc biÖt lµ truyÒn ¶nh vµ ©m thanh ®−îc quan
t©m. Do ®ã viÖc nÐn d÷ liÖu ®Æc biÖt d÷ liÖu phim ¶nh lµ cÇn thiÕt h¬n bao giê
hÕt. Trong ph¹m vi luËn v¨n nµy t«i tËp trung vµo viÖc nÐn d÷ liÖu video.
§èi víi nÐn ¶nh ®éng, chuÈn MPEG(Moving Photographic Experts
Group) ®· ®−îc x¸c lËp bëi ISO vµ IEC. §©y lµ mét kü thuËt nÐn ¶nh ®éng ®·
mang l¹i nhiÒu thµnh c«ng. Nã cã thÓ ®¹t tû lÖ nÐn kh¸ cao 10:1 mµ m¾t
th−êng khã ph©n biÖt ®−îc. Tuy nhiªn ®©y vÉn ch−a ph¶i lµ tû lÖ cao tèi −u.
Sù ra ®êi cña Wavelet ®· më ra mét c«ng nghÖ míi. §ã lµ chuÈn
MJPEG2000. Sù ra ®êi cña MJPEG2000 më ra mét t−¬ng lai míi cho kü
thuËt nÐn ¶nh víi nh÷ng tÝnh n¨ng cao. Kü thuËt Wavelet còng ®−îc nghiªn
cøu trong nhiÒu phÇn mÒm nh− Matlap...
Môc ®Ých cña luËn v¨n nµy nh»m nghiªn cøu mét sè ph−¬ng ph¸p nÐn
¶nh ®éng ®ang ®−îc quan t©m. LuËn v¨n nµy ®−îc tr×nh bµy thµnh bèn
ch−¬ng vµ mét phô lôc. Ch−¬ng Mét lµ tæng quan vÒ nÐn ¶nh ®éng. Ch−¬ng
nµy giíi thiÖu mét sè chuÈn nÐn ¶nh ®éng lµ MPEG1,MPEG2,MPEG4 vµ
MPEG7. §ång thêi còng tr×nh bµy cÊu tróc cña video. Ch−¬ng Hai tr×nh bµy
ph−¬ng ph¸p nÐn Scalable video. Ch−¬ng nµy ®Ò cËp ®Õn thuËt to¸n LZC vµ
3D-SPIHT. Ch−¬ng Ba ®i s©u vµo nghiªn cøu ®èi t−îng m· ho¸ cña video dùa
trªn biÕn ®æi Wavelet. Ch−¬ng Bèn nªu kh¸i qu¸t c¸ch thiÕt kÕ vµ cµi ®Æt
ch−¬ng tr×nh. Ch−¬ng nµy mang tÝnh chÊt minh ho¹ cho nh÷ng g× ®· ®−îc
tr×nh bµy ë c¸c ch−¬ng tr−íc. PhÇn phô lôc nªu mét sè ch−¬ng tr×nh nguån
th«ng dông viÕt trªn Visual C + + 6. 0.
Do thêi gian cã h¹n nªn t«i chØ míi nghiªn cøu ®−îc phÇn nµo trong kü
thuËt nÐn ¶nh ®éng do vËy ch¾c ch¾n kh«ng tr¸nh khái thiÕu sãt. Cuèi cïng
t«i xin ch©n thµnh c¶m ¬n sù gióp ®ì nhiÖt t×nh vµ hiÖu qu¶ cña PGS TS Hå
Anh Tuý ®· gióp ®ì t«i hoµn thµnh luËn v¨n nµy.
Hµ néi ngµy 20/10/2005