BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN HỮU TÀI

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÉN
ẢNH TIÊN TIẾN CHO MÀN HÌNH TINH THỂ LỎNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN

Hà Nội – 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN HỮU TÀI

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÉN
ẢNH TIÊN TIẾN CHO MÀN HÌNH TINH THỂ LỎNG

CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG THÔNG TIN
MÃ SỐ: 62480104

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. NGUYỄN THỊ HOÀNG LAN
2. GS. TS. LÊ ĐÌNH CHƠN TÂM

Hà Nội − 2015

Cảm ơn các Thầy Cô cùng các Bạn đồng nghiệp trong khoa Công nghệ
Thông tin – Đại học Khoa học Huế đã luôn quan tâm và động viên tôi trong
quá trình tôi làm nghiên cứu sinh.
Cuối cùng, tôi xin gửi tấm lòng ân tình tới Gia đình tôi, đặc biệt đến
người bạn đời của tôi, người luôn sẻ chia và động viên cùng như gánh vác
nhiều khó khăn vất vả trong gia đình để tôi được toàn tâm toàn ý học tập và
nghiên cứu.
Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do thời thời gian và kiến thức còn hạn
chế nên luận án chắc còn có nhiều thiếu sót. Tôi rất mong nhận được những ý
kiến đóng góp quý báu từ Quý Thầy Cô, các Bạn đồng nghiệp và những người
quan tâm.


MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................. i
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT...................................................... iv
DANH MỤC HÌNH VẼ.......................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ xi
CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU......................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................................. 1
1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ......................................................................... 3
1.3. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của luận án ........................................................ 5
1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu ......................................................................................... 5
1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài................................................................ 6
1.6. Bố cục luận án ........................................................................................................... 7

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NÉN ẢNH CHO MÀN HÌNH
TINH THỂ LỎNG .................................................................................................... 9
2.1. Lịch sử phát triển của màn hình tinh thể lỏng và vấn đề chất lƣợng hiện thị
hình ảnh động .................................................................................................................. 9

biến đổi không gian màu ............................................................................................... 61
3.1.1. Tóm tắt 6 giai đoạn nghiên cứu phát triển giải pháp ......................................... 61
3.1.2. Môi trường thực nghiệm cài đặt và các bộ dữ liệu ............................................ 62
3.2. Khắc phục hiện tƣợng nhiễu khối trong AHIC với đề xuất cải tiến MAIC ...... 64
3.2.1. Nhiễu khối trong AHIC – Nguyên nhân và giải pháp khắc phục ...................... 64
3.2.2. Phát triển phương pháp lượng tử tối ưu sai số “Midrise Uniform Quantizer” .. 65
3.2.3. Đề xuất giải pháp cải tiến MAIC giúp khắc phục nhiễu khối ........................... 65
3.2.4. Đánh giá độ phức tạp của MAIC so với AHIC ................................................. 67
3.2.5. Kết quả thực nghiệm và đánh giá ...................................................................... 68
3.3. Cải thiện chất lƣợng ảnh nén với kỹ thuật trao đổi bit theo nội dung CBBET 73
3.3.1. Ưu và nhược điểm khi lượng tử hóa với sự phân phối bit đồng đều ................. 73
3.3.2. Đề xuất kỹ thuật trao đổi bit theo nội dung CBBET ......................................... 75
3.3.3. Đề xuất giải pháp cải tiến AAIC trên cơ sở tích hợp CBBET vào MAIC ........ 79
3.3.4. Đánh giá độ phức tạp của AAIC so với MAIC và AHIC .................................. 80
3.3.5. Kết quả thực nghiệm và đánh giá ...................................................................... 81
3.4. Cải thiện chất lƣợng nén với kỹ thuật phân phối bit CBBDT............................ 84
3.4.1. Ưu và nhược điểm của kỹ thuật trao đổi bit CBBET ........................................ 84
3.4.2. Đề xuất kỹ thuật phân phối bit CBBDT dựa trên giá trị bước lượng tử - giải
pháp AHAIC ................................................................................................................ 85
3.4.3. Cải tiến hiệu năng của AHAIC bằng sơ đồ nén ACAIC ................................... 91
3.5. Đề xuất giải pháp nén RAIC.................................................................................. 96
3.5.1. Cải thiện hiệu năng cho bộ lượng tử hóa với kỹ thuật mã hóa lượng tử
MMAUQC ................................................................................................................... 96
3.5.2. Tối ưu hóa kỹ thuật phân phối bit với RBBDT ................................................. 99
3.5.3. Đề xuất mô hình lượng tử đa thích nghi MAQC ............................................. 101
3.5.4. Đề xuất giải pháp nén RAIC............................................................................ 103
3.5.5. Đánh giá độ phức tạp tính toán của giải pháp nén RAIC ................................ 104
3.5.6. Kết quả thực nghiệm và đánh giá .................................................................... 104
3.6. Đề xuất ARAIC nâng cao hiệu năng nén RAIC ................................................ 108
3.6.1. Giải pháp đề xuất ARAIC ............................................................................... 108

CHƢƠNG 5:

KẾT LUẬN ................................................................................ 146

5.1. Tóm tắt nội dung nghiên cứu và kết quả mới của luận án ............................... 146
5.1.1. Những nội dung nghiên cứu chính của luận án ............................................... 146
5.1.2. Các kết quả mới của luận án ............................................................................ 147
5.2. Hƣớng phát triển .................................................................................................. 148

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 149
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
................................................................................................................................ 151
PHỤ LỤC 1: THỬ GIẢI PHÉP NÉN WLT-MAIC TRÊN MỘT SỐ VIDEO CLIP
CỦA QUALCOMM CANADA ............................................................................. 152
PHỤ LỤC 2: THỐNG KÊ XÁC XUẤT CỦA “ZERO MEAN SIGNAL” TRONG
MÔ HÌNH AAIC. ................................................................................................... 160

iii


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu và chữ
viết tắt
AAIC

Giải nghĩa
Mã hóa nén ảnh tiên tiến thích nghi
Advanced Adaptive Image Coding



Kỹ thuật ngưỡng thích nghi
Adaptive-Threshold Technique

BTC

Kỹ thuật mã hóa dựa trên thu gọn khối
Block Truncation Coding

CBBDT

Kỹ thuật phân phối bit dựa trên nội dung
Content-Based Bit Distribution Technique

CBBET

Kỹ thuật trao đổi bit dựa trên nội dung
Content-based Bit Exchange Techniques

CF

Khung hình hiện tại
Current Frame

CR

Tỷ số nén
Compression Ratio

DAMS

HDTV

Kỹ thuật tăng tốc độ đáp ứng cho các phần tử tinh thể lỏng qua cơ chế
tăng điện áp
Feedforward Driving
Bộ lọc có đáp ứng xung hữu hạn
Finite Impulse Response
Mã hóa nén ảnh tỷ số nén cao
High Compression Ratio Image Coding
Chuẩn định dạng hình ảnh độ phân giải cao
High-Definition
Chuẩn truyền hình độ phân giải cao
High-Definition Television

HIC

Mã hóa nén ảnh kết hợp (lai)
Hybrid Image Coding

LC

Phần tử tinh thể lỏng
Liquid Crystal

LCD

Màn hình tinh thể lỏng
Liquid Crystal Displays

MAIC


Khung hình trước thời điểm hiện tại
Previous Frame

v


PSNR

Tỷ số tín hiệu mức đỉnh trên nhiễu
Peak Signal-to-Noise Ratio

RAIC

Mã hóa nén ảnh thích nghi mạnh
Robust Adaptive Image Coding

RBBDT
SBB-BTC

Kỹ thuật phân phối bit tối ưu dựa trên giá trị phạm vi
Range-based Bit Distribution Technique
Mã hóa cắt khối dựa trên mặt phẳng bit
Single Bit Plane based Block Truncation Coding

TFT

Transistor công nghệ “Thin Film” đối với một phần tử ảnh màn hình
Thin-Film Transistor


Hình 2.8. Phạm vi áp dụng của bài toán nén ảnh khung hình cho màn hình tinh thể lỏng độ
phân giải cao. .................................................................................................... 16
Hình 2.9. Mô hình với ba thành phần chính trong một hệ thống nén ảnh áp dụng trong
truyền thông. ..................................................................................................... 18
Hình 2.10. Mô hình khái quát với bốn thành phần chính trong một hệ thống nén ảnh áp
dụng cho overdrive trong màn hình tinh thể lỏng. ........................................... 19
Hình 2.11. Đồ thị biến thiên của PSNR theo MSE. ............................................................ 21
Hình 2.12. Minh họa 64 hàm cơ bản của 8×8 DCT. ........................................................... 28
Hình 2.13. Phân tích đa phân giải 3 mức và khôi phục của tín hiệu dùng cấu trúc lọc kiểu
kim tự tháp (pyramidal filter structure) ............................................................ 30
Hình 2.14. Quy trình xử lý dòng-cột của DWT hai chiều. .................................................. 31
Hình 2.15. Sơ đồ phân tích và tổng hợp tín hiệu hai chiều theo cấu trúc băng tần con. ..... 32
Hình 2.16. Kết quả biến đổi DWT trên ảnh số hai chiều theo kiến trúc kim tự tháp sử dụng
bộ lọc Wavalet Daubechies 4 - hệ số. .............................................................. 32
Hình 2.17. Ánh xạ vào – ra của một bộ lượng tử hóa dạng Midrise. .................................. 33
Hình 2.18. Xấp xỉ của hàm Px(x) bởi các hằng số phân đoạn ............................................. 35
Hình 2.19. Ánh xạ vào – ra của một bộ lượng tử hóa tối ưu và sai số lượng tử.................. 37
Hình 2.20. Mô hình khái quát cho một bộ mã hóa lượng tử thích nghi .............................. 40
Hình 2.21. Sơ đồ mã hóa ảnh sử dụng biến đổi ................................................................... 40
Hình 2.22. Sơ đồ cơ bản của chuẩn nén ảnh JPEG ............................................................. 41
Hình 2.23. Sơ đồ thuật toán bộ nén JPEG2000 ................................................................... 42
Hình 2.24. Những giải pháp nén đã được đề xuất áp dụng trong hệ thống overdrive của
màn hình tinh thể lỏng ...................................................................................... 47

vii


Hình 2.25. Sơ đồ khối của bộ mã hóa AQC ........................................................................ 49
Hình 2.26. Chất lượng ảnh nén của giải pháp AHIC được so sánh với giải pháp chỉ áp dụng
kỹ thuật BTC .................................................................................................... 49

Hình 3.16. So sánh hiệu năng của AAIC với AHIC (chỉ trên thành phần độ chói Y). ....... 83
Hình 3.17. Sai số phát sinh khi lượng tử hóa với phân phối không đồng đều bởi bộ lượng
tử 4×4-AQC. ..................................................................................................... 84

viii


Hình 3.18. Sơ đồ bộ mã hóa và giải mã theo kỹ thuật phân phối bít (CBBDT) dựa trên giá
trị bước lượng tử. .............................................................................................. 86
Hình 3.19. Sơ đồ khối cho bộ mã hóa (encoder) và giải mã (decoder) của giải pháp nén
AHAIC (ở đây Q=2). ........................................................................................ 88
Hình 3.20. So sánh chất lượng ảnh của các giải pháp trên chuỗi khung hình CIF Hall. ..... 89
Hình 3.21. So sánh chất lượng nén và sự mất mát thông tin giữa 3 giải pháp nén AHIC,
AAIC và AHAIC trên một khung hình của chuỗi khung hình CIF Hall ......... 90
Hình 3.22. Sơ đồ bộ mã hóa và giải mã theo kỹ thuật phân phối bít (CBBDT) dựa trên giá
trị tuyệt đối lớn nhất của khối........................................................................... 93
Hình 3.23. So sánh chất lượng ảnh của các giải pháp nén trên chuỗi CIF Hall. ................. 93
Hình 3.24. So sánh chất lượng nén và sự mất mát thông tin giữa AHIC, AHAIC và ACAIC
trên một khung hình của chuỗi khung hình CIF Hall. ...................................... 95
Hình 3.25. Kỹ thuật lượng tử MUQ với 3bit/pixel - Mối liên hệ giữa bước lượng tử hóa
Qstep và sự phân bố các giá trị (hay điểm ảnh) trong một khối....................... 97
Hình 3.26. Kỹ thuật lượng tử MMAUQC với 3bit/pixel - Mối liên hệ giữa bước lượng tử
hóa Qstep và sự phân bố các giá trị trong một khối dạng “zero min signal”. .. 98
Hình 3.27. Mô tả đặc tính vào-ra của một bộ lượng tử hóa đều 3bit/pixel với đầu vào dạng
“zero min signal”. ............................................................................................. 99
Hình 3.28. Sơ đồ khối của mô hình lượng tử đa thích nghi MAQC ................................. 102
Hình 3.29. Sơ đồ khối của bộ mã hóa và giải mã RAIC. .................................................. 104
Hình 3.30. So sánh chất lượng ảnh của các giải pháp nén trên chuỗi khung hình CIF
Foreman. ......................................................................................................... 105
Hình 3.31. So sánh chất lượng ảnh nén và sai số một cách trực quan trên ảnh Foreman. 106

Hình 4.15. Sơ đồ khối cho bộ mã hóa DAMS-AT áp dụng cho WLT-MAIC với 6 khối 4×8
đầu vào theo trật tự ưu tiên định trước. .......................................................... 129
Hình 4.16. Sơ đồ thuật toán mã hóa và giải mã DAMS-AT ............................................. 130
Hình 4.17. So sánh hiệu năng của các giải pháp nén......................................................... 132
Hình 4.18. So sánh trực quan chất lượng ảnh và sai số giữa hai giải pháp nén DBMAIC và
WLT-MAIC.................................................................................................... 133
Hình 4.19. So sánh hiệu năng của các giải pháp nén thuộc hai hướng tiếp cận ................ 135
Hình 4.20. So sánh trực quan sai số giữa một số giải pháp nén thuộc hai hướng tiếp cận.
Trị tuyệt đối sai số được khuếch đại lên 12 lần rồi biến đổi âm bản. ............. 137
Hình 4.21. So sánh hiệu năng của các giải pháp nén thuộc hai hướng tiếp cận ................ 138
Hình 4.22. Giá trị PSNR trung bình của các giải pháp nén khi đánh giá trên 25 chuỗi khung
hình với tổng số 8765 hình ảnh. ..................................................................... 138
Hình 4.23.Giá trị Entropy trung bình của mỗi chuỗi khung hình. ..................................... 140
Hình 4.24. So sánh chất lượng ảnh của các giải pháp nén trên chuỗi CIF MobileCalendar.
........................................................................................................................ 140
Hình 4.25. So sánh trực quan sai số giữa một số giải pháp nén thuộc hai hướng tiếp cận 142
Hình 4.26. So sánh hiệu năng nén của 4 giải pháp ARAIC, WLT-MAIC, LTC và SAMS
........................................................................................................................ 144
Hình 5.1. Sơ đồ quá trình đề xuất cải tiến và phát triển các giải pháp nén ảnh của luận án
trên cơ sở kế thừa hai giải pháp AHIC và DAMS cùng một số lý thuyết nền
tảng. ................................................................................................................ 147

x


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Điện áp tăng tốc áp dụng để chuyển đổi từ mức độ chói hiện tại sang mức độ
chói tiếp theo ở mức 60cd/m2 với thời gian đáp ứng 16.7ms ........................... 13
Bảng 2.2. Yêu cầu dung lượng và tốc độ truyền tải dữ liệu của bộ nhớ khung hình trên Tivi chuẩn HD và UHD. ...................................................................................... 14
Bảng 2.3. Lượng tử hóa tối ưu MSE cho mật độ Gaussian ................................................. 35


CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1. Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây, chúng ta đã được chứng kiến sự thông dụng của công nghệ
màn hình tinh thể lỏng, hay thường được gọi tắt là công nghệ LCD (Liquid Crystal
Display), qua những chiếc ti-vi tinh thể lỏng (LCD và LED1) trong các hộ gia đình, cho
đến các màn hình tinh thể lỏng dùng cho máy tính cá nhân trong các văn phòng, các màn
hình quan sát và điều khiển trong công nghiệp, và nổi bật hơn cả là hàng tỷ chiếc điện
thoại di động đang nằm trong túi của hàng tỷ người trên toàn thế giới. Sự phát triển và
thành công của công nghệ tinh thể lỏng là kết quả của những nghiên cứu cải tiến không
ngừng, nhằm đưa chất lượng hình ảnh hiển thị và độ phân giải ngày một cao hơn, điện
năng tiêu thụ ngày một hiệu quả, giá thành sản phẩm ngày một hợp lý hơn với người tiêu
dùng.
Một trong số các vấn đề của công nghệ tinh thể lỏng trong thời kỳ đầu của quá trình
phát triển là tình trạng đáp ứng chậm chạp của các phần tử tinh thể lỏng, gây nên hiện
tượng mờ chuyển động (motion-blur, xem Hình 1.1). Để khắc phục, K. Nakanishi và các
đồng nghiệp đã đề xuất giải pháp tăng tốc độ đáp ứng cho các phần tử tinh thể thông qua
cơ chế tăng ngưỡng điện áp với tên gọi “overdrive” vào năm 2001 [25]. Kỹ thuật overdrive
đã tạo nên bước đột phá trong công nghệ tinh thể lỏng giúp tạo ra những sản phẩm có khả
năng hiển thị hình ảnh chuyển động với chất lượng cao.

Vùng hình ảnh chuyển
động hiện thị bị mờ

(a) Kỹ thuật điều khiển thông thường

(b) Tăng tốc với overdrive

Hình 1.1. Minh họa hiện tượng mờ chuyển động (motion-blur) khi áp dụng kỹ thuật

thời điểm trước, Fn-1

(LUT)

Overdriven
Frame

Hình 1.2. Mô hình một hệ thống overdrive trong màn hình tinh thể lỏng [24].
Hiện nay các nhà sản xuất đang cần áp dụng các chuẩn định dạng Ti-vi độ phân giải
cao (High-Definition Television) và siêu cao (Ultra High-Definition Television) đối với
các thiết bị màn hình tinh thể lỏng, với tốc độ hiện thị khung hình lên mức 60fps đến
120fps. Từ đó làm nảy sinh hai vấn đề sau đối với bộ nhớ khung hình:
(1) Yêu cầu dung lượng bộ nhớ tăng cao theo sự tăng trưởng số điểm ảnh trên màn
hình. Mức 640×480×24bit  7.1Mb với chuẩn VGA, 3840×2160×24bit  189.8Mb với
chuẩn UHD 2160p (4K), và 7680×4320×24bit  759.4Mb với chuẩn UHD 4320p (8K).
(2) Yêu cầu băng thông ở mức rất cao, cụ thể với UHD 2160p (4K) áp dụng tốc độ
hiện thị khung hình 120fps sẽ là 3840×2160×24bit×120×2  44.5Gbit/s, hay UHD 4320p
(8K) với 120fps sẽ là 7680×4320×24bit×120×2  178Gbit/s
Với yêu cầu cao về dung lượng và tốc độ băng thông, sẽ đẩy giá thành của bộ nhớ
khung hình lên cao, góp phần làm tăng giá thành của sản phẩm màn hình tinh thể lỏng. Từ
đó bài toán nén ảnh khung hình áp dụng vào trong hệ thống overdrive đã được đặt ra nhằm
mục đích thu nhỏ dung lượng dữ liệu ảnh khung hình trước khi nó được lưu trữ lên bộ nhớ
khung hình (frame memory), giúp giảm yêu cầu dung lượng đối với bộ nhớ khung hình,

2


đồng thời cũng giúp giảm được yêu cầu băng thông đối với bộ nhớ khung hình khi lượng
dữ liệu mà nó cần trao đổi (ghi/đọc) trở nên ít đi vì đã được nén lại. Khi yêu cầu về dung
lượng và băng thông đối với bộ nhớ khung hình được giảm xuống sẽ kéo theo sự cải thiện

Nhìn chung, các giải pháp đã được đề xuất nói trên, đặc biệt là những giải pháp tiên
tiến về hiệu năng mới được đề xuất gần đây như Advanced Hybrid Image Codec (AHIC)

3


trong [19], Adaptive Multi-level Block Truncation Coding (AM-BTC) trong [21] hay
DWT-based Adaptive Mode Selection (DAMS) trong [5], đều là những giải pháp có nhiều
ưu điểm nổi trội khi so sánh với các giải pháp đã được đề xuất trước đó như: tỷ số nén cao,
chất lượng ảnh khôi phục khá tốt và độ phức tạp tính toán không cao (với AHIC và AMBTC) hay không quá cao (với DAMS). Mặc dù vậy, qua quá trình nghiên cứu và phân tích
thực nghiệm, chúng tôi nhận thấy các giải pháp này vẫn còn mắc phải một số nhược điểm
sau:


Advanced Hybrid Image Codec (AHIC): Ảnh khôi phục dễ bị mắc phải hiện tượng
nhiễu khối (hay blocking effect), kỹ thuật lượng tử hóa chưa thật sự tối ưu, mô hình
kiến trúc thực thi còn nhiều điểm chưa thật sự hợp lý, và cuối cùng là khả năng thích
nghi theo sự thay đổi của tín hiệu ảnh chưa cao dẫn đến chất lượng ảnh khôi phục còn
rất thấp trong một số tình huống.



Adaptive Multi-level Block Truncation Coding (AM-BTC): Ảnh khôi phục có sai số
lớn ở thành phần độ chói Y (luminance) là thành phần nhạy cảm với mắt người. Và hơn
thế nữa, trong một số tình huống khi quan sát trên một chuỗi các khung hình, sai số
trên ảnh khôi phục đã gây ra hiện tượng rung hình (vibrate effect) như nhìn qua một
đám lửa ở những vùng ảnh nhiều chi tiết và ít thay đổi. Chính vì hiện tượng chập chờn
tác động lên vùng ảnh có ít sự thay đổi nên khuyết điểm này dễ dàng được nhận ra qua
quan sát bằng thị giác. Nhược điểm này sẽ khiến cho giải pháp AM-BTC khó có thể
ứng dụng trên thực tiễn vì sẽ làm suy giảm chất lượng hiển thị hình ảnh trên màn hình

1. Nghiên cứu phát triển các giải pháp nén ảnh áp dụng cho màn hình tinh thể lỏng độ
phân giải cao nhằm tăng cường hiệu năng nén.
2. Nghiên cứu đề xuất cải tiến các giải pháp để khắc phục những nhược điểm còn tồn tại
trong một số giải pháp nén tiên tiến như AHIC, DAMS, nhằm nâng cao hiệu năng của
giải pháp nén về cải thiện chất lượng ảnh, giảm độ phức tạp tính toán.
3. Nghiên cứu phân tích các ưu và nhược điểm của các giải pháp nén ảnh đã có. Từ đó đề
xuất xây dựng các giải pháp nén mới thể hiện được nhiều ưu điểm vượt trội về chất
lượng ảnh, tỷ số nén, độ phức tạp tính toán hay sơ đồ thực hiện, có khả năng thích nghi
theo sự thay đổi của tín hiệu ảnh, tránh mắc phải các khuyết điểm về thị giác.

1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
-

Xác định rõ mục tiêu và phạm vi nghiên cứu.

-

Phương pháp nghiên cứu kế thừa và phát triển trên cơ sở nghiên cứu phân tích tổng
quan các giải pháp đã đề xuất, cải tiến nâng cao hiệu năng và phát triển đề xuất giải
pháp mới.

-

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm cài đặt
chương trình kiểm chứng kết quả, biện luận và giải thích.
1. Về nghiên cứu lý thuyết:


Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về tín hiệu ảnh và các phép biến đổi tín hiệu ảnh:
Kỹ thuật thay đổi tần số lấy mẫu của tín hiệu (Downsampling, Upsampling)

đánh giá phù hợp với bài toán.



Thực nghiệm đo lường, thống kê số liệu tạo cơ sở cho các phân tích đánh giá

1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học của luận án được thể hiện trong đề xuất hai giải pháp tiên tiến nén
ảnh khung hình, nâng cao về hiệu năng nén nhằm áp dụng cho hệ thống màn hình tinh thể
lỏng, “Advanced Robust Adaptive Image Coding” và “Wavelet Lifting Transform base
Multi-Adaptive Image Coding”, tương ứng với hai hướng tiếp cận khác nhau mà luận án đã
thực hiện. Đề xuất phát triển về kỹ thuật lượng tử hóa, kỹ thuật tối ưu hóa quá trình lượng
tử các khối ảnh thông qua giải pháp phân phối bit, những kỹ thuật mới được đề xuất này
không bị bó hẹp trong lĩnh vực nén ảnh khung hình cho màn hình tinh thể lỏng mà chúng
có khả năng áp dụng cho lĩnh vực nén ảnh nói chung.
Ý nghĩa thực tiễn của luận án được thể hiện qua các giải pháp nén đề xuất hướng áp
dụng vào công nghệ màn hình tinh thể lỏng cho phép sản xuất thế hệ màn hình tinh thể
lỏng có độ phân giải cao, chất lượng hiển thị hình ảnh tốt với một giá thành thấp hơn. Ví
dụ với chuẩn công nghệ màn hình UHD 8K (Ultra High Definition). Đến thời điểm này,
năm 2015, nhiều nhà sản xuất màn hình tinh thể lỏng trên thế giới đã cho ra đời thế hệ màn
hình chuẩn UHD 8K có độ phân giải 7680×4320 với tốc độ khung hình là 120fps (frames
per second), dẫn đến yêu cầu về tốc độ truy xuất dữ liệu bộ nhớ khung hình bị đẩy lên đến
mức 178 GB/s, một tốc độ quá cao so với nền tảng công nghệ sản xuất bộ nhớ DRAM hay
DDRAM hiện tại, khiến cho giá thành thiết kế bộ nhớ khung hình trở nên rất đắt đỏ. Từ đó
vấn đề nén ảnh khung hình càng trở nên bức thiết hơn nhằm giảm tốc độ truy xuất dữ liệu
bộ nhớ, tiến đến hạ giá thành sản phẩm. Để trong tương lai gần sản phẩm thật sự phù hợp
với túi tiền của đa số người tiêu dùng. Giúp người tiêu dùng có cơ hội bắt kịp được với sự
chuyển mình của ngành công nghiệp sản xuất nội dung truyền hình và video, khi mà phần

6

đó tìm kiếm giải pháp khắc phục thông qua các đề xuất như kỹ thuật ngưỡng thích nghi, kỹ
thuật biến đổi wavelet lifting integer to integer, và một số điều chỉnh về sơ đồ giải pháp.
Trải qua hai giai đoạn nghiên cứu cải tiến và phát triển có tính kế thừa: Giai đoạn một luận
án đã đưa ra đề xuất cải tiến DAMS bằng cách tích hợp kỹ thuật ngưỡng thích nghi để hình
thành nên giải pháp DBMAIC cho khả năng thích nghi cao và mang lại chất lượng ảnh
vượt trội; Giai đoạn hai là cải thiện độ phức tạp tính toán của DBMAIC với kỹ thuật biến
đổi tín hiệu ảnh Wavelet Lifting Integer to Integer, cùng một số cải tiến về mặt lượng tử để

7


hình thành nên giải pháp WLT-MAIC. Những phân tích và đánh giá cho thấy tính tiến tiến
của WLT-MAIC thể hiện qua hiệu năng vượt trội của nó so với giải pháp gốc DAMS.
Trong chương này cũng đồng thời đưa ra các so sánh và đánh giá giữa hai hướng tiếp cận
trong luận án. Tập trung một số phân tích và đánh giá so sánh trên hai kết quả tốt nhất của
hai hướng tiếp cận là ARAIC và WLT-MAIC, các so sánh và đánh giá nhằm thể hiện rõ
những ưu - khuyết điểm và đưa ra những nhận định hay khuyến nghị đối với nhà sản xuất
khi chọn lựa giải pháp. Cuối cùng là phần so sánh đánh giá với 2 giải pháp nén tiên tiến nổi
bật nhất mới được đề xuất trên thế giới vào cuối giai đoạn nghiên cứu của luận án là LTC
[22] và SAMS [11].
Chương 5: Tóm tắt các nội dung nghiên cứu chính của luận án. Trình bày cô đọng các
kết quả mới mà luận án đã đạt được, và cuối cùng là nêu lên hướng phát triển tiếp theo của
luận án.

8


CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NÉN ẢNH CHO
MÀN HÌNH TINH THỂ LỎNG
Trong chương này luận án sẽ trình bày sơ lược về lịch sử phát triển của màn hình tinh



của họ đã mở ra một ngành công nghiệp toàn cầu sản xuất hàng triệu màn hình tinh thể
lỏng từ đó đến nay.
Màn hình tinh thể lỏng của Heilmeier sử dụng phương pháp tán xạ động mà ông gọi là
DSM (Dynamic Scattering Method), trong đó một vật mang điện được áp dụng để sắp xếp
lại các phân tử vì thế chúng có thể tán xạ ánh sáng. Thiết kế DSM làm việc kém và đã
được chứng minh là quá tốn năng lượng. Nó đã được thay thế bởi một phiên bản cải tiến,
sử dụng các tinh thể dạng xoắn hay còn gọi là các tinh thể nematic hoạt động hiệu quả hơn,
phát minh bởi James Fergason vào năm 1969. Nhà phát minh sáng chế James Fergason
nắm giữ một số bằng sáng chế cơ bản trong lĩnh vực màn hình tinh thể lỏng vào đầu những
năm 1970, bao gồm cả bằng sáng chế ở Mỹ có tính then chốt mang số hiệu US3,731,986
cho "Display Devices Utilizing Liquid Crystal Light Modulation". Năm 1972, Công ty
International Liquid Crystal (ILIXCO) thuộc sở hữu của James Fergason đã sản xuất đồng
hồ màn hình tinh thể lỏng hiện đại đầu tiên dựa trên bằng sáng chế của James Fergason.
Đến năm 1973, Hãng Sharp đã sản xuất ra chiếc máy tính di động đầu tiên sử dụng màn
hình màn hình tinh thể lỏng theo công nghệ DSM (nguồn [4], [27]).

Hình 2.1. Mô tả cấu tạo màn hình TFT-LCD
Năm 1979, Walter Spear và Peter LeComber đã tạo ra màn hình màu đầu tiên dùng
công nghệ TFT (Thin-Film Transistor). Năm 1985, Seiko-Epson công bố sản phẩm “TV
set” màu thương mại đầu tiên, nó có kích thước hiển thị là 2 inch. Năm 1992, Sharp đã
phát triển thành công sản phẩm màn hình tinh thể lỏng kích thước 16.5 inch tương thích
với việc hiển thị hình ảnh đa phương tiện (multimedia-compatible). Năm 2004, hãng
Philips đã trưng bày một màn hình tinh thể lỏng 20 inch theo công nghệ hiện thị ba chiều
(3-D) tại hội chợ thương mại CeBIT ở Hannover nước Đức. Năm 2005, hãng Sammung đã
phát triển màn hình lớn nhất thế giới lúc bấy giờ có kích thước 82 inch hiển thị theo chuẩn
định dạng có độ phân giải cao “Full HD” dùng công nghệ TFT. Cho đến thời điểm hiện
nay, năm 2014, thì hầu hết các hãng sản xuất màn hình tinh thể lỏng lớn trên thế giới đều
đã cho ra đời các sản phẩm màn hình tinh thể lỏng độ phân giải UHD 4K, mặc dù hiện tại