TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH part 1

Chia sẻ: Asg Ahsva | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

417
lượt xem 123
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

1. Giới thiệu chung Nhận dạng và xử lý ảnh là một trong những lĩnh vực có nhiều ứng dụng trong thực tiễn như: hệ thông tin địa lý (GIS – Geographic Information System), quân sự, y học. Cụ thể, xử lý ảnh số có rất nhiều ứng dụng như: - Làm nổi các ảnh trong y học. - Khôi phục lại ảnh do tác động của khí quyển trong thiên văn học. - Chuyển tải, nén ảnh khi truyền đi xa hoặc lưu trữ. 2. Các giai đoạn của quá trình xử lý ảnh - Nhận dạng và Xử...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH part 1

Bài giảng môn học Nhận D ạng và Xử Lý Ảnh 1 BÀI 1 TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH 1 . Giới thiệu chung N hận dạng và xử lý ảnh là một trong những lĩnh vực có nhiều ứng dụng trong thực tiễn như: hệ thông tin địa lý (GIS – Geographic Information System), quân sự, y học. Cụ thể, xử lý ảnh số có rất nhiều ứng dụng như: - Làm nổi các ảnh trong y học. - Khôi phục lại ảnh do tác động của khí quyển trong thiên văn học. - Chuyển tải, nén ảnh khi truyền đi xa hoặc lưu trữ. 2 . Các giai đoạn của quá trình x ử lý ảnh - N hận dạng và Xử lý ảnh bao gồm 2 giai đoạn chính: - Giai đoạn biến đổi ảnh (Image Transformation) hay làm đẹp ảnh (Image Enhancement): trong giai đo ạn này, ảnh của đối tượng trong tự nhiên được thu lại thành ảnh số (số hóa để lưu trữ và x ử lý trong máy tính). Sau đó ảnh được biến đổi để nâng cao chất lượng ảnh nhằm thu được nhiều thông tin hơn, có thể quan sát bằng mắt. - Giai đoạn nhận dạng mẫu (Patten Recognition): hệ thống sẽ xử lý để đưa ra các đ ặc trưng của ảnh hay các đối tượng trong ảnh. Sau đó hệ thống sẽ đánh giá nội dung ảnh ho ặc nhận biết các mẫu trong ảnh. 3 . Một số khái niêm liên quan 3 .1. Phần tử ảnh - Ảnh trong tự nhiên là những tín hiệu liên tục về không gian và giá trị độ sáng. Để có thể lưu trữ và biểu diễn ảnh bằng máy tính, con người p hải tiến hành biến đổi các tín hiệu liên tục đó thành một số hữu hạn các tín hiệu rời rạc thông quá quá trình lượng tử hóa và lấy m ẫu thành p hần giá trị độ sáng. - Một phần tử ảnh (Picture Element) là một g iá trị biểu diễn cho mức xám hay cường độ ảnh tại một vị trí sau khi đã biến đổi ảnh thành một số hữu hạn các tín hiệu rời rạc. 3 .2. Mức xám - Là kết quả của sự biến đổi tương ứng giá trị độ sáng của một điểm ảnh với m ột giá trị số nguyên dương. Tùy thuộc vào số giá trị biểu diễn mức xám mà m ỗi điểm ảnh sẽ được biểu diễn trên 1, 4, 8, 24 hay 32 bit. Số lượng b it biểu d iễn mức xám càng lớn thì chất lượng ảnh càng cao nhưng sẽ tốn dung lượng bộ nhớ nhiều hơn để lưu trữ và cần một hệ thống mạnh hơn để xử lý. Lê Bá D ũng – Khoa Công ngh ệ Thông tin - Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam
Bài giảng môn học Nhận D ạng và Xử Lý Ảnh 2 3 .3. Ảnh - Là một tập hợp hữu hạn các điểm ảnh kề nhau. Ảnh thường được biểu diễn b ằng một ma trận hai chiều, mỗi phần tử của ma trận tương ứng với một điểm ảnh. - Ảnh nhị phân (đen trắng): là ảnh có giá trị mức xám của các điểm ảnh được b iểu diễn bằng 1 bit (giá trị 0 hoặc 1). V í dụ về b iểu diễn ảnh nhị phân: 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 - Ảnh xám : giá trị mức xám của các điểm ảnh được biểu diễn bằng 8 bit (giá trị từ 0 đến 255). V í dụ về biểu diễn ảnh xám: 0 5 12 0 15 94 21 0 0 0 156 9 0 11 245 12 - Ảnh màu: thông thường, ảnh màu được tạo nên từ 3 ảnh xám đối với màu nền đỏ (RED), xanh lá cây (GREEN), xanh lam (BLUE). Tất cả các màu trong tự nhiêu đ ều có thể được tổng hợp từ 3 thành phần màu trên theo các tỷ lệ khác nhau. V í dụ về biểu diễn ảnh màu: Ma trận biểu diễn mức xám của thành phần RED: 0 7 11 0 115 94 20 0 0 0 15 16 0 11 225 12 Ma trận biểu diễn mức xám của thành phần GREEN: 0 1 121 0 14 9 210 0 0 0 115 16 0 11 22 2 Lê Bá D ũng – Khoa Công ngh ệ Thông tin - Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam
Bài giảng môn học Nhận D ạng và Xử Lý Ảnh 3 Ma trận biểu diễn mức xám của thành phần BLUE: 0 17 21 0 135 93 50 0 0 0 15 67 0 11 25 19 4 . Một số định dạng ảnh hiện nay 4 .1. Ảnh BMP (Bitmap) - Là ảnh được mô tả bởi một ma trận các giá trị số xác định màu và b ảng màu của các điểm ảnh tương ứng khi hiển thị. Ư u điểm của ảnh Bitmap là tốc độ vẽ và tốc độ xử lý nhanh. N hược điểm của nó là kích thước rất lớn. 4 .2. Ảnh JPEG (Joint Photographic Experts Group) - Đ ây là một định dạng ảnh được hỗ trợ bởi nhiều trình duyệt web. Ảnh JPEG được phát triển để nén dung lượng và lưu trữ ảnh chụp, và được sử d ụng tốt nhất cho đồ họa có nhiều màu sắc, ví dụ như là ảnh chụp được scan. File Ảnh JPEG là ảnh Bitmap đã được nén lại. 4 .3. Ảnh GIF (Graphics Interchange Format) - Ảnh GIF được phát triển dành cho những ảnh có tính chất thay đổi. Nó được sử dụng tốt nhất cho đồ họa có ít màu, ví dụ như là ảnh hoạt hình hoặc là những bức vẽ với nhiều đường thẳng. File ảnh GIF là những ảnh Bitmap được nén lại. - Có hai sự khác nhau cơ bản giữa ảnh GIF và ảnh JPEG: + Ảnh GIF nén lại theo cách giữ nguyên toàn bộ dữ liệu ảnh trong khi ảnh JPEG nén lại nhưng làm mất một số dữ liệu trong ảnh. + Ảnh GIF bị giới hạn bởi số màu nhiều nhất là 256 trong khi ảnh JPEG không giới hạn số màu mà chúng sử dụng. 4 .4. Ảnh WMF (Windows Metafiles) - Là một tập hợp các lệnh GDI dùng để mô tả ảnh và nội dung ảnh. Có hai ưu điểm khi sử dụng ảnh WMF: kích thước file WMF nhỏ và ít phụ thuộc vào thiết bị hiển thị hơn so với ảnh Bitmap. Lê Bá D ũng – Khoa Công ngh ệ Thông tin - Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam
Bài giảng môn học Nhận D ạng và Xử Lý Ảnh 4 BÀI 2 XỬ LÝ ẢNH NHỊ PHÂN 1 . Lý thuyết về ảnh nhị phân 1 .1. Khái niệm - Một ảnh được xem là ảnh nhị phân (ảnh đen trắng) nếu các điểm ảnh của nó chỉ nhận giá trị là 0 hoặc 1 (tương ứng với m àu đen hoặc trắng). Do mỗi giá trị điểm ảnh được biểu diễn bằng 1 bit nên kích thước file ảnh rất nhỏ. - Ta ký hiệu: J là tập các điểm ảnh có giá trị bằng 1 J┴ là tập hợp các điểm ảnh có giá trị 0 (điểm nền). 1 .2. Kỹ thuật phân ngưỡng - Dùng để chuyển đổi ảnh đa cấp xám sang ảnh nhị phân - V ới một giá trị θ cho trước, giá trị của điểm ảnh sẽ được gán bằng 1 nếu mức xám của nó >= θ, gán bằng 0 nếu mức xám < θ. - Kỹ thuật này làm cho tính chất m àu liên tục của ảnh bị gián đoạn nhưng có hiệu quả trong việc thể hiện các loại ảnh có đường nét như văn b ản, vân tay… - Cài đặt: + D ữ liệu vào: ma trận I kích thước mxn biểu diễn mức xám của các điểm ảnh. G iá trị ngưỡng θ. + Dữ liệu ra: ma trận I đã được biến đổi mức xám. + Mô tả thuật toán: for x=1 to m for y=1 to n if I(x,y)>=θ then I(x,y)=1 else I(x,y)=0 - V í dụ: Ả nh gốc θ=9 Ả nh đầu ra 0 8 5 0 0 0 9 2 30 1 0 1 8 12 40 0 1 1 1 .3. Kỹ thuật Dithering - Sử dụng một ma trận cùng kích thước cho trước để biến đổi ảnh. - Nếu giá trị mức xám của điểm ảnh gốc lớn hơn giá trị của phần tử tương ứng trong ma trận Dithering thì mức xám đầu ra sẽ được gán b ằng 1 và ngược lại. Lê Bá D ũng – Khoa Công ngh ệ Thông tin - Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam
Bài giảng môn học Nhận D ạng và Xử Lý Ảnh 5 - Cài đặt: + Dữ liệu vào: ma trận I kích thước [mxn] biểu diễn mức xám của các điểm ảnh. Ma trận Dithering kích thước [mxn]. + Dữ liệu ra: ma trận I đã được biến đổi mức xám. + Mô tả thuật toán: for x=1 to m for y=1 to n if I(x,y)> D ithering(x,y) then I(x,y)=1 else I(x,y)=0 - V í dụ Ma trận D Ả nh gốc Ảnh đầu ra 1 7 9 0 8 5 1 0 1 6 12 45 9 2 30 0 1 1 14 18 13 8 12 40 1 1 0 2 . Điểm kề - tập điểm liên thông – đối tượng ảnh 2 .1. Đ iểm kề Cho trước một điểm ảnh I(x,y), khi đó: - Các điểm ảnh I(x-1,y), I(x+1,y), I(x,y-1), I(x,y+1) được gọi là các đ iểm kề 4 của I(x,y). - Các điểm ảnh I(x -1,y-1), I(x+1,y-1), I(x -1,y+1), I(x+1,y+1) và các đ iểm kề 4 được gọi là các điểm kề 8 của I(x,y). - Tương ứng với các điểm kề 8, ta có mặt nạ 8 hướng xác định các đ iểm kề 8 đó: 3 2 1 4 P 0 5 6 7 Tương ứng với các hướng như sau: 2 3 1 4 0 5 7 6 Lê Bá D ũng – Khoa Công ngh ệ Thông tin - Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam
Bài giảng môn học Nhận D ạng và Xử Lý Ảnh 6 2 .2. Tập điểm liên thông - H ai điểm ảnh P1 và P2 € J được gọi là liên thông 4(hoặc 8) trong J nếu tồn tại tập các điểm {(x0,y0), (x1,y1), …, (xn,yn)} sao cho: + P1 = (x0,y0) + P2 = (xn,yn) + V (xk,yk) và (xk+1,yk+1) € J thì (xk+1,yk+1) là kề 4(hoặc 8) của (xk,yk) với k= [0..n-1] (tập các điểm {(x0,y0), (x1,y1), …, (xn,yn)} được gọi là đường đi). - Một tập điểm được gọi là liên thông nếu với hai điểm bất kỳ trong tập hợp đó đều liên thông (4 hoặc 8). 2 .3. Đối tượng ảnh - Là một tập hợp các điểm ảnh liên thông. - Q uan hệ K liên thông trong J là một quan hệ có tính chất phản xạ, đối xứng, b ắc cầu, vì vậy, nó là một quan hệ tương đương 2 .4. Điểm biên Đ iểm ảnh P trong ảnh nhị phân được gọi là điểm biên nếu có tồn tại ít nhất m ột điểm kề 4 có mức xám khác với P. Tập các điểm biên của một đối tượng sẽ tạo thành biên của đối tượng ảnh đó. 2 .5. Chu tuyến Chu tuyến của một đối tượng ảnh là tập hợp các điểm biên: {P1, P2, … Pn} của đối tượng ảnh đó sao cho hai điểm Pi và Pi+1 là các điểm kề 8 của nhau (i=1..n- 1) và P1 là kề 8 của Pn. Ký hiệu chu tuyến là C= Hình vẽ: chu tuyến của một đối tượng ảnh * Chu tuyến đối ngẫu: H ai chu tuyến C= và CT = được gọi là đối ngẫu của nhau khi và chỉ khi mọi i (i=1..n) đều tồn tại duy nhất j (j=1..m) sao cho: - Pi và Qj là các điểm kề 4 của nhau - Mức xám của Pi khác Qj * Chu tuyến ngoài: Chu tuyến C= được gọi là chu tuyến ngoài nến số điểm biên của C nhỏ hơn chu tuyến đối ngẫu CT * Chu tuyến trong: Chu tuyến C= được gọi là chu tuyến ngoài nến số điểm biên của C lớn hơn chu tuyến đối ngẫu CT Lê Bá D ũng – Khoa Công ngh ệ Thông tin - Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam
Bài giảng môn học Nhận D ạng và Xử Lý Ảnh 7 H ình vẽ: chu tuyến trong – chu tuyến ngoài 3 . Một số kỹ thuật dò biên trong ả nh nhị phân 3 .1. Dò biên hình thức hóa - N ếu các ký hiệu (b,g) là một cặp điểm với b là điểm ảnh và g là điểm nền. - Dãy các cặp điểm (b1,g1), (b2,g2), …, (bn,gn) là các điểm kề 8 của nhau và (b1,g1) ≡ (b n,gn), - G ọi T là thuật toán tìm biên, áp dụng thuật toán T cho cặp điểm (bi,gi) ta sẽ tìm được cặp điểm tiếp theo: (bi+1,gi+1) = T(b i,gi) - K hi đó áp d ụng thuật toán T, quá trình dò biên được thực hiện theo thứ tự từ trên xuống dưới và từ trái sang phải cho toàn bộ ảnh. 3 .2. Thuật toán dò biên Freeman X uất phát từ một điểm ảnh P, quá trình dò biên sẽ đi theo các hướng: 0, 2, 4, 6 trong mặt nạ 8 hướng. Nếu gặp điểm ảnh thì sang trái, điểm nền thì sang phải. Quá trình trên được lặp lại cho đến khi quay lại đúng vị trí xuất phát P. Khái niệm sang trái, sang phải phụ thuộc vào hướng đến của điểm đang xét để thay đổi hướng đi của đ iểm đó đến điểm tiếp theo như trong bảng dưới đây. Điểm ảnh – sang trái Điểm nền – sang phải H ướng đến H ướng đi đến Hướng đến Hướng đi đến đ iểm tiếp theo điểm tiếp theo 0 2 0 6 2 4 2 0 4 6 4 2 6 0 6 4 Thuật toán Freeman bị hạn chế ở khả năng phải xét đến những điểm không cần quan tâm trong quá trình dò biên. Ví dụ dưới đây sẽ thể hiện điều đó. Ảnh nhị phân có kích thước 8x8 với điểm biên xuất phát P có tọa độ (2,4) Lê Bá D ũng – Khoa Công ngh ệ Thông tin - Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam
Bài giảng môn học Nhận D ạng và Xử Lý Ảnh 8 Những điểm không cần quan tâm: (0,3), (4,7), (7,3), (4,0) 3 .3. Thuật toán Freeman cải tiến X uất phát từ một điểm ảnh P, quá trình dò biên sẽ đi theo các hướng: 0, 2, 4, 6 trong mặt nạ 8 hướng. Nếu gặp điểm ảnh thì sang trái, điểm nền thì q uay ngược trở lại. Quá trình trên được lặp lại cho đến khi quay lại đúng vị trí xuất phát P. Khái niệm sang trái, quay lại phụ thuộc vào hướng đến của điểm đang xét để thay đổi hướng đi của điểm đó đến điểm tiếp theo như trong bảng dưới đây. Điểm ảnh – sang trái Đ iểm nền – lùi lại H ướng đến H ướng đi đến Hướng đến Hướng đi đến đ iểm tiếp theo điểm tiếp theo 0 2 0 4 2 4 2 6 4 6 4 0 6 0 6 2 G iải thuật cải tiến sẽ khắc phục được hạn chế của giải thuật Freeman. Ví dụ dưới đ ây sẽ thể hiện điều đó: Ảnh nhị phân có kích thước 8x8 với điểm biên xuất phát P có tọa độ (2,4) Lê Bá D ũng – Khoa Công ngh ệ Thông tin - Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam
Bài giảng môn học Nhận D ạng và Xử Lý Ảnh 9 BÀI 3 CÁC PHÉP TOÁN HÌNH THÁI TRÊN ẢNH NHỊ PHÂN 1 . Phép toán hình thái (Morphology) - H ình thái là thuật ngữ chỉ cấu trúc của một đối tượng ảnh trong đó có phạm vi và mối quan hệ giữa các phần của đối tượng. - V ới ảnh nhị phân IMxN, điểm ảnh tại vị trí (x,y) là I(x,y) được xác định: = 0 nếu đó là điểm nền = 1 nếu đó là điểm ảnh Gọi A là tập hợp các điểm ảnh, ta ký hiệu: A={(xi,yi) | I(x i,yi) = 1} Ac là tập hợp các điểm nền: V í dụ: 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 A = {(0,2), (0,3), (1,0), (1,3), (2,1)} 2 . Các khái niệm cơ bản * Phép dịch: Cho một vector x và tập hợp các điểm A, phép dịch A + x được xác định bởi: * Các phép toán tập hợp Minkowski: Cho A, B là các tập hợp điểm: Phép cộng Minkowski: Phép trừ Minkowski: 3 . Phép giãn ảnh và co ảnh Từ hai phép toán Minkowski, ta có phép toán hình thái cơ b ản là phép giãn ảnh và co ảnh : Phép giãn ảnh (Dilation) Lê Bá D ũng – Khoa Công ngh ệ Thông tin - Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam
Bài giảng môn học Nhận D ạng và Xử Lý Ảnh 10 Phép co ảnh (Erosion) Trong đó: * Một số tính chất: Giao hoán: Không giao hoán : Kết hợp: Dịch chuyển bất biến: * Ví dụ minh họa: (a) Giãn ảnh D(A,B) (b) Co ảnh E(A,B) A và B có thể được xem là các đ ối tượng ảnh và B được gọi là phần tử cấu trúc. Thông thường, phép giãn ảnh làm tăng kích thước đối tượng ảnh trong khi phép co ảnh làm giảm kích thước. Điều này tùy thuộc vào việc chọn phần tử cấu trúc. Có hai p hần tử cấu trúc phổ biến thường đ ược dùng là tập hợp kề-4 và tập hợp kề-8 trong hệ tọa độ Đềcác: (a) N4 (b) N8 Lê Bá D ũng – Khoa Công ngh ệ Thông tin - Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam