Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn học xử lý ảnh

Tài liệu tham khảo công nghệ thông tin Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn học xử lý ảnh

Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnhMỤC LỤCSinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải11 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnhNgày nay, công nghệ thông tin là một phần tất yếu trong cuộc sống con người. Cùng với sự phát triển của xã hội và thời đại, công nghệ thông tin đã có ứng dụng và ảnh hưởng sâu sắc đến nhiều lĩnh vực đời sống. Nó phục vụ con người từ việc giải trí, kinh doanh, liên lạc cho đến những vấn đề phức tạp trong khoa học kỹ thuật. Càng ngày, thế giới càng cần ít thời gian cho sự gia tăng tốc độ phát triển khoa học kỹ thuật. Như vậy, với khả năng thu thập xử lý thông tin gần như vô hạn của máy tính điện tử hiện nay, có một câu hỏi đặt ra là: Con người phải làm gì với một khối tri thức khổng lồ và ngày càng tăng nhanh tới mức không thể tưởng tượng nổi với hình thức cung cấp vô cùng dễ dàng? Liệu con người có thể thích nghi được với thế giới thông tin bao quanh, và nếu được thì nhờ những công cụ và phương tiện nào?Để trả lời cho câu hỏi này, không gì khác chúng ta thấy rõ ràng cần phải có một cuộc cách mạng trong giáo dục và đào tạo. Phát triển đồng bộ các cơ quan và tổ chức trường học cùng với các chương trình và trước hết là phương pháp đào tạo. Bởi vì chức năng của nhà trường bao giờ cũng là chuẩn bị con người cho việc đáp ứng những thay đổi của văn minh nhân loại. Trong bối cảnh phát triển như hiện nay, nếu muốn nền giáo dục đáp ứng được đòi hỏi cấp thiết của công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nếu muốn việc dạy học theo kịp cuộc sống, chúng ta nhất thiết phải cải cách phương pháp dạy học theo hướng vận dụng CNTT và các thiết bị dạy học hiện đại phát huy mạnh mẽ tư duy sáng tạo, kỹ năng thực hành và hứng thú học tập của học sinh để nâng cao chất lượng đào tạo. Qua quá trình học tập tại Đại học Hàng Hải, em đã được các thầy giáo trong Khoa công nghệ thông tin tận tình chỉ bảo, cung cấp rất nhiều thông tin, những ý tưởng quan trọng trong việc làm đồ án tốt nghiệp. Được sự định Sinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải22 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnhhướng, tạo điều kiện của Khoa công nghệ thông tin và sự hướng dẫn trực tiếp của thầy giáo KS. Nguyễn Văn Giang - Khoa Công nghệ thông tin – Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự, em đã lựa chọn đề tài “Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn học xử lý ảnh” làm đồ án tốt nghiệp cho mình.Xuất phát từ ý tưởng dạy học bằng hình ảnh, em muốn xây dựng phần mềm mô phỏng tất cả các hiện tượng, sự vật có trong chương trình của các môn học nhằm hỗ trợ các giáo viên khi giảng dạy trên máy vi tính, có được các hình ảnh minh hoạ phục vụ việc giảng dạy một cách thực tế hơn, sinh động hơn. Một phương pháp giảng dạy mới “trực quan sinh động” và một phương pháp học mới “mắt thấy tai nghe”: đó là điều mà phần mềm này sẽ mang lại cho ngành giáo dục. Với phương pháp dạy và học này hứa hẹn sẽ nâng cao chất lượng nền giáo dục nước nhà.Tuy nhiên do khả năng và điều kiện thời gian còn nhiều hạn chế nên đồ án của em không tránh khỏi nhiều sai sót, em rất mong được sự chỉ bảo, đóng góp của các thầy giáo và tất cả mọi người quan tâm đến vấn đề này. Em xin cảm ơn các giáo viên trong Khoa công nghệ thông tin và đặc biệt là thầy giáo Nguyễn Văn Giang đã chỉ bảo hướng dẫn tận tình, giúp em hoàn thành đồ án này.Nội dung của báo cáo đồ án bao gồm có các chương sau:• Chương I: Cơ sở lý thuyết.• Chương II: Khảo sát hệ thống thực.• Chương III: Phân tích hệ thống.• Chương IV: Thiết kế và xây dựng chương trình.Sinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải33 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnhCHƯƠNG I. CƠ SỞ LÍ THUYẾTI.1. GIỚI THIỆU VỀ XỬ LÝ ẢNHI.1.1. Tổng quan về một hệ thống xử lý ảnhXử lý ảnh là một khoa học còn tương đối mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác, nhất là trên qui mô công nghiệp, song trong xử lý ảnh đã bắt đầu xuất hiện những máy tính chuyên dụng. Để có thể hình dung cấu hình một hệ thống xử lý ảnh chuyên dụng hay một hệ thống xử lý ảnh dùng trong nghiên cứu, đào tạo, trước hết chúng ta sẽ xem xét các bước cần thiết trong xử lý ảnh.Trước hết là quá trình thu nhận ảnh. Ảnh có thể thu nhận qua camera. Thường ảnh thu nhận qua camera là tín hiệu tương tự (loại camera ống kiểu CCIR), nhưng cũng có thể là tín hiệu số hoá (loại CCD - Charge Coupled Device).Hình 1.1. Các giai đoạn chính trong xử lý ảnhSinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải44 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnhẢnh cũng có thể thu nhận từ vệ tinh qua các bộ cảm ứng (sensor), hay ảnh, tranh được quét trên scanner. Tiếp theo là quá trình số hoá (Digitalizer) để biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu rời rạc (lấy mẫu) và số hoá bằng lượng hoá, trước khi chuyển sang giai đoạn xử lý, phân tích hay lưu trữ lại.Quá trình phân tích ảnh thực chất bao gồm nhiều công đoạn nhỏ. Trước hết là công việc tăng cường ảnh để nâng cao chất lượng ảnh. Do những nguyên nhân khác nhau: có thể do chất lượng thiết bị thu nhận ảnh, do nguồn sáng hay do nhiễu, ảnh có thể bị suy biến. Do vậy cần phải tăng cường và khôi phục lại ảnh để làm nổi bật một số đặc tính chính của ảnh, hay làm cho ảnh gần giống nhất với trạng thái gốc - trạng thái trước khi ảnh bị biến dạng. Giai đoạn tiếp theo là phát hiện các đặc tính như biên, phân vùng ảnh, trích chọn các đặc tính, v.v .Cuối cùng, tuỳ theo mục đích của ứng dụng, sẽ là giai đoạn nhận dạng, phân lớp hay các quyết định khác. Các giai đoạn chính của quá trình xử lý ảnh có thể mô tả ở hình 1.1Với các giai đoạn trên, một hệ thống xử lý ảnh (cấu trúc phần cứng theo chức năng) gồm các thành phần tối thiểu như hình 1.2Sinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải55 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnhHình 1.2. Các thành phần chính của hệ thống xử lý ảnhI.1.2. Một số khái niệm• Pixel (Picture Element): phần tử ảnhẢnh trong thực tế là một ảnh liên tục về không gian và về giá trị độ sáng. Để có thể xử lý ảnh bằng máy tính cần thiết phải tiến hành số hoá ảnh. Trong quá trình số hoá, người ta biến đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc thông qua quá trình lấy mẫu (rời rạc hóa về không gian) và lượng hoá thành phần giá trị mà thể về nguyên tắc bằng mắt thường không phân biệt được hai điểm kề nhau. Trong quá trình này, người ta sử dụng khái niệm Picture element mà ta quen gọi hay viết là Pixel - phần tử ảnh. Ở đây cũng cần phân biệt khái niệm pixel hay đề cập đến trong các hệ thống đồ hoạ máy tính. Để tránh nhầm lẫn ta tạm gọi khái niệm pixel này là pixel thiết bị. Khái niệm Sinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải66 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnhpixel thiết bị có thể xem xét như sau: khi ta quan sát màn hình (trong chế độ đồ hoạ), màn hình không liên tục mà gồm nhiều điểm nhỏ, gọi là pixel. Mỗi pixel gồm một cặp tọa độ x, y và màu.Cặp tọa độ x, y tạo nên độ phân giải (resolution). Như màn hình máy tính có nhiều loại với độ phân giải khác nhau: màn hình CGA có độ phân giải là 320 x 200; màn hình VGA là 640 x 350, .Như vậy, một ảnh là một tập hợp các điểm ảnh. Khi được số hoá, nó thường được biểu diễn bởi bảng hai chiều I(n,p): n dòng và p cột. Ta nói ảnh gồm n x p pixels. Người ta thường kí hiệu I(x,y) để chỉ một pixel. Thường giá trị của n chọn bằng p và bằng 256.• Gray level: Mức xámMức xám là kết quả sự mã hoá tương ứng một cường độ sáng của mỗi điểm ảnh với một giá trị số - kết quả của quá trình lượng hoá. Cách mã hoá kinh điển thường dùng 16, 32 hay 64 mức. Mã hoá 256 mức là phổ dụng nhất do lý do kỹ thuật. Vì 28 = 256 (0, 1, ., 255), nên với 256 mức, mỗi pixel sẽ được mã hoá bởi 8 bit.• Biểu diễn ảnh xám:Trên ảnh hai chiều, mỗi điểm (x,y) trên mặt phẳng ảnh ứng với một f(x,y) giá trị mô tả mức xám cho điểm ảnh. Trong đó, x là số hiệu cột và y là số hiệu dòng trên ảnh.(x,y)  f(x,y)Ở đây f(x,y) là mức xám. Chẳng hạn, nếu có 256 mức xám thì 0  f(x,y)  255.Nếu là ảnh màu, có bảng màu thì f(x,y) là số hiệu màu.Sinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải77 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnhNếu là ảnh hơn 256 màu thì f(x,y) là ba byte thể hiện các giá trị R, G và B của điểm ảnh.I.2. BIỂU DIỄN ẢNHI.2.1. Biểu diễn màuMàu của một đối tượng phụ thuộc vào:• Bản thân đối tượng.• Ánh sáng chiếu của nguồn sáng.• Môi trường xung quanh.• Thị giác của con người.Mô hình màu được xác định trên một số màu sơ cấp. Xét theo cấu tạo của mắt, các màu đều là liên két của ba màu sơ cấp là: Đỏ (RED) 700mmXanh lá cây (GREEN) 546,1 mmXanh da trời (BLUE) 435,8 mmCác màu sơ cấp cộng với nhau cho màu thứ cấp. Ví dụ:Magenta := RED + BLUEYELOW := RED + GREENCIE (The Commission International de I’Eclairage – Uỷ ban chuẩn quốc tế) đã xây dựng một chuẩn cho tất cả các màu, xác định thông qua ba thành phần cơ sở là RED, GREEN và BLUE.Sinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải88 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnhI.2.1.1. Mô hình màu RGBHệ RGB gồm các màu cơ sở là RED, GREEN và BLUE.Hệ màu RGB được sử dụng trong màn hình, trong đồ hoạ raster màu.Mô tả hệ RGB theo hệ toạ độ Decarte.Hình 1.3. Hệ tọa độ màuHệ RGB là chuẩn công nghiệp cho các thao tác đồ hoạ. Nếu thể hiện trên hệ màu khác, cuối cùng vẫn phải chuyển về RGB.Với các màn hình khác nhau, giá trị RGB có thể khác nhau.I.2.1.2. Mô hình màu CMYHệ CMY dựa trên các màu sơ cấp CYAN, MAGENTA và YELLOW.Các màu này là phần bù của RED, GREEN và BLUE.Sinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải99 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnhI.2.1.3. Mô hình màu HSVHSV (Hue – màu sắc, Saturation - sự bão hoà và Value – giá trị), hay còn gọi là HSB (Hue, Saturation, Brightness - cường độ sáng).Hue nhận giá trị trong khoảng [0o 360o].Saturation, Value nhận giá trị trong khoảng [0 1].I.2.1.4. Mô hình ánh sángÁnh sáng nhìn thấy được là tổng hợp các thành phần đơn sắc.Tỷ lệ trộn khác nhau dẫn đến các màu khác nhau. Ví dụ về các màu đơn sắc như RED, GREEN, BLUE hoặc CYAN, MAGENTA, YELLOW.Cường độ sáng phản xạ là giá trị đo được trên bề mặt của đối tượng tại điểm tới. Cường độ sáng của tia phản xạ phụ thuộc vào góc tới và hệ số phản xạ của bề mặt.I.2.2. Số hóa ảnhTừ môi trường qua thiết bị thu nhận ảnh, sẽ ánh xạ thực thể thành ma trận các điểm ảnh khác nhau, và tùy vào độ phân giải cũng như không gian màu. Việc số hóa thông qua quá trình lấy mẫu sau đó tiến hành lượng tử hóa các phần tử để lưu trữ.TT Số màu Bits/Pixel1 2 12 16 43 256 84 16 triệu 24Sinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải1010 [...]... CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải 23 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnh Hình 1.12 A- Ảnh gốc; B - Ảnh với bit 5; C - Ảnh với bit 4; D - Ảnh với bit 3 I.3.1.6 Trừ ảnh Trừ ảnh dùng để tách nhiễu khỏi nền Ta quan sát ảnh ở hai thời điểm khác nhau, so sánh chúng để tìm ra sự khác nhau, sau đó dóng thẳng hai hai ảnh rồi trừ đi và thu được ảnh mới Ảnh mới đó chính là sự khác nhau Kỹ thuật... này ảnh đầu ra là ảnh nhị phân (vì chỉ có hai mức) Phân ngưỡng hay dùng trong kỹ thuật in ảnh hai màu vì ảnh gần nhị phân không thể cho ra ảnh nhị phân khi quét ảnh bởi có sự xuất hiện của nhiễu do bộ cảm biến và sự biến đổi của nền Thí dụ như trường hợp ảnh vân tay 19 Sinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải 19 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnh. .. xám từ phần còn lại của ảnh Nó hữu dụng khi nhiều đặc tính khác nhau của ảnh nằm trên nhiều miền mức xám khác nhau 21 Sinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải 21 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnh Hình 1.11 A- Ảnh gốc B- Cắt ảnh có nền với L = 20, a = 0 và b = 20; C- Cắt ảnh có nền với L = 50, a = 30 và b = 255; D- Cắt ảnh không nền với L = 50,... I.2.3.2 File ảnh PCX Nếu ta hình dung trong một tệp ảnh xếp liên tiếp các byte từ đầu đến cuối và dồn chúng vào trong một hộp chữ nhật, thì có thể hình dung tệp ảnh PCX như hình vẽ sau: Hình 1.4 Cấu trúc file ảnh PCX 12 Sinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải 12 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnh I.2.3.3 File ảnh BMP Hình 1.5 Cấu trúc file ảnh BMP... (nếu file có nhiều hơn 1 ảnh) • Cấu trúc phần dữ liệu thứ 3: các DE Các DE có độ dài cố định gồm 12 byte 13 Sinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải 13 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnh I.2.4 Một số phương pháp biểu diễn ảnh I.2.4.1 Mã loạt dài Phương pháp này hay dùng biểu diễn cho vùng ảnh hay ảnh nhị phân Một vùng ảnh R có thể biểu diễn đơn... pixel trên một dòng ảnh + 2 bytes cuối: số dòng ảnh trong ảnh Ảnh IMG được nén theo từng dòng Mỗi dòng bao gồm các gói (pack) Các dòng giống nhau cũng được nén thành một gói Có 4 loại gói sau: Loại 1: Gói các dòng giống nhau Loại 2: Gói các dãy giống nhau 11 Sinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải 11 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnh Loại 3: Dãy... đổi âm bản rất có ích khi hiện các ảnh Y học Hình 1.10 A - Ảnh gốc; B - Ảnh âm bản I.3.1.4 Cắt theo mức Kỹ thuật này dùng hai phép ánh xạ khác nhau cho trường hợp có nền và không nền a b L u v Có nền L f (u ) =  u a≤u≤b Khac di 20 Sinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải 20 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnh a b u v Không nền L f (u ) = ... Hải 16 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnh • Nén dải độ sáng I.3.1.1 Tăng độ tương phản Độ tương phản biểu diễn sự thay đổi độ sáng của đối tượng so với nền, hay nói cách khác, độ tương phản là độ nổi của điểm ảnh hay vùng ảnh so với nền Ảnh số là tập hợp các điểm, mà mỗi điểm có giá trị độ sáng khác nhau Ở đây, độ sáng để mắt người dễ cảm nhận ảnh song không phải là... tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnh 0≤u1 giãn độ tương phản α, β, γ . nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnhCHƯƠNG I. CƠ SỞ LÍ THUYẾTI.1. GIỚI THIỆU VỀ XỬ LÝ ẢNHI.1.1. Tổng quan về một hệ thống xử lý ảnhXử. án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnhC DC. Ảnh gốc D. Ảnh đã tăng độ tương phảnHình 1.9. Ảnh giảm độ tương