TS HỒ VĂN SUNG TS H Ỗ Y Ả N SUNG XỬ LÝ ẢNH SỐ I V T H U V ê T V À THỰC H N H V Ớ I M í m n í ỉ e n NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT NÔI HÀ ị LỜI NÓI ĐẨU Trong nlỉữỉig nủm gần dây, xứ /v tín lìiêii ỈÌỎI chung xử /v ảnlỉ nói riêng, dặc bỉêt lù ảnh so triển mụtìh mẻ Cúc kỹ thuật xử /v ảnh cíươc áp dung va cap nlìâĩ khơng nhữỉu> ỉronạ ỊỊ trình bân thị giác máy tính , mát nhìn nhân tao mả cà cỏnq nghê mớỉ truyền hỉnh sô IP T V , Vsinh hoc ghỉ ảnh công hưởng từ 3D hay robots vả người máy X lý ảnh số phát tnên nhằm muc (lích số hóa mã hóa ủỉìlỉ dế dơn gtcỉn hóa cúc trình truyền ílìơỉìiỊ, ỈN ấn vả lưu giữ Một muc ĩiêiỉ quan kìỉác xứ lỷ ánh cải thiện chất lương khôi phục ảnh nhằm hiểu biết nhiêu nội dung thơng tin clĩứa írong ảnh; chưng lìỌìì ciìĩh c h ụ p b ê m ặ t c c l i ỉ ì h t ỉ n h x a XÓI d o v t i n h iịửỉ v ề h o ặ c c ú c cỉnìì n ộ i SOI, ả n h c ộ n g hưởng từ khảo sát V học Mót bùi tốn quan trọng xử lý ảnlĩ sổ phản đoạn mô tả ảnhy nhầm tạo nên àỉìỉì ÌÌỈÌƯ mộí tín hiệu lốỉ vào cho lỉê thống nhìn nhân tạo hay thỉ giác máy tính nhằm tách thơng tin đo lường cỉổỉ tương chứa tiìg mổỉ ánh ílìỉỉ clươc Tất cúc nhiệm vụ cìéỉi có chang niỉic clích lả dúp ứng nhu cầu thơng íỉỉì vù hiểu biết ngày lớn người Đê cíạĩ cỉươc ĨĨĨUC tiêu nói trên, \ử lý ảnh số sứ dung máy tính số làm cóng cụ tính tốn day Hay HĨI khúc di, ỉhùnlỉ ĩ lũi xứ ỉỷ ciiỉlỉ s ổ gắn cìỉủĩ VỚI cúc cơng cụ tính tốn số, qua viêc lựa chon rừ áp dụng cúc gỏỉ phán mềm Gói phần mém hiệu quà vản lủ phần M A T LA B Cũỉìg ạiốiìg cúc mơn học khác, hâu lìếí cúc klìái niêm lý íììiỉxêt xử lý ảnh s ổ dã cáp nlỉàĩ gói phun mém ììùy M A T LA B CUỈỈÍ* cấp tììỏỉ lương lớn cúc /lủỉn, cúc M 'fỉle s , giúp ta vân c h u i d ê \ử lý cúc hình ánh tì ong tlìế qiới ĩhỉCc Trong sách nay, cìmng t()ỉ cùnq da tạo clươc nlìirii M -Jiles moi trường làm viec M A T L A B , tử nlìữỉì^ lììỉĩlì ảnh thu (lươc b ằ n m x chitì s ố Nhữnạ ánh lủ ảnh mầu sử dụng tì ong cúc chương tì ình mơ cho khái niệm lý thuyết Ngồi ra, mơt s ổ ảnh mưu (hển hình, dược mủc cỈỊtìlì hơp cóng cụ M A T L A B (I P T ) cĩươc sử dunẹ, ạóp phấn làm phonq phú vù chê)} hình Iì cho phương pháp phân tích lý thuyết; chẳng Ìĩạtì phép chiếu \ụ Radon ĩroỉìg thu ảnh cộng hưàtiỉị íừ (M R Ỉ) Các ííỉì hiệu hình ánh đươc mô tả mảng liệu nhiều chiều; chímq vừa có rinh chất xác đinh lan thống kê Biểu diễn ảnh í heo quan điểm tín hiệu xác dinh tiê chương Chương dành cho việc hiếu diễn tín hiệu hình ánh theo qian điểm thống kê Chúng dành trọn chương đ ể mô tú phép biến đổ ỉ hai chiêu quan Đó phép hiến đổi 2D như: D F T -2D , biến đỏỉ D CT-2D , phép biến đơi khơng gian bìêh đổỉ R adon , phép chiếu tia ĩronẹ ẹ/ỉ/ xử /v ảnh CƠỈIS> Ììỉíờỉìg íừ 3D Tìonạ chtrơỉìg nà\\ bỏ loc tuyến tính 2D cĩươc (lể cáp cìcn Tồn bó chươỉìg (ỉ ỉrơi su (lung il(; mó tá p h é p bỉếtì đ ổ i s ó n g c o n ( \v a v e lc ts ) v b ỏ s ó n g c o n ( M a v c l e í p a c k c í s ì m ị i v ìicu chiểu Bài phép bìếìì dơi dan đươc sứ chiỉìg cóng nghê hiên dại Chương mó ta cúc ẢỲ thỉiàĩ khỏi plỉỉỉc anh sau khỉ \ ứ ỉý Chương trình bàv kỹ thiiủĩ cải thiên va nàng cao chát lương rua anh ĩlìỉi cìươc Chương tiêu kỹ thuật nén mã hố ảnh Chương \ử lý ánh hình thái vù chương 9, chươMỊ caổì củng cua sách mỏ í cúc pìĩiHỉng pháp phùn tích, phàn đoạn tách đường viền Pháỉỉ lớn ỉìơỉ dung cùa clỉiíơtií’ dùỉìỉỊ dè mỏ tà biến đổ ỉ W ershed, hờỉ lù plvf'ơno nèỉi chu YỮK dè tách dường v i ề n v đ o c c d c t r n g c ù n g n h n h n d a n g c ú c c ìố \ t n g c ỏ ỉ r o i ì Ị * m í b ứ c ĩ ranh, àỉììì Tồn nộỉ dang cùa Cỉiốìì súch dươc ĩơ chức tìỉtììì bày cho cỏ lính liên tục , logic thống M ồi chương (ỉươc bối dầu bàng sớ nguyên tắc /ý thuyết, tiếp đến lù ứng dụng vù tlỉực íììi thực tế Các quan dỉểììi lý íhnyếí thực thi ĩhưc tế thể chương trình pluỉn mém cúc M-fỉles Chúng tơi c ố gắng nêu bật quan dỉểm lý thuyết trước khỉ dưa chương trình thực hiên cúc ví clụ imnìi hoa ỳ úp ngưởi đọc nlỉán thức sâu sắc tầm quan trọng vù ỷ nghĩa thực tiễn phương pháp ĩhưc hỉèỉĩ \ấn dề trình bầy sách Xử lỷ ảnh mơt lĩnh vực róng lớn, nang dơng vù hấp clchỉ \'ì thê khỉ biên soạn sách này, chúng ĨÔI muốn cung cấp cho ban cloc, lù ban sinlì viên hay lìơc viên cao học trườềig Đ ại hoc Công nghê , cà Điện ỉử\'iễn thơng lảu cơtig nghệ Thơng íỉỉì hay trường Đ hoc Khoa hoc T t ĩ h i é n , kiến thức ỉ)hất sờ lý thuyết lan cơiìịị cu thưc lìùỉilỉ (từ han d(h cỏ thể tiếp thu vù tự mơ phóng phút tnến (ơfii> nghê Yớỉ mong tììỉtoỉì â\\ chúng íơỉ dã co gắn chon lọc trình hây tìỏỉ (lung quan tìOỉĩịị vù tlỉ íhưc , dơng ĩhờĩ cập nhát clươc nlìữỉìíỊ thơng tiỉì vù cịng ca vê xử lý ánh hiên đưnq tổn hô( dang tlươc quan ỉúìti ỊỊịịììỊỚn cứu Tuy nhiên (Ịỉiủ trình soạn ĩiìào có thè cồn có khiếm klỉuyớì Chúng tơi \ịfì chân thành (âỉìi ơn \*à m o i ỉ q u í (L)C ỉ*KỈ g ó p V (íê l ầ n í ú Ị b a n s a u ( ìióiì s c h (tìiơ( lì (HUI í hỉ é n í l ơn * y T ác giá CHƯƠNÍỈ BIỂU DIỄN ANH THEO QUAN ĐlỂM t ín h iệ u 1.1 X Ử L Ý Á N H S Ố L À ( ỉ ì ? M t ánh m ột m u cỉươc dinh nghĩa m ộ t hàm dộ súng chiéu (2D ) f ( x , y ) ; t r o n s đ ó X v y h a i b i ế n s ố k h ô n g g i a n G i t r ị c ủ a h m f t i đ i ể m ( x , y ) tí lệ VỚI đổ sá n g cùa ánh điểm dó nên gọi cường độ cúa ảnh; mức xúm c ù a ánh điểm (x,v) N ếu ta có m t ảnh nhiều m ầu, hàm f m ứ ộ n t v é c t g v i m ố m ỗ t d i t h n i m ầ u h x p h c ầ n đ c ị n ủ a h v é c t b i ể u t h ị d ô s n g c ú a n h t a i đ i ể m ( x , y ) t n g A n h s ố ỉà a n h f ( x y ) d c s ò h ó a c a v ê t o a d ô k h ô n g g i a n l ầ n v ê đ ộ s n g N ó đ c b i ế u t h i b n g m ô t m n g s ố n g u y ê n c h i ề u ( h t r ị c ủ a đ ộ s n g đ ã d o c s ố h ó a goi m t cùa mức xám N h vâv, ánh số dược biểu thi môl m àn g liêu VỚI môt số luợng hữu han phần tử mỏi phần tử có vi trí giá tri riêng bièt MỎI phần tử cùa m n g dược goi m ộ t pixel, hay peỉ cho môt phần t c ủ a m ộ t b ứ c t r a n h Xử lv ánh số sử dụng máy tính số; chúng phát triển để đáp ứng ba vấn dể vếu liên quan đến tranh ánh là: • S ổ hóa mã hứa ánh dế đơn gián h ó a q u trinh truvền thõng, in ấn lưu giữ ánh • CÙI thiên chất lương khói plìiic ả n h đ ể h iế u b iế t n h iề u h n n ộ i d u n g t h c m c • ỏ ặ ô n t n g c g t i n c h h n c h ứ h n g a t t r o t i n n h t r o g m x a n g ỗ X Ô k h ả i I o b ứ k h c s t n h c d o V h ọ c h v ệ ả n g t i n h h n g n i h v ề c h o c ặ b c ứ c c c ả n n h h c h ụ n ô i p b ề s o i , Phàn tloạn mô tá ánh, n hàm tạo nên ảnh nh m ộ t tín hiệu lối vào cho thống nhìn nhân tao đê tách tìiỏng tin chứa m ót ánh thu đươc 1.2 B I Ể U D I Ễ N M Ô T Á N I I s ố 1.2.1 Ả n h sỏ gi? Như nói, mót Anh cỏ thể duơc biếu (Uền nhu môt hàm hai chiều Rx.yv t r o n g d ó X v y h a i b i ế n s ố k h ô n g g i a n G i t r i c ủ a h m f ứ n g VỚI g i t r i c ù a c ậ p toa dô (x,y) đươc gọi cường (lộ cúa ánh tiu điểm Nó độ sáng cùa ảnh đ iếm Thuât ng ữ mức xúm dù n g dế chi cường độ ciia ảnh đơn mầu Các ánh m ầ u tố hợp cúa ảnh 2-D thành phần C hẳng hạn, hệ thống mầu RGB, mộl ảnh máu chứa ba ảnh thành phần dỏ (R), xanh (G) xanh nước biên (B) Vì thế, nhiều kỹ thuât xử lý ánh dơn mầu mở rộng cho ảnh đa mầu cách xử lý ba ánh thành phần mơt cách riêng biệt Mơt ánh có thê hên tuc vổ biến số không gian X y bicn đô f Việc c h u y ê n đổi m ôt ảnh liên tục thành ảnh số cần phải thực q trình số hóa biến số khơng gian lẫn biên Số hóa giá trị tọa độ gọi lấy mẫu; cịn số hóa giá trị biên đươc gọi lượng tứ lióa Khi đó, X, y giá tri biên độ cúa f đại lượng rời rạc hữu hạn Những ảnh n h \ ậ y gọi ành số 1.2.2 Biêu diễn ảnh dạng ma tran T r o n g m ô t a n h , m ỗ i p i x o l t i m i h i í ’ V Ớ I m ổ t p h ầ n c ủ a m ỏ i v â t t h ế v t l ý giới thực 3D Vât thổ vât lý dirơc m inh họa bời ánh sáng phán xa hấp thụ víu thể Ả n h s n e phản xa di đốn biến tử (cam era chẳng han) tạo ảnh f(x,y) C ường độ án h sáng phàn xa thu dươc tai mỏi VI trí vât the dặc t r n g cho giá tri phần t n h t i VI trí đ ó M ỗ i phán t ánh g ọ i l m ô t pixcl ả n h G i t r i c ủ a m ỗ i p i x e l đ ặ c t r n s c h o c n g đ ỏ s i m t a i VI t r í đ ổ , n ê n n ó c ũ n g đươc gọi mức xám N h lấy m u lượng từ hỏa anh f(x,y) ta sè thu đưưc mốt ma Ỉìàỉì tao thành từ số thực M a trận VỚI phần tử số ihue dó cịn đirơc 201 nỉtịi liệu ảnh MỎI phần tử m a trận gọi mót pixel Già sứ m a tràn có M hàng N cột, ta nói ràng ảnh có kích thước M x N Các giá tọa độ ) t r i l n g n h u y ữ ê n n g ; đ X a i c h l y ợ n t g r i đ ế r c n M Đ - l ố i ; v i c ị n i n t V c h n y h t s ố , đ ế c c n N t o a - l đ V ộ Ớ X I n ( X v h ữ n y l g q n u i h ữ đ m n g h n A i t r i y t h ì ảnh số dược biểu thị d a n ° ma trân sau: f ( x y ) /((),()) f ( ( ) j ) f ( ỉ , ) j ( U f ( ( ) N - I ) ) ( 1 ) = T rong m ột số tài liệu, ch ản g han M A T L A B , mót ánh số cịn dược biểu thị d n g ~ f(l,l) K 1,2) f(l.N ) f(2,l) f(2 ,2 ) f(2,N ) f = í 2) f(M l) U M 2) Ỉ(M N ) R õ ràng, hai cách biểu diẻn nhau; cô n g thức (1.2) c ò n g thức (1.1) dịch gốc toa đô sa n g phải đơn v ị ; có nghĩa f( 1,1) = 1(0.0) Đ ê th u àn ticn, ta sử d ụ n g biếu diễn (1.2) đê’ m ô tả ánh số Với cách hiểu diển f(i.j) VỚI < i < N v l < j < M k ý hiệu pixel hàng i j Giá tri cùa f(i,j) nằm vùng < f(i,j) < G C h ả n g hạn phần tử f(5,3) giá tr i pixcl n ă m hàna thứ cột thứ c ủ a m a trận f T h ô n g thường, người ta biếu diễn ánh dạng m a trận vuông N x N M a trận l x N đươc goi m ộ t véctơ liùiìỊỊ, m a tràn M x l goi m ộ t véctơcột M a trận 2x2 vớ hướng m ộ t n ằ m c ộ t Đối với m ột ảnh số giá trị lớn m ỗ i pixel G thường biểu thị d n g Cr = m Với cách biểu diễn số bít b cần đổ m ã hóa hav lưu giữ m ơt ảnh số có kích thước M x N là: (1-3) b = MxNxm Chắng han, môt ánh 512x512 VỚI 256 mức xám (m=8) cần 2.097.+§2 bít hoăc 4 b v te s b V ì v v d e g iá m b t lư n g b c ầ n lư u g iữ t r o n g b ò n h , c ầ n p h a i giám m N mà khòng làm giâm chất lương cùa anh Việc giàm m N liên quan đến m ô t d a i l o n g r ấ t q u a n t r ọ n g t r o n g x l ý n h , d ó l a d ỏ p h â n g ĩ i c ủ a ả n h Đó phan ỊỊiái m ơt ánh biểu thi có chi tiết chứa ảnh m ta cịn có the phân biệt đươc R õ ràng là, độ phân giải m ột ảnh phụ thuộc kích thước N c ủ a ảnh ỉẫn độ lớn m pixeL Nếu giữ m k h ông đổi tảng N ảnh xuất hiệu ứng bùn cửt cị n giữ N khơng đổi tăng m đườĩìg viển ảnh bị sai lệch nhiều Thực tế cho thấy tranh càn g nhiều chi tiết đươc cải thiên khỉ giữ N khơng dổi tăng m D o hoa có nhiêu chi tiết, c h ã n g hạn họa đ m m ây, thi số lượng mức xám k h ố n g đ ó n g vai trò q u a n Tro n g M A T L A B , ma trận lưu giữ dạng biến với tên A, a, R G B , real_aray, 1.2.3 C c q u i đ ị n h tọ a độ C c VI t r í t r o n g m ộ t n h c ó t h ế b i ể u t h i t r o n g n h i ề u h ệ t ọ a đ k h c n h a u , t u ỳ thuốc vào n g ữ cánh Ở đây, ta chi xét hai hệ tọa độ Đ ó hệ toa dơ pixel ỉ oa dô khôn gian T o a đ ô pixel Phương phấp thuận tiên đế biểu thi VỊ trí cùa m ột ánh sứ dụng toa đố pixel Tror.g hộ toa đô này, ảnh dược xứ lý lưới phẩn tứ rời rac, s ắ p x ế p t t r ê n x u ố n g d i v t t r i s a n p h ả i n h t r n h ì n h s a u đ â y c hw • - • - r g - - - Ỷ H ỉnh L I lỉệ ĩoa (lộ pi.xel Đối VỚI toa độ pixel thành phần r (hàng) tãng từ xuống dưới, thành phần c (cột) tăng từ trái sang phải Các tọa đ ộ pixel giá trị nguyên bắt đ ầ u từ đến hết chiều dài hàng cột Giữa tọa đ ỏ pixcl tọa dô d ùng dể m ỏ tả m ột ma tran hoàn toàn tương đương Sự tương dương n y giúp ta hiểu rõ quan m a tràn (lữ liêu anh cách dể hiển thi ánh dó C h ản g hạn, d ữ liêu đôi với pixei ỏ' h n g thứ cót dirơc iưu eiữ p hần từ m a trận (5,3) C c tọ a d ô k h ô n g g ia n N h đà nói, hệ tọa độ pixcl, m ộ t pixel đươc xứ lý inôt đơn \1 rời rạc xác đ ịn h m ột cách nhờ m ột c ã p toa dô riêng rẽ, chảng han (5,3) Với c c h biểu diễn m ộ t vị trí (5.5,3-2) k h n g có ý nghĩa T u y nhièn, hệ tọa độ k h ô n g gian, vị trí m ộ t ả n h n hữ ng V I trí măt phầng, đươc m ô tả b ằng cặp tọa độ(x,y), k h ô n g phải (r, c) tọa đô pixel Vớ) hệ tọa độ k h ô n g gian này, vị trí (5.5, 3.2) lại có ý nghĩa Hình 1.2 m in h hoa m ột hệ tọa độ k h ô n s sia n sử d ụ n g để m ô tá ảnh Lưu Ý y tâng từ x u ố n g hình 1.2 n0.5^ T ã4 ấ4.5 0.5 4.5 y H ì n h 1.2 Hệ tọa đô k h ô n g gian T hai hình vẽ ta thấy, hệ tọa dộ k h ô n g gian, tâm d iể m cùa pixel n o d ó đ n g n h ấ t VỚI c c t ọ a đ ộ p i x e l c ủ a p i x e l đ ó T u y n h i ê n , h a i h ệ t o a đ ộ c ò n c ỏ khác VI trí ánh góc trái (1, 1) tọa độ không gian, lại (0.1Í, 0.5) Sư khác hẹ tọa độ pixel lừi rạc, tiong tọa đô k h ô n g gian liên tục Sự khác n hau thứ tư củ a thành phần nam ngang thẳng đứng tọa độ này: hệ tọa đô pixcl (r,c), hệ tọa độ k h ô n g gian (x.y) N h lọa độ k h ô n g gian (x,y) nhận n h ữ ng giá tri nguyên, băt đâu t l đ ế n h ế t c h i ề u d i c ù a n h ; n g h ĩ a l X k é o d i t , , N v y k é p i x e l V i c c h l ầ m n y t h ì c c t ọ a đ ô k h ô n g g i a n c ủ a m tọa độ pixel cúa án h Chắng hạn tâm điếm c ù a pixc! k hô n g gian x=3; y=5 1.2 Biểu d i ễ n ả n h d ó i d n g véctơ ộ t n hàng h t n o d i VỚI M , đ n g t h i c h o n X = c ; y = r , t h ì t ọ a đ ộ k h ô n g g i a n đ n g n h ấ t g ứ n t , to a d ộ g V Ớ I c c cột có toa dơ Trong xử lý ảnh, để thuận tiện cho việc tính tốn, m ả n g liệu ảnh N x N thường viết d n g véctơ Với cách biểu diễn m ả n g liệu ảnh f(n, ,n2), với < ri) < N < n < N ch u y ển thành véctơ N 2X1 f có d a n g sau: ... 2-D thành phần C hẳng hạn, hệ thống mầu RGB, mộl ảnh máu chứa ba ảnh thành phần dỏ (R), xanh (G) xanh nước biên (B) Vì thế, nhiều kỹ thuât xử lý ánh dơn mầu mở rộng cho ảnh đa mầu cách xử lý ba... ba ánh thành phần môt cách riêng biệt Mơt ánh có thê hên tuc vổ biến số không gian X y bicn đô f Việc c h u y ê n đổi m ôt ảnh liên tục thành ảnh số cần phải thực q trình số hóa biến số khơng... ằ m c ộ t Đối với m ột ảnh số giá trị lớn m ỗ i pixel G thường biểu thị d n g Cr = m Với cách biểu diễn số bít b cần đổ m ã hóa hav lưu giữ m ơt ảnh số có kích thước M x N là: ( 1-3 ) b = MxNxm