kl huynh minh man 2015 621 36

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỌC ẢNH SỐ Người hướng dẫn: ThS NGUYỄN NHẬT TÂN Người thực hiện: HUỲNH MINH MẪN Lớp : 10040002 Khố THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2015 : 14 TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỌC ẢNH SỐ Người hướng dẫn: ThS NGUYỄN NHẬT TÂN Người thực hiện: HUỲNH MINH MẪN Lớp : 10040002 Khố THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2015 : 14 LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập trường đại học Tôn Đức Thắng thành phố Hồ Chí Minh, em giúp đỡ tận tình thầy cơ, động viên gia đình ủng hộ bạn sinh viên Với kiến thức chuyên môn học với hướng dẫn tận tình thầy cơ, nổ lực thân thực thành công đồ án tốt nghiệp Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy NGUYỄN NHẬT TÂN hết lòng hướng dẫn ủng hộ tinh thần cho em thời gian thực đề tài, ln dẫn tận tình, giúp em có hướng đắn Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô khoa Điện - Điện tử trang bị kiến thức chuyên môn quý báu làm sở để em thực tốt đề tài này, tồn thể thầy trường tận tình dạy để em có kiến thức ngày hơm TP Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 01 năm 2015 Tác giả Huỳnh Minh Mẫn i CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG Em xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng em hướng dẫn khoa học ThS NGUYỄN NHẬT TÂN Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa công bố hình thức trước Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá tác giả thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo Ngồi ra, luận văn cịn sử dụng số nhận xét, đánh số liệu tác giả khác, quan tổ chức khác có trích dẫn thích nguồn gốc Nếu phát có gian lận em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Trường đại học Tơn Đức Thắng không liên quan đến vi phạm tác quyền, quyền tơi gây q trình thực (nếu có) TP Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 01 năm 2015 Tác giả Huỳnh Minh Mẫn ii (Trang dùng để đính kèm Nhiệm vụ Đồ án tốt nghiệp có chữ ký Giảng viên hướng dẫn) iii LỊCH TRÌNH LÀM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iv MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x LỜI NÓI ĐẦU xi CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ ẢNH SỐ 1.1 Khái niệm ảnh số 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Ảnh Gray scale 1.1.3 Ảnh nhị phân 1.1.4 Ảnh RGB 1.2 Những vấn đề ảnh số 1.2.1 Điểm ảnh (Picture Element) 1.2.2 Độ phân giải ảnh (Image Resolution) 1.2.3 Mức xám ảnh 1.2.4 Quan hệ điểm ảnh 1.3 Khái niệm nhiễu loại nhiễu ảnh 1.3.1 Nhiễu trắng (gaussian noise) 1.3.2 Nhiễu muối tiêu (salt & pepper noise) 1.3.3 Nhiễu đốm (nhiễu speckle) 1.4 Lược đồ mức xám (histogram) 1.5 Mục đích lọc ảnh màu Matlab 10 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU MỘT SỐ BỘ LỌC ẢNH VÀ HÀM TẠO NHIỄU TRONG MATLAB 13 2.1 Cải thiện ảnh 13 2.2 Làm trơn nhiễu lọc tuyến tính 13 2.2.1 Bộ lọc trung bình 17 2.2.2 Bộ lọc thông thấp 18 2.2.3 Bộ lọc thông cao 19 v 2.3 Bộ lọc trung vị (median filter) 20 2.4 Bộ lọc Wiener 21 2.5 Các hàm tạo nhiễu Matlab 25 2.5.1 Hàm tổng quát 25 2.5.2 Nhiễu gaussian 25 2.5.3 Nhiễu poisson 25 2.5.4 Nhiễu salt & pepper 26 2.5.5 Nhiễu speckle 26 CHƯƠNG 3: LẬP TRÌNH GIAO DIỆN GUI TRONG XỬ LÝ ẢNH 27 3.1 Tổng quan 27 3.2 Lập trình giao diện GUI 27 CHƯƠNG 4: LỌC NHIỄU SỬ DỤNG GIAO DIỆN GUI VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 36 4.1 Tỉ số tín hiệu cực đại nhiễu (Peak Signal-to-Noise Ratio) 36 4.2 Thiết kế giao diện GUI cho lọc ảnh số 37 4.3 Sơ đồ giải thuật đề tài 39 4.4 Đánh giá kết mô 41 4.4.1 Xử lý ảnh nhiễu Gaussian 41 4.4.2 Xử lý ảnh nhiễu salt & pepper 42 4.4.3 Xử lý ảnh nhiễu poisson 44 4.4.4 Xử lý ảnh nhiễu speckle 45 4.4.5 Đánh giá kết 46 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 49 5.1 Kết luận 49 5.2 Hướng phát triển đề tài 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 ảnh grayscale Hình 1.2 ảnh nhị phân Hình 1.3 Mơ hình màu RGB Hình 1.4 Ảnh màu thành phần màu Hình 1.5 Ảnh gốc ảnh nhiễu Gaussian Hình 1.6 Ảnh gốc ảnh nhiễu salt & pepper Hình 1.7 Ảnh gốc ảnh nhiễu speckle Hình 1.8 ảnh gốc lược đồ xám 10 Hình 1.9 Ảnh gốc ban đầu 11 Hình 1.10 Ảnh nhiễu gaussian 11 Hình 1.11 Ảnh lọc (sử dụng lọc tuyến tính) 11 Hình 2.1 Mô tả chế lọc không gian 14 Hình 2.2 Tâm mặt nạ điểm lân cận 16 Hình 2.3 Ảnh gốc ảnh sau lọc trung bình 18 Hình 2.4 Ảnh gốc ảnh sau lọc thông thấp 19 Hình 2.5 Ảnh gốc ảnh sau lọc thông cao 20 Hình 2.6 Ảnh gốc ảnh sau lọc trung vị 21 Hình 2.7 Q trình khơi phục ảnh 22 Hình 2.8 Ảnh nhiễu ảnh sau lọc wiener 24 Hình 3.1 Giao diện guide Matlab 27 Hình 3.2 giao diện làm việc GUI 28 Hình 3.3 Các thuộc tính nút nhấn 30 Hình 3.4 giao diện thiết kế GUI 32 Hình 3.5 giao diện M-file 33 Hình 3.6 giao diện chương trình 34 Hình 3.7 cửa sổ chọn ảnh đầu vào 34 Hình 3.8 hiển thị ảnh đầu vào 35 vii Hình 4.1 giao diện xử lý ảnh 37 Hình 4.2 giao diện chạy chương trình 38 Hình 4.3 Sơ đồ giải thuật 40 Hình 4.4 Lọc wiener trắng đen 41 Hình 4.5 Lọc wiener ảnh màu 42 Hình 4.6 Lọc median ảnh trắng đen 43 Hình 4.7 Lọc median ảnh màu 43 Hình 4.8 Lọc trung bình ảnh trắng đen 44 Hình 4.9 Lọc trung bình ảnh màu 45 Hình 4.10 Lọc trung bình ảnh đen trắng 46 Hình 4.11 Lọc trung bình ảnh màu 46 Hình 4.12 Lọc thông thấp 47 Hình 4.13 Ảnh lọc thông cao 48 viii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 36/50 CHƯƠNG 4: LỌC NHIỄU SỬ DỤNG GIAO DIỆN GUI VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1 Tỉ số tín hiệu cực đại nhiễu (Peak Signal-to-Noise Ratio) Tỉ số tín hiệu cực đại nhiễu thường viết tắt PSNR, thuật ngữ dùng để tính tỉ lệ giá trị lượng tối đa tín hiệu lượng nhiễu ảnh hưởng đến độ xác thông tin Đơn vị PSNR thường biểu diễn Decibel (ký hiệu dB) Nó định nghĩa thơng qua bình phương trung bình lỗi Mean Squared Error (MSE) cho hai hình ảnh gốc ảnh kết I K có kích thước m x n: MSE = ∑ ∑ PSNR định nghĩa: PSNR = 10 x log10 ( = 20 x log10 ( √ ) Trong đó, MAXI giá trị tối đa pixel ảnh Trường hợp tổng quát, tín hiệu biểu diễn B bits đơn vị lấy mẫu, MAXI 2B -1 Với ảnh nhị phân MAXI = 1, với ảnh xám MAXI = 255, với ảnh màu tính tốn cho PSNR tương tự ảnh nhị phân ảnh xám ngoại trừ việc tính MSE tổng giá trị (trên kênh màu) chia cho kích thước ảnh chia cho Giá trị thông thường PSNR mát liệu nằm từ 30 dB đến 50dB, giá trị cao tốt Giá trị chấp nhận truyền tín hiệu khơng dây có tổn thất khoảng từ 20 dB đến 25 dB _ LỌC ẢNH SỐ SVTH: HUỲNH MINH MẪN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 37/50 4.2 Thiết kế giao diện GUI cho lọc ảnh số Trước tiên ta thiết kế giao diện hình: Hình 4.1 Giao diện xử lý ảnh Chức thành phần thuộc tính quan trọng giao diện mô tả sau: Thuộc tính Browser Show Original Histogram Show Noise Histogram -select noise Variance (v) Density (d) Show noise Image select filter -select mask-Show filter image Show filter hist Close Axes Axes Axes Chức Chọn file ảnh gốc cần xử lý từ máy tính Hiển thị histogram ảnh gốc Hiển thị histogram ảnh bị làm nhiễu Lựa chọn loại nhiễu can thiệp lên ảnh gốc Nhập vào trị số phương sai Nhập vào trị số mật độ nhiễu Hiển thị ảnh nhiễu Lựa chọn loại lọc Lựa chọn kích thước ma trận lọc Hiển thị ảnh lọc Hiển thị Histogram ảnh lọc Xóa biến trước đóng cửa sổ làm việc Khu vực hiển thị ảnh gốc Khu vực hiển thị ảnh nhiễu Khu vực hiển thị ảnh lọc _ LỌC ẢNH SỐ SVTH: HUỲNH MINH MẪN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 38/50 Hist Hist Hist Save Save as Reset PSNR_noise PSNR_filter Khu vực hiển thị histogram ảnh gốc Khu vực hiển thị histogram ảnh nhiễu Khu vực hiển thị histogram ảnh lọc Lưu ảnh sau sử lý nơi ban đầu Lưu lại ảnh sau xử lý nơi Làm ảnh histogram Tính PSNR ảnh nhiễu Tính PSNR ảnh lọc Bảng 4.1 Chức thành phần Sau thiết kế xong phần giao diện ta nhấn nút Run (hoặc F5) để lưu chạy chương trình Trong lần RUN đầu tiên, matlab yêu cầu bạn lưu lại file GUI với file ‘fig’ Sau m file tự đông tạo với tên trùng với tên file GUI Đây giao diện nhận chạy chương trình: Hình 4.2 Giao diện chạy chương trình _ LỌC ẢNH SỐ SVTH: HUỲNH MINH MẪN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 39/50 4.3 Sơ đồ giải thuật đề tài Phần giao diện chia thành phân vùng: + Vùng 1: Đọc ảnh cần xử lý, tạo nhiễu lọc nhiễu + Vùng 2: Vùng hiển thị ảnh q trình xử lý, thơng báo hiển thị biểu đồ… + Vùng 3: Vùng lưu lại ảnh sau xử lý, làm ảnh biểu đồ, đóng giao diện + Vùng 4: Tính toán đưa kết PSNR cho ảnh sau xử lý Sơ đồ giải thuật cụ thể sau: _ LỌC ẢNH SỐ SVTH: HUỲNH MINH MẪN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 40/50 Chọn ảnh cần lọc Hiển thị ảnh gốc Hiển thị Histogram Lựa chọn loại nhiễu Chọn hệ số tạo nhiễu Hệ số tạo nhiễu [0 1] S Nhắc nhở D Đ Hiển thị ảnh nhiễu Hiển thị Histogram ảnh nhiễu Thoát khỏi giao diện Lưu ảnh Hiển thị Histogram ảnh lọc Lựa chọn lọc Lựa chọn kích thước lọc Hiển thị ảnh lọc Hình 4.3 Sơ đồ giải thuật _ LỌC ẢNH SỐ SVTH: HUỲNH MINH MẪN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 41/50 4.4 Đánh giá kết mô 4.4.1 Xử lý ảnh nhiễu Gaussian Từ giao diện vừa thiết kế, ta tiến hành đưa ảnh đầu vào xử lý Giả sử: Một ảnh với định dạng file ‘jpg’ bị nhiễu gaussian với phương sai 0.01 Sử dụng lọc để giảm nhiễu đến mức thấp Với nhiễu Gaussian lọc tuyến tính lọc phi tuyến khử nhiễu tốt ta chọn lọc wiener với ma trận 5x5 Hình 4.4 Lọc wiener trắng đen _ LỌC ẢNH SỐ SVTH: HUỲNH MINH MẪN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 42/50 Hình 4.5 Lọc wiener ảnh màu Tấm ảnh thu ảnh tương đương với biểu đồ histogram xấp xỉ histogram ảnh đầu 4.4.2 Xử lý ảnh nhiễu salt & pepper Giả sử ta cho ảnh nhiễu muối tiêu với mật độ nhiễu 0.5 Sử dụng giao diện vừa thiết kế để lọc nhiễu mức nhiễu thấp Đối với loại nhiễu này, lọc trung vị (median filter) xử lý tốt nhất, mặt nạ lọc 5x5 _ LỌC ẢNH SỐ SVTH: HUỲNH MINH MẪN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 43/50 Hình 4.6 Lọc median ảnh trắng đen Hình 4.7 Lọc median ảnh màu _ LỌC ẢNH SỐ SVTH: HUỲNH MINH MẪN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 44/50 4.4.3 Xử lý ảnh nhiễu poisson Với hàm nhiễu poisson, ta khơng có biến đầu vào gây ảnh hưởng nhiễu việc tạo nhiễu với mật độ nhiễu cường độ nhiễu mặc định Đối với loại nhiễu này, lọc phi tuyến lọc tuyến tính xử lý tốt Ta chọn lọc trung bình, với mặt nạ lọc 3x3 Hình 4.8 Lọc trung bình ảnh trắng đen _ LỌC ẢNH SỐ SVTH: HUỲNH MINH MẪN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 45/50 Hình 4.9 Lọc trung bình ảnh màu 4.4.4 Xử lý ảnh nhiễu speckle Giả sử ảnh nhận có định dạng file ‘jpg’ bị nhiễu speckle với phương sai 0.1 dùng lọc ảnh loại bỏ tối đa nhiễu Đối với loại nhiễu này, ta sử dụng hai loại lọc phi tuyến tuyến tính để xử lý Chọn lọc trung bình kích thước 5x5 _ LỌC ẢNH SỐ SVTH: HUỲNH MINH MẪN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 46/50 Hình 4.10 Lọc trung bình ảnh đen trắng Hình 11 Lọc trung bình ảnh màu 4.4.5 Đánh giá kết Ta nhận thấy, ảnh nhiễu PSNR < 20(dB), với ảnh lọc PSNR dao động từ 25(dB) đến 35(dB) Điều hoàn toàn phù hợp với lý thuyết (PSNR nằm khoảng từ 25(dB) đến 35(dB) chấp nhận ), giá trị _ LỌC ẢNH SỐ SVTH: HUỲNH MINH MẪN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 47/50 PSNR cao ảnh có chất lượng tốt, giống với ảnh gốc Điều hiểu nhiễu lọc bỏ qua lọc, cho chất lượng ảnh tốt Xét lược đồ xám (histogram): Các biểu đồ gồm trục, trục nằm ngang hiển thị số mức xám (ở 256 mức xám), trục thẳng đứng hiển thị số pixel có mức xám Ảnh sau qua lọc cho ta biểu đồ gần giống với biểu đồ ảnh gốc Đối với loại nhiễu ta có lọc thích hợp để loại bỏ nhiễu cách tốt Ví dụ, nhiễu muối tiêu (salt & pepper) dùng lọc trung vị (median filter) tốt nhất, nhiễu Gaussion thích hợp cho lọc wiener…Ngồi lọc ta có thêm hai lọc khác lọc thông thấp lọc thông cao Bộ lọc trung bình dạng lọc thơng thấp Vì vậy, lọc thơng thấp lọc tuyến tính, lọc điểm ảnh có giá trị tần số thấp giữ lại điểm ảnh có giá trị tần số cao, nên ảnh sau lọc nhìn mờ so với ảnh gốc Hình 4.12 Lọc thơng thấp Lọc thông cao lọc làm bật chi tiết tần số cao (làm sáng chi tiết tần số cao làm đen chi tiết tần số thấp), mà PSNR lọc thơng cao thấp mức xám tập trung phía bên trái biểu đồ histogram _ LỌC ẢNH SỐ SVTH: HUỲNH MINH MẪN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 48/50 Hình 4.13 Ảnh lọc thông cao _ LỌC ẢNH SỐ SVTH: HUỲNH MINH MẪN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 49/50 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 5.1 Kết luận Đề tài tập trung nghiên cứu tổng quan lý thuyết xử lý ảnh số, giới thiệu số toán xử lý ảnh lập chương trình minh họa tốn Đề tài hồn thành mục tiêu nội dung nghiên cứu đề bao gồm khái quát thành phần hệ thống xử lý ảnh, khái niệm vấn đề liên quan, lọc ảnh, biên ảnh, … Giới thiệu số toán xử lý ảnh (xử lý Histogram, lọc nhiễu ảnh…) xây dựng giải thuật cho tốn Kế tiếp sử dụng chương trình Matlab để lập trình số tốn xử lý ảnh, kết minh họa phần chương trình ứng dụng Kết đề tài làm tài liệu giúp cho việc nghiên cứu, tìm hiểu lý thuyết xử lý ảnh số trực quan, sinh động dễ tiếp thu hơn, tạo tiền đề cho việc xây dựng chương trình xử lý ảnh ứng dụng khoa học sống Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp với cố gắng nỗ lực thân, giúp đỡ tận tình Thầy Nguyễn Nhật Tân Đến nay, đồ án hoàn thành nội dung thời hạn Tuy vậy, hạn chế kiến thức kinh nghiệm thực tế nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận góp ý Thầy cô bạn bè đồng nghiệp 5.2 Hướng phát triển đề tài Trong tương lai không hạn chế mặt thời gian, em sâu vào tìm hiểu nghiên cứu rộng hơn, nghiên cứu thêm số chương trình xử lý ảnh tốt phát triển Ta tìm hiểu sâu lọc ảnh, sau tìm hiểu mở rộng thêm ứng dụng khác nén ảnh, nhận dạng biên ảnh… _ LỌC ẢNH SỐ SVTH: HUỲNH MINH MẪN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 50/50 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Đồ Năng Tồn, Phạm Việt Bình (2007),” Giáo trình xử lý ảnh số”, Nhà xuất Đại học Thái Nguyên [2] Nguyễn Quang Hoan (2006), “Giáo trình xử lý ảnh”, Học viện cơng nghệ bưu viễn thơng, Hà Nội [3] Hồ Văn Sung (2009), “Xử lý ảnh số”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Tiếng Anh: [4] Alasdair McAndrew (2004), “An Introduction to Digital Image Processing with Matlab”, School of Computer Science and Mathematics, Victoria University of technology [5] Rafael C.Gonzalez, Richard E.Woods (2002), “Digital Image Processing – Second Edition”, Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey 07458 _ LỌC ẢNH SỐ SVTH: HUỲNH MINH MẪN ... TÂN Người thực hiện: HUỲNH MINH MẪN Lớp : 10040002 Khố THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2015 : 14 LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập trường đại học Tơn Đức Thắng thành phố Hồ Chí Minh, em giúp đỡ tận tình... này, tồn thể thầy trường tận tình dạy để em có kiến thức ngày hơm TP Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 01 năm 2015 Tác giả Huỳnh Minh Mẫn i CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG Em... quan đến vi phạm tác quyền, quyền tơi gây q trình thực (nếu có) TP Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 01 năm 2015 Tác giả Huỳnh Minh Mẫn ii (Trang dùng để đính kèm Nhiệm vụ Đồ án tốt nghiệp có chữ ký Giảng