Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu phép toán hình thái và ứng dụng

Đề tài tốt nghiệp Tìm hiểu phép tốn hình thái ứng dụng LỜI CẢM ƠN LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I .4 SƠ LƯỢC VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ PHÉP TỐN HÌNH THÁI 1.1 Xử lý ảnh 1.2 Các trình xử lý ảnh 1.3 Khái niệm phép tốn hình thái MORPHOLOGY CHƯƠNG II THAO TÁC VỚI HÌNH THÁI HỌC 2.1 Thao tác ảnh nhị phân 2.1.1 Phép dãn nhị phân(Dilation) .8 2.1.2 Phép co nhị phân (Erosion) 12 2.1.3 Các phép tốn đóng mở ảnh (closing and opening) .15 2.1.4 Kĩ thuật ‘ Đánh trúng Đánh trượt ‘ 21 2.1.5 Phép tốn dãn nở có điều kiện 23 2.1.6 Kĩ thuật đếm vùng 24 2.2 Thao tác ảnh xám 25 2.2.1 Phép co phép dãn .25 2.2.2 Các phép toán đóng, mở 26 2.2.3 Làm trơn 28 2.2.4 Gradient 29 2.2.5 Phân vùng theo cấu trúc 30 2.26 Phân loại cỡ đối tượng .31 2.3 Thao tác ảnh mầu 32 CHƯƠNG III 34 ỨNG DỤNG CỦA HÌNH THÁI HỌC 3.1 Ứng dụng thực tiễn .34 3.2 Xương làm mảnh 35 3.3 Các phương pháp lặp hình thái học 37 3.4 Nhận dạng biên .45 CHƯƠNG IV: 46 CÀI ĐẶT KẾT LUẬN .49 TÀI LIỆU THAM KHẢO .50 Sinh viên thực hiện: Phan Hữu Mạnh - Lớp CT701 - Khoá - Ngành Cơng nghệ thơng tin Đề tài tốt nghiệp Tìm hiểu phép tốn hình thái ứng dụng LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc thầy giáo hướng dẫn PGS.TS.Ngô Quốc Tạo, Viện Công Nghệ Thông Tin-Viện khoa học cơng nghệ Việt Nam tận tình giúp đỡ, bảo em thời gian vừa qua dành nhiều thời gian q báu để giúp em hồn thành đề tài giao Em xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu, Thầy cô giáo Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng giảng dạy chúng em suốt quãng thời gian qua, cung cấp cho chúng em kiến thức chuyên môn cần thiết quý báu giúp chúng em hiểu rõ lĩnh vực nghiên cứu để hoàn thành đề tài giao Xin cảm ơn bạn bè gia đình động viên cổ vũ, đóng góp ý kiến, trao đổi, động viên suốt trình học làm tốt nghiệp, giúp em hoàn thành đề tài thời hạn Hải Phòng, tháng năm 2007 Sinh viên Phan Hữu Mạnh Sinh viên thực hiện: Phan Hữu Mạnh - Lớp CT701 - Khoá - Ngành Công nghệ thông tin * Đề tài tốt nghiệp Tìm hiểu phép tốn hình thái ứng dụng LỜI NĨI ĐẦU Cùng với ngơn ngữ, thơng tin dạng hình ảnh đóng vai trị quan trọng cơng việc trao đổi thơng tin Chính năm gần có kết hợp chặt chẽ ảnh đồ hoạ lĩnh vực xử lý thông tin Trong công nghệ thông tin, xử lý ảnh chứa vai trò quan trọng, ứng dụng đa dạng phong phú nhiều lĩnh vực khoa học Xử lý ảnh phận quan trọng việc trao đổi thơng tin người máy Nó góp phần làm cho việc quan sát ảnh trở nên tốt Các thao tác Hình thái học (Morphology) nói chung, đặc biệt Hình thái học số sử dụng chủ yếu vào việc cải thiện ảnh cách làm rõ (tái ) nét đặc trưng hình dạng, tính tốn hay nhận biết chúng cách dễ dàng Đồ án giới thiệu số khái niệm thao tác Hình thái học, sử dụng thao tác hình thái ứng dụng chúng Đồ án bao gồm : Chương 1:Sơ lược xử lý ảnh Morphology Giới thiệu sơ xử lý ảnh ứng dụng Chương :Thao tác với Morphology Chương chương giới thiệu thao tác với ảnh nhị phân, ảnh đa cấp xám Cụ thể thao tác : Phép dãn, phép co, phép đóng mở ảnh, đánh trúng đánh trượt, dãn theo điều kiện kĩ thuật đếm vùng.Trong ảnh đa cấp xám, ta cịn đề cập đến phép tốn làm trơn ảnh, phương pháp gradient, cách phân vùng theo cấu trúc, cách phân loại cỡ đối tượng Bên cạnh thao tác có kèm theo ý nghĩa chúng, có thuật tốn có hình minh hoạ Chương 3:Ứng dụng Morphology Trong chương Đồ án giới thiệu ý nghĩa hình thái học thực tiễn ứng dụng nói chung thao tác hình thái Đặc biệt, chương có trình bày chi tiết ứng dụng phép tốn hình thái có tính thiết thực Chương 4:Cài đặt Trình bày q trình cài đặt chi tiết số thao tác hình thái học Sinh viên thực hiện: Phan Hữu Mạnh - Lớp CT701 - Khố - Ngành Cơng nghệ thơng tin Đề tài tốt nghiệp Tìm hiểu phép tốn hình thái ứng dụng CHƯƠNG I SƠ LƯỢC VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ PHÉP TỐN HÌNH THÁI 1.1 Xử lý ảnh Cũng xử lý liệu đồ hoạ, xử lý ảnh số lĩnh vực tin học ứng dụng Xử lý liệu đồ họa đề cập đến ảnh nhân tạo, ảnh xem xét cấu trúc liệu tạo chương trình Xử lý ảnh số bao gồm phương pháp kĩ thuật để biến đổi, để truyền tải mã hóa ảnh tự nhiên Mục đích xử lý ảnh gồm: Thứ nhất, biến đổi ảnh làm đẹp ảnh Thứ hai, tự động nhận dạng ảnh hay đoán nhận ảnh đánh giá nội dung ảnh Nhận biết đánh giá nội dung ảnh (nhận dạng ) phân tích hình ảnh thành phần có nghĩa để phân biệt đối tượng với đối tượng khác Dựa vào ta mơ tả cấu trúc hình ảnh ban đầu Có thể liệt kê số phương pháp nhận dạng nhận dạng biên đối tượng ảnh, tách cạnh, phân đoạn hình ảnh, v.v Kĩ thuật dùng nhiều y học (xử lý tế bào, nhiễm sắc thể), nhận dạng chữ văn 1.2 Các trình xử lý ảnh Các trình xử lý ảnh tiến hành theo sơ sau: Thu nhận ảnh Tiền xử lý Phân đoạn Tách đặc tính Phân loại Hỡnh 1: S trình xử lý ảnh Sinh viên thực hiện: Phan Hữu Mạnh - Lớp CT701 - Khoá - Ngành Cơng nghệ thơng tin Đề tài tốt nghiệp Tìm hiểu phép tốn hình thái ứng dụng Thu nhận ảnh: Đây cơng đoạn mang tính định trình XLA Ảnh đầu vào thu nhận qua thiết bị camera, sensor, máy scanner, vv …và sau tín hiệu số hoá Việc lựa chọn thiết bị thu nhận ảnh phụ thuộc vào đặc tính đối tượng cần xử lý Các thông số quan trọng bước độ phân giải, chất lượng màu, dung lượng nhớ tốc độ thu nhận ảnh thiết bị Tiền xử lý: Ở bước này, ảnh cải thiện độ tương phản, khử nhiễu, khử bóng, khử độ lệch, v.v với mục đích làm cho chất lượng ảnh trở nên tốt nữa, chuẩn bị cho bước xử lý phức tạp sau trình XLA Quá trình thường thực lọc Phân đoạn ảnh: Phân đoạn ảnh bước then chốt XLA Giai đoạn nhằm phân tích ảnh thành thành phần có tính chất dựa theo biên hay vùng liên thông Tiêu chuẩn để xác định vùng liên thơng màu, mức xám hay độ nhám vv … Mục đích phân đoạn ảnh để có miêu tả tổng hợp nhiều phần tử khác cấu tạo nên ảnh thơ Vì lượng thơng tin chứa ảnh lớn – trong đa số ứng dụng cần trích chọn vài đặc trưng đó, cần có q trình để giảm lượng thơng tin khổng lồ Q trình bao gồm phân vùng ảnh trích chọn đặc tính chủ yếu Tách đặc tính: Kết bước phân đoạn ảnh thường cho dạng liệu điểm ảnh thơ, hàm chứa biên vùng ảnh, tập hợp tất điểm ảnh thuộc vùng ảnh đó.Trong hai trường hợp, chuyển đổi liệu thô thành dạng thích hợp cho việc xử lý máy tính cần thiết Để chuyển đổi chúng, câu hỏi cần phải trả lời nên biểu diễn vùng ảnh dạng biên hay dạng vùng hoàn chỉnh gồm tất điểm ảnh thuộc Biểu diễn dạng biên cho vùng phù hợp với ứng dụng quan tâm chủ yếu đến đặc trưng hình dạng bên ngồi đối tượng, ví dụ góc cạnh điểm uốn biên chẳng hạn Biểu diễn dạng vùng lại thích hợp cho ứng dụng khai thác tính chất bên đối tượng, ví dụ vân ảnh cấu trúc xương Sự chọn lựa cách biểu diễn thích hợp cho vùng ảnh phần việc chuyển đổi liệu ảnh thơ sang dạng thích hợp cho xử lý sau Chúng ta phải đưa phương pháp mô tả liệu Sinh viên thực hiện: Phan Hữu Mạnh - Lớp CT701 - Khoá - Ngành Công nghệ thông tin Đề tài tốt nghiệp Tìm hiểu phép tốn hình thái ứng dụng chuyển đổi cho tính chất cần quan tâm đến làm bật lên, thuận tiện cho việc xử lý chúng Phân loại : Đây bước cuối trình XLA Nhận dạng ảnh (image recognition) nhìn nhận cách đơn giản việc gán nhãn cho đối tượng ảnh Ví dụ nhận dạng chữ viết, đối tượng ảnh cần nhận dạng mẫu chữ, ta cần tách riêng mẫu chữ tìm cách gán ký tự bảng chữ tương ứng cho mẫu chữ thu ảnh Giải thích cơng đoạn gán nghĩa cho tập đối tượng nhận biết 1.3 Khái niệm phép tốn hình thái MORPHOLOGY Hiểu cách đầy đủ ” Morphology ” hình thái cấu trúc đối tượng, hay diễn tả phạm vi mối quan hệ phần đối tượng Hình thái học quen thuộc lĩnh vực ngôn ngữ học sinh học Trong ngơn ngữ học, hình thái học nghiên cứu cấu trúc từ, tập hợp từ, câu lĩnh vực nghiên cứu từ nhiều năm Còn sinh học, Hình thái học lại trọng tới hình dạng cá thể hơn, chẳng hạn phân tích hình dạng để từ nhận dạng loại gì; nghiên cứu hình dạng nhóm vi khuẩn, dựa đặc điểm nhận dạng để phân biệt chúng thuộc nhóm vi khuẩn nào, v.v Tuỳ theo trường hợp cụ thể mà có cách phân lớp phù hợp với nó: Có thể phân lớp dựa hình dạng bao quanh (elip, trịn, ), kiểu mức độ hình dạng bất quy tắc (lồi, lõm, ), cấu trúc (lỗ, đường thẳng, đường cong, ) mà tích luỹ qua nhiều năm quan sát Tính khoa học Hình thái học số thực phát huy khả kể từ máy tính điện tử số đời làm cho Hình thái học trở nên thơng dụng, có nhiều tính Những đối tượng ảnh Hình thái học hầu như, ta coi tập hợp điểm ảnh, nhóm lại theo cấu trúc chiều Những thao tác toán học cụ thể tập hợp điểm sử dụng để làm rõ (tái ) nét đặc trưng hình dạng, mà tính tốn hay nhận biết chúng cách dễ dàng Sinh viên thực hiện: Phan Hữu Mạnh - Lớp CT701 - Khố - Ngành Cơng nghệ thơng tin Đề tài tốt nghiệp Tìm hiểu phép tốn hình thái ứng dụng CHƯƠNG II THAO TÁC VỚI HÌNH THÁI HỌC 2.1 Thao tác ảnh nhị phân Những thao tác hình thái nhị phân xây dựng ảnh có cấp xám bao gồm điểm ảnh, ta kí hiệu đen (1) trắng (0) Trước hết, để bắt đầu, ta xem hình 2.1a Tập hợp điểm ảnh đen tạo nên đối tượng ảnh hình vng 2.1b, đối tượng ảnh hình vng hình vng lớn so với 2.1a điểm ảnh phía, nghĩa thay lân cận trắng điểm ảnh 2.1a thành điểm ảnh đen Đối tượng 2.1c thao tác tương tự, tức 2.1b tăng thêm điểm ảnh phía Thao tác coi phép dãn đơn giản, phép dãn điểm ảnh phía Việc dãn thực tồn ảnh thay điểm ảnh đen Tuy nhiên thực tế, đối tượng ảnh xem tập hợp toán học điểm ảnh đen, điểm ảnh đen coi điểm khơng gian hai chiều xác định số hàng số cột Do vậy, đối tượng ảnh 2.1a viết lại { (3, 3) (3, 4) (4, 3) (4, 4) }, với điểm ảnh phía bên trái (0, 0) Tuy nhiên, việc viết dài dòng bất tiện nên ta gọi đơn giản đối tượng ảnh A, phần tử điểm ảnh Hình 2.1: Hiệu thao tác nhị phân đơn giản ảnh nhỏ (a) ảnh ban đầu (b) ảnh dãn điểm ảnh (c) ảnh dãn điểm ảnh (so với ảnh ban đầu ) Sinh viên thực hiện: Phan Hữu Mạnh - Lớp CT701 - Khố - Ngành Cơng nghệ thơng tin Đề tài tốt nghiệp Tìm hiểu phép tốn hình thái ứng dụng 2.1.1 Phép dãn nhị phân(Dilation) Bây ta số thao tác tập hợp đơn giản nhằm mục đích định nghĩa phép dãn nhị phân qua chúng.Phép dịch A điểm x(hàng, cột), định nghĩa tập (A)x = {c | c = a + x, a  A} Chẳng hạn x có toạ độ (1, 2), điểm ảnh phía bên trái A dịch đến vị trí: (3, 3) + (1, 2) =(4, 5) Các điểm ảnh khác A dịch chuyển cách tương ứng, tức ảnh dịch sang phải (cột) điểm ảnh xuống phía (hàng) điểm ảnh  Phép đối tập A định nghĩa sau: Â = {c | c = - a, a  A } phép quay A góc 180 so với ban đầu  Phần bù tập A tập điểm ảnh không thuộc đối tượng A, điểm ảnh trắng Theo lý thuyết tập hợp thì: Ac = {c | c  A}  Giao hai tập hợp A B tập phần tử thuộc A lẫn B Kí hiệu: A  B = {c | (c  A)  (c  B)}  Hợp hai tập hợp A B tập phần tử thuộc A / B Kí hiệu: A  B = {c | (c  A)  (c  B)}  Hiệu hai tập hợp A B tập: A - B = { c | (c  A)  (c  B)} tập các phần tử thuộc A không thuộc B hay A- B = A  Bc Bây ta định nghĩa phép dãn (delation) qua lý thuyết tập hợp sau: Phép dãn tập A tập B, tập : A  B = {c | c =a + b, a  A, b  B} (1) Dễ thấy toán học, phép tổng trực tiếp A B A đối tượng ảnh thao tác B gọi phần tử cấu trúc (viết tắt cấu trúc ) Để hiểu kĩ điều này, ta coi A đối tượng 2.1a B = {(0, 0) (0, 1)} Sinh viên thực hiện: Phan Hữu Mạnh - Lớp CT701 - Khố - Ngành Cơng nghệ thơng tin Đề tài tốt nghiệp Tìm hiểu phép tốn hình thái ứng dụng Những phần tử tập C = A  B tính dựa phương trình (1), viết lại sau: A  B = (A + {(0, 0)})  (A + {(0, 1)}) Cụ thể: A (3, 3) (3, 4) (4, 3) (4, 4) (3, 3) (3, 4) (4, 3) (4, 4) + + + + + + + + B (0, 0) (0, 0) (0, 0) (0, 0) (0, 1) (0, 1) (0, 1) (0, 1) = = = = = = = = C (3, 3) (3, 4) (4, 3) (4, 4) (3, 4) (3, 5) (4, 4) (4, 5) Trong đó, tập C gọi kết phép dãn A sử dụng phần tử cấu trúc B gồm phần tử mô tả trên, nhiên vài điểm số chúng trùng Hình 2.2: Dãn A B (a) Tập A ban đầu (b) Tập A cộng phân tử 45phân tử (0,1) (d)hợp (b) (c) (kết (0,0) (c) Tập A cộng phép dãn) Nhìn hình 2.2 trên, ta nhận thấy ảnh có hình dấu thập () Những phần tử đánh dấu () đen, trắng coi gốc (Ogirin ) ảnh Việc xác định vị trí gốc cấu trúc quan trọng, Sinh viên thực hiện: Phan Hữu Mạnh - Lớp CT701 - Khố - Ngành Cơng nghệ thơng tin Đề tài tốt nghiệp Tìm hiểu phép tốn hình thái ứng dụng định hướng co dãn ảnh Nếu gốc bên trái, ảnh có xu hướng co dãn bên phải, gốc bên phải co dãn trái gốc giữa, tất nhiên, ảnh dãn Trong thí dụ gốc cấu trúc B bên trái nên ta thấy ảnh dãn bên phải Nếu gốc chứa điểm ảnh trắng, ta nói gốc khơng bao gồm tập B Thông thường, để dãn ảnh tất phía, ta thường sử dụng cấu trúc có dạng ma trận  với gốc Ta xét thêm ví dụ nữa, ví dụ cho ta thấy dãn hai phía ta sử dụng cấu trúc có gốc gốc chứa điểm ảnh trắng Trong trường hợp cấu trúc có điểm ảnh trắng gốc ta nói gốc khơng bao gồm cấu trúc Nhìn vào hình 2.3 đây, ta có: A1 = {(1, 1)(1, 2)(2, 2)(2, 3)(3, 2)(3, 3)(4, 4)} phần tử cấu trúc B1 = {(0, -1)(0, 1)} Dịch A1 (0, -1) cho ta: (A1)(0, -1) = {(1, 0)(1, 1)(2, 1)(2, 2)(3, 1)(3, 2)(4, 3)} Dịch A1 (0, 1): (A1)( 0, 1) = {(1, 2)(1, 3)(2, 3)(2, 4)(3, 3)(3, 4)(4, 5)} Phép dãn A1 B1 hợp (A1)( 0, -1) (A1)( 0, 1) Nhận thấy hình 2.3, có số phần tử đối tượng ban đầu khơng có Hình 2.3: Dãn điểm ảnh (a) ảnh A1 (b) phần tử cấu trúcB1 (c) A1 dãn B1 Mặt ảnh kết quả, chẳng hạn (4, 4) Đó gốc phần tử cấu trúc phần tử đối tượng (bởi ta coi phần tử đối tượng điểm ảnh đen mà gốc lại điểm trắng ) 10 Sinh viên thực hiện: Phan Hữu Mạnh - Lớp CT701 - Khố - Ngành Cơng nghệ thơng tin