Tìm hiểu về phương pháp để nâng cao chất lượng ảnh dựa trên các kỹ thuật lọc không gian

Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC HÌNH ẢNH PHẦN MỞ ĐẦU CHƢƠNG I KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ẢNH TRONG MIỀN KHÔNG GIAN 1.1 Khái quát xử lý ảnh 1.1.1 Xử lý ảnh 1.1.2 Một số vấn đề xử lý ảnh 1.1.2.1 Một số khái niệm 1.1.2.3 Tăng cường ảnh 1.1.2.2 Biểu diễn ảnh 1.1.2.4 Biến đổi ảnh 1.1.2.5 Nhận dạng ảnh 1.1.2.6 Nén ảnh 1.2 Khái quát nâng cao chất lượng ảnh miền không gian CHƢƠNG II NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ẢNH TRONG MIỀN KHÔNG GIAN 11 2.1 i t 11 2.2 Các phép biế ản 13 2.2.1 Ảnh âm 13 2.2.2 Chuyển đổi Logarit 14 2.2.3 Chuyển đổi lũy thừa 15 2.2.4 Hàm khoảng tuyến tính - tuyến tính đoạn 17 2.3 Xử lý Histograms 20 2.3.1 Hiệu chỉnh lược đồ 20 2.3.2 Kết hợp lược đồ 24 2.3.3 Nâng cấ 29 ợ 30 dụng toán tử 33 34 35 2.5 Bộ lọc miền không gian 37 39 ị 40 Nguyễ n Thanh Giang – CTL501 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng 41 42 42 – Laplacian 44 2.7.3 Sử dụng phép vi phân cấp - Gradient 50 ợ 53 CHƢƠNG III: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 55 3.1 Bài toán 55 3.2 Phân tích, thiết kế chương trình 55 3.3 Một số kết chương trình 56 KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 Nguyễ n Thanh Giang – CTL501 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, xin chân thành cảm ơn PGS TS Ngơ Quốc Tạo, Trưởng phịng Nhân dạng Cơng nghệ tri thức, Viện Công nghệ thông tin, Viện Hàn Lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam định hướng giúp đỡ tơi tận tình suốt q trình làm đồ án Tơi xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo môn khoa Công Nghệ Thông Tin truyền dạy kiến thức thiết thực suốt q trình học, đồng thời tơi xin cảm ơn nhà trường tạo điều kiện tốt cho hoàn thành đồ án Trong phạm vi hạn chế đồ án tốt nghiệp, kết thu cịn q trình làm việc khó tránh khỏi thiếu sót, tơi mong nhận góp ý thầy giáo bạn Hải Phòng, ngày 06 tháng năm 2013 Sinh viên \ Nguyễn Thanh Giang Nguyễ n Thanh Giang – CTL501 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phịng DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Q trình xử lý ảnh Hình 1.2: Các bước hệ thống xử lý ảnh Hình 2.1: Phương p lân n t m ng vùng 3x3 tâm i (x,y) Hình 2.2: Tăng giảm độ sáng tối cho hình ảnh Hình 2.3: Biểu diễn hàm biến đổi âm Hình 2.4: Ảnh sử dụng chuyển đổi âm Hình 2.5: Ảnh sử dụng chuyển đổi log Hình 2.6: Ảnh sử dụng chuyển đổi gama Hình 2.7: Điều chỉnh gama cho hình CRT Hình 2.8: Ảnh sử dụng chuyển đổi lũy thừa với y=0.4 y=0.6 Hình 2.9: Ảnh sử dụng chuyển đổi lũy thừa với y=3.4 c=1 Hình 2.10: Ảnh sử dụng tăng độ tương phản Hình 2.11: Ảnh cắt theo mức xám Hình 2.12: Những lớp bit ảnh 8bit Hình 2.13: Một ảnh 8bit Hình 2.14: lớp bit từ hình 2.13 Hình 2.15: kiểu ảnh đồ thị tương ứng Hình 2.16: Hàm chuyển đổi thỏa mãn điều kiện Hình 2.17 a: ảnh từ hình 2.15, b: ảnh điều chỉnh biểu đồ, c:biểu đồ tương ứng Hình 2.18: Hình sử dụng hàm biến đổi Hình 2.19.a:ánh xạ tử rk sang sk qua T(r), b: tự ánh xạ zq, c: ánh xạ ngược từ sk tới zk Hình 2.20: Hình ảnh lược đồ mặt trăng Hỏa Hình 2.21 a: chuyển đổi mức xám cho biểu đồ điều chỉnh,b: ảnh sau thực điều chỉnh,c: biểu đồ ảnh sau điều chỉnh Nguyễ n Thanh Giang – CTL501 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phịng Hình 2.22 a: biểu đồ chi tiết, b: đường cong sử dụng biểu đồ a, đường cong áp dụng công thức 2.3-17, c: ảnh kết sử dụng đường cong 2, d: biểu đồ ảnh c Hình 2.23 a: ảnh gốc, b: ảnh áp dụng điều chỉnh toàn bộ, c:ảnh điều chỉnh biểu đồ sử dụng vùng vuông 7X7 cho điểm ảnh Hình 2.27: Ảnh x-quang phần đỉnh đầu bệnh nhân Hình 2.28: a:ảnh gốc, b:ảnh điều chỉnh nhiễu với trung bình độ lệch chuẩn mức xám 64,c-f:kết áp dụng khử nhiễu phương pháp trung bình hình ảnh Hình 2.29: Mơ tả chế lọc khơng gian Hình 2.30: Cách biểu diễn khác mặt lạ lọc khơng gian Hình 2.31: Bộ lọc mịn 3x3 Hình 2.32 a:hình gốc, b:hình áp dụng lọc trung bình,c:hình áp dụng lọc trung tâm Hình 2.33 a:ảnh gốc,b:đồ thị mức màu ảnh,c:lược đồ màu Hình 2.36 a:mặt nạ hỗn hợp 1,b: mặt nạ hỗn hợp 2,c:ảnh gốc,d e:kết sử dụng mặt nạ a b Hình 2.37 a:ảnh gốc , b:A=0,c:laplacian sử dụng mặt nạ 2.38b A=1,d:như c A=1.7 Hình 2.38: Mặt nạ Sobel Hình 2.39 a:ảnh gốc,b:ảnh độ dốc Sobel Hình 2.40 a:ảnh gốc,b:ảnh Laplacian a,c:ảnh làm sắc nét cộng ảnh a với b,d:Sobel a, e:Sobel với lọc trung bình 5x5,f:ảnh mặt lạ kết hợp e e,g:ảnh làm sắc nét cộng a f,h:ảnh cuối Hình 3.1: Giao diện chương trình Hình 3.2: Mở ảnh Hình 3.3: Kết thực lọc nhiễu ảnh Nguyễ n Thanh Giang – CTL501 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phịng PHẦN MỞ ĐẦU Hình ảnh dạng liệu đóng vai trị quan trọng việc trao đổi, xử lý, lưu trữ thông tin…Trong có lẽ khơng khơng sử dụng hình ảnh cho mục đích Trong nhiều nghành nghề, số loại hình cơng việc, người ta cần đến hình ảnh để mơ tả, minh chứng hay diễn đạt điều mà chữ viết hay ngơn ngữ nói khơng lột tả hết Đặc biệt nghành cơng nghiệp như: khí chế tạo, chế biến, sản xuất,… việc đọc hình ảnh nói thường xun quan trọng Bản vẽ kỹ thuật (một dạng hình ảnh) kết ngơn ngữ kỹ thuật, mà qua nó, quy trình cơng nghệ phải xây dựng q trình sản xuất, sở cho việc nghiệm thu sản phẩm Nhu cầu lưu ảnh cuả tài liệu, vẽ, sửa đổi chúng chuyển chúng sang dạng đồ họa khác tiện cho việc nhận dạng, đối sánh mẫu để sử dụng sau điều cần thiết Nhưng phải tổ chức việc lưu dạng hình ảnh nào? Có cần xử lý trước lưu chúng khơng? Câu trả lời có Do tiền xử lý ảnh việc cần làm Có nhiều phương pháp, nhiều cơng cụ, nhiều phần mềm xử lý ảnh đời Tăng cường chất lượng ảnh, mà công đoạn bước tiền xử lý nhằm loại bỏ nhiễu, khắc phục khiếm khuyết bước thu nhận ảnh không tốt việc làm quan trọng Có nhiều phương pháp cho việc nâng cao chất lượng ảnh nói chung tiền xử lý nói riêng Trong đồ án này, mục tiêu em tìm hiểu phương pháp để nâng cao chất lượng ảnh dựa kỹ thuật lọc không gian Nội dung đồ án bao gồm: Chƣơng 1: Khái quát xử lý ảnh nâng cao chất lượng ảnh miền không gian Chƣơng 2: Nâng cao chất lượng ảnh miền không gian Chƣơng 3: Xây dựng chương trình ứng dụng Phần kết luận Nguyễ n Thanh Giang – CTL501 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng CHƢƠNG I KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ẢNH TRONG MIỀN KHÔNG GIAN 1.1 Khái quát xử lý ảnh 1.1.1 Xử lý ảnh Quá trình xử lý ảnh xem trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho kết mong muốn Kết đầu q trình xử lý ảnh “tốt hơn” kết luận Hình 1.1 Q trình xử lý ảnh Ảnh xem tập hợp điểm ảnh điểm ảnh xem đặc trưng cường độ sáng hay dấu hiệu vị trí đối tượng khơng gian xem hàm n biến P(c1, c2, , cn) Do đó, ảnh xử lý ảnh xem ảnh n chiều Sơ đồ tổng quát hệ thống xử lý ảnh: Hình 1.2 Các bước hệ thống xử lý ảnh Nguyễ n Thanh Giang – CTL501 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng 1.1.2 Một số vấn đề xử lý ảnh 1.1.2.1 Một số khái niệm Điểm ảnh ảnh Gốc ảnh (ảnh tự nhiên) ảnh liên tục không gian độ sáng Để xử lý máy tính (số), ảnh cần phải số hóa Số hóa ảnh biến đổi gần môt ảnh liên tục thành tập điểm phù hợp với ảnh thật vị trí (khơng gian) độ sáng (mức xám) Khoảng cách điểm ảnh thiết lập cho mắt người khơng phân biệt ranh giới chúng Mỗi điểm gọi điểm ảnh (pixel) Độ phân giải ảnh Độ phân giải (Resolution) mật độ điểm ảnh ấn định ảnh số hiển thị Theo định nghĩa, khoảng cách điểm ảnh phải chọn cho mắt người thấy lien tục ảnh Việc lựa chọn khoảng cách thích hợp tạo nên mật độ phân bổ, độ phân giải phân bố theo trục x y không gian hai chiều Mức xám ảnh (Gray level) Là kết biến đổi tương ứng giá trị độ sáng điểm ảnh với giá trị nguyên dương Thông thường xác định khoảng 0…255 Tùy thuộc vào giá trị xám mà điểm ảnh biểu diễn 1, 4, 8, 24 hay 32 bít Ảnh số Là tập hợp hữu hạn điểm ảnh, thường biểu diễn mảng hai chiều (mxn) phần tử Ảnh số chia làm loại: - Ảnh nhị phân: Giá trị xám tất điểm ảnh nhận giá trị Như điểm ảnh ảnh nhị phân biểu diễn bit - Ảnh xám: Giá trị xám nằm khoảng 0…255 Như điểm ảnh ảnh xám biểu diễn byte - Ảnh màu: Là ảnh tổ hợp từ màu đỏ (R), lục (G), lơ (B) thường thu nhận giải băng tần khác Để biểu diễn cho ảnh màu cần 24 bit, bit chia làm ba khoảng bit, khoảng biểu diễn cho cường độ sáng màu 1.1.2.3 Tăng cường ảnh Tăng cường ảnh bước quan trọng tạo tiền đề cho xử lý ảnh Nó gồm kỹ thuật: tăng độ tương phản, khử nhiễu, biên ảnh… Nguyễ n Thanh Giang – CTL501 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng 1.1.2.2 Biểu diễn ảnh Trong biểu diễn ảnh người ta thường dùng phần tử đặc trưng ảnh pixel Việc xử lý ảnh số yêu cầu ảnh phải mẫu hóa lượng tử hóa Một số mơ hình dùng biểu diễn ảnh: mơ hình tốn, mơ hình thống kê 1.1.2.4 Biến đổi ảnh Thuật ngữ biến đổi ảnh thường dùng để nói tới lớp ma trận đơn vị kỹ thuật dùng để biến đổi ảnh Có nhiều loại biến dạng dùng như: biến đổi Fourier, sin,cosin … 1.1.2.5 Nhận dạng ảnh Nhận dạng ảnh q trình liên quan đến mơ tả đối tượng mà người ta muốn đặc tả Người ta áp dụng kỹ thuật nhận dạng thành công với nhiều đối tượng khác như: nhận dạng vân tay, nhận dạng chữ viết… Có bốn cách tiếp cận khác nhau:  Đối sánh mẫu dựa đặc trưng trích chọn  Phân loại thống kê  Đối sánh cấu trúc  Phân loại dựa mạng nơron nhân tạo 1.1.2.6 Nén ảnh Dữ liệu ảnh liệu khác cần phải lưu trữ hay truyền mạng mà lượng thông tin để biểu diễn cho ảnh lớn Do cần phải giảm lượng thông tin hay nén liệu nhu cầu cần thiết Nén ảnh thường tiến hành theo hai khuynh hướng nén có bảo tồn khơng bảo tồn thơng tin 1.2 Khái qt nâng cao chất lƣợng ảnh miền không gian c tiêu nh a c nâng cấp nh x t nh nh a t c nh p cho ng ng riêng tốt nh cấp nh chia nh phương pháp: phương pháp miền không gian pháp miền n Trong k t nâng cấp nh người ta chủ yếu đa ng a hai phương pháp Không t i ch c quan, t ng t a o t c Nâng phương t p t chung nâng cấp nh Khi t c nh cx i xem đưa nh i ng phương c o nh c quan t ng nh nh i mang Nguyễ n Thanh Giang – CTL501 Đồ án tốt nghiệp nh so nh quan c nh u c thông qua Trường ĐHDL Hải Phòng i t t y c Tuy nhiên, suất u m thể c p ng c phương c nh n c tiêu đơn nh ng tình o n , p nâng cấp nh Nguyễ n Thanh Giang – CTL501 p n c n n t tiêu sai m t theo x nh ng hiệu c yêu n 10 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng ứ : (1) (2) (3) ứ (4) , ứ – Laplacian 2.7.2 : (2.7-1) ữ : (2.7-2) : (2.7-3) chiề Nguyễ n Thanh Giang – CTL501 2.7-1 44 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng (2.7-4) ực 2.34 ệ Hình 2.34 a:mặt nạ dùng cho Laplacian từ công thức 2.7-4,b:mặt nạ sử dụng với công thức mở rộng bao gồ đường chéo,c d:kết áp dụng Laplacian điề - - 2.34 2.28 ứ , Nguyễ n Thanh Giang – CTL501 45 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phịng ắ (2.7-5) Hình 2.35 a:hình gốc,b:hình sử dụng lọc Laplacian tỉ lệ cho việc hiển thị, d:ảnh tăng cường 2.35 2.35 mặ 2.34 ẳ 2.35c l Nguyễ n Thanh Giang – CTL501 46 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng 2.35 ản ữ Ѧ2 - 2.7-5 (2.7-6) ện 2.36 2.36 - 2.7-5 : 2.36 2.36 – 2.36 2.36 2.36 2.36 2.36 - 2.34 - Nguyễ n Thanh Giang – CTL501 47 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phịng Hình 2.36 a:mặt nạ hỗn hợp 1,b: mặt nạ hỗn hợp 2,c:ảnh gốc,d e:kết sử dụng mặt nạ a b Mặt nạ chƣa sắc nét lọc tăng cƣờng cao : (2.7-7) - , fs (x,y) , fhb (x,y) (2.7-8) , A>=1, f- Nguyễ n Thanh Giang – CTL501 48 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng (2.7-9) (2.7-10) - ả s - - (2.7-11) ện 2.38 2.37 2.37 2.37 2.37c c Laplacian nh 2.38 2.37 Nguyễ n Thanh Giang – CTL501 49 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phịng Hình 2.37 a:ảnh gốc , b:A=0,c:laplacian sử dụng mặt nạ 2.38b A=1,d:như c A=1.7 2.7.3 Sử dụng phép vi phân cấp - Gradient (2.7-12) (2.7-13) Nguyễ n Thanh Giang – CTL501 50 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng ện - (2.7-14) h toán 900 - 2.38 : (2.7-15 (2.7-16) - : (2.7-17) 2.38 Nguyễ n Thanh Giang – CTL501 51 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phịng z5, (2.7-18) 2.38 , - 2.5-1 Hình 2.38 Mặt nạ Sobel Hình 2.39 a:ảnh gốc,b:ảnh độ dốc Sobel Nguyễ n Thanh Giang – CTL501 52 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng 2.39 2.39 - 2.38 ợ 2.8 ợ ấ Hình 2.40 a:ảnh gốc,b:ảnh Laplacian a,c:ảnh làm sắc nét cộng ảnh a với b,d:Sobel a 2.40 mức 2.33 2.34 Chúng - 2.40b ợc tạo Nguyễ n Thanh Giang – CTL501 2.40a v theo 53 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phịng ễu 2.40 2.40 ết ễu Hình 2.40 e:Sobel với lọc trung bình 5x5,f:ảnh mặt lạ kết hợp e e,g:ảnh làm sắc nét cộng a f,h:ảnh cuối 2.40 - Quá ải ợ Tron Nguyễ n Thanh Giang – CTL501 54 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng CHƢƠNG III: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 3.1 Bài tốn Với ảnh đầu vào bị nhiễu, toán đặt làm để khử nhiễu cho ảnh dựa vào kỹ thuật lọc miền không gian.Từ ta đặt giải pháp sau: sử dụng toán tử số học để thực khử nhiễu cho ảnh Cuối ta thu ảnh khử nhiễu Đầu vào : ảnh bị nhiễu Đầu : ảnh khử nhiễu kỹ thuật lọc không gian 3.2 Phân tích, thiết kế chƣơng trình Áp dụng lý thuyết xử lý ảnh trình bày chương trên, em xây dựng chương trình xử lý ảnh đơn giản MATLAB 7.11(R2004b) Chương trình thực giải toán đơn giản xử lý ảnh là: lọc nhiễu ảnh Dưới giao diện chương trình: Hình 3.1 Giao diện chương trình - Nút - Nút : lấy tên hiển thị hình ảnh đầu vào : Thực chức khử nhiễu cho ảnh Nguyễ n Thanh Giang – CTL501 55 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phịng 3.3 Một số kết chƣơng trình Hình 3.2 Mở ảnh Hình 3.3 Kết thực lọc nhiễu ảnh Nguyễ n Thanh Giang – CTL501 56 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng KẾT LUẬN Trong thời gian nghiên cứu làm đồ án, em hồn thành nhiệm vụ đề Như trình bày trên, em tìm hiểu phương pháp nâng cấp ảnh dựa vào kỹ thuật lọc miền không gian đạt số kết sau: Tìm hiểu khái quát xử lý ảnh nâng cao chất lượng ảnh miền không gian Phương pháp nâng cấp ảnh dựa kỹ thuật lọc miền khơng gian: - Tìm hiểu phép tốn dựa láng giềng, lọc khơng gian - Phép toán làm trơn, tách cạnh, phép toán tương quan cuộn Các phép toán tăng cường độ sắc nét ảnh: đạo hàm bậc nhất, bậc hai kết hợp Viết chương trình thử nghiệm Bên cạnh kết đạt được, đồ án em cịn có vấn đề mà đến thời điểm chưa giải - Phạm vi toán nhỏ - Kết chương trình thực với phương pháp lọc Trong thời gian tới em tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện tiếp phần cịn tồn để xây dựng đồ án hồn chỉnh để kết đồ án làm tài liệu giúp cho việc nghiên cứu, tìm hiểu lý thuyết xử lý ảnh trực quan, sinh động Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, với cố gắng nỗ lực thân, giúp đỡ tận tình thầy giáo, PGS TS Ngơ Quốc Tạo Đến đồ án hoàn thành Tuy vậy, hạn chế kiến thức kinh nghiệm nên đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong góp ý thầy bạn bè Nguyễ n Thanh Giang – CTL501 57 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHDL Hải Phòng TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tham khảo tiếng Việt [1] TS Đỗ Năng Tồn, TS Phạm Việt Bình (2007) - Giáo Trình Môn Học Xử Lý Ảnh, trường ĐH thái nguyên, khoa CNTT [2] PGS Nguyễn Quang Hoan (2006)- Giáo Trình Xử Lý Ảnh, học viện cơng nghệ bưu viễn thơng [3] Lương Mạnh Bá, Nguyễn Thanh Thủy (2003)- Nhập Môn Xử Lý Ảnh Số, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Tài liệu tham khảo tiếng Anh [1] Rafael C.Gonzalez & Richard E.Woods, “ Digital Image Processing”, AddisonWesley, 2002 Một số trang web: http://luanvan.net.vn/luan-van/do-an-tim-hieu-mot-so-ky-thuat-nang-cao-chatluong-anh-va-ung-dung-31685/ http://bogiaoduc.edu.vn/cong-nghe-thong-tin-37/phuong-phap-loc-nhieu-lam-tronanh-nham-nang-cao-chat-luong-anh-phuc-vu-cho-giai-doan-tien-xu-ly-anh-12353/ Nguyễ n Thanh Giang – CTL501 58