Tiểu luận nhập môn xử lý ảnh đề tài bài toán ứng dụng xử lý nâng cao chất lượng ảnh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VĂN LANG KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN TIỂU LUẬN NHẬP MÔN XỬ LÝ ẢNH ĐỀ TÀI : BÀI TOÁN ỨNG DỤNG XỬ LÝ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH Giảng viên hướng dẫn: TS PHÙNG THẾ BẢO Sinh viên thực hiện: Phan Minh Phúc Lê Đăng Tiến Nguyễn Thái Tuấn Nguyễn Việt Khoa Nguyễn Hồng Phúc Ngun TP Hồ Chí Minh – 2023 MỤC LỤC BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ THỰC HIỆN ĐỐI VỚI ĐỀ TÀI .3 LỜI NÓI ĐẦU Chương 1: Tổng quan xử lý ảnh số nâng cao chất lượng ảnh 1.1.Giới thiệu nâng cao chất lượng ảnh xử lý ảnh số 1.2.Các ứng dụng xử lý ảnh số .5 1.3.Các bước trình xử lý ảnh số Chương 2: Phân tích cách nâng cao chất lượng ảnh 2.1.Loại bỏ nhiễu ảnh 2.2.Cân lược đồ màu 2.3.Tăng độ phân giải ảnh 2.4.Làm mịn ảnh Chương 3: cài đặt chương trình demo 3.1 Yêu cầu phần cứng 3.2 Thiết kế Code .10 3.2.1.Loại bỏ nhiễu ảnh 10 3.2.2.Cân lược đồ màu .10 3.2.3.Tăng độ phân giải ảnh 10 3.2.4.Làm mịn ảnh 11 KẾT LUẬN Kết đạt đề tài 11 Ưu điểm: 12 Hạn chế: 12 Hướng phát triển .12 TÀI LIỆU THAM KHẢO 13 BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ THỰC HIỆN ĐỐI VỚI ĐỀ TÀI TT Họ tên Nội dung thực Phan Minh Phúc Giới thiệu nâng cao chất lượng ảnh xử lý ảnh số Lê Đăng Tiến Nghiên cứu cân lược đồ màu Nguyễn Thái Tuấn Nghiên cứu loại bỏ nhiễu ảnh Nguyễn Hoàng Phúc Nguyên Nghiên cứu làm mịn ảnh Nguyễn Việt Khoa Nghiên cứu cân lược đồ màu LỜI NÓI ĐẦU Xử lý ảnh số lĩnh vực khoa học máy tính, tập trung vào việc phân tích, xử lý trích xuất thơng tin từ hình ảnh Xử lý ảnh số có ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực y tế, sản xuất, an ninh, giải trí Các kỹ thuật xử lý ảnh số bao gồm việc lọc, biến đổi, phân tích nhận dạng ảnh Nó liên quan đến khái niệm xử lý màu sắc, độ phân giải kích thước ảnh Các kỹ thuật xử lý ảnh số sử dụng để giải vấn đề thực tiễn nhận dạng khuôn mặt, đọc chữ viết tay, phát khuyết tật hình ảnh y tế giải mã tín hiệu ảnh vệ tinh Các phương pháp tiếp cận xử lý ảnh số dựa thuật toán truyền thống hàm lượng giác, biến đổi Fourier, hay mơ hình học máy học sâu mạng neural tích chập Trong thời đại kỹ thuật số ngày nay, xử lý ảnh số đóng vai trò quan trọng việc phát triển ứng dụng cơng nghệ thơng tin, có tiềm phát triển lớn tương lai Vì em lựa chọn đề tài “ứng dụng xử lý nâng cao chất lượng ảnh ” tập nhóm 11 Bài tập lớn gồm phần: Chương 1: Tổng quan xử lý ảnh số nâng cao chất lượng ảnh Chương 2: Phân tích cách nâng cao chất lượng ảnh Chương 3: Cài đặt chương trình Demo CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH SỐ VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH 1.1 Giới thiệu nâng cao chất lượng ảnh xử lý ảnh số Xử lý ảnh sớ là lĩnh vực mang tính khoa học và cơng nghệ Nó là ngành khoa học mẻ so với nhiều ngành khoa học khác tớc độ phát triển của nó rất nhanh, kích thích trung tâm nghiên cứu , ứng dụng, đăc̣ biêṭ là máy tính chuyên dụng riêng cho nó Cùng với ngơn ngữ tự nhiên , hình ảnh đã đóng góp vai trò quan trọng viêc̣ trao đởi thơng tin Tính trực quan hình ảnh đã giúp cho người hiểu rõ và sâu sắc các thơng tin cần thu thập̣ Ngồi ta đã chứng minh rằng, tất cả các kênh thu nhận thông tin của người thì lượng thông tin thu nhận qua kênh thi ̣giác chiếm khoảng 70% Hình ảnh là kết viêc̣ thu nhâṇ và biểu diêñ lượng ánh sáng trải dài từ tia gamma (có bước sóng nhỏ ) đến sóng radio (có bước sóng lớn ) Tuy nhiên , mắt người chỉ cảm nhận vùng giới hạn nhỏ phổ điện từ Ngược laị, máy tính có thể đoc̣ được̣ mơṭ vùng rất rộng phở điện từ, từ tia gamma đến sóng radio Nó biểu diễn và xử lý ảnh sinh bởi nguồn mà người nhận biết , ảnh siêu âm , ảnh hồng ngoại, ảnh vùng tia X, … Do đó xử lý ảnh có môṭ phaṃ vi ứng dụng tương đối rộng Xử lý ảnh số là cách tiếp cận phân tích , tởng hơp̣ hình ảnh theo ý tưởng và mục đích người sử dụng Tuy xử lý ảnh là môṭ khoa hoc̣ còn tương đối mới so với nhiều ngành khoa hoc̣ khác , song năm gần , xử lý ảnh và đồ hoạ đã phát triển cách mạnh mẽ và đã gặt hái nhiều thành công góp phần vào phát triển chung của ngành công nghê ̣thông tin 1.2 Các ứng dụng của xử lý ảnh sớ Xử lý ảnh số có nhiều ứng dụng thực tế Một ứng dụng sớm xử lý ảnh từ nhiệm vụ Ranger phịng thí nghiệm Jet Propulsion vào năm đầu thập kỷ 60 Hệ thống chụp hình gắn tàu vũ trụ có số hạn chế kích thước trọng lượng, ảnh nhận bị giảm chất lượng bị mờ hình học nhiễu Các ảnh xử lý thành cơng nhờ máy tính số Hình ảnh mặt trăng Hỏa mà thấy tất tạp chí xử lý máy tính số Ngày nay, hầu hết thông tin ảnh chuyển sang dạng ảnh số Vì vậy, gần tất lĩnh vực ngành kỹ thuật có nhiều liên quan đến ảnh số sử dụng kỹ thuật xử lý ảnh số Ứng dụng xử lý ảnh có khả tác động mạnh mẽ đến sống lĩnh vực y tế Soi chụp ảnh máy tính dựa sở định lượng cắt lớp (project slice) dùng thường xuyên nghiên cứu lâm sàng, ví dụ phát nhận dạng u nang Những ứng dụng y khoa khác xử lý ảnh gồm cải thiện ảnh XQuang nhận dạng đường biên mạch máu từ ảnh chụp tia X Các ứng dụng gần gũi với sống gia đình cải tiến ảnh tivi Hình ảnh hình tivi có khuyết tật độ phân giải hạn chế, bị rung rinh, nhiều trượt hình đan dịng mức độ khác Xử lý ảnh số có tác động định đến việc cải thiện chất lượng hình ảnh hệ truyền hình làm phát triển hệ truyền hình có độ phân giải cao Một vấn đề truyền thông video hội nghị video, điện thoại video cần có đại tần rộng Việc mã hóa trực tiếp chương trình video chất lượng yêu cầu đến 100 triệu bit/giây Nếu hy sinh phần chất lượng dùng sơ đồ mã hóa ảnh số đưa thị trường hệ truyền hình chất lượng đủ rõ với nhịp bit 100 nghìn bit/giây Người máy ngày đóng vai trị quan trọng cơng nghiệp gia đình Chúng thực công việc nhàm chán nguy hiểm cơng việc mà tốc độ xác vượt qua khả người Khi người máy trở nên tinh vi hơn, thị giác máy tính đóng vai trò ngày quan trọng Người ta đòi hỏi người máy phát nhận dạng phận cơng nghiệp, mà cịn "hiểu" chúng "thấy" đưa hành động phù hợp Xử lý ảnh số có tác động lớn đến thị giác máy tính Ngồi ứng dụng cịn bao gồm ứng dụng lĩnh vực địa chất, sinh thái học, vật lý hạt nhân, khoa học vật liệu, tài chính, y tế, quân nhiều lĩnh vực khác Khả nhìn nghe thấy hai phương tiện quan trọng để người nhận thức giới bên ngoài, khơng có đáng ngạc nhiên mà xử lý ảnh số có nhiều khả ứng dụng, khơng khoa học kỹ thuật mà hoạt động khác người 1.3 Các bước bản q trình xử lý ảnh sớ Con người thu nhận thơng tin qua giác quan, thị giác đóng vai trị quan trọng Những năm trở lại với phát triển phần cứng máy tính, xử lý ảnh đồ họa phát triển cách mạnh mẽ có nhiều ứng dụng sống Xử lý ảnh đồ họa đóng vai trò quan trọng tương tác người máy Quá trình xử lý ảnh xem trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho kết mong muốn Kết đầu trình xử lý ảnh ảnh "tốt hơn" kết luận Ảnh ’Tốt hơn’ ẢNH XỬ LÝ ẢNH KÉT LUẬN Hình 1.1 Quá trình xử lý ảnh (Nguồn: Tài liệu tham khảo [1]) CHƯƠNG Phân tích cách nâng cao chất lượng ảnh 2.1.Loại bỏ nhiễu ảnh Để loại bỏ nhiễu ảnh cách áp dụng lọc trung bình, ta thực bước sau: 1/Chuyển ảnh sang không gian màu độ xám ảnh ban đầu ảnh màu 2/Chọn kích thước lọc trung bình (ví dụ: 3x3, 5x5, 7x7, ) 3/Duyệt qua điểm ảnh ảnh ban đầu áp dụng lọc trung bình lên giá trị pixel xung quanh điểm ảnh 4/Cập nhật giá trị điểm ảnh giá trị trung bình giá trị pixel vùng lọc 5/Lặp lại bước cho tất điểm ảnh ảnh ban đầu 6/Chuyển ảnh không gian màu ban đầu ảnh ban đầu ảnh màu Phương pháp đơn giản dễ hiểu, nhiên, làm chi tiết ảnh Do đó, nhiễu ảnh nhiễu Gauss, ta nên sử dụng lọc Gauss thay lọc trung bình để loại bỏ nhiễu Ngồi ra, ta kết hợp nhiều phương pháp khác để tăng độ hiệu việc loại bỏ nhiễu ảnh 2.2.Cân lược đồ màu Histogram Equalization Ở vùng tối giá trị điểm ảnh không thay đổi nhiều , nhiên với vùng sáng giá trị mức sáng đẩy lên với bước đẩy tăng dần Với phép biến đổi khác giá trị xám điểm ảnh tăng lên đủ để phân biệt Qua quan sát kết thu em nhận thấy: Phép biến đổi thực tốt ảnh tối sáng Tuy nhiên số ảnh đặc bịêt phương pháp không cải thiện Histogram Matching biến đổi histogram matching tìm ảnh mẫu tốt cho kết tốt , ảnh mẫu khơng tốt kết biến đổi lược đồ xám thơng thường, chí khơng tốt 2.3.Tăng độ phân giải ảnh Độ phân giải ảnh mật độ điểm ảnh ấn định ảnh số hiển thị nên dựa theo định nghĩa, khoảng cách điểm ảnh phải chọn cho mắt người thấy liên 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 Một số cách giúp Tăng độ phân giải ảnh : -Xử lý miền không gian(Spatial Domain Process): +Các phép biến đổi ảnh dựa điểm ảnh +Các phép biến đổi ảnh dựa phép toán số học/logic -Xử lý miền tần số Trong miền không gian, ta xử lý trực tiếp điểm ảnh, miền tần số, ta xử lý dựa tốc độ thay đổi giá trị ảnh miền không gian - Miền không gian: Ma trận ảnh đầu vào -> Xử lý-> Ma trận ảnh đầu - Miền tần số:Ảnh vào - > phân bố tần số -> Xử lý Chuyển đổi ngược -> Ảnh Miển tần số khơng gian tạo mối quan hệ chu kỳ rõ ràng miền không gian, miền tần số , số toán tử xử lý ảnh trở nên hiệu Trong nhiều trường hợp , người ta dùng chuyển đổi Fourier để chuyển ảnh từ miền không gian sang miền tần số 2.4.Làm mịn ảnh -Trong hình ảnh bị mờ, hình ảnh mịn tức là, cạnh không quan sát Bộ lọc sử dụng để làm mờ cịn gọi lọc thơng thấp cho phép tần số thấp vào dừng tần số cao Ở đây, tần số có nghĩa thay đổi giá trị pixel Xung quanh mép, giá trị pixel thay đổi nhanh chóng hình ảnh mờ mịn nên tần số cao nên lọc bỏ Để làm mờ hình ảnh, giá trị pixel phải gần với giá trị lân cận, đó, lọc với lệnh gọi có giá trị sử dụng + Làm mờ Gaussian Thay lọc hộp, nhân gaussian sử dụng thơng qua hàm cv2.GaussianBlur() Cần định chiều rộng chiều cao ma trận nhân số dương lẻ, định độ lệch chuẩn theo hướng X Y, tương ứng sigmaX sigmaY Nếu sigmaX định, sigmaY coi sigmaX Nếu hai cho dạng số 0, chúng tính từ kích thước ma trận nhân Tính làm mờ Gaussian có hiệu cao việc loại bỏ nhiễu gaussian khỏi hình ảnh Đoạn code sửa đổi để làm mờ Gaussian + Làm mờ trung vị Ở đây, hàm cv2.medianBlur() lấy giá trị trung bình tất pixel vùng phần tử trung tâm thay giá trị trung bình Điều có hiệu cao việc chống nhiễu hạt tiêu ảnh Trong lọc trên, phần tử trung tâm giá trị tính tốn, giá trị pixel ảnh giá trị + Lọc song phương Bộ lọc song phương sử dụng lọc gaussian không gian thêm chức khác biệt pixel Hàm Gaussian không gian đảm bảo pixel lân cận xem xét làm mờ hàm gaussian chênh lệch cường độ đảm bảo pixel có cường độ tương tự với pixel trung tâm xem xét làm mờ Nhưng tính làm mờ trung vị, yếu tố trung tâm thay số giá trị pixel hình ảnh CHƯƠNG 3: CÀI ĐẶT CHƯƠNG TRÌNH DEMO 3.1 Yêu cầu phần cứng ● Cấu hình yêu cầu : − Hệ điều hành: WinXP SP3 − RAM: 512 MB − Card đồ họa: 64 MB − Ổ cứng trống: 200 MB ● Cấu hình tối ưu : − Hệ điều hành: Win − RAM: GB − Card đồ họa: 128 MB − Ổ cứng trống: 250 MB ● Phần mềm Lập trình: PyDev,Pycharm,Visual Studio Code.Sublime Text,Atom / Atom IDE 3.2 Thiết kế Code 3.2.1.Loại bỏ nhiễu ảnh 3.2.2.Cân lược đồ màu 3.2.3.Tăng độ phân giải ảnh 10 3.2.4.Làm mịn ảnh KẾT LUẬN Kết đạt đề tài -Tạo hình ảnh đẹp cho ứng dụng nghệ thuật, quảng cáo, in ấn, ứng dụng tương tự -Tăng cường khả nhận dạng phân tích hình ảnh cho ứng dụng y tế, khoa học, kỹ thuật cơng nghệ -Cải thiện chất lượng hình ảnh sưu tập ảnh số để lưu trữ truyền tải thơng tin hình ảnh cách tốt 11 -Tăng cường chất lượng hình ảnh ứng dụng đồ họa máy tính, trị chơi điện tử, truyền hình phim ảnh -Cải thiện khả giám sát an ninh cho hệ thống camera giám sát, đảm bảo hình ảnh ghi lại rõ ràng chi tiết Ưu điểm: -Cải thiện chất lượng ảnh, làm tăng độ chi tiết, độ phân giải, độ tương phản, độ sáng độ bão hòa màu sắc ảnh -Loi b hoc gim thiu nhiu vt bn nh, giúp nh tr nên sch s rõ nét hn -Giúp tăng tính thẩm mỹ ảnh, làm cho ảnh trở nên hấp dẫn -Giúp ci thin cht lng ca hình nh ng dng nh phân tích hình nh, nhn dng khn mt, x lý nh y t Hạn chế: -Các kỹ thuật tốn nhiều thời gian tài nguyên tính tốn, đặc biệt xử lý ảnh có kích thước lớn -Việc sử dụng kỹ thuật không đảm bảo chất lượng ảnh cải thiện đáng kể, đặc biệt ảnh bị hỏng nặng có nhiễu cao -Các kỹ thuật làm thay đổi nội dung ảnh, dẫn đến biến dạng mát thông tin quan trọng ảnh gốc -Các kỹ thuật làm cho ảnh trở nên nhân tạo tính tự nhiên ảnh gốc, khiến cho người xem khó nhận ảnh ban đầu Hướng phát triển Để có đội ngũ nhân viên chuyên nghiệp, giàu kinh nghiệm lực cao cần có quản lý chặt chẽ cơng ty Đó việc điều chuyển nhân viên vào phòng ban thích hợp với lực nhân viên, tổ chức đợt đào tạo nâng cao tay nghề cho nhân viên, có hình thức khen thưởng, khích lệ nhân viên u cơng việc Mặt khác có hình thức kỷ luật, khiển trách nhân viên làm sai, gây ảnh hưởng đến uy tín, thương hiệu công ty Nhân viên hưởng lương theo quy định cơng ty, có khoản thưởng lương nhân viên làm vượt sản phẩm, hay làm tốt công việc Do thời gian tìm hiểu khơng nhiều, thân có nhiều hạn chế kinh nghiệm nên khó tránh khỏi thiếu sót, hạn chế định Kính mong nhận đóng góp ý kiến thầy để báo cáo nhóm em hoàn thiện 12 13 TÀI LIỆU THAM KHẢO PGS TS Đỗ Năng Tồn, TS Phạm Việt Bình, “Giáo trình xử lý ảnh số”, NXB Khoa học kỹ thuật, 2008 Võ Đức Khánh, “Giáo trình xử lý ảnh”, NXB Thống kê, Hà Nội, 2003 [3] Nguyn Trng Vinh, “Báo cáo NCKH: Nghiên cu mt s k thut hiu chnh góc nghiêng ca 14