Tìm hiểu sự ra đời của cơ sở xủ lý ảnh phần 1 potx

Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh 1 Chơng 1. Cơ sở xử lý ảnh . Mở đầu. Xử lý ảnh số có nhiều ứng dụng thực tế. Một trong những ứng dụng sớm nhất là xử lý ảnh từ nhiệm vụ Ranger 7 tại phòng thí nghiệm Jet Propulsion vào những năm đầu của thập kỷ 60. Hệ thống chụp hình gắn trên tàu vũ trụ có một số hạn chế về kích thớc và trọng lợng, do đó ảnh nhận đợc bị giảm chất lợng nh bị mờ, méo hình học và nhiễu nền. Các ảnh đó đợc xử lý thành công nhờ máy tính số. Hình ảnh của mặt trăng và sao hoả mà chúng ta thấy trong tất cả các tạp chí đều đợc xử lý bằng những máy tính số . ứng dụng của xử lý ảnh có khả năng tác động mạnh mẽ nhất đến cuộc sống của chúng ta là trong lĩnh vực y tế. Soi chụp bằng máy tính dựa trên cơ sở định lý cắt lớp (projection_slice) sẽ thảo luận trong phần 4.3, đợc dùng thờng xuyên trong trong xét nghiệm lâm sàng, ví dụ nh phát hiện và nhận dạng u não. Những ứng dụng y học khác của xử lý ảnh số gồm cải thiện ảnh X quang và nhận dạng đờng biên mạch máu từ những ảnh chụp mạch bằng tia X (angiograms). ứng dụng khác, gần g ũi hơn với cuộc sống gia đình là cải tiến ảnh tivi . Hình ảnh mà chúng ta thấy trên màn hình tivi có các khuyết tật là độ phân giải hạn chế, bị rung rinh, có ảnh ma ,nhiễu nền và trợt hình do đan dòng ở những mức độ khác nhau. Tivi số không còn xa với th ực tế và xử lý ảnh số sẽ có tác động quyết định đến việc cải thiện chất lợng hình ảnh của những hệ truyền hình hiện tại và làm phát triển những hệ truyền hình mới nh truyền hình có độ phân giải cao (HDTV). Một vấn đề chính của truyền thông video nh hội nghị video, điện thoại video là cần có có dải tần rộng. Việc mã hoá thẳng chơng trình video chất lợng quảng bá yêu cầu đến 100 triệu bit/sec. Nếu hy sinh một phần chất lợng và dùng các sơ đồ mã hoá ảnh số thì có thể đa ra thị trờng những hệ truyền hìn h chất lợng đủ rõ với nhịp bit chỉ dới 100 nghìn bit/sec. Tỡm hiu s ra i ca c s x lý nh Ngun : www.ketnoibanbe.org Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh 2 Ngời máy càng ngày càng đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp và gia đình. Chúng sẽ thực hiện những công việc rất nhàm chán hoặc nguy hiểm , và những công việc mà tốc độ và độ chính xác vợt quá khả năng của con ngời . Khi ngời máy trở nên tinh vi hơn , thị giác máy tính sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng. Ngời ta sẽ đòi hỏi ngời máy không những phát hiện và nhận dạng các bộ phận công nghiệp, mà còn hiểu đợc những gì chúng thấy và đa ra những hành động phù hợp. Xử lý ảnh số sẽ có tác động lớn đến thị giác máy tính. Ngoài những lĩnh vực ứng dụng mọi ngời đã biết, xử lý ảnh số còn có một số ứng dụng khác ít đợc nói đến hơn. Ngời thi hành luật pháp thờng chụp hình trong những môi trờng không thuận lợi ,và ảnh nhận đợc thờng bị xuống cấp. Ví dụ, bức ảnh chụp vội biển đăng kí xe ô tô đang chạy thờng bị nhoè, việc làm giảm độ nhoè là cần thiết trong việc nhận dạng ô tô. Một ứng dụng ít biết khác là nghiên cứu sự di c của cá voi. Khi ngời ta nghiên cứu hành vi di c của s tử, hổ và các động vật khác, họ bắt các động vật và cột thẻ vào vị trí thuận lợi ở đuôi hoặc tai. Khi bắt đợc động vật ở nơi khác, thẻ cho biết thông tin về sự di c của động vật. Tuy nhiên, cá voi rất khó bắt và cột thẻ. May thay, cá voi lại thích để lộ đuôi, mà đuôi của chúng có những đặc điểm có thể giúp để nhận biết chúng. Để nhận dạng một con cá voi, bức ảnh chụp vội đuôi của nó từ trên tàu đợc so sánh với hàng ngàn ảnh đuôi cá voi khác nhau trong một bộ su tập. Quan sát liên tiếp và nhận dạng một cá thể cá voi nào đó ta có thể theo dõi sự di c của nó. Tuy nhiên, việc so sánh ảnh cực kỳ nhàm chán và phải dùng xử lý ảnh số để tự động hoá công việc. Những ứng dụng xử lý ảnh số là vô hạn. Ngoài những ứng dụ ng đã thảo luận ở trên, còn bao gồm cả các lĩnh vực khác nh điện tử gia đình, thiên văn học, sinh vật học, vật lý, nông nghiệp, địa lý, nhân chủng học, và nhiều lĩnh vực khác. Nhìn và nghe là hai phơng tiện quan trọng nhất để con ngời nhận thức thế giới bên ngoài, do vậy không có gì đáng ngạc nhiên khi mà xử lý ảnh số có nhiều khả năng ứng dụng, không chỉ trong khoa học và kĩ thuật mà cả trong mọi hoạt động khác của con ngời. Xử lý ảnh số có thể chia làm bốn lĩnh vực, tuỳ thuộc vào loại công việc. Đó là cải thiện ảnh, phục hồi ảnh, mã hoá ảnh, và lý giải nội dung (understanding) ảnh. Trong cải thiện ảnh, ảnh đợc xử lý để ngời xem, nh tron g truyền hình, hoặc là đợc xử lý trớc để trợ giúp hoạt động của máy móc, nh trong nhận dạng đối tợng bởi m áy móc. Trong phục hồi ảnh, ảnh bị xuống cấp trong một số trờng hợp, chẳng hạn nh bị nhoè, và mục đích là để giảm bớt hoặc loại bỏ hẳn ảnh hởng sự xuống cấp. Phục hồi ảnh có Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh 3 liên quan mật thiết đến cải thiện ảnh. Khi ảnh bị xuống cấp, việc cải thiện ản h thờng đem lại kết quả làm giảm sự xuống cấp.Tuy nhiên có một số sự khác nhau quan trọng giữa phục hồi ảnh và cải thiện ảnh. Trong phục hồi ảnh, một ảnh lý tởng bị xuống cấp và mục đích phục hồi là tạo ra ảnh sau xử lý giống nh ảnh ban đầu. Trong việc cải thiện ảnh, mục đích cải thiện là làm cho ảnh sau xử lý trông đẹp hơn ảnh cha đợc xử lý. Để minh hoạ sự khác nhau này, hãy lu ý rằng một ảnh gốc cha xuống cấp không thể phục chế hơn nữa, nhng vẫn có thể đợc cải thiện bằng cách tăng độ nét. Trong m ã hoá ảnh, mục đích là biểu diễn ảnh với một số ít bít nhất trong điều kiện chất lợng ảnh và độ rõ chấp nhận đợc cho từng ứng dụng cụ thể, chẳng hạn nh hội nghị video. Mã hoá ảnh liên quan đến cải thiện ảnh và phục hồi ảnh. Nếu có thể cải tiến dáng vẻ b ên ngoài (visual appearance) của ảnh đợc phục hồi, hoặc làm giảm sự xuống cấp do các nguồn nhiễu, - nh nhiễu lợng tử mà thuật toán mã hoá ảnh gây ra, thì ta có thể làm giảm số lợng bít cần thiết để đại diện ảnh ở một mức chất lợng và độ rõ chấp nhận đợc trong lý giải ảnh(understanding), đầu vào là ảnh, mục đích là diễn đạt nội dung ảnh bằng một hệ ký hiệu nào đó. Những ứng dụng của lý giải ảnh bao gồm thị giác máy tính, kỹ thuật rôbốt và nhận dạng mục tiêu. Lý giải ảnh khác với ba lĩnh vực khác của xử lý ảnh ở một khía cạnh chính. Trong cải tiến, phục hồi và mã hoá ảnh cả đầu vào và đầu ra đều là ảnh ,và khâu xử lý tín hiệu là phần then chốt trong các hệ thống đã thành công trên các lĩnh vực đó. Trong lý giải ảnh , đầu vào là ảnh, nhng đầu ra thờng là một biểu diễn bằng kí hiệu nội dung của ảnh đầu vào. Sự phát triển thành công của các hệ thống trong lĩnh vực này cần đến cả xử lý tín hiệu và những khái niệm trí tuệ nhân tạo. Trong hệ lý giải ảnh điển hình, xử lý tín hiệu đợc dùng cho công việc xử lý mức thấp nh làm giảm sự xuống cấp và trích ra các đờng bờ (extraction of edges) hoặc các đặc tính ảnh khác, còn trí tuệ nhân tạo đợc dùng cho những công việc xử lý mức cao nh thao tác kí hiệu và quản lý cơ sở tri thức. Chúng ta chỉ nghiên cứu một số k ĩ thuật xử lý ở mức thấp dùng trong lý giải ảnh, coi nh là một bộ phận của cải thiện, phục hồi, và mã hoá ảnh. Nghiên cứu kỹ hơn việc lý giải ảnh sẽ vợt quá phạm vi của cuốn sách này. Trong chơng này, chúng tôi trình bầy cơ sở xử lý ảnh. Những cơ sở đó sẽ đặt nền móng cho phần thảo luận về cải thiện, phục hồi, mã hoá ảnh trong các chơng sau. Trong phần 1, thảo luận về cơ sở xử lý ảnh. Trong phần 2 và 3, thảo luận những phầncơ bản của hệ thị giác ở con ngời. Trong phần 4, thảo luận những cơ sở của mô i trờng xử lý ảnh điển hình. Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh 4 1. ánh sáng. 1.1. ánh sáng là sóng điện từ . Mọi vật mà chúng ta quan sát đợc nhờ ánh sáng. Có hai loại nguồn sáng. Loại thứ nhất gọi là nguồn sáng sơ cấp, tự nó phát ánh sáng. Ví dụ nguồn sáng sơ cấp gồm mặt trời, đèn điệ n, đèn cầy (cây nến). Loại khác gọi là nguồn sáng thứ cấp, chỉ phản xạ hoặc khuếch tán ánh sáng đợc phát bởi nguồn khác, ví dụ nguồn sáng thứ cấp gồm mặt trăng, những đám mây và những quả táo. ánh sáng là một phần của dải phổ liên tục bức xạ sóng điện từ. Sóng điện từ mang năng lợng và sự phân bố năng lợng của sóng điện từ đi qua một mặt phẳng không gian có thể mô tả bằng c(x,y,t, ), ở đó x và y là hai biến không gian, t là biến thời gian và là bớc sóng. Hà m c(x,y,t, ) đợc gọi là thông lợng bức xạ trên (diện tích x bớc sóng) hoặc lợng bức xạ trên bớc sóng. Bớc sóng liên quan với tần số f bởi: = c/f (1.1) c là vận tốc của sóng điện từ , khoảng 3.10 8 m/s trong chân không và không khí. Mặc dù c(x, y, t, ) có thể biểu diễn tả theo hàm tần số, nhng sử dụng bớc sóng vẫn thuận tiện hơn. Đơn vị liên hệ với c(x,y,t, ) là năng lợng trên (diện tích x thời gian x bớc sóng) và là Jun/(m 3 .s) trong hệ MKS (mét, kg, sec). Nếu chúng ta tích phân c(x,y,t, ) theo biến , chúng ta nhận đợc lợng bức xạ có đơn vị là J/(m 2 .s) hoặc W/m 2 . Bức xạ mặt trời xuyên qua mặt phẳng thẳng góc với tia bức xạ là 1350 W/m 2 khi không có sự hấp thụ của không khí. Nếu chúng ta tích phân c(x,y,t, ) với cả 4 biến x, y, t và , chúng ta có đợc tổng năng lợng (bằng Jun) của sóng điện từ xuyên qua mặt phẳng không gian. ánh sáng khác với các sóng điện từ khác, - nh sóng vô tuyến điện, là mắt ngời nhận biết đợc nó. Giả sử ta xé t một điểm cố định (x,y) trong không gian và một thời điểm cố định (t), thì hàm c(x,y,t, ) có thể xem nh là chỉ là hàm của biến . Chúng ta có thể diễn tả bởi c(x,y,t, ) hoặc c( ) cho thuận tiện. Ví dụ của c( ) từ bức xạ mặt trời đợc biểu diễn trong hình 1.1. Mắt nhậy cảm với những sóng điện từ trong một dải cực kỳ hẹp của , đó là khoảng từ 350nm đến 750nm (1nm = 10 -9 m). Hình 1.2 biểu diễn các loại sóng điện từ theo hàm của bớc sóng . Bức xạ điện từ với lớn, từ vài cm đến hàng nghìn mét, có thể tạo ra bởi mạch điện . Bức xạ nh vậy đợc Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh 5 sử dụng cho truyền thông vô tuyến và radar. Bức xạ với ngay phía trên dải nhìn thấy đợc gọi là hồng ngoại, với ngay dới vùng nhìn thấy đợc, gọi là tử ngoại. Cả bức xạ hồng ngoại và tử ngoại đều đợc phát bởi những nguồn sáng điển hình chẳ ng hạn nh mặt trời. Bức xạ với ở phía xa dới vùng nhìn thấy đợc gồm tia X, tia , và tia vũ trụ; với tia vũ trụ, bớc sóng nhỏ hơn 10 -5 nm hoặc 10 -14 ms. Hình 1.1: Thành phần phổ của bức xạ mặt trời, ở trên tầng khí quyển của trái đất (đờng liền nét) và trên mặt đất tại Washington vào buổi tra (đờng nét đứt). 1.2. Độ sáng, màu sắc và độ bão hoà . Sự nhận biết ánh sáng của loài ngời với c( ) đợc mô tả chung bằng thuật ngữ độ sáng (brightness), màu sắc và độ bão hoà. Độ sáng (brightness) liên quan đến mức độ sáng của ánh sáng. Màu sắc liên quan đến màu, chẳng hạn nh màu đỏ, màu cam hoặc màu mận chín(tía). Độ bão hoà đôi khi còn gọi là sắc độ, liên quan đến mức độ tơi hoặc xẫm của màu. Độ sáng, màu sắc và độ bão hoà là những thuật ngữ về nhận thức (perceptual terms), phụ thuộc vào một số nhân tố bao gồm dạng chi tiết của c( ), lịch sử quá khứ của những kích thích thị giác mà ngời quan sát đã trải qua, và môi trờng cụ thể nơi ánh sáng đợc quan sát. Tuy nhiên có thể xét đến chúng một cách gần đúng nh những đặc thù của c( ). Để liên hệ cảm nhận độ sáng của loài ngời với c( ) cần định nghĩa ra một số đại lợng trắc quang (photometric quantity). Những đại lợng liên hệ với c( ), chẳng Công suất tơng đối. 120 110 100 90 80 70 60 50 40 10 400 500 600 700 Bớc sóng [nm] . Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh 1 Chơng 1. Cơ sở xử lý ảnh . Mở đầu. Xử lý ảnh số có nhiều ứng dụng thực tế. Một trong những ứng dụng sớm nhất là xử lý ảnh từ nhiệm vụ Ranger 7 tại phòng. mã hoá ảnh trong các chơng sau. Trong phần 1, thảo luận về cơ sở xử lý ảnh. Trong phần 2 và 3, thảo luận những phầncơ bản của hệ thị giác ở con ngời. Trong phần 4, thảo luận những cơ sở của mô. hồi, và mã hoá ảnh. Nghiên cứu kỹ hơn việc lý giải ảnh sẽ vợt quá phạm vi của cuốn sách này. Trong chơng này, chúng tôi trình bầy cơ sở xử lý ảnh. Những cơ sở đó sẽ đặt nền móng cho phần thảo luận