NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH NHỊ PHÂN BẰNG PHÉP TOÁN HÌNH THÁI

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH NHỊ PHÂN BẰNG PHÉP TOÁN HÌNH THÁI Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH Chương 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH Chương 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM Những năm trở lại đây, phần cứng máy tính và các thiết bị liên quan đã có sự tiến bộ vượt bậc về tốc độ tính toán, dung lượng chứa, khả năng xử lý v.v..và giá cả đã cắt giảm đến mức máy tính và các thiết bị liên quan đến xử lý ảnh đã không còn chuyên dụng nữa.

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÙI THỊ MINH NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH NHỊ PHÂN BẰNG PHÉP TOÁN HÌNH THÁI Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số : 60.48.01.01 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2014 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đỗ Năng Toàn Phản biện 1: PGS.TS. Ngô Quốc Tạo Phản biện 2: TS. Hà Hải Nam Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: 15 giờ 40 ngày 15 tháng 02 năm 2014 Có thể tìm hiểu luận văn tại: − Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 1 LỜI MỞ ĐẦU Những năm trở lại đây, phần cứng máy tính và các thiết bị liên quan đã có sự tiến bộ vượt bậc về tốc độ tính toán, dung lượng chứa, khả năng xử lý v.v và giá cả đã cắt giảm đến mức máy tính và các thiết bị liên quan đến xử lý ảnh đã không còn chuyên dụng nữa. Việc sử dụng các thao tác hình thái và ứng dụng của chúng, đặc biệt là ứng dụng nâng cao chất lượng hình ảnh cho bước tiền xử lý, trước khi thực hiện những bước kế tiếp cho công việc xử lý ảnh. Chính vì vậy tôi chọn đề tài “Nâng cao chất lượng ảnh nhị phân bằng phép toán hình thái” mục tiêu chính tìm hiểu nghiên cứu một số kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh nhị phân vào xử lý các đối tượng trong hình ảnh nhị phân. Bố cục của luận văn được tổ chức như sau: Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH Chương 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH Chương 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 2 CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH 1.1 Giới thiệu chung về xử lý ảnh Cũng như xử lý dữ liệu bằng đồ hoạ, xử lý ảnh (XLA) số là một lĩnh vực của tin học ứng dụng. Xử lý dữ liệu bằng đồ họa đề cập đến những ảnh nhân tạo, các ảnh này được xem xét như là một cấu trúc dữ liệu và được tạo ra bởi các chương trình. Xử lý ảnh số bao gồm các phương pháp và kỹ thuật để biến đổi, để truyền tải hoặc mã hóa các ảnh tự nhiên. Mục đích của xử lý ảnh gồm:  Thứ nhất: biến đổi ảnh và làm đẹp ảnh.  Thứ hai: tự động phân tích nhận dạng ảnh hay đoán nhận ảnh và đánh giá các nội dung của ảnh. Nhận dạng ảnh là quá trình liên quan đến các mô tả đối tượng mà người ta muốn đặc tả nó. Quá trình nhận dạng thường đi sau quá trình trích chọn các đặc tính chủ yếu của đối tượng. Có hai kiểu mô tả đối tượng: - Mô tả tham số (nhận dạng theo tham số). - Mô tả theo cấu trúc(nhận dạng theo cấu trúc). Nhận biết và đánh giá các nội dung của ảnh là sự phân tích một hình ảnh thành những phần có nghĩa để phân biệt đối tượng này với đối tượng khác. Dựa vào đó ta có thể mô tả cấu trúc của hình ảnh ban đầu. Có th ể liệt kê một số phương pháp nhận dạng cơ bản như nhận dạng biên của một đối tượng trên ảnh, tách cạnh, phân đoạn hình ảnh 3 Kỹ thuật này được sử dụng nhiều trong y học (xử lý tế bào, nhiễm sắc thể). Trong thực tế, người ta đã áp dụng kỹ thuật nhận dạng khá thành công với nhiều đối tượng khác nhau như: Nhận dạng ảnh vân tay, nhận dạng chữ (chữ cái, chữ số, chữ có dấu). Nhận dạng chữ in hoặc đánh máy trong văn bản phục vụ cho việc tự động hoá quá trình đọc tài liệu, tăng nhanh tốc độ và chất lượng thu nhận thông tin từ máy tính, nhận dạng chữ viết tay (với mức độ ràng buộc khác nhau về cách viết, kiểu chữ, Các quá trình của xử lý ảnh: Các quá trình của xử lý ảnh được tiến hành theo sơ đồ sau: Hình 1.1: Sơ đồ quá trình xử lý ảnh Thu nhận ảnh: Ảnh có thể thu nhận qua camera, từ vệ tinh hay ảnh được quét qua scanner. Số hóa: (Digitalizer) để biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hi ệu rời rạc trước khi chuyển sang giai đoạn xử lý, phân tích hay lưu trữ lại. 4 Phân tích ảnh: Quá trình phân tích ảnh thực chất bao gồm nhiều công đoạn nhỏ. Trước hết là công việc tăng cường hình ảnh (Image Enhancement) để nâng cao chất lượng hình ảnh. Do những nguyên nhân khác nhau: có thể do thiết bị thu nhận ảnh, do nguồn sáng hay do nhiễu, ảnh có thể bị suy biến. Do vậy cần phải tăng cường và khôi phục (Image Restoration) lại ảnh để làm nổi bật một số đặc tính chính của ảnh, hay làm cho ảnh gần giống với trạng thái gốc - trạng thái trước khi ảnh bị biến dạng. Giai đoạn tiếp theo là phát hiện các đặc tính như biên (Edge Detection), phân vùng ảnh (Image Segmentation), trích chọn các đặc tính (Feature Extraction),v.v Cuối cùng, tuỳ theo mục đích của ứng dụng, sẽ là giai đoạn nhận dạng, phân lớp hay các quyết định khác. Các giai đoạn chính của quá trình xử lý ảnh có thể mô tả ở hình 1.1, việc nâng cao chất lượng ảnh trước khi nhận dạng hay đối sánh là việc cần phải giải quyết. 1.2 Giới thiệu ảnh nhị phân Một số khái niệm Pixel (Picture Element): Phần tử ảnh Ảnh trong thực tế là một ảnh liên tục về không gian và về giá trị độ sáng. Ảnh nhị phân: Tuỳ theo vùng các giá trị mức xám của điểm ảnh, mà các ảnh được phân chia ra thành ảnh màu, ảnh xám, hay ảnh nh ị phân. Khi trên một ảnh chỉ có giá trị 0 hoặc 1 thì ta nói đó là một 5 ảnh nhị phân hoặc ảnh đen trắng và các điểm ảnh của nó gọi là điểm ảnh nhị phân. Ảnh xám: Nếu dùng 8 bít (1 byte) để biểu diễn mức xám thì số các mức xám có thể biểu diễn được là 28 hay 256. Ảnh mầu: Cách biểu diễn cũng tương tụ như với ảnh đen trắng, chỉ khác là các số tại mỗi phần tử của ma trận biểu diễn cho ba mầu riêng rẽ gồm: đỏ(red), lục(green), và lam(blue). Ảnh đa cấp xám: Ảnh đa cấp xám được áp dụng trong nhiều lĩnh vực sinh học hoặc trong công nghiệp. Thu nhận ảnh và bài toán nâng cao chất lượng ảnh 1.2.1 Thu nhận ảnh, một số vấn đề trong thu nhận ảnh  Thu nhận ảnh Nhìn chung các hệ thống thu nhận ảnh thực hiện 1 quá trình Cảm biến: biến đổi năng lượng quang học thành năng lượng điện (giai đoạn lấy mẫu). Tổng hợp năng lượng điện thành ảnh (giai đoạn lượng tử hóa).  Các vấn đề liên quan trong thu nhận ảnh • Giai đoạn lấy mẫu • Lượng tử hóa 1.2.2 Các cách tiếp cận trong nâng cao chất lượng ảnh 1.2.2.1 Cải thiện ảnh dùng toán tử điểm  Khái niệm về toán tử điểm 6 Nói một cách khác, toán tử điểm là toán tử không bộ nhớ, ở đó một mức xác u ∈ [ 0 , N ] được ánh xạ sang một mức xám v ∈ [ 0 , N ] : v = f ( u ). Ứng dụng chính của các toán tử điểm là biến đổi độ tương phản của ảnh. Ánh xạ f khác nhau tùy theo các ứng dụng. Các dạng toán tử điểm được giới thiệu cụ thể như sau: • Tăng độ tương phản(Stretching Contrast) • Tách nhiễu và phân ngưỡng • Biến đổi âm bản (Digital Negative) • Cắt theo mức (Intensity Level Slicing) • Trích chọn bit (Bit Extraction) • Trừ ảnh • Nén dải độ sáng 1.3.2.2 Cải thiện dùng toán tử không gian 1.2.3 Bài toán nâng cao chất lượng ảnh bằng kỹ thuật tìm xương và làm mảnh 1.4 Khái quát về phương pháp nâng cao chất lượng hình ảnh Nâng cao chất lượng hình ảnh là một bước quan trọng tạo tiền đề cho xử lý ảnh. Mục đích chính là nhằm làm nổi một số đặc tính của ảnh như thay đổi độ tương phản, lọc nhiễu, nổi biên, làm trơn ảnh, khuếch đại ảnh, tăng cường ảnh và khôi phục ảnh là hai quá trình khác nhau về mục đích. 7 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH 2.1 Khái niệm về phép toán hình thái Morphology Hiểu một cách đầy đủ thì ” Morphology ” là hình thái và cấu trúc của đối tượng, hay, nó diễn tả những phạm vi và các mối quan hệ giữa các phần của một đối tượng. 2.2 Nâng cao chất lượng ảnh bằng phép toán hình thái 2.2.1 Các phép toán hình thái cơ bản Định nghĩa 1: phép dãn (Dilation) [2] Phép "dãn nở" của X theo mẫu B là tập hợp của tất cả các B x với x thuộc X, ta có: X ⊕ B = U Χ∈ Β x x Trong đó B x là dịch chuyển của B đến vị trí x Định nghĩa 2: phép co (Erosion) [2] Phép "co" của X theo B là tập hợp tất cả các điểm x sao cho B x nằm trong X. X  B = {x : B x ⊂ X} Định nghĩa 3: Phép mở (Open) [2] Phép toán mở (OPEN) của X theo cấu trúc B là tập hợp các điểm của ảnh X sau khi đã co và dãn nở lien tiếp theo B. Ta có: OPEN(X,B) = (X  B) ⊕ B 8 Định nghĩa 4: Phép đóng (CLOSE) [2] Phép toán đóng (CLOSE) của X theo cấu trúc B là tập hợp các điểm của ảnh X sau khi đã giãn nở và co liên tiếp theo B. Ta có: CLOSE(X,B) = (X ⊕ B)  B 2.2.2 Một số tính chất của phép biến đổi hình thái [2] ♦ Tính chất bất biến ((X ⊕ B) B) ⊕ B = X ⊕ B ((X  B) ⊕ B)  B = XB ♦ Tính chất phân phối với phép ∪ ∪∪ ∪ của phép toán hình thái đối với tập cấu trúc X ⊕ (B ∪ B ' ) = (X ⊕ B) ∪ (X ⊕ B ' ) X (B ∪ B ' ) = (X  B) ∩ (X B ' ) ♦ Tính chất phân phối với phép ∩ ∩∩ ∩ của phép toán hình thái đối với tập cấu trúc (X ∩ Y)  B = (X  B) ∩ (Y  B) ♦ Tính chất kết hợp của phép toán co, giãn nở (X  B)  B ' = X  (B ⊕ B ' ) (X ⊕ B) ⊕ B ' = X ⊕ (B ⊕ B ' ) ♦ Tính ch ất gia tăng X ⊆ X’ ⇒ X  B ⊆ X’  B ∀B [...]... đã đạt được các kết quả sau: Trình bày khái quát về nâng cao chất lượng ảnh Hệ thống hóa một số kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh nhị phân bởi phép toán hình thái Cài đặt thử nghiệm bài toán nâng cao chất lượng ảnh nhị phân Phép toán hình thái là một đề tài rất rộng, cần rất nhiều thời gian mới có thể tìm hiểu và nghiên cứu về nó Các phương pháp, mô hình được trình bày trong luận văn đều có thể được... hiện một trong hai phép toán này ta phải thực hiện hai lần thuật toán co và giãn nhị phân Đối với các phép toán khác thì chức năng biểu thị trạng thái của nó cũng tương tự 18 3.3 Thực nghiệm Chương trình được cài đặt thuật toán để xử lý ảnh nhị phân bằng các phép toán phép giãn nhị phân, phép co nhị phân, phép đóng ảnh, và phép mở ảnh với các phần tử cấu trúc dạng hình vuông, hình tròn, hình chữ thập,... trong lĩnh vực xử lý ảnh Các phép toán hình thái là các phép toán liên quan đến cấu trúc hình học của đối tượng và thường được xây dựng trên 2 phép toán cơ bản là phép giãn nở (DILATION) và phép co (EROSION) Phép toán hình thái là một mảng vô cùng quan trọng trong xử lý ảnh, các đề tài về phép biến đổi này cũng đang được nhiều người quan tâm, bởi vì qua các thuật toán và phép toán cơ sở đó ta có thể... Bài toán Cài đặt thử nghiệm các phép toán hình thái gồm có: phép co nhị phân (Erosion), phép giãn nhị phân (Dilation), phép đóng ảnh (Closing), phép mở ảnh (Opening), tìm biên (Edge direction) 3.2 Phân tích thiết kế Chương trình được xây dựng trên nền Dot net và C#, để minh họa các phép toán hình thái Giao diện chương trình như sau: Chương trình gồm có 8 phần và được đánh số thứ tự tương ứng như hình. .. đối tượng trong ảnh Skeleton: Bắt đầu quá trình làm mảnh đối tượng trong ảnh Số 5: Status bar: Thanh trạng thái biểu thị tiến độ xử lý ảnh của chương trình Cho một thí dụ, nếu sử dụng phép co nhị phân hay giãn nhị phân, thì tiến độ này sẽ chạy một lần, bởi vì để thực hiện phép co nhị phân và phép giãn thì ta chỉ thực hiện thuật toán một lần Nếu sử dụng với phép đóng ảnh và phép mở ảnh thì sẽ chạy hai... đối tượng càng giãn Hình 3.1: Thực nghiệm giãn nhị phân hình ảnh với cấu trúc 4x4 Thí dụ như vẫn trường hợp trên, ta xét thuật toán giãn nhị phân trên ảnh với phần tử cấu trúc 7x7 ta sẽ có ảnh với các đối tượng trong ảnh có bề dày lớn hơn: 19 Hình 3.2: Thực hiện giãn nhị phân hình ảnh với phần tử cấu trúc 7x7 20 KẾT LUẬN Bên cạnh ngôn ngữ giao tiếp, các thông tin dưới dạng hình ảnh đóng một vai trò... 2.5 Tách biên sử dụng phép toán hình thái Trong ảnh nhị phân, đối tượng được cấu thành bởi các điểm ảnh liên thông có giá trị là 1, Xét ví dụ ở hình 2.11 có 9 điểm ảnh dọc, 9 điểm ảnh ngang Những điểm ảnh tạo lên biên là những điểm ảnh thuộc đối tượng đó nhưng trong 8 điểm lân cận phải có ít nhất một điểm ảnh có giá trị là 0 Hình 2.11: Quá trình tìm biên của đối tượng trên ảnh nhị phân 15 CHƯƠNG 3: CHƯƠNG... phép co nhị phân (Erosion), Phép mở ảnh (Opening), Phép đóng ảnh (Closing) Nhóm “Kernel Shape”: Lựa chọn các dạng của phần tử cấu trúc, tác động lên đối tượng trong ảnh Dạng hình vuông (Square), dạng hình tròn (Circle), và dạng hình dấu cộng (Cross) 17 Số 3: “Kernel Side”: Dùng để lựa chọn kích thước của phần tử cấu trúc Morphology: Thực hiện phép toán hình thái tác động lên ảnh khi đã chọn phép toán. .. lên ảnh gốc 16 - Số 6,7 chỉ ra thành phần dùng để hiển thị hình ảnh gốc và hình ảnh kết quả sau khi xử lý, phần 5 thanh trạng thái xử lý (startus bar) - Cuối cùng số 8 là nút thoát ứng dụng ♦ Hướng dẫn sử dụng Số 1: Open: Nạp ảnh cần xử lý vào picture box (Số 6) Save: Lưu ảnh đã xử lý ra định dạng Image file Số 2: Ở nhóm Operation: Lựa chọn các phép toán để tác động lên ảnh gốc Phép giãn nhị phân. ..9 X ⊕ B ⊆ X’ ⊕ B B ⊆ B' => X B ⊇ X B' X ⊕ B ⊆ X ⊕ B’ ∀B ∀X ∀X 2.2.3 Nâng cao chất lượng ảnh bằng các phép toán hình thái Hình ảnh trong thực tế khi nhận được qua các thiết bị như: Photocopy, Fax, ít nhiều đều bị nhiễu, thậm chí có thể biến dạng đến mức độ có thể khiến người nhận được hiểu sai về mặt . sai về mặt ý nghĩa. Như chúng ta đã biết trong các ngành thi t kế kỹ thuật như: thi t kế máy, thi t kế xây dựng, thi t kế mạch điện v.v. dù là theo TCVN (tiêu chuẩn Việt Nam) hay ISO(International. tháng 02 năm 2014 Có thể tìm hiểu luận văn tại: − Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 1 LỜI MỞ ĐẦU Những năm trở lại đây, phần cứng máy tính và các thi t bị liên. các thi t bị như: Photocopy, Fax, ít nhiều đều bị nhiễu, thậm chí có thể biến dạng đến mức độ có thể khiến người nhận được hiểu sai về mặt ý nghĩa. Như chúng ta đã biết trong các ngành thi t