Nghiên cứu kỹ thuật phân đoạn Random Walker Restart

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CNTT&TT Vũ Mạnh Cƣờng NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT PHÂN ĐOẠN RANDOM WALKER RESTART LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2012 2 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CNTT&TT Vũ Mạnh Cƣờng NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT PHÂN ĐOẠN RANDOM WALKER RESTART Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60 48 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐÀO NAM ANH Thái Nguyên - 2012 3 LỜI CẢM ƠN Em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS. Đào Nam Anh – Chủ nhiệm khoa Công nghệ Thông tin Trường Đại học Công nghệ & Quản lý Hữu nghị đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và đã dành rất nhiều thời gian quí báu của thầy cho em trong thời gian qua, đã giúp em hoàn thành bài luận văn đúng thời hạn của Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông. Em xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám hiệu, các Thầy cô giáo của Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông (Đại học Thái Nguyên), Viện Công nghệ Thông tin-Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã giảng dạy cung cấp, trang bị cho chúng em những kiến thức, chuyên ngành, chuyên môn chuyên sâu trong suốt thời gian hai năm qua. Xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên cổ vũ em trong suốt quá trình học tập cũng như thời gian làm luận văn, đã giúp em hoàn thành khóa học, luận văn theo qui định. 4 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của tôi, không sao chép của ai. Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu liên quan, các thông tin trong tài liệu được đăng tải trên các tạp chí và các trang website theo danh mục tài liệu của luận văn. Tác giả luận văn Vũ Mạnh Cƣờng 5 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC TỪ VIẾT TẮT i DANH MỤC CÁC BẢNG iii DANH MỤC KÍ HIỆU iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ iv MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH, PHÂN ĐOẠ N Ả NH 1 1.1 Các khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh, phân đoạ n ả nh 1 1.2 Các giai đoạn trong xử lý ảnh 2 1.2.1 Quan hệ giữa các điểm ảnh 8 1.2.2 Độ phân giải 9 1.3 Các phép toán cơ bản trên ảnh nhị phân 9 1.4 Một số ứng dụng xử lý ảnh cơ bản 16 1.5 Các hướng tiếp cận trong phân đoạn ảnh 17 1.5.1 Phân đoạn dựa vào ngưỡng 19 1.5.2 Phân đoạn dựa theo đường biên 23 1.5.3 Phân đoạn theo miền đồng nhất 36 CHƢƠNG 2: PHÂN ĐOẠN ẢNH DỰA TRÊN RWR 42 2.1 Random Walker Restart (RWR) 45 2.2 Phương pháp phân đoạn ảnh dựa trên RWR 49 2.2.1 Xây dựng đồ thị trọng số cho hình ảnh 50 2.2.2 Tính xác suất 51 2.2.3 Gán nhãn để phân đoạn ả nh 53 2.3 Độ phức tạp thuật toán 54 6 CHƢƠNG 3: CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM PHÂN ĐOẠN ẢNH 56 3.1 Môi trường cài đặt 56 3.2 Chương trình thực nghiệm phân đoạn ảnh sử dụng RWR 56 3.2.1 Thiết lập thông số 57 3.2.2 Kết quả phân đoạn RWR B_LIN với c=10 -4 58 3.2.3 Một số so sánh 59 3.3 Kế t luậ n và kiến nghị 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 i DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC TỪ VIẾT TẮT CÁC THUẬT NGỮ Active Contour Đường viền động Blue Màu lam Boundary-Based Methods Phương pháp dựa vào biên Charge Coupled Device Thiết bị tích điện kép Closing Phép đóng Digitalizer Số hóa Dilation Phép dãn Dissimilarity Khác nhau Distance Khoảng cách Erosion Phép co Global Toàn cục Graph Cuts Cắt đồ thị Green Màu lục Grey Màu xám Image Processing Xử lý ảnh Image Recognition Nhận dạng ảnh Intelligent Scissors Kéo thông minh Local Cục bộ Opening Phép mở ii Pixel Phần tử ảnh Random Walk Bước đi ngẫu nhiên Random Walk With Return Bước đi ngẫu nhiên với quay lại Red Màu đỏ Region-Based Methods Phương pháp dựa vào miền Scanner Quét ảnh Screen Resolution Độ phân giải màn hình Sensor Cảm ứng Similarity Giống nhau True Color Màu tự nhiên CÁC TỪ VIẾT TẮT CCD Charge Coupled Device DPI Dot per inch GC Graph Cuts PĐA Phân đoạn ảnh RW Random Walk RWR Random Walk With Return XLA Xử lý ảnh iii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2-1: B_LIN 48 DANH MỤC KÍ HIỆU Kí hiệu Định nghĩa W = [w i,j ] Đồ thị có trọng số, 1 ≤ i, j ≤ n ~ W Ma trận trọng số bình thường liên quan đến W ~ 1 W Ma trận phân vùng kết hợp với ~ W ~ 2 W Ma trận chéo phân vùng liên quan với ~ W Q Hệ thống ma trận liên quan đến W: ~ WcIQ  U Ma trận n × t node- khái niệm S Ma trận t × t khái niệm - khái niệm V Ma trận t × n node - khái niệm 0 Ma trận khối có tất cả các thành phần bằng 0 i e  Vector bắt đầu n × 1, phần tử thứ i =1, các phần tử còn lại bằng 0 i r  =[ r i, j ] Vector xếp hạng n × 1, r i,j là số điểm liên quan của node j với node i c Xác suất khởi động lại, 0 ≤ c ≤ 1 n Tổng số node trong đồ thị k Số lượng phân vùng m Số lần lắp tối đa ξ 1 Ngưỡng dừng quá trình lặp ξ 2 Ngưỡng thưa thớt ma trận iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1-1: Quá trình xử lý ảnh 2 Hình 1-2: Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh 2 Hình 1-3: minh họa những thao tác nói trên với giá trị nhị phân “1” có màu đen, còn giá trị nhị phân “0” có màu trắng. 9 Hình 1-4: Các phép toán trên ảnh nhị phân 10 Hình 1-5: Hiệu quả của thao tác nhị phân đơn giản trên một ảnh nhỏ 11 Hình 1-6: Phép co nhị phân 12 Hình 1-7: Phép co nhị phân hình chữ E 12 Hình 1-8: A dãn bởi B 13 Hình 1-9: Sử dụng phép toán mở 15 Hình 1-10: Phép đóng 15 Hình 1-11: Phép đóng và mở 16 Hình 1-12: Ví dụ 1- Phân đoạn giúp xác định khu vực ảnh cần quan tâm 18 Hình 1-13: Ví dụ 2 - Phân đoạn theo cấu trúc. 18 Hình 1-14: Ví dụ 3 - Phân đoạn ảnh chụp viễn thám một vùng biển đảo 18 Hình 1-15: Lược đồ xám 21 Hình 1-16: Thuật toán đối xứng nền 22 Hình 1-17: Thuật toán tam giác 23 Hình 1-18: Đường biên lý tưởng 24 Hình 1-19: Đường biên bậc thang 25 Hình 1-20: Đường biên thực 25 Hình 2-1: Phân đoạn đơn nhãn 44 Hình 2-2: Kết quả phân đoạn 53 Hình 2-3: So sánh độ phức tạp thuật toán 55 [...]... trình phân đoạn Ví dụ như đồng nhất về màu sắc, mức xám, kết cấu, độ sâu của các layer Sau khi phân đoạn mỗi pixel chỉ thuộc về một vùng duy nhất Để đánh giá chất lượng của quá trình phân đoạn là rất khó Vì vậy trước khi phân đoạn ảnh cần xác định rõ mục tiêu của quá trình phân đoạn là gì Xét một cách tổng quát, ta có thể chia các hướng tiếp cận phân đoạn ảnh thành ba nhóm chính như sau: - Phân đoạn. .. pháp phân đoạn ảnh dựa trên Random Walker Restart (RWR) - một phương pháp được đánh giá là hiệu quả hơn các phương pháp phân đoạn ảnh trước đây, khắc phục được hai khó khăn quan trọng trong ảnh tự nhiên là bài toán đường biên yếu và kết cấu yếu Phương pháp RWR dựa vào việc coi một bức ảnh như một đồ thị có trọng số Sau khi tính xác suất trạng thái ổn định của mỗi điểm ảnh bằng cách sử dụng kỹ thuật phân. .. quan trọng nhất của phân tích hình ảnh Các kết quả của phân đoạn ảnh sẽ có ảnh hưởng đáng kể đối với tính chính xác của việc nhận dạng và giải thích ảnh 17 Hình 1-12: Ví dụ 1- Phân đoạn giúp xác định khu vực ảnh cần quan tâm Hình 1-13: Ví dụ 2 - Phân đoạn theo cấu trúc Hình 1-14: Ví dụ 3- Phân đoạn ảnh chụp viễn thám một vùng biển đảo Phân đoạn ảnh là chia ảnh thành các vùng không trùng lắp Mỗi vùng... hiểu theo nghĩa là số các điểm ảnh bị phân lớp sai là cực tiểu 1.5.1.2 Chọn ngƣỡng dựa trên lƣợc đồ Trong hầu hết các trường hợp, ngưỡng được chọn từ lược đồ độ sáng của vùng hay ảnh cần phân đoạn Có rất nhiều kỹ thuật chọn ngưỡng tự động xuất phát từ lược đồ xám {h[b] | b = 0, 1, , 2B-1} đã được đưa ra Những kỹ thuật phổ biến sẽ được trình bày dưới đây Những kỹ thuật này có thể tận dụng những lợi thế... của kỹ thuật xử lý ảnh tĩnh cũng như ảnh động trong đời sống như tự động nhận dạng, nhận dạng mục tiêu quân sự, máy nhìn công nghiệp trong các hệ thống điều khiển tự động, nén ảnh tĩnh, ảnh động để lưu và truyền trong mạng viễn thông 1.5 Các hƣớng tiếp cận trong phân đoạn ảnh Phân đoạn ảnh là bước đầu tiên và cũng là một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất của phân tích hình ảnh Các kết quả của phân. .. quan trọng nhất trong kỹ thuật thị giác máy tính Xử lý ảnh được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như y học, an ninh, quốc phòng Phân đoạn ảnh là một thao tác ở mức thấp trong toàn bộ quá trình xử lý ảnh Phân đoạn ảnh có vai trò quan trọng trong việc chiết xuất thông tin từ những hình ảnh và việc khai thác các thông tin hữu ích và các thuộc tính từ hình ảnh Nếu bước phân đoạn ảnh không tốt thì... 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 thể 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 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. .. chính như sau: - Phân đoạn dựa vào ngưỡng - Phân đoạn dựa theo đường biên - Phân đoạn dựa theo miền đồng nhất 18 1.5.1 Phân đoạn dựa vào ngƣỡng Biên độ của các tính chất vật lý của ảnh (như là độ phản xạ, độ truyền sáng, màu sắc ) là một đặc tính đơn giản và rất hữu ích Nếu biên độ đủ lớn đặc trưng cho ảnh thì chúng ta có thể dùng ngưỡng biên độ để phân đoạn ảnh Thí dụ, biên độ trong bộ cảm biến hồng... hóa bằng lượng hóa, trước khi chuyển sang giai đoạn xử lý, phân tích hay lưu trữ lại Phân đoạn ảnh: Là bước then chốt trong xử lý ảnh Giai đoạn này nhằm phân tích ảnh thành những thành phần có cùng tính chất dựa theo biên hay các vùng liên thông Tiêu chuẩn để xác định các vùng liên thông có thể là cùng màu, cùng mức xám hay cùng độ nhám Mục đích của phân đoạn ảnh là để có một miêu tả tổng hợp về nhiều... định của mỗi điểm ảnh bằng cách sử dụng kỹ thuật phân đoạn ảnh chúng ta có thể ước lượng khả năng phân tách và cuối cùng gán nhãn vào mỗi điểm ảnh Chương 3 phân tích kết quả thực nghiệm phân đoạn ảnh RWR với các ảnh tự nhiên có đường biên yếu và kết cấu yếu 2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH, PHÂN ĐOAN ẢNH ̣ 1.1 Các khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh, phân đoan ảnh ̣ Cũng như xử lý dữ liệu bằng đồ hoạ, . trong phân đoạn ảnh 17 1.5.1 Phân đoạn dựa vào ngưỡng 19 1.5.2 Phân đoạn dựa theo đường biên 23 1.5.3 Phân đoạn theo miền đồng nhất 36 CHƢƠNG 2: PHÂN ĐOẠN ẢNH DỰA TRÊN RWR 42 2.1 Random Walker. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CNTT&TT Vũ Mạnh Cƣờng NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT PHÂN ĐOẠN RANDOM WALKER RESTART Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60 48 01 LUẬN VĂN. HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CNTT&TT Vũ Mạnh Cƣờng NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT PHÂN ĐOẠN RANDOM WALKER RESTART LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH