Luận văn thạc sĩ công nghệ thông tin Nghiên cứu một số kỹ thuật nắn chỉnh ảnh 2d

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG    HỒ ĐỨC NGHỈ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT NẮN CHỈNH ẢNH 2D LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Đồng Nai, năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG    HỒ ĐỨC NGHỈ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT NẮN CHỈNH ẢNH 2D Chuyên ngành: Công nghệ thông tin Mã số: 60.48.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. ĐỖ NĂNG TOÀN Đồng Nai, năm 2013 LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập môn học xử lý ảnh và làm luận văn tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu một số kỹ thuật nắn chỉnh ảnh 2D”, với sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy PGS. TS. Đỗ Năng Toàn đã giúp tôi có điều kiện nghiên cứu và hiểu biết sâu hơn về lĩnh vực xử lý ảnh. Đây là lĩnh vực đang được phát triển mạnh mẽ và được nhiều người quan tâm bởi nó được áp dụng trong nhiều lĩnh vực hoạt động của xã hội có hiệu quả. Tôi xin gửi đến thầy PGS. TS. Đỗ Năng Toàn cùng quý thầy, cô trong khoa Công nghệ thông tin trường Đại học Lạc Hồng những cành hoa với lòng biết ơn sâu sắc. Những lời quý thầy, cô dạy và những lời dặn dò chân thành sẽ là hành trang quý báu giúp cho tôi tiếp tục nổ lực học tập và làm việc nhiệt tình, một cách có khoa học. Tôi xin chân thành cảm ơn ! LỜI CAM ĐOAN Quá trình làm luận văn với đề tài “Nghiên cứu một số kỹ thuật nắn chỉnh ảnh 2D”, bản thân gặp nhiều khó khăn trong việc tìm kiếm, sưu tầm tài liệu và tìm hiểu, viết chương trình demo “Nắn chỉnh biến dạng sách”. Đến nay luận văn của tôi đã hoàn thành với sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của thầy PGS. TS. Đỗ Năng Toàn (Viện công nghệ thông tin – Viện khoa học và công nghệ Việt Nam). Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn này là do tôi sưu tầm, tìm kiếm, tra cứu thông tin trên mạng Internet, trong các sách tham khảo. Trong đó có sử dụng một số thuật toán được các tác giả xuất bản công khai. Sau đó, tôi đã sắp xếp, hoàn thiện cho phù hợp nội dung yêu cầu với đề tài của mình. Nếu có vấn đề gì sai sót tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Đồng Nai, ngày 21 tháng 9 năm 2013 Người cam đoan Hồ Đức Nghỉ MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục hình vẽ MỞ ĐẦU 1 Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ BÀI TOÁN NẮN CHỈNH ẢNH 3 1.1. Khái quát về xử lý ảnh 3 1.1.1. Xử lý ảnh, sơ đồ tổng quát của một hệ thống xử lý ảnh 3 1.1.2. Một số vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 4 1.1.2.1. Một số khái niệm cơ bản 4 1.1.2.2. Nắn chỉnh biến dạng 4 1.1.2.3. Khử nhiễu 4 1.1.2.4. Chỉnh mức xám 4 1.2. Bài toán nắn chỉnh ảnh 5 1.2.1. Bài toán 5 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước liên quan 5 1.2.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước 5 1.2.2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước 7 Chương 2 MỘT SỐ KỸ THUẬT NẮN CHỈNH ẢNH 2D 8 2.1. Kỹ thuật nắn chỉnh xuôi 8 2.1.1. Chuyển đổi mức xám 9 2.1.1.1. Phép biến đổi âm bản 10 2.1.1.2. Phép biến đổi Log 10 2.1.2. Biến đổi tuyến tính từng phần 11 2.1.2.1. Giãn độ tương phản 11 2.1.2.2. Làm mỏng mức xám 12 2.1.3. Cân bằng biểu đồ 13 2.1.4. Lọc làm mịn 14 2.1.4.1. Bộ lọc trung bình 14 2.1.4.2. Bộ lọc trung vị 15 2.1.5. Lọc làm sắc nét 16 2.1.5.1. Bộ lọc thông cao 16 2.1.5.2. Bộ lọc phái sinh 16 2.1.5.3. Bộ lọc high boost 17 2.2. Kỹ thuật nắn chỉnh ngược 18 2.2.1. Cong vênh phía trước và cong vênh ngược 19 2.2.1.1. Cong vênh phía trước 19 2.2.1.2. Cong vênh ngược 19 2.2.2. Ma trận chuyển đổi tổng quát 20 2.2.3. Các phép biến đổi affine 20 2.2.3.1. Phép tỷ lệ 22 2.2.3.2. Phép cắt 22 2.2.3.3. Phép xoay 23 2.2.3.4. Phép dịch chuyển 24 2.2.3.5. Nghịch đảo của một biến đổi affine 24 2.2.3.6. Biến đổi affine kết hợp 25 2.2.4. Biến đổi phối cảnh 25 2.3. Kỹ thuật nắn chỉnh kết hợp với kỹ thuật nội suy 27 2.3.1. Kỹ thuật cong vênh lưới 28 2.3.2. Kỹ thuật nội suy trường 29 Chương 3 ỨNG DỤNG NẮN CHỈNH BIẾN DẠNG SÁCH 34 3.1. Phân tích, thiết kế 34 3.1.1. Áp dụng kỹ thuật nắn chỉnh ngược kết hợp với kỹ thuật nội suy 35 3.1.1.1. Nắn chỉnh hình dạng quyển sách 35 3.1.1.2. Nắn chỉnh bề mặt quyển sách 39 3.1.2. Áp dụng kỹ thuật nắn chỉnh xuôi 42 3.2. Chức năng, cấu trúc chương trình và kết quả thực hiện chương trình 43 3.2.1. Mô tả một số chức năng chương trình 43 3.2.1.1. Chức năng tạo khung ảnh mẫu 43 3.2.1.2. Chức năng nắn chỉnh biến dạng 44 3.2.1.3. Chức năng nâng chất lượng ảnh 44 3.2.2. Cấu trúc, thiết kế chương trình 44 3.2.3. Giới thiệu chương trình 46 3.2.4. Một số kết quả thực hiện chương trình 48 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1. Quá trình xử lý ảnh 3 Hình 1.2. Các bước cơ bản trong một hệ thống xử lý ảnh 3 Hình 1.3. Ảnh thu nhận và ảnh mong muốn 4 Hình 1.4. Minh họa ảnh gốc và ảnh sau khi nắn chỉnh 5 Hình 2.1. Ảnh gốc và ảnh âm bản 10 Hình 2.2. Minh họa ảnh gốc và ảnh sau khi thực hiện phép biến đổi log 10 Hình 2.3. Hàm ánh xạ của giãn độ tương phản 11 Hình 2.4. Minh họa ảnh gốc và ảnh giãn độ tương phản 12 Hình 2.5. Minh họa ảnh làm mỏng mức xám 13 Hình 2.6. Minh họa cân bằng biểu đồ 14 Hình 2.7. Minh họa ảnh áp dụng bộ lọc trung bình 15 Hình 2.8. Minh họa ảnh áp dụng bộ lọc trung vị 15 Hình 2.9. Minh họa (a) ảnh gốc, (b) ảnh sau khi áp dụng bộ lọc thông cao 16 Hình 2.10. Minh họa (a) ảnh gốc, (b) ảnh áp dụng bộ lọc high boost với A=1.5 18 Hình 2.11. Biến đổi làm cong vênh hình ảnh 18 Hình 2.12. Cong vênh phía trước 19 Hình 2.13. Cong vênh ngược 20 Hình 2.14. Minh họa tỷ lệ đồng nhất: (a) hình ảnh gốc và (b) hình ảnh tỷ lệ 22 Hình 2.15. Cắt theo hướng u: (a) là hình ảnh ban đầu và (b) hình ảnh bị cắt 23 Hình 2.16. Minh họa phép xoay: (a) hình ảnh ban đầu và (b) hình ảnh xoay 23 Hình 2.17. Cong vênh ảnh kết hợp cong vênh và hòa tan chéo 28 Hình 2.18. Cong vênh lưới giữa hai hình ảnh 28 Hình 2.19. Cặp đoạn thẳng đơn 30 Hình 2.20. Các phép biến đổi cặp đoạn thẳng đơn tính năng 31 Hình 2.21. Ví dụ cặp đoạn thẳng đa năng 31 Hình 3.1. Minh họa ảnh quyển sách bị biến dạng (a) và ảnh sau khi nắn chỉnh (b) 34 Hình 3.2. Minh họa ảnh gốc và mô hình ảnh đích mong muốn 36 Hình 3.3. Minh họa cách tìm các điểm thuộc đa giác 39 Hình 3.4. Minh họa phép nội suy affine hai tam giác 40 Hình 3.5. Minh họa phép nội suy song song tuyến tính 41 1 MỞ ĐẦU Trong thời kỳ công nghệ thông tin ngày càng phát triển mạnh mẽ, việc sử dụng máy vi tính không chỉ còn bó hẹp trong các viện nghiên cứu, trường đại học, cao đẳng, các trung tâm máy tính mà còn sử dụng rộng rãi ở các cơ quan, công ty, doanh nghiệp, trường phổ thông, cá nhân gia đình, cùng với sự phát triển vượt bậc về phần cứng máy tính và các thiết bị liên quan làm cho mọi loại thông tin, số liệu, âm thanh, hình ảnh có thể được đưa về dạng kỹ thuật số để bất kỳ máy tính nào cũng có thể lưu trữ, xử lý và chuyển tiếp cho nhiều người. Ngày nay công nghệ thông tin được ứng dụng hầu hết trong các lĩnh vực hoạt động của xã hội như giáo dục, y tế, thống kê, tài chính, ngân hàng, bưu chính viễn thông, điện lực, kinh tế, kiến trúc, quân sự, giải trí, xử lý ảnh,… Trong đó lĩnh vực xử lý ảnh đang phát triển mạnh mẽ và được nhiều người quan tâm bởi được áp dụng trong nhiều lĩnh vực có hiệu quả chẳng hạn dựa vào ảnh để nhận dạng mặt người phục vụ cho công việc tìm kiếm tội phạm, chẩn đoán bệnh, phẩu thuật bệnh nhân, giám sát giao thông, chế tạo robot, điều khiển hoạt động của máy bay, làm phim, mô phỏng các thí nghiệm trong vật lý, trong hóa học và trong sinh học,… Tuy nhiên, ảnh thu được sau quá trình thu nhận ảnh thông qua các thiết bị như máy chụp ảnh, camera, webcam, máy chụp X-quang, máy chụp cắt lớp CT (Computerized Tomography: chụp cắt lớp điện toán), máy siêu âm,… không thể tránh khỏi biến dạng bởi các thiết bị quang học và điện tử, đôi khi bởi chính bản thân đối tượng. Vì vậy, cần phải có phương pháp để điều chỉnh các điểm sai lệch, chỉnh độ nghiêng, lọc nhiễu, nâng độ tương phản, làm ảnh rõ hơn, nét hơn,… sao cho đối tượng được thu nhận thể hiện đúng bản chất của mình trên ảnh. Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của mạng Internet, con người có thể tổ chức các hoạt động thông qua mạng Internet chẳng như học tập, họp trực tuyến, trao đổi thông tin, giới thiệu sản phẩm, mua bán hàng thông qua mạng, Do vậy mà đa số các doanh nghiệp, công ty, xí nghiệp đều xây dựng cho mình một website riêng để giới thiệu về công ty, về vấn đề kinh doanh, về mẫu mã, về chất lượng sản phẩm của họ. Chẳng hạn như trong lĩnh vực kinh doanh mua bán sách, các nhà sách giới thiệu về nội dung, giá cả, minh họa hình ảnh quyển sách cho khách hàng. 2 Để minh họa sản phẩm, ảnh của quyển sách đưa lên website để quảng bá sản phẩm cho khách hàng đòi hỏi phải chụp được ảnh của quyển sách vào ở tư thế nhìn thấy được ba mặt của nó, ba mặt nhìn thấy giống như trong không gian ba chiều vậy. Tuy nhiên, khi chụp ảnh có thể do thiết bị điện tử, quang học hay cách đặt máy chụp mà ảnh của quyển sách thu nhận được không thể hiện được bản chất thực của nó hay nói cách khác là bị biến dạng. Chẳng hạn như có một đầu to đầu nhỏ, có góc quyển sách các trang giấy bị cong vênh, bung ra, không nhẵn, Do đó, ta cần nắn chỉnh ba mặt của quyển sách đã chụp bị biến dạng sao cho sau khi nắn chỉnh thì ba mặt của quyển sách này nhìn thấy được ba mặt không còn cong vênh, các mép không bị nhăn và hình ảnh của các mặt quyển sách nét hơn, rõ hơn. Xuất phát từ vấn đề vừa nêu trên, mục tiêu của luận văn này là nghiên cứu một số kỹ thuật nắn chỉnh xuôi, kỹ thuật nắn chỉnh ngược và kết hợp với kỹ thuật nội suy nắn chỉnh ảnh 2D để áp dụng vào việc nắn chỉnh biến dạng quyển sách sau thu nhận. Bố cục của luận văn này bao gồm phần mở đầu, ba chương chính, phần kết luận – hướng phát triển và tài liệu tham khảo. Nội dung của các chương chính được tổ chức như sau: Chương 1: Tổng quát về xử lý ảnh và bài toán nắn chỉnh ảnh. Chương này trình bày tóm tắt tình hình nghiên cứu trong nước, ngoài nước liên quan đến đề tài, các vấn đề cơ bản của xử lý ảnh và bài toán nắn chỉnh ảnh. Chương 2: Một số kỹ thuật nắn chỉnh ảnh 2D. Chương này trình bày cơ sở lý thuyết của một số kỹ thuật nắn chỉnh ảnh 2D: Kỹ thuật nắn chỉnh xuôi, kỹ thuật nắn chỉnh ngược, kỹ thuật nắn chỉnh kết hợp với kỹ thuật nội suy. Chương 3: Ứng dụng nắn chỉnh biến dạng sách. Chương này trình bày bài toán nắn chỉnh sách và một số kết qủa thử nghiệm chương trình nắn chỉnh biến dạng sách sau thu nhận. 3 Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ BÀI TOÁN NẮN CHỈNH ẢNH 1.1. Khái quát về xử lý ảnh 1.1.1. Xử lý ảnh, sơ đồ tổng quát của một hệ thống xử lý ảnh Con người thu nhận thông tin qua các giác quan, trong đó thị giác đóng vai trò quan trọng nhất. Những năm trở lại đây với sự phát triển của phần cứng máy tính, xử lý ảnh và đồ họa được phát triển một cách mạnh mẽ và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống. Xử lý ảnh và đồ họa đóng một vai trò quan trọng trong tương tác giữa người và máy. Quá trình xử lý ảnh được xem như là quá trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho ra kết quả mong muốn. Kết quả đầu ra của một quá trình xử lý ảnh có thể là một ảnh “tốt hơn” hoặc một kết luận. Hình 1.1. Quá trình xử lý ảnh [Nguồn: 8] Ảnh có thể xem là tập hợp các điểm ảnh và mỗi điểm ảnh được xem như là đặc trưng cường độ sáng hay một dấu hiệu nào đó tại một vị trí nào đó của đối tượng trong không gian và nó có thể xem như một hàm n biến P(c 1 , c 2 , , c n ). Do đó, ảnh trong xử lý ảnh có thể xem như ảnh n chiều. Sơ đồ tổng quát của một hệ thống xử lý ảnh: Hình 1.2. Các bước cơ bản trong một hệ thống xử lý ảnh [Nguồn: 8] [...]... thuyết của xử lý ảnh Chương 2 của luận văn này sẽ trình bày một số kỹ thuật nắn chỉnh ảnh 2D như hiệu chỉnh độ nghiêng, cong vênh, biến dạng, lọc nhiễu, nâng độ tương phản ảnh, … làm cho ảnh rõ hơn, nét hơn Gồm các kỹ thuật sau: kỹ thuật nắn chỉnh xuôi, kỹ thuật nắn chỉnh ngược, kỹ thuật nắn chỉnh kết hợp với kỹ thuật nội suy 8 Chương 2 MỘT SỐ KỸ THUẬT NẮN CHỈNH ẢNH 2D 2.1 Kỹ thuật nắn chỉnh xuôi Việc... đặt ngưỡng tối ưu với nén ảnh để nâng cao hơn hiệu quả khử nhiễu Kết quả trong luận văn này chỉ áp dụng cho ảnh đen trắng vì vậy có thể nghiên cứu phát triển lên ảnh màu Luận văn Thạc sĩ Nghiên cứu một số kỹ thuật xóa đối tượng nhỏ trong ảnh của Trần Lê Quang Thịnh, trường Đại học Lạc Hồng, năm 2013: Luận văn này nghiên cứu một số kỹ thuật xóa đối tượng nhiễu và lỗ hổng trong ảnh đường nét Đã xây dựng... ảnh chụp thường bị nhòe,… Do đó, để giải quyết các vấn đề nêu trên cần phải áp dụng một số kỹ thuật nắn chỉnh ảnh nhằm mục đích để nâng cao chất lượng ảnh và khắc phục những thiếu sót, khuyết điểm trong quá trình thu nhận ảnh và số hoá ảnh như nhiễu, méo, nghiêng, làm nổi bật các đặc trưng chính của ảnh đảm bảo cho ảnh gần giống với hình ảnh thật nhất Hình 1.4 Minh họa ảnh gốc và ảnh sau khi nắn chỉnh. ..4 1.1.2 Một số vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 1.1.2.1 Một số khái niệm cơ bản Ảnh và điểm ảnh: Điểm ảnh được xem như là dấu hiệu hay cường độ sáng tại một tọa độ trong không gian của đối tượng và ảnh được xem như là một tập hợp các điểm ảnh Mức xám, màu: Là số các giá trị có thể có của các điểm ảnh của ảnh 1.1.2.2 Nắn chỉnh biến dạng Ảnh thu nhận thường bị biến dạng do các... vào một ảnh nguồn và một ảnh đích, phương pháp nội suy không gian sẽ thực hiện nội suy ra các khung ảnh trung gian, các khung ảnh này biến đổi liên tục tạo thành một file video, có thể chạy được file video đó để quan sát quá trình sinh ảnh trung gian Tuy nhiên, trong ứng dụng thứ hai là nắn chỉnh một cuốn sách chỉ nói sơ lược và chưa cài đặt được ứng dụng nắn chỉnh một cuốn sách Luận văn Thạc sĩ “Ứng... xóa đối tượng nhỏ (nhiễu và lỗ hổng) cho ảnh đường nét Tuy nhiên, phần ứng dụng thử nghiệm chỉ lấp các lỗ hổng sau khi đã nắn chỉnh biến dạng quyển sách chứ không nghiên cứu các kỹ thuật để nắn chỉnh biến dạng (hình dạng) của quyển sách 7 1.2.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước “Image morphing technique” [Nguồn: 22]: Bài viết này cung cấp một số kỹ thuật, thuật toán: Mesh Warping, Feature Based Image... khác Việc tăng cường ảnh thì không có quy tắc chung để xác định kỹ thuật nâng chất lượng ảnh tốt nhất Do đó, phương pháp tăng cường ảnh chỉ áp dụng cho trường hợp cụ thể và thường được phát triển theo kinh nghiệm Kỹ thuật tăng cường ảnh được sử dụng như là công cụ tiền xử lý cho các kỹ thuật xử lý hình ảnh khác, một số biện pháp định lượng có thể được sử dụng để xác định những kỹ thuật thích hợp nhất... 1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước liên quan 1.2.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Luận văn Thạc sĩ Nghiên cứu một số phương pháp phát hiện biên” của Nguyễn Quang Sơn, trường Đại học Thái Nguyên, năm 2008: Luận văn này đã hệ thống hoá các phương pháp phát hiện biên Đưa ra nhận xét, đánh giá các phương pháp phát hiện biên và có lựa chọn phương pháp phù hợp với từng loại ảnh Đặc biệt... 1.1.2.4 Chỉnh mức xám Nhằm khắc phục tính không đồng đều của hệ thống gây ra Thông thường có 2 hướng tiếp cận: Thứ nhất là giảm số mức xám: Thực hiện bằng cách nhóm các mức xám gần nhau thành một bó Thứ hai là tăng số mức xám: Thực hiện nội suy ra các mức xám trung gian bằng kỹ thuật nội suy Kỹ thuật này nhằm tăng cường độ mịn cho ảnh 5 1.2 Bài toán nắn chỉnh ảnh 1.2.1 Bài toán Vấn đề đặt ra là ảnh của một. .. hình ảnh tương phản thấp và (b) là hình ảnh sau khi thực hiện giãn độ tương phản Hình 2.3 Hàm ánh xạ của giãn độ tương phản [Nguồn: 11] 12 Hình 2.4 Minh họa ảnh gốc và ảnh giãn độ tương phản [Nguồn: 11] 2.1.2.2 Làm mỏng mức xám Sử dụng biểu đồ của một hình ảnh đầu vào để tìm những cụm điểm ảnh có chứa các thông tin phù hợp nhất Biểu đồ ảnh là biểu đồ cho thấy sự phân bố mức xám Trong ảnh kỹ thuật số, . Chương 2: Một số kỹ thuật nắn chỉnh ảnh 2D. Chương này trình bày cơ sở lý thuyết của một số kỹ thuật nắn chỉnh ảnh 2D: Kỹ thuật nắn chỉnh xuôi, kỹ thuật nắn chỉnh ngược, kỹ thuật nắn chỉnh kết. kỹ thuật nắn chỉnh kết hợp với kỹ thuật nội suy. 8 Chương 2 MỘT SỐ KỸ THUẬT NẮN CHỈNH ẢNH 2D 2.1. Kỹ thuật nắn chỉnh xuôi Việc nâng cao chất lượng ảnh hay tăng cường ảnh là một bước quan. chỉnh độ nghiêng, cong vênh, biến dạng, lọc nhiễu, nâng độ tương phản ảnh, … làm cho ảnh rõ hơn, nét hơn. Gồm các kỹ thuật sau: kỹ thuật nắn chỉnh xuôi, kỹ thuật nắn chỉnh ngược, kỹ thuật nắn