Luận văn thạc sĩ công nghệ thông tin Phân tích một số phương pháp phân đoạn ảnh có giám sát

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG * * * Nguyễn Văn Thành PHÂN TÍCH MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP PHÂN ĐOẠN ẢNH CÓ GIÁM SÁT Luận văn thạc sĩ Công nghệ thông tin Đồng Nai – 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG * * * Nguyễn Văn Thành PHÂN TÍCH MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP PHÂN ĐOẠN ẢNH CÓ GIÁM SÁT Chuyên ngành : Công Nghệ Thông Tin Mã số: 60480201 Luận văn thạc sĩ Công nghệ thông tin NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS NGÔ QUỐC TẠO Đồng Nai – 2013 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình làm luận văn vừa qua, được sự giúp đỡ và chỉ bảo nhiệt tình ca PGS. TS Ngô Quốc Tạo – Viện Công nghệ Thông tin – Viện khoa học Việt Nam, luận văn ca em đã được hoàn thành. Măc dù đã cố gắng cùng vi sự tậ n tâm ca thy hưng dẫ n song do th ời gian và khả năng vẫ n còn nhiề u hạn chế nên luậ n văn không tránh khỏ i nhng thiế u sót. Em xin bày tỏ lò ng biế t ơn sâu sắ c t i thy PGS. TS Ngô Quốc Tạo đã tận tình hưng dẫn, chỉ bảo và dành rất nhiều thời gian quí báu ca thy cho em trong thời gian qua, đã giúp em hoàn thành bài luận văn đúng thời hạn. Em xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám hiệu, các Thy cô giáo ca Trường Đại học Lạc Hồng, các Thy cô bộ môn, đã giảng dạy cung cấp, trang bị cho chúng em nhng kiến thức chuyên ngành, chuyên môn chuyên sâu trong suốt 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. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu ca tôi, không sao chép ca 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 ca luận văn. Tác giả luận văn Nguyễn Văn Thành MỤC LỤC DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC TỪ VIẾT TẮT i CÁC THUẬT NGỮ i CÁC TỪ VIẾT TẮT ii DANH MỤC CÁC BẢNG iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ iv MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH, PHÂN ĐOẠN ẢNH 3 1.1 Tổng quan về xử lý ảnh 3 1.1.1 Một số khái niệm cơ bản về xử lý ảnh. 3 1.1.1.1 Xử lý ảnh là gì ? 3 1.1.1.2 Phn tử ảnh (Pixel - Picture Element) 3 1.1.1.3 Mức xám ca ảnh. 4 1.1.1.4 Độ phân giải ca ảnh. 5 1.1.2 Các giai đoạn cơ bản trong xử lý ảnh. 6 1.1.2.1 Biểu diễn ảnh. 6 1.1.2.2 Tăng cường, nâng cao chất lượng ảnh. 7 1.1.2.3 Khôi phục ảnh. 7 1.1.2.4 Biến đổi ảnh. 8 1.1.2.5 Phân tích ảnh. 8 1.1.2.6 Nhận dạng ảnh. 9 1.1.2.7 Nén ảnh. 11 1.1.3 Các ứng dụng ca xử lý ảnh. 12 1.1.4 Quan hệ cơ bản gia các điểm ảnh. 13 1.2 Tổng quan về phân đoạn ảnh. 16 1.2.1 Gii thiệu. 16 1.2.2 Các phương pháp tiếp cận. 17 1.2.2.1 Phân vùng ảnh theo ngưỡng biên độ. 19 1.2.2.2 Phân vùng theo miền đồng nhất. 20 1.2.2.3 Phân vùng ảnh dựa trên phân tích kết cấu. 24 1.2.2.4 Phân vùng ảnh dựa trên sự phân lp điểm ảnh. 28 1.2.2.5 Phân vùng dựa vào lý thuyết đồ thị. 30 1.2.2.6 Phân vùng ảnh dựa trên biểu diễn và xử lý đa phân giải. 35 CHƢƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÂN ĐOẠN ẢNH CÓ GIÁM SÁT 37 2.1. Gii thiệu về phân đoạn ảnh có giám sát. 37 2.2. Phân đoạn ảnh sử dụng grabcut. 38 2.2.1. Phân đoạn theo năng lượng cực tiểu hóa. 39 2.2.2. Giải thuật phân đoạn GrabCut. 41 2.2.2.1. Mô hình d liệu màu. 41 2.2.2.2. Phân đoạn theo lặp lại cực tiểu năng lượng. 42 2.2.2.3.Tương tác người sử dụng và trimap không đy đ. 44 2.3. Phân đoạn ảnh sử dụng Random Walks. 45 2.3.1. Trọng số cạnh. 46 2.3.2.Vấn đề Dirichlet Tổ hợp 46 2.3.3.Mạch tương tự. 48 2.3.4.Mối quan hệ để khuếch tán. 49 2.4.Phân đoạn ảnh sử dụng Random Walks with Restart. 50 2.4.1.Phương pháp phân đoạn ảnh dựa trên RWR 54 2.4.1.1.Xây dựng đồ thị trọng số cho hình ảnh 55 2.4.1.2.Tính xác suất 56 2.4.1.3.Gán nhãn để phân đoạn ả nh 58 2.4.2.Độ phức tạp thuật toán 59 CHƢƠNG 3: CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM 61 3.1.Môi trường cài đặt 61 3.2.Chương trình thực nghiệm phân đoạn ảnh sử dụng RWR 61 3.2.1.Thiết lập thông số 61 3.2.2.Kết quả phân đoạn RWR B_LIN vi c=10 -4 63 3.2.3.Một số so sánh 64 3.2.3.1.Vấn đề biên ảnh yếu 64 3.2.3.2.Vấn đề kết cấu 65 3.2.3.3.Định lượng so sánh 66 3.3.Kế t luậ n và kiến nghị 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 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 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 Pixel Phn tử ảnh Random Walk Bưc đi ngẫu nhiên Random Walk With Return Bưc đi ngẫu nhiên vi 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 ii 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 53 Bảng 2-2 : Phân đoạn ảnh RWR B_LIN 56 [...]... 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 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH, PHÂN ĐOẠN ẢNH 1.1 Tổng quan về xử lý ảnh 1.1.1 Một số khái niệm cơ bản về xử lý ảnh 1.1.1.1 Xử lý ảnh là gì ?... ra của một quá trình xử lý ảnh có thể là một ảnh “tốt hơn” hoặc một kết luận Ảnh “Tốt hơn” Ảnh XỬ LÝ ẢNH Kết luận Hình 1.1 Quá trình xử lý ảnh 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(c1, c2, , cn) Do đó, ảnh trong xử lý ảnh có thể... 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 dẫn đến việc nhận diện sai lầm về các đối tượng có trong ảnh Trong hầu hết các ứng dụng của lĩnh vực xử lý ảnh, thị giác... được các thông tin định lượng về hình ảnh 9 Phân tích ảnh có thể tách biệt các vật thể trên ảnh, đo lường, phân loại, mô tả, so sánh chúng Mặt khác, từ việc phân tích ảnh cũng có thể suy ra các số liệu thống kê về hình ảnh Liên quan đến việc xác định các độ đo định lượng của một ảnh để đưa ra một mô tả đầy đủ về ảnh Có nhiều kỹ thuật khác nhau hỗ trợ phân tích ảnh như: các kỹ thuật lọc,các kỹ thuật... các điểm ảnh có thuộc tính tương tự} của các vùng ảnh sao cho: 𝐾 𝑖=1 𝑅 𝑖 = 𝑋 𝑣à 𝑅 𝑖 𝑅𝑗 , ∀𝑖 ≠ 𝑗, 𝑖, 𝑗 = 1 … 𝐾 , với K là số vùng của ảnh X 17 Phân vùng ảnh là quá trình xử lý một ảnh số thành một tập các vùng, mỗi vùng là một tập hợp các điểm ảnh Chính xác hơn, phân vùng ảnh là quá trình gán nhãn cho mỗi điểm ảnh trong ảnh sao cho các điểm ảnh có các thuộc tính tương tự nhau thì có cùng một nhãn... phân vùng dựa theo miền liên thông gọi là phân vùng dựa theo miền đồng nhất hay miền kề; phân vùng dựa vào biên gọi là phân vùng biên Ngoài ra còn có các kỹ thuật phân vùng khác dựa vào biên độ, phân vùng dựa theo kết cấu Phương pháp phân vùng ảnh được chia thành hai hướng: 18  Phƣơng pháp phân vùng trực tiếp (phân vùng dựa trên độ tương tự về thuộc tính): Có nhiều phương pháp phân vùng ảnh như phân. .. một số phương pháp phân đoạn ảnh có giám sát như Random Walker (RW), Graph cuts (GC), 2 Random Walker Restart (RWR) – chỉ ra 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... trong ảnh - Phương pháp cấu trúc  Phƣơng pháp phân vùng gián tiếp: Phân vùng dựa trên tách biên Phân vùng dựa trên tách biên Hay nói một cách khác, phân vùng ảnh và đường biên có tính chất đối ngẫu, nếu như tôi phát hiện được đường biên thì dựa vào biên có thể xác định vùng ảnh hoặc nếu như tôi phân vùng ảnh thì đường bao quanh vùng ảnh đó được gọi là đường biên Ngoài ra còn có các phương pháp phân. .. nhau mà chúng ta có các kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh khác nhau Nâng cao chất lượng ảnh có quan hệ gần gũi với khôi phục ảnh Khi một ảnh bị nhiễu thì khôi phục ảnh gốc thường đưa đến nâng cao chất lượng ảnh Có một số khác biệt giữa khôi phục ảnh và nâng cao chất lượng ảnh Trong khôi phục ảnh, một ảnh gốc bị nhiễu thì mục tiêu là làm sao cho ảnh sau khi xử lý càng gần giống ảnh gốc càng tốt Còn... ảnh Khi một ảnh bị nhiễu thì khôi phục ảnh gốc thường đưa đến nâng cao chất lượng ảnh Có một số khác biệt giữa khôi phục ảnh và nâng cao chất lượng ảnh Trong khôi phục ảnh, một ảnh gốc bị nhiễu thì mục tiêu là làm sao cho ảnh sau khi xử lý càng gần giống ảnh gốc càng tốt Còn trong nâng cao chất lượng ảnh thì mục tiêu là làm cho ảnh sau khi xử lý có được chất lượng tốt hơn khi chưa xử lý Như vậy một . sự phân lp điểm ảnh. 28 1.2.2.5 Phân vùng dựa vào lý thuyết đồ thị. 30 1.2.2.6 Phân vùng ảnh dựa trên biểu diễn và xử lý đa phân giải. 35 CHƢƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÂN ĐOẠN ẢNH CÓ GIÁM SÁT. tổng quan về xử lý ảnh, các hưng tiếp cận chính trong phân đoạn ảnh. Trong chương 2, luận văn tập trung tìm hiểu và trình bày một số phương pháp phân đoạn ảnh có giám sát như Random Walker. 37 2.1. Gii thiệu về phân đoạn ảnh có giám sát. 37 2.2. Phân đoạn ảnh sử dụng grabcut. 38 2.2.1. Phân đoạn theo năng lượng cực tiểu hóa. 39 2.2.2. Giải thuật phân đoạn GrabCut. 41 2.2.2.1.