Báo cáo xử lý ảnh Phân cụm ảnh

Báo cáo xử lý ảnh Phân cụm ảnh C Cần demo Liên hệ facebook Giả sử có một tập ảnh ban đầu, ta cần phân tập ảnh đó thành một số hữu hạn các cụm ảnh theo yêu cầu. Bước đầu tiên ta cần phân tích đặc trưng về màu sắc của ảnh trong cụm. Sử dụng khoảng cách Euclid để tính độ tương đồng giữa các ảnh. Dựa trên giải thuật Kmeans phân tích tập ảnh ban đầu thành các cum thỏa mãn.

LỜI MỞ ĐẦU Xử lý ảnh ngày nay đã trở thành một ngành khoa học lớn và có mặt trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Điều này hoàn toàn có thể lý giải được từ một định nghĩa đơn giản về ngành khoa học này. Ở Việt Nam, Xử lý ảnh là một ngành khoa học còn tương đối mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác. Hiện nay nó đang là một trong những lĩnh vực được quan tâm và đã trở thành môn học chuyên ngành của sinh viên hệ kỹ sư, cử nhân ngành Công nghệ Thông tin. Xử lý ảnh là ngành khoa học nghiên cứu các quá trình xử lý thông tin dạng hình ảnh mà hình ảnh là một trong những dạng thông tin phong phú nhất đối với chúng ta. Nhờ có công nghệ số hóa hiện đại, ngày nay con người đã có thể xử lý tín hiệu nhiều chiều thông qua nhiều hệ thống khác nhau, từ những mạch số đơn giản cho đến những máy tính song song cao cấp. Mục tiêu của xử lý ảnh số có thể chia làm ba hướng như sau: Xử lý ảnh ban đầu để có được ảnh mới theo một yêu cầu xác định (ví dụ như ảnh mờ cần được xử lý để ảnh rõ hơn). Phân tích ảnh để thu được các thông tin đặc trưng giúp cho việc phân loại, nhận biết ảnh (ví dụ như phân tích ảnh vân tay để trích chọn các đặc trưng vân tay). Hiểu ảnh đầu vào để có những mô tả về ảnh ở mức cao hơn, sâu hơn (ví dụ như từ một ảnh tai nạn giao thông sẽ phác họa nên hiện trường tai nạn). Trong quá trình xử lý ảnh chúng ta cũng có thể phân nó thành những cụm ảnh riêng biệt nhau. Phân cụm ảnh nhằm mục đích phân tách các ảnh đầu vào thành những cụm để có thể sử dụng cho việc phân loại ảnh. Vì lý do đó mà nhóm chúng em đã lựa chọn đề tài “Phân cụm ảnh” để tìm hiểu rõ hơn về phân cụm ảnh trong Xử lý ảnh nói chung. Mục tiêu của bài tập lớn này nhằm hiểu rõ về công đoạn phân cụm ảnh, các phương pháp phân cụm ảnh đặc biệt là áp dụng kỹ thuật Kmen để phân cụm ảnh. Hiểu và lập trình được thuật toán mô phỏng. Bài báo cáo gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về xử lý ảnh Chương 2: Phương pháp phân cụm dữ liệu Chương 3: Chương trình mô phỏng phân cụm LỜI CẢM ƠN Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, sự giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù là trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường Đại Học đến nay, chúng em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của Thầy Cô, gia đình và bạn bè. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, chúng em xin gửi đến Thầy Cô ở Khoa Công Nghệ Thông Tin – trường Đại Học Điện Lực đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường. Và đặc biệt, trong kỳ này, Khoa đã tổ chức cho chúng em được tiếp cận với môn học rất hữu ích đối với sinh viên ngành Công Nghệ Thông Tin. Đó là môn: “Xử lý ảnh”. Chúng em xin chân thành cám ơn Tiến Sĩ Nguyễn Hữu Quỳnh đã tận tâm hướng dẫn chúng em qua từng buổi học trên lớp cũng như những buổi nói chuyện, thảo luận về môn học. Trong thời gian được học tập và thực hành dưới sự hướng dẫn của thầy, chúng em không những thu được rất nhiều kiến thức bổ ích, mà còn được truyền sự say mê và thích thú đối với bộ môn Xử lý ảnh. Nếu không có những lời hướng dẫn, dạy bảo của thầy thì chúng em nghĩ đồ án này của chúng em rất khó có thể hoàn thành được. Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bè bạn, đã luôn là nguồn động viên to lớn, giúp chúng em vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình học tập và thực hiện đồ án. Mặc dù đã rất cố gắng hoàn thiện đồ án với tất cả sự nỗ lực, tuy nhiên, do bước đầu đi vào thực tế, tìm hiểu và xây dựng đồ án trong thời gian có hạn, và kiến thức còn hạn chế, nhiều bỡ ngỡ, nên đồ án “Phân cụm ảnh” chắc chắn sẽ khôn thể tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự quan tâm, thông cảm và những đóng góp quý báu của các thầy cô và các bạn để đồ án này ngày càng hoàn thiện hơn. Chúng em xin cám ơn! Sinh viên thực hiện MỤC LỤC CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH 1 1.1. Tổng quan về xử lý ảnh số 1 1.2. Hệ thống xử lý ảnh số 2 1.3 . Các khái niệm cơ bản 3 1.4 . Các ứng dụng của xử lý ảnh 4 1.5. Ví dụ về xử lý ảnh 7 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP PHÂN CỤM DỮ LIỆU 9 2.1. Phân cụm dữ liệu 9 2.2. Các phương pháp phân cụm dữ liệu 11 CHƯƠNG 3. CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG PHÂN CỤM ẢNH 13 3.1. Giới thiệu bài toán 13 3.2. Thuật toán sử dụng 13 3.3. Sơ đồ thuật toán chung 17 3.4. Kết quả thực nghiệm 19 KẾT LUẬN 21 Kết quả đạt được 21 Hướng phát triển 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO 21 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Bức ảnh đầu tiên về mặt Trăng của NASA (9:09 AM, 31/6/1964) 1 Hình 1.2: Quy trình cơ bản trong xử lý ảnh 2 Hình 1.4a: Lọc nhiễu 4 Hình 1.4b: Cải thiện ảnh 5 Hình 1.4c: Thu nhỏ ảnh 5 Hình 1.4d: Theo dõi, giám sát 6 Hình 1.4e: Nhận dạng vân tay 6 Hình 1.4f: Nhận dạng biển số xe 7 Hình 1.5a: Ảnh ban đầu 7 Hình 1.5b: Ảnh đã được thêm chiếc áo 8 Hình 1.5c: Chiếc áo đã được thêm chữ 8 Hình 1.5d: Người đàn ông đã có thêm bộ râu 9 Hình 2.1.1: Ví dụ về phân cụm dữ liệu 10 Hình 3.1: Sơ đồ mô tả thuật toán K-means 15 Hình 3.2: Ví dụ các bước của thuật toán k-means 16 Hình 3.2: Sơ đồ thuật toán 18 Hình 3.4.2: Giao diện chính 19 Hình 3.4.3: Giao diện lựa chọn tập ảnh đầu vào 20 Hình 3.4.4: Giao diện kết quả phân cụm 20 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH 1.1. TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH SỐ Trong nghành khoa học máy tính, xử lý ảnh là một dạng của xử lý tín hiệu cho đầu vào là một ảnh hoặc các frame của phim ảnh. Đầu ra có thể là một hình ảnh, hoặc tập hợp các ký tự hoặc các tham số liên quan tới hình ảnh. Thường thì kỹ thuật xử lý ảnh có liên quan tới xử lý tín hiệu hai chiều và được áp dụng bằng một chuẩn riêng về kỹ thuật xử lý ảnh cho nó. Các khái niệm cơ bản để xử lý tín hiệu như, khái niệm về tích chập, các biến đổi Fourier, biến đổi Laplace, các bộ lọc hữu hạn… Ngoài ra còn cần tới các công cụ toán học như đại số tuyến tính, xác suất, thống kê. Và một số kiến thức cần thiết như Trí tuệ nhân tao, Mạng nơron nhân tạo cũng được đề cập trong quá trình phân tích và nhận dạng ảnh. Các phương pháp xử lý ảnh bắt đầu từ các ứng dụng chính: nâng cao chất lượng ảnh và phân tích ảnh. Ứng dụng đầu tiên được biết đến là nâng cao chất lượng ảnh báo được truyền qua cáp từ Luân Đôn đến New York từ những năm 1920. Vấn đề nâng cao chất lượng ảnh có liên quan tới phân bố mức sáng và độ phân giải của ảnh. Việc nâng cao chất lượng ảnh được phát triển vào khoảng những năm 1955. Điều này có thể giải thích vì sau chiến tranh thế giới thứ hai, máy tính phát triển nhanh tạo điều kiện cho quá trình xử lý ảnh số thuận lợi. Năm 1964, máy tính đã có khả năng xử lý và nâng cao chất lượng ảnh từ mặt trăng và vệ tinh Ranger 7 của Mỹ bao gồm: làm nổi đường biên, lưu ảnh. Từ năm 1964 đến nay, các phương tiện xử lý, nâng cao chất lượng, nhận dạng ảnh phát triển không ngừng. Các phương pháp tri thức nhân tạo như mạng nơ ron nhân tạo, các thuật toán xử lý hiện đại và cải tiến, các công cụ nén ảnh ngày cành được áp dụng rộng rãi và thu nhiều kết quả khả quan. Hình 1.1: Bức ảnh đầu tiên về mặt Trăng của NASA (9:09 AM, 31/6/1964). 1 | P a g e 1.2. HỆ THỐNG XỬ LÝ ẢNH SỐ Để dễ tưởng tượng, xét các bước cần thiết trong xử lý ảnh. Đầu tiên, ảnh tự nhiên từ thế giới ngoài được thu nhận qua các thiết bị thu (như Camera, máy chụp ảnh). Mặt khác, ảnh cũng có thể tiếp nhận từ vệ tinh; có thể quét bằng máy quét ảnh. Hình 1.2: Quy trình cơ bản trong xử lý ảnh. Trong đó: • Thu nhận ảnh (Image Acquisition): Ảnh có thể được thu nhận qua các thiết bị chụp ảnh. Có thể là ảnh đen trắng hoặc ảnh màu. Thông thường ảnh nhận được là ảnh tương tự, cũng có một số thiết bị đã số hóa. • Tiền xử lý (Image Processing): Sau khi thu nhận, ảnh có thể bị nhiễu hoặc độ tương phản thấp nên cần đưa vào bộ tiền xử lý để nâng cao chất lượng ảnh. Chức năng của bộ tiền xử lý là lọc nhiễu, nâng độ tương phản để làm ảnh rõ hơn, nét hơn. • Phân đoạn hay phân vùng ảnh (Image Segmentation): Phân vùng ảnh là tách một ảnh đầu vào thành các vùng thành phần để biểu diễn, phân tích, nhận dạng ảnh. Đây là phần phức tạp, khó khăn nhất trong xử lý ảnh và cũng dễ gây lỗi, làm mất độ chính xác của ảnh. Kết quả của nhận dạng ảnh phụ thuộc rất nhiều vào công đoạn này. • Biểu diễn và mô tả ảnh (Image Representation): Đầu ra ảnh sau phân đoạn chứa các điểm ảnh của vùng ảnh (ảnh đã phân đoạn) cộng với mã liên kết với các vùng lân cận.Việc biến đổi các số liệu này thành dạng thích hợp là cần thiết 2 | P a g e cho việc xử lý tiếp theo bằng máy tính. Việc chọn các tính chất để thể hiện ảnh gọi là trích chọn đặc trưng (Feature Selection). • Nhận dạng và giải thích (Image Recognition and Description): Nhận dạng là quá trình xác định ảnh. Quá trình thường thu được bằng cách so sánh với mẫu chuẩn đã được học (hoặc lưu) từ trước. Nội suy là phán đoán theo ý nghĩa trên cơ sở nhận dạng. • Cơ sở tri thức (Knowledge Base): Ảnh là một đối tượng khá phức tạp về đường nét, đô sáng tối, dung lượng điểm ảnh, môi trường thu ảnh phong phú kéo theo nhiễu. Trong nhiều khâu xử lý và phân tích ảnh ngoài việc đơn giản hóa các phương pháp toán học để đảm bảo tiện lợi cho xử lý, người ta mong muốn bắt chước quy trình tiếp nhận và xử lý ảnh theo cách của con người. Trong các bước xử lý đó, nhiều khâu hiện nay đã xử lý theo phương pháp trí tuệ con người. Vì vậy, ở đây các cơ sở tri thức được phát huy. 1.3 . CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.3.1 Điểm ảnh pixcel Ảnh trong thực tế là một ảnh liên tục về không gian và về giá trị độ sáng. Để có thể xử lý ảnh bằng máy tính cần thiết phải tiến hành số hoá ảnh. Trong quá trình số hoá, người ta biến đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc thông qua quá trình lấy mẫu (rời rạc hóa về không gian) và lượng hoá thành phần giá trị mà thể về nguyên tắc bằng mắt thường không phân biệt được hai điểm kề nhau. Trong quá trình này, người ta sử dụng khái niệm Picture element mà ta quen gọi hay viết là Pixel - phần tử ảnh. Ở đây cũng cần phân biệt khái niệm pixel hay đề cập đến trong các hệ thống đồ hoạ máy tính. Để tránh nhầm lẫn ta tạm gọi khái niệm pixel này là pixel thiết bị. Khái niệm pixel thiết bị có thể xem xét như sau: khi ta quan sát màn hình (trong chế độ đồ hoạ), màn hình không liên tục mà gồm nhiều điểm nhỏ, gọi là pixel. Mỗi pixel gồm một cặp toạ độ x, y và màu. Cặp toạ độ x, y tạo nên độ phân giải (resolution). Như màn hình máy tính có nhiều loại với độ phân giải khác nhau: màn hình CGA có độ phân giải là 320 x 200; màn hình VGA là 640 x 350 Như vậy, một ảnh là một tập hợp các điểm ảnh. Khi được số hoá, nó thường được biểu diễn bởi bảng hai chiều I(n, p): n dòng và p cột. Ta nói ảnh gồm n x p pixels. Người ta thường kí hiệu I(x, y) để chỉ một pixel. Thường giá trị của n chọn bằng p và bằng 256. Hình 1.2 cho ta thấy việc biểu diễn một ảnh với độ phân giải khác nhau. Một pixel có thể lưu trữ trên 1, 4, 8 hay 24 bit. 3 | P a g e 1.3.2 Độ phân giải của ảnh Độ phân giải (Resolution) của ảnh là mật độ điểm ảnh được ấn định trên một ảnh số được hiển thị. 1.3.3 Mức xám của ảnh(Gray level) Mức xám của điểm ảnh là cường độ sáng của nó được gán bằng giá trị số tại điểm đó. Các thang giá trị mức xám thông thường: 16, 32, 64, 128, 256 (Mức 256 là phổ dụng). Ảnh đen trắng: là ảnh có hai màu đen, trắng (không chứa màu khác) với mức xám ở các điểm ảnh có thể khác nhau. Ảnh nhị phân: ảnh chỉ có 2 mức đen, trắng phân biệt tức dùng 1 bit để môt tả 2 1 mức khác nhau. Nói cách khác: mỗi điểm ảnh của ảnh nhị phân chỉ có thể là 0 hoặc 1. Ảnh màu: trong khuôn khổ lý thuyết ba màu (Red, Blue, Green) để tạo nên thế giới màu, người ta dùng 3 byte để mô tả mức màu, khi đó giá trị màu: 2 8*3 =2 24 ≈ 16,7 triệu màu. 1.4 . CÁC ỨNG DỤNG CỦA XỬ LÝ ẢNH ♦ Thông tin, truyền thông: báo điện tử, truyền hình số. Thị giác máy, robot. Ảnh không gian, viễn thám. Y học, sinh học. Nghiên cứu không gian. Thiên văn, địa chất. Quân sự, hình sự, an ninh.v v ♦ Lọc nhiễu Hình 1.4a: Lọc nhiễu 4 | P a g e ♦ Cải thiện ảnh Hình 1.4b: Cải thiện ảnh Hình 1.4c: Thu nhỏ ảnh ♦ Theo dõi, giám sát 5 | P a g e [...]... ứng CHƯƠNG 3 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG PHÂN CỤM ẢNH 3.1 GIỚI THIỆU BÀI TOÁN Bài toán Phân cụm ảnh Giả sử có một tập ảnh ban đầu, ta cần phân tập ảnh đó thành một số hữu hạn các cụm ảnh theo yêu cầu Bước đầu tiên ta cần phân tích đặc trưng về màu sắc của ảnh trong cụm Sử dụng khoảng cách Euclid để tính độ tương đồng giữa các ảnh Dựa trên giải thuật K-means phân tích tập ảnh ban đầu thành các cum thỏa mãn... được phát triển áp dụng cho dữ liệu hạng mục, chúng phân cụm các đối tượng theo các khái niệm mà chúng xử lí − Phân cụm mờ: Sử đụng kỹ thuật mờ để phân cụm dữ liệu Các thuật toán thuộc loại này chỉ ra lược đồ phân cụm thích hợp với tất cả các hoạt động đời sống hàng ngày, chúng chỉ xử lí các dữ liệu thực không chắc chắn − Phân cụm mạng Kohonen: Loại phân cụm này dựa trên khái niệm của các mạng nơron Mạng... Hình 1.4f: Nhận dạng biển số xe 1.5 VÍ DỤ VỀ XỬ LÝ ẢNH Hình 1.5a: Ảnh ban đầu 7|Page Hình 1.5b: Ảnh đã được thêm chiếc áo Hình 1.5c: Chiếc áo đã được thêm chữ 8|Page Hình 1.5d: Người đàn ông đã có thêm bộ râu CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP PHÂN CỤM DỮ LIỆU 2.1 PHÂN CỤM DỮ LIỆU 2.1.1 Khái niệm Phân cụm dữ liệu là một kỹ thuật trong Data mining nhằm tìm kiếm, phát hiện các cụm, các mẫu dữ liệu tự nhiên tiềm ẩn và... bình cụm hay tâm cụm Đối với những đối tượng còn lại, mỗi đối tượng sẽ được ấn định vào một cụm mà nó giống nhất dựa trên khoảng cách giữa đối tượng và trung bình cụm Sau đó sẽ tính lại trung bình cụm mới cho mỗi cụm Xử lý này sẽ được lặp lại cho tới khi hàm tiêu chuẩn hội tụ Sơ đồ mô tả thuật toán K-means: 14 | P a g e Hình 3.1: Sơ đồ mô tả thuật toán K-means − Đầu vào: số cụm k, tập ảnh cần phân cụm. .. 2010 − Dữ liệu đầu vào: • • Số cụm k Tập dữ liệu là file ảnh − Dữ liệu đầu ra: k cụm ảnh 3.4.2 Giao diện chính Hình 3.4.2: Giao diện chính 19 | P a g e 3.4.3 Giao diện lựa chọn tập ảnh đầu vào Hình 3.4.3: Giao diện lựa chọn tập ảnh đầu vào 3.4.4 Giao diện kết quả phân cụm Hình 3.4.4: Giao diện kết quả phân cụm 20 | P a g e KẾT LUẬN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Mặc dù, đã cố gắng phân tích tìm hiểu đề tài nhưng... theo phân cụm dựa trên mô hình là các thuật toán như: EM, COBWEB, CLASSIT, AutoClass (Cheeseman and Stutz, 1996) 12 | P a g e 2.2.6 Phân cụm có dữ liệu ràng buộc (Binding data Clustering Methods) − Phân cụm thống kê: Dựa trên các khái niệm phân tích hệ thống, nhánh nghiên cứu này sử dụng các độ đo tương tự để phân hoạch các đối tượng, nhưng chúng chỉ áp dụng cho các dữ liệu có thuộc tính số − Phân cụm. .. việc ra quyết định Phân cụm dữ liệu là quá trình phân chia một tập dữ liệu ban đầu thành các cụm dữ liệu sao cho các đối tượng trong một cụm “tương tự” (Similar) với nhau và các đối tượng trong các cụm khác nhau sẽ “không tương tự” (Dissimilar) với nhau Số các cụm dữ liệu được phân ở đây có thể được xác định trước theo kinh nghiệm hoặc có thể được tự động xác định Mục tiêu của phân cụm dữ liệu là để... Nghiên cứu địa chấn : phân cụm để theo dõi các tâm động đất nhằm cung cấp thông tin cho việc nhận dạng các vùng nguy hiểm; − WWW: tài liệu phân loại, phân nhóm dữ liệu weblog để khám phá các nhóm về các hình thức tiếp cận tương tự trợ giúp cho việc khai phá thông tin từ dữ liệu 10 | P a g e 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN CỤM DỮ LIỆU 2.2.1 Phương pháp phân cụm phân hoạch (Partitioning Methods) Phân hoạch một tập... đến phần tử là trung tâm của cụm chứa nó Thuật toán k-means lấy tham số đầu vào là k và phân chia một tập n đối tượng vào trong k cụm để cho kết quả độ tương đồng trong cụm là cao trong khi độ tương đồng ngoài cụm là thấp Độ tương đồng cụm được đo khi đánh giá giá trị trung bình của các đối tượng trong cụm, nó có thể được quan sát như là “trọng tâm” của cụm Giải thuật xử lý như sau: trước tiên nó lựa... phương pháp này không thể xử lí các cụm có hình dạng kỳ quặc hoặc các cụm có mật độ các điểm dầy đặc Điển hình trong phương pháp tiếp cận theo phân cụm phân họach là các thuật toán như: K_means, K-medoids, CLARA (Clustering Large Applications), CLARANS (Clustering Large Applications based on RAndomized Search)… 2.2.2 Phương pháp phân cụm phân cấp (Hierarchical Methods) Xây dựng một phân cấp trên cơ sở các