Một số bài toán xử lý ảnh bằng c sharp

Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa ‘pơMỤC LỤC ‘pơMỤC LỤC .1 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 4 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 5 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 6 MỞ ĐẦU 7 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XỬ LÝ ẢNH 9 1.1 Tổng quan về hệ thống xử lý ảnh 9 1.2 Những vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 10 1.2.1 Những khái niệM liên quan 10 1.2.2 Biểu diễn ảnh 15 1.2.3 Tăng cường ảnh 17 1.2.4 Phân vùng ảnh 18 1.2.5 Trích chọn đặc tính 18 1.2.6 Nhận dạng ảnh 18 1.2.7 Nén ảnh 1 9 1.3 Các định dạng ảnh cơ bản 19 1.3.1 Ảnh BMP (BitMap) 20 1.3.2 Ảnh JPEG (Joint Photographic Experts Group) 20 1.3.3 Ảnh GIF (Graphics Interchange ForMat) 20 1.3.4 Ảnh WMF (Windows Metafiles) 20 CHƯƠNG 2 MỘT SỐ BÀI TOÁN VỀ XỬ LÝ ẢNH 21 2.1 Các bài toán cải thiện ảnh sử dụng toán tử điểM 21 2.1.1 Tăng giảM độ sáng 21 Nguyễn Chí Hướng 1 Lớp Tin học trắc địa K50 Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa 2.1.2 Tăng độ tương phản 22 2.1.3 Biến đổi âM bản 24 2.1.4 Biến đổi ảnh đen trắng 24 2.1.5 Các bài toán với lược đồ xáM(HistograM) 25 2.2 Một số bài toán về lọc nhiễu ảnh 27 2.2.1 Phép cuộn (Tính chập) và Mẫu (nhân chập) 28 2.2.2 LàM trơn nhiễu bằng lọc tuyến tính 29 2.2.3 LàM trơn nhiễu bằng lọc phi tuyến 32 2.3 Bài toán về phát hiện biên ảnh 34 2.3.1 Khái niệM, ý nghĩa của biên trong xử lý ảnh 34 2.3.2 Các phương pháp phát hiện biên 35 CHƯƠNG 3 CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG 43 3.1 Giới thiệu về chương trình 43 3.2 Các chức năng của chương trình 44 3.2.1 Chức năng thao tác với file ảnh 44 3.2.2 Chức năng “Chỉnh sửa” 45 3.2.3 Chức năng “Xử lý điểM ảnh” 46 3.2.4 Chức năng “Lọc ảnh” 49 3.2.5 Chức năng dò biên(Edge Detection) 50 3.2.6 Chức năng ZooM ảnh 51 3.3 Một số hàM và thủ tục chính trong chương trình 51 3.3.1 Mở Một file ảnh 51 3.3.2 In ảnh lên ForM 51 3.3.3 Lưu File ảnh sau xử lý 52 3.3.4 HàM Undo ảnh 52 3.3.5 HàM thực hiện ZooM ảnh 52 3.3.6 HàM khai báo Mặt nạ nhân chập (Mẫu) 53 3.3.7 HàM thực hiện nhân chập Ma trận 53 3.3.8 HàM thực hiện lọc trung vị 55 3.3.9 HàM phát hiện và làM nổi biên 57 3.3.10 HàM resize – Thay đổi kích thước ảnh 62 Nguyễn Chí Hướng 2 Lớp Tin học trắc địa K50 Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 PHỤ LỤC 67 Nguyễn Chí Hướng 3 Lớp Tin học trắc địa K50 Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1 Quá trình xử lý ảnh 9 Hình 1-2 Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh 9 Hình 1-3 Ví dụ về ảnh đen trắng 11 Hình 1-4 Ví dụ ảnh xáM 12 Hình 1-5 Ví dụ về ảnh Màu 13 Hình 1-6 Lân cận của 1 điểM ảnh 13 Hình 1-7 Lược đồ xáM của ảnh đậM 15 Hình 1-8 Lược đồ xáM ảnh sáng 15 Hình 1-9 Minh họa ảnh biểu diễn bằng Mã loạt dài 16 Hình 1-10 Minh họa biểu diễn bằng Mã xích 17 Hình 2-11 Ảnh sau khi tăng độ sáng (c =100) 22 Hình 2-12 Biểu đồ dãn độ tương phản 23 Hình 2-13 Ảnh gốc và ảnh kết quả sau khi tăng tương phản 23 Hình 2-14 Ảnh gốc và ảnh sau khi biến đổi âM bản 24 Hình 2-15 Ảnh gốc sau khi được tách ngưỡng 25 Hình 2-16 Minh họa về HistograM của ảnh 26 Hình 2-17 Minh họa về cân bằng lược đồ xáM 27 Hình 2-18 TâM Mặt nạ và các điểM lân cận 29 Hình 2-19 Minh họa lọc trung bình không gian 30 Hình 2-20 Minh họa lọc thông thấp 31 Hình 2-21 Minh họa lọc thông cao 32 Hình 2-22 Minh họa lọc ảnh trung vị 33 Hình 2-23 Các dạng đường biên trong xử lý ảnh 34 Hình 2-24 Minh họa dò biên sử dụng toán tử Sobel 37 Hình 2-25 Minh họa dò biên sử dụng toán tử Prewitt 38 Hình 2-26 Minh họa dò biên sử dụng toán tử La bàn 39 Hình 2-27 Minh họa dò biên theo kỹ thuật Lalace – H2 41 Nguyễn Chí Hướng 4 Lớp Tin học trắc địa K50 Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa Hình 2-28 Minh họa dò biên theo PP gián tiếp 42 Hình 3-29 Giao diện chính của chương trình 43 Hình 3-30 Các chức năng con thao tác với File ảnh 44 Hình 3-31 ForM load ảnh 44 Hình 3-32 ForM lưu ảnh sau xử lý 45 Hình 3-33 Các chức năng con trong chỉnh sửa ảnh 45 Hình 3-34 ForM resize kích thước cho ảnh 46 Hình 3-35 Chức năng “Xử lý điểM ảnh” 46 Hình 3-36 ForM thay đổi độ tương phản 47 Hình 3-37 ForM thay đổi độ sáng 47 Hình 3-38 ForM phân ngưỡng tạo ảnh đen trắng 48 Hình 3-39 ForM thay đổi Màu sắc 48 Hình 3-40 Chức năng Lọc ảnh 49 Hình 3-41 Chức năng dò và làM nổi biên ảnh 50 Hình 3-42 ForM nhập ngưỡng khoảng cách Màu 50 Hình 3-43 Chức năng ZooM ảnh 51 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1-1 Cấu trúc Một tệp ảnh 20 Nguyễn Chí Hướng 5 Lớp Tin học trắc địa K50 Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung Tên đề tài: Lập trình một số bài toán cơ bản trong xử lý ảnh số Sinh viên thực hiện: Nguyễn Chí Hướng Lớp: Tin Học Trắc Địa K50 Hệ đào tạo: Chính quy Điện thoại: 01685.688.585 EMail: chihuong.nguyen@gMail.coM Thời gian thực hiện: 2010 2. Mục tiêu Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết xử lý ảnh số (các thành phần của hệ thống xử lý ảnh, các khái niệM và vấn đề liên quan, bộ lọc ảnh, biên ảnh…). Xây dựng giải thuật Một số bài toán cơ bản trong xử lý ảnh số. Xây dựng chương trình thực nghiệM. 3. Nội dung chính Chương 1: Giới thiệu chung về xử lý ảnh. Chương 2: Một số bài toán về xử lý ảnh số (Giới thiệu + Thuật toán). Chương 3: Xây dựng chương trình thực nghiệM. 4. Kết quả chính đạt được Có được nền tảng kiến thức về xử lý ảnh số. Từ đó vận dụng nó để xây dựng được thuật toán cho Một số bài toán cơ bản trong xử lý ảnh số bằng ngôn ngữ C#. Xây dựng được chương trình thực nghiệM cho Một số bài toán xử lý ảnh số. Nguyễn Chí Hướng 6 Lớp Tin học trắc địa K50 Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa MỞ ĐẦU 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài Xử lý ảnh là Một lĩnh vực Mang tính khoa học và công nghệ. Nó là Một ngành khoa học Mới Mẻ so với nhiều ngành khoa học khác nhưng tốc độ phát triển của nó rất nhanh, kích thích các trung tâM nghiên cứu, ứng dụng, đặc biệt là Máy tính chuyên dụng riêng cho nó. 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 được vì sau thế chiến 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 càng được áp dụng rộng rãi và thu nhiều kết quả khả quan. Ở Việt NaM xử lý ảnh được đưa vào giảng dạy ở bậc đại học khoảng chục năM nay. Việc nghiên cứu, xây dựng và phát triển các ứng dụng về lĩnh vực xử lý ảnh là Một vấn đề Mới và đang ngày càng được quân tâM nhiều hơn. Đã có Một số ứng dụng được xây dựng để xử lý ảnh trong viễn tháM, trong y học hay trong an ninh và giáM sát …v.v. 2. Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Trong những năM gần 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 giảM đến Mức Máy tính và các thiết bị liên quan đến xử lý ảnh đã không còn là thiết bị chuyên dụng nữa. Khái niệM ảnh số đã trở nên thông dụng với hầu hết Mọi người trong xã hội và việc thu nhận ảnh số bằng các thiết bị cá nhân hay chuyên dụng cùng với việc đưa vào Máy tính xử lý đã trở nên đơn giản. Nguyễn Chí Hướng 7 Lớp Tin học trắc địa K50 Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa Trong hoàn cảnh đó, xử lý ảnh là Một lĩnh vực đang được quan tâM và đã trở thành Môn học chuyên ngành của sinh viên ngành công nghệ thông tin trong nhiều trường đại học trên cả nước. Tuy nhiên tài liệu, giáo trình phần lớn tập trung vào lý thuyết, các bài toán cơ bản trong xử lý ảnh số thường được thể hiện dưới dạng công thức toán học, không thể hiện dưới dạng công thức thực dụng để có thể lập trình được. Vì thế, việc xây dựng thuật toán và lập trình Một số bài toán cơ bản trong xử lý ảnh số là rất cần thiết, giúp cho việc nghiên cứu, tìM hiểu về lý thuyết xử lý ảnh số được trực quan, sinh động hơn và dễ tiếp thu hơn. Nguyễn Chí Hướng 8 Lớp Tin học trắc địa K50 Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XỬ LÝ ẢNH 1.1 Tổng quan về hệ thống xử lý ảnh 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 Để có thể hình dung cấu hình Một hệ thống xử lý ảnh chuyên dụng hay Một hệ thống xử lý ảnh dùng trong nghiên cứu, đào tạo, trước hết chúng ta xeM xét các bước cần thiết trong xử lý ảnh. Hình 1-2 Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh Trước hết là quá trình thu nhận ảnh. Ảnh có thể thu nhận qua caMera. Thường ảnh thu nhận qua caMera là tín hiệu tương tự (loại caMera ống kiểu CCIR), nhưng cũng có thể là tín hiệu số hóa (loại CCD – Charge Coupled Device). Nguyễn Chí Hướng 9 Lớp Tin học trắc địa K50 [...]... Lư c đồ M c xáM Ảnh g c Hình 2-16 Minh họa về HistograM c a ảnh Lư c đồ xáM là Một c ng c hữu hiệu dùng trong nhiều c ng đoạn c a tăng c ờng xử lý ảnh b) C n bằng lư c đồ xám Với Một ảnh tự nhiên đư c lượng hóa Một c ch tuyến tính, phần lớn c c điểM ảnh c giá trị thấp hơn độ sáng trung bình Trong Miền tối, ta khó c thể c M nhận c c chi tiết c a ảnh Th c tế c n phải kh c ph c như c điểM này bằng c ch... tọa độ Decac xOy, trong đó Ox biểu diễn c c M c xáM c a ảnh (256 M c trong trường hợp chúng ta xét), Oy biểu diễn số điểM ảnh cho Một M c xáM (số điểM ảnh c c ng M c xáM) Lư c đồ M c xáM cung c p rất nhiều thông tin về sự phân bố M c xáM c a ảnh Theo thuật ngữ c a xử lý ảnh gọi là tính động c a ảnh, tính động c a ảnh cho phép phân tích Một khoảng nào đó phân bố phần lớn c c M c xáM c a ảnh: ảnh rất... toán tử điểm Xử lý điểM ảnh th c chất là biến đổi giá trị Một điểM ảnh dựa vào giá trị c a chính nó Mà không hề dựa vào c c điểM ảnh kh c Có hai c ch tiệM c n với phương pháp này C ch thứ nhất dùng Một hàM biến đổi thích hợp với M c đích ho c yêu c u đặt ra để biến đổi giá trị M c xáM c a điểM ảnh sang Một giá trị M c xáM kh c Cách thứ hai là dùng lư c đồ M c xáM (Gray HistograM) Về Mặt toán h c, toán. .. h c Tr c địa Hình 1-5 Ví dụ về ảnh Màu e) C c mối quan hệ c bản giữa c c điểm ảnh • Lân c n c a Một điểM ảnh Một điểM ảnh p tại tọa độ (x, y) c c c lân c n theo chiều ngang và chiều d c là: (x+1, y), (x-1, y), (x,y+1), (x, y-1) Tập hợp c c điểM ảnh trên đư c gọi là lân c n 4 c a p, ký hiệu N4(p) Mỗi điểM ảnh c khoảng c ch đơn vị đến (x, y), và nếu (x, y) nằM trên biên c a ảnh thì lân c n c a nó c ... phân tách ảnh thành đối tượng và nền (những điểM dưới ngưỡng xáM thu c về nền, ngư c lại thu c về đối tượng) 1.2.5 Trích chọn đ c tính Dựa trên c c thông tin thu nhận đư c qua quá trình phân vùng, kết hợp với c c kỹ thuật xử lý để đưa ra c c đ c trưng, đối tượng ảnh c ng như c c thông tin c n thiết trong quá trình xử lý Vi c trích chọn hiệu quả c c đ c điểM giúp cho vi c nhận dạng c c đối tượng ảnh chính... tâM Mặt nạ Theo c c loại Mặt nạ kh c nhau Mà c c c cách tính kh c nhau, tổ hợp giá trị c c điểM lân c n điểM đư c xét 2.2.1 Phép cuộn (Tính chập) và mẫu (nhân chập) Tính chập là Một khái niệM rất quan trọng trong xử lý ảnh Toán tử tính chập đư c định nghĩa như sau: Giả sử ta c ảnh I kích thư c (M x N), Mẫu T c kích thư c (M x n) khi đó, ảnh I cuộn theo Mẫu T đư c x c định bởi c ng th c: (2.8) m− 1... ảnh, trích chọn c c đ c tính, v.v… Cuối c ng, tùy theo M c đích c a ứng dụng Mà sẽ là giai đoạn nhận dạng, phân lớp hay c c quyết định kh c 1.2 Những vấn đề c bản trong xử lý ảnh 1.2.1 Những khái niệm liên quan a) Điểm ảnh (pixel element) G c của ảnh (ảnh tự nhiên) là ảnh liên t c về không gian và độ sáng Để xử lý bằng Máy tính (số) , ảnh c n phải đư c số hoá Số hoá ảnh là sự biến đổi gần đúng Một ảnh. .. với c c phương pháp trên, nhất là so với Mã loạt dài Tuy nhiên, để tính toán số đo c c hình như chu vi, Mo Men là khá khó 1.2.3 Tăng c ờng ảnh Tăng c ờng ảnh là bư c quan trọng, tạo tiền đề cho xử lý ảnh Tăng c ờng ảnh nhằM hoàn thiện c c đ c tính c a ảnh như: • L c nhiễu, hay làM trơn ảnh • Tăng độ tương phản, điều chỉnh M c xáM c a ảnh • LàM nổi biên ảnh C c thuật toán triển khai vi c nâng cao chất... h c Tr c địa hơn, c n c c phần tử c tần số không gian thấp sẽ đen đi Kỹ thuật l c thông cao c ng đư c th c hiện nhờ thao t c nhân chập C c Mặt nạ hay đư c dùng như: − 1 − 1 − 1 9 0 − 1 5 0 − 1 − 1 0 − 1 0 − 1 1 − 2 1 5 − 2 − 2 1 1 Hình Minh họa: Ảnh g c Ảnh sau khi l c thông cao Hình 2-21 Minh họa l c thông cao C c nhân chập thông cao c đ c tính chung là tổng hệ số c a bộ l c bằng 1 Nguyên nhân chính... điểM ảnh đư c ấn định trên Một ảnh số đư c hiển thị Theo định nghĩa, khoảng c ch giữa c c điểM ảnh phải đư c chọn sao cho Mắt người vẫn thấy đư c sự liên t c của ảnh Vi c lựa chọn khoảng c ch thích hợp tạo nên Một Mật độ phân bổ, đó chính là độ phân giải và đư c phân bố theo tr c x và y trong không gian hai chiều Nguyễn Chí Hướng 10 Lớp Tin h c tr c địa K50 Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin h c Tr c địa . giải thuật Một số bài toán c bản trong xử lý ảnh số. Xây dựng chương trình th c nghiệM. 3. Nội dung chính Chương 1: Giới thiệu chung về xử lý ảnh. Chương 2: Một số bài toán về xử lý ảnh số (Giới. trong xử lý ảnh số bằng ngôn ngữ C# . Xây dựng đư c chương trình th c nghiệM cho Một số bài toán xử lý ảnh số. Nguyễn Chí Hướng 6 Lớp Tin h c tr c địa K50 Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin h c Tr c. trình xử lý ảnh Để c thể hình dung c u hình Một hệ thống xử lý ảnh chuyên dụng hay Một hệ thống xử lý ảnh dùng trong nghiên c u, đào tạo, trư c hết chúng ta xeM xét c c bư c cần thiết trong xử lý