Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnh

Cường độ sáng phản xạ là giá trị đo được trên bề mặt của đối tượng tại điểm tới. Cường độ sáng của tia phản xạ phụ thuộc vào góc tới và hệ số phản xạ của bề mặt.

Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnh MỤC LỤC MỞ ĐẦU 5 CHƯƠNG I. CƠ SỞ LÍ THUYẾT .7 I.1. GIỚI THIỆU VỀ XỬ LÝ ẢNH 7 I.1.1. Tổng quan về một hệ thống xử lý ảnh .7 I.1.2. Một số khái niệm .9 I.2. BIỂU DIỄN ẢNH .11 I.2.1. Biểu diễn màu 11 I.2.2. Số hóa ảnh 13 I.2.3. Các định dạng ảnh cơ bản trong xử lý ảnh 14 I.2.4. Một số phương pháp biểu diễn ảnh .16 I.3. NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH .18 I.3.1. Cải thiện ảnh dùng toán tử điểm 18 I.3.2. Cải thiện ảnh dùng toán tử không gian 25 a. Lọc trung bình không gian .25 I.4. BIẾN ĐỔI ẢNH 28 I.4.1. Biến đổi Fourrier-TF: khái niệm và công thức 28 I.4.2. Biến đổi Fourrier rời rạc – DFT .29 I.4.3. Biến đổi KL .30 I.5. LÀM NỔI VÀ TÁCH ĐƯỜNG BIÊN ẢNH .33 I.5.1. Làm nổi đường biên ảnh qua bộ lọc FIR 33 I.5.2. Tách đường biên ảnh qua cách tiếp cận khoảng cách .34 I.6. NHẬN DẠNG ẢNH .36 Sinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải 1 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnh I.6.1. Mô hình tham số 36 I.6.2. Mô hình cấu trúc: 37 I.7. NÉN DỮ LIỆU ẢNH 37 I.7.1. Các loại dư thừa dữ liệu .37 I.7.2. Phân loại các phương pháp nén .39 CHƯƠNG II. KHẢO SÁT HỆ THỐNG THỰC 41 II.1. Các chức năng hỗ trợ của máy tính trong quá trình dạy học .41 II.1.1. Chức năng lưu trữ và xử lí thông tin 41 II.1.2. Chức năng điều chỉnh hoạt động học tập .41 II.1.3. Chức năng luyện tập và thực hành 41 II.1.4. Chức năng minh hoạ và trực quan 42 II.1.5. Chức năng hỗ trợ thiết kế .42 II.1.6. Chức năng mô hình hoá và mô phỏng .42 II.1.7. Chức năng liên lạc 42 II.1.8. Chức năng đánh giá 43 II.2. Các quan điểm thiết kế phần mềm theo hướng dạy học với sự giúp đỡ của máy tính 43 II.2.1. Các quan điểm có tính cổ điển .43 II.2.2. Xây dựng các vi thế giới 43 II.2.3. Xây dựng hệ tác giả 44 II.2.4. Xây dựng hệ chuyên gia .44 II.3. Các dạng ứng dụng cụ thể của máy tính trong dạy học tin học .44 II.4. Một số tiêu chuẩn để xây dựng phần mềm hỗ trợ dạy học 45 Sinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải 2 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnh II.4.1. Những tiêu chuẩn về phần cứng .45 II.4.2. Những yêu cầu về mặt sư phạm .45 II.4.3. Yêu cầu về cách thể hiện 45 II.5. Thực trạng về vấn đề giảng dạy ở các trường ĐH, CĐ hiện nay .46 II.6. Những hạn chế của phương thức giảng dạy thông thường 46 II.7. Những ưu điểm của việc sử dụng chương trình hỗ trợ giảng dạy .47 II.8. So sánh chương trình hỗ trợ giảng dạy với giáo trình điện tử và các tài liệu PowerPoint .48 II.9. Tiềm năng của việc sử dụng chương trình hỗ trợ giảng dạy .49 CHƯƠNG III. PHÂN TÍCH HỆ THỐNG .51 III.1. Sơ đồ môi trường 51 III.2. Sơ đồ chức năng .52 III.3. Mục đích yêu cầu của chương trình .55 III.3.1. Mục đích chương trình 55 III.3.2. Yêu cầu chương trình 55 CHƯƠNG IV. THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH .57 IV.1. Thiết kế nội dung .57 IV.2. Thiết kế dữ liệu 58 IV.3. Thiết kế các màn hình giao diện của phần mềm 59 IV.3.1. Giao diện chính: 60 IV.3.2. Giao diện Lý Thuyết: 62 IV.3.3. Giao diện Bài tập: .63 IV.3.4. Giao diện Ví dụ: 64 Sinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải 3 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnh IV.3.5. Giao diện cập nhật, thay đổi nội dung bài giảng 65 IV.4. Hướng dẫn sử dụng 67 IV.5. Yêu cầu đối với chương trình .70 KẾT LUẬN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 Sinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải 4 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnh MỞ ĐẦU Ngày nay, công nghệ thông tin là một phần tất yếu trong cuộc sống con người. Cùng với sự phát triển của xã hội và thời đại, công nghệ thông tin đã có ứng dụng và ảnh hưởng sâu sắc đến nhiều lĩnh vực đời sống. Nó phục vụ con người từ việc giải trí, kinh doanh, liên lạc cho đến những vấn đề phức tạp trong khoa học kỹ thuật. Càng ngày, thế giới càng cần ít thời gian cho sự gia tăng tốc độ phát triển khoa học kỹ thuật. Như vậy, với khả năng thu thập xử lý thông tin gần như vô hạn của máy tính điện tử hiện nay, có một câu hỏi đặt ra là: Con người phải làm gì với một khối tri thức khổng lồ và ngày càng tăng nhanh tới mức không thể tưởng tượng nổi với hình thức cung cấp vô cùng dễ dàng? Liệu con người có thể thích nghi được với thế giới thông tin bao quanh, và nếu được thì nhờ những công cụ và phương tiện nào? Để trả lời cho câu hỏi này, không gì khác chúng ta thấy rõ ràng cần phải có một cuộc cách mạng trong giáo dục và đào tạo. Phát triển đồng bộ các cơ quan và tổ chức trường học cùng với các chương trình và trước hết là phương pháp đào tạo. Bởi vì chức năng của nhà trường bao giờ cũng là chuẩn bị con người cho việc đáp ứng những thay đổi của văn minh nhân loại. Trong bối cảnh phát triển như hiện nay, nếu muốn nền giáo dục đáp ứng được đòi hỏi cấp thiết của công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nếu muốn việc dạy học theo kịp cuộc sống, chúng ta nhất thiết phải cải cách phương pháp dạy học theo hướng vận dụng CNTT và các thiết bị dạy học hiện đại phát huy mạnh mẽ tư duy sáng tạo, kỹ năng thực hành và hứng thú học tập của học sinh để nâng cao chất lượng đào tạo. Qua quá trình học tập tại Đại học Hàng Hải, em đã được các thầy giáo trong Khoa công nghệ thông tin tận tình chỉ bảo, cung cấp rất nhiều thông tin, những ý tưởng quan trọng trong việc làm đồ án tốt nghiệp. Được sự định hướng, tạo điều kiện của Khoa công nghệ thông tin và sự hướng dẫn trực tiếp Sinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải 5 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnh của thầy giáo KS. Nguyễn Văn Giang - Khoa Công nghệ thông tin – Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự, em đã lựa chọn đề tài “Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn học xử lý ảnh” làm đồ án tốt nghiệp cho mình. Xuất phát từ ý tưởng dạy học bằng hình ảnh, em muốn xây dựng phần mềm mô phỏng tất cả các hiện tượng, sự vật có trong chương trình của các môn học nhằm hỗ trợ các giáo viên khi giảng dạy trên máy vi tính, có được các hình ảnh minh hoạ phục vụ việc giảng dạy một cách thực tế hơn, sinh động hơn. Một phương pháp giảng dạy mới “trực quan sinh động” và một phương pháp học mới “mắt thấy tai nghe”: đó là điều mà phần mềm này sẽ mang lại cho ngành giáo dục. Với phương pháp dạy và học này hứa hẹn sẽ nâng cao chất lượng nền giáo dục nước nhà. Tuy nhiên do khả năng và điều kiện thời gian còn nhiều hạn chế nên đồ án của em không tránh khỏi nhiều sai sót, em rất mong được sự chỉ bảo, đóng góp của các thầy giáo và tất cả mọi người quan tâm đến vấn đề này. Em xin cảm ơn các giáo viên trong Khoa công nghệ thông tin và đặc biệt là thầy giáo Nguyễn Văn Giang đã chỉ bảo hướng dẫn tận tình, giúp em hoàn thành đồ án này. Nội dung của báo cáo đồ án bao gồm có các chương sau: • Chương I: Cơ sở lý thuyết. • Chương II: Khảo sát hệ thống thực. • Chương III: Phân tích hệ thống. • Chương IV: Thiết kế và xây dựng chương trình. Sinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải 6 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnh CHƯƠNG I. CƠ SỞ LÍ THUYẾT I.1. GIỚI THIỆU VỀ XỬ LÝ ẢNH I.1.1. Tổng quan về một hệ thống xử lý ảnh Xử lý ảnh là một khoa học còn tương đối mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác, nhất là trên qui mô công nghiệp, song trong xử lý ảnh đã bắt đầu xuất hiện những máy tính chuyên dụng. 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 sẽ xem xét các bước cần thiết 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 hoá (loại CCD - Charge Coupled Device). Hình 1.1. Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh Ảnh cũng có thể thu nhận từ vệ tinh qua các bộ cảm ứng (sensor), hay ảnh, tranh được quét trên scanner. Tiếp theo là quá trình số hoá (Digitalizer) Sinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải 7 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnh để biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu rời rạc (lấy mẫu) và số hoá bằng lượng hoá, trước khi chuyển sang giai đoạn xử lý, phân tích hay lưu trữ lại. Quá trình phân tích ảnh thực chất bao gồm nhiều công đoạn nhỏ. Trước hết là công việc tăng cường ảnh để nâng cao chất lượng ảnh. Do những nguyên nhân khác nhau: có thể do chất lượng thiết bị thu nhận ảnh, do nguồn sáng hay do nhiễu, ảnh có thể bị suy biến. Do vậy cần phải tăng cường và khôi phục lại ảnh để làm nổi bật một số đặc tính chính của ảnh, hay làm cho ảnh gần giống nhất với trạng thái gốc - trạng thái trước khi ảnh bị biến dạng. Giai đoạn tiếp theo là phát hiện các đặc tính như biên, phân vùng ảnh, trích chọn các đặc tính, v.v . Cuối cùng, tuỳ theo mục đích của ứng dụng, sẽ là giai đoạn nhận dạng, phân lớp hay các quyết định khác. Các giai đoạn chính của quá trình xử lý ảnh có thể mô tả ở hình 1.1 Với các giai đoạn trên, một hệ thống xử lý ảnh (cấu trúc phần cứng theo chức năng) gồm các thành phần tối thiểu như hình 1.2 Sinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải 8 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnh Hình 1.2. Các thành phần chính của hệ thống xử lý ảnh I.1.2. Một số khái niệm • Pixel (Picture Element): phần tử ảnh 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 Sinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải 9 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnh đồ hoạ), màn hình không liên tục mà gồm nhiều điểm nhỏ, gọi là pixel. Mỗi pixel gồm một cặp tọa độ x, y và màu. Cặp tọa 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. • Gray level: Mức xám Mức xám là kết quả sự mã hoá tương ứng một cường độ sáng của mỗi điểm ảnh với một giá trị số - kết quả của quá trình lượng hoá. Cách mã hoá kinh điển thường dùng 16, 32 hay 64 mức. Mã hoá 256 mức là phổ dụng nhất do lý do kỹ thuật. Vì 2 8 = 256 (0, 1, ., 255), nên với 256 mức, mỗi pixel sẽ được mã hoá bởi 8 bit. • Biểu diễn ảnh xám: Trên ảnh hai chiều, mỗi điểm (x,y) trên mặt phẳng ảnh ứng với một f(x,y) giá trị mô tả mức xám cho điểm ảnh. Trong đó, x là số hiệu cột và y là số hiệu dòng trên ảnh. (x,y) f(x,y) Ở đây f(x,y) là mức xám. Chẳng hạn, nếu có 256 mức xám thì 0  f(x,y)  255. Nếu là ảnh màu, có bảng màu thì f(x,y) là số hiệu màu. Nếu là ảnh hơn 256 màu thì f(x,y) là ba byte thể hiện các giá trị R, G và B của điểm ảnh. Sinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải 10 [...]... CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải 23 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnh Hình 1.12 A- Ảnh gốc; B - Ảnh với bit 5; C - Ảnh với bit 4; D - Ảnh với bit 3 I.3.1.6 Trừ ảnh Trừ ảnh dùng để tách nhiễu khỏi nền Ta quan sát ảnh ở hai thời điểm khác nhau, so sánh chúng để tìm ra sự khác nhau, sau đó dóng thẳng hai hai ảnh rồi trừ đi và thu được ảnh mới Ảnh mới đó chính là sự khác nhau Kỹ thuật... Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnh L f (u ) =  u a ≤u ≤b Khac di v Không nền L f (u ) =  0 a ≤u ≤b Khac di u a b Biến đổi này cho phép phân đoạn một số mức xám từ phần còn lại của ảnh Nó hữu dụng khi nhiều đặc tính khác nhau của ảnh nằm trên nhiều miền mức xám khác nhau Sinh viên: Nguyễn Thị Khuyên Lớp: CNT43TT1-ĐHT2 - ĐH Hàng Hải 22 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ. .. α=β=γ ảnh kết quả trùng với ảnh gốc α, β, γ >1 giãn độ tương phản α, β, γ . tài Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn học xử lý ảnh làm đồ án tốt nghiệp cho mình. Xuất phát từ ý tưởng dạy học bằng hình ảnh, em muốn xây dựng. 8 Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình hỗ trợ giảng dạy môn xử lý ảnh Hình 1.2. Các thành phần chính của hệ thống xử lý ảnh I.1.2. Một số khái niệm