Nghiên cứu về một số thuật toán tách biên ảnh

Nghiên cứu về một số thuật toán tách biên ảnh

Bé qc phßng Häc viƯn kü tht qu©n sù ----------------------------------------------- Hå s¬ Ph¬ng ph¸p nghiªn cøu khoa häc Tªn ®Ị tµi: Nghiªn cøu vỊ mét sè tht to¸n t¸ch biªn ¶nh. Gi¸o viªn híng dÉn:NGUYEN VĂN CHÂU Häc viªn thùc hiƯn : ĐỖ KHOA BÌNH §¬n vÞ : Lop Dien Tu Y Sinh Hồ sơ bao gồm: 1.phiếu đăng ký đề tài 2.Đề cương nghiên cứu 3.Thuyết minh đề tài 4.Biên bản bảo vệ đề tài Hµ Néi,ngµy30 /8/2007 PhiÕu ®¨ng ký ®Ị tµi 1.C¬ quan chđ tr×: Bộ Môn: Vô Tuyến Điện Tử-Nhà H1-tầng2 –HVKTQS Điện thoại :069.515.124 2.C¬ quan chđ qu¶n: Phòng khoa học và môi trường- Nhµ A2-HVKTQS §iƯn tho¹i: 069.515.223 3.Tªn ®Ị tµi:Nghiªn cøu mét sè tht to¸n t¸ch biªn ¶nh 4.M· sè ®Ị tµi: 5.Sè ®¨ng ký: 6.ChØ sè ph©n lo¹i: 7.Chđ nhiƯm ®Ị tµi: Phan §øc Huy CÊp bËc: trung sü Chøc vơ: Häc viªn 8.Tãm t¾t ®Ị tµi: §Ị tµi “ Nghiªn cøu vỊ mét sè tht to¸n t¸ch biªn ¶nh” bao gåm 2 ch¬ng vµ 28 mơc ®Ị cËp ®Õn mét sè tht to¸n hay vµ cã tÝnh kh¸i qu¸t trong lÜnh vùc t¸ch vµ xư lý ¶nh, mét lÜnh vùc t¬ng ®èi m¬Ý mỴ ë ViƯt Nam. Trong ®ã néi dung cđa ch¬ng 1 tr×nh bµy c¸c kh¸i niªm còng nh c¸c phÐp biÕn ®ỉi c¬ b¶n vỊ kÜ tht xư lÝ ¶nh, c¸c phÐp lµm t¨ng chÊt lỵng ¶nh . Ch… ¬ng hai ®Ị cËp ®Õn c¸c ph¬ng ph¸p t×m biªn cđa ¶nh bao gåm “Ph¬ng ph¸p t×m biªn dùa trªn kü tht läc tun tÝnh” vµ “Mét sè ph¬ng ph¸p t×m biªn phi tun”. Toµn bé ®Ị tµi gi¶i qut mét c¸ch kh¸ s©u c¸c tht to¸n, mét sè tht to¸n cã thĨ ¸p dơng ®Ĩ t¹o nªn mét c«ng cơ lËp tr×nh xư lÝ ¶nh kh¸ hoµn chØnh vµ h÷u hiƯu ®èi víi ngêi lËp tr×nh. Cơ thĨ tªn c¸c ch¬ng vµ c¸c mơc nh sau: Më ®Çu……………………………… .1 Ch¬ng I: Tỉng quan vỊ c¸c kh¸i iƯm vµ mét sè kÜ tht xư lÝ ¶nh 2… 1. C¸c kh¸i niƯm c¬ b¶n 2……………………………………………… 1.1. Xư lÝ ¶nh .2………………………………………………………… 1.2. Qóa tr×nh thu nhËn,biĨu diƠn vµ lu gi÷ ¶nh 1.2.1. Qóa tr×nh thu nhËn ¶nh 2………………………………………… 1.2.2.Qóa tr×nh biĨu diƠn ¶nh 2………………………………………… 1.2.3. Lu gi÷ ¶nh .3…………………………………………………… 9.S¶n phÈm cđa ®Ị tµi: 10.Tõ kho¸: 11. Thêi gian thùc hiƯn: 12. Tỉng kinh phÝ thùc hiƯn: 1.100.000 Đ VN B¾t ®Çu KÕt thóc 19/8/2005 19/8/2006 13.Lo¹i h×nh nghiªn cøu: Nghiªn cøu øng dơng Nghiªn cøu c¬ b¶n Nghiªn cøu øng dơng TriĨn khai thùc nghiƯm 14. LÜnh vùc khoa häc: Kü tht c«ng nghƯ Tù nhiªn Kü tht c«ng nghƯ N«ng nghiƯp X· héi nh©n v¨n CNTT Ngµy 26 tháng 9 năm 2005 Ngày 30 tháng 9 năm 2005 Chđ nhiƯm ®Ị tµi Cơ quan chủ trì Khoa VT§T Phan §øc Huy Ngµy 30 th¸ng9 n¨m 2006 C¬ quan chđ qu¶n Phòng Khoa Học và Môi Trường Bộ quốc phòng Học viện kỹ thuật quân sự ----------------------------------------------- Thuyết minh đề tài nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ Tên đề tài: Nghiên cứu về một số thuật toán tách biên ảnh. Hà Nội,ngày 30/9/2006 I.Th«ng tin chung vỊ ®Ị tµi. 1.Tªn ®Ị tµi: Nghiªn cøu mét sè tht to¸n t¸ch biªn ¶nh 2.M· sè: 3.Thêi gian thùc hiƯn:1 năm 4.CÊp qu¶n lý: 5.Kinh phÝ:1.100.000 đồng VN 6.Thc ch¬ng tr×nh: M«n häc “Ph¬ng ph¸p nghiªn cøu khoa häc.” 7.Chđ nhiƯm ®Ị tµi: Hä vµ tªn: Phan §øc Huy CÊp bËc Trung sü Chøc vơ:Häc viªn §iƯn tho¹i: 0912347983 Fax: §Þa chØ c¬ quan: §Þa chØ nhµ riªng: Yªn ThÕ_B¾c Giang 8.C¬ quan chđ tr× ®Ị tai: Bộ Môn VTĐT Tªn tỉ chøc Khoa häc vµ C«ng nghƯ: Khoa CNTT – Häc viƯn KTQS II.Néi dung khoa häc vµ c«ng nghƯ cđa ®Ị tµi. 9.Mơc tiªu ®Ị tµi: Lµ phơc vơ trong c«ng viƯc nhËn d¹ng ¶nh, mét trong nh÷ng mỈt øng dơng quan trong nhÊt cđa xư lý ¶nh ®ỵc øng dơng rÊt nhiỊu trong lÜnh vùc qu©n sù nh sè ho¸ b¶n ®å, nhËn d¹ng nguy c¬… 10.T×nh h×nh nghiªn cøu trong vµ ngoµi níc: 11.C¸ch tiÕp cËn-ph¬ng ph¸p nghiªn cøu-kü tht sÏ sư dơng: 12.Néi dung nghiªn cøu: Néi dung chÝnh cđa ®Ị tµi bao gåm: 2.3.C¸c ph¬ng ph¸p lµm t¨ng chÊt lỵng ¶nh. 2.3.1.C©n b»ng Histogram Histogram dïng ®Ĩ biĨu diƠn tÇn st xt hiƯn cđa c¸c ®iĨm ¶nh ®èi víi c¸c møc s¸ng kh¸c nhau. Kü tht c©n b»ng histogram sưa ®ỉi ®Ĩ histogram cđa ¶nh cã h×nh d¸ng c©n b»ng nh mong mn. Gi¶ sư cã ¶nh víi L møc s¸ng (0,L-1), mét ®Çu vµo u, khi ®ã: vµ ®Çu ra v ®ỵc ®Þnh nghÜa nh sau: ∑ − = = 1 0 )( )( )( L i i i iu xh xh XP (10) ∑ = = U x iu i xPv 0 )( (11) trong đó v min là giá trị nhỏ nhất của v từ công thức (11) nếu u = x k thì (10) trở thành : do đó p u (x k ) và p v (x k ) là giống nhau. 2.3.2. Đảo độ t ơng phản và tỷ số thống kê Trong quá trình xử lý ảnh, đôi khi cần thiết nâmg cao khả năng tìmmột đối tợng nào đó trên nền ảnh.Khả năng tìm này của một hệ thống trực quan phụ thuộc vào kích thớc và tỷ lệ tơng phản đợc định nghiã nh sau: trong đó : à : là độ sáng trung bình của đối tợng : là độ lệch chuẩn của độ sáng của đối tợng so với xung quanh nó. Xét ánh xạ đảo sau : ở đây à(m,n) là trung bình địa phơng (m,n) : là độ lệch chuẩn của u(m,n) lấy trên phạm vi cục bộ là cửa sổ w và đợc tính bởi: + = 5.0)1( 1 min min ' L v vv Intv (12) = = K i iuk xPv 0 )( (13) à = (14) ),( ),( ),( nm nm nmv à = (15) = Wlk w lmknu N nm , ),( 1 ),( à (16) [ ] 2 1 , 2 ),(),( 1 ),( = Wlk w nmlnkmu N nm à (17) Từ công thức 15,16,17 thấy rằng, tại những điểm mà sự chênh lệch độ sáng của nó so với các điểm xung quanh là nhỏ thì kết quả đầu ra sẽ lớn. Vì vậy, phép biến đổi này làm nổi lên các điểm biên yếu của ảnh. 2.3.3. Phóng to ảnh và phép nội suy Trong quá trình xử lý ảnh, thông thờng hay có nhu cầu phóng to một vùng nào đó của ảnh. Vì vậy cần phải có một phép toán thực hiện nó. Có thể thực hiện nh sau: Tạo ra ảnh có kích thớc gấp đôi trên mỗi chiều, trong đó mỗi một điểm trên một hàng đợc lặp lại và mỗi hàng cũng đợc lặp lại một lần nữa. Điều này tơng đơng với phép xếp chồng ảnh 2Mì2N (tạo ra bởi kết hợp ảnh đã cho với các hàng và các cột toàn số 0) với cửa sổ H nh sau : Nếu biểu diễn bằng công thức ta đợc: V(m,n)=u(k,l) k=Int [m/2] l=Int [n/2] n=0,1,2, . m=0,1,2, . Một phơng pháp khác là phép nội suy tuyến tính, nó đợc thực hiện bởi công thức sau: Từ ảnh 2Mì2N đã tạo ra ở trên đã tạo ra bởi chèn thêm các hàng và cột zero, nội suy tuyến tính trên các hàng: V 1 (m,2n)=u(m,n) V 1 (m,2n+1)=1/2[u(m,n)+u(m,n+1)] Với 0<= m<= M-1 Với 0<= n<= N-1 Sau đó nội suy trên các cột ta đợc : V(2m,n)= V 1 (m,n) Và V(2m+1,n)=1/2[V 1 (m,n)+ V 1 (m+1,n)] Với m, n: 0<= m<= M-1 0<= n<= N-1 Nó tơng đơng với phép xếp chồng tại trung tâm ảnh 2Mì2N đó với mẫu H sau = 11 11 H Hoàn toàn có thể áp dụng với phép nội suy cấp cao hơn để phóng to ảnh hơn bởi thêm vào p hàng và p cột các số zero, sau đó áp dụng xếp chồng p lần với mẫu H ta đợc kết quả phóng to (p+1) lần nh mong muốn. Ch ơng 2 TổNG QUAN Về CáC PHƯƠNG PHáP TìM BIÊN 1.Cơ sở về các phép toán tìm biên. Tìm biên, là đi tìm các đờng bao quanh các đối tợng trong ảnh. Trong thực tế ảnh thờng đi kèm theo nhiễu, vì vậy tìm biên là một công việc rất khó, và hầu nh trớc khi sử dụng các thuật toán tìm biên, phải trải qua một bớc tiền xử lý, đó là quá trình loại bỏ nhiễu. Cơ sở của các phơng pháp tìm biên, đó là quá trình biến đổi lớn về giá trị độ sáng của các điểm ảnh khi đi qua biên. Điều đó có nghĩa là, điểm biên là điểm tại đó có sự biến đổi lớn về giá trị độ sáng. Trong khi đó, sự biến đổi về giá trị độ sáng của các điểm thuộc một đối tợng là nhỏ. Nh vậy, nếu chúng ta làm nổi lên đợc những điểm ảnh mà tại đó có sự biến đổi lớn về giá trị độ sáng, hoặc làm nổi đợc các vùng khác nhau của ảnh, mà sự biến thiên độ sáng của các vùng là đều, thì có nghĩa là làm nổi đợc biên của ảnh. Đây chính là cơ sở của các thuật toán tìm biên xuất phát từ cơ sở này, có hai phơng pháp tìm biên tổng quát, đó là phơng pháp tìm biên trực tiếp và phơng pháp tìm biên gián tiếp. Tìm biên trực tiếp, là quá trình trực tiếp làm nổi lên những điểm biên dựa vào sự biến thiên lớn về giá trị độ sáng tại chúng. Phơng pháp tìm biên gián tiếp là phân vùng ảnh dựa vào phép xử lý kết cấu đối tợng, cụ thể là dựa vào sự biến thiên nhỏ và đồng đều độ sáng của các điểm ảnh thuộc một đối tợng. Tuy nhiên, phơng pháp tìm biên trực tiếp, thờng đợc sử dụng có hiệu quả đối với lớp các ảnh ít chịu ảnh hởng của nhiễu. Phơng pháp tìm biên gián tiếp dựa trên các vùng, đòi hỏi áp dụng lý thuyết về xử lý kết cấu đối tợng phức tạp. Đối với các phơng pháp tìm biên trực tiếp, có hai dạng cơ bản sau: Phơng pháp tìm biên dùng bộ lọc tuyến tính, phơng pháp này dựa trên phép toán xử lý lân cận cục bộ hoặc xử lý tổng thể, nó lại có thể phân chia thành hai dạng cơ bản nữa sau đây: + Phép toán xử lý lân cận: sử dụng các ma trận hệ số lọc kích thớc nhỏ (3ì3, 5ì5, .). H = 1/ 4 1/ 2 1/ 4 1/ 2 1 1/ 2 1/ 4 1/ 2 1/ 4 + Phép xử lý tổng thể: thực hiện trên toàn ảnh và có thể coi nó nh sử dụng ma trận hệ số lọc có kích thớc bằng kích thớc của ảnh. Phơng pháp tìm biên phi tuyến: phơng pháp này không dựa trên phép lọc tuyến tính mà sử dụng các phép toán phi tuyến, nh phép lựa chọn, so sánh, . 2.Các ph ơng pháp tìm biên dựa trên kỹ thuật lọc tuyến tính. Thực chất, là quá trình xếp chồng ảnh đầu vào với một hạt nhân xếp chồng tơng ứng. Các hạt nhân xếp chồng này đợc xây dựng trên cơ sở hai phép toán cơ bản, đó là phép toán Gradient và phép toán Laplace. Về lý thuyết, mỗi phơng pháp xác định biên này thờng trải qua các giai đoạn chính sau: Loại bỏ nhiễu Chọn toán tử thực hiện. Chọn phơng pháp xác định điểm biên. Liên kết các điểm biên. Sau đây sẽ xét các toán tử tìm biên cơ bản, để từ đó thấy rã hơn các b- ớc thực hiện trên. 2.1. Phép toán Gradient. Phép toán Gradient là phép toán cơ sở cho tất cả các phép lọc tuyến tính dùng để tìm biên theo phơng pháp tìm biên trực tiếp. Đây là phép toán lấy đạo hàm bậc nhất trong không gian hai chiều, nó đợc định nghĩa nh sau: Trong đó : X là hàm độ sáng của hai biến liên tục x,y. Công thức trên đây đợc tính một cách gần đúng đối với ảnh số, trong đó phép toán đạo hàm đợc tính một cách gần đúng bằng phép toán sai phân nh sau: Phép toán Gradient đối với ảnh số chính là phép toán nhân chập ảnh với hạt nhân Dx, Dy : = dy dY dx dX XG )( (19) 2 ),1(),1(),( nmXnmX dm nmdX + = (20) 2 )1,()1,(),( + = nmXnmX dn nmdX (21) [ ] 101 2 1 = Dx = 1 0 1 2 1 Dy 22 22 ),(),( )(),( + =+== dn nmdX dm nmdX GnGmXGnmN (22) = 101 101 101 6 1 Hx = 111 000 101 6 1 Hy 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 abs(A)+abs(B) 4 6 6 12 14 12 14 4 6 8 12 20 14 12 6 0 4 10 14 8 4 3 2 4 3 12 12 2 2 4 6 8 A B 2 2 1 2 2 3 8 3 -2 -4 -5 -10 -12 -9 -6 -1 5 4 4 8 0 -1 2 0 -1 -4 -8 -12 -14 -11 -4 0 4 9 8 5 -1 -1 0 -2 0 -1 -6 -3 3 2 -2 -2 2 11 10 0 -1 2 2 5 1 1 2 2 1 -2 -4 -3 ảnh X_Direction Y_ Direction 0 0 0 0 0 0 2 0 3 3 0 0 0 1 0 0 0 2 4 2 0 0 2 0 3 4 3 3 2 3 -1 0 1 1 2 1 0 0 1 3 3 4 3 3 3 3 -2 0 2 0 0 0 0 1 0 4 3 3 2 4 3 2 -1 0 1 -1 -2 -1 0 0 1 2 3 3 4 4 4 3 2 2 2 2 )( dy Xd dx Xd XL += (24) 2 2 2 2 ),(),( )( dn nmXd dm nmXd XL += (25) ),(4)1,(),1(),1()( nmXnmXnmXnmXXL ++++= (26) 010 141 010 111 181 111 111 181 111 Hoặc c C(biên thực) * * 1 1 * * 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 [ ] 4)1,1(1,(),1(),() 2 , 2 ( +++++++= jiIjiIjiIjiI ji I new (27) 11 10 Biên (B) 2213 2322 1211 1211 25.22 5.11 ảnh gốc I new (chia 4) (B) 333 503 553 (b) 333 305 355 (c) 333 303 555 (a) = = = = 2 0 7 3 )( )(*3)(*5max 7 0 i i ph jzFizF Z (28) = ),(, 1 ),( 1 ),( nmWlk w lnkmI N nmO (28) { } { } = ),( 11 )( 112 ),()(max,)(min),(min),( nmFqmnFq nmOqOqOnmOnmO (29) 13.Hợp tác quốc tế: 14.Tiến độ thực hiện đề tài. STT Nội dung công việc Sản phẩm phải đạt đợc Thời gian (BĐ-KT) Ngời,cơ quan thực hiện. 1 Xây dựng đề c- ơng nghiên cứu tổng quát. Bản đề cơng. 01 Thaựng Ban đề tài 2 Thu thập tài liệu khảo sát thực tế Bản thảo về các cơ sở lý luận. 05 Thaựng Ban đề tài 3 Đăng ký với bộ môn bắt đầu tiến hành làm. -Phiếu đăng ký đề tài. -Bản thuyết minh đề tài. 01 ngày Chủ nhiệm đề tài 4 Soạn đề cơng chi tiết Bản đề cơng chi tiết 01 Thaựng Ban đề tài 5 Hội thảo với các thành viên trong nhóm. Biên bản 03 ngày Ban đề tài 6 Xây dựng đề c- ơng chi tiết toàn văn. Bản đề cơng chi tiết 0 4 Thaựng Th ký đề tài 7 Viết nháp toàn văn Bản thảo toàn văn 03 ngày Th ký đề tài 8 Hoàn chỉnh chuẩn bị bảo vệ cơ sở Toàn văn công trình 07 ngày Ban đề tài 9 Sửa chữa,nhiệm thu cấp cơ quan chủ quản. 03 ngày Ban đề tài III.Kết quả của đề tài. 15.Dạng kết quả sự kiến của đề tài. 16.Yêu cầu khoa khọc đối với sản phẩm tạo ra. Tên sản phẩm Yêu cầu khoa học Chú thích Cơ sở lý luận,thực tiễn khi thực hiện đề tài. Bản đề cơng Các văn bản thuyết minh kèm theo Các kết luận và kiến nghị gửi cơ quan cấp trên [...]...IV.C¸c tỉ chøc c¸ nh©n tham gia thùc hiƯn ®Ị tµi 17 STT Tªn tỉ chøc §Þa chØ §ãng gãp cho ®Ị tµi Híng dÉn c¸ch lµm 1 Bé m«n Xung Số& Khoa VTĐT®Ị tµi HVKTQS Vi Xử Lý Gi¸o viªn bé m«n 2 Nguyễn Minh Tân Híng dÉn trùc tiÕp ®Ị tµi §¬n vÞ n¬i c«ng t¸c Lớp TC§T-c339d3- Hç trỵ kinh phÝ 3 vµ häc tËp HVKTQS 18.§éi ngò thùc hiƯn ®Ị tµi STT