Lập trình một số bài toán cơ bản trong xử lý ảnh số

Lập trình một số bài toán cơ bản trong xử lý ảnh số

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 19 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 61 Nguyễn Chí Hướng 2 Lớp Tin học trắc địa K50 Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa KẾT LUẬN 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 PHỤ LỤC .66 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 .37 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 .40 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 Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa Ngoài ra, 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 hóa (digitalizer) để biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu rời rạc(lấy mẫu) và số hóa bằng lượng hóa, 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. Do những nguyên nhân khác nhau: có thể do chất lượng thiết bị thu nhận ảnh, do nguồn sáng hay do nhiễu mà ảnh có thể bị suy biến. Do vậy cần phải tăng cường và khôi phục ảnh để làm nổi bật một số đặc tính của ảnh,hay làm cho ảnh gần giống 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, tùy theo mục đích của ứng dụng mà sẽ là giai đoạn nhận dạng, phân lớp hay các quyết định khác. 1.2 Những vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 1.2.1 Những khái niệm liên quan a) Điểm ảnh (pixel element) Gốc của ảnh (ảnh tự nhiên) là ảnh liên tục về không gian và độ sáng. Để xử lý bằng máy tính (số), ảnh cần phải được số hoá. Số hoá ảnh là sự biến đổi gần đúng một ảnh liên tục thành một tập điểm phù hợp với ảnh thật về vị trí (không gian) và độ sáng (mức xám). Khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được thiết lập sao cho mắt người không phân biệt được ranh giới giữa chúng. Mỗi một điểm như vậy gọi là điểm ảnh (PEL: Picture Element) hay gọi tắt là Pixel. Trong khuôn khổ ảnh hai chiều, mỗi pixel ứng với cặp tọa độ (x, y). b) 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. Theo định nghĩa, khoảng cách giữa các điểm ảnh phải được chọn sao cho mắt người vẫn thấy được sự liên tục của ảnh. Việc lựa chọn khoảng cách thích hợp tạo nên một mật độ phân bổ, đó chính là độ phân giải và được phân bố theo trục x và y trong không gian hai chiều. Nguyễn Chí Hướng 10 Lớp Tin học trắc địa K50 [...]... tính toán để chỉ cần lưu trữ phần gốc ảnh và quy luật sinh ra ảnh theo nguyên lý Fractal 1.3 Các định dạng ảnh cơ bản Ảnh thu được sau quá trình số hóa thường được lưu lại cho các quá trình xử lý tiếp theo hay truyền đi Trong quá trình phát triển của kỹ thuật xử lý ảnh, tồn tại nhiều định dạng ảnh khác nhau từ ảnh đen trắng (với định dạng IMG), ảnh đa cấp xám cho đến ảnh màu: (BMP, GIF, JPE…) Tuy các định... Trắc địa CHƯƠNG 2 MỘT SỐ BÀI TOÁN VỀ XỬ LÝ ẢNH 2.1 Các bài toán cải thiện ảnh sử dụng toán tử điểm Xử lý điểm ảnh thực chất là biến đổi giá trị một điểm ảnh dựa vào giá trị của chính nó mà không hề dựa vào các điểm ảnh khác Có hai cách tiệm cận với phương pháp này Cách thứ nhất dùng một hàm biến đổi thích hợp với mục đích hoặc yêu cầu đặt ra để biến đổi giá trị mức xám của điểm ảnh sang một giá trị mức... cách mã hóa, vị trí bảng màu… Dữ liệu nén Số liệu ảnh được mã hóa bởi kiểu mã hóa chỉ ra trong phần Header Bảng màu Bảng màu không nhất thiết phải có, ví dụ khi ảnh là đen trắng Nếu có, bảng màu cho biết số màu dùng trong ảnh và bảng màu được sử dụng để hiện thị màu của ảnh 1.3.1 Ảnh BMP (Bitmap) Là ảnh được mô tả bởi một ma trận các giá trị số xác định màu và bảng màu của các điểm ảnh tương ứng khi... tại một số điểm ảnh Cơ sở để xử lý điểm ảnh bị nhiễu là dùng thông tin của các điểm ảnh lân cận Thay thế giá trị điểm ảnh cần xử lý bằng tổ hợp giá trị các điểm ảnh lân cận Việc thay thế dựa trên giả định là các điểm ảnh lân cận có giá trị gần giống với điểm ảnh cần xét Về kỹ thuật, người ta sử dụng một mặt nạ di chuyển khắp ảnh gốc, từ trái qua phải và từ trên xuống dưới Ở mỗi vị trí của ảnh, tính toán. .. diễn trong hệ tọa độ Decac xOy, trong đó Ox biểu diễn các mức xám của ảnh (256 mức trong trường hợp chúng ta xét), Oy biểu diễn số điểm ảnh cho một mức xám (số điểm ảnh có cùng mức xám) Lược đồ mức xám cung cấp rất nhiều thông tin về sự phân bố mức xám của ảnh Theo thuật ngữ của xử lý ảnh gọi là tính động của ảnh, tính động của ảnh cho phép phân tích một khoảng nào đó phân bố phần lớn các mức xám của ảnh: ... 2.3 Bài toán về phát hiện biên ảnh 2.3.1 Khái niệm, ý nghĩa của biên trong xử lý ảnh a) Khái niệm biên Một điểm ảnh được coi là điểm biên nếu có sự thay đổi nhanh hoặc đột ngột về mức xám (hoặc màu) Ví dụ trong ảnh nhị phân, điểm đen gọi là điểm biên nếu lân cận nó có ít nhất một điểm trắng Tập hợp các điểm biên liên tiếp tạo thành một đường biên (hay đường bao) b) Ý nghĩa của biên trong xử lý ảnh. .. Format) Ảnh GIF được phát triển dành cho những ảnh có tính chất thay đổi Nó được sử dụng tốt nhất cho đồ họa có ít màu, ví dụ như là ảnh hoạt hình hoặc là những bức vẽ với nhiều đường thẳng File ảnh GIF là những ảnh Bitmap được nén lại Có hai sự khác nhau cơ bản giữa ảnh GIF và ảnh JPEG: + Ảnh GIF nén lại theo cách giữ nguyên toàn bộ dữ liệu ảnh trong khi ảnh JPEG nén lại nhưng làm mất một số dữ liệu trong. .. tương ứng một giá trị độ sáng của một điểm ảnh với một giá trị nguyên dương Thông thường nó xác định trong khoảng [0 255] Tùy thuộc vào giá trị xám mà mỗi điểm ảnh được biểu diễn trên 1, 4, 8, 24 hay 32 bit d) Ảnh số Là tập hợp hữu hạn các điểm ảnh, thường được biểu diễn bằng một mảng hai chiều I(m,n) với m là số hàng, n là số cột Ta ký hiệu P(x,y) là một điểm ảnh tại vị trí (x, y) Số lượng điểm ảnh trên... nhiên, để tính toán số đo các hình như chu vi, mo men là khá khó 1.2.3 Tăng cường ảnh Tăng cường ảnh là bước quan trọng, tạo tiền đề cho xử lý ảnh Tăng cường ảnh nhằm hoàn thiện các đặc tính của ảnh như: • Lọc nhiễu, hay làm trơn ảnh • Tăng độ tương phản, điều chỉnh mức xám của ảnh • Làm nổi biên ảnh Các thuật toán triển khai việc nâng cao chất lượng ảnh hầu hết dựa trên các kỹ thuật trong miền điểm,... I[i,j]; B2: Gán giá trị mức xám mới cho ảnh đầu ra Hình minh họa: Ảnh gốc Ảnh được biến đổi âm bản Hình 2-14 Ảnh gốc và ảnh sau khi biến đổi âm bản 2.1.4 Biến đổi ảnh đen trắng Để chuyển đổi một ảnh màu sang ảnh đen trắng ta dùng kĩ thuật tách ngưỡng Giả sử ta có ảnh I ~ kích thước (m x n), hai số Min, Max và ngưỡng θ Khi đó: Kỹ thuật tách ngưỡng được thể hiện qua thuật toán sau: B1: Thực hiện vòng lặp,thay