GIÁO TRÌNH môn xử lý ẢNH

Đ Ạ I HỌ C THÁI NGUYÊN K H O Ấ C Ô N G N G H Ệ T H Ô N G T IN GIÁO TRÌNH MÔN HỌC ■ x LÝ ẢNH Người soạn : PGS TS Đ ỗ NĂNG TOÀN, TS PHẠM VIỆT BÌNH Thái Nguyên, Tháng 11 năm 2007 LỜ I NÓI ĐẦU Khoảng mười năm trở lại đây, phần cứng máy tính thiết bị liên quan có tiên vượt bậc tốc độ tính toán, dung lượng chứa, khả xử lý V.V giá giảm đến mức máy tính thiết bị liên quan đến xử lý ảnh không thiết bị chuyên dụng Khái niệm ảnh sô trở nên thông dụng với hầu hết người xã hội việc thu nhận ảnh sô thiết bị cá nhân hay chuyên dụng với việc đưa vào máy tính xử lý trở nên đơn giản Trong hoàn cảnh đó, xử lý ảnh lĩnh vực quan tâm trở thành môn học chuyên ngành sinh viên ngành công nghệ thông tin nhiều trường đại học nước Tuy nhiên, tài liệu giáo trình điều khó khăn Hiện có sô tài liệu tiếng Anh tiếng Pháp, tài liệu tiêng Việt hiếm, v i mong muốn đóng góp vào nghiệp đào tạo nghiên cứu lĩnh vực này, biên soạn giáo trình x lý ảnh dựa đề cương môn học duyệt Cuốn sách tập trung vào vấn đề xử lý ảnh nhằm cung cấp tảng kiến thức đắy đủ chọn lọc nhằm giúp người đọc CÓ thể tự tìm hiểu xây dựng chương trình ứng dụng liên quan đền xử lý ảnh Giáo trình chia làm chương phần phụ lục: Chương 1, trình bày Tổng quan xử lý ảnh, khai niệm bản, sơ đồ tổng quát mốt hệ thông xử lý ảnh vấn đề xử lý ảnh Chương 2, trình bày kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh dựa vào thao tác với điểm ảnh, nâng cao chất lượng ảnh thông qua việc xử lý điểm ảnh lân cận điểm ảnh xét Chương trình bày kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh nhờ vào phép toán hình thái Chương 3, trình bày kỹ thuật việc phát biên đôi tương ảnh theo hai khuynh hướng: Phát biên trực tiếp phát biền gián tiếp Chương thể cách kỹ thuật tìm xương theo khuynh hướng tính toán trục trung vị hướng tiếp cận xấp xỉ nhờ thuật toán làm mảnh song song gián tiếp Và cuối Chương với kỹ thuật hậu xử lý- Giáo trình biên soạn dựa kinh nghiệm giảng dạy tác giả nhiều năm khóa đại học cao học ĐH Công nghệ ĐHQG Hà Nội, ĐH Khoa học tự nhiên - ĐHQG Ha Nội, Khoa Công nghệ thông tin - ĐH Thái Nguyên V.V Cuốn sách làm tài liệu tham khảo cho sinh viên h ệ k ỹ SƯ, c nhân b n quan tâm đ ế n v ấ n đ ề n h ậ n dạng xử lý ảnh Các tác giả bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới bạn đồng nghiệp Phòng Nhận dạng công nghệ tri thức, Viện Công nghệ thông tin, BỘ môn H ệ thống thông tin, Khoa Công nghệ thông tin, ĐH Thái Nguyên, Khoa Công nghệ thông tin, ĐH Công nghệ, ĐHQG Hà Nội, Khoa Toán Cơ - Tin, ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQG Hà Nội động viên, góp ý giúp đỡ để hoàn chỉnh nội dung sách Xin cám ơn Lãnh đạo Khoa Công nghệ thông tin, ĐH Thái Nguyên, Ban Giám đốc ĐH Thái Nguyên hỗ trỢ tạo điều kiện đời giáo trình Mặc dù cô gắng tài liệu chắn không tránh khỏi sai sót Chúng xin trân trọng tiếp thu tất ý kiên đóng góp bạn đọc bạn đồng nghiệp để có chỉnh lý kịp thời Thư góp ý xin gửi về: Phạm Việt Bình, Khoa Công nghệ thông tin - ĐH Thái nguyên Xã Quyết Thắng, Tp Thái Nguyên Điện thoại: 0280.846506 Email: pvbinh@ictu.edu.vn Thái Nguyên, ngày 22 tháng 11 năm 2007 CÁC TÁC GIÀ M ỤC LỤC LỜI NÓI ĐẲƯ MỤC LỤC .4 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ x LÝ ẢNH 1.1 XỬ LÝ ẢNH, CÁC VẤN ĐỀ c BẢN t r o n g x l ý Ản h 1.1.1 x lý ảnh gì? 1.1.2 Các vấn đề xử lý ảnh .10 1.1.2.1 Một sô khái niệm 10 1.1.2.2 Nắn chỉnh biến dạng 10 1.1.2.3 Khử nhiễu 11 1.1.2.4 Chỉnh mức xám 11 1.1.2.5 Phân tích ảnh 11 1.1.2.6 Nhận dạng .12 1.1.2.7 Nén ảnh 13 1.2 THU NHẬN VÀ BIÊU DIEN Ản h 14 1.2.1 Màu sắc 14 1.2.1.1 Mô hình màu RGB (Red, Green, Bule) 14 1.2.1.2 Mô hình màu CMY (Cyan, Magenta, Yellow) 15 1.2.1.3 Mô hình màu HSV (Hue, Saturation, Value) 16 1.2.1.4 Mô hình màu HLS 19 1.2.2 Thu nhận, thiết bị thu nhận ảnh 22 1.2.2.1 Giai đoạn lấy mẫu 23 1.2.2.2 LƯỢng tử hóa 24 1.2.3 Biểu diễn ảnh 24 1.2.3.1 Mô hình Raster 24 Mô hình Vector 25 Chương 2: CÁC KỸ THUẬT NÂNG CAO CHẤT l ợ n g Ản h 26 2.1 CÁC KỸ THUẬT KHÔNG PHỤ THUỘC KHÔNG GĨAN 26 2.1.1 Giới thiệu 26 2.1.2 Tăng giảm độ sáng 26 2.1.3 Tách ngưỡng 27 2.1.4 Bó cụm 27 2.1.5 Cân histogram 28 2.1.6 Kỹ thuật tìm tách ngưỡng tự động 29 2.1.7 Biến đổi cấp xám tổng thể 30 2.2 CÁC KỸ THUẬT PHỤ THUỘC KHÔNG GIAN 31 2.2.1 Phép nhân chập mẫu 31 2.2.2 Một sô mẫu thông dụng 33 2.2.3 Lọc trung vị 34 2.2.4 Lọc trung bình 36 2.2.5 Lọc trung bình theo k giá trị gần 37 2.3 CÁC PHÉP TOÁN HÌNH THÁI HỌC 38 2.3.1 Các phép toán hình thái 38 2.3.2 Một sô tính chất phép toán hình thái 39 Chương 3: BIÊN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN BIÊN 44 3.1 GIỚI THIỆU 44 3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN BIÊN TRựC TIÊP 44 3.2.1 Kỹ thuật phát biên Gradient 44 3.2.1.1 Kỹ thuật Prewitt 46 3.2.1.2 Ky thuật Sobel 47 3.2.1.3 Ky thuật la bàn 47 3.2.2 Kỹ thuật phát biên Laplace 48 3.2.3 Kỹ thuật Canny 49 3.3 PHÁT HIỆN BIÊN GIÁN TlỂP 50 3.3.1 Một sô khái niệm 50 3.3.2 Chu tuyến đối tương ảnh 51 3.3.3 Thuật toán dò biên tổng quát 53 3.4 PHÁT HIỆN BIÊN DựA VÀO TRUNG BÌNH c ụ c BỘ 56 3.4.1 Biên độ biến đổi mức xám 56 3.4.2 Phát biên dựa vào trung bình cục 57 3.5 PHÁT HIỆN BIÊN D ựA VÀO CÁC PHÉP TOÁN HÌNH THÁI 60 3.5.1 Xấp xỉ xấp xỉ đối tương ảnh 60 3.5.1 Thuật toán phát biên dựa vào phép toán hình thái 61 Chương 4: XƯƠNG VÀ CÁC KỸ THUẬT TÌM XƯƠNG 63 4.1 GIỚI THIỆU 63 4.2 TÌM XƯƠNG D ựA TRÊN LÀM MẢNH 63 4.2.1 Sơ lược thuật toán làm mảnli 63 4.2.2 Một sô thuật toán làm mảnh 65 4.3 TÌM XƯƠNG KHÔNG DựA TRÊN LÀM MẢNH 65 4.3.1 Khái quát vế lược đổ Voronoi 66 4.3.2 Trục trung vị Voronoi rời rạc 66 4.3.3 xương Voronoi rời rạc 67 4.3.4 Thuật toán tìm xương .68 Chương 5: CÁC KỸ THUẬT HẬU x LÝ 71 5.1 RÚT GỌN SỐ LƯỢNG ĐlỂM BIÊU Dĩ ỄN 71 5.1.1 Giới thiệu 71 5.1.2 Thuật toán Douglas Peucker 71 5.1.2.1 Y tưởng 71 5.1.2.2 Chương trình 72 5.1.3 Thuật toán Band width 73 5.1.3.1 Ý tưởng 73 5.1.3.2 Chương trình 75 5.1.4 Thuật toán Angles 76 5.1.4.1 Ý tưởng 76 5.1.4.2 Chương trình 76 5.2 XẤP XỈ ĐA GIÁC BỞ ĩ CÁC HÌNH c SỞ 77 5.2.1 Xấp xỉ đa giác theo bất biến đồng dạng 78 5.2.1.1 Xấp xỉ đa giác đường tròn .80 5.2.1.2 Xấp xỉ đa giác ellipse 80 5.2.1.3 Xấp xỉ đa giác hình chữ nhật 80 5.2.1.4 Xấp xỉ đa giác đa giác n cạnh 81 5.2.2 Xấp xỉ đa giác theo bất biến aphin 81 5.3 BIỂN ĐỔI HOUGH 82 5.3.1 Biến đổi Hongh cho đường thẳng 82 5.3.2 Biến đổi Hough cho đường thẳng tọa độ cực 84 Chương 6: ỨNG DỤNG x LÝ ẢNH 85 6.1 PHÁT HIỆN GÓC NGHIÊNG VĂN BẢN DựA v o CHU TUYẾN ' .85 6.1.1 Tính toán kích thước chủ đạo đôi tượng ảnh 85 6.1.2 Biến đổi Hough phát góc nghiêng văn 87 6.1.2.1 Áp dụng biến đổi Hough phát góc nghiêng văn 87 6.1.2.2 Thuật toán phát hiệu chỉnh góc nghiêng văn .88 6.1.2.3 Thực nghiệm kết 91 6.2 PHÂN TÍCH TRANG TÀI LIỆU 93 6.2.1 Quan hệ Qe 93 6.2.2 Phân tích trang văn nhờ khoảng cách Hausdorff quan hệ Qe ._ 94 6.2.3 Phân tích trang văn dựa vào mẫu 96 6.2.3.1 Đánh giá độ lệch cấu trúc văn theo mẫu 96 6.2.3.2 Thuật toán phân tích trang văn dựa vào mẫu 99 6.3 CẮT CHỮ IN DÍNH D ựA VÀO CHU TUYỂN 101 6.3.1 Đ ặt vấn đ ề 101 6.3.2 Một sô khái niệm 103 6.3.3 Thuật toán cắt chữ in dính dựa vào chu tuyến .104 6.3.3.1 Phân tích toán 104 6.3.3.2 Thuật toán CutCHARACTER cắt chữ in dính dựa vào chu tuyến 106 6.4 NHẬN DẠNG CHỮ VIÊT 107 6.5 TÁCH CÁC ĐỐI TƯỢNG HÌNH HỌC TRONG PHIẾU ĐlỀU TRA DẠNG DẤU ' ĩ 108 6.5.1 Giới thiệu .108 6.5.2 Tách đối tương nhờ sử dụng chu tuyến 109 6.6 TÁCH BẢNG D ựA TRÊN TẬP CÁC HÌNH CHỮ NHẬT RỜI RẠC ' 110 6.6.1 Phân tích toán 111 6.7 PHÁT HIỆN ĐỐI TƯỢNG CHUYÊN ĐỘNG 113 6.7.1 Phát đối tượng chuyển động dựa theo hướng tiếp cận trừ khung hình liền kề 113 6.7.2 Phát đôi tượng chuyển động theo hướng tiếp cận kết hợp ' I : * ' 1 6.7.2.1 Trừ ảnh đánh dấu Iwb 117 6.7.2.2 Lọc nhiễu phát độ dịch chuyển 118 6.7.2.3 Phát biên ảnh đa cấp xám Igc 118 6.7.2A Kết hỢp ảnh Igc với Iwb 119 Phụ lục 1: MỘT s ố ĐỊNH DẠNG TRONG x LÝ ẢNH 121 Định dạng ảnh IMG 121 Định dạng ảnh PCX 122 Định dạng ảnh TIFF 123 Định dạng file ảnh BITMAP 125 Phụ lục 2: CÁC BƯỚC THAO TÁC VỚI FILE AVI 127 Bước 1: MỞ đóng thư viện 127 Bước 2: MỞ đóng file AVI để thao tác: 127 Bước 3: MỞ dòng liệu đ ể thao tác 128 Bước 4: Trường hỢp thao tác với liệu hình phim 128 Bước 5: Thao tác với frame 128 Phụ lục 3: MỘT s ố MODUL CHƯƠNG TRÌNH 129 Nhóm đọc, ghi hiển thị ảnh 129 1.1 Nhóm đọc ảnh 129 1.2 Nhóm ghi ảnh 137 1.3 Nhóm hiển thị ảnh 139 Nhóm phát góc nghiêng văn 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO 157 Chirofngl: , x TONG QUAN VE XlT LY ANH 1.1 XlT LY ANH, CAC VAN DE CO BAN TRONG XlT LY ANH 1.1.1 XU ly an h la gi? Con ngiffti thu nhan thong tin qua cac giac quan, thj giac dong vai tro quan trOng nhat NhUTng nam trd lai day v6i slf phat trien cUa phan cLTng may tinh, xlf ly anh va hoa phat trien mot cach manh me va co nhieu LTng dung cuOc song Xir ly anh va hoa dong mot vai tro quan trOng tlfOng tac nglTdi may Qua trinh xlf ly anh dl/pc xem nhlf la qua trinh thao tac anh dau vao nham cho ket qua mong muOn K et qua dau clia mot qua trinh xlf ly anh co the la mot anh “tot hOn” hoac mot ket luan Hinh 1.1 Qua trinh xU ly anh Anh co the xem la tap hOp cac diem anh va mOi diem anh dlfOc xem nhlf la dac trlfng clfOng sang hay mot dau hieu nao ta i mot vi tri nao clla doi tlfOng khong gian va no co the xem nhlf mot ham n bien P(ci, c2, , cn) Do do, anh xlf ly anh co the xem nhlf anh n chieu SO tOng quat clla mot he thong xlf ly anh: Error: Reference source not foundHlnh 1.2 Cac bli6c cO ban m ot h e thong xU ly anh 1.1.2 Các v ấ n đ ề c b ản x lý ản h 1.1.2.1 M ột sô khái niệm * Á n h điểm ảnh: Điểm ảnh xem dấu hiệu hay cường độ sáng toạ độ không gian đối tượng ảnh xem tập hợp điểm ảnh * Mức xám, màu Là sô giá trị có điểm ảnh ảnh 1.1.2.2 Nắn chỉnh biến dạng Ảnh thu nhận thường bị biến dạng thiết bị quang học điện tử P' Sứí ’) Ảnh thu nhận Ảnh mong muốn Hình 1.3 Ảnh thu nhận ảnh mong muốn Đ ể khắc phục người ta sử dụng phép chiếu, phép chiếu thường xây dựng tập điểm điều khiển Giả sử (Pị, p¡’) i = 1, n có n tập điều khiển Tìm hàm f: P i f ( P i ) cho Ẻ I if ( p/ ) - p/1 r - >min i=l Giả sử ảnh bị biến đổi bao gồm: Tịnh tiến, quay, tỷ lệ, biến dạng bậc tuyến tính Khi hàm f có dạng: f (x>y) = (aix + bử + Ci> a2x + b2y + c2) Ta có: = ¿ ( f ( P i ) - P i ' ) = Ẻ I «1 >i,+bỉy i +Cj -X,:)2 +(ữ2xi + b 2y, + c -y ,:)2 i=l i=l Đ ể cho (ị) -> 10 memset((void*)lpbi, 0, sizeof (BITMAPINFOHEADER)); #else #endif//_WIN32 lpbi->biSize = sizeof (BITMAPINFOHEADER); lpbi—»biWidth = dwWidth; lpbi—>biHeight = dwHeight; Ipbi—»biplanes = 1; if (nBPP biBitCount = 1; else if(nBPP biBitCount == 1) M("Anh bit khong xet !"); CString s; s.Format("W = %ld H = %ld bit = %d",dwWidth,dwHeight,lpbi—>biBitCount); } Nhóm phát h iện góc nghiêng văn b ả n /*============================================== * Hàm: Next(HBYTE Image,DWORD X,DWORD y,int dir ,BYTE cO) * Mục đích:Tìm điểm đen kê tiếp ngưỢc chiều đồng hổ dò biên */ int WINAPI Next(HBYTE Image,DWORD X,DWORD y,int dir ,BYTE cO) { int c,dem=8; DWORD newx,newy; while(dem>0) { newx=x+ROW[(dem+dir)%8]; 144 newy=y+COL [(dem+dir)%8] ; if(newx>=0 && newx=0 && newybiWidth; for(i=-l;++i[...]... 20 3 0 28 1 Ikq= 3 2 0 1 2 1 2 2 0 1 0 3 0 1 Chỳ v: nh sau khi thc hin cõn bng cha chc ó l cõn bng "lý tng Iằ 2.1.6 K thu t tỡm tỏch n g n g t ng Ngng 0 trong k thut tỏch ngng thng c cho bi ngi s dng K thut tỡm tỏch ngng t ng nhm tỡm ra ngng 0 mt cỏch t ng da vo histogram theo nguyờn lý trong vt lý l vt th tỏch lm 2 phn nu tng lnh trong tng phn l tụi thiu Gi s, ta cú nh T ~ kớch thc m X n G ~ l... dng no ú Cỏc lp ny cho n thi im phõn loi vn cha bit hay cha c nh danh H thng nhn dng t ng bao gm ba khõu tng ng vi ba giai on ch yu sau õy: 1 Thu nhn d liu v tin x lý 2 Biu din d liu 3 Nhn dng, ra quyt nh Bn cỏch tip cn khỏc nhau trong lý thuyt nhn dng l: 1 i sỏnh mu da trờn cỏc c trng c trớch chn 2 Phõn loi thng kờ 3 i sỏnh cu trỳc 4 Phõn loi da trờn mng n-ron nhõn to 12 Trong cỏc ng dng rừ rng l... Anh trờn mỏy tớnh l kt qu thu nhn theo cỏc phng phỏp sụ hoỏ c nhỳng trong cỏc thit b k thut khỏc nhau Quỏ trỡnh lu tr nh nhm 2 mc ớch: Tit kim b nh Gim thi gian x lý Vic lu tr thụng tin trong b nh cú nh hng rt ln n vic hin th, in n v x lý nh c xem nh l 1 tp hp cỏc im vi cựng kớch thc nu s dng cng nhiu im nh thỡ bc nh cng p, cng mn v cng th hin rừ hn chi tit ca nh ngi ta gi c im ny l phõn gii Vic... cỏc mc xỏm trung gian bng k thut ni suy K thut ny nhm tng cng mn cho nh 1.1.2.5 Phõn tớch nh L khõu quan trng trong quỏ trỡnh x lý nh tin ti hiu nh Trong phõn tớch nh vic trớch chn c im l mt bc quan trng Cỏc c im ca i tng c trớch chn tu theo mc ớch nhn dng trong quỏ trỡnh x lý nh Cú th nờu ra mt sụ c im ca nh sau õy: c im khụng gian: Phõn bụ mc xỏm, phõn bụ xỏc sut, biờn , im un V.V c im b in i: Cỏc... chớnh l tip cn theo k thut nộn ny Nộn nh Fractal: s dng tớnh cht Fractal ca cỏc i tng nh, th hin s lp li ca cỏc chi tit K thut nộn s tớnh toỏn ch cn lu tr phn gc nh v quy lut sinh ra nh theo nguyờn lý Fractal 13 1.2 THU NHN V BIEU DIEN ANH 1.2.1 Mọu sa c Mat ngỹửi cử the phọn biet dlfpc vọi chỹc mọu nhlTng chl cử the cọm nhan dỹpc họng ngọn mọu Ba thuOc tinh cỹa mOt mọu dử lọ: Sac (Hue), Do thuọn... im nh lõn cn mó hoỏ v tỏi to hỡnh nh ban u nh vector c thu nhn trc tip t cỏc thit b sụ hoỏ nh Digital hoc c chuyn oi t nh Raster thụng qua cỏc chng trỡnh sụ hoỏ Cụng ngh phn cng cung cp nhng thit b x lý vi tc nhanh v cht lng cho c u vo v ra nhng li ch h tr cho nh Raster Do vy, nhng nghiờn cu v biu din vect u tp trung t chuyn i t nh Raster R A ST ER Vecter húa V ECTO R Raster húa R A ST ER Hỡnh 1.10... ii th iu Cỏc phộp toỏn khụng ph thuc khụng gian l cỏc phộp toỏn khụng phc thuc v trớ ca im nh Vớ d: Phộp tng gim sỏng , phộp thụng kờ tn sut, bin i tn sut V.V Mt trong nhng khỏi nim quan trng trong x lý nh l biu tn sut (Histogram) Biu tn sut ca mc xỏm g ca nh I l sụ im nh cú giỏ tr g ca nh I Ký hiu l h(g) Vớ d: 1 1 2 4 2 1= 2 0 2 1 0 0 0 41 7 0 1 1 > 1 2 1 V g 0 1 2 4 7 h(g) 5 7 5 2 1 2.1.2 Tng gim... - size * bunch_size V(i,j) Vớ d: Bú cm nh ( 2 2 1 1= 7 2 4 1 sau vi bunch_size= 3 4 3 6 2 6 4 9 1 7 5 1 2 27 0 0 0 0 0 0 6 Ikq 3 3 3 6 0 6 6 3 9 0 3 0 0 2.1.5 Cõn b n g histogram nh I c gi l cõn bng "lý tng" nu vi mi mc xỏm g, g ta cú h(g) = h(g) Gi s, ta cú nh TB = I kớch thc m X n newjevel sụ mc xỏm ca nh cõn bng mxn new_level sụ im nh trung bỡnh ca mi mc xỏm ca nh cõn bng t(g) = /= 0, h(0 r> sụ... Tc l: fx >= 2fxmax fy >= 2fymax Trong ú fxmax, fymax l tn sụ cao nht ca tớn hiu theo trc X, y 23 1.2.2.2 Lng t húa nh sau khi ly mu s cú dng f(m,n) vi m, n l nguyờn nhng giỏ tr f(m, n) vn l giỏ tr vt lý liờn tc Quỏ trỡnh bin i giỏ tr f(m,n) thnh mt sụ nguyờn thớch hp lu tr gi l lng t hoỏ õy l quỏ trỡnh ỏnh x mt bin liờn tc u vo bin ri rc u* thuc tp hu hn [ui, U2, Ul] xỏc nh trc, L l mc lng t hoỏ c