Nghiên cứu phép toán hình thái trong xử lý ảnh và ứng dụng nâng cao chất lượng ảnh nhị phân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LƯU THỊ LIỄU NGHIÊN CỨU PHÉP TOÁN HÌNH THÁI TRONG XỬ LÝ ẢNH VÀ ỨNG DỤNG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH NHỊ PHÂN LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội – Năm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LƯU THỊ LIỄU

NGHIÊN CỨU PHÉP TOÁN HÌNH THÁI TRONG XỬ LÝ ẢNH VÀ ỨNG

DỤNG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH NHỊ PHÂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà Nội – Năm 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LƯU THỊ LIỄU

NGHIÊN CỨU PHÉP TOÁN HÌNH THÁI TRONG XỬ LÝ ẢNH VÀ ỨNG

DỤNG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH NHỊ PHÂN

Ngành: Công nghệ thông tin

Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính

Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGÔ QUỐC TẠO

Hà Nội – Năm 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực của tác giả, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ

và pháp luật Việt Nam Nếu sai, tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật

Người cam đoan

Lưu Thị Liễu

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS TS Ngô Quốc Tạo - người đã trực tiếp hướng dẫn và định hướng giúp em có thể nhanh chóng tiếp cận, nắm bắt kiến thức

và hoàn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trường Đại học Công Nghệ -Đại học Quốc Gia Hà Nội, đã giảng dạy và chỉ bảo em 2 năm học vừa qua

Qua đây tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn đến những người thân trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên và tạo mọi điều kiện giúp tác giả trong quá trình học tập cũng như trong cuộc sống

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 0

LỜI CẢM ƠN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 4

LỜI MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG 1 6

TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH 6

1.1 Giới thiệu chung về xử lý ảnh………6

1.2 Một số vấn đề trong xử lý ảnh……….8

1.2.1 Điểm ảnh (Picture Element) 8

1.2.2 Độ phân giải của ảnh 9

1.2.3 Mức xám của ảnh 9

1.2.4 Quan hệ giữa các điểm ảnh 9

1.2.5 Lược đồ mức xám (Histogram) 10

1.2.6 Biểu diễn ảnh Error! Bookmark not defined 1.2.7 Biến đổi ảnh (Image Transform) Error! Bookmark not defined 1.2.8 Tăng cường ảnh – khôi phục ảnh Error! Bookmark not defined.

1.2.9 Nhâ ̣n dạng ảnh Error! Bookmark not defined 1.2.10 Các loại định dạng tập tin ảnh cơ bản Error! Bookmark not defined 1.2.11 Hiệu chỉnh gamma Error! Bookmark not defined 1.2.12 Phân vùng ảnh Error! Bookmark not defined.

1.3 Nâng cao chất lượng ảnh sử dụng các toán tử

điểm……… Error! Bookmark not defined

1.3.1 Điều chỉnh độ tương phản Error! Bookmark not defined 1.3.2.Phân ngưỡng nhị phân Error! Bookmark not defined 1.3.3 Biến đổi âm bản Error! Bookmark not defined 1.3.4 Hiệu chỉnh ánh sáng trong ảnh Error! Bookmark not defined 1.3.5 Đổi ảnh RGB sang ảnh grayscale Error! Bookmark not defined.

1.4 Nâng cao chất lượng ảnh dùng toán tử không gian……… Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 2 ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED PHÉP TOÁN HÌNH THÁI TRONG XỬ LÝ ẢNHERROR! BOOKMARK NOT

DEFINED

2.1 Giới

thiệu……… Error!

Bookmark not defined

2.2 Phần tử cấu

trúc……… Error! Bookmark

not defined

2.3 Các phép toán với ảnh nhị

phân……….Error! Bookmark not defined

2.3.1 Phép giãn nhị phân (Dilation) Error! Bookmark not defined.

2.3.2 Phép co nhị phân (Erosion) Error! Bookmark not defined.

2.3.3 Phép mở ảnh (Opening) và phép đóng ảnh

(Closing)……….Error! Bookmark not defined.

2.3.3.1 Phép mở ảnh Error! Bookmark not defined 2.3.3.2 Phép đóng ảnh Error! Bookmark not defined.

2.4 Các thao tác trên ảnh xám Error! Bookmark not defined

2.4.1 Phép co Error! Bookmark not defined 2.4.2 Phép dãn Error! Bookmark not defined 2.4.3 Phép toán đóng mở ảnh Error! Bookmark not defined.

2.5 Phép toán hình thái Gradient (Morphology Gradient

Operator)………Error! Bookmark not defined

2.6 Một số tính chất của phép toán hình

thái……… Error! Bookmark not defined

2.7 Một số thuật toán dựa trên phép toán hình

thái………Error! Bookmark not defined

2.7.1 Trích biên ( Boundary Extraction) Error! Bookmark not defined 2.7.2 Làm đầy (Region Filling) Error! Bookmark not defined 2.7.3 Làm mảnh(Thinning) Error! Bookmark not defined 2.7.4 Làm dày đối tượng trong ảnh – Thickening Error! Bookmark not defined 2.7.5 Tìm khung xương (Skeletonization) Error! Bookmark not defined.

CHƯƠNG 3 ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED ỨNG DỤNG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH VĂN BẢN ERROR!

BOOKMARK NOT DEFINED

3.1 Đặt vấn

đề………Error!

Bookmark not defined

3.2 Khắc phục sự đứt nét cho các tài liệu scan đen –

trắng……….Error! Bookmark not defined

3.3 Khắc phục ảnh văn bản không rõ

nét………Error! Bookmark not defined

3.4 Giới thiệu chương

trình……… Error! Bookmark not

defined

3.5 Thực

nghiệm……….Error!

Bookmark not defined

3.6 Đánh

giá………Error!

Bookmark not defined

KẾT LUẬN……….55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 11 PHỤ LỤC……… 57

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các bước cơ bản trong một hệ thống xử lý ảnh 7

Hình 1.2 Biểu đồ Histogram của ảnh Error! Bookmark not defined Hình 1.3 Hệ tọa độ RGB Error! Bookmark not defined hình 1.4 Chuyển ảnh màu rgb sang ảnh gray Error! Bookmark not defined Hình 2.1 Một số hình dáng của phần tử cấu trúc phẳng Error! Bookmark not defined.

Hình 2.2 Hiệu quả của thao tác nhị phân đơn giản trên một ảnh nhỏ Error! Bookmark not defined.

Hình 2.3 Dãn A bởi B Error! Bookmark not defined Hình 2.4 Quá trình quét của phần tử cấu trúc trên hình ảnh nhị phân Error! Bookmark not defined.

Hình 2.5 Ví dụ quá trình thực hiện của phép mở ảnh Error! Bookmark not defined.

Hình 2.6 Quá trình thực hiện phép co nhị phân dùng phần tử cấu trúc đơn giản

Error! Bookmark not defined.

Hình 2.7 Quá trình lọc đối tượng sử dụng phép co nhị phân và phép giãn nhị phân

Error! Bookmark not defined Hình 2.8 Ứng dụng của phép co ảnh dưới dạng số nhị phân Error! Bookmark not defined.

Hình 2.9 Quá trình thực hiệp phép mở ảnh Error! Bookmark not defined Hình 2.10 Quá trình thực hiện phép đóng ảnh Error! Bookmark not defined.

Hình 2.11 Ví dụ về phép toán co ảnh trên ảnh xám với phần tử cấu trúc không

phẳng Error! Bookmark not defined.

Hình 2.12 Ví dụ về phép toán dãn ảnh trên ảnh xám với phần tử cấu trúc không

phẳng Error! Bookmark not defined Hình 2.13 Ví dụ quá trình thực hiện phép dãn ảnh xám Error! Bookmark not defined.

Hình 2.14 Ví dụ về phép toán hình thái Gradient Error! Bookmark not defined Hình 2.15 Quá trình tìm biên của đối tượng trên ảnh nhị phân Error! Bookmark not defined.

Hình 2.16 Ví dụ trích lọc biên của đối tượng Error! Bookmark not defined Hình 2.17 Quá trình làm đầy đối tượng trong ảnh Error! Bookmark not defined Hình 2.18 Kết quả làm mỏng đối tượng Error! Bookmark not defined Hình 2.19 Quá trình làm mảnh đối tượng trong hình ảnh Error! Bookmark not defined.

Hình 2.20 Kết quả làm dày đối tượng Error! Bookmark not defined Hình 2.21 Quá trình thực hiện thuật toán tìm xương Error! Bookmark not defined.

Hình 2.22 Ví dụ ảnh tìm xương của các đối tượng Error! Bookmark not defined Hình 3.1 Hình ảnh văn bản bị xuống cấp……… Error! Bookmark not defined.

Hình 3.2 Văn bản bị đứt nét theo chiêu ngang Error! Bookmark not defined Hình 3.3 Văn bản bị đứt nét theo chiều dọc Error! Bookmark not defined.

Hình 3.4 Ví dụ phần tử cấu trúc sẽ giúp giãn chữ theo chiều ngang Error! Bookmark not defined.

Hình 3.5 Ví dụ phần tử cấu trúc sẽ giúp giãn chữ theo chiều dọc Error! Bookmark not defined.

LỜI MỞ ĐẦU

Hình ảnh là một dạng dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong việc trao đổi, xử

lý, lưu giữ thông tin Hiện nay nhu cầu lưu trữ và xử lý các tài liệu, văn bản, bản vẽ

kỹ thuật,… dưới dạng hình ảnh scan là nhu cầu thiết yếu Tuy nhiên, các hình ảnh scan thu được bởi nhiều lý do có thể bị nhiễu, mờ nhòe, đứt nét… khiến việc thu nhận thông tin và xử lý gặp nhiều khó khăn Vì vậy việc khắc phục những nhược điểm của hình ảnh thu nhận được là việc làm rất cần thiết và quan trọng Đã có rất nhiều các kỹ thuật được đưa ra, trong đó có xử lý hình thái học trên ảnh Các thao tác hình thái học trên ảnh cung cấp cho chúng ta những mô tả định lượng về cấu trúc và hình dạng hình học của các đối tượng trong ảnh và nó đang được ứng dụng rộng rãi trong việc nâng cao chất lượng ảnh, phân đoạn ảnh, kiểm tra khuyết điểm trên ảnh,…

Trong luận văn này tác giả sẽ nghiên cứu về các phép toán hình thái học trên ảnh và ứng dụng vào việc nâng cao chất lượng ảnh scan đen – trắng của các văn bản

Báo cáo luận văn được chia làm 3 chương:

Chương 1 Tổng quan về phương pháp nâng cao chất lượng ảnh: Chương

này gồm có các khái niệm ban đầu về xử lý ảnh, các kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh

Chương 2 Phép toán hình thái học trên ảnh: Chương này trình bày các

phép co – giãn-đóng – mở ảnh trên ảnh nhị phân, ảnh đa cấp xám và các thuật toán ứng dụng dựa trên các phép toán hình thái

Chương 3 Ứng dụng nâng cao chất lượng ảnh văn bản: Chương này trình

bày các kỹ thuật được sử dụng trong việc nâng cao chất lượng ảnh scan đen – trắng của văn bản kém chất lươ ̣ng (phép đóng ảnh , hiê ̣u chỉnh gamma , phân ngưỡng nhi ̣ phân), đồng thời tiến hành cài đă ̣t các phép toán hình thái học, cài đặt chức năng nâng cao chất lượng ảnh văn bản scan đen – trắng; trình bày những hình ảnh thực nghiệm của chương trình

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH

1.1 Giới thiệu chung về xử lý ảnh

Cũng như xử lý dữ liệu bằng đồ hoạ, xử lý ảnh là một lĩnh vực của tin học ứng dụng Xử lý dữ liệu bằng đồ họa đề cập đến những ảnh nhân tạo, các ảnh này được xem xét như là một cấu trúc dữ liệu và được tạo ra bởi các chương trình Xử

lý ảnh bao gồm các phương pháp và kỹ thuật để biến đổi, để truyền tải hoặc mã hóa các ảnh tự nhiên Mục đích của xử lý ảnh gồm:

Thứ nhất, biến đổi ảnh và làm đẹp ảnh

Thứ hai, tự động nhận dạng ảnh hay đoán nhận ảnh và đánh giá các nội dung của ảnh

Nhận dạng ảnh là quá trình liên quan đến các mô tả đối tượng mà người ta muốn đặc tả nó Quá trình nhận dạng thường đi sau quá trình trích chọn các đặc tính chủ yếu của đối tượng Có hai kiểu mô tả đối tượng:

- Mô tả tham số (nhận dạng theo tham số)

- Mô tả theo cấu trúc(nhận dạng theo cấu trúc)

Nhận biết và đánh giá các nội dung của ảnh là sự phân tích một hình ảnh thành những phần có nghĩa để phân biệt đối tượng này với đối tượng khác Dựa vào đó ta

có thể mô tả cấu trúc của hình ảnh ban đầu

Có thể liệt kê một số phương pháp nhận dạng cơ bản như nhận dạng biên của một đối tượng trên ảnh, tách cạnh, phân đoạn hình ảnh Kỹ thuật này được sử dụng nhiều trong y học (xử lý tế bào, nhiễm sắc thể)

Trong thực tế người ta đã áp dụng kỹ thuật nhận dạng khá thành công với nhiều đối tượng khác nhau như: nhận dạng ảnh vân tay, nhận dạng chữ (chữ cái, chữ số, chữ có dấu) Nhận dạng chữ in hoặc đánh máy trong văn bản phục vụ cho việc tự động hoá quá trình đọc tài liệu, tăng nhanh tốc độ và chất lượng thu nhận thông tin từ máy tính, nhận dạng chữ viết tay (với mức độ ràng buộc khác nhau về cách viết, kiểu chữ, )

Các quá trình của xử lý ảnh được tiến hành theo sơ đồ sau:

Hình 1.1 Các bước cơ bản trong một hệ thống xử lý ảnh

(theo tài liệu [2])

Sơ đồ này bao gồm các thành phần sau:

a) Phần thu nhận ảnh (Image Acquisition)

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) Ảnh cũng có thể thu nhận từ vệ tinh qua các bộ cảm ứng (sensor), hay ảnh được quét qua 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 b) Tiền xử lý (Image Processing)

Do những nguyên nhân khác nhau có thể do thiết bị thu nhận ảnh, do nguồn sáng hay do nhiễu, ảnh có thể có độ tương phản thấp, có thể bị suy biến Do vậy Chức năng chính của bộ tiền xử lý là lọc nhiễu, nâng độ tương phản, tăng cường và khôi phục lại ảnh để làm nổi bật một số đặc tính chính của ảnh, hay làm cho ảnh gần giống với trạng thái gốc- trạng thái trước khi ảnh bị biến dạng

c) Phân đoạn (Segmentation) hay phân vùng ảnh

Phân vùng ảnh là tách một ảnh đầu vào thành các vùng thành phần để biểu diễn phân tích, nhận dạng ảnh trên từng vùng

d) Biểu diễn và mô tả

Tìm các vùng đặc trưng điểm ảnh như biên ảnh (Boundary), vùng ảnh (Region),….và biểu diễn lại thông qua các điểm ảnh đặc trưng

e) Nhận dạng và nội suy ảnh (Image Recognition and Interpretation)

Nhận dạng ảnh là quá trình xác định ảnh Quá trình này thường thu được bằng cách so sánh với mẫu chuẩn đã được học (hoặc lưu) từ trước Nội suy là phán đoán theo ý nghĩa trên cơ sở nhận dạng Ví dụ: một loạt chữ số và nét gạch ngang trên phong bì thư có thể được nội suy thành mã điện thoại Có nhiều cách phân loai ảnh khác nhau về ảnh Theo lý thuyết về nhận dạng, các mô hình toán học về ảnh được phân theo hai loại nhận dạng ảnh cơ bản:

- Nhận dạng theo tham số

- Nhận dạng theo cấu trúc

Một số đối tượng nhận dạng khá phổ biến hiện nay đang được áp dụng trong khoa học và công nghệ là: nhận dạng ký tự (chữ in, chữ viết tay, chữ ký điện tử), nhận dạng văn bản (Text), nhận dạng vân tay, nhận dạng mã vạch, nhận dạng mặt người…

f) Cơ sở tri thức (Knowledge Base)

Tiếp nhận và xử lý theo phương pháp trí tuệ con người

1.2 Một số vấn đề trong xử lý ảnh

1.2.1 Điểm ảnh (Picture Element)

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 hóa ảnh 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)

Định nghĩa: Điểm ảnh (Pixel) là một phần tử của ảnh số tại toạ độ (x, y) với độ xám hoặc màu nhất định Kích thước và khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được chọn thích hợp sao cho mắt người cảm nhận sự liên tục về không gian và mức xám (hoặc màu) của ảnh số gần như ảnh thật Mỗi phần tử trong ma trận được gọi là một phần tử ảnh

Ảnh được xem như là một tập hợp các điểm ảnh Khi được số hóa, nó thường được biểu diễn bởi mảng 2 chiều (ví dụ ảnh I(mxn): m dòng và n cột và có m*n điểm ảnh) Một điểm ảnh có thể được biểu diễn bằng 1, 4, 8, 24 bits

1.2.2 Độ phân giải của ảnh

Định nghĩa: 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

Ví dụ: Độ phân giải của ảnh trên màn hình CGA (Color Graphic Adaptor) là một lưới điểm theo chiều ngang màn hình: 320 điểm chiều dọc * 200 điểm ảnh (320*200) Rõ ràng, cùng màn hình CGA 12” ta nhận thấy mịn hơn màn hình CGA 17” độ phân giải 320*200 Lý do: cùng một mật độ (độ phân giải) nhưng diện tích màn hình rộng hơn thì độ mịn (liên tục của các điểm) kém hơn

1.2.3 Mức xám của ảnh

Một điểm ảnh (pixel) có hai đặc trưng cơ bản là vị trí (x, y) của điểm ảnh và độ xám của nó Dưới đây chúng ta xem xét một số khái niệm và thuật ngữ thường dùng trong xử lý ảnh

a) Định nghĩa: Mức xám của điểm ảnh là cường độ sáng của nó được gán bằng giá trị số tại điểm đó

b) Các thang giá trị mức xám thông thường: 16, 32, 64, 128, 256 (Mức 256 là mức phổ dụng Lý do: từ kỹ thuật máy tính dùng 1 byte (8 bit) để biểu diễn mức xám: Mức xám dùng 1byte biểu diễn: 28=256 mức, tức là từ 0 đến 255)

c) Ảnh xám: là ảnh mà các điểm ảnh có mức xám nằm trong khoảng từ 0 đến 255 d) Ảnh nhị phân: ảnh chỉ có 2 mức đen trắng phân biệt tức dùng 1 bit mô tả 21 mức khác nhau Mỗi điểm ảnh của ảnh nhị phân chỉ có thể là 0 hoặc 1

e) Ảnh màu: ảnh tổ hợp từ ba màu cơ bản (Red, Blue, Green) để tạo nên thế giới màu, người ta thường dùng 3 byte để mô tả mức màu, khi đó các giá trị màu:

28*3=224≈ 16,7 triệu màu

1.2.4 Quan hệ giữa các điểm ảnh

Lân cận của điểm ảnh

Giả sử có điểm ảnh p tại tọa độ (x, y), p có các lân câ ̣n gần nhất theo chiều ngang và dọc là : (x+1,y), (x-1,y), (x,y+1), (x,y-1) Tập hợp các điểm ảnh này được