Kỹ thuật khảm ảnh và ứng dụng

1 MỤC LỤC Trang PHẦN MỞ ĐẦU Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ KHẢM ẢNH 1.1 Khái quát xử lý ảnh 1.1.1 Hệ thống xử lý ảnh 1.1.2 Ảnh biểu diễn ảnh 1.1.3 Mức xám lược đồ mức xám 11 1.2 Khảm ảnh 13 1.2.1 Khái niệm khảm ảnh 13 1.2.2 Một số kỹ thuật khảm ảnh 23 Chương 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT KHẢM ẢNH 25 2.1 Kỹ thuật đan đa phân giải 25 2.1.1 Các phép toán hình chóp 29 2.1.1.1 Hàm trọng số tương đương 30 2.1.1.2 Hình chóp Laplace 31 2.1.1.3 Các điều kiện biên 32 2.1.2 Kỹ thuật đan đa phân giải 34 2.1.2.1 Đan ảnh chồng lên 34 2.1.2.2 Đan vùng có hình dạng tuỳ ý 345 2.1.2.3 Đan ảnh không chồng lên 346 2.2 Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh 38 2.2.1 Kỹ thuật lọc trung bình 38 2.2.2 Kỹ thuật lọc trung vị 40 2.3 Kỹ thuật khảm kết hợp nắn chỉnh hình dạng hiệu chỉnh mức xám 42 2.3.1 Nắn chỉnh biến dạng 44 2.3.2 Khảm ảnh dựa tập điểm đặc trưng 47 2.3.3 Hiệu chỉnh mức xám 48 Chương 3: ỨNG DỤNG KHẢM ẢNH 52 3.1 Một số ứng dụng khảm ảnh 52 3.2 Chương trình thực nghiệm 56 3.2.1 Giới thiệu chương trình 56 3.2.2 Một số kết minh hoạ phần mềm SMImage 58 PHẦN KẾT LUẬN 608 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn PHỤ LỤC 631 Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn PHẦN MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, công nghệ thông tin phát triển mạnh mẽ phần cứng lẫn phần mền Sự phát triển công nghệ thông tin thúc đẩy phát triển nhiều lĩnh vực xã hội khác y học, giáo dục, giải trí, kinh tế v.v… Sự phát triển phần cứng phương diện thu nhận, hiển thị, tốc độ xử lý mở nhiều hướng cho phát triển phần mềm, đặt biệt lĩnh vực xử lý ảnh Ngày nay, nhu cầu tạo ảnh lớn từ nhiều ảnh nhỏ ngày tăng Ảnh toàn cảnh Mộc Thổ ghép từ nhiều ảnh riêng lẻ vệ tinh Voyager truyền Trái đất Ảnh toàn cảnh Trái đất tạo tương tự Các ảnh chi tiết thiên hà tinh vân ghép từ nhiều ảnh viễn vọng Trong trường hợp, kỹ thuật khảm ảnh sử dụng để tạo nên ảnh với tầm nhìn rộng chi tiết ảnh riêng lẻ thông thường Trong quảng cáo đồ hoạ vi tính, kỹ thuật sử dụng để tạo nên ảnh nhân tạo từ ảnh riêng biệt cách hợp lý Khi khảm hai ảnh với nhau, vấn đề kỹ thuật đặt cho đường biên chúng bị che giấu Như biết, khác biệt mức xám nhỏ hai bên đường biên dễ dàng nhận thấy Thật không may chênh lệch mức xám thường tránh khỏi số nhân tố khác vị trí đặt máy ảnh trình tiền xử lý Vì vậy, đòi hỏi phải có kỹ thuật chỉnh sửa mức xám ảnh miền lân cận biên để tạo nên miền chuyển tiếp trơn ảnh Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Xuất phát từ hoàn cảnh đó, em lựa chọn đề tài: ―Kỹ thuật khảm ảnh ứng dụng‖ việc làm ý nghĩa khoa học mà mang đậm tính thực tiễn, hoàn cảnh Việt Nam chưa có nhiều hệ thống thuộc dạng Về lý thuyết: Tìm hiểu khái quát xử lý ảnh số kỹ thuật khảm ảnh Về thực tiễn: Trên sở kiến thức thu thập, tổng hợp kỹ thuật để hướng đến ứng dụng thực tế cho kỹ thuật tìm hiểu Ngoài tài liệu tham khảo phụ lục, cấu trúc luận văn bao gồm phần mở đầu, phần kết luận ba chương nội dung, cụ thể:  Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ KHẢM ẢNH  Chương 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT KHẢM ẢNH  Chương 3: ỨNG DỤNG KHẢM ẢNH Nói chung, xử lý ảnh máy tính nhằm mục đích phân tích ảnh phục hồi thông tin bị sai lệch ảnh trình chụp Các chương trình xử lý ảnh thực phép xử lý ảnh số máy tính Việc xử lý, biến đổi ảnh có sử dụng đến kỹ thuật khảm ảnh nhằm chỉnh sửa mức xám ảnh miền lân cận biên để tạo nên miền chuyển tiếp trơn ảnh Để hiểu thêm xử lý ảnh, trình xử lý ảnh có sử dụng đến kỹ thuật khảm ảnh, ta vào phần luận văn Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chương KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ KHẢM ẢNH 1.1 Khái quát xử lý ảnh Con người thu nhận thông tin qua giác quan, thị giác đóng vai trò quan trọng Những năm trở lại với phát triển phần cứng máy tính, xử lý ảnh đồ hoạ phát triển cách mạnh mẽ có nhiều ứng dụng sống Xử lý ảnh đồ họa đóng vai trò quan trọng tương tác người - máy Xử lý ảnh (Image processing) lĩnh vực mang tính khoa học công nghệ Tuy mẻ so với nhiều ngành khoa học khác tốc độ phát triển nhanh, qui mô công nghiệp, điều kích thích trung tâm nghiên cứu, ứng dụng, đặc biệt máy tính chuyên dụng cho Xử lý ảnh có quan hệ mật thiết với nhận thức ảnh người Xử lý ảnh với ứng dụng biết đến nâng cao chất lượng ảnh báo truyền qua cáp từ London đến New York từ năm 1920 Vấn đề nâng cao chất lượng ảnh có liên quan tới phân bố mức sáng độ phân giải ảnh Việc nâng cao chất lượng ảnh phát triển vào khoảng năm 1955 Năm 1964, máy tính có khả xử lý nâng cao chất lượng ảnh từ mặt trăng vệ tinh Ranger Mỹ bao gồm: làm đường biên lưu ảnh Các ứng dụng xử lý ảnh trở nên phổ biến giữ vai trò quan trọng nhiều lĩnh vực điện ảnh, y tế, an ninh, thiên văn học… Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Đồ họa máy tính (Computer graphics) nghiên cứu sở toán học, thuật toán kỹ thuật để vẽ, hiển thị điều khiển hình ảnh hình máy tính Các ứng dụng đồ họa máy tính liên quan đến mô hình chuẩn đoán hình ảnh, tạo mô hình, hoạt cảnh, hỗ trợ thiết kế đồ họa huấn luyện ảo Thị giác máy (Computer vision) ngành khoa học công nghệ làm cho máy móc có khả “nhìn” Thị giác máy bao gồm việc thu nhận, xử lý, phân loại nhận dạng ảnh để cuối đưa định Các ứng dụng thị giác máy liên quan đến điều khiển trình, xác định kiện, tổ chức thông tin, mô hình hóa vật thể tương tác người - máy Ranh giới xử lý ảnh, đồ họa máy tính thị giác máy mang tính tương đối Chúng có mối liên hệ mật thiết, tương hỗ có phần giao thoa với Quá trình xử lý ảnh xem trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho kết mong muốn Kết đầu trình xử lý ảnh ảnh “tốt hơn” kết luận 1.1.1 Hệ thống xử lý ảnh Để hình dung cấu hình hệ thống xử lý ảnh chuyên dụng hay hệ thống xử lý ảnh dùng nghiên cứu, đào tạo, trước hết xem xét bước cần thiết xử lý ảnh Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 1.1 Các bước hệ thống xử lý ảnh  Thu nhận ảnh (Image acquisition) Các thiết bị thu nhận ảnh có hai loại ứng với hai loại ảnh thông dụng Raster Vector Các thiết bị thu nhận ảnh thông thường Raster camera Các thiết bị thu nhận ảnh thông thường Vector sensor số hoá (digitalizer) chuyển đổi từ ảnh Raster Các thiết bị thu ảnh thông thường gồm camera cộng với chuyển đổi tương tự số AD (Analog to Digital) scanner chuyên dụng Các thiết bị thu nhận ảnh cho ảnh đen trắng ảnh màu Đầu scanner ảnh ma trận số mà ta quen gọi đồ ảnh (ảnh Bitmap) Bộ số hoá (digitalizer) tạo ảnh vectơ có hướng Nhìn chung, hệ thống thu nhận ảnh thực hai trình: - Cảm biến: biến đổi lượng quang học (ánh sáng) thành lượng điện - Tổng hợp lượng điện thành ảnh  Tiền xử lý (Image processing) Tiền xử lý bước tăng cường ảnh để nâng cao chất lượng ảnh Do nguyên nhân khác nhau: chất lượng thiết bị thu nhận ảnh , nguồn sáng hay nhiễu, ảnh bị suy biến Do cần phải tăng cường khôi Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn phục lại ảnh để làm bật số đặc tính ảnh, hay làm cho ảnh gần giống với trạng thái gốc - trạng thái trước ảnh bị biến dạng  Trích chọn đặc điểm (Feature extraction) Vì lượng thông tin chứa ảnh lớn, đa số ứng dụng cần số thông tin đặc trưng đó, cần có bước trích chọn đặc điểm để giảm lượng thông tin khổng lồ Các đặc trưng ảnh thường gồm: mật độ xám, phân bố xác suất, phân bố không gian, biên ảnh  Hậu xử lý Nếu lưu trữ ảnh trực tiếp từ ảnh thô (brut image) theo kiểu đồ ảnh đòi hỏi dung lượng nhớ lớn, tốn mà nhiều không hiệu theo quan điểm ứng dụng Thường người ta không biểu diễn toàn ảnh thô mà tập trung đặc tả đặc trưng ảnh biên ảnh (boundary) hay vùng ảnh (region) Một số phương pháp biểu diễn thường dùng: - Biểu diễn mã loạt dài (Run-Length Code) - Biểu diễn mã xích (Chaine -Code) - Biểu diễn mã tứ phân (Quad-Tree Code) Ảnh đối tượng phức tạp đường nét, độ sáng tối, dung lượng điểm ảnh, môi trường để thu ảnh phong phú kéo theo nhiễu Trong nhiều khâu xử lý phân tích ảnh việc đơn giản hóa phương pháp toán học đảm bảo tiện lợi cho xử lý, người ta mong muốn bắt chước quy trình tiếp nhận xử lý ảnh theo cách người Trong bước xử lý đó, nhiều khâu xử lý theo phương pháp trí tuệ người Vì vậy, sở tri thức- hệ định phát huy  Đối sánh rút kết luận Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn So sánh ảnh sau bước hậu xử lý với mẫu chuẩn ảnh lưu trữ từ trước, phục vụ cho mục đích nhận dạng nội suy ảnh Nhận dạng ảnh (Image recognition) trình phân loại đối tượng biểu diễn theo mô hình gán cho chúng vào lớp (gán cho đối tượng tên gọi ) dựa theo qui luật mẫu chuẩn Một số đối tượng nhận dạng phổ biến áp dụng khoa học công nghệ nhận dạng ký tự (chữ in, chữ viết tay, chữ ký điện tử), nhận dạng văn (text), nhận dạng vân tay, nhận dạng mã vạch, nhận dạng mặt người… Nội suy (Image interpretation) phán đoán theo ý nghĩa sở nhận dạng Ví dụ, loạt chữ số nét gạch ngang phong bì thư nội suy thành mã điện thoại 1.1.2 Ảnh biểu diễn ảnh Ảnh thực tế ảnh liên tục không gian giá trị độ sáng Để xử lý ảnh máy tính cần thiết phải tiến hành số hoá ảnh Trong trình số hoá, người ta biến đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc thông qua trình lấy mẫu (rời rạc hoá không gian) lượng hoá thành phần giá trị mà nguyên tắc mắt thường không phân biệt hai điểm kề Trong trình này, người ta sử dụng khái niệm Picture element mà ta quen gọi hay viết Pixel - điểm ảnh Điểm ảnh xem dấu hiệu hay cường độ sáng toạ độ không gian đối tượng Ảnh xem tập hợp điểm ảnh Khi số hoá, thường biểu diễn bảng hai chiều I(n,p): n dòng p cột Ta nói ảnh Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 gồm n x p điểm ảnh Người ta thường kí hiệu I(x,y) để điểm ảnh Thường giá trị n chọn p 256 Một điểm ảnh lưu trữ 1, 4, hay 24 bit Về mặt toán học xem ảnh hàm hai biến f(x,y) với x, y biến tọa độ Giá trị số điểm (x,y) tương ứng với giá trị xám độ sáng ảnh (x cột, y hàng) Giá trị hàm ảnh f(x,y) hạn chế phạm vi số nguyên dương: ≤ f(x,y) ≤ fmax Thông thường ảnh xám, giá trị fmax 255 ( 28=256) phần tử ảnh mã hóa byte Khi quan tâm đến ảnh màu, ta mô tả màu qua ba hàm số: thành phần màu đỏ qua hàm R(x,y), thành phần màu lục qua hàm G(x,y) thành phần màu lam qua hàm B(x,y) Số điểm ảnh tạo nên ảnh gọi độ phân giải (resolusion) Độ phân giải thường biểu thị số điểm ảnh theo chiều dọc chiều ngang ảnh Ảnh có độ phân giải cao rõ nét Như vậy, ảnh to bị vỡ hạt, độ mịn Ảnh biểu diễn theo mô hình Vector mô hình Raster:  Mô hình Raster Đây mô hình biểu diễn ảnh thông dụng Ảnh biểu diễn dạng ma trận điểm ảnh Tùy theo nhu cầu thực tế mà điểm ảnh biểu diễn hay nhiều bit Mô hình Raster thuận lợi cho hiển thị in ấn Khi xử lý ảnh Raster, quan tâm đến mối quan hệ vùng lân cận điểm ảnh Các điểm ảnh xếp hàng lưới (Raster) hình vuông, lưới hình lục giác theo cách hoàn toàn ngẫu nhiên với Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ KHẢM ẢNH  Chương 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT KHẢM ẢNH  Chương 3: ỨNG DỤNG KHẢM ẢNH Nói chung, xử lý ảnh máy tính nhằm mục đích phân tích ảnh phục hồi thông tin bị sai lệch ảnh trình... nhiều ảnh viễn vọng Trong trường hợp, kỹ thuật khảm ảnh sử dụng để tạo nên ảnh với tầm nhìn rộng chi tiết ảnh riêng lẻ thông thường Trong quảng cáo đồ hoạ vi tính, kỹ thuật sử dụng để tạo nên ảnh. .. lý ảnh, trình xử lý ảnh có sử dụng đến kỹ thuật khảm ảnh, ta vào phần luận văn Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chương KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ KHẢM ẢNH