Khôi phục hình dạng ảnh và ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNTT&TT  - VŨ VĂN DƯƠNG KHÔI PHỤC HÌNH DẠNG ẢNH VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÁY TÍNH Chuyên ngành : Khoa học máy tính Mã số : 60 48 01 Thái Nguyên, năm 2011 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Khôi phục hình dạng ảnh ứng dụng” MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .4 LỜI CẢM ƠN .5 Phần 1: PHẦN MỞ ĐẦU Giới thiệu tổng quan đề tài .6 Lý chọn đề tài Bố cục luận văn .7 Phần 2: NỘI DUNG Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ KHÔI PHỤC ẢNH 1.1 Một số khái niệm xử lý ảnh .9 1.1.1 Xử lý ảnh 1.1.2 Các vấn đề xử lý ảnh .10 1.1.2.1 Một số 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 Trích chọn đặc điểm 11 1.1.2.6 Nhận dạng 12 1.1.2.7 Nén ảnh 13 1.1.3 Thu nhận biểu diễn ảnh 13 1.1.3.1 Thu nhận, thiết bị thu nhận ảnh 13 1.1.3.2 Biểu diễn ảnh 14 1.2 Khôi phục ảnh .16 1.2.1 Khái niệm khôi phục ảnh .16 1.2.2 Định nghĩa khôi phục ảnh 16 1.2.3 Các nguồn biến dạng 17 1.2.4.Các kỹ thuật khôi phục ảnh 17 1.2.5 Các mô hình quan sát tạo ảnh 17 1.2.5.1 Mô hình quan sát 17 1.2.5.2 Mô hình nhiễu .18 1.2.5.3 Các lọc 19 1.2.5.4 Khôi phục ảnh phƣơng pháp bình phƣơng tối thiểu .20 Chƣơng 2: CÁC KỸ THUẬT KHÔI PHỤC HÌNH DẠNG ẢNH .21 2.1 Phép biến đổi ảnh 21 2.1.1 Hệ tọa độ Barycentric phép nội suy Affine .21 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Khôi phục hình dạng ảnh ứng dụng” 2.1.1.1.Hệ tọa độ Barycentric .21 2.1.1.2 Phép nội suy Affine .22 2.1.2 Phép biến đổi ảnh Morphing 23 2.1.2.1 Mục đích 23 2.1.2.2 Khái niệm 23 2.1.3 Một số thuật toán biến đổi ảnh thƣờng gặp 23 2.1.3.1.Thuật toán bóp méo ảnh( Image Warping) 23 2.1.3.2 Thuật toán thay đổi kích thƣớc ảnh.(Image Scale) .24 2.1.3.3 Thuật toán quay ảnh (Image Rotate) .25 2.1.3.4 Thuật toán xoáy ảnh, cuộn (Image Fun) .26 2.2 Thuật toán bóp méo ảnh .27 2.2.1 Giới thiệu .27 2.2.2 Thuật toán bóp méo ảnh .30 2.2.2.1 Ý tƣởng thuật toán 30 2.2.2.2 Xây dựng thuật toán 31 2.3 Một số kỹ thuật thƣờng dùng bóp méo ảnh 32 2.3.1 Kỹ thuật xếp chồng ảnh .32 2.3.2 Kỹ thuật nắn chỉnh .33 2.3.3 Kỹ thuật cải tiến 35 2.3.4 Kỹ thuật dựa điểm tƣơng đƣơng 36 Chƣơng 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 37 3.1 Bài toán biến đổi hình dạng ảnh 37 3.1.1 Giới thiệu toán 37 3.1.2 Xây dựng thuật toán 38 3.2 Chƣơng trình thử nghiệm 40 3.2.1 Các khối modul chƣơng trình 40 3.2.1.1 Khối đọc thao tác ảnh .40 3.2.1.2 Khối thực biến đổi ảnh dựa điểm đặc trƣng 40 3.2.1.2.1 Hàm tính tọa độ Barycentric M ba điểm P1, P2, P3 41 3.2.1.3 Khối hiển thị kết ảnh 48 3.2.2 Giao diện chƣơng trình 49 3.2.2.1 Giao diện chƣơng trình 49 3.2.2.2 Giao diện tiếp nhận ảnh đầu vào 49 3.2.2.3 Giao diện tiếp nhận hai ảnh đầu vào .49 3.2.2.4 Giao diện đọc điểm đặc trƣng từ tệp 50 3.2.2.5 Giao diện thực nội suy khôi phục hình dạng ảnh 50 3.2.3 Kết chạy thử nghiệm .52 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Khôi phục hình dạng ảnh ứng dụng” 3.2.3.1 Bộ ảnh em Hằng lúc tuổi lúc 18 tuổi 52 3.2.3.2 Bộ ảnh bác Lộng lúc 35 tuổi lúc 65 tuổi .53 3.2.3.3 Bộ ảnh ngƣời Nhật lúc tuổi lúc 45 tuổi 53 Phần 3: PHẦN KẾT LUẬN 54 Các kết đạt đƣợc 54 Hƣớng phát triển đề tài .55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Khôi phục hình dạng ảnh ứng dụng” LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Khôi phục hình dạng ảnh ứng dụng” công trình nghiên cứu riêng dƣới hƣớng dẫn PGS.TS Đỗ Năng Toàn Các số liệu, hình ảnh đƣợc sử dụng luận văn nhƣ kết nghiên cứu đƣợc trình bày luận văn trung thực VŨ VĂN DƢƠNG Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Khôi phục hình dạng ảnh ứng dụng” LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô giáo TS Nguyễn Thị Hồng Minh tận tình hƣớng dẫn suốt trình em thực luận văn Em chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin & truyền thông - Đại học Thái Nguyên; quý Thầy, Cô Việc công nghệ thông tin tận tình truyền đạt kiến thức cho chúng em năm học tập nghiên cứu Với vốn kiến thức đƣợc tiếp thu trình học không tảng cho trình nghiên cứu luận văn mà hành trang quí báu, tảng vững để em tiếp tục nghiên cứu, hoạt động lĩnh vực công nghệ thông tin Cuối em kính chúc quý Thầy, Cô sức khỏe, hạnh phúc thành công sống Trân trọng cảm ơn! Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Khôi phục hình dạng ảnh ứng dụng” Phần 1: PHẦN MỞ ĐẦU Giới thiệu tổng quan đề tài Khôi phục ảnh lĩnh vực phát triển xử lý ảnh nói riêng ngành đồ họa nói chung Kỹ thuật dùng để khôi phục ảnh: “Kỹ thuật nắn chỉnh biến dạng hình học ảnh – thực biến đổi ảnh” Nắn chỉnh ảnh kỹ thuật đƣợc sử dụng nhiều đồ hoạ máy tính Nó đóng vai trò quan trọng số ngành nhƣ: ánh xạ bề mặt, biến hình, tạo bề mặt,…Ngoài ra, kết có nhiều ý nghĩa ngành xử lý ảnh, cảm ứng từ xa, thƣ giãn-giải trí,… Nắn chỉnh ảnh thực việc biến đổi hình học hai ảnh: ảnh nguồn ảnh đích Sự biến đổi hình học định nghĩa mối quan hệ điểm ảnh nguồn điểm ảnh đích Mối quan hệ đƣợc xác định hàm toán học đƣợc áp dụng toàn ảnh vùng ảnh Trong nhiều trƣờng hợp việc xác định hàm toán học nắn chỉnh ảnh, phải xác định thêm đặc trƣng sử dụng trình nắn chỉnh Có nhiều tiêu chí để phân lớp thuật toán nắn chỉnh ảnh Nếu phân chia theo luồng liệu biến đổi phân lớp nắn chỉnh ảnh thành lớp: phƣơng pháp tính xuôi phƣơng pháp tính ngƣợc Trong phƣơng pháp tính xuôi, điểm ảnh ảnh nguồn đƣợc xử lý theo dòng quét kết đƣợc thiết lập ảnh đích Trong phƣơng pháp tính ngƣợc ánh xạ ngƣợc điểm ảnh đích tới điểm ảnh nguồn Đối với ảnh số việc thực thi theo phƣơng pháp tính xuôi thƣờng không cho kết tốt Do vậy, hầu hết thuật toán phƣơng pháp tính ngƣợc Nếu phân biệt theo miền tác động thuật toán nắn chỉnh ta có phƣơng pháp: phƣơng pháp tác động toàn cục phƣơng pháp tác động cục Phƣơng pháp tác động toàn cục phƣơng pháp áp dụng thuật toán, tiêu chí nhƣ điểm ảnh Đối với phƣơng pháp cục việc nắn chỉnh ảnh áp dụng số vùng ảnh, vùng khác đƣợc giữ nguyên Các thuật toán nắn chỉnh toàn cục có tốc độ xử lý tƣơng đối nhanh, nhiên áp dụng đƣợc yêu cầu đơn giãn nhƣ co, giãn ảnh, nắn chỉnh ảnh Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Khôi phục hình dạng ảnh ứng dụng” thành hình tứ giác hay số hiệu ứng khác nhƣ mắt cá, kính núp,…Thuật toán nắn chỉnh ảnh cục thuật toán cho kết ấn tƣợng Tuy nhiên, để bóp méo cục theo vùng đòi hỏi phải xác định thêm tập đặc trƣng Đặc trƣng tập đoạn thẳng, điểm, lƣới tam giác,…Ngoài ra, việc xây dựng thuật toán tƣơng đối phức tạp Lý chọn đề tài Cùng với phát triển Multimedia, với khối lƣợng hình ảnh phim lƣu trữ ngày lớn, với phát triển vƣợt bậc thiết bị điện tử, tin học viễn thông thu hút nhiều chuyên gia vào nghiên cứu công cụ cung cấp cho việc lấy thông tin từ liệu file ảnh Khi máy tính đời việc xử lý thông tin hình ảnh ngày trở nên phổ biến Ngày nay, thông tin hình ảnh đóng vai trò ngày quan trọng việc trao đổi thông tin, phần lớn thông tin mà ngƣời thu đƣợc qua thị giác Bên cạnh đó, lƣợng liệu video số tăng lên với việc ứng dụng đa phƣơng tiện giáo dục, giải trí, kinh doanh, y tế,…Thực tế đặt toán: giảm dung lƣợng video tăng tốc độ xử lý, tổ chức lƣu trữ tìm kiếm video hiệu quả, hiểu nội dung video, nhận dạng đối tƣợng video Một lĩnh vực giúp thực đƣợc vấn đề xử lý ảnh Xuất phát từ mục đích trên, em xây dựng đề tài: “Khôi phục hình dạng ảnh ứng dụng” Thuật toán biến đổi ảnh kết hợp thuật toán biến đổi ảnh truyền thống là: thuật toán trộn ảnh, thuật toán biến đổi ảnh Morphing phép nội suy tam giác Barycentric Kết cuối cùng, việc áp dụng thuật toán để xây dựng hệ thống nội suy ảnh với ảnh đầu vào cho ảnh đích góc nhìn khác ảnh gốc Ứng dụng đƣợc xây dựng góp phần giải đƣợc vấn đề tốn dung lƣợng nhớ lƣu trữ liệu file ảnh Bởi vì, cần lƣu trữ hai ảnh đầu vào thay phải lƣu trữ chuỗi hình ảnh góc nhìn khác Bố cục luận văn  Phần mở đầu: Nêu lý chọn đề tài bố cục luận văn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Khôi phục hình dạng ảnh ứng dụng”  Nội dung: CHƢƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ KHÔI PHỤC ẢNH 1.1 Một số khái niệm xử lý ảnh 1.2 Tổng quan khôi phục ảnh CHƢƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT KHÔI PHỤC HÌNH DẠNG ẢNH 2.1 Phép biến đổi ảnh 2.1.1 Hệ tọa độ Barycentric phép nội suy Affine 2.1.2 Phép biến đổi ảnh Morphing 2.1.3 Các thuật toán biến đổi ảnh thƣờng gặp 2.1.3.1.Thuật toán bóp méo ảnh ( Image Warping) 2.1.3.2 Thuật toán thay đổi kích thước ảnh (Image Scale) 2.1.3.3 Thuật toán quay ảnh (Image Rotate) 2.1.3.4 Thuật toán xoáy ảnh, cuộn (Image Fun) 2.2 Các kỹ thuật thƣờng dùng khôi phục hình dạng ảnh 2.2.1 Kỹ thuật xếp chồng ảnh 2.2.2 Kỹ thuật nắn chỉnh 2.2.4 Kỹ thuật dựa điểm tƣơng đƣơng 2.3 Thuật toán bóp méo ảnh áp dụng vào khôi phục hình dạng ảnh 2.3.1 Giới thiệu 2.3.2 Thuật toán bóp méo ảnh áp dụng vào khôi phục ảnh 2.3.2.1 Ý tưởng thuật toán 2.3.2.2 Xây dựng thuật toán CHƢƠNG 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 3.1 Bài toán biến đổi hình dạng ảnh ứng dụng cho khôi phục ảnh 3.1.1 Giới thiệu toán 3.1.2 Xây dựng thuật toán 3.2 Chƣơng trình thử nghiệm 3.2.1 Các khối modul chƣơng trình 3.2.2 Giao diện chƣơng trình 3.2.3 Kết chạy thử nghiệm  Phần kết luận: Tóm tắt kết đạt đƣợc, hƣớng phát triển tiếp  Tài liệu tham khảo Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Khôi phục hình dạng ảnh ứng dụng” Phần 2: NỘI DUNG Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ KHÔI PHỤC ẢNH 1.1 Một số khái niệm xử lý ảnh 1.1.1 Xử lý ảnh Con ngƣời 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 hoạ đóng vai trò quan trọng tƣơng tác ngƣời máy Quá trình xử lý ảnh đƣợc xem nhƣ trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho kết mong muốn Kết đầu trình xử lý ảnh ảnh “tốt hơn” kết luận ẢNH TỐT HƠN XỬ LÝ ẢNH ẢNH KẾT LUẬN Hình 1.1.1.1 Quá trình xử lý ảnh Ảnh xem tập hợp điểm ảnh điểm ảnh đƣợc xem nhƣ đặc trƣng cƣờng độ sáng hay dấu hiệu vị trí đối tƣợng không gian xem nhƣ hàm n biến P(c1, c2, , cn) Do đó, ảnh xử lý ảnh xem nhƣ ảnh n chiều Sơ đồ tổng quát hệ thống xử lý ảnh: Hệ đinh Thu nhận ảnh (Scaner, camera, Sensor) Tiền xử lý Trích chọn đặc trƣng Đối sánh rút kết luận Hậu xử lý Lƣu trữ Hình 1.1.1.2 Sơ đồ tổng quát xử lý ảnh 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 ... Khôi phục hình dạng ảnh ứng dụng  Nội dung: CHƢƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ KHÔI PHỤC ẢNH 1.1 Một số khái niệm xử lý ảnh 1.2 Tổng quan khôi phục ảnh CHƢƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT KHÔI PHỤC HÌNH... Khôi phục hình dạng ảnh ứng dụng LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn Khôi phục hình dạng ảnh ứng dụng công trình nghiên cứu riêng dƣới hƣớng dẫn PGS.TS Đỗ Năng Toàn Các số liệu, hình ảnh. .. sỹ: Khôi phục hình dạng ảnh ứng dụng Phần 1: PHẦN MỞ ĐẦU Giới thiệu tổng quan đề tài Khôi phục ảnh lĩnh vực phát triển xử lý ảnh nói riêng ngành đồ họa nói chung Kỹ thuật dùng để khôi phục ảnh: