Phép toán hình thái học và ứng dụng

I HC THI NGUYấN KHOA CễNG NGH THễNG TIN NGUYN XUN VINH TI LUN VN PHẫP TON HèNH THI HC V NG DNG LUN VN THC S KHOA HC MY TNH Thỏi Nguyờn, nm 2010 Đại học Thái Nguyên KHOA CễNG NGH THễNG TIN NGUYN XUN VINH TI LUN VN PHẫP TON HèNH THI HC V NG DNG Chuyên ngành: Khoa hc mỏy tớnh Mã số: 60.48.01 Luận văn thạc Sỹ KHOA HC MY TNH Ngời hớng dẫn khoa học PGS.TS NGễ QUC TO Thái Nguyên - 2010 M U Phn ln ngi thu nhn thụng tin bng th giỏc, v c th ú l cỏc hỡnh nh V vỡ vy x lý nh l khụng th thiu v ht sc quan trng thu c hỡnh nh tt hn, p hn, nhm ỏp ng yờu cu thụng tin khỏc ca ngi nhn Trong x lý nh, vic nhn dng v phõn lp i tng cn tri qua cỏc quỏ trỡnh v cỏc thao tỏc khỏc V mt nhng bc quan trng v khụng th thiu c quỏ trỡnh x lý nh l ỏp dng cỏc phộp toỏn hỡnh thỏi hc, t ú a cỏc ng dng i vi nh t cỏc phộp toỏn hỡnh thỏi hc ú Xu hng nghiờn cu nh v cỏc phng phỏp x lý nh ó c nhiu tỏc gi nghiờn cu v tip tc c nghiờn cu c v mt lý thuyt ln ng dng thc t Cỏc phộp toỏn hỡnh thỏi hc l mt nhiu phộp toỏn x lý nh, thụng qua cỏc phộp toỏn ny cú th ng dng vo vic phỏt hin biờn nh, lm mnh, nõng cao cht lng nh ng nột Mc tiờu ca lun l tỡm hiu cỏc phộp toỏn hỡnh thỏi hc v ng dng ca nú, h thng húa kin thc v cỏc phộp toỏn hỡnh thỏi hc, ng thi ng dng thc t bi toỏn cú s dng cỏc phng phỏp trờn x lý nh Phm vi ca lun l tỡm hiu cỏc lý thuyt v t nhng lý thuyt ó tỡm hiu, ci t ng dng thc t Trong khuụn kh mt lun Thc s, vic tỡm hiu v ng dng phộp toỏn hỡnh thỏi hc x lý nh l ht sc cn thit, nhn xột, ỏnh giỏ cỏc phng phỏp tiờu biu v kh nng ng dng cao thc t Trờn c s ti tỡm hiu cỏc phộp toỏn hỡnh thỏi hc v ng dng, nhim v t c th nh sau: Hiu rừ cỏc phộp toỏn hỡnh thỏi hc ng dng ca cỏc phộp toỏn hỡnh thỏi hc i vi vic x lý nh Vic tỡm hiu v xõy dng ng dng l cn thit, la chn cỏc cụng c phỏt trin ci t cỏc phng phỏp phự hp v ng dng Lun hon thnh khụng ch l h thng hoỏ cỏc kin thc v phộp toỏn hỡnh thỏi hc v ng dng chỳng vic x lý nh m cũn l ti liu tham kho Phng phỏp nghiờn cu chớnh ca lun gm: Tỡm hiu v thu thp cỏc ti liu v x lý nh v phộp toỏn hỡnh thỏi Mụ t chớnh xỏc cỏc phộp toỏn hớnh thỏi Tỡm hiu phộp toỏn phỏt sinh t phộp toỏn hớnh thỏi Tỡm hiu cỏc kt qu cú th ng dng t cỏc phộp toỏn hỡnh thỏi Tin hnh ci t th nghim mt s phộp toỏn CHNG I TNG QUAN V X Lí NH V PHNG PHP NNG CAO CHT LNG NH 1.1 Tng quan v x lý nh 1.1.1 X lý nh v cỏc c bn x lý nh 1.1.1.1 X lý nh Thụng tin c ngi thu nhn thụng qua cỏc giỏc quan, ú th giỏc úng vai trũ rt quan trng Hin vi s phỏt trin ca khoa hc cụng ngh vt bc thỡ ha, x lý nh ó phỏt trin mt cỏch mnh m v nú cng ó cú nhiu ng dng quan trng cuc sng Cng nh x lý d liu bng ho, x lý nh s l mt lnh vc ca tin hc ng dng X lý d liu bng cp n nhng nh nhõn to, cỏc nh ny c xem xột nh l mt cu trỳc d liu v c to bi cỏc chng trỡnh X lý nh s bao gm cỏc phng phỏp v k thut bin i, truyn ti hoc mó húa cỏc nh t nhiờn Mc ớch ca x lý nh gm: Th nht, bin i nh v lm p nh Th hai, t ng nhn dng nh hay oỏn nhn nh v ỏnh giỏ cỏc ni dung ca nh Nhn dng nh l quỏ trỡnh liờn quan n cỏc mụ t i tng m ngi ta mun c t nú Quỏ trỡnh nhn dng thng i sau quỏ trỡnh trớch chn cỏc c tớnh ch yu ca i tng Cú hai kiu mụ t i tng: - Mụ t tham s (nhn dng theo tham s) - Mụ t theo cu trỳc(nhn dng theo cu trỳc) Nhn bit v ỏnh giỏ cỏc ni dung ca nh l s phõn tớch mt hỡnh nh thnh nhng phn cú ngha phõn bit i tng ny vi i tng khỏc Da vo ú ta cú th mụ t cu trỳc ca hỡnh nh ban u.[1] Cú th lit kờ mt s phng phỏp nhn dng c bn nh nhn dng biờn ca mt i tng trờn nh, tỏch cnh, phõn on hỡnh nh K thut ny c s dng nhiu y hc (x lý t bo, nhim sc th) Trong thc t ngi ta ó ỏp dng k thut nhn dng khỏ thnh cụng vi nhiu i tng khỏc nh: nhn dng nh võn tay, nhn dng ch (ch cỏi, ch s, ch cú du) Nhn dng ch in hoc ỏnh mỏy bn phc v cho vic t ng hoỏ quỏ trỡnh c ti liu, tng nhanh tc v cht lng thu nhn thụng tin t mỏy tớnh, nhn dng ch vit tay (vi mc rng buc khỏc v cỏch vit, kiu ch, Quỏ trỡnh x lý nh c xem nh l quỏ trỡnh thao tỏc nh u vo nhm cho kt qu mong mun Kt qu u ca mt quỏ trỡnh x lý nh cú th l mt nh Tt hn hoc mt kt lun nh Tt hn nh X Lí NH Kt lun Hỡnh 1.1 Quỏ trỡnh x lý nh nh cú th xem l hp cỏc im nh v mi im nh c xem nh l c trng cng ỏnh sỏng hay mt du hiu no ú ti mt v trớ no ú ca i tng khụng gian v nú cú th xem nh mt hm n bin P(c 1, c2, , cn) Do ú nh x lý nh cú th xem nh nh n chiu Quỏ trỡnh ca x lý nh c tin hnh theo s sau: Lu tr Thu nhn nh (Camera, Scanner, Sensor, ) Tin x lý Trớch chn c im i sỏnh rỳt kt lun Hu x lý H quyt nh Hỡnh 1.2: Cỏc bc c bn mt h thng x lý nh Trc ht l quỏ trỡnh thu nhn nh nh cú th thu nhn qua camera Thng nh thu nhn qua camera l tớn hiu tng t (loi camera ng kiu CCIR), nhng cng cú th l tớn hiu s hoỏ (loi CCD - Charge Coupled Device) nh cú th thu nhn t v tinh qua cỏc b cm ng (sensor), hay nh, tranh c quột qua scanner Tip theo l quỏ trỡnh s húa (Digitalizer) bin i tớn hiu tng t sang tớn hiu ri rc (ly mu) v s húa bng lng húa, trc chuyn sang giai on x lý, phõn tớch hay lu tr li Quỏ trỡnh phõn tớch nh thc cht bao gm nhiu cụng on nh Trc ht l cụng vic tng cng hỡnh nh (Image Enhancement) nõng cao cht lng hỡnh nh Do nhng nguyờn nhõn khỏc nhau: cú th thit b thu nhn nh, ngun sỏng hay nhiu, nh cú th b suy bin Do vy cn phi tng cng v khụi phc (Image Restoration) li nh lm ni bt mt s c tớnh chớnh ca nh, hay lm cho nh gn ging vi trng thỏi gc- trng thỏi trc nh b bin dng Giai on tip theo l phỏt hin cỏc c tớnh nh biờn (Edge Detection), phõn vựng nh (Image Segmentation), trớch chn cỏc c tớnh (Feature Extraction),v.v [1] Cui cựng, tu theo mc ớch ca ng dng, s l giai on nhn dng, phõn lp hay cỏc quyt nh khỏc Cỏc giai on chớnh ca quỏ trỡnh x lý nh cú th mụ t hỡnh 1.2.[5] 1.1.1.2 Cỏc dng nh Nh ó gii thiu trờn Trong quỏ trỡnh x lý nh, mt nh thu nhn vo mỏy tớnh phi c mó hoỏ Hỡnh nh lu tr di dng tin phi c s hoỏ Tiờu chun t l nh phi lu tr th no cho cỏc ng dng khỏc cú th thao tỏc trờn cỏc loi d liu ny Hin cú trờn 30 kiu lu tr nh khỏc nhau, ú ta thng gp cỏc dng nh sau: TIFF, GIF, BMP, PCX, JPEG, Núi chung mi kiu lu nh cú u im riờng Pixel (Picture Element): Phn t nh nh thc t l mt nh liờn tc v khụng gian v v giỏ tr sỏng cú th x lý nh bng mỏy tớnh cn thit phi tin hnh s hoỏ nh Trong quỏ trỡnh s hoỏ, ngi ta bin i tớn hiờ liờn tc sang tớn hiu ri rc thụng qua quỏ trỡnh ly mu (ri rc hoỏ v khụng gian) v lng hoỏ thnh phn giỏ tr m v nguyờn tc, mt thng khụng phõn bit c hai im k Trong quỏ trỡnh ny, ngi ta s dng khỏi nim Picture Element m ta quen gi hay vit l pixel( phn t nh) Nh vy mt nh l mt hp cỏc Pixel õy cng cn phõn bit khỏi nim Pixel hay cp n cỏc h thng ho mỏy tớnh trỏnh nhm ln ta tm gi khỏi nim Pixel ny l Pixel thit b Khỏi nim Pixel thit b cú th xem xột nh sau: Khi ta quan sỏt mn hỡnh (trong ch ho), mn hỡnh khụng liờn tc m gm nhiu im nh, gi l Pixel Mi Pixel gm mt cp to x,y v mu Tu theo vựng cỏc giỏ tr mc xỏm ca im nh, m cỏc nh c phõn chia thnh nh mu, nh xỏm, hay nh nh phõn nh nh phõn: Khi trờn mt nh ch tn ti cỏc giỏ tr hoc thỡ ta núi ú l nh nh phõn (hoc nh en trng) v cỏc im nh ca nú gi l im nh nh phõn mi im ch cú giỏ tr en hoc trng khụng cú cỏc mc xỏm khỏc Vi nh xỏm: Nu dựng bit (1 byte) biu din mc xỏm, thỡ s cỏc mc xỏm cú th biu din c l hay 256 Mi mc xỏm c biu din di dng l mt s nguyờn nm khong t n 255, vi mc biu din cho mc cng ti nht v 255 biu din cho mc cng sỏng nht Vi nh mu: Cỏch biu din cng tng t nh vi nh en trng, ch khỏc l cỏc s ti mi phn t ca ma trn biu din cho ba mu riờng r gm: (red), lc (green) v lam (blue) biu din cho mt im nh mu cn 24 bit, 24 bit ny c chia thnh ba khong bit Mi khong ny biu din cho cng sỏng ca mt cỏc mu chớnh, t hp ca cỏc mu ta c nhiu mc biu din, nh vy mi im nh cú th c mụ t rừ giỏ tr mu t nhiờn ca nú (true color) nh a cp xỏm: nh c ỏp dng nhiu lnh vc nh sinh vt hc hoc cụng nghip Thc t ch rng bt k ng dng no trờn nh mc xỏm cng ng dng c trờn nh mu Ta cú th bin i nh mu v nh xỏm Mi im ca nh mu cú giỏ tr (Red, Green, Blue), nu giỏ tr ny bng thỡ ta cú mu xỏm (Grey), ú vi mi im nh ta ch cn lu mt giỏ tr Vic x lý nh nh phõn l mt bc tin x lý cỏc nh, phõn on v tỏch cỏc c tớnh Nh vy ta cú th bit c mi quan h tụpụ gia cỏc im nh cng nh thc hin cỏc phộp bin i nh khụng tuyn tớnh t hiu qu; quỏ trỡnh x lý nh cỏc phộp bin i ny dn n s n gin hoỏ vic ỏnh giỏ nh Vic m cỏc im nh trờn nh nh phõn ó qua bin i to iu kin thun li cho vic tỏch cỏc c tớnh Bng cỏch s dng cỏc nh nh phõn ó qua x lý nh l nhng mt n i vi cỏc nh xỏm, ta cú th tỏch cỏc vựng ỏng quan tõm ca mt nh xỏm t hp cỏc nh to mt nh nh phõn, mt nh xỏm cn phi c bin i thnh mt nh nh phõn nh mt quỏ trỡnh phõn on thớch hp Mun th phng phỏp n gin nht l phng phỏp tỏch ngng Cỏc giỏ tr nm bờn trờn ngng c gỏn giỏ tr cũn bờn di ngng thỡ c gỏn giỏ tr Vic tỡm giỏ tr ngng cú th thc hin t ng nh k thut tỏch ngng t ng 10 1.1.1.3 Cỏc c bn v nh * Mt s khỏi nim c bn - im nh c xem nh l du hiu hay cng sỏng ti mt ta khụng gian ca i tng v nh c xem nh l mt hp cỏc im nh(nh) - Mc xỏm (mu): l s cỏc giỏ tr cú th cú ca cỏc im nh ca nh * Nn chnh bin dng nh thu nhn cú th b bin dng cỏc thit b quang hc, in t, hoc iu kin t nhiờn tỏc ng khụng theo ý mun ca ngi Chớnh vỡ vy cn nn chnh bin dng thu c nh theo mong mun ca ngi a) nh thu nhn b) nh mong mn Hỡnh 1.3 nh thu nhn v nh mong mun * Kh nhiu Cú loi nhiu c bn quỏ trỡnh thu nhn nh: - Nhiu h thng: l nhiu cú quy lut cú th kh bng cỏc phộp bin i - Nhiu ngu nhiờn: vt bn khụng rừ nguyờn nhõn cú th khc phc bng cỏc phộp lc * Chnh mc xỏm Nhm khc phc tớnh khụng ng u ca h thng gõy Thụng thng cú hng tip cn: 56 a) nh gc b) nh kt qu Hỡnh 3.11: Tỏch cỏc i tng dớnh 57 CHNG 4: CI T MT S THUT TON NG DNG 4.1 Gii thiu v Matlab Matlab l mt phn mm toỏn hc ca hóng Mathworks tớnh toỏn trờn cỏc s v cú tớnh trc quan rt cao Matlab l vit tt ca Matrix Laboratory Matlab lm vic ch yu vi cỏc ma trn Ma trn c mxn l bng s ch nht gm mxn s c sp xp thnh m hng v n ct Trng hp m=1 hoc n=1 thỡ ma trn tr thnh vect dũng hoc ct; trng hp m=n=1 thỡ m a trn tr thnh mt i lng vụ hng Núi chung, Matlab cú th lm vic vi nhiu kiu d liu khỏc Vi xõu ch (chui ký t) Matlab cng xem l mt dóy cỏc ký t hay l dóy mó s ca cỏc ký t Matlab dựng gii quyt cỏc bi toỏn v gii tớch s, x lý tớn hiu s, x lý ha, m khụng phi lp trỡnh c in Hin nay, Matlab cú n hng ngn lnh v hm tin ớch Ngoi cỏc hm ci sn chớnh ngụn ng, Matlab cũn cú cỏc lnh v hm ng dng chuyờn bit cỏc Toolbox, m rng mụi trng Matlab nhm gii quyt cỏc bi toỏn thuc cỏc phm trự riờng Cỏc Toolbox khỏ quan trng v tin ớch cho ngi dựng nh toỏn s cp, x lý tớn hiu s, x lý nh, x lý õm thanh, ma trn tha, logic m, Ngi dựng cng cú th to nờn cỏc hm phc v cho chuyờn mụn ca mỡnh, lu vo M-file dựng v sau Cn thao tỏc x lý nh thỡ cú th dựng Toolbox Image cú c th vin ú nh l c nh (imread), xem nh (imshow), Matlab cũn cú giao din khỏ p mt v d s dng Ngi dựng cú th tớnh toỏn v to nờn cỏc hỡnh nh 2, chiu cho trỡnh ng dng ca mỡnh 4.2 Giao din chng trỡnh Demo 58 4.3 Cỏc on chng trỡnh Demo 4.3.1 Co nh, gión nh, 4.3.1.1 Phộp co nh Function dananh a=mmreadgray('coanh.bmp') figure(1),mmshow(a) b=mmdil(a) figure(2),mmshow(b) c= mmdil(b) figure(3),mmshow(c) 59 4.3.1.2 Phộp gión n Function dananh a=mmreadgray('dananh.bmp') figure(1),mmshow(a) b=mmero(a) figure(2),mmshow(b) c= mmero(b) figure(3),mmshow(c) 4.3.1.3 Phộp toỏn úng Function closeanh f=mmreadgray('blob.tif'); bimg=mmreadgray('blob1.tif'); b=mmimg2se(bimg); figure(1), mmshow(f); mmshow(mmclose(f,b)); mmshow(mmclose(f,b),mmgradm(f)); f = mmreadgray('form-1.tif'); figure(2), mmshow(f); y = mmclose(f,mmsedisk(4)); figure(3), mmshow(y); f = mmreadgray('n2538.tif'); figure(4), mmshow(f); 60 y = mmclose(f,mmsedisk(3)); figure(5), mmshow(y); 4.3.1.4 Phộp toỏn m Function v_open f=mmbinary(mmreadgray('blob.tif')); bimg=mmbinary(mmreadgray('blob1.tif')); b=mmimg2se(bimg); figure(1), mmshow(f); figure(2), mmshow(mmopen(f,b)); figure(3), mmshow(mmopen(f,b),mmgradm(f)); a=mmbinary(mmreadgray('pcb1bin.tif')); b=mmopen(a,mmsebox(2)); c=mmopen(a,mmsebox(4)); figure(4), mmshow(a); figure(5), mmshow(b); figure(6), mmshow(c); a=mmreadgray('astablet.tif'); b=mmopen(a,mmsedisk(18)); figure(7), mmshow(a); figure(8), mmshow(b); 61 4.3.2 Phỏt hin i tng thiu nh Function asp a = imread('astablet.tif'); figure(1), mmshow(a); b = mmsurf(a); figure(2), mmshow(b); c = mmregmax(a,mmsebox); figure(3), mmshow(b,c); d = mmopen(a, mmsedisk(20)); e = mmsurf(d); figure(4), mmshow(e); f = mmregmax(d,mmsebox); figure(5), mmshow(e,f); figure(6), mmshow(a); figure(7), mmshow(f); 4.3.3 m i tng nh Function dem_so_doi_tuong_va_gan_nhan f = mmreadgray('blob3.tif'); fr = mmlabel(f); figure(1), mmshow(f); figure(2), mmlblshow(fr,'border'); nblobs=mmstats(fr,'max'); 62 %Centroids c = mmblob(fr,'centroid'); cr = mmlabel(c); figure(3), mmshow(f,c); figure(4), mmlblshow(mmdil(cr)); %Placing a number on a particular blob fbin = mmcmp(cr,'==',uint16(5)); f5 = mmtext('5'); b5 = mmimg2se(f5); fb5 = mmdil(fbin,b5); figure(5), mmshow(mmdil(fbin)); figure(6), mmshow(f,fb5); %Placing a label number to each labeled blob facc=mmsubm(f,f); for i=1:nblobs fbin = mmcmp(cr,'==',uint16(i)); fi = mmtext(sprintf('%d',i)); bi = mmimg2se(fi); fbi = mmdil(fbin,bi); facc = mmunion(facc,fbi); end; figure(7), mmshow(f,facc); 63 4.3.4 Tỏch cỏc i tng dớnh function tach_doi_tuong_dinh_nhau %Reading and elimination of white pores a = mmreadgray('bloodcells.tif'); figure(1), mmshow(a); b = mmareaopen(a, 200); figure(2),mmshow(b); %Threshold and shape smoothing c = mmcmp( uint8(0), '