Xử lý ảnh mờ và xây dựng chương trình ứng dụng

Header Page of 128 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp em nhận giúp đỡ nhiệt tình thầy, giáo bạn đặc biệt giúp đỡ nhiệt tình PGS.TS Lê Huy Thập Em xin cảm ơn giáo Th.S Lưu Thị Bích Hương góp ý hướng dẫn hữu ích q trình thực đề tài Em gửi lời cám ơn tới thầy, cô giáo khoa Công nghệ thông tin trường Đại học sư phạm Hà Nội tận tình dạy dỗ chúng em suốt bốn năm học trường Mặc dù em cố gắng thời gian có hạn nên khóa luận em khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đóng góp thầy, giáo bạn để khóa luận em hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2013 Sinh viên Trần Thị Hoa luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page of 128 Header Page of 128 LỜI CAM ĐOAN Tên em là: TRẦN THỊ HOA Sinh viên lớp: K35 – Tin học, khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học sư phạm Hà Nội Em xin cam đoan: Đề tài: “Xử lý ảnh mờ xây dựng chương trình ứng dụng” nghiên cứu riêng em, hướng dẫn thầy giáo PGS.TS Lê Huy Thập Khóa luận hồn tồn khơng chép tác giả khác Nếu sai em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Hà Nội, tháng năm 2013 Người cam đoan Trần Thị Hoa luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page of 128 Header Page of 128 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Viết đầy đủ BMP Better Management Practices GIF Graphics Interchange Format JPEG Joint Photo – graphic Experts Group PCX Principal Component Analysis PNG Portable Network Graphics TIFF Tagg Image File Format luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page of 128 Header Page of 128 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG Hình 1.1: Quá trình xử lý ảnh Hình 1.2: Các bước hệ thống xử lý ảnh Hình 1.3: Ảnh thu nhận ảnh mong muốn Hình 1.4: Quá trình hiển thị chỉnh sửa, lưu trữ ảnh thơng qua DIB Hình 1.5: Sự chuyển đổi mơ hình biểu diễn ảnh Hình 1.6: Giao diện làm việc Hình 1.7: Cửa sổ Command Window Hình 1.8: Cửa sổ command History Hình 1.9: Cửa sổ Workspace Hình 1.10: Cửa sổ Variable Editor Hình 1.11: Cửa sổ M-file Hình 2.1: Mơ hình hóa khơi phục lại ảnh gốc Hình 3.1: Giao diện ban đầu chương trình Hình 3.2: Giao diện sau chọn xong ảnh để làm mờ Hình 3.3: Giao diện ảnh bị mờ Hình 3.4: Giao diện lưu ảnh Hình 3.5: Giao diện sau chọn ảnh cần khử mờ Hình 3.6: Giao diện ảnh khử mờ Bảng 1.1: Các thông tin file ảnh luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page of 128 Header Page of 128 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Xử lý ảnh, vấn đề xử lý ảnh 1.1.1 Xử lý ảnh 1.1.2 Các vấn đề xử lý ảnh 1.2 Thu nhận biểu diễn ảnh 10 1.2.1 Thu nhận, thiết bị thu nhận ảnh 10 1.2.2 Biểu diễn ảnh 10 1.3 Giới thiệu chung Matlab 14 1.3.1 Cấu trúc liệu ứng dụng 14 1.3.2 Môi trường làm việc Matlab 16 1.3.3 Đọc ghi liệu ảnh 19 1.3.4 Xem lớp lưu trữ file 21 1.3.5 Truy vấn file đồ hoạ 22 1.3.6 Chuyển đổi định dạng file ảnh 22 1.3.7 Các hàm chuyển đổi kiểu ảnh 22 CHƯƠNG 2: XỬ LÝ ẢNH MỜ 24 2.1 Ảnh mờ 24 2.1.1 Định nghĩa ảnh mờ 24 2.1.2 Nguyên nhân ảnh bị mờ 24 2.2 Khôi phục ảnh mờ 25 2.2.1 Sơ đồ q trình khơi phục ảnh mờ 25 2.2.2 Các phương pháp khôi phục ảnh mờ 28 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG 35 luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page of 128 Header Page of 128 3.1 Giới thiệu toán 35 3.2 Thiết kế chương trình 36 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 39 Kết luận 39 Hướng phát triển nghiên cứu 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 PHỤ LỤC luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page of 128 Header Page of 128 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Xử lý ảnh lĩnh vực mang tính khoa học cơng nghệ Nó ngành khoa học mẻ so với nhiều ngành khoa học khác tốc độ phát triển nhanh, kích thích trung tâm nghiên cứu, ứng dụng, đặc biệt máy tính chun dụng riêng cho Xử lý ảnh đưa vào giảng dạy bậc đại học nước ta khoảng chục năm Nó môn học liên quan đến nhiều lĩnh vực cần nhiều kiến thức sở khác Đầu tiên phải kể đến Xử lý tín hiệu số mơn học cho xử lý tín hiệu chung, khái niệm tích chập, biến đổi Fourier, biến đổi Laplace, lọc hữu hạn…Thứ hai, cơng cụ tốn Đại số tuyến tính, sác xuất thống kê Một số kiến thứ cần thiết Trí tuệ nhân tạo, Mạng nơron nhân tạo đề cập q trình phân tích nhận dạng ảnh Mục tiêu xử lý ảnh truyển nhiều ảnh, nén nhiểu phục vụ cho nhu cầu giải trí, nghiên cứu trao đổi thông tin ngày cao người, nhu cầu truyền ảnh nén ảnh Sau biến đổi ảnh thành màng liệu xử lý chúng, để thu kết phân tích xử lý, cần khơi phục lại ảnh từ mảng liệu xử lý hay truyền dẫn Trong trình xử lý truyền dẫn mảng liệu ảnh tất nhiên có nhiều tín hiệu ngẫu nhiên đường truyền hay mơi trường xung quanh làm hư hại ảnh Vì vậy, để khơi phục lại ảnh có chất lượng tốt, thiết phải bỏ tín hiệu Một câu hỏi đặt là: làm để khôi phục, loại bỏ nhiễu? Để trả lời câu hỏi em chọn đề tài “Xử lý ảnh mờ xây dựng chương trình ứng dụng” viết ngơn ngữ Matlab để khôi phục lại ảnh bị mờ nhiễu -1- luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page of 128 Header Page of 128 Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu “Xử lý ảnh mờ xây dựng chương trình ứng dụng” nhằm để khôi phục lại ảnh bị mờ nhiễu hay bị hư hại lọc khác Để đạt mục đích có ba nhiệm vụ đặt sau: - Tìm hiểu nguyên nhân mờ ảnh - Tìm hiểu phương pháp khơi phục ảnh bị mờ - Xây dựng chương trình ứng dụng Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu phương pháp khử mờ ảnh Đồng thời tìm hiểu thêm phương pháp làm mờ nhằm mục đích khử ảnh bị mờ làm cho chúng rõ Phạm vi nghiên cứu Xử lý ảnh mờ xây dựng để ứng dụng cho thiết bị xử lý ảnh áp dụng lĩnh vực xử lý ảnh Trong phạm vi đề tài em nghiên cứu xử lý ảnh để khôi phục lại ảnh bị mờ Phương pháp nghiên cứu a Phương pháp nghiên cứu lý luận Nghiên cứu qua việc đọc sách, báo tài liệu liên quan nhằm xây dựng sở lý thuyết đề tài biện pháp cần thiết để giải vấn đề đề tài b Phương pháp chuyên gia Tham khảo ý kiến chuyên gia để thiết kế chương trình phù hợp với yêu cầu thực tiễn Nội dung xử lý nhanh đáp ứng yêu cầu ngày cao người sử dụng c Phương pháp thực nghiệm Thông qua quan sát thực tế, yêu cầu sở, lý luận nghiên cứu kết đạt qua phương pháp -2- luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page of 128 Header Page of 128 Ý nghĩa khoa học thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Xử lý ảnh mờ nghiên cứu, phát triển dựa sở khoa học vững góp phần cho phát triển ngành xử lý ảnh nói riêng lĩnh vực khoa học nói chung Hiện xử lý ảnh lĩnh vực chuyên gia nghiên cứu phát triển Ý nghĩa thực tiễn: Chương trình xử lý ảnh mờ thành cơng đóng góp phần nhỏ cho xử lý ảnh mờ, nghiên cứu trao đổi thông tin ngày cao người Cấu trúc khóa luận Ngồi phần mở đầu, kết luận hướng phát triển nghiên cứu, tài liệu tham khảo phụ lục, nội dung khóa luận gồm ba chương: Chương 1: Cơ sở lý thuyết Chương 2: Xử lý ảnh mờ Chương 3: Thiết kế chương trình -3- luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page of 128 Header Page 10 of 128 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Xử lý ảnh, vấn đề xử lý ảnh 1.1.1 Xử lý ảnh Con người thu nhận thơng tin qua hình giác quan, thị giác đóng vai trò quan trọng Những năm trở lại với phát triển phần cứng máy tính, xử lý ảnh đồ họa phát triển mạnh mẽ có nhiều ứng dựng sống Xử lý ảnh đồ họa đóng vai trò quan trọng tương tác người máy Quá trình xử lý ảnh xem trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho kết mong muốn Kết đầu q trình xử lý ảnh ảnh “tốt hơn” kết luận Ảnh XỬ LÝ ẢNH Ảnh “tốt hơn” Kết luận Hình 1.1: Q trình xử lý ảnh Ảnh xem tập hợp điểm ảnh điểm ảnh xem đặc trưng cường độ sáng hay dấu hiệu vị trí đối tượng khơng gian xem hàm n biến P(c1, c2,…,cn) Do đó, ảnh xử lý ảnh xem ảnh n chiều Sơ đồ tồng quát hệ thống xử lý ảnh: Hệ định Thu nhận ảnh (scanner, camera) Tiền xử lý Trích chọn đặc điểm Đối sánh rút kết luận Hậu xử lý Lưu trữ Hình 1.2: Các bước hệ thống xử lý ảnh -4- luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 10 of 128 Header Page 39 of 128 loại khỏi nghiệm cách cho có trọng số WEIGHT sử dụng để loại bỏ pixel biên ảnh Hàm deconvlucy thi hành vài điều hợp tới giải thuật Lucy-Richardson Sử dụng điều hợp ta có thể: + Giảm tác động mở rộng nhiễu ảnh khơi phục + Giải thích tính không đồng chất lượng ảnh + Điều khiển camera đọc hết nhiễu + Cải thiện độ phân giải ảnh phục hồi cách lấy mẫu phụ Giảm tác động mở rộng nhiễu: Sự mở rộng nhiễu vấn đề thường gặp phương pháp giống cực đại (maximum likelihood) cố gắng lấp đầy liệu gần Sau số vòng lặp, ảnh khơi phục có hình lốm đốm, đặc biệt với đối tượng phẳng quan sát tỉ số tín hiệu / nhiễu nhỏ Những đốm khơng đại diện cho cấu trúc ảnh thực giả tạo việc làm khớp nhiễu ảnh gần Để điều khiển mở rộng nhiễu, hàm deconvlucy sử dụng tham số gọi DAMPAR Tham số mức ngưỡng cho độ lệch ảnh kết so với ảnh gốc Với pixel mà lệch khỏi vùng lân cận giá trị gốc chúng, vòng lặp bị treo Damping sử dụng để giảm rung (ringing) – hình dạng cấu trúc tần số cao ảnh khôi phục Ringing không cần thiết đến kết mở rộng nhiễu Tính khơng đồng chất lượng ảnh Bất kì biến thể ảnh khơi phục thực liệu chứa pixel hỏng chất lượng pixel nhận biến đổi theo thời gian vị trí Bằng cách tham số mảng WEIGHT với hàm deconvlucy, ta pixel ảnh bị bỏ qua Để bỏ qua pixel, gán trọng lượng tới phần tử mảng WEIGHT tương ứng với pixel ảnh -33- luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 39 of 128 Header Page 40 of 128 Giải thuật hội tụ giá trị đoán biết với pixel hỏng sở thông tin từ pixel lân cận Sự biến đổi đáp ứng phát từ pixel tới pixel điều tiết mảng WEIGHT Thay cho việc gán giá trị trọng lượng tới pixel tốt, ta giá trị trọng lượng mà pixel tuỳ thuộc vào lượng flat-field correction Vòng lặp Lucy-Richardson thực chất nhận kiểu nhiễu Ta phải nhận kiểu nhiễu thứ hai, khơng ngun nhân pixel với phơton tới mức thấp nhận giá trị âm Hàm deconvlucy sử dụng tham số vào READOUT để điều khiển camera đọc toàn nhiễu Giá trị tham số điển hình tổng nhiễu tổng cộng nhiễu Giá trị tham số READOUT độ lệch đảm bảo tất giá trị dương -34- luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 40 of 128 Header Page 41 of 128 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG 3.1 Giới thiệu toán Xử lý ảnh số phát triển nhằm mục đích số hóa mã hóa ảnh để đơn giản hóa q trình truyền thơng, in ấn lưu trữ Một mục tiêu quan trọng khác xử lý ảnh cải thiện chất lượng khôi phục ảnh nhằm hiểu biết nội dung thông tin chứa nhiều ảnh; chẳng hạn ảnh chụp bề mặt hành tinh xa xôi vệ tinh gửi ảnh nội soi, ảnh cộng hưởng từ khảo sát y học Khôi phục ảnh mờ tức từ ảnh bị hư hại, khôi phục lại ảnh gốc Vấn đề giải biết trước trình hư hại Quá trình hư hại đặc trưng đại lượng gọi hàm truyền hư hại Từ hàm truyền hư hại biết thông tin trình vật lý gây hư hại: từ tách thơng tin mong muốn từ ảnh hư hại trình vật lý gây Để khôi phục lại ảnh bị mờ ta phải biết hàm hư hại gây cho ảnh tính biến đổi Fourier ảnh hư hại, từ xác định biến đổi Fourier ảnh không bị hư hại cuối khôi phục ảnh gốc cách lấy nghịch đảo Fourier ảnh hư hại Như để khôi phục ảnh mờ ta chia tốn làm hai tốn nhỏ: Bài toán tạo hàm gây hư hại cho ảnh: tạo hàm PSF để gây nhiễu cho ảnh gốc Bài tốn khử nhiễu khơi phục lại ảnh ban đầu: sử dụng lọc Wiener để khôi phục lại ảnh bị mờ nhiễu tạo -35- luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 41 of 128 Header Page 42 of 128 3.2 Thiết kế chương trình Giao diện ban đầu: Hình 3.1: Giao diện ban đầu chương trình Giao diện mở ảnh để thực cơng việc làm mờ: Hình 3.2: Giao diện sau chọn xong ảnh để làm mờ -36- luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 42 of 128 Header Page 43 of 128 Giao diện làm mờ ảnh: Hình 3.3: Giao diện ảnh bị mờ Giao diện lưu ảnh bị mờ: Hình 3.4: Giao diện lưu ảnh -37- luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 43 of 128 Header Page 44 of 128 Giao diện ảnh cần khử mờ: Hình 3.5: Giao diện sau chọn ảnh cần khử mờ Giao diện ảnh khử mờ: Hình 3.6: Giao diện ảnh khử mờ -38- luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 44 of 128 Header Page 45 of 128 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Sau thời gian làm việc, với nỗ lực thân với hướng dẫn tận tình thầy giáo PGS.TS Lê Huy Thập, em hồn thành khóa luận Nội dung chủ yếu khóa luận tìm hiểu xử lý ảnh bị mờ Qua trình tìm hiểu phân tích khóa luận đạt số kết sau:  Tìm hiểu nguyên nhân làm mờ ảnh  Tìm hiểu phương pháp khôi phục ảnh bị mờ khác nhau: phương pháp lọc ngược nhờ dùng lọc bình phương tối thiểu có điều kiện; lọc dùng lọc Wiener; lọc ngược dùng thuật toán Lucy – Richardson  Tiến hành viết chương trình khơi phục ảnh mờ MATLAB sử dụng lọc Wiener  Đánh giá kết thông qua thực nghiệm Khóa luận em hồn thành nhiền hạn chế sau: - Q trình khơi phục ảnh bị mờ phụ thuộc vào dung lượng ảnh, ảnh dung lượng lớn trình khơi phục ảnh lâu - Ảnh bị mờ khôi phục lại chưa ảnh gốc ban đầu Hướng phát triển nghiên cứu Một số hướng nghiên cứu tương lai:  Khóa luận đưa phương pháp khôi phục ảnh mờ áp dụng cho ảnh số cần phải áp dụng phương pháp khôi phục ảnh mờ cho ảnh đen trắng, ảnh nhị phân  Khóa luận khơi phục ảnh sử dụng lọc Wiener cần phải áp dụng phương pháp khác như: lọc ngược nhờ dùng lọc bình phương tối thiểu có điều kiện, thuật tốn Lucy – Rirchardson để so sánh kết đạt -39- luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 45 of 128 Header Page 46 of 128  Cần nâng cao kết hợp với số thuật tốn khử, hàm khơi phục ảnh xử lý ảnh đại để q trình khơi phục ảnh diễn nhanh đồng thời chất lượng ảnh khôi phục tốt -40- luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 46 of 128 Header Page 47 of 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO Cơ sở Matlab – Tác giả: Nguyễn Thị Hồng Thúy Giáo trình xử lý ảnh – Tác giả: TS.Đỗ Năng Tồn, TS.Phạm Việt Bình NXB Đại Học Thái Nguyên Giáo trình Matlab – Tác giả: Phan Thanh Tạo Giáo trình xử lý ảnh – Tác giả: PGS.TS Nguyễn Quang Hoan NXB Học viện công nghệ bưu viễn thơng Kỹ thuật lập trình Matlab – Tác giả Ngô Hải Bắc Lập trình Matlab ứng dụng – Tác giả: Th.s Nguyễn Hoàng Hải & Th.s Nguyễn Việt Anh Matlab toàn tập Matlab – Tác giả: Nguyễn Tăng Cường Xử lý ảnh số lý thuyết thực hành với Matlab – Tác giả: Hồ Văn Sung Nhà xuất khoahọc kỹ thuật -41- luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 47 of 128 Header Page 48 of 128 PHỤ LỤC Hướng dẫn sử dụng chương trình Chương trình “Xử lý ảnh mờ” chương trình thiết kế giao diện người dùng GUI phần mền Matlab 7.0 Đơn giản dễ dàng sử dụng Để chạy chương trình bạn mở trực tiếp Matlab Đầu tiên bạn tìm đến đường dẫn thư mục KhoaLuan sau chạy file main.fig giao diện chương trình sau: -42- luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 48 of 128 Header Page 49 of 128 Để chạy chương trình bạn nhấn nút Next nhấn nút Close để đóng chương trình Khi nhấn nút Next giao diện sau ra: Đầu tiên để thực mở ảnh bạn nhấn vào nút Open file hình hình đây: -43- luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 49 of 128 Header Page 50 of 128 Bạn chọn ảnh mà nét ảnh nhấn Open ảnh vừa chọn hình sau: Để khử mờ cho ảnh chọn bạn nhấn vào nút Blear sau ảnh làm mờ hình đây: -44- luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 50 of 128 Header Page 51 of 128 Các bạn lưu lại ảnh vừa làm mờ xong cách nhấn nút Save file Sau ấn chương trình yêu cầu bạn ghi tên ảnh hình vẽ sau: Trong hộp File name bạn ghi tên ảnh bạn cần lưu vào nhấn nút Save bạn lưu ảnh thành công Tiếp theo để thực việc khử mờ cho ảnh bị mờ việc bạn cần phải làm chọn ảnh cần khử mờ Để thực việc bạn nhấn vào nút Open File chương trình yêu cầu bạn chọn ảnh cần khử mờ hình vẽ sau: -45- luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 51 of 128 Header Page 52 of 128 Bạn chọn ảnh cần khử mờ nhấn nút Open ảnh bạn vừa chọn hình sau: Để thực khử mờ cho ảnh bạn vừa chọn bạn nhấn nút Defuzzfication sau ảnh khử mờ hình sau: -46- luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 52 of 128 Header Page 53 of 128 Như bạn khử mờ thành cơng cho ảnh bị mờ Bạn lưu lại ảnh cách nhấn nút Save File Trong hộp thoại File name bạn ghi tên ảnh bạn muốn lưu nhấn nút Save hình vẽ sau: Khi bạn lưu xong ảnh tức bạn chạy xong chương trình khử mờ cho ảnh Bạn nhấn Quit để chương trình -47- luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 53 of 128 ... Phạm vi nghiên cứu Xử lý ảnh mờ xây dựng để ứng dụng cho thiết bị xử lý ảnh áp dụng lĩnh vực xử lý ảnh Trong phạm vi đề tài em nghiên cứu xử lý ảnh để khôi phục lại ảnh bị mờ Phương pháp nghiên... cho kết mong muốn Kết đầu q trình xử lý ảnh ảnh “tốt hơn” kết luận Ảnh XỬ LÝ ẢNH Ảnh “tốt hơn” Kết luận Hình 1.1: Quá trình xử lý ảnh Ảnh xem tập hợp điểm ảnh điểm ảnh xem đặc trưng cường độ sáng... mờ Ảnh mờ ảnh bị mờ nhạt, hình ảnh khơng rõ, khó nhìn rõ hình ảnh ảnh Đường nét ảnh khơng rõ ràng Nói cách khác ảnh mờ ảnh bị hư hại 2.1.2 Nguyên nhân ảnh bị mờ Các trình hư hại ảnh hay làm mờ