Thuật toán phân vùng ảnh dựa trên sự phân chia và kết hợp miền kề

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI TRẦN QUỐC HÀ THUẬT TOÁN PHÂN VÙNG ẢNH DỰA TRÊN SỰ PHÂN CHIA VÀ KẾT HỢP MIỀN KỀ LUẬN VĂN THẠC SĨ MÁY TÍNH HÀ NỘI - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI TRẦN QUỐC HÀ THUẬT TOÁN PHÂN VÙNG ẢNH DỰA TRÊN SỰ PHÂN CHIA VÀ KẾT HỢP MIỀN KỀ Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60 48 01 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ MÁY TÍNH Người hướng dẫn khoa học TS LƯU THỊ BÍCH HƯƠNG HÀ NỘI, 2017 LỜI CẢM ƠN Tơi xin trân trọng cảm ơn TS Lưu Thị Bích Hương (hiện làm việc trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2) - người hướng dẫn trực tiếp tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành khóa học làm luận văn tốt nghiệp Tôi xin cảm ơn đến giúp đỡ, động viên gia đình, bạn bè suốt thời gian học tập nghiên cứu Một lần nữa, xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Tác giả Trần Quốc Hà LỜI CAM ĐOAN Để đảm bảo tính trung thực Luận văn, tơi xin cam đoan: Luận văn “Thuật tốn Phân vùng ảnh dựa phân chia kết hợp miền kề” cơng trình nghiên cứu cá nhân tôi, thực hướng dẫn TS Lưu Thị Bích Hương (Khoa Cơng nghệ thơng tin Trường đại học sư phạm Hà Nội II) Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu luận văn trung thực không trùng lặp với đề tài khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Các kết trình bày luận văn chưa cơng bố cơng trình trước Tác giả Trần Quốc Hà MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH 1.1 Xử lý ảnh vấn đề xử lý ảnh 1.1.1 Xử lý ảnh gì? 1.1.2 Các vấn đề xử lý ảnh 10 1.2 Khái quát phân vùng ảnh 18 1.2.1 Một số khái niệm 18 1.2.2 Các hướng tiếp cận phân vùng ảnh 20 1.2.3 Các cơng đoạn phân vùng ảnh 21 1.3 Một số thuộc tính điểm ảnh phân vùng ảnh 22 1.3.1 Một số thuộc tính điểm ảnh 22 1.3.2 Một số thuộc tính vùng ảnh 22 1.3.3 Ứng dụng phân vùng ảnh 23 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ THUẬT TOÁN PHÂN VÙNG ẢNH 25 2.1 Phân vùng ảnh dựa phương pháp phân lớp 25 2.1.1 Khái quát phương pháp phân lớp 25 2.1.2 Phân lớp điểm ảnh khơng gian thuộc tính chiều 25 2.2 Phân vùng ảnh dựa phân chia miền kề 31 2.2.1 Phương pháp tách tứ phân 31 2.2.2 Phương pháp cục 36 2.2.3 Phương pháp tổng hợp 37 2.3 Phân vùng ảnh dựa theo đường biên 38 2.3.1 Làm mảnh biên 38 2.3.2 Nhị phân hoá đường biên 40 2.3.3 Miêu tả đường biên 41 2.3.4 Phân vùng ảnh dựa kết cấu bề mặt 43 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH PHÂN VÙNG ẢNH 48 3.1 Phát biểu toán 48 3.1.1 Phân tích tốn 48 3.1.2 Đối với ảnh đen trắng 49 3.1.3 Đối với ảnh màu 49 3.1.4 Cài đặt thử nghiệm 50 3.2 Thiết kế chương trình 51 3.2.1 Giao diện chương trình 51 3.2.2 Một số kết minh hoạ 52 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Quá trình xử lý ảnh .7 Hình 1.2 Các bước xử lý ảnh Hình 1.3 Ví dụ nắn chỉnh hình biến dạng .15 Hình 2.1 Chọn ngưỡng đường ngang dọc 27 Hình 2.2 Phân vùng ảnh tượng đài Washington 27 Hình 2.3 Lược đồ hình rắn lượn cách chọn ngưỡng .28 Hình 2.4 Xác định ngưỡng dựa thuật toán tam giác 29 Hình 2.5 Q trình tính tốn Pred(R) 36 Hình 2.6 Cây tứ phân ảnh 𝑹 36 Hình 2.7 liên thông liên thông 37 Hình 2.8 Làm mảnh ảnh .40 Hình 2.9 Loại bỏ đường bao hở 41 Hình 2.10 Khép kín nhờ ngoại suy 41 Hình 2.11 Loại bỏ chân rết làm rõ biên .42 Hình 2.12 Phân tích kết cấu sợi dải tương quan .44 Hình 3.1 Form giao diện 51 Hình 3.2 Form chức phân vùng ảnh 51 Hình 3.3 Lena_binary.JPEG 52 Hình 3.4 Ảnh Lena_binary.JPEG phân vùng 52 Hình 3.5 Ảnh xám thiếu nữ bên hoa huệ.JPEG 53 Hình 3.6 Ảnh xám thiếu nữ bên hoa huệ.JPEG phân vùng .53 Hình 3.7 Ảnh màu thiếu nữ hà thành.JPG 54 Hình 3.8 Ảnh màu thiếu nữ hà thành.JPG phân vùng .54 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong năm gần đây, với phát triển vượt bậc khoa học máy tính, xử lý ảnh lĩnh vực quan tâm Xử lý ảnh ngành khoa học tương đối mẻ so với nhiều ngành khoa học khác, lĩnh vực phát triển nhanh thu hút quan tâm từ nhà khoa học, thúc đẩy trung tâm nghiên cứu, ứng dụng lĩnh vực Xử lý ảnh ngành khoa học nghiên cứu q trình xử lý thơng tin dạng hình ảnh Hình ảnh dạng thơng tin vơ phong phú, đa dạng phương tiện giao tiếp, trao đổi chủ yếu người Thơng tin hình ảnh ngày xử lý dễ dàng máy tính Mục tiêu xử lý ảnh là: - Xử lý ảnh ban đầu để có ảnh theo yêu cầu xác định, ví dụ ảnh mờ cần xử lý để ảnh rõ - Phân tích ảnh để thu thơng tin đặc trưng giúp cho việc phân loại, nhận biết ảnh, ví dụ phân tích ảnh vân tay để trích chọn đặc trưng vân tay - Hiểu ảnh đầu vào để có mơ tả ảnh mức cao hơn, sâu hơn, ví dụ từ ảnh tai nạn giao thơng phác họa trường tai nạn Qua đó, thấy xử lý ảnh đóng vai trò quan trọng ứng dụng thực tế khoa học kĩ thuật sống thường ngày Những ứng dụng dường vô hạn với khám phá người phát triển vũ bão cơng nghệ số hóa, chẳng hạn, lĩnh vực như: Sản xuất kiểm tra chất lượng, di chuyển Robot, phương tiện lại, công cụ hướng dẫn cho người mù, an ninh giám sát, nhận dạng đối tượng, nhận dạng mặt, ứng dụng y học, sản xuất, hiệu chỉnh video, chinh phục vũ trụ Để xử lý ảnh phải trải qua nhiều khâu khác tùy theo mục đích việc xử lý, khâu quan trọng khó khăn phân vùng ảnh Trong số lượng lớn ứng dụng xử lý ảnh hiển thị máy tính, phân vùng ảnh đóng vai trò yếu bước trước áp dụng thao tác xử lý ảnh mức cao như: Nhận dạng, giải thích ngữ nghĩa, biểu diễn ảnh Nếu bước phân vùng ảnh khơng tốt dẫn đến việc nhận diện sai lầm đối tượng có ảnh Xuất phát hồn cảnh tơi lựa chọn đề tài: “Thuật toán Phân vùng ảnh dựa phân chia kết hợp miền kề” để làm luận văn Mục đích nghiên cứu Mục đích luận văn tìm hiểu, nghiên cứu thuật tốn phân vùng ảnh áp dụng thuật toán để xây dựng chương trình phân vùng ảnh Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu xử lý ảnh - Tìm hiểu phương pháp phân vùng ảnh dựa phương pháp phân lớp - Tìm hiểu phương pháp phân vùng ảnh dựa phân chia kết hợp miền kề - Tìm hiểu phương pháp phân vùng ảnh dựa theo đường biên - Xây dựng chương trình thử nghiệm phân vùng ảnh dựa phân chia kết hợp miền kề Đối tượng phạm vi nghiên cứu a Đối tượng nghiên cứu - Các thuật toán phân vùng ảnh b Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu, tìm hiểu thuật tốn phân vùng ảnh xây dựng chương trình chương thử nghiệm 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 nghiên cứu 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 nghiên cứu thực nghiệm Thông qua quan sát thực tế, yêu cầu sở, lý luận nghiên cứu kết đạt qua phương pháp Đóng góp luận văn Luận văn nghiên cứu, tìm hiểu phân vùng ảnh xử lý ảnh áp dụng thuật toán để xây dựng ứng dụng phân vùng ảnh  Ý nghĩa khoa học: Phân vùng ảnh tính tất yếu định đến chất lượng hình ảnh Mục tiêu phân vùng ảnh để đơn giản hóa thay đổi biểu diễn ảnh để dễ dàng phân tích Phân vùng ảnh thường sử dụng để xác định vị trí đối tượng, đường biên (đường thẳng, cong,…) Phương pháp phân vùng ảnh dựa phân chia kết hợp miền kề giúp cho việc phân vùng ảnh trở lên nhanh chóng, rút ngắn thời gian thực cho kết xác  Ý nghĩa thực tiễn: 48 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH PHÂN VÙNG ẢNH 3.1 Phát biểu tốn Cho ảnh có kích thước (M x N) chưa phân vùng chưa đồng Dựa vào màu sắc phân vùng ảnh thành vùng có đồng Input: Ảnh R có kích thước (M x N) chưa phân vùng, chưa đồng Output: Ảnh phân vùng 3.1.1 Phân tích tốn Đối với u cầu đặt toán dựa vào màu sắc để phân vùng nên chọn phương pháp tổng hợp dựa phân chia miền kề Thuật toán tách hợp trình bày mục 2.2.3 Bước thuật tốn tách hợp kiểm tra tiêu chuẩn đồng Thuật toán kiểm tra tiêu chuẩn miền đồng dựa vào độ chênh lệch max, viết sau: Function Examin_Criteria (I, N1, M1, N2, M2, T) /* Giả thiết ảnh có tối đa 255 mức xám (N1, M1), (N2, M2) tọa độ điểm đầu điểm cuối miền; T ngưỡng */ Begin Max=255 ; Min=0 For i = N1 to N2 For j = M1 to M2 Begin If I[i,j] = Max Then Max=I[i,j] ; 49 End; If ABS(Max-Min)