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 không 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 Q 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 tốn tam giác 29 Hình 2.5 Quá trình tính tốn Pred(R) .36 Hình 2.6 Cây tứ phân ảnh � 36 Hình 2.7 liên thơng liên thơng .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 trình xử lý thơng tin dạng hình ảnh Hình ảnh dạng thông tin vô 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 thông 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 thông 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 công 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 giá trị dùng để lọc điểm ảnh, luận văn sử dụng ngưỡng xám 128 Sau code chuyển từ ảnh màu sang ảnh đen trắng: public Bitmap ConvertToBinaryImage ( Image image, int Target ){ // Target ngưỡng xám Bitmap org = new Bitmap(image.Image, image.Image.Width, image.Image.Height); Bitmap result = new Bitmap(org.Width, org.Height); for (int i = 0; i < org.Width; i++) { for (int j = 0; j < org.Height; j++) { Color curColor = org.GetPixel(i, j); // Lấy giá trị mức xám int desColor = Convert.ToInt32((curColor.R * 0.2989) + (curColor.G * 0.5870) + (curColor.B * 0.1140)); // Kiểm tra giá trị màu với ngưỡng xám if (desColor < Target) desColor = 0; else desColor = 255; result.SetPixel(i, j, Color.FromArgb(255, desColor, desColor, desColor)); } } return result ; } 3.1.4 Cài đặt thử nghiệm Chúng tiến hành cài đặt thuật toán phân vùng ảnh dựa vào thuật toán kết hợp miền kề dựa cấu trúc tứ phân để xây dựng chương trình thử nghiệm phân vùng ảnh Yêu cầu toán mục 3.1 phân vùng dựa vào màu sắc, nên tiêu chuẩn phân vùng màu sắc Nếu điểm vùng màu trắng tạo lên nút trắng tương tự với nút đen Nút màu ghi vùng không phải tiếp tục chia Về nguyên tắc, thuật tốn kiểm tra tính hợp thức tiêu chuẩn cách tổng thể miền lớn ảnh Nếu tiêu chuẩn thỏa mãn, việc phân vùng coi kết thúc Trong trường hợp ngược lại, vùng ảnh R k có Pred(R k ) = chia miền xét thành bốn miền nhỏ Với miền nhỏ, áp dụng cách đệ quy Phương pháp tất miền thỏa mãn tức Pred(R k ) = 3.2 Thiết kế chương trình 3.2.1 Giao diện chương trình a Form giao diện Hình 3.1 Form giao diện b Form chức phân vùng ảnh Hình 3.2 Form chức phân vùng ảnh 3.2.2 Một số kết minh hoạ Chúng sử dụng số ảnh với màu sắc, kích thước khác để kiểm nghiệm đánh giá kết thuật toán phân vùng ảnh dựa vào thuật toán kết hợp miền kề dựa cấu trúc tứ phân để phân vùng ảnh Hình 3.3 Lena_binary.JPEG Hình 3.4 Ảnh Lena_binary.JPEG phân vùng Hình 3.5 Ảnh xám thiếu nữ bên hoa huệ.JPEG Hình 3.6 Ảnh xám thiếu nữ bên hoa huệ.JPEG phân vùng Hình 3.7 Ảnh màu thiếu nữ hà thành.JPG Hình 3.8 Ảnh màu thiếu nữ hà thành.JPG phân vùng KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Trong trình nghiên cứu tài liệu thực đề tài luận văn định hướng TS Lưu Thị Bích Hương, luận văn đạt số kết sau: Tìm hiểu cách tổng quan vấn đề xử lý ảnh phân vùng ảnh Hệ thống hoá phương pháp phân vùng ảnh Qua đó, có cách nhìn có hệ thống phương pháp phân vùng ảnh thuật toán sử dụng phương pháp Đồng thời biết ưu, nhược điểm phương pháp để đưa cách lựa chọn phù hợp với u cầu tốn Tìm hiểu cài đặt chương trình phân vùng ảnh Mặc dù cố gắng chương trình ngồi ưu điểm đạt chưa hồn chỉnh nhiều khuyết điểm Khuyết điểm lớn chương trình tốc độ thực thi chậm điều thực cần cải tiến tương lai Ngồi ra, q trình tìm hiểu tơi tự tích luỹ thêm cho kiến thức tốn học, kỹ thuật lập trình,… Và quan trọng rèn luyện kỹ để thực nghiên cứu khoa học Tuy bước đầu, kết giúp ích cho tơi nghiên cứu sau để thu kết tốt Hướng phát triển đề tài Dựa vào kết bước đầu đạt luận văn, tiếp tục nghiên cứu đề xuất số cải tiến phương pháp phân vùng ảnh hiệu tương lai Tiếp tục nghiên cứu đặc điểm hình dạng, đặc điểm màu sắc kết cấu để tăng hiệu cho việc phân vùng ảnh Xây dựng ứng dụng xử lý ảnh hoàn chỉnh dựa theo phương pháp phân vùng ảnh trình bày luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo khoa Công nghệ thông tin trường Đại học sư phạm Hà Nội tạo điều kiện đóng góp ý kiến giúp đỡ tơi thực luận văn Đặc biệt, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Lưu Thị Bích Hương, người trực tiếp hướng dẫn, bảo, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT [1] Đỗ Năng Toàn, Phạm Việt Bình (2008), Giáo trình xử lý ảnh, NXB Khoa học Kỹ thuật [2] Hoàng Kiếm, Nguyễn Ngọc Kỷ tác giả (1992), Nhận dạng phương pháp ứng dụng, NXB Thống kê [3] Lương Mạnh Bá, Nguyễn Thanh Thuỷ (1999), Nhập môn xử lý ảnh số, NXB Khoa học kỹ thuật [4] Nguyễn Quốc Trung (2004), Xử lý tín hiệu lọc số, NXB Khoa học kỹ thuật [5] Nguyễn Quang Hoan (2006), Giáo trình xử lý ảnh, Học viện Bưu viễn thơng [6] Nguyễn Đăng Bình (2011), Giáo trình xử lý ảnh số, Khoa Công nghệ Thông tin trường Đại học khoa học Huế [7] Võ Đức Khánh, Hoàng văn Kiếm (2003), Giáo trình xử lý ảnh số, NXB Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh TÀI LIỆU TIẾNG ANH [8] S Beevi (2010), “A Robust Fuzzy Clustering Technique With Spatial Neighborhood Information For Effective Medical Image Segmentation,” Second International conference on Computing, Communication and Networking Technologies [9] R G Gonzalez, R E Woods, Digital Image Processing; 3rd Edition, Prentice Hall, 2007, 4/12/2015 http://www.ele.puc-rio.br/~visao/Chapter01.pdf, [10] Chanda, Bhabatosh Dwijesh Dutta Maumder Digital image processing and analysis Prentice hall of India, 2011 [11] Anil K Jain Englewood Cliffs, Fundamentals of Digital Image Processing TÀI LIỆU TRÊN INTERNET [12] http://google.com.vn [13] http://diendan.congdongcviet.com/forums/f9::lap-trinh-visualcsharp.cpp [14] https://vi.wikipedia.org/wiki/Ph%C3%A2n_v%C3%B9ng_%E1%BA% A3nh ... theo miền liên thông gọi phân vùng dựa theo miền đồng hay miền kề, phân vùng dựa vào biên gọi phân vùng biên Ngồi có kỹ thuật phân vùng khác dựa vào biên độ, phân vùng dựa theo kết cấu [9] Dựa vào... vùng ảnh, có nhiều kỹ thuật phân vùng khác Tuy nhiên, kỹ thuật phân vùng ảnh chia thành phương pháp sau đây: - Phân vùng ảnh dựa phương pháp phân lớp - Phân vùng ảnh dựa phân chia miền kề - Phân. .. pháp phân vùng ảnh phân vùng ảnh dựa vào ngưỡng biên độ, phân vùng dựa theo miền liên thông hay gọi phân vùng dựa theo miền đồng phân vùng miền liền kề, liệt kê phương pháp sau: - Phân vùng ảnh