Các phép toán hình thái trong xử lý ảnh và xây dựng ứng dụng (2014)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN *** - TẠ TIẾN THÀNH CÁC PHÉP TỐN HÌNH THÁI TRONG XỬ LÝ ẢNH VÀ XÂY DỰNG ỨNG DỤNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Tin học Người hướng dẫn khoa học ThS LƯU THỊ BÍCH HƯƠNG HÀ NỘI, 2014 LỜI CẢM ƠN Lời em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình giáo ThS Lưu Thị Bích Hương, khoa Cơng nghệ thơng tin, trường Đại học sư phạm Hà Nội Em xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo khoa Công nghệ thông tin, thầy, cô giáo trường giảng dạy giúp đỡ em năm học vừa qua Chính thầy, giáo xây dựng cho chúng em kiến thức tảng kiến thức chun mơn để em hồn thành khóa luận tốt nghiệp chuẩn bị cho cơng việc sau Cuối em xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình bạn bè giúp đỡ động viên em nhiều suốt q trình học tập để em thực tốt khóa luận Do kiến thức thời gian hạn chế nên khóa luận khơng tránh khỏi thiếu sót Kính mong nhận đóng góp ý kiến thầy bạn để khóa luận hồn thiện Hà Nội, tháng 05 năm 2014 Sinh viên Tạ Tiến Thành LỜI CAM ĐOAN Tên em là: TẠ TIẾN THÀNH Sinh viên lớp: K36 – Tin học, khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học sư phạm Hà Nội Em xin cam đoan: Đề tài “Các phép tốn hình thái xử lý ảnh xây dựng ứng dụng” nghiên cứu riêng em, hướng dẫn giáo ThS Lưu Thị Bích Hương Khóa luận hồn tồn khơng chép tác giả khác Nếu sai em xin hoàn toàn chiu trách nhiệm Hà Nội, tháng 05 năm 2014 Người cam đoan Tạ Tiến Thành MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Xử lý ảnh 1.2 Các ứng dụng xử lý ảnh 1.3 Các bước xử lý ảnh 1.4 Các định dạng ảnh 10 CHƯƠNG 2: CÁC PHÉP TOÁN HÌNH THÁI 16 2.1 Thao tác ảnh nhị phân 16 2.1.1 Phép dãn nhị phân (Dilation) 16 2.1.2 Phép co nhị phân (Erosion) 21 2.1.3 Phép mở nhị phân (Opening) 24 2.1.4 Phép đóng nhị phân (Closing) 25 2.1.5 Kĩ thuật đánh trúng đánh trượt 30 2.1.6 Kĩ thuật đếm vùng 32 2.2 Thao tác ảnh đa mức xám 33 2.2.1 Phép co phép dãn (Erosion and Dilation) 33 2.2.2 Các phép tốn đóng, mở (Closing and Opening) 34 2.2.3 Làm trơn 36 2.2.4 Gradient 37 2.2.5 Phân vùng theo cấu trúc 38 2.2.6 Phân loại cỡ đối tượng 39 CHƯ ƠNG 3: ỨNG DỤNG CÁC PHÉP TỐN HÌNH THÁ I 42 3.1 Ứng dụng thực tiễn 42 3.2 Xương làm mảnh 43 3.3 Các phương pháp lặp hình thái 45 3.4 Nhận dạng biên 53 CHƯ ƠNG 4: XÂY D ỰNG CHƯ ƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG 54 4.1 Phát biểu toán 54 4.2 Thiết kế chương trình 54 KẾT LUẬN VÀ HƯ ỚNG PHÁT TRI ỂN 63 Kết luận 63 Hướng phát triển 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Viết tắt Viết đầy đủ Ý nghĩa KL Karhumen Loeve Biến đổi Karhumen Loeve CCIR Consultative Committee for Tiêu chuẩn điều chế tần số CCIR International Radio CCD Change Coupled Device Công nghệ sử dụng cho camera IMG Image Định dạng ảnh IMG PCX Personal Computer Exchange Định dạng ảnh PCX RLE Run Length Encoded Phương pháp mã loạt dài TIFF Targed Image File Format Định dạng ảnh TIFF BMP Windows bitmap Định dạng ảnh BMP DIB Device Independent Bitmap Một định dạng ảnh bitmap GIF Graphics Interchanger Format Định dạng ảnh GIF LZW Lempel Ziv Welch Thuật toán nén LZW JPEG Joint Photographic Experts Nén ảnh JPEG Group PNG Portable Network Graphics LIBPNG Library Portable Nén liệu PNG Network Thư viện ảnh PNG Graphics TIFF Tagged Image File Format MIME Multipurpose Extensions OCR Internet Ảnh định dạng TIFF Mail Chuẩn Internet định dạng cho thư điện tử Optical Character Recognition Hệ thống nhận dạng chữ viết thiết bị quang học OCR AFIS Automated Identification System fingerprint Hệ thống nhận dạng vân tay AFIS DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.2: Các bước hệ thống xử lý ảnh Hình 1.3: Các bước xử lý ảnh Hình 1.4: Sơ đồ phân tích xử lý ảnh lưu đồ thông tin khối 10 Hình 1.5: Định dạng ảnh BMP 13 Hình 2.1: Thao tác nhị phân đơn giản ảnh nhỏ (a) Ảnh ban đầu; (b) Ảnh dãn điểm ảnh; (c) Ảnh dãn điểm ảnh 16 Hình 2.2: Dãn A B (a) Ảnh A, B ban đầu; (b) Ảnh A cộng phần tử (0,0); (c) Tập A cộng phần tử (0,1); (d) Hợp (b) (c) hay kết phép dãn 18 Hình 2.4: Dãn ảnh sử dụng phần tử cấu trúc 20 Hình 2.5: Phép co nhị phân 22 Hình 2.6: Xố hình thái dòng ngang khng nhạc 24 Hình 2.7: Sử dụng phép toán mở 25 Hình 2.8: Phép đóng 26 Hình 2.9: Phép đóng với độ sâu lớn 27 Hình 2.10: Phép co sử dụng đồ khoảng cách 29 Hình 2.11: Phép mở tổng thể đối tượng dạng đĩa 30 Hình 2.12: Minh hoạ thao tác đánh trúng đánh trượt 31 Hình 2.13 Đếm vùng (a), (b), (c), (d) Các cấu trúc; (e) Ví dụ ảnh có vùng 32 Hình 2.14: Phép dãn đa cấp xám 36 Hình 2.15: Làm trơn đa cấp xám 37 Hình 2.16: Đường dốc hình thái 38 Hình 2.17: Phân đoạn cấu trúc 39 Hình 2.18: Phân lớp đồng xu 40 Hình 3.1: Mơ hình tổng qt hệ thống nhận dạng ảnh 42 Hình 3.2: Các mẫu dùng cho việc nhận dạng điểm ảnh bị xố thuật tốn làm mảnh Stienford (a) Mẫu M1; (b) Mẫu M2; (c) Mẫu M3; (d) Mẫu M4 46 Hình 3.3: Một minh hoạ số liên kết 47 Hình 3.4: Bốn phần phép lặp phương pháp làm mảnh Stentiford (a) Sau áp dụng mẫu M1; (b) Sau mẫu M2; (c) Sau M3; (d) Sau M4 48 Hình 3.5: Tất phép lặp thuật toán làm mảnh Stienford áp dụng cho chữ T 49 Hình 3.6: Những thao tác phép làm mảnh cổ điển (a) Cổ cột; (b) Đi cột; (c) Đường tạo thành có sợi 50 Hình 3.7: Các mẫu dùng cho bước xử lý phân giác góc nhọn 51 Hình 3.8: Những kí tự làm mảnh cuối cùng, sau hai bước xử lý làm mảnh 51 Hình 3.9: Kết làm mảnh (a) Ảnh ban đầu; (b) Áp dụng Erosion; (c) Ảnh ban đầu biến đổi 53 Hình 4.1: Form giao diện 55 Hình 4.2: Kết phép giãn ảnh A 55 Hình 4.3: Kết phép co ảnh A 56 Hình 4.4: Kết phép mở ảnh A 56 Hình 4.5: Kết phép đóng ảnh A 57 Hình 4.6: Kết nhận dạng biên ảnh A 57 Hình 4.8: Kết phép giãn ảnh B 58 Hình 4.9: Kết phép co ảnh B 58 Hình 4.10: Kết phép mở ảnh B 59 Hình 4.11: Kết phép đóng ảnh B 59 Hình 4.12: Kết nhận dạng biên ảnh B 60 Hình 4.14: Kết phép co ảnh C 61 Hình 4.15: Kết phép mở ảnh C 61 Hình 4.16: Kết phép đóng ảnh C 62 Hình 4.17: Kết nhận dạng biên ảnh C 62 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 Trong trường đại học, cao đẳng xử lý ảnh trở thành môn học chuyên ngành sinh viên ngành công nghệ thông tin, viễn thông Xử lý nâng cao chất lượng ảnh vấn đề trọng tâm môn học xử lý ảnh đồng thời bước tiền xử lý cho việc nhận dạng, trích chọn thơng tin xử lý ảnh số Điều có ý nghĩa quan trọng nhiều ứng dụng thực tế nhận dạng đối tượng địa lý, biểu tượng đồ, phần mềm phát đếm đối tượng chuyển động … Đặt biệt hầu hết số ngành cơng nghiệp như: Cơ khí chế tạo, chế biến, sản xuất, việc đọc hình ảnh nói thường xuyên quan trọng Bản vẽ kỹ thuật (một dạng hình ảnh) kết ngơn ngữ kỹ thuật, mà qua nó, quy trình cơng nghệ phải xây dựng q trình sản xuất, sở cho việc nghiệm thu cho sản phẩm Để lưu ảnh tài liệu, vẽ sửa đổi chúng chuyển chúng sang dạng đồ họa khác tiện cho việc nhận dạng, đối sánh mẫu để sử dụng sau điều cần thiết Do tiền xử lý ảnh việc cần làm Có nhiều phương pháp, nhiều cơng cụ, nhiều phần mềm xử lý ảnh đời Tăng cường chất lượng ảnh, mà công đoạn bước tiền xử lý nhằm loại bỏ nhiễu, khắc phục khiếm khuyết bước thu nhận ảnh không tốt việc làm quan trọng Có nhiều phương pháp cho việc nâng cao chất lượng ảnh nói chung tiền xử lý nói riêng Để giải tốn việc tách làm rõ điểm, đường biên quan trọng ảnh Để xử lý với “necking” ông đề nghị thủ tục gọi thủ tục phân giác góc nhọn mà điểm ảnh gần khớp nối hai dòng tạo thành màu trắng chúng khép lại tạo thành góc nhọn Điều thực cách dùng mẫu thấy hình 3.7 Một phù hợp với mẫu đánh dấu điểm ảnh trung tâm cho thao tác xố tạo vòng lặp khác số phân giác góc nhọn quan trọng dùng ba mẫu kiểu Nếu điểm ảnh xoá bỏ, lần duyệt cuối dùng mẫu kiểu thực (a) (b) (c) (d) (e) (a) (b) (c) (d) (e) Hình 3.7: Các mẫu dùng cho bước xử lý phân giác góc nhọn Làm trơn hồn thành đầu tiên, tất trình duyệt qua ảnh phân giác góc nhọn Cuối bước làm mảnh ảnh Hình 3.8 trình bày xương kết cuối ký tự bước tiền xử lý gộp vào (a) (b) (c) Hình 3.8: Những kí tự làm mảnh cuối cùng, sau hai bước xử lý làm mảnh Hầu hết xương xuất dùng phương pháp bị rạn nứt Cách dùng giai đoạn phân giác góc nhọn khơng hiệu ký tự dày mẫu không phù hợp với tất tình mà gây cổ cột đuôi cột Cũng vậy, bước làm trơn không bắt gặp bất quy tắc mà bất quy tắc tạo nên đường sơ Mặc dù vậy, việc hoàn chỉnh thuật tốn khơng mong đợi phương pháp tương đối tốt, đặc biệt bước tiền xử lý cho việc nhận dạng ký tự Một thuật tốn làm mảnh dường cơng cụ cho người, thuật tốn Zhang Suen (Zhang 1984) Thuật toán sử dụng tảng sở cho việc so sánh thuật toán làm mảnh nhiều năm nhanh, đơn giản thực Thuật toán phương pháp song song, có nghĩa giá trị cho điểm ảnh tính tốn dùng giá trị biết từ vòng lặp trước Do đó, máy tính có CPU cho điểm ảnh cung cấp trước, xác định tồn q trình lặp cách đồng thời Vì hầu hết khơng có máy tính có kích cỡ vậy, đó, xem xét phiên chương trình mà dùng CPU Thuật tốn ngắt thành hai vòng lặp con, ví dụ thay vòng lặp thuật tốn Stentiford Trong vòng lặp con, điểm ảnh I(i, j) xoá (hay đánh dấu cho thao tác xoá bỏ) điều kiện sau thoả mãn: 1) Giá trị liên kết cuả 2) Nó có điểm láng giềng đen nhỏ không lớn 3) Một điểm đen nhỏ nhất: I(i, j+1), I(i1, j) I(i, j1) điểm (điểm màu trắng) 4) Một điểm nhỏ nhất: I(i1, j), I(i+1, j) I(i, j1) điểm ảnh Tại cuối vòng lặp điểm đánh dấu xố bỏ Vòng lặp sau làm tương tự ngoại trừ bước 1) Một điểm đen nhỏ nhất: I(i, j+1), I(i1, j) I(i, j1) điểm (màu trắng) 2) Một điểm nhỏ I(i1, j), I(i+1, j) I(i, j1) điểm ảnh Trở lại, điểm ảnh đánh dấu xoá bỏ Nếu cuối vòng lặp khác khơng có điểm xố xương hồn tồn xác định chương trình kết thúc 3.4 Nhận dạng biên Những điểm ảnh biên đối tượng điểm ảnh biên mà có điểm ảnh lân cận thuộc Do lân cận cụ thể khơng biết trước mà phải tìm tạo cấu trúc đơn mà cho phép phép co phép dãn dò biên Trong thực tế, phép co phần tử cấu trúc đơn giản xác xố điểm biên Mặt khác, ta lại áp dụng điều để thiết kế phép tốn hình thái dò biên Biên tách cách sử dụng phép co ảnh co sau trừ ảnh gốc Tương tác để lại cho ta điểm ảnh mà co biên Điều viết sau: Biên = A - (A Ө Cấu trúc đơn giản ) (a) (b) (c) Hình 3.9: Kết làm mảnh (a) Ảnh ban đầu; (b) Áp dụng phép co; (c) Ảnh ban đầu biến đổi CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG 4.1 Phát biểu tốn Các phép tốn hình thái xử lý ảnh lĩnh vực quan tâm, nghiên cứu phát triển Bài toán phát biểu sau: Cho ảnh nhị phân ảnh đa mức xám, sử dụng phép tốn hình thái loại bỏ nhiễu, làm trơn, phân vùng ảnh xác định đường biên ảnh Nhiệm vụ xây dựng chương trình thử nghiệm phép tốn hình thái, người sử dụng lựa chọn ảnh nhị phân, ảnh đa mức xám đưa yêu cầu chất lượng hình ảnh: Loại bỏ nhiễu hay làm trơn hay xác định đường biên ảnh hệ thống phải giải yêu cầu cho kết luận ảnh tốt 4.2 Thiết kế chương trình Cài đặt thử nghiệm phép tốn hình thái: Phép co ảnh, phép dãn ảnh, phép đóng ảnh, phép mở ảnh, làm mảnh phát biên ngơn ngữ Visual C# Giao diện chương trình: Hình 4.1: Form giao diện Một số kết đạt được: Hình 4.2: Kết phép giãn ảnh A Hình 4.3: Kết phép co ảnh A Hình 4.4: Kết phép mở ảnh A Hình 4.5: Kết phép đóng ảnh A Hình 4.6: Kết nhận dạng biên ảnh A Hình 4.8: Kết phép giãn ảnh B Hình 4.9: Kết phép co ảnh B Hình 4.10: Kết phép mở ảnh B Hình 4.11: Kết phép đóng ảnh B Hình 4.12: Kết nhận dạng biên ảnh B Hình 4.13: Kết phép giãn ảnh C Hình 4.14: Kết phép co ảnh C Hình 4.15: Kết phép mở ảnh C Hình 4.16: Kết phép đóng ảnh C Hình 4.17: Kết nhận dạng biên ảnh C KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Hình ảnh dạng liệu đóng vai trò quan trọng việc trao đổi, xử lý, lưu giữ thông tin Để lưu ảnh tài liệu, vẽ sửa đổi chúng chuyển chúng sang dạng đồ họa khác tiện cho việc nhận dạng, đối sánh mẫu để sử dụng sau điều cần thiết Cần tăng cường chất lượng hình ảnh nhằm loại bỏ nhiễu hình ảnh sắc nét vấn đề mà nhà nghiên cứu quan tâm Khóa luận có cách nhìn tổng quát xử lý ảnh: + Khái niệm xử lý ảnh + Các ứng dụng xử lý ảnh + Các bước xử lý ảnh + Các định dạng ảnh Khóa luận phân tích làm rõ phép tốn hình thái như: + Phép giãn ảnh  Phép co ảnh  Phép mở ảnh  Phép đóng ảnh Nêu lên số ứng dụng phép tốn hình thái xử lý ảnh: Tìm xương làm mảnh đối tượng ảnh số ứng dụng thực tiễn Xây dựng chương trình thử nghiệm phép tốn hình thái xử lý ảnh Hướng phát triển Khóa luận tìm hiểu nghiên cứu phép tốn hình thái ảnh nhị phân ảnh đa mức xám Trong nghiên cứu em tìm hiểu phép tốn hình thái ảnh màu định dạng ảnh khác Tuy nhiên khn khổ khóa luận thời gian tìm hiểu hạn chế nên em chưa tìm hiểu hết tính phần mềm xử lý ảnh Em hi vọng trình học tập sau em hoàn thiện phát triển khóa luận để xây dựng chương trình phép tốn hình thái xác hơn, chất lượng hình ảnh tốt hơn, giao diện dễ dàng sử dụng Mặc dù cố gắng nhiều song chắn khóa luận khơng tránh khỏi sai sót Em mong đóng góp ý kiến thầy bạn để khóa luận hồn thiện Đồng thời có thêm kinh nghiệm để tiếp tục nghiên cứu sau TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lương Mạnh Bá, Nguyễn Thanh Thuỷ, “Nhập môn xử lý ảnh số”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2003 [2] Võ Đức Khánh, Hoàng Văn Kiếm, “Giáo trình xử lý ảnh số”, Nhà xuất Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh [3] Nguyễn Kim Sách, “Xử lý ảnh Video số”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 1997 [4] Ngô Diên Tập, “Xử lý ảnh máy tính”, Nhà xuất khoa học Kỹ thuật, 1997 [5] PGS.TS Nguyễn Quang Hoan, “Xử lý ảnh” [5] Vũ Việt Hà, luận văn tốt nghiệp, Đại học Dân Lập Hải Phòng, 2009 [7] B.Janhne New York, “Digital Image Processing”, 1995 [8] Anil K Jain, Englewood Cliffs, “Fundamentals of Digital Image Processing”, 1989 ... 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Xử lý ảnh 1.2 Các ứng dụng xử lý ảnh 1.3 Các bước xử lý ảnh 1.4 Các định dạng ảnh 10 CHƯƠNG 2: CÁC PHÉP TOÁN HÌNH THÁI ... Các phép tốn hình thái xử lý ảnh xây dựng ứng dụng để làm khóa luận Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu phép tốn hình thái: Phép co, phép giãn, phép đóng, phép mở ảnh nhị phân ảnh đa mức xám Xây dựng. .. mức xám Xây dựng ứng dụng thực tiễn phép tốn hình thái Nhiệm vụ nghiên cứu Tìm hiểu phép tốn hình thái: Phép co, phép giãn, phép đóng, phép mở Xây dựng ứng dụng phép tốn hình thái Đối tượng phạm