Nâng cao chất lượng hình ảnh bằng các phép toán số học (2014)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN *** - NGUYỄN NGỌC LỄ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HÌNH ẢNH BẰNG CÁC PHÉP TỐN SỐ HỌC KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Tin học HÀ NỘI – 2014 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN *** - NGUYỄN NGỌC LỄ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HÌNH ẢNH BẰNG CÁC PHÉP TỐN SỐ HỌC KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Tin học Người hướng dẫn khoa học PGS TS LÊ HUY THẬP HÀ NỘI – 2014 LỜI CẢM N Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn PGS TS Lê Huy Thập trực tiếp hướng dẫn em hồn thành khóa luận Với lời dẫn, tận tình hướng dẫn thầy giúp em vượt qua nhiều khó khăn q trình hồn thành khóa luận Em xin cảm ơn Th.S Lưu Thị Bích Hương góp ý hướng dẫn hữu ích q trình thực khóa luận Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy, cô giáo khoa Công nghệ Thông tin trường Đại học Sư phạm Hà Nội người giúp đỡ cho em suốt trình học tập nghiên cứu Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình bạn bè giúp đỡ, động viên em nhiều suốt trình học tập để em thực tốt khóa luận Hà Nội, tháng năm 2014 Sinh viên thực Nguyễn Ngọc Lễ LỜI CAM ĐOAN Tên em là: NGUY N NG C L Sinh viên lớp: K36 – Tin học, khoa Công nghệ Thông tin, trường Đại học Sư phạm Hà Nội Em xin cam đoan: Đề tài:“ hình ” nghiên cứu riêng em, hướng dẫn 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 2014 Sinh viên thực Nguyễn Ngọc Lễ M CL C MỞ ĐẦU .1 CHƯ NG TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH 1.1 Xử lý ảnh .4 1.2 Một số khái niệm liên quan .5 1.2.1 Điểm ảnh 1.2.2 Độ phân giải ảnh 1.2.3 Mức xám ảnh (Gray level) 1.2.4 Ảnh số 1.2.5 Các mối quan hệ điểm ảnh 1.2.6 Lược đồ mức xám (Histogram) 1.2.7 Phân vùng ảnh 10 1.2.8 Trích chọn đặc tính 10 1.3 Các ứng dụng xử lý ảnh 11 1.4 Các bước xử lý ảnh .12 1.5 Các thành phần hệ thống xử lý ảnh 18 1.6 Các định dạng ảnh 19 CHƯ NG CÁC KỸ THUẬT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HÌNH ẢNH 23 2.1 Các phương pháp 23 2.2 Phép tăng giảm độ sáng 24 2.3 Phép toán tăng độ tương phản (Stretching Contrast) 25 2.4 Biến đổi ảnh âm .28 2.5 Biến đổi ảnh màu ảnh xám 29 2.6 Biến đổi ảnh nhị phân 30 2.7 Nâng cao chất lượng ảnh sử dụng toán tử số học/logic 31 2.8 Các phép toán lược đồ xám (Histogram) 37 2.9 Các phép lọc .41 2.9.1 Lọc trung bình 41 2.9.2 Lọc trung vị 43 CHƯ NG XÂY DỰNG VÀ CÀI ĐẶT CHƯ NG TRÌNH 46 3.1 Phát biểu toán .46 3.2 Một số hàm thủ tục 46 3.2.1 Hàm quay ảnh ban đầu 46 3.2.2 Hàm thực zoom ảnh 47 3.2.3 Xử lý trực tiếp ảnh 47 3.2.4 Xử lý trỏ đệm 48 3.3 Thiết kế chương trình .49 K T LUẬN VÀ HƯ NG PHÁT TRIỂN 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 BẢNG KÝ HIỆU VI T TẮT K ý V đủ h C A A h D n u C al yể B B Ả M it n C C o Ti C ns I ul ch C C C G ol ar G G Ả I n I I Đ M m ịn J Jo Ả P in n K K P L ar L L P Z e h MMC P o h P P M C er áy P Pi Đ E ct iể P P Ả N or n S S C V u ar T T Ả I a n V V C G id ar WWẢ M in n DANH M C HÌNH ẢNH Hình 1.1 Q trình xử lý ảnh Hình 1.2 Lân cận điểm ảnh tọa độ (x,y) Hình 1.3 Lân cận điểm ảnh Hình 1.4 Lược đồ mức xám 10 Hình 1.5 Các bước hệ thống xử lý ảnh 12 Hình 1.6 Sơ đồ phân tích xử lý ảnh lưu đồ thông tin khối 17 Hình 1.7 Sơ đồ thành phần hệ thống xử lý ảnh 18 Hình 1.8 Một hệ thống xử lý ảnh 19 Hình 2.1 Các k thuật cải thiện ảnh sử dụng toán tử điểm 23 Hình 2.2 Các k thuật cải thiện ảnh sử dụng tốn tử khơng gian 24 Hình 2.3 Ảnh gốc ảnh kết sau tăng độ sáng 25 Hình 2.4 Dãn độ tương phản 26 Hình 2.5 Ảnh gốc ảnh kết sau tăng độ tương phản 28 Hình 2.6 Biển đổi âm 28 Hình 2.7 a Ảnh gốc b Ảnh kết sau biến đổi âm 29 Hình 2.8 Ảnh gốc ảnh kết sau biến đổi ảnh xám 30 Hình 2.9 Ảnh gốc ảnh kết sau phép biến đổi ảnh nhị phân 31 Hình 2.10 Ảnh gốc ảnh kết sau thực phép cộng 32 Hình 2.11 Ảnh gốc ảnh kết sau thực phép tr 32 Hình 2.12 Phép ND tổ hợp thơng tin hai ảnh 33 Hình 2.13 Phép OR tổ hợp thông tin hai ảnh 34 Hình 2.14 Tốn tử NOT tạo ảnh bù 34 Hình 2.15 Các phép tốn thực t ng điểm ảnh 35 Hình 2.16 Đưa giá trị mức xám đơn vị bit 36 Hình 2.17 Một số ví dụ biến đổi ảnh phép tốn số học logic 37 Hình 2.18 Đồ thị mối quan hệ mức xám số điểm ảnh 37 Hình 2.19 Trượt giá trị mức xám 38 Hình 2.20 Căng tổ chức đồ 39 Hình 2.21 San lấp tổ chức đồ 39 Hình 2.22 Lấy trung bình 41 Hình 2.23 Phần tử trung vị trước sau s p xếp 45 Hình 3.1 Form giao diện 50 Hình 3.2 Form chức thao tác với file ảnh 50 Hình 3.3 Form chức chuyển ảnh 50 Hình 3.4 Form chức zoom ảnh 51 Hình 3.5 Form chức lọc – xử lý 51 Hình 3.6 Form chức phép tốn số học, logic 51 Hình 3.7 Thực chức SUM (cộng) hai ảnh 52 Hình 3.8 Thực chức chuyển ảnh sang ảnh âm 52 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Cùng với thành tựu khoa học nhân loại, ngành Công nghệ Thông tin ngày phát triển mạnh mẽ Ở nước phát triển, hệ thống lưu trữ xử lý thông tin xây dựng sử dụng hiệu Một ứng dụng công nghệ thông tin xử lý ảnh dùng để hỗ trợ nhiều lĩnh vực khác Hơn thập k qua có nhiều cơng trình nghiên cứu toán xử lý ảnh t ảnh đen tr ng đến ảnh màu ngày hôm Ứng dụng biết đến nâng cao chất lượng ảnh báo truyền qua cáp t Luân Đôn đến New York t năm 1920 Vấn đề nâng cao chất lượng ảnh có liên quan tới phân bố mức sáng độ phân giải ảnh Việc nâng cao chất lượng ảnh phát triển vào khoảng năm 1955 Điều giải thích sau chiến thứ hai, máy tính phát triển nhanh tạo điều kiện cho trình xử lý ảnh số thuận lợi Năm 1964, máy tính có khả xử lý nâng cao chất lượng ảnh t mặt trăng vệ tinh Ranger M bao gồm: làm đường biên, lưu ảnh T năm 1964 đến nay, phương tiện xử lý, nâng cao chất lượng, nhận dạng ảnh phát triển không ng ng Các phương pháp tri thức nhân tạo mạng nơ-ron nhân tạo, thuật toán xử lý đại cải tiến, công cụ nén ảnh ngày áp dụng rộng rãi thu nhiều kết khả quan Với mong muốn tiếp cận công nghệ mới, đồng thời bổ sung kiến thức khoa học k thuật đại, tổng kết k năng, kiến thức suốt trình học tập trường, em xin chọn đề tài “N ng cao chất ng hình ảnh ằng c c ph p to n số học” Thuật to n: Bước 1: Tính h(g) g I g Bước 2: Tính v(g) i hi số điểm ảnh có mức xám ≤ g Bước 3: Tính: f (g) v(g) max 0, round TB Ảnh nhận thay g = f(g) Ta nhận ảnh cân Histogram o Ví dụ: Cân ảnh với e = I 7 1 Ta có: g v(g) i hi v( g     ) f (g)  max 0, round   1 T B    TB mxn 5x e 5 Ta ập ảng sau: g h 5 2 ( v 1 1 1 ( f 1 2 3 ( Vậy ảnh thay f(g) = g ta ảnh: I kq 2 1 2 3 1 2.9 C c ph p ọc 2.9.1 Lọc trung nh Định nghĩa trung nh: Cho dãy x1, x2…, xn trung bình dãy ký hiệu định nghĩa: AV ({x n }) round n n i Hình 2.22 Lấy trung bình xi V({xn}) Kỹ thuật ọc trung nh: Giả sử có ảnh I, điểm ảnh P, cửa sổ W(P) ngưỡng Khi k thuật lọc trung bình phụ thuộc khơng gian bao gồm bước sau: + Bước 1: Tìm trung bình {I(q)|q W(P)} AV(P) + Bước 2: Gán giá trị I (P) AV(P) I (P) |I(P) - AV (P)| Ngược lại Ví dụ: I 16 2 1 2 W(3x3); =2 I 33 2 1 2 1 Giá trị 16 sau phép lọc trung bình có giá trị 3, giá trị lại giữ nguyên sau phép lọc Lọc trung nh theo k gi trị gần nhất: Giả sử ta có ảnh I, điểm ảnh P, cửa sổ W(P), ngưỡng số k Khi đó, lọc trung bình theo k giá trị gần bao gồm bước sau: + Bước 1: Tìm k giá trị gần {I(q) | q W(p)} {k sấp sỉ giá trị gần I(P) nhất} + Bước 2: Tính trung bình {k sấp sỉ giá trị gần I(P) nhất} AVk(P) + Bước 3: Gán giá trị I(P) I (P) AVk (P) |I(P) - AVk (P)| Ngược lại Ví dụ: I 16 2 1 2 W(3x3); =2; k= I kq 2 2 1 Nhận x t: - Nếu k lớn kích thước cửa sổ k thuật k thuật lọc trung bình - Nếu k=1 ảnh kết khơng thay đổi - Chất lượng k thuật phụ thuộc vào số phần tử lựa chọn k 2.9.2 Lọc trung vị Lọc trung vị kĩ thuật lọc phi tuyến, hiệu hai loại nhiễu: Nhiễu đốm nhiễu muối tiêu Trung vị Xa chuỗi n phần tử {Xn} định nghĩa: - Nếu n lẻ: có (n-1)/2 phần tử lớn Xa (n-1)/2 phần tử nhỏ hay Xa - Nếu n ch n: Xa trung bình cộng hai phần tử Xi Xj {Xn} cho có (n-2)/2 phần tử nhỏ hay Xi (n-2)/2 phần tử lớn hay Xj K thuật đòi hỏi giá trị điểm ảnh cửa sổ phải xếp theo thứ tự tăng giảm dần so với giá trị trung vị Kích thước cửa sổ thường chọn cho số điểm ảnh cửa sổ lẻ Cửa sổ hay dùng 3x3, 5x5, 7x7 Kỹ thuậ t ọ c trung vị : Giả sử ta có ảnh I ngưỡng cửa sổ W(P) điểm ảnh P Khi k thuật lọc trung vị phụ thuộc không gian bao gồm bước sau: Bước 1: Tìm trung vị I(q) | q W(P) Med(P) Bước 2: Gán giá trị I(P) Med(P) I(P) |I(P) - Med (P)| Ngược lại Ví dụ: I 16 1 2 W(3x3); =2 I kq 2 2 1 Giá trị 16, sau phép lọc có giá trị 2, giá trị lại khơng thay đổi giá trị Hoạ t đ ng : Sử dụng cửa sổ lọc quét qua t ng điểm ảnh ảnh đầu vào input Tại vị trí điểm ảnh lấy giá trị điểm ảnh tương ứng vùng ảnh gốc “lấp” vào ma trận lọc Sau s p xếp điểm ảnh cửa sổ theo thứ tự Cuối cùng, gán điểm ảnh nằm (trung vị) dãy giá trị điểm ảnh xét ảnh đầu output Sơ c m t c c h ngắ n gọ n c c ước giải thuậ t : o Quét cửa sổ lọc lên thành phần ảnh gốc; điền giá trị quét vào cửa sổ lọc o Lấy thành phần cửa sổ lọc để xử lý o S p xếp theo thứ tự thành phần cửa sổ lọc o Lưu lại thành phần trung vị, gán cho ảnh output Phần tử trung vị trước s p xếp Phần tử trung vị sau s p xếp nh 23 Phần t trung v tr ớc sau s p ếp CHƯ NG XÂY DỰNG VÀ CÀI ĐẶT CHƯ NG TRÌNH 3.1 Ph t iểu ài to n Nâng cao chất lượng hình ảnh phép tốn số học toán kinh điển tiền xử lý ảnh Cùng với phát triển xử lý ảnh nói chung tiền xử lý ảnh nói riêng, toán nâng cao chất lượng ảnh quan tâm ngày nhiều nhiều góc độ khác Có nhiều hướng tiếp cận cho tốn nâng cao chất lượng ảnh t trước tới Bài to n đư c ph t iểu sau: Ngày việc ghi lại hình ảnh thiết bị máy ảnh, camera… phổ biến Trong trình chụp ảnh độ sáng, yếu tố môi trường hay tác động thời gian chép, lưu trữ khiến cho chất lượng ảnh không tốt Trong chương tìm hiểu, xây dựng chương trình demo cho tốn nâng cao chất lượng hình ảnh, đó: Đầu vào: file hình ảnh cần nâng cao chất lượng, với định dạng mặc định *BMP, *JPG Đầu ra: hình ảnh có chất lượng tốt hơn, với định dạng ảnh tùy chọn *BMP, *JPG, *TIFF, *PNG Để áp dụng phương pháp nâng cao chất lượng hình ảnh, trước tiên cần có tập file ảnh cần nâng cao chất lượng ảnh với định dạng mặc định *BMP, *JPG Sau đó, tiến hành trình đưa file ảnh gốc vào chương trình, chọn tính biến đổi tương ứng, cuối xuất file ảnh có chất lượng tốt 3.2 M t số hàm thủ tục 3.2.1 Hàm quay ảnh an đầu private void Quayveanhbandau_Click(object sender, EventArgs e) { pic_Image.Image = anhgoc; pic_Image.SizeMode = PictureBoxSizeMode.AutoSize; pic_Image.Refresh(); } 3.2.2 Hàm thực zoom ảnh Ví dụ trường hợp zoom ảnh 25 trường hợp khác tương tự: private void toolStripMenuItem8_Click(object sender, EventArgs e) { if (coanh == false) return; Zoom = 0.25; pic_Image.Width = (int)(anh.Width * Zoom); pic_Image.Height = (int)(anh.Height * Zoom); pic_Image.SizeMode = PictureBoxSizeMode.StretchImage; pic_Image.Image = anh; pic_Image.Invalidate(); this.Refresh(); } 3.2.3 Xử ý trực tiếp ảnh For (y= 0; y