Báo cáo chuyên đề xử lý ảnh: Các phương pháp dò biên

Báo cáo chuyên đề xử lý ảnh: Các phương pháp dò biên

KILOBOOKS.COM MỤC LỤC Lời nói đầu Chương I. TỔNG QUAN VỀ PHÂN TÍCH ẢNH 1.Khái qt về biên và phân loại các kỹ thuật dò biên 1.1. Khái niệm về biên 1.2. Phân loại các kỹ thuật phát hiện biên 2. Q trình phát hiện biên Chương II. CÁC PHƯƠNG PHÁP DỊ BIÊN 1. Sự phân đoạn và dò biên 1.1. Thao tác vùng 1.2. Dò biên thơ 1.3. Kết hợp các vùng 2. Các phương pháp dò biên cơ bản 2.1. Phép lấy đạo hàm bậc nhất cho phương pháp dò biên 2.2. Phương pháp dò biên Sobel 2.3. Phép tốn được quan tâm khác 3. Dò bậc hai 3.1. Xác định cắt điểm khơng 3.2. Dò biên màu 4. Phương pháp dò biên Phương pháp dò biên Laplace 5. Phương pháp dò biên hình chóp(pyramid EDGE detection) 6. Crack edge relation(Tách giới hạn biên) 7. Kỹ thuật đạo hàm tích chập – phương pháp Canny 8. Dò biên theo quy hoach động 8.1. Mơ tả phương pháp http://kilobooks.comTHƯ VIỆN ĐIỆN TƯÛ TRỰC TUYẾN KILOBOOKS.COM 8.2. Thuật tốn 9. Một số thuật tốn khác Lời nói đầu Xử lý ảnh là một lĩnh vực đang được quan tâm và đã trở thành một mơn học chun ngành của sinh viên hệ kĩ sư, hệ cử nhân ngành cơng nghệ thơng tin, cũng như những ngành kĩ thuật khác trong các trường đại học kĩ thuật.Xử lý ảnh có liên quan đến nhiều ngành khác như: Hệ thống tin học, lý thuyết thơng tin, lý thuyết thống kê, trí tuệ nhân tạo, nhận dạng, v.v…Xử lý ảnh nghiên cứu tất cả những gì liên quan đến việc thao tác trên ảnh như: Biểu diễn ảnh, thu nhận ảnh, tăng cường và khơi phục ảnh nhằm thu được ảnh như mong muốn.Mỗi vấn đề đều cần có những xử lý về thuật tốn tại mỗi điếm ảnh hay phần tử ảnh. Việc tìm hiểu giúp chúng ta hiểu sâu hơn về cơ chế, ngun tắc xử lý ảnh, điều chỉnh màu, độ sáng tối, độ tương phản,… làm cho hình ảnh đẹp và nghệ thuật hơn. Do đó xử lý ảnh là lĩnh vực được rất nhiều quan tâm và trở thành niềm đam mê của rất nhiều sinh viên. Trong bài báo cáo này, em xin đưa ra đề tài: Các phương pháp dò biên ảnh. Đặc biệt ở đây trình bày 2 thuật tốn dò biên Sobel và Laplace bằng ngơn ngữ C. Để đạt được thành cơng, chúng ta cần sự nghiên cứu và trao đổi lẫn nhau. Vì vậy em rất mong sự tham gia của các bạn, đặc biệt là lời nhận xét của cơ giáo. Em xin chân thành cảm ơn! http://kilobooks.comTHƯ VIỆN ĐIỆN TƯÛ TRỰC TUYẾN KILOBOOKS.COM Chương I. TỔNG QUAN VỀ PHÂN TÍCH ẢNH Sau giai đoạn tiền xử lý ảnh, ảnh đã dược tăng cường hay khơi phục để làm nổi các đặc trưng chủ yếu.Giai đoạn phân tích ảnh gồm: trích chọn các đặc tính, sau đó phân đoạn ảnh thành các phần tử.Ví dụ như phân đoạn dựa theo biên, dựa theo vùng. Tùy theo các ứng dụng, giai đoạn tiếp theo có thể là nhận dạng ảnh phân thành các lớp có miêu tả. Sơ đồ sau mơ tả tóm lược các bước của q trình phân tích ảnh: Ảnh đầu ra của Trích chọn đặc tính Phân đoạn Phân loại Giải thích http://kilobooks.comTHƯ VIỆN ĐIỆN TƯÛ TRỰC TUYẾN KILOBOOKS.COM Q trình tiền xử lý Sơ đồ: Các bước phân tích ảnh. Các đặc trưng của ảnh thường gồm: mật độ xám, phân bố xác suất, phân bố khơng gian, biên ảnh. 1. Khái qt về biên và phân loại các kỹ thuật dò biên. 1.1. Khái niệm về biên: Biên là một vấn đề chủ yếu trong phân tích ảnh vì các kỹ thuật phân đoạn ảnh chủ yếu dựa vào biên.Một điểm ảnh có thể coi là điểm biên nếu ở đó có sự thay đổi đột ngột về mức xám.Tập hợp các điểm biên tạo thành biên hay đường bao của ảnh.Ví dụ: trong một ảnh nhị phân, một điểm có thể gọi là biên nếu nó là điểm đen và có ít nhất một điểm trắng lân cận. Để hình dung tầm quan trọng của biên ta xét ví dụ sau: Khi người hoạ sĩ vẽ một cái bàn gỗ, chỉ cần vài nét phác thảo về hình dáng như mặt bàn, chân bàn mà khơng cần thêm các chi tiết nào khác, người xem đã có thể nhận ra cái bàn.Nếu ứng dụng của ta là phân lớp nhận diện đối tượng thì coi như nhiệm vụ đã hồn thành.Tuy nhiên nếu đòi hỏi thêm về các chi tiết khác như vân gỗ hay màu sắc… thì với chừng ấy thơng tin là chưa đủ.Nhìn chung về mặt tốn học người ta coi điểm biên của ảnh là điểm có sự biến đổi đột ngột về độ xám. http://kilobooks.comTHƯ VIỆN ĐIỆN TƯÛ TRỰC TUYẾN KILOBOOKS.COM Như vậy, phát hiện biên một cách lý tưởng là xác định được tất cả cả các đường bao trong đối tượng. Định nghĩa tốn học của biên ở trên là cơ sở cho các kỹ thuật phát hiện biên. Điều quan trọng là sự biến thiên mức xám giữa các điểm ảnh trong một vùng thường là nhỏ, trong khi đó biến thiên mức xám của điểm giáp ranh lại khá hơn. 1.2. Phân loại các kỹ thuật phát hiện biên Xuất phát từ định nghĩa tốn học của biên người ta thường sử dụng 2 phương pháp phát hiện biên sau: - Phương pháp phát hiện biên trực tiếp: Phương pháp này nhằm làm nổi biên dựa vào sự biến thiên về giá trị độ sáng của điểm ảnh.Kỹ thuật chủ yếu dùng phát hiện biên ở đây là kỹ thuật đạo hàm.Nếu lấy đạo hàm bậc nhất của ảnh, ta có phương pháp Gradient.Nếu lấy đạo hàm bậc hai, ta có phương pháp Laplace.Hai kỹ thuật trên gọi là phương pháp dò biên cục bộ.Ngồi ra, người ta cũng sử dụng phương pháp “đi theo đường bao” : dựa vào ngun lý quy hoạch động và được gọi là phương pháp dò biên tổng thể. - Phương pháp phát hiện biên gián tiếp: Bằng cách nào đó, ta phân được ảnh thành các vùng thì đường phân ranh giữa các vùng đó chính là biên.Việc phân vùng ảnh thường dựa vào kết cấu bề mặt ảnh. Kỹ thuật dò biên và phân vùng ảnh là hai bài tốn đối ngẫu của nhau.Thực vậy, dò biên để thực hiện phân lớp đối tượng và một khi đã phân lớp xong có nghĩa là đã phân vùng được ảnh.Và ngược lại, khi đã phân vùng, ảnh đã phân lập được thành các đối tượng, ta có thể phát hiện được biên.Phương pháp dò biên trực tiếp tỏ ra khá hiệu quả vì ít chịu ảnh hưởng của nhiễu.Nếu biến đổi gián tiếp tuy khó cài đặt, song lại áp dụng khá tốt khi sự biến thiên độ sáng nhỏ. 2.Q trình phát hiện biên -Vì ảnh thu nhận thường có nhiễu nên bước đầu tiên là khử nhiễu. -Tiếp theo là tiến hành làm nổi biên bởi các tốn tử đạo hàm. http://kilobooks.comTHƯ VIỆN ĐIỆN TƯÛ TRỰC TUYẾN KILOBOOKS.COM- Định vị điểm biên.Vì các kỹ thuật làm nổi biên có hiệu ứng phụ là tăng nhiễu, do vậy sẽ có một điểm biên giả cần bị loại bỏ. -Liên kết và trích chọn biên. Chương II.Các phương pháp dò biên 1.Sự phân đoạn và dò biên 1.1.Thao tác vùng Việc khám phá các vùng có thể là một việc rất đơn giản ,như được minh hoạ trong mục 1.1.1.tuy nhiên thường khơng nhiều hơn ,những vùng được u cầu mà bao trùm một vùng thật của ảnh hơn là mổh nhóm các diểm ảnh. 1.2.Dò biên thơ Sử dụng: xem xét một hình ảnh như là một tập hợp các vùng . thuật tốn:dò biên thơ khơng phải là một phương pháp phức tạp .những vùng đơn giản được xác định như vùng các điểm cùng mức xám , đường biên của các vùng là tách những điểm ảnh hơn tại vị trí điểm. như việc dò một vùng có thể đưa ra một số các vùng hữu ích (trừ khi số các mức xám là tương đối nhỏ ).như vậy một phương pháp đơn giản là nhóm lại những điểm ảnh vào trong hững phạm vi của những giá trị gần (q hoặc tự nhóm).các vùng(miền) có thể là việc xem xét các biểu đồ hình ảnh để xác định tốt sự tự nhhóm cho mục đích vùng kết quả trong việc kết hợp tồn bộ mức xám vùng cơ sở nhiều hơn các mức xám của điểm ảnh mà nó gần với một vùng khác . 1.3. Kết hợp các vùng Việc kết hợp các vùng là rất hữu ích cho việc tách thơ các mức xám và thực hiện một số kỹ thuật trên những vết rạn giữa những vùng_khơng làm tăng biên nhưng để http://kilobooks.comTHƯ VIỆN ĐIỆN TƯÛ TRỰC TUYẾN KILOBOOKS.COMxác định khi tồn bộ các vùng cần phải nối (kết hợp_-như vậy làm giảm số các vùng từ việc tìm vùng thơ ở trên . 2. Các phương pháp dò biên cơ bản Biên của một hình ảnh giữ nhiều thơng tin trong hình ảnh đó .các biên cho biết các đối tượng ở đâu ,hình dạng và kích thước của đối tượng,và cái gì đó để kết cấu của đối tượng .biên là nơi cương độ của một hình ảnh di chuyển từ một giá trị thấp đến giá trị cao. Rất nhiều các ứng dụng cho phương pháp dò biên ,mà được sử dụng cho một số hiệu ứng đặc biệt .những nghệ sỹ kỹ thuật số sử dụng nó để làm rõ nét các đường nét của hình ảnh .kết quả của việc dò biên có thể đưa thêm vào hình ảnh để làm nổi bật các đường biên. Biên trong ảnh là những vùng có cường độ tương phản mạnh, một bước nhảy từ điểm ảnh tới điểm ảnh kế tiếp.Dò biên một ảnh giúp giảm đáng kể số lượng và lọc ra những thơng tin khơng hữu ích, trong khi đó bảo quản được các thuộc tính cấu trúc của ảnh.Có rất nhiều cách thực hiện dò biên.Tuy nhiên các phương pháp chính khác nhau có thể được nhóm vào thành hai loại, Gradient và Laplacian.Phương pháp Gradient dò biên bằng cách tìm kiếm giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất trong đạo hàm bậc nhất của ảnh.Phương pháp Laplace tìm kiếm các vạch khơng trong đạo hàm bậc hai của ảnh để tìm biên.Biên có dạng một chiều và tính tốn đạo hàm của ảnh có thể làm nổi vị trí đó.Chúng ta có thể sử dụng kí hiệu f(t) sau với biên chỉ ra bước nhảy của cường độ bên dưới: http://kilobooks.comTHƯ VIỆN ĐIỆN TƯÛ TRỰC TUYẾN KILOBOOKS.COM Nếu ta lấy gradient của kí hiệu này ở dạng một chiều, chỉ ra đạo hàm bậc một của biến t, ta nhận được: Rõ ràng đạo hàm bậc một cho xác định giá trị lớn nhất tại tâm của biên.Phương pháp xác định biên này là đặc trưng của nhóm lọc gradient nếu giá trị của gradient vượt q vài ngưỡng.Như đã đề cập, biên sẽ có giá trị cường độ điểm ảnh cao hơn so với các vùng khác.Nên mỗi lần, một ngưỡng được đặt, ta có thể so sánh giá trị gradient với giá trị một ngưỡng và dò biên khi mà ngưỡng được mở rộng.Hơn nữa khi mà đạo hàm bậc nhất đạt giá trị lớn nhất, đạo hàm bậc hai bằng 0.Một cách khác để tìm ra vị trí của biên là xác định các giá trị 0 của đạo hàm bậc hai của hàm bên dưới: http://kilobooks.comTHƯ VIỆN ĐIỆN TƯÛ TRỰC TUYẾN KILOBOOKS.COM Phương pháp dò biên thường bước đầu tiên là việc phân vùng hình ảnh .phân vùng ảnh là một lĩnh vực của phân tích ảnh , được sử dụng đểvnhóm những điểm vào trong các vùng để xác định thành phần cấu tạo một ảnh . một ví dụ phổ biến của phân vùng ảnh là”magic wand”( đũa thần ma thuật )cơng cụ phần mền trong xử lý ảnh .cơng cụ này cho phép người dùng lựa chọn một diểm trong một hình ảnh .phần mền này vẽ một đường bao quanh những điểm có giá trị giống nhau.người dùng có thể lựa chọn một diểm trong vùng bầu trời và đ thần ma thuật sẽ vẽ một đường bao kín vùng bầu trời trong ảnh .người dùng có thể sửa đổi màu của vùng trời mà khơng gây ra sự biến đổi màu cắc các dãy núi hoặc bất cứ phần nào có mặt trong hình ảnh . phương pháp dò biên cũng sử dụng đăng ký (registration) ảnh .việc đăng ký hình ảnh sắp thẳng hàng hai hình ảnh mà có thể thu đựoc tại các phần mền riêng biệt hoặt từ những phân tử nhảy khác nhau. roof edge line edge step edge ramp edge Hình1.1 Một số đường biên khác nhau. http://kilobooks.comTHƯ VIỆN ĐIỆN TƯÛ TRỰC TUYẾN KILOBOOKS.COMCó rất nhiều các kiểu biên,về chiều và hình dạng (hình1.1).Một số biên là đường thẳng trong khi những biên khác được uốn cong bằng việc thay đổi giá trị radian.có rất nhiều phương pháp dò biên sử dụng tất cả ngững đường biên trên,từng cái có những điểm mạnh của riêng nó .một vài phương pháp dò biêncó thể sử dụng tốt trong một số ứng dụng và thực hiện kém (khơng hiệu quả)trong ứng dụng khác. Đơi khi nó được sử dụng thí nghiệm để xác định đâu là phương pháp dò biên tốt nhất cho một ứng dụng. Phương pháp dò biên đơn giản nhất và nhanh nhất là xác định giá trị cực đằit một loạt các phép thuần nhất (đồng nhất)trừ điểm ảnh.phép tốn trừ mỗi 8 điểm ảnh phụ cận (vây quanh)từ một điểm trung tâm của một cửa sổ 3x3 trong hình 1.2 đầu ra của phép tốn là giá trị tuyệt đối cực đại của mỗi phần khác nhau. homogenety operator image1111111112161613 15 Phép tốn đồng nhất ảnh Hình 1.2 sử dụng các thuật tốn đồng nhất. http://kilobooks.comTHƯ VIỆN ĐIỆN TƯÛ TRỰC TUYẾN [...]... có thể được tổng hợp lại đẻ tạo ra một bản đồ biên dải màu xám ngồi ra ,các thành phần màu có thể là tổng các vec to để tạo ra bản đồ biên dải màu xám 2 2 2 G(x, y) = Gred + Ggreen + Gblue KIL Nó đã được chỉ ra rằng phần lớn các biên dựa trên các phân tử màu của một hình ảnh ngồi ra cũng dựa trên thành phần cường độ 4 Phương pháp dò biên Phương pháp dò biên Laplace http://kilobooks.com M THƯ VIỆN... ,như các thiết bị dò tìm ,nó khá được chú trọng đến thuật tốn gradien đã nói ở trên đã giải đáp giữa hai vẫn đề trên tại vùng mà biên đang xét nó là tốt nhất cho việc xây dựng dần các đường biên gốc đúng như ý tưởng ,việc tìm một đường biên cần phải chỉ ra mọi đường biên tại trung tâm của một biên được đề cập ở đây là sự định vị nếu việc xác định một biên tạo ra một OBO bản đồ hình ảnh với các biên. .. 0 0 −1 −1 −1 0 0 3.2 Dò biên màu Phương thức của sự dò tìm các biên trong ảnh màu phụ thuộc vào việc định nghĩa biên của bạn định nghĩa một biên là gián đoạn (tính khơng liên tục ) độ chói trong khơng gian HIS KIL một hình ảnh đò biên sẽ được thực hiện trê kênh cường độ của một màu trong định nghĩa khác đòi hỏi rằng một biên tồn tại nếu có mặt kênh màu đỏ ,xanh lục và xanh .dò biên có thể được làm... 2 3 3 4 4 4 3 OBO gradien thơng qua một số các điểm ảnh ,hơn là việc tính tốn với hai con số KIL Các tốn tử đạo hàm được áp dụng khá nhiều Ở đây ta chỉ xét một số tốn tử tiêu biểu: Robert, Sobel,… 2.2 Phương pháp dò biên Sobel Tốn tử sobel nhạy cảm với các biên chéo hơn so với các biên thẳng đứng và các biên nằm ngang.chuẩn sobel 3x3 thương đựoc sử dụng như: X http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC... đựng nhứng giá trị khác khơng của hàmLoG u cầu chiều rộng bằng ba lần chiều rộng của vành dương trung tâm KIL Phương pháp dò biên dựa trên hàm nhẵn gauss nhằm giảm bớt tạo nhiễu trong hình ảnh nó sẽ làm giảm bớt đi các biên đã tìm khơng đúng và cũng tìm được các biên mơ rộng Đa số các mặt nạ dò biên ít khi lớn hơn 7x7 vì hình dạng của thuật tốn LoG ,nó u cầu nhiều mặt nạ kích thước lớn hơn ban đầu phản... TRỰC TUYẾN ở đây x,y đang xét là các dòng và cột của một hình ảnh ,0 là một giá trị của sự tán sắc mà các điều khiển có kết quả spread Do hình dạng của nó ,hàm này được gọi là lọc hình biểu diễn đoạn của tốn tử dò M biên LoG với các giá trị khác nhau của o hàm được mở rộng hơn ,biên mở rộng mà OKS CO nó sẽ tìm được.thu hẹp một hàm sẽ tìm được hình dạng và các chi tiết các biên hơn OBO Hình 1.4 Giao của... dụng theo mọi hướng nó sẽ tơ sáng điểm biên trong tất cả các hướng tốn tử laplace sẽ đưa ra các biên khơng chuẩn xác hơn ( M sharper)so với đa số các kỹ thuật khác các vùng sáng bao gồm giá trị dương và âm của cường độ dốc(slope) or −1 −1 −1 −1 8 −1 −1 −1 −1 OKS 0 −1 0 −1 4 −1 0 −1 0 CO Biên laplace của một ảnh có thể tìm được bởi kết hợp với các mặt nạ như : Tập hợp các tốn tử laplace được sử dụng rơng... biên khác nhau mở rộng các điểm ảnh ,nó là khó khăn để định vị các trung tâm của các biên nó trở thành cần thiết để mượn một tiến trình nghèo nàn để làm bớt bề rộng của biên tới một điểm ảnh phần này cung cấp tốt hơn sự định vị biên KIL Ví dụ: Một hình ảnh như sau: 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8 9 9 9 9 9 Tốn tử cơ bản Sobel dò biên thẳng đứng như miêu... ,mặc dù các tốn tử laplace lớn hơn và những họ tương đồng của các tốn tử OBO có khuynh hướng lờ đi tạp nhiễu 3.1 Xác định cắt điểm khơng Đối với biên đang xét phương thức của việc cắt điểm khơng với một vài u cầu giới hạn là thơng qua một mặt nạ 3x3 qua hình ảnh mà đang xác định giá trị max và min.nếu sự khác nhau giữa các giá trị max và min vượt q giới hạn định đã cho trước thơng báo số lớn các biên. .. phần của nó ,sau đó phối hợp các màu thành phần ,hình ảnh thu được màu vẫn giữ ngun (still color).xem hình 1.6 http://kilobooks.com OKS CO M THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Hình 1.6(a)hình ảnh gốc ;(b)kênh màu đỏ ;(c)kênh màu xanh lục;(d) kênh màu xanh;(e )biên kênh màu đỏ;(e )Biên kênh màu xanh lục ;(e )biên kênh màu xanh OBO Dò biên cũng có thể thực hiện trên mỗi phần màu và các thành phần có thể được tổng . II. CÁC PHƯƠNG PHÁP DỊ BIÊN 1. Sự phân đoạn và dò biên 1.1. Thao tác vùng 1.2. Dò biên thơ 1.3. Kết hợp các vùng 2. Các phương pháp dò biên cơ. 4. Phương pháp dò biên Phương pháp dò biên Laplace 5. Phương pháp dò biên hình chóp(pyramid EDGE detection) 6. Crack edge relation(Tách giới hạn biên)