Nghiên cứu một số phương pháp phát hiện biên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN THỊ NGỌC THƯ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN BIÊN LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ĐỒNG THÁP, 3/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN THỊ NGỌC THƯ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN BIÊN Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Mã số: 60.48.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Người hướng dẫn khoa học: TS PHAN LÊ NA ĐỒNG THÁP, 3/2017 LỜI CAM ĐOAN Để hồn thành luận văn tốt nghiệp này, tơi có tham khảo số tài liệu liên quan đến chuyên ngành Cơng Nghệ Thơng Tin nói chung Xử lý ảnh nói riêng Tơi xin cam đoan đề tài tơi thực hiện, kết đề tài trung thực, đề tài không trùng với đề tài nghiên cứu khoa học Những thơng tin tham khảo khóa luận trích dẫn cụ thể nguồn sử dụng Học viên thực Nguyễn Thị Ngọc Thư LỜI CẢM ƠN Trước hết xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô giáo Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Vinh quan tâm tổ chức đạo trực tiếp giảng dạy khóa cao học chúng tơi Đặc biệt, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc dến cô hướng dẫn TS Phan Lê Na dẫn khoa học tận tình hướng dẫn cho tơi suốt q trình làm luận văn Nếu khơng có giúp đỡ tơi khó hồn thành luận văn Cuối cùng, tơi xin cảm gia đình, người ln ủng hộ động viên để tơi n tâm nghiên cứu hồn thành luận văn Mặc dù tơi cố gắng hồn thành luận văn với tất nỗ lực thân, chắn không tránh khỏi thiếu sót, kính mong cảm thơng tận tình bảo quý thầy, cô MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT XỬ LÝ ẢNH VÀ BIÊN 1.1 Tổng quan xử lý ảnh 1.1.1 Xử lý ảnh 1.1.2 Các bước xử lý ảnh 10 1.1.3 Một số vấn đề xử lý ảnh 15 1.2 Tổng quan biên 19 1.2.1 Biên 19 1.2.2 Các kiểu biên 19 1.3 Vai trò biên nhận dạng 21 Chương CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN BIÊN 23 2.1 Phân loại kỹ thuật phát biên 23 2.1.1 Kỹ thuật phát biên trực tiếp 23 2.1.2 Kỹ thuật phát biên gián tiếp 23 2.1.3 Quy trình phát biên 24 2.2 Phương pháp Gradient 24 2.3 Phương pháp Laplace 25 2.4 Phương pháp Canny 27 Chương MATLAB VÀ CÀI ĐẶT THUẬT TOÁN XỬ LÝ BIÊN 31 3.1 Giới thiệu ngôn ngữ Matlab 31 3.1.1 Ngôn ngữ Matlab 31 3.1.2 Sơ lươ ̣c lich ̣ sử Matlab 31 3.1.3 Đặc điể m của Matlab và các ứng du ̣ng 33 3.1.4 Các hàm xử lý 34 3.1.5 Các phép biến đổi hình học 37 3.2 Cài đặt thuật toán xử lý biên Error! Bookmark not defined 3.2.1 Giao diện 39 3.2.2 Giao diện phương pháp Gradient 40 3.2.3 Giao diện phương pháp Laplace 43 3.2.4 Giao diện phương pháp Canny 45 Chương ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BIÊN 47 4.1 Phương pháp phát biên dựa vào kỹ thuật Gradient 47 4.2 Phương pháp phát biên dựa vào kỹ thuật Laplace 47 4.3 Phương pháp phát biên dựa vào kỹ thuật Canny 48 4.4 Các phương pháp phát biên (phương pháp Gradient, phương pháp Laplace, phương pháp Canny) 48 KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Q trình xử lý ảnh Hình 1.2 Các bước qua trình xử lý ảnh 10 Hình 1.3 Lân cận điểm ảnh tọa độ (x,y) 17 Hình 1.4 Ðuờng biên lý tuởng 20 Hình 1.5 Ðuờng biên dốc 20 Hình 1.6 Ðường biên không trơn 21 Hình 2.1 Biên ảnh với kỹ thuật Gradient 25 Hình 2.2 Biên ảnh với kỹ thuật Laplace 27 Hình 2.3 Biên ảnh với kỹ thuật Canny 29 Hình 3.1 Giao diện 39 Hình 3.2 Giao diện phương pháp Gradient 40 Hình 3.3 Giao diện phương pháp Laplace 43 Hình 3.4 Giao diện phương pháp Canny 45 Hình 4.1 Kết biên ảnh phương pháp ảnh không nhiễu 49 Hình 4.2 Kết biên ảnh phương pháp ảnh thay đổi mức xám chậm 50 Hình 4.3 Kết biên ảnh phương pháp ảnh nhiễu 51 MỞ ĐẦU Sự cần thiết vấn đề nghiên cứu Thời đại công nghệ thông tin phát triển vào ngõ ngách sống Hiện nay, phát triển ngành công nghiệp có diện đóng góp to lớn công nghệ thông tin Xử lý ảnh chuyên ngành quan trọng lâu đời Công nghệ thông tin Xử lý ảnh áp dụng nhiều lĩnh khác y học, vật lý, hố học, tìm kiếm tội phạm, qn số lĩnh vực khác Con người thu nhận thông tin phần lớn thị giác, cụ thể hình ảnh Vì xử lý ảnh vấn đề thiếu quan trọng để thu hình ảnh tốt hơn, đẹp hơn, nhằm đáp ứng yêu cầu thông tin khác người nhận Trong xử lý ảnh, việc nhận dạng phân lớp đối tượng cần trải qua trình thao tác khác Phát biên giai đoạn quan trọng kỹ thuật phân đoạn ảnh chủ yếu dựa vào giai đoạn Mục đích việc dị biên đánh dấu điểm ảnh số mà có thay đổi đột ngột độ xám, tập hợp nhiều điểm biên tạo nên đường bao quanh ảnh (đường biên) Nhờ có đường biên mà phân biệt đối tượng nền, phân biệt vùng khác định vị đối tượng từ mà nhận dạng đối tượng Đây sở quan trọng việc ứng dụng phương pháp vào thực tiễn sống, đặc biệt điều kiện đất nước ta bước phát triển lên nên việc nghiên cứu ứng dụng vấn đề cần quan tâm phát triển Xuất phát từ thực tế đó, tơi lựa chọn đề tài "Nghiên cứu số phương pháp phát biên" Mục đích đề tài hệ thống hóa kiến thức phương pháp phát biên, từ kỹ thuật dị biên cài đặt chương trình để đưa nhận xét, so sánh, đánh giá phương pháp phát biên Qua có nhìn tổng quát phương pháp phát biên Mục tiêu nghiên cứu 2.1 Mục tiêu tổng quát - Nghiên cứu đánh giá số phương pháp phát đường biên ảnh 2.2 Mục tiêu cụ thể - Nghiên cứu xử lý ảnh biên - Nghiên cứu phương pháp phát biên - Nghiên cứu cài đặt ứng dụng trích chọn biên Matlab Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu - Nghiên cứu tài liệu xử lý ảnh biên - Nghiên cứu số thuật tốn trích biên - Nghiên cứu tài liệu ngôn ngữ Matlab để cài đặt thử nghiệm thuật toán 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu số phương pháp trích chọn đường biên ảnh Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan xử lý ảnh biên - Nghiên cứu lý thuyết số phương pháp trích chọn đường biên ảnh - Nghiên cứu ngơn ngữ lập trình Matlab làm cơng cụ để xây dựng ứng dụng trích chọn biên - Đánh giá ưu điểm hạn chế phương pháp Kết cấu luận văn Ngoài phần mở đầu phần kết luận, luận văn xếp theo bố cục sau đây: Chương Cơ sở lý thuyết xử lý ảnh Chương Các phương pháp phát biên Chương Matlab cài đặt thuật toán xử lý biên Chương Đánh giá nhận xét phương pháp xử lý biên 39 3.2 Cài đặt thuật tốn xử lý biên 3.2.1 Giao diện Hình 3.1 Giao diện  Cài đặt: function bt_Dong_Callback(hObject, eventdata, handles) close function bt_Gradient_Callback(hObject, eventdata, handles) close LocGradient function bt_Laplace_Callback(hObject, eventdata, handles) close LocLaplace 40 function bt_Canny_Callback(hObject, eventdata, handles) close Loccanny 3.2.2 Giao diện phương pháp Gradient Hình 3.2 Giao diện phương pháp Gradient  Cài đặt: function bt_ChonAnh_Callback(hObject, eventdata, handles) global anhgoc [FileName,PathName] = uigetfile({'*.png;*.PNG','PNG Files (*.png, *.PNG)'; '*.jpg;*.JPG','JPG Files (*.jpg, *JPG)'; '*.tif;*.TIF','TIF Files (*.tif, *.TIF)'; '*.gif;*.GIF','GIF Files (*.gif, *.GIF)'; '*.bmp;*.BMP','BMP Files (*.bmp, *.BMP)'; 41 '*.*','All Files(*.*)'},'Select the input file'); if FileName ~= ' ' fullname = strcat(PathName, FileName); w=imread(fullname); axes(handles.axes1); imshow(w); anhgoc = fullname; else msgbox('Ban chua chon anh nao!') end function bt_XuLi_Callback(hObject, eventdata, handles) global anhgoc img=imread(anhgoc); [m,n,p]= size(img); if p ==3 B=rgb2gray(img); else B = img; end I=double(B); for i=1:size(I,1)-2 for j=1:size(I,2)-2 %Sobel mask for x-direction: mx=((2*I(i+2,j+1)+I(i+2,j)+I(i+2,j+2))(2*I(i,j+1)+I(i,j)+I(i,j+2))); %Sobel mask for y-direction: 42 my=((2*I(i+1,j+2)+I(i,j+2)+I(i+2,j+2))(2*I(i+1,j)+I(i,j)+I(i+2,j))); B(i,j)=sqrt(mx.^2+my.^2); end end %Define a threshold value Thresh=140; B=max(B,Thresh); B(B==round(Thresh))=0; figure imshow(B);title('Anh duoc phat hien bien'); function bt_Dong_Callback(hObject, eventdata, handles) close run giaodien 43 3.2.3 Giao diện phương pháp Laplace Hình 3.3 Giao diện phương pháp Laplace  Cài đặt: function bt_ChonAnh_Callback(hObject, eventdata, handles) global anhgoc [FileName,PathName] = uigetfile({'*.png;*.PNG','PNG Files (*.png, *.PNG)'; '*.jpg;*.JPG','JPG Files (*.jpg, *.JPG)'; '*.tif;*.TIF','TIF Files (*.tif, *.TIF)'; '*.gif;*.GIF','GIF Files (*.gif, *.GIF)'; '*.bmp;*.BMP','BMP Files (*.bmp, *.BMP)'; '*.*','All Files(*.*)'},'Select the input file'); if FileName ~= ' ' fullname = strcat(PathName, FileName) ; 44 w=imread(fullname); axes(handles.axes1); imshow(w); anhgoc = fullname; else msgbox('Ban chua chon anh nao!') end function bt_XuLi_Callback(hObject, eventdata, handles) global anhgoc %Input Image A=imread(anhgoc); if(size(A,3)==3) B = rgb2gray(A); end figure; I = edge(B,'log'); imshow(I); title('Anh duoc phat hien bien'); function bt_Dong_Callback(hObject, eventdata, handles) close run giaodien 45 3.2.4 Giao diện phương pháp Canny Hình 3.4 Giao diện phương pháp Canny  Cài đặt: function bt_ChonAnh_Callback(hObject, eventdata, handles) global anhgoc [FileName,PathName] = uigetfile({'*.png;*.PNG','PNG Files (*.png, *.PNG)'; '*.jpg;*.JPG','JPG Files (*.jpg, *JPG)'; '*.tif;*.TIF','TIF Files (*.tif, *.TIF)'; '*.gif;*.GIF','GIF Files (*.gif, *.GIF)'; '*.bmp;*.BMP','BMP Files (*.bmp, *.BMP)'; '*.*','All Files(*.*)'},'Select the input file'); if FileName ~= ' ' fullname = strcat(PathName, FileName) w=imread(fullname); axes(handles.axes1); ; 46 imshow(w); anhgoc = fullname; else msgbox('Ban chua chon anh nao!') end function bt_XuLi_Callback(hObject, eventdata, handles) global anhgoc thresh = 0.3; si = 3; sigma = 0.2; A=imread(anhgoc); if(size(I,3)==3) B=rgb2gray(A); end I = edge(B,'canny'); figure imshow(I); title('Anh duoc phat hien bien'); function bt_Dong_Callback(hObject, eventdata, handles) close run giaodien 47 Chương ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BIÊN Ðể có đánh giá cách khách quan, có minh chứng cụ thể hình ảnh, từ phương pháp phát biên trình bày ta tiến hành cài đặt chương trình thử nghiệm phương pháp phát biên Trên sở đưa nhận xét đánh giá phương pháp trình bày luận văn Bằng cách tìm hiểu lỗi mà thuật tốn phát biên mắc phải ta rút phương pháp phát biên phù hợp Thông thường lỗi mà thuật tốn phát biên phạm phải là: Lỗi âm: Một thuật toán phát biên khơng thơng báo cạnh tồn Lỗi dương: Một thuật toán phát biên thơng báo cạnh khơng tồn Ðiều nhiễu việc thiết kế thuật toán sơ sài q trình phân nguỡng Vì vị trí điểm biên bị nhầm Sau đánh giá số phương pháp phát biên dựa theo kết thực nghiệm 4.1 Phương pháp phát biên dựa vào kỹ thuật Gradient Đối với ảnh không nhiễu, phương pháp gradient làm việc tốt mức xám thay đổi rõ nét Tuy nhiên mức xám thay đổi chậm, miền chuyển tiếp trải rộng phương pháp Gradient tỏ không hiệu Tương tự ảnh nhiễu 4.2 Phương pháp phát biên dựa vào kỹ thuật Laplace Phương pháp Laplace chất tính đạo hàm bậc hai Đối với ảnh khơng nhiễu, có mức xám thay đổi đổi ngột phương pháp cho kết 48 tốt Khi mức xám thay đổi chậm, miền chuyển tiếp trải rộng phương pháp cho hiệu phương pháp Gradient Đối với ảnh nhiễu, phương pháo lại cho kết phương pháp Gradient 4.3 Phương pháp phát biên dựa vào kỹ thuật Canny Đây thuật toán tương đối tốt sử dụng nhiều ứng dụng xử lý ảnh dây phương pháp có khả loại bỏ nhiễu tốt, có khả đưa đường biên mảnh, phát xác điểm biên với điểm nhiễu 4.4 Các phương pháp phát biên (phương pháp Gradient, phương pháp Laplace, phương pháp Canny) * Ðối với ảnh không nhiễu: Phương pháp phát biên Gradient cho biên lớn lại không đẩy đủ Phương pháp Laplace cho kết rõ nét Gradient, biên mảnh Còn phương pháp Canny cho kết biên mảnh, chi tiết Ðối với loại ảnh ba phương pháp cho kết tốt, song tùy vào mục đích sử dụng mà lựa chọn phương pháp phù hợp a) Ảnh gốc b) Ảnh biên với Gradient 49 c) Ảnh biên với Laplace d) Ảnh biên với Canny Hình 4.1 Kết biên ảnh phư ơng pháp ảnh không nhiễu * Ðối với ảnh có mức xám thay đổi chậm: Phương pháp Gradient phát biên biên mờ, khơng rõ nét, ảnh có vùng có mức xám thấp, thay đổi mức xám nhỏ Phương pháp Laplace cho kết rõ nét (do phương pháp sử dụng phương pháp đạo hàm bậc hai, điểm biên điểm cắt khơng) Tuy nhiên ảnh có nhiều điểm biên nhỏ nên biên ảnh phương pháp nhiều rối Còn phương pháp Canny, trình “Non-maximum Suppression” trình áp dụng ngưỡng mà điểm biên phụ bị loại bớt đi, biên giữ lại nên biên rõ nét Ðối với ảnh có nhiều có mức xám nhỏ, biến thiên mức xám thấp ta nên sử dụng phương pháp Laplace, song ảnh có nhiều biên ta nên sử dụng phương pháp Canny để loại bỏ bớt cạnh không cần quan tâm 50 a) Ảnh gốc c) Ảnh biên với Laplace b) Ảnh biên với Gradient d) Ảnh biên với Canny Hình 4.2 Kết biên ảnh phương pháp ảnh thay đổi mức xám chậm * Ðối với ảnh có nhiễu: Phương pháp Gradient cho biên ảnh với nhiều điểm biên phụ, biên lớn Còn phương pháp Laplace cho biên mảnh, khơng rõ nét Cịn phương pháp Canny trình làm trơn ảnh cho bớt nhiễu trình “Nonmaximum Suppression” để giảm bớt biên phụ nên ảnh kết phương pháp rõ nét Vì ảnh có nhiều nhiễu ta nên sử dụng phương pháp Canny để loại bỏ nhiễu điểm biên phụ không cần quan tâm, giữ lại điểm biên theo mục đích sử dụng khác 51 a) Ảnh gốc c) Ảnh biên với Laplace b) Ảnh biên với Gradient d) Ảnh biên với Canny Hình 4.3 Kết biên ảnh phương pháp ảnh nhiễu 52 KẾT LUẬN Trong trình nghiên cứu tài liệu thực luận văn định hướng cô Phan Lê Na luận văn Nghiên cứu số phương pháp phát biên đạt số kết sau: - Tìm hiểu cách tổng quan vấn đề xử lý ảnh phát biên ảnh Hệ thống hoá phương pháp phát biên Ðưa nhận xét, đánh giá phương pháp phát biên có lựa chọn phương pháp phù hợp với loại ảnh - Bằng cách hiểu chất phương pháp, cài đặt chạy thử nghiệm thành công số phương pháp phát biên Ngồi ra, q trình nghiên cứu tơi tự tích lũy thêm cho kiến thức toán học, kỹ thuật lập trình,…Và quan trọng rèn luyện kỹ để thực nghiên cứu khoa học Tuy bước đầu, kết giúp ích cho nghiên cứu sau để thu kết tốt Dựa kết bước đầu đạt luận văn, tiếp tục nghiên cứu đề xuất số cải tiến phương pháp phát biên hiệu tương lai 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Võ Đức Khánh, Hồng Văn Kiếm (2008), Giáo trình xử lý ảnh số, Nhà xuất Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh [2] Hồng Kiếm, Nguyễn Ngọc Kỷ tác giả (1992), Nhận dạng phương pháp ứng dụng, Nhà xuất thống kê [3] Nguyễn Kim Sách (1997), Xử lý ảnh Video số, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [4] Nguyễn Quốc Trung (2004), Xử lý tín hiệu lọc số, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [5] https://vi.wikipedia.org/wiki/MATLAB ... vi nghiên cứu - Nghiên cứu số phương pháp trích chọn đường biên ảnh Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan xử lý ảnh biên - Nghiên cứu lý thuyết số phương pháp trích chọn đường biên ảnh - Nghiên. .. quát - Nghiên cứu đánh giá số phương pháp phát đường biên ảnh 2.2 Mục tiêu cụ thể - Nghiên cứu xử lý ảnh biên - Nghiên cứu phương pháp phát biên - Nghiên cứu cài đặt ứng dụng trích chọn biên Matlab... ảnh Tại điểm biên có biến đổi đột ngột mức xám Ðây sở kỹ thuật phát biên Xuất phát từ sở này, có hai phương pháp phát biên tổng quát, phương pháp phát biên trực tiếp phương pháp phát biên gián tiếp