Phương pháp đơn giản hóa đường cong và đa giác

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG  LÊ NHẬT HUYẾN PHƢƠNG PHÁP ĐƠN GIẢN HÓA ĐƢỜNG CONG VÀ ĐA GIÁC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2012 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG  LÊ NHẬT HUYẾN ĐƠN GIẢN HÓA ĐƢỜNG CONG VÀ ĐA GIÁC Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Ngô Quốc Tạo Thái Nguyên - 2013 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn PHẦN MỞ ĐẦU Hiện nay, với phát triển xã hội, vấn đề tìm kiếm, lƣu trữ truyền tải thông tin đƣợc quan tâm quốc gia giới Đặc biệt thông tin dạng hình ảnh Các hệ thống thu, nhận xử lí hình ảnh đƣợc đời với độ xác ngày cao Một toán xử lí ảnh giảm dung lƣợng hình ảnh mà giữ đƣợc hình ảnh gần nhƣ ban đầu Vì giảm dung lƣợng hình ảnh giúp cho việc thu, nhận, xử lí thơng tin đƣợc nhanh chóng hiệu Bên cạnh đó, việc thu thập, xử lý lƣu trữ thông tin qua ảnh đƣợc quan tâm ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Với phƣơng pháp đơn giản hóa đƣờng cong số thu nhận đƣợc thơng tin hình ảnh nhƣ mong muốn Cùng với phát triển khoa học máy tính tạo mơi trƣờng thuận lợi cho tốn đơn giản hóa đƣờng cong Một số thuật tốn đơn giản hóa đời có độ xác cao, nhiên tùy vào thuật toán giá trị ngƣỡng cụ thể mà cho kết khác Ngày việc xử lý tự động đƣợc ứng dụng ngày nhiều hệ thống điều khiển Nhận dạng, xử lý ảnh, đồ hoạ, tổng quát hoá đồ cụ thể phƣơng pháp đơn giản hóa đƣờng cong cần để thu gọn liệu tăng tốc độ xử lý giảm bớt khơng gian lƣu trữ Mục đích việc đơn giản hóa đƣờng cong giảm bớt điểm dƣ thừa mà giữ đƣợc hình dạng vốn có Một số thuật tốn tự động đơn giản hóa giúp cho cơng việc trở nên nhanh chóng dễ dàng Tuy nhiên, thuật tốn có ƣu nhƣợc điểm khác Chính lý đó, tơi định chọn đề tài “Phương pháp đơn giản hóa đường cong đa giác” hƣớng nghiên cứu cho luận văn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo phụ lục, luận văn đƣợc tổ chức thành ba chƣơng với bố cục nhƣ sau: Chương I: Khái quát xử lý ảnh đơn giản hóa đƣờng cong Giớí thiệu khái qt tốn đơn giản hóa đƣờng cong đa giác Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc lĩnh vực Các ứng dụng việc đơn giản hóa Chƣơng II: Các phƣơng pháp đơn giản hóa đƣờng cong đa giác Thu thập tìm hiểu kết đƣợc nghiên cứu để phục vụ cho việc so sánh thử nghiệm Trình bày giải pháp kỹ thuật, thuật tốn nhằm nâng cao chất lƣợng độ xác cho kết Chƣơng III: Chƣơng trình thử nghiệm Xây dựng cài đặt chƣơng trình thử nghiệm, bao gồm mơ tả tốn, tập liệu thử nghiệm, thiết kế hệ thống, cài đặt thuật toán đánh giá kết thử nghiệm Các kết đạt đƣợc:  Trình bày tổng quan tổng qt hóa đƣờng cong ứng dụng xử lý ảnh  Trình bày nội dung chi tiết phƣơng pháp đơn giản hóa đƣờng cong nhƣ: Phƣơng pháp điểm thứ n, phƣơng pháp khoảng cách vng góc, phƣơng pháp Angularity, phƣơng pháp Reuman-Witkam, phƣơng pháp Bandwith, phƣơng pháp hình tam giác, phƣơng pháp Lang, phƣơng pháp Douglas-Peuker ứng dụng việc giải số khó khăn trình xử lý thị đồ  Đánh giá ƣu nhƣợc điểm phƣơng pháp đơn giản hóa đƣờng cong tự động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn  Chƣơng trình đƣợc viết ngơn ngữ Visual C++ 6.0 chủ yếu mơ thuật tốn bẵng liệu đƣờng cong có sẵn với ba thuật tốn đơn giản hóa Đơn giản hóa đƣờng cong đƣợc ứng dụng có hiệu lĩnh vực khác nhau, bao gồm hệ thống thông tin địa lý (GIS), đồ họa, xử lý ảnh, nén liệu Một ứng dụng quan trọng để khái quát hóa đồ Các thuật toán tƣơng lai đƣợc áp dụng vào tệp liệu ảnh đồ sinh từ tệp chuẩn thu đƣợc kết tốt phục vụ cho cơng việc xử lý tự động hóa ảnh đồ Việt Nam Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG I KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ ĐƠN GIẢN HÓA ĐƢỜNG CONG 1.1 Giới thiệu chung xử lý ảnh Trong thực tế ảnh vùng liên tục không gian giá trị độ sáng, màu sắc đƣợc đƣa vào máy tính ma trận hai chiều tập số nguyên mô tả ảnh Nhƣ trƣớc đƣa vào máy tính ta phải rời rạc hóa ảnh cách biến đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc thơng qua q trình lấy mẫu lƣợng hóa thành phần giá trị Trong trình này, ngƣời ta sử dụng khái niệm đơn vị ảnh sở mà ta quen gọi Pixel (điểm ảnh) Nhƣ vậy, ảnh tập hợp điểm ảnh Khi đƣợc số hóa, đƣợc biểu diễn ma trận hai chiều mà phần tử giá trị nguyên vectơ cấu trúc màu Xử lý ảnh dùng kỹ thuật xử lý để biến đổi ảnh sang ảnh theo mục đích ngƣời sử dụng Xử lý ảnh bao gồm phƣơng pháp kỹ thuật biến đổi, truyền tải mã hóa ảnh tự nhiên nhƣ dịch, xoay, làm rõ, xóa lỗi Cũng nhƣ xử lý liệu đồ hoạ, xử lý ảnh số lĩnh vực tin học ứng dụng Tuy nhiên, xử lý liệu đồ hoạ đề cập đến ảnh nhân tạo, ảnh đƣợc xem xét nhƣ cấu trúc liệu đƣợc tạo chƣơng trình Đồ hoạ máy tính chủ yếu tổng hợp hình ảnh, xử lý ảnh phân tích ảnh tìm dấu hiệu đặc trƣng cho ảnh Các vấn đề xử lý ảnh gồm: biểu diễn ảnh, tăng cƣờng chất lƣợng ảnh, khôi phục ảnh, biến đổi ảnh, phân tích ảnh, nhận dạng ảnh, nén ảnh 1.1.1 Tổng quan hệ thống xử lý ảnh Con ngƣời thu nhận thông tin qua giác quan, thị giác đóng vai trò quan trọng Những năm trở lại với phát triển phần Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn cứng máy tính, xử lý ảnh đồ hoạ phát triển cách mạnh mẽ có nhiều ứng dụng sống Xử lý ảnh đồ hoạ đóng vai trò quan trọng tƣơng tác ngƣời máy Quá trình xử lý ảnh đƣợc xem nhƣ trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho kết mong muốn Kết đầu trình xử lý ảnh ảnh “tốt hơn” kết luận Ảnh “tốt hơn” Ảnh XỬ LÝ ẢNH Kết luận Hình 1.1: Quá trình xử lý ảnh Ảnh xem tập hợp điểm ảnh điểm ảnh đƣợc xem nhƣ đặc trƣng cƣờng độ sáng hay dấu hiệu vị trí đối tƣợng khơng gian xem nhƣ hàm n biến P(c1, c2, , cn) Do đó, ảnh xử lý ảnh xem nhƣ ảnh n chiều Một hệ thống xử lý ảnh hoàn chỉnh bao gồm: thu nhận ảnh, tiền xử lý, nhận dạng, phân tích ảnh, định (Hình1.2) Lƣu trữ CAMERA Thu nhận ảnh SENSOR Phân tích ảnh Số hố Lƣu trữ Nhận dạng Hệ định Hình 1.2: Cấu trúc hệ xử lý ảnh Ảnh đƣợc số hóa thơng qua camera, scaner, máy chụp X-quang, máy ảnh số,… Ảnh đƣợc thu nhận từ vệ tinh qua cảm ứng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Tiếp theo q trình số hóa để biến đổi tín hiệu tƣơng tự sang tín hiệu rời rạc Sau ảnh đƣợc lƣu trữ dƣới dạng tệp tin máy tính theo định dạng ảnh chuẩn Tiền xử lý công việc tăng cƣờng ảnh để nâng cao chất lƣợng ảnh Các thao tác tiền xử lý bao gồm: xóa nhiễu, làm trơn biên, khôi phục ảnh, làm ảnh, tách cạnh, Sau đó, ảnh đƣợc nén để giảm khơng gian lƣu trữ kích thƣớc ảnh thơng thƣờng lớn Trích chọn dấu hiệu: đối tƣợng ảnh có đặc trƣng riêng Các đặc trƣng đƣợc trích chọn phụ thuộc vào phƣơng pháp nhận dạng Trong ứng dụng có nhiều phƣơng pháp nhận dạng, phƣơng pháp nhận dạng lại có nhiều phƣơng pháp chọn dấu hiệu khác Trích chọn dấu hiệu phát đặc tính nhƣ biên, phân vùng ảnh, trích chọn đặc tính Từ nhận dạng đƣợc ảnh thơng qua dấu hiệu trích với sai số cho phép Nhận dạng trình nhận biết đánh giá nội dung ảnh qua việc phân tích hình ảnh thành phần có nghĩa đề phân biệt đối tƣợng với đối tƣợng khác Dựa vào ta mơ tả cấu trúc hình ảnh ban đầu Có thể liệt kê số phƣơng pháp nhận dạng nhƣ nhận dạng biên đối tƣợng ảnh, tách cạnh, trích xƣơng ảnh, phân đoạn hình ảnh, Kỹ thuật đƣợc dùng nhiều y học (xử lý tế bào, nhiễm sắc thể), nhận dạng chữ văn bản, nhận dang vân tay, Hậu xử lý giai đoạn cuối trình xử lý ảnh dựa kết ta so sánh, phân tích đƣa kết nhận dạng, ví dụ ta nhận khuôn mặt tội phạm, đồ vật mẫu, đồ địa hình, Kết việc nhận dạng giúp cho ngƣời xử lý tự động cần xác, kịp thời, nhanh chóng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.1.2 Các vấn đề xử lý ảnh 1.1.2.1 Biểu diễn ảnh Ảnh biểu diễn dƣới dạng tín hiệu tƣơng tự tín hiệu số Trong biểu diễn số ảnh đa mức xám, ảnh đƣợc biểu diễn dƣới dạng ma trận hai chiều Mỗi phần tử ma trận biểu diễn cho mức xám hay cƣờng độ ảnh vị trí Mỗi phần tử ma trận đƣợc gọi phần tử ảnh, thơng thƣờng kí hiệu PEL (Picture Element) điểm ảnh (Pixel) Trong trình xử lý ảnh, ảnh thu nhập vào máy tính phải đƣợc mã hóa Hình ảnh lƣu trữ dƣới dạng tập tin phải đƣợc số hóa Tiêu chuẩn đặt ảnh phải đƣợc lƣu trữ cho ứng dụng khác thao tác loại liệu Một số dạng ảnh đƣợc chuẩn hóa nhƣ GIF, BMP, PCX, ICO, JPG Ảnh máy tính kết thu nhận theo phƣơng pháp số hoá đƣợc nhúng thiết bị kỹ thuật khác Quá trình lƣu trữ ảnh nhằm mục đích: • Tiết kiệm nhớ • Giảm thời gian xử lý Việc lƣu trữ thơng tin nhớ có ảnh hƣởng lớn đến việc hiển thị, in ấn xử lý ảnh đƣợc xem nhƣ tập hợp điểm với kích thƣớc sử dụng nhiều điểm ảnh ảnh đẹp, mịn thể rõ chi tiết ảnh ngƣời ta gọi đặc điểm độ phân giải Việc lựa chọn độ phân giải thích hợp tuỳ thuộc vào nhu cầu sử dụng đặc trƣng ảnh cụ thể, sở ảnh thƣờng đƣợc biểu diễn theo mơ hình Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Mơ hình Raster Đây cách biểu diễn ảnh thông dụng nay, ảnh đƣợc biểu diễn dƣới dạng ma trận điểm (điểm ảnh) Thƣờng thu nhận qua thiết bị nhƣ camera, scanner Tuỳ theo yêu cầu thực mà điểm ảnh đƣợc biểu diễn qua hay nhiều bít Mơ hình Raster thuận lợi cho hiển thị in ấn Ngày công nghệ phần cứng cung cấp thiết bị thu nhận ảnh Raster phù hợp với tốc độ nhanh chất lƣợng cao cho đầu vào đầu Một thuận lợi cho việc hiển thị môi trƣờng Windows Microsoft đƣa khuôn dạng ảnh DIB (Device Independent Bitmap) làm trung gian Hình thể hình quy trình chung để hiển thị ảnh Raster thông qua DIB Một hƣớng nghiên cứu mơ hình biểu diễn kỹ thuật nén ảnh kỹ thuật nén ảnh lại chia theo khuynh hƣớng nén bảo tồn khơng bảo tồn thơng tin nén bảo tồn có khả phục hồi hồn tồn liệu ban đầu cịn khơng bảo tồn có khả phục hồi độ sai số cho phép Theo cách tiếp cận ngƣời ta đề nhiều quy cách khác nhƣ BMP, TIF, GIF, PCX… Hiện giới có 50 khn dạng ảnh thơng dụng bao gồm kỹ thuật nén có khả phục hồi liệu 100% nén có khả phục hồi với độ sai số nhận đƣợc Hình 1.3: Quá trình hiển thị chỉnh sửa, lưu trữ ảnh thông qua DIB Một số mơ hình thƣờng đƣợc dùng biểu diễn ảnh: Mơ hình tốn, mơ hình thống kê Trong mơ hình toán, ảnh hai chiều đƣợc biểu diễn nhờ hàm hai biến trực giao gọi hàm sở Với mơ hình thống kê, ảnh 10 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn if ((d = Distance(P[i], P[start], P[end])) > dmax) { dmax = d; store = i; } if(dmax > m_tolerance ) { j++; stack[++top].x = start; stack[top].y = store; stack[++top].x = store; stack[top].y = end; P[store].retain= 1; } } }//while delete [] stack; return(j); }//end function 47 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.2.2 Thuật toán Bandwith BEGIN Input Tolerance j=2;anchor=1;floater=anchor +2 Maxd =0 k=anchor flaoter d=distance(Pk,Panchor,Pfloator) No Maxd< d Yes Maxd=d; store=k Maxd