Đang tải... (xem toàn văn)
Xử lý ảnh còn được sử dụng nhiều trong các hệ thống quản lý chất lượng và số lượng hàng hóa trong các dây truyền tự động, vì dụ như hệ thống phân tìch ảnh để phát hiện[r]
(1)Bài giảng Nhập môn Đa phương tiện – Ngành TTĐPT, CNTRT
Chƣơng 4: Dữ liệu ảnh
4.1 Một số khái niệm
Hình ảnh tĩnh biểu diễn hàm hai chiều f(x,y), đó, x y tọa độ không gian phẳng (2 chiều) Khi xét ảnh "đen-trắng", giá trị hàm f điểm xác định tọa độ (x,y) gọi độ chói (mức xám) ảnh điểm Nếu x,y,và f số hữu giá trị rời rạc, có ảnh số Xử lý ảnh số trình biến đổi ảnh số máy tính (PC) Như vậy, ảnh số tạo số hữu hạn điểm ảnh, điểm ảnh nằm vị trí định có giá trị định Một điểm ảnh ảnh gọi pixel
Ảnh điểm ảnh:
Điểm ảnh xem dấu hiệu hay cường độ sáng toạ độ không gian đối tượng ảnh xem tập hợp điểm ảnh
Mức xám, màu: Là số giá trị có điểm ảnh ảnh
Hệ thống thị giác quan cảm nhận hình ảnh quang học tương đối hoàn hảo, cho phép người cảm nhận hình ảnh quang học thiên nhiên Ứng dụng quan trọng xử lý ảnh biến đổi tính chất ảnh số nhằm tạo cảm nhận gia tăng chất lượng hình ảnh quang học hệ thống thị giác
Tuy nhiên, mắt người cảm nhận sóng điện từ có bước sóng hạn chế vùng nhìn thấy được, ảnh theo quan niệm thơng thường gắn liền với hình ảnh quang học mà mắt người cảm nhận Trong "ảnh" đưa vào xử lý tạo nguồn xạ có phổ rộng hơn, từ sóng vơ tuyến tới tia gamma, ví dụ: ảnh sóng siêu âm tia X tạo Nhiều hệ thống xử lý ảnh tương tác với "ảnh" nêu trên, thực tế, lĩnh vực xử lý ảnh có phạm vi tướng đối rộng, liên quan tới nhiều lĩnh vực khoa học khác
(2)Bài giảng Nhập môn Đa phương tiện – Ngành TTĐPT, CNTRT
1- Xử lý ảnh mức thấp: q trình biến đổi đơn giản thực lọc nhằm khử nhiễu ảnh, tăng cường độ tương phản hay độ nét ảnh Trong trường hợp này, tín hiệu đưa vào hệ thống xử lý tín hiệu đầu ảnh quang học
2- Xử lý ảnh mức trung: trình xử lý phức tạp hơn, thường sử dụng để phân lớp, phân đọan ảnh, xác định dự đóan biên ảnh, nén anh để lưu trữ truyền phát Đặc điểm hệ thống xử lý ảnh mức trung tín hiệu đầu vào hình ảnh, cịn tín hiệu đầu thành phần tách từ hình ảnh gốc, luồng liệu nhận sau nén ảnh
3- Xử lý ảnh mức cao: trình phân tích nhận dạng hính ảnh Đây trình xử lý thực hệ thống giác người
4.2 Lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh
Như nói trên, kỹ thuật xử lý ảnh trước chủ yếu sử dụng để nâng cao chất lượng hính ảnh, chình xác tạo cảm giác gia tăng chất lượng ảnh quang học mắt người quan sát Thời gian gần đây, phạm vi ứng dụng xử lý ảnh mở rộng không ngừng, nói khơng có lĩnh vực khoa học không sử dụng thành tựu công nghệ xử lý ảnh số Trong y học thuật tóan xử lý ảnh cho phép biến đổi hính ảnh tạo từ nguồn xạ X -ray hay nguồn xạ siêu âm thành hính ảnh quang học bề mặt film x-quang trực tiếp bề mặt hính hiển thị Hính ảnh quan chức người sau xử lý tiếp để nâng cao độ tương phản, lọc, tách thành phần cần thiết (chụp cắt lớp) tạo hính ảnh khơng gian ba chiều (siêu âm chiều)
(3)Bài giảng Nhập môn Đa phương tiện – Ngành TTĐPT, CNTRT
Ảnh nhận từ vệ tinh dùng khì tượng học
(4)Bài giảng Nhập môn Đa phương tiện – Ngành TTĐPT, CNTRT
Xử lý ảnh sử dụng nhiều hệ thống quản lý chất lượng số lượng hàng hóa dây truyền tự động, dụ hệ thống phân tìch ảnh để phát bọt khì bên vật thể đúc nhựa, phát linh kiện không đạt tiêu chuẩn (bị biến dạng) trính sản xuất hệ thống đếm sản phẩm thơng qua hính ảnh nhận từ camera quan sát
Xử lý ảnh cịn sử dụng rộng rãi lĩnh vực hính hệ thống bảo mật kiểm soát truy cập: q trính xử lý ảnh với mục đìch nhận dạng vân tay hay khuôn mặt cho phép phát nhanh đối tương nghi vấn nâng cao hiệu hệ thống bảo mật cá nhân kiểm sốt vào Ngồi ra, kể đến ứng dụng quan trọng khác kỹ thuật xử lý ảnh tĩnh ảnh động đời sống tự động nhận dạng, nhận dạng mục tiêu qn sự, máy nhín cơng nghiệp hệ thống điều khiển tự động, nén ảnh tĩnh, ảnh động để lưu truyền mạng viễn thông v.v
4.3 Các giai đoạn xử lý ảnh
1- Thu nhận hính ảnh: giai đoạn quan trọng tịan q trính xử lý ảnh Ảnh nhận chình ảnh gốc để đưa vào xử lý giai đoạn sau, trường hợp ảnh gốc có chất lượng hiệu bước xử lý bị giảm
Thiết bị thu nhận ơng ghi hính chân khơng (vidicon, plumbicon v.v.) thiết bị cảm biến quang điện bán dẫn CCD (Charge-Coupled Device)
2- Tiền xử lý ảnh: giai đoạn xử lý tương đối đơn giản nhằm nâng cao chất lượng ảnh để trợ giúp cho trính xử lý nâng cao tiếp theo, dụ: tăng độ tương phản, làm đường biên, khử nhiễu v.v
3- Phân đoạn: trính tách hính ảnh thành phần vật thể riêng biệt Đây vấn đề khó giải lĩnh vực xử lý ảnh Nếu thực tách chi tiết thí toán nhận dạng thành phần tách trở nên phức tạp, cịn ngược lại q trính phân đoạn thực thô phân đọan sai thí kết nhận cuối khơng chình xác
(5)Bài giảng Nhập mơn Đa phương tiện – Ngành TTĐPT, CNTRT
một vùng, tập hợp tất điểm ảnh nằm vùng Phương pháp mơ tả thơng qua ranh giới vùng thường sử dụng cần tập trung ý vào hính dạng bên ngịai chi tiết ảnh độ cong, góc cạnh v.v Biểu diễn vùng thường sử dụng quan tâm tới đặc tình bên vùng ảnh đường vân (texture) hay hính dạng skeletal
5- Nén ảnh - bao gồm biện pháp giảm thiểu dung lượng nhớ cần thiết để lưu trữ hính ảnh, hay giảm băng thông kênh truyền, cần thiết để truyền tìn hiệu hính ảnh số
6- Nhận dạng: trính phân loại vật thể dựa sở chi tiết mơ tả vật thể (vì dụ phương tiện giao thơng có ảnh)
Các trính xử lý liệt kê thực giám sát điều khiển dựa sở kiến thức lĩnh vực xử lý ảnh Các kiến thức đơn giản vị trì vùng ảnh nơi có thơng tin cần quan tâm, thu nhỏ vùng tím kiếm
(6)Bài giảng Nhập môn Đa phương tiện – Ngành TTĐPT, CNTRT
Cấu trúc hệ thống xử lý ảnh đa dụng dùng để thực giai đoạn xử lý ảnh đề cập mơ tả hính 2.1.4
Các thành phần chình hệ thống xử lý ảnh
Thiết bị thu nhận hình ảnh: thiết bị biến đổi quang-điện, cho phép biến đổi hình ảnh quang học thành tín hiệu điện dạng analog hay trực tiếp dạng số Có nhiều dạng cảm biến cho phép làm việc với ánh sáng nhìn thấy hồng ngoại Hai loại thiết bị biến đổi quang – điện chủ yếu thường sử dụng đèn ghi hình điện tử chip CCD (Charge Couple Device – linh kiện ghép điện tích)
Ống vidicon đại diện tiêu biểu cho họ đèn ghi hình điện tử sử dụng tương đối rộng rãi camera màu đen trắng Ống Vidicon có kích thước nhỏ gọn (đường kính 18-25 mm, chiều dài 10-12 cm), nhẹ, cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng Đèn hình sử dụng nguyên lý hiệu ứng quang điện
trong ngun lý tìch lũy điện tích
(7)Bài giảng Nhập môn Đa phương tiện – Ngành TTĐPT, CNTRT
các tụ điện MOS (Metal-Oxide- Semiconductor) Tụ điện MOS hình thành ba lớp: má tụ kim loại, chất điện môi nằm lớp SiO2 má tụ lớp bán dẫn loại p n (hình 2.1.5) Hình 2.1.5 Cấu trúc tụ điện MOS
Một chuỗi tụ điện MOS phân bố bề mặt chip CCD biểu diễn hình 2.1.6a, tụ điện với bề mặt cảm quang má bán dẫn tạo điểm hình ảnh thu được.Theo phương pháp dịch chuyển điện tích, chip CCD chia làm hai loại: CCD dạng chuỗi (một chiều) dạng ma trận (hai chiều)
Trên Hình 2.1.6a cấu trúc chip CCD dạng chuỗi, trình ghi (tích điện) đọc thực hai khu vực khác nhau, gọi miền tích điện miền nhớ Hai khu vực ngăn cách cổng chuyển dịch Sau kết thúc q trình tích điện phần tử cảm quang, điện tìch truyền song song qua cổng chuyển dịch vào dịch ngang (không nhạy cảm với ánh sáng) tức miền nhớ Sau cổng chuyển dịch đóng lại, q trình ghi đọc hai miền nói tiến hành song song
(8)Bài giảng Nhập môn Đa phương tiện – Ngành TTĐPT, CNTRT
tiếp xúc với ánh sáng có diện tìch miền tìch lũy – ma trận phần tử cảm quang
Điện tích thu miền tích lũy chuyển miền nhớ Sau đó, q trình ghi ảnh miền tích lũy đọc ảnh từ miền nhớ vào dịch ngang tiến hành song song.Từng dòng ảnh dịch chuyển xuống dịch ngang, sau gói điện tìch ứng với điểm dòng ảnh đẩy khỏi dịch Sau toàn ảnh miền nhớ đọc hết, ảnh từ miền tích lũy lại chuyển đây.Với tính vượt trội trước ống ghi hình điện tử cổ điển, linh kiện biến đổi - quang điện CCD sử dụng rộng rãi cơng nghệ truyền hình ảnh số Hầu hết camera quay video dân dụng bán chuyên nghiệp (semi-professional) thiết kế sở chip CCD
Bộ nhớ hệ thống xử lý ảnh số thường có dung lượng lớn dùng để lưu trữ ảnh tĩnh động dạng số Ví dụ, để lưu ảnh số đen trắng kích thước 1024x1024 điểm, điểm mã hóa bits cần nhớ ~1MB Để lưu ảnh màu không nén, dung lượng nhớ phải tăng lên gấp Bộ nhớ số hệ thống xử lý ảnh chia làm loại: 1- nhớ đệm máy tính để lưu ảnh trình xử lý Bộ nhớ phải có khả ghi/đọc nhanh (ví dụ 25 hình/s); 2- nhớ ngồi có tốc độ truy cập tương đối nhanh, dùng để lưu thông tin thường dùng Các nhớ ngồi ổ cứng, thẻ nhớ flash v.v 3- Bộ nhớ dùng để lưu trữ liệu Loại nhớ thường có dung lượng lớn, tốc độ truy cập không cao Thông dụng đĩa quang ghi lần (ROM) nhiều lần (ROM) đĩa DVD có dung lượng 4.7GB (một mặt) Ngồi hệ thống xử lý ảnh sử dụng thiết bị cho phép lưu ảnh vật liệu khác giấy in, giấy in nhiệt, giấy trong, máy in phun, in laser, in giấy ảnh đặc biệt cơng nghệ nung nóng v.v
Bộ xử lý ảnh chuyên dụng:
(9)Bài giảng Nhập môn Đa phương tiện – Ngành TTĐPT, CNTRT
Màn hình hiển thị: Hệ thống biến đổi điện - quang hay đèn hình (đen trắng màu) có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện có chứa thơng tin ảnh (tìn hiệu video) thành hính ảnh hình Có hai dạng display sử dụng rộng rãi đèn hình CRT (Cathode-Ray Tube) hình tinh thể lỏng LCD (Liquid Crystal Display) Đèn hình CRT thường có khả hiển thị màu sắc tốt hình LCD nên dùng phổ biến hệ thống xử lý ảnh chuyên nghiệp
Máy tính: máy tính để bàn siêu máy tính có chức điều khiển tất phận chức hệ thống xử lý ảnh số
4.5 Hệ màu 4.5.1 Màu sắc
(10)Bài giảng Nhập môn Đa phương tiện – Ngành TTĐPT, CNTRT
màu Green truc y, màu Blue trục z Mỗi màu mơ hình xác định thành phần R, G, B Ứng với tổ hợp khác màu cho ta màu
Trong hính lập phương trên, màu gốc (R,G,B) có gốc đối diện màu bù với Hai màu gọi bù kết hợp hai màu lại với Màu trắng Vì dụ : Green -Magenta, Red - Cyan, Blue - Yellow
Hệ màu RGB (Red - Green - Blue) đời dựa pha trộn từ nguồn ánh sáng Red (đỏ cờ), Green (màu lục, xanh lá), Blue (màu lam, xanh dương) để tạo nên tất màu lại, ngoại trừ màu đen
Màu đen: màu đen "không màu", lúc nguồn sáng tắt (lúc hính tối thui)
Màu trắng xuất nguồn sáng chiếu sáng cường độ tối đa
Từ dễ dàng suy màu xám pha trộn nguồn có cường độ chiếu sáng
Các màu khác hòa trộn màu với tỉ lệ khác theo qui tắc màu cộng (additive primaries) - cộng thêm màu từ màu đen ban đầu, màu lúc hính "cúp điện", tối thui với thang màu từ đến 255 Hính bên thí giao thoa màu RGB tạo màu thứ cấp, màu bậc (pha trộn lần thứ nhất) vàng (yellow), xanh da trời (cyan) hồng cánh sen (Magagenta)
RGB hệ màu phổ biến cho máy hiển thị hính đèn phóng hính vi tình, tivi màu, máy chiếu phim