Một số kỹ thuật cắt tỉa xương trong xử lý ảnh

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CNTT&TRUYỀN THÔNG  Bùi Huy Hùng MỘT SỐ KỸ THUẬT CẮT TỈA XƢƠNG TRONG XỬ LÝ ẢNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN - 2012 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CNTT&TRUYỀN THÔNG  Bùi Huy Hùng MỘT SỐ KỸ THUẬT CẮT TỈA XƢƠNG TRONG XỬ LÝ ẢNH Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Đào Nam Anh THÁI NGUYÊN - 2012 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin bày tỏ lòng biết ơn đến cha mẹ sinh thành, nuôi dạy khôn lớn để có thành ngày hơm Em xin chân thành cảm ơn TS Đào Nam Anh - người bảo, trực tiếp hướng dẫn, cung cấp tài liệu quý báu, nhận xét giúp đỡ em lựa chọn hướng nghiên cứu trình hồn thành luận văn Em cảm ơn thầy giáo Viện Công nghệ Thông tin - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông - Đại học Thái Nguyên Các bạn học viên lớp Cao học CK09 động viên tơi q trình học tập hồn thành luận văn Xin cảm ơn đồng nghiệp Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng giúp đỡ, hỗ trợ suốt q trình học tập, cơng tác LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tơi tự nghiên cứu, tìm hiểu tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu khác Luận văn tốt nghiệp kết trình học tập, nghiên cứu thực hoàn toàn nghiêm túc, trung thực thân Tất tài liệu tham khảo có xuất xứ rõ ràng trích dẫn hợp pháp Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung trung thực luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ i MỤC LỤC DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC TỪ VIẾT TẮT iii DANH MỤC CÁC BẢNG .iv DANH MỤC CÁC HÌNH v MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ RÚT GỌN VÀ BIỂU DIỄN ĐỐI TƢỢNG .3 1.1 Một số khái niệm Xử lý ảnh 1.1.1 Ảnh điểm ảnh 1.1.2 Lân cận điểm ảnh 1.1.3 Mối liên kết điểm ảnh 1.1.4 Đo khoảng cách điểm ảnh 1.1.5 Mức xám 1.2 Biên phương pháp tìm biên 1.2.1 Phát biên trực tiếp 1.2.2 Phát biên gián tiếp 1.3 Các phép tốn hình thái học 1.3.1 Định nghĩa phép giãn (Dilation) 1.3.2 Định nghĩa phép co (Erosion) 1.3.3 Định nghĩa phép mở (Open) 1.3.4 Định nghĩa phép đóng (Close) 1.4 Biểu diễn hình dạng đối tượng 1.4.1 Kỹ thuật biểu diễn hình dạng dựa biên 11 1.4.2 Kỹ thuật biểu diễn hình dạng dựa vùng 11 1.5 Xương phương pháp tìm xương 12 ii 1.5.1 Phương pháp tìm xương dựa làm mảnh 13 1.5.2 Phương pháp tìm xương khơng dựa làm mảnh 15 CHƢƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT CẮT TỈA XƢƠNG 16 2.1 Kỹ thuật cắt tỉa xương Discrete Curve Evolution (DCE) 17 2.1.1 Giải pháp 18 2.1.2 Độ phức tạp DCE 27 2.2 Kỹ thuật cắt tỉa xương Discrete Skeleton Evolution (DSE) 28 2.2.1 Giải pháp 29 2.2.1 Độ phức tạp DSE 32 2.3 Kỹ thuật cắt tỉa xương Bending Potential Ratio (BPR) 33 2.3.1 Giải pháp 34 2.3.2 Cắt tỉa xương với BPR 40 CHƢƠNG 3: THỬ NGHIỆM CẮT TỈA XƢƠNG 44 3.1 Môi trường cài đặt thử nghiệm 44 3.2 Thử nghiệm cắt tỉa xương 45 3.2.1 Kỹ thuật DCE 45 3.2.2 Kỹ thuật DSE 47 3.2.3 Kỹ thuật BPR 49 3.3 Một vài so sánh DCE, DSE BPR 51 3.4 Nhận xét chung 54 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 iii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC TỪ VIẾT TẮT CÁC THUẬT NGỮ Close Phép đóng Dilation Phép giãn Erosion Phép co Fourier transform Chuỗi Fourier Gray level Mức xám Open Phép mở Pixel Điểm ảnh Resolution Độ phân giải Shape Hình dạng iv CÁC TỪ VIẾT TẮT BPR Bending Potential Ratio DCE Discrete Curve Evolution DSE Discrete Skeleton Evolution IP Information preserving NIP Non Information preserving XLA Xử lý ảnh DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Một số ảnh sử dụng thực nghiệm 44 Bảng 3.2: So sánh xương hình móng ngựa 51 Bảng 3.3: So sánh xương Thằn lằn 52 Bảng 3.4: So sánh xương Lạc đà 53 v DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Phân loại kỹ thuật mơ tả hình dạng 10 Hình 1.2: Ví dụ ảnh xương 12 Hình 1.3: Minh họa trục trung vị 15 Hình 2.1: Nhánh xương thừa phát sinh nhiễu đường biên 16 Hình 2.2: Xương ban đầu xương sau cắt tỉa với DCE 17 Hình 2.3: Đường đậm liên tục cung ban đầu [x,y] Cung [a,b] arc(s,[x, y])=[a,b] Xương đường đậm cách qng 19 Hình 2.4: Tính tốn đỉnh lồi đường bao 20 Hình 2.5: Đa giác đơn giản với đỉnh 21 Hình 2.6: Bộ xương với ngưỡng khác 22 Hình 2.7: Minh họa cắt tỉa xương 23 Hình 2.8: Minh họa trình tìm xương 24 Hình 2.9: Minh họa cắt tỉa xương với DCE 25 Hình 2.10: Loại bỏ đỉnh lồi không quan trọng tạo xương tối ưu 26 Hình 2.11: Các điểm xương cuối (a) mong muốn (b) 28 Hình 2.12: Nhánh xương ý nghĩa màu đỏ (a) loại bỏ (b) 28 Hình 2.13: Các điểm xương cuối (đỏ), điểm giao (xanh) 30 Hình 2.14: Khơi phục lại hình dạng gốc từ xương 30 Hình 2.15: Định nghĩa điểm ghost BPR 35 Hình 2.16: Vùng điểm ghost 36 Hình 2.17: Hình chữ nhật với đỉnh thêm vào đường biên 39 Hình 2.18: Xương chân Lạc đà 41 Hình 3.1: DCE với ngưỡng khác 45 Hình 3.2: Xương Bạch tuộc sau cắt tỉa 46 Hình 3.3: Cắt tỉa xương với DSE 47 Hình 3.4: Cắt tỉa BPR với ngưỡng khác 49 Hình 3.5: Nhánh xương cuối bị ngắn ngưỡng không phù hợp 50 Hình 3.6: Minh họa mức độ đóng góp khác 50 MỞ ĐẦU Mục đích quan trọng phân tích ảnh đối sánh nhận dạng đối tượng Việc thực thơng qua vài cách, sử dụng màu sắc, kết cấu, hình dạng, momen vị trí Hình dạng yếu tố quan trọng đối tượng hướng nghiên cứu quan trọng phân lớp nhận dạng Hình dạng đối tượng phẳng mơ tả dựa đường bao dựa xương chúng Khi sử dụng đường bao phân lớp nhận dạng, lớp hình dạng có thay đổi lớn hình dạng tồn cục có biến đổi cấu trúc yếu tố thường gây khó khăn cho q trình nhận dạng [4] Những phương pháp đối sánh hình dạng đích với hình dạng mẫu lưu trữ sở liệu địi hỏi số lượng lớn mẫu lưu trữ [5] Hơn phương pháp dựa mơ hình ví dụ khó quản lý lớp đối tượng có phần khác mà không phân tách thành lớp riêng biệt Xương (còn gọi trục trung vị) lần xác định tác giả Blum năm 1976 [7,1], cách mơ tả hình dạng hữu ích quan trọng cho nhận dạng đối tượng chứa đặc trưng hình dạng đối tượng gốc Hình dạng tương tự dựa đối sánh xương thường thực nhanh đường biên [3] Do vậy, xương sử dụng để biểu diễn phân tích hình dạng nhiều lĩnh vực ứng dụng hệ thống tra cứu ảnh dựa nội dung, hệ thống nhận dạng ký tự Những thập kỷ qua, có nhiều phương pháp trích chọn xương đề xuất [6,7] Hầu hết phương pháp tìm xương có hạn chế chung nhạy cảm cao nhiễu đường biên: biến đổi nhỏ đường biên đối tượng làm thay đổi đáng kể xương nhận Do 42 2.3.2.1 Phát triển xương cắt tỉa Dựa tiêu chuẩn cắt tỉa, nhóm tác giả Wei Shena cung cấp ý tưởng phát triển cắt tỉa xương kết nối Đối với đối tượng 2D, đường biên F bao bọc bên đường bao C biểu diễn vùng Sk xương đối tượng Thuật toán cắt tỉa xƣơng BPR: Procedure SkeletonGrow (Input F, Output Sk) Chọn pm F, cho k(pm) lớn Nếu pm thỏa mãn Tiêu chuẩn cắt tỉa Thêm (pm, k(pm)) vào Sk đẩy pm vào stack S End While S Không rỗng P ← pop(S) For neighbors x of p thỏa mãn Tiêu chuẩn cắt tỉa Thêm (x, k(x)) vào Sk, đẩy x vào S End End 43 Xương dựa ý tưởng đề xuất thể hình 2.18b, nhánh xương giả cắt tỉa Một phần xương thu chứa điểm dư thừa, phần màu xanh hình 2.18b Trong nhiều kỹ thuật đối sánh hình dạng dựa cấu trúc xương, lấy số điểm mẫu từ xương phát điểm đặc trưng (điểm cuối điểm giao nhau) cần thiết Việc lấy điểm giao thừa từ xương thuận lợi cho việc phân tích đối sánh phù hợp thu hình dạng phù hợp để phân tích Để làm điều phép tốn topology sử dụng để cắt tỉa xương Nhóm tác giả Wei Shena sử dụng kỹ thuật làm mảnh đề xuất kết thể hình 2.18c 2.3.2.1 Độ phức tạp BPR Để tính tốn BPR cần thơng số đường biên chiều dài cung, có độ phức tạp O(m), m số điểm đường biên Đối với điểm p kiểm tra, xem có thêm vào xương hay khơng, số điểm sinh n Kiểm tra điểm p thỏa mãn tiêu chuẩn có độ phức tạp O(n) Như vậy, tổng thời gian phức tạp kỹ thuật tiếp cận O(nN+m), N số lượng điểm ảnh bên đường biên Trên thực tế, ứng dụng thực tế, n thường giá trị nhỏ hơn, thường 4, m nhiều so với N 44 CHƢƠNG 3: THỬ NGHIỆM CẮT TỈA XƢƠNG 3.1 Môi trƣờng cài đặt thử nghiệm Chương trình cài đặt Mơi trường Microsoft Windows Ultimate Edition 32-bit Service Pack 1, sử dụng ngơn ngữ Matlab Version 7.7.0, 2008 với máy tính có cấu sau:  CPU: Intel(R) Core(TM) i3 CPU - M 370 @ 2.40 GHz  Memory Type: DDR3  Memory Size: 4096 Mbytes (4 GB)  HDD: 320 GB Mã nguồn có Media and Communication Lab, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan,P.R.China Dữ liệu sử dụng thử nghiệm ảnh nhị phân, hình chiếu đối tượng phẳng không chứa lỗ thủng (không rỗng), lấy từ sở liệu ảnh MPEG-7 Một số ảnh sử dụng thực nghiệm: Bảng 3.1: Một số ảnh sử dụng thực nghiệm 45 3.2 Thử nghiệm cắt tỉa xƣơng 3.2.1 Kỹ thuật DCE (a) DCE với ngưỡng n = 35 đỉnh (b) DCE với ngưỡng n = 25 đỉnh (c) DCE với ngưỡng n = 20 đỉnh (d) DCE với ngưỡng n = 18 đỉnh (e) DCE với ngưỡng n = 12 đỉnh (f) DCE với ngưỡng n = 10 đỉnh Hình 3.1: DCE với ngưỡng khác 46 (a) Xương theo trục trung vị (b) DCE với ngưỡng n = 16 đỉnh Hình 3.2: Xương Bạch tuộc sau cắt tỉa Nhận xét kỹ thuật DCE Việc sử dụng DCE để xác định đỉnh có đóng góp đáng kể với shape đối tượng, loại bỏ đỉnh có đóng góp ít, loại bỏ nhánh xương giả/thừa Việc tính tốn điểm xương dựa điểm đường bao đối tượng, DCE dùng điều kiện để loại bỏ điểm xương không thỏa mãn, điểm xương thu khơng bị dịch chuyển vị trí Kỹ thuật DCE sử dụng ngưỡng số đỉnh cần để lại, đối tượng khác số đỉnh có ý nghĩa khác Việc chọn số đỉnh, ngưỡng hợp lý phụ thuộc vào kinh nghiệm tình cụ thể 47 3.2.2 Kỹ thuật DSE (a) DCE với ngưỡng n = 25 đỉnh (b) DSE với ngưỡng t = 0.003 (c) DCE với ngưỡng n = 28 đỉnh (d) DSE với ngưỡng t = 0.001 (e) DCE với ngưỡng n = 32 đỉnh (f) DSE với ngưỡng t = 0.002 Hình 3.3: Cắt tỉa xương với DSE 48 Nhận xét kỹ thuật DSE Kỹ thuật kết hợp hai hướng tiếp cận; làm mịn đường bao dựa vào độ đo ý nghĩa nhánh xương Cắt tỉa xương với DSE tận dụng lợi kỹ thuật DCE với việc sử dụng kết DCE Về thực chất việc loại bỏ nhánh xương cuối có đóng góp với việc khơi phục đối tượng gốc loại bỏ nhánh xương sinh từ vùng đường bao nhơ có diện tích nhỏ so với đối tượng Giống DCE, việc định ngưỡng dừng cho DSE tùy thuộc kinh nghiệm người Thông qua thực nghiệm nhận thấy, nhiều tình kỹ thuật cắt tỉa cho ta kết xương sau cắt tỉa tương tự kỹ thuật DCE đòi hỏi thời gian thực thi nhiều 49 3.2.3 Kỹ thuật BPR (a) Xương theo trục trung vị (b) BPR với ngưỡng e = 0.8 (c) Xương theo trục trung vị (d) BPR với ngưỡng e = 0.46 (e) BPR với ngưỡng e = 0.6 (f) BPR với ngưỡng e = 2.0 Hình 3.4: Cắt tỉa BPR với ngưỡng khác 50 Nhận xét kỹ thuật BPR Các kỹ thuật trước sử dụng thông tin độ dài dây cung, độ lớn góc phân giác chiều dài đường bao ngắn để xây dựng độ đo ý nghĩa điểm xương Kỹ thuật xây dựng độ đo kết hợp thông tin Các nhánh xương giả bị loại bỏ vị trí điểm xương khơng bị dịch chuyển Trong kỹ thuật cắt tỉa, kỹ thuật BPR có tốc độ thực nhanh Các nhánh xương cuối bị cắt ngắn ngưỡng khơng phù hợp Với đối tượng phải có ngưỡng khác Hình 3.5: Nhánh xương cuối bị ngắn ngưỡng không phù hợp Kỹ thuật chưa thể thơng tin tồn cục, chưa phù hợp với trực quan Phần nhơ hình 3.6 nhau, hình 3.6(a) đóng góp với với shape nhiều hình 3.6 (b) (c) kỹ thuật BPR lại coi đóng góp phần nhơ với hình 3,6(a) (c) Hình 3.6: Minh họa mức độ đóng góp khác 51 3.3 Một vài so sánh DCE, DSE BPR Bảng 3.2: So sánh xương hình móng ngựa Kỹ thuật DCE Xương theo trục trung vị Ngưỡng n: đỉnh Thời gian: 4.75 (s) Kỹ thuật DSE Ngưỡng n: đỉnh Ngưỡng t: 0.004 Thời gian: 13.63 (s) Kỹ thuật BPR Ngưỡng e: 0.8 Thời gian: 2.16 (s) 52 Bảng 3.3: So sánh xương Thằn lằn Kỹ thuật DCE Xương theo trục trung vị Ngưỡng n: 50 đỉnh Thời gian: 9.55 (s) Kỹ thuật DSE Kỹ thuật BPR Ngưỡng n: 50 đỉnh Ngưỡng e: 0.45 Ngưỡng t: 0.001 Thời gian: 3.50 (s) Thời gian: 35.32 (s) 53 Bảng 3.4: So sánh xương Lạc đà Kỹ thuật DCE Xương theo trục trung vị Ngưỡng n: 20 đỉnh Thời gian: 15.20 (s) Kỹ thuật DSE Ngưỡng n: 20 đỉnh Ngưỡng t: 0.005 Thời gian: 35.82 (s) Kỹ thuật BPR Ngưỡng e: 1.2 Thời gian: 3.70 (s) 54 3.4 Nhận xét chung Các kỹ thuật nhóm tác giả đề xuất giải khía cạnh quan trọng toán cắt tỉa xương:  Loại bỏ nhánh xương khơng mong muốn  Duy trì toppology đối tượng gốc  Vị trí điểm xương khơng bị dịch chuyển Những đóng góp nhóm tác giả, nhà nghiên cứu làm ứng dụng nhận dạng xử lý ảnh ngày hoàn thiện Tuy nhiên cần nhiều vấn đề phải giải tiếp theo:  Ngưỡng để dừng DCE phù hợp? Có tự động cho tất loại shape không?  Xây dựng độ đo ý nghĩ cho điểm/nhánh xương bao gồm thông tin tồn cục?  Cải thiện tốc độ tính tốn 55 KẾT LUẬN Trong luận văn “Một số kỹ thuật cắt tỉa xương xử lý ảnh” chương trình bày cách có hệ thống khái niệm xử lý ảnh số, rút gọn biểu diễn đối tượng, đặc biệt khái niệm xương ảnh Một số hướng tiếp cận tìm xương ảnh đề cập ba kỹ thuật cắt tỉa xương với thuật toán tiêu biểu phân tích: Discrete Curve Evolution, Discrete Skeleton Evolution, Bending Potential Ratio Chương ba luận văn đưa kết thử nghiệm cắt tỉa xương kỹ thuật với loại ảnh khác Từ đưa nhận xét cho kỹ thuật DCE, DSE, BPR Tuy nhiên trình thực hiện, với thời gian khơng có nhiều, lực chun mơn, điều kiện thực nghiệm hạn chế, nên việc đánh giá tổng hợp kỹ thuật cịn khiếm khuyết Tơi mong nhận đóng góp ý kiến Thầy Cơ bạn bè đồng nghiệp 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1.] Đỗ Năng Tồn, Phạm Việt Bình (2007), Giáo trình xử lý ảnh, Nhà xuất Đại học Thái Nguyên Tiếng Anh [2.] X Bai, X Yang, D Yu, and L J Latecki (2008), “Skeleton-Based Shape Classification Using Path Similarity”, International Journal of Pattern Recognition and Artificial Intelligence (IJPRAI), Vol 22 [3.] L J Latecki and R Lakämper Convexity Rule for Shape Decomposition Based on Discrete Contour Evolution Computer Vision and Image Understanding (CVIU), Vol 73, pp 441-454, 1999 [4.] H.Ling and D.Jacobs (2007), “Shape classification using innerdistance”, IEEETrans PAMI 29 [5.] S Belongie, J Malikand J.Puzicha (2002), “Shape matching and object recognition using Shape contexts”, IEEETrans PAMI 24 [6.] Wei Shen, Xiang Bai, Rong Hu, Hongyuan Wang, and Longin Jan Latecki (2011), “Skeleton Growing and Pruning with Bending Potential Ratio”, Pattern Recognition (PR), pp 44 [7.] Xiang Bai, Longin Jan Latecki, and Wen-Yu Liu (2007), “Skeleton Pruning by Contour Partitioning with Discrete Curve Evolution”, IEEE Trans Pattern Analysis and Machine Intelligence (PAMI) [8.] Xiang Baia, Login Jan Latec ki (2007), Skeleton Prunning with Discrete Skeleton Evolution, CVPR ... 1.1 Một số khái niệm Xử lý ảnh Xử lý ảnh số lĩnh vực tin học ứng dụng Xử lý liệu đồ họa đề cập đến ảnh nhân tạo, ảnh xem xét cấu trúc liệu tạo chương trình Xử lý ảnh số bao gồm phương pháp kỹ thuật. .. 2.18: Xương chân Lạc đà (a) Xương cắt tỉa dựa kỹ thuật tiếp cận (b) Xương tạo tiêu chuẩn cắt tỉa có số điểm cần thiết, phần màu xanh (c) Xương cắt tỉa kỹ thuật làm mảnh đề xuất Tiêu chuẩn cắt tỉa: ... tài ? ?Một số phƣơng pháp cắt tỉa xƣơng xử lý ảnh? ?? Luận văn có ba chương: Chương 1: Tổng quan rút gọn biểu diễn đối tượng Chương 2: Một số kỹ thuật cắt tỉa xương Chương 3: Thử nghiệm cắt tỉa xương