Lọc nhiễu bằng mạch lọc median và kết hợp cân bằng histogram

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ANH THI LỌC NHIỄU BẰNG MẠCH LỌC MEDIAN VÀ KẾT HP CÂN BẰNG HISTOGRAM Chuyên ngành : KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ Mã số ngành : 2.07.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2003 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : PGS TS VŨ ĐÌNH THÀNH Cán chấm nhận xét : GS TS NGUYỄN KIM SÁCH Cán chấm nhận xét : ThS TỐNG VĂN ON Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 27 tháng năm 2003 Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : Nguyễn Anh Thi Ngày, tháng, năm sinh : 03 – 01 - 1976 Chuyên ngành : KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ I- TÊN ĐỀ TÀI : Phái : Nam Nơi sinh : Sài Gòn Mã số: LỌC NHIỄU BẰNG MẠCH LỌC MEDIAN VÀ KẾT HP CÂN BẰNG HISTORGRAM II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : + Phân tích nguồn nhiễu gây giảm chất lượng ảnh + Xây dựng giải thuật khôi phục hình ảnh phương pháp số + Giảm nhiễu xung mạch lọc Median kết hợp cân historgam III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bảo vệ đề cương ) : 19/02/2002 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ (Ngày bảo vệ luận án tốt nghiệp) : 27/08/2003 V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS VŨ ĐÌNH THÀNH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua Ngày PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH tháng năm 2003 KHOA QUẢN LÝ NGÀNH Lời cảm ơn Luận văn thực từ tháng 12-2002 đến tháng 8-2003 hướng dẫn trực tiếp, tận tình Thầy Vũ Đình Thành Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến • Thầy Vũ Đình Thành tận tình hướng dẫn hoàn thành đề tài Quý thầy cô Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM truyền đạt kiến thức, dẫn giúp cho hoàn thành luận văn • Các bạn học viên cao học Điện tử – Viễn thông khóa 11 giúp đỡ, trao đổi kiến thức kinh nghiệm trình học tập • Xin cảm ơn gia đình tất bè bạn động viên giúp đỡ suốt thời gian qua • TP Hồ Chí Minh tháng năm 2003 Nguyễn Anh Thi Tóm tắt TÓM TẮT Nội dung đề tài phân tích nguồn nhiễu gây giảm chất lượng ảnh, xây dựng giải thuật khôi phục hình ảnh phương pháp số Đặc biệt, đề tài nhấn mạnh đến việc giảm nhiễu tần số cao nhiễu xung mạch lọc median kết hợp với histogram Mạch lọc median không gây méo đường biên ảnh Ngoài ra, đề tài đề cập đến số loại nhiễu (nhiễu xung, nhiễu có phân bố Gauss, nhiễu có phân bố Poisson,…) Vấn đề loại nhiễu dạng nhiễu phải sử dụng nhiều thuật toán để giải (cả phương pháp tuyến tính lẫn phi tuyến); Mỗi thuật toán lọc tự thân lọc loại nhiễu, lại gây méo tín hiệu nhiều dạng khác (làm nhòe biên ảnh, nét, sai màu,…) Chất lượng ảnh cải thiện (khôi phục ảnh) phụ thuộc vào việc đánh giá chủ quan mắt người Sự thay đổi chất lượng ảnh người đánh giá cải thiện, người lại đánh giá nhiễu Hình ảnh động xem chuỗi bảng liệu chiều (ảnh số) cải thiện chất lượng (khôi phục ảnh) phương pháp số Mỗi ảnh chứa 105 ÷ 106 pixel (điểm ảnh) Xử lý khôi phục ảnh đòi hỏi phải thực khối lượng tính toán lớn Nội dung đề tài bao gồm phần sau đây: Đặc trưng ảnh ảnh hưởng nhiễu lên chất lượng ảnh Các phương pháp tách nhiễu can nhiễu Khôi phục nâng cao chất lượng ảnh phương pháp số Một số phương pháp số khôi phục cải thiện chất lượng ảnh Thực nghiệm Kết luận SVTH: NGUYỄN ANH THI Mục lục MỤC LỤC Phần 1: LÝ THUYẾT CHƯƠNG TỔNG QUAN CHƯƠNG ĐẶC TRƯNG ẢNH VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU LÊN CHẤT LƯNG ẢNH I Đặc trưng hình ảnh truyền hình Tín hiệu truyền hình tương tự Tín hiệu video số II Nhiễu (Noise) can nhiễu (Interference) kênh truyền hình Nguồn nhiễu, can nhiễu ảnh hưởng lên ảnh truyền hình Các loại nhiễu can nhiễu quan trọng truyền hình III Các phương pháp tách nhiễu can nhiễu Phương pháp bao che Phương pháp tương tự Phương pháp tương tự – số Phương pháp số CHƯƠNG KHÔI PHỤC VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯNG ẢNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ I Xử lý ảnh số Tạo ảnh Đặc trưng toán học ảnh số II Khôi phục ảnh số (restoration) Các mô hình khôi phục ảnh Các phương pháp khôi phục ảnh Khôi phục ảnh rời rạc III Mạch lọc Median Mạch lọc Median việc bảo toàn biên đối tượng ảnh Đặc điểm mạch lọc Median SVTH: NGUYỄN ANH THI 5 7 22 22 22 23 24 25 25 26 29 33 35 41 46 48 49 51 Mục lục CHƯƠNG MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP SỐ KHÔI PHỤC VÀ CẢI THIỆN CHẤT LƯNG ẢNH I Thuật toán tạo loại nhiễu II Thuật toán lọc trung bình Thuật toán lấy trung bình đơn giản (yave 1) Thuật toán lấy trung bình trọng số (yave 2) Thuật toán lấy trung bình phi tuyến tính (ynl) III Phương pháp lọc median IV Cân Histogram V Phương pháp kết hợp histogram lọc median VI Phương pháp lọc hạng (rank filter) 60 Phần 2: THỰC NGHIỆM CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH LƯU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH KẾT QUẢ I Bộ lọc Minimum Cơ sở lý thuyết Lưu đồ thuật giải II Bộ lọc Maximum Cơ sở lý thuyết Lưu đồ thuật giải III Bộ lọc Midpoint Cơ sở lý thuyết Lưu đồ thuật giải IV Bộ lọc trung bình Cơ sở lý thuyết thuật giải V Bộ lọc media chuẩn Cơ sở lý thuyết Lưu đồ thuật giải Lọc Median cửa sổ 3x3 Lọc Median cửa sổ 5x5 VI Kết hợp cân Histogram mạch lọc median Cơ sở lý thuyết Lưu đồ thuật giải 69 70 SVTH: NGUYEÃN ANH THI 60 60 60 61 62 62 63 66 67 70 70 70 73 73 73 76 76 77 80 80 83 83 84 86 87 89 89 89 Mục lục VII Chương trình nguồn mô 93 Phần 3: KẾT LUẬN CHƯƠNG NHẬN XÉT KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG I Nhận xét II Hướng phát triển đề tài III Ứng Dụng 127 128 SVTH: NGUYỄN ANH THI 128 129 129 Lọc nhiễu mạch lọc Median cân Histogram Phần 1: LÝ THUYẾT SVTH: NGUYỄN ANH THI Lọc nhiễu mạch lọc Median cân Histogram CHƯƠNG TỔNG QUAN Đảm bảo chất lượng hình ảnh tốt vấn đề phức tạp Các thiết bị tạo, lưu trữ, truyền dẫn phát sóng tín hiệu video phải đảm bảo chất lượng ảnh tốt (hình ảnh nét, sạch, màu sắc trung thực) trước nhiễu, bẩn, vết ố mốc, trầy sướt,… can nhiễu Tuy nhiên, yêu cầu lúc thỏa mãn, hệ thống tạo, lưu trữ, truyền dẫn hình ảnh có giới hạn định Trong điều kiện thu hình (bằng camera phim, camera truyền hình) khác (thiếu ánh sáng, điều kiện chiến tranh, chất lượng in tráng phim thủ công thời gian trước đây, hình ảnh lịch sử thực năm 1940 – 1950,…) dẫn đến chất lượng hình ảnh (ảnh cũ, vết bẩn, ố, mốc, lóe sáng, drop-out, vết màu, vết sướt, sọc, nhiễu, nhấp nháy, số phần ảnh,…) Ngoài việc truyền dẫn kênh vật lý thực gây suy giảm thay đổi chất lượng ảnh Sự thay đổi dòng diện điện áp cấu trúc hạt tượng điện có tên nhiễu Sự diện nhiễu tín hiệu đầu vào tổng hợp hình ảnh gây chấm đen-trắng có kích thước độ chói thay đổi Nếu tăng độ sáng hình làm giảm độ contrast cực đại hình Nếu cộng nhiễu vào tín hiệu đồng màu làm giảm chất lượng ảnh tổng hợp (ví dụ đồng bộ) Can nhiễu có chu kỳ giả chu kỳ gây nhiều tác động khác (ví dụ xung, bị điều chế, hài) Can nhiễu có chu kỳ, đặc biệt can nhiễu có tần số mạng điện (50Hz) hài tạo hình hình không chuyển động không thay đổi vị trí lúc Trong truyền hình dễ nhìn thấy can nhiễu có tần số thấp vùng ảnh lớn cỡ mành Nhiễu không chu kỳ xuất từ bên hệ thống (nhiễu nội), ví dụ nhiễu xung, chiếu sáng (light up) tín hiệu luminance tín hiệu chrominance (tức tín hiệu hiệu số màu) tín hiệu màu Kỹ thuật tương tự làm giảm tín hiệu nhiễu tín hiệu video, có nghóa làm tăng tỉ số tín hiệu nhiễu Nhiều phương pháp giảm SVTH: NGUYỄN ANH THI Lọc nhiễu mạch lọc Median cân baèng Histogram for (i=0;i