GIÁO TRÌNH MÔN HỌC XỬ LÝ ẢNH

Đ Ạ I HỌ C THÁI NGUYÊN K H O Ấ C Ô N G N G H Ệ T H Ơ N G T IN GIÁO TRÌNH MƠN HỌC ■ x LÝ ẢNH Người soạn : PGS TS Đ ỗ NĂNG TỒN, TS PHẠM VIỆT BÌNH Thái Ngun, Tháng 11 năm 2007 LỜ I NÓI ĐẦU Khoảng mười năm trở lại đây, phần cứng máy tính thiết bị liên quan có tiên vượt bậc tốc độ tính tốn, dung lượng chứa, khả xử lý V.V giá giảm đến mức máy tính thiết bị liên quan đến xử lý ảnh khơng cịn thiết bị chuyên dụng Khái niệm ảnh sô trở nên thông dụng với hầu hết người xã hội việc thu nhận ảnh sô thiết bị cá nhân hay chuyên dụng với việc đưa vào máy tính xử lý trở nên đơn giản Trong hồn cảnh đó, xử lý ảnh lĩnh vực quan tâm trở thành môn học chuyên ngành sinh viên ngành công nghệ thông tin nhiều trường đại học nước Tuy nhiên, tài liệu giáo trình cịn điều khó khăn Hiện có sơ tài liệu tiếng Anh tiếng Pháp, tài liệu tiêng Việt hiếm, v i mong muốn đóng góp vào nghiệp đào tạo nghiên cứu lĩnh vực này, chúng tơi biên soạn giáo trình x lý ảnh dựa đề cương môn học duyệt Cuốn sách tập trung vào vấn đề xử lý ảnh nhằm cung cấp tảng kiến thức đắy đủ chọn lọc nhằm giúp người đọc CĨ thể tự tìm hiểu xây dựng chương trình ứng dụng liên quan đền xử lý ảnh Giáo trình chia làm chương phần phụ lục: Chương 1, trình bày Tổng quan xử lý ảnh, khai niệm bản, sơ đồ tổng quát mốt hệ thông xử lý ảnh vấn đề xử lý ảnh Chương 2, trình bày kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh dựa vào thao tác với điểm ảnh, nâng cao chất lượng ảnh thông qua việc xử lý điểm ảnh lân cận điểm ảnh xét Chương trình bày kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh nhờ vào phép tốn hình thái Chương 3, trình bày kỹ thuật việc phát biên đôi tương ảnh theo hai khuynh hướng: Phát biên trực tiếp phát biền gián tiếp Chương thể cách kỹ thuật tìm xương theo khuynh hướng tính tốn trục trung vị hướng tiếp cận xấp xỉ nhờ thuật toán làm mảnh song song gián tiếp Và cuối Chương với kỹ thuật hậu xử lý- Giáo trình biên soạn dựa kinh nghiệm giảng dạy tác giả nhiều năm khóa đại học cao học ĐH Cơng nghệ ĐHQG Hà Nội, ĐH Khoa học tự nhiên - ĐHQG Ha Nội, Khoa Công nghệ thông tin - ĐH Thái Nguyên V.V Cuốn sách làm tài liệu tham khảo cho sinh viên h ệ k ỹ SƯ, c nhân b n quan tâm đ ế n v ấ n đ ề n h ậ n dạng xử lý ảnh Các tác giả bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới bạn đồng nghiệp Phịng Nhận dạng cơng nghệ tri thức, Viện Công nghệ thông tin, BỘ môn H ệ thống thông tin, Khoa Công nghệ thông tin, ĐH Thái Nguyên, Khoa Công nghệ thông tin, ĐH Công nghệ, ĐHQG Hà Nội, Khoa Toán Cơ - Tin, ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQG Hà Nội động viên, góp ý giúp đỡ để hồn chỉnh nội dung sách Xin cám ơn Lãnh đạo Khoa Công nghệ thông tin, ĐH Thái Nguyên, Ban Giám đốc ĐH Thái Nguyên hỗ trỢ tạo điều kiện đời giáo trình Mặc dù gắng tài liệu chắn không tránh khỏi sai sót Chúng tơi xin trân trọng tiếp thu tất ý kiên đóng góp bạn đọc bạn đồng nghiệp để có chỉnh lý kịp thời Thư góp ý xin gửi về: Phạm Việt Bình, Khoa Cơng nghệ thơng tin - ĐH Thái ngun Xã Quyết Thắng, Tp Thái Nguyên Điện thoại: 0280.846506 Email: pvbinh@ictu.edu.vn Thái Nguyên, ngày 22 tháng 11 năm 2007 CÁC TÁC GIÀ M ỤC LỤC LỜI NÓI ĐẲƯ MỤC LỤC .4 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ x LÝ ẢNH 1.1 XỬ LÝ ẢNH, CÁC VẤN ĐỀ c BẢN t r o n g x l ý Ản h 1.1.1 x lý ảnh gì? 1.1.2 Các vấn đề xử lý ảnh .10 1.1.2.1 Một sô khái niệm 10 1.1.2.2 Nắn chỉnh biến dạng 10 1.1.2.3 Khử nhiễu 11 1.1.2.4 Chỉnh mức xám 11 1.1.2.5 Phân tích ảnh 11 1.1.2.6 Nhận dạng .12 1.1.2.7 Nén ảnh 13 1.2 THU NHẬN VÀ BIÊU DIEN Ản h 14 1.2.1 Màu sắc 14 1.2.1.1 Mơ hình màu RGB (Red, Green, Bule) 14 1.2.1.2 Mơ hình màu CMY (Cyan, Magenta, Yellow) 15 1.2.1.3 Mơ hình màu HSV (Hue, Saturation, Value) 16 1.2.1.4 Mơ hình màu HLS 19 1.2.2 Thu nhận, thiết bị thu nhận ảnh 22 1.2.2.1 Giai đoạn lấy mẫu 23 1.2.2.2 LƯỢng tử hóa 24 1.2.3 Biểu diễn ảnh 24 1.2.3.1 Mơ hình Raster 24 Mơ hình Vector 25 Chương 2: CÁC KỸ THUẬT NÂNG CAO CHẤT l ợ n g Ản h 26 2.1 CÁC KỸ THUẬT KHÔNG PHỤ THUỘC KHÔNG GĨAN 26 2.1.1 Giới thiệu 26 2.1.2 Tăng giảm độ sáng 26 2.1.3 Tách ngưỡng 27 2.1.4 Bó cụm 27 2.1.5 Cân histogram 28 2.1.6 Kỹ thuật tìm tách ngưỡng tự động 29 2.1.7 Biến đổi cấp xám tổng thể 30 2.2 CÁC KỸ THUẬT PHỤ THUỘC KHÔNG GIAN 31 2.2.1 Phép nhân chập mẫu 31 2.2.2 Một sô mẫu thông dụng 33 2.2.3 Lọc trung vị 34 2.2.4 Lọc trung bình 36 2.2.5 Lọc trung bình theo k giá trị gần 37 2.3 CÁC PHÉP TỐN HÌNH THÁI HỌC 38 2.3.1 Các phép tốn hình thái 38 2.3.2 Một sơ tính chất phép tốn hình thái 39 Chương 3: BIÊN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN BIÊN 44 3.1 GIỚI THIỆU 44 3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN BIÊN TRựC TIÊP 44 3.2.1 Kỹ thuật phát biên Gradient 44 3.2.1.1 Kỹ thuật Prewitt 46 3.2.1.2 Ky thuật Sobel 47 3.2.1.3 Ky thuật la bàn 47 3.2.2 Kỹ thuật phát biên Laplace 48 3.2.3 Kỹ thuật Canny 49 3.3 PHÁT HIỆN BIÊN GIÁN TlỂP 50 3.3.1 Một sô khái niệm 50 3.3.2 Chu tuyến đối tương ảnh 51 3.3.3 Thuật tốn dị biên tổng qt 53 3.4 PHÁT HIỆN BIÊN DựA VÀO TRUNG BÌNH c ụ c BỘ 56 3.4.1 Biên độ biến đổi mức xám 56 3.4.2 Phát biên dựa vào trung bình cục 57 3.5 PHÁT HIỆN BIÊN D ựA VÀO CÁC PHÉP TỐN HÌNH THÁI 60 3.5.1 Xấp xỉ xấp xỉ đối tương ảnh 60 3.5.1 Thuật toán phát biên dựa vào phép tốn hình thái 61 Chương 4: XƯƠNG VÀ CÁC KỸ THUẬT TÌM XƯƠNG 63 4.1 GIỚI THIỆU 63 4.2 TÌM XƯƠNG D ựA TRÊN LÀM MẢNH 63 4.2.1 Sơ lược thuật toán làm mảnli 63 4.2.2 Một sô thuật toán làm mảnh 65 4.3 TÌM XƯƠNG KHƠNG DựA TRÊN LÀM MẢNH 65 4.3.1 Khái quát vế lược đổ Voronoi 66 4.3.2 Trục trung vị Voronoi rời rạc 66 4.3.3 xương Voronoi rời rạc 67 4.3.4 Thuật tốn tìm xương .68 Chương 5: CÁC KỸ THUẬT HẬU x LÝ 71 5.1 RÚT GỌN SỐ LƯỢNG ĐlỂM BIÊU Dĩ ỄN 71 5.1.1 Giới thiệu 71 5.1.2 Thuật toán Douglas Peucker 71 5.1.2.1 Y tưởng 71 5.1.2.2 Chương trình 72 5.1.3 Thuật toán Band width 73 5.1.3.1 Ý tưởng 73 5.1.3.2 Chương trình 75 5.1.4 Thuật toán Angles 76 5.1.4.1 Ý tưởng 76 5.1.4.2 Chương trình 76 5.2 XẤP XỈ ĐA GIÁC BỞ ĩ CÁC HÌNH c SỞ 77 5.2.1 Xấp xỉ đa giác theo bất biến đồng dạng 78 5.2.1.1 Xấp xỉ đa giác đường tròn .80 5.2.1.2 Xấp xỉ đa giác ellipse 80 5.2.1.3 Xấp xỉ đa giác hình chữ nhật 80 5.2.1.4 Xấp xỉ đa giác đa giác n cạnh 81 5.2.2 Xấp xỉ đa giác theo bất biến aphin 81 5.3 BIỂN ĐỔI HOUGH 82 5.3.1 Biến đổi Hongh cho đường thẳng 82 5.3.2 Biến đổi Hough cho đường thẳng tọa độ cực 84 Chương 6: ỨNG DỤNG x LÝ ẢNH 85 6.1 PHÁT HIỆN GÓC NGHIÊNG VĂN BẢN DựA v o CHU TUYẾN ' .85 6.1.1 Tính tốn kích thước chủ đạo đôi tượng ảnh 85 6.1.2 Biến đổi Hough phát góc nghiêng văn 87 6.1.2.1 Áp dụng biến đổi Hough phát góc nghiêng văn 87 6.1.2.2 Thuật tốn phát hiệu chỉnh góc nghiêng văn .88 6.1.2.3 Thực nghiệm kết 91 6.2 PHÂN TÍCH TRANG TÀI LIỆU 93 6.2.1 Quan hệ Qe 93 6.2.2 Phân tích trang văn nhờ khoảng cách Hausdorff quan hệ Qe ._ 94 6.2.3 Phân tích trang văn dựa vào mẫu 96 6.2.3.1 Đánh giá độ lệch cấu trúc văn theo mẫu 96 6.2.3.2 Thuật toán phân tích trang văn dựa vào mẫu 99 6.3 CẮT CHỮ IN DÍNH D ựA VÀO CHU TUYỂN 101 6.3.1 Đ ặt vấn đ ề 101 6.3.2 Một sô khái niệm 103 6.3.3 Thuật tốn cắt chữ in dính dựa vào chu tuyến .104 6.3.3.1 Phân tích tốn 104 6.3.3.2 Thuật toán CutCHARACTER cắt chữ in dính dựa vào chu tuyến 106 6.4 NHẬN DẠNG CHỮ VIÊT 107 6.5 TÁCH CÁC ĐỐI TƯỢNG HÌNH HỌC TRONG PHIẾU ĐlỀU TRA DẠNG DẤU ' ĩ 108 6.5.1 Giới thiệu .108 6.5.2 Tách đối tương nhờ sử dụng chu tuyến 109 6.6 TÁCH BẢNG D ựA TRÊN TẬP CÁC HÌNH CHỮ NHẬT RỜI RẠC ' 110 6.6.1 Phân tích toán 111 6.7 PHÁT HIỆN ĐỐI TƯỢNG CHUYÊN ĐỘNG 113 6.7.1 Phát đối tượng chuyển động dựa theo hướng tiếp cận trừ khung hình liền kề 113 6.7.2 Phát đôi tượng chuyển động theo hướng tiếp cận kết hợp ' I : * ' 1 6.7.2.1 Trừ ảnh đánh dấu Iwb 117 6.7.2.2 Lọc nhiễu phát độ dịch chuyển 118 6.7.2.3 Phát biên ảnh đa cấp xám Igc 118 6.7.2A Kết hỢp ảnh Igc với Iwb 119 Phụ lục 1: MỘT s ố ĐỊNH DẠNG TRONG x LÝ ẢNH 121 Định dạng ảnh IMG 121 Định dạng ảnh PCX 122 Định dạng ảnh TIFF 123 Định dạng file ảnh BITMAP 125 Phụ lục 2: CÁC BƯỚC THAO TÁC VỚI FILE AVI 127 Bước 1: MỞ đóng thư viện 127 Bước 2: MỞ đóng file AVI để thao tác: 127 Bước 3: MỞ dòng liệu đ ể thao tác 128 Bước 4: Trường hỢp thao tác với liệu hình phim 128 Bước 5: Thao tác với frame 128 Phụ lục 3: MỘT s ố MODUL CHƯƠNG TRÌNH 129 Nhóm đọc, ghi hiển thị ảnh 129 1.1 Nhóm đọc ảnh 129 1.2 Nhóm ghi ảnh 137 1.3 Nhóm hiển thị ảnh 139 Nhóm phát góc nghiêng văn 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO 157 Chirofngl: , x TONG QUAN VE XlT LY ANH 1.1 XlT LY ANH, CAC VAN DE CO BAN TRONG XlT LY ANH 1.1.1 XU ly an h la gi? Con ngiffti thu nhan thong tin qua cac giac quan, thj giac dong vai tro quan trOng nhat NhUTng nam trd lai day v6i slf phat trien cUa phan cLTng may tinh, xlf ly anh va hoa phat trien mot cach manh me va co nhieu LTng dung cuOc song Xir ly anh va hoa dong mot vai tro quan trOng tlfOng tac nglTdi may Qua trinh xlf ly anh dl/pc xem nhlf la qua trinh thao tac anh dau vao nham cho ket qua mong muOn K et qua dau clia mot qua trinh xlf ly anh co the la mot anh “tot hOn” hoac mot ket luan Hinh 1.1 Qua trinh xU ly anh Anh co the xem la tap hOp cac diem anh va mOi diem anh dlfOc xem nhlf la dac trlfng clfOng sang hay mot dau hieu nao ta i mot vi tri nao clla doi tlfOng khong gian va no co the xem nhlf mot ham n bien P(ci, c2, , cn) Do do, anh xlf ly anh co the xem nhlf anh n chieu SO tOng quat clla mot he thong xlf ly anh: Error: Reference source not foundHlnh 1.2 Cac bli6c cO ban m ot h e thong xU ly anh 1.1.2 Các v ấ n đ ề c b ản x lý ản h 1.1.2.1 M ột sô khái niệm * Á n h 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 sô giá trị có điểm ảnh ảnh 1.1.2.2 Nắn chỉnh biến dạng Ảnh thu nhận thường bị biến dạng thiết bị quang học điện tử P' Sứí ’) Ảnh thu nhận Ảnh mong muốn Hình 1.3 Ảnh thu nhận ảnh mong muốn Đ ể khắc phục người ta sử dụng phép chiếu, phép chiếu thường xây dựng tập điểm điều khiển Giả sử (Pị, p¡’) i = 1, n có n tập điều khiển Tìm hàm f: P i f ( P i ) cho Ẻ I if ( p/ ) - p/1 r - >min i=l Giả sử ảnh bị biến đổi bao gồm: Tịnh tiến, quay, tỷ lệ, biến dạng bậc tuyến tính Khi hàm f có dạng: f (x>y) = (aix + bử + Ci> a2x + b2y + c2) Ta có: = ¿ ( f ( P i ) - P i ' ) = Ẻ I «1 >i,+bỉy i +Cj -X,:)2 +(ữ2xi + b 2y, + c -y ,:)2 i=l i=l Đ ể cho (ị) -> 10 memset((void*)lpbi, 0, sizeof (BITMAPINFOHEADER)); #else #endif//_WIN32 lpbi->biSize = sizeof (BITMAPINFOHEADER); lpbi—»biWidth = dwWidth; lpbi—>biHeight = dwHeight; Ipbi—»biplanes = 1; if (nBPP biBitCount = 1; else if(nBPP biBitCount == 1) M("Anh bit khong xet !"); CString s; s.Format("W = %ld H = %ld bit = %d",dwWidth,dwHeight,lpbi—>biBitCount); } Nhóm phát h iện góc nghiêng văn b ả n /*============================================== * Hàm: Next(HBYTE Image,DWORD X,DWORD y,int dir ,BYTE cO) * Mục đích:Tìm điểm đen kê tiếp ngưỢc chiều đồng hổ dò biên */ int WINAPI Next(HBYTE Image,DWORD X,DWORD y,int dir ,BYTE cO) { int c,dem=8; DWORD newx,newy; while(dem>0) { newx=x+ROW[(dem+dir)%8]; 144 newy=y+COL [(dem+dir)%8] ; if(newx>=0 && newx=0 && newy