Bài viết này đề cập đến việc ứng dụng kỹ thuật Morphing trong biểu diễn bề mặt trên cơ sở đó kết hợp với các kỹ thuật nắn chỉnh khác để có thể tái tạo được hình ảnh 3 chiều sau quá trình thu nhận như chính gốc của nó. Kỹ thuật được thử nghiệm cho việc nắn chỉnh bìa sách trong quá trình số hóa tài liệu tại Trung tâm Thông tin thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội.
KỸ THUẬT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HÌNH ẢNH BÌA SÁCH TRONG SỐ HĨA TÀI LIỆU Đỗ Năng Tồn*1- Phạm Thành Quang**2- Nguyễn Thị Ngọc Lan***3 Tóm tắt: Thư viện số khái niệm phổ biến xu hướng tất yếu hoạt động mô hình thư viện ngày Số hóa tài liệu mắt xích khơng thể thiếu q trình tiến tới thư viện số tương lai Bài viết đề cập đến việc ứng dụng kỹ thuật Morphing biểu diễn bề mặt sở kết hợp với kỹ thuật nắn chỉnh khác để tái tạo hình ảnh chiều sau trình thu nhận gốc Kỹ thuật thử nghiệm cho việc nắn chỉnh bìa sách q trình số hóa tài liệu Trung tâm Thơng tin thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội Từ khóa: Thư viện số; Tài nguyên số; Số hóa tài liệu; Kỹ thuật Morphing GIỚI THIỆU Sự đời phát triển Internet có tác động đến mặt xã hội đặc biệt lĩnh vực số hóa tài liệu Đó nhiệm vụ cốt lõi Trung tâm Thông tin – Thư viện việc phục vụ truyền tải tài liệu số đến toàn thể cán bộ, giảng viên, học viên, sinh viên, Để làm điều Trung tâm phải đưa hình ảnh chân thực nhất, dễ hình dung đến với người dùng tin Tuy nhiên, hình ảnh chiều thu nhận thiết bị thu nhận ảnh thường bị biến dạng so với thực tế Vì vậy, nhu cầu đặt tái tạo lại hình * Phó Giáo sư, Tiến sĩ, Trung tâm Thông tin – Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội ** Trung tâm Thông tin – Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội *** Trung tâm Thông tin – Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội 828 PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH TRUNG TÂM TRI THỨC SỐ CHO CÁC THƯ VIỆN VIỆT NAM ảnh thực từ ảnh thu nhận Trong ví dụ minh hoạ hình ảnh thu nhận ảnh mong muốn a) Ảnh thu nhận b) Ảnh mong muốn Hình 1: Ảnh thu nhận ảnh mong muốn Bài viết đề cập đến việc sử dụng điểm điều khiển kỹ thuật Morphing biểu diễn bề mặt Trên sở kết hợp với kỹ thuật nắn chỉnh khác để tái tạo hình ảnh chiều sau q trình thu nhận gốc Phần cịn lại báo cáo có cấu trúc sau: Phần trình bày sở lý thuyết thuật tốn Phần trình bày thuật tốn nắn chỉnh hình học dựa vào điểm điều khiển kỹ thuật nắn chỉnh bề mặt dựa vào kỹ thuật Morphing Phần kết thực nghiệm thuật toán cuối kết luận kỹ thuật nắn chỉnh đề xuất CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA THUẬT TỐN 2.1 Nắn chỉnh cấu trúc khung hình học đối tượng Việc nắn chỉnh cấu trúc khung hình học đối tượng thực nhờ vào phương pháp bình phương tối thiểu sau: Giả sử có n điểm điều khiển Các điểm điều khiển ảnh gốc tương ứng P(x1,y1), , P(xnyn) ảnh đích tương ứng Q(u1,v1), , Q(un,vn) Phương pháp bình phương tối thiểu phương pháp xây dựng ánh xạ F(x,y)->(u,v) cho: / F (Pi) - Qi " với i=1, ,n Điều tương đương với đạo hàm bậc / F (Pi) - Qi KỸ THUẬT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HÌNH ẢNH BÌA SÁCH TRONG SỐ HÓA TÀI LIỆU Nếu F hàm bậc ta có: F (x, y) = ( u = b x + b1 y + b v = b3 x + b y + b5 Các hệ số b tính tốn sau: Ta đặt: n n /x i x= i i=1 y= n / 6(x n i- p= i=1 /y n x ) (yi - y )@ / (y - y ) i=1 n / 6(x n i- p= , i=1 n x ) (yi - y )@ / (x - x ) i i i=1 i=1 Ta có: / 6(X - X ) (u - X )@ n i b = - qb i=1 i i n / (X - X ) i i=1 / 6(y - y ) (u - x )@ - q / 6(x - x ) (y - y )@ n n i b1 = i=1 i n / (y - y ) i i i i=1 i i=1 - q / 6(xi - x ) (yi - y )@ n i=1 n b2 = n / (ui - xi) + x - b x - b1 y i=1 / 6(x - x ) (v - y )@ - p / 6(y - y ) (v - y )@ n n i b3 = i=1 i i n / (x - x ) i i=1 i i - p / 6(xi - x ) (yi - y )@ n i=1 i=1 , 829 830 PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH TRUNG TÂM TRI THỨC SỐ CHO CÁC THƯ VIỆN VIỆT NAM Ảnh thu nhận Khung mẫu Hình 2: Chọn điểm điều khiển để nắn chỉnh cấu trúc khung Sau xác định hệ số b i hàm F(x,y) hoàn toàn xác định Ta sử dụng hàm biến đổi tìm để thực việc nắn chỉnh khung ảnh thu nhận 2.2 Kỹ thuật Morphing biểu diễn bề mặt Ảnh thu sau phép nắn chỉnh khung có hình dáng khung theo mong muốn bề mặt đối tượng sau phép biến đổi thường bị méo mó, để khắc phục ta sử dụng kỹ thuật Morphing 2.2.1 Kỹ thuật Morphing gì? Kỹ thuật Morphing kỹ thuật nội suy nhằm hiệu chỉnh bề mặt sở điểm điều khiển Với điểm M bề mặt đối tượng gốc ánh xạ sang ảnh đích cách xác định n điểm điều khiển có ảnh hưởng đến M nhiều điểm M thuộc đa giác tạo n điểm Sau sử dụng phép nội suy để xác định vị trí M’ M ảnh đích Thơng thường người ta hay dùng n = n = Nếu n = ta sử dụng phép nội suy Affine, n = ta sử dụng phép nội suy Bilinear M -> M’ Hình Cách ánh xạ kỹ thuật Morphing với n=3 KỸ THUẬT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HÌNH ẢNH BÌA SÁCH TRONG SỐ HĨA TÀI LIỆU 2.2.2 Các phép nội suy a Phép nội suy Affine Đây phép nội suy hai tam giác hệ toạ độ Euclide Giả sử có hai tam giác muốn nội suy hai tam giác cho Một cách đơn giản sử dụng kỹ thuật ánh xạ dựa hệ toạ độ Barycentric minh hoạ sau: Hình Phép nội suy Affine Trước tiên định nghĩa ánh xạ T cho đỉnh tam giác: T(A)=D, T(B)=E,T(C)=F Với điểm lại ánh xạ chúng theo toạ độ Barycentric (α1, α2, α3) nghĩa là: P= α1*A+α2*B+α3*C Trong đó: αi ≥ α1+ α2+ α3 =1 Một điểm Q ánh xạ P qua T tính tốn sau: Q = T(P) = T(α1*A+α2*B+α3*C) = α1* T (A) +α2*T(B) +α3*T(C) =α1*D+α2*E+α3*F Như vậy, để sử dụng phép nội suy Affine ta phải chuyển từ hệ tọa độ Euclide sang hệ tọa độ Barycentric Cách chuyển thực sau: Với điểm M(xm,ym) nằm tam giác ABC biểu diễn toạ độ theo toạ độ đỉnh tam giác sau: 831 832 PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH TRUNG TÂM TRI THỨC SỐ CHO CÁC THƯ VIỆN VIỆT NAM Giải hệ phương trình ta nghiệm nhất: b Phép nội suy Bilinear Đây kỹ thuật xác định hàm biến đổi từ hình vng kích thước [0,1]x[0,1] tới tứ giác không gian (tứ giác không thiết phải đồng phẳng) Nếu giả sử toạ độ khối hình vng u v phép biến đổi B thực sau: Phép biến đổi thực tương đương với hai việc Việc thứ nội suy cạnh AD BC thu điểm P Q P=(1-v)A +vD Q=(1-v)B +vC Việc nội suy đoạn PQ sử dụng thông số u: B(u,v)=(1-u)P +uQ Hình 5: Phép nội suy Bilinear Hình 5: Phép nội suy Bilinear KỸ THUẬT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HÌNH ẢNH BÌA SÁCH TRONG SỐ HĨA TÀI LIỆU THUẬT TOÁN NẮN CHỈNH DỰA TRÊN CÁC ĐIỂM ĐIỀU KHIỂN VÀ KỸ THUẬT MORPHING Trong mục trình bày thuật tốn nắn chỉnh hình học đối tượng chiều dựa việc nắn chỉnh cấu trúc khung đối tượng kỹ thuật Morphing để biểu diễn bề mặt Đối tượng thu sau bước nắn chỉnh cấu trúc khung có hình dáng thỏa mãn đối tượng không bị biến dạng Tiếp theo sử dụng kỹ thuật Morphing để hiệu chỉnh bề mặt cuối kỹ thuật xóa nhiễu để nâng cao ảnh kết 3.1 Thuật toán nắn chỉnh khung đối tượng Thuật toán nắn chỉnh khung đối tượng gồm bước sau: Bước 1: Lựa chọn điểm điều khiển Thực tế việc lựa chọn điểm điều khiển cho bảo tồn hình dạng đối tượng Vì vậy, điểm điều khiển chọn phải nằm đường mà tạo nên khung đối tượng Số lượng điểm điều khiển cần chọn phụ thuộc vào độ biến dạng khung Nếu độ biến dạng nhỏ số điểm điều khiển phải chọn ngược lại Mặt khác, việc chọn điểm điều khiển đường cong biến dạng khung đối tượng Chính số lượng điểm điều khiển tăng lên biểu diễn gần xác đường cong Và nắn chỉnh cấu trúc khung đối tượng xác Bước 2: Tìm hàm nắn chỉnh Với điểm điều khiển xác định, ta tìm hàm nắn chỉnh F từ phương pháp bình phương tối thiểu trình bày Khi đó, Pi ánh xạ sang P’i = F(Pi) mà Qi ta chọn Ảnh thu nhận Khung mẫu Hình Điểm điều khiển đích thay đổi xác định hàm F 833 834 PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH TRUNG TÂM TRI THỨC SỐ CHO CÁC THƯ VIỆN VIỆT NAM *Nhận xét: Trong thực tế, đối tượng chủng loại thường có cấu trúc hình dạng giống Vì khung mẫu điểm điều khiển khung mẫu lưu lại làm mẫu (template) sử dụng cho trường hợp sau Khi đó, đối tượng đầu vào có khung mẫu, ta việc kích chọn khung mẫu có sẵn chương trình lần cho tất đối tượng thực nắn chỉnh hàng loạt Vì sử dụng template tăng tốc độ nắn chỉnh giảm thời gian chọn điểm điều khiển 3.2 Thuật toán biểu diễn bề mặt dựa kỹ thuật Morphing Công việc sau hiệu chỉnh khung đối tượng hiệu chỉnh bề mặt Ở ta sử dụng thuật toán biểu diễn bề mặt dựa kỹ thuật Morphing Với vùng ảnh nhận chọn điểm điều khiển để xác định khung đối tượng phần 3.1, thực hiệu chỉnh phần cách riêng biệt Ứng với phần, tiếp tục chọn thêm số điểm điều khiển thấy cần thiết Sau thực bước sau: Bước 1: Ứng với điểm ảnh M thuộc vùng ảnh thực cơng việc sau: • Tìm điểm điều khiển: Việc tìm điểm dựa theo nguyên tắc vật lý là: Lực hút hai vật tỉ lệ nghịch với khoảng cách chúng Dẫn đến số điểm lân cận điểm M, điểm gần M ảnh hưởng tới M lớn Trên sở tìm điểm thỏa mãn: + Tổng khoảng cách từ điểm tới M nhỏ + M thuộc tam giác tạo điểm Gọi điểm vừa tìm A, B, C điểm tương ứng với điểm A’, B’, C’ ảnh đích • Tìm M’ thuộc tam giác A’ B’C’ tương ứng với điểm M tam giác ABC dựa vào phép nội suy tam giác ABC thành tam giác A’ B’C’ • Gán giá trị mầu M cho M’ KỸ THUẬT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HÌNH ẢNH BÌA SÁCH TRONG SỐ HĨA TÀI LIỆU Ảnh kết giai đoạn thể ví dụ đây: Hình 7: Ảnh kết sau bước thực kỹ thuật Morphing Hình 7: Ảnh kết sau bước thực kỹ thuật Morphing Bước 2: Nâng cao chất lượng ảnh Như vậy, ứng với điểm ảnh gốc tìm vị trí tương ứng bên ảnh đích Sau điều thực với tất điểm cần xét ảnh gốc ảnh đích thu nắn chỉnh có nhiều điểm ảnh đích chưa có điểm từ ảnh gốc ánh xạ sang nên điểm mang mầu (xem hình 7) Những điểm ảnh đích mà khơng có điểm ảnh ảnh gốc ánh xạ sang gọi lỗ hổng Vì phải sử dụng kỹ thuật lấp lỗ hổng để làm trơn ảnh Khi đó, q trình tái tạo đối tượng chiều hồn tất cho kết hình Hình 8: Ảnh kết trình nắn chỉnh 835 836 PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH TRUNG TÂM TRI THỨC SỐ CHO CÁC THƯ VIỆN VIỆT NAM 3.3 Thuật tốn nắn chỉnh hình học đối tượng chiều Thuật tốn nắn chỉnh hình học đối tượng chiều dựa vào điểm điều khiển kỹ thuật Morphing biểu diễn bề mặt CorrectOBJECT thực thông qua pha chính: Pha 1: Nắn chỉnh cấu trúc khung hình học đối tượng Bước 1: Lựa chọn điểm điều khiển Bước 2: Tìm hàm nắn chỉnh Pha 2: Biểu diễn bề mặt dựa kỹ thuật Morphing Bước 1: Nội suy điểm ảnh mặt Bước 2: Nâng cao chất lượng ảnh *Mệnh đề 3.1: Thuật toán CorrectOBJECT dừng cho kết Chứng minh: - Tính dừng: Pha khơng có vịng lặp nên dừng Pha có bước thực với điểm ảnh, số lượng điểm ảnh đối tượng hữu hạn nên thuật toán kết thúc duyệt hết điểm ảnh - Tính đắn: Thuật toán nắn chỉnh dựa sở cấu tạo vật lý đối tượng chiều nói chung bao gồm “khung” “bề mặt” Vì muốn nắn chỉnh đối tượng phải thực giai đoạn phận đối tượng Thuật toán nắn chỉnh đề xuất tuân thủ quy tắc Cụ thể: pha có tác dụng nắn chỉnh cấu trúc khung, pha có tác dụng hiệu chỉnh lại bề mặt Vì thuật toán xử lý vấn đề tái tạo đối tượng chiều đề ỨNG DỤNG Chúng tơi cài đặt thử nghiệm thuật tốn đề xuất cho đối tượng sách Trung tâm Thông tin – Thư viện Trong hình 9a) thể ảnh thu nhận, 9b) mẫu, 9c) ảnh thu sau bước nắn chỉnh cấu trúc hình học, 9d) ảnh sau bước sử dụng kỹ thuật Morphing, 9e) ảnh sau nâng cao chất lượng KỸ THUẬT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HÌNH ẢNH BÌA SÁCH TRONG SỐ HĨA TÀI LIỆU Kết thực nghiệm cho thấy chương trình xử lý tốt đối tượng sách với u cầu đầu có kích thước để giới thiệu tới bạn đọc b) a) d) c) e) Hình 9: Ảnh thu nhận kết qua bước Hình 9: Ảnh thu nhận kết qua bước 837 838 PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH TRUNG TÂM TRI THỨC SỐ CHO CÁC THƯ VIỆN VIỆT NAM KẾT LUẬN Ảnh thu nhận máy tính thường bị biến dạng thiết bị điện tử quang học, đặc biệt ảnh chiều Bài viết đề xuất việc hiệu chỉnh đối tượng chiều sau trình thu nhận pha: Nắn chỉnh cấu trúc hình học đối tượng biểu diễn bề mặt dựa kỹ thuật Morphing Để nâng cao chất lượng, báo cáo đề cập đến việc sử dụng kỹ thuật xóa nhiễu đặc biệt lỗ hổng sau q trình áp dụng thuật tốn Thuật toán CorrectOBJECT đề xuất cài đặt thử nghiệm Trung tâm Thông tin – Thư viện áp dụng tốt hình ảnh sách cần hiệu chỉnh để giới thiệu đến toàn thể bạn đọc Đại học Quốc gia Hà Nội Hi vọng với bước tiến này, hình ảnh chân thực tài liệu số môi trường tri thức số tương lai phục vụ cách tốt cho người dùng tin TÀI LIỆU THAM KHẢO H Johan, Y.Koiso, T Nishita (2000), “Morphing using Curve and Shape Interpolation Techniques”, Dept of Information Science Technical Report, p.53-62, University of Tokyo, 2000 N Fish, R Zhang, L Perry (2020), “Image Morphing With Perceptual Constraints and STN Alignment”, Major Revision From Eurographics Conference, 2020 Alexander Tereshin, Valery Adzhiev, Oleg Fryazinov (2020), “Automatically Controlled Morphing of 2D Shapes with Textures”, SIAM Journal on Imaging Sciences, 2020, Vol 13, No : pp 78-107 Beena Biswas, Dr Vaibhav Sharma, (2020), “A Case Study on Image Morphing Through Data Hiding Technique”, International Journal of Engineering and Computer Science, 2020 | Page No.: 24925-24933 G.Wolberg (1998),”Image Morphing: A survey”, Visual Computer, p.360372, 1998 Lương Mạnh Bá, Nguyễn Thanh Thuỷ, Nhập môn xử lý ảnh NXB KH&KT, 1999 Đặng Văn Đức, Hệ thống thông tin địa lý NXB KH&KT, 2001