Nói một cách khác, “thị giác máy dựa trên phép xử lý ảnh bằng sự phân tích của máy. Theo một số tác giả, hai lĩnh vực: xử lý ảnh số và “thị giác máy được liên kết chặt chẽ với nhau.
Chương Giới thiệu xử lý ảnh 1.1 Giới thiệu Cuốn sách cung cấp cho bạn lý thuyết phương pháp thông dụng lĩnh vực xử lý ảnh Trong chương 1, giới thiệu với bạn vài khái niệm thuật ngữ cần thiết Chúng giới thiệu sơ lược kiến thức tổng quát thiết bị cần thiết cho hệ thống xử lý ảnh Cuối phần giới thiệu chung nội dung chương sách 1.2 Chuẩn bị Xử lý ảnh có quan hệ mật thiết với nhận thức ảnh người Nói cách khác, “thị giác máy" dựa phép xử lý ảnh phân tích máy Theo số tác giả, hai lĩnh vực: xử lý ảnh số “thị giác máy" liên kết chặt chẽ với Tuy nhiên, đến nay, hai lĩnh vực hoàn thiện đến mức chúng cho phép giải vấn đề cách riêng rẽ Trong sách này, chúng tơi trình bày lĩnh vực xử lý ảnh số, phát triển thuật toán cung cấp ví dụ cụ thể Lĩnh vực “thị giác máy" trình bày sách khác Xử lý ảnh số có nhiều ứng dụng làm ảnh y học, khôi phục lại ảnh tác động khí thiên văn học, tăng cường độ phân giải ảnh truyền hình mà khơng cần thay đổi cấu trúc bên hệ thống chuyển tải, nén ảnh truyền xa lưu trữ Vấn đề trình bày cách chặt chẽ quan điểm xử lý tín hiệu hai chiều Cuốn sách chia làm 17 chương Mỗi chương đề cập đến vấn đề khác phục vụ cho chương Để hiểu tường tận, bạn phải đọc chương theo thứ tự mà trình bày Để hiểu đầy đủ yêu cầu phải chuẩn bị số kiến thức sở Hiện nay, ngơn ngữ lập trình C sử dụng phổ biến tốn kỹ thuật Vì vậy, tơi chọn C làm ngơn ngữ cho chương trình nguồn tất thuật tốn Bạn cần phải có số kiến thức C để hiểu chương trình Bạn nghiên cứu C làm việc với sách Nó giúp bạn có kỹ thực tế đồng thời kiểm tra kiến thức ngôn ngữ C bạn Phép biến đổi Z sử dụng xuyên suốt sách trình bày chương Các khái niệm tốn học địi hỏi bạn cần phải hiểu biết tường tận tất tài liệu trình bày phần trước Năm chương phục vụ cho sinh viên năm thứ ba năm thứ tư trường đại học cao đẳng, ngành điện, khí máy tính Cuốn sách sử dụng giảng tốt nghiệp, tốt hai học kỳ Lĩnh vực hấp dẫn với sinh viên ngành truyền hình, sinh vật học, thơng tin, ứng dụng quân Ngoài máy PC (286 hơn) với vỉ mạch VGA dùng sách Chương 16 đề cập đến thiết kế phần cứng, giả thiết độc giả có hiểu biết mạch số tương tự Nếu bạn qua khoá học điện tử, nâng cao mạch số bạn hiểu vấn đề trình bày phần Tơi đề nghị bạn nên đọc sách điện tử nói ứng dụng khuyếch đại thuật toán sách khác cung cấp cho bạn hiểu biết mạch số, trước cố gắng để đọc chương 16 1.3 Biểu diễn ảnh ảnh biểu diễn dạng tín hiệu tương tự tín hiệu số Trong biểu diễn số ảnh đa mức xám, ảnh biểu diễn dạng ma trận hai chiều Mỗi phần tử ma trận biểu diễn cho mức xám hay cường độ ảnh vị trí Mỗi phần tử ma trận gọi phần tử ảnh, thơng thường kí hiệu PEL (Picture Element) điểm ảnh (Pixel) - Với ảnh đen trắng: Nếu dùng bit (1 byte) để biểu diễn mức xám, số mức xám biểu diễn 28 hay 256 Mỗi mức xám biểu diễn dạng số nguyên nằm khoảng từ đến 255, với mức biểu diễn cho mức cường độ đen 255 biểu diễn cho mức cường độ sáng - Với ảnh màu: Cách biểu diễn tương tự với ảnh đen trắng, khác số phần tử ma trận biểu diễn cho ba màu riêng rẽ gồm: đỏ (red), lục (green) lam (blue) Để biểu diễn cho điểm ảnh màu cần 24 bit, 24 bit chia thành ba khoảng bit Mỗi khoảng biểu diễn cho cường độ sáng màu Để hiểu việc số hố ảnh xem hình 1.1 Pixel or PEL Độ sáng trung bình hình chữ nhật = giá trị điểm ảnh Hình 1.1 Biểu diễn mức xám ảnh số Trong hình lưới chia vng tưởng tượng đặt lên ảnh Độ lớn ô vuông lưới xác định kích thước điểm ảnh Mức xám điểm tính cường độ sáng trung bình vng Mắt lưới nhỏ cho chất lượng ảnh cao Trong kỹ thuật truyền hình tiên tiến, mục đích cung cấp cho người xem, hình ảnh chất lượng cao, với độ phân giải gấp hai lần so với chuẩn Trong kỹ thuật tương tự, ảnh thường biểu diễn dạng dòng nằm ngang (Hình 1.2) Mỗi dịng tín hiệu tương tự mang theo thông tin cường độ sáng dọc theo đường nằm ngang ảnh gốc ảnh TV lên qua dòng quét Mặc dù thuật ngữ "tương tự" dùng để mô tả cho ảnh quét liên tiếp thực tế ảnh tương tự dọc theo hướng nằm ngang Nó rời rạc xét theo hướng dọc mà tín hiệu ảnh tín hiệu lai nửa tương tự, nửa số Vấn đề tín hiệu lai đề cập đến chương 14, 15 16 Một máy truyền hình thiết kế để thu tín hiệu truyền hình mã hố theo tiêu chuẩn NTSC Mỹ có khả hiển thị xấp xỉ 525 dịng Cơng nghệ truyền hình tiến nỗ lực để cung cấp cho số lượng dòng gấp hai lần, cho độ phân giải tốt TV ảnh rộng Một TV có ảnh lớn 28 inch coi TV có ảnh rộng Một điều cần ý TV có khả số dịng cho dù inch 50 inch Màn ảnh lớn loại TV dòng quét xen kẽ mà mắt người có khả phân biệt từ khoảng cách thông thường vào khoảng mét Các tiêu chuẩn truyền hình khả phân biệt mắt người đề cập đến chương 14 x'(t') =x(t.nT) n=0 x(t,0) n=1 x(t,T) xung đồng xung đồng T t=0 t=0 1st line scan t=0 1st line scan t' time Hình 1.2 Biểu diễn ảnh tương tự 1.4 Một hệ thống xử lý ảnh Một hệ thống xử lý ảnh bao gồm: máy tính cá nhân kèm theo vỉ mạch chuyển đổi đồ hoạ VGA SVGA, đĩa chứa ảnh mà bạn dùng để kiểm tra thuật toán hình có hỗ trợ VGA SVGA Nếu ngân sách bạn cho phép, đề nghị bạn nên có hệ thống hình 1.3 Nó bao gồm máy tính PC có kèm theo thiết bị xử lý ảnh Nối với cổng vào thiết bị thu nhận ảnh video camera, cổng nối với hình Thực tế, phần lớn nghiên cứu đưa ảnh mức xám (ảnh đen trắng) Bởi vậy, hệ thống bạn bao gồm thiết bị xử lý ảnh đen trắng hình đen trắng ảnh mức xám áp dụng nhiều lĩnh vực sinh vật học công nghiệp Thực tế ứng dụng ảnh mức xám ứng dụng ảnh màu Vì lý đề nghị hệ thống bạn ban đầu bao gồm thiết bị thu nhận hiển thị ảnh đen trắng Trong chương 11 đề cập đến lĩnh vực xử lý ảnh màu Với ảnh màu, đề nghị bạn sử dụng hệ thống giống hình 1.3, ngoại trừ bạn cần camera TV màu monitor đa tần số (ví dụ NEC multiSync, Sony multiscan, Mitsubishi Diamond Scan ) để hiển thị ảnh màu Nếu khả tài bạn khơng cho phép, bạn dùng PC bạn kèm theo vỉ mạch VGA monitor VGA, dùng ảnh cho sách C a m e r a t r u n h × n h ví i èng kính c ó kh ả n ă ng phóng to, thu nhỏ Đến thiết bị nhận ảnh Màn hình đồ hoạ văn Đến m àn hình video Thiết bị nhận ảnh Màn hình video Máy tính cá nhân Hình 1.3 Một hệ thống xử lý ảnh Bây đề cập đến tất khối hệ thống Thiết bị nhận ảnh Chức thiết bị số hóa băng tần số tín hiệu truyền hình cung cấp từ camera, từ đầu máy VCR ảnh số sau lưu trữ đệm chính, đệm có khả địa hố (nhờ PC) đến điểm phần mềm Thông thường thiết bị có nhiều chương trình điều khiển mà lập trình thơng qua ngơn ngữ C Khi mua thiết bị bạn cần ý điểm sau: Thiết bị có khả số hố ảnh dùng bit (256 mức xám) ảnh thu phải có kích thước 512 512 điểm Thiết bị phải chứa đệm ảnh để lưu trữ nhiều ảnh có độ phân giải 512 512 điểm ảnh Thiết bị phải kèm theo đầy đủ thư viện chương trình có khả giao diện với chương trình C viết Turbo C Microsoft C Sổ tay hướng dẫn sử dụng phải kèm theo, bao gồm dạng chứa đĩa in Một số thiết bị cho phép tuỳ chọn sử dụng hai chế độ văn đồ hoạ hình hai hình riêng biệt Mặc dù chi tiết không cần thiết, có giá trị trường hợp bạn bị giới hạn không gian lắp đặt khả tài Camera Tổng qt có hai kiểu camera: kiểu camera dùng đèn chân không kiểu camera dùng bán dẫn Đặc biệt lĩnh vực này, camera bán dẫn thường hay dùng camera đèn chân khơng Camera bán dẫn cịn gọi CCD camera dùng ghi dịch đặc biệt gọi thiết bị ghép (chargecoupled devices- CCDs) Các CCD chuyển tín hiệu ánh sáng từ cảm nhận ánh sáng bố trí phía trước camera thành tín hiệu điện mà sau mã hố thành tín hiệu TV Loại camera chất lượng cao cho tín hiệu nhiễu có độ nhậy cao với ánh sáng Khi bạn chọn mua camera bạn cần ý đến thấu kính máy Tơi đề nghị bạn nên chọn thấu kính từ 18 đến 108 mm với f-stop từ 2.5 đến 18 Một vài người bán hàng cung cấp trọn gói camera thấu kính Sau danh sách nhà sản xuất: Pulnix America Inc, 770 Lucerne Drive, Sunnyvale, CA 84086 Tel 408773-1550; fax 408-737-2966 Sony Corp of America, Component Products Co., 10833 Valley View St., Cypress, CA 90630 Fax 714-737-4285 Parasonic, industrial camera division: 201-329-6674 JVC Professional: 1-800-JVC-5825 Monitor video Một số nhà sản xuất (như Sony) sản xuất loại monitor đen trắng chất lượng cao Bạn nên sử dụng loại monitor chất lượng cao, sử dụng monitor chất lượng thấp làm bạn nhầm lẫn kết Một monitor inch đủ cho yêu cầu làm việc bạn Để hiển thị ảnh màu, bạn nên dùng monitor đa hệ Máy tính Phần mềm cho sách phát triển để làm việc tất máy sử dụng hệ điều hành DOS Mặc dù máy XT chạy chương trình này, để tăng cường tốc độ bạn cần phải có máy tính 486 Ngày máy tính 486-66 MHz cịn rẻ giá máy XT cách vài năm Để chắn máy phải có sẵn khe cắm cho phần xử lý ảnh Các chương trình thiết kế lọc ảnh chạy hệ thống Các chương trình hiển thị ảnh dùng vỉ mạch VGA có sẵn đĩa kèm theo sách Các chương trình hiển thị ảnh hỗ trợ cho hầu hết vỉ mạch SVGA Phần mềm Tôi dùng Borland Turbo C (version 2.0) suốt sách Đây chương trình biên dịch hoàn thiện Bạn cần phải dùng đến Turbo assembler chương 11 Bạn dùng phiên Borland C 1.5 Cách trình bày sách Cuốn sách có 17 chương, gồm chương giới thiệu Mỗi chương đề cập tới chủ đề Chương giới thiệu với bạn khái niệm hệ thống chiều việc áp dụng vào xử lý ảnh Chương nói việc thiết kế mạch lọc đáp ứng xung hai chiều giải thuật lọc ảnh Chương đề cập đến cách khác việc nâng cao chất lượng ảnh, mạch lọc thông cao, lọc Hommorphic biến đổi biểu đồ Chương nói khía cạnh làm tách ảnh Các thuật tốn tách biên ảnh cần khơi phục đề cập đến chương 10 Chương đề cập chi tiết đến giải thuật biến đổi Fourier nhanh Sự lược bỏ bớt FFT đề cập đến Trong thuật toán lược bỏ FFT, số mẫu đầu vào nhiều số mẫu đầu Chương đề cập đến tính chất ảnh số Chúng minh hoạ phần quan trọng ảnh Tiếp đến định lý lấy mẫu Chương đề cập đến việc thiết kế FIRs sử dụng hàm cửa sổ Chương đề cập đến mạch lọc đáp ứng xung chiều Một phương pháp thiết kế đơn giản giới thiệu nhằm cung cấp IIRs pha tuyến tính hai chiều ổn định Chương 10 nói đến kỹ thuật khơi phục ảnh Chương 11 đề cập đến màu xử lý ảnh màu Giới thiệu màu sở hoà trộn màu dựa màu Chương 12 đề cập đến mạng thần kinh cho việc phân loại màu Chương 13 nói chủ đề nén liệu ảnh Chương 14 đề cập chi tiết tín hiệu vơ tuyến chuẩn vô tuyến Giới thiệu lĩnh vực mạch lọc lai hai chiều giải thích ứng dụng mạch lọc lai hai chiều tín hiệu vơ tuyến Chương 15 nói đến chủ đề mạch lọc lai hai chiều Giải thích phương pháp thiết kế Chương 16 thiết kế phần cứng cho việc xử lý tín hiệu vô tuyến thời gian thực Nghiên cứu thực pipelining, systolic semisystolic Chương 17 cung cấp dẫn mạch lọc ba chiều, để dùng làm ảnh “chuyển động” Từ chương đến chương 15 có chứa chương trình nguồn C, thực thuật toán Các ứng dụng liên quan kèm tất chương chương Các hệ thống hai chiều 2.1 Chỉ dẫn Các tín hiệu vốn hai chiều phải xử lý kỹ thuật xử lý tín hiệu hai chiều Các điểm ảnh coi dạng tín hiệu hai chiều, việc xem xét kiến thức hệ thống hai chiều (2-D) cần thiết Trong chương xem xét biểu diễn tần số biểu diễn khơng gian tín hiệu hai chiều, cung cấp kiến thức cần thiết cho việc phát triển kỹ thuật xử lý ảnh hai chiều ảnh, trơn ảnh khơi phục ảnh 2.2 Các tín hiệu hai chiều Một tín hiệu lấy mẫu hai chiều biểu diễn dạng mảng hai chiều x(n1TV,n2TH) (V: Vertical - chiều dọc, H: Horizontal - chiều ngang) n1, n2 số nguyên TV, TH khoảng cách lấy mẫu theo chiều ngang chiều dọc x(n1TV, n1TH) thường ký hiệu tắt x(n1,n2) biểu diễn cho cường độ sáng biên độ tín hiệu điểm (n1,n2) miền khơng gian Hình 2.1 giới thiệu phép biểu diễn miền khơng gian, cường độ sáng tín hiệu ký hiệu chiều cao điểm x(n1TV, n2TH) Chú ý TV khoảng cách lấy mẫu hai cột dọc nhau, TH khoảng cách lấy mẫu hai dòng ngang tín hiệu 2-D Mặc dù tín hiệu lấy mẫu 2-D xử lý dãy tín hiệu lấy mẫu chiều cách xử lý tất hàng (cột) cách song cách tiếp cận không cho kết mong đợi xử lý hai chiều Ví dụ, dùng lọc làm đường biên ảnh 1-D, cụ thể lọc thơng cao, ảnh cách xử lý hàng một, đường biên phần lớn làm bật dọc theo đường thẳng đứng Các đường biên ảnh nằm theo đường nằm ngang không làm chút đường biên nằm theo hướng khác hai hướng nhận hiệu ứng làm ảnh đường biên dọc Để đạt hiệu theo hướng, tín hiệu lấy mẫu hai chiều phải xử lý qua hệ thống 2-D (Hình 2.2) Trong hệ thống tuyến tính bất biến - TTBB (Linear Shift Invariant - LSI), đáp ứng đầu tính theo cơng thức : (2.1) y(n1 , n2 ) x(n1 , n2 ) * h(n , n2 ) Dấu * hiểu tích chập h(n1,n2) đáp ứng xung hệ thống 2-D Biểu thức (2.1) viết là: y(n1 , n ) x(k , k )h(n1 k1 , n k ) k1 k (2.2) n2TH x(n1,Tv,n2,TH) TH 2T n1Tv Hình 2.1 Biểu diễn miền khoảng cách 2.3 Một số dãy 2-D thông dụng Chúng bao gồm: Dãy xung đơn vị : 1 víi n1 n ( n1 , n2 ) u (n1 , n ) với trường hợp lại (2.3) Dãy nhảy bậc đơn vị : 1 víi n1 , n2 u 1 (n1 , n ) với trường hợp lại (2.4) Dãy hàm mũ: a1n1 a 2n2 víi n1 , n2 x(n1 , n ) với trường hợp lại (2.5) Dãy tín hiệu hình sin (phức): -