Nội suy ảnh và một số ứng dụng

Nội suy ảnh và một số ứng dụng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ---------- NGUYỄN THỊ NGUYỆT NỘI SUY ẢNH VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Thái Nguyên – 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ---------- NGUYỄN THỊ NGUYỆT NỘI SUY ẢNH VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Chuyên ngành : ………………… Mã số : ……………………………. NGƯỜI. HƯỚN DẪN KHOA HỌC PGS.TS ĐỖ NĂNG TOÀN Thái Nguyên, 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Sau quá trình làm luận văn, với nội dung đề tài nội suy và ứng dụng, tuy có nhiều khó khăn trong việc sưu tầm tài liệu, làm luận văn, nhưng đến nay luận văn của tôi đã hoàn thành với sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướng dẫn, các thầy cô trong Viện Công nghệ thông tin và Khoa Công nghệ thông tin- ĐH Thái Nguyên. Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung bản luận văn này là do tôi tự sưu tầm, tra cứu thông tin trên mạng, trong một số sách tham khảo và sắp xếp, hoàn thiện cho phù hợp với nội dung yêu cầu của đề tài. Cho đến nay nội dung luận văn này của tôi chưa từng được công bố hay xuất bản dưới bất kỳ hình thức nào và cũng không được sao chép từ bất kỳ luận văn của sinh viên nào hay bất kỳ một công trình nghiên cứu nào. Tất cả phần mã nguồn của chương trình đều do tôi tự học hỏi, thiết kế và xây dựng, trong đó có sử dụng một số thuật toán được các tác giả xuất bản công khai và miễn phí trên mạng Internet, sách giáo trình xử lý ảnh. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày10 tháng 11 năm 2009 Người cam đoan Nguyễn Thị Nguyệt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Năm tháng làm luận văn cũng là thời gian mà tôi đúc kết được nhiều kinh nghiệm trong việc tìm hiểu, nghiên cứu cũng như làm bài. Để có được luận văn này tôi xin trân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS. TS Đỗ Năng Toàn - Viện Công nghệ Thông tin thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy, về sự hướng dẫn tận tình trong quá trình học tập, nghiên cứu. Thầy đã tận tình, chỉ bảo, giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn. Bên cạnh đó tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban lãnh đạo Trường Đại học Thái Nguyên – Khoa Công nghệ thông tin, Trung tâm học liệu, trường CĐ Kinh tế - Kỹ thuật đã tận tình động viên tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong thời gian học tập, làm luận văn. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Viện Công nghệ Thông tin- Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Khoa Kỹ thuật công nghiệp- trường CĐ KT-KT đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời học tập nghiên cứu. Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến những người thân trong gia đình, bạn bè và đồng nghiệp về những sự quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi trong thời gian qua. Thái Nguyên, ngày10 tháng 11 năm 2009 Học viên Nguyễn Thị Nguyệt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1]. Lương Mạnh Bá, Nguyễn Thanh Thuỷ (1999), “Nhập môn xử lý ảnh”, NXB Khoa học kỹ thuật, tr (12-19). [2]. Phạm Quang Huy, Phùng Thị Nguyệt (1999), “Giáo trình xử lý ảnh số”, Chương 3, tr. (85-86). [3]. TS.Ngô Văn Sỹ (2007), “Bài giảng xử lý ảnh số”, Chương 1, Tr. (1-28) [4]. rịnh Thị Vân Anh (2006), “Kỹ thuật đồ họa”, Chương trình FTIT, Chương 2, Tr. (10 – 13). [5] lê thị thủy 2004, nắn chỉnh hình học và ứng dụng trong sách thương mai dt, khóa luận tốt nghiệp dh trường dh hồng đức thanh hoa Tr. (4 - 6) Tiếng Anh [1] G. Wolberg “Image Morphing: A survey” (1998), p. 360-372, Visual Computer. [2] J. A. Davis, D.F. McAllister (1998), “Morphing in Stereo Animation”, North Carolina State University. [3]. David Kidner, Mark Dorey and Derek Smith (1999). What's the point? Interpolation and extrapolation with a regular grid DEM. IV International Conference on GeoComputation, Fredericksburg, VA, USA. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn [4]. Meijering, Erik (2002), "A chronology of interpolation: from ancient astronomy to modern signal and image processing", Proceedings of the IEEE 90 (3): 319–342. [5]. R. Keys, (1981). "Cubic convolution interpolation for digital image processing". IEEE Transactions on Signal Processing, Acoustics, Speech, and Signal Processing. [6] T. Beier, B. Costa, L. Darsa, L.Velho, “Morphing and Warping Graphical Object”, SIGGRAPH, 1997. [7] CHE N ,S. E., AND WILLIA M S, L. View interpolation for im- age synthesis. Proc. SIGGRAPH 93. In Computer Graphics (1993), pp. 279–288. [8] HA RTLEY, R. I. In defence of the 8-point algorithm. In Proc. Fifth Intl. Conference on Computer Vision (1995), pp. 1064–1070. [9] KUMAR , R., ANANDAN , P., IRANI , M., BER G E N , J., AND HANNA , K. Representation of scenes from collections of im- ages. In Proc. IEEE Workshop on Representations of Visual Scenes (1995), pp. 10–17. [10] MC MILLA N, L., AND BI SHOP, G. Plenoptic modeling. Proc. SIGGRAPH 95. In Computer Graphics (1995), pp. 39–46. [11] SEITZ , S. M., AND DYE R , C. R. Physically-valid view syn- thesis by image interpolation. In Proc. IEEE Workshop on Representations of Visual Scenes (1995), pp. 18–25. [12] WOL BE RG , G. Digital Image Warping. IEEE Computer So- ciety Press, Los Alamitos, CA, 1990. Trang Web Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn [1].Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Bilinear_interpolation, 21/9/09 [2].Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Trilinear_interpolation, 3/10/09 [3].Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Interpolation, 6/10/09 [4].Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Linear_interpolation, 6/10/09 [5].Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Nearest neighbor_interpolation, 8/9/09 [6].Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Bicubic_interpolation, 8/08/09 [7]. http://www.dpreview.com/learn/?/key=interpolation, 8/09/09 DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 : Minh họa tọa độ của lân cận các điểm ảnh 9 Hình 1.2 : Quan hệ giữa các điểm ảnh .10 Hình 1.3 : Toàn bộ hình ảnh của một con rắn 19 Hình 1.4 : Hình ảnh da của con rắn (100%) .19 Hình 1.5 : Ảnh phóng to da của con rắn lên 500% 19 Hình 1.6 : Mô tả việc tạo mới điểm ảnh .20 Hình 1.7 : Biểu đồ hiện thị quá trình nội suy làm trơn răng cưa .20 Hình 1.8 : Ảnh phóng to không dùng nội suy 21 Hình 1.9 : Ảnh phóng to có dùng nội suy 21 Hình 1.10: Hình ảnh nội suy .22 Hình 1.11: Minh họa giá trị ước tính sinh ra nhờ nội suy 23 Hình 1.12: Minh họa việc thêm giá trị nội suy 23 Hình 1.13: Minh họa việc phóng to nhờ nội suy .24 Hình 1.14: Minh họa quá trình quay ảnh .24 Hình 2.1: Minh họa nội suy Nearest Neighbor .29 Hình 2.2: Minh họa phép nội suy Affine .30 Hình 2.3: Khuếch đại bởi lặp 2x2 .35 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 2.4: Minh họa nội suy tuyến tính. .36 Hình 2.5: Nội suy tái tạo những hình ảnh song song .37 Hình 2.6: Minh họa phép nội suy Bilinear Interpolation .38 Hình 2.7: Minh họa nội suy trilinear .42 Hình 2.8: Biểu diễn định giá fc(x,y) bằng nội suy song tuyến .45 Hình 2.9: Ảnh tịnh tiến với di chuyển dx, dy 47 Hình 2.10: Nội suy sinh khung trung gian .49 Hình 2.11: Mô tả nội suy theo thời gian 50 Hình 2.12: Tái tạo cảnh theo ba bước 51 Ảnh chụp 3.1 : Hình ảnh nắn chỉnh .56 Ảnh chụp 3.2 : Hình ảnh nội suy sau nắn chỉnh .56 Hình 3.1 : Các điểm đặc trưng và điểm M 57 Ảnh chụp 3.3 : Kết quả nội suy sau khi nắn chỉnh .60 Ảnh chụp 3.4 : Mô phỏng các khung hình trung gian 61 Ảnh chụp 3.5 : Khung hình trung gian sinh ra bằng ước lượng 62 Ảnh chụp 3.6 : Giao diện của chương trình nội suy .65 Ảnh chụp 3.7 : Hình ảnh nhận được từ chức năng nội suy .66 Ảnh chụp 3.8 : Hình ảnh nhận được từ chức năng liệt kế .66 Ảnh chụp 3.9 : Hình ảnh nhận được từ phép lọc ảnh .67 Ảnh chụp 3.10: Hình ảnh nhận được từ phép thay thế 67 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 MỤC LỤC Trang PHẦN MỞ ĐẦU…………………………………………………………… .2 NỘI DUNG………………………………………………………………… 3 Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ NỘI SUY ẢNH . 3 1.1. Khái quát về xử lý ảnh . 3 1.2. Những vấn đề cơ bản trong hệ thống xử lý ảnh 6 1.2.1. Những khai niệm cơ bản . 6 1.2.1.1. Điểm ảnh (Picture Element) . 6 1.2.1.2. Độ phân giải của ảnh . 7 1.2.1.3. Mức xám của ảnh 7 1.2.1.4. Các kiểu ảnh 8 1.2.1.5. Quan hệ giữa các điểm ảnh 10 1.2.2. Một số thuộc tính cần quan tâm của ảnh số . 12 1.2.3. Toạ độ ảnh 13 1.3. Nội suy ảnh . 15 1.3.1. Khái niệm nội suy ảnh 15 1.3.2. Các vấn đề với nội suy ảnh số 18 1.3.3. Một số vấn đề liên quan đến nội suy ảnh 23 Chương 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT NỘI SUY ẢNH 27 2.1.1. Nội suy các pixel gần nhất (Nearest Neighbor Interpolation) 29 2.1.2. Nội suy tam giác (Affine interpolation) 30 2.1.3. Nội suy song khối (Bicubic Interpolation) 33 2.1.4. Nội suy tuyến tính (linear interpolation) . 35 2.1.5. Nội suy song tuyến (bilinear interpolation) . 39 2.1.6. Nội suy tam tuyến tính (trilinear) 43 2.1.7. Các phép nội suy không gian 44 2.1.8. Phương pháp ước lượng chuyển động: . 47 2.1.9. Phép nội suy thời gian và bù chuyển động 49 Chương 3: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA NỘI SUY ẢNH 56 3.1. Nắn chỉnh hình thu nhận ảnh . 56 3.2. Sinh ra hình ảnh khuyết thiếu trong làm phim hoạt hình 62 3.3. Mô tả chương trình đã cài đặt 64 3.2. Giới thiệu chương trình . 66 PHẦN KẾT LUẬN…………………………………………………………. 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 PHẦN MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây công nghệ thông tin phát triển với tốc độ nhanh chóng về cả phần cứng và phần mềm. Sự phát triển của công nghệ thông tin đã thúc đẩy sự phát triển của nhiều lĩnh vực xã hội khác như: y học, giáo dục, giải trí, kinh tế v.v. Sự phát triển của phần cứng cả về phương diện thu nhận, hiển thị, cùng với tốc độ xử lý đã mở ra nhiều hướng mới cho sự phát triển phần mềm, đặt biệt là lĩnh vực xử lý ảnh cũng như công nghệ thực tại ảo đã ra đời và thâm nhập mạnh mẽ vào đời sống của con người. Ảnh thu được sau quá trình thu nhận ảnh hoặc các phép biến đổi không tránh khỏi nhiễu hoặc khuyết thiếu. Sự sai sót này một phần bởi các thiết bị quang học và điện tử, phần khác bởi bản thân các phép biến đổi không phải là toàn ánh, nên có sự ánh xạ thiếu hụt đến những điểm trên ảnh kết quả. Việc khắc phục những nhược điểm này luôn là vấn đề đặt ra cho các hệ thống xử lý ảnh. Các hệ xử lý ảnh trong quá trình phân tích ảnh, tăng cường ảnh để nâng cao chất lượng ảnh. Do những nguyên nhân khác nhau: có thể do chất lượng thiết bị thu nhận ảnh, do nguồn sáng hay do nhiễu, ảnh có thể bị suy biến. Do vậy cần phải tăng cường và khôi phục lại ảnh để làm nổi bật một số đặc tính chính của ảnh, hay làm cho ảnh gần giống nhất với trạng thái gốc, trạng thái trước khi ảnh bị biến dạng. Xuất phát trong hoàn ảnh đó luận văn lựa chọn đề tài: Nghiên cứu một số kỹ thuật nội suy ảnh và ứng dụng là một việc làm không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn mang đậm tính thực tiễn nhất là trong hoàn cảnh Việt Nam chưa có nhiều hệ thống xử lý ảnh trong khi thực tế đang đặt ra những yêu cầu đòi hỏi. [...]... ẢNH VÀ NỘI SUY ẢNH Chương 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT NỘI SUY ẢNH Chương 3: ỨNG DỤNG NỘI SUY ẢNH Nói chung việc xử lý ảnh trên máy tính là nhằm mục đích phân tích ảnh và phục hồi các thông tin bị sai lệch của ảnh trong quá trình chụp Các chương trình xử lý ảnh thực hiện các phép xử lý đối với ảnh số trên máy tính Việc xử lý, biến đổi ảnh có sử dụng đến các kỹ thuật nội suy ảnh, các kỹ thật nội suy này sẽ tính... thể hiểu và phân tích ảnh thì ảnh cần được mã hoá và biểu diễn dưới dạng số gọi là ảnh số Ngày nay một số máy ảnh số sử dụng giải thuật nội suy để tạo ra ảnh có dung lượng cao hơn, khả năng thu nhận của bộ cảm biến ảnh hoặc tăng cường khả năng zoom (phóng to, thu nhỏ) kỹ thuật số của máy Việc xử lý ảnh trên máy tính là nhằm mục đích phân tích ảnh và phục hồi các thông tin bị sai lệch của ảnh trong... liệu đó Có thể nói nội suy là 1 giải thuật phần mềm dùng để thêm vào (hoặc bỏ bớt) số điểm ảnh trên ảnh kỹ thuật số Tiến trình nội suy sẽ dựa trên màu sắc của những điểm ảnh cũ để xác định màu cho các điểm ảnh mới gần nó nhất Một số máy ảnh số sử dụng giải thuật nội suy để tạo ra ảnh có dung lượng cao hơn khả năng thu nhận của bộ cảm biến ảnh hoặc tăng cường khả năng zoom kỹ thuật số của máy Hầu như... nội suy sẽ không thêm thông tin gì mới cho hình ảnh cả, nó chỉ thêm điểm ảnh và làm tăng dung lượng của tập tin Tóm lại: Nội suy là quá trình sử dụng để ước lượng một giá trị ảnh ở một vị trí giữa các pixel Chẳng hạn, nếu ta thay đổi kích thước một ảnh, nó sẽ chứa nhiều pixel hơn ảnh gốc, ta có thể sử dụng nội suy để tính giá trị cho các pixel thêm vào Có thể hiểu nôm na nội suy là phóng đại hình ảnh. .. tạo thêm điểm ảnh này gọi là nội suy ảnh Điều này có thể thực hiện bởi phầm mềm nội suy ảnh Phần mềm nội suy phân tích các điểm ảnh trong một hình ảnh và cho biết thêm chi tiết dựa trên các điểm ảnh được phân tích Ví dụ nội suy thay đổi kích thước của hình ảnh 200%, nói cách khác nó gấp đôi kích thước của hình ảnh Kết quả là mỗi điểm ảnh sẽ trở thành 4 điểm ảnh (chủ yếu là 2x2) Những hình ảnh có kích... dựa vào việc nội suy Tuy nhiên khi nội suy vẫn có một số vấn đề sau: Vấn đề 1: Nội suy không tạo mới dữ liệu Khi phóng to ảnh, nội suy chỉ chèn thêm điểm ảnh chứ không tạo mới dữ liệu Tức là các thông tin của bức ảnh sẽ được phân bố trên một diện tích lớn hơn khi phóng to ảnh, như vậy bức ảnh sẽ không nhìn tốt hơn như ở kích thước ban đầu Hình ảnh có thể bị xuống cấp Như vậy một tập tin được nội suy. .. thật) + Nếu không có giá trị nội suy, chất lượng ảnh của máy ảnh kỹ thuật số sẽ hoàn toàn phụ thuộc vào ống kính, bộ cảm biến và chíp xử lý dữ liệu Tuy nhiên hiện nay bên cạnh những máy ảnh kỹ thuật số có sử dụng phương pháp nội suy thì đã xuất hiện nhiều phần mềm nội suy ảnh cho phép phóng to ảnh, bóp méo ảnh hay biến đổi ảnh, sinh ảnh trung gian mà hình ảnh vẫn rõ nét, cho ra ảnh có dung lượng rất gọn... một cách đáng kể phụ thuộc vào giải thuật phép nội suy và nội dung đối tượng Ví dụ về sự sinh ảnh trung gian Kỹ thuật nội suy sử dụng hai hình ảnh để tạo ra một hình ảnh trung gian giữa hai hình ảnh này Rồi lại kết hợp từng nửa hình ảnh được phân tách ra từ hình ảnh trung gian Quá trình kéo căng hình ảnh được thực hiện một cách tự động, trong khi quá trình kết hợp hình ảnh lại được thực hiện bằng một. .. thuật nội suy như:  Xử lý điền đầy (Filling a region): Là quá trình tô màu một vùng nhất định bằng cách nội suy giá trị pixel từ viền của vùng  Thay đổi kích thước của ảnh như phóng đại ảnh, quay ảnh, bóp méo đều có thể chỉ ra kỹ thuật nội suy cần sử dụng  Sinh ra hình ảnh trung gian khi thực hiện nội suy từ một khung ảnh nguồn và một khung ảnh đích Theo mặc định ở các chương trình, sử dụng phương... trình này người ta sử dụng khái niệm điểm ảnh (pixel) Như vậy một ảnh là một tập hợp các điểm ảnh Khi sử dụng đến nội suy thì việc phân biệt hai điểm ảnh kề nhau là việc cần thiết Điểm ảnh (pixel) được xem như là dấu hiệu hay cường độ sáng tại một toạ độ trong không gian của đối tượng Mỗi pixel gồm một cặp toạ độ x, y và màu Như vậy, một ảnh là một tập hợp các điểm ảnh Khi được số hoá, nó thường được . chương nội dung, cụ thể: Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ NỘI SUY ẢNH Chương 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT NỘI SUY ẢNH Chương 3: ỨNG DỤNG NỘI SUY ẢNH Nói. dạng số gọi là ảnh số. Ngày nay một số máy ảnh số sử dụng giải thuật nội suy để tạo ra ảnh có dung lượng cao hơn, khả năng thu nhận của bộ cảm biến ảnh