Lựa chọn thuật toán phù hợp để nâng cao chất lượng xử lý ảnh vệ tinh spot5 xs

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ĐẶNG MINH TUẤN LỰA CHỌN THUẬT TOÁN PHÙ HỢP ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG XỬ LÝ ẢNH VỆ TINH SPOT5 XS Chuyên ngành: Kỹ thuật trắc địa Mã số: 60.52.85 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA KHỌC PGS TS NGUYỄN TRƯỜNG XUÂN HÀ NỘI, 8-2010 LỜI CẢM ƠN Trong trình thực đề tài tơi nhận giúp đỡ nhiệt tình đóng góp quý báu nhiều cá nhân tập thể, tạo điều kiện để tơi hồn thành luận văn Trước hết xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Trường Xuân tận tình hướng dẫn suốt thời gian thực đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn cán Trung tâm Viễn thám quốc gia, bạn bè học đồng nghiệp giúp đỡ nhiều Mặc dù có nhiều cố gắng chắn khơng tránh khỏi sai sót, mong nhận đóng góp thầy, giáo bạn để kiến thức mở rộng LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Hà nội, ngày 10 tháng 08 năm 2010 Tác giả luận văn Đặng Minh Tuấn MỤC LỤC Trang bìa Lời cam đoan Mục lục Danh mục bảng Danh mục hình vẽ Danh mục ký hiệu, viết tắt CHƯƠNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ SPOT 1.1 Tổng quan công nghệ viễn thám 1.1.1 Khái niệm viễn thám 1.1.2 Phân loại hệ thống thu nhận viễn thám 10 1.1.3 Các loại ảnh vệ tinh sử dụng Việt Nam 12 1.2 Tổng quan vệ tinh Spot 18 1.2.1 Giới thiệu hệ thống vệ tinh SPOT 18 1.2.2 Đặc tính kỹ thuật vệ tinh SPOT .20 1.2.3 Quỹ đạo khả chụp vệ tinh SPOT 22 1.3 Vệ tinh SPOT5 .23 1.3.1Một số đặc điểm 23 1.3.2 Các bậc sản phẩm ảnh SPOT 25 1.3.3 Ảnh SPOT5 XS 26 CHƯƠNG GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ ẢNH 2.1 Giới thiệu số hệ mầu 30 2.1.1 Hệ mầu RGB 30 2.1.2 Hệ mầu HSV 31 2.1.3 Hệ mầu CMYK 34 2.2 Kỹ thuật nâng cao độ tương phản 35 2.2.1 Khái niệm Histogram 35 2.2.2 Nâng cao tuyến tính độ tương phản 36 2.2.3 Nâng cao phi tuyến tính độ tương phản 38 2.2.4 Nâng cao theo phép biến đổi Histogram 39 2.3.Nâng cao cấu trúc ảnh 41 2.3.1 Các toán tử chuyển đổi 41 2.3.2 Lọc nhiễu 43 2.3.3 Phương pháp dị đường gờ (rìa, mép) 44 2.3.4 Dị tìm đặc trưng hình tuyến đặc trưng hình chấm 45 2.4 Một số kết nâng cao độ tương phản phần mềm thương mại 46 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 3.1 Thực nghiệm ảnh cắt nhỏ 50 3.1.1 Các bước thực 50 3.1.2 Kết thực nghiệm 57 3.1.3 Đánh giá kết phương pháp 64 3.2 Thực nghiệm cảnh ảnh lớn, có độ mờ khơng 71 3.2.1 Các bước thực kết 71 3.2.2 Đánh giá kết phương pháp 91 Kết luận Tài liệu tham khảo MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Viễn thám môn khoa học thu nhận thông tin vật, vùng hay tượng qua việc xử lý số liệu sử dụng thiết bị quan sát từ xa Đã từ lâu Thiên văn học người ta dùng kính thiên văn, hệ thống rađar để quan sát hành tinh hệ mặt trời, nghiên cứu Vũ trụ Sự phát triển khoa học công nghệ ảnh hưởng trực tiếp đến ứng dụng viễn thám Với việc phát triển kỹ thuật vệ tinh, viễn thám thực trở thành công cụ thiếu phục vụ sống người, đồng thời phương pháp nghiên cứu hiệu ngành khoa học, đặc biệt ngành khoa học trái đất Đi với q trình đời hàng loạt chương trình phần mềm giúp cho việc xử lý ảnh trở nên nhanh chóng, thuận tiện Tuy nhiên chương trình xử lý ảnh chủ yếu tập trung vào xử lý hình học cho ảnh vệ tinh, việc xử lý phổ thường làm theo cơng thức có sẵn, sử dụng phép lọc Tuy nhiên, nhiều trường hợp ảnh bị ảnh hưởng khí quyển, thuật toán chưa đem lại kết tốt cần tham gia nhiều kỹ thuật viên việc xử lý ảnh phương pháp thủ cơng Do cần đưa phương pháp để khắc phục nhược điểm xử lý phổ ảnh viễn thám, đáp ứng nhu cầu thực tiễn sản xuất nghiên cứu khoa học Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn nói trên, chúng tơi chọn đề tài ‘Lựa chọn thuật toán phù hợp để nâng cao chất lượng xử lý ảnh vệ tinh Spot XS’ cho luận văn thạc sỹ kỹ thuật Mục đích nghiên cứu đề tài Nghiên cứu lựa chọn phương pháp xử lý ảnh viễn thám để nâng cao chất lượng ảnh vệ tinh Spot XS Nhiệm vụ đề tài Lựa chọn phương pháp nâng cao chất lượng xử lý ảnh, đảm bảo hiển thị rõ thông tin có ảnh, khơng làm thay đổi tơng mầu ảnh đảm bảo mặt hình học ảnh gốc Ngoài đánh giá để đưa phương pháp xử lý phù hợp với loại ảnh để có tốc độ xử lý ảnh cao Phương pháp nghiên cứu Phương pháp kế thừa Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm Phương pháp phân tích, đánh giá kết quan điểm hệ thống Ý nghĩa khoa học thực tiễn Giúp rút ngắn thời gian thành lập bình đồ ảnh cơng nghệ viễn thám, đáp ứng kịp thời cho mục đích khoa học thực tiễn Là sở nghiên cứu phát triển phương pháp Cấu trúc luận văn Luận văn có 97 trang, gồm phần mở đầu chương, phần kết luận trình bày trang 93 CHƯƠNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ SPOT 1.1 Tổng quan công nghệ viễn thám 1.1.1 Khái niệm viễn thám Viễn thám khoa học công nghệ giúp xác định, đo đạc phân tích tính chất vật thể quan sát mà không tiếp xúc trực tiếp với chúng Hầu hết đối tượng tự nhiên hấp thụ, phản xạ hay xạ sóng điện từ với cường độ theo cách khác Các đặc trưng thường gọi đặc trưng phổ Thơng tin thu viễn thám có liên quan trực tiếp đến lượng phản xạ từ đối tượng, nên việc nghiên cứu đặc trưng phản xạ phổ đối tượng tự nhiên đóng vai trị quan trọng việc khai thác, ứng dụng có hiệu thơng tin thu Ngun tắc tạo ảnh viễn thám : Hình 1.1: Hệ thống viễn thám 10 Ảnh vệ tinh tạo thành thông qua việc thu nhận lượng điện từ phản xạ từ đối tượng bề mặt trái đất Các loại lượng điện từ sử dụng viễn thám bao gồm: Hình 1.2: Năng lượng điện từ sử dụng 1.1.2 Phân loại hệ thống thu nhận viễn thám Dựa vào nguồn gốc lượng điện từ sử dụng trình thu nhận ảnh vệ tinh, hệ thống thu nhận chia làm loại: - Hệ thống chủ động - Hệ thống bị động Hệ thống bị động thu nhận ảnh vệ tinh dựa vào nguồn lượng phát từ mặt trời Năng lượng điện phát từ mặt trời truyền tới đối tượng bề mặt trái đất hấp thụ truyền tiếp phản xạ lại Phần lượng phản xạ lại hệ thống thu nhận vệ tinh ghi lại chuyển thành tín hiệu số hay ảnh số Q trình thu nhận ảnh vệ tinh hệ thống chủ động bị động minh hoạ sơ đồ sau: 83 Hình 3.38: Độ sáng trung bình ảnh Bước Giảm tuyến tính độ sáng vùng có độ sáng lớn: Bước có tác dụng là: + Tăng cường độ tương phản vùng mờ 84 + Làm độ sáng ảnh Sau bước khử vùng mờ phương pháp giãn tuyến tính, ảnh trở nên đồng độ sáng độ tương phản Dựa vào độ sáng trung bình tính bước ta tiến hành giãn đồ thị phần bên trái vùng có độ sáng trung bình lớn sau: Hình 3.39: Phần đồ thị bên trái cần giãn Trong  điểm ảnh tính theo cơng thức  [h, c]  layer[h, c]  min(layer) Layer[h,c] giá trị trung bình pixel hàng thứ h cột thứ c tính bước Theo phương pháp ta thấy vùng tối ảnh không bị giãn thêm, điều đảm bảo ảnh không bị xuất vùng đen tuyệt đối ( giá trị R,G,B 0) sau xử lý qua bước 85 Hình 3.40: Kết xử lý bước 86 Hình 3.41: Kết xử lý bước 87 Bước Tính tốn lại độ sáng ảnh gốc ảnh sau xử lý, cân lại độ sáng ban đầu Do bước ta tiến hành giãn phần bên trái đồ thị nên ảnh bị tối đi, để đảm bảo giữ nguyên độ sáng ảnh gốc ta cần tính tốn độ sáng trước sau ảnh để trả lại độ sáng ban đầu ảnh Độ sáng D1 ban đầu ảnh tính theo cơng thức: D1   _ sáng sohang.so cot Tính tương tự với độ sáng D2 ảnh sau xứ lý Như vậy, ảnh cần bù thêm lượng sáng điểm D = D2- D1 Tuy nhiên độ sáng tăng thêm phương pháp giãn phần bên phải đồ thị có khả vùng có độ sáng cao bị lóa ( giá trị R,G,B 255) Do đó, phương pháp sử dụng nâng cao độ sáng tâm đồ thị sau: Hình 3.42 Tùy thuộc vào giá trị D tính độ sáng ảnh tăng lên nhiều Sử dụng phương pháp đảm bảo pixel có giá trị độ sáng cao khơng bị tượng lóa (các giá trị R,G,B 255) 88 Hình 3.43: Kết xử lý bước 89 Hình 3.44: Kết xử lý bước 90 Bước 10 Có xứ lý tiếp tay theo phương pháp Sau q trình tính tốn xử lý tự động, ta can thiệp thêm vào hình ảnh cách chỉnh thủ cơng để có ảnh phù hợp với yêu cầu sử dụng Lúc ta cần chỉnh độ nét độ sáng toàn ảnh mà không cần can thiệp vào vùng nhỏ Hình 3.45: Kết cuối 91 Hình 3.46: Kết cuối 3.2.2 Đánh giá kết phương pháp Phương pháp cho phép ta xử lý ảnh lớn, giúp cân độ sáng toàn ảnh, giảm bớt phần độ mờ ảnh ảnh hưởng 92 mây Tuy nhiên tốc độ thực thi phương pháp chậm phải thực qua nhiều bước, kết ảnh thu nhiều vùng bị mờ 93 KẾT LUẬN Trong phạm vi nội dung luận văn, thực nghiệm hai cảnh ảnh SPOTt5, kết thu đảm bảo yêu cầu nâng cao chất lượng ảnh gốc, làm rõ nét đối tượng ảnh, khơng làm thay đổi đặc tính phổ đối tượng Một phần lớp mây mờ ảnh bị loại bỏ tránh ảnh hưởng vị trí mây gây lóa ảnh Theo hướng nghiên cứu ta phát triển phương pháp nâng cao chất lượng ảnh phép giãn ảnh khác Đây phương pháp hồn tồn sử dụng để xây dựng module tích hợp vào phần mềm thương mại So với phương pháp áp dụng nay: Ưu điểm: - Thuật toán nâng cao chất lượng ảnh tốt đồng tất vị trí - Độ sáng ảnh sau xử lý đồng đều, tạo điều kiện thuận lợi trình sử dụng - Khả giãn ảnh theo vùng có hiệu cao so với phép giãn toàn ảnh Nhược điểm: - Tốc độ tính tốn cịn chậm, để thực cảnh ảnh SPOT5 cần khoảng tiếng thực máy tính có cấu hình trung bình - Nhiều vị trí ảnh chưa nâng cao chất lượng tối đa nên nhiều vùng có tượng ảnh mờ - Thuật tốn qua nhiều bước thực hiện, cần tối ưu thêm để nâng cao tốc độ tính tốn Hướng nghiên cứu tiếp đề tài loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng mây mờ lại, thể rõ đối tượng có ảnh, điều tồn luận văn, cần tiếp tục nghiên cứu để giải 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Vọng Thành (2000), Bài giảng sở Viễn thám, Trường Đại học Mỏ Địa chất, Hà Nội Nguyễn Trường Xuân (2005), Xử lý ảnh số Viễn thám, Trường Đại học Mỏ-Địa chất, Hà Nội Cao Xuân Triều (2005), Giới thiệu vệ tinh SPOT, trung tâm Viễn thám Quốc gia Nguyễn Ngọc Thạch (2000), Cơ sở viễn thám, Trường ĐH khoa học Tự nhiên Hà Nội Nguyễn Quang Hoan (2006), Xử lý ảnh, Học viện cơng nghệ bưu viễn thơng Nguyễn Văn Trung (2005), Xử lý ảnh số, Đại học Bách khoa Hà nội Lương Mạnh Bá, Nguyễn Thanh Thuỷ (1999), Nhập môn xử lý ảnh số, nhà xuất Khoa học Kỹ thuật John C Russ (2002) , The Image Processing Handbook, CRC Press Alan C Bovik (2000), Handbook of Image and Video Processing, Academic Press 10 Rafael C Gonzalez, Richard E Woods, Steven L Eddins (2003), Digital Image Processing Using MATLAB, Prentice Hall 95 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 96 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 97 DANH MỤC KÝ KIỆU, VIẾT TẮT ... tơi chọn đề tài ? ?Lựa chọn thuật toán phù hợp để nâng cao chất lượng xử lý ảnh vệ tinh Spot XS? ?? cho luận văn thạc sỹ kỹ thuật 8 Mục đích nghiên cứu đề tài Nghiên cứu lựa chọn phương pháp xử lý ảnh. .. viễn thám để nâng cao chất lượng ảnh vệ tinh Spot XS Nhiệm vụ đề tài Lựa chọn phương pháp nâng cao chất lượng xử lý ảnh, đảm bảo hiển thị rõ thơng tin có ảnh, không làm thay đổi tông mầu ảnh đảm... ảnh nâng cao - I’p nâng cao độ xám Ip 2.3 Nâng cao cấu trúc ảnh 2.3.1 Các toán tử chuyển đổi Các toán tử chuyển đổi cần phải xây dựng theo yêu cầu nâng cao cấu trúc ảnh Để nâng cao cấu trúc ảnh,