Khôi phục ảnh bằng biến đổi wavelet

Khôi phục ảnh sử dụng biến đổi Wavelet Đồ án tốt nghiệp ================================================================== MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 3 Chương 1 .5 CƠ BẢN VỀ ẢNH VÀ XỬ LÝ ẢNH .5 1.1 Tổng quan về xử lý ảnh 5 1.1.1 Thu nhận ảnh .5 1.1.2 Xử lý ảnh .6 1.1.3 Mã hóa và lưu trữ ảnh 6 1.2 Các loại ảnh .6 1.2.1 Ảnh Index 6 1.2.2 Ảnh grayscale .7 1.2.3 Ảnh nhị phân 8 1.2.4 Ảnh RGB .9 1.3 Thuật toán và công cụ xử lý ảnh 9 1.3.1 Tín hiệu số và biểu diễn ảnh số .9 1.3.2 Khái quát về xử lý ảnh số 10 Chương 2 .12 PHÉP BIẾN ĐỔI WAVELET 12 2.1 Cơ sở toán học 12 2.1.1 Biến đổi wavelet liên tục .12 2.1.2 Biến đổi Wavelet rời rạc .13 2.2 Tính chất của phép biến đổi wavelet 13 2.2.1 Tính chất sóng 13 2.2.2 Đặc trưng về năng lượng .14 2.3. Một số họ biến đổi wavelet .14 2.3.1 Biến đổi Wavelet Haar 14 2.3.2 Biến đổi Wavelet Meyer .15 2.3.3 Biến đổi Wavelet Daubechies 15 2.4 Một số ứng dụng nổi bật của biến đổi Wavelet .16 2.4.1 Nén tín hiệu 16 2.4.2 Khử nhiễu 17 2.4.3 Mã hoá nguồn và mã hoá kênh .17 Chương 3 .18 KHÔI PHỤC ẢNH, CÁC THUẬT TOÁN KHÔI PHỤC ẢNH .18 3.1 Nâng cao chất lượng ảnh 18 3.1.1 Cải thiện ảnh dùng toán tử điểm .18 3.1.2 Tách nhiễu và phân ngưỡng 19 3.2.1 Cải thiện ảnh dùng toán tử không gian 19 3.2.2 Làm trơn nhiễu bằng lọc phi tuyến .24 3.2.3 Một số kỹ thuật cải thiện ảnh nhị phân .27 3.2. Khôi phục ảnh 29 2.2.1 Giới thiệu .29 2.2 Một số loại nhiễu 29 3.2.3 Một số bộ lọc dùng khôi phục ảnh 30 Chương 4 .32 TỔNG QUAN VỀ MATLAP .32 - 1 - Sinh viên: Phan Mạnh Linh Khôi phục ảnh sử dụng biến đổi Wavelet Đồ án tốt nghiệp ================================================================== 4.1 Giới thiệu chung về Matlab 32 4.1.1 Giới thiệu .32 4.1.2 Sử dụng công cụ giúp đỡ .32 4.1.3 Hàm m-file .32 4.1.4 Vẽ hình trong Matlab .32 4.2. Matlab GUI-Graphical User Interface .33 4.2.1. Giới thiệu 33 4.2.2 Các hàm thường được sử dụng trong Gui .33 Chương 5 .35 XÂY DỰNG ỨNG DỤNG KHÔI PHỤC ẢNH BẰNG BIẾN ĐỔI WAVELET .35 5.1 Giao diện chính của chương trình 35 5.2 Nút “tải ảnh” .35 5.3 Nút “lưu ảnh” 36 5.4. Nút “lam mo anh” 36 5.5 Nút “Khoi phuc anh” 37 5.6. Nút “Loai nhieu” 38 5.7. Nút “Phương phap khoi phuc” 38 KẾT LUẬN .39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 - 2 - Sinh viên: Phan Mạnh Linh Khôi phục ảnh sử dụng biến đổi Wavelet Đồ án tốt nghiệp ================================================================== LỜI NÓI ĐẦU Xử lý ảnh là một lĩnh vực đang được quan tâm và đã trở thành một môn học chuyên ngành của sinh viên hệ kỹ sư, hệ cử nhân ngành Công Nghệ Thông Tin, cũng như một số ngành kỹ thuật khác trong các trường Đại học kỹ thuật. Tuy nhiên, với mong muốn đóng góp những cái mới trong lĩnh vực xử lý ảnh, cuốn đồ án của em nghiên cứu về cách khôi phục ảnh bằng biến đổi wavelet và triển khai ứng dụng về hướng khôi phục ảnh bằng công cụ này Trong các kỹ thuật xử lý ảnh trước đây chủ yếu sử dụng để nâng cao chất lượng ảnh, phục vụ cho quá trình xử lý ảnh tiếp theo. Trong thời gian gần đây đặc biệt là khi khoa học công nghệ phát triển mạnh thì ứng dụng quá trình phân tích xử lý ảnh càng có nhiều thành tựu to lớn hơn như phân tích ảnh chụp từ vệ tinh, phân tích các virus huặc mô tế bào trong sinh học… Kỹ thuật khôi phục tuy đã biết đến nhiều song vẫn còn là vấn đề khá mới mẻ. Trên thực tế ngay từ khi có ảnh thì các ảnh thu được luôn là ảnh bị sai khác so với các ảnh gốc do những biến đổi do tác động của môi trường. Với mỗi thuật toán xử lý ảnh chúng ta có thể thu được những kết quả khác nhau. Điều đáng quan tâm ở đây là chúng ta nên chọn phương pháp nào cho phù hợp và mang lại hiệu quả khả quan. Khôi phục ảnh và biến đổi wavelet là một công nghệ mới thay thế các phép biến đổi Fourier đang còn hạn chế trong quá trình phân tích xử lý ảnh. Trên cơ sở đó em đã triển khai ứng dụng khôi phục ảnh bằng phép biến đổi wavelet, được xây dựng trên môi trường lập trình MATLAP, một môi trường giúp ích rất nhiều trong các vấn đề nghiên cứu khoa học. Đề tài “Khôi phục ảnh bằng biến đổi Wavelet” là đề tài tìm hiểu chi tiết về phép biến đổi wavelet và bản chất của quá trình khôi phục ảnh, trên cớ sở đó - 3 - Sinh viên: Phan Mạnh Linh Khôi phục ảnh sử dụng biến đổi Wavelet Đồ án tốt nghiệp ================================================================== đưa ra một thuật toán phù hợp cho quá trình khôi phục ảnh và xây dựng ứng dụng khôi phục ảnh bằng công nghệ này Nội dung chính của đề tài: Chương 1: Cơ bản về ảnh và xử lý ảnh Chương 2: Phép biến đổi Wavelet Chương 3: Khôi phục ảnh, các thuật toán khôi phục ảnh Chương 4: Tổng quan về Matlap Chương 5: Xây dựng ứng dụng khôi phục ảnh bằng biến đổi Wavelet Để hoàn thành đề tài “Khôi phục ảnh bằng biến đổi Wavelet” em xin chân thành cảm ơn cô giáo hướng dẫn ThS Nguyễn Thị Hồng Anh và các thầy cô giáo trong khoa Công nghệ thông tin đã nhiệt tình giúp đỡ em trong thời gian học tập cũng như trong quá trình thực hiện đề tài. Tuy em đã cố gắng hoàn thiện đề tài nhưng cũng không tránh được những thiếu sót, em rất mong nhận được sự giúp đỡ của các thầy cô để đề tài được hoàn thiện hơn. Vinh, ngày 15, tháng 05, năm 2010 Sinh viên thực hiện Phan Mạnh Linh - 4 - Sinh viên: Phan Mạnh Linh Chương 1: Cơ bản về ảnh và xử lý ảnh Đồ án tốt nghiệp ================================================================== Chương 1 CƠ BẢN VỀ ẢNH VÀ XỬ LÝ ẢNH 1.1 Tổng quan về xử lý ảnh Để có thể hình dung cấu hình một hệ thống xử lý ảnh chuyên dụng hay một hệ thống xử lý ảnh dùng trong nghiên cứu, đào tạo, trước hết chúng ta sẽ xem xét các bước cần thiết trong xử lý ảnh. - Ảnh là những thông tin mà con người cảm nhận được nhờ ánh sáng. Thông tin của ảnh biểu diễn dưới dạng quang học. - Hệ thống xử lý ảnh cho phép tiếp nhận khung cảnh hoặc ảnh ở đầu vào, thực hiện một dãy các xử lý đa dạng để tạo ra một ảnh ở đầu ra mang thông tin cần thiết, phân tích rút ra được các đặc trưng để cho phép hiểu được khung cảnh, ảnh. - Xử lý ảnh là một quá trình phức tạp và đa dạng liên quan đến nhiều lĩnh vực khác nhau. - Sơ đồ khối của một hệ thống xử lý ảnh được mô tả trên hình 1.1. Hình 1: Hệ thống xử lý ảnh 1.1.1 Thu nhận ảnh Các thiết bị thu nhận ảnh Camera có thể cho ảnh trắng đen B/W (Black & White) với mật độ từ 400 đến 1600 dpi (dot per inch) hoặc ảnh màu 600 dpi. Với ảnh B/W mức màu z là 0 hoặc 1. Với ảnh đa cấp xám, mức xám biến thiên từ 0 đến 255. Ảnh màu, mỗi điểm ảnh lưu trữ trong 3 bytes và do đó ta có 2 8x3 = 2 24 màu (cỡ 16, 7 triệu màu). Thực hiện biến đổi ảnh thành tín hiệu số - 5 - Sinh viên: Phan Mạnh Linh Thu nhận ảnh Thu nhận ảnh Xử lý ảnh Xử lý ảnh Hiển thị và lưu trữ ảnh Hiển thị và lưu trữ ảnh Quang cảnh thực ảnh số Chương 1: Cơ bản về ảnh và xử lý ảnh Đồ án tốt nghiệp ================================================================== Khi dùng scanner, một dòng photodiot sẽ quét ngang ảnh (quét theo hàng) và cho ảnh với độ phân giải ngang khá tốt. Đầu ra của scanner là ảnh ma trận số mà ta quen gọi là bản đồ ảnh (ảnh Bitmap). Bộ số hoá (digitalizer) sẽ tạo ảnh vector có hướng. Ảnh này đã là ảnh số 1.1.2 Xử lý ảnh - Xử lý ảnh: Là hệ thống tiếp nhận ảnh thực để phân tích và hiểu được bản chất kết cấu ảnh: o Đầu vào: ảnh o Xử lý: Các thuật toán xử lý o Đầu ra: ảnh được lưu trữ - Quá trình xử lý ảnh gồm các công việc sau o Xử lý cải thiện chất lượng ảnh o Phát hiện và tách biên o Phân vùng ảnh o Nhận dạng ảnh o Khôi phuc ảnh. 1.1.3 Mã hóa và lưu trữ ảnh Để lưu trử ảnh trước tiên ta cần mã hóa ảnh theo một cách nào đó để thực hiện lưu trử, ảnh trong xử lý ảnh ta thường mã hóa theo các cấu trúc chuẩn của ảnh tức là mã hóa theo cấu trúc tệp: PCX, BITMAP, JPG, GIP,… sau đó tiến hành lưu trử trên máy tính huặc các thiết bị lưu trữ. 1.2 Các loại ảnh 1.2.1 Ảnh Index Ảnh được biểu diễn bởi hai ma trận, một ma trận dữ liệu ảnh X và một ma trận màu (còn gọi là bản đồ màu) map. Ma trận dữ liệu có thể thuộc kiểu - 6 - Sinh viên: Phan Mạnh Linh Chương 1: Cơ bản về ảnh và xử lý ảnh Đồ án tốt nghiệp ================================================================== uint8, uint16 hoặc double. Ma trận màu là một ma trận kich thước m x 3 gồm các thành phần thuộc kiểu double có giá trị trong khoảng [0 1]. Mỗi hàng của ma trận xác định thành phần red, green, blue của một màu trong tổng số m màu được sử dụng trong ảnh. Giá trị của một phần tử trong ma trận dữ liệu ảnh cho biết màu của điểm ảnh đó nằm ở hàng nào trong ma trận màu. Hình 2: Bản đồ màu của ảnh Index Hình 3: Ánh xạ ma trận màu vào điểm ảnh 1.2.2 Ảnh grayscale Mỗi ảnh được biểu diễn bởi một ma trận hai chiều, trong đó giá trị của - 7 - Sinh viên: Phan Mạnh Linh Chương 1: Cơ bản về ảnh và xử lý ảnh Đồ án tốt nghiệp ================================================================== mỗi phần tử cho biết độ sang (hay mức xám) của điểm ảnh đó. Ma trận này có thể một trong các kiểu uint8, uint16 hoặc double. Ảnh biểu diễn theo kiểu này còn gọi là ảnh, trắng đen. Hình 4: Ảnh grayscale 1.2.3 Ảnh nhị phân Ảnh được biểu diễn bởi một ma trận hai chiều thuộc kiểu logical. Mỗi điểm ảnh chỉ có thể nhận một trong hai giá trị là 0 (đen) hoặc 1 (trắng). - 8 - Sinh viên: Phan Mạnh Linh Chương 1: Cơ bản về ảnh và xử lý ảnh Đồ án tốt nghiệp ================================================================== Hình 5: Ảnh nhị phân 1.2.4 Ảnh RGB Còn gọi là ảnh “truecolor” do tính trung thực của nó. Ảnh này được biểu diễn bởi một ma trận ba chiều kích thước m x n x 3, với m x n là kích thước ảnh theo pixels. Ma trận này định nghĩa các thành phần màu red, green, blue cho mỗi điểm ảnh, các phần tử của nó có thể thuộc kiểu uint8, uint16 hoặc double. Hình 6: Ảnh RGB 1.3 Thuật toán và công cụ xử lý ảnh 1.3.1 Tín hiệu số và biểu diễn ảnh số Như đã nêu trong chương Một, một hàm hai biến thực hoặc phức có thể coi như một ảnh. Một ảnh trong không gian 2 chiều có thể biểu diễn bởi một tập hợp các ma trận cơ sở gọi là ảnh cơ sở. Như vậy một tín hiệu 2 chiều liên tục trong không gian, theo khái niệm trên gọi là ảnh liên tục trong không gian số thực và ký hiệu là f(x,y): giá trị của f(x,y) là liên tục trong khoảng (-∞,∞). - 9 - Sinh viên: Phan Mạnh Linh Chương 1: Cơ bản về ảnh và xử lý ảnh Đồ án tốt nghiệp ================================================================== Các tín hiệu liên tục theo thời gian qua quá trình số hoá ta thu được tín hiệu rời rạc (tín hiệu số). Ảnh số chính là ảnh xử lý bằng máy tính thu được từ ảnh liên tục bởi quá trình số hoá (lấy mẫu và lượng hoá), thường được ký hiệu là I[m,n]. Giá trị I[x,y] biểu diễn cường độ sáng được mã hoá của mỗi điểm ảnh (x,y). Giá trị đó còn gọi là mức xám (grey level). Vậy I[x,y] có giá trị rời rạc và để tiện xử lý, ta coi giá trị của I[x,y] là nguyên: I[x,y] ∈ {0, 1, ., L-1} với L là mức xám tối đa dùng để biểu diễn. Để giảm độ phức tạp tính toán, các giá trị của (m,n) thường chọn là hữu hạn và thường chọn là 512; còn L chọn là 256. Ảnh có nhiều mức xám gọi là ảnh đa cấp xám. Ảnh chỉ có 2 mức xám 0 và 1 gọi là ảnh nhị phân. Với cách biểu diễn trên, ảnh số chính là một một phần của tín hiệu số trong không gian 2 chiều. Và cách biểu diễn ảnh số thông dụng nhất là dùng bảng 2 chiều mà thuật ngữ thường gọi là ma trận ảnh hay bản đồ ảnh. 1.3.2 Khái quát về xử lý ảnh số Hệ thống số là một hệ thống tiếp nhận tín hiệu số ở đầu vào, xử lý tín hiệu theo một qui trình nào đấy và đưa ra cũng là một tín hiệu số. Vì ảnh số là một phần của tín hiệu số, nên hệ thống xử lý ảnh số có đặc thù như hệ thống số cộng thêm một số tính chất riêng. - 10 - Sinh viên: Phan Mạnh Linh Hình 7: tín hiệu số rời rạc t x(t)