Khóa luận tốt nghiệp Cài đặt số thuật toán xử lý ảnh số tr-ờng đại học vinh Khoa công nghệ thông tin Nguyễn Kim Trung Cài đặt số thuật toán xử lý ảnh số đồ án tốt nghiệp đại học Kỹ s- công nghệ thông tin Vinh, 05 - 2010 Sinh viªn thùc hiƯn : Ngun Kim Trung - Líp 46K2 - CNTT Khãa luËn tèt nghiệp Cài đặt số thuật toán xử lý ảnh số Mục Lục Ch-ơng 1: Tổng quan tài 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục đích đề tài 1.3 Yªu cầu đề tài 1.4 C¸ch tiÕp cËn ®Ị tµi 1.5 Ưng dụng đề tài CHƯƠNG 2: Tổng quan xử lý ảnh 2.1 Lịch sử xử lý ảnh 2.2 HÖ thèng xư lý ¶nh CHƯƠNG 3: Khái niệm mô hình biểu diễn 11 3.1 Mét sè kh¸i niƯm 11 3.1.1 Pixel (Picture Element): phần tử ảnh 11 3.1.2 Møc x¸m 11 3.1.3 Ảnh: 12 3.2 BiÓu diƠn ¶nh 14 3.2.1 Lấy mẫu l-ợng tư ho¸ (Image Sampling and quantization 14 3.3 Một số ph-ơng pháp biểu diễn ảnh (image representation) 16 3.3.1 Mà loạt dài 16 3.3.2 M· xÝch 17 3.3.3 M· tø ph©n 17 3.4 BiĨu diƠn mµu 17 3.4.1 BiĨu diƠn mµu 17 3.4.2 Tổng hợp màu sánh màu 20 3.4.3 Hệ toạ độ màu 21 3.5 Các phép toán điểm ảnh 24 3.5.1 Kh¸i niƯm 24 Sinh viªn thùc hiƯn : Ngun Kim Trung - Líp 46K2 - CNTT Khãa luËn tèt nghiệp Cài đặt số thuật toán xử lý ảnh sè 3.5.2 Kü thuËt b¶ng tra (LUT – Look Up Table) 24 3.6 to¸n tử tuyến tính phép nhân chập không gian 25 3.6.1 To¸n tư tun tÝnh 25 3.6.2 Nh©n chËp 26 Ch-¬ng Xư lý 29 4.1 File ¶nh BMP 29 4.1.1 Dữ liệu ảnh 29 4.1.2 Bảng màu 30 4.1.3 Header 31 4.2 §äc file bitmap 32 4.3 Chuyển đổi ảnh 33 4.3.1 Chuyển đổi thành ảnh nhị phân 33 4.3.2 Chuyển đổi thành ảnh xám 34 4.4 KhuyÕch đại ảnh 35 4.4.1 Ph-ơng pháp lặp 35 4.4.2 Ph-ơng pháp nội suy tuyến tính 36 Ch-ơng Nâng cao chất l-ợng ảnh 39 5.1 Tỉ chøc ®å (histogram) 39 5.1.1 Kh¸i niƯm 39 5.2 Mét sè phép toán tổ chức đồ 41 5.2.1 Tr-ỵt tỉ chøc ®å 41 5.2.2 Căng tổ chức đồ 43 5.2.3 Sửa chữa tổ chức đồ 45 5.2.4 San lÊp tỉ chøc ®å 47 Ch-ơng Giới thiệu sản phÈm 53 KÕt luËn 56 Tài liệu tham khảo 58 Sinh viªn thùc hiƯn : Ngun Kim Trung - Líp 46K2 - CNTT Khóa luận tốt nghiệp Cài đặt số thuật toán xử lý ảnh số Lời Mở Đầu Trong sống ngày nay, mà thành tựu khoa học kĩ thuật phát triển ngày rực rỡ, mang lại nhiều ứng dụng công nghệ thiết thực vào đời sống ng-ời Một thành công mà nhân loại đạt đ-ợc thành tựu lĩnh vực công nghệ thông tin Các ứng dụng khoa học máy tính đà góp phần quan trọng vào lĩnh vực đời sống Sự đời xử lý ảnh thành công Xử lý ảnh lĩnh vực t-ơng đối khó, liên quan đến nhiều ngành khoa học khác nh- : hệ thống tin học, lý thuyết thông tin, lý thuyết thống kê, trí tuệ nhân tạo, nhận dạng Nó đà đ-ợc ứng dơng v« cïng thiÕt thùc rÊt nhiỊu lÜnh vùc nh- : y học, vũ trụ, điện ảnh, dự báo thời tiết Xuất phát từ lợi ích lòng đam mê lĩnh vực này, đà mạnh dạn định chọn đề tài với mong muốn tìm hiểu, học tập chuyên sâu vào chuyên ngành, giúp thân có nhìn sâu chất nh- vấn đề khoa học xử lý ảnh Trong đề tài gồm có ch-ơng: Ch-ơng 1, Tổng quan đề tài Ch-ơng Tổng quan xử lý ảnh Ch-ơng Khái niệm mô hình biểu diễn Ch-ơng Xử lý Ch-ơng Nâng cao chất l-ợng ảnh Ch-ơng Các vấn đề xử lý ảnh đ-ợc đ-a t-ơng đối đầy đủ, trình bày logic, mạch lạc, không sâu vào phát biểu toán học dài khó hiểu Mặt khác, để xây dựng phần mềm xử lý ảnh với giao diện đồ họa tốt, đối t-ợng hỗ trợ mạnh, thân thiện với ng-ời dùng, cộng với hiểu biết mình, đà định chọn công cụ lập trình Visual C# Do hạn chế thời gian Sinh viên thực : Ngun Kim Trung - Líp 46K2 - CNTT Khãa luận tốt nghiệp Cài đặt số thuật toán xử lý ảnh số phạm vi khóa luận nên ch-a có điều kiện sâu tìm hiểu vấn đề phức tạp xử lý ảnh Đề tài đ-ợc hoàn thành vào tháng năm 2010 tr-ờng §¹i Häc Vinh d-íi sù h-íng dÉn cđa th¹c sÜ Trần Thị Kim Oanh Nhân dịp xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cô, ng-ời đà tận tình giúp đỡ suốt trình học tập nghiên cứu Đồng thời gửi lời cảm ơn tới thầy cô khoa CNTT tr-ờng Đại Học Vinh đà cung cấp kiến thức hữu ích giúp đỡ hoàn thành khóa luận Đặc biệt thầy L-ơng Xuân Phú, ng-ời đà cung cấp cho kiến thức môn xử lý ảnh Sinh viªn thùc hiƯn : Ngun Kim Trung - Líp 46K2 - CNTT Khóa luận tốt nghiệp Cài đặt số thuật toán xử lý ảnh số Ch-ơng 1: tổng quan tài 1.1 Lý chọn đề tài Qua thời gian học tập tr-ờng Đại Học Vinh đà tích lũy đ-ợc nhiều vốn kiến thức qúy giá Một số vốn kiến thức hiểu biết lĩnh vực xử lý ảnh mà đà đ-ợc học Nó thực làm cảm thấy yêu thích hứng thú Bên cạnh đó, sống đại ngày nay, đà có nhiều lĩnh vực mà xử lý ảnh đóng vai trò quan trọng đem lại lợi ích thiết thùc cho ®êi sèng ng-êi Cïng víi niỊm ®am mê với giải thuật toán học lĩnh vực phần mềm, đến định chọn đề tài xử lý ảnh để khai thác tìm hiểu sâu vấn đề lĩnh vực 1.2 Mục đích đề tài Vận dụng giải thuật đà đ-ợc học để viết ch-ơng trình xử lý ảnh nhằm mục đích biến đổi ảnh theo nhu cầu sáng tạo ng-ời sử dụng, đem lại cho ng-ời sử dụng th-ớc ảnh đa dạng hơn, đẹp 1.3 Yêu cầu đề tài Tạo ch-ơng trình xử lý ảnh thân thiện, đơn giản với ng-ời sử dụng với số chức biến đổi xử lý ảnh 1.4 Cách tiếp cận đề tài Bằng cách vận dụng kiến thức đà đ-ợc học tr-ờng Đại Học Vinh nh-: kiến thức môn lý thuyết thống kê, trí tuệ nhân tạo, cấu trúc giải thuật, đặc biệt môn xử lý ảnh thầy L-ơng Xuân Phú giảng dạy Kết hợp với tài liệu tham khảo mà đà đ-ợc đọc nh- liệt kê cuối báo cáo Cùng với hiểu biết học đ-ợc qua Internet bạn bè, đà giúp có nhìn toàn diện xử lý ảnh 1.5 ứng dụng đề tài Sinh viên thực : Ngun Kim Trung - Líp 46K2 - CNTT Khãa luận tốt nghiệp Cài đặt số thuật toán xử lý ảnh số Xử lý đ-ợc ảnh dạng bitmap 256 màu theo yêu cầu, nh- làm mịn, khử nhiễu, tăng giảm kích th-ớc, tăng giảm độ t-ơng phản, độ sáng số thủ thuật biến đổi ảnh CHƯƠNG 2: Tổng Quan Về Xử Lý ảnh 2.1 lịCH sư vỊ xư lý ¶nh Nh- chóng ta biÕt, tõ năm 1920 ngành khoa học xử lý ảnh đà bắt đầu hình thành phát triển Bằng chứng việc nâng cao chất l-ợng ảnh (báo) truyền qua cáp LonDon NewYork vào 1920 Thiết bị đặc biệt mà hóa hình ảnh (báo), truyền qua cáp khôi phục phía thu Các ph-ơng pháp xử lý ảnh bắt nguồn từ hai ứng dụng chính: Nâng cao chất l-ợng thông tin hình ảnh mắt ng-ời xử lý số liệu cho máy tự động Hệ thống xử lý ảnh (Bartlane) có khản mà hóa hình ảnh với mức sáng Và tăng lên 15 mức sáng năm 1929 Năm 1964 ảnh chụp mặt trăng đ-ợc vệ tinh Ranger7 Mỹ truyền trái đất, đ-ợc xử lý máy tính để sửa méo (gây camera truyền hình đặt vệ tinh góc khác nhau) Các kỹ thuật cho phép nâng cao chất l-ợng hình ảnh nh- làm đ-ờng biên l-u hình ảnh Từ đến kỹ thuật xử lý ảnh video đ-ợc phát triển mạnh Các kỹ thuật xử lý ảnh số đ-ợc sử dụng để giải hàng loạt vấn đề nhằm nâng cao chất l-ợng hình ảnh phục lợi ích ng-ời, ứng dụng đ-ợc áp dụng nhiều cho nhiều ngành khoa học Ví dụ nh- ứng dụng kỹ thuật mà hóa mức sáng thành màu để nội suy ảnh x quang (x-rays) hình ảnh y sinh học y học Các nhà địa vật lý sử dụng kỹ thuật t-ơng tự để nghiên mẫu vật chất từ ảnh vệ tinh Các thuật toán xử lý đ-ơng biên (image enhancement) khôi phục ảnh đ-ợc sử dụng để xử lý hinh ảnh bị giam chất l-ợng Trong thiên văn học ph-ơng pháp xử lý ảnh đ-ợc sử dụng nhằm khôi phục hình ¶nh bÞ nhiƠu hay bi mÊt bãng sau chụp Trong vật lý lĩnh vực liên quan, kỹ thuật máy tính nâng cao chất l-ợng ảnh lĩnh vực nh- plasmas microscopy điện tử Sinh viªn thùc hiƯn : Ngun Kim Trung - Líp 46K2 - CNTT Khóa luận tốt nghiệp Cài đặt số thuật toán xử lý ảnh số T-ơng tự ng-ời ta đà ứng dụng xử lý ảnh có kết tốt viễn thám, sinh học, y tế, hạt nhân, quân sự, công nghiệp Nâng cao chất l-ợng ảnh khôI phục ảnh bị nhiễu trình xử lý ảnh dùng cho mục đính nội suy ng-êi LÜnh vùc quan träng thø hai lµ xư lý ảnh số gắn liền với việc cảm nhận máy Trong lình vực Trong lĩnh vực này, cố gắng tập trung vào trình trích thông tin ảnh chuyển thành dạng thích hợp cho xử lý máy tính Ví dụ nh- thông tin dùng cho máy tính moments thống kê, hệ số biến đổi Fourier đo khoảng cách nhiều chiều Những vấn đề tiêu biểu kỹ thuật xử lý ảnh video đ-ợc ứng dụng nhiều thực tế, kể nh- : Tự động nhận dạng đặc tr-ng, máy nhìn công nghiệp để điều khiển kiểm tra sản phẩm Nhận dạng mục tiêu quân tự động, xử lý vân tay, hiển thị lên hình ảnh x quang mẫu máu, xử lý máy hình ảnh chụp từ vệ tinh để dự báo thời tiết, nén ảnh video để l-u truyền thông tin, máy tính truyền hình thông th-ờng truyền hình có độ phân giải cao 2.2 Hệ thống xử lý ảnh Đây môn khoa học non trẻ đ-ợc phát triển mạnh mẽ giai đoạn Nhất qui mô công nghiệp, song xử lý ảnh đà bắt đầu xuất máy tính chuyên dụng Để hình dung cấu hình hệ thống xử lý ảnh chuyên dụng hay hệ thống xử lý ảnh dùng nghiên cứu, đào tạo, tr-ớc hết xem xét b-ớc cần thiết xử lý ảnh camera L-u trữ Thu nhận ảnh Số hoá Phân tích ¶nh Sensor Sinh viªn thùc hiƯn : Ngun Kim Trung - Líp 46K2 - CNTT NhËn d¹ng Khãa ln tốt nghiệp Cài đặt số thuật toán xử lý ảnh số l-u trữ quyếtĐịnh Hình 2.2.a Các giai đoạn xử lý ảnh Tr-ớc hết trình thu nhËn ¶nh ¶nh cã thĨ thu nhËn qua camera Th-ờng ảnh thu nhận qua camera tín hiệu t-ơng tự, nh-ng tín hiệu số hoá ¶nh cịng cã thĨ thu nhËn tõ vƯ tinh qua cảm ứng (sensor), hay ảnh, tranh đ-ợc quét scanner Tiếp theo trình số hoá (Digitalizer) ®Ĩ biÕn ®ỉi tÝn hiƯu t-¬ng tù sang tÝn hiƯu rời rạc (lấy mẫu) số hoá l-ợng hoá, tr-ớc chuyển sang giai đoạn xử lý, phân tích hay l-u trữ lại Qúa trình phân tích ảnh thực chất bao gồm nhiều công đoạn nhỏ Tr-ớc hết công việc tăng c-ờng ảnh để nâng cao chất l-ợng ảnh Do nguyên nhân khác nhau: chất l-ợng thiết bị thu nhận ảnh, nguồn sáng hay nhiễu, ảnh bị suy biến Do cần phải tăng c-ờng khôi phục lại ảnh để làm bật số đặc tính ảnh, hay làm cho ảnh gần giống với trạng thái gốctrạng thái tr-ớc ảnh bị biến dạng Giai đoạn phát đặc tính nh- biên, phân vùng ảnh, trích chọn đặc tính, v.v Ci cïng, t theo mơc ®Ých cđa øng dơng, giai đoạn nhận dạng, phân lớp hay định khác Các giai đoạn trình xử lý ảnh mô tả hình 2.2.a §èi víi mét hƯ thèng xư lý ¶nh thu nhËn qua camera-camera nh- mắt hệ thống Có loại camera: camera ống loại CCIR camera CCD Loại camera ứng với chuẩn CCIR quét ảnh với tần số 1/25 ảnh gồm 625 dòng Loại CCD gồm photo điốt làm t-ơng ứng c-ờng độ sáng điểm ảnh ứng với phần tử ảnh (pixel) Nh- vậy, ảnh tập hợp điểm ảnh Số pixel tạo nên ảnh gọi độ phân giải (resolution) Sinh viên thực : Nguyễn Kim Trung - Líp 46K2 - CNTT Khãa luËn tốt nghiệp Cài đặt số thuật toán xử lý ¶nh sè Bé xư lý t-¬ng tù (analog processor) Bộ phận thực chức sau: - Chän camera thÝch hỵp nÕu hƯ thèng cã nhiỊu camera - Chọn hình hiển thị tín hiệu - Thu nhËn tÝn hiƯu video thu nhËn bëi bé sè ho¸(digitalizer) Thực lấy mẫu mà hoá - Tiền xử lý ¶nh thu nhËn: dïng kü thuËt b¶ng tra (Look Up Table LUT) Bé xư lý ¶nh sè Gåm nhiỊu bé xư lý chuyªn dơng: xư lý läc, trích chọn đ-ờng bao, nhị phân hoá ảnh Các xử lý làm việc với tốc độ 1/25 giây Máy chủ Đóng vai trò điều khiển thành phần miêu tả Bộ nhớ ngoài: Dữ liệu ảnh nh- kiểu liệu khác, để chuyển giao cho trình khác, cần đ-ợc l-u trữ Để có -ớc l-ợng, xét thí dụ sau: ảnh đen trắng cỡ 512 x 512 víi 256 møc x¸m chiÕm 256K bytes Víi mét ảnh màu kích th-ớc dung l-ợng tăng gấp lần Sinh viên thực : Nguyễn Kim Trung - Líp 46K2 - CNTT 10 Khãa ln tèt nghiƯp Cài đặt số thuật toán xử lý ảnh số for (x = 0; x < bitmap.Width - 1; x++) { c = bitmap.GetPixel(x, y); t = Convert.ToDouble(c.R * n); if ((t = 0)) { grb = Convert.ToByte(t); bitmap.SetPixel(x, y, Color.FromArgb(grb, grb, grb)); } else if ((t) > 255) bitmap.SetPixel(x, y, Color.FromArgb(255, 255, 255)); else if ((t) < 0) bitmap.SetPixel(x, y, Color.FromArgb(0, 0, 0)); } } return bitmap; } Hình5.2.2 Sinh viên thực : Nguyễn Kim Trung - Líp 46K2 - CNTT 44 Khãa luËn tốt nghiệp Cài đặt số thuật toán xử lý ảnh số 5.2.3 Sửa chữa tổ chức đồ Mc ích: nhằm cã tổ chức đồ tối ưu => n©ng cao chất lượng ảnh - Kết hợp trượt vµ căng tổ chức đồ + Trượt tổ chức đồ bên trái cho mc xám nh nht (có giá trị) gÇn víi nhÊt + Căng tổ chức đồ cho mức x¸m lớn (cã gi¸ trị) 255 O(x,y) = I(x,y) * 255 / max(h()) Bước 1: xác nh mc xám nh Ta cho i chạy từ 255 -> để xác định giá trị nhỏ nhÊt Code private int HisLeft(int [] h) { for(int i= 0;i để xác định giá trị nhỏ Code private int HisRight(int [] h) { for(int i = h.Length - 1;i>0;i ) { if (h[i]!=0) return i; } Sinh viªn thùc hiƯn : Ngun Kim Trung - Líp 46K2 - CNTT 45 Khóa luận tốt nghiệp return 0; Cài đặt số thuật toán xử lý ảnh số } Bc 3: ráp lại theo thứ tự giải thuật Ta cã: Code private Bitmap HisEdit(Bitmap bm) { Bitmap bitmap = new Bitmap(bm); //Tinh h(x) int[] hL = new int[256]; int[] hR = new int[256]; hL = HisR(bitmap); //Tim Trai & truot trai int left = HisLeft(hL); bitmap = new Bitmap(Cuongdoxam(bm,-left)); //Tinh tien ve va copy hL qua hR for (int i = 0; i < hL.Length;i++) hR [i]= hL[i]; int x, y; Byte c; Byte max = Convert.ToByte(HisRight(hR)); for (y = 0; y < bitmap.Height - 1; y++) { for (x = 0; x < bitmap.Width - 1; x++) { c = bitmap.GetPixel(x, y).R; c = (byte)(c / max * 255); bitmap.SetPixel(x, y, Color.FromArgb(c, c, c)); Sinh viªn thùc hiƯn : Ngun Kim Trung - Líp 46K2 - CNTT 46 Khãa luận tốt nghiệp } Cài đặt số thuật toán xử lý ảnh số } return bitmap; } Hình 4.2.3 5.2.4 San lấp tổ chức đồ Mc ích: phân b lại c¸c mức xám => tăng độ tương phản ảnh - Tổ chức đồ ảnh kết Ýt lâm ảnh ban đầu Từ ta cã số công thức sau cho việc san lấp: - Tính tổ chức đô H(x) - Chuẩn hóa H(x) Hn(x) = H(x) / tổng số điểm ảnh; - Tính hàm mật độ xác suất Sinh viên thực : Nguyễn Kim Trung - Líp 46K2 - CNTT 47 Khãa luËn tốt nghiệp Cài đặt số thuật toán xử lý ảnh số Tính giá trị mức xám cho điểm ¶nh O(x,y)=round(z(i(x,y))*255) Code private Bitmap HisEqual(Bitmap bm) { Bitmap bitmap = new Bitmap(bm); int w = bitmap.Width * bitmap.Height; //Tinh to chuc int[] h = new int[256]; int[] hN = new int[256]; h = HisR(bm); //Chuan hoa to chuc for (int i = 0; i < 256; i++) { hN[i] = h[i] / w; } //Tinh ham mat xac Suat int[] Z = new int[256]; Z[0] = hN[0]; for (int i = 1; i < 256; i++) { Z[i] = Z[i - 1] + hN[i]; } int x, y; Byte c; for (y = 0; y < bitmap.Height - 1; y++) { for (x = 0; x < bitmap.Width - 1; x++) { Sinh viªn thùc hiƯn : Ngun Kim Trung - Líp 46K2 - CNTT 48 Khóa luận tốt nghiệp Cài đặt số thuật toán xử lý ảnh số c = bitmap.GetPixel(x, y).R; c = Convert.ToByte(Z[c] * 255); bitmap.SetPixel(x, y, Color.FromArgb(c, c, c)); } } return bitmap; } Hình 5.2.4 5.3 Khử nhiễu ảnh thu nhận có nhiễu cần phải loại bỏ nhiễu, hay ảnh không sắc nét bị mờ, cần làm rõ chi thiết nh- biên Vì vậy, nhiều kỹ thuật xử lý cải thiện ảnh đ-ợc thực dựa sở toán tử không gian, toán tử không gian dùng tăng c-ờng ảnh đ-ợc phân theo nhóm với công dụng: làm trơn nhiễu, biên để làm trơn nhiễu hay tách nhiễu ng-ời ta sử dụng lọc tuyến tính(lọc trung bình, thông thấp)hay lọc phi tuyến(trung vị, giả trung vị, lọc đồng bình) 5.3.1 Mô hình ảnh bị nhiễu Giả sử x(m,n) ảnh số thu nhận đ-ợc, S(m,n) thông tin có ích ảnh thu nhận N(m,n) nhiễu ngẫu nhiên tác động lên ảnh Nh- vậy, ta biểu diễn nh- sau: X(m,n)=S(m,n)+N(m,n) - Nếu N