Khôi phục ảnh bằng biến đổi wavelet

Khôi phục ảnh sử dụng biến đổi Wavelet Đồ án tốt nghiệp ================================================================== MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Chương CƠ BẢN VỀ ẢNH VÀ XỬ LÝ ẢNH 1.1 Tổng quan xử lý ảnh 1.1.1 Thu nhận ảnh 1.1.2 Xử lý ảnh 1.1.3 Mã hóa lưu trữ ảnh 1.2 Các loại ảnh 1.2.1 Ảnh Index 1.2.2 Ảnh grayscale 1.2.3 Ảnh nhị phân 1.2.4 Ảnh RGB 1.3 Thuật tốn cơng cụ xử lý ảnh 1.3.1 Tín hiệu số biểu diễn ảnh số 1.3.2 Khái quát xử lý ảnh số 10 Chương 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 phép biến đổi wavelet 13 2.2.1 Tính chất sóng 13 2.2.2 Đặc trưng 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 bật biến đổi Wavelet 16 2.4.1 Nén tín hiệu 16 2.4.2 Khử nhiễu 17 2.4.3 Mã hoá nguồn mã hoá kênh 17 Chương 18 KHÔI PHỤC ẢNH, CÁC THUẬT TỐN KHƠI 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 phân ngưỡng 19 3.2.1 Cải thiện ảnh dùng tốn tử khơng gian 19 3.2.1.1 Làm trơn nhiểu lọc tuyến tính 20 3.2.2 Làm trơn nhiễu 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 2.2.1 Nhiễu nhiễu muối tiêu - Salt and Pepper 29 3.2.3 Một số lọc dùng khôi phục ảnh 30 -1- Sinh viên: Phan Mạnh Linh Khôi phục ảnh sử dụng biến đổi Wavelet Đồ án tốt nghiệp ================================================================== Chương 32 TỔNG QUAN VỀ MATLAP 32 4.1 Giới thiệu chung 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 Matlab 32 4.2 Matlab GUI-Graphical User Interface 33 4.2.1 Giới thiệu 33 4.2.2 Các hàm thường sử dụng Gui 33 Chương 35 XÂY DỰNG ỨNG DỤNG KHÔI PHỤC ẢNH BẰNG PHÉP BIẾN ĐỔI WAVELET 35 5.1 Giao diện 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 lĩnh vực quan tâm trở thành môn học chuyên ngành sinh viên hệ kỹ sư, hệ cử nhân ngành Công Nghệ Thông Tin, số ngành kỹ thuật khác trường Đại học kỹ thuật Tuy nhiên, với mong muốn đóng góp lĩnh vực xử lý ảnh, đồ án em nghiên cứu cách khôi phục ảnh biến đổi wavelet triển khai ứng dụng hướng khôi phục ảnh công cụ Trong kỹ thuật xử lý ảnh trước chủ yếu sử dụng để nâng cao chất lượng ảnh, phục vụ cho trình xử lý ảnh Trong thời gian gần đặc biệt khoa học cơng nghệ phát triển mạnh ứng dụng q trình phân tích xử lý ảnh có nhiều thành tựu to lớn phân tích ảnh chụp từ vệ tinh, phân tích virus huặc mô tế bào sinh học… Kỹ thuật khôi phục biết đến nhiều song vấn đề mẻ Trên thực tế từ có ảnh ảnh thu ln ảnh bị sai khác so với ảnh gốc biến đổi tác động môi trường Với thuật tốn xử lý ảnh thu kết khác Điều đáng quan tâm nên chọn phương pháp cho phù hợp mang lại hiệu khả quan Khôi phục ảnh biến đổi wavelet công nghệ thay phép biến đổi Fourier cịn hạn chế q trình phân tích xử lý ảnh Trên sở em triển khai ứng dụng khôi phục ảnh phép biến đổi wavelet, xây dựng mơi trường lập trình MATLAP, mơi trường giúp ích nhiều vấn đề nghiên cứu khoa học Đề tài “Khôi phục ảnh biến đổi Wavelet” đề tài tìm hiểu chi tiết phép biến đổi wavelet chất trình khơi phục ảnh, cớ sở -3- Sinh viên: Phan Mạnh Linh Khôi phục ảnh sử dụng biến đổi Wavelet Đồ án tốt nghiệp ================================================================== đưa thuật tốn phù hợp cho q trình khơi phục ảnh xây dựng ứng dụng khôi phục ảnh công nghệ Nội dung đề tài: Chương 1: Cơ ảnh xử lý ảnh Chương 2: Phép biến đổi Wavelet Chương 3: Khôi phục ảnh, thuật tốn khơi phục ảnh Chương 4: Tổng quan Matlap Chương 5: Xây dựng ứng dụng khôi phục ảnh biến đổi Wavelet Để hồn thành đề tài “Khơi phục ảnh biến đổi Wavelet” em xin chân thành cảm ơn cô giáo hướng dẫn ThS Nguyễn Thị Hồng Anh thầy cô giáo khoa Công nghệ thông tin nhiệt tình giúp đỡ em thời gian học tập trình thực đề tài Tuy em cố gắng hoàn thiện đề tài khơng tránh thiếu sót, em mong nhận giúp đỡ thầy cô để đề tài hoàn thiện Vinh, ngày 15, tháng 05, năm 2010 Sinh viên thực Phan Mạnh Linh -4- Sinh viên: Phan Mạnh Linh Chương 1: Cơ ảnh xử lý ảnh Đồ án tốt nghiệp ================================================================== Chương CƠ BẢN VỀ ẢNH VÀ XỬ LÝ ẢNH 1.1 Tổng quan xử lý ảnh Để hình dung cấu hình hệ thống xử lý ảnh chuyên dụng hay hệ thống xử lý ảnh dùng nghiên cứu, đào tạo, trước hết xem xét bước cần thiết xử lý ảnh - Ảnh thông tin mà người cảm nhận nhờ ánh sáng Thông tin ảnh biểu diễn dạng quang học - Hệ thống xử lý ảnh cho phép tiếp nhận khung cảnh ảnh đầu vào, thực dãy xử lý đa dạng để tạo ảnh đầu mang thơng tin cần thiết, phân tích rút đặc trưng phép hiểu khung cảnh, ảnh - Xử lý ảnh trình phức tạp đa dạng liên quan đến nhiều lĩnh vực khác - Sơ đồ khối hệ thống xử lý ảnh mơ tả hình 1.1 Quang cảnh thực Thu nhận ảnh ảnh số Xử lý ảnh Hiển thị lưu trữ ảnh Hình 1: Hệ thống xử lý ảnh 1.1.1 Thu nhận ảnh Các thiết bị thu nhận ảnh Camera cho ảnh trắng đen B/W (Black & White) với mật độ từ 400 đến 1600 dpi (dot per inch) ảnh màu 600 dpi Với ảnh B/W mức màu z Với ảnh đa cấp xám, mức xám biến thiên từ đến 255 Ảnh màu, điểm ảnh lưu trữ bytes ta có 8x3 = 24 màu (cỡ 16, triệu màu) Thực biến đổi ảnh thành tín hiệu số -5- Sinh viên: Phan Mạnh Linh Chương 1: Cơ ảnh xử lý ảnh Đồ án tốt nghiệp ================================================================== Khi dùng scanner, dòng photodiot quét ngang ảnh (quét theo hàng) cho ảnh với độ phân giải ngang tốt Đầu scanner ảnh ma trận số mà ta quen gọi đồ ảnh (ảnh Bitmap) Bộ số hoá (digitalizer) tạo ảnh vector có hướng Ảnh ảnh số 1.1.2 Xử lý ảnh - Xử lý ảnh: Là hệ thống tiếp nhận ảnh thực để phân tích hiểu chất kết cấu ảnh: o Đầu vào: ảnh o Xử lý: Các thuật toán xử lý o Đầu ra: ảnh lưu trữ - Quá trình xử lý ảnh gồm công việc sau o Xử lý cải thiện chất lượng ảnh o Phát tách biên o Phân vùng ảnh o Nhận dạng ảnh o Khôi phuc ảnh 1.1.3 Mã hóa lưu trữ ảnh Để lưu trử ảnh trước tiên ta cần mã hóa ảnh theo cách để thực lưu trử, ảnh xử lý ảnh ta thường mã hóa theo cấu trúc chuẩn ảnh tức mã hóa theo cấu trúc tệp: PCX, BITMAP, JPG, GIP,… sau tiến hành lưu trử máy tính huặc thiết bị lưu trữ 1.2 Các loại ảnh 1.2.1 Ảnh Index Ảnh biểu diễn hai ma trận, ma trận liệu ảnh X ma trận màu (còn gọi đồ màu) map Ma trận liệu thuộc kiểu -6- Sinh viên: Phan Mạnh Linh Chương 1: Cơ ảnh xử lý ảnh Đồ án tốt nghiệp ================================================================== uint8, uint16 double Ma trận màu ma trận kich thước m x gồm thành phần thuộc kiểu double có giá trị khoảng [0 1] Mỗi hàng ma trận xác định thành phần red, green, blue màu tổng số m màu sử dụng ảnh Giá trị phần tử ma trận liệu ảnh cho biết màu điểm ảnh nằm hàng ma trận màu Hình 2: Bản đồ màu ảnh Index Hình 3: Ánh xạ ma trận màu vào điểm ảnh 1.2.2 Ảnh grayscale Mỗi ảnh biểu diễn ma trận hai chiều, giá trị -7- Sinh viên: Phan Mạnh Linh Chương 1: Cơ ảnh xử lý ảnh Đồ án tốt nghiệp ================================================================== phần tử cho biết độ sang (hay mức xám) điểm ảnh Ma trận kiểu uint8, uint16 double Ảnh biểu diễn theo kiểu gọi ảnh, trắng đen Hình 4: Ảnh grayscale 1.2.3 Ảnh nhị phân Ảnh biểu diễn ma trận hai chiều thuộc kiểu logical Mỗi điểm ảnh nhận hai giá trị (đen) (trắng) -8- Sinh viên: Phan Mạnh Linh Chương 1: Cơ ảnh xử lý ảnh Đồ án tốt nghiệp ================================================================== Hình 5: Ảnh nhị phân 1.2.4 Ảnh RGB Cịn gọi ảnh “truecolor” tính trung thực Ảnh biểu diễn ma trận ba chiều kích thước m x n x 3, với m x n kích thước ảnh theo pixels Ma trận định nghĩa thành phần màu red, green, blue cho điểm ảnh, phần tử thuộc kiểu uint8, uint16 double Hình 6: Ảnh RGB 1.3 Thuật tốn cơng cụ xử lý ảnh 1.3.1 Tín hiệu số biểu diễn ảnh số Như nêu chương Một, hàm hai biến thực phức coi ảnh Một ảnh khơng gian chiều biểu diễn tập hợp ma trận sở gọi ảnh sở Như tín hiệu chiều liên tục không gian, theo khái niệm gọi ảnh liên tục không gian số thực ký hiệu f(x,y): giá trị f(x,y) liên tục khoảng (-,) -9- Sinh viên: Phan Mạnh Linh Chương 1: Cơ ảnh xử lý ảnh Đồ án tốt nghiệp ================================================================== Các tín hiệu liên tục theo thời gian qua q trình số hố ta thu tín hiệu rời rạc (tín hiệu số) x(t) t Hình 7: tín hiệu số rời rạc Ảnh số ảnh xử lý máy tính thu từ ảnh liên tục q trình số hố (lấy mẫu lượng hoá), thường ký hiệu I[m,n] Giá trị I[x,y] biểu diễn cường độ sáng mã hố điểm ảnh (x,y) Giá trị cịn gọi mức xám (grey level) Vậy I[x,y] có giá trị rời rạc để tiện xử lý, ta coi giá trị I[x,y] nguyên: I[x,y]  {0, 1, , L-1} với L mức xám tối đa dùng để biểu diễn Để giảm độ phức tạp tính toán, giá trị (m,n) thường chọn hữu hạn thường chọn 512; L chọn 256 Ảnh có nhiều mức xám gọi ảnh đa cấp xám Ảnh có mức xám gọi ảnh nhị phân Với cách biểu diễn trên, ảnh số một phần tín hiệu số không gian chiều Và cách biểu diễn ảnh số thông dụng dùng bảng chiều mà thuật ngữ thường gọi ma trận ảnh hay đồ ảnh 1.3.2 Khái quát xử lý ảnh số Hệ thống số hệ thống tiếp nhận tín hiệu số đầu vào, xử lý tín hiệu theo qui trình đưa tín hiệu số Vì ảnh số phần tín hiệu số, nên hệ thống xử lý ảnh số có đặc thù hệ thống số cộng thêm số tính chất riêng - 10 - Sinh viên: Phan Mạnh Linh Chương 3: Khôi phục ảnh, thuật tốn khơi phục ảnh Đồ án tốt nghiệp ================================================================== v[4] = Tính chất lọc trung vị: - Lọc trung vị phi tuyến vì: Trungvi((x(m)+y(m))  Trungvi(x(m)) + Trungvi(y(m)) - Hữu ích cho việc loại bỏ điểm ảnh hay hàng mà bảo toàn độ phân giải - Hiệu giảm số điểm nhiễu cửa sổ lớn hay nửa số điểm cửa sổ Điều dễ giải thích trung vị (N w +1)/2 giá trị lớn Nw lẻ Lọc trung vị cho trường hợp chiều coi lọc trung vị tách theo chiều, có nghĩa người ta tiến hành lọc trung vị cho cột cho hàng Hình 15 Ảnh thu qua lọc trung vị với ảnh gốc hình 11 3.2.2.2 Lọc ngồi (Outlier Filter) Giả thiết có mức ngưỡng cho mức nhiễu (có thể dựa vào lược đồ xám) Tiến hành so sánh giá trị điểm ảnh với trung bình số học lân cận Nếu sai lệch lớn ngưỡng, điểm ảnh coi nhiễu Trong trường ta thay giá trị điểm ảnh giá trị trung bình lân cận vừa tính Các cửa sổ tính tốn thường 3x3 Tuy - 26 - Sinh viên: Phan Mạnh Linh Chương 3: Khôi phục ảnh, thuật tốn khơi phục ảnh Đồ án tốt nghiệp ================================================================== nhiên cửa sổ mở rộng đến 5x5 hay 7x7 để đảm bảo tính tương quan điểm ảnh Vấn đề quan trọng xác định ngưỡng để loại nhiễu mà không làm thông tin 3.2.3 Một số kỹ thuật cải thiện ảnh nhị phân Với ảnh nhị phân, mức xám có giá trị hay Do vậy, ta coi phần tử ảnh phần tử lơ gíc áp dụng tốn tử hình học (morphology operators) dựa khái niệm biến đổi hình học ảnh phần tử cấu trúc (structural element) Phần tử cấu trúc mặt nạ dạng mà phần tử tạo nên mơ-típ Người ta tiến hành rê mặt nạ khắp ảnh tính giá trị điểm ảnh điểm lân cận với mơ-típ mặt nạ theo cách lấy hội hay lấy tuyển Hình , phần tử cấu trúc cách lấy hội hay tuyển: 0 1 0 1 0 0 a) Phần tử cấu trúc 0 b) vùng ảnh 0 1 0 0 c) Tuyển d) Hội Hình 16: Cải thiện ảnh nhị phân Dựa vào nguyên tắc trên, ngưòi ta sử dụng kỹ thuật: dãn ảnh (dilatation) co ảnh (erosion) 3.2.3.1 Dãn ảnh - 27 - Sinh viên: Phan Mạnh Linh Chương 3: Khôi phục ảnh, thuật tốn khơi phục ảnh Đồ án tốt nghiệp ================================================================== Dãn ảnh nhằm loại bỏ điểm đen bị vây điểm trắng Trong kỹ thuật này, cửa sổ N+1 x N+1 rê khắp ảnh thực đối sánh pixel ảnh với (N+1)2 -1 điểm lân cận (khơng tính điểm tâm) Phép đối sánh thực phép tuyển lơgíc Thuật tốn biến đổi tóm tắt sau: For all pixels I(x,y) Begin Tính FOR(x,y) {tính or lơ gíc } - if FOR(x,y) then ImaOut(x,y) < else ImaOut(x,y) GUI - Khi lưu giao diện vừa tạo, Matlab tạo hai file có tên khác phần mở rộng: - File có phần mở rộng fig chứa nội dung giao diện - File có phần mở rộng m chứa đoạn mã liên quan đến giao diện Để thiết lập thuộc tính ta chọn mục “ Property Inspector” công cụ right-click vào đối tượng chọn mục “Inspector Properties” - String property : dòng ký tự xuất đối tượng - Tag property : tên đối tượng Khi click chuột vào đối tượng, Matlab gọi hàm tương ứng với đối tượng Tên hàm tên đối tượng cộng với “_Callback” 4.2.2 Các hàm thường sử dụng Gui - Set : Thay đổi giá trị thuộc tính đối tượng giao diện set(handles.TextBox, String ,str) - 33 - Sinh viên: Phan Mạnh Linh Chương 4: Tổng quan Matlap Đồ án tốt nghiệp ================================================================== - Get : Truy xuất giá trị thuộc tính đối tượng giao diện get(handles.EditBox, String ) Ngồi cịn có hàm axes, guide, num2str(), str2num()… - 34 - Sinh viên: Phan Mạnh Linh Chương 5: Xây dựng ứng dụng khôi phục ảnh biến đổi Wavelet Đồ án tốt nghiệp ================================================================== Chương XÂY DỰNG ỨNG DỤNG KHÔI PHỤC ẢNH BẰNG BIẾN ĐỔI WAVELET 5.1 Giao diện chương trình 5.2 Nút “tải ảnh” Đưa ảnh cần xử lý hiển thị axes8 - 35 - Sinh viên: Phan Mạnh Linh Chương 5: Xây dựng ứng dụng khôi phục ảnh biến đổi Wavelet Đồ án tốt nghiệp ================================================================== 5.3 Nút “lưu ảnh” Dùng để lưu ảnh sau xử lý vào thư mục với ảnh ban đầu: 5.4 Nút “lam mo anh” Dùng hàm cộng nhiễu, làm mờ ảnh để them nhiễu làm mờ ảnh tải: switch TypeNoise, case 1, noiseimage=imnoise(x,'salt & pepper',0.05); case 2, noiseimage=imnoise(x,'gaussian',0,0.01); case 3, noiseimage=imnoise(x,'speckle',0.04); case 4, N=256; h = ones(4,4)/16; sigma=.10; Xf = fft2(x); - 36 - Sinh viên: Phan Mạnh Linh Chương 5: Xây dựng ứng dụng khôi phục ảnh biến đổi Wavelet Đồ án tốt nghiệp ================================================================== Hf = fft2(h,N,N); noiseimage = real(ifft2(Hf.*Xf))+sigma*randn(N,N); end Ảnh sau làm mờ thêm nhiễu: 5.5 Nút “Khoi phuc anh” Sử dụng biến đổi wavelet áp dụng cho hai lọc “Loc dao chieu” “Loc wiener” để khử mờ cho ảnh, đồng thời sử dụng phương pháp ngưỡng giá trị để khử nhiễu cho ảnh Ảnh trước sau xử lý: - 37 - Sinh viên: Phan Mạnh Linh Chương 5: Xây dựng ứng dụng khôi phục ảnh biến đổi Wavelet Đồ án tốt nghiệp ================================================================== 5.6 Nút “Loai nhieu” Dùng để lựa chọn loại nhiễu thêm vào ảnh 5.7 Nút “Phương phap khoi phuc” Dùng để lựa chọn loại khơi ảnh có nhiễu bị mờ: - 38 - Sinh viên: Phan Mạnh Linh Khôi phục ảnh biến đổi Wavelet Đồ án tốt nghiệp ================================================================== KẾT LUẬN Những nội dung đạt - Tìm hiểu ảnh xử lý ảnh - Tìm hiểu phép biến đổi Wavelet - Tìm hiểu khơi phục ảnh thuật tốn khơi phục ảnh - Xây dựng ứng dụng minh họa cho khôi phục ảnh Hướng phát triển đề tài - Xây dựng ứng dụng cho khôi phục ảnh màu - Các loại ảnh đưa vào phong phú - 39 - Sinh viên: Phan Mạnh Linh Khôi phục ảnh biến đổi Wavelet Đồ án tốt nghiệp ================================================================== TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] ThS Lương Xuân Phú - Xử lý ảnh số - Đại học Vinh 2009 [2] Phan Thanh Tạo - Giáo trình MATLAP - NXB Đà Nẵng 2004 [3] Học viện công nghệ bưu viễn thơng- Xử lý ảnh- NXB Hà Nội2006 Tiếng Anh [4] Rafael C Gonzalez, Richard E Woods – Digital Image Processing – Addison-Wesley Puslishing Company Web [5] http://www.codeproject.com [6] http://www.pudn.com [7] http://registry.gimp.org [8] http://www.mathworks.com [9] http://amath.colorado.edu [10] http://www.mathworks.com/products/image/ [11] http://www.imageprocessingplace.com/ - 40 - Sinh viên: Phan Mạnh Linh ... Đề tài ? ?Khôi phục ảnh biến đổi Wavelet? ?? đề tài tìm hiểu chi tiết phép biến đổi wavelet chất q trình khơi phục ảnh, cớ sở -3- Sinh viên: Phan Mạnh Linh Khôi phục ảnh sử dụng biến đổi Wavelet Đồ... tạp biến đổi Wavelet Họ biến đổi ứng dụng rộng rãi, biến đổi Wavelet áp dụng JPEG2000 biến đổi họ biến đổi Wavelet Daubechies Dưới số hàm ψ ( t ) họ biến đổi Wavelet Daubechies: Hình 10: Hàm Wavelet. .. trình khơi phục ảnh xây dựng ứng dụng khôi phục ảnh cơng nghệ Nội dung đề tài: Chương 1: Cơ ảnh xử lý ảnh Chương 2: Phép biến đổi Wavelet Chương 3: Khôi phục ảnh, thuật tốn khơi phục ảnh Chương