Nội suy ảnh và một số ứng dụng trong xử lý ảnh

Khái quát về xử lý ảnh

Ngày nay cùng với sự phát triển của ngành CNTT, chúng ta mong muốn đưa được những hình ảnh mà con người có thể nhìn thấy được vào máy tính để thực hiện các mục đích khác nhau của con người như: phân tích ảnh, phục hồi ảnh, nâng cao chất lượng ảnh..với mục đích làm cho ảnh sắc nét hơn hoặc làm cho ảnh gần giống nhất với trạng thái gốc, trạng thái trước khi ảnh bị biến dạng. Mỗi một ảnh đều có độ sắc nét, độ phân giải riêng, việc xử lý ảnh nhằm mục đích làm cho ảnh sắc nét hơn, đẹp hơn hay gần với ảnh gốc hơn, và khi biến đổi bằng một trong các phương pháp nội suy là làm cho ảnh có khả năng zoom tốt, mà vẫn đảm bảo độ sắc nét, tránh được hiện tượng nhiễu hay răng cưa.

Nội suy ảnh

Các vấn đề với nội suy ảnh số

Tiến trình này sẽ thêm pixel vào hình ảnh bằng cách tính toán những pixel có sẵn bao quanh các pixel mới thêm vào để xác định màu sắc tương ứng cho các pixel mới. Do bản chất của ảnh kỹ thuật số, mỗi ảnh kỹ thuật số được tạo ra bởi các điểm ảnh, bởi vậy các đường thẳng và các đường cong trong hình ảnh kỹ thuật số không thực sự là đường thẳng hay.

Một số vấn đề liên quan đến nội suy ảnh

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 rừ nột, cho ra ảnh cú dung lượng rất gọn nhẹ, tớnh tuỳ biến cao, cho phộp phóng to ảnh theo dung lượng file, cho phép sinh ra các khung hình trung gian trông tự nhiên như thật. Những phương pháp thích nghi thay đổi phụ thuộc vào những gì đang nội suy (tăng độ sắc nét, làm mịn cạnh), trong khi những phương pháp không thích nghi thực hiện với tất cả các điểm ảnh đều như nhau.Thuật toán không thích nghi bao gồm: Neighbor Nearest (nội suy các pixel gần nhất), Linear (tuyến tính), Bilinear (song tuyến), Trilinear (tam tuyến), Bicubic (song khối), Affine (tam giác) và một số thuật toán khác.

Nội suy tam giác (Affine interpolation)

Nội suy các pixel gần nhất chỉ hiệu quả khi ứng dụng cho hình vẽ vì sẽ bảo toàn đường biên cứng, thời gian đáp ứng nhanh và không làm tăng nhiều dung lượng tập tin. Trong tam giác, tọa độ Barycentric còn được gọi là tọa độ khu vực (vùng). Bởi vì các tọa độ của P đối với tam giác ABC là tỷ lệ thuận với khu vực của PBC, PCA và PAB. Tọa độ vùng và tọa độ tam tuyến tính được sử dụng cho mục đích tương tự trong hình học. Tọa độ vùng rất có ích trong những ứng dụng kỹ thuật liên quan đến những miền con tam giác. Trước tiên chúng ta xét 1 tam giác T được xác định bởi các đỉnh v1,v2,v3. bất kỳ điểm r nào nằm trên tam giác này đều có thể được viết như tổng trọng lượng của 3 đỉnh. Phương trình trên có dạng của một hàm nội suy tuyến tính. Những tọa độ vùng Barycentric cho phép chúng ta thực hiện một phép nội suy tuyến tính những điểm trong hình tam giác nếu những giá trị của hàm được biết tại đỉnh. Chuyển đổi tọa độ Đề các thành tọa độ Barycentric. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ).

Nội suy tuyến tính (Linear interpolation)

Bởi vậy, nội suy hình ảnh được tạo ra từ các hình ảnh song song được minh họa từ hàng loạt các hình ảnh chuyển động đồng thời trên dòng C0C1 giữa hai đường thẳng nối liền hai tấm kính(optical central) và tiêu cự (zooming) một cách liên tục. Những hình ảnh thoả mãn điều kiện mang tính khái quát này tiêu biểu cho một cấp độ rộng rãi hơn của các hình ảnh song song mà nếu áp dụng phương pháp nội suy tuyến tính sẽ cho ra đời những hình ảnh giữ được trạng thái nguyên gốc.

Các phép nội suy không gian

Có nhiều khó khăn trong việc sử dụng công thức (2.27) và (2.28) để nội suy ảnh tương tự fc(x,y), ngay cả khi có dùng bộ lọc chống chồng phổ cũ không hoàn toàn bị giới hạn băng tần, cho nên khi lấy mẫu sẽ bị chồng phổ. Như đã nói ở trên phần (2) phương pháp này xác định giá trị màu cho điểm ảnh mới dựa trên giá trị trung bình của 4 điểm ảnh gốc gần nó nhất (2 x -2).

Phương pháp ước lượng chuyển động

Chẳng hạn không được cho đối tượng quay, không phóng to, thu nhỏ ống kính, các vùng không bị trùm phủ bởi sự tịnh tiến đối tượng, các đối tượng không được chuyển động với những tốc độ vx, vy khác nhau. Tuy vậy bằng cách giả thiết chỉ có chuyển động tịnh tiến đều cục bộ, và chỉ ước lượng 2 thông số chuyển động (dx,dy) hay (vx,vy) ở mỗi pixel hay ở mỗi hình con thì công thức (2.32) vẫn có hiệu lực ở những vùng nền không bị ảnh hưởng bởi sự chuyển động của đối tượng.

Phép nội suy thời gian và bù chuyển động

Với một số cảnh điển hình sự thay đổi nhịp khung của video qua phép nội suy bù chuyển động có thể tạo ra tín hiệu video có chất lượng so sánh được với tín hiệu gốc, ngoại trừ những nhịp chuyển động không tự nhiên đối với một số động tác như đi bộ và nói chuyện xuất hiện khi hệ số thay đổi nhịp đủ cao. Phương pháp này tạo ra một kết quả có thể chấp nhận được cho hầu hết các ảnh và là phương pháp duy nhất thích hợp với ảnh chỉ số, ảnh cường độ hay RGB, tuy nhiên ta thường chỉ ra kiểu song tuyến tính hoặc song khối bởi vì những phương pháp này cho kết quả tốt hơn.

Nắn chỉnh hình thu nhận ảnh

Vậy với hình trên nếu phân ảnh thành các mặt ABCD, ADD’A’, DD’C’C thì điểm M sẽ tìm được 3 điểm đặc trưng làm cơ sở là (1,3,4) (vì thuật toán chỉ xét các điểm đặc trưng là các điểm thuộc vùng tạo bởi các điểm ABCD có chứa điểm M). (Nguồn: Phùng Văn hải (2006), “Luận văn tốt nghiệp” Nắn chỉnh hình học với bài toán sách thương mại điện tử). Sau nắn chỉnh nhờ nội suy hình ảnh sẽ không còn thô cứng mà trở về trạng thái ban đầu như khi mới, hình ảnh đẹp mắt, hiện tượng giăng cưa cũng như lỗ hổng được giảm bớt. a) Ảnh cần nắn chỉnh b) Ảnh sau khi nắn chỉnh. c) Ảnh sau khi nội suy.

Sinh ra hình ảnh khuyết thiếu trong làm phim hoạt hình

Một ví dụ sử dụng các phương pháp này để phác họa đó là trong mô hình 3D có một số điểm của một số cảnh có thể tạo ra bằng việc nội suy giữa cảnh trước đó và cảnh sau đó, đây chính là phương pháp nội suy có bù chuyển động như đã nói ở chương 2. Chỳng ta cần chỉ rừ điểm trung gian bằng cỏch lấy mẫu hai bề mặt đối tượng 2D, điều này cú tỏc dụng chỉ rừ những điểm mẫu trung gian sao cho những vùng đồng nhất trên bề mặt đối tượng đều được lấy mẫu.

Giới thiệu chương trình 1. Giao diện của chương trình

Một số kết quả của chương trình

Khi thực hiện chạy phần mềm, yêu cầu phải có một file ảnh, có chứa các ảnh với kích thước đã định (đây chính là ảnh nguồn và ảnh đích dùng để tạo nguồn cho file ảnh nội suy, các ảnh dầu vào này yêu cầu phải ở dạng file có đuôi *.bmp, 24 bít), file ảnh này được lưu trong ổ mặc định là ổ D với tên file là lưu (D:\ lưu). Em đã có thêm những kiến thức mới về xử lý ảnh trong công việc sử dụng nội suy để phóng to, bóp méo ảnh, quay ảnh, sinh ảnh trung gian cùng với các ứng dụng của nó, hiện tượng răng cưa cũng như vỡ hạt trên hình ảnh được cải thiện rất nhiều khi thực hiện nội suy, các hình ảnh trung gian được sinh ra tạo cho hình ảnh trở nên tự nhiên như thực.