2.1.1 Xử lý ảnh
Xử lý ảnh là một hình thức xử lý tín hiệu mà ảnh đầu vào là một hình ảnh và đầu ra của xử lý hình ảnh có thể là một hình ảnh hoặc một tập hợp các đặc tính hoặc tham số liên quan đến hình ảnh [11]. Đây là một phân ngành khoa học mới, rất phát triển trong những năm gần đây. Các chủ đề chính trong trong lĩnh vực xử lý ảnh gồm: Phục hồi hình ảnh, nâng cao chất lượng hình ảnh, nén hình ảnh…Sự phát triển của xử lý ảnh đem lại rất nhiều lợi ích cho cuộc sống con người. Ngày nay xử lý ảnh được áp dụng rất rộng rãi trong đời sống như: Viễn thám, hình ảnh y tế, nghiên cứu pháp y, dệt may, khoa học vật liệu, quân sự, công nghiệp điện ảnh, xử lý tài liệu, công nghệ đồ họa, công nghiệp in ấn. Có hai phương pháp có sẵn trong xử lý ảnh đó là xử lý ảnh tương tự và xử lý ảnh kỹ thuật số.
- Xử lý ảnh tương tự: Được thực hiện trên các tín hiệu tương tự, nó bao gồm xử lý trên tín hiệu tương tự 2 chiều. Trong loại xử lý này những hình ảnh được thao tác, xử lý sử dụng phương thức điện bằng cách thay đổi các tín hiệu điện.
- Xử lý ảnh kỹ thuật số: Sử dụng thuật toán máy tính để thực hiện xử lý hình ảnh trong môi trường ảnh số. Có 3 lợi ích chính của xử lý ảnh kỹ thuật số đó là chất lượng hình ảnh luôn cao, chi phí xử lý thấp và có khả năng điều khiển tất cả các phương diện của quá trình.
Hình 2.1: Quy trình xử lý ảnh
Thu nhận ảnh: Đây là công đoạn đầu tiên mang tính quyết định đối với quá trình xử lý ảnh. Ảnh đầu vào sẽ được thu nhận qua các thiết bị như máy ảnh, cảm biến,
7
máy quét ảnh... và sau đó các tín hiệu này sẽ được số hóa. Việc lựa chọn các thiết bị thu nhận ảnh sẽ phụ thuộc vào đặc tính của các đối tượng cần xử lý. Các thông số quan trọng ở bước này là độ phân giải, chất lượng màu, dung lượng bộ nhớ và tốc độ thu nhận ảnh của các thiết bị.
Tiền xử lý: Ở bước này, ảnh sẽ được cải thiện về độ tương phản, khử nhiễu, khử bóng, khử độ lệch... với mục đích làm cho chất lượng ảnh trở nên tốt hơn nữa, chuẩn bị cho các bước xử lý phức tạp hơn về sau trong quá trình xử lý ảnh. Quá trình này thường được thực hiện bởi các bộ lọc.
Phân đoạn ảnh: Phân đoạn ảnh là bước then chốt trong xử lý ảnh. Giai đoạn này phân tích ảnh thành những thành phần có cùng tính chất nào đó dựa theo biên hay các vùng liên thông. Tiêu chuẩn để xác định các vùng liên thông có thể là cùng màu, cùng mức xám... Mục đích của phân đoạn ảnh là để có một miêu tả tổng hợp về nhiều phần tử khác nhau cấu tạo lên ảnh thô. Vì lượng thông tin chứa trong ảnh rất lớn, trong khi đa số các ứng dụng chúng ta chỉ cần trích một vài đặc trưng nào đó, do vậy cần có một quá trình để giảm lượng thông tin khổng lồ đó. Quá trình này bao gồm phân vùng ảnh và trích chọn đặc tính chủ yếu.
Tách các đặc tính: Kết quả của bước phân đoạn ảnh thường được cho dưới dạng dữ liệu điểm ảnh thô, trong đó hàm chứa biên của một vùng ảnh, hoặc tập hợp tất cả các điểm ảnh thuộc về chính vùng ảnh đó. Trong cả hai trường hợp, sự chuyển đổi dữ liệu thô này thành một dạng thích hợp hơn cho việc xử lý trong máy tính là rất cần thiết. Để chuyển đổi chúng, câu hỏi đầu tiên cần phải trả lời là nên biểu diễn một vùng ảnh dưới dạng biên hay dưới dạng một vùng hoàn chỉnh gồm tất cả những điểm ảnh thuộc về nó. Biểu diễn dạng biên cho một vùng phù hợp với những ứng dụng chỉ quan tâm chủ yếu đến các đặc trưng hình dạng bên ngoài của đối tượng, ví dụ như các góc cạnh và điểm uốn trên biên chẳng hạn. Biểu diễn dạng vùng lại thích hợp cho những ứng dụng khai thác các tính chất bên trong của đối tượng, ví dụ như vân ảnh hoặc cấu trúc xương của nó. Sự chọn lựa cách
8
biểu diễn thích hợp cho một vùng ảnh chỉ mới là một phần trong việc chuyển đổi dữ liệu ảnh thô sang một dạng thích hợp hơn cho các xử lý về sau. Chúng ta còn phải đưa ra một phương pháp mô tả dữ liệu đã được chuyển đổi đó sao cho những tính chất cần quan tâm đến sẽ được làm nổi bật lên, thuận tiện cho việc xử lý chúng.
Nhận dạng và giải thích: Đây là bước cuối cùng trong quá trình xử lý ảnh. Nhận dạng ảnh có thể được nhìn nhận một cách đơn giản là việc gán nhãn cho các đối tượng trong ảnh. Ví dụ đối với nhận dạng chữ viết, các đối tượng trong ảnh cần nhận dạng là các mẫu chữ, người nghiên cứu cần tách riêng các mẫu chữ đó ra và tìm cách gán đúng các ký tự của bảng chữ cái tương ứng cho các mẫu chữ thu được trong ảnh. Giải thích là công đoạn gán nghĩa cho một tập các đối tượng đã được nhận biết.
2.1.2 Điểm ảnh
Để có thể xử lý ảnh bằng máy tính thì cần thiết phải tiến hành số hóa ảnh. Quá trình số hóa được gọi là quá trình biến đổi gần đúng một ảnh liên tục thành một tập điểm phù hợp với ảnh thật về vị trí và độ sáng. Khoảng các giữa các điểm ảnh đó được thiết lập sao cho mắt người không phân biệt được ranh giới giữa chúng [16]. Mỗi một điểm như vậy gọi là điểm ảnh PEL: Picture Element hay gọi tắt là Pixel, trong khuôn khổ ảnh hai chiều mỗi Pixel tương ứng với cặp tọa độ (x, y).
Điểm ảnh là một phần tử của ảnh số tại toạ độ với độ xám hoặc màu nhất định. Kích thước và khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được chọn thích hợp sao cho mắt người cảm nhận sự liên tục về không gian và mức xám của ảnh số gần như ảnh thật. Mỗi phần tử trong ma trận được gọi là một phần tử ảnh. Để dễ hiểu hơn về Pixel thì ta có thể quan sát Hình 2.2 dưới đây.
9
Hình 2.2: Ví dụ về pixel ảnh
2.1.3 Độ phân giải
Độ phân giải [17] của ảnh là mật độ điểm ảnh trên một ảnh số được hiển thị. Theo định nghĩa trên, khoảng cách giữa các điểm ảnh phải được chọn sao cho lúc quan sát bằng mắt thường vẫn cảm nhận được sự liên tục của bức ảnh. Việc lựa chọn khoảng cách thích hợp tạo nên một mật độ phân bổ, đó chính là độ phân giải và được phân bố theo trục x và y trong không gian hai chiều. Ví dụ: Độ phân giải của ảnh trên màn hình CGA là một lưới điểm theo chiều ngang màn hình: 320 điểm chiều dọc * 200 điểm ảnh (320*200). Rõ ràng, cùng màn hình CGA 12” ta nhận thấy mịn hơn màn hình CGA 17” độ phân giải 320*200, nguyên nhân là cùng một độ phân giải nhưng diện tích màn hình rộng hơn thì sự liên tục của hình ảnh kém hơn, có thể quan sát Hình 2.3 dưới đây để thấy rõ hơn sự thay đổi độ mịn của hình ảnh theo kích thước.
10
2.1.4 Tăng cường ảnh
Mục đích: Tăng cường các thuộc tính cảm nhận, làm cho ảnh tốt lên theo một ý nghĩa nào đó, tiện phục vụ cho các xử lý tiếp theo.
Các thao tác: Thay đổi độ tương phản, lọc nhiễu, thay đổi màu sắc, cường độ sáng, lọc nhiễu, nội suy, làm trơn ảnh.
Các phương pháp chính:
- Các phương pháp thao tác trên điểm - Các thao tác không gian
2.1.5 Khôi phục ảnh
Mục đích: Khôi phục lại ảnh ban đầu, loại bỏ các biến dạng ra khỏi ảnh tùy theo nguyên nhân gây ra biến dạng.
g(x,y) = ∫−∞∞ ∫−∞∞ ℎ(𝑥, 𝑦; 𝛼, 𝛽)𝑓(𝛼, 𝛽) 𝑑𝛼𝑑(𝛽 + 𝜂(𝑥, 𝑦)) 𝜂 (x, y) là hàm biểu diễn nhiễu cộng.
f(a,ß) là hàm biểu diễn đối tượng.
g(x,y) là ảnh thu nhận.
h(x,y;a,ß) là đáp ứng xung của hệ thống, còn gọi là hàm tán xạ điểm.