CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu
3.2 Phương pháp xử lý ảnh
3.2.1 Tiền xử lý ảnh
Trong lúc thu nhận ảnh, ảnh có the bị nhiễu do trong quá trình thu nhận ảnh bệnh nhân có những rung lẳc cơ thể làm cho ảnh bị nhiễu hoặc các yếu tố môi trường, ví dụ do điều kiện ánh sángyếu hoặc nhiễu do cảm biến bị nóng khi phơi sáng lâu, cũng như nhiều nguyên nhân khác. Các tác nhân trên sè làm cho độ tương phản của ảnh trở nên thấp, các chi tiết quan trọng trên bứcảnh sè bị mờ và các thông tin trên bức ảnh sẽ bị sai lệch.
Điếm chung của tất cả các loại nhiễu điều cho ra những đốm trắng hoặc đen trên bức ảnh làm cho chất lượng cùa những bức ảnh trở nên thấp, trong ảnh y sinh thường xuất hiện hai loại nhiễu chủ yếu là nhiễu muối - tiêu (Salt & Pepper noise), nhiều Gaussian.
(A) (B)
Hình 3.3 (A) Anh gốc (B) Anh nhiễu Gaussian.
- Nhiễu Gaussian: Nhiều này có được do bản chất rời rạc của bức xạ (hệ thống ghi ảnh bằng cách đếm các photon (lượng tử ánh sáng). Mồi pixel trong ảnh nhiều là tong giá trị pixel đúng vàpixel ngầu nhiên(Hình 3.3).
(A) (B)
Hình 3.4 (A) Anhgốc (B) Anh nhiễu muối— tiêu.
- Nhiễu muối-tiêu (Salt& Peppernoise): Nhiều này sinh ra do xảy ra sai số trong quá trình truyền dữ liệu. Nhữngpixel đơn được đặt luânphiên mang giá trị bằng 0 hay giá trị cực đại tạo rahình chấm dạng muối tiêutrên ảnh (Hình 3.4).
Các bức ảnh xuất hiện nhiều cần đưa vào các bước tiền xử lý để nâng cao chất lượng. Công việc cụ the của bước này là cải thiện độ tương phản của ảnh, khử nhiều.
Mục đích của các công việc này là lọc nhiễu làm cho chất lượng ảnh trở nên tốt hơn, chuẩnbị cho các bước xử lý tiếp theo.
Đầu vào của các hệ thống xử lý ảnh thường là các tệp ảnh được thu nhận từ các thiết bị như: máy quét, máy ảnh, thiết bị ghi hình hay các thiết bị thu nhận hình ảnh khác. Hầu như hình ảnh ở tiền xử lý là hình chưa qua chỉnh sửa ở bất kỳ phương diện nào. Các ảnh này thường có chất lượng thấp (bị lần các nhiễu, mất các chi tiết của đối tượng, hay bị lệch so với ảnh gốc một góc bất kỳ...). Nguyên nhân là do: thiết bị thu nhận khôngđảm bảo, điều kiện thu nhận khôngtốt(độ sáng thay đoi,thu nhận trong khi di chuyển....) hayquá trình saolưu bị mấtmátthông tin. Đe cácbướcxử lý tiếp theo thu được kết quả tốt cần phải có quá trình tiền xử lý để nâng cao chất lượng ảnh đầu vào.
Quá trình này các công đoạn khôi phục với mục đích làm cho ảnh trở nên tốt hơn thì thường được thực hiện bởi các bộ lọc. Khôi phục ảnh nhằm mục đích loại bỏ haygiảm thiểu các ảnh hưởng của môi trường tác động lên ảnh. Bao gồm cácbước: lọc ảnh, khử nhiễu,.... nhằm giảm bớt các biến dạng cùa ảnh và đưa ảnh về trạng thái gần như ban đầu. Có rất nhiều bộ lọc để xử lý ảnh ở giai đoạn này.Và dưới là một số phương pháp như sau:
3.2.1.1 Phương pháp lọc trung bình
Bộ lọc trung bình là thay thế mồi giá trị điếm ảnh trong một hình ảnh với giá trị trungbình của giá trị các điểm ảnh lâncận, trong đó có điểm ảnh đó. Đây là mộtbộ lọc tuyến tính đơn giản với tác dụng làm mịn ảnh, khử nhiều,.. Nguyên tắc chung của các phương pháp lọc là cho ma trận ảnh nhân với một ma trận lọc (Kernel). Ma trận lọc (Kernel) còn có the được gọi là cửa số chập, cửa số lọc hay mặt nạ. Việc nhân ảnh với ma trận lọc giống nhưviệc trượt ma trận lọc theo hàng trên ảnh và nhân với từng vùng cùa ảnh, cộng các kết quả lại tạo thành kết quả của điểm ảnh trung tâm. Ma trận lọc sẽ lần lượt trượtquamọi pixel trên ảnh. Giá trị củamộtpixel sau khi bộlọc trượtquachính là giá trị trung bình có hệ số của tất cả các giá trị pixel nằm trong vùng mặtnạ. Đây là bộ lọc đơngiản nhất. Nó được xây dựng dựatrênỷ tưởng tínhgiá trị mộtđiếmảnh bằng trungbình cộng các điểm ảnh xung quanh nó. Matrận lọc cùabộlọc trung bình có dạng như biểu thức(3.1)
k k
y(m.n)=Ỵ^ 52 x(m 4-i,n + j) (3.1)
i=—j=—
Cách lọc này thường được áp dụng cho làmtrơn ảnh vẫn muốn giữ lại biên không bị mờ. Dùng đe loại bỏ nhiễu ngầu nhiên có phân bố đều/Gaussian.
(A) (B)
(Al) (Bl)
Hình 3.5 (A) Anh nhiễu Gaussian; (B) Anh sau lọc trung bình;
(Al) Anh nhiễu muối — tiêu; (BI)Anh sau lọc trung bình.
Theo hình 3.5.A và hình 3.5.AI đây là nhừng bức ảnh đã bị nhiễu Gaussian và muối-tiêu sau khi quabộ lọc trungbình thì cho ra được kếtquả của hình 3.5.B vàhình 3.5.B1, ta thấyđược dù nhiễu Gaussian hay nhiễu muối-tiêu thì kết quả cùa bộ lọc cho ra chấtlượng hình ảnh thấp, ảnhbị nhòe đi các chitiếttrongảnh bị mất.Theo như nhóm đã tìmhiếu thì hầuhết các ảnhy sinh đều bị nhiềumuốitiêunênbộ lọctrungbình không đem lại hiệu quả cho nghiên cứu cùa nhóm. Dù bộ lọc này được áp dụng nhiều trong nghiên cứuxừ lý ảnh.
3.2.1.2 Phương pháp lọc Gaussian
Bộ lọc Gaussian là bộ lọc hữu ích nhất, được thực hiện bằng cách nhân chập ảnh đầuvào vớimột ma trậnlọc Gaussian, sauđó cộng chúng lại đểtạo thành ảnh đầu ra. Ý tưởng chung là giá trị mồi điểm ảnh sè phụ thuộc nhiều vào các điểm ảnh ở gần hơn là các điểm ảnh ở xa. Trọng so của sự phụthuộc được lấy theo hàm Gaussian (cũng được sử dụng trong quy luậtphân phối chuẩn). Phân phối chuẩn 2 chiều có thểbiểu diễndưới dạng (3.2):
-(a? - Ms)2 -(y-ựỵ)2
n í2<t£ 2ớị
G0(x,y) — Ae x y (3.2)
Trong đó M là trung bình (đỉnh), ơ2 là phương sai của các biến số X và y. Tham số M quyết địnhtác dụng củabộ lọc Gaussianlên ảnh. Độ lớn của matrận lọc (kernel) cần được lựa chọn cho đủ rộng.
(A) (B)
(Al) (Bl)
Hình 3.6 (A) Anh nhiễu Gaussian; (B)Anh sau lọc Gaussian;
(Al) Anh nhiễu muối - tiêu; (BI) Anh sau lọc Gaussian.
Theokếtquảcủa (hình 3.6.B) và (hình 3.6.B 1)tathấybộlọc Gaussianchỉ áp dụng hiệu quả cho ảnh bị nhiễuGaussian nhưng không áp dụng tốt cho nhiễumuối - tiêu. Vì bộ lọc Gaussian thường được sử dụngđe giảm nhiễu, làm mịn, ở (hình 3.6.B1) các diêm
trắngdo nhiều muối -tiêugây ra đã bị làmmịnxuấthiện ítdàyđặc hon ở (hình 3.6.A1) nhưng không lọc được hết các chấm trắng nên chất lượng ảnh giảm xuống rất nhiều.
Tuy nhiên ảnh y sinhthì thường là ảnh nhiễu muối -tiêu nên bộ lọc này không đem lại hiệu quả trong việc nghiên cứu của nhóm.
3.2.1.3 Phương pháp lọc trung vị
Bộ lọc thường được sử dụngtrong xử lý ảnh. Lọc trungvị vượt quanhữnghạn chế của bộ lọc trung bình. Bộ lọc này thay thế điểm ảnh đích bằng giá trị trung vị của các điếm ảnh lân cận và chính diem ảnh đó. Bộ lọc sè tìm giá trị trung vị trong tất cả các điểm anh và thay vào điểm ảnh trung tâm. Các bộ lọc trung vị là cấp trên bộ lọc trung bình ở chồ nó giữ độ nét tần số cao trong khi vần loại bở nhiễu. Đây là bộ lọc có hiệu suất tốt. Sửdụng mặtnạ có dạng ma trận vuông, thông thường số chiều mồi cạnh là số lẻ (vídụ như 3x3) quét qua lầnlượttừng điểmảnh của ảnh đầu vào. Tại vị trí mồi điểm ảnh, lấygiá trị của các điểm ảnh tương ứng trongvùng mặtnạcủa ảnh gốc lấpvào ma trận lọc. Sau đó sắp xếp các điểm ảnhtrong cừa sổ này theo thứ tự tăng dần hoặc giảm dần tùy ý. Cuối cùng, gán điểm ảnh nằm chính giữa (hay gọi là trung vị) của dãy giá trị diem ảnh đã được sắpxếp ởtrên chogiá trị diem ảnh đang xét của ảnh đầu ra.
(A) (B)
(Al) (Bl)
Hình 3.7 (A) Anh nhiễumuối - tiêu; (B)Anh sau lọc trung vị;
(Al) Anh nhiều Gaussian; (Bỉ) Anhsau lọc trung vị.
Ket quả ảnh sau khi lọc của (hình 3.7.B) và (hình 3.7.B1) ta thấy lọc trung vị chỉ dành cho ảnh bị nhiễu muối -tiêu không áp dụng đượccho ảnh nhiễu Gaussian, vì ảnh nhiễu Gaussian (hình 3.7A1) khi qua bộ lọc thì chất lượng hình cũng không cải thiện được nhiều, nhiềuGaussian vẫncòn trên ảnh và nhiều chi tiết trên ảnh bị mờ. Còn ảnh nhiễu muối -tiêu (hình 3.7.A) khi qua bộ lọc trung vị ảnh được lọc mịn các chấm trắng do nhiễu gây ra bị lọc het, làm rõ nét các chi tiết trongảnh, chất lọc ảnh cho ra tốt hơn các bộ lọc nhiễu khác. Phù hợpvới nhừng điều kiện mà nhóm nghiên cứu đang hướng đến.