Máy học trong xử lý ảnh đh cntt

Successfully reported this slideshow.

Your SlideShare is downloading. ×

More Related Content

1. 1. HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG XỬ LÝ ẢNH [Dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa] Lưu hành nội bộ HÀ NỘI - 2006
2. 2. HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG XỬ LÝ ẢNH Biên soạn : PGS.TS NGUYỄN QUANG HOAN
3. 3. LỜI NÓI ĐẦU Trong các trường đại học, cao đẳng, xử lý ảnh đã trở thành một môn học chuyên ngành của sinh viên các ngành Công nghệ Thông tin, Viễn thông. Giáo trình và tài liệu về lĩnh vực này ở nước ta còn đang hạn chế. Để đáp ứng kịp thời cho đào tạo từ xa, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông cố gắng kịp thời biên soạn tài liệu này cho sinh viên, đặc biệt hệ Đào tạo từ xa học tập. Trong quá trình biên soạn, chúng tôi có tham khảo các tài liệu của Đại học Bách khoa Hà nội [1] giáo trình gần gũi về tính công nghệ với Học viện. Một số giáo trình khác của Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh [2], tài liệu trên mạng và các tài liệu nước ngoài bằng tiếng Anh [5, 6, 7] cũng được tham khảo và giới thiệu để sinh viên đào tạo từ xa đọc thêm. Tài liệu này nhằm hướng dẫn và giới thiệu những kiến thức cơ bản, các khái niệm, định nghĩa tóm tắt. Một số thuật ngữ được chú giải bằng tiếng Anh để học viên đọc bằng tiếng Anh dễ dàng, tránh hiểu nhầm khi chuyển sang tiếng Việt. Tài liệu gồm các chương sau: - Chương 1. Nhập môn xử lý ảnh - Chương 2. Thu nhận ảnh - Chương 3. Xử lý nâng cao chất lượng ảnh - Chương 4. Các phương pháp phát hiện biên ảnh - Chương 5. Phân vùng ảnh - Chương 6. Nhận dạng ảnh - Chương 7. Nén dữ liệu ảnh Còn nhiều vấn đề khác như các công cụ toán học, kỹ thuật biến đổi ảnh, truyền ảnh, các phần mềm xử lý v.v… chưa đề cập được trong phạm vi tài liệu này. Đề nghị các bạn đọc tìm hiểu thêm sau khi đã có những kiến thức cơ bản này. Tuy có tham gia giảng dạy môn xử lý ảnh ở cấp Đại học một số năm, nhiều lớp có trình độ khác nhau; chủ nhiệm một số đề tài nghiên cứu Cơ bản Nhà nước, đề tài cấp Bộ liên quan nhưng “Xử lý ảnh” là môn học có sự kết hợp nhiều giữa nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ nên có thể coi là môn học khó. Nhiều cố gắng để cập nhật kiến thức nhưng thời gian, điều kiện, khả năng có hạn nên tài liệu chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Chúng tôi mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp để tài liệu được hoàn thiện hơn cho các lần tái bản sau. Hà Nội, tháng 12 năm 2006 Tác giả
4. 4. Chương 1: Nhập môn xử lý ảnh 3 CHƯƠNG 1: NHẬP MÔN XỬ LÝ ẢNH Học xong phần này sinh viên có thể nắm được: 1. Ý nghĩa, mục đích môn học; các ứng dụng của xử lý ảnh trong công nghiệp, đời sống 2. Các thành phần: xử lý và phân tích ảnh. Các khối chức năng, ý nghĩa của nó trong quy trình xử lý và phân tích ảnh. 3. Các khái niệm, định nghĩa ảnh số hóa. Tổng quan về biểu diễn ảnh. 4. Một số công cụ xử lý ảnh. Các vấn đề đặt ra với xử lý ảnh. 1.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG XỬ LÝ ẢNH Xử lý ảnh là một lĩnh vực mang tính khoa học và công nghệ. Nó là một ngành khoa học mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác nhưng tốc độ phát triển của nó rất nhanh, kích thích các trung tâm nghiên cứu, ứng dụng, đặc biệt là máy tính chuyên dụng riêng cho nó. Xử lý ảnh được đưa vào giảng dạy ở bậc đại học ở nước ta khoảng chục năm nay. Nó là môn học liên quan đến nhiều lĩnh vực và cần nhiều kiến thức cơ sở khác. Đầu tiên phải kể đến Xử lý tín hiệu số là một môn học hết sức cơ bản cho xử lý tín hiệu chung, các khái niệm về tích chập, các biến đổi Fourier, biến đổi Laplace, các bộ lọc hữu hạn… Thứ hai, các công cụ toán như Đại số tuyến tính, Sác xuất, thống kê. Một số kiến thứ cần thiết như Trí tuệ nhân tao, Mạng nơ ron nhân tạo cũng được đề cập trong quá trình phân tích và nhận dạng ảnh. Các phương pháp xử lý ảnh bắt đầu từ các ứng dụng chính: nâng cao chất lượng ảnh và phân tích ảnh. Ứng dụng đầu tiên được biết đến là nâng cao chất lượng ảnh báo được truyền qua cáp từ Luân đôn đến New York từ những năm 1920. Vấn đề nâng cao chất lượng ảnh có liên quan tới phân bố mức sáng và độ phân giải của ảnh. Việc nâng cao chất lượng ảnh được phát triển vào khoảng những năm 1955. Điều này có thể giải thích được vì sau thế chiến thứ hai, máy tính phát triển nhanh tạo điều kiện cho quá trình xử lý ảnh sô thuận lợi. Năm 1964, máy tính đã có khả năng xử lý và nâng cao chất lượng ảnh từ mặt trăng và vệ tinh Ranger 7 của Mỹ bao gồm: làm nổi đường biên, lưu ảnh. Từ năm 1964 đến nay, các phương tiện xử lý, nâng cao chất lượng, nhận dạng ảnh phát triển không ngừng. Các phương pháp tri thức nhân tạo như mạng nơ ron nhân tạo, các thuật toán xử lý hiện đại và cải tiến, các công cụ nén ảnh ngày càng được áp dụng rộng rãi và thu nhiều kết quả khả quan. Để dễ tưởng tượng, xét các bước cần thiết trong xử lý ảnh. Đầu tiên, ảnh tự nhiên từ thế giới ngoài được thu nhận qua các thiết bị thu [như Camera, máy chụp ảnh]. Trước đây, ảnh thu qua Camera là các ảnh tương tự [loại Camera ống kiểu CCIR]. Gần đây, với sự phát triển của công nghệ, ảnh màu hoặc đen trắng được lấy ra từ Camera, sau đó nó được chuyển trực tiếp thành ảnh số tạo thuận lợi cho xử lý tiếp theo. [Máy ảnh số hiện nay là một thí dụ gần gũi]. Mặt khác, ảnh cũng có thể tiếp nhận từ vệ tinh; có thể quét từ ảnh chụp bằng máy quét ảnh. Hình 1.1 dưới đây mô tả các bước cơ bản trong xử lý ảnh.
5. 5. Chương 1: Nhập môn xử lý ảnh 4 Hình 1.1 Các bước cơ bản trong xử lý ảnh Sơ đồ này bao gồm các thành phần sau: a] Phần thu nhận ảnh [Image Acquisition] Ảnh có thể nhận qua camera màu hoặc đen trắng. Thường ảnh nhận qua camera là ảnh tương tự [loại camera ống chuẩn CCIR với tần số 1/25, mỗi ảnh 25 dòng], cũng có loại camera đã số hoá [như loại CCD – Change Coupled Device] là loại photodiot tạo cường độ sáng tại mỗi điểm ảnh. Camera thường dùng là loại quét dòng ; ảnh tạo ra có dạng hai chiều. Chất lượng một ảnh thu nhận được phụ thuộc vào thiết bị thu, vào môi trường [ánh sáng, phong cảnh] b] Tiền xử lý [Image Processing] Sau bộ thu nhận, ảnh có thể nhiễu độ tương phản thấp nên cần đưa vào bộ tiền xử lý để nâng cao chất lượng. Chức năng chính của bộ tiền xử lý là lọc nhiễu, nâng độ tương phản để làm ảnh rõ hơn, nét hơn. c] Phân đoạn [Segmentation] hay phân vùng ảnh Phân vùng ảnh là tách một ảnh đầu vào thành các vùng thành phần để biểu diễn phân tích, nhận dạng ảnh. Ví dụ: để nhận dạng chữ [hoặc mã vạch] trên phong bì thư cho mục đích phân loại bưu phẩm, cần chia các câu, chữ về địa chỉ hoặc tên người thành các từ, các chữ, các số [hoặc các vạch] riêng biệt để nhận dạng. Đây là phần phức tạp khó khăn nhất trong xử lý ảnh và cũng dễ gây lỗi, làm mất độ chính xác của ảnh. Kết quả nhận dạng ảnh phụ thuộc rất nhiều vào công đoạn này. d] Biểu diễn ảnh [Image Representation] Đầu ra ảnh sau phân đoạn chứa các điểm ảnh của vùng ảnh [ảnh đã phân đoạn] cộng với mã liên kết với các vùng lận cận. Việc biến đổi các số liệu này thành dạng thích hợp là cần thiết cho xử lý tiếp theo bằng máy tính. Việc chọn các tính chất để thể hiện ảnh gọi là trích chọn đặc trưng [Feature Selection] gắn với việc tách các đặc tính của ảnh dưới dạng các thông tin định lượng hoặc làm cơ sở để phân biệt lớp đối tượng này với đối tượng khác trong phạm vi ảnh nhận được. Ví dụ: trong nhận dạng ký tự trên phong bì thư, chúng ta miêu tả các đặc trưng của từng ký tự giúp phân biệt ký tự này với ký tự khác. e] Nhận dạng và nội suy ảnh [Image Recognition and Interpretation] Thu nhận ảnh Tiền xử lý ảnh Phân đoạn ảnh Biểu diễn và mô tả Nhận dạng và nội suy Cơ sở tri thức
6. 6. Chương 1: Nhập môn xử lý ảnh 5 Nhận dạng ảnh là quá trình xác định ảnh. Quá trình này thường thu được bằng cách so sánh với mẫu chuẩn đã được học [hoặc lưu] từ trước. Nội suy là phán đoán theo ý nghĩa trên cơ sở nhận dạng. Ví dụ: một loạt chữ số và nét gạch ngang trên phong bì thư có thể được nội suy thành mã điện thoại. Có nhiều cách phân loai ảnh khác nhau về ảnh. Theo lý thuyết về nhận dạng, các mô hình toán học về ảnh được phân theo hai loại nhận dạng ảnh cơ bản: - Nhận dạng theo tham số. - Nhận dạng theo cấu trúc. Một số đối tượng nhận dạng khá phổ biến hiện nay đang được áp dụng trong khoa học và công nghệ là: nhận dạng ký tự [chữ in, chữ viết tay, chữ ký điện tử], nhận dạng văn bản [Text], nhận dạng vân tay, nhận dạng mã vạch, nhận dạng mặt người… f] Cơ sở tri thức [Knowledge Base] Như đã nói ở trên, ảnh là một đối tượng khá phức tạp về đường nét, độ sáng tối, dung lượng điểm ảnh, môi trường để thu ảnh phong phú kéo theo nhiễu. Trong nhiều khâu xử lý và phân tích ảnh ngoài việc đơn giản hóa các phương pháp toán học đảm bảo tiện lợi cho xử lý, người ta mong muốn bắt chước quy trình tiếp nhận và xử lý ảnh theo cách của con người. Trong các bước xử lý đó, nhiều khâu hiện nay đã xử lý theo các phương pháp trí tuệ con người. Vì vậy, ở đây các cơ sở tri thức được phát huy. Trong tài liệu, chương 6 về nhận dạng ảnh có nêu một vài ví dụ về cách sử dụng các cơ sở tri thức đó. g] Mô tả [biểu diễn ảnh] Từ Hình 1.1, ảnh sau khi số hoá sẽ được lưu vào bộ nhớ, hoặc chuyển sang các khâu tiếp theo để phân tích. Nếu lưu trữ ảnh trực tiếp từ các ảnh thô, đòi hỏi dung lượng bộ nhớ cực lớn và không hiệu quả theo quan điểm ứng dụng và công nghệ. Thông thường, các ảnh thô đó được đặc tả [biểu diễn] lại [hay đơn giản là mã hoá] theo các đặc điểm của ảnh được gọi là các đặc trưng ảnh [Image Features] như: biên ảnh [Boundary], vùng ảnh [Region]. Một số phương pháp biểu diễn thường dùng: • Biểu diễn bằng mã chạy [Run-Length Code] • Biểu diễn bằng mã xích [Chaine -Code] • Biểu diễn bằng mã tứ phân [Quad-Tree Code] Biểu diễn bằng mã chạy Phương pháp này thường biểu diễn cho vùng ảnh và áp dụng cho ảnh nhị phân. Một vùng ảnh R có thể mã hoá đơn giản nhờ một ma trận nhị phân: U[m, n] = 1 nếu [m, n] thuộc R U[ m, n] = 0 nếu [m, n] không thuộc R Trong đó: U[m, n] là hàm mô tả mức xám ảnh tại tọa độ [m, n]. Với cách biểu diễn trên, một vùng ảnh được mô tả bằng một tập các chuỗi số 0 hoặc 1. Giả sử chúng ta mô tả ảnh nhị phân của một vùng ảnh được thể hiện theo toạ độ [x, y] theo các chiều và đặc tả chỉ đối với giá trị “1” khi đó dạng mô tả có thể là: [x, y]r; trong đó [x, y] là toạ độ, r là số lượng các bit có giá trị “1” liên tục theo chiều ngang hoặc dọc. Biểu diễn bằng mã xích
7. 7. Chương 1: Nhập môn xử lý ảnh 6 Phương pháp này thường dùng để biểu diễn đường biên ảnh. Một đường bất kỳ được chia thành các đoạn nhỏ. Nối các điểm chia, ta có các đoạn thẳng kế tiếp được gán hướng cho đoạn thẳng đó tạo thành một dây xích gồm các đoạn. Các hướng có thể chọn 4, 8, 12, 24,… mỗi hướng được mã hoá theo số thập phân hoặc số nhị phân thành mã của hướng. Biểu diễn bằng mã tứ phân Phương pháp mã tứ phân được dùng để mã hoá cho vùng ảnh. Vùng ảnh đầu tiên được chia làm bốn phần thường là bằng nhau. Nếu mỗi vùng đã đồng nhất [chứa toàn điểm đen [1] hay trắng [0]], thì gán cho vùng đó một mã và không chia tiếp. Các vùng không đồng nhất được chia tiếp làm bốn phần theo thủ tục trên cho đến khi tất cả các vùng đều đồng nhất. Các mã phân chia thành các vùng con tạo thành một cây phân chia các vùng đồng nhất. Trên đây là các thành phần cơ bản trong các khâu xử lý ảnh. Trong thực tế, các quá trình sử dụng ảnh số không nhất thiết phải qua hết các khâu đó tùy theo đặc điểm ứng dụng. Hình 1.2 cho sơ đồ phân tích và xử lý ảnh và lưu đồ thông tin giữa các khối một cách khá đầy đủ. Anh sau khi được số hóa được nén, luuw lai để truyền cho các hệ thống khác sử dụng hoặc để xử lý tiếp theo. Mặt khác, ảnh sau khi số hóa có thể bỏ qua công đoạn nâng cao chất lượng [khi ảnh đủ chất lượng theo một yêu cầu nào đó] để chuyển tới khâu phân đoạn hoặc bỏ tiếp khâu phân đoạn chuyển trực tiếp tới khâu trích chọn đặc trưng. Hình 1.2 cũng chia các nhánh song song như: nâng cao chất lượng ảnh có hai nhánh phân biệt: nâng cao chất lượng ảnh [tăng độ sáng, độ tương phản, lọc nhiễu] hoặc khôi phục ảnh [hồi phục lại ảnh thật khi ảnh nhận được bị méo] v.v… Hình 1.2 Sơ đồ phân tích và xử lý ảnh và lưu đồ thông tin giữa các khối 1.2 NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ ẢNH 1.2.1 Điểm ảnh [Picture Element] Gốc của ảnh [ảnh tự nhiên] là ảnh liên tục về không gian và độ sáng. Để xử lý bằng máy tính [số], ảnh cần phải được số hoá. Số hoá ảnh là sự biến đổi gần đúng một ảnh liên tục thành một tập điểm phù hợp với ảnh thật về vị trí [không gian] và độ sáng [mức xám]. Khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được thiết lập sao cho mắt người không phân biệt được ranh giới giữa Thu ảnh Số hóa Nén ảnh Lưu ảnh Nâng chất lượng ảnh Khôi phục ảnh Phân đoạn Trích chọn đặc trưng Trích chọn quan hệ Phân tích thống kê / cấu trúc Ảnh tương tự Ảnh số Ảnh được cải tiến Mô tả và nội suy Truyền ảnh Cảnh quan [Scene] Thu nhận ảnh
8. 8. Chương 1: Nhập môn xử lý ảnh 7 chúng. 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 ứng với cặp tọa độ [x, y]. Định nghĩa: Điểm ảnh [Pixel] là một phần tử của ảnh số tại toạ độ [x, y] 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 [hoặc màu] của ảnh số gần như ảnh thật. Mỗi phần tử trong ma trận được gọi là một phần tử ảnh. 1.2.2 Độ phân giải của ảnh Định nghĩa: Độ phân giải [Resolution] của ảnh là mật độ điểm ảnh được ấn định trên một ảnh số được hiển thị. Theo định nghĩa, khoảng cách giữa các điểm ảnh phải được chọn sao cho mắt người vẫn thấy được sự liên tục của 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 [Color Graphic Adaptor] 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. Lý do: cùng một mật độ [độ phân giải] nhưng diện tích màn hình rộng hơn thì độ mịn [liên tục của các điểm] kém hơn. 1.2.3 Mức xám của ảnh Một điểm ảnh [pixel] có hai đặc trưng cơ bản là vị trí [x, y] của điểm ảnh và độ xám của nó. Dưới đây chúng ta xem xét một số khái niệm và thuật ngữ thường dùng trong xử lý ảnh. a] Định nghĩa: Mức xám của điểm ảnh là cường độ sáng của nó được gán bằng giá trị số tại điểm đó. b] Các thang giá trị mức xám thông thường: 16, 32, 64, 128, 256 [Mức 256 là mức phổ dụng. Lý do: từ kỹ thuật máy tính dùng 1 byte [8 bit] để biểu diễn mức xám: Mức xám dùng 1 byte biểu diễn: 28 =256 mức, tức là từ 0 đến 255]. c] Ảnh đen trắng: là ảnh có hai màu đen, trắng [không chứa màu khác] với mức xám ở các điểm ảnh có thể khác nhau. d] Ảnh nhị phân: ảnh chỉ có 2 mức đen trắng phân biệt tức dùng 1 bit mô tả 21 mức khác nhau. Nói cách khác: mỗi điểm ảnh của ảnh nhị phân chỉ có thể là 0 hoặc 1. e] Ảnh màu: trong khuôn khổ lý thuyết ba màu [Red, Blue, Green] để tạo nên thế giới màu, người ta thường dùng 3 byte để mô tả mức màu, khi đó các giá trị màu: 28*3 =224 ≈ 16,7 triệu màu. Chúng ta cầ đọc thêm sách tham khảo để có thêm thông tin về các khái niệm này. 1.2.4 Định nghĩa ảnh số Ảnh số là tập hợp các điểm ảnh với mức xám phù hợp dùng để mô tả ảnh gần với ảnh thật. 1.2.5 Quan hệ giữa các điểm ảnh
9. 9. Chương 1: Nhập môn xử lý ảnh 8 Một ảnh số giả sử được biểu diễn bằng hàm f[x, y]. Tập con các điểm ảnh là S; cặp điểm ảnh có quan hệ với nhau ký hiệu là p, q. Chúng ta nêu một số các khái niệm sau. a] Các lân cận của điểm ảnh [Image Neighbors] * Giả sử có điểm ảnh p tại toạ độ [x, y]. p có 4 điểm lân cận gần nhất theo chiều đứng và ngang [có thể coi như lân cận 4 hướng chính: Đông, Tây, Nam, Bắc]. {[x-1, y]; [x, y-1]; [x, y+1]; [x+1, y]} = N4[p] trong đó: số 1 là giá trị logic; N4[p] tập 4 điểm lân cận của p. Hình 1.3 Lân cận các điểm ảnh của tọa độ [x,y] * Các lân cận chéo: Các điểm lân cận chéo NP[p] [Có thể coi lân cận chéo la 4 hướng: Đông-Nam, Đông-Bắc, Tây-Nam, Tây-Bắc] Np[p] = { [x+1, y+1]; [x+1, y-1]; [x-1, y+1]; [x-1, y-1]} * Tập kết hợp: N8[p] = N4[p] + NP[p] là tập hợp 8 lân cận của điểm ảnh p. * Chú ý: Nếu [x, y] nằm ở biên [mép] ảnh; một số điểm sẽ nằm ngoài ảnh. b] Các mối liên kết điểm ảnh. Các mối liên kết được sử dụng để xác định giới hạn [Boundaries] của đối tượng vật thể hoặc xác định vùng trong một ảnh. Một liên kết được đặc trưng bởi tính liền kề giữa các điểm và mức xám của chúng. Giả sử V là tập các giá trị mức xám. Một ảnh có các giá trị cường độ sáng từ thang mức xám từ 32 đến 64 được mô tả như sau : V={32, 33, … , 63, 64}. Có 3 loại liên kết. * Liên kết 4: Hai điểm ảnh p và q được nói là liên kết 4 với các giá trị cường độ sáng V nếu q nằm trong một các lân cận của p, tức q thuộc N4[p] * Liên kết 8: Hai điểm ảnh p và q nằm trong một các lân cận 8 của p, tức q thuộc N8[p] * Liên kết m [liên kết hỗn hợp]: Hai điểm ảnh p và q với các giá trị cường độ sáng V được nói là liên kết m nếu. 1. q thuộc N4[p] hoặc 2. q thuộc NP[p] c] Đo khoảng cách giữa các điểm ảnh. [x -1, y-1] [x, y-1] [x+1, y-1] [x -1, y] [x, y] [x+1, y] [x-1, y+1] [x, y+1] [x+1, y+1] Đông Tâyx Nam Bắc y
10. 10. Chương 1: Nhập môn xử lý ảnh 9 Định nghĩa: Khoảng cách D[p, q] giữa hai điểm ảnh p toạ độ [x, y], q toạ độ [s, t] là hàm khoảng cách [Distance] hoặc Metric nếu: 1.D[p,q] ≥ 0 [Với D[p,q]=0 nếu và chỉ nếu p=q] 2.D[p,q] = D[q,p] 3.D[p,z] ≤ D[p,q] + D[q,z]; z là một điểm ảnh khác. Khoảng cách Euclide: Khoảng cách Euclide giữa hai điểm ảnh p[x, y] và q[s, t] được định nghĩa như sau: De[p, q] = [[x - s]2 + [y - t]2 ]1/2 Khoảng cách khối: Khoảng cách D4[p, q] được gọi là khoảng cách khối đồ thị [City- Block Distance] và được xác định như sau: D4[p,q] = | x - s | + | y - t | Giá trị khoảng cách giữa các điểm ảnh r: giá trị bán kính r giữa điểm ảnh từ tâm điểm ảnh đến tâm điểm ảnh q khác. Ví dụ: Màn hình CGA 12” [12”*2,54cm = 30,48cm=304,8mm] độ phân giải 320*200; tỷ lệ 4/3 [Chiều dài/Chiều rộng]. Theo định lý Pitago về tam giác vuông, đường chéo sẽ lấy tỷ lệ 5 phần [5/4/3: đường chéo/chiều dài/chiều rộng màn hình]; khi đó độ dài thật là [305/244/183] chiều rộng màn hình 183mm ứng với màn hình CGA 200 điểm ảnh theo chiều dọc. Như vậy, khoảng cách điểm ảnh lân cận của CGA 12” là ≈ 1mm. Khoảng cách D8[p, q] còn gọi là khoảng cách bàn cờ [Chess-Board Distance] giữa điểm ảnh p, q được xác định như sau: D8[p,q] = max [| x-s | , | y-t |] 1.2.6 Các thành phần cơ bản của hệ thống xử lý ảnh Hình 1.3 Các thành phần chính của hệ thống xử lý ảnh. Theo quan điểm của quy trình xử lý, chúng ta đã thể hiện các khối cơ bản trên Hình 1.1, các khối chi tiết và luồng thông tin trên Hình 1.2. Theo quan điểm của hệ thống xử lý trên máy tính số, hệ thống gồm các đầu đo [thu nhận ảnh]; bộ số hóa ; máy tính số; Bộ hiển thị; Bộ nhớ. Các thành phần này không nhắc lại ở đây [đọc thêm giáo trình cấu trúc máy tính]. Một hệ thống xử lý ảnh cơ bản có thể gồm: máy tính cá nhân kèm theo vỉ mạch chuyển đổi đồ hoạ VGA hoặc SVGA, đĩa chứa các ảnh dùng để kiểm tra các thuật toán và một màn hình có hỗ trợ VGA hoặc SVGA. Nếu điều kiện cho phép, nên có một hệ thống như Hình 1.4. bao gồm Bộ nhớ Máy tính sốBộ số hóaĐầu đo Bộ hiển thị
11. 11. Chương 1: Nhập môn xử lý ảnh 10 một máy tính PC kèm theo thiết bị xử lý ảnh. Nối với cổng vào của thiết bị thu nhận ảnh là một video camera, và cổng ra nối với một màn hình. Thực tế, phần lớn các nghiên cứu của chúng ta được đưa ra trên ảnh mức xám [ảnh đen trắng]. Bởi vậy, hệ thống sẽ bao gồm một thiết bị xử lý ảnh đen trắng và một màn hình đen trắng. Ảnh mức xám được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như sinh vật học hoặc trong công nghiệp. Thực tế chỉ ra rằng bất kỳ ứng dụng nào trên ảnh, mức xám cũng ứng dụng được trên ảnh màu. Với lý do đó, hệ thống ban đầu nên chỉ bao gồm cấc thiết bị thu nhận và hiển thị ảnh đen trắng. Với ảnh màu, nên sử dụng một hệ thống mới như Hình 1.3, trừ trường hợp bạn cần một camera TV màu và một màn hình đa tần số [ví dụ như NEC MultiSync, Sony Multiscan, hoặc Mitsubishi Diamond Scan] để hiển thị ảnh màu. Nếu khả năng hạn chế, có thể dùng PC kèm theo vỉ mạch VGA và màn hình VGA, để dựng ảnh được. Hình 1.4 Một hệ thống xử lý ảnh. 1.3 NHỮNG VẤN ĐỀ KHÁC TRONG XỬ LÝ ẢNH 1.3.1 Biến đổi ảnh [Image Transform] Trong xử lý ảnh do số điểm ảnh lớn các tính toán nhiều [độ phức tạp tính toán cao] đòi hỏi dung lượng bộ nhớ lớn, thời gian tính toán lâu. Các phương pháp khoa học kinh điển áp dụng cho xử lý ảnh hầu hết khó khả thi. Người ta sử dụng các phép toán tương đương hoặc biến đổi sang miền xử lý khác để dễ tính toán. Sau khi xử lý dễ dàng hơn được thực hiện, dùng biến đổi ngược để đưa về miền xác định ban đầu, các biến đổi thường gặp trong xử lý ảnh gồm: - Biến đổi Fourier, Cosin, Sin - Biến đổi [mô tả] ảnh bằng tích chập, tích Kronecker [theo xử lý số tín hiệu [3]] - Các biến đổi khác như KL [Karhumen Loeve], Hadamard Một số các công cụ sác xuất thông kê cũng được sử dụng trong xử lý ảnh. Do khuôn khổ tài liệu hướng dẫn có hạn, sinh viên đọc thêm các tài liệu [1, 2, 3, 4, 5] để nắm được các phương pháp biến đổi và một số phương pháp khác được nêu ở đây. M¸y tÝnh c¸ nh©n Mμn h×nh video Mμn h×nh ®å ho¹ vμ v¨n b¶n C a m e r a truyÒn h×nh víi èng kÝnh cã kh¶ n¨ng phãng to, thu nhá. §Õn thiÕt bÞ nhËn ¶nh ThiÕt bÞ nhËn ¶nh §Õn mμn h×nh video
12. 12. Chương 1: Nhập môn xử lý ảnh 11 1.3.2 Nén ảnh Ảnh dù ở dạng nào vẫn chiếm không gian nhớ rất lớn. Khi mô tả ảnh người ta đã đưa kỹ thuật nén ảnh vào. Các giai đoạn nén ảnh có thể chia ra thế hệ 1, thế hệ 2. Hiện nay, các chuẩn MPEG được dùng với ảnh đang phát huy hiệu quả. Một số phương pháp, thuật toán nén đề cập ở các chương 7. CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Trình bày các thành phần và lưu đồ thông tin giữa các khối trong quá trình xử lý ảnh. 2. Nêu khái niệm và định nghĩa điểm ảnh. 3. Thế nào là độ phân giải ảnh, cho ví dụ? 4. Trình bày định nghĩa mức xám, cho ví dụ. 5. Nêu quan hệ giữa các điểm ảnh. 6. Trình bày về khoảng cách đo và phân loại khoảng cách giữa các điểm ảnh. 7. Nêu ý nghĩa của các phép biến đổi ảnh, liệt kê một số phép biến đổi và cho ví dụ.
13. 13. Chương 2: Thu nhận ảnh 12 CHƯƠNG 2: THU NHẬN ẢNH Học xong phần này sinh viên có thể nắm được: 1. Các thiết bị thu nhận ảnh; 2. Lấy mẫu và lượng tử hoá 3. Một số phương pháp biểu diễn ảnh 4. Các định dạng ảnh cơ bản 5. Kỹ thuật tái nhận ảnh 6. Khái niệm ảnh đen trắng và ảnh màu 2.1 CÁC THIẾT BỊ THU NHẬN ẢNH Hai thành phần cho công đoạn này là linh kiện nhạy với phổ năng lượng điện từ trường, loại thứ nhất tạo tín hiệu điện ở đầu ra tỷ lệ với mức năng lượng mà bộ cảm biến [đại diện là camera]; loại thứ hai là bộ số hoá. 2.1.1 Bộ cảm biến ảnh Máy chụp ảnh, camera có thể ghi lại hình ảnh [phim trong máy chụp, vidicon trong camera truyền hình]. Có nhiều loại máy cảm biến [Sensor] làm việc với ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại như: Micro Densitometers, Image Dissector, Camera Divicon, linh kiện quang điện bằng bán dẫn. Các loại cảm biến bằng chụp ảnh phải số hoá là phim âm bản hoặc chụp ảnh. Camera divicon và linh kiện bán dẫn quang điện có thể cho ảnh ghi trên băng từ có thể số hoá. Trong Micro Densitometer phim và ảnh chụp được gắn trên mặt phẳng hoặc cuốn quang trống. Việc quét ảnh thông qua tia sáng [ví dụ tia Laser] trên ảnh đồng thời dịch chuyển mặt phim hoặc quang trống tương đối theo tia sáng. Trường hợp dùng phim, tia sáng đi qua phim. Bây giờ chúng ta đề cập đến tất cả các khối trong hệ thống. Thiết bị nhận ảnh. Chức năng của thiết bị này là số hóa một băng tần số cơ bản của tớn hiệu truyền hình cung cấp từ một camera, hoặc từ một đầu máy VCR. Ảnh số sau đó được lưu trữ trong bộ đệm chính. Bộ đệm này có khả năng được địa chỉ hóa [nhờ một PC] đến từng điểm bằng phần mềm. Thông thường thiết bị này có nhiều chương trình con điều khiển để có thể lập trình được thông qua ngôn ngữ C. Khi mua một thiết cần chú ý cácc điểm sau: 1. Thiết bị có khả năng số hóa ảnh ít nhất 8 bit [256 mức xỏm] và ảnh thu được phải có kích thước ít nhất là 512×512 điểm hoặc hơn. 2. Thiết bị phải chứa một bộ đệm ảnh để lưu trữ một hoặc nhiều ảnh có độ phân giải 512×512 điểm ảnh. 3. Thiết bị phải được kèm một bộ đầy đủ thư viện các chương trình con có khả năng giao diện với các chương trình C viết bằng Turbo C hoặc Microsoft C. 4. Sổ tay hướng dẫn sử dụng phải được kèm theo, gồm cả dạng chứa trên đĩa và khi in.
14. 14. Chương 2: Thu nhận ảnh 13 5. Một số thiết bị cho phép tuỳ chọn sử dụng cả hai chế độ văn bản và đồ hoạ trên cùng một màn hình hoặc hai màn hình riêng biệt. Mặc dù chi tiết này là không cần thiết, nhưng nó sẽ rất có giá trị trong trường hợp bị giới hạn về không gian lắp đặt hoặc khả năng tài chính. Camera. Tổng quát có hai kiểu camera: kiểu camera dùng đèn chân không và kiểu camera chỉ dùng bán dẫn. Đặc biệt là trong lĩnh vực này, camera bán dẫn thường hay được dùng hơn camera đèn chân không. Camera bán dẫn cũng được gọi là CCD camera do dùng các thanh ghi dịch đặc biệt gọi là thiết bị gộp [Charge-Coupled Devices- CCDs]. Các CCD này chuyển các tín hiệu ảnh sang từ bộ cảm nhận ánh sáng bổ trợ ở phía trước camera thành các tín hiệu điện mà sau đó được mã hóa thành tín hiệu TV. Loại camera chất lượng cao cho tín hiệu ít nhiễu và có độ nhậy cao với ánh sáng. Khi chọn camera cần chú ý đến các thấu kính từ 18 đến 108 mm. Sau đây là danh sách các nhà sản xuất: 1. Pulnix America Inc, 770 Lucerne Drive, Sunnyvale, CA 84086. Tel. 408-773-1550; fax 408-737-2966. 2. Sony Corp. of America, Component Products Co., 10833 Valley View St., Cypress, CA 90630. Fax 714-737-4285. 3. Parasonic, industrial camera division: 201-329-6674. 4. JVC Professional: 1-800-JVC-5825. Màn hình video. Một số nhà sản xuất [như Sony] sản xuất các loại màn hình đen trắng chất lượng cao. Nên sử dụng loại màn hình chất lượng cao, vì màn hình chất lượng thấp có thể làm bạn nhầm lẫn kết quả. Một màn hình 9 inch là đủ cho yêu cầu làm việc. Để hiển thị ảnh màu, nên dùng một màn hình đa hệ. Máy tính. Cần có một máy tính P4 hoặc cấu hình cao hơn. Để chắc chắn, các máy này phải có sẵn các khe cắm cho phần xử lý ảnh. Các chương trình thiết kế và lọc ảnh có thể chạy trên bất kỳ hệ thống nào. Các chương trình con hiển thị ảnh dựng vỉ mạch VGA và có sẵn trên đĩa kèm theo. Các chương trình con hiển thị ảnh cũng hỗ trợ cho hầu hết các vỉ mạch SVGA. 2.1.2 Hệ tọa độ màu a] Khái niệm Tổ chức quốc tế về chuẩn hóa màu CIE [Commission Internationale d’Eclairage] đưa ra một số chuẩn để biểu diễn màu. Các hệ này có các chuẩn riêng. Hệ chuẩn màu CIE-RGB dùng 3 màu cơ bản R, G, B và ký hiệu RGBCIE để phân biệt với các chuẩn khác. Như đã nêu trên, một màu là tổ hợp của các màu cơ bản theo một tỷ lệ nào đó. Như vậy, mỗi pixel ảnh màu ký hiệu Px, được viết: [T: trong công thức dướ đây là ký hiệu chuyển vị] [ ]T x bluegreenredP ,,= Người ta dùng hệ tọa độ ba màu R-G-B [tương ứng với hệ tọa độ x-y-z] để biểu diễn màu như sau:
15. 15. Chương 2: Thu nhận ảnh 14 Hình 2.1 Hệ tọa độ RGB Trong cách biểu diễn này ta có công thức: đỏ + lục + lơ =1 Công thức này gọi là công thức Maxwell. Trong hình trên, tam giác tạo bởi ba đường đứt đoạn gọi là tam giác Maxwell. Màu trắng trong hệ tọa độ này được tính bởi: trắngCIE = [đỏCIE + lụcCIE + lơCIE] = 1 b] Biến đổi hệ tọa độ màu Hệ tọa độ màu do CIE đề xuất có tác dụng như một hệ quy chiếu và không biểu diễn hết các màu. Trên thực tế, phụ thuộc vào các ứng dụng khác nhau người ta đưa ra các hệ biểu diễn màu khác nhau. Thí dụ: - Hệ NTSC: dùng 3 màu R, G, B áp dụng cho màn hình màu, ký hiệu RGBNTSC; - Hệ CMY [Cyan Magenta Yellow]: thường dùng cho in ảnh màu; - Hệ YIQ: cho truyền hình màu. Việc chuyển đổi giữa các không gian biểu diễn màu được thực hiện theo nguyên tắc sau: Nếu gọi χ là không gian biểu diễn các màu ban đầu; χ’ không gian biểu diễn màu mới A là ma trận biểu diễn phép biến đổi. Ta có quan hệ sau: χ’ = Aχ Ví dụ, biến đổi hệ tọa độ màu RGBCIE sang hệ tọa độ màu RGBNTSC ta có các véc tơ tương ứng: ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = CIE CIE CIE x B G R P và ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = NTSC NTSC NTSC x B G R P ' Công thức chuyển đổi được viết dưới dạng ma trận: ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − −− = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ NTSC NTSC NTSC CIE CIE CIE B G R B G R 128.1059.0001.0 159.0753.0114.0 151.0146.0167.1 Green [lục] Blue [lơ] Red [đỏ] [1,0,0] đỏ [1,1,0] vàng [0,1,0] lục [0,1,1] tím xanh[0,0,1] lơ [1,0,1] tím [1,1,1] trắng [0,0,0] đen
16. 16. Chương 2: Thu nhận ảnh 15 Một số các biến đôi của các hệ tọa độ màu khác, học viên có thể tham khảo các tài liệu [1, 3, 7]. 2.2 LẤY MẪU VÀ LƯỢNG TỬ HÓA 2.2.1 Giới thiệu Một ảnh g[x, y] ghi được từ Camera là ảnh liên tục tạo nên mặt phẳng hai chiều. Ảnh cần chuyển sang dạng thích hợp để xử lí bằng máy tính. Phương pháp biến đổi một ảnh [hay một hàm] liên tục trong không gian cũng như theo giá trị thành dạng số rời rạc được gọi là số hoá ảnh. Việc biến đổi này có thể gồm hai bước: Bước 1: Đo giá trị trên các khoảng không gian gọi là lấy mẫu Bước 2: Ánh xạ cường độ [hoặc giá trị] đo được thành một số hữu hạn các mức rời rạc gọi là lượng tử hoá. 2.2.2 Lấy mẫu Lấy mẫu là một quá trình, qua đó ảnh được tạo nên trên một vùng có tính liên tục được chuyển thành các giá trị rời rạc theo tọa độ nguyên. Quá trình này gồm 2 lựa chọn: - Một là: khoảng lấy mẫu. - Hai là: cách thể hiện dạng mẫu. Lựa chọn thứ nhất được đảm bảo nhờ lý thuyết lấy mẫu của Shannon. Lựa chọn thứ hai liên quan đến độ đo [Metric] được dùng trong miền rời rạc. Khoảng lấy mẫu [Sampling Interval] Ảnh lấy mẫu có thể được mô tả như việc lựa chọn một tập các vị trí lấy mẫu trong không gian hai chiều liên tục. Đầu tiên mô tả qua quá trình lấy mẫu một chiều với việc sử dụng hàm delta: [ ] 0 00 0 = ≠ ⎩ ⎨ ⎧ ∞ =− x x khi khi xxδ [2-1] ∫ ∫ ∞ ∞− + − =−=− 0 0 1][][ 00 x x dxxxdxxx δδ [2-2] Tiếp theo chúng ta định nghĩa hàm răng lược với các khoảng xΔ như sau: ∑ ∞ −∞= Δ−= r xrxxComb ][][ δ [2-3] với r là số nguyên, xΔ : khoảng lấy mẫu Như vậy, hàm răng lược là chuỗi các xung răng lược từ [-∞ đến +∞]. Giả sử hàm một chiều g[x] được mô tả [gần đúng] bằng g[r xΔ ] tức là: ][][ xrgxg Δ≈ [2-4] Khi đó tín hiệu lấy mẫu được mô hình hoá ∑ ∞ −∞= Δ−== r s xrxxgxcombxgxg ][][][][][ δ [2-5]
17. 17. Chương 2: Thu nhận ảnh 16 hoặc tương đương ∑ ∞ −∞= Δ−Δ= r s xrxxrgxg ][][][ δ [2-6] Trong thực tế, r không thể tính được trong khoảng vô hạn [từ ∞− đến +∞ ] mà là một số lượng xNΔ mẫu lớn cụ thể. Như vậy, để đơn giản có thể nói hàm liên tục g[x] có thể biểu diễn trên một miền với độ dài xNΔ mẫu thành chuỗi như sau: }{ ]]1[[],...,2[],[],0[][ xNgxgxggxg Δ−ΔΔ≈ [2-7] Chú ý 1: Khoảng lấy mẫu [Sampling Interval] xΔ là một tham số cần phải được chọn đủ nhỏ, thích hợp, nếu không tín hiệu thật không thể khôi phục lại được từ tín hiệu lấy mẫu. Chú ý 2: Từ lý thuyết về xử lý tín hiệu số [5], [2-6] là tích chập trong miền không gian x. Mặt khác [2-6] tương đương với tích chập trong miền tần số ω tức là biến đổi Fourier của gs[x] là ][ xsG ω . ][ 1 ][ x k G x G K xxs Δ − Δ = ∑ ∞ −∞= ωω [2-8] trong đó xω là giá trị tần số ứng với giái trị x trong miền không gian. Điều kiện khôi phục ảnh lấy mẫu về ảnh thật được phát biểu từ định lý lẫy mẫu của Shannon. Định lý lấy mẫu của Shannon [5] Giả sử g[x] là một hàm giới hạn giải [Band Limited Function] và biến đổi Fourier của nó là 0][ =xG ω đối với các giá trị xx W>ω . Khi đó g[x] có thể được khôi phục lại từ các mẫu được tạo tại các khoảng xΔ đều đặn. Tức là xΔ xω2 1 ≤ [2-9] Định lý lẫy mẫu của Shannon có thể mở rộng cho không gian hai chiều. Hàm răng lược hai chiều khi đó được xác định: comb[x,y]= ∑ ∑ ∞ −∞= ∞ −∞= Δ−Δ− n m ymyxnx ]][[δ [2-10] Hàm lấy mẫu hai chiều thu được: ],[],[],[],[],[ ymyxnxyxgyxcombyxgyxg n m s Δ−Δ−== ∑ ∑ ∞ −∞= ∞ −∞= [2-11] và yx ΔΔ , được chọn thoả mãn các điều kiện tương ứng theo định lý lấy mẫu của Shannon khi đó sẽ: y y x x ωω 2 1 ; 2 1 ≤Δ≤Δ [2-12] Tương tự như không gian một chiều, một tín hiệu ảnh hai chiều g[x,y] có thể xấp xỉ trong khoảng [N, M] có thể được ước lượng như sau : }{ ]1,1[],...,1,1[],...,1,1[],0,1[],1,0[],...,1,0[],0,0[],[],[ −−−−=ΔΔ≈ MNgNgggNgggymxngyxg [2-13]
18. 18. Chương 2: Thu nhận ảnh 17 Các dạng lấy mẫu [Tesselation] Dạng lẫy mẫu [Tesselation] điểm ảnh là cách bài trí các điểm mẫu trong không gian hai chiều. Một số dạng mẫu điểm ảnh được cho là dạng chữ nhật, tam giác, lục giác. Mỗi một mẫu, ngoài việc thể hiện hình dáng còn cho biết đặc điểm liên thông của chúng. Ví dụ, mẫu chữ nhật có liên thông 4 hoặc 8 [nói về các mẫu liền kề]; mẫu lục giác có liên thông 6; mẫu tam giác có liên thông 3 hoặc 6. a] Mẫu điểm ảnh chữ nhật b] Mẫu điểm ảnh tam giác c] Mẫu điểm ảnh lục giác Hình 2.2 Các dạng mẫu điểm ảnh Cần chú ý rằng tài liệu này chỉ xét các mẫu điểm ảnh hình chữ nhật, đặc biệt là dạng hình vuông. Nhiều trường hợp ứng dụng có dùng đến các các mẫu tam giác hoặc lục giác. 2.2.3 Lượng tử hóa Lượng tử hoá là một quá trình lượng hoá tín hiệu thật dùng chung cho các loại xử lý tín hiệu trên cơ sở máy tính. Vấn đề này đã được nghiên cứu kỹ lưỡng và có nhiều lời giải lý thuyết dưới nhiều giả định của các nhà nghiên cứu như Panter và Dite [1951], Max [1960], Panter [1965] [5]. Các giá trị lấy mẫu Z là một tập các số thực từ giá trị Zmin đến lớn nhất Zmax. Mỗi một số trong các giá trị mẫu Z cần phải biến đổi thành một tập hữu hạn số bit để máy tính lưu trữ hoặc xử lý. Định nghĩa: Lượng tử hoá là ánh xạ từ các số thực mô tả giá trị lấy mẫu thành một giải hữu hạn các số thực. Nói cách khác, đó là quá trình số hoá biên độ. Zmin Zmax l1 l2 l3 l4 lN-1 lN Hình 2.3 Khuông lượng tử theo L mức xám.
19. 19. Chương 2: Thu nhận ảnh 18 Giả sử Z là một giá trị lấy mẫu [số thực] tại vị trí nào đó của mặt phẳng ảnh, và Zmin