Bài giảng Nhập môn xử lý ảnh số - Chương 1: Nhập môn xử lý ảnh

Nội dung text: Bài giảng Nhập môn xử lý ảnh số - Chương 1: Nhập môn xử lý ảnh

1. NHẬP MÔN XỬ LÝ ẢNH SỐ 1
2. Nội dung môn học • Chương 1. Nhập môn xử lý ảnh • Chương 2. Thu nhận ảnh • Chương 3. Các công cụ hỗ trợ xử lý ảnh số • Chương 4. Xử lý nâng cao chất lượng ảnh • Chương 5. Các phương pháp phát hiện biên ảnh • Chương 6. Phân vùng ảnh • Chương 7. Nhận dạng ảnh • Chương 8. Nén dữ liệu ảnh 2
3. CHƢƠNG 1: NHẬP MÔN XỬ LÝ ẢNH (introduction to digital image processing) 3
4. 1.1 Tổng quan về một 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. 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). 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. 4
5. 1.1 Tổng quan về một hệ thống xử lý ảnh LƢU TRỮ camera Biểu diễn Nhận dạng và Tiền xử Thu nhận và mô tả nội suy lý ảnh Phân tích ảnh ảnh SENSOR L•u tr÷ HỆ QUY ĐỊNH Cơ sở tri thức Hình 1.1.a. Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh 5
6. 1.1 Tổng quan về một hệ thống xử lý ảnh 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. 6
7. 1.1 Tổng quan về một hệ thống xử lý ảnh 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. e) Nhận dạng và nội suy ảnh (Image Recognition and Interpretation) 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. 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. 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. 7
8. 1.1 Tổng quan về một hệ thống xử lý ảnh g) Mô tả (biểu diễn ảnh) Ảnh sau khi số hoá sẽ được lưu vào bộ nhớ, hoặc chuyển sang các khâu tiếp theo để phân tích. 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 Biểu diễn bằng mã xích Phương pháp này thường dùng để biểu diễn đường biên ảnh. Một đường bất kỳ được chia thành các đoạn nhỏ. 8
9. 1.1 Tổng quan về một hệ thống xử lý ảnh 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. • Với các giai đoạn trên, một hệ thống xử lý ảnh (cấu trúc phần cứng theo chức năng) gồm các thành phần tối thiểu nhƣ hình 1.1.b. 9
10. 1.1 Tổng quan về một hệ thống xử lý ảnh Màn hình đồ hoạ Bộ xử lý tƣơng Bộ nhớ ảnh Camera tự Bộ xử lý ảnh số Máy chủ Bộ nhớ ngoài Màn hình Bàn phím Máy in Hình 1.1.b. Các thành phần chính của hệ thống xử lý ảnh 10
11. 1.1 Tổng quan về một hệ thống xử lý ảnh • Đối với một hệ thống xử lý ảnh thu nhận qua camera-camera như là con mắt của hệ thống. • Bộ xử lý tương tự (analog processor). Bộ phận này thực hiện các chức năng sau: - Chọn camera thích hợp nếu hệ thống có nhiều camera. - Chọn màn hình hiển thị tín hiệu - Thu nhận tín hiệu video thu nhận bởi bộ số hoá(digitalizer). Thực hiện lấy mẫu và mã hoá. - Tiền xử lý ảnh khi thu nhận: dùng kỹ thuật bảng tra (Look Up Table - LUT). • Bộ xử lý ảnh số. Gồm nhiều bộ xử lý chuyên dụng: xử lý lọc, trích chọn đường bao, nhị phân hoá ảnh. Các bộ xử lý này làm việc với tốc độ 1/25 giây. • Máy chủ. Đóng vai trò điều khiển các thành phần miêu tả ở trên. • Bộ nhớ ngoài: Dữ liệu ảnh cũng như các kiểu dữ liệu khác, để có thể chuyển giao cho các quá trình khác, nó cần được lưu trữ. 11
12. 1.2 Những vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 1.2.1 Điểm ảnh (Picture Element) Ảnh trong thực tế 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 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. 12
13. 1.2 Những vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 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. • Định nghĩa: Mức xám của điểm ảnh là cường độ sáng của nó được gán bằng giá trị số tại điểm đó. • Các thang giá trị mức xám thông thƣờng: 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). • Ảnh đen trắng: 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. • 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. 13
14. 1.2 Những vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 1.2.4 Biểu diễn ảnh • Trong biểu diễn ảnh, người ta thường dùng các phần tử đặc trưng của ảnh là pixel. Nhìn chung có thể xem một hàm hai biến chứa các thông tin như biểu diễn của một ảnh. Các mô hình biểu diễn ảnh cho ta một mô tả lô gic hay định lượng các tính chất của hàm này. Trong biểu diễn ảnh cần chú ý đến tính trung thực của ảnh hoặc các tiêu chuẩn “thông minh” để đo chất lượng ảnh hoặc tính hiệu quả của các kỹ thuật xử lý. 1.2.5 Tăng cƣờng ảnh - khôi phục ảnh • Tăng cường ảnh là bước quan trọng, tạo tiền đề cho xử lý ảnh. Nó gồm một loạt các kỹ thuậy như: lọc độ tương phản, khử nhiễu, nổi màu, v v. f( , ) g(x, y) nhiÔu  ¶nh ®Çu hÖ thèng thu ¶nh ®Çu nhËn ¶nh vµo f( , ) ra g(x, y) H×nh 1.3 ¶nh biÕn d¹ng do nhiÔu 14
15. 1.2 Những vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 1.2.6 Biến đổi ảnh • Thuật ngữ biến đổi ảnh (Image Transform) thường dùng để nói tới một lớp các ma trận đơn vị và các kỹ thuật dùng để biến đổi ảnh. Cũng như các tín hiệu một chiều được biểu diễn bởi một chuỗi các hàm cơ sở, ảnh cũng có thể được biểu diễn bởi một chuỗi rời rạc các ma trận cơ sở gọi là ảnh cơ sở. Phương trình ảnh cơ sở có dạng: • A*(k,l )= a(k) a(l)*T, với a(k) là cột thứ k của ma trận A. A là ma trận đơn vị. Có nghĩa là A A*T = E. Các A*(k,l) định nghĩa ở trên với k,l = 0,1, , N-1 là ảnh cơ sở. Có nhiều loại biến đổi được dùng như : - Biến đổi Fourier, Sin, Cosin, Hadamard,. . . - Tích Kronecker - Biến đổi KL (Karhumen Loeve): biến đổi này có nguồn gốc từ khai triển của các quá trình ngẫu nhiên gọi là phương pháp trích chọn các thành phần chính. 1.2.7. Phân tích ảnh • Phân tích ảnh liên quan đến việc xác định các độ đo định lượng của một ảnh để đưa ra một mô tả đầy đủ về ảnh. Các kỹ thuật được sử dụng ở đây nhằm mục đích xác định biên của ảnh. Có nhiều kỹ thuật khác nhau như lọc vi phân hay dò theo quy hoạch động. • Người ta cũng dùng các kỹ thuật để phân vùng ảnh. Từ ảnh thu được, người ta tiến hành kỹ thuật tách (split) hay hợp (fusion) dựa theo các tiêu chuẩn đánh giá như: màu sắc, cường độ, v v. 15
16. 1.2 Những vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 1.2.8. Nhận dạng ảnh • Nhận dạng ảnh là quá trình liên quan đến các mô tả đối tượng mà người ta muốn đặc tả nó. Quá trình nhận dạng thường đi sau quá trình trích chọn các đặc tính chủ yếu của đối tượng. Có hai kiểu mô tả đối tượng: - Mô tả tham số (nhận dạng theo tham số). - Mô tả theo cấu trúc ( nhận dạng theo cấu trúc). 1.2.9. Nén ảnh • Dữ liệu ảnh cũng như các dữ liệu khác cần phải lưu trữ hay truyền đi trên mạng. Như đã nói ở trên, lượng thông tin để biểu diễn cho một ảnh là rất lớn. Trong phần 1.1 chúng ta đã thấy một ảnh đen trắng cỡ 512 x 512 với 256 mức xám chiếm 256K bytes. Do đó làm giảm lượng thông tin hay nén dữ liệu là một nhu cầu cần thiết. 16