Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG BÙI NGỌC HUY

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT XỬ LÝ NHIỄU,
HIỆU CHỈNH ẢNH NHỊ PHÂN VÀ ỨNG DỤNG CHO
PHIẾU THI TRẮC NGHIỆM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
Mã số: 60 48 01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS NGÔ QUỐC TẠO Thái Nguyên - 2013Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn “Nghiên cứu kỹ thuật xử lý nhiễu, hiệu chỉnh
ảnh nhị phân và ứng dụng cho phiếu thi trắc nghiệm” là công trình nghiên cứu
của tôi, có sự hỗ trợ từ Giáo viên hƣớng dẫn là PGS. TS. Ngô Quốc Tạo. Các
nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chƣa từng
đƣợc ai công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu nào trƣớc đây.

học tập và làm việc tại trƣờng.
Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, quan
tâm, giúp đỡ tôi hoàn thành khóa học và luận văn.
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

iii
MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN vi
MỞ ĐẦU 1
Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ NHIỄU VÀ HIỆU CHỈNH ẢNH 3
1.1. Giới thiệu chung về xử lý ảnh 3
1.1.1. Xử lý ảnh là gì? 4
1.1.2. Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh 5
1.2. Khái quát quá trình xử lý nhiễu, hiệu chỉnh ảnh nhị phân và ứng dụng
cho phiếu thi trắc nghiệm 6
1.2.1. Giới thiệu chung 6
1.2.2. Quá trình xử lý nhiễu và hiệu chỉnh ảnh 7
1.3. Một số khái niệm liên quan 8
1.3.1. Ảnh là gì? 8
1.3.2. Điểm ảnh (pixel element) 8
1.3.3. Mức xám (Gray Level) 9
1.3.4. Độ phân giải của ảnh 9
1.3.5. Phân loại ảnh 9

3.1.2. Phân ngƣỡng 49
3.1.3. Lọc nhiễu 50
3.1.4. Căn chỉnh độ lệch 50
3.1.5. Khoanh vùng đƣợc tô 51
3.1.6. Xác định điểm định vị 51
3.1.7. Tách các vùng đƣợc tô 52
3.2. Chấm bài thi 52
3.3 Giới thiệu chƣơng trình 53
KẾT LUẬN 58 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

v
TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

vi
DANH MỤC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
Hình 1.1. Quá trình xử lý ảnh 5
Hình 1.2. Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh 5
Hình 1.3. Sơ đồ tổng quát của một hệ thống xử lý nhiễu, hiệu chỉnh ảnh 7
Hình 1.4. Ví dụ về ảnh đen trắng 10
Hình 1.5. Ví dụ ảnh xám 10
Hình 1.6. Ví dụ về ảnh màu 11
Hình 2.1. Ảnh trƣớc khi chuyển xám 16
Hình 2.2. Ảnh đã thực hiện chuyển xám 16
Hình 2.3. Chọn ngƣỡng theo Zack 18

Hình 3.3. Ảnh trƣớc và sau khi căn chỉnh độ lệch 51
Hình 3.4. Vùng số báo danh và mã đề 52
Hình 3.5. Giao diện chính của chƣơng trình 54
Hình 3.6. Menu hiển thị phần tệp 54
Hình 3.7. Menu hiển thị xử lý nhiễu và hiệu chỉnh ảnh 55
Hình 3.9. Mô phỏng quá trình phân ngƣỡng và lọc nhiễu 56
Hình 3.10. Mô phỏng quá trình xoay ảnh 56
Hình 3.11. Mô phỏng phân vùng ô cần tô 56
Hình 3.12. Menu hiển thị xử lý bài thi 56
Hình 3.13. Mô phỏng đọc các câu trả lời bài thi 57
Hình 3.14. Mô phỏng kết quả chấm thi 57 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

1
MỞ ĐẦU
- Khoa học xử lý ảnh trên thế giới đang có nhiều bƣớc tiến vững chắc.
Đây cũng là một trong những lĩnh vực có nhiều ứng dụng trong thực tế, góp
phần vào sự lớn mạnh của ngành Công nghệ thông tin.
- Việc xử lý nhiễu và hiệu chỉnh ảnh sau khi đã qua các thiết bị vào nhƣ
máy scan về định dạng mẫu ban đầu là việc rất cần thiết, hƣu ích trong đời
sống hàng ngày trong việc ứng dụng Công nghệ thông tin.
- Ở nƣớc ta trong vài năm gần đây, Bộ Giáo dục và Đào tạo đã ứng dụng
hình thức thi trắc nghiệm vào thi Đại học, Cao đẳng làm giảm bớt thời gian
chấm thi một cách đáng kể. Việc chấm thi đã đƣợc xử lý qua máy tính, không
cần phải giáo viên hoặc các chuyên gia trong lĩnh vực có mặt trực tiếp chấm
thi nhƣ trƣớc đây. Việc chấm các bài thi trắc nghiệm có thể đƣợc thực hiện
thông qua giải pháp sử dụng các hệ thống máy chấm thi tự động. Ngƣời dùng
chỉ cần đƣa các phiếu trả lời câu hỏi trắc nghiệm vào máy quét chuyên dụng,

Chƣơng 3. Chƣơng trình thực nghiệm: Chƣơng này nêu rõ các ứng dụng
của phép toán, thuật toán xử lý nhiễu cũng nhƣ hiệu chỉnh ảnh ứng dụng cho
phiếu thi trắc nghiệm. Trên cơ sở lý thuyết đã tìm hiểu em xây dựng đƣợc
chƣơng trình thực nghiệm.
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

3
Chƣơng 1
KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ NHIỄU VÀ HIỆU CHỈNH ẢNH
Trong ngành khoa học máy tính, xử lý ảnh là một dạng của xử lý tín hiệu
cho đầu vào là một ảnh hoặc các frame của phim ảnh. Đầu ra có thể là một
hình ảnh, hoặc tập hợp các ký tự hoặc các tham số liên quan tới hình ảnh.
Thƣờng thì kỹ thuật xử lý ảnh có liên quan tới xử lý tín hiệu hai chiều và
đƣợc áp dụng bằng một chuẩn riêng về kỹ thuật xử lý ảnh cho nó. Các khái
niệm cơ bản để xử lý tín hiệu nhƣ, khái niệm về tích chập, các biến đổi
Fourier, biến đổi Laplace, các bộ lọc hữu hạn,… Ngoài ra còn cần tới các
công cụ toán học nhƣ đại số tuyến tính, thống kê. Và một số kiến thức cần
thiết nhƣ trí tuệ nhân tao, mạng nơron nhân tạo cũng đƣợc đề cập trong quá
trình phân tích và xử lý ảnh.
1.1. Giới thiệu chung về xử lý ảnh
Cũng nhƣ xử lý dữ liệu bằng đồ hoạ, xử lý ảnh là một lĩnh vực của tin
học ứng dụng. Xử lý dữ liệu bằng đồ họa đề cập đến những ảnh nhân tạo, các
ảnh này đƣợc xem xét nhƣ là một cấu trúc dữ liệu và đƣợc tạo ra bởi các
chƣơng trình. Xử lý ảnh bao gồm các phƣơng pháp và kỹ thuật để biến đổi, để
truyền tải hoặc mã hóa các ảnh tự nhiên. Mục đích của xử lý ảnh gồm:
Thứ nhất: biến đổi ảnh và làm đẹp ảnh.
Thứ hai: tự động nhận dạng ảnh hay đoán nhận ảnh và đánh giá các nội

kết quả mong muốn. Kết quả đầu ra của một quá trình xử lý ảnh có thể là một
ảnh “tốt hơn” hoặc một kết luận.
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

5
Hình 1.1. Quá trình xử lý ảnh
1.1.2. Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh
Ảnh có thể xem là tập hợp các điểm ảnh và mỗi điểm ảnh đƣợc xem nhƣ
là đặc trƣng cƣờng độ sáng hay một dấu hiệu nào đó tại một vị trí nào đó của
đối tƣợng trong không gian và nó có thể xem nhƣ một hàm n biến. Do đó, ảnh
trong xử lý ảnh có thể xem nhƣ ảnh n chiều.
Sơ đồ tổng quát của một hệ thống xử lý ảnh:
Trƣớc hết là quá trình thu nhận ảnh. Ảnh có thể thu nhận qua camera.
Thƣờng ảnh thu nhận qua camera là tín hiệu tƣơng tự (loại camera ống kiểu
CCIR), nhƣng cũng có thể là tín hiệu số hoá (loại CCD - Charge Coupled Device).
Ảnh có thể thu nhận từ vệ tinh qua các bộ cảm ứng (sensor), hay ảnh,
sách đƣợc quét qua scanner. Tiếp theo là quá trình số hóa (Digitalizer) để biến
đổi tín hiệu tƣơng tự sang tín hiệu rời rạc (lấy mẫu) và số hóa bằng lƣợng hóa,

các đặc trƣng (Feature Extraction),
Cuối cùng, tuỳ theo mục đích của ứng dụng, sẽ là giai đoạn nhận dạng,
phân lớp hay các quyết định khác. Các giai đoạn chính của quá trình xử lý ảnh
có thể mô tả ở hình 1.2.
Xử lý ảnh là một trong những lĩnh vực có nhiều ứng dụng trong thực tiễn nhƣ:
hệ thông tin địa lý (GIS – Geographic Information System), quân sự, y học,…
Cụ thể, xử lý ảnh số có rất nhiều ứng dụng nhƣ:
+ Làm nét hỡn các ảnh trong y học.
+ Khôi phục lại ảnh do tác động của khí quyển trong thiên văn học.
+ Chuyển tải, nén ảnh khi truyền đi xa hoặc lƣu trữ.
1.2. Khái quát quá trình xử lý nhiễu, hiệu chỉnh ảnh nhị phân và ứng
dụng cho phiếu thi trắc nghiệm
1.2.1. Giới thiệu chung
Đầu vào của quá trình xử lý nhiễu, hiệu chỉnh ảnh là một ảnh gốc của
phiếu thi trắc nghiệm thu đƣợc qua scanner, máy ảnh,… Ảnh ban đầu là
một ảnh mầu, thƣờng có chất lƣợng thấp do ảnh hƣởng của nhiễu, bị nghiêng,
bị đứt nét do thí sinh khi tô không cẩn thận hoặc do thiết bị thu ảnh không tốt.
Quá trình xử lý nhiễu, hiệu chỉnh ảnh nhằm mục đích loại bỏ hay làm
giảm tối thiểu các ảnh hƣởng của môi trƣờng bên ngoài lên ảnh thu nhận
đƣợc. Công đoạn này bao gồm các bƣớc nhƣ lọc ảnh, khử nhiễu, quay ảnh,
qua đó giảm bớt các biến dạng do quá trình quét ảnh gây ra và đƣa ảnh về
trang thái tốt nhất có thể.
Đầu ra của quá trình xử lý nhiễu, hiệu chỉnh ảnh: Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

7
+ Một ảnh bài thi trắc nghiệm với chất lƣợng ảnh rõ, nét hơn rất nhiều
so với ảnh ban đầu.
XỬ LÝ NHIỄU,
HIỆU CHỈNH HÌNH
ẢNH

Nhận dạng và
chấm thi
Ảnh bài thi trắc
nghiệm với chất
lƣợng tốt hơn

Số
hoá
Lƣu trữ
Lƣu trữ Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

8
+ Chuyển ảnh xám
+ Nhị phân hóa ảnh bằng phân ngưỡng
- NHậN DạNG FORM QUA CÁC ĐIểM Đị NH Vị
- Xử LÝ NHIễU
+ Căn chỉnh độ lệnh trang
+ Phân vùng ô cần tô
+ Nhận dạng ô cần tô
- MộT Số Kỹ THUậT HIệU CHỉ NH ảNH
+ Phép giãn nhị phân

1.3.4. Độ phân giải của ảnh
Độ phân giải (Resolution) của ảnh là mật độ điểm ảnh đƣợc ấn định trên
một ảnh số đƣợc hiển thị.
Theo định nghĩa, khoảng cách giữa các điểm ảnh phải đƣợc chọn sao cho
mắt ngƣời vẫn thấy đƣợc 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 đƣợc 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 lƣới 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)
nhƣng diện tích màn hình rộng hơn thì độ mịn (liên tục của các điểm) kém hơn.
1.3.5. Phân loại ảnh
Ảnh khi số hóa đƣợc chia làm 3 loại:
a, Ảnh nhị phân: Giá trị xám của tất các các điểm ảnh chỉ nhận giá trị 1
hoặc 0. Nhƣ vậy mỗi điểm ảnh trong ảnh nhị phân đƣợc biểu diễn bới 1 bit
điểm đen đƣợc biểu trong ma trận là 0 và điểm sáng đƣợc biểu diễn là 1.
Nhƣng đôi khi để tiện cho quá trình cài đặt các thuật toán xử lý ảnh ngƣời ta
có thể quy định ngƣợc lại là điểm đen là 1 và điểm trắng là 0. Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

10

Hình 1.4. Ví dụ về ảnh đen trắng
b, Ảnh xám: Giá trị xám nằm trong khoảng 0 255. Nhƣ vậy đối với ảnh
xám, thông thƣờng mỗi pixel mang thông tin của 256 mức xám (tƣơng ứng
với 8 bit) nhƣ vậy ảnh xám hoàn toàn có thể tái hiện đầy đủ cấu trúc của một
ảnh màu tƣơng ứng thông qua tám mặt phẳng bit theo độ xám.

- Nêu lên các khái niệm liên quan đến ảnh của phiếu thi trắc nghiệm đƣợc
biến đổi qua quá trình xử lý.
- Từ đó là cở sở để hoàn thành chƣơng tiếp theo của luận văn. Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

12

Chƣơng 2
MỘT SỐ KỸ THUẬT XỬ LÝ NHIỄU VÀ HIỆU CHỈNH ẢNH
2.1. Các kỹ thuật tiền xử lý
2.1.1 Giới thiệu chung
Giai đoạn tiền xử lý ảnh là giai đoạn quan trọng, có ảnh hƣởng trực tiếp
đến độ chính xác của quá trình xử lỹ nhiễu và hiệu chỉnh ảnh, tuy nhiên nó
cũng làm tăng thời gian xử lý chung của toàn bộ hệ thống. Vì vậy, tùy theo
chất lƣợng ảnh thu nhận đƣợc của từng trƣờng hợp cụ thể, mà chúng ta chọn
sử dụng một hoặc một số thủ tục tiền xử lý. Thậm chí, trong trƣờng hợp ảnh
đầu vào có chất lƣợng tốt và cần ƣu tiên tốc độ xử lý, chúng ta có thể bỏ qua
giai đoạn tiền xử lý này.
Đầu vào của quá trình xử lý ảnh là các ảnh gốc ban đầu, thu đƣợc qua
scanner. Ảnh ban đầu thƣờng có chất lƣợng thấp do ảnh hƣởng của nhiễu, bị
nghiêng, bị đứt nét nên chúng ta cần phải có một quá trình tiền xử lý ảnh để
nâng cao chất lƣợng ảnh đầu vào trƣớc khi đƣa vào nhận dạng. Quá trình này
bao gồm công đoạn khôi phục ảnh và tăng cƣờng ảnh.
Khôi phục ảnh nhằm mục đích loại bỏ hay làm giảm tối thiểu các ảnh
hƣởng của môi trƣờng bên ngoài lên ảnh thu nhận đƣợc. Công đoạn khôi
phục ảnh bao gồm các bƣớc nhƣ lọc ảnh, khử nhiễu, quay ảnh, qua đó giảm
bớt các biến dạng do quá trình quét ảnh gây ra và đƣa ảnh về trang thái gần
nhƣ ban đầu.

Trong đó b là hằng số cộng thêm vào giá trị màu f(x,y). Độ sáng của ảnh
tăng nếu b > 0, và giảm bớt nếu b < 0.
2.1.3. Tăng, giảm độ tương phản
Độ tƣơng phản (Contrast) thể hiện sự thay đổi cƣờng độ sáng của đối
tƣợng so với nền, hay nói cách khác, độ tƣơng phản là độ nổi của điểm ảnh
hay vùng ảnh so với nền. Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

14
Ảnh số là tập hợp các điểm, mà mỗi điểm có giá trị độ sáng khác nhau.
Ở đây, độ sáng để mắt ngƣời dễ cảm nhận ảnh song không phải là quyết định.
Thực tế chỉ ra rằng hai đối tƣợng có cùng độ sáng nhƣng đặt trên hai nền khác
nhau sẽ cho cảm nhận khác nhau. Vì vậy ta có thể thay đổi độ tƣơng phản của
ảnh sao cho phù hợp.
Việc làm tăng độ tƣơng phản rất hữu ích khi tiến hành xử lý trƣớc theo
phƣơng pháp phân ngƣỡng. Bằng việc làm tăng độ tƣơng phản, sự khác nhau
của giá trị nền và đối tƣợng, độ dốc của cạnh đối tƣợng đƣợc tăng lên. Do đó
sau khi làm tăng độ tƣơng phản ta có thể tìm các giá trị màu thích hợp với
một vùng sáng hơn.
Trong một ảnh có độ tƣơng phản cao, có thể xác định đƣợc các viền rõ
ràng và chi tiết khác nhau của ảnh đó đƣợc nổi bật. Còn trong một ảnh có độ
tƣơng phản thấp, tất cả các màu đều gần nhƣ nhau gây khó khăn cho việc xác
định các chi tiết của ảnh.
Biểu thức cho kỹ thuật Contrast có dạng:
g(x,y) = af(x,y)
Trong đó a là hằng số nhân vào giá trị màu tại f(x,y). Độ sáng của ảnh
tăng nếu a > 1, và giảm bớt nếu a < 1.
2.1.4. Tách kênh mầu đỏ

có thể tái hiện đầy đủ cấu trúc của một ảnh màu tƣơng ứng thông qua tám mặt
phẳng bit theo độ xám.
Trong hầu hết quá trình xử lý ảnh, chúng ta chủ yếu chỉ quan tâm đến cấu
trúc của ảnh và bỏ qua ảnh hƣởng của yếu tố màu sắc. Do đó bƣớc chuyển từ
ảnh màu thành ảnh xám là một công đoạn phổ biến trong các quá trình xử lý
ảnh vì nó làm tăng tốc độ xử lý và mức độ phức tạp của các thuật toán áp dụng
trên ảnh xám giảm hơn so với các thuật toán áp dụng trên ảnh màu.
Chúng ta có công thức chuyển các thông số giá trị màu của một pixel
thành mức xám tƣơng ứng nhƣ sau:
G = .C
R
+ .C
G
+ .C
B
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

16
Trong đó các giá trị C
R
, C
G
và C
B
lần lƣợt là các mức độ màu đỏ, xanh lá
cây và xanh nƣớc biển của pixel màu, + +