Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa
‘pơMỤC LỤC
‘pơMỤC LỤC..............................................................................................................1
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ......................................................................................4
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU................................................................................5
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU....................................................................6
MỞ ĐẦU......................................................................................................................7
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XỬ LÝ ẢNH.....................................................................9
1.1 Tổng quan về hệ thống xử lý ảnh.......................................................................9
1.2 Những vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh...............................................................10
1.2.1 Những khái niệm liên quan.......................................................................10
1.2.2 Biểu diễn ảnh.............................................................................................15
1.2.3 Tăng cường ảnh.........................................................................................17
1.2.4 Phân vùng ảnh...........................................................................................18
1.2.5 Trích chọn đặc tính....................................................................................18
1.2.6 Nhận dạng ảnh...........................................................................................18
1.2.7 Nén ảnh......................................................................................................19
1.3 Các định dạng ảnh cơ bản.................................................................................19
1.3.1 Ảnh BMP (Bitmap)...................................................................................20
1.3.2 Ảnh JPEG (Joint Photographic Experts Group)........................................20
1.3.3 Ảnh GIF (Graphics Interchange Format)..................................................20
1.3.4 Ảnh WMF (Windows Metafiles)...............................................................20
CHƯƠNG 2
MỘT SỐ BÀI TOÁN VỀ XỬ LÝ ẢNH.....................................................................21
2.1 Các bài toán cải thiện ảnh sử dụng toán tử điểm..............................................21
2.1.1 Tăng giảm độ sáng....................................................................................21
Nguyễn Chí Hướng 1 Lớp Tin học trắc địa K50
Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa
2.1.2 Tăng độ tương phản...................................................................................22
2.1.3 Biến đổi âm bản ........................................................................................24
Nguyễn Chí Hướng 2 Lớp Tin học trắc địa K50
Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa
KẾT LUẬN................................................................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................65
PHỤ LỤC...................................................................................................................66
Nguyễn Chí Hướng 3 Lớp Tin học trắc địa K50
Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1 Quá trình xử lý ảnh........................................................................................9
Hình 1-2 Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh..............................................................9
Hình 1-3 Ví dụ về ảnh đen trắng.................................................................................11
Hình 1-4 Ví dụ ảnh xám..............................................................................................12
Hình 1-5 Ví dụ về ảnh màu ........................................................................................13
Hình 1-6 Lân cận của 1 điểm ảnh...............................................................................13
Hình 1-7 Lược đồ xám của ảnh đậm...........................................................................15
Hình 1-8 Lược đồ xám ảnh sáng.................................................................................15
Hình 1-9 Minh họa ảnh biểu diễn bằng mã loạt dài....................................................16
Hình 1-10 Minh họa biểu diễn bằng mã xích..............................................................17
Hình 2-11 Ảnh sau khi tăng độ sáng (c =100)............................................................22
Hình 2-12 Biểu đồ dãn độ tương phản........................................................................23
Hình 2-13 Ảnh gốc và ảnh kết quả sau khi tăng tương phản......................................23
Hình 2-14 Ảnh gốc và ảnh sau khi biến đổi âm bản ..................................................24
Hình 2-15 Ảnh gốc sau khi được tách ngưỡng...........................................................25
Hình 2-16 Minh họa về Histogram của ảnh................................................................26
Hình 2-17 Minh họa về cân bằng lược đồ xám...........................................................27
Hình 2-18 Tâm mặt nạ và các điểm lân cận................................................................29
Hình 2-19 Minh họa lọc trung bình không gian..........................................................30
Hình 2-20 Minh họa lọc thông thấp............................................................................31
Hình 2-21 Minh họa lọc thông cao..............................................................................32
Hình 2-22 Minh họa lọc ảnh trung vị..........................................................................33
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Chí Hướng
Lớp: Tin Học Trắc Địa K50
Hệ đào tạo: Chính quy
Điện thoại: 01685.688.585
Email:
Thời gian thực hiện: 2010
2. Mục tiêu
Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết xử lý ảnh số (các thành phần của hệ thống
xử lý ảnh, các khái niệm và vấn đề liên quan, bộ lọc ảnh, biên ảnh…).
Xây dựng giải thuật một số bài toán cơ bản trong xử lý ảnh số.
Xây dựng chương trình thực nghiệm.
3. Nội dung chính
Chương 1: Giới thiệu chung về xử lý ảnh.
Chương 2: Một số bài toán về xử lý ảnh số (Giới thiệu + Thuật toán).
Chương 3: Xây dựng chương trình thực nghiệm.
4. Kết quả chính đạt được
Có được nền tảng kiến thức về xử lý ảnh số. Từ đó vận dụng nó để xây dựng
được thuật toán cho một số bài toán cơ bản trong xử lý ảnh số bằng ngôn ngữ C#.
Xây dựng được chương trình thực nghiệm cho một số bài toán xử lý ảnh số.
Nguyễn Chí Hướng 6 Lớp Tin học trắc địa K50
Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa
MỞ ĐẦU
1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài
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.
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
ảnh số là rất cần thiết, giúp cho việc nghiên cứu, tìm hiểu về lý thuyết xử lý ảnh số
được trực quan, sinh động hơn và dễ tiếp thu hơn.
Nguyễn Chí Hướng 8 Lớp Tin học trắc địa K50
Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XỬ LÝ ẢNH
1.1 Tổng quan về hệ thống xử lý ảnh
Quá trình xử lý ảnh được xem như là quá trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho
ra 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.
Hình 1-1 Quá trình xử lý ảnh
Để có thể hình dung cấu hình một hệ thống xử lý ảnh chuyên dụng hay một hệ
thống xử lý ảnh dùng trong nghiên cứu, đào tạo, trước hết chúng ta xem xét các bước
cần thiết trong xử lý ảnh.
Hình 1-2 Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh
Trước hết là quá trình thu nhận ảnh. Ảnh có thể thu nhận qua camera. Thường
ảnh thu nhận qua camera là tín hiệu tương tự (loại camera ống kiểu CCIR), nhưng
cũng có thể là tín hiệu số hóa (loại CCD – Charge Coupled Device).
Nguyễn Chí Hướng 9 Lớp Tin học trắc địa K50
Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa
Ngoài ra, ảnh cũng có thể thu nhận từ vệ tinh qua các bộ cảm ứng (sensor) hay
ảnh, tranh được quét trên scanner.
Tiếp theo là quá trình số hóa (digitalizer) để biến đổi tín hiệu tương tự sang tín
hiệu rời rạc(lấy mẫu) và số hóa bằng lượng hóa, trước khi chuyển sang giai đoạn xử
lý, phân tích hay lưu trữ lại.
Quá trình phân tích ảnh thực chất bao gồm nhiều công đoạn nhỏ. Trước hết là
công việc tăng cường ảnh. Do những nguyên nhân khác nhau: có thể do chất lượng
thiết bị thu nhận ảnh, do nguồn sáng hay do nhiễu mà ảnh có thể bị suy biến. Do vậy
cần phải tăng cường và khôi phục ảnh để làm nổi bật một số đặc tính của ảnh,hay làm
cho ảnh gần giống với trạng thái gốc – trạng thái trước khi ảnh bị biến dạng. Giai
một giá trị nguyên dương. Thông thường nó xác định trong khoảng [0...255]. Tùy
thuộc vào giá trị xám mà mỗi điểm ảnh được biểu diễn trên 1, 4, 8, 24 hay 32 bit.
d) Ảnh số
Là tập hợp hữu hạn các điểm ảnh, thường được biểu diễn bằng một mảng hai
chiều I(m,n) với m là số hàng, n là số cột. Ta ký hiệu P(x,y) là một điểm ảnh tại vị trí
(x, y). Số lượng điểm ảnh trên mỗi hàng hoặc các hàng xác định độ phân giải của
ảnh. Ảnh số được chia làm 3 loại:
• Ảnh nhị phân
Giá trị xám của tất các các điểm ảnh chỉ nhận giá trị 1 hoặc 0. Như vậy mỗi
điểm ảnh trong ảnh nhị phân được biểu diễn bới 1 bit.
Hình 1-3 Ví dụ về ảnh đen trắng
• Ảnh xám
Nguyễn Chí Hướng 11 Lớp Tin học trắc địa K50
Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa
Giá trị xám nằm trong khoảng 0…255. Như vậy mỗi điểm ảnh trong ảnh nhị
xám được biểu diễn bới 1 byte.
Hình 1-4 Ví dụ ảnh xám
• Ảnh màu
Ảnh màu theo lý thuyết của Thomas là ảnh tổ hợp từ 3 màu cơ bản: đỏ (R), lục
(G), lơ (B) và thường thu nhận trên các dải băng tần khác nhau. Với ảnh màu, cách
biểu diễn cũng tương tự như với ảnh đen trắng, chỉ khác là các số tại mỗi phần tử của
ma trận biểu diễn cho ba màu riêng rẽ gồm: đỏ (red), lục (green) và lam (blue). Để
biểu diễn cho một điểm ảnh màu cần 24 bit. 24 bit này được chia thành ba khoảng 8
bit. Mỗi màu cũng phân thành L cấp màu khác nhau (thường L=256). Mỗi khoảng
này biểu diễn cho cường độ sáng của một trong các màu chính.
Mỗi pixel ảnh màu ký hiệu Px, được viết: (T: trong công thức dưới đây là ký
hiệu chuyển vị)
[ ]
T
x
liên kết 8 nếu q nằm trong tập 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: q thuộc N4(p) hoặc q thuộc ND(p).
f) Lược đồ mức xám (Histogram)
Lược đồ mức xám của ảnh là một hàm cung cấp tuần suất xuất hiện của mỗi
mức xám trong ảnh. Lược đồ mức xám được biểu diễn trong hệ tọa độ Decac xOy,
trong đó Ox biểu diễn các mức xám của ảnh (256 mức trong trường hợp chúng ta
xét), Oy biểu diễn số điểm ảnh cho một mức xám (số điểm ảnh có cùng mức xám).
Lược đồ mức xám cung cấp rất nhiều thông tin về sự phân bố mức xám của
ảnh. Theo thuật ngữ của xử lý ảnh gọi là tính động của ảnh, tính động của ảnh cho
phép phân tích một khoảng nào đó phân bố phần lớn các mức xám của ảnh: ảnh rất
sáng hay rất đậm. Nếu ảnh sáng, lược đồ xám nằm bên phải (mức xám cao), còn ảnh
đậm thì lược đồ xám nằm bên trái (mức xám thấp).
Hình minh họa cho lược đồ xám:
Nguyễn Chí Hướng 14 Lớp Tin học trắc địa K50
Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa
Hình 1-7 Lược đồ xám của ảnh đậm
Hình 1-8 Lược đồ xám ảnh sáng
1.2.2 Biểu diễn ảnh
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)
Nguyễn Chí Hướng 15 Lớp Tin học trắc địa K50
Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa
• Biểu diễn bằng mã tứ phân (Quad-Tree Code)
chứa thuần nhất điểm đen hay trắng. Như vậy, cây biểu diễn gồm một chuỗi các kí
kiệu b(black), w(white) và g (grey) kèm theo ký hiệu mã hóa 4 vùng con. Biểu diễn
theo phương pháp này ưu việt hơn so với các phương pháp trên, nhất là so với mã
loạt dài. Tuy nhiên, để tính toán số đo các hình như chu vi, mo men là khá khó.
1.2.3 Tăng cường ảnh
Tăng cường ảnh là bước quan trọng, tạo tiền đề cho xử lý ảnh. Tăng cường ảnh
nhằm hoàn thiện các đặc tính của ảnh như:
• Lọc nhiễu, hay làm trơn ảnh.
• Tăng độ tương phản, điều chỉnh mức xám của ảnh.
• Làm nổi biên ảnh.
Các thuật toán triển khai việc nâng cao chất lượng ảnh hầu hết dựa trên các kỹ
thuật trong miền điểm, không gian và tần số.
Nguyễn Chí Hướng 17 Lớp Tin học trắc địa K50
Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa
1.2.4 Phân vùng ảnh
Để phân tích các đối tượng trong ảnh, chúng ta cần phải phân biệt được các đối
tượng cần quan tâm với phần còn lại của ảnh. Những đối tượng này có thể tìm ra
được nhờ các kỹ thuật phân vùng ảnh.
Vùng ảnh là một chi tiết, một thực thể trong toàn cảnh. Nói đến vùng ảnh là nói
đến tính chất bề mặt của ảnh. Nó là một tập hợp các điểm có cùng hoặc gần cùng một
tính chất nào đó : mức xám, màu sắc… Đường bao quanh một vùng ảnh (Boundary)
là biên ảnh. Các điểm trong một vùng ảnh có độ biến thiên giá trị mức xám tương đối
đồng đều hay tính kết cấu tương đồng.
Một phương pháp phân vùng ảnh là sử dụng một ngưỡng giá trị xám để phân
tách ảnh thành đối tượng và nền (những điểm dưới ngưỡng xám thuộc về nền, ngược
lại thuộc về đối tượng).
1.2.5 Trích chọn đặc tính
Dựa trên các thông tin thu nhận được qua quá trình phân vùng, kết hợp với các
kỹ thuật xử lý để đưa ra các đặc trưng, đối tượng ảnh cũng như các thông tin cần thiết
trong quá trình xử lý.
• Nén ảnh sử dụng phép biến đổi: Đây là kỹ thuật tiếp cận theo hướng nén
không bảo toàn và do vậy, kỹ thuật thướng nến hiệu quả hơn. *.JPG chính là
tiếp cận theo kỹ thuật nén này.
• Nén ảnh Fractal: Sử dụng tính chất Fractal của các đối tượng ảnh, thể hiện
sự lặp lại của các chi tiết. Kỹ thuật nén sẽ tính toán để chỉ cần lưu trữ phần
gốc ảnh và quy luật sinh ra ảnh theo nguyên lý Fractal.
1.3 Các định dạng ảnh cơ bản
Ảnh thu được sau quá trình số hóa thường được lưu lại cho các quá trình xử lý
tiếp theo hay truyền đi. Trong quá trình phát triển của kỹ thuật xử lý ảnh, tồn tại
nhiều định dạng ảnh khác nhau từ ảnh đen trắng (với định dạng IMG), ảnh đa cấp
xám cho đến ảnh màu: (BMP, GIF, JPE…). Tuy các định dạng này khác nhau, song
chúng đều tuân thủ theo một cấu trúc chung nhất. Nhìn chung, một tệp ảnh bất kỳ
thường bao gồm 3 phần:
• Mào đầu tệp (Header)
• Dữ liệu nén (Data Compression)
• Bảng màu (Palette Color)
Nguyễn Chí Hướng 19 Lớp Tin học trắc địa K50
Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa
Bảng 1-1 Cấu trúc một tệp ảnh
Mào đầu tệp
Là phần chứa các thông tin về kiểu ảnh, kích thước, độ phân giải,
số bit dùng cho 1 pixel, cách mã hóa, vị trí bảng màu…
Dữ liệu nén
Số liệu ảnh được mã hóa bởi kiểu mã hóa chỉ ra trong phần Header.
Bảng màu
Bảng màu không nhất thiết phải có, ví dụ khi ảnh là đen trắng. Nếu
có, bảng màu cho biết số màu dùng trong ảnh và bảng màu được sử
dụng để hiện thị màu của ảnh.
1.3.1 Ảnh BMP (Bitmap)
Là ảnh được mô tả bởi một ma trận các giá trị số xác định màu và bảng màu của
một ánh xạ từ giá trị cường độ ánh sáng u(m, n) tại toạ độ (m, n) sang giá tri cường
độ ánh sáng khác v(m, n) thông qua hàm f, tức là:
)),((),( nmufnmv
=
(2.3)
Nói một cách khác, toán tử điểm là toán tử không bộ nhớ, ở đó một mức xám
[ ]
Nu ,0
∈
được ánh xạ sang một mức xám
[ ]
Nv ,0
∈
: v = f (u). Ứng dụng chính của các
toán tử điểm là biến đổi độ tương phản của ảnh. Ánh xạ f khác nhau tùy theo các ứng
dụng. Các dạng toán tử điểm được giới thiệu cụ thể như sau:
2.1.1 Tăng giảm độ sáng
Giả sử ta có ảnh đầu vào I ~ kích thước (m x n) và số nguyên c
Khi đó, kỹ thuật tăng, giảm độ sáng được thể hiện qua thuật toán:
B1: Với mỗi điểm ảnh, thực hiện phép cộng mức xám của nó với giá trị c
for (int i = 0; i < m; i + +)
for (int j = 0; j < n; j + +)
I [i, j] = I [i, j] + c;
B2: Gán giá trị độ xám mới cho điểm ảnh đầu ra.
Nếu c > 0: ảnh sáng lên.
Nếu c < 0: ảnh tối đi.
Để minh họa cho bài toán này ta xem xét một ví dụ về sự thay đổi của ảnh gốc
sau khi ta cho tăng độ sáng của nó là c =100.
Nguyễn Chí Hướng 21 Lớp Tin học trắc địa K50
Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa
(2.4)
Các độ dốc α, β, γ xác định độ tương phản tương đối. L là số mức xám cực đại.
Ta có:
α = β = γ =1 ảnh kết quả trùng với ảnh gốc.
α, β, γ > 1 dãn độ tương phản.
α, β, γ < 1 co độ tương phản.
Nguyễn Chí Hướng 22 Lớp Tin học trắc địa K50
Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa
Hình 2-12 Biểu đồ dãn độ tương phản
Thuật toán:
B1: Nhập vào các cận a, b, Va và Vb.
B2: Tính giá trị các đại lượng
γβα
,,
.
B3: For(Với mỗi điểm ảnh)
Nếu giá trị xám I của nó < a: I(x,y)= I(xy)*
α
Nếu giá trị xám I của nó a < I < b thì:
VaaII
+−=
β
*)(
Nếu giá trị xám I của điểm ảnh I > b thì:
VbbII
+−=
γ
*)(
B4: Gán giá trị xám mới trở lại cho điểm ảnh.
B2: Gán các giá trị độ xám mới cho ảnh đầu ra.
Hình minh họa:
Nguyễn Chí Hướng 24 Lớp Tin học trắc địa K50
Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tin học Trắc địa
Ảnh gốc Ảnh đen trắng
Hình 2-15 Ảnh gốc sau khi được tách ngưỡng
Kỹ thuật chuyển ảnh thành ảnh đen trắng được ứng dụng khi quét và nhận dạng
văn bản có thể xảy ra sai sót “nền thành ảnh” hoặc “ảnh thành nền” dẫn đến ảnh bị
đứt nét hoặc dính.
2.1.5 Các bài toán với lược đồ xám(Histogram)
a) Hiển thị lược đồ xám của ảnh
Theo định nghĩa của lược đồ xám, thì việc xây dựng nó là khá đơn giản. Thuật
toán xây dựng lược đồ xám có thể miêu tả như sau:
Bắt đầu
H là bảng chức lược đồ xám (là véc tơ có N phần tử)
B1:. Khởi tạo bảng và đặt tất cả các phần tử của bảng là 0.
B2: Tạo bảng
Với mỗi điểm ảnh I(x,y) tính H[I(x,y)] = H[I(x,y)] + 1
B3: Tính giá trị Max của bảng H. Sau đó hiện bảng trong khoảng từ 0
đến Max.
Kết thúc
Hình minh họa:
Nguyễn Chí Hướng 25 Lớp Tin học trắc địa K50
Copyright: Tài liệu đại học ©