MỞ ĐẦU Con ngƣời thu nhận thông tin qua các giác quan, trong đó thị giác đóng vai trò quan trọng nhất. Những năm trở lại đây với sự phát triển của phần cứng máy tính, xử lý ảnh và đồ họa đã phát triển một cách mạnh mẽ và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống. Xử lý ảnh và đồ họa đóng vai trò quan trọng trong tƣơng tác ngƣời máy: Quá trình xử lý ảnh đƣợc xem nhƣ 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.
Để có thể hình dung cấu trúc một hệ thống xử lý ảnh chuyên dụng hay một hệ thống xử lý ảnh dùng trong nghiên cứu, đâo tạo, trƣớc hết chúng ta sẽ xem xét các bƣớc cần thiết trong xử lý ảnh. - Quá trình đầu tiên trong hệ thống xử lý ảnh là quá trình thu nhận ảnh. Ảnh có thể thu nhận qua camera hay có thể thu nhận từ vệ tinh qua các bộ cảm ứng (sensor), hay ảnh tranh đƣợc quét trên scanner. Thƣờng ảnh thu nhận qua camera là tín hiệu tƣơng tự (loại camera ống kiểu CCIR), nhƣng cũng có thể là tín hiệu số hóa (loại CCD Charge Coupled Device).
- 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, trƣớc khi chuyển sang giai đoạn xử lý, phân tích hay lƣu trữ lại. - Quá trình phân tích ảnh thực chất bao gồm nhiều công đoạn nhỏ. Trƣớc hết là công việc tăng cƣờng ảnh để nâng cao chất lƣơng ảnh. Do những nguyên nhân khác nhau: có thể do chất lƣợng thiết bị thu nhận ảnh, do nguồn sáng hay do nhiễu, ảnh có thể bị suy biến.
Do vậy cần phải tăng cƣờng và khôi phục lại ảnh để làm nổi bật một số đặc tính chính của ảnh, hay làm cho ảnh gần giống nhất với trạng thái gốc – Trạng thái trƣớc khi ảnh bị biến dạng. Giai đoạn tiếp theo là phát hiện các đặc tính nhƣ biên, phân vùng ảnh, trích chọn các đặc tính, v.v… Luận văn cao học – Nguyễn Đức Trung – K25.1 9 - Cuối cùng, tùy theo mục đích của ứng dụng, giai đoạn cuối sẽ là giai đoạn nhận dạng, phân lớp hay ra quyết định. Các giai đoạn chính của quá trình xử lý ảnh có thể mô tả ở hình dƣới đây: Hình 1: Các bƣớc cơ bản trong xử lý ảnh Quá trình đầu tiên trong trong giai đoạn phân tích ảnh là quá trình tăng cƣờng chất lƣợng ảnh. Có khá nhiều các nguyên nhân dẫn đến việc chúng ta thu nhận đƣợc các ảnh chất lƣợng kém không đáp ứng đƣợc các yêu cầu cho các bƣớc xử lý sau đó.
Các nguyên nhân có thể đến từ ảnh chụp bởi các nguồn khác nhau nhƣ ảnh hồng ngoại, ảnh từ, hay các máy ảnh chất lƣợng kém. Ngoài ra, yếu tố môi trƣờng cũng ảnh hƣởng rất nhiều đến chất lƣợng ảnh tạo ra các ảnh có độ tƣơng phản thấp, các ảnh có nhiễu. Vì vậy, đây là một trong các bƣớc rất quan trọng quyết định đến toàn bộ quá trình phân tích, nhận dạng hay xử lý nội dung của ảnh. Trong bài toán tăng cƣờng chất lƣợng ảnh, một trong các bài toán con đƣợc nghiên cứu đó là bài toán tăng cƣờng độ tƣơng phản của các đối tƣợng Luận văn cao học – Nguyễn Đức Trung – K25.1 10 trong mỗi hình ảnh.
Có khá nhiều cách tiếp cận, có thể phân loại dựa trên 2 cách tiếp cận chính nhƣ sau: - Các phƣơng pháp biến đổi trên miền tần số: đây là quá trình sử dụng các biến đổi ngƣợc từ ảnh số về miền tần số thông qua biến đổi ngƣợc Fourier và áp dụng các phép biến đổi trên miền tần để thay đổi chất lƣợng của ảnh. Mô hình của bài toán nhƣ sau: G(u,v) = H(u,v) F(u, v) trong đó, G(u,v) là ảnh đã biến đổi, H(u,v) là ảnh gốc còn F(u,v) là hàm biến đổi. Sau khi thực hiện các biến đổi, ảnh thu đƣợc sẽ đƣợc chuyển đổi về ảnh số thông qua các biến đổi Fourier. - Các phƣơng pháp biến đổi trên miền không gian số: dựa trên các ảnh số thu nhận đƣợc, các phép biến đổi sẽ đƣợc áp dụng trực tiếp.
Có thể chia ra làm nhiều loại nhƣng chúng ta có thể nhìn nhận các phép biến đổi này theo 2 cách tiếp cận nhỏ: biến đổi trên từng điểm ảnh, biến đổi trên mỗi khối ảnh. Mô hình chung của bài toán: G(x,y) = T[F(x,y)] trong đó F(x,y) là ảnh số đầu vào, G(x,y) là ảnh đã biến đổi và T là toán tử biến đổi. Cân bằng lƣợc đồ xám là một trong những kỹ thuật đƣợc áp dụng và nghiên cứu nhiều trong bài toán tăng cƣờng độ tƣơng phản, một yếu tố quan trọng trong tăng cƣờng chất lƣợng ảnh. Có khá nhiều các thuật toán dựa trên việc cân bằng lƣợc đồ xám đƣợc nghiên cứu nhƣ HE, AHE, BBHE, MHE … tuy nhiên mỗi thuật toán có những hạn chế riêng do đó có khá nhiều các nghiên cứu nhằm nâng cao chất lƣợng ảnh đƣợc đề xuất và cũng là hƣớng nghiên cứu đƣợc quan tâm.
Luận văn này đề cập đến việc tiếp cận các thuật toán trong bài toán tăng cƣờng độ tƣơng phản trong việc tăng cƣờng chất lƣợng ảnh mà ở đây là các Luận văn cao học – Nguyễn Đức Trung – K25.1 11 ảnh hồng ngoại, và chúng tôi tiếp cận dựa trên việc cân bằng lƣợc đồ xám. Thông qua nghiên cứu lý thuyết, cài đặt và đƣa ra các đánh giá thực tế trên các ảnh chuẩn, luận văn đƣa ra các đánh giá và so sánh với các thuật toán khác nhằm có đƣợc các khuyến nghị để áp dụng cho các ảnh ứng dụng trong thực tiễn. Luận văn cao học – Nguyễn Đức Trung – K25. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XỬ LÝ ẢNH 1.1 Xử lý ảnh Xử lý ảnh là một lĩnh vực mang tính khoa học và công nghệ.
Tuy đây là một ngành khoa học mới so với nhiều ngành khoa học khác nhƣng có tốc độ phát triển rất nhanh, thúc đẩy việc nghiên cứu và ứng dụng, đặc biệt là phát triển máy tính chuyên dụng để xử lý ảnh. Ứng dụng chính của xử lý ảnh nhằm nâng cao chất lƣợng ảnh và phân tích ảnh. Vấn đề nâng cao chất lƣợng ảnh có liên quan tới phân bố mức sáng và độ phân giải của ảnh và đƣợc phát triển vào những năm 1955. Thời điểm này, máy tính phát triển nhanh đã tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình xử lý ảnh số.
Từ năm 1964 đến nay, các phƣơng tiện xử lý, nâng cao chất lƣợng, nhận dạng ảnh phát triển không ngừng [1]. Các phƣơng pháp tri thức nhân tạo nhƣ mạng nơron nhân tạo, các thuật toán xử lý hiện đại và cải tiến, các công cụ nén ảnh ngày càng đƣợc áp dụng rộng rãi và thu nhiều kết quả khả quan. Mục tiêu của xử lý ảnh có thể chia làm ba hƣớng nhƣ sau: - Xử lý ảnh ban đầu để có ảnh mới theo một yêu cầu xác định (nâng cao chất lƣợng ảnh). - Phân tích ảnh để thu các thông tin đặc trƣng giúp cho việc phân loại, nhận biết ảnh (ví dụ phân tích ảnh vân tay để trích chọn các đặc tính của vân tay).
- Hiểu ảnh đầu vào để có những mô tả về ảnh ở mức cao hơn, sâu hơn (ví dụ từ ảnh một tai nạn giao thông phác họa hiện trƣờng tai nạn).2 Khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh 1.1 Điểm ảnh Ảnh trong thực tế là ảnh liên tục về không gian và độ sáng. Để xử lý bằng máy tính, ảnh cần phải đƣợc số hoá. Trong quá trình số hóa, ngƣời ta biến đổi gần đúng một ảnh liên tục thành một tập điểm phù hợp với ảnh thật về vị trí Luận văn cao học – Nguyễn Đức Trung – K25. Khoảng cách giữa các điểm ảnh đó đƣợc thiết lập sao cho mắt ngƣời không phân biệt đƣợc ranh giới giữa chúng.
Mỗi một điểm nhƣ 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) [1- 4, 6]. 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: Ảnh biểu diễn thông qua mức xám mỗi điểm ảnh 1.2 Độ phân giải 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. Luận văn cao học – Nguyễn Đức Trung – K25.1 14 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) nhƣng diện tích màn hình rộng hơn thì độ mịn (liên tục của các điểm) kém hơn.2: So sánh ảnh với độ phân giải khác nhau 1.3 Mức xám Mức xám là kết quả sự mã hóa tƣơng ứng một cƣờng độ sáng của mỗi điểm ảnh với một giá trị số - kết quả của quá trình lấy mẫu và lƣợng tử hóa đƣợc gán bằng giá trị số tại điểm đó. Dƣới đây chúng ta xem xét một số khái niệm và thuật ngữ thƣờng dùng trong xử lý ảnh. - Định nghĩa: Mức xám của điểm ảnh là cƣờng độ sáng của nó đƣợc gán bằng giá trị số tại điểm đó.
- 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) Luận văn cao học – Nguyễn Đức Trung – K25.1 15 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 đen trắng là ảnh đa mức xám đƣợc thể hiện bao gồm 2 màu: màu đen và màu trắng.