Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ GHÉP ẢNH Chương này trình bày tổng quan về một hệ thống xử lý ảnh, các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh, đồng thời trình bày tổng quan về ghép ảnh, cụ thể là các dạng ảnh ghép cơ bản cùng với các cách tiếp cận chính để ghép ảnh.1 Xử lý ảnh, các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 1.1 Xử lý ảnh là gì? Xử lý ảnh là một khoa học tương đối mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác, nhất là trong quy mô công nghiệp, song trong xử lý ảnh đã bắt đầu xuất hiện những máy tính chuyên dụng. 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 sẽ xem xét các bước cần thiết 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-Change Coupled Device). 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 để biến đổi tín hiệu liên tục 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 bao gồm nhiều công đoạn nhỏ.
Trước hết là công việc tăng cường ảnh để nâng cao chất lượng ảnh. Do những nguyên nhân khác nhau: có thể do chất lượng thiết bị thu nhận ảnh, do nguồn sáng hay do nhiễu, ảnh có thể bị suy biến. Do vậy cần phải tăng cường 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 trước khi ảnh bị biến dạng. Giai đoạn tiếp theo là phát hiện các đặc tính như biên, phân vùng ảnh, trích chọn các đặc tính, v.
Cuối cùng, tùy theo mục đích của người sử dụng, sẽ là giai đoạn nhận dạng, phân lớp hay các quyết định khác. Các giai đoạn chính trong quá trình xử lý ảnh được mô tả qua hình 1. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 11 Thu nhận Tiền xử lý (Camera, scanner, (Nắn chỉnh, xóa Trích chọn sensor, .) đặc trưng Lưu trữ Hậu xử lý (Chính xác hóa, rút Kết luận gọn, .) Hệ quyết định Hình 1. Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh Với các giai đoạn trên, một hệ thống xử lý ảnh gồm các thành phần tối thiểu như hình sau: Màn hình đồ họa Camera Bộ xử lý Bộ nhớ ảnh tương tự Bộ nhớ Máy chủ Bộ xử lý ngoài ảnh số Màn hình Bàn phím Máy in Hình 1.
Các thành phần chính trong 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. Có 2 loại camera: camera ống loại CCIR và camera CCD. Loại camera ứng với chuẩn CCIR quét ảnh với tần số 1/25 và mỗi ảnh gồm 625 dòng. Loại CCD gồm các photo điốt và làm tương ứng một cường độ sáng tại TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 12 một điểm ảnh với một phần tử ảnh (pixel).
Như vậy, ảnh là tập hợp các điểm ảnh. Số pixel tạo nên một ảnh gọi là độ phân giải. • Bộ xử lý tương tự 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 bởi bộ số hóa. Thực hiện lấy mẫu và mã hóa. • Tiền xử lý ảnh khi thu nhận: dùng kỹ thuật bảng tra (Look Up Table). • Bộ xử lý ảnh số gồm nhiều bộ xử lý chuyên dụng: xử lý lọc, trích chọn đường bao, nhị phân hóa ảnh.
• Máy chủ đóng vai trò điều khiển các thành phần miêu tả ở trên. • Bộ nhớ ngoài: Dữ liệu ảnh cũng như các dữ liệu khác, để có thể chuyển giao cho các quá trình khác, nó cần được lưu trữ. Các khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh Điểm ảnh (pixel): Biểu diễn cường độ sáng hay một dấu hiệu nào đó tại một tọa độ nào đó của đối tượng trong không gian. Điểm ảnh là một hàm nhiều biến P(x1, x2, ., xn) trong đó n là số chiều của ảnh.
Ảnh: là một tập hợp các điểm ảnh, thông thường được biểu diễn dưới dạng ma trận các điểm ảnh. Mức xám: là kết quả của sự mã hóa tương ứng một cường độ sáng của một điểm ảnh với một giá trị số - kết quả của quá trình lượng hóa. Cách mã hóa kinh điển thường dùng 16, 32 hay 64 mức. Biểu đồ tần suất: Biều đồ tần suất của một mức xám g của ảnh I là số điểm ảnh của I có mức xám g.2 Các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 1.1 Biểu diễn ảnh Ảnh được thu nhận từ các thiết bị thu nhận ảnh.
Sau khi thu nhận, ảnh được lưu trữ trên máy tính. Quá trình lưu trữ gồm 2 mục đích: tiết kiệm bộ nhớ và giảm thời gian xử lý. Ảnh được lưu trữ trong bộ nhớ có ảnh hưởng rất lớn đến việc hiển thị, in ấn và xử lý. Ảnh là tập hợp các điểm ảnh có cùng kích thước do đó nếu sử dụng càng nhiều điểm ảnh thì ảnh càng mịn càng đẹp và càng thể hiện rõ hơn chi tiết TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 13 của ảnh, người ta gọi đặc điểm này là độ phân giải.
Việc lựa chọn độ phân giải phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng và đặc trưng của từng loại ảnh cụ thể. Chẳng hạn, ảnh dùng trong văn bản thường thể hiện dưới dạng đen trắng có độ phân giải 300 DPI, ảnh bản vẽ, bản đồ có độ phân giải 200DPI. Trên cơ sở đó, các ảnh được biểu diễn theo 2 mô hình cơ bản là RASTER và VECTOR. Mô hình RASTER: Theo mô hình này, ảnh được biểu diễn dưới dạng ma trận các điểm ảnh.
Tùy theo yêu cầu thực tế mà mỗi điểm ảnh được biểu diễn bằng một hoặc nhiều bít. Ngày nay thiết bị phần cứng phát triển nhưng chủ yếu là theo định hướng Raster cho cả thiết bị đầu vào cũng như đầu ra. Ví dụ: máy in, máy quét v. Một trong những nghiên cứu chủ yếu trong mô hình raster là kỹ thuật nén ảnh, chia ra 2 khuynh hướng là nén bảo toàn và nén không bảo toàn thông tin.
Nén bảo toàn thông tin là có khả năng phục hồi hoàn toàn dữ liệu ban đầu. Nén không bảo toàn thông tin là có khả năng phục hồi dữ liệu ban đầu nhưng với sai số chấp nhận được. Trên cơ sở đó người ta đã xây dựng được nhiều khuôn dạng ảnh khác nhau: *. Mô hình VECTOR: Ảnh lưu trữ trên máy tính ngoài yêu cầu về giảm không gian lưu trữ, thời gian xử lý, dễ dàng cho hiển thị và in ấn còn phải đảm bảo dễ dàng trong lựa chọn, sao chép, di chuyển và tìm kiếm.
Theo những yêu cầu này, kỹ thuật biểu diễn Vector tỏ ra ưu việt hơn. Trong mô hình Vector, ảnh được biểu diễn bởi các điểm ảnh và các đường thể hiện hướng của một điểm. Ảnh dạng Vector được thu nhận từ các thiết bị như sensor, digitalier, v. Ngày nay, các thiết bị phần cứng phát triển mạnh theo hướng Raster cho cả đầu vào và đầu ra nên một trong những nghiên cứu chủ yếu của mô hình Vector là tập trung cho chuyển đổi từ ảnh Raster sang ảnh Vector.2 Nắn chỉnh biến dạng Ảnh thu được sau quá trình thu nhận thường bị biến dạng do những thiết bị quang học và điện tử.
Do đó cần phải có khâu nắn chỉnh biến dạng. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Ảnh thu nhận Hình 1. Ảnh mong muốn Để nắn chỉnh biến dạng ta dựa vào tập các điểm điều khiển ( Pi , Pi ' ) (i = 1,.
n 2 ∑ f ( Pi ) − Pi ' → min Cần tìm hàm: f : Pi → f ( Pi ) sao cho: i =1 Giả sử ảnh bị biến đổi chỉ bao gồm: Tịnh tiến, quay, tỷ lệ, biến dạng bậc nhất tuyến tính. Khi đó hàm f có dạng: f (x, y) = (a1x + b1y + c1, a2x + b2y + c2) Ta có: Để cho Φ Æ min TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 15 Giải hệ phương trình tuyến tính tìm được a1, b1, c1 Tương tự tìm được a2, b2, c2 Æ Xác định được hàm f 1.3 Khử nhiễu Trong quá trình thu nhận ảnh không thể tránh khỏi bị nhiễu. Có 2 loại nhiễu cơ bản: - Nhiễu hệ thống: là loại nhiễu gây ra bởi hệ thống, như vết xước hoặc nguồn sáng ngoại lai. Loại nhiễu này có tính chất chu kỳ và có thể dễ khắc phục bằng các phép biến đổi.
- Nhiễu ngẫu nhiên: là các vết bẩn không rõ nguyên nhân. Loại nhiễu này thường khó khử, tùy vào từng ảnh cụ thể mà có cách khắc phục. Thông thường sử dụng các phép lọc.4 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). Trên thực tế, người ta đã áp dụng kỹ thuật nhận dạng khá thành công với nhiều đối tượng khác nhau như: nhận dạng ảnh vân tay, nhận dạng chữ (chữ cái, chữ số, chữ có dấu). Nhận dạng chữ in hoặc đánh máy phục vụ cho việc tự động hóa quá trình đọc tài liệu, tăng nhanh tốc độ và chất lượng thu nhận thông tin từ máy tính.
Nhận dạng chữ viết tay (với mức độ ràng buộc khác nhau về cách viết, kiểu chữ, v.) phục vụ cho nhiều lĩnh vực. Ngoài hai kỹ thuật nhận dạng trên, hiện nay một kỹ thuật nhận dạng mới dựa vào kỹ thuật mạng nơron đang được áp dụng và cho kết quả khả quan.2 Ảnh ghép và các phương pháp ghép ảnh 1.1 Ảnh ghép Ảnh ghép được xem là ảnh không có thật, việc có được ảnh là do sự ngụy tạo bởi các chương trình xử lý ảnh hoặc quá trình thu nhận ảnh. Sức mạnh của các chương trình xử lý ảnh số như PhotoShop, Corel Draw, v. giúp việc tạo ra các ảnh ghép từ một hay nhiều ảnh khác nhau trở nên dễ dàng.
Một trong những ví dụ cho việc ghép ảnh này là hình 1. Hình này được TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 16 tạo lập từ 3 bức ảnh: Nhà trắng, Bill Clinton và Saddam Hussein.