CHƯƠNG 1. NHIỄU ĐỐM VÀ KHỬ NHIỄU ĐỐM 1. Nhiễu trong ảnh a) Khái niệm Ảnh được coi là một miền đồng nhất về mức xám, tức là các điểm ảnh lân cận có sự biến đổi liên tục về mức xám. Như vậy sau quá trình số hoá thì trong mỗi cửa sổ đang xét các điểm ảnh đều có giá trị gần bằng như nhau.
Thực tế quan sát có những điểm ảnh có giá trị khác hơn nhiều so với các điểm ảnh xung quanh. Đó chính là nhiễu. Như vậy, nhiễu trong ảnh số được xem như là sự dịch chuyển đột ngột của tín hiệu ảnh trên một khoảng cách nhỏ [2]. b) Ảnh y học Trong y học hiện nay kỹ thuật xử lý hình ảnh là một kỹ thuật không thể thiếu được trong chẩn đoán, theo dõi điều trị bệnh.
Những kỹ thuật thường được sử dụng là : - Ảnh X-quang thông thường : Chụp ảnh dùng bức xạ tia X là một loại sóng điện từ bước sóng trong khoảng từ 0,01 đến 10 nano mét tương ứng với dãy tần số từ 30 Petahertz đến 30 Exahertz (3×1016 Hz to 3×1019 Hz) và có năng lượng từ 120 eV đến 120 keV. Tia X có hại đến sức khỏe con người. - Ảnh CT (Computed Tomography Scan) : Ảnh chụp cắt lớp vi tính. Khi thực hiện Máy CT chạy vòng quanh thân thể bệnh nhân, phát sóng X quang và đo độ hấp thụ năng lượng tia X của các cấu trúc khác nhau của cơ thể.
Sau đó sử dụng các thông tin này và khớp lại bằng máy tính hình ảnh của cơ thể trên không gian 2 hoặc 3 chiều. - Ảnh MRI (Magnetic resonance imaging) là một phương pháp thu hình ảnh của các cơ quan trong cơ thể sống và quan sát lượng nước bên trong các cấu trúc của các cơ quan. Ảnh cộng hưởng từ hạt nhân dựa trên một hiện tượng vật lý là hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân. Khi so sánh ảnh CT và ảnh MRI thì ảnh MRI cho chẩn đoán tốt hơn nhưng thời gian tích hợp ảnh dài hơn và giá thành cao hơn.
download by : skknchat@gmail.1 Máy cộng hưởng từ và ảnh cộng hưởng từ MRI - Nội soi: Đưa các camera nhỏ vào cơ thể để quay phim, chụp ảnh Trong các loại hình đó các ảnh đều có nhiễu sinh ra trong quá trình tổng hợp. Nguyên nhân là do: Nhiễu điện trong các mạch điện tử, do giao thoa nguồn sáng, nguồn các tia chiếu ảnh. Các ảnh y học đều có nhiễu ; tuy nhiên ảnh siêu âm trong quá trình tích hợp ảnh thường có nhiễu đốm là loại nhiễu khó loại trừ (chi tiết trong phần tiếp theo). Quá trình tích hợp ảnh siêu âm thường có các loại: - Siêu âm thông thường : một biến tử vừa tạo ra vừa thu sóng âm tần số cao, hoặc cặp hai biến tử, một cho phát và một cho thu.
- Siêu âm dãy tổ hợp pha (phased array) thường bao gồm từ 16 đến 256 biến tử nhỏ riêng biệt, mỗi biến tử có thể tạo xung riêng rẽ. Chúng có thể được sắp đặt theo dải, vòng tròn, hoặc có hình dạng phức tạp hơn. Cũng như đối với đầu dò thông thường, các đầu dò dãy tổ hợp pha có thể được thiết kế cho sử dụng tiếp xúc trực tiếp, hoặc kết nối với phần nêm để tạo các đầu dò góc, hoặc sử dụng cho kỹ thuật nhúng với sóng âm truyền qua nước tới chi tiết kiểm tra. Tần số đầu dò thường nằm trong dải từ 2 MHz đến 10 MHz.
Hệ thống dãy tổ hợp pha cũng bao gồm thiết bị máy tính tinh vi có khả năng điều khiển đầu dò đa biến tử, thu nhận và số hóa xung quay trở lại và biểu diễn thông tin của xung trên các khổ tiêu chuẩn khác nhau. Không giống như các thiết bị dò khuyết tật siêu âm thông thường, Hệ thống dãy tổ hợp pha có thể quét chùm tia dưới cả dải góc khúc xạ hoặc theo dọc theo đường thẳng, hoặc hội tụ ở những độ sâu khác nhau, do đó tăng tính linh hoạt và khả năng trong thiết lập kiểm tra. Không chỉ sử dụng trong y tế chúng còn được dùng kiểm tra mối hàn, kiểm tra độ liên kết, phát hiện download by : skknchat@gmail.com 7 vết nứt trong khai thác, … Trong cả hai loại siêu âm đều có nhiễu đốm phát sinh. Các máy siêu âm 2D, 3D, 4D, 5D của các hãng Nhật Đức, Mỹ, Hàn Quốc, … như Hitachi, Samsung Medison, GE Healthcare, Siemens, …hiện nay thường được sử dụng trên thị trường Việt Nam Hình 1.2 Máy siêu âm loại đứng và xách tay c) Phân loại nhiễu Trước khi xem xét chi tiết các kỹ thuật áp dụng, cần phân biệt các loại nhiễu hay xuất hiện trong quá trình xử lý ảnh.
Trên thực tế tồn tại nhiều loại nhiễu, tuy nhiên người ta thường xem xét 3 loại nhiễu chính: nhiễu cộng, nhiễu nhân và nhiễu xung [1]. Nhiễu cộng: Nhiễu cộng thường phân bố khắp ảnh. Nếu ta gọi ảnh quan sát (ảnh thu được) là Xqs, ảnh gốc là Xgoc và nhiễu là η. Ảnh thu được có thể biểu diễn bởi: Xqs = Xgoc + η (1.1) Nhiễu nhân: Nhiễu nhân thường phân bố khắp ảnh.
Nếu ta gọi ảnh quan sát (ảnh thu được) là Xqs, ảnh gốc là Xgoc và nhiễu là η. Ảnh thu được có thể biểu diễn bởi: Xqs = Xgoc × η (1.2) Nhiễu xung (Impulse noise): là một loại nhiễu khá đặc biệt có thể sinh ra bởi nhiều lý do khác nhau chẳng hạn: lỗi truyền tín hiệu, lỗi bộ nhớ, hay lỗi định thời trong quá trình lượng tử hóa. Nhiễu này thường gây đột biến tại một số điểm ảnh. Có 2 loại: Nhiễu xung đơn cực và nhiễu xung lưỡng cực.
Nhiễu xung lưỡng cực có hàm phân bố là: download by : skknchat@gmail.3) 0 otherwwise Nếu b>a, mức xám b xuất hiện như là điểm sáng của ảnh, a là điểm tối. Nếu a>b, ngược lại. a=b=0 là nhiễu xung đơn cực. Nhiễu muối tiêu (Salt-pepper noise) - một ví dụ điển hình nhất của loại nhiễu xung này – sẽ cho thấy rõ hơn tính chất “đột biến” của nó.
Các điểm ảnh bị nhiễu (noise pixel) có thể nhận các giá trị cực đại hoặc cực tiểu trong khoảng giá trị [0, 255]. Với ảnh mức xám (gray scale), nếu một điểm ảnh có giá trị cực đại (tức cường độ sáng bằng 255) thì nó sẽ tạo ra một đốm trắng trên ảnh, trông giống như hạt “muối”. Và ngược lại nếu một điểm ảnh có giá trị cực tiểu (tức cường độ sáng bằng 0) thì sẽ tạo ra một đốm đen, giống như “tiêu”. Vậy nên còn gọi là ảnh muối tiêu.
Thông thường, khi nói một ảnh nhiễu muối tiêu 30% nghĩa là trong đó tỉ lệ các điểm ảnh nhiễu mang gia trị cực tiểu là 15% và cực đại là 15%. Nhiễu Gaussian: Nhiễu này có hàm mật độ xác suất (probability density function) theo phân bố chuẩn. Bởi vì khả năng dễ ứng dụng toán của nó trong cả lĩnh vực không gian và tần số, nhiễu Gaussian được sử dụng phổ biến trong thực tiễn.3 Nhiễu Gaussian download by : skknchat@gmail.com 9 Nhiễu Uniform: Được cho bởi Digital Image Processing của Gonzalez.4 Nhiễu Uniform a) b) download by : skknchat@gmail.5 Ví dụ các loại nhiễu a) ảnh màu nguyên bản b) ảnh xám nguyên bản c) ảnh nhiễu cát và hạt tiêu 0.05% d) ảnh nhiễu Gauss 0.02% e) ảnh nhiễu poisson 0.05% f) ảnh nhiễu đốm 0. download by : skknchat@gmail.1 Khái niệm nhiễu đốm, đặc điểm [8],[12] Nhiễu đốm thường xuất hiện nhiều trong ảnh rada (SAR-Synthesis Aperture Radar) và ảnh siêu âm do tác dụng của mạch điện tử [16] hoặc do tác dụng của hiện tượng phản xạ và nhiễu xạ [3].
Nhiễu đốm ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh siêu âm và nó cũng làm giảm quan trọng thông tin từ hình ảnh như biên, hình dạng, giá trị cường độ, v.v… Đã có nhiều nghiên cứu về sự hình thành nhiễu đốm và loại trừ nhiễu đốm. Trong luận văn này tác giả tập trung đến nhiễu đốm trong ảnh siêu âm, mô hình, các phương pháp loại trừ nhiễu đốm. Tác hại của nhiễu đốm so với các nhiễu khác khi cùng mật độ nhiễu (noise density) là lớn hơn, ví dụ ảnh f) trong hình 1. Với các nhiễu đốm cường độ lớn có thể làm mất các biên và hay biến dạng hình dáng của đối tượng quan sát.
Mô hình hóa nhiễu đốm: được mô tả qua phương trình [12]: g(m,n)=f(m,n)*u(m,n)+ (m,n) (1.4) Trong đó g(m,n) là ảnh bị nhiễu đốm, u(m,n) là thành phần nhiễu nhân và là thành phần nhiễu cộng. m và n là các phương của ảnh. Với ảnh bị nhiễu đốm thành phần nhiễu cộng cần loại bỏ còn thành phần nhiễu nhân có thể cho phép. Từ đó chúng ta có phương trình sau: g(m,n)=f(m,n)*u(m,n)+ (m,n)- (m,n) (1.5) g(m,n)=f(m,n)*u(m,n) Với hàm phân phối gama nhiễu đốm hiển thị như sau: (1.6 Phân phối gama Trong đó a là phương sai và g là mức xám.
Phân phối gamma được biểu diễn như trong hình 1. Trong trường hợp nay nhiễu đốm có các đặc điểm sau [23] Nhiễu đốm là nhiễu nhân tỷ lệ trực tiếp với mức xám cục bộ trong bất kỳ khu download by : skknchat@gmail.com 12 vực nào. Tín hiệu và nhiễu độc lập thống kê. Giá trị trung bình và phương sai mẫu của một pixel bằng với giá trị trung bình và phương sai của khu vực địa phương.2 Khó khăn khi khử nhiễu đốm Khó khăn lớn nhất với các ảnh bị nhiễu đốm cường độ lớn là khử nhiễu nhưng vẫn phải phải giữ được biên ảnh.
Biên ảnh là rất quan trọng vì nó lưu giữ các đặc điểm cốt yếu về hình dáng của ảnh đối tượng. Trong khi với nhiễu đốm cường độ lớn nhiều cụm nhiễu có thể làm biến dạng ảnh, biến dạng biên của ảnh. Với các loại bộ lọc thông thường khi sử dụng biên đã bị biến đổi. Khử nhiễu đốm 1.1 Các phương pháp khử nhiễu đốm hiện nay [12], [15],[26] Mean Filter Bộ lọc trung bình là một bộ lọc không gian đơn giản.
Đây là một bộ lọc dùng cửa sổ trượt đi lần lượt các pixel trong ảnh cần khử nhiễu. Tại mỗi pixel sẽ thực hiện thay thế giá trị pixel đó bằng giá trị trung bình của tất cả các pixel trong cửa sổ. Cửa sổ thường vuông nhưng nó có thể là bất kỳ hình dạng.7 Nguyên lý của Mean Filter download by : skknchat@gmail.com 13 Ưu điểm: Dễ dàng thực hiện Sử dụng tốt khi loại nhiễu xung Nhược điểm: Khả năng bảo tồn các chi tiết trong ảnh kém. Median Filter Lọc trung vị hai chiều (Median Filtering 2D): Lọc trung vị 2 chiều là một phương pháp lọc phi tuyến được sử dụng để loại bỏ nhiễu xung.
Nó được thực hiện trên một ảnh với mặt nạ kích thước lẻ, di chuyển mặt nạ lên ảnh và mỗi điểm ảnh trung tâm giá trị trung vị của các dữ liệu bên trong cửa sổ được thực hiện như đầu ra.