Chương 1: Nhập môn xử lý ảnh Có nhiều cách tiếp cận khác nhau trong lý thuyết nhận dạng trong đó có: Đối sánh mẫu dựa trên các đặc trưng được trích chọn, phân loại thống kê, đối sánh cấu trúc, phân loại dựa trên mạng nơ-ron nhân tạo. Hệ thống nhận dạng tự động bao gồm ba khâu tương ứng với ba giai đoạn chủ yếu sau đây: 1. Thu nhận dữ liệu và tiền xử lý. Biểu diễn dữ liệu.
Nhận dạng, ra quyết định. Trong ứng dụng thực tiễn, không thể chỉ dùng có một cách tiếp cận đơn lẻ để phân loại “tối ưu” vì vậy các phương thức phân loại tổ hợp thường được sử dụng khi nhận dạng. Cho đến nay các hệ thống lai (hybrid system) sử dụng nhiều phương pháp và cách tiếp cận khác nhau đã cho những kết quả nhiều triển vọng. Nén ảnh Nén ảnh là kỹ thuật nhằm giảm thiểu không gian lưu trữ.
Có hai hướng tiếp cận chính là nén có bảo toàn và không bảo toàn thông tin. Nén không bảo toàn thì thường có khả năng nén cao hơn nhưng không phục hồi được ảnh gốc, ngược lại nén có bảo toàn cho phép khôi phục hoàn toàn ảnh gốc. Nén ảnh nói chung có 4 cách tiếp cận cơ bản: Nén ảnh thống kê: Kỹ thuật nén này dựa vào việc thống kê tần xuất xuất hiện của giá trị các điểm ảnh, trên cơ sở đó mà có chiến lược mã hóa thích hợp. Một ví dụ điển hình cho kỹ thuật mã hóa này là *.TIF Nén ảnh không gian: Kỹ thuật này dựa vào vị trí không gian của các điểm ảnh để tiến hành mã hóa.
Kỹ thuật lợi dụng sự giống nhau của các điểm ảnh trong các vùng gần nhau. Ví dụ cho kỹ thuật này là mã nén *.PCX Nén ảnh sử dụng phép biến đổi: Đây là kỹ thuật tiếp cận theo hướng nén không bảo toàn và do vậy tỉ lệ nén tương đối cao.JPG chính là tiếp cận theo kỹ thuật nén này. Nén ảnh Fractal: Sử dụng tính chất Fractal của các đối tượng ảnh. Tính chất Fractal của ảnh thể hiện sự lặp lại của các chi tiết tại nhiều vị trí khác nhau với kích thước và hướng khác nhau.
Kỹ thuật nén sẽ tính toán để chỉ cần lưu trữ phần gốc ảnh và quy luật sinh ra ảnh theo nguyên lý Fractal. 10 Chương 2: THU NHẬN ẢNH 2. CÁC THIẾT BỊ THU NHẬN ẢNH Các thiết bị thu nhận ảnh có hai loại chính ứng với hai loại ảnh thông dụng Raster, Vector và có thể cho ảnh đen trắng hoặc ảnh màu. Các thiết bị thu nhận ảnh Raster thông thường là camera, scanner.
Còn các thiết bị thu nhận ảnh Vector thông thường là sensor hoặc bàn số hoá digitalizer hoặc được chuyển đổi từ ảnh Raster. Các hệ thống thu nhận ảnh sử dụng chung một quá trình thu nhận: Cảm biến: biến đổi năng lượng quang học thành năng lượng điện (giai đoạn lấy mẫu) Tổng hợp năng lượng điện thành ảnh (giai đoạn lượng tử hóa) 2. LẤY MẪU VÀ LƯỢNG TỬ HOÁ 2. Giai đoạn lấy mẫu Người ta sử dụng bộ cảm biến hoặc máy quét để biến tín hiệu quang của ảnh thành tín hiệu điện liên tục.
Phương pháp sử dụng máy quét phổ biến hơn. Máy quét sẽ quét theo chiều ngang để tạo ra tín hiệu điện của ảnh, kết quả cho ra một tín hiệu điện hai chiều I(x,y) liên tục. Ảnh chứa tín hiệu quang học Dạng tín hiệu ảnh Xét ảnh liên tục được biểu diễn bởi hàm I(x, y), gọi x là khoảng cách giữa hai điểm được giữ lại theo trục x, gọi y là khoảng cách giữa hai điểm được giữ lại theo trục y. y , x được gọi là chu kỳ lấy mẫu theo trục x và y.
Giai đoạn lấy mẫu sẽ biến hàm liên tục I(x,y) thành hàm rời rạc I(n x , m y ). Với m,n là nguyên. Theo SHANON để đảm bảo không xảy ra hiện tượng chồng phổ, cho phép tái tạo lại ảnh gốc từ ảnh đã số hóa thì tần số lấy mẫu phải ít nhất phải lớn hơn hoặc bằng hai tần số cao nhất của tín hiệu ảnh. Gọi fxmax, fymax là tần số cao nhất của tín hiệu theo trục x, y thì: fx 2fxmax với fx = 1 x là tần số lấy mẫu theo trục x.
fy 2fymax với fy = 1 y là tần số lấy mẫu theo trục y. 11 Chương 2: Thu nhận ảnh 2. Lượng tử hóa Ảnh sau khi lấy mẫu sẽ có dạng I(m,n) với m, n là nguyên nhưng giá trị I(m, n) vẫn là giá trị vật lý liên tục. Quá trình biến đổi giá trị I(m,n) thành một số nguyên thích hợp để lưu trữ gọi là lượng tử hoá.
Đây là quá trình ánh xạ một biến liên tục u vào biến rời rạc u* thuộc tập hữu hạn [u1, u2,.uL] xác định trước, L là mức lượng tử hoá được tạo ra. Với ảnh đa cấp xám thì L=256, f(m,n) = g 0, 255 Ví dụ: Với ảnh 24 bit thì L=224, f(m, n) = g 0, 2 24 1 2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN ẢNH Ảnh trên máy tính là kết quả thu nhận theo các phương pháp số hoá được nhúng trong các thiết bị kỹ thuật khác nhau. Cấu trúc dữ liệu để lưu trữ thông tin ảnh trong bộ nhớ có ảnh hưởng rất lớn đến việc hiển thị, in ấn và xử lý.
Quá trình lưu trữ ảnh nhằm biểu diễn ảnh dưới dạng lưu trữ được với hai tiêu chí chính: Tiết kiệm bộ nhớ Giảm thời gian xử lý Ảnh được biểu diễn theo hai mô hình cơ bản, ảnh Raster và ảnh Vector. Mô hình Raster Đây là cách biểu diễn ảnh thông dụng nhất hiện nay, ảnh được biểu diễn dưới dạng ma trận các điểm (điểm ảnh). Thường thu nhận qua các thiết bị như camera, scanner. Tuỳ theo yêu cầu thực thế mà mỗi điểm ảnh được biểu diễn qua 1 hay nhiều bít.
Mật độ điểm ảnh trên một đơn vị kích thước vật lý được gọi là độ phân giải. Ảnh có độ phân giải cao thì càng đẹp, càng mịn và càng thể hiện rõ chi tiết. Việc lựa chọn độ phân giải thích hợp tuỳ thuộc vào nhu cầu sử dụng và đặc trưng của mỗi ảnh cụ thể. Mô hình Raster thuận lợi cho hiển thị và in ấn.
Ngày nay công nghệ phần cứng cung cấp những thiết bị thu nhận ảnh Raster phù hợp với tốc độ nhanh và chất lượng cao cho cả đầu vào và đầu ra. Một thuận lợi cho việc hiển thị trong môi trường Windows là Microsoft đưa ra khuôn dạng ảnh DIB (Device Independent Bitmap) làm trung gian.1 thể hình quy trình chung để hiển thị ảnh Raster thông qua DIB. Một trong những hướng nghiên cứu cơ bản trên mô hình biểu diễn này là kỹ thuật nén ảnh bao gồm cả nén bảo toàn và không bảo toàn. Hiện nay trên thế giới có trên 50 khuôn dạng ảnh thông dụng (BMP, TIF, GIF, PCX v.) bao gồm cả trong đó các kỹ thuật nén có khả năng phục hồi dữ liệu 100% và nén có khả năng phục hồi với độ sai số nhất định.
BMP Paint PCC. DIB Cửa sổ Thay đổi Hình 2. Quá trình hiển thị và chỉnh sửa, lưu trữ ảnh thông qua DIB 12 Chương 2: Thu nhận ảnh 2. Mô hình Vector Biểu diễn ảnh ngoài tiêu chí tiết kiệm không gian lưu trữ, dễ dàng cho hiển thị và in ấn còn cần đảm bảo dễ dàng trong lựa chọn, sao chép, di chuyển và tìm kiếm v.
Theo những yêu cầu này kỹ thuật biểu diễn Vector tỏ ra ưu việt hơn. Trong mô hình vector người ta sử dụng hướng giữa các vector của điểm ảnh lân cận để mã hoá và tái tạo hình ảnh ban đầu ảnh vector được thu nhận trực tiếp từ các thiết bị số hoá như Digital hoặc được chuyển đổi từ ảnh Raster thông qua các chương trình số hoá Công nghệ phần cứng cung cấp những thiết bị xử lý với tốc độ nhanh và chất lượng cho cả đầu vào và ra nhưng lại chỉ hỗ trợ cho ảnh Raster. Do vậy, những nghiên cứu về biểu diễn Vector đều tập trung vào việc chuyển đổi ảnh từ mô hình Raster. Vector Raster RASTER VECTOR RASTER hóa hóa Hình 2.
Sự chuyển đổi giữa các mô hình biểu diễn ảnh 2. CÁC ĐỊNH DẠNG ẢNH CƠ BẢN Hiện nay trên thế giới có trên 50 khuôn dạng ảnh thông dụng. Sau đây là một số định dạng ảnh hay dùng trong quá trình xử lý ảnh hiện nay. Định dạng ảnh IMG Ảnh IMG là ảnh đen trắng, phần đầu của ảnh IMG có 16 byte chứa các thông tin: 6 byte đầu: dùng để đánh dấu định dạng ảnh.
Giá trị của 6 byte này viết dưới dạng Hexa: 0x0001 0x0008 0x0001 2 byte tiếp theo: chứa độ dài mẫu tin. Đó là độ dài của dãy các byte kề liền nhau mà dóy này sẽ được lặp lại một số lần nào đó. Số lần lặp này sẽ được lưu trong byte đếm. Nhiều dãy giống nhau được lưu trong một byte.
4 byte tiếp: mô tả kích cỡ pixel. 2 byte tiếp: số pixel trên một dòng ảnh. 2 byte cuối: số dòng ảnh trong ảnh. Ảnh IMG được nén theo từng dòng, mỗi dòng bao gồm các gói (pack).
Các dòng giống nhau cũng được nén thành một gói. Có 4 loại gói sau: Loại 1: Gói các dòng giống nhau. Quy cách gói tin này như sau: 0x00 0x00 0xFF Count. Ba byte đầu tiên cho biết số các dãy giống nhau, byte cuối cho biết số các dòng giống nhau.
Loại 2: Gói các dãy giống nhau. Quy cách gói tin này như sau: 0x00 Count. Byte thứ hai cho biết số các dãy giống nhau được nén trong gói. Độ dài của dãy ghi ở đầu tệp.
Loại 3: Dãy các Pixel không giống nhau, không lặp lại và không nén được. Quy cách gói tin này như sau: 0x80 Count. Byte thứ hai cho biết độ dài dãy các pixel không giống nhau không nén được. 13 Chương 2: Thu nhận ảnh Loại 4: Dãy các Pixel giống nhau.
Tuỳ theo các bít cao của byte đầu tiên được bật hay tắt. Nếu bít cao được bật (giá trị 1) thì đây là gói nén các byte chỉ gồm bít 0, số các byte được nén được tính bởi 7 bít thấp còn lại. Nếu bớt cao tắt (giá trị 0) thì đây là gói nén các byte gồm toán bít 1. Số các byte được nén được tính bởi 7 bít còn lại.
Các gói tin của file IMG rất đa dạng do ảnh IMG là ảnh đen trắng, do vậy chỉ cần 1 bít cho 1 pixel thay vì 4 hoặc 8 như đã nói ở trên. Toàn bộ ảnh chỉ có những điểm sáng và tối tương ứng với giá trị 1 hoặc 0. Tỷ lệ nén của kiểu định dạng này là khá cao.