Chương 1 HỆ THỐNG XỬ LÝ ẢNH SỐ Ngày nay, xử lý ảnh đang là một lĩnh vực khoa học công nghệ được đầu tư và phát triển một cách nhanh chóng và rộng rãi. Nó được ứng dụng rất rộng rãi trong các thiết bị điện tử phục vụ cho đời sống hàng ngày cũng như trong các lĩnh vực quan trọng trong quân sự, nhà máy, xí nghiệp lớn … Đi cùng với sự phát triển của các thuật toán xử lý ảnh nhanh thì cùng với đó là một hệ thống phải thực thi được một khối lượng tính toán vô cùng lớn và tốc độ xử lý phải nhanh để có thể khai thác tối đa các ứng dụng mà xử lý ảnh mang lại. Sau đây học viên sẽ giới thiệu về xử lý ảnh và các khái niệm cơ bản của một hệ thống xử lý ảnh số. Giới thiệu về xử lý ảnh số Xử lý ảnh là quá trình biến đổi ảnh ban đầu thành một ảnh mới với các đặc tính tuân theo mục đích của người sử dụng.
Xử lý ảnh bao gồm các quá trình phân tích, phân lớp các đối tượng làm tăng chất lượng, phân đoạn và tách cạnh, gán nhãn cho vùng hay quá trình biên dịch các hình ảnh thông tin của ảnh. Cũng như xử lý dữ liệu bằng đồ họa, xử lý ảnh số là một lĩnh vực của tin học ứng dụng. Xử lý dữ liệu bằng đồ họa đề cập đến những ảnh nhân tạo, các ảnh này được xem xét như là một cấu trúc dữ liệu và được tạo bởi các chương trình. Công nghệ xử lý ảnh số gồm các phương pháp và kỹ thuật biến đổi ảnh, để từ đó truyền tải hoặc mã hóa các ảnh tự nhiên.
Kết quả đầu ra của xử lý ảnh chính là một ảnh mới tốt hơn hoặc một kết luận từ các thuộc tính đầu vào. Mục đích của xử lý ảnh số bao gồm [12]: - Biến đổi ảnh làm tăng chất lượng ảnh. - Tự động nhận dạng đối tượng, phát hiện, đánh giá các nội dung của ảnh. Ảnh trong thực tế là tập hợp rất nhiều các điểm ảnh mà trong đó mỗi điểm ảnh có các giá trị đặc trưng về độ sáng hay một đặc tính nào đó tại một vị trí ngẫu nhiên của đối tượng 1 trong một vùng không gian và nó có thể xem như một hàm n biến P(𝐶1 , 𝐶2 , 𝐶3 , … , 𝐶𝑛 ).
Do đó ảnh trong thực tế có thể xem như ảnh n chiều. Tuy nhiên khi đưa vào máy tính thì ảnh được xử lý thành một hình ảnh hai chiều với tập hợp các điểm ảnh có giá trị khác nhau đó được gọi là ảnh số như Hình 1. Có ba mức độ trong xử lý ảnh số được liệt kê trong bảng 1.1: Các cấp độ trong xử lý ảnh Xử lý mức thấp Xử lý mức vừa Xử lý mức cao Đầu vào: Ảnh Đầu vào: Ảnh Đầu vào: Các thuộc tính Đầu ra: Ảnh Đầu ra: Các thuộc tính Đầu ra: Hiểu được nội Kết quả: Loại bỏ các nhiễu Kết quả: Nhận dạng đối dung của các thuộc tính và đầu vào, làm sắc nét hình tượng, phân vùng ảnh đưa ra kết quả phù hợp. ảnh hơn Kết quả: Hiểu được bối cảnh, tự điều hướng.
Các quá trình xử lý ảnh số 1.1 Một số khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh số Muốn đi vào phân tích các bước xử lý ảnh số chúng ta cần biết một số khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh số. 2 Ảnh số: Ảnh số là tập hợp các điểm ảnh với các mức độ sáng phù hợp dùng để mô tả ảnh gần với ảnh thật nhật. Điểm ảnh: Trong quá trình số hóa ảnh để biển đổi một ảnh liên tục thành một tập điểm phù hợp với ảnh thật về vị trí và độ sáng. Khoảng cách giữa các điểm đó được thiệt lập sao cho mắt thường không nhìn thấy được ranh giới giữa các điểm.
Mỗi điểm như vậy trong một ảnh số được gọi là điểm ảnh hay gọi tắt là pixel. Trong một bức ảnh hai chiều mỗi pixel tương ứng với một điểm trong hệ tọa độ (x, y) được thể hiện trong Hình 1. Độ phân giải của ảnh: Độ phân giải của ảnh là mật độ các điểm ảnh được thiết lập trên ảnh hiển thị. Việc lựa chọn khoảng cách thích hợp giữa các điểm ảnh để mắt thường không nhìn thấy được chính là độ phân giải và nó cũng được phân bố theo trục (x, y) trong không gian hai chiều.
Một ví dụ cụ thể như độ phân giải 1920*1280 chính là trong một khung hình có 1920 điểm ảnh chiều ngang và 1280 điểm ảnh chiều dọc. Lý do vì vậy trong một khung hình độ phân giải càng cao thì độ mịn của ảnh càng lớn vì khi độ phân giải càng cao thì khoảng cách giữa các điểm ảnh trong một khung hình càng bé. Mức xám của ảnh: Mức xám của ảnh chính là cường độ sáng của điểm ảnh đó được gán bằng các giá trị số tại điểm đó. Có rất nhiều thang mức xám cơ bản được giới hạn bởi số bit trong một điểm ảnh.
Số bit càng lớn tương đương với việc ảnh có độ chính xác so với ảnh gốc càng tăng. Cùng với đó là ba loại ảnh cơ bản đại diện cho các mức xám khác nhau. Ảnh xám (gray image): là ảnh chỉ có hai màu đen trắng tuy nhiên mức xám ở các điểm ảnh có thể khác nhau. Ảnh này mỗi điểm ảnh có giá trị 8bit tương ứng với có 256 mức sáng của điểm ảnh.
3 Ảnh nhị phân: là ảnh chỉ có hai mức sáng cơ bản là đen và trắng và chỉ được biểu diễn bởi 1 bit với bit 0 là màu trắng và bit 1 là màu đen. Ảnh nhị phân có thể được biểu diễn bằng ảnh xám với độ sáng tương ứng là 0 và 255. Ảnh màu: Với ảnh màu thì mỗi điểm ảnh được biểu diễn bởi 3 màu cơ bản là đỏ, xanh lục, xanh dương. Mỗi màu có giá trị độ sáng từ 0-255 cho nên để biểu diễn ảnh màu mỗi điểm ảnh cần 3 bytes để biểu diễn.
Ngày nay với sự phát triển trong công nghệ xử lý ảnh đã phát triển lên những ảnh có giá trị lớn hơn 3 bytes để biểu diễn một điểm ảnh. Ngoài các giá trị màu cơ bản người ta còn đưa vào các yếu tố khác để xử lý chất lượng ảnh được tốt hơn. Ảnh xám Ảnh nhị phân.3: Các loại ảnh trong xử lý ảnh.2 Các bước xử lý ảnh số Có 10 bước cơ bản trong xử lý ảnh số được thể hiện trong hình 1.4 dưới đây: Thu nhận ảnh: Ảnh sẽ được lấy từ các thiết bị cảm biến (camera) và được số hóa nếu thiết bị thu nhận không có chức năng số hóa ảnh đầu vào. Ảnh sẽ được số hóa từ bộ chuyện đổi tín hiệu tương tự qua số.
Nâng cao hình ảnh: Quá trình này xử lý một hình ảnh sao cho kết quả đầu ra nhận được phù hợp hơn so với ảnh gốc ở một ứng dụng cụ thể. Nói cách khác, kỹ thuật này làm rõ các chi tiết ẩn hoặc đơn giản là làm nổi bật một số đặc tính được quan tâm trong một bức ảnh. Đây là một bước quan trọng vì nó thiết lập các thông số, kĩ thuật định hướng theo một vấn đề cụ thể. Ví dụ, một kĩ thuật tăng cường hình ảnh tia X thì nó không phù hợp để sử dụng cho các hình ảnh nhận được từ vệ tinh được chụp từ phổ từ trong dải hồng ngoại.
Các phương pháp nâng cao hình ảnh trong quá trình này chỉ mang tính tương đối. Khi một 4 hình ảnh được xử lý và biểu diễn một cách trực quan, người xem chính là người đánh giá cuối cùng về một phương pháp cụ thể đó có tốt hay không. Xử lý ảnh Phân loại và xử lý đa Xử lý hình Nén ảnh màu biến thái Khôi phục Phân đoạn ảnh hình ảnh Nâng cao hình Nhận dạng và Cơ sở tri thức ảnh mô tả Nhận dạng đối Thu nhận ảnh tượng Hình 1.4: Các bước cơ bản trong xử lý ảnh số [5]. Khôi phục hình ảnh: Khôi phục hình ảnh là một lĩnh vực liên quan đến việc cải thiện sự xuất hiện của một bức ảnh.
Tuy nhiên khác với nâng cao hình ảnh nó có xu hướng là một mô hình toán học hoặc xác suất. Mặt khác việc cải tiến dựa trên sở thích chủ quan của con người thì việc đánh giá tốt hay không cũng trở nên thiếu tính thuyết phục. Xử lý ảnh màu: Xử lý ảnh màu là bước sử dụng màu sắc của một bức ảnh để lấy ra các đặc tính quan tâm trong một bức ảnh Phân loại ảnh và xử lý đa biến: Phân loại ảnh và xử lý đa biến là nền tảng trong việc phân chia hình ảnh thành nhiều độ phân giải khác nhau. Nó được sử dụng trong việc nén dữ liệu ảnh.
Nén ảnh: Nén ảnh là kỹ thuật để giảm dung lượng dùng để lưu một bức ảnh hoặc một băng thông cần thiết để truyền đi một bức ảnh. Mặc dù các công nghệ lưu trữ đã được cải thiện đáng kể trong nhiều thập kỷ qua, nhưng điều tương tự thì không thể nói trong khả năng truyền tải ảnh đặc biệt là trong môi trường internet đặc trưng bởi dung lượng của hình ảnh. Nén ảnh rất quen thuộc đối với hầu hết các người dùng máy tính. Chẳng hạn như định dạng ảnh jpg được sử dụng trong tiêu chuẩn nén JPEG (Joint Photographic Experts Group).
5 Xử lý hình thái học: Xử lý hình thái học sử dụng công cụ dùng để lấy ra các thành phần hình ảnh hữu ích trong việc nhận dạng hay mô tả hình dáng. Trong bước này sẽ có một sự chuyển đổi từ xử lý ảnh đầu ra, để xử lý các đặc tính của ảnh đầu ra. Phân đoạn ảnh: Phân đoạn ảnh là một bước quan trọng trong một quá trình xử lý ảnh số. Ở bước này các thì ảnh số được phân tách thành các thành phần có cùng một tính chất nào đó dựa theo biên hay các vùng lân cận.
Tiêu chuẩn để xác định vùng lân cận có thể là cùng giá trị màu màu, cùng độ sáng… Mục đích của phân đoạn ảnh chính là làm nổi bật hay tách các thuộc tính các thành phần cấu tạo nên ảnh thô. Vì lượng thông tin chứ ảnh rất lớn trong khi các ứng dụng khác nhau chỉ cần lấy thông số của một số đặc trưng cụ thể vì vậy cần có một quá trình để giảm thiểu lượng thông tin khổng lồ. Quá trình này bao gồm phân đoạn ảnh và trích chọn các đặc tính của ảnh. Nhận dạng và mô tả: Kết quả của quá trình phân đoạn ảnh thường được biểu diễn dưới dạng dữ liệu ảnh thô, trong đó có các đặc tính như vùng biên hoặc các đặc tính riêng biệt của chính bức ảnh đó.