Chương 1:- TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ VIDEO 1.1 Tổng quan về xử lý ảnh Trong công nghệ thông tin, xử lý ảnh và đồ họa đã chiếm một vị rất quan trọng bởi vì các đặc tính đầy hấp dẫn của nó đã tạo nên một sự phân biệt với các lĩnh vực khác. Chúng giới thiệu các phương pháp và kỹ thuật để tạo ra các ảnh và xử lý các ảnh này. Trong thực tế 79% thông tin mà con người thu nhận được qua thị giác đều bắt nguồn từ ảnh [1]. Ngày nay, xử lý ảnh là lĩnh vực đã và đang ngày càng phát triển mạnh mẽ và cũng đã có nhiều thành tựu minh chứng cho sự phát triển này.
Điển hình, trong y học, xử lý ảnh số được dùng để phát hiện và nhận dạng khối u, cải thiện ảnh X quang , nhận dạng đường biên mạch máu từ những ảnh chụp mạch bằng tia X. Trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật, xử lý ảnh đã và đang có những đóng góp quan trọng, đặc biệt là trong lĩnh vực robot. Robot thông minh ngày nay không thể thiếu yếu tố xử lý ảnh, đó là các vấn đề về nhận dạng các đối tượng ngoài môi trường, từ việc nhận dạng có thể giải quyết rất nhiều bài toán như tránh vật cản, dò đường. Bên cạnh đó, xử lý ảnh cũng đang góp phần quan trọng vào lĩnh vực an ninh như: quan sát và cảnh báo tự động đối tượng đột nhập.
Góp phần vào lĩnh vực sản xuất như: giám sát và cảnh báo tự động liên quan đến sản phẩm,… 1.1 Xử lý ảnh và sơ đồ tổng quát Hệ thống xử lý ảnh số bao gồm một phạm vi rộng các kiến thức về phần cứng, phần mềm và cơ sở lý thuyết. Các bước cơ bản của xử lý ảnh số được mô tả trong sơ đồ dưới đây: 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Các bước cơ bản trong xử lý ảnh số Thu thập ảnh: Trong hệ thống xử lý ảnh số, camera là một thiết bị rất quan trọng có chức năng quan sát và thu nhận ảnh đầu vào của hệ thống. Nó thường được coi là hộp đen trong đó có các quá trình biến đổi để chuyển một ảnh thành dạng lưu trữ trong máy tính.
Các bước xử lý này bao gồm sự phát sáng, thấu kính, sensor, các phần tử quang điện và bộ số hoá, mỗi thành phần này phối hợp nhằm đưa ra ảnh số cuối cùng. Điểm đặc biệt quan trọng trong nhận dạng ảnh là đặc tính thời gian của camera, vì vậy quá trình xử lí ảnh có vai trò như bộ lấy mẫu trong hệ thống nhận dạng ảnh. Ảnh số được thu nhận bằng một cảm biến ảnh có khả năng biến thông tin về cường độ sáng và mức xám của ảnh thực thành tín hiệu điện áp dưới dạng analog. Tín hiệu này sau đó được số hóa để trở thành tín hiệu số.
Cảm biến nhìn chung gồm 2 thành phần chính. Thành phần thứ nhất tạo ra tín hiệu điện ở đầu ra tỉ lệ với mức năng lượng mà nó nhận được. Thành phần thứ 2 là bộ số hóa, là phần tử biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số. Tùy thuộc vào thành phần số hóa thực chất là bộ chuyển đổi ADC, chúng ta có các tín hiệu với số bit khác nhau: 4 bit, 8bit, 10 bit, 12 bit., tương ứng ta sẽ được các ảnh có 16, 256 mức xám khác nhau,.
Tiền xử lý ảnh : Sau khi ảnh số được thu thập dưới dạng tín hiệu số, cần phải trải qua giai đoạn tiền xử lý. Chức năng chủ yếu của tiền xử lý là cải thiện ảnh, nâng cao các tính chất của ảnh giúp cho các quá trình xử lý về sau được thuận tiện hơn. Các công đoạn cơ bản của tiền xử lý là: nâng cao độ tương phản, lọc nhiễu. 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Phân vùng ảnh: Bước tiếp theo của quá trình xử lý là phân vùng ảnh.
Ảnh sau khi đã được cải thiện, sẽ trở nên thuận tiện hơn cho việc phân ngưỡng và phân vùng. Nhiệm vụ chính của phân ngưỡng và phân vùng ảnh là tách ảnh đầu vào thành các đối tượng, vật thể riêng biệt. Kết quả của quá trình phân vùng ảnh, ta sẽ được một tập hợp các điểm ảnh có liên kết với nhau thành các đối tượng, được đánh số phân biệt, thuận tiện cho các quá trình xử lý cao hơn. Đầu ra của quá trình phân vùng ảnh là các pixel chưa được lọc, bao gồm liên kết của 1 vùng hoặc tất cả các điểm ảnh trong vùng đó.
Số liệu này cần được biến đổi thành dạng thích hợp cho máy tính xử lý. Phân tích ảnh: đây là giai đoạn xử lý bậc cao trong hệ thống xử lý ảnh số. Ảnh sau khi được phân vùng thành các đối tượng riêng biệt, đã được đánh số phân biệt, sẽ được phân tích để phục vụ những mục đích khác nhau như: Xác định các đặc trưng hình học của đối tượng: dựa trên cơ sở đối tượng đã được xác định và phân biệt, ta có thể thực hiện xác định các đặc trưng hình học của mỗi đối tượng đấy, như: vị trí, kích thước, hướng,. và số đối tượng hay mật độ đối tượng trong ảnh.
Đây là các đặc trưng được dùng nhiều trong hệ thống thị giác máy (machine vision). Nhận dạng : các đối tượng có thể là các vật thể có hình dạng nhất định, hoặc các kí tự số, chữ cái, dấu vân tay,.Ảnh sau khi được phân vùng có thể được nhận dạng theo những phương pháp nhất định như phương pháp neural, để tìm ra mẫu hình dạng mà đối tượng đó thuộc về. Để hướng dẫn hoạt động của từng module xử lý, cần có một hệ cơ sở kiến thức để kiểm tra hoạt động và tương tác giữa các module. Hệ này có nhiệm vụ kiểm soát hoạt động của từng module và sắp xếp trình tự hoạt động của chúng trong từng thời điểm, giải quyết bài toán xung đột.2 Một số vấn đề cơ bản của xử lý ảnh 1.1 Các khái niệm cơ bản của xử lý ảnh Ảnh: Là một tập hợp hữu hạn các điểm ảnh kề nhau.
Ảnh thường được biểu diễn bằng một ma trận hai chiều, mỗi phần tử của ma trận tương ứng với một điểm ảnh. - Ảnh nhị phân (đen trắng): là ảnh có giá trị mức xám của các điểm ảnh được biểu diễn bằng 1 bit (giá trị 0 hoặc 1). 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ví dụ về biểu diễn ảnh nhị phân: 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 - Ảnh xám: giá trị mức xám của các điểm ảnh được biểu diễn bằng 8 bit (giá trị từ 0 đến 255). Ví dụ về biểu diễn ảnh xám: 0 5 12 0 15 94 21 0 0 0 156 9 0 11 245 12 - Ảnh màu: thông thường, ảnh màu được tạo nên từ 3 màu tương ứng với màu đỏ (RED), xanh lá cây (GREEN), xanh lam (BLUE).
Tất cả các màu trong tự nhiêu đều có thể được tổng hợp từ 3 thành phần màu trên theo các tỷ lệ khác nhau. Điểm ảnh (pixel): Ảnh trong tự nhiên là những tín hiệu liên tục về không gian và giá trị độ sáng. Để có thể lưu trữ và biểu diễn ảnh bằng máy tính, con người phải tiến hành biến đổi các tín hiệu liên tục đó thành một số hữu hạn các tín hiệu rời rạc thông qua quá trình lượng tử hóa và lấy mẫu thành phần giá trị độ sáng. Một điểm ảnh là một giá trị biểu diễn cho mức xám hay cường độ ảnh tại một vị trí sau khi đã biến đổi ảnh thành một số hữu hạn các tín hiệu rời rạc.
Mức xám: Là kết quả của sự biến đổi tương ứng giá trị độ sáng của một điểm ảnh với một giá trị số nguyên dương. Tùy thuộc vào số giá trị biểu diễn mức xám mà mỗi điểm ảnh sẽ được biểu diễn trên 1, 4, 8, 24 hay 32 bit. Số lượng bit biểu diễn mức xám càng lớn thì chất lượng ảnh càng cao nhưng sẽ tốn dung lượng bộ nhớ nhiều hơn để lưu trữ và cần một hệ thống mạnh hơn để xử lý. Một số định dạng ảnh hiện nay như: BMP (Bitmap): Là ảnh được mô tả bởi một ma trận các giá trị số xác định màu và bảng màu của các điểm ảnh tương ứng khi hiển thị.
Ưu điểm của ảnh Bitmap là tốc độ vẽ và tốc độ xử lý nhanh. Nhược điểm của nó là kích thước rất lớn. 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com JPEG (Joint Photographic Experts Group): Đây là một định dạng ảnh được hỗ trợ bởi nhiều trình duyệt web. Ảnh JPEG được phát triển để nén dung lượng và lưu trữ ảnh chụp, và được sử dụng tốt nhất cho đồ họa có nhiều màu sắc, ví dụ như là ảnh chụp được scan.
Tập tin ảnh JPEG là ảnh Bitmap đã được nén lại. GIF (Graphics Interchange Format): Ảnh GIF được phát triển dành cho những ảnh có tính chất thay đổi. Nó được sử dụng tốt nhất cho đồ họa có ít màu, ví dụ như là ảnh hoạt hình hoặc là những bức vẽ với nhiều đường thẳng. WMF (Windows Metafiles): Là một tập hợp các lệnh GDI dùng để mô tả ảnh và nội dung ảnh.
Có hai ưu điểm khi sử dụng ảnh WMF: kích thước tập tin WMF nhỏ và ít phụ thuộc vào thiết bị hiển thị hơn so với ảnh Bitmap. Điểm ảnh và các lân cận: Mỗi frame ảnh thu về được biểu diễn dưới dạng I(x,y) trong đó x,y là tọa độ của điểm ảnh trên frame và I là mức xám tương ứng của điểm ảnh đó. Như vậy 1 frame ảnh thu được sẽ được biểu diễn dưới dạng một ma trận 2 chiều n x m với n là số điểm ảnh trên 1 hàng, m là số hàng trong 1 frame. Mỗi điểm ảnh có các lân cận xung quanh.
Nếu hiển thị mỗi điểm ảnh dưới dạng một ô vuông, mỗi điểm có chung biên với 4 điểm lân cận, và có chung góc với 4 điểm lân cận khác. Hai điểm lân cận gọi là "liên kết 4" nếu chúng có chung biên với nhau, và "liên kết 8" nếu chung góc và chung biên với nhau. [i-1,j] [i-1,j-1] [i-1,j] [i-1,j+1] [i,j-1] [i,j] [i,j+1] [i,j-1] [i,j] [i,j+1] [i+1,j] [i+1,j-1] [i+1,j] [i+1,j+1] (a) Liên kết 4 (b) Liên kết 8 Hình 1. Những liên kết giữa các điểm ảnh Đường liên kết: Đường liên kết là đường nối từ điểm ảnh [i1, j1] đến điểm ảnh [in,jn], qua một chuỗi các điểm ảnh [i1, j1 ], [i2, j2 ],.,[in,jn] trong đó mỗi điểm ảnh liên kết với điểm ảnh trước nó.
Từ đó ta có đường liên kết 4 hoặc liên kết 8 nếu các điểm ảnh là liên kết 4 hoặc liên kết 8.