phần mở đầu và kết luận, luận văn đƣợc chia làm 3 chƣơng, nội dung cụ thể của các chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1. Tổng quan về nâng cao chất lƣợng ảnh Trong chƣơng này trình bày lý thuyết cơ bản về xử lý ảnh (ảnh số và chất lƣợng ảnh, một số loại nhiễu, sử dụng các bộ lọc, bảo toàn thông tin ảnh trong quá trình tìm biên… đƣợc trình bày nhƣ là các khái niệm. Một số kỹ thuật phát hiện biên và nâng cao chất lƣợng ảnh dựa vào các quá trình khuếch tán Chƣơng này trình bày một số kỹ thuật phát hiện biên tiêu biểu và các quá trình khuếch tán: Khuếch tán đẳng hƣớng, khuếch tán không đẳng hƣớng (thực và phức). Trong đó, khuếch tán đẳng hƣớng giới thiệu phƣơng trình khuếch tán tìm biên và nêu lên nhƣợc điểm sử dụng hệ số khuếch tán hằng số.
Tiếp theo sử dụng quá trình khuếch tán trong xử lý ảnh: Khuếch tán thực thực hiện giảm nhiễu, tìm biên ảnh và khuếch tán phức kết hợp giảm nhiễu tìm biên. Kết quả cài đặt thử nghiệm Chƣơng cuối cùng, tiến hành thực nghiệm dùng các quá trình khuếch tán tuyến tính, phi tuyến (thực và phức) để lọc nhiễu cho ảnh. Thực nghiệm sử dụng công cụ Matlab. Việc đánh giá chất lƣợng xử lý, so sánh các phƣơng pháp đƣợc thực hiện bằng sự đánh giá PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio) giữa ảnh gốc và ảnh sau xử lý.
Phần phụ lục giới thiệu các mã nguồn của thực nghiệm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 NỘI DUNG Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ẢNH 1. Ảnh số và chất lƣợng ảnh 1.
Hệ thống xử lý ảnh Xử lý ảnh là một khoa học còn tƣơng đối mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác, nhất là trên qui mô công nghiệp. 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, trƣớc hết chúng ta sẽ xem xét các bƣớc cần thiết trong xử lý ảnh. Trƣớc hết là quá trình thu nhận ảnh. Ảnh có thể thu nhận qua camera.
Thƣờng ảnh thu nhận qua camera là tín hiệu tƣơng tự (loại camera ống kiểu CCIR), nhƣng cũng có thể là tín hiệu số hoá (loại CCD - Charge Coupled Device). Lƣu trữ CAMERA Thu nhận Phân tích Nhận Số hóa dạng ảnh ảnh SENSORS HỆ QUYẾT Lƣu ĐỊNH trữ Hình 1.1 Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh Ảnh cũng có thể thu nhận từ vệ tinh qua các bộ cảm ứng (sensor), hay ảnh, tranh đƣợc quét trên scanner. Tiếp theo là quá trình số hoá (digitalizer) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 để biến đổi tín hiệu tƣơng tự sang tín hiệu rời rạc (lấy mẫu) và số hoá bằng lƣợng hoá, trƣớc khi chuyển sang giai đoạn xử lý, phân tích hay lƣu trữ. Quá trình phân tích ảnh thực chất bao gồm nhiều công đoạn nhỏ.
Trƣớc hết là công việc tăng cƣờng ảnh để nâng cao chất lƣợng ảnh. Do những nguyên nhân khác nhau: Có thể do chất lƣợng thiết bị thu nhận ảnh, do nguồn sáng hay do nhiễu, ảnh có thể bị suy biến. Do vậy cần phải tăng cƣờng 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 trƣớc khi ảnh bị biến dạng. Giai đoạn tiếp theo là phát hiện các đặc tính nhƣ biên, phân vùng ảnh, trích chọn các đặc trƣng, v.
Cuối cùng, tuỳ theo mục đích của ứng dụng, sẽ là giai đoạn nhận dạng, phân lớp hay các quyết định khác. Các giai đoạn chính của quá trình xử lý ảnh có thể mô tả ở hình 1. Với các giai đoạn trên, một hệ thống xử lý ảnh (cấu trúc phần cứng theo chức năng) gồm các thành phần tối thiểu nhƣ hình 1. Đối với một hệ thống xử lý ảnh thu nhận qua camera-camera nhƣ 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 tƣơng ứng một cƣờng độ sáng tại một điểm ảnh ứng với một phần tử ảnh (pixel). Nhƣ vậy, ảnh là tập hợp các điểm ảnh.
Số pixel tạo nên một ảnh gọi là độ phân giải (resolution). Bộ xử lý tƣơng tự (analog processor). Bộ phận này thực hiện các chức năng sau: - Chọn camera thích hợp nếu hệ thống có nhiều camera. - Chọn màn hình hiển thị tín hiệu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 - Thu nhận tín hiệu video thu nhận bởi bộ số hoá (digitalizer).
Thực hiện lấy mẫu và mã hoá. - Tiền xử lý ảnh khi thu nhận: dùng kỹ thuật bảng tra (Look Up Table - LUT). Màn hình đồ họa camera Bộ xử lý Bộ nhớ tƣơng tự ảnh Bộ nhớ Máy chủ Bộ xử lý ngoài ảnh số Màn hình Bàn phím Máy in Hình 1.2 Các thành phần chính của hệ thống xử lý ảnh Bộ xử lý ảnh số: Gồm nhiều bộ xử lý chuyên dụng: xử lý lọc, trích chọn đƣờng bao, nhị phân hoá ảnh. Các bộ xử lý này làm việc với tốc độ 1/25 giây.
Máy chủ: Đóng vai trò điều khiển các thành phần miêu tả ở trên. Bộ nhớ ngoài: Dữ liệu ảnh cũng nhƣ các kiểu dữ liệu khác, để có thể chuyển giao cho các quá trình khác, nó cần đƣợc lƣu trữ.2 Các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh Nhƣ đã đề cập trong phần giới thiệu, chúng ta đã thấy đƣợc một cách khái quát các vấn đề chính trong xử lý ảnh. Để hiểu chi tiết hơn, trƣớc tiên ta Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 xem xét hai khái niệm (thuật ngữ) thƣờng dùng trong xử lý ảnh đó là Pixel (phần tử ảnh) và gray level (mức xám), tiếp theo là tóm tắt các vấn đề chính. a) Một số khái niệm Pixel (Picture Element): phần tử ảnh Ảnh trong thực tế là một ảnh liên tục về không gian và về giá trị độ sáng.
Để có thể xử lý ảnh bằng máy tính cần thiết phải tiến hành số hoá ảnh. Trong quá trình số hoá , ngƣời ta biến đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc thông qua quá trình lấy mẫu (rời rạc hóa về không gian) và lƣợng hoá thành phần giá trị mà thể về nguyên tắc bằng mắt thƣờng không phân biệt đƣợc hai điểm kề nhau. Trong quá trình này, ngƣời ta sử dụng khái niệm Picture element mà ta quen gọi hay viết là Pixel - phần tử ảnh. Ở đây cũng cần phân biệt khái niệm pixel hay đề cập đến trong các hệ thống đồ hoạ máy tính.
Để tránh nhầm lẫn ta tạm gọi khái niệm pixel này là pixel thiết bị. Khái niệm pixel thiết bị có thể xem xét nhƣ sau: khi ta quan sát màn hình (trong chế độ đồ hoạ), màn hình không liên tục mà gồm nhiều điểm nhỏ, gọi là pixel. Mỗi pixel gồm một cặp toạ độ x, y và màu. Cặp toạ độ x, y tạo nên độ phân giải (resolution).
Nhƣ màn hình máy tính có nhiều loại với độ phân giải khác nhau: màn hình CGA có độ phân giải là 320 x 200; màn hình VGA là 640 x 350,. Nhƣ vậy, một ảnh là một tập hợp các điểm ảnh. Khi đƣợc số hoá, nó thƣờng đƣợc biểu diễn bởi bảng hai chiều I(n,p): n dòng và p cột. Ta nói ảnh gồm n x p pixels.
Ngƣời ta thƣờng kí hiệu I(x,y) để chỉ một pixel. Thƣờng giá trị của n chọn bằng p và bằng 256.2 cho ta thấy việc biểu diễn một ảnh với độ phân giải khác nhau. Một pixel có thể lƣu trữ trên 1, 4, 8 hay 24 bit. Gray level: Mức xám của ảnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 Một điểm ảnh (Pixel) có hai đặc trƣng cơ bản là vị trí (x, y) của điểm ảnh và độ xám của nó.
Dƣới đây chúng ta xem xét một số khái niệm và thuật ngữ thƣờng dùng trong xử lý ảnh. - Mức xám là kết quả sự mã hoá tƣơng ứng một cƣờng độ sáng của mỗi điểm ảnh với một giá trị số tại điểm đó - kết quả của quá trình lƣợng hoá. Cách mã hoá kinh điển thƣờng dùng 16, 32 hay 64 mức. Mã hoá 256 mức là phổ dụng nhất Lý do từ kỹ thuật máy tính dùng 1 byte (8 bits) để biểu diễn mức xám.
Mức xám dùng 1 byte biểu diễn: 28 = 256 mức (0, 1… 255), nên với 256 mức, mỗi pixel sẽ đƣợc mã hoá bởi 8 bit. - Ảnh đen trắng: là ảnh có hai màu đen, trắng (không chứa màu khác) với mức xám ở các điểm ảnh có thể khác nhau. - Ảnh nhị phân: ảnh chỉ có 2 mức đen trắng phân biệt tức dùng 1 bit mô tả 21 mức khác nhau. Nói cách khác mỗi điểm ảnh của ảnh nhị phân chỉ có thể là 0 hoặc 1.
- Ảnh màu: Trong hệ màu RGB(Red, Blue, Green) để tạo nên thế giới màu, ngƣời ta thƣờng dùng 3 byte để mô tả mức màu, khi đó các giá trị màu: 28*3= 24 16,7 triệu màu. b) Biểu diễn ảnh Trong biểu diễn ảnh, ngƣời ta thƣờng dùng các phần tử đặc trƣng của ảnh là pixel. Nhìn chung có thể xem một hàm hai biến chứa các thông tin nhƣ biểu diễn của một ảnh. Các mô hình biểu diễn ảnh cho ta một mô tả lô gic hay định lƣợng các tính chất của hàm này.
Trong biểu diễn ảnh cần chú ý đến tính trung thực của ảnh hoặc các tiêu chuẩn “thông minh” để đo chất lƣợng ảnh hoặc tính hiệu quả của các kỹ thuật xử lý. Việc xử lý ảnh số yêu cầu ảnh phải đƣợc mẫu hoá và lƣợng tử hoá. Thí dụ một ảnh ma trận 512 dòng gồm khoảng 512 x 512 pixel. Việc lƣợng tử hoá Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 ảnh là chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự sang tín hiệu số (Analog Digital Convert) của một ảnh đã lấy mẫu sang một số hữu hạn mức xám.
Một số mô hình thƣờng đƣợc dùng trong biểu diễn ảnh: Mô hình toán, mô hình thống kê. Trong mô hình toán, ảnh hai chiều đƣợc biểu diễn nhờ các hàm hai biến trực giao gọi là các hàm cơ sở. Với mô hình thống kê, một ảnh đƣợc coi nhƣ một phần tử của một tập hợp đặc trƣng bởi các đại lƣợng nhƣ: kỳ vọng toán học, hiệp biến, phƣơng sai, moment.