CHƯƠNG 1 : TÌM HIỂU VỀ XỬ LÝ NHẬN DẠNG ẢNH PHÂN ĐOẠN ẢNH 1.1 SƠ LƯỢC VỀ KỸ THUẬT XỬ LÝ VÀ NHẬNN DẠNG VÀ PHÂN ĐOẠN ẢNH 1.1 Tổng quan về một hệ thống xử lý ảnh 1.1 Khái niệm cơ bản Xử lý ảnh là một khoa học còn tương đối mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác, nhất là trên qui mô công nghiệp, song trong xử lý ảnh đã bắt đầu xuất hiện những máy tính chuyên dụng. 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, trước hết chúng ta sẽ xem xét các bước cần thiết trong xử lý ảnh. Hình ảnh có thể được biễu diễn bởi hàm hai chiều f(x,y), trong đó x và y là tọa độ không gian phẳng (2 chiều ). Khi xét đến ảnh “đen trắng”, giá trị hàm f tại một điểm xác định bởi tọa độ (x,y) được gọi là độ chói ( mức xám ) của ảnh tại điệm này.
Nếu x,y và f là một số hiện hữu của các giá trị rời rạc, chúng ta có ảnh số. xử lý ảnh số là quá trình biến đổi ảnh số trên máy tính (PC). Như vây, ảnh số được tạo ra bởi một số hữu hạn các điểm ảnh, mỗi điểm ảnh nằm tại một vị trí xác định và có một giá trị nhất định. Một điểm ảnh trong một ảnh còn được gọi là một pixel.
Có thể tạm phân biệt các hệ thống xử lý ảnh theo mức độ phức tạp của thuật toán xử lý ành như sau: Xử lý ảnh mức thấp : Đó là các quá trình biến đổi đơn giản như thực hiện các bộ lọc nhằm khử nhiễu trong ảnh, tăng cường độ tương phản hay độ nét của ảnh. Trong trường hợp này, tín hiệu đưa vào hệ thống xử lý và tín hiệu ở đầu ra là ảnh quang học. Xử lý ảnh mức trung: Qquá trình xử lý phức tạp hơn, thường được sử dụng để phân lớp, phân đoạn ảnh, xác định và dự đoán biên ảnh , nén ảnh đẻ lưu trữ hoặc truyền phát. Đặc điểm của các hệ thống xử lý ảnh mức trung là tín hiệu đầu vào là hình ảnh, còn tín hiệu đầu ra là các thành phần được tách ra từ hình ảnh gốc, hoặc luồng dữ liệu nhận được sau khi nén ảnh.
Xử lý ảnh mức cao: Là quá trình phân tích và nhận dạng hình ảnh. Đây cũng là quá trình xử lý được thực hiện trong hệ thống thị giác của con người. GVHD : ThS Hoàng Mạnh Hà SV thực hiện : Lữ Thị Kim Quy_910638D Trang 6 Luận Văn Tốt Nghiệp TKTB Nhận Dạng Kí Tự Hỗ Trợ Việc Đọc Cho Người Khiếm Thị 1.2 Các giai đoạn trong quá trình xử lý ảnh : Quá trình thu nhận ảnh: Đây là giai đoạn đầu tiên và quan trọng nhất trong toàn bộ quá trình xử lý ảnh. Ảnh nhận được tại đây là ảnh gốc để dưa vào xử lý tại các giai đoạn sau, trường hợp ảnh gốc có chất lượng kém hiệu quả của các bước xử lý tiếp theo sẽ bị giảm.
Ảnh thu nhận qua Camera là tín hiệu tương tự (loại Camera CCIR , hoặc là tín hiệu số CCD) Tiền xử lý ảnh: Giai đoạn xử lý tương đối đơn giản nhằm nâng cao chất lượng ảnh để trợ giúp cho các quá trình xử lý nâng cao tiếp theo, ví dụ : tăng độ tương phản , làm nổi, đường biên, khử nhiễu v.v Phân đoạn: Là quá trình tách hình ảnh thành các phần hoặc vật thể riêng biệt. Đây là một trong những vấn đề khó giải quyết nhất trong lĩnh vực xử lý ảnh. Nếu thực hiện tách quá chi tiết thì bài toán nhận dạng các thành phần được tách ra trở nên phức tạp, còn ngược lại nếu quá trình phân đoạn được thực hiện quá thô hoặc phân đoạn sai thì kết quả nhận được cuối cùng sẽ không chính xác Biểu diễn và mô tả: Là quá trình xử lý tiếp sau khâu phân đoạn hình ảnh. Các vật thể sau khi phân đoạn có thể được mô tả dưới dạng chuỗi các điển ảnh tạo nên ranh giới một vùng, hoặc tập hợp tất cả các điểm ảnh nằm trong vùng đó.
Phương pháp mô tả thông qua ranh giới vùng thường được sử dụng khi cần tập trung sự chú ý vào hình dạng bên ngoài của chi tiết ảnh như độ cong, các góc cạnh … Biểu diễn vùng thường được sử dụng khi chúng ta quan tâm tới đặc tính bên trong của vùng ảnh như đường vân (texture) hay hình dạng (skeletal). Nén ảnh: Bao gồm các biện pháp giảm thiểu dung lượng bộ nhớ cần thiết để lưu trữ hình ảnh, hay giảm băng thông kênh truyền, cần thiết để truyền tín hiệu hình ảnh số. Muốn giảm thiểu hóa ảnh thì ta cần phải tiến hành lấy mẫu và lượng tử hóa Lấy mẫu tín hiệu Quá trình lấy mẫu tín hiệu được mô tả trên hình 1. Tín hiệu video ứng với một dòng ảnh AB là tín hiệu một chiều liên tục theo thời gian và có biên độ biến đổi liên tục.
Khi lấy mẫu, thời gian truyền dòng AB được chia ra thành nhiều đoạn bằng nhau. Giá trị tín hiệu tại các điểm lấy mẫu được đánh dấu ô vuông trên độ thị. Theo định lý lấy mẫu Nyquist, nếu tần số lấy mẫu rời rạc nhận được hoàn toàn xác định tín hiệu đó. GVHD : ThS Hoàng Mạnh Hà SV thực hiện : Lữ Thị Kim Quy_910638D Trang 7 Luận Văn Tốt Nghiệp TKTB Nhận Dạng Kí Tự Hỗ Trợ Việc Đọc Cho Người Khiếm Thị Lượng tử hóa Để biến đổi tiếp tín hiệu thành dạng số, chúng ta phải thực hiện giai đoạn lượng tử hóa các mẫu nhận được.
Đây là quá trình rới rạc hóa tín hiệu theo biên độ. Trên hình 1 thang xám được chia thành 8 mức rời rạc từ mức trắng tới mức đen. Lượng tử hóa được thực hiện đơn giản bằng cách tìm giá trị mức lượng tử gần giống nhất với giá trị thực của mẫu và gán giá trị này cho mẫu ảnh. Kết quả nhận được sau khi lấy mẫu và lượng tử hóa là chuỗi số rời rạc mô tả biến đổi độ chói trong một dòng ảnh.
Nếu thực hiện quá trình số hóa cho tất cả các dòng ảnh từ trên xuống dưới, chúng ta sẽ nhận được ảnh số trong không gian hai chiều. Hình 1 Quá trình số hóa tín hiệu video Hình 2 Ảnh tương tự và ảnh số Nhận dạng: Là quá trình phân loại vật thể dựa trên cơ sở các chi tiết mô tả vật thể đó (ví dụ các phương tiện giao thông có trong ảnh) Hình 3 các giai đoạn trong xử lý ảnh. GVHD : ThS Hoàng Mạnh Hà SV thực hiện : Lữ Thị Kim Quy_910638D Trang 8 Luận Văn Tốt Nghiệp TKTB Nhận Dạng Kí Tự Hỗ Trợ Việc Đọc Cho Người Khiếm Thị Pixel (phần tử 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 thiêt phải tiến hành số hoá ảnh.
Trong quá trình số hoá, người ta biến đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc thông qua quá trình lấy mẫu (rời rạc hoá về không gian) và lượng hoá thành phần giá trị mà thể hiện về nguyên tắc bằng mắt thường không phân biệt được hai điểm kề nhau. Trong quá trình này, người ta sử dụng khái niệm Pixel. Cần phân biệt pixel này với pixel hay đề cập trong các thiết bị. Khi ta quan sát màn hình ở chế độ đồ hoạ màn hình không liên tục mà gồm những điểm nhỏ gọi là pixel (thiết bị).
Mỗi Pixel gồm một cặp toạ độ (x,y) và màu. Cặp toạ độ x,y tạo nên độ phân giải(resolution). Như màn hình máy tính có nhiều loại với độ phân giải khác nhau CGA(Colour Graphics Adaptor_Bộ thích ứng đồ họa màu) có độ phân giải là 320x200; màn hình VGA(Video Graphics Array_mảng đồ họa video) là 640x350,… Như vậy , mỗi ảnh là một tập hợp các điểm ảnh. Khi được số hoá, nó thường được biểu diễn bởi hai chiều I(n,p) : n là dòng và p là cột.
Ta nói ảnh gồm n x p pixels. Người ta thường kí hiệu I(x,y) để chỉ một pixel. Thường giá trị của n chọn bằng p và bằng 256. Một pixel có thể lưu trữ trên 1,4,8 hay 24 bit.
Gray level Mức xám là kết quả sự mã hoá tương ứng một cường độ sáng của mỗi điểm ảnh với một giá trị số- kết quả của quá trình lượng hoá. Các mã hoá kinh điển thường dùng 16, 32 hay 64 mức. Mã hoá 256 mức là phổ dụng nhất do lý do kỹ thuật. Vì 28 =256 (0, 1,2,3, …, 255) nên với 256 mức , mỗi pixel sẽ được mã hoá bởi 8 bit.2 Các thành phần chính của hệ thống xử lý ảnh Thiết bị thu nhận ảnh: Là thiết bị biến đổi quang-điện, cho phép biến đổi hình ảnh quang học tín hiệu điện dưới dạng analog hay trực tiếp dưới dạng số.
Có nhiều dạng cảm biến cho phép làm việc với ánh sáng nhìn thấy hoặc hồng ngoại. Hai loại thiết bị biến đổi quang-điện chủ yếu thường được sử dụng là đèn ghi hình điện tử và chip CCD (Charge Couple Device –linh kiện ghép điện tích). Ống cidicon là đại diện tiêu biểu cho họ đèn ghi hình điện tử được sử dụng tương đối rộng rãi trong camera màu cũng như đen trắng. Ống vidicon có kích thước nhỏ gọn ( đường kính 18-25 mm, chiều dài 10-12cm), nhẹ, cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng.
Đèn hình này sử dụng nguyên lý hiệu ứng quang điện trong và nguyên lý tích lũy điện tích. GVHD : ThS Hoàng Mạnh Hà SV thực hiện : Lữ Thị Kim Quy_910638D Trang 9 Luận Văn Tốt Nghiệp TKTB Nhận Dạng Kí Tự Hỗ Trợ Việc Đọc Cho Người Khiếm Thị Chip CCD là linh kiện bán dẫn có khả năng biến đổi năng lượng quang phổ thành tín hiệu điện. Thành phần chính của chip CCD là các tụ điện MOS (Metal- Oxide-Semiconductor).Tụ điện MOS được hình thành bởi ba lớp : một má tụ bằng kim loại, chất điện môi nằm giữa là lớp SiO2 và một má tụ bằng lớp bán dẫn loại p hoặc n Bộ nhớ trong và ngoài: Trong các hệ thống xử lý ảnh số thường có dung lượng rất lớn dùng để lưu trữ ảnh tĩnh và động dưới dạng số. Bộ xử lý ảnh chuyên dụng: Xử dụng chip xử lý ảnh chuyên dụng, có khả năng thực hiện nhanh các lệnh chuyên dùng trong xử lý ảnh.
Cho phép thực hiện các quá trình xử lý ảnh như lọc, làm nổi đường bao, nén và giải nén video số v. Trong bộ xử lý ảnh thường tích hợp bộ nhớ đệm có tốc độ cao.