CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ ẢNH GIẢ MẠO 1. Xử lý ảnh và một số vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 1. Một số khái niệm cơ bản Để có thể xử lý bằng máy tính điện tử thì ảnh cần phải được số hóa. Đó là quá trình biến đổi ảnh từ tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc thông qua việc lấy mẫu và lượng tử hóa.
Trong quá trình này người ta sử dụng khái niệm “pixel”. Mỗi pixel được đặc trưng bởi một cặp tọa độ ( X , Y ) và màu sắc của nó. Ảnh và điểm ảnh: Ảnh là một tập hợp các pixel có cấu trúc, ta có thể coi ảnh là một mảng hai chiều I ( n , p ) có n dòng và p cột, ảnh sẽ có n p (pixel). Điểm ảnh (pixel) là một phần tử của ảnh số tại tọa độ (x,y) với độ xám hoặc màu nhất định.
Kích thước và khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được chọn thích hợp sao cho mắt người cảm nhận sự liên tục về không gian và mức xám (hoặc màu) của ảnh số gần như ảnh thật. Mỗi phần tử trong ma trận được gọi là một phần tử ảnh. Mức xám (Gray level): Đó là kết quả của việc mã hóa, cho tương ứng một cường độ sáng của mỗi điểm ảnh với một giá trị số, có thể là 16, 32, 64 mức. Biểu diễn ảnh: Trong biểu diễn ảnh người ta thường sử dụng các phần tử đặc trưng của ảnh là pixel.
Một hàm hai biến chứa các thông tin như một biểu diễn ảnh. Một số mô hình thường dùng để biểu diễn ảnh là mô hình toán (biểu diễn ảnh nhờ các hàm cơ sở), mô hình thống kê (ảnh coi như một phần tử của một tập hợp đặc trưng bởi kỳ vọng toán, hiệp biến, phương sai, moment…). Tăng cường ảnh: Đây là một bước quan trọng bao gồm các kỹ thuật lọc độ tương phản, khử nhiễu, nổi màu…. Biến đổi ảnh: Thao tác chủ yếu trên một tập các ma trận và sử dụng các kỹ thuật để biến đổi ảnh qua ma trận: Biến đổi Furie, Sin, Cosin, tích Kronecker.
Phân tích ảnh: Liên quan tới việc xác định các độ đo định lượng của một ảnh để đưa ra một mô tả đầy đủ về ảnh. Có những kỹ thuật cơ bản để hỗ trợ phân tích ảnh: Dò biên, lọc vi phân, dò theo quy hoạch động, phân vùng ảnh. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Một số vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh Xử lý ảnh? Quá trình xử lý ảnh được xem như là quá trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho ra kết quả mong muốn.
Kết quả đầu ra của một quá trình xử lý ảnh có thể là một ảnh “tốt hơn” hoặc một kết luận. Ảnh “tốt Ảnh XỬ LÝ ẢNH hơn" Kết luận Hình 1. Quá trình xử lý ảnh Cách biểu diễn ảnh Đối với ảnh đơn giản (ảnh đen trắng) thì ảnh được biểu diễn bằng một hàm cường độ sáng hai chiều f ( X , Y ) , trong đó X , Y là các giá trị toạ độ không gian và hàm giá trị của f tại một điểm ( X , Y ) bất kỳ sẽ tỷ lệ với độ sáng hay mức xám của điểm ảnh tại điểm này. Biểu diễn ảnh bằng hàm f ( X , Y ) Trong một số trường hợp hàm ảnh còn được biểu diễn với một trục thứ 3 gọi là hàm cường độ sáng (với hình 1.2, trục thứ 3 bằng 0).
Một ảnh số là một ảnh f ( X , Y ) được gián đoạn theo không gian và cường độ sáng. Một ảnh số được xem như một ma trận với hàng và cột biểu diễn một điểm trong ảnh và giá trị điểm ma trận tương ứng với mức xám tại điểm đó. Các phần tử của một dãy số như thế được gọi là các điểm ảnh. Ánh sáng có dạng năng lượng f ( X , Y ) phải khác 0 và hữu hạn: 0 f ( X ,Y ) (1.1) Con người có khả năng nhận các hình ảnh từ ánh sáng phản xạ qua các vật thể.
Cơ sở của f ( X , Y ) được đặc trưng qua hai thành phần: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 Số lượng ánh sáng nguồn rơi trên cảnh vật được nhìn thấy. Số lượng ánh sáng nguồn phản xạ từ vật thể ( trong cảnh vật). Chúng được gọi gần đúng là sự phát sáng và các thành phần phản xạ, và được biểu diễn tương ứng là i ( X , Y ) và r ( X , Y ). Bản chất của i ( X , Y ) được xác định bằng nguồn sáng và của r ( X , Y ) được xác định bằng các đặc trưng của vật thể.2) Với: ( 0 i( X , Y ) 0 r( X ,Y ) 1 ) Ở đây ta gọi cường độ sáng của một ảnh đen trắng tại tọa độ ( X , Y ) là mức xám (l ) của ảnh tại điểm đó.4) , l nằm trong khoảng: Lmin l Lmax (1.3) Trong lý thuyết, chỉ cần Lmin 0 và Lmax hữu hạn.
Trong thực tế: Lmin imin rmin (1.4) Lmax imax rmax Sử dụng các giá trị chiếu sáng và phản xạ đã được tổng kết qua thực nghiệm hoặc xem là các giá trị cơ bản Lmin 0.005, Lmax 100 cho xử lý ảnh. Khoảng Lmin , Lmax được gọi là thang xám. Ta có thể dịch khoảng này đến 0, L , trong đó l 0 là đen và l L là trắng trong thang xám. Giá trị tức thời là các dạng mức xám thay đổi liên tục từ đen đến trắng.
Các điểm 4 láng giềng: Giả sử (i,j) là một điểm ảnh, khi đó các điểm 4 – láng giềng là: N4= {(i-1,j); (i+1,j); (i, j-1); (i, j+1)} Các điểm 8 láng giềng: N8 = N4 {(i-1,j-1); (i-1,j+1); (i+1,j-1); (i+1,j+1)} Nắn chỉnh biến dạng Ảnh thu nhận thường bị biến dạng do các thiết bị quang học và điện tử. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Ảnh thu nhận và ảnh mong muốn Để khắc phục người ta sử dụng các phép chiếu, các phép chiếu thường được xây dựng trên tập các điểm điều khiển. Giả sử (Pi, Pi’) i= 1, n có n các tập n điều khiển.
Tìm hàm f: Pi → f (Pi) sao cho f (Pi ) Pi ' 2 min. i 1 Giả sử ảnh bị biến đổi chỉ bao gồm : Tịnh tiến, quay, tỷ lệ, biến dạng bậc nhất tuyến tính. Khi đó hàm f có dạng: f(x,y) = (a1x + b1y + c1, a2x + b2y + c2) Ta có: n 2 n (f(Pi ) P ) (a1x i b1 yi c1 x i' )2 (a 2 x i b 2 yi c2 yi' )2 i ' (1.6) Giải hệ phương trình tuyến tính tìm được a1, b1, c1 Tương tự tìm được a2, b2, c2 Xác định được hàm f Kỹ thuật phóng to, thu nhỏ ảnh: Khi ảnh quá lớn chúng ta muốn nhìn toàn bộ ảnh thì chúng ta phải thu nhỏ ảnh lại và ngược lại khi ta muốn xem chi tiết một bộ phận nào đó của ảnh thì ta phải phóng to nó lên. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 13 - Kỹ thuật phóng to ảnh: Khi phóng to ảnh với một tỉ lệ k nào đó ta thu được ảnh mới to gấp k lần ảnh cũ (k là độ phóng của ảnh) như thế ảnh mới sẽ có kích thước là: Height = Height * k Width = Width * k Việc tính các điểm ảnh tương ứng của ảnh mới sẽ được tính theo công thức: xp=x/k yp=y/k - Kỹ thuật thu nhỏ ảnh: Tương tự như phóng to ảnh, khi thu nhỏ ảnh ta thu được ảnh mới giống ảnh cũ nhưng có kích thước nhỏ hơn ảnh cũ.
Kích thước của ảnh mới là: Height = Height / k Width = Width / k Việc tính các điểm ảnh tương ứng của ảnh mới sẽ được tính theo công thức: xp=x*k yp=y*k Nhận dạng ảnh: Quá trình này liên quan đến các mô tả đối tượng mà người ta muốn đặc tả nó. Nhận dạng ảnh thường đi sau các quá trình trích chọn các đặc trưng chủ yếu của đối tượng. Nhận dạng tự động (automatic recognition), mô tả đối tượng, phân loại và phân nhóm các mẫu là những vấn đề quan trọng trong thị giác máy, được ứng dụng trong nhiều ngành khoa học khác nhau. Tuy nhiên, một câu hỏi đặt ra là: mẫu (pattern) là gì? Watanabe, một trong những người đi đầu trong lĩnh vực này đã định nghĩa: “Ngược lại với hỗn loạn (chaos), mẫu là một thực thể (entity), được xác định một cách mơ hồ (vaguely defined) và có thể gán cho nó một tên gọi nào đó”.
Ví dụ mẫu có thể là ảnh của vân tay, ảnh của một vật nào đó được chụp, một chữ viết, khuôn mặt người hoặc một ký đồ tín hiệu tiếng nói. Khi biết một mẫu nào đó, để nhận dạng hoặc phân loại mẫu đó có thể: Hoặc phân loại có mẫu (supervised classification), chẳng hạn phân tích phân biệt (discriminant analyis), trong đó mẫu đầu vào được định danh như một thành phần của một lớp đã xác định. Hoặc phân loại không có mẫu LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 14 (unsupervised classification hay clustering) trong đó các mẫu được gán vào các lớp khác nhau dựa trên một tiêu chuẩn đồng dạng nào đó. Các lớp này cho đến thời điểm phân loại vẫn chưa biết hay chưa được định danh.
Hệ thống nhận dạng tự động bao gồm ba khâu tương ứng với ba giai đoạn chủ yếu sau đây: - Thu nhận dữ liệu và tiền xử lý - Biểu diễn dữ liệu - Nhận dạng, ra quyết định Bốn cách tiếp cận khác nhau trong lý thuyết nhận dạng là: - 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.
Trong các ứng dụng rõ ràng là không thể chỉ dùng có một cách tiếp cận đơn lẻ để phân loại “tối ưu” do vậy cần sử dụng cùng một lúc nhiều phương pháp và cách tiếp cận khác nhau. Do vậy, các phương thức phân loại tổ hợp hay được sử dụng khi nhận dạng và nay đã có những kết quả có triển vọng dựa trên thiết kế các hệ thống lại (hybrid system) bao gồm nhiều mô hình kết hợp. Việc giải quyết bài toán nhận dạng trong những ứng dụng mới, nảy sinh trong cuộc sống không chỉ tạo ra những thách thức về thuật giải, mà còn đặt ra những yêu cầu về tốc độ tính toán.