Chương 1: XỬ LÝ ẢNH SỐ 1. Quá trình xử lý ảnh số Xử lý ảnh số là quá trình biến đổi ảnh số trên máy tính ( PC ) nhằm phục vụ cho các mục đích khác nhau. Giới thiệu Xử lý ảnh số thường bao gồm các phần công việc sau: a) Thu nhận ảnh: Ảnh có thể thu nhận qua camera. Thường ảnh thu nhận qua camera là tín hiệu tương tự (loại camera ống kiểu CCIR), nhưng cũng có thể là tín hiệu số hoá (loại CCD - Charge Coupled Device).
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 được quét trên scanner. Tiếp theo là quá trình số hoá (Digitalizer) để biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu rời rạc (lấy mẫu) và số hoá bằng lượng hoá, trước khi chuyển sang giai đoạn xử lý, phân tích hay lưu trữ lại. b) Phân tích ảnh: Quá trình phân tích ảnh bao gồm nhiều công đoạn nhỏ. Trước hết là công việc tăng cường ảnh để nâng cao chất lượng ảnh.
Do những nguyên nhân khác nhau: có thể do chất lượng thiết bị thu nhận ảnh, do nguồn sáng hay do nhiễu, ảnh có thể bị suy biến. Do vậy cần phải tăng cường 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 trước khi ảnh bị biến dạng. Giai đoạn tiếp theo là phát hiện các đặc tính như biên, phân vùng ảnh, trích chọn các đặc tính, 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. NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP NÉN ẢNH SỐ 7 SVTH: NGUYỄN MINH ĐỨC GVHD: T.S HOÀNG THU HÀ Với các giai đoạn trên, một hệ thống xử lý ảnh (cấu trúc phần cứng theo chức năng) gồm các thành phần tối thiểu như hình 1. - Đối với một hệ thống xử lý ảnh thu nhận qua camera-camera như 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 tương ứng một cường độ sáng tại một điểm ảnh ứng với một phần tử ảnh (pixel). Như vậy, ảnh là tập hợp các điểm ảnh. Số pixel tạo nên một ảnh gọi là độ phân giải (resolution).
- Bộ xử lý tương 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 - 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). - Bộ xử lý ảnh số. Gồm nhiều bộ xử lý chuyên dụng: xử lý lọc, trích chọn đường bao, nhị phân hoá ảnh. Các bộ xử lý này làm việc với tốc độ 1/25 giây.
Đóng vai trò điều khiển các thành phần miêu tả ở trên. - Bộ nhớ ngoài: Dữ liệu ảnh cũng như các kiểu dữ liệu khác, để có thể chuyển giao cho các quá trình khác, nó cần được lưu trữ. Để có một ước lượng, xét thí dụ sau: một ảnh đen trắng cỡ 512 x 512 với 256 mức xám chiếm 256K bytes. Với một ảnh màu cùng kích thước dung lượng sẽ tăng gấp 3 lần.
Màn hình đồ họa camera Bộ xử lý Bộ nhớ tương tự ảnh Bộ xử lý Bộ nhớ Máy chủ ảnh số ngoài Màn hình Bàn phím Máy in Hình 1. Các thành phần chính của hệ thống xử lý ảnh NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP NÉN ẢNH SỐ 8 SVTH: NGUYỄN MINH ĐỨC GVHD: T.S HOÀNG THU HÀ 1.2 Các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh : Như đã đề cập trong phần giới thiệu, chúng ta đã thấy được một cách khái quát các vấn đề chính trong xử lý ảnh. Để hiểu chi tiết hơn, trước tiên ta xem xét hai khái niệm (thuật ngữ) thường dùng trong xử lý ảnh đó là Pixel (phần tử ảnh) và grey level (mức xám): - 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 , người 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 lượng hoá thành phần giá trị mà thể về nguyên tắc bằng mắt thường không phân biệt được hai điểm kề nhau. Trong quá trình này, người 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 như 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). Như 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,.
Như vậy, một ảnh là một tập hợp các điểm ảnh. Khi được số hoá, nó thường được biểu diễn bởi bảng hai chiều I(n,p): n dòng và p 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 256.4 cho ta thấy việc biểu diễn một ảnh với độ phân giải khác nhau. Một pixel có thể lưu trữ trên 1, 4, 8 hay 24 bit. - Gray level: Mức xám 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. Cách mã hoá kinh điển thường dùng 16, 32 hay 64 mức.
Mã hoá 256 mức là phổ dụng nhất do lý do kỹ thuật., 255), nên với 256 mức, mỗi pixel sẽ được mã hoá bởi 8 bit. Biểu diễn ảnh Trong biểu diễn ảnh, người ta thường dùng các phần tử đặc trưng của ảnh là pixel. Nhìn chung có thể xem một hàm hai biến chứa các thông tin như biểu diễn của một ảnh. Các mô hình biểu diễn ảnh cho ta một mô tả lô gic hay định lượng 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 lượng ảnh hoặc tính hiệu quả của các kỹ thuật xử lý. NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP NÉN ẢNH SỐ 9 SVTH: NGUYỄN MINH ĐỨC GVHD: T.S HOÀNG THU HÀ Việc xử lý ảnh số yêu cầu ảnh phải được mẫu hoá và lượng tử hoá. Thí dụ một ảnh ma trận 512 dòng gồm khoảng 512 x 512 pixel. Việc lượng tử hoá ảnh là chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (Analog Digital Convert) của một ảnh đã lấy mẫu sang một số hữu hạn mức xám.
Vấn đề này sẽ trình bày chi tiết trong chương 2. Một số mô hình thường được dùng trong biểu diễn ảnh: Mô hình toán, mô hình thống kê. Trong mô hình toán, ảnh hai chiều được biểu diễn nhờ các hàm hai biến trực giao gọi là các hàm cơ sở. Các biến đổi này sẽ trình bày kỹ trong chương 3.
Với mô hình thống kê, một ảnh được coi như một phần tử của một tập hợp đặc trưng bởi các đại lượng như: kỳ vọng toán học, hiệp biến, phương sai, moment.4 Tăng cường ảnh - khôi phục ảnh Tăng cường ảnh là bước quan trọng, tạo tiền đề cho xử lý ảnh. Nó gồm một loạt các kỹ thuật như: lọc độ tương phản, khử nhiễu, nổi màu, v.4 Ảnh biến dạng do nhiễu Khôi phục ảnh là nhằm loại bỏ các suy giảm (degradation) trong ảnh. Với một hệ thống tuyến tính, ảnh của một đối tượng có thể biểu diễn bởi: g(x,y) = h( x , y; , ) f ( , )d d ( ( x , y )) Trong đó: - (x,y) là hàm biểu diễn nhiễu cộng. - f(a,ß) là hàm biểu diễn đối tượng.
- g(x,y) là ảnh thu nhận. Một vấn đề khôi phục ảnh tiêu biểu là tìm một xấp xỉ của f(a,ß) khi PSF của nó có thể đo lường hay quan sát được, ảnh mờ và các tính chất xác suất của quá trình nhiễu. Biến đổi ảnh Thuật ngữ biến đổi ảnh (Image Transform) thường dùng để nói tới một lớp các ma trận đơn vị và các kỹ thuật dùng để biến đổi ảnh. Cũng như các tín NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP NÉN ẢNH SỐ 10 SVTH: NGUYỄN MINH ĐỨC GVHD: T.S HOÀNG THU HÀ hiệu một chiều được biểu diễn bởi một chuỗi các hàm cơ sở, ảnh cũng có thể được biểu diễn bởi một chuỗi rời rạc các ma trận cơ sở gọi là ảnh cơ sở.
Phương trình ảnh cơ sở có dạng: A*k,l = ak al*T, với ak là cột thứ k của ma trận A. A là ma trận đơn vị. Các A*k,l định nghĩa ở trên với k,l = 0,1, ., N-1 là ảnh cơ sở. Có nhiều loại biến đổi được dùng như : - Biến đổi Fourier, Sin, Cosin, Hadamard,.
- Tích Kronecker - Biến đổi KL (Karhumen Loeve): biến đổi này có nguồn gốc từ khai triển của các quá trình ngẫu nhiên gọi là phương pháp trích chọn các thành phần chính. Do phải xử lý nhiều thông tin, các phép toán nhân và cộng trong khai triển là khá lớn. Do vậy, các biến đổi trên nhằm làm giảm thứ nguyên của ảnh để việc xử lý ảnh được hiệu quả hơn. - Ma trận khối là ma trận mà các phần tử của nó lại là một ma trận.
A m n Ma trận A với Ai,j là ma trận m x n; i = 1, 2,. Tích Kronecker: Cho A là ma trận kích thước M1 x M2 và B ma trận kích thước N1 x N2. Tích Kronecker của A và B ký hiệu là A B là ma trận khối được định nghĩa: a1,1B a1,2B. AM1,M2B với a i,j là các phần tử của ma trận A.6 Phân tích ảnh Phân tích ảnh liên quan đến việc xác định các độ đo định lượng của một ảnh để đưa ra một mô tả đầy đủ về ảnh.
Các kỹ thuật được sử dụng ở đây nhằm mục đích xác định biên của ảnh. Có nhiều kỹ thuật khác nhau như lọc vi phân hay dò theo quy hoạch động.