CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ PHÂN ĐOẠN ẢNH Xử lý ảnh ngày nay đã trở thành một ngành khoa học lớn và có mặt trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Điều này hoàn toàn có thể lý giải được từ một định nghĩa đơn giản về ngành khoa học này: Xử lý ảnh là ngành khoa học nghiên cứu các quá trình xử lý thông tin dạng hình ảnh, mà hình ảnh là một trong những dạng thông tin phong phú nhất đối với chúng ta. Trong quá trình xử lý ảnh bước quan trọng nhất và cũng là có khăn nhất là bước phân đoạn ảnh. Phân đoạn nhằm mục đích phân tách các đối tượng cấu thành nên ảnh thô để có thể sử dụng cho các ứng dụng về sau.1 TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH 1.1 Giới thiệu về Xử lý ảnh Trong xã hội loài ngƣời, ngôn ngữ là một phƣơng tiện trao đổi thông tin phổ biến trong quá trình giao tiếp.
Bên cạnh ngôn ngữ, hình ảnh cũng là một cách trao đổi thông tin mang tính chính xác, biểu cảm khá cao và đặc biệt không bị cảm giác chủ quan của đối tƣợng giao tiếp chi phối. Thông tin trên hình ảnh rất phong phú, đa dạng và có thể xử lý bằng máy tính. Chính vì vậy, trong những năm gần đây sự kết hợp giữa ảnh và đồ hoạ đã trở nên rất chặt chẽ trong lĩnh vực xử lý thông tin. Cũng nhƣ xử lý dữ liệu hình ảnh bằng đồ hoạ, việc XLA số là một lĩnh vực của tin học ứng dụng.
Việc xử lý dữ liệu bằng đồ hoạ đề cập đến những ảnh nhân tạo, các ảnh này đƣợc xem xét nhƣ là những cấu trúc dữ liệu và đƣợc tạo ra bởi các chƣơng trình. XLA số thao tác trên các ảnh tự nhiên thông qua các phƣơng pháp và kỹ thuật mã hoá. Ảnh sau khi đƣợc thu nhận bằng các thiết bị thu nhận ảnh sẽ đƣợc biến đổi thành ảnh số theo các phƣơng pháp số hoá đƣợc nhúng trong các thiết bị kĩ thuật khác nhau và đƣợc biểu diễn trong máy tính dƣới dạng ma trận 2 chiều hoặc 3 chiều. Luận văn tốt nghiệp cao học Trang 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trường Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Mục đích của việc XLA đƣợc chia làm hai phần, một phần liên quan đến các kỹ thuật thu cải biến các ảnh tự nhiên để nhận đƣợc nhiều thông tin hơn, trong khi phần khác lại nhằm nhận dạng hoặc đoán nhận ảnh một cách tự động [1,3,4,16].
Ngƣời ta xem phần thứ nhất - từ một ảnh thu trở lại một ảnh là sự biến đổi ảnh hay sự cải biến ảnh, còn phần thứ hai - tự động nhận biết hoặc đánh giá nội dung các ảnh là nhận dạng ảnh [1,4]. Phƣơng pháp biến đổi ảnh đƣợc sử dụng trong việc xử lý các ảnh chụp từ không trung (chƣơng trình đo đạc từ máy bay, vệ tinh và các ảnh vũ trụ) hoặc xử lý các ảnh trong y học (ảnh chụp cắt lát, ảnh siêu âm, vv…). Một ứng dụng khác của việc biến đổi ảnh là mã hoá ảnh, trong đó các ảnh đƣợc xử lý để rồi lƣu trữ hoặc truyền đi. Các phƣơng pháp nhận dạng ảnh đƣợc sử dụng khi xử lý tế bào, nhiễm sắc thể, nhận dạng chữ vv.
Thực chất của công việc nhận dạng chính là sự phân loại đối tƣợng thành các lớp đối tƣợng đã biết hoặc thành những lớp đối tƣợng chƣa biết. Bài toán nhận dạng ảnh là một bài toán lớn, có rất nhiều ý nghĩa thực tiễn và ta cũng có thể thấy rằng để công việc nhận dạng trở nên dễ dàng thì ảnh phải đƣợc tách thành các đối tƣợng riêng biệt – đây là mục đích chính của bài toán phân đoạn ảnh. Nếu phân đoạn ảnh không tốt sẽ dẫn đến sai lầm trong quá trình nhận dạng ảnh, bởi vậy ngƣời ta xem công đoạn phân đoạn ảnh là vấn đề then chốt trong quá trình xử lý ảnh nói chung. Ngày nay, XLA số càng có nhiều ứng dụng to lớn trong thực tiễn: nhờ các kỹ thuật XLA mà chúng ta có thể đọc đƣợc kết quả trên các dụng cụ đo trong nhà máy điện hạt nhân, thu thập hoặc xử lý kết quả đo trong nhiều lĩnh vực của hoá học và vật lý; chúng ta cũng có thể xác định liều lƣợng và năng lƣợng của các hạt ; thậm chí chúng ta còn có thể dự báo đƣợc các nguy cơ về cháy rừng, sâu bệnh, cạn kiệt nguồn tài nguyên vv.
Một yếu tố đóng góp quan trọng vào việc tăng nhanh sự quan tâm đối với việc XLA số là các ảnh do các chƣơng trình nghiên cứu vũ trụ cung cấp. Nhiều ảnh đã đƣợc chụp từ vũ trụ sau đó đƣợc truyền về mặt đất để xử lý tiếp. Trong y học, việc XLA số cũng có những ứng dụng quan trọng bởi vì phần lớn Luận văn tốt nghiệp cao học Trang 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trường Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN các phƣơng pháp chuẩn đoán bệnh nhƣ chiếu tia laser, chụp ảnh Xquang, chụp ảnh cắt lát trên máy tính, siêu âm, nội soi vv. thì các thông tin để chuẩn đoán bệnh đều nhận đƣợc từ ảnh [2,3,13,15].
Tuy nhiên, có thể thấy rằng hầu hết các vấn đề đặt ra cho quá trình xử lý ảnh đều đƣợc giải quyết một cách hiệu quả nhờ cách đặt ra các điều kiện giải mang tính giả định rồi tiến hành kiểm chứng và sau đó áp dụng vào những hệ thống mới và phƣơng pháp mới.2 Quá trình XLA Quá trình XLA có thể đƣợc mô tả bằng sơ đồ sau: Biểu diễn và Phân đoạn ảnh mô tả ảnh. Tiền XLA CƠ SỞ TRI THỨC Nhận dạng và Thu nhận ảnh giải thích Hình 1. Quá trình xử lý ảnh Thu nhận ảnh: Đây là công đoạn đầu tiên mang tính quyết định đối với quá trình XLA. Ảnh đầu vào sẽ đƣợc thu nhận qua các thiết bị nhƣ camera, sensor, máy scanner, vv …và sau đó các tín hiệu này sẽ đƣợc số hoá.
Việc lựa chọn thiết bị thu nhận ảnh sẽ phụ thuộc vào đặc tính của các đối tƣợng cần xử lý. Các thông số quan trọng ở bƣớc này là độ phân giải, chất lƣợng màu, dung lƣợng bộ nhớ và tốc độ thu nhận ảnh của các thiết bị. Luận văn tốt nghiệp cao học Trang 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trường Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Tiền xử lý: Ở bƣớc này, ảnh sẽ đƣợc cải thiện về độ tƣơng phản, khử nhiễu, khử bóng, khử độ lệch, v. với mục đích làm cho chất lƣợng ảnh trở nên tốt hơn nữa, chuẩn bị cho các bƣớc xử lý phức tạp hơn về sau trong quá trình XLA.
Quá trình này thƣờng đƣợc thực hiện bởi các bộ lọc. Phân đoạn ảnh: Phân đoạn ảnh là bước then chốt trong XLA. Giai đoạn này nhằm phân tích ảnh thành những thành phần có cùng tính chất nào đó dựa theo biên hay các vùng liên thông. Tiêu chuẩn để xác định các vùng liên thông có thể là cùng màu, cùng mức xám hay cùng độ nhám vv … Mục đích của phân đoạn ảnh là để có một miêu tả tổng hợp về nhiều phần tử khác nhau cấu tạo nên ảnh thô.
Vì lƣợng thông tin chứa trong ảnh rất lớn – trong khi trong đa số các ứng dụng chúng ta chỉ cần trích chọn một vài đặc trƣng nào đó, do vậy cần có một quá trình để giảm lƣợng thông tin khổng lồ ấy. Quá trình này bao gồm phân vùng ảnh và trích chọn đặc tính chủ yếu. Biểu diễn và mô tả ảnh: Kết quả của bƣớc phân đoạn ảnh thƣờng đƣợc cho dƣới dạng dữ liệu điểm ảnh thô, trong đó hàm chứa biên của một vùng ảnh, hoặc tập hợp tất cả các điểm ảnh thuộc về chính vùng ảnh đó.Trong cả hai trƣờng hợp, sự chuyển đổi dữ liệu thô này thành một dạng thích hợp hơn cho việc xử lý trong máy tính là rất cần thiết. Để chuyển đổi chúng, câu hỏi đầu tiên cần phải trả lời là nên biểu diễn một vùng ảnh dưới dạng biên hay dƣới dạng một vùng hoàn chỉnh gồm tất cả những điểm ảnh thuộc về nó.
Biểu diễn dạng biên cho một vùng phù hợp với những ứng dụng chỉ quan tâm chủ yếu đến các đặc trƣng hình dạng bên ngoài của đối tƣợng, ví dụ nhƣ các góc cạnh và điểm uốn trên biên chẳng hạn. Biểu diễn dạng vùng lại thích hợp cho những ứng dụng khai thác các tính chất bên trong của đối tƣợng, ví dụ nhƣ vân ảnh hoặc cấu trúc xƣơng của nó. Sự chọn lựa cách biểu diễn thích hợp cho một vùng ảnh chỉ mới là một phần trong việc chuyển đổi dữ liệu ảnh thô sang một dạng thích hợp hơn cho các xử lý về sau. Chúng ta còn phải đƣa ra một phƣơng pháp mô tả dữ liệu đã đƣợc chuyển đổi đó sao cho những tính chất cần quan tâm đến sẽ đƣợc làm nổi bật lên, thuận tiện cho việc xử lý chúng.
Luận văn tốt nghiệp cao học Trang 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trường Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Nhận dạng và giải thích: Đây là bƣớc cuối cùng trong quá trình XLA. Nhận dạng ảnh (image recognition) có thể đƣợc nhìn nhận một cách đơn giản là việc gán nhãn cho các đối tƣợng trong ảnh. Ví dụ đối với nhận dạng chữ viết, các đối tƣợng trong ảnh cần nhận dạng là các mẫu chữ, ta cần tách riêng các mẫu chữ đó ra và tìm cách gán đúng các ký tự của bảng chữ cái tƣơng ứng cho các mẫu chữ thu đƣợc trong ảnh. Giải thích là công đoạn gán nghĩa cho một tập các đối tƣợng đã đƣợc nhận biết.
Chúng ta cũng có thể thấy rằng, không phải bất kỳ một ứng dụng XLA nào cũng bắt buộc phải tuân theo tất cả các bƣớc xử lý đã nêu ở trên, ví dụ nhƣ các ứng dụng chỉnh sửa ảnh nghệ thuật chỉ dừng lại ở bƣớc tiền xử lý. Một cách tổng quát thì những chức năng xử lý bao gồm nhận cả nhận dạng và giải thích thƣờng chỉ có mặt trong hệ thống phân tích ảnh tự động hoặc bán tự động, đƣợc dùng để rút trích ra những thông tin quan trọng từ ảnh, ví dụ nhƣ các ứng dụng nhận dạng ký tự quang học, nhận dạng chữ viết tay vv… 1. TỔNG QUAN VỀ PHÂN ĐOẠN ẢNH Để phân tích các đối tƣợng trong ảnh, chúng ta cần phải phân biệt đƣợc các đối tƣợng cần quan tâm với phần còn lại của ảnh, hay còn gọi là nền ảnh. Những đối tƣợng này có thể tìm ra đƣợc nhờ các kỹ thuật phân đoạn ảnh, theo nghĩa tách phần tiền cảnh ra khỏi hậu cảnh trong ảnh [1].