CHƯƠNG 1: MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN TRONG XỬ LÝ ẢNH 1.1 Một số khái niệm 1.1 Khái niệm về ảnh số Ảnh số là tập hợp hữu hạn các điểm ảnh với mức xám phù hợp dùng để mô tả gần nhất với ảnh thật. Số điểm ảnh xác định độ phân giải của ảnh, độ phân giải càng cao thì càng thể hiện rõ nét các đặc điểm của tấm hình, càng làm cho tấm ảnh trở nên thực và sắc nét hơn. Điểm ảnh 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 được 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 là kết quả của sự biến đổi tương ứng một giá trị độ sáng của một điểm ảnh với một giá trị nguyên dương. Thông thường nó xác định trong khoảng từ 0 đến 255 tùy thuộc vào giá trị mà mỗi điểm ảnh được biểu diễn. Độ phân giải của ảnh là mật độ điểm ảnh được ấn định trên một ảnh số được hiển thị.
Như trình bày ở trên, khoảng cách giữa các điểm ảnh phải được chọn sao cho mắt người vẫn thấy được sự liên tục của ảnh. Việc lựa chọn khoảng cách thích hợp tạo nên một mật độ phân bổ, đó chính là độ phân giải và được phân bố theo trục x và y trong không gian hai chiều. Ảnh đen trắng là ảnh chỉ bao gồm 2 màu: màu đen và màu trắng. Người ta phân mức đen trắng đó thành L mức.
Nếu sử dụng số bit B để mã hóa mức đen trắng (hay mức xám) thì L được xác định: L 2. Nếu B=1, thì chỉ có 2 B mức: mức 0 và mức 1, còn gọi là ảnh nhị phân. Mức 1 ứng với màu sáng, còn mức 0 ứng với màu tối. Nói cách khác, với ảnh nhị phân mỗi điểm ảnh được mã hóa trên 1 bit.
Nếu L lớn hơn 2 ta có ảnh đa cấp xám. Nếu dùng 8 bit để biểu diễn mức xám, số các mức xám có thể biểu diễn được là 256. Mỗi mức xám được biểu diễn dưới dạng là một số nguyên nằm trong khoảng từ 0 đến Nguyễn Đình Phúc _ CT1701 9 Phân đoạn ảnh dựa trên thuật toán nở vùng 255, với mức 0 biểu diễn cho mức cường độ đen nhất và 255 biểu diễn cho mức cường độ sáng nhất. Ảnh màu là ảnh được tổ hợp từ 3 màu cơ bản: đỏ (R) , lục (G) , lam (B).
Với ảnh màu, người ta lưu trữ thành từng màu riêng biệt, mỗi màu được lưu trữ như một ảnh đa cấp xám nên không gian nhớ dành cho một ảnh màu lớn hơn 3 lần một ảnh đa cấp xám cùng kích cỡ.2 Tổng quan về một hệ thống xử lý ảnh Xử lý ảnh là một ngành khoa học tương đối mới mẻ so với các ngành khoa học khác, nhất là trên quy mô công nghiệp. Tuy nó là một ngành khoa học mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác nhưng tốc độ phát triển của nó rất nhanh, kích thích các trung tâm nghiên cứu, ứng dụng, đặc biệt là máy tính chuyên dụng riêng cho nó. Tổng quan về một hệ thống xử lý ảnh được thể hiện bằng hình ảnh bên dưới: Hình 1-1. Tổng quan về hệ thống xử lý ảnh Trước hết là quá trình thu nhận ảnh, ảnh có thể được thu nhận qua camera, thường ảnh được nhận qua camera là tín hiệu tương tự (loại camera ống kiểu CCIR) , nhưng cũng có thể là tín hiệu số hóa (loại CCD-Charge Coupled Device).
Ảnh cũng có thể được thu nhận qua các bộ cảm ứng (sensor) , ảnh được quét trên scanner. Nguyễn Đình Phúc _ CT1701 10 Phân đoạn ảnh dựa trên thuật toán nở vùng Số hóa (Digitalizer) là quá trình biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu rời rạc (lấy mẫu) và số hóa bằng lượng hóa trước khi chuyển sang giai đoạn xử lý, phân tích hay lưu trữ lại. Quá trình phân tích ảnh thực chất bao gồm nhiều các công đoạn nhỏ. Trước tiên là tăng cường ảnh (Enhancement) mục đích để nâng cao chất lượng ảnh.
Do những nguyên nhân khác nhau:có thể do thiết bị thu nhận ảnh, do nguồn sáng hay do nhiễu, ảnh có thể bị suy yếu. Do vậy, ảnh cần được tăng cường và khôi phục lại để làm nổi bật một số đặc tính chính của ảnh hoặc là làm cho ảnh gần giống nhất với trạng thái gốc, trạng thái mà ảnh trước khi bị biến dạng. Các giai đoạn tiếp theo là phát hiện các đặc tính như biên (Edge Detection) , phân vùng ảnh (Image Segmentation) , trích chọn đặc điểm vv… Cuối cùng, tùy theo mục đích của người dùng sẽ là giai đoạn nhận dạng, phân lớp hoặc là các quyết định khác.2 Kỹ thuật lọc nhiễu trong xử lý ảnh 1.1 Nhân chập Là quá trình thay đổi giá trị pixel ban đầu của ảnh đầu vào sang một giá trị mới bằng cách sử dụng một ma trận hay một cửa sổ nhân chập. Toàn bộ các điểm ảnh (Pixel) trên ảnh sẽ được tiến hành nhân chập với ma trận, tâm của ma trận sẽ được đặt trùng vào vị trí của điểm ảnh (Pixel) đang được tính nhân chập làm thay đổi các giá trị của pixel ban đầu.
Giá trị của pixel ban đầu được thay đổi theo công thức (1. 1) u n v n Trong đó : Nguyễn Đình Phúc _ CT1701 11 Phân đoạn ảnh dựa trên thuật toán nở vùng I src (x, y) là giá trị điểm ảnh đầu vào trước khi thực hiện phép nhân chập tại vị trí tọa độ (x, y). I dst (x, y) giá trị điểm ảnh đầu ra khi đã thực hiện phép nhân chập. M (u, v) là giá trị của ma trận nhân chập M tại tọa độ (u, v) n = (kích thước ma trận - 1) /2 và lấy tâm của ma trận nhân chập làm điểm gốc.
Ví dụ: Ta có một ma trận điểm ảnh I và ma trận nhân chập M như sau: 2 4 3 7 2 5 7 2 1 4 I 7 6 2 8 2 5 6 7 7 2 8 2 1 6 2 1 2 3 M 4 5 6 7 8 9 Khi đó ta có các giá trị lần lượt là: Kích thước ma trận nhân chập =3 Giá trị n = (3-1) /2 = 1. Ta xét ví dụ :Idst (2, 2) = Isrc (2, 2) *M (u, v) Ở đây (u, v) [-1, 0, 1] = Isrc (1, 1) *M (-1, -1) + Isrc (1, 2) *M (-1, 0) + Isrc (1, 3) *M (-1, 1) + Isrc (2, 1) *M (0, -1) + Isrc (2, 2) *M (0, 0) + Isrc (2, 3) *M (0, 1) + Isrc (3, 1) *M (1, - 1) + Isrc (3, 2) *M (1, 0) + Isrc (3, 3) *M (1, 1) = 2*1 + 4*2 + 3*3 + 5*4 + 7*5 + 2*6 + 7*7 + 6*8 + 2*9 = 201. Nguyễn Đình Phúc _ CT1701 12 Phân đoạn ảnh dựa trên thuật toán nở vùng Sau khi thực hiện phép nhân chập, giá trị điểm ảnh Isrc (2, 2 ) từ giá trị 7 sẽ được thay đổi thành 201.2 Lọc số là gì? Một hệ thống dùng để làm biến dạng sự phân bố tần số của các thành phần tín hiệu theo các chỉ tiêu đã cho được gọi là bộ lọc số. Lọc số có ý nghĩa quan trọng trong việc tạo ra các hiệu ứng trong ảnh, một số hiệu ứng nhờ sử dụng các bộ lọc làm mờ (Blur) , làm trơn (Smooth).
Nguyên tắc chung của các phương pháp lọc số là cho ma trận ảnh nhân chập với một ma trận lọc (Kernel) hay còn được gọi là các phép tính nhân chập trên ảnh. Với mỗi phép lọc ta có những ma trận lọc khác nhau, không có một quy định cụ thể nào cho việc xác định M. Kích thước ma trận M là một số lẻ (ví dụ: 3x3, 5x5 …). Ma trận lọc còn có thể được gọi là cửa sổ chập, cửa sổ lọc, mặt nạ… Nguyên tắc lọc ảnh được thể hiện qua công thức (1.
2) Trong đó: Isrc: Là ảnh gốc được sử dụng để lọc số ảnh. Idst: Là ảnh ra sau khi thực hiện xong phép lọc số ảnh. M: Là ma trận lọc (Mask, kernel). *: Là phép toán nhân chập Tpt là tổng các phần tử trong ma trận M.
Khi đó tổng Tpt các phẩn tử trong ma trận M thường là 1. Nếu Tpt > 1: Ảnh sau khi thực hiện xong phép lọc số ảnh (Idst) có độ sáng lớn hơn so với ảnh ban đầu (Isrc). Nguyễn Đình Phúc _ CT1701 13 Phân đoạn ảnh dựa trên thuật toán nở vùng Nếu Tpt < 1: Ảnh sau khi thực hiện xong phép lọc số ảnh (Idst) có độ sáng nhỏ hơn so với ảnh ban đầu (Isrc) .3 Một số kỹ thuật lọc nhiễu Lọc trung bình Lọc trung bình là kĩ thuật lọc tuyến tính, hoạt động như một bộ lọc thông thấp. Ý tưởng chính của thuật toán lọc trung bình như sau: Sử dụng một cửa sổ lọc (ma trận 3x3) quét qua lần lượt từng điểm ảnh của ảnh đầu vào input.
Tại vị trí mỗi điểm ảnh lấy giá trị của các điểm ảnh tương ứng trong vùng 3x3 của ảnh gốc lấp vào ma trận lọc. Giá trị điểm ảnh của ảnh đầu ra là giá trị trung bình của tất cả các điểm ảnh trong cửa sổ lọc. Có thể chia việc tính toán này làm hai bước gồm tính tổng các thành phần trong cửa sổ lọc và sau đó chia tổng này cho số các phần tử của cửa sổ lọc. Bộ lọc này được minh họa trong hình 1-2.
Hình ảnh minh họa về phép lọc trung bình Các bước cơ bản của kỹ thuật lọc trung bình: Quét cửa sổ lọc lần lượt lên các thành phần của ảnh đầu vào; điền các giá trị được quét vào cửa sổ lọc. Xử lý bằng cách thao tác trên các thành phần của cửa sổ lọc. Tính giá trị trung bình các thành phần trong cửa sổ lọc. Gán giá trị trung bình này cho ảnh đầu ra.
Lọc trung vị Nguyễn Đình Phúc _ CT1701 14 Phân đoạn ảnh dựa trên thuật toán nở vùng Lọc Trung vị là một kĩ thuật lọc phi tuyến, nó khá hiệu quả đối với hai loại nhiễu: nhiễu đốm (speckle noise) và nhiễu muối tiêu (salt-pepper noise). Kĩ thuật lọc trung vị này là một bước rất phổ biến trong xử lý ảnh. Ý tưởng chính của thuật toán lọc Trung vị đó là sử dụng một cửa sổ lọc (ma trận 3x3) quét qua lần lượt từng điểm ảnh của ảnh đầu vào input.