chương 1: Chương này đã giới thiệu cho chúng ta biết kỹ thuật của 7 giai đoạn trong dây chuyền sản xuất bóng đèn, qua đó chúng ta xác định giai đoạn đóng gói sản phẩm là giai đoạn cần sự can thiệp của chương trình nhận dạng và phân loại chất lượng bóng đèn, cũng từ đó cho chúng ta định hướng thu thập dữ liệu, xác định các khâu cần thiết tiếp theo để xây dựng chương trình nhận dạng và phân loại chất lượng bóng đèn được trình bày trong chương 4. 8 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XỬ LÝ ẢNH Giới thiệu: Xử lý ảnh là một lĩnh vực mang tính khoa học và công nghệ. 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 phát triển các máy tính chuyên dụng riêng cho ngành xử lý ảnh. Ngày nay ngành xử lý ảnh được ứng dụng rất nhiều trong thực tế, trong khoa học kỹ thuật xử lý ảnh được dùng để nhận diện vân tay, nhận diện khuôn mặt nhằm điều khiển các thiết bị thông minh như: cửa thông minh, máy tính bảo mật,… Trong lĩnh vực nghệ thuật xử lý ảnh dùng để phục hồi các hình ảnh bị hư hại, hoặc làm giảm dung lượng một bức ảnh mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng để lưu trữ nhằm giảm hao tốn tài nguyên.Trong chương này sẽ giới thiệu cho chúng ta những khái niệm cơ bản về xử lý ảnh, tiếp theo là những vấn đề cần quan tâm trong xử lý ảnh, phần cuối chương sẽ trình bày các kỹ thuật nhận dạng ảnh.1 Khái niệm xử lý ảnh Một hệ thống xử lý ảnh thông thường có 5 bước chính như hình 2.1 Thu Tiền xử Phân Biểu diễn Nhận dạng nhận ảnh lý ảnh đoạn ảnh và mô tả và nội suy Cơ sở tri thức Hình 2.1 Các bước trong xử lý ảnh 2.1 Thu nhận ảnh Ảnh có thể nhận qua camera màu hoặc đen trắng.
Khi mới phát triển, thường ảnh nhận qua camera là ảnh tương tự, cũng có loại camera đã số hoá 9 như loại CCD là loại photodiot tạo cường độ sáng tại mỗi điểm ảnh. Khi mới phát triển, camera thường dùng là loại quét dòng, ảnh tạo ra có dạng hai chiều. Chất lượng một ảnh thu nhận được phụ thuộc vào thiết bị thu, vào môi trường (ánh sáng, phong cảnh). Ngày nay, công nghệ ngày càng phát triển, các máy ảnh kỹ thuật số không ngừng được nâng cao để cho ra đời những bức ảnh có chất lượng, giảm được rất nhiều công sức và thời gian cho việc nâng cao chất lượng ảnh trước khi đưa vào nhận dạng.2 Tiền xử lý Sau bộ thu nhận, ảnh có thể nhiễu độ tương phản thấp nên cần đưa vào bộ tiền xử lý để nâng cao chất lượng.
Chức năng chính của bộ tiền xử lý là lọc nhiễu, nâng độ tương phản để làm ảnh rõ hơn, nét hơn.3 Phân đoạn ảnh Phân đoạn hay phân vùng ảnh là tách một ảnh đầu vào thành các vùng thành phần để biểu diễn phân tích, nhận dạng ảnh. Đây là phần phức tạp khó khăn nhất trong xử lý ảnh và cũng dễ gây lỗi, làm mất độ chính xác của ảnh. Kết quả nhận dạng ảnh phụ thuộc rất nhiều vào công đoạn này.4 Biểu diễn ảnh Đầu ra ảnh sau phân đoạn chứa các điểm ảnh của vùng ảnh (ảnh đã phân đoạn) cộng với mã liên kết với các vùng lận cận. Việc biến đổi các số liệu này thành dạng thích hợp là cần thiết cho xử lý tiếp theo bằng máy tính.
Việc chọn các tính chất để thể hiện ảnh gọi là trích chọn đặc trưng, gắn với việc tách các đặc tính của ảnh dưới dạng các thông tin định lượng hoặc làm cơ sở để phân biệt lớp đối tượng này với đối tượng khác trong phạm vi ảnh nhận được. pixel Độ sáng trung bình 1 điểm ảnh Hình 2.2 Biểu diễn mức xám của ảnh số 10 Trong kỹ thuật tương tự, một bức ảnh thường được biểu diễn dưới dạng các dòng nằm ngang kế tiếp nhau. Mỗi dòng là một tín hiệu tương tự mang theo các thông tin về cường độ sáng dọc theo một đường nằm ngang trong ảnh gốc. Mặc dù thuật ngữ "tương tự" được dùng để mô tả cho các ảnh quét liên tiếp như thế nhưng thực tế ảnh chỉ tương tự dọc theo hướng nằm ngang.
Nó là rời rạc khi xét theo hướng dọc và chính vì vậy mà tín hiệu ảnh là tín hiệu lai nửa tương tự, nửa số. x'(t') n=0 n=1 x(t,0) x(t,T) xung xung đồng đồng bộ bộ T t' t=0 t=0 thời gian t=0 quét dòng quét dòng Hình 2.3 Biểu diễn một ảnh tương tự 2.5 Nhận dạng và nội suy ảnh Nhận dạng ảnh là quá trình xác định ảnh, quá trình này thường thu được bằng cách so sánh với mẫu chuẩn đã được học hoặc lưu từ trước. Nội suy là phán đoán theo ý nghĩa trên cơ sở nhận dạng. Theo lý thuyết về nhận dạng, các mô hình toán học về ảnh được phân theo ba loại nhận dạng ảnh cơ bản: - Nhận dạng dựa theo tham số.
- Nhận dạng dựa theo cấu trúc. - Nhận dạng dựa vào kỹ thuật mạng nơron. Một số đối tượng nhận dạng khá phổ biến hiện nay đang được áp dụng trong khoa học và công nghệ là: nhận dạng chữ in, chữ viết tay, chữ ký điện tử, 11 nhận dạng văn bản, nhận dạng vân tay, nhận dạng mã vạch, nhận dạng mặt người… 2.6 Cơ sở tri thức Ảnh là một đối tượng khá phức tạp về đường nét, độ sáng tối, dung lượng điểm ảnh, môi trường để thu ảnh phong phú kéo theo nhiễu. Trong nhiều khâu xử lý và phân tích ảnh ngoài việc đơn giản hóa các phương pháp toán học đảm bảo tiện lợi cho xử lý, người ta mong muốn bắt chước quy trình tiếp nhận và xử lý ảnh theo cách của con người.
Trong các bước xử lý đó, nhiều khâu hiện nay đã xử lý theo các phương pháp trí tuệ nhân tạo.7 Biểu diễn ảnh Ảnh số hoá sẽ được lưu vào bộ nhớ, hoặc chuyển sang các khâu tiếp theo để phân tích. Nếu lưu trữ ảnh trực tiếp từ các ảnh thô, đòi hỏi dung lượng bộ nhớ cực lớn và không hiệu quả theo quan điểm ứng dụng và công nghệ. Thông thường, các ảnh thô đó được đặc tả lại hay đơn giản là mã hoá theo các đặc điểm của ảnh được gọi là các đặc trưng ảnh như: biên ảnh, vùng ảnh. Một số phương pháp biểu diễn thường dùng: - Biểu diễn bằng mã chạy - Biểu diễn bằng mã xích - Biểu diễn bằng mã tứ phân 2.1 Biểu diễn bằng mã chạy Phương pháp này thường biểu diễn cho vùng ảnh và áp dụng cho ảnh nhị phân.
Một vùng ảnh R có thể mã hoá đơn giản nhờ một ma trận nhị phân: U(m, n) = 1 nếu (m, n) thuộc R (2. Với cách biểu diễn trên, một vùng ảnh được mô tả bằng một tập các chuỗi số 0 hoặc 1. Giả sử chúng ta mô tả ảnh nhị phân của một vùng ảnh được thể hiện theo toạ độ (x, y) theo các chiều và đặc tả chỉ đối với giá trị “1” khi đó dạng mô tả có 12 thể là: (x, y)r; trong đó (x, y) là toạ độ, r là số lượng các bit có giá trị “1” liên tục theo chiều ngang hoặc dọc.2 Biểu diễn bằng mã xích Mã xích thường được dùng để biểu diễn biên của ảnh. Thay vì lưu trữ toàn bộ ảnh, người ta lưu trữ dãy các điểm ảnh như A, B…M.
Theo phương pháp này, 8 hướng của vectơ nối 2 điểm biên liên tục được mã hóa. Khi đó ảnh được biểu diễn qua điểm ảnh bắt đầu A cùng với chuỗi các từ mã, được minh họa như trong hình 2.4 Biểu diễn mã xích 2.3 Biểu diễn bằng mã tứ phân Phương pháp mã tứ phân được dùng để mã hoá cho vùng ảnh. Vùng ảnh đầu tiên được chia làm bốn phần thường là bằng nhau. Nếu mỗi vùng đã đồng nhất tức là chứa toàn điểm đen (1) hay trắng (0), thì gán cho vùng đó một mã và không chia tiếp.
Các vùng không đồng nhất được chia tiếp làm bốn phần theo thủ tục trên cho đến khi tất cả các vùng đều đồng nhất. Các mã phân chia thành các vùng con tạo thành một cây phân chia các vùng đồng nhất. Đây là các thành phần cơ bản trong các khâu xử lý ảnh. Trong thực tế, các quá trình sử dụng ảnh số không nhất thiết phải qua hết các khâu đó tùy theo đặc điểm ứng dụng.
Ảnh sau khi được số hóa sẽ được nén, lưu lại để truyền cho các hệ thống khác sử dụng hoặc để xử lý tiếp theo. Mặt khác, ảnh sau khi số hóa có thể bỏ qua công đoạn nâng cao chất lượng (khi ảnh đủ chất lượng theo một yêu cầu nào đó) để chuyển tới khâu phân đoạn hoặc bỏ tiếp khâu phân đoạn chuyển trực tiếp tới khâu trích chọn đặc trưng.2 Những vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 2.1 Điểm ảnh 13 Gốc của ảnh (ảnh tự nhiên) là ảnh liên tục về không gian và độ sáng. Để xử lý bằng máy tính, ảnh cần phải được số hoá. Số hoá ảnh là sự biến đổi gần đúng một ảnh liên tục thành một tập điểm phù hợp với ảnh thật về vị trí (không gian) và độ sáng (mức xám).
Khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được thiết lập sao cho mắt người không phân biệt được ranh giới giữa chúng. Mỗi một điểm như vậy gọi là điểm ảnh (PEL: Picture Element) hay gọi tắt là pixel. Trong khuôn khổ ảnh hai chiều, mỗi pixel ứng với cặp tọa độ (x, y). Từ đó, ta có định nghĩa: điểm ảnh là một phần tử của ảnh số tại toạ 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.2 Độ phân giải của ảnh Độ phân giải của ảnh là mật độ điểm ảnh được ấn định trên một ảnh số. 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.3 Mức xám của ảnh Một điểm ảnh có hai đặc trưng cơ bản là vị trí (x, y) của điểm ảnh và độ xám của nó.
Mức xám của điểm ảnh là cường độ sáng của nó được gán bằng giá trị số tại điểm đó. Các thang giá trị mức xám thông thường: 16, 32, 64, 128, 256.