Tài liệu Giáo trình môn học xử lý ảnh giáo trình môn học xử lý ảnh

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN







GIÁO TRÌNH MÔN HỌC










XỬ LÝ ẢNH




Người soạn : PGS. TS. ĐỖ NĂNG TOÀN,

TS. PHẠM VIỆT BÌNH
















Thái Nguyên, Tháng 11 năm 2007


LỜI NÓI ĐẦU



Khoảng hơn mười năm trở lại đây, phần cứng máy tính và các thiết bị liên quan đã có sự tiến bộ vượt bậc về tốc độ tính toán, dung lượng chứa, khả năng xử lý v.v và giá cả đã giảm đến mức máy tính và các thiết bị liên quan đến xử lý ảnh đã không còn là thiết bị chuyên dụng nữa. Khái niệm ảnh số đã trở nên thông dụng với hầu hết mọi người trong xã hội và việc thu nhận ảnh số bằng các thiết bị cá nhân hay chuyên dụng cùng với việc đưa vào máy tính xử lý đã trở nên đơn giản.

Trong hoàn cảnh đó, xử lý ảnh là một lĩnh vực đang được quan tâm và đã trở thành môn học chuyên ngành của sinh viên ngành công nghệ thông tin trong nhiều trường đại học trên cả nước. Tuy nhiên, tài liệu giáo trình còn là một điều khó khăn. Hiện tại chỉ có một số ít tài liệu bằng tiếng Anh hoặc tiếng Pháp, tài liệu bằng tiếng Việt thì rất hiếm. Với mong muốn đóng góp vào sự nghiệp đào tạo và nghiên cứu trong lĩnh vực này, chúng tôi biên soạn cuốn giáo trình Xử lý ảnh dựa trên đề cương môn học đã được duyệt. Cuốn sách tập trung vào các vấn đề cơ bản của xử lý ảnh nhằm cung cấp một nền tảng kiến thức đầy đủ và chọn lọc nhằm giúp người đọc có thể tự tìm hiểu và xây dựng các chương trình ứng dụng liên quan đến xử lý ảnh.

Giáo trình được chia làm 5 chương và phần phụ lục: Chương 1, trình bày Tổng quan về xử lý ảnh, các khai niệm cơ bản, sơ đồ tổng quát của một hệ thống xử lý ảnh và các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh. Chương 2, trình bày các kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh dựa vào các thao tác với điểm ảnh, nâng cao chất lượng ảnh thông qua việc xử lý các điểm ảnh trong lân cận điểm ảnh đang xét. Chương này cũng trình bày các kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh nhờ vào các phép toán hình thái. Chương 3, trình bày các kỹ thuật cơ bản trong việc phát hiện biên của các đối tượng ảnh theo cả hai khuynh hướng: Phát hiện biên trực tiếp và phát hiện biên gián tiếp. Chương 4 thể hiện cách kỹ thuật tìm xương theo khuynh hướng tính toán trục trung vị và hướng tiếp cận xấp xỉ nhờ các thuật toán làm mảnh song song và gián tiếp. Và cuối cùng là Chương 5 với các kỹ thuật hậu xử lý.

Giáo trình được biên soạn dựa trên kinh nghiệm giảng dạy của tác giả trong nhiều năm tại các khóa đại học và cao học của ĐH Công nghệ - ĐHQG Hà Nội, ĐH Khoa học tự nhiên – ĐHQG Hà Nội, Khoa Công nghệ thông tin – ĐH Thái Nguyên v.v Cuốn sách có thể làm tài liệu tham khảo cho sinh viên các hệ kỹ sư, cử nhân và các bạn quan tâm đến vấn đề nhận dạng và xử lý ảnh.

Các tác giả bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các bạn đồng nghiệp trong Phòng Nhận dạng và công nghệ tri thức, Viện Công nghệ thông tin, Bộ môn Hệ thống thông tin, Khoa Công nghệ thông tin, ĐH Thái Nguyên, Khoa Công nghệ thông tin, ĐH Công nghệ, ĐHQG Hà Nội, Khoa Toán – Cơ – Tin, ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQG Hà Nội đã động viên, góp ý và giúp đỡ để hoàn chỉnh nội dung cuốn sách này. Xin cám ơn Lãnh đạo Khoa Công nghệ thông tin, ĐH Thái Nguyên, Ban Giám đốc ĐH Thái Nguyên đã hỗ trợ và tạo điều kiện để cho ra đời giáo trình này.

Mặc dù rất cố gắng nhưng tài liệu này chắc chắn không tránh khỏi những sai sót. Chúng tôi xin trân trọng tiếp thu tất cả những ý kiến đóng góp của bạn đọc cũng như các bạn đồng nghiệp để có chỉnh lý kịp thời.

Thư góp ý xin gửi về: Phạm Việt Bình,

Khoa Công nghệ thông tin – ĐH Thái nguyên.

Xã Quyết Thắng, Tp. Thái Nguyên

Điện thoại: 0280.846506 Email: <a class="__cf_email__" href="http://www.cloudflare.com/email-protection" data-cfemail="255553474c4b4d654c4651500b4041500b534b">[email protected]<script type="text/javascript">
(function(){try{var s,a,i,j,r,c,l,b=document.getElementsByTagName("script");l=b[b.length-1].previousSibling;a=l.getAttribute(data-cfemail);if(a){s=;r=parseInt(a.substr(0,2),16);for(j=2;a.length-j;j+=2){c=parseInt(a.substr(j,2),16)^r;s+=String.fromCharCode(c);}s=document.createTextNode(s);l.parentNode.replaceChild(s,l);}}catch(e){}})();



Thái Nguyên, ngày 22 tháng 11 năm 2007

CÁC TÁC GIẢ



MỤC LỤC



LỜI NÓI ĐẦU 2

MỤC LỤC 4

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH 9

1.1. XỬ LÝ ẢNH, CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN TRONG XỬ LÝ ẢNH 9

1.1.1. Xử lý ảnh là gì? 9

1.1.2. Các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 10

1.1.2.1. Một số khái niệm cơ bản 10

1.1.2.2. Nắn chỉnh biến dạng 10

1.1.2.3. Khử nhiễu 11

1.1.2.4. Chỉnh mức xám 11

1.1.2.5. Phân tích ảnh 11

1.1.2.6. Nhận dạng 12

1.1.2.7. Nén ảnh 13

1.2. THU NHẬN VÀ BIỂU DIỄN ẢNH 14

1.2.1. Màu sắc 14

1.2.1.1. Mô hình màu RGB (Red, Green, Bule) 14

1.2.1.2. Mô hình màu CMY (Cyan, Magenta, Yellow) 15

1.2.1.3. Mô hình màu HSV (Hue, Saturation, Value) 16

1.2.1.4. Mô hình màu HLS 19

1.2.2. Thu nhận, các thiết bị thu nhận ảnh 22

1.2.2.1. Giai đoạn lấy mẫu 23

1.2.2.2. Lượng tử hóa 24

1.2.3. Biểu diễn ảnh 24

1.2.3.1. Mô hình Raster 24

1.2.3.2. Mô hình Vector 25

Chương 2: CÁC KỸ THUẬT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH 26

2.1. CÁC KỸ THUẬT KHÔNG PHỤ THUỘC KHÔNG GIAN 26

2.1.1. Giới thiệu 26

2.1.2. Tăng giảm độ sáng 26

2.1.3. Tách ngưỡng 27

2.1.4. Bó cụm 27

2.1.5. Cân bằng histogram 28

2.1.6. Kỹ thuật tìm tách ngưỡng tự động 29

2.1.7. Biến đổi cấp xám tổng thể 30

2.2. CÁC KỸ THUẬT PHỤ THUỘC KHÔNG GIAN 31

2.2.1. Phép nhân chập và mẫu 31

2.2.2. Một số mẫu thông dụng 33

2.2.3. Lọc trung vị 34

2.2.4. Lọc trung bình 36

2.2.5. Lọc trung bình theo k giá trị gần nhất 37

2.3. CÁC PHÉP TOÁN HÌNH THÁI HỌC 38

2.3.1. Các phép toán hình thái cơ bản 38

2.3.2. Một số tính chất của phép toán hình thái 39

Chương 3: BIÊN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN BIÊN 44

3.1. GIỚI THIỆU 44

3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN BIÊN TRỰC TIẾP 44

3.2.1. Kỹ thuật phát hiện biên Gradient 44

3.2.1.1. Kỹ thuật Prewitt 46

3.2.1.2. Kỹ thuật Sobel 47

3.2.1.3. Kỹ thuật la bàn 47

3.2.2. Kỹ thuật phát hiện biên Laplace 48

3.2.3. Kỹ thuật Canny 49

3.3. PHÁT HIỆN BIÊN GIÁN TIẾP 50

3.3.1 Một số khái niệm cơ bản 50

3.3.2. Chu tuyến của một đối tượng ảnh 51

3.3.3. Thuật toán dò biên tổng quát 53

3.4. PHÁT HIỆN BIÊN DỰA VÀO TRUNG BÌNH CỤC BỘ 56

3.4.1. Biên và độ biến đổi về mức xám 56

3.4.2. Phát hiện biên dựa vào trung bình cục bộ 57

3.5. PHÁT HIỆN BIÊN DỰA VÀO CÁC PHÉP TOÁN HÌNH THÁI 60

3.5.1. Xấp xỉ trên và xấp xỉ dưới đối tượng ảnh 60

3.5.1. Thuật toán phát hiện biên dựa vào phép toán hình thái 61

Chương 4: XƯƠNG VÀ CÁC KỸ THUẬT TÌM XƯƠNG 63

4.1. GIỚI THIỆU 63

4.2. TÌM XƯƠNG DỰA TRÊN LÀM MẢNH 63

4.2.1. Sơ lược về thuật toán làm mảnh 63

4.2.2. Một số thuật toán làm mảnh 65

4.3. TÌM XƯƠNG KHÔNG DỰA TRÊN LÀM MẢNH 65

4.3.1. Khái quát về lược đồ Voronoi 66

4.3.2. Trục trung vị Voronoi rời rạc 66

4.3.3. Xương Voronoi rời rạc 67

4.3.4. Thuật toán tìm xương 68

Chương 5: CÁC KỸ THUẬT HẬU XỬ LÝ 71

5.1. RÚT GỌN SỐ LƯỢNG ĐIỂM BIỂU DIỄN 71

5.1.1. Giới thiệu 71

5.1.2. Thuật toán Douglas Peucker 71

5.1.2.1. Ý tưởng 71

5.1.2.2. Chương trình 72

5.1.3. Thuật toán Band width 73

5.1.3.1. Ý tưởng 73

5.1.3.2. Chương trình 75

5.1.4. Thuật toán Angles 76

5.1.4.1. Ý tưởng 76

5.1.4.2. Chương trình 76

5.2. XẤP XỈ ĐA GIÁC BỞI CÁC HÌNH CƠ SỞ 77

5.2.1 Xấp xỉ đa giác theo bất biến đồng dạng 78

5.2.1.1. Xấp xỉ đa giác bằng đường tròn 80

5.2.1.2. Xấp xỉ đa giác bằng ellipse 80

5.2.1.3. Xấp xỉ đa giác bởi hình chữ nhật 80

5.2.1.4. Xấp xỉ đa giác bởi đa giác đều n cạnh 81

5.2.2 Xấp xỉ đa giác theo bất biến aphin 81

5.3. BIẾN ĐỔI HOUGH 82

5.3.1. Biến đổi Hongh cho đường thẳng 82

5.3.2. Biến đổi Hough cho đường thẳng trong tọa độ cực 84

Chương 6: ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH 85

6.1. PHÁT HIỆN GÓC NGHIÊNG VĂN BẢN DỰA VÀO

CHU TUYẾN 85

6.1.1. Tính toán kích thước chủ đạo của các đối tượng ảnh 85

6.1.2. Biến đổi Hough và phát hiện góc nghiêng văn bản 87

6.1.2.1. Áp dụng biến đổi Hough trong phát hiện góc nghiêng

văn bản 87

6.1.2.2. Thuật toán phát hiện và hiệu chỉnh góc nghiêng văn bản 88

6.1.2.3. Thực nghiệm và kết quả 91

6.2. PHÂN TÍCH TRANG TÀI LIỆU 93

6.2.1. Quan hệ Q 93

6.2.2. Phân tích trang văn bản nhờ khoảng cách Hausdorff bởi quan

hệ Q 94

6.2.3. Phân tích trang văn bản dựa vào mẫu 96

6.2.3.1. Đánh giá độ lệch cấu trúc văn bản theo mẫu 96

6.2.3.2. Thuật toán phân tích trang văn bản dựa vào mẫu 99

6.3. CẮT CHỮ IN DÍNH DỰA VÀO CHU TUYẾN 101

6.3.1. Đặt vấn đề 101

6.3.2. Một số khái niệm cơ bản 103

6.3.3. Thuật toán cắt chữ in dính dựa vào chu tuyến 104

6.3.3.1. Phân tích bài toán 104

6.3.3.2. Thuật toán CutCHARACTER cắt chữ in dính dựa vào

chu tuyến 106

6.4. NHẬN DẠNG CHỮ VIẾT 107

6.5. TÁCH CÁC ĐỐI TƯỢNG HÌNH HỌC TRONG PHIẾU ĐIỀU TRA

DẠNG DẤU 108

6.5.1. Giới thiệu 108

6.5.2. Tách các đối tượng nhờ sử dụng chu tuyến 109

6.6. TÁCH BẢNG DỰA TRÊN TẬP CÁC HÌNH CHỮ NHẬT

RỜI RẠC 110

6.6.1. Phân tích bài toán 111

6.7. PHÁT HIỆN ĐỐI TƯỢNG CHUYỂN ĐỘNG 113

6.7.1. Phát hiện đối tượng chuyển động dựa theo hướng tiếp cận trừ khung hình liền kề 113

6.7.2. Phát hiện đối tượng chuyển động theo hướng tiếp cận kết hợp 117

6.7.2.1. Trừ ảnh và đánh dấu Iwb 117

6.7.2.2. Lọc nhiễu và phát hiện độ dịch chuyển 118

6.7.2.3. Phát hiện biên ảnh đa cấp xám Igc 118

6.7.2.4. Kết hợp ảnh Igc với Iwb 119

Phụ lục 1: MỘT SỐ ĐỊNH DẠNG TRONG XỬ LÝ ẢNH 121

1. Định dạng ảnh IMG 121

2. Định dạng ảnh PCX 122

3. Định dạng ảnh TIFF 123

4. Định dạng file ảnh BITMAP 125

Phụ lục 2: CÁC BƯỚC THAO TÁC VỚI FILE AVI 127

1. Bước 1: Mở và đóng thư viện 127

2. Bước 2: Mở và đóng file AVI để thao tác: 127

3. Bước 3: Mở dòng dữ liệu để thao tác 128

4. Bước 4: Trường hợp thao tác với dữ liệu hình của phim 128

5. Bước 5: Thao tác với frame 128

Phụ lục 3: MỘT SỐ MODUL CHƯƠNG TRÌNH 129

1. Nhóm đọc, ghi và hiển thị ảnh 129

1.1. Nhóm đọc ảnh 129

1.2. Nhóm ghi ảnh 137

1.3. Nhóm hiển thị ảnh 139

2. Nhóm phát hiện góc nghiêng văn bản 144

TÀI LIỆU THAM KHẢO 157