December 14, 2017 | Author: Khánh Hưng Nguyễn | Category: N/A
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Môn học: Xử lý ả...
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Môn học: Xử lý ảnh ĐỀ TÀI: Tìm hiểu về các phép lọc số, khảo sát và xây dựng thử nghiệm các ứng dụng của phép lọc trên miền tần số với xử lý ảnh màu. Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Thị Hoàng Lan Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Khánh Hưng
20081279 TTM-K53
Nguyễn Lê Hoài Nam
20081819 TTM-K53
Phan Văn Trường
20082846 TTM-K53
Hà Nội 4/2012
LỜI GIỚI THIỆU ........................................................................................... 4 KHÁI QUÁT VỀ ẢNH, ẢNH SỐ .......................................................... 5
I.
II. TÌM HIỂU VỀ CÁC PHÉP LỌC SỐ.................................................... 7 1. Khái quát về phép lọc ảnh..................................................................... 7 2. Các bộ lọc số ........................................................................................... 7
III.
2.1.
Định nghĩa và mô hình ................................................................. 7
2.2.
Phân loại bộ lọc ............................................................................. 8
2.3.
Các bộ lọc thông dụng.................................................................. 9
2.3.1.
Bộ lọc trung bình .................................................................... 9
2.3.2.
Lọc thông thấp...................................................................... 10
2.3.3.
Lọc đồng hình (Homomorphic Filtering) .......................... 11
KHẢO SÁT VÀ XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM CÁC ỨNG DỤNG
CỦA PHÉP LỌC TRÊN MIỀN TẦN SỐ. .................................................. 12 1. Cơ sở lý thuyết...................................................................................... 12 1.1.
Hạn chế của xử lý ảnh trên miền không gian .......................... 12
1.2.
Phép biến đổi Fourier và miền tần số ....................................... 13
1.3.
Phép biến đổi Fourier rời rạc - DFT ........................................ 14
1.4.
Biến đổi Fast Fourier (FFT) ...................................................... 25
2. Ứng dụng của phép lọc trên miền tần số ........................................... 31 2.1.
Làm trơn ảnh .............................................................................. 32
2.1.1.
Lọc tần số thấp Ideal............................................................ 32
2.1.2.
Lọc tần số thấp Butterworth ............................................... 34
2.1.3.
Lọc tần số thấp Gauss .......................................................... 35 2
[email protected]
2.2.
Làm sắc ảnh ................................................................................ 35
2.2.1.
Lọc tần số cao Ideal.............................................................. 36
2.2.2.
Lọc tần số cao Butterworth ................................................. 36
2.2.3.
Bộ lọc tần số cao Gauss ........................................................ 37
3. Xây dựng thử nghiệm các ứng dụng của phép lọc trên miền tần số 37
IV.
3.1.
Giao diện ..................................................................................... 37
3.2.
Cài đặt ......................................................................................... 38
3.3.
Chức năng và sử dụng................................................................ 39
3.4.
Thử nghiệm ứng dụng................................................................ 40
KẾT LUẬN ........................................................................................ 45
PHÂN CHIA CÔNG VIỆC .......................................................................... 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 47
3
[email protected]
LỜI 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 máy tính chuyên dụng riêng cho nó. Xử lý ảnh là một quá trình liên tục. Đầu tiên là thu nhận ảnh từ camera, vệ tinh hay các bộ cảm ứng,…Tiếp theo tín hiệu lấy vào sẽ được số hóa thành tín hiệu số và chuyển qua giai đoạn xử lý, phân tích hay lưu trữ lại. Việc xử lý ảnh chính là tăng cường ảnh, tức là làm cho ảnh trở nên đẹp hơn, tốt hơn và rõ hơn. Có nhiều phương pháp cải thiện chất lượng ảnh nhưng ở đây chúng tôi chủ yếu tập trung nghiên cứu về các phương pháp lọc ảnh. Tuy đã cố gắng hết sức nhưng bài viết chắc chắn không thể tránh khỏi những sai sót. Vì vậy rất mong cô góp ý bổ sung giúp chúng tôi hoàn thiện đề tài.
Nhóm sinh viên: Nguyễn Khánh Hưng Nguyễn Lê Hoài Nam Phan Văn Trường
4
[email protected]
I.
KHÁI QUÁT VỀ ẢNH, ẢNH SỐ Ảnh có thể được hiểu là thông tin (về đường nét, hình khối, màu sắc…) của
vật thể hay quang cảnh được chiếu sáng mà con người cảm nhận và quan sát được bằng mắt và hệ thống thần kinh thị giác.. Đối tượng chính của xử lý ảnh chính là ảnh chụp tự nhiên. Quá trình xử lý ảnh được hiểu là xử lý nội dung thông qua dữ liệu ảnh, qua đó nâng cao chất lượng ảnh hiển thị hay đạt được một yêu cầu cảm quan nào đó. Ảnh thông thường được hiểu là dữ liệu trên một mặt phẳng ảnh, ta còn gọi là ảnh đơn (Image), hay ảnh tĩnh. Ngoài ảnh đơn, ta còn gặp dạng chuỗi các ảnh được chụp liên tiếp nhau thông qua mối quan hệ về thời gian, ảnh đó gọi là chuỗi ảnh, (hay ảnh động, phim). Ở đây ta chỉ quan tâm đến đối tượng là ảnh đơn. Ảnh đơn biểu diễn dữ liệu ảnh thông qua (các) hàm độ chói của các biến tọa độ trong mặt phẳng ảnh: I(x,y) Đối với ảnh đơn màu, hay ảnh đa mức xám, dữ liệu ảnh được biểu diễn dưới dạng một hàm độ chói I(x,y). Với các giá trị I(x,y), x, y là các số thực, và ta có 0 ≤ I(x,y) ≤ LMAX. Với ảnh màu, dữ liệu ảnh được biểu diễn thông qua 3 hàm độ chói của 3 màu cơ bản R (đỏ), G (xanh lá), B (xanh lam): IR(x,y), IG(x,y) , IB(x,y). Ảnh số là một dạng biểu diễn, lưu trữ và thể hiện ảnh tĩnh. Ảnh số thực chất là ảnh chụp (mặt phẳng ảnh gồm vô số điểm với vô số các giá trị màu khác nhau) thông qua quá trình lấy mẫu (rời rạc hóa về không gian) và lượng tử hóa (rời rạc hóa về mặt giá trị dữ liệu). Ảnh số được biểu diễn dưới dạng một ma trận điểm ảnh I[m,n] (m ϵ [0..M], n ϵ [0..N]) , mỗi phần tử của ma trận đó gọi là một điểm ảnh – pixel. Trong đó giá trị của mỗi điểm ảnh lại phụ thuộc vào từng loại ảnh: Ảnh nhị phân: một điểm ảnh chỉ nhận 2 mức giá trị nên cần 1 bit lưu trữ. Ảnh đa mức xám: giá trị điểm ảnh được chia thành 256 mức [0..255] nên ta cần 8 bits/pixel. Với ảnh màu: tùy thuộc vào số lượng màu, chất lượng màu mà ta cần 8, 16, 24 bits/pixel. Với hệ màu cơ bản RGB ta cần 3*8 = 24 bits/pixel. Đến đây việc xử lý ảnh trở thành việc xử lý các phần tử của ma trận điểm ảnh.
5
[email protected]
Một bức ảnh số được biểu diễn bởi một ma trận điểm ảnh I[m,n], trong đó một điểm ảnh được đặc trưng bởi tọa độ [m, n] và giá trị màu I. Như vậy, các phép xử lý ảnh có thể tác động vào tọa độ của các điểm ảnh, làm thay đổi vị trí của các điểm ảnh, hình khối trong ảnh, ta gọi đó là các phép xử lý về hình học. Bên cạnh tác động vào tọa độ của các điểm ảnh, các phép xử lý ảnh cũng có tác động đến giá trị màu I của các điểm ảnh, ta gọi đó là các phép xử lý về nội dung. Nhìn chung các phép xử lý hình học không làm thay đổi nội dung của ảnh và được ứng dụng phổ biến trong quá trình hiển thị hình ảnh. Các phép xử lý về nội dung tác động làm thay đổi các thành phần về mặt giá trị màu của điểm ảnh, từ đó mang lại những hiệu quả về cảm nhận khác nhau. Các phép xử lý về nội dung được biêu diễn thông qua mô hình như sau:
X[m,n]
X[m, n] là ma trận điểm ảnh ban
Xử lý dữ liệu
Y[m,n]
ảnh (F)
đầu, sau quá trình xử lý dữ liệu F, ta
nhận được ma trận điểm ảnh Y[m, n]. Tùy thuộc vào F mà ta có ma trận kết quả Y[m, n] khác nhau. Việc xử lý ảnh màu cũng như xử lý ảnh đa mức xám. Với ảnh màu chúng ta xử riêng 3 màu cơ bản R (đỏ), G (xanh lá), B (xanh lam): IR(x,y), IG(x,y) , IB(x,y).
6
[email protected]
II. TÌM HIỂU VỀ CÁC PHÉP LỌC SỐ 1. Khái quát về phép lọc ảnh Phép lọc ảnh được sử dụng nhiều trong xử lý ảnh, được dùng trong giảm nhiễu, làm nét ảnh, cũng như trong phát hiện cạnh, biên ảnh. Các phép lọc ảnh chủ yếu được sử dụng để ngăn chặn các tần số cao trong hình ảnh, như làm mịn ảnh hay tần số thấp như phát hiện cạnh trong hình ảnh. Các bộ lọc có thể chia làm 2 loại theo phép toán : lọc tuyến tính và lọc phi tuyến. Phép lọc tuyến tính là các phép lọc có bản chất là lọc tần số như lọc trung bình, lọc thông thấp, lọc thông cao, lọc đạo hàm. Ngược lại các phép lọc phi tuyến bao gồm lọc trung vị, lọc đồng hình, lọc với k láng giềng gần nhất, lọc hạng r …. Các phép lọc ảnh đều sử dụng cách xử lý cục bộ, tức là điểm ảnh đầu ra chỉ chịu ảnh hưởng của 1 số điểm ảnh lân cận theo kĩ thuật mặt nạ. Người ta cũng sử dụng phép nhân chập rời rạc để thực hiện bộ lọc. Lọc không gian thông thường được thực hiện để khử nhiễu hoặc thực hiện một số kiểu nâng cao ảnh. 2. Các bộ lọc số 2.1.
Định nghĩa và mô hình
Một hình ảnh có thể được lọc trong miền tần số hoặc trong miền không gian. Trong kĩ thuật lọc miền không gian ta sử dụng một mặt nạ, tổ hợp điểm ảnh từ ảnh hưởng của các điểm lân cận. Trong miền không gian ta sẽ dùng phép nhân chập tín hiệu ảnh đầu vào với bộ lọc số : Y(m, n) = H(k, l) * X(m, n) Ma trận lọc H:
Hình 1: Ma trận lọc 3* 3 7
[email protected]
Với K * L
