Xử Lý Ảnh Chương 1

1


nhập môn xử lý ảnh
introduction to digital image processing
1.1 Tổng quan về một hệ thống xử lý ảnh
Xử lý ảnh là một khoa học còn tơng đối mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác, nhất là trên qui mô công nghiệp, song trong xử lý ảnh đã bắt đầu xuất hiện những máy tính chuyên dụng. Để có thể hình dung cấu hình một hệ thống xử lý ảnh chuyên dụng hay một hệ thống xử lý ảnh dùng trong nghiên cứu, đào tạo, trớc hết chúng ta sẽ xem xét các bớc cần thiết trong xử lý ảnh.
Trớc hết là quá trình thu nhận ảnh. ảnh có thể thu nhận qua camera. Thờng ảnh thu nhận qua camera là tín hiệu tơng tự (loại camera ống kiểu CCIR), nhng cũng có thể là tín hiệu số hoá (loại CCD - Charge Coupled Device).

Lu trữ







SENSOR

Lu trữ Hệ Q.Định



Hình 1.1.a. Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh

ảnh cũng có thể thu nhận từ vệ tinh qua các bộ cảm ứng (sensor), hay ảnh,
tranh đợc quét trên scanner. Chi tiết về quá trình thu nhận ảnh sẽ đợc mô tả trong chơng 2. Tiếp theo là quá trình số hoá (Digitalizer) để biến đổi tín hiệu tơng tự sang tín hiệu rời rạc (lấy mẫu) và số hoá bằng lợng hoá, trớc khi chuyển sang giai đoạn xử lý, phân tích hay lu trữ lại.

Qúa trình phân tích ảnh thực chất bao gồm nhiều công đoạn nhỏ. Trớc hết là công việc tăng cờng ảnh để nâng cao chất lợng ảnh. Do những nguyên nhân khác nhau: có thể do chất lợng thiết bị thu nhận ảnh, do nguồn sáng hay do nhiễu, ảnh có thể bị suy biến. Do vậy cần phải tăng cờng và khôi phục lại ảnh để làm nổi bật một số đặc tính chính của ảnh, hay làm cho ảnh gần giống nhất với trạng thái gốc- trạng thái trớc khi ảnh bị biến dạng. Giai đoạn tiếp theo là phát hiện các đặc tính nh biên, phân vùng ảnh, trích chọn các đặc tính, v.v...
Cuối cùng, tuỳ theo mục đích của ứng dụng, sẽ là giai đoạn nhận dạng, phân lớp hay các quyết định khác. Các giai đoạn chính của quá trình xử lý ảnh có thể mô tả ở hình 1.1.a.
Với các giai đoạn trên, một hệ thống xử lý ảnh (cấu trúc phần cứng theo chức năng) gồm các thành phần tối thiểu nh hình 1.1.b.

Đối với một hệ thống xử lý ảnh thu nhận qua camera-camera nh là con mắt của hệ thống. Có 2 loại camera: camera ống loại CCIR và camera CCD. Loại camera ứng với chuẩn CCIR quét ảnh với tần số 1/25 và mỗi ảnh gồm 625 dòng. Loại CCD gồm các photo điốt và làm tơng ứng một cờng độ sáng tại một điểm ảnh ứng với một phần tử ảnh (pixel). Nh vậy, ảnh là tập hợp các điểm ảnh. Số pixel tạo nên một ảnh gọi là độ phân giải (resolution).

Bộ xử lý tơng tự (analog processor). Bộ phận này thực hiện các chức năng sau:
- Chọn camera thích hợp nếu hệ thống có nhiều camera.
- Chọn màn hình hiển thị tín hiệu
- Thu nhận tín hiệu video thu nhận bởi bộ số hoá(digitalizer). Thực hiện lấy mẫu và mã hoá.
- Tiền xử lý ảnh khi thu nhận: dùng kỹ thuật bảng tra (Look Up Table - LUT).


màn hình
đồ hoạ




camera Bộ xử lý Bộ nhớ ảnh
tơng tự




Bộ nhớ Máy chủ Bộ xử lý
ngoài ảnh số




Màn hình Bàn phím Máy in




Hình 1.1.b. Các thành phần chính của hệ thống xử lý ảnh

Bộ xử lý ảnh số. Gồm nhiều bộ xử lý chuyên dụng: xử lý lọc, trích chọn đờng bao, nhị phân hoá ảnh. Các bộ xử lý này làm việc với tốc độ 1/25 giây.
Máy chủ. Đóng vai trò điều khiển các thành phần miêu tả ở trên.
Bộ nhớ ngoài: Dữ liệu ảnh cũng nh các kiểu dữ liệu khác, để có thể chuyển giao cho các quá trình khác, nó cần đợc lu trữ. Để có một ớc lợng, xét thí dụ sau: một ảnh đen trắng cỡ 512 x 512 với 256 mức xám chiếm 256K bytes. Với một ảnh màu cùng kích thớc dung lợng sẽ tăng gấp 3 lần.

1.2 các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh

Nh đã đề cập trong phần giới thiệu, chúng ta đã thấy đợc một cách khái quát các vấn đề chính trong xử lý ảnh. Để hiểu chi tiết hơn, trớc tiên ta xem xét hai khái niệm (thuật ngữ) thờng dùng trong xử lý ảnh đó là Pixel (phần tử ảnh) và grey level (mức xám), tiếp theo là tóm tắt các vấn đề chính.

1.2.1 Một số khái niệm
Pixel (Picture Element): phần tử ảnh
ảnh trong thực tế là một ảnh liên tục về không gian và về giá trị độ sáng. Để có thể xử lý ảnh bằng máy tính cần thiết phải tiến hành số hoá ảnh. Trong quá trình số hoá , ngời ta biến đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc thông qua quá trình lấy mẫu (rời rạc hóa về không gian) và lợng hoá thành phần giá trị mà thể về nguyên tắc bằng mắt thờng không phân biệt đợc hai điểm kề nhau. Trong quá trình này, ngời ta sử dụng khái niệm Picture element mà ta quen gọi hay viết là Pixel - phần tử ảnh. ở đây cũng cần phân biệt khái niệm pixel hay đề cập đến trong các hệ thống đồ hoạ máy tính. Để tránh nhầm lẫn ta tạm gọi khái niệm pixel này là pixel thiết bị. Khái niệm pixel thiết bị có thể xem xét nh sau: khi ta quan sát màn hình (trong chế độ đồ hoạ), màn hình không liên tục mà gồm nhiều điểm nhỏ, gọi là pixel. Mỗi pixel gồm một cặp toạ độ x, y và màu.













a)ảnh với độ phân giải 128 x128 b)ảnh với độ phân giải 64 x 64

Hình 1.2. Biểu diễn ảnh với độ phân giải khác nhau.
Cặp toạ độ x, y tạo nên độ phân giải (resolution). Nh màn hình máy tính có nhiều loại với độ phân giải khác nhau: màn hình CGA có độ phân giải là 320 x 200; màn hình VGA là 640 x 350,...
Nh vậy, một ảnh là một tập hợp các điểm ảnh. Khi đợc số hoá, nó thờng đợc biểu diễn bởi bảng hai chiều I(n,p): n dòng và p cột. Ta nói ảnh gồm n x p pixels. Ngời ta thờng kí hiệu I(x,y) để chỉ một pixel. Thờng giá trị của n chọn bằng p và bằng 256. Hình 1.2 cho ta thấy việc biểu diễn một ảnh với độ phân giải khác nhau. Một pixel có thể lu trữ trên 1, 4, 8 hay 24 bit.
Gray level: Mức xám
Mức xám là kết quả sự mã hoá tơng ứng một cờng độ sáng của mỗi điểm ảnh với một giá trị số - kết quả của quá trình lợng hoá. Cách mã hoá kinh điển thờng dùng 16, 32 hay 64 mức. Mã hoá 256 mức là phổ dụng nhất do lý do kỹ thuật. Vì 28 = 256 (0, 1, ..., 255), nên với 256 mức, mỗi pixel sẽ đợc mã hoá bởi 8 bit.

1.2.2 Biểu diễn ảnh
Trong biểu diễn ảnh, ngời ta thờng dùng các phần tử đặc trng của ảnh là pixel. Nhìn chung có thể xem một hàm hai biến chứa các thông tin nh biểu diễn của một ảnh. Các mô hình biểu diễn ảnh cho ta một mô tả lô gic hay định lợng các tính chất của hàm này. Trong biểu diễn ảnh cần chú ý đến tính trung thực của ảnh hoặc các tiêu chuẩn “thông minh” để đo chất lợng ảnh hoặc tính hiệu quả của các kỹ thuật xử lý.
Việc xử lý ảnh số yêu cầu ảnh phải đợc mẫu hoá và lợng tử hoá. Thí dụ một ảnh ma trận 512 dòng gồm khoảng 512 x 512 pixel. Việc lợng tử hoá ảnh là chuyển đổi tín hiệu tơng tự sang tín hiệu số (Analog Digital Convert) của một ảnh đã lấy mẫu sang một số hữu hạn mức xám. Vấn đề này sẽ trình bày chi tiết trong chơng 2.
Một số mô hình thờng đợc dùng trong biểu diễn ảnh: Mô hình toán, mô hình thống kê. Trong mô hình toán, ảnh hai chiều đợc biểu diễn nhờ các hàm hai biến trực giao gọi là các hàm cơ sở. Các biến đổi này sẽ trình bày kỹ trong chơng 3. Với mô hình thống kê, một ảnh đợc coi nh một phần tử của một tập hợp đặc trng bởi các đại lợng nh: kỳ vọng toán học, hiệp biến, phơng sai, moment.


1.2.3 Tăng cờng ảnh - khôi phục ảnh
Tăng cờng ảnh là bớc quan trọng, tạo tiền đề cho xử lý ảnh. Nó gồm một loạt
các kỹ thuậy nh: lọc độ tơng phản, khử nhiễu, nổi màu, v...v.

f(,)




g(x,y)
nhiễu





h(x,y; ,)
ảnh đầu ảnh đầu
vào f(,) ra g(x,y)

Hình 1.3 ảnh biến dạng do nhiễu
Hình 1.3 ở trên cho ta thí dụ về sự biến dạng của ảnh do nhiễu.
Khôi phục ảnh là nhằm loại bỏ các suy giảm (degradation) trong ảnh. Với một hệ thống tuyến tính, ảnh của một đối tợng có thể biểu diễn bởi:
g(x,y) =

Trong đó:
- (x,y) là hàm biểu diễn nhiễu cộng.
- f(,) là hàm biểu diễn đối tợng.
- g(x,y) là ảnh thu nhận.
- h((x,y; ,) là hàm tán xạ điểm (Po