Xử Lý Ảnh Chương 4

4


xử lý và nâng cao chất lượng ảnh
image enhancement

Nâng cao chất lượng ảnh là một bước quan trọng, tạo tiền đề cho xử lý ảnh. Mục đích chính là nhằm làm nổi bật một số đặc tính của ảnh như thay đổi độ tương phản, lọc nhiễu, nổi biên, làm trơn biên ảnh, khuyếch đại ảnh, ... . Tăng cường ảnh và khôi phục ảnh là 2 quá trình khác nhau về mục đích. Tăng cường ảnh bao gồm một loạt các phương pháp nhằm hoàn thiện trạng thái quan sát của một ảnh. Tập hợp các kỹ thuật này tạo nên giai đoạn tiền xử lý ảnh. Trong khi đó, khôi phục ảnh nhằm khôi phục ảnh gần với ảnh thực nhất trước khi nó bị biến dạng do nhiều nguyên nhân khác nhau.
4.1 các kỹ thuật tăng cường ảnh (Image Enhancement)
Nhiệm vụ của tăng cường ảnh không phải là làm tăng lượng thông tin vốn có trong ảnh mà làm nổi bật các đặc trưng đã chọn làm sao để có thể phát hiện tốt hơn, tạo thành quá trình tiền xử lý cho phân tích ảnh.

Toán tử điểm Toán tử KG Biến đổi Giả màu


Tăngđộ tương phản Trơn nhiễu Lọc tuyến tính Sai màu


Xoá nhiễu Lọc trung vị Lọc gốc Giả màu


Chia cửa sổ Lọc dải thấp Lọc sắc thể


Mô hình hoá Trơn ảnh
lược đồ
Hình 4.1. Các kỹ thuật cải thiện ảnh
Tăng cường ảnh bao gồm: điều khiển mức xám, dãn độ tương phản, giảm nhiễu, làm trơn ảnh, nội suy, phóng đại, nổi biên v...v. Các kỹ thuật chủ yếu trong tăng cường ảnh được mô tả qua hình 4.1.
4.1.1 Cải thiện ảnh dùng toán tử điểm
Toán tử điểm là toán tử không bộ nhớ, ở đó một mức xám u ([0,N] được ánh xạ sang một mức xám v ([0,N]: v = f( u) (xem 3.4 chương 3). ánh xạ f tuỳ theo các ứng dụng khác nhau có dạng khác nhau và được liệt kê trong bảng sau:
1) Tăng độ tương phản
(u ( ( u < a
f(u) = ((u-a) + va a ( u < b
((u-b) + vb b ( u < L

Các độ dốc (, (, ( xác định độ tương phản tương đối. L là số mức xám cực đại
2)Tách nhiễu và phân ngưỡng
0 0 ( u < a
f(u) = (u a ( u ( b
L u ( b

Khi a = b = t gọi là phân ngưỡng
3)Biến đổi âm bản
f(u) = L - u tạo âm bản
4)Cắt theo mức
L a ( u ( b
f(u) = 0 khác đi
5)Trích chọn bit
f(u) = (in- 2in-1)L , với in = Int[it/2a-1] , n =1, 2,...,B
4.1.1.1 Tăng độ tương phản(stretching contrast)
Trước tiên cần làm rõ khái niệm độ tương phản. ảnh số là tập hợp các điểm, mà
mỗi điểm có giá trị độ sáng khác nhau. ở đây, độ sáng để mắt người dễ cảm nhận ảnh song không phải là quyết định. Thực tế chỉ ra rằng hai đối tượng có cùng độ sáng nhưng đặt trên hai nền khác nhau sẽ cho cảm nhận khác nhau. Như vậy, độ tương phản biểu diễn sự thay đổi độ sáng của đối tượng so với nền. Một cách nôm na, độ tương phản là độ nổi của điểm ảnh hay vùng ảnh so với nền. Với định nghĩa này, nếu ảnh của ta có độ tương phản kém, ta có thể thay đổi tuỳ ý theo ý muốn.
ảnh với độ tương phản thấp có thể do điều kiện sáng không đủ hay không đều, hoặc do tính không tuyến tính hay biến động nhỏ của bộ cảm nhận ảnh. Để điều chỉnh lại độ tương phản của ảnh, ta điều chỉnh lại biên độ trên toàn dải hay trên dải có giới hạn bằng cách biến đổi tuyến tính biên độ đầu vào (dùng hàm biến đổi là hàm tuyến tính) hay phi tuyến (hàm mũ hay hàm lôgarít). Khi dùng hàm tuyến tính các độ dốc (, (, ( phải chọn lớn hơn một trong miền cần dãn. Các tham số a và b (các cận) có thể chọn khi xem xét lược đồ xám của ảnh.
v

vb
(
va (
a b L u
Hình 4.2 Dãn độ tương phản
Chú ý, nếu dãn độ tương phản bằng hàm tuyến tính ta có:



ảnh kết quả trùng với ảnh gốc



dãn độ tương phản



co độ tương phản


Hàm mũ hay dùng trong dãn độ tương phản có dạng:
f = (X[m,n])p
Với các ảnh hạng động nhỏ, p thường chọn bằng 2.



ảnh nguồn cùng lược đồ xám. Chỉ số màu cao nhất là 97



b)ảnh sau khi dãn độ tương phản với ( = 3, ( = 2 và =1.
Hình 4.3 ảnh gốc và ảnh kết quả sau khi dãn

4.1.1.2 Tách nhiễu và phân ngưỡng

Tách nhiễu là trường hợp đặc biệt của dãn độ tương phản khi hệ số góc ( = ( = 0. Tách nhiễu được ứng dụng một cách hữu hiệu để giảm nhiễu khi biết tín hiệu vào nằm trên khoảng [a,b].
Phân ngưỡng là trường hợp đặc biệt của tách nhiễu khi a = b = const và rõ ràng trong trường hợp này, ảnh đầu ra là ảnh nhị phân (vì chỉ có 2 mức). Phân ngưỡng hay dùng trong kỹ thuật in ảnh 2 màu vì ảnh gần nhị phân không thể cho ra ảnh nhị phân khi quét ảnh bởi có sự xuất hiện của nhiễu do bộ cảm biến và sự biến đổi của nền. Thí dụ như trường hợp ảnh vân tay.
v v lược đồ xám v


u u u
a b

Hình 4.4 Tách nhiễu và phân ngưỡng.
4.1.1.3 Biến đổi âm bản (Digital Negative) v
Biến đổi âm bản nhận được khi dùng
phép biến đổi f(u) = 255 - u. Biến đổi âm
bản rất có ích khi hiện các ảnh y học và
trong quá trình tạo các ảnh âm bản. Hình 4.5. u
4.1.1.4 Cắt theo mức (Intensity Level Slicing)

Kỹ thuật này dùng 2 phép ánh xạ khác nhau cho trường hợp có nền và không nền
Có nền f(u) = L nếu a ( u ( b
u khác đi
Không nền
f(u) = L nếu a ( u ( b
0 khác đi



a)ảnh màu cùng với lược đồ xám. Chỉ số màu cao nhất:243.




b)ảnh âm bản cùng với lược đồ xám (ứng với phép biến đổi f(x) = L - x).
Chỉ số màu cao nhất:12
Hình 4.6 ảnh gốc và ảnh âm bản
v v
L


u 450 u
a b a b L
a) không nền b) có nền
Hình 4.7 Kỹ thuật cắt theo mức.
Biến đổi này cho phép phân đoạn một số mức xám từ phần còn lại của ảnh. Nó hữu dụng khi nhiều đặc tính khác nhau của ảnh nằm trên nhiều miền mức xám khác nhau.
4.1.1.5 Trích chọn bit (Bit Extraction)
Như đã trình bày trên, mỗi điểm ảnh thường được mã hoá trên B bit. Nếu B = 8 ta có ảnh 28 = 256 mức xám (ảnh nhị phân ứng với B = 1). Trong các bit mã hoá này , người ta chia làm 2 loại: bit bậc thấp và bit bậc cao. Với bit bậc cao, độ bảo toàn thông tin cao hơn nhiều so với bit bậc thấp. Trong kỹ thuật này, ta có:
u = k12B-1 + k22B-2 + . . . + kB-12 + kB
Nếu ta muốn trích chọn bit có nghĩa nhất: bit thứ n và hiện chúng, ta dùng biến đổi:
f(u) = L nếu kn = 1
0 khác đi
và dễ dàng thấy kn = in - 2 in-1 với in cho ở bảng trên.
4.1.1.6 Trừ ảnh
Trừ ảnh được dùng để tách nhiễu khỏi nền. Người ta quan sát ảnh ở 2 thời điểm khác nhau, so sánh chúng để tìm ra sự khác nhau. Người ta dóng thẳng 2 ảnh rồi trừ đi và thu được ảnh mới. ảnh mới này chính là sự khác nhau. Kỹ thuật này hay được dùng trong dự báo thời tiết, trong y học.
4.1.1.7 Nén dải độ sáng
Đôi khi do dải động của ảnh lớn, việc quan sát ảnh không thuận tiện. Cần phải thu nhỏ dải độ sáng lại mà ta gọi là nén dải độ sáng. Người ta dùng phép biến đổi lôga sau: v(m,n) = c log10(( + u(m,n))
với c là hằng số tỉ lệ, ( là rất nhỏ so với u(m,n). Thường ( chọn cỡ 10-3.
4.1.1.8 Mô hình hoá và biến đổi lược đồ xám
Về ý nghĩa của lược đồ xám và một số phép biến đổi lược đồ đã được trình bày trong chương Ba (phần 3.4). ở đây, ta xét đến một số biến đổi hay dùng:
- f(u) =
pu(xi)