0 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG LUẬN VĂN CAO HỌC ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT PHỤC HỒI ẢNH VÀ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: Khoa học máy tính Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Ngô Quốc Tạo Học viên thực hiện: Đào Minh Sang Lớp: Cao học K10E 1 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Thái nguyên, tháng 12 năm 2012 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu trong đề tài này là của riêng tôi. Các kết quả và số liệu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ một công trinh khác. Trừ những phần tham khảo đã được ghi rõ trong luận văn. Nếu xẩy ra bất kỳ trường hợp nào liên quan đến bản quyền tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Tác giả Đào Minh Sang 1 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Trên thực tế không có thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong suốt thời gian học tập tại mái trường Đại Học Công nghệ thông tin và truyền thông – Đại Học Thái Nguyên em đã nhận được sự giúp đỡ của thầy cô, bố mẹ và bạn bè. Với lòng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô trong trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông – Đại Học Thái Nguyên và các thầy ở Viện Công nghệ thông tin đã truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em. Và đặc biệt trong kỳ học cuối này, Trường đã tạo điều kiện cho em làm luận văn tốt nghiệp với đề tài : “Nghiên cứu một số kỹ thuật phục hồi ảnh và ứng dụng ”. Em xin chân thành cảm ơn thầy Ngô Quốc Tạo đã tận tâm giúp đỡ hướng dẫn em qua từng buổi học trên lớp cũng như nhưng buổi nói chuyện thảo luận nghiên cứu đề tài. Nếu không có sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy thì thiết nghĩ bài báo cáo này sẽ khó có thể hoàn thành được. Với đề tài còn khá mới mẻ và vốn kiến thức còn hạn chế nên bài tiểu luận còn có nhiều sai sót trong quá trình tiếp cận đề tài. Em rất mong sự góp ý của thầy cô và các bạn để bài luận văn được hoàn thiện hơn nữa. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy và các bạn. 2 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN 1 LỜI CẢM ƠN 1 MỤC LỤC 2 DANH MỤC TỬ VIẾT TẮT 4 DANH MỤC HÌNH VẼ 5 PHẦN MỞ ĐẦU 6 1. Đặt vấn đề 6 2. Lý Do chọn đề tài 7 3. Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 7 4. Hƣớng nghiên cứu 8 5. Ý nghĩa khoa học của đề tài 8 CHƢƠNG I – KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ PHỤC HỒI ẢNH 9 1.1 Giới thiệu về xử lý ảnh 9 1.2 Những vấn đề cơ bản trong hệ thống xử lý ảnh. 10 1.2.1 Những khái niệm cơ bản. 10 1.2.2 Thu nhận ảnh. 14 1.2.3 Xử lý nâng cao chất lượng ảnh 14 1.3 Phục hồi ảnh 15 1.3.1 Giới thiệu về phục hồi ảnh 15 CHƢƠNG II – MỘT SỐ KỸ THUẬT PHỤC HỒI ẢNH 17 2.1 Khái niệm phục hồi ảnh 17 2.2 Các vấn đề liên quan đến phục hồi ảnh 17 2.3 Một mô hình của quá trình suy thoái 19 2.4 Nhiễu 20 2.4.1 Nhiễu muối, hạt tiêu 20 2.4.2 Nhiễu Gauss 22 2.4.3 Nhiễu đốm 22 2.4.4 Các tính chất của không gian và tần số nhiễu 23 2.4.5 Định kỳ nhiễu 23 2.5 Các kỹ thuật phục hồi ảnh 25 2.5.1 Bộ lọc trung bình 25 2.5.2 Bộ lọc thích nghi 27 3 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.5.3 Lọc cấp độ thấp 28 2.5.4 Lọc theo thứ tự 29 2.5.5 Lọc nghịch đảo 30 2.5.6 Sử dụng lọc Band Reject: 31 2.5.7 Sử dụng bộ lọc Notch: 32 CHƢƠNG III – CHƢƠNG TRÌNH THỦ NGHIỆM 34 GIỚI THIỆU VỀ MATLAB 34 3.1 Tổng Quan về MATLAB 34 3.1.1 Khái niệm về MATLAB 34 3.1.2 Cấu trúc dữ liệu của MATLAB và ứng dụng 34 3.1.3 Hệ thống MATLAB 36 3.1.4 MATLAB đơn giản 37 3.1.5 Các cửa sổ làm việc của MATLAB 37 3.2 Các hàm chuyển đổi kiểu ảnh 41 3.3 Giao diện đồ hoạ GUI 42 3.3.1 Khái niệm 42 3.3.2 Cách tạo GUI 42 3.3.3 Tạo GUI bằng công cụ đồ họa 43 3.4 Thử nghiệm chƣơng trình lọc nhiễu muối tiêu và gauss 45 3.4.1 Đặt bài toán 45 3.4.2. Các hàm chức năng 46 a) Lọc cấp độ thấp 46 b) Lọc trung bình 47 c) Lọc theo thứ tự 49 3.5 Kết quả thử nghiệm 50 3.5.1 Giao diện chính của chương trình 50 3.5.2 Thử nghiệm với bộ lọc trung bình 50 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC 62 1.Thƣ mục chƣơng trình 62 2.Chƣơng trình 62 4 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ROI Region Of Interest PEL Picture Element CGA Color Graphic Adaptor PSF Point-Spread Function GUI Graphic user interface 5 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Lân cận các điểm ảnh của tọa độ (x,y) Hình 1. 2. Ảnh gốc (a) Hình 1. 3. Thêm nhiễu muối, tiêu (b) Hình 1. 4. Nhiễu Gauss Hình 1. 5. (a) Nhiễu Gauss Hình 1. 5. b) Nhiễu đốm, nhiễu Gauss Hình 1. 6. Nhiễu chu kì Hình 1. 7. Lấy trung bình 3×3 Hình 1. 8. Lấy trung bình 5×5 2. 1. Cửa sổ desktop (cửa sổ lớn nhất), và các cửa sổ phụ của nó Hình 2. 2. Giao diện câu lệnh Hình 2. 3. Gọi câu lệnh Hình 2. 4. Xem dữ liệu Hình 2. 5. Kết quả Hình 2. 6. Dạng hàm function : có biến dữ liệu vào và biến ra Hình 2. 7. Tạo giao diện GUI Hình 2. 8. Màn hình tạo giao diện Hình 2. 9. Các chức năng Hình 2. 10. Cửa sổ thiết kế giao diện GUI Hình 2. 11. Kết quả thu được bằng công cụ đồ họa Hình 3. 1. Lấy trung bình 3×3 Hình 3. 2. Lấy trung bình 5×5 Hinh 3. 3. Xóa muối-hạt tiêu với hàm medfilt Hình 3. 4. Sử dụng ma trận 3×3 (a) : 20% muối tiêu; (b) sau khi lọc Hình 3. 5. Lọc 6 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ PHẦN MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Xử lý ảnh là một môn khoa học ứng dụng, nó là một chuyên ngành được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi với nhiều lĩnh vực khác nhau như vật lý, hóa học , y học Xử lý ảnh thường hướng tới các mục đích sau : Xử lý ảnh ban đầu để có được một bức ảnh mới theo một yêu cầu . Phân tích ảnh để thu được các thông tin nhằm hỗ trợ cho việc phân loại và nhận biết ảnh . Phục hồi ảnh (Restore image) để tăng cường và phục hồi 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 trước khi ảnh bị biến dạng. Phục hồi ảnh nó không chỉ mang ý nghĩa khoa học mà còn mang đậm tính thực tiễn nhất là trong hoàn cảnh Việt Nam chưa có nhiều hệ thống xử lý ảnh trong khi thực tế đang đặt ra những yêu cầu đòi hỏi. Sau khi được tiếp cận môn học Xử Lý ảnh cộng thêm sự động viên của thầy hướng dẫn em quyết định lựa chọn “Nghiên cứu một số kỹ thuật phục hồi ảnh và ứng dụng”làm đề tài luận văn của mình. Luận văn được bố trí theo các phần như sau: Chƣơng 1: Khái quát về xử lý ảnh và phục hồi ảnh chương này giới thiệu chung về xử lý ảnh và phục hồi ảnh. Chƣơng 2: Một số kỹ thuật phục hồi ảnh. Chương này trình bày một số kỹ thuật phục hồi ảnh nhằm làm cho ảnh tốt lên sao cho ảnh thu được gần giống so với ảnh gốc. Chƣơng 3: Chương trình thử nghiệm Em đã rất cố gắng để hoàn thành luận văn .Tuy nhiên chắc chắn còn rất nhiều thiếu sót do chưa có thật nhiều thời gian nghiên cứu và kiến thức vẫn còn 7 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ hạn hẹp. Em rất mong nhận được những góp ý từ các thầy cô giáo và các bạn để luận văn của em được hoàn thiện hơn. 2. Lý do chọn đề tài Trong những năm gần đây công nghệ thông tin phát triển với tốc độ nhanh chóng về cả phần cứng và phần mềm. Sự phát triển của công nghệ thông tin đã thúc đẩy sự phát triển của nhiều lĩnh vực xã hội khác như: y học, giáo dục, giải trí, kinh tế vv…Sự phát triển của phần cứng cả về phương diện thu nhận, hiển thị, cùng với tốc độ xử lý đã mở ra nhiều hướng mới cho sự phát triển phần mềm, đặc biệt là lĩnh vực xử lý ảnh cũng như công nghệ thực tại ảo đã ra đời và thâm nhập mạnh mẽ vào đời sống của con người. Ảnh thu được sau quá trình thu nhận ảnh hoặc các phép biến đổi không tránh khỏi nhiễu hoặc khuyết thiếu. Sự sai sót này một phần bởi các thiết bị quang học và điện tử, phần khác bởi bản thân các phép biến đổi không phải là toàn ánh, nên có sự ánh xạ thiếu hụt đến những điểm trên ảnh kết quả. Việc khắc phục các nhược điểm này luôn là vấn đề đặt ra cho các hệ thống xử lý ảnh. Các hệ thống xử lý ảnh trong quá trình phân tích ảnh, tăng cường ảnh để nâng cao chất lượng ảnh. Do các nguyên nhân khác nhau có thể do chất lượng thiết bị thu nhận ảnh, do nguồn sáng hay do nhiễu, ảnh có thể bị suy biến, do vậy cần phải tăng cường và phục hồi 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 trước khi ảnh bị biến dạng. Xuất phát trong hoàn cảnh đó “Nghiên cứu một số kỹ thuật phục hồi ảnh và ứng dụng” được em chọn làm đề tài. 3. Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu Về lý thuyết: Tìm hiểu khái quát về xử lý ảnh, nghiên cứu các kỹ thuật phục hồi ảnh. 8 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Về thực tiễn: Trên cơ sở các kiến thức đã thu thập và nghiên cứu, tổng hợp các kỹ thuật để hướng đến các ứng dụng thực tế cho các kỹ thuật tìm hiểu này. 4. Hƣớng nghiên cứu Nắm chắc các kiến thức cơ bản về xử lý ảnh và phục hồi ảnh. Nghiên cứu, tìm hiểu các phương pháp các kỹ thuật phục hồi ảnh để nâng cao chất lượng ảnh. 5. Ý nghĩa khoa học của đề tài Đề tài không chỉ mang ý nghĩa khoa học mà còn mang đậm tính thực tiễn nhất là trong hoàn cảnh Việt Nam chưa có nhiều hệ thống xử lý ảnh trong khi thực tế đang đặt ra những yêu cầu đòi hỏi. [...]... của ảnh, chính là phép ghi ảnh Bởi vì nó cho phép ta nhận ra các điểm tương ứng của hai ảnh trong cùng một vùng dưới các góc nhìn khác nhau Sự phục hồi có vai trò hết sức quan trọng trong chup ảnh và truyền ảnh từ xa trong ghi ảnh y- sinh học hay trong liên lạc vũ trụ… Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 17 CHƢƠNG II – MỘT SỐ KỸ THUẬT PHỤC HỒI ẢNH 2.1 Khái niệm phục hồi ảnh Phục hồi. .. chất lượng Định nghĩa: Kỹ thuật phục hồi ảnh có thể được xác định như việc ước lượng lại ảnh gốc hay ảnh lý tưởng thử ảnh quan sát được bằng cách đo ngược lại những hiện tượng gây biến dạng, qua đó ảnh được chụp Như vậy, kỹ thuật phục hồi ảnh đòi hỏi kiến thức về các hiện tượng gây biến dạng ảnh 2.2 Các vấn đề liên quan đến phục hồi ảnh a)Mô hình chung: Hầu hết các mô hình xác định ảnh gốc (mô hình tuyến... học…) c)Các kỹ thuật phục hồi ảnh: Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 19 -Mô hình phục hồi ảnh có: mô hình tạo ảnh, mô hình gây nhiễu, mô hình quan sát -Lọc tuyến tính có: lọc ngược, đáp ứng xung, lọc hữu hạn FIR -Các kỹ thuật khác: Entropy cực đại, mô hình Bayess, giải chập 2.3 Một mô hình của quá trình suy thoái Trong một không gian miền ta có một bức ảnh f (x, y) và một không... phục hồi ảnh Phục hồi ảnh là phục hồi lại ảnh gốc so với ảnh ghi được đã bị biến dạng Nói cách khác Phục hồi ảnh là các kỹ thuật cải thiện chất lượng những ảnh ghi đảm bảo gần được như ảnh thật khi ảnh bị méo Để phục hồi được ảnh có kết quả, điều cần thiết là biết được các nguyên nhân, các hàm (hay dạng) gây ra biến dạng ảnh Các nguyên nhân biến dạng thường do: -Do camera, đầu thu ảnh chất lượng kém -Do... xử lý ảnh nhằm hoàn thiện một số đặc tính của ảnh Nâng cao chất lượng ảnh gồm 2 công đoạn khác nhau, Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 15 tăng cường ảnh và phục hồi ảnh, tăng cường ảnh nhằm hoàn thiện các đặc tính của ảnh như: -Lọc nhiễu hay làm trơn ảnh -Tăng độ tương phản, điều chỉnh mức xám của ảnh -Làm nổi biên ảnh Các thuật toán triển khai việc nâng cao chất lượng ảnh hầu... QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ PHỤC HỒI ẢNH 1.1 Giới thiệu về xử lý ảnh Xử lý ảnh là một lĩnh vực đang được quan tâm nghiên cứu và có nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tế cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, thúc đẩy các ngành kinh tế, xã hội khác phát triển Mục đích chính của xử lý ảnh có thể nêu ra như sau: Xử lý ảnh ban đầu để có được ảnh mới theo một yêu cầu xác định (Ví dụ như ảnh mờ, cần xử... đề cơ bản trong hệ thống xử lý ảnh 1.2.1 Những khái niệm cơ bản a) Điểm ảnh (Picture Element) 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 hóa Số hóa 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... lại ảnh có chất lượng tốt, nhất thiết phải loại bỏ các tín hiệu không mong muốn đó Do đó, mục tiêu chủ yếu của việc phục hồi ảnh đồng nghĩa với việc nâng cao chất lượng ảnh thu được so với ảnh gốc Tuy nhiên, giữa sự phục hồi ảnh và nâng cao chất lượng ảnh cũng có sự khác nhau, đó là nâng cao chất lượng ảnh là cố gắng cải thiện chất lượng ảnh theo mục tiêu chủ quan đã được định sẵn; còn phục hồi ảnh. .. giảm đi tối thiểu sự ảnh hưởng của các loại nhiễu này để cho ra ảnh kết quả càng gần giống ảnh gốc càng tốt Hiệu quả của các bộ lọc phục hồi ảnh phụ thuộc vào sự nhận biết về quá trình nhiễu cùng với quá trình thu nhận hình ảnh Phục hồi ảnh thường được xử lý trên miền tần số là chủ yếu Bao gồm các kỹ thuật lọc ngược, lọc bình phương tối thiểu (Wiener) Mục tiêu chính của xử lý ảnh là làm thỏa mãn nhu... điểm ảnh) kém hơn c) Mức xám của ảnh Một điểm ảnh (Pixel) có hai đặc trưng cơ bản là vị trí (x,y) của điểm ảnh và độ xám của nó Dưới đây chúng ta xem xét một số khái niệm và thuật ngữ thường dùng trong xử lý ảnh -Định nghĩa: 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 thƣờng: 16, 32, 64, 128, 256 (Mức 256 là mức phổ dụng Lý do từ kỹ . về xử lý ảnh và phục hồi ảnh. Chƣơng 2: Một số kỹ thuật phục hồi ảnh. Chương này trình bày một số kỹ thuật phục hồi ảnh nhằm làm cho ảnh tốt lên sao cho ảnh thu được gần giống so với ảnh gốc trước khi ảnh bị biến dạng. Xuất phát trong hoàn cảnh đó Nghiên cứu một số kỹ thuật phục hồi ảnh và ứng dụng được em chọn làm đề tài. 3. Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu Về lý. lựa chọn Nghiên cứu một số kỹ thuật phục hồi ảnh và ứng dụng làm đề tài luận văn của mình. Luận văn được bố trí theo các phần như sau: Chƣơng 1: Khái quát về xử lý ảnh và phục hồi ảnh chương