§¹i häc Th¸i Nguyªn TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG BÙI THỊ MINH THU PHƯƠNG PHÁP PHÂN ĐOẠN ẢNH DỰA TRÊN MÔ HÌNH TÁCH, GHÉP VÙNG LuËn v¨n th¹c Sü KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN - 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Với mục đích học tập, nghiên cứu để nâng cao trình độ kiến thức và trình độ chuyên môn nên tôi làm luận văn này một cách nghiêm túc và hoàn toàn trung thực. Mặc dù gặp nhiều khó khăn trong việc tìm tài liệu để làm luận văn nhưng với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Ngô Quốc Tạo đến nay luận văn Phương pháp phân đoạn ảnh dựa trên mô hình tách, ghép vùng đã hoàn thành. Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn là do tôi tự sưu tầm, tìm hiểu, tra cứu trên mạng Internet và trong một số sách tham khảo phù hợp với nội dung yêu cầu của luận văn. Đến nay, nội dung của luận văn này chưa từng được công bố hay xuất bản dưới bất cứ hình thức nào. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày 15 tháng 6 năm 2012 HỌC VIÊN Bùi Thị Minh Thu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Ngô Quốc Tạo - Viện Công nghệ thông tin, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã hướng dẫn, giải đáp những thắc mắc và tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo của Viện Công nghệ thông tin - Viện khoa học Việt Nam, trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông - Đại học Thái Nguyên đã nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức cho em trong suốt 2 năm học qua. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, các đồng nghiệp những người đã động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình học tập tại trường cũng như quá trình làm luận văn này. Xin trân trọng cảm ơn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục i Danh mục các chữ viết tắt iii Danh mục các bảng iv Danh mục các hình vẽ v MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ PHÂN ĐOẠN ẢNH 3 1.1 Tổng quan về xử lý ảnh 3 1.1.1 Giới thiệu về xử lý ảnh 3 1.1.2 Quá trình xử lý ảnh 4 1.1.3 Một số khái niệm cơ bản 7 1.1.4 Các định dạng cơ bản trong xử lý ảnh 11 1.2 Đặc trưng ảnh 12 1.2.1 Màu sắc 12 1.2.2 Kết cấu 16 1.2.3 Hình dạng 17 1.3 Tổng quan về phân đoạn ảnh 18 1.3.1 Phân đoạn ảnh 18 1.3.2 Một số phương pháp phân đoạn ảnh 19 1.4 Kết luận chương 1 21 CHƯƠNG 2: PHÂN ĐOẠN ẢNH THEO MÔ HÌNH TÁCH, GHÉP VÙNG 22 2.1 Phân đoạn ảnh theo mô hình tách vùng 22 2.1.1 Tách vùng theo phương pháp tách cây tứ phân 22 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii 2.1.2 Tách theo vùng đồng nhất 25 2.2 Phân đoạn ảnh theo mô hình ghép vùng 33 2.2.1 Ghép vùng theo phương pháp HAC 33 2.2.2 Ghép vùng theo phương pháp K-means 39 2.3 Kết luận chương 2 42 CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH PHÂN ĐOẠN ẢNH VÀ ỨNG DỤNG PHÂN ĐOẠN ẢNH TRONG TRA CỨU ẢNH 43 3.1 Chương trình phân đoạn ảnh dựa trên mô hình tách vùng 43 3.2 Chương trình phân đoạn ảnh dựa trên mô hình ghép vùng 43 3.2.1 Ghép vùng theo phương pháp HAC 45 3.2.2 Ghép vùng theo phương pháp K-means 48 3.3 Ứng dụng phân đoạn ảnh trong tra cứu ảnh 49 3.3.1 Tra cứu ảnh 49 3.3.2 Thiết kế hệ thống tra cứu ảnh 50 3.3.3 Chương trình tra cứu ảnh 55 3.4 Kết luận chương 3 59 KẾT LUẬN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC 63 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Tên tiếng Anh 1 CBC Color Base Clustering 2 CIE Commission International d'E clairage 3 CSDL Cơ sở dữ liệu 4 CSI Color Spatial Information 5 GIF Graphics Interchanger Format 6 HAC Hierachical Agglomerative Clustering 7 HSB Hue, Saturation, Brightness 8 HSL Hue, Saturation, Lightness 9 HSI Hue, Saturation, Intensity 10 HSV Hue, Saturation, Value 11 IMG Image File Format 12 JPEG Joint Photographic Experts Group 13 MST Minimum Spanning Tree 14 RGB Red Green Blue 15 PCX Personal Computer eXchange 16 TIFF Targed Image File Format Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Tính độ lệch DX selectedrow cho phân hoạch theo dòng của ảnh I . Bảng 2.2. Tính độ lệch DX selectedcol cho phân hoạch theo cột của ảnh I . Bảng 2.3. Tính độ lệch DX selectedrow cho phân hoạch theo dòng của vùng 2 BR . Bảng 2.4. Tính độ lệch DX selectedcol cho phân hoạch theo cột của vùng 2 BR . Bảng 3.1 Số lượng các loại ảnh trong cơ sở dữ liệu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Quá trình xử lý ảnh Hình 1.2 Quá trình xử lý ảnh Hình 1.3 Khái niệm 4-láng giềng Hình 1.4 Khái niệm 8-láng giềng Hình 1.5 Ví dụ về chu tuyến của đối tượng ảnh Hình 1.6 Không gian màu RGB được trực quan hoá như một hình khối Hình 1.7 Mô tả không gian màu HSV Hình 2.1 Thuật toán tách cây tứ phân Hình 2.2 Minh họa thuật toán tách cây tứ phân Hình 2.3 Cây tứ phân tương ứng Hình 2.4 Thuật toán CSI Hình 2.5 Ảnh I cỡ 1010 điểm ảnh Hình 2.6 Ảnh I sau khi được tách ra thành hai vùng BR 1 và BR 2 Hình 2.7 Vùng 2 BR sau khi được tách ra thành hai vùng BR 2,1 và BR 2,2 Hình 2.8 Biểu diễn phân cụm phân cấp bottom-up của 5 đối tượng Hình 2.9 Thuật toán phân cụm Hình 2.10 Thuật toán Single-Linkage Hình 2.11 Thuật toán K-means Hình 2.12 Ví dụ minh họa thuật toán K-means Hình 3.1 Giao diện chương trình phân đoạn và tra cứu ảnh Hình 3.2 Chọn ảnh từ cơ sở dữ liệu Hình 3.3 Ảnh sau khi phân đoạn Hình 3.4 Chọn ảnh từ cơ sở dữ liệu Hình 3.5 Kết quả phân đoạn với các giá trị ngưỡng màu khác nhau và ngưỡng cỡ giống nhau Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vi Hình 3.6 Kết quả phân đoạn với các giá trị ngưỡng màu giống nhau và ngưỡng cỡ khác nhau Hình 3.7 Chọn ảnh từ cơ sở dữ liệu Hình 3.8 Kết quả phân đoạn với số cụm = 2 Hình 3.9 Kết quả phân đoạn với số cụm = 4 Hình 3.10 Kiến trúc tổng quát của hệ thống tra cứu ảnh Hình 3.11 Mô hình chi tiết của hệ thống tra cứu ảnh Hình 3.12 Biểu đồ Use-Case tổng quát hệ thống Hình 3.13 Biểu đồ trình tự tra cứu ảnh Hình 3.14 Biểu đồ trình tự lưu vào cơ sở dữ liệu Hình 3.15 Chọn ảnh truy vấn Hình 3.16 Kết quả truy vấn Hình 3.17 Chọn ảnh truy vấn Hình 3.18 Kết quả truy vấn Hình 3.19 Chọn ảnh truy vấn Hình 3.20 Kết quả truy vấn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 Luận văn thạc sĩ Khoa học máy tính MỞ ĐẦU Ngày nay, xử lý ảnh đã trở thành một ngành khoa học lớn và có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực: Y tế (xử lý ảnh siêu âm, ảnh chụp cắt lớp), tìm kiếm tội phạm (nhận dạng ảnh tội phạm, dấu vân tay), thị giác máy tính (dùng xử lý ảnh phát hiện đối tượng chuyển động), tra cứu ảnh… Xử lý ảnh nghiên cứu các quá trình xử lý thông tin dạng hình ảnh, mà hình ảnh lại là một trong những dạng thông tin phong phú nhất đối với con người. Quá trình xử lý ảnh bao gồm các bước: thu nhận ảnh, tiền xử lý, phân đoạn ảnh, biểu diễn và mô tả, nhận dạng và nội suy dựa trên cơ sở tri thức. Phân đoạn ảnh là một trong những công việc quan trọng và khó khăn nhất của xử lý ảnh, quyết định sự thành công hay thất bại của toàn bộ công việc phân tích ảnh. Nếu bước phân đoạn ảnh không tốt thì sẽ dẫn đến việc nhận diện sai về các đối tượng trong ảnh. Chính vì vậy phải có những phương pháp phân đoạn ảnh tốt cùng với những kỹ thuật phân tích ảnh phù hợp để quá trình xử lý ảnh đạt hiệu quả tốt nhất. Phân đoạn ảnh là quá trình phân hoạch một ảnh số thành nhiều đoạn (tập các pixel). Mục tiêu của phân đoạn là đơn giản hóa hoặc thay đổi biểu diễn của một ảnh thành biểu diễn có ý nghĩa và dễ phân tích. Phân đoạn ảnh được sử dụng để xác định các đối tượng và các đường biên (đường thẳng, đường cong, ) trong ảnh. Nói cách khác, phân đoạn ảnh là quá trình gán nhãn cho mỗi pixel trong ảnh sao cho các pixel có cùng nhãn có chung các thuộc tính trực quan nào đó. Cho đến nay có nhiều hướng tiếp cận để phân đoạn ảnh, có thể chia thành ba nhóm chính như sau: Dựa trên không gian đặc trưng, dựa trên không gian ảnh, dựa trên các mô hình vật lý. Mỗi hướng tiếp cận có ưu và nhược điểm riêng và phụ thuộc nhiều vào lĩnh vực ứng dụng cụ thể. Do đó, việc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn [...]... phƣơng pháp phân đoạn ảnh Để đánh giá chất lượng của quá trình phân đoạn là rất khó Vì vậy trước khi phân đoạn ảnh cần xác định rõ mục tiêu của quá trình phân đoạn là gì Xét một cách tổng quát, ta có thể chia các hướng tiếp cận phân đoạn ảnh thành ba nhóm chính như sau: • Các phương pháp phân đoạn ảnh dựa trên không gian đặc trưng • Các phương pháp dựa trên không gian ảnh • Các phương pháp dựa trên các mô. .. vào phương pháp tách cây tứ phân, tách theo vùng đồng nhất, phương pháp K-means và HAC Trên cơ sở các phương pháp phân đoạn ảnh này tiến hành xây dựng chương trình phân đoạn ảnh sử dụng ngôn ngữ lập trình C# trên môi trường Visual Studio 2010 và SQL Server 2008 Nội dung luận văn gồm có ba chương: Chương 1: Giới thiệu tổng quan về xử lý ảnh và phân đoạn ảnh Chương 2: Trình bày phân đoạn ảnh theo mô hình. .. ảnh Đó là cơ sở lý thuyết để triển khai các phương pháp phân đoạn ảnh, có nhiều phương pháp phân đoạn ảnh khác nhau Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng và phụ thuộc nhiều vào lĩnh vực ứng dụng cụ thể Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Luận văn thạc sĩ Khoa học máy tính http://www.lrc-tnu.edu.vn 22 Chƣơng 2 PHÂN ĐOẠN ẢNH THEO MÔ HÌNH TÁCH, GHÉP VÙNG 2.1 Phân đoạn ảnh theo mô hình. .. các phương pháp phân đoạn ảnh và tiến hành cài đặt các phương pháp phân đoạn ảnh là rất cần thiết Vấn đề này chính là động lực để luận văn tìm hiểu các phương pháp phân đoạn ảnh số và ứng dụng trong tra cứu ảnh Khi người sử dụng cung cấp một ảnh đầu vào (gọi là ảnh truy vấn), hệ thống phân đoạn ảnh truy vấn này thành các vùng và tính toán độ tương tự của ảnh truy vấn và các ảnh trong cơ sở dữ liệu ảnh. .. định Dựa trên không gian đặc trưng, ta có các phương pháp phân đoạn: - Phương pháp phân nhóm đối tượng không giám sát - Phương pháp phân lớp thích nghi k -trung bình - Phương pháp lấy ngưỡng lược đồ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Luận văn thạc sĩ Khoa học máy tính http://www.lrc-tnu.edu.vn 20 Các phương pháp dựa trên không gian ảnh Hầu hết những phương pháp được đề cập trong phần trên. .. xử lý ảnh, nếu phân đoạn không tốt sẽ dẫn đến sai lệch kết quả ở các bước tiếp theo Có nhiều phương pháp để phân đoạn ảnh, tuy nhiên không có một phương pháp phân đoạn nào là vạn năng – theo nghĩa là có thể áp dụng cho mọi loại ảnh và cũng không có một phương pháp phân đoạn ảnh nào là hoàn hảo 1.4 Kết luận chƣơng 1 Trong chương này, tôi đã trình bày một cách tổng quan về xử lý ảnh và phân đoạn ảnh, ... đặc trưng quan trọng trong mô tả các đối tượng nổi bật trong ảnh và có thể giúp phân biệt giữa hai ảnh Bước đầu tiên là sử dụng một phương pháp phân đoạn thích hợp để chia ảnh thành các vùng Các kỹ thuật phân đoạn có thể được phân lớp thành ba loại: dựa vào vùng, dựa vào đường biên và dựa vào pixel Sau khi ảnh được phân đoạn và thu được các vùng, các đặc trưng thuộc về các vùng thu được sẽ được ghi... liệu ảnh dựa trên các vùng đã được phân đoạn này Sau khi tính toán độ tương tự, hệ thống dựa trên độ tương tự của ảnh truy vấn với mỗi ảnh trong cơ sở dữ liệu ảnh để phân hạng các ảnh theo thứ tự giảm dần của độ tương tự Do đó chất lượng của kỹ thuật phân đoạn sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến độ chính xác của hệ thống tra cứu Luận văn trình bày tổng quan về xử lý ảnh số và các phương pháp phân đoạn ảnh số... Trong quá trình xử lý ảnh, phân đoạn ảnh là bước quan trọng nhất và cũng là khó khăn nhất Phân đoạn nhằm mục đích phân tích ảnh thành những thành phần có cùng tính chất nào đó để có thể sử dụng cho các ứng dụng về sau Các phương pháp xử lý ảnh bắt đầu từ các ứng dụng chính: nâng cao chất lượng ảnh, phân đoạn ảnh và phân tích ảnh Ứng dụng đầu tiên được biết đến là nâng cao chất lượng ảnh báo được truyền... tính (biến dạng do phối cảnh) hay bậc hai (biến dạng do ống kính camera)  Phân đoạn ảnh: Phân đoạn ảnh là bước then chốt trong xử lý ảnh, giai đoạn này nhằm phân tích ảnh thành những thành phần có cùng tính chất nào đó, dựa theo biên hay các vùng liên thông Tiêu chuẩn để xác định các vùng liên thông có thể là cùng màu, cùng mức xám hay cùng độ nhám, v.v Mục đích của phân đoạn ảnh là để có một miêu tả . TRÌNH PHÂN ĐOẠN ẢNH VÀ ỨNG DỤNG PHÂN ĐOẠN ẢNH TRONG TRA CỨU ẢNH 43 3.1 Chương trình phân đoạn ảnh dựa trên mô hình tách vùng 43 3.2 Chương trình phân đoạn ảnh dựa trên mô hình ghép vùng 43. xử lý ảnh và phân đoạn ảnh. Chương 2: Trình bày phân đoạn ảnh theo mô hình tách, ghép vùng. Chương 3: Chương trình phân đoạn ảnh và ứng dụng phân đoạn ảnh trong tra cứu ảnh. Xử lý ảnh cũng. luận chương 1 21 CHƯƠNG 2: PHÂN ĐOẠN ẢNH THEO MÔ HÌNH TÁCH, GHÉP VÙNG 22 2.1 Phân đoạn ảnh theo mô hình tách vùng 22 2.1.1 Tách vùng theo phương pháp tách cây tứ phân 22 Số hóa bởi Trung