1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ DƯƠNG THÚ Y HƯỜNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH TRONG MIỀN KHÔNG GIAN LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀ NH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HÀ NỘI - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ DƯƠNG THÚ Y HƯỜNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH TRONG MIỀN KHÔNG GIAN Ngành: Công nghê ̣ thông tin Chuyên ngành: Truyề n dƣ̃ liê ̣u và ma ̣ng máy tính Mã số: Chuyên ngành đào ta ̣o thí điể m LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀ NH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS – TS NGÔ QUỐC TẠO Hà Nội - 2015 LỜI CAM ĐOAN Luận văn tốt nghiệp là sản phẩm quan trọng, là tổng hợp ý kiến và kiến thức mà em đã đƣợc học và nghiên cứu suốt trình học tập trƣờng Ý thức đƣợc điều đó, với tinh thần làm việc nghiêm túc, tự giác và lao động miệt mài thân với hƣớng dẫn tận tình thầy giáo PGS-TS Ngô Quốc Tạo, em đã hoàn thành luận văn Em xin cam đoan luận văn này là sản phẩm em nghiên cứu và xây dựng nên Các kết nêu luận văn là trung thực và chƣa đƣợc công bố công trình nào khác Em xin cam đoan thông tin trích dẫn luận văn đã đƣợc rõ nguồn gốc Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2015 Học viên Dƣơng Thúy Hƣờng LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn thầy cô Khoa Công nghệ thông tin, trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội và thầy giáo PGS-TS Ngô Quốc Tạo đã tạo điều kiện cho em đƣợc học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận văn này Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô, đồng nghiệp quan nơi em công tác đã tạo điều kiện cho em đƣợc học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2015 Học viên Dƣơng Thúy Hƣờng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG ITỔNG QUAN VỀ XƢ̉ LÝ ẢNH SỐ VÀ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ẢNH TRONG MIỀN KHÔNG GIAN 1.1 Tổ ng quan về xƣ̉ lý ảnh số 1.1.1 Giới thiê ̣u về xƣ̉ lý ảnh số 1.1.2 Các ứng dụng xử lý ảnh số 1.1.3Các bƣớc xử lý ảnh số 10 1.2Nâng cao chấ t lƣơ ̣ng ảnh miề n không gianError! Bookmark not Bookmark not defined CHƢƠNG IIHIÊU ̣ CHỈNH ÁNH SÁNG HÌNH ẢNHError! defined 2.1 Hiê ̣u chin̉ h ánh sáng dƣ̣a điể m ảnh Error! Bookmark not defined 2.1.1 Change-level Brightness Error! Bookmark not defined 2.1.2 Change-level Contrast Error! Bookmark not defined 2.2 Hiê ̣u chin̉ h ánh sáng dƣ̣a histogram Error! Bookmark not defined 2.2.1 Histogram Error! Bookmark not defined 2.2.2 Cân bằ ng histogram Error! Bookmark not defined 2.3 Hiệu chỉnh ánh sáng sử dụng lọc laplaceError! Bookmark not defined CHƢƠNG IIIKẾT QUẢ THƢ̣C NGHIÊM ̣ VÀ ĐÁNH GIÁ Error! Bookmark not defined 3.1 Tâ ̣p dƣ̃ liê ̣u Error! Bookmark not defined 3.2 Mục tiêu Error! Bookmark not defined 3.2 Đánh giá và so sánh Error! Bookmark not defined 3.2.1 Công cụ Error! Bookmark not defined 3.2.2 Đánh giá và so sánh công cụ Error! Bookmark not defined 6 KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 11 LỜI MỞ ĐẦU Xƣ̉ lý ảnh số là mô ̣t nhƣ̃ng liñ h vƣ̣c phát triể n rấ t nhanh của ngành Công nghê ̣ thông tin Trong nhƣ̃ng năm trở la ̣i , phầ n cƣ́ng máy tin ́ h và các thiế t bi ̣liên quan xƣ̉ lý ảnh số đã có sƣ̣ tiế n bô ̣ vƣơ ̣t bâ ̣c về tố c đô ̣ tin ́ h toán , khả lƣu trƣ̃ và xƣ̉ lý đã thúc đẩ y nghiên cƣ́u xƣ̉ lý ảnh số ngày mô ̣t đẩ y ma ̣nh cả lý thuyế t và ƣ́ng du ̣ng Khái niệm ảnh số đã trở nên thông dụng với hầu hế t mo ̣i ngƣời xã hô ̣i và viê ̣c thu nhâ ̣n ảnh số bằ ng các thiế t bị cá nhân hay chuyên du ̣ng cùng với viê ̣c đƣa vào máy tin ́ h xƣ̉ lý đã trở nên đơn giản Nó đƣợc ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ Chẳ ng ̣n nhƣ thị giác máy tính , rô-bố t, tìm kiếm tài liệu ảnh , hỗ trơ ̣ chẩ n đoán hình ảnh y ho ̣c , thiế t kế ảnh , giải trí … Xử lý ảnh số bằ ng máy tin ́ h đã giúp chúng ta thay đổ i cách cảm nhận và sử dụng máy tính , đã trở thành công cụ trực quan quan tro ̣ng không thể thiế u đời số ng hằ ng ngày Vì xử lý ảnh số đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu quan trọng chuyên ngành Công nghệ thông tin Với mong muố n đóng góp nghiên cƣ́u vào liñ h vƣ̣c này , em đã cho ̣n đề tài “Nghiên cứu phƣơng pháp nâng cao chất lƣợng ảnh miền không gian” làm luận văn tốt nghiệp Luâ ̣n văn đƣơ ̣c chia làm chƣơng: Chƣơng I – Tổng quan xử lý ảnh số và nâng cao chất lƣợng ảnh miền không gian Chƣơng II – Hiệu chỉnh ánh sáng hình ảnh Chƣơng III – Kết thực nghiệm và đánh giá Mă ̣c dù rấ t cố gắ ng nhƣng luâ ̣n văn của em chắ c chắ n không tránh khỏi nhƣ̃ng thiế u sót Em xin trân tro ̣ng tiế p thu tấ t cả ý kiế n đóng góp của các thầ y cô Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2015 Học viên Dƣơng Thúy Hƣờng CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH SỐ VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH TRONG MIỀN KHÔNG GIAN 1.1 Tổ ng quan về xử lý ảnh số 1.1.1Giới thiê ̣u về xử lý ảnh số Xƣ̉ lý ảnh số là lĩnh vực mang tính khoa học và công nghệ Nó là ngành khoa học mẻ so với nhiều ngành khoa học khác nhƣng tốc độ phát triể n của nó rấ t nhanh, kích thích trung tâm nghiên cứu , ứng dụng, đă ̣c biê ̣t là máy tính chuyên du ̣ng riêng cho nó Cùng với ngôn ngữ tự nhiên , hình ảnh đã đóng góp vai trò quan tro ̣ng viê ̣c trao đổ i thông tin Tính trực quan hình ảnh đã giúp cho ngƣời hiể u rõ và sâu sắ c các thôn g tin cầ n thu thâ ̣p Ngƣời ta đã chƣ́ng minh đƣơ ̣c rằ ng, tấ t cả các kênh thu nhâ ̣n thông tin của ngƣời thì lƣơ ̣ng thông tin thu nhâ ̣n qua kênh thi ̣giác chiế m khoảng 70% Hình ảnh là kết viê ̣c thu nhâ ̣n và biể u diễn lƣợng ánh sáng trải dài từ tia gamma (có bƣớc sóng nhỏ ) đến sóng radio (có bƣớc sóng lớn ) Tuy nhiên , mắ t ngƣời chỉ cảm nhận đƣợc vùng giới hạn nhỏ phổ điện từ Ngƣơ ̣c la ̣i, máy tính có thể đo ̣c đƣơ ̣c mô ̣t vùng rấ t rô ̣ng phổ điê ̣n tƣ̀ , tƣ̀ tia gamma đế n sóng radio Nó biểu diễn và xử lý ảnh đƣợc sinh bởi nguồn mà ngƣời nhận biết đƣợc , nhƣ ảnh siêu âm , ảnh hồng ngo ại, ảnh vùng tia X, … Do đó xƣ̉ lý ảnh có mô ̣t pha ̣m vi ƣ́ng du ̣ng tƣơng đố i rô ̣ng Xƣ̉ lý ảnh số là cách tiếp cận phân tích , tổ ng hơ ̣p hình ảnh theo ý tƣởng và mục đích ngƣời sử dụng Tuy xƣ̉ lý ản h là mô ̣t nhƣ̃ng khoa ho ̣c còn tƣơng đố i mới so với nhiề u ngành kho ho ̣c khác , song nhƣ̃ng năm gầ n , xƣ̉ lý ảnh và đồ ho ̣a đã phát triể n mô ̣t cách ma ̣nh mẽ và đã gă ̣t hái đƣơ ̣c nhiề u thành công góp phầ n vào sƣ̣ phát triể n chung của ngành công nghê ̣ thông tin Các phƣơng pháp xử lý ảnh số bắ t nguồ n tƣ̀ hai ƣ́ng du ̣ng : nâng cao chấ t lƣơ ̣ng thông tin hiǹ h ảnh đố i với mắ t ngƣời và xƣ̉ lý số liê ̣u cho máy tƣ̣ đô ̣ng Mô ̣t nhƣ̃ng ƣ́ng du ̣ng đầ u tiên xử lý ảnh là nâng cao chất lƣợng ảnh báo truyề n qua cáp giƣ̃a London và NewYork vào nhƣ̃ng năm 192x Thiế t bi ̣đă ̣c biê ̣t mã hóa hình ảnh (báo), truyề n qua cáp và khôi phu ̣c la ̣i ở phía thu Vấ n đề nâng cao chấ t lƣơ ̣ng hiǹ h ảnh lúc đầu có liên quan đến việc lựa chọn trình in và phân bố các mƣ́c sáng (tông và đô ̣ phân giải của ảnh) Hê ̣ thố ng đầ u tiên (Bartlane) có khả mã hóa hình ảnh với mƣ́c sáng Khả này tăng lên 15 mƣ́c vào 1929 Viê ̣c nâng cao chấ t lƣơ ̣ng ảnh bằ ng các phƣơng pháp xƣ̉ lý để truyề n ảnh đƣơ ̣c nghiên cƣ́u 35 năm sau đó Năm 1964, ảnh chụp mặt trăng đƣợc vệ tinh Ranger (Mỹ) truyề n về trái đấ t , đƣơ ̣c xƣ̉ lý bằ ng máy tiń h để sƣ̉a méo (gây camera truyề n hin ̀ h đă ̣t vê ̣ tinh ở các góc đô ̣ khác ) Các kỹ thuật cho phép nâng cao chất lƣợng hình ảnh nhƣ làm đƣờng biên và lƣu hình ảnh Từ năm 1964 đến nay, phạm vi xử lý ảnh số lớn ma ̣nh không ngƣ̀ng Các kỹ thuật xử lý ảnh số hiê ̣n đƣơ ̣c sƣ̉ du ̣ng để giải quyế t hàng loa ̣t các vấ n đề , nhằ m nâng cao chấ t lƣơ ̣ng thông tin hin ̀ h ảnh Trong y ho ̣c , thuật toán máy tính nâng cao độ tƣơng phản , hoă ̣c mã hóa mƣ́c sáng thành các màu để nô ̣i suy ảnh X -Quang và các hin ̀ h ảnh y sinh học dễ dàng.Các nhà địa vật lý sử dụng kỹ thuật tƣơng tự để nghiên cứu mẫu vâ ̣t chấ t tƣ̀ vê ̣ tinh.Các thuật toán nâng cao chất lƣợng ảnh và khô i phu ̣c hin ̀ h ảnh đƣơ ̣c sƣ̉ du ̣ng để xƣ̉ lý hiǹ h ảnh giảm chấ t lƣơ ̣ng Trong thiên văn ho ̣c , phƣơng pháp xƣ̉ lý ảnh nhằ m khôi phu ̣c hình ảnh bi ̣nhiễu hoă ̣c bi ̣mấ t bóng (artifacts) sau chụp Trong vâ ̣t lý và các liñ h vƣ̣c có liên quan , kỹ thuật máy tính nâng cao đƣợc chất lƣợng ảnh lĩnh vực nhƣ Plamas (có lƣợng cao) và microscopy điện tử Tƣơng tƣ̣, ngƣời ta đã ƣ́ng du ̣ng xƣ̉ lý ảnh có kế t quả tố t viễn thám , sinh ho ̣c, y tế h ạt nhân, quân sƣ̣, công nghiê ̣p … Nâng cao chấ t lƣơ ̣ng và khôi phu ̣c ảnh bi ̣nhiễu là quá trình xƣ̉ lý ảnh dùng cho mu ̣c đích nô ̣i suy của mắ t ngƣời Lĩnh vực ứng dụng quan trọng thứ hai là xử lý ảnh số gắn liề n với viê ̣c cảm nhâ ̣n của máy Trong liñ h vƣ̣c thƣ́ hai , cố gắng tập trung vào các quá trình trích thông tin ảnh và chuyể n thành da ̣ng thích hợp cho xƣ̉ lý máy tiń h Nhƣ̃ng vẫn đề tiêu biể u của kỹ thuâ ̣t xƣ̉ lý ảnh số đƣơ ̣c ƣ́ng du ̣ng nhiề u thƣ̣c tế , kể nhƣ : tƣ̣ động nhận dạng đặc trƣng , máy nhìn công 10 nghiê ̣p để điề u khiể n và kiể m tra sản phẩ m , nhâ ̣n da ̣ng mu ̣c tiêu quân sƣ̣ , tƣ̣ đô ̣ng xƣ̉ lý vân tay , hiể n thi ̣lên màn hình ảnh X -Quang và các mẫu máu, xƣ̉ lý bằ ng máy hình ảnh chụp từ vệ tinh để dự báo thời tiết , nén ảnh để lƣu và truyền đƣơ ̣c nhiề u tiń hiê ̣u ảnh thông tin , máy tính, truyề n hin ̀ h thông thƣờng và truyền hình có độ phân giải cao 1.1.2 Các ứng dụng của xử lý ảnh số Xƣ̉ lý ảnh số có nhiều ứng dụng thực tế Mô ̣t nhƣ̃ng ƣ́ng du ̣ng sớm nhấ t là xƣ̉ lý ảnh tƣ̀ nhiê ̣m vu ̣ Ranger phòng thí nghiệm JetPulsion vào nhƣ̃ng năm đầ u của thâ ̣p kỷ 60 Hê ̣ thố ng chụp hình gắn tàu vũ trụ có số hạn chế kích thƣớc và trọng lƣợng , đó ảnh nhâ ̣n đƣơ ̣c bi ̣giảm chấ t lƣơ ̣ng nhƣ bi ̣mờ , méo hình học và nhiễu Các ảnh đƣợc xử lý thành công nhờ máy tính số Hình ảnh của mă ̣t trăng và hỏa mà chúng ta thấ y tấ t cả các tạp chí đƣợc xử lý máy tính số Ngày nay, hầ u hế t các thông tin ảnh đƣợc chuyển sang dạng ảnh số Vì vậy, gầ n nhƣ tấ t cả các liñ h vƣ̣c ngành kỹ thuật có nhiều liên quan đến ảnh số và sử dụng kỹ thuật xƣ̉ lý ảnh số Ứng dụng xử lý ảnh có khả tác động mạnh mẽ đến cuô ̣c số ng của chúng ta là liñ h vƣ̣c y tế Soi chu ̣p ả nh bằ ng máy tính dƣ̣a sở đinh ̣ lý cắ t lớp (project slice) đƣơ ̣c dùng thƣờng xuyên xét nghiê ̣m lâm sàng, ví dụ phát và nhận dạng u não Nhƣ̃ng ƣ́ng du ̣ng y khoa khác của xƣ̉ lý ảnh gồm cải thiện ảnh X -Quang và nhâ ̣n da ̣ng đƣờng biên ma ̣ch máu tƣ̀ nhƣ̃ng ảnh chụp tia X Có ứng dụng khác gần gũi với sống gia đình là cải tiến ảnh tivi Hình ảnh màn hình tivi có khuyết tật độ phân giải hạn chế , bị rung rinh, nhiề u nề n và trƣơ ̣t hin ̀ h đan dòng ở nhƣ̃ng mƣ́c đô ̣ khác Xƣ̉ lý ảnh số có tác động định đến việc cải thiện chất lƣợng hình ảnh nhữ ng ̣ truyề n hiǹ h hiê ̣n ta ̣i và làm phát triển hệ truyền h ình có độ phân giải cao Mô ̣t vấ n đề nƣ̃a của truyề n thông video nhƣ hô ̣i nghi ̣video , điê ̣n thoa ̣i video là cầ n có dải tầ n rô ̣ng Viê ̣c mã hóa thẳ ng chƣơng trình video chấ t lƣơ ̣ng yêu cầ u đế n 100 triê ̣u bit/giây Nế u hy sinh mô ̣t phầ n chấ t lƣơ ̣ng và dùng các sơ 11 đồ mã hóa ảnh số thì có thể đƣa thi ̣trƣờng nhƣ̃ng ̣ truyề n hin ̀ h chấ t lƣơ ̣ng đủ rõ với nhịp bit dƣới 100 nghìn bit/giây Ngƣời máy càng ngày càng đóng vai trò quan tro ̣ng công ng hiê ̣p và gia điǹ h Chúng sẽ thực công việc nhàm chán hoặc nguy hiểm và nhƣ̃ng công viê ̣c mà tố c đô ̣ và chính xác vƣơ ̣t quá khả của ngƣời Khi ngƣời máy trở nên tinh vi , thị giác máy tính sẽ đóng v trò ngày càng quan trọng Ngƣời ta sẽ đòi hỏi ngƣời máy không nhƣ̃ng phát hiê ̣n và nhâ ̣n da ̣ng các bô ̣ phâ ̣n công nghiê ̣p , mà còn “hiểu” đƣợc chúng “thấy” và đƣa nhƣ̃ng hành đô ̣ng phù hơ ̣p Xƣ̉ lý ảnh số có tác đ ộng lớn đến thị giác máy tính Ngoài ứng dụng còn bao gồm ứng dụng lĩnh vƣ̣c nhƣ điê ̣n tƣ̉ gia đình , thiên văn ho ̣c, sinh vâ ̣t ho ̣c, vâ ̣t lý, nông nghiê ̣p, điạ lý, nhân chủng ho ̣c và nhiề u liñ h v ực khác Khả nhìn và nghe thấy là hai phƣơng tiê ̣n quan tro ̣ng nhấ t để ngƣời nhâ ̣n thƣ́c thế giới bên ngoài , vâ ̣y không có gì đáng nga ̣c nhiên mà xƣ̉ lý ảnh số có nhiề u khả ƣ́ng du ̣ng , không chỉ khoa ho ̣c kỹ thuật mà còn hoạt động khác ngƣời 1.1.3 Các bước bản xử lý ảnh số Con ngƣời thu nhận thông tin qua giác quan, thị giác đóng vai trò quan trọng Những năm trở lại với phát triển phần cứng máy tính, xử lý ảnh và đồ họa phát triển cách mạnh mẽ và có nhiều ứng dụng sống.Xử lý ảnh và đồ họa đóng vai trò quan trọng tƣơng tác ngƣời máy Quá trình xử lý ảnh đƣợc xem nhƣ là trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho kết mong muốn.Kết đầu trình xử lý ảnh là ảnh “tốt hơn” hoặc kết luận Hình 1.1 Quá trình xử lý ảnh (Nguồn: Tài liệu tham khảo [1]) 12 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] PGS TS Đỗ Năng Toàn, TS Phạm Việt Bình, “Giáo trình xử lý ảnh số”, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2008 [2] Võ Đức Khánh, “Giáo trình xử lý ảnh”, NXB Thống kê, Hà Nội, 2003 [3] Nguyễn Trọng Vinh, “Báo cáo NCKH: Nghiên cứu số kỹ thuật hiệu chỉnh góc nghiêng ảnh”,2011 Tiếng Anh [4] R.G Gonzalez and R.E Woods, “Digital Image Processing” 3rd ed Publishing House of Electronics Industry, Beijing [5] Lu Yuan, Jian Sun, “Automatic Exposure Correction of Consumer Photographs”, ECCV 2012 [6] system.html http://www.cineserge.com/2006/07/demystifying-ansel-adams-zone-