Chơng 2: cảI thiện ảnh 39 Chơng 2 cải thiện ảnh Mở đầu Cải thiện ảnh là quá trình xử lý để cải thiện thể hiện của ảnh đối với cho ngời xem, hoặc để cải thiện một hệ xử lý ảnh khác các phơng pháp và mục tiêu thay đổi tuỳ theo ứng dụng. Khi ảnh đợc cải thiện cho ngời xem nh ở truyền hình, mục đích là cải thiện sự cảm thụ: chất lợng ảnh, độ dễ hiểu hoặc thể hiện đối với thị giác. Trong ứng dụng khác nh dùng máy nhận dạng đối tợng, ảnh đợc tiền xử lý để hỗ trợ cho máy. Vì mục tiêu cải thiện ảnh phụ thuộc vào bối cảnh ứn g dụng, và tiêu chí cải thiện thờng là chủ quan hoặc quá phức tạp cho nên khó đổi ra thành những phép đo khách quan hữu dụng. Algorit cải thiện ảnh vì vậy có xu hớng đơn giản, định lợng và không theo thể thức (ad hoc). Ngoài ra, trong một ứng dụng đã c ho thì algorit xử lý tốt cho loại ảnh này không nhất thiết cũng tốt cho loại ảnh khác. Cải thiện ảnh liên quan mật thiết tới phục hồi ảnh, điều đó sẽ đợc thảo luận trong chơng 3. Khi ảnh bị xuống cấp, cải thiện ảnh thờng đem lại kết quả là phục hồi ảnh gốc. Tuy nhiên vẫn có một vài sự khác nhau quan trọng giữa phục hồi ảnh và cải thiện ảnh. Trong phục hồi ảnh, khi một ảnh lý tởng bị xuống cấp thì mục tiêu là làm cho ảnh qua xử lý càng giống ảnh gốc càng tốt. Trong cải thiện ảnh, mục tiêu là làm cho ảnh đợc xử lý tốt hơn ảnh cha xử lý theo một nghĩa nào đó. Trong trờng hợp này, ảnh lý tởng phụ thuộc vào bối cảnh của vấn đề và thờng không đợc định nghĩa rõ ràng. Để minh hoạ sự khác nhau này, lu ý rằng ảnh gốc không xuống cấp không còn gì để phục hồi hơn nữa, nhng vẫn có thể đem cải thiện để tăng độ nét bằng cách cho qua bộ lọc thông cao. Trong một số bối cảnh cải thiện ảnh là điều mong muốn. Trong một lớp vấn đề quan trọng, ảnh đợc cải thiện bằng cách thay đổi độ tơng phản hoặc dải động. Chẳng hạn, một ảnh điển hình dẫu không xuống cấp cũng sẽ có thể hiện tốt hơn khi các đờng Hng dn cỏch ci thin nh t cht lng n s lng Ngun:www.ketnoibanbe.org Chơng 2: cảI thiện ảnh 40 biên ảnh đợc làm sắc nét hơn. Tơng tự, khi một ảnh có dải động lớn đợc ghi vào trong một môi trờng với dải động hẹp nh phim hoặc giấy thì độ tơng phản và do đó cả các chi tiết của ảnh sẽ bị giảm, đặc biệt trong những vùng rất tối và rất sáng. ảnh chụp từ máy bay bị giảm độ tơng phản khi cảnh bị mây hoặc sơng mù bao phủ. Khi đó, làm tăng mức tơng phản cục bộ và làm giảm dải động toàn bộ sẽ có ý nghĩa đáng kể về cải thiện ảnh. Một vấn đề khác trong cải thiện ảnh, là ảnh bị xuống cấp có thể đợc cải thiện bằng cách làm giảm sự xuống cấp. Các vi dụ về xuống cấp của ảnh là mờ, nhiễu nền ngẫu nhiên lớn, nhiễu lốm đốm và nhiễu lợng tử.Trong lĩnh vực này cải thiện trùng với phục hồi ảnh. Một algorit đơn giản và phi thể thức (ad hoc), không khai thác các đặc tính của tín hiệu và sự xuống cấp, thờng đợc coi là một algorit cải thiện ảnh. Một có algorit tính toán học cao hơn và phức tạp hơn, có khai thác các đặc tính của t ín hiệu và sự xuống cấp, có tiêu chí sai số rõ ràng để so sánh ảnh đợc xử lý với ảnh gốc cha xuống cấp, thờng đợc coi là một algorit phục hồi. Sự phân biệt này khá mơ hồ và tuỳ ý. Nhng cần phải đa ra một số quyết định tuỳ ý để phân chia một vài đề mụ c giữa chơng này với chơng sau (chơng Phục hồi ảnh). Ta biết rằng đờng biên là một đối tợng chứa rất nhiều thông tin quan trọng, có thể dùng trong những ứng dụng lý giải ảnh. Bớc đầu tiên trong ứng dụng đó là tiền xử lý một ảnh thành một bản đồ đờ ng biên. Vì sự phát hiện đờng biên của ảnh chính xác hơn sẽ cải thiện chất lợng của hệ lý giải ảnh khai thác thông tin đó, cho nên việc đổi ảnh thành bản đồ đờng biên của nó có thể xem nh một quá trình cải thiện ảnh. Một lớp quan trọng khác trong cải thiện ảnh là hiển thị dữ liệu hai chiều (2 -D), dữ liệu này có thể đại biểu cho cờng cờng độ của ảnh, cũng có thể không. Một ảnh có độ phân giải thấp 128 x 128 pixel có thể làm vừa ý thị giác của ngời xem hơn bằng cách đem nội suy để tạo ra ảnh lớn hơn, ví dụ 256 x 256 pixel.Trong phép ớc lợng phổ 2-D, các giá trị ớc lợng của phổ thờng đợc hiển thị thành bản đồ đờng biên. Mặc dù dữ liệu (2 -D) nh vậy không phải là ảnh theo đúng nghĩa thờng hiểu, nhng vẫn có thể biểu diễn chúng nh ảnh. Có thể hiển thị chúng nh ảnh trắng -đen, có khi cải thiện thêm bằng mầu, cốt để cho thể hiện tốt hơn và thông tin nó mang theo đợc diễn đạt rõ ràng hơn. Trong những ứng dụng khác, nh ảnh radar hồng ngoại, có cả thông tin về cự ly cũng nh cờng độ ảnh. Đem th ể hiện thông tin về cự ly bằng mầu có thể nêu bật cự ly tơng đối của các đối tợng trong ảnh. Thậm chí chất lợng ảnh tốt cũng có thể đợc cải thiện bằng cách cố tình gây một số méo dạng. Chẳng hạn, khi một Chơng 2: cảI thiện ảnh 41 đối tợng trong ảnh đợc tô màu giả thì có thể làm nổi bật đối tợng đối với ngời xem. Trong chơng này, ta nghiên cứu các phơng pháp cải thiện ảnh đã thảo luận ở trên: tiết 1 bàn về thay đổi độ tơng phản và dải động, tiết 2 bàn về làm trơn nhiễu, tiết 3 bàn về phát hiện đờng biên ảnh. Trong tiết 4 thảo luận về các phơng pháp nội suy ảnh và sự ớc lợng chuyển động, có thể sử dụng cho nội suy ảnh. Tiết 5 bàn về cải thiện ảnh bằng phơng pháp giả mầu. 1. thay đổi độ tơng phản và dải động 1.1 thay đổi mức Xám Thay đổi mức xám là phơng pháp đơn g iản và có hiệu quả để thay đổi độ tơng phản hoặc dải động của ảnh. Trong phơng pháp này, mức xám hoặc mức cờng độ của ảnh đầu vào f(n 1 ,n 2 ) đợc thay đổi theo một phép biến đổi xác định. Phép biến đổi g= T[f], là quan hệ giữa cờng độ ảnh đầu vào f với cờng độ ảnh đầu ra g đợc biểu diễn bởi một hình vẽ hoặc một bảng. Ta hãy xem một minh hoạ đơn giản của phơng pháp này. Hình 2.1(a) là ảnh 4 4 pixel với mỗi pixel đợc biểu diễn bằng 3 bit, vậy là có 8 mức, gồm f = 0(mức tối nhất),1,2,3 7(mứ c sáng nhất). Phép biến đổi liên hệ giữa cờng độ đầu vào với cờng độ đầu ra đợc biểu diễn bằng đồ thị hoặc bảng số nh trong Hình 2.1(b). Với mỗi pixel trong ảnh đầu vào có pixel tơng ứng trong ảnh đầu ra, nhận đợc từ đồ thị hoặc bảng số trong Hình 2.1(b). Kết quả đợc biểu diễn trên Hình 2.1(c). Bằng cách chọn phép biến đổi phù hợp có thể thay đổi đợc độ tơng phản hoặc dải động. Phép biến đổi cụ thể phụ thuộc vào ứng dụng. Trong một số ứng dụng, việc lựa chọn phép biến đổi căn cứ vào tính chất v ật lý. Chẳng hạn khi bộ hiển thị có đặc tính phi tuyến thì mục đích của biến đổi là bù phi tuyến. Trong trờng hợp đó, phép biến đổi phù hợp đợc xác định từ đặc tính phi tuyến của bộ hiển thị. Chơng 2: cảI thiện ảnh 42 5432 5432 5432 4433 6420 6420 6420 4422 Hình 2.1: Ví dụ về thay đổi mức xám. (a) ảnh 4 4 pixel, mỗi pixel đ ợc biểu diễn bằng 3 bit; (b) Hàm biến đổi mức xám; (c) Kết quả thay đổi ảnh trong hình (a) khi sử dụng hàm biế n đổi mức xám trong hình (b). 3 - (a) (c) Cờng độ đầu vào 0 1 2 3 4 5 6 7 g Cờng độ đầu ra (b) f 5 - 6 - 4 - 7 - 3 - 2 - 1 - Chơng 2: cảI thiện ảnh 43 Trong những ứng dụng thờng gặp, có thể nhận đợc phép biến đổi tốt bằng cách tính tổ chức đồ (histogram) của ảnh đầu vào và nghiên cứu đặc tính của nó. Tổ chức đồ của ảnh, ký hiệu là p(f), đại biểu cho số pixel có một cờ ng độ nhất định f, là một hàm của f. Chẳng hạn, ảnh 4 4 pixel trên Hình 2.1(a) có tổ chức đồ là Hình 2.2(a). Tổ chức đồ hiển thị một vài đặc tính quan trọng của ảnh giúp ta xác định đợc phép biến đổi mức xám mong muốn. Trên Hình 2.2(a) cờng độ ảnh đ ợc tụm lại trong một vùng nhỏ thì dải động không đợc sử dụng tốt. Trong trờng hợp đó, dùng phép biến đổi trong Hình 2.1(b) sẽ làm tăng dải động toàn bộ và ảnh sau khi biến đổi có độ tơng phản cao hơn. Hình 2.2(b), là tổ chức đồ của ảnh đã xử lý ở Hình 2.1(c), đã chứng tỏ điều đó. Hình 2.2: Tổ chức đồ của ảnh 4 4 pixel: (a) ảnh trong Hình 2.1(a); (b) ảnh trong Hình 2.1(c). 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 g f p(g) p(f) 7 - 3 - 6 - 4 - 2 - 4 - 5 - 2 - 1 - 1 - 7 - 3 - 6 - 4 - 2 - 4 - 5 - 2 - 1 - 1 - Cờng độ đầu vào (a) Cờng độ đầu ra (b) Chơng 2: cảI thiện ảnh 44 Vì việc tính tổ chức đồ của một ảnh và thay đổi mức xám bằ ng một phép biến đổi mức xám đã cho không cần phải tính toán nhiều, cho nên trong thực tế phép biến đổi mức xám mong muốn có thể do một kỹ thuật viên có kinh nghiệm xác định trên thời gian thực. Trên cơ sở việc tính toán tổ chức đồ ban đầu, kỹ thuật viên chọn phép biến đổi mức xám để tạo ra ảnh đợc xử lý. Bằng cách nhìn vào ảnh đợc xử lý và tổ chức đồ của ảnh, kỹ thuật viên có thể chọn một phép biến đổi mức xám khác và nhận đợc một ảnh đã xử lý mới, cứ thế tiếp tục cho đến khi nhận đợc ảnh đầu ra vừa ý . Khi xét thấy kỹ thuật viên phải xử lý quá nhiều ảnh, thì cần tự động hoá việc chọn phép biến đổi mức xám. Trong trờng hợp này phơng pháp gọi là thay đổi tổ chức đồ rất có lợi. Với phơng pháp này, ngời ta chọn phép biến đổi mức xám có tổ chức đồ mong muốn cho từng ảnh một. Tổ chức đồ mong muốn của ảnh đầu ra, ký hiệu là p d (g), có ích cho những ảnh thờng gặp loại ảnh có giá trị cực đại ở vùng giữa dải động và giảm chậm khi cờng độ tăng hoặc giảm. Với một ảnh đã cho, ta muốn xác định hàm biến đổi sao cho ảnh đầu ra có tổ chức đồ giống nh p d (g). Vấn đề này có thể xem nh một bài toán sơ đẳng về lý thuyết xác suất. Thông thờng tổ chức đồ p(f ) và p d (g) theo thứ tự có thể coi nh hàm mật độ xác suất theo một thang tỷ lệ nào đó của các biến ngẫu nhiên f và g. Chẳng hạn p(3)/16 trong Hình 2.2(a) là xác suất để một pixel đợc chọn ngẫu nhiên trong ảnh 4 4 pixel ở Hình 2.1(a) có mức cờng độ là 3. Ta muốn tìm một biến đổi g=T f với điều kiện ràng buộc là T f phải là một hàm đơn điệu không giảm củ a f, sao cho p(g) p d (g). Một cách tiếp cận để giải quyết bài toán xác suất này là nhận đợc các hàm phân bố xác suất P(f) và P d (g) bằng cách lấy tích phân các hàm mật độ xác suất p(f) và p d (g) và sau đó chọn hàm biến đổi sao cho P(f) P d (g) ở g = Tf. Đặt điều kiện ràng buộc T f phải là một hàm đơn điệu không giảm là để đảm bảo rằng, một pixel với cờng độ cao hơn pixel khác thì trong ảnh đầu ra nó sẽ không trở thành một pixel có cờng độ thấp hơn. Chơng 2: cảI thiện ảnh 45 Hình 2.3: Tổ chức đồ và tổ chức đồ tích lu ỹ. (a) Tổ chức đồ ảnh 8 x 8 pixel; (b) Tổ chức đồ mong muốn; (c) Tổ chức đồ tích luỹ suy diễn từ hình (a); (d) Tổ chức đồ tích luỹ suy diễn từ hình (b). f p(t) 10 - 8 - 6 - 4 - 2 - Cờng độ đầu vào (a) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Cờng độ đầu ra (b) g p d (g) 4 - 2 - 10 - 6 - 8 - 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 . (b). f p(t) 10 - 8 - 6 - 4 - 2 - Cờng độ đầu vào (a) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Cờng độ đầu ra (b) g p d (g) 4 - 2 - 10 - 6 - 8 - 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 . Chơng 2: cảI thiện ảnh 39 Chơng 2 cải thiện ảnh Mở đầu Cải thiện ảnh là quá trình xử lý để cải thiện thể hiện của ảnh đối với cho ngời xem, hoặc để cải thiện một hệ xử lý ảnh khác các phơng. hồi ảnh và cải thiện ảnh. Trong phục hồi ảnh, khi một ảnh lý tởng bị xuống cấp thì mục tiêu là làm cho ảnh qua xử lý càng giống ảnh gốc càng tốt. Trong cải thiện ảnh, mục tiêu là làm cho ảnh