i Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG KHUẤT DUY TOÀN TRA CỨU ĐỊA DANH DU LỊCH DỰA VÀO HÌNH ẢNH Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn ii Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ THÁI NGUYÊN - 2013 i Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung bản luận văn này là do tôi tự sưu tầm, tra cứu và sắp xếp cho phù hợp với nội dung yêu cầu của đề tài. Nội dung luận văn này chưa từng được công bố hay xuất bản dưới bất kỳ hình thức nào và cũng không được sao chép từ bất kỳ một công trình nghiên cứu nào. này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2013 Tác giả luận văn Khuất Duy Toàn ii Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn này, em luôn nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của PGS. TS. Đỗ Năng Toàn, Viện Công nghệ Thông tin thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam là cán bộ trực tiếp hướng dẫn khoa học cho em. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó. Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo trong khoa Công nghệ thông tin và các cán bộ, nhân viên phòng Đào tạo Sau đại học, trường Đại học công nghệ thông tin và Truyền thông cùng các anh chị đồng nghiệp trong cơ quan đã tạo những điều kiện thuận lợi cho em học tập và nghiên cứu tại trường Đại học công nghệ thông tin và Truyền thông. Xin chân thành cảm ơn các anh, chị và các bạn học viên lớp Cao học K10B - trường Đại học công nghệ thông tin và Truyền thông đã luôn động viên, giúp đỡ và nhiệt tình chia sẻ với em những kinh nghiệm học tập, công tác trong suốt khoá học. Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn vô hạn tới gia đình và bạn bè, những người thân yêu luôn bên cạnh và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp. Mặc dù rất cố gắng, song luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót, kính mong được sự chỉ dẫn của các quý thầy cô và các bạn. Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2013 Tác giả luận văn Khuất Duy Toàn iii Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH ẢNH v MỞ ĐẦU 1 Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ TRA CỨU ẢNH VÀ BÀI TOÁN TRA CỨU ĐỊA DANH DU LỊCH 5 1.1. Khái quát về tra cứu ảnh 5 1.1.1. Xử lý ảnh là gì 5 1.1.2. Một số khái niệm trong xử lý ảnh 7 1.1.3. Một số phương pháp biểu diễn ảnh 7 1.1.4. Phương pháp phát hiện biên ảnh 9 1.1.5. Phân vùng ảnh 10 1.1.6. Một số phương pháp tra cứu ảnh 14 1.2. Bài toán tra cứu địa danh du lịch 17 1.2.1. Địa danh du lịch 17 1.2.2. Đặc trưng của địa danh du lịch và ảnh địa danh du lịch 17 1.2.3. Ứng dụng của kỹ thuật tra cứu ảnh vào bài toán tra cứu địa danh du lịch 17 Chƣơng 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT TRA CỨU ĐỊA DANH DU LỊCH QUA ẢNH 19 2.1. Kỹ thuật tra cứu ảnh theo nội dung 19 2.2. Kỹ thuật tra cứu ảnh dựa vào màu sắc 21 2.2.1. Không gian màu 22 2.2.2. Các moment màu 23 2.2.3. Lược đồ màu (histogram màu) 24 2.2.4. Véc tơ gắn kết màu 26 2.2.5. Sơ đồ tương quan màu 26 iv Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 2.2.6. Các đặc điểm bất biến màu 27 2.3. Kỹ thuật tra cứu ảnh dựa vào hình dạng 28 2.3.1. Biên và các phương pháp phát hiện biên 29 2.3.2. Xử lý ảnh trong miền tần số và biến đổi Fourier [3, 4, 5] 32 2.3.3. Mô tả Fourier 36 2.3.4. Các bất biến moment 38 2.3.5. Các hàm xoay/góc xoay 39 2.3.6. Độ tròn, độ lệch tâm và hướng trục chính 40 Chƣơng 3:CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 41 3.1. Giới thiệu bài toán tra cứu địa danh du lịch qua ảnh 41 3.2. Phấn tích bài toán 42 3.3. Xây dựng chương trình 43 3.3.1. Sơ đồ khối tổng quát 43 3.3.2. Tra cứu theo màu sắc 44 3.3.3. Sử dụng chương trình ứng dụng 45 3.4. Khả năng mở rộng của chương trình 47 3.4.1. Những hạn chế của chương trình 47 3.4.2. Khả năng mở rộng 47 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 PHỤ LỤC 51 v Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Các bước cơ bản trong xử lý ảnh 6 Hình 1.2. Hướng các điểm biên và mã tương ứng 8 Hình 1.3. Lược đồ rắn lượn và cách chọn ngưỡng 11 Hình 1.4. Minh họa khái niệm liên thông 13 Hình 2.1. Ví dụ về một số lọai kết cấu 20 Hình 2.2. Mô hình hệ thống Tra cứu ảnh theo nội dung 21 Hình 2.3. Biểu diễn hình dạng theo đường biên và theo vùng 29 Hình 2.4. Minh họa xác định điểm biên 30 Hình 2.5. Miền thời gian và miền tần số 33 Hình 2.6. Ảnh thực (a) và ảnh thu được sau biến đổi Fourier (b) 35 Hình 3.1. Sơ đồ khối tổng quát của chương trình 43 Hình 3.2. Sơ đồ khối phần tra cứu ảnh theo màu sắc 44 Hình 3.3. Giao diện của chương trình 45 Hình 3.4. Một số kết quả chạy chương trình 47 1 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Ngày nay, những tiến bộ mới trong khoa học kỹ thuật công nghệ đã giúp ích rất nhiều cho cuộc sống của con người. Mọi thứ hầu như đều được tự động và hiệu suất công việc được nâng cao hơn với sự trợ giúp của máy móc, thiết bị công nghệ mới. Những năm gần đây, ảnh số ngày càng thu hút được sự quan tâm của nhiều người, một phần là do các thiết bị thu nhận ảnh số ngày càng phổ biến và có giá cả phù hợp, cho phép nhiều người có thể sở hữu và sử dụng. Mặt khác các công nghệ chế tạo thiết bị lưu trữ luôn được cải tiến để cho ra đời các thiết bị lưu trữ có dung lượng lớn và giá thành hạ làm cho việc lưu trữ ảnh dưới dạng các file trở nên phổ biến. Thêm nữa là sự phát triển của mạng Internet làm cho số lượng ảnh số được đưa lên lưu trữ và trao đổi qua Internet là rất lớn. Tuy nhiên khi số lượng ảnh được lưu trữ trở nên rất lớn thì vấn đề là phải có những phương pháp tổ chức cơ sở dữ liệu ảnh tốt cùng với những kỹ thuật tìm kiếm, tra cứu ảnh hiệu quả, có độ chính xác cao và có hiệu năng tốt. Việc tìm kiếm được một bức ảnh mong muốn trong hàng triệu bức ảnh thuộc đủ loại chủ đề khác nhau là rất khó khăn. Khi số lượng ảnh trong một bộ sưu tập còn ít, việc nhận diện một bức ảnh hay việc so sánh sự giống và khác nhau giữa nhiều bức ảnh có thể thực hiện được bằng mắt thường, tuy nhiên khi có số lượng rất lớn ảnh thì việc so sánh bằng mắt thường là rất khó khăn, đòi hỏi phải có những phương pháp hiệu quả và chính xác hơn. Trong thực tế, bài toán tra cứu ảnh số có rất nhiều ứng dụng quan trọng. Ví dụ như trong lĩnh vực ngân hàng việc so sánh chữ ký của khách hàng với mẫu chữ ký đã được lưu trữ sẵn có thể thực hiện rất nhanh và chính xác nếu có được một phần mềm so sánh mẫu chữ ký tốt. Thực tế hiện nay tại các ngân hàng ở Việt nam người ta vẫn phải sử dụng phương pháp so sánh bằng mắt thường vì việc so sánh chữ ký bằng phần mềm 2 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ vẫn chưa thực hiện được. Một ví dụ khác là bài toán quản lý biểu trưng (logo) trong lĩnh vực sở hữu trí tuệ. Khi một đơn vị muốn đăng ký logo riêng cho đơn vị của mình thì cơ quan quản lý phải tiến hành đánh giá xem mẫu logo đó đã được sử dụng hay chưa hoặc có tương tự với mẫu logo nào đó đang được sử dụng hay không. Trong trường hợp này nếu sử dụng mắt thường để duyệt thì sẽ tốn rất nhiều thời gian, nếu có các phần mềm cho phép tìm kiếm trong cơ sở dữ liệu ảnh có sẵn những biểu trưng tương tự với biểu trưng mẫu thì việc đánh giá sự tương tự sẽ dễ dàng hơn nhiều. Các ứng dụng phức tạp hơn như so sánh mẫu vân tay, tìm kiếm ảnh tội phạm v.v là những bài toán tra cứu ảnh được áp dụng trong ngành khoa học hình sự. Ngoài ra các lĩnh vực ở trên ra thì các đối tượng được nhận dạng, tra cứu có nhiều kiểu như tiếng nói, chữ viết, khuôn mặt, mã vạch … và trong lĩnh vực du lịch thì việc tra cứu các địa danh du lịch cũng là một vấn đề được quan tâm. Đây là kiểu đối tượng có tính chất đặc trưng về hình dạng và màu sắc, thường bắt gặp trong đời sống hằng ngày với công dụng là đưa ra những địa danh du lịch theo nhu cầu và sở thích của du khách. Tuy nhiên các địa danh du lịch thì không có quy luật mà chỉ là hệ thống các hình ảnh với ý nghĩa qui ước kèm theo. Việc ghi nhớ hình dạng và ý nghĩa của tất cả các loại ảnh đối với chúng ta sẽ là một khó khăn lớn, do đó chúng ta thường hay có nhu cầu tra cứu tìm hiểu trực quan. Bởi vậy việc xây dựng một chương trình nhằm phát hiện và nhận dạng các loại địa danh du lịch cho phép người dùng có thể tra cứu trực quan thông tin của địa danh đó. Nhằm đạt được điều đó đòi hỏi phải sử dụng tới các kỹ thuật nhận dạng và tra cứu ảnh. Chính vì vậy mà tôi chọn đề tài “Tra cứu địa danh du lịch dựa vào hình ảnh”. Vấn đề này chính là động lực để tôi tìm hiểu các phương pháp tra cứu ảnh số đang được ứng dụng nhiều trong thực tế và tìm kiếm phương pháp phù hợp nhất để giải quyết bài toán này. Trước năm 1990, người ta thường sử dụng phương pháp tra cứu ảnh theo văn bản (Text Based Image Retrieval). Theo cách này người ta sẽ gán cho mỗi bức ảnh một lời chú thích phù hợp với nội dung hoặc một đặc điểm nào đó của ảnh, sau đó 3 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ việc tra cứu ảnh được thực hiện dựa trên những lời chú thích này. Phương pháp này khá đơn giản, tuy nhiên lại không thể áp dụng để tra cứu các cơ sở dữ liệu ảnh có số lượng ảnh lớn và kết quả tra cứu thì mang tính chủ quan và cảm ngữ cảnh. Một trong những phương pháp được nhiều người quan tâm nghiên cứu hiện nay là phương pháp “Tra cứu ảnh dựa theo nội dung” (Content Based Image Retrieval). Ý tưởng phương pháp này là trích chọn các đặc điểm dựa vào nội dung trực quan của ảnh như màu sắc, kết cấu, hình dạng và bố cục không gian của ảnh để làm cơ sở cho việc tra cứu, sắp xếp, tổ chức cơ sở dữ liệu ảnh. Một số hệ thống tra cứu ảnh nổi tiếng như QBIC (IBM), Virage (Virage Inc.), Photobook (MIT), VisualSEEK (Columbia University) đã áp dụng khá thành công phương pháp tra cứu này. Trên cơ sở của phương pháp tra cứu ảnh theo nội dung người ta còn tìm cách bổ sung, cải tiến để cho ra đời một số phương pháp tra cứu ảnh khác như tra cứu ảnh theo bản thể, tra cứu ảnh theo đồ thị, tra cứu ảnh theo nhận thức v.v Nội dung của đề tài này giới thiệu cơ sở lý thuyết và các ứng dụng chính của một số phương pháp tra cứu ảnh, trong đó đi sâu vào giới thiệu phương pháp tra cứu ảnh theo nội dung. Trên những cơ sở đó tiến hành thử nghiệm một phương pháp cụ thể xây dựng một chương trình phần mềm tra cứu địa danh du lịch cho phép đọc vào một ảnh mẫu và tìm kiếm những ảnh tương tự với ảnh mẫu trong một tập hợp các ảnh cho trước theo hai đặc điểm là hình dạng và màu sắc của ảnh. Bố cục của luận văn gồm Phần mở đầu, Phần kết luận và 3 chương nội dung cùng với tài liệu tham khảo, cụ thể. Chƣơng 1: Khái quát về tra cứu ảnh và bài toán tra cứu địa danh du lịch Giới thiệu đầy đủ về các kiến thức nền tảng được sử dụng trong khóa luận bao gồm kiến thức về xử lý ảnh và giới thiệu về bài toán tra cứu địa danh du lịch. Chƣơng 2: Một số kỹ thuật tra cứu địa danh du lịch qua ảnh Trình bày hai kỹ thuật tra cứu địa danh du lịch là kỹ thuật tra cứu ảnh dựa vào màu sắc và kỹ thuật tra cứu ảnh dựa vào hình dạng. [...]... phương pháp tra cứu ảnh theo nội dung áp dụng vào bài toán tra cứu địa danh du lịch qua ảnh, các sơ đồ chức năng và thiết kế giao diện của chương trình, những hạn chế và khả năng mở rộng của chương trình Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 5 Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ TRA CỨU ẢNH VÀ BÀI TOÁN TRA CỨU ĐỊA DANH DU LỊCH 1.1 Khái quát về tra cứu ảnh Những năm gần đây, vấn đề tra cứu ảnh số nhận... - Địa danh về tâm linh như : Chùa Bái Đính, Chùa Hương, Đền Hùng - Các Địa danh nghi dưỡng như : các bãi biển, các khu du lịch sinh thái 1.2.3 Ứng dụng của kỹ thuật tra cứu ảnh vào bài toán tra cứu địa danh du lịch Ảnh địa danh du lịch là kiểu đối tượng có tính chất hình học và màu sắc đặc trưng, thường là ảnh của những địa danh, những khu vui chơi, những di tich lịch sư văn hóa Tuy nhiên các ảnh. .. tích lịch sử văn hóa tâm linh, viện bảo tàng, những danh lam thắng cảnh các bãi biển hay các khu nghỉ dưỡng … 1.2.2 Đặc trưng của địa danh du lịch và ảnh địa danh du lịch Mỗi một đia danh du lịch đều có những nét đặc trưng nên ta có thể chia các địa danh đó theo các đặc điểm chung của từng loại địa danh du lịch như - Địa danh về lịch sư như: Viện bảo tàng quân sư, bảo tàng dân tộc, và các khu di tích lịch. .. loại ảnh địa danh du lịch là Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 18 không hề đơn giản Để giải quyết vấn đề này chúng ta có thể sử dụng phương pháp đơn giản hơn là tìm cách so sánh ảnh mẫu địa danh du lịch cần xác định với ảnh các địa danh du lịch đã được lưu trữ để tìm ra những địa danh du lich "giống" với địa danh du lịch cần xác định nhất Chức năng chính cơ bản của ứng dụng là tra cứu. .. TRA CỨU ĐỊA DANH DU LỊCH QUA ẢNH 2.1 Kỹ thuật tra cứu ảnh theo nội dung Tra cứu ảnh theo nội dung (Content Based Images Retrieval CBIR) hay truy vấn theo nội dung ảnh (Query Based Image Content QBIC) là một ứng dụng của thị giác máy tính đối với bài toán tìm kiếm ảnh [30][35] Dựa vào nội dung ảnh (Content- Based) ” nghĩa là việc tìm kiếm sẽ phân tích nội dung thực sự của các bức ảnh Nội dung ảnh ở... trước các loại kết cấu (dựa vào quy luật hay các phân bố của nó) 1.1.6 Một số phương pháp tra cứu ảnh Phần sau đây giới thiệu sơ lược một số mốc phát triển quan trọng của phương pháp tra cứu ảnh theo nội dung và một số phương pháp tra cứu ảnh cải tiến đang được áp dụng trong các hệ thống tra cứu ảnh 1.1.6.1 Tra cứu ảnh theo nội dung [1, 6, 12] Một số hệ thống tra cứu ảnh theo nội dung tiêu biểu: QBIC... trong một số hệ thống tra cứu ảnh theo nội dung gần đây Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 28 2.3 Kỹ thuật tra cứu ảnh dựa vào hình dạng Các đặc điểm hình dạng của các vùng ảnh và các đối tượng ảnh được sử dụng trong rất nhiều hệ thống tra cứu ảnh So với các đặc điểm về màu sắc và các đặc điểm về kết cấu thì các đặc điểm về hình dạng thường chỉ được sử dụng sau khi ảnh đã phân thành các... thống tra cứu ảnh theo nội dung điển hình (hình vẽ 2.1) các nội dung trực quan của ảnh được trích chọn và mô tả bằng những véc tơ đặc trưng nhiều chiều Tập hợp các vec tơ đặc trưng của các ảnh trong một cơ sở dữ liệu ảnh tạo thành cơ sở dữ liệu đặc trưng Quá trình tra cứu ảnh được tiến hành như sau: người sử dụng cung cấp cho hệ thống tra cứu một ảnh mẫu cụ thể hoặc hình vẽ phác thảo của đối tượng ảnh. .. tả Cơ sở Dữ liệu ảnh Nội dung liệu Đặc Trực quan trưng tương tự Tra cứu và Đánh chỉ số Đầu ra Kết quả tra cứu Hình 2.2 Mô hình hệ thống Tra cứu ảnh theo nội dung Trong mô hình này, người sử dụng sẽ tạo truy vấn bằng cách chọn một ảnh mẫu trong một cơ sở dữ liệu ảnh cho trước hoặc phác thảo một hình vẽ mô tả đối tượng ảnh cần tìm bằng cách sử dụng một giao diện đồ hoạ của hệ thống Ảnh mẫu đó được đưa... giữa các ảnh được thiết lập bởi người sử dụng bằng cách phản hồi thích hợp Mục tiêu của phương pháp này là xây dựng một sơ đồ để tích luỹ thông tin do những tương tác với người sử dụng theo cách đơn giản hơn phản hồi thích hợp và sử dụng những thông tin này để việc tra cứu ảnh cho những kết quả có ý nghĩa trực giác hơn [8] 1.2 Bài toán tra cứu địa danh du lịch 1.2.1 Địa danh du lịch Địa danh du lịch là . địa danh du lịch. Chƣơng 2: Một số kỹ thuật tra cứu địa danh du lịch qua ảnh Trình bày hai kỹ thuật tra cứu địa danh du lịch là kỹ thuật tra cứu ảnh dựa vào màu sắc và kỹ thuật tra cứu ảnh dựa. địa danh du lịch 17 1.2.3. Ứng dụng của kỹ thuật tra cứu ảnh vào bài toán tra cứu địa danh du lịch 17 Chƣơng 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT TRA CỨU ĐỊA DANH DU LỊCH QUA ẢNH 19 2.1. Kỹ thuật tra cứu ảnh. ảnh 9 1.1.5. Phân vùng ảnh 10 1.1.6. Một số phương pháp tra cứu ảnh 14 1.2. Bài toán tra cứu địa danh du lịch 17 1.2.1. Địa danh du lịch 17 1.2.2. Đặc trưng của địa danh du lịch và ảnh địa