CHƯƠNG 4: XỬ LÝ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH pdf

CÁC KỸ THUẬT TĂNG CƯỜNG ẢNH Image EnhancementNhiệm vụ của tăng cường ảnh khụng phải là làm tăng lượng thụng tin vốn cú trong ảnh mà làm nổi bật cỏc đặc trưng đó chọn làm sao để cú thể p

CHƯƠNG 4:

XỬ LÝ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH

(image enhancement)

4.1 CÁC KỸ THUẬT TĂNG CƯỜNG ẢNH (Image Enhancement)

Nhiệm vụ của tăng cường ảnh khụng phải là làm tăng lượng thụng tin vốn cú trong ảnh mà làm nổi bật cỏc đặc trưng đó chọn làm sao

để cú thể phỏt hiện tốt hơn, tạo thành quỏ trỡnh tiền xử lý cho phõn tớch ảnh.

Toán tử điểm

Tăng độ t-ơng phản

 Nâng cao chất lƣợng ảnh là bước cần thiết trong xử lý ảnh nhằm hoàn thiện một số đặc tính của ảnh

Nâng cao chất lượng ảnh gồm hai công đoạn khác nhau: tăng cường ảnh và khôi phục 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 hết dựa trên các kỹ thuật trong miền điểm, không gian và tần số Toán tử điểm là phép biến đổi đối với từng điểm

ảnh đang xét, không liên quan đến các điểm lân cận khác, trong khi đó, toán tử không gian sử dụng các điểm lân cận

để quy chiếu tới điểm ảnh đang xét

XỬ LÝ ĐIỂM

ảnh (x, y) trong ảnh f để cho ảnh đầu ra g tương ứng

lên điểm đơn)  g chỉ phụ thuộc vào giá trị của f tại điểm (x, y), và T trở thành hàm biến đổi cấp xám có dạng:

m

m

m

XỬ LÝ MẶT NẠ/BỘ LỌC

phức tạp hơn nhiều

mặt nạ, hoặc bộ lọc, hoặc mẫu, hoặc cửa sổ

 Kỹ thuật này được gọi là kỹ thuật xử lý mặt nạ

hay kỹ thuật lọc

MỘT SỐ PHÉP BIẾN ĐỔI

CẤP XÁM CƠ BẢN

 Quy ước:

Các giá trị điểm ảnh trước khi xử lý ký hiệu là r

Các giá trị điểm ảnh sau khi xử lý ký hiệu là s

r và s quan hệ với nhau qua biểu thức s = T(r)

r

s

0 0

T(r) L-1

L-1

– Phép biến đổi âm bản và đồng nhất.

– Phép biến đổi logarit (log

và log ngược)

– Phép biến đổi lũy thừa (lũy thừa bậc n và căn bậc n)

PHỦ ĐỊNH ẢNH

-PHÉP BIẾN ĐỔI ÂM BẢN

[0, L-1] có được bằng cách sử dụng phép biến đổi âm bản:

s = L - 1 – r

Hình bên mô tả phép biến

0 L/4 L/2 3L/4 L-1 L/4

L/2 3L/4 L-1

PHỦ ĐỊNH ẢNH

-PHÉP BIẾN ĐỔI ÂM BẢN

PHỦ ĐỊNH ẢNH

-PHÉP BIẾN ĐỔI ÂM BẢN

PHÉP BIẾN ĐỔI LOG

s = c  log(1 + r)

c là hằng số

r  0

Hình bên mô tả phép biến đổi

Log và Log ngược.

Log

Log ngược

0 L/4 L/2 3L/4 L-1 L/4

L/2 3L/4 L-1

PHÉP BIẾN ĐỔI LOG

 Phép biến đổi Log ánh xạ một

khoảng hẹp các giá trị cấp xám

thấp trong ảnh đầu vào thành

một khoảng rộng hơn các giá trị

cấp xám của ảnh đầu ra

 Ngược lại nó ánh xạ một

khoảng rộng các giá trị cấp xám

cao trong ảnh đầu vào thành một

khoảng hẹp hơn các giá trị cấp

xám của ảnh đầu ra.

Log

0 L/4 L/2 3L/4 L-1 L/4

L/2 3L/4 L-1

PHÉP BIẾN ĐỔI LOG NGƢỢC

 Đối ngẫu với phép biến đổi Log

 Phép biến đổi Log ngược ánh

cao trong ảnh đầu vào thành một

khoảng hẹp hơn các giá trị cấp

xám của ảnh đầu ra.

Log ngược

0 L/4 L/2 3L/4 L-1 L/4

L/2 3L/4 L-1

PHÉP BIẾN ĐỔI LOG

Hình dưới là phổ Fourier và phép biến đổi log của với c = 1

s = log (1 + r)

PHÉP BIẾN ĐỔI LOG

PHÉP BIẾN ĐỔI LOG

PHÉP BIẾN ĐỔI LŨY THỪA

s = cr

– c ,  là những hằng số dương.

• Hình bên chỉ ra các cung tương

ứng của phép biến đổi lũy thừa với

 từ nhỏ đến lớn và c = 1.

• Khi c =  = 1  Phép đồng nhất.

Cấp xám đầu vào, r

(a) Ảnh cộng hưởng từ chụp xương sống người

(b-d) Kết quả sau khi áp dụng phép biến đổi theo

(a) Ảnh chụp từ trên cao một vùng đất

(b-d) Kết quả sau khi áp dụng phép biến đổi theo

PHÉP BIẾN ĐỔI LŨY THỪA

PHÉP BIẾN ĐỔI LŨY THỪA

4.2 Các kỹ thuật tăng cường ảnh sử dụng toán tử điểm

4.2.1 Kiến thức cơ bản

Các ảnh với độ tương phản thấp có thể là do ánh sáng hoặc do bộ cảm biến Giãn độ tương phản là làm tăng dải động của các mức xám trong ảnh được xử lý

Nếu ảnh của ta có độ tương phản kém, ta có thể thay đổi tuỳ theo ý muốn.

Hình 4.1 Các hình vuông con cùng 1 mức xám xuất hiện trên

các nền khác nhau

4.2 Các kỹ thuật tăng cường ảnh sử dụng toán tử điểm

4.2.2 Tăng độ tương phản

4.2 Các kỹ thuật tăng cường ảnh sử dụng toán tử

điểm 4.2.2 Tăng độ tương phản

* Các cặp giá trị (r1,s1) và (r2,s2) sẽ ảnh hưởng đến độ tươngphản của ảnh

• Nếu r1=s1 và r2=s2 thì phép biến đổi là hàm tuyến tính khônglàm thay đổi mức xám

• Nếu r1=r2, s1=0 và s2=L-1 thì phép biến đổi thành hàm phânngưỡng tạo nên ảnh nhị phân

• Thông thường r1<r2 và s1<s2 để chọn hàm biến đổi có giá trịđơn

4.2 Các kỹ thuật tăng cường ảnh sử dụng toán

tử điểm 4.2.2 Tăng độ tương phản

4.2 Các kỹ thuật tăng cường ảnh sử dụng toán tử

điểm 4.2.2 Tăng độ tương phản

 Nguyên lý: Điều chỉnh lại biên độ trên toàn dải hay

hàm tuyến tính) hay phi tuyến biên độ đầu vào

+ Cách biến đổi tuyến tính:

xác định độ tương phảntương đối, L là số mứcxám tối đa của ảnh

4.2 Các kỹ thuật tăng cường ảnh sử dụng toán tử

điểm 4.2.2 Tăng độ tương phản

va

v

 Tách nhiễu: Là trường hợp đặc biệt của giãn độ

Ứng dụng để quan sát ảnh, cắt ảnh hoặc giảm nhiễu

4.2 Các kỹ thuật tăng cường ảnh sử dụng toán tử

điểm 4.2.3 Tách nhiễu và phân ngưỡng

4.2 Các kỹ thuật tăng cường ảnh sử dụng toán tử

điểm 4.2.3 Tách nhiễu và phân ngưỡng

v Lược đồ xám

 Phân ngưỡng (Thresholding)

 Là trường hợp đặc biệt của tách nhiễu khi

a = b = const

 Ứng dụng tạo các ảnh nhị phân, in ảnh 2 màu.

4.2.3 Tách nhiễu và phân ngưỡng

 Phân ngưỡng (Thresholding)

4.2.3 Tách nhiễu và phân ngưỡng

4.1.4 Biến đổi âm bản (Digital Negative)

 Âm bản của một ảnh với mức xám nằm trong khoảng [0….L-1] được xác định bởi phép biến đổi âm bản

 Biến đổi âm bản nhận được khi dùng phép biến đổi

v = L − s -1 Hoặc g(x,y)=L-1-f(x,y)

 Ứng dụng khi hiện các ảnh y học.

4.2 Các kỹ thuật tăng cường ảnh sử dụng toán tử điểm

4.2 Các kỹ thuật tăng cường ảnh sử dụng toán tử điểm

4.2.4 Biến đổi âm bản (Digital Negative)

4.2.4 Biến đổi âm bản (Digital Negative)

4.2.4 Biến đổi âm bản (Digital Negative)

4.2.5 Cắt theo mức (Intensity Level Slicing)

tăng cường một số đặc điểm nào đó)

trong vùng quan tâm, và ngược lại (không nền)

giữ nguyên các giá trị xám khác (có nền)

4.2.5 Cắt theo mức (Intensity Level Slicing)

4.2.5 Cắt theo mức (Intensity Level Slicing)

4.2.5 Cắt theo mức (Intensity Level Slicing)

4.2.6 Trích chọn bít (Bit Plane Slicing)

Mục đích là để làm nổi bật các thành phần trêntoàn ảnh bởi việc sử dụng các bit đặc biệt

 Trong các bit mã hóa, người ta chia làm 2 loại: Bitbậc thấp vá bit bậc cao Với bit bậc cao, độ bảotoàn thông tin cao hơn nhiều so với bit bậc thấp, cácbit bậc thấp thường biểu diễn nhiễu hay nền.

biến đổi:

4.4.7 Trừ ảnh

nền, truyền ảnh, nhận dạng, phân đoạn, làm nổiđường biên, tách nhiễu khỏi nền

tiết, trong y học, an ninh…

4.2.7 Trừ ảnh

4.2.7 Trừ ảnh

2.1.1.6 Trừ ảnh

4.2.7 Trừ ảnh

 Cho hai ảnh I1, I2 (cùng kích thước, tính chất) Talấy hiệu hai ảnh bằng cách trừ từng toạ độ của I2cho I1.

Chỉ ra sự khác biệt giữa ảnh I1 và ảnh I2

4.2.7 Trừ ảnh

4.3 TĂNG CƯỜNG ẢNH SỬ DỤNG TOÁN TỬ SỐ HỌC VÀ LOGIC

điểm giữa hai hay nhiều ảnh

được xử lý như là các số nhị phân

diễn bởi số 0

VÍ DỤ VỀ TOÁN TỬ AND

dụng toán tử AND

VÍ DỤ VỀ TOÁN TỬ OR

dụng toán tử OR

ĐẠO HÀM

Vùng cấp xám không thay đổi (các phân đoạn phẳng).

Tại những vị trí bắt đầu và kết thúc không liên tục (tại bước lên, bước xuống không liên tục).

ĐẠO HÀM

hàm Nghĩa là đạo hàm bậc nhất đối với hàm một biến f(x) là sai phân:

) ( )

1

f x





xem xét đối với hàm hai biến f(x, y)

1 (

) 1

(

2

2

x f

x f

x

f x

1

f x

NHẬN XÉT VỀ ĐẠO HÀM BẬC NHẤT

VÀ ĐẠO HÀM BẬC HAI

hai chúng ta có một số kết luận sau đây:

Đạo hàm bậc nhất cho kết quả biên dày hơn trong ảnh.

Đạo hàm bậc hai đáp ứng mạnh hơn đối với chi tiết mịn, chẳng hạn như đoạn thẳng mỏng, điểm riêng lẻ.

Đạo hàm bậc hai cho kết quả đáp ứng kép tại bước nhảy thay đổi cấp xám ( Chúng ta cũng chú ý rằng, đạo hàm bậc hai đáp ứng mạnh đối với đoạn thẳng hơn bước nhảy, điểm ảnh hơn đoạn thẳng ).

NHẬN XÉT VỀ ĐẠO HÀM BẬC NHẤT

VÀ ĐẠO HÀM BẬC HAI

bậc nhất đối với việc tăng cường ảnh bởi vì khả năng của đạo hàm bậc hai tăng cường chi tiết mịn tốt hơn

SỬ DỤNG ĐẠO HÀM BẬC HAI

TOÁN TỬ LAPLACIAN

ảnh f(x, y) được định nghĩa như sau:

2

2

2

2 2

y

f x

f f

, 1 (

) , 1

(

2

2

y x f y

x f y

x

f x

1 ,

( )

1 ,

(

2

2

y x f y

x f y

x

f y

f x

f f

1 ,

( )

1 ,

(

) , 1 (

) , 1 (

[

2

y x f y

x f y

x f

y x

f y

x f

, 1 (

) , 1

(

2

2

y x f y

x f y

x

f x

1 ,

( )

1 ,

(

2

2

y x f y

x f y

x

f y

1 ,

( )

1 ,

(

) , 1 (

) , 1 (

[

2

y x f y

x f y

x

f

y x

f y

x f

( )

1 ,

( )

, 1 (

) , 1 (

[ )

, ( 4

x f y

x

f

y x

f y

x f f

SỬ DỤNG ĐẠO HÀM BẬC HAI

TOÁN TỬ LAPLACIAN

đường chéo, khi đó mặt nạ lọc L thu được là:

1 ,

( )

1 ,

(

) 1 ,

1 (

) , 1 (

) 1 ,

1 (

) 1 ,

1 (

) , 1 (

) 1 ,

1 (

[

2

y x f y

x f y

x

f

y x

f y

x

f

y x

f y

x

f

y x

f y

x f f

SỬ DỤNG ĐẠO HÀM BẬC HAI

TOÁN TỬ LAPLACIAN

đường chéo, khi đó mặt nạ lọc L thu được là:

( )

1 ,

( )

1 ,

1 (

) , 1 (

) 1 ,

1 (

) 1 ,

1 (

) , 1 (

) 1 ,

1 (

[ )

, ( 8

x f y

x

f

y x

f y

x

f

y x

f y

x

f

y x

f y

x f f

TĂNG CƯỜNG ẢNH VỚI

TOÁN TỬ LAPLACIAN

ta trừ ảnh gốc cho đại lượng ảnh thu được thông qua việc

áp dụng toán tử Laplacian (f*L), ngược lại ta cộng với đại lượng đó

, (

) , ( )

,

( )

x f

y x f y

x

f y

x

Nếu hệ số tâm mặt nạ dương

x f y

x f

L y

x f y

x

f y

x

g

) , ( )

, (

) , ( )

,

( )

,

Nếu hệ số tâm mặt nạ dương

1 ,

( )

1 ,

(

) , 1 (

) , 1 (

[ )

, ( )

, (

y x f y

x f y

x f

y x

f y

x f y

x f y

( )

1 ,

( )

, 1 (

) , 1 (

) , ( 4 [ )

, ( )

x f y

x f

y x

f y

x f y

x f y

x

g

Nếu hệ số tâm mặt nạ âm

Nếu hệ số tâm mặt nạ dương

f

a) Ảnh chụp bề mặt của mặt trăng

b) Ảnh với bộ lọc

Laplacian

c) Ảnh đã được thay đổi tỉ lệ

d) Ảnh sau khi công ảnh gốc với ảnh tạo ra

do toán tử Laplacian

a b

c d

( )

1 ,

(

) , 1 (

) , 1 (

[ )

, ( 5

)]

, ( 4 )

1 ,

( )

1 ,

(

) , 1 (

) , 1 (

[ )

, ( )

x f

y x

f y

x f y

x f

y x f y

x f y

x f

y x

f y

x f y

x f y

79

CHÚ Ý

0 -1 0-1 5 -1

( )

, (

) ,

( )

,

( )

y x f

y x f

y x

f y

x g

0 -1 0-1 4 -1

0 -1 0

-1 -1 -1-1 9 -1-1 -1 -1

nghĩa là một vectơ cột hai chiều:

f G

G f

y x

f G

G f

y x

2

1 2 2

2

1 2 2

f

G G

SỬ DỤNG ĐẠO HÀM BẬC NHẤT

TOÁN TỬ GRADIENT

) , ( )

1 ,

( )

, ( )

, 1 ( x y f x y f x y f x y f

y

f x

f G

, 1

1 ,

f

SỬ DỤNG ĐẠO HÀM BẬC NHẤT

TOÁN TỬ GRADIENT

mặt nạ tương ứng với điểm ảnh f(x, y),

ảnh f(x-1, y-1),

nhất thỏa mãn điều kiện:

z 1 z 2 z 3

z 4 z 5 z 6

z 7 z 8 z 9

) , ( )

, 1

f

) , ( )

1 ,

f

Gx = (z6 – z5) và Gy = (z8 – z5).

và )

( z8 z5 G z6 z5

2

1 2 5 6

2 5 8

2

1 2 2

] ) (

) [(

và )

2

1 2 6 8

2 5 9

2

1 2 2

] ) (

) [(