Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng ảnh trong miền không gian

LỜI CAM ĐOAN Luận văn tốt nghiệp là một sản phẩm quan trọng, là sự tổng hợp các ý kiến và kiến thức mà em đã được học và nghiên cứu trong suốt quá trình học tập của mình tại trườ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

DƯƠNG THÚY HƯỜNG

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO

CHẤT LƯỢNG ẢNH TRONG

MIỀN KHÔNG GIAN

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

HÀ NỘI - 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

DƯƠNG THÚY HƯỜNG

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO

CHẤT LƯỢNG ẢNH TRONG

MIỀN KHÔNG GIAN

Ngành: Công nghê ̣ thông tin

Chuyên ngành: Truyền dƣ̃ liê ̣u và ma ̣ng máy tính

Mã số: Chuyên ngành đào ta ̣o thí điểm

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH 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 một sản phẩm quan trọng, là sự tổng hợp các ý kiến và kiến thức mà em đã được học và nghiên cứu trong suốt quá trình học tập của mình tại trường Ý thức được điều đó, với tinh thần làm việc nghiêm túc, tự giác và sự lao động miệt mài của bản thân cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS-TS Ngô Quốc Tạo, nay em đã hoàn thành luận văn của mình

Em xin cam đoan luận văn này là sản phẩm do chính em nghiên cứu và xây dựng nên Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Em xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày 20 tháng 4 năm 2015

Học viên

Dương Thúy Hường

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội và thầy giáo PGS-TS Ngô Quốc Tạo đã tạo điều kiện cho em được học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận văn này

Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô, đồng nghiệp trong cơ quan nơi em đang công tác đã tạo điều kiện cho em được học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Hà Nội, ngày 20 tháng 4 năm 2015

Học viên

Dương Thúy Hường

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 4

MỤC LỤC 5

LỜI MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG ITỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH SỐ VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH TRONG MIỀN KHÔNG GIAN 7

1.1 Tổng quan về xử lý ảnh số 7

1.1.1 Giớ i thiê ̣u về xử lý ảnh số 7

1.1.2 Các ứng dụng của xử lý ảnh số 9

1.1.3Các bước cơ bản trong xử lý ảnh số 10

defined

CHƯƠNG IIHIỆU CHỈNH ÁNH SÁNG HÌNH ẢNHError! Bookmark not

defined

2.1.1 Change-level Brightness Error! Bookmark not defined 2.1.2 Change-level Contrast Error! Bookmark not defined

2.2.1 Histogram Error! Bookmark not defined 2.2.2 Cân bằng histogram Error! Bookmark not defined

defined

CHƯƠNG IIIKẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁError! Bookmark

not defined

3.2 Mục tiêu Error! Bookmark not defined

3.2.1 Công cụ Error! Bookmark not defined 3.2.2 Đánh giá và so sánh giữa các công cụ Error! Bookmark not defined

KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined

TÀI LIỆU THAM KHẢO 11

LỜI MỞ ĐẦU

Xử lý ảnh số là mô ̣t trong những lĩnh vực phát triển rất nhanh của ngành Công nghê ̣ thông tin Trong những năm trở la ̣i đây , phần cứng máy tính và các thiết bi ̣ liên quan xử lý ảnh số đã có sự tiến bô ̣ vượt bâ ̣c về tốc đô ̣ tính toán , khả năng lưu trữ và xử lý đã thúc đẩy nghiên cứu xử lý ảnh số ngày mô ̣t đẩy ma ̣nh trong cả lý thuyết và ứng du ̣ng Khái niệm ảnh số đã trở nên thông dụng với hầu hết mo ̣i người trong xã hô ̣i và viê ̣c thu nhâ ̣n ảnh số bằng các thiết bị cá nhân hay chuyên du ̣ng cùng với viê ̣c đưa vào máy tính xử lý đã trở nên đơn giản Nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ Chẳng ha ̣n như thị giác máy tính , rô-bốt, tìm kiếm tài liệu ảnh , hỗ trơ ̣ chẩn đoán hình ảnh y ho ̣c , thiết kế ảnh , giải trí … Xử lý ảnh số bằng máy tính đã giúp chúng ta thay đổi cách cảm nhận và sử dụng máy tính , nó đã trở thành những công cụ trực quan quan tro ̣ng không thể thiếu trong đời sống hằng ngày Vì vậy xử lý ảnh số đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong các chuyên ngành Công nghệ thông tin Với mong muốn đóng góp nghiên cứu vào lĩnh vực này , em đã cho ̣n đề tài “Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng ảnh trong miền không gian” làm luận văn tốt nghiệp của mình

Luâ ̣n văn được chia làm 3 chương:

Chương I – Tổng quan về xử lý ảnh số và nâng cao chất lượng ảnh trong miền không gian

Chương II – Hiệu chỉnh ánh sáng hình ảnh

Chương III – Kết quả thực nghiệm và đánh giá

Mă ̣c dù rất cố gắng nhưng luâ ̣n văn của em chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Em xin trân tro ̣ng tiếp thu tất cả ý kiến đóng góp của các thầy

cô

Hà Nội, ngày 20 tháng 4 năm 2015

Học viên

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH SỐ VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH

TRONG MIỀN KHÔNG GIAN 1.1 Tổng quan về xư ̉ lý ảnh số

1.1.1Giơ ́ i thiê ̣u về xử lý ảnh số

Xử lý ảnh số là một lĩnh vực mang tính khoa học và công nghệ Nó là một ngành khoa học mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác nhưng tốc độ phát triển của nó rất nhanh, kích thích các 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 một vai trò hết sức quan tro ̣ng trong viê ̣c trao đổi thông tin Tính trực quan của hình ảnh đã giúp cho con người hiểu rõ và sâu sắc hơn các thôn g tin cần thu thâ ̣p Người ta đã chứng minh đươ ̣c rằng, trong tất cả các kênh thu nhâ ̣n thông tin của con người thì lượng thông tin thu nhâ ̣n qua kênh thi ̣ giác chiếm khoảng 70% Hình ảnh là kết quả của

bước sóng nhỏ ) đến sóng radio (có bước sóng lớn ) Tuy nhiên , mắt người chỉ cảm nhận được một vùng giới hạn rất nhỏ trong phổ điện từ Ngươ ̣c la ̣i, máy tính

radio Nó có thể biểu diễn và xử lý những bức ảnh được sinh ra bởi những nguồn mà con người không thể nhận biết được , như ảnh siêu âm , ảnh hồng ngo ại, ảnh trong vùng tia X, … Do đó xử lý ảnh có mô ̣t pha ̣m vi ứng du ̣ng tương đối rô ̣ng

Xử lý ảnh số là một trong những cách tiếp cận phân tích , tổng hợp hình

những năm gần đây , xử lý ảnh và đồ ho ̣a đã phát triển mô ̣t cách ma ̣nh mẽ và đã

gă ̣t hái được nhiều thành công góp phần vào sự phát triể n chung của ngành công nghê ̣ thông tin

Các phương pháp xử lý ảnh số bắt nguồn từ hai ứng du ̣ng : nâng cao chất

Mô ̣t trong những ứng du ̣ng đầu tiên của xử lý ảnh là nâng cao chất lượng ảnh báo

truyền qua cáp giữa London và NewYork vào những năm 192x Thiết bi ̣ đă ̣c biê ̣t mã hóa hình ảnh (báo), truyền qua cáp và khôi phu ̣c la ̣i ở phía thu Vấn đề nâng cao chất lươ ̣ng hình ảnh lúc đầu có liên quan đến việc lựa chọn quá trình in và phân bố các mức sáng (tông và đô ̣ phân giải của ảnh)

sáng Khả năng này tăng lên 15 mức vào 1929 Viê ̣c nâng cao chất lượng ảnh bằng các phương pháp xử lý để truyền ảnh được nghiên cứu 35 năm sau đó Năm

đươ ̣c xử lý bằng máy tính để sửa méo (gây ra do camera truyền hình đă ̣t trên vê ̣ tinh ở các góc đô ̣ khác nhau ) Các kỹ thuật cơ bản cho phép nâng cao chất lượng hình ảnh như làm nổi đường biên và lưu hình ảnh

kỹ thuật xử lý ảnh số hiê ̣n nay được sử du ̣ng để giải quyết hàng loa ̣t các vấn đề , nhằm nâng cao chất lươ ̣ng thông tin hình ảnh

Trong y ho ̣c , các thuật toán máy tính nâng cao độ tương phản , hoă ̣c mã hóa các mức sáng thành các màu để nô ̣i suy ảnh X -Quang và các hình ảnh y sinh học dễ dàng.Các nhà địa vật lý sử dụng kỹ thuật tương tự để nghiên cứu các mẫu

vâ ̣t chất từ vê ̣ tinh.Các thuật toán nâng cao chất lượng ảnh và khô i phu ̣c hình ảnh

phương pháp xử lý ảnh nhằm khôi phu ̣c hình ảnh bi ̣ nhiễu hoă ̣c bi ̣ mất do bóng

tính nâng cao được chất lượng ảnh trong các lĩnh vực như Plamas (có năng lượng

tốt trong viễn thám , sinh ho ̣c, y tế h ạt nhân, quân sự, công nghiê ̣p … Nâng cao chất lươ ̣ng và khôi phu ̣c ảnh bi ̣ nhiễu là quá trình xử lý ảnh dùng cho mu ̣c đích

nô ̣i suy của mắt người Lĩnh vực ứng dụng quan trọng thứ hai là xử lý ảnh số gắn liền với viê ̣c cảm nhâ ̣n của máy Trong lĩnh vực thứ hai , các cố gắng đều tập trung vào các quá trình trích thông tin ảnh và chuyển thành da ̣ng thích hợp cho xử lý máy tính Những vẫn đề tiêu biểu của kỹ thuâ ̣t xử lý ảnh số được ứng du ̣ng nhiều trong thực tế , có thể kể như : tự động nhận dạng đặc trưng , máy nhìn công

nghiê ̣p để điều khiển và kiểm tra sản phẩm , nhâ ̣n da ̣ng mu ̣c tiêu quân sự, tự đô ̣ng xử lý vân tay , hiển thi ̣ lên màn hình ảnh X -Quang và các mẫu máu, xử lý bằng máy các hình ảnh chụp từ vệ tinh để dự báo thời tiết , nén ảnh để lưu và truyền đươ ̣c nhiều hơn tín hiê ̣u ảnh trong thông tin , máy tính, truyền hình thông thường và truyền hình có độ phân giải cao

1.1.2 Các ứng dụng của xử lý ảnh số

Xử lý ảnh số có nhiều ứng dụng trong thực tế Mô ̣t trong những ứng du ̣ng sớm nhất là xử lý ảnh từ nhiê ̣m vu ̣ Ranger 7 tại phòng thí nghiệm JetPulsion vào những năm đầu của thâ ̣p kỷ 60 Hê ̣ thống chụp hình gắn trên tàu vũ trụ có một số hạn chế về kích thước và trọng lượng , do đó ảnh nhâ ̣n được bi ̣ giảm chất lượng như bi ̣ mờ , méo hình học và nhiễu nền Các ảnh đó được xử lý thành công nhờ máy tính số Hình ảnh của mă ̣t trăng và sao hỏa mà chúng ta thấy trong tất cả các tạp chí đều được xử lý bằng những máy tính số Ngày nay, hầu hết các thông tin ảnh đều được chuyển sang dạng ảnh số Vì vậy, trong gần như tất cả các lĩnh vực của các ngành kỹ thuật đều có ít nhiều liên quan đến ảnh số và sử dụng kỹ thuật xử lý ảnh số Ứng dụng của xử lý ảnh có khả năng tác động mạnh mẽ nhất đến cuô ̣c sống của chúng ta là lĩnh vực y tế Soi chu ̣p ảnh bằng máy tính dựa trên cơ sở đi ̣nh lý cắt lớp (project slice) được dùng thường xuyên trong xét nghiê ̣m lâm sàng, ví dụ phát hiện và nhận dạng u não Những ứng du ̣ng y khoa khác của xử lý ảnh gồm cải thiện ảnh X -Quang và nhâ ̣n da ̣ng đường biên ma ̣ch máu từ những ảnh chụp bằng tia X

Có những ứng dụng khác gần gũi hơn với cuộc sống gia đình là cải tiến ảnh tivi Hình ảnh trên màn hình tivi có các khuyết tật do độ phân giải hạn chế , bị

ảnh số có tác động quyết định đến việc cải thiện chất lượng hình ảnh của nhữ ng

hê ̣ truyền hình hiê ̣n ta ̣i và làm phát triển những hệ truyền h ình mới có độ phân giải cao Mô ̣t vấn đề nữa của truyền thông video như hô ̣i nghi ̣ video , điê ̣n thoa ̣i video là cần có dải tần rô ̣ng Viê ̣c mã hóa thẳng chương trình video chất lượng yêu cầu đến 100 triê ̣u bit/giây Nếu hy sinh mô ̣t phần chất lượng và dùng các sơ

đồ mã hóa ảnh số thì có thể đưa ra thi ̣ trường những hê ̣ truyền hình chất lượng đủ

rõ với nhịp bit chỉ dưới 100 nghìn bit/giây

Người máy càng ngày càng đóng vai trò quan tro ̣ng trong công ng hiê ̣p và gia đình Chúng sẽ thực hiện những công việc rất nhàm chán hoặc nguy hiểm và những công viê ̣c mà tốc đô ̣ và chính xác vượt quá khả năng của con người Khi người máy trở nên tinh vi hơn , thị giác máy tính sẽ đóng v ai trò ngày càng quan trọng Người ta sẽ đòi hỏi người máy không những phát hiê ̣n và nhâ ̣n da ̣ng các

bô ̣ phâ ̣n công nghiê ̣p , mà còn “hiểu” được những gì chúng “thấy” và đưa ra những hành đô ̣ng phù hợp Xử lý ảnh số có tác đ ộng rất lớn đến thị giác máy tính

Ngoài những ứng dụng trên thì còn bao gồm các ứng dụng trong các lĩnh vực như điê ̣n tử gia đình , thiên văn ho ̣c, sinh vâ ̣t ho ̣c, vâ ̣t lý, nông nghiê ̣p, đi ̣a lý, nhân chủng ho ̣c và nhiều lĩnh v ực khác Khả năng nhìn và nghe thấy là hai phương tiê ̣n quan tro ̣ng nhất để con người nhâ ̣n thức thế giới bên ngoài , do vâ ̣y

không chỉ trong khoa ho ̣c kỹ thuật mà còn cả trong mọi hoạt động khác của con người

1.1.3 Các bước cơ bản trong xử lý ảnh số

Con người thu nhận thông tin qua các giác quan, trong đó thị giác đóng vai trò quan trọng nhất Những năm trở lại đây với sự phát triển của phần cứng máy tính, xử

lý ảnh và đồ họa phát triển một cách mạnh mẽ và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống.Xử lý ảnh và đồ họa đóng một vai trò quan trọng trong tương tác người máy

Quá trình xử lý ảnh được xem như là quá trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho ra kết quả mong muốn.Kết quả đầu ra của một quá trình xử lý ảnh có thể là một ảnh “tốt hơn” hoặc một kết luận

Hình 1.1 Quá trình xử lý ảnh (Nguồn: Tài liệu tham khảo [1])

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 một số kỹ thuật hiệu chỉnh góc nghiêng của ảnh”,2011

Tiếng Anh

Publishing House of Electronics Industry, Beijing

[5] Lu Yuan, Jian Sun, “Automatic Exposure Correction of Consumer Photographs”, ECCV 2012

http://www.cineserge.com/2006/07/demystifying-ansel-adams-zone-system.html