Bài giảng Xử lý ảnh - Chương 11: Thiết kế bộ lọc

[r]

Chương 11 THIẾT KẾ BỘ LỌC

11.1 GIỚI THIỆU

Trong chương chương 9 và 10, chỳng ta đó đặt nền múng cho việc phõn tớch và thiết

kế cỏc phộp toỏn lọc tuyến tớnh Trong chương này, chỳng ta sẽ đề cập đến kỹ thuật đối với việc thiết kế cỏc bộ lọc để thực hiện cỏc mục đớch đặc thự Để trỡnh bày sự hiểu biết

rừ bờn trong quỏ trỡnh, đầu tiờn chỳng ta nghiờn cứu hoạt động của một vài bộ lọc đơn giản, nhưng hữu ớch trong miền thời gian và miền tần số Phần sau của chương này, chỳng ta sẽ tiếp cận vấn đề thiết kế cỏc bộ lọc tối ưu dựng để cho việc thực hiện một cụng việc đặc biệt

Theo như chương 9 và chương 10, chỳng ta đó thực hiện việc phõn tớch tớn hiệu (thời gian) một chiều, cho cỏc vấn đề toỏn học và đồ hoạ đơn giản Tổng quỏt đối với trường hợp hai chiều là điều dễ hiểu Như đó thảo luận về cỏc bộ lọc đơn giản, chỳng ta đó gắn

bú với những phộp nhõn chập của hệ thống tuyến tớnh đó giới thiệu trong chương trước (Xem lại hỡnh 10-3) Tuy nhiờn, tập cỏc tờn biến khỏc nhau được dựng trong việc thảo luận cỏc bộ lọc tối ưu

Trong phần dưới đõy, chỳng ta sẽ xem xột một vài bộ lọc mà ta quan niệm là đơn giản để minh hoạ cỏc đặc tớnh trong miền thời gian và miền tần số của cỏc bộ lọc và cỏc kết quả xử lý tớn hiệu của chỳng

11.2 CÁC BỘ LỌC THễNG THẤP (LOWPASS)

Một tớn hiệu hay một ảnh thường hay tập trung năng lượng ở vựng tần số thấp và trung bỡnh của phổ biờn độ của nú Tại tần số cao, thụng tin cần thiết thường bị nhiễu phỏ huỷ Vỡ thế, bộ lọc làm giảm biờn độ cỏc thành phần tần số cao cú thể làm giảm những ảnh hưởng cú thể nhỡn thấy của nhiễu

11.2.1 Cỏc bộ lọc thụng thấp đơn giản

Bộ lọc hộp Cỏch đơn giản để làm giảm nhiễu tần số cao bằng cỏch lấy trung bỡnh tại

chỗ Cỏch này được thực hiện bằng cỏch nhõn chập tớn hiệu với xung vuụng, (x), như minh hoạ trong hỡnh 9-16 Nú được gọi là bộ lọc trung bỡnh-di chuyển

(moving-average) Mức xỏm tại mỗi điểm ảnh được thay thế bằng trung bỡnh cỏc mức xỏm bờn trong hỡnh vuụng hay hỡnh chữ nhật cỏc điểm lõn cận

Nhắc lại chương 10, biến đổi Fourier của xung vuụng cú dạng sin(x)/x (Hỡnh 10-2)

Hỡnh 11-1 minh hoạ kết quả của cỏc vấu sườn õm của hàm truyền đạt bộ lọc hộp Bảng kiểm tra chứa thanh dọc tần số biến thiờn Đỏp ứng xung là xung vuụng cú chiều rộng khỏc nhau đặt theo hướng ngang

Theo định lý về sự đồng dạng (chương 10), độ rộng của hàm truyền đạt tỷ lệ nghịch với bề rộng của đỏp ứng xung Miễn là bộ lọc hộp khụng rộng quỏ hai điểm ảnh, điểm zero giao nhau đầu tiờn của hàm truyền đạt nằm tại hay trờn tần số cao nhất trong dữ liệu được lấy mẫu (xem thờm ở chương 12) Tuy nhiờn, nếu bộ lọc hộp rộng hơn hai điểm ảnh thỡ sẽ gõy nguy hiểm phõn cực đảo cho những cấu trỳc nhỏ trong ảnh, như đó thấy trong hỡnh 11-1

HÌNH 11-1

Hình 11-1 Ảnh đảo ngược do bộ lọc hộp: bảng kiểm tra được

nhân chập với xung vuông

Bộ lọc tam giác Chúng ta có thể sử dụng bộ lọc tam giác, (x), như một đáp ứng xung của bộ lọc thông thấp Đôi khi nó còn được gọi là bộ lọc trung bình có trọng số

(weighted-average) Trong không gian hai chiều, nó xuất hiện ở dạng hình chóp

Phổ của xung tam giác có dạng [sin(x)/x] 2, không âm và tắt dần với tần số nhanh hơn nhiều so với bộ lọc hộp Vì thế, các vấu sườn nhỏ hơn (âm) ít tập trung ở ảnh đầu ra Bộ lọc này có thể được dùng an toàn trong các kích thước lớn mà không lo ngại sự phân cực đảo

Người ta cũng có thể tạo ra kết quả tương tự như bộ lọc tam giác bằng hai ứng dụng liên tiếp của bộ lọc vuông Bởi vì tính đơn giản của bộ lọc hộp nên đây có thể có hiệu quả về mặt tính toán hơn việc sử dụng (x) Thực tế, việc dùng từ ba ứng dụng của trở

lên (x) mô phỏng (emulate) các bộ lọc, giống hàm Gauss, có tác dụng làm nhẵn trong

miền tần số

Ngưỡng tần số cao (High-Frequency Cutoff) Một phương pháp lọc thông thấp có

phần “bắt ép thô bạo” (brute force) thỉnh thoảng được dùng để (a) tính biến đổi Fourier của tín hiệu hay ảnh, (b) đặt phần phổ biên độ có tần số cao về 0, và (c) tính biến đổi Fourier ngược của kết quả Điều này tương đương với việc nhân phổ với một xung

vuông và cũng tương đương với việc nhân chập tín hiệu hay ảnh với hàm sin(x)/x

Việc nhân chập với hàm sin(x)/x khiến cho ringing (phần 9.5.2) xuất hiện trong vùng

lân cận của các đỉnh nhọn và các cạnh Vì lý do này mà ngưỡng nhọn trong miền tần số

có ích bị giới hạn

11.2.2 Bộ lọc thông thấp Gauss

Bởi vì biến đổi Fourier của hàm Gauss cũng là một hàm Gauss nên hàm này tạo thành một bộ lọc thông thấp với tác dụng làm nhẵn trong cả hai miền Dĩ nhiên nó có thể được thực hiện bằng phép nhân chập trong miền thời gian hay không gian hoặc bằng phép nhân trong miền tần số

11.3 CÁC BỘ LỌC THÔNG DẢI VÀ CHẮN DẢI

Trong vài trường hợp, các thành phần của một tín hiệu hay một ảnh mong muốn và không mong muốn xảy ra chủ yếu là trong các vùng phổ có tần số khác nhau Khi các thành phần có thể phân biệt theo cách này thì hàm truyền đạt, mà hàm này cho qua hay





l¹i cßn

0

1 )

Và được trình bày trong hình 11-2 Bởi vì G(s) là một cặp xung vuông chẵn nên nó

có thể được xem là một xung vuông nhân chập với một cặp xung chẵn Nếu chúng ta đặt

HÌNH 11-2

Hình 11-2 Hàm truyền đạt thông dải lý tưởng

) (

) (

2

1

1 2 2

1

s   vµ    (2) chúng ta có thể viết hàm truyền đạt của bộ lọc thông dải như sau

) ( ) ( s s0 s s0

s

s s





Với dạng biểu diễn này của hàm truyền đạt, chúng ta có thể dễ dàng có được đáp ứng xung:

) 2 cos(

) sin(

2 ) 2 cos(

2 ) sin(

)

st

st s

t s st

st s

t

























Bởi vì s < s 0 , nên biểu thức (4) diễn tả hàm cosin của tần số f 0 bao bọc bởi hàm

sin(x)/x có tần số s/2 Đáp ứng xung này được vẽ trong hình 11-3 Số chu kỳ hàm cosin giữa các giao điểm zero bao quanh phụ thuộc vào mối quan hệ giữa s 0 và s Chú ý rằng nếu f 0 là hằng số và s nhỏ dần (dải thông hẹp chẳng hạn), thì đường bao sẽ mở rộng

thêm nhiều chu kỳ cosin giữa các giao điểm zero hơn Khi s tiến đến 0 thì đáp ứng

xung tiến đến một hàm cosin Trong trường hợp hạn chế, phép nhân chập thực tế sẽ trở

thành sự tương quan chéo (cross-correlation) giữa đầu vào với hàm cosin tại tần số s 0

HÌNH 11-3

Hình 11-3 Đáp ứng xung thông dải lý tưởng 11.3.2 Bộ lọc chắn dải lý tưởng

Hàm truyền đạt của bộ lọc cho nămg lượng tại mọi tần số đi qua, ngoại trừ tần số nằm

trong dải tần từ f 1 đến f 2 được cho bởi







l¹i cßn

0

1 )

Và thể hiện trong hình 11-4 Để thuận lợi, chúng ta lại đặt s 0 là tần số trung tâm và s

là độ rộng dải chắn (stopband) [biểu thức (2)] Bây giờ chúng ta có thể viết hàm truyền

đạt giống như ta trừ bộ lọc thông dải, chẳng hạn,

) ( 1 ) ( s s0 s s0

s

s s







Từ đó, ta có đáp ứng xung là

) 2 cos(

) sin(

2 ) ( ) ( s0t

st

st s

t t















HÌNH 11-4

Hình 11-4 Hàm truyền đạt chắn dải lý tưởng

Đáp ứng xung này được thể hiện trong hình 11-5 Hoạt động của nó đối với sự thay đổi độ rộng dải (bandwidth) và tần số trung tâm tương tự như hoạt động của bộ lọc thông dải mà nó tương đồng Nếu s nhỏ, bộ lọc này gọi là bộ lọc mức (notch filter)

Hình 11-5 Đáp ứng xung chắn dải lý tưởng 11.3.3 Bộ lọc thông dải tổng quát

Bây giờ chúng ta sẽ xem xét một lớp các bộ lọc thông dải cấu trúc theo cách dưới

đây: Chúng ta chọn một hàm đơn thức (unimodal) K(s) không âm và nhân chập nó với một cặp xung chẵn tại tần số s 0 Hành động cho ta một hàm truyền đạt, như trong hình 11-6 Hàm truyền đạt đó có dạng

) ( )

Và đáp ứng xung

) 2 cos(

) ( 2 ) (t k t s0t

HÌNH 11-6

Hình 11-6 Bộ lọc thông dải tổng quát

Đáp ứng xung này là hàm cosin tần số s 0 trong đường bao nghịch đảo biến đổi

Fourier của K(s)

Ví dụ, giả sử rằng K(s) là hàm Gauss

) (s Ae 2/2 2 s s0 s s0

Khi đó đáp ứng xung trở thành

) 2 cos(

2

2 ) ( 2

1

0 2

/ 2

2 2

t s e

A t







Đáp ứng xung này, hàm cosin trong đường bao Gauss, được thể hiện trong hình 11-7 Chú ý rằng chúng ta cũng có thể dễ dàng tạo ra một lớp các bộ lọc chắn dải bằng kỹ thuật này

HÌNH 11-7

Hình 11-7 Bộ lọc thông dải tổng quát 11.4 CÁC BỘ LỌC TĂNG CƯỜNG TẦN SỐ CAO

Thuật ngữ bộ lọc tăng cường tần số cao (high-frequency enhancement filter), hay bộ lọc thông cao (highpass filter) được dùng đến để mô tả một cách tổng quát một hàm

truyền đạt, bằng một đơn vị tại tần số 0 và tăng lên với sự gia tăng tần số Một hàm truyền đạt như trên có thể có mức vượt ra ngoài giá trị nào đó lớn hơn giá trị đơn vị hoặc, phổ biến hơn, rơi trở về 0 tại các tần số cao hơn Trong trường hợp sau, bộlọc tăng cường tần số cao thực chất là một kiểu của bộ lọc thông dải với giới hạn số gia đơn vị tại tần số không

Thực tế, đôi khi người ta mong muốn có được số gia đơn vị bé hơn ở tần số không, để giảm sự tương phản của các thành phần không ổn định tương đối lớn trong ảnh Nếu

hàm truyền đạt đi qua gốc toạ độ, nó được gọi là bộ lọc Laplace

11.4.1 Bộ lọc hiệu các hàm Gauss (Difference of Gaussians)

Chúng ta có thể tạo ra hàm truyền đạt tăng cường tần số cao bằng cách biểu diễn nó như hiệu của hai hàm Gauss có độ rộng khác nhau:

2 1 2

/ 2

/

, )

(s  Ae2 2 Be2 2 AB  

G s s (12) Điều này được trình bày rtong hình 11-8 Đáp ứng xung của bộ lọc trên là

i

t t

e

B e

A t

g













2

1 2

2 ) ( 2 2 2/2 2

2 2

2 / 2 1





   i (13)

và được thể hiện trong hình 11-9 Chú ý rằng hàm Gauss chính trong miền tần số tạo

ra một hàm Gauss hẹp hơn trong miền thời gian và ngược lại Đáp ứng xung cho trong hình 11-9 là đặc trưng của các bộ lọc thông cao và thông dải, có một xung dương ở vị trí lõm âm

HÌNH 11-8

11.4.2 Các quy tắc ngắn gọn đối với thiết kế bộ lọc thông cao

Trong phần này, chúng ta sẽ trình bày hai quy tắc được áp dụng gần đúng cho việc đánh giá hoạt động của các bộ lọc tăng cường tần số cao Giả sử đáp ứng xung của bộ lọc biểu diễn như một xung hẹp trừ đi một xung rộng, ví dụ,

) ( ) ( ) (t g1 t g2 t

Như minh hoạ trong hình 11-11 Chúng ta biết rằng hàm truyền đạt G(s) sẽ hình thành trạng thái của bộ lọc tăng cường tần số cao Chúng ta sẽ đánh giá hàm truyền đạt tại tần số 0 để xác định ảnh hưởng của nó đối với sự tương phản của các đối tượng lớn bên trong ảnh Chúng ta cũng sẽ đánh giá giá trị hàm truyền đạt cực đại đạt được tại tần

số bất kỳ

HÌNH 11-9

Hình 11-9 Đáp ứng xung tăng cường tần số cao Gauss

Giá trị cực đại Nếu ta viết biến đổi Fourier của biểu thức (14) và thay giá trị s = 0

vào, ta được

2 1 2

) ( )

0 ( g t dt g t dt g t dt A A











Trong đó A 1 và A 2 biểu diễn diện tích bên dưới hai hàm thành phần

Chúng ta có thể thay thế biên trên của độ lớn hàm truyền đạt nếu chúng ta giả thiết

rằng G 2 (s) tiến đến 0 trước khi G 1 (s) từ giá trị cực đại giảm xuống; tức là,

1 1

1 max G (0) g (t)dt A

Bây giờ chúng ta có hai quy tắc đơn giản đối với các bộ lọc tăng cường tần số cao bao gồm hiệu hai xung:

1 max 2

1

) 0

HÌNH 11-10

Hình 11-10 Bộ lọc thông cao Gauss

HÌNH 11-11

Hình 11-11 Bộ lọc thông cao tổng quát

Nếu g 1 (t) là một xung (Xem hình 11-10), thì tiến hành như nhau đối với cả hai quy

tắc trong biểu thức (17)

Đáp ứng tần số thấp Bây giờ chúng ta xem xét ảnh hưởng của bộ lọc tác động lên

trên các đối tượng lớn và các vùng mức xám không đổi bên trong ảnh

Giả sử đáp ứng xung g(t) bị giới hạn về thời gian-tức là, giá trị không nằm bên ngoài khoảng hữu hạn Cũng giả thiết rằng tín hiệu vào f(t) không đổi trong khoảng rộng hơn khoảng thời gian của g(t) Tình huống này được trình bày trong hình 11-12 Đầu ra của

hệ thống là tích phân của phép nhân chập

 f  g x  d 

x

Tuy nhiên, trên toàn bộ khoảng đang xét, tín hiệu vào là hằng số, và biểu thức (18) trở thành







 cg x  d  c g  d 

x

Chú ý rằng nếu ta thay s = 0 vào định nghĩa của phép biến đổi Fourier, ta sẽ có



 g t dt

Nghĩa là

) 0 ( ) (x cG

Vì thế, nếu G(0) = 1, bộ lọc sẽ không thay đổi biên độ các diện tích rộng và là hằng

số của f(x) Tổng quát hoá cho trường hợp hai chiều, điều này có nghĩa là bộ lọc không

thay đổi sự tương phản trên các vùng bằng phẳng, rộng lớn trong phạm vi ảnh đầu vào

HÌNH 11-12

Hình 11-12 Đáp ứng tần số thấp 11.5 THIẾT KẾ BỘ LỌC TUYẾN TÍNH TỐI ƯU

Trong phần này, chúng ta sẽ trình bày những kỹ thuật để thiết kế các bộ lọc mà, trong một ý nghĩa nào đó, là tối ưu đối với việc thực hiện một công việc đặc biệt Đầu tiên, chúng ta tiến hành bằng cách thiết lập đặc tính tiêu chuẩn và sau đó mở rộng tiêu chuẩn

đó bằng cách chọn đáp ứng xung thích hợp (hay hàm truyền đạt) cho bộ lọc

Lịch sử xử lý ảnh số đã xem việc thiết kế bộ lọc, giống như chuyến bay được thực hiện trong Chiến tranh Thế giới I, “bằng đũng quần” (by the seat of the paints) Các bộ lọc được chọn do các nguyên nhân đơn giản, thành công trong quá khứ, thuận lợi, lôi cuốn thẩm mỹ, lời đồn đại và ý thích bất chợt, nhờ sử dụng máy tính Bộ lọc thiết kế như

vậy có thể chứng minh sự thành công, nhưng nó mang tiếng xấu gần điểm cực thuận

(suboptimal) Nó hầu như không tạo ra một bộ lọc tốt nhất và có thể hết sức nguy hiểm Các bộ lọc gần điểm cực thuận-những bộ lọc riêng biệt dễ dàng thực hiện bằng máy tính-có thể đưa những đồ tạo tác (artifact) vào trong ảnh, thường thì không có dấu hiệu báo trước Các bộ lọc bao gồm xung vuông trong một miền, được người lập trình máy tính ưa chuộng, hoạt động không mấy kết quả trong miền ngược lại do chuyển động

sóng vô hạn của hàm sin(x)/x

Những người sử dụng các bộ lọc có cạnh vuông trong một miền thường bị quấy rầy bởi ringing và các hiện tượng đồ tạo tác khác trong miền khác Đôi khi họ nhìn nhận một cách sai lầm các đặc tính không mong muốn vốn có trong xử lý số, hay họ than vãn thiếu máy tính có đủ khả năng cần thiết để thực hiện công việc một cách chính xác Trong phần này, chúng ta trình bày những kỹ thuật thiết kế các bộ lọc tối ưu và chứng minh, một cách tổng quát, rằng chúng hoạt động rất tốt Trang bị bằng kiến thức này, người sử dụng có thể lựa chọn một cách thông minh giữa tính tối ưu và sự tính toán dễ dàng mà không chuốc lấy những đồ tạo tác tai hại

Đầu tiên chúng ta xem lại khái niệm biến ngẫu nhiên và sau đó trình bày các kỹ thuật thiết kế hai bộ lọc tối ưu: ước lượng Wiener, tối ưu đối với việc khôi phục tín hiệu chưa biết từ nhiễu cộng và bộ tách đối sánh (match detector), tối ưu cho việc tách lấy tín hiệu

đã biết bị lẫn vào trong nhiễu cộng Dù là một người chưa bao giờ thực hiện quá trình thiết kế một bộ lọc tối ưu, hai luận điểm này có thể làm tăng sự hiểu biết của người đó

về thiết kế bộ lọc lên một cách đáng kể

11.5.1 Biến ngẫu nhiên

Trong các chương trước, chúng ta đã đề cập đến khái niệm biến ngẫu nhiên, đặc biệt

là đối với việc khử nhiễu trong ảnh Bởi vì các biến ngẫu nhiên đóng vai trò chủ yếu trong sự trình bày dưới đây nên ở đây chúng ta thảo luận về chúng chi tiết hơn

Chúng ta dùng thuật ngữ nhiễu ngẫu nhiên để diễn tả tín hiệu làm bẩn chưa biết Từ ngẫu nhiên thực chất là cách nói khác đối với hiểu biết hạn chế của chúng ta Sự thiếu

hiểu biết này là do thái độ đối xử với một quá trình, mà ý nghĩa vật lý của nó không

được hiểu rõ cho lắm, hay với một quá trình mà việc phân tích chi tiết quá phức tạp Vì thế, nếu chúng ta có chút ít hiểu biết chung về tín hiệu, nhưng thiếu những chi tiết đặc biệt, thì chúng ta xem tín hiệu là ngẫu nhiên

Khi xem xét một tín hiệu trong suốt quá trình thu nhận ảnh, chúng ta biết rằng một tín hiệu làm bẩn không mong đợi sẽ xuất hiện chồng lên trên (thêm vào) tín hiệu cần thiết Mặc dù chúng ta có thể biết nguồn gốc nhiễu, nhưng chúng ta không thể biểu diễn dạng hàm toán học của nó Sau khi quan sát nhiễu trong một chu kỳ thời gian, chúng ta có thể trình bày cách nhận biết từng phần về nhiễu và có thể tiên đoán tường tận tác động đó

Vì vậy, khái niệm về biến ngẫu nhiên trở thành một công cụ hữu ích trong xử lý nhiễu Chúng ta có thể xem xét mọt biến ngẫu nhiên theo những cách sau: Xem xét toàn bộ

vô số hàm thành viên Khi thực hiện việc thu nhận ảnh, một trong những hàm thành viên

đó sẽ nổi bật lên để làm bẩn bản ghi của chúng ta, nhưng chúng ta không có cách nào để biết được hàm nào Tuy nhiên, chúng ta có thể tạo ra những bản kê chung cho toàn bộ như một nhóm Theo cách này, chúng ta có thể biểu diễn nhận biết từng phần của mình

về tín hiệu nhiễu

11.5.1.1 Các biến ngẫu nhiên ergodic

Trong phần còn lại của quyển sách, chúng ta chỉ quan tâm đến biến ngẫu nhiên là

ergodic Dưới đây là thể định nghĩa của thuật ngữ này

Người ta có thể tính trung bình của một biến ngẫu nhiên theo hai cách Chúng ta tính

một trung bình thời gian (time average) bằng cách tích phân một hàm thành viên riêng lẻ

trên toàn trục thời gian, hoặc chúng ta có thể tính trung bình các giá trị ước lượng của tất

cả các hàm với nhau tại thời điểm đặc biệt nào đó Kỹ thuật vừa nói đến tạo ra trung bình toàn bộ (ensemble average) tại một thời điểm

Một biến ngẫu nhiên là ergodic nếu và chỉ nếu (1) các trung bình thời gian của tất cả các hàm thành viên bằng nhau, (2) trung bình toàn bộ không đổi theo thời gian, và (3) trung bình thời gian và trung bình toàn bộ bằng nhau về số lượng Do vậy, đối với các biến ngẫu nhiên ergodic, trung bình thời gian và trung bình toàn bộ là có thể thay thế lẫn nhau

Trong chương 7, chúng ta đã giới thiệu toán tử dự tính x(t), biểu thị cho trung bình toàn bộ của biến ngẫu nhiên x tính tại thời điểm t Dưới tính chất ergodic, x(t)cũng biểu thị cho giá trị thu được khi một mẫu đặc biệt nào đó của biến ngẫu nhiên x(t) được

lấy trung bình theo thời gian; tức là,

x(t)x(t)dt

Biểu thức (142) của chương 10 xác định hàm tự tương quan (autocorrelation) như một trung bình thời gian Đối với một biến ngẫu nhiên ergodic, hàm tự tương quan tương đương với tất cả các hàm thành viên, và vì thế các đặc tính của nó là toàn bộ

Ngoài ra khi chúng ta nói n(t) là một biến ngẫu nhiên ergodic, chúng ta muốn nói rằng

nó là một hàm chưa biết có một hàm tự tương quan đã biết Điều này thể hiện sự nhận

biết từng phần của chúng ta về n(t)