Kỹ thuật nâng cao chất lượng hình ảnh bìa sách trong số hóa tài liệu

Bài viết này đề cập đến việc ứng dụng kỹ thuật Morphing trong biểu diễn bề mặt trên cơ sở đó kết hợp với các kỹ thuật nắn chỉnh khác để có thể tái tạo được hình ảnh 3 chiều sau quá trình thu nhận như chính gốc của nó. Kỹ thuật được thử nghiệm cho việc nắn chỉnh bìa sách trong quá trình số hóa tài liệu tại Trung tâm Thông tin thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội.

TRONG SỐ HÓA TÀI LIỆU

Đỗ Năng Toàn*- Phạm Thành Quang** 2- Nguyễn Thị Ngọc Lan*** 3

Tóm tắt: Thư viện số hiện nay là một khái niệm phổ biến và là xu

hướng tất yếu trong hoạt động của các mô hình thư viện ngày nay

Số hóa tài liệu cũng vì vậy là mắt xích không thể thiếu trong quá

trình tiến tới thư viện số tương lai Bài viết này đề cập đến việc ứng

dụng kỹ thuật Morphing trong biểu diễn bề mặt trên cơ sở đó kết

hợp với các kỹ thuật nắn chỉnh khác để có thể tái tạo được hình ảnh

3 chiều sau quá trình thu nhận như chính gốc của nó Kỹ thuật được

thử nghiệm cho việc nắn chỉnh bìa sách trong quá trình số hóa tài

liệu tại Trung tâm Thông tin thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội.

Từ khóa: Thư viện số; Tài nguyên số; Số hóa tài liệu; Kỹ thuật

Morphing

1 GIỚI THIỆU

Sự ra đời và phát triển của Internet có tác động đến mọi mặt của

xã hội đặc biệt là lĩnh vực số hóa tài liệu Đó cũng là một trong những nhiệm vụ cốt lõi của Trung tâm Thông tin – Thư viện trong việc phục

vụ truyền tải tài liệu số đến toàn thể cán bộ, giảng viên, học viên, sinh viên, Để làm được điều đó Trung tâm phải đưa hình ảnh chân thực nhất, dễ hình dung nhất đến với người dùng tin Tuy nhiên, hình ảnh

3 chiều thu nhận bằng các thiết bị thu nhận ảnh thường bị biến dạng so với thực tế Vì vậy, một nhu cầu đặt ra là làm sao tái tạo lại được hình

∗ Phó Giáo sư, Tiến sĩ, Trung tâm Thông tin – Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội.

∗∗ Trung tâm Thông tin – Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội.

∗∗∗ Trung tâm Thông tin – Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội.

ảnh thực từ ảnh thu nhận được Trong ví dụ minh hoạ hình 1 chỉ ra ảnh thu nhận và ảnh mong muốn

a) Ảnh thu nhận b) Ảnh mong muốn

Hình 1: Ảnh thu nhận và ảnh mong muốn Bài viết này đề cập đến việc sử dụng các điểm điều khiển và kỹ thuật Morphing trong biểu diễn bề mặt Trên cơ sở đó kết hợp với các

kỹ thuật nắn chỉnh khác để có thể tái tạo được hình ảnh 3 chiều sau quá trình thu nhận như chính gốc của nó Phần còn lại của báo cáo có cấu trúc như sau: Phần 2 trình bày cơ sở lý thuyết của thuật toán Phần

3 trình bày thuật toán nắn chỉnh hình học dựa vào các điểm điều khiển

và kỹ thuật nắn chỉnh bề mặt dựa vào kỹ thuật Morphing Phần 4 là kết quả thực nghiệm của thuật toán và cuối cùng là kết luận về kỹ thuật nắn chỉnh đề xuất

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA THUẬT TOÁN

2.1 Nắn chỉnh cấu trúc khung hình học của đối tượng

Việc nắn chỉnh cấu trúc khung hình học của đối tượng được thực hiện nhờ vào phương pháp bình phương tối thiểu như sau:

Giả sử có n điểm điều khiển Các điểm điều khiển trên ảnh gốc tương ứng là P(x1,y1), , P(xnyn) và trên ảnh đích tương ứng là Q(u1,v1), , Q(un,vn) Phương pháp bình phương tối thiểu là phương pháp xây dựng một ánh xạ F(x,y)->(u,v) sao cho:

F Pi - Qi 2"

Điều này tương đương với đạo hàm bậc nhất của F P ( )i Qi

2

-/

Nếu F là hàm bậc nhất thì ta có:

( , )

=

( Các hệ số b được tính toán như sau:

Ta đặt:

,

,

x

y

p

p

i i

n

i i n

i i n

i

n

i i n

i n

1

2 1

1

2 1

=

-=

=

-=

=

-=

/

/

/ /

Ta có:

q

1

1

i i n

i n

i i

n

i n

i

n

i n

i n

i i

n

i n

i

n

i n

2 1

1

1

2

1

1

3

2

b

b

=

-=

-=

-=

=

=

6

6

6

6

6 6

6

@

@

@

@

@

@

@

/ /

/

Ảnh thu nhận Khung mẫu Hình 2: Chọn các điểm điều khiển để nắn chỉnh cấu trúc khung Sau khi đã xác định được các hệ số bi hàm F(x,y) hoàn toàn xác định Ta sử dụng hàm biến đổi tìm được này để thực hiện việc nắn chỉnh khung của ảnh thu nhận

2.2 Kỹ thuật Morphing trong biểu diễn bề mặt

Ảnh thu được sau phép nắn chỉnh khung có hình dáng khung theo mong muốn nhưng các bề mặt của đối tượng sau phép biến đổi này thường bị méo mó, để khắc phục ta sử dụng kỹ thuật Morphing

2.2.1 Kỹ thuật Morphing là gì?

Kỹ thuật Morphing là kỹ thuật nội suy nhằm hiệu chỉnh bề mặt trên

cơ sở các điểm điều khiển Với mỗi điểm M trên bề mặt đối tượng gốc

sẽ được ánh xạ sang ảnh đích bằng cách xác định n điểm điều khiển có ảnh hưởng đến M nhiều nhất và điểm M thuộc đa giác tạo bởi n điểm

đó Sau đó sử dụng các phép nội suy để xác định vị trí M’của M ở ảnh đích Thông thường người ta hay dùng n = 3 hoặc n = 4 Nếu n = 3 ta

sử dụng phép nội suy Affine, nếu n = 4 ta sử dụng phép nội suy Bilinear

M -> M’

Hình 3 Cách ánh xạ của kỹ thuật Morphing với n=3

2.2.2 Các phép nội suy

a Phép nội suy Affine

Đây là phép nội suy hai tam giác trong hệ toạ độ Euclide Giả sử chúng ta có hai tam giác và muốn nội suy hai tam giác này cho nhau Một cách đơn giản nhất là sử dụng kỹ thuật ánh xạ dựa trên hệ toạ độ Barycentric được minh hoạ như sau:

Hình 4 Phép nội suy Affine Trước tiên chúng ta định nghĩa một ánh xạ T cho các đỉnh của tam giác: T(A)=D, T(B)=E,T(C)=F Với các điểm còn lại chúng ta sẽ ánh xạ chúng theo toạ độ Barycentric (α1, α2, α3) nghĩa là:

Trong đó: αi ≥ 0 và α1+ α2+ α3 =1

Một điểm Q là ánh xạ của P qua T được tính toán như sau:

Q = T(P) = T(α1*A+α2*B+α3*C)

= α1* T (A) +α2*T(B) +α3*T(C)

=α1*D+α2*E+α3*F

Như vậy, để sử dụng phép nội suy Affine thì ta phải chuyển từ

hệ tọa độ Euclide sang hệ tọa độ Barycentric Cách chuyển được thực hiện như sau:

Với mỗi điểm M(xm,ym) nằm trong tam giác ABC thì chúng ta đều có thể biểu diễn toạ độ của nó theo toạ độ các đỉnh của tam giác như sau:

Giải hệ phương trình này ta được một nghiệm duy nhất:

b Phép nội suy Bilinear

Đây là kỹ thuật xác định một hàm biến đổi từ một hình vuông kích thước [0,1]x[0,1] tới một tứ giác trong không gian (tứ giác này không nhất thiết phải đồng phẳng) Nếu chúng ta giả sử toạ độ của khối hình vuông là u và v thì phép biến đổi B được thực hiện như sau:

Phép biến đổi được thực hiện tương đương với hai việc Việc thứ nhất là nội suy trên các cạnh AD và BC thu được điểm P và Q

P=(1-v)A +vD

Q=(1-v)B +vC

Việc tiếp theo là nội suy trên đoạn PQ sử dụng thông số u:

B(u,v)=(1-u)P +uQ

Hình 5: Phép nội suy Bilinear

Hình 5: Phép nội suy Bilinear

3 THUẬT TOÁN NẮN CHỈNH DỰA TRÊN CÁC ĐIỂM ĐIỀU KHIỂN VÀ KỸ THUẬT MORPHING

Trong mục này chúng tôi sẽ trình bày thuật toán nắn chỉnh hình học đối tượng 3 chiều dựa trên việc nắn chỉnh cấu trúc khung đối tượng và kỹ thuật Morphing để biểu diễn bề mặt Đối tượng thu được sau bước nắn chỉnh cấu trúc khung sẽ có hình dáng thỏa mãn một đối tượng không bị biến dạng Tiếp theo sử dụng kỹ thuật Morphing để hiệu chỉnh bề mặt và cuối cùng là kỹ thuật xóa nhiễu để nâng cao ảnh kết quả

3.1 Thuật toán nắn chỉnh khung đối tượng

Thuật toán nắn chỉnh khung đối tượng gồm các bước cơ bản sau: Bước 1: Lựa chọn các điểm điều khiển

Thực tế việc lựa chọn các điểm điều khiển sao cho bảo toàn hình dạng của đối tượng Vì vậy, các điểm điều khiển được chọn phải nằm trên các đường mà tạo nên khung đối tượng Số lượng các điểm điều khiển cần chọn phụ thuộc vào độ biến dạng của khung Nếu độ biến dạng nhỏ thì số điểm điều khiển phải chọn ít và ngược lại Mặt khác, việc chọn các điểm điều khiển là chỉ ra đường cong biến dạng trên khung đối tượng Chính vì thế nếu số lượng điểm điều khiển tăng lên thì càng biểu diễn được gần chính xác đường cong đó Và do đó nắn chỉnh cấu trúc khung đối tượng sẽ chính xác hơn

Bước 2: Tìm hàm nắn chỉnh

Với các điểm điều khiển đã xác định, ta tìm hàm nắn chỉnh F từ phương pháp bình phương tối thiểu đã trình bày ở trên Khi đó, mỗi Pi

sẽ được ánh xạ sang P’

i = F(Pi) mà không phải là Qi ta đã chọn

Ảnh thu nhận Khung mẫu

Hình 6 Điểm điều khiển đích thay đổi khi đã xác định được hàm F

*Nhận xét: Trong thực tế, các đối tượng cùng chủng loại thường

có cấu trúc hình dạng giống nhau Vì thế khung mẫu và các điểm điều khiển trên khung mẫu có thể lưu lại làm mẫu (template) sử dụng cho các trường hợp sau này Khi đó, nếu các đối tượng đầu vào có cùng khung mẫu, ta chỉ việc kích chọn khung mẫu đã có sẵn trong chương trình một lần cho tất cả các đối tượng và thực hiện nắn chỉnh hàng loạt

Vì thế sử dụng template sẽ tăng tốc độ nắn chỉnh và giảm thời gian chọn các điểm điều khiển

3.2 Thuật toán biểu diễn bề mặt dựa trên kỹ thuật Morphing

Công việc tiếp theo sau khi hiệu chỉnh khung đối tượng là hiệu chỉnh

bề mặt Ở đây ta sử dụng thuật toán biểu diễn bề mặt dựa trên kỹ thuật Morphing Với mỗi vùng ảnh nhận được do chọn các điểm điều khiển để xác định khung đối tượng ở phần 3.1, thực hiện hiệu chỉnh từng phần một cách riêng biệt Ứng với mỗi phần, tiếp tục chọn thêm một số điểm điều khiển nếu thấy cần thiết Sau đó thực hiện các bước sau:

Bước 1: Ứng với mỗi điểm ảnh M thuộc vùng ảnh đó thực hiện công việc sau:

• Tìm 3 điểm điều khiển:

Việc tìm 3 điểm này dựa theo một nguyên tắc trong vật lý là: Lực hút giữa hai vật tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa chúng Dẫn đến trong một số các điểm lân cận của điểm M, điểm nào gần M nhất thì ảnh hưởng của nó tới M sẽ là lớn nhất Trên cơ sở đó chúng ta tìm

3 điểm thỏa mãn:

+ Tổng khoảng cách từ 3 điểm này tới M là nhỏ nhất

+ M thuộc tam giác tạo bởi 3 điểm này

Gọi 3 điểm vừa tìm được là A, B, C và 3 điểm này tương ứng với

3 điểm A’, B’, C’ ở ảnh đích

• Tìm M’ thuộc tam giác A’ B’C’ tương ứng với điểm M trong tam giác ABC dựa vào phép nội suy tam giác ABC thành tam giác A’ B’C’

• Gán giá trị mầu của M cho M’

Ảnh kết quả cho đến giai đoạn này được thể hiện trong ví dụ dưới đây:

Hình 7: Ảnh kết quả sau bước thực hiện kỹ thuật Morphing

Hình 7: Ảnh kết quả sau bước thực hiện kỹ thuật Morphing

Bước 2: Nâng cao chất lượng ảnh

Như vậy, ứng với mỗi điểm của ảnh gốc sẽ tìm được vị trí tương ứng của nó bên ảnh đích Sau khi điều này được thực hiện với tất cả các điểm cần xét ở ảnh gốc thì ảnh đích thu được về cơ bản đã được nắn chỉnh nhưng có nhiều điểm trong ảnh đích chưa có điểm nào từ ảnh gốc ánh xạ sang nên các điểm đó vẫn mang mầu nền (xem hình trên 7) Những điểm ở ảnh đích mà không có điểm ảnh ở ảnh gốc ánh xạ sang gọi là những lỗ hổng Vì thế phải sử dụng các kỹ thuật lấp lỗ hổng để làm trơn ảnh Khi đó, quá trình tái tạo một đối tượng 3 chiều hoàn tất

và cho kết quả như hình dưới

Hình 8: Ảnh kết quả của quá trình nắn chỉnh

3.3 Thuật toán nắn chỉnh hình học đối tượng 3 chiều

Thuật toán nắn chỉnh hình học đối tượng 3 chiều dựa vào các điểm điều khiển và kỹ thuật Morphing biểu diễn bề mặt CorrectOBJECT thực hiện thông qua 2 pha chính:

Pha 1: Nắn chỉnh cấu trúc khung hình học của đối tượng

Bước 1: Lựa chọn các điểm điều khiển.

Bước 2: Tìm hàm nắn chỉnh.

Pha 2: Biểu diễn bề mặt dựa trên kỹ thuật Morphing

Bước 1: Nội suy từng điểm ảnh trên từng mặt.

Bước 2: Nâng cao chất lượng ảnh.

*Mệnh đề 3.1: Thuật toán CorrectOBJECT là dừng và cho kết quả đúng

Chứng minh:

- Tính dừng: Pha 1 không có vòng lặp nên sẽ dừng

Pha 2 có bước 1 được thực hiện với từng điểm ảnh, vì số lượng điểm ảnh của một đối tượng là hữu hạn nên thuật toán sẽ kết thúc khi duyệt hết các điểm ảnh

- Tính đúng đắn: Thuật toán nắn chỉnh này dựa trên cơ sở cấu tạo vật lý của một đối tượng 3 chiều nói chung bao gồm “khung” và “bề mặt” Vì thế muốn nắn chỉnh đối tượng phải thực hiện từng giai đoạn đối với từng bộ phận của đối tượng Thuật toán nắn chỉnh đề xuất ở đây đã tuân thủ đúng quy tắc này Cụ thể: pha 1 có tác dụng nắn chỉnh cấu trúc khung, pha 2 có tác dụng hiệu chỉnh lại bề mặt Vì thế thuật toán đã xử lý được vấn đề tái tạo đối tượng 3 chiều đã đề ra

4 ỨNG DỤNG

Chúng tôi đã cài đặt thử nghiệm thuật toán đề xuất cho các đối tượng là sách của Trung tâm Thông tin – Thư viện

Trong hình 9a) thể hiện ảnh thu nhận, 9b) là mẫu, 9c) ảnh thu được sau bước nắn chỉnh cấu trúc hình học, 9d) là ảnh sau bước sử dụng kỹ thuật Morphing, 9e) ảnh sau khi nâng cao chất lượng

Kết quả thực nghiệm cho thấy chương trình đã xử lý khá tốt đối với các đối tượng sách với yêu cầu đầu ra có kích thước như nhau để giới thiệu tới bạn đọc

a)

b)

c)

d)

e)

Hình 9: Ảnh thu nhận và kết quả qua các bước

Hình 9: Ảnh thu nhận và kết quả qua các bước

5 KẾT LUẬN

Ảnh thu nhận trong máy tính thường bị biến dạng bởi các thiết

bị điện tử và quang học, đặc biệt là đối với ảnh 3 chiều Bài viết này

đề xuất việc hiệu chỉnh đối tượng 3 chiều sau quá trình thu nhận bởi

2 pha: Nắn chỉnh cấu trúc hình học của đối tượng và biểu diễn bề mặt dựa trên kỹ thuật Morphing Để nâng cao chất lượng, báo cáo cũng đề cập đến việc sử dụng các kỹ thuật xóa nhiễu đặc biệt là các lỗ hổng sau quá trình áp dụng thuật toán

Thuật toán CorrectOBJECT được đề xuất cài đặt thử nghiệm tại Trung tâm Thông tin – Thư viện và đã áp dụng khá tốt đối với một hình ảnh sách cần được hiệu chỉnh để giới thiệu đến toàn thể bạn đọc Đại học Quốc gia Hà Nội Hi vọng với bước tiến mới này, những hình ảnh chân thực nhất về tài liệu số trong môi trường tri thức số tương lai

sẽ được phục vụ một cách tốt nhất cho người dùng tin hiện nay

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 H Johan, Y.Koiso, T Nishita (2000), “Morphing using Curve and Shape

Interpolation Techniques”, Dept of Information Science Technical Report,

p.53-62, University of Tokyo, 2000

2 N Fish, R Zhang, L Perry (2020), “Image Morphing With Perceptual Constraints and STN Alignment”, Major Revision From Eurographics Conference, 2020

3 Alexander Tereshin, Valery Adzhiev, Oleg Fryazinov (2020), “Automatically Controlled Morphing of 2D Shapes with Textures”, SIAM Journal on Imaging Sciences, 2020, Vol 13, No 1 : pp 78-107

4 Beena Biswas, Dr Vaibhav Sharma, (2020), “A Case Study on Image

Morphing Through Data Hiding Technique”, International Journal of

Engineering and Computer Science, 2020 | Page No.: 24925-24933

5 G.Wolberg (1998),”Image Morphing: A survey”, Visual Computer,

p.360-372, 1998

6 Lương Mạnh Bá, Nguyễn Thanh Thuỷ, Nhập môn xử lý ảnh NXB

KH&KT, 1999

7 Đặng Văn Đức, Hệ thống thông tin địa lý NXB KH&KT, 2001.