Chuong 1 - Tong Quan Ve Thi Giac May Tinh

8/18/2019 Chuong 1 - Tong Quan Ve Thi Giac May Tinh

1/52

TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNHVÀ THỊ GIÁC MÁY TÍNH

Chương 1

Giảng viên: TS. Trương Quốc Bảo

Lớp: Cao học Kỹ Thuật Điều Khiển & Tự Động Hóa

THỊ GIÁC MÁY TÍNH

(CN612)

1


2/52

NỘI DUNG

2

TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH SỐ1

HỆ THỐNG XỬ LÝ ẢNH SỐ2

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN3

ỨNG DỤNG CỦA XỬ LÝ ẢNH4

CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ THẢO LUẬN5


3/52

• “One picture is worth more than ten thousandwords” (Anonymous)

• Ảnh số là gì? – Ảnh (image) là đại diện của một đối tượng quan sát

hoặc cảnh trong không gian 3 chiều kết hợp với tầmnhìn của con người.

– Ảnh số (digital image) được biểu diễn bởi một hình ảnhhai chiều như là một tập hữu hạn các giá trị số, được gọilà các phần tử /yếu tố hình ảnh ( picture elements) hoặclà các điểm ảnh ( pixels).

3

Tổng quan về xử lý ảnh số - Ảnh số


4/52

4



5/52

– Các giá trị điểm ảnh (Pixel) thường đại diện chocác mức độ xám (gray levels), màu sắc (colors)…

– Lưu ý rằng số hóa (digitization) ngụ ý rằng một hình ảnh số ( digital image) là xấp xỉ một cảnh thực.

5



6/52

– Các định dạng chung của ảnh bao gồm

• 1 mẫu cho mỗi điểm (B&W or Grayscale)

• 3 mẫu cho mỗi điểm (Red, Green, và Blue)

• 4 mẫu cho mỗi điểm (Red, Green, Blue, và “Alpha”, haycòn gọi là độ mờ đục - Opacity)

– Ta thường xử lý ảnh dựa trên mức xám (Grayscale).

6



7/52

– Xử lý hình ảnh là tất cả các kỹ thuật và các thuật toánđể tính toán, từ một hình ảnh đầu vào, đầu ra là một hìnhảnh mới nơi thông tin được đánh dấu. Nó cho phépchúng ta hiểu được ảnh.

– Xử lý ảnh là một khoa học nhằm trang bị ý tưởng,phương pháp luận và các kỹ thuật để máy tính có khảnăng xử lý ảnh, và hiểu được ảnh như con người.

– Xử lý ảnh là một quá trình phức tạp và đa dạng liên

quan đến nhiều lĩnh vực khác nhau:• Xử lý ảnh (Image Processing): ảnh đầu vào ảnh đầu ra

• Phân tích ảnh (Image Analysis): Đo lường ảnh đầu ra.

• Hiểu ảnh (Image Understanding): Mô tả mức cao đầu ra 7

Tổng quan về xử lý ảnh số - Xử lý ảnh


8/52

• Xử lý ảnh số tập trung vào hai nhiệm vụ chính: – Cải thiện thông tin bằng hình ảnh để giải thích, giúp cho

con người hiểu rõ hơn về hình ảnh.

– Xử lý dữ liệu hình ảnh để truyền, lưu trữ và biểu diễncho nhận thức máy tự động.

• Một số tranh luận về đâu là điểm bắt đầu và kết thúccủa xử lý ảnh và các lĩnh vực như phân tích ảnh và thị

giác máy tính.• Từ xử lý ảnh đến thị giác máy tính có thể được chia

thành các quá trình từ xử lý mức độ thấp, mức độtrung bình đến mức độ cao.

8



9/52

9


Các cấp độ trong xử lý ảnh và thị giác máy tính


10/52

• Giữa đến cuối những năm 1920s: cải tiến hệ thống“Bartlane” dẫn đến chất lượng hình ảnh cao hơn.

• Quá trình sao chép mới dựa kỹ thuật trên nhiếp ảnh.

• Tăng số lượng tông màu trong quá trình sao chép ảnh.

10

Tổng quan về xử lý ảnh số - Lịch sử


11/52

• Năm 1960: Cải tiến công nghệ điện toán và sự bắt đầucủa cuộc chạy đua không gian đã dẫn đến một sự đột

biến của công việc xử lý hình ảnh kỹ thuật số.

11


• Năm 1964 Máy tính được sửdụng để cải thiện chất lượnghình ảnh của mặt trăng thựchiện thăm dò bởi Ranger 7 .

• Các kỹ thuật như vậy đã đượcsử dụng trong các sứ mệnhkhông gian bao gồm cuộc đổ

bộ của phi thuyền Aplollo.


12/52

• Năm 1970 Xử lý ảnh số được bắt đầu sử dụng trongcác ứng dụng y tế.

12


Năm 1979 Ngài Godfrey N.Hounsfield & G.S. Allan M.Cormack chia giải thưởng Nobelvề y học cho sự phát minh ra

phương pháp chụp cắt lớp, côngnghệ đằng sau chụp cắt lớp vitính trục (CAT) quét.


13/52

• Năm 1980 - Ngày nay: Việc sử dụng các kỹ thuật xửlý ảnh số đã bùng nổ và chúng đang được sử dụngtrong tất cả các ứng dụng của tất cả các lĩnh vực.

– Tăng cường ảnh /phục hồi ảnh (Image enhancement /restoration),

– Nghệ thuật tạo hiệu ứng (Artistic effects),

– Y tế trực quan (Medical visualisation),

– Công nghiệp kiểm tra (Industrial inspection), – Thực thi pháp luật (Law enforcement),

– Giao diện máy tính con người (Humans computer Interface).

13



14/52

• Tăng cường ảnh (Image enhancement): Một trongnhững ứng dụng phổ biến nhất của các kỹ thuật xử lýảnh số: nâng cao chất lượng, loại bỏ nhiễu,…

14

Tổng quan về xử lý ảnh số - Ví dụ


15/52

• Kính thiên văn Hubble:Kính viễn vọng Hubble ramắt vào năm 1990, kính

thiên văn có thể chụp cáchình ảnh của các đối tượngtừ khoản cách rất xa.

• Tuy nhiên, một gương khôngchính xác làm cho nhiễuhình ảnh và Hubble trở nênvô dụng.

15


• Các kỹ thuật xử lý ảnh đượcsử dụng để sửa lỗi này.


16/52

• Các hiệu ứng nghệ thuật:Hiệu ứng nghệ thuật đượcsử dụng để làm cho hình

ảnh trực quan hấp dẫn hơn,thêm vào những hiệu ứngđặc biệt và tạo hình ảnhtổng hợp.

16



17/52

• Xử lý ảnh trong y học: Lát cắt từ quét MRI của tráitim chó và tìm thấy ranh giới giữa các loại mô. – Ảnh với các mức xám đại diện cho mật độ mô.

– Sử dụng một bộ lọc phù hợp để làm nổi bật các đường biên.

17



18/52

• Hệ thống thông tin địa lý -GIS: Các kỹ thuật xử lý ảnhsố được sử dụng rộng rãi để

thao tác hình ảnh vệ tinh. – Phân loại địa hình (Terrain

classification)

– Thống kê/Xác định nơi

định cư của con người. – Khí tượng (Meteorology)

18



19/52

• Hệ thống kiểm tra trong côngnghiệp – Các thao tác của con người là

đắt tiền, chậm và không đángtin cậy/không ổn định.

– Các hệ thống máy móc đượcthiết kế để thay thế con người.

– Các hệ thống thị giác côngnghiệp được sử dụng trong tấtcả các loại ngành công nghiệp.

19



20/52

• Kiểm tra tấm mạch in: Printed Circuit Board (PCB)inspection) – Kiểm tra máy được sử dụng để xác định rằng tất cả các

thành phần và các mối hàn có thể chấp nhận được. – Cả hai dạng hình ảnh thông thường và ảnh X-quang

được sử dụng.

20



21/52

• Hệ thống thực thi pháp luật: – Nhận dạng biển số xe vượt quá

tốc độ/ các hệ thống thu phí tựđộng/ hệ giao thông thông minh.

– Nhận dạng vân tay (Fingerprintrecognition)

– Tăng cường các hình ảnhcamera quan sát.

21



22/52

• Hệ thống tương tác người-máycố gắng làm cho giao diện người

– máy tự nhiên hơn:

– Nhận dạng khuôn mặt (Facerecognition)

– Nhận dạng cử chỉ (Gesturerecognition)

– Kinect Box Games

22



23/52

• Ghép ảnh (Image compositting) – Kết hợp các phần từ các ảnh riêng thành một dạng ảnh

mới nào đó

– Điều này khó để thực hiện được như ý vì:• Yêu cầu về các quan hệ các vị trí, các hướng, và các tỉ lệ

chính xác.

• Ánh sáng của các đối tượng phải phù hợp trong các hìnhảnh riêng.

• Độ sáng (Brightness), độ tương phản (contrast), cân bằngmàu (color balance), độ bão hòa (saturation) phải phù hợp,

• Nhiễu màu sắc (Noise color), biên độ (amplitude), và cácmẫu phải liền mạch,… 23



24/52

• Ghép ảnh (Image compositting)

24


Giáo sư Peters đang ở trongvăn phòng nhà riêng. Cần

một cái áo tốt hơn.

Cái áo này đòi hỏi chữviết lồng lên.


25/52


25


Ông cần một số chi tiết màusắc phụ thêm

Bây giờ cần một máy tóccho đẹp trai, trẻ trung hơn


26/52


26


Ông ta không muốn ở văn phòng nữa mà muốn đến một

nơi khác

Bây giờ đang ở trong phòng thu âm


27/52

• Tạo ảnh toàn cảnh (Panorama) – Kỹ thuật thường được sử dụng là ghép (Compositting)

và che ảnh (Overlay)

27


Các ảnh gốc

Ảnh kết hợp


28/52

• Hệ thống xử lý ảnh cho phép tiếp cận khung cảnh ảnhhoặc ảnh số ở đầu vào, thực hiện một dãy các phép xửlý đa dạng để tạo ra một ảnh ở đầu ra mang thông tin

cần thiết, phân tích rút ra được các đặc trưng để cho phép hiểu được khung cảnh và ảnh.

• Các phương pháp và kỹ thuật xử lý ảnh số nhằm tạora các máy tính có khả năng nhìn và hiểu được ảnh như

con người, giúp cho con người có thể “nhìn” ở nhữngnơi mà con người không thể đến được.

• Một hệ thống xử lý hình ảnh được sinh ra từ ý tưởngthay thế nhìn của con người bằng máy.

28

Hệ thống xử lý ảnh số - Định nghĩa


29/52

• Các vấn đề chính trong hệ xử lý ảnh – Thu nhận và số hóa hình ảnh

– Cải thiện, phục hồi, chỉnh sửa hình ảnh

– Phân tích hình ảnh – thị giác máy: phát hiện biên, phân vùng ảnh…

– Nén, mã hóa và truyền ảnh.

– Một chuỗi các xử lý ảnh:• Thu thập dữ liệu của hình ảnh,• Các phương pháp xử lý hình ảnh,

• Nén, lưu trữ, hiển thị và truyền tải hình ảnh.29

Hệ thống xử lý ảnh số - Các vấn đề chính


30/52

• Các giai đoạn chính trong quá trình xử lý ảnh

30

Hệ thống xử lý ảnh số - Các giai đoạn chính


31/52

• Thu nhận ảnh (Image Acquistion)

31



32/52

• Tăng cường ảnh (Image Enhancement)

32



33/52

• Khôi phục ảnh (Image Restoration)

33



34/52

• Xử lý hình thái ảnh (Morphological Processing)

34



35/52

• Phân đoạn ảnh (Image Segmentation)

35



36/52

• Nhận dạng đối tượng (Object Recognition)

36



37/52

• Biểu diễn & mô tả (Representation & Description)

37



38/52

38


• Nén ảnh (Image Compression)


39/52

39


• Xử lý ảnh màu (Color Image Processing)


40/52

40

Hệ thống xử lý ảnh số - Các bước chính

Khung cảnhquang học

Thu nhận ảnh

(camera, sensor,…)

Số hóa ảnh

Dữ liệu ảnh

Tăng cường ảnh (lọcnhiễu, làm rõ ảnh,…)

Trích đặc

trưng ảnh

Đặc trưng ảnh

Biểu diễn ảnh, miêu tảđặc trưng kết cấu, màu

sắc, hình dáng,…

Trích chọn đặc trưngđể phân lớp, nhận

dạng đối tượng

Ra quyết định nhận dạng

Kết quả

Đối sánh, suy diễn,…


41/52

Các khái niệm cơ bản

• Pixel (PictureElement): điểm ảnh,mang một giá trị số

f(x,y) – x,y: số nguyên,chỉ vị

trí pixel.

– f là hàm: độ sáng (độ

xám)


42/52



43/52


• Bit và hệ nhị phân: Độ sáng của mỗi pixel được biểudiễn bởi một số bit. Nếu dùng k bit cho mỗi pixel, có tấtcả 2k cấp độ sáng từ 0 đến 2k – 1.


44/52


• Mức xám (Gray levels): – Mức xám là kết quả của việc mã hoá ứng với một cường

độ sáng của mỗi điểm ảnh với một giá trị số.

– Thông thường ảnh được mã hoá dưới dạng 16, 32, 64hay 256 mức.


45/52


• Biểu diễn ảnh (Image Representation): – Ảnh được biểu diễn như một hàm hai chiều, hay một ma

trận số liệu ảnh.

• Tăng cường ảnh (Image Enhancement): – Làm nổi bật các đặc trưng đã chọn.

– Các kỹ thuật được chọn: lọc độ tương phản, khử nhiễu,nổi màu, nổi biên, giãn độ tương phản.

• Khôi phục ảnh (Image Restoration): – Loại bỏ hay tối thiểu hóa các ảnh hưởng của môi trường

bên ngoài hay hệ thống thu nhận ảnh gây ra.

– Kết quả được là ảnh gần giống với ảnh gốc


46/52


• Biến đổi ảnh (Image Transform):

– Phép biến đổi ảnh là phép biến đổi không gian biểu diễnsố liệu ảnh từ miền không gian quan sát sang miền khônggian khác để nghiên cứu các thuộc tính của ảnh.

– Sử dụng lớp các phép biến đổi tuyến tính , đơn vị: phép biến đổi Fourier, Sin, Cosin, Haar-Wavelet, Hadamad,Karhumen Loeve, ...

• Phân tích ảnh (Image Analysis):

– Xác định độ đo định lượng để đưa ra mô tả đầy đủ về ảnh.

– Các kỹ thuật thường sử dụng: kỹ thuật lọc, tách, kỹ thuậthợp dựa trên các tiêu chuẩn đánh giá về màu sắc, cườngđộ, kết cấu, và phân lớp dựa trên cấu trúc khác


47/52


• Nén ảnh (Image Compression): – Mục tiêu của nén hình ảnh là giảm không thích hợp và dự

phòng dữ liệu hình ảnh để có thể lưu trữ hoặc truyền tải

dữ liệu trong một hình thức hiệu quả.• Trích xuất ảnh (Image Retrieval):

– “Browsing”, “searching” và “retrieving images” từ cơ sởdữ liệu lớn của ảnh số.

– Phương pháp truyền thống và phổ biến nhất của truy xuấthình ảnh sử dụng một số phương pháp thêm siêu dữ liệunhư phụ đề, từ khóa, hoặc mô tả những hình ảnh để thuhồi có thể được thực hiện qua các từ chú thích.


48/52


• Một số mối quan hệ cơ các bản giữa điểm ảnh

– Lân cận điểm ảnh (Neighborhood)

– Tính liền kề (Adjacency)

– Tính liên thông (Connectivity)

– Đường đi (Paths)

– Vùng và đường biên (Regions & boundaries)


49/52


• Quan hệ lân cận và tính liênthông của các điểm ảnh

– Quan hệ lân cận (Nearest Neighborhood)

– Tính liên thông (conectivity)của các điểm ảnh


50/52


• Các lân cận tại điểm ảnh P(x,y) – 4 - lân cận của p(x,y), ký hiệu bởi N4(P):

(x-1, y), (x+1, y), (x,y-1), và (x, y+1). – 4 - lân cận chéo của P(x,y), ký hiệu bởi N

D(P):

(x-1, y-1), (x+1, y+1), (x+1,y-1), và (x-1, y+1).

• 8 - lân cận của P(x,y), ký hiệu bởi N8(P)

N4(P) ND(P)


51/52

Lĩnh vực ứng dụng của xử lý ảnh

• Ảnh hàng không và vũ trụ: Tài nguyên thiên nhiên vàgiám sát con người, khí tượng,…

• Khoa học: Thiên văn học, robot di động, sinh học, kính

hiển vi điện tử, vật lý,...• Truyền thông: giao tiếp hình ảnh và video trên internet,

truyền hình, nhiếp ảnh, xuất bản, giao thông vận tảithông tin hình ảnh, lưu trữ...

• Công nghiệp: tự động đo lường, máy tầm nhìn, điềukhiển, tự động kiểm tra chất lượng sản phẩm,…

• Quân sự: giám sát, cảnh báo, theo dõi, điều tra địa hình.


52/52

52

Documents

Chuong 1 - Tong Quan Ve Thi Giac May Tinh