TĂNG CƯỜNG CHẤT LƯỢNG ẢNH (Image Enhancement)

FUNDAMENTALS OF DIGITAL IMAGE PROCESSING

CHƢƠNG 3

TĂNG CƢỜNG CHẤT LƢỢNG ẢNH

(Image Enhancement)


Fundamentals of Digital Image Processing

Image Enhancement

3.1. Giới thiệu
- Mục đích: tăng cường chất lượng ảnh là làm cho
ảnh được tăng cường phù hợp hơn ảnh ban đầu cho
một ứng dụng cụ thể nào đó.
- Quan hệ với khơi phục ảnh: khôi phục ảnh là xử lý
ảnh bị suy giảm hay suy biến (degradation) để ảnh
thu được càng giống ảnh ban đầu càng tốt.
- Các toán tử
+ Toán tử điểm: ánh xạ giá trị mức xám đầu vào
+ Tốn tử khơng gian: lọc khơng gian
+ Tốn tử biến đổi: thực hiện trong miền biến đổi
-2-


Fundamentals of Digital Image Processing

Image Enhancement

3.2. Các toán tử điểm (Point Operators)
a. Kéo dãn độ tương phản (Contrast Stretching)
- Tăng dải động của các mức xám trong ảnh được xử
lý

Kéo dãn độ tƣơng phản
-3-


Fundamentals of Digital Image Processing

Image Enhancement

- Ghim (clipping): trường hợp đặc biệt của tăng độ
tương phản khi ==0.
Thích hợp để làm giảm nhiễu nếu biết ảnh đầu vào
nằm trong khoảng [a,b].
Phải được thực hiện trên các ảnh được biểu diễn một
số hữu hạn các bit như số nguyên không dấu.
- Lấy ngưỡng (thresholding): trường hợp đặc biệt
của ghim khi a=b=t

-4-


Fundamentals of Digital Image Processing

Image Enhancement

(a) Ảnh ban đầu.

(b) Kéo dãn độ tƣơng phản:a=80,b=175, va=40, vb=215.
(c) Ghim. (d) Lấy ngƣỡng t=128

-5-


Fundamentals of Digital Image Processing

Image Enhancement

• Các tốn tử điểm khác
- Biến đổi âm bản (image negative):
v   2n  1  u

0  u, v   2n  1

(a), (c): Ảnh ban đầu. (b), (d): Ảnh biến đổi âm bản

-6-


Fundamentals of Digital Image Processing

Image Enhancement

- Trích chọn bit (Bit extraction):
2n -1
vt  
0

ut  1
ut  0

u  un 1 ,..., u0 

(a)-(h): Ảnh trích chọn bit 0-7
-7-


Fundamentals of Digital Image Processing

Image Enhancement

- Nén dải (Range compression):
Dải động của ảnh được biến đổi đơn vị rất lớnchỉ
nhìn thấy một số ít các pixel
Có thể nén dải động.
v  c.log10 (1 | u |)

c : const

- Trừ ảnh (Image subtraction)
Để so sánh 2 ảnh với nhau, thường là ảnh của cùng 1
đối tượng nhưng tại 2 thời điểm khác nhau.
Trừ theo từng bit
v(i, j )  a.| u1 (i, j )  u2 (i, j ) | b
-8-

a, b : const

Fundamentals of Digital Image Processing

Image Enhancement

Ứng dụng của trừ ảnh: chụp mạch xóa nền
(Angiography)

Ảnh chụp trƣớc (trái) và
sau (phải) khi tiêm thuốc

Ảnh chụp mạch xóa
nền khơng (trái) và có
(phải) hiệu chỉnh nhiễu
chuyển động

-9-


Fundamentals of Digital Image Processing

Image Enhancement

b. Sửa đổi mức xám đồ (Histogram Modification)
- Mức xám đồ/lược đồ mức xám: biểu diễn tần số
xuất hiện tương đối (xác suất xuất hiện) của các mức
xám có trong ảnh.
- Gồm 2 phương pháp
+ Cân bằng mức xám đồ (Histogram Equalization)
Mức xám đồ của ảnh đầu ra là đồng đều

+ Chỉ định mức xám đồ (Histogram Specification)
Mức xám đồ của ảnh đầu ra có dạng như đã cho
trước
-10-


Fundamentals of Digital Image Processing

Image Enhancement

• Cân bằng mức xám đồ
- Coi giá trị điểm ảnh u0 là một biến ngẫu nhiên có
hàm phân bố mật độ xác suất là pu(u) và hàm phân
bố tích luỹ là Fu()=P[u].
- Biến ngẫu nhiên v được định nghĩa dưới đây sẽ
phân bố đều trong khoảng [0,1].
u

v   Fu u    pu x dx


0

-11-


Fundamentals of Digital Image Processing

Image Enhancement

- Chứng minh:
Lấy vi phân của v theo u
du
1
dv du  pu  u   pv  v   pu  u 
 pu  u 
1
dv
pu  u 

- Thực hiện trên ảnh số
Ảnh vào u có mức xám đồ h(xi)
p u  x i   h x i 

L 1

 hx ; i  0,1..., L  1
i 0

i

Ảnh ra v* cũng giả thiết là có L mức được cho bởi
v

u

 p u  xi 

xi  0

v *  Intv  vmin L  1 1  vmin   0,5
-12-


Fundamentals of Digital Image Processing

u

Image Enhancement

Lượng tử
hóa đều

u

 p i 
i 0

u

pu i 

(L-1)

v*  int (L  1) v  0,5

Thực hiện gần đúng cân bằng mức xám đồ

-13-

v*


Fundamentals of Digital Image Processing

Image Enhancement

Ví dụ:
u

0

1

2

3

4

5

6

7

h(u)

790

1023

850

656

329

245

122

81

pu(u)

0,19

0,25

0,21

0,16

0,08

0,06

0,03

0,02

0,19

0,44

0,65

0,81

0,89

0,95

0,98

1,00

1

3

5

6

6

7

7

7

0,19

0,25

0,21

u

v   pu i 
i 0

v*=Int[7v+0,5]
pv*

0,24

v* tổng quát

-14-

0,11


Fundamentals of Digital Image Processing

Image Enhancement

Ảnh và mức xám đồ
ban đầu

Ảnh và mức xám
đồ sau khi cân bằng
mức xám đồ

-15-


Fundamentals of Digital Image Processing

Image Enhancement

Cân bằng mức xám đồ ảnh chụp cộng hƣởng từ MRI
-16-


Fundamentals of Digital Image Processing

Image Enhancement

• Chỉ định mức xám đồ
- Cân bằng mức xám đồ có thể dẫn tới bão hòa ở một
số vùng trong ảnh, làm mất các chi tiết và các thơng
tin tần số cao có thể cần thiết cho việc đọc, biên dịch
ảnh
- Có thể thực hiện cân bằng mức xám đồ cục bộ hoặc
biến đổi mức xám đồ ban đầu thành một mức xám

đồ mới có phân bố như mong muốn

-17-


Fundamentals of Digital Image Processing

Image Enhancement

- Giả thiết biến ngẫu nhiên u0 có pdf pu(u) được
biến đổi thành biến ngẫu nhiên v0 có pdf đã cho là
pv(v).
- Định nghĩa 1 biến ngẫu nhiên phân bố đồng đều
w   pu x dx  Fu u 
u

0

- Biến này đồng thời thỏa mãn
w   pv  y dy  Fv v 
v

0

- Triệt tiêu w thu được
v  Fv

1

w  Fv Fu u 

1

-18-


Fundamentals of Digital Image Processing

u

u

 pu i 

w

i 0

Image Enhancement

min : wn  w  0
n

w*  wn

Fv

1

pu i 
Sơ đồ thực hiện chỉ định mức xám đồ

-19-



v*


Fundamentals of Digital Image Processing

Image Enhancement

Ví dụ:
u

0

1

2

3

pu(u)

0,25

0,25

0,25

0,25

pv(v)

0,00

0,50

0,50

0,00

w   i  0 p u i 

0,25

0,50

0,75

1,00

wn   i  0 p v i 

0,00

0,50

1,00

1,00

w*

0,50

0,50

1,00

1,00

1

1

2

2

u

n

v*=nopt

-20-

Fundamentals of Digital Image Processing

Image Enhancement

Ảnh và mức xám đồ
ban đầu

Ảnh và mức xám
đồ sau khi chỉ định
mức xám đồ

-21-


Fundamentals of Digital Image Processing

Image Enhancement

3.3. Các tốn tử khơng gian (Spatial Operators)
a. Làm trơn (Smoothing)
- Các bộ lọc làm trơn được sử dụng để làm mờ và để
làm giảm nhiễu.
- Làm mờ được sử dụng ở các bước tiền xử lý như
loại bỏ các chi tiết nhỏ khỏi ảnh trước khi thực hiện
trích, chọn đối tượng (lớn); xóa các cách quãng nhỏ
trên các đường thẳng hoặc đường cong.

-22-

Fundamentals of Digital Image Processing

Image Enhancement

b. Lọc trung bình khơng gian (Spatial Averaging)
- Giá trị pixel được thay thế bởi trung bình trọng số
của các pixel lân cận.

vm,n  

ak ,l  ym  k ,n  l 

 k ,lW 

W: cửa sổ/mặt nạ lọc được chọn hợp lý.
a(k,l)}: hệ số lọc
1/9

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1/10

1

1

1

1

2

1

1

1

1

1/16

Một số mặt nạ lọc trung bình
-23-

1

2

1

2

4

2

1

2

1


Fundamentals of Digital Image Processing

Image Enhancement

- Lọc trung bình phù hợp để giảm nhiễu, lọc thông
thấp, giảm lấy mẫu
Giả thiết ảnh ban đầu y(m,n)=u(m,n)+η(m,n) với
η(m,n) là nhiễu trắng kỳ vọng=0 và phương sai=2
Ảnh sau khi lọc
1

vm, n  
u m  k , n  l    m, n 

N w k ,lW 
 (m, n) có kỳ vọng=0 và phương sai=2/Nw

công suất nhiễu đã giảm đi Nw lần

-24-


Fundamentals of Digital Image Processing

Image Enhancement

Trái-phải: Ảnh bị nhiễu; Lọc trung bình cửa sổ 3x3, cửa sổ 5x5

Ảnh ban đầu (trái). Ảnh lọc với các cửa sổ 3x3 đã cho
-25-