Xử lý ảnh (nguyễn thị hoàng lan viện CNTT)

N.T. Hoàng Lan - ĐHBK HN 1
®¹i häc B¸ch khoa Hμ Néi
khoa c«ng nghÖ th«ng tin
Xử lý ảnh
NguyễnThị Hoàng Lan
Email :
N.T. Hoàng Lan - ĐHBK HN 2
Chương 1
Giớithiệu chung về xử lý ảnh
(Digital Image Processing)
N.T. Hong Lan - HBK HN 3
Cỏc khỏi nim

ả
nh : thông tin về vật thể hay quang cảnh đợc chiếu sáng m
à
con ngời quan sát và cảm nhận đợc bằng mắt và hệ thống thần
kinh thị giác.

Đối tợng của xử lý ảnh là xử lý các ảnh tự nhiên (Natural
Image) - ảnh chụp, dữ liệu ảnh có nguồn gốc từ tín hiệu ảnh đặc
trng bởi biên độ và dải tần số. Có sự phân biệt giữa xử lý ảnh
với đồ họa (graphic), mục đích của đồ họa là vẽ ảnh bằng máy
tính với đối tợng xử lý của đồ họa là ảnh vẽ - ảnh nhân tạo.

Hệ thống xử lý ảnh thu nhận (capture) khung cảnh hoặc ảnh
ở
đầu vào, thực hiện các phép xử lý để tạo ra một ảnh ở đầu r
a
thỏa mãn các yêu cầu về cảm thụ (hiệu chỉnh sửa chữa, cải
thiện) và thực hiện quá trình phân tích rút ra các đặc trng của

ảnh để cho phép hiểu đợc nội dung khung cảnh ảnh .
N.T. Hoàng Lan - ĐHBK HN 4
Khái niệm: ảnh tĩnh và chuỗi ảnh
y
x
y
x
t
Ảnh đơn (Image): biểudiễn
bởihàmđộ chói của các biến
tọa độ trong mặtphẳng ảnh
I(x,y)
Chuỗi ảnh (Sequence Image):
Hàm độ chói của các biến
tọa độ mặtphẳng và biến
thời gian I(x,y,t)
N.T. Hong Lan - HBK HN 5
Khỏi nim nh tnh, cỏc phộp x lý
ảnh số
Biểu diễn : ma trận số liệu
- ảnh nhị phân : 1 bit/pixel
- ảnh xám : 8 bits/pixel
- ảnh màu : 16, 24 bits/pixel
RGB, YUV, HSL, YCbCr
Xử lý
: Hiển thị soạn thảo (Editing), các phép toán điểm ảnh
(Point operations), các loại bộ lọc (Filtering), phân vùng ảnh
(segmentation), xử lý hình học, (Geometric transform)
N.T. Hong Lan - HBK HN 6
Khỏi nimchui nh ng

(sequence image) v video
Video : chuỗi các frame ảnh
(khung hình), quan hệ thời gian giữa
các frame biểu diễn ảnh động
Tần số và độ phân giải
- NTSC ( US, Japon)
:
525 lines, 60 frames/s, 30 images/s
-
PAL (EU
):
625 lines, 50 frames/s, 25 images/s
- SECAM (France
):
625 lines, 50 frames/s, 25 images/s
- Film :

24 images/s
time
N.T. Hoàng Lan - ĐHBK HN 7
Cácvídụ về tín hiệu ảnh số
và biểudiễn ảnh số
Ảnh số: Tín hiệusố 2D
pixel
or
pel
colors:
combination
of RGB
x

y
t
x
y
t
x
y
t
Video số: Tín hiệu ảnh số 3D
N.T. Hoàng Lan - ĐHBK HN 8
Cácvídụ về biểudiễn ảnh số
N.T. Hong Lan - HBK HN 9
Skhih thng x lý nh
Khung cảnh,
đối tợng,
ảnh quang học
Bộ cảm
biến
(camera)
Số hóa
ảnh
Tín hiệu
ảnh
ả
nh
liên tục
Quang học
Dữ liệu
ảnh
ả

nh số
Xử lý
phân tích
ảnh
Nén, lu trữ
và truyền ảnh
ả
nh
đ xử lý
Miêu tả ảnh,
đôi tợng ảnh,
đặc trng ảnh.
N.T. Hoàng Lan - ĐHBK HN 10
Các vấn đề chủ yếucủaxử lý ảnh
• Thu nhận ảnh, chụp ảnh và số hóa ảnh
-Hệ thống chụp ảnh (camera) và tín hiệu ảnh
-Hệ thống số hóa ảnh: lấymẫu, lượng tử hóa
- Phân tích ảnh và thị giác máy
-Cảithiệnnângcấp ảnh, sửalỗi, khôi phục ảnh
- Phân tách đặctrưng : tách biên, phân vùng ảnh
-Biểudiễnvàxử lý đặctrưng hình dạng đốitượng ảnh
-Nhậndạng đốitượng ảnh, phân tích cảnh và hiểu ảnh.
- Mã hóa, nén ảnh
Các phương pháp nén và các chuẩnnén
N.T. Hong Lan - HBK HN 11
Phõn tớch nh v th giỏc mỏy

Cải thiện, nâng cấp ảnh
- Cải thiện tăng cờng độ cảm thụ : thay đổi độ tơng phản,
hiệu chỉnh, sửa chữa, phục chế ảnh

- Cải thiện nâng cao chất lợng ảnh : lọc nhiễu, lọc tăng độ nét

Xử lý phân tích và thị giác máy
-
Phát hiện và tách biên (cạnh) ảnh
- Phân vùng ảnh
- ứ
ng dụng trong nhận dạng và phân tích cảnh

Biểu diễn đối tợng ảnh nhị phân và xử lý ảnh nhị phân
- Biểu diễn và mã hoá ảnh nhị phân
- Các phép xử lý hình thể, biến đổi hình dạng
- Các phơng pháp tìm xơng đối tợng ảnh và làm mảnh
- Các biểu diễn tham số hình dạng
N.T. Hong Lan - HBK HN 12
Cỏc ng dng cax lý nh

Thông tin ảnh, truyền thông ảnh

Xử lý ảnh vệ tinh, viễn thám

Thiên văn, nghiên cứu không gian, vũ trụ,

Địa chất thăm dò

Ngời máy, tự động hoá

Máy thông minh, thị giác máy nhân tạo

Sinh học, y học

Vật lý, Hoá học

Giám sát kiểm soát, Quân sự

Xử lý ảnh phục vụ cuộc sống
N.T. Hoàng Lan - ĐHBK HN 13
Các ứng dụng chủ yếucủa
xử lý chuỗi ảnh động
• Nén video, truyền thông video, truyềnhìnhsố.
• Giám sát theo dõi phát hiện chuyển động,
• Điềukhiểnlưu lượng chuyển động,
•Xử lý ảnh vệ tinh, ảnh viễnthám,
•Ngườimáychuyển động,
•Quốc phòng an ninh,
•Y sinhhọc
•Vậtlý…
NGUYEN Thi Hoang Lan - IPH 1
XỬ LÝ ẢNH
Chương 2
Quá trình hình thành ảnh
và biểudiễn ảnh
NGUYEN Thi Hoang Lan - IPH 2
Hình thành ảnh tự nhiên
và cảmnhận ảnh
Longueur d'onde
λ

Rayons
cosmiques

Rayons
gamma
Rayons
X
Ultraviolet Lumière
visible
Infra-
rouge
Micro-
ondes
TV Radio Onde Hz
10
-5
nm
10
-3
nm
10nm
1500nm
5m 1000m
m
Violet Bleu Vert
Jaune Rouge
380 nm 780 nm436 nm 495 nm 566 nm 627 nm
Ánhsángvàsóngđiệntừ
NGUYEN Thi Hoang Lan - IPH 3
Hình thành ảnh tự nhiên
Chaleur
Source primaire Source secondaire
Lumière incidente

I(x, y
,
λ
)
Lumière réfléchie
I(x, y,
λ
), r(x, y,
λ
)
Lumière transmise t(x, y,
λ
), r(x, y,
λ
)
Đốitượng đượcchiếu sáng: hấpthụ và phảnxạ ánh sáng
NGUYEN Thi Hoang Lan - IPH 4
Cấutạocủamắt
NGUYEN Thi Hoang Lan - IPH 5
Quá trình hình thành ảnh trong mắt
S(
λ
)
λ
(nm)
380 555 780
1
Độ nhậycảmphổ củamắt
NGUYEN Thi Hoang Lan - IPH 6
Màu sắcvàbiểudiễnmàu

•Kháiniệmvề màu sắcvàc¶mthụ màu
•C¶mthụ khách quan, c¶mthụ chủ quan
•Tổng hợpmàu: Mộtmàubấtkỳ là sự tổng hợptừ 3
màu cơ bản
•Haiphương pháp tổng hợp
-Tổng hợpbằng phép cộng
thông lượng : RGB
-Tổng hợpbằng
phép trừ phổ : YCM
Colors:
combination
of RGB
NGUYEN Thi Hoang Lan - IPH 7
Màu sắc và không gian biểudiễn
• Không gian biểu diễnmàu
và hệ tọa độ màu: RGB, YUV,
TLS, XYZ,
•Cáchệ màutheochuẩn:
PAL, SECAM, NTSC
•Cáckỹ thuật
thông thường
xử lý màu sắc

Mµ
u s
¾c
R
ed
Green
Blue

Magenta
Yellow
Cyan
RGB
Black (0, 0, 0)
Red (255, 0, 0)
Green (0, 255, 0)
Yellow (255, 255, 0)
Blue (0, 0, 255)
Magenta (255, 0, 255)
Cyan (0, 255, 255)
White (255, 255, 255)
white

YUV
(Luminance)
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
U = R - Y
V = B - Y
Y
Cb Cr

(JPEG)
Cb = U/2 + 0.5

C
r
= V/1.6 + 0.5
NGUYEN Thi Hoang Lan - IPH 8

Cảmnhận ảnh
•Bakhả năng cảmnhận ảnh củathị giác
–Cảmthụ về cường độ độ sáng, độ chói
–Cảmthụ vềđộsắcmàu
–Cảmnhậnvềđộbão hòa màu
• Độ nhậycảmphổ củamắt
•Cảmnhận ảnh và biểudiễn ảnh
–Cảmnhận ảnh đơn màu,
–Cảmnhận ảnh màu
NGUYEN Thi Hoang Lan - IPH 9
Tạo ảnh bằng camera
•Phépchiếutừ thế giớithực trong không gian 3
chiều vào không gian 2 chiềumặtphẳng ảnh.
NGUYEN Thi Hoang Lan - IPH 10
Tạo ảnh bằng camera
Các hệ tọa độ
•Cáchệ tọa độ
–Tọa độ tuyệt đối: Tọa độ điểmtrongthế giớithực (x,y,z)
–Tọa độ camera: Tọa độ biểudiễn điểm ảnh trong hệ
thống camera (x’,y’,z’) với điểmnhìnđặttạitâm
–Tọa độ hình chiếu điểm ảnh trong mặtphẳng ảnh (x,y)
–Tọa độ điểm ảnh số (i,j)
•Quátrìnhtạo ảnh bằng camera, quá trình thu nhận
ảnh thựchiệnphépchiếuchuyển đổihệ tọa độ từ
hệ tọatuyệt đốisang hệ tọa độ điểm ảnh trên mặt
phẳng ảnh.
NGUYEN Thi Hoang Lan - IPH 11
Tạo ảnh bằng camera
Các mô hình
• Các mô hình thu nhậncảnh, đơn camera

– Camera cốđịnh, vậtthể cốđịnh : Chụp ảnh tĩnh
– Camera cốđịnh, vậtthể chuyển động: chuỗi ảnh động
– Camera chuyển động, vậtthể cốđịnh: chuỗi ảnh động
– Camera chuyển động, vậtthể chuyển động: chuỗi ảnh
động
• Thu nhậncảnh stereo, nhiều camera
•Phépchiếunhiều tia, khôi phục ảnh, dựng ảnh từ
các hình chiếu
NGUYEN Thi Hoang Lan - IPH 12
Biểudiễn ảnh số
1
2
M
Ma trậnsố liệu ảnh số Chiều biểudiễntọa độ điểm
Ảnh 2D số
Ma trận các điểm ảnh
),(),(),( nmFoujiFyxf ⇒