Giáo trình Xử lý ảnh - Đại học Thủy lợi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
ThS. ĐINH PHÚ HÙNG - TS. NGUYỄN HUY ĐỨC
(Đồng chủ biên)

GIÁO TRÌNH

XỬ LÝ ẢNH

NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA HÀ NỘI


Biên mục trên xuất bản phẩm của Thư viện Quốc gia Việt Nam

Đinh Phú Hùng
Giáo trình Xử lý ảnh / Ch.b.: Đinh Phú Hùng, Nguyễn Huy Đức. - H. : Bách khoa
Hà Nội, 2022. - 316 tr. : minh họa ; 27 cm

ĐTTS ghi: Trường Đại học Thuỷ lợi. Khoa Cơng nghệ thơng tin

1. Xử lý ảnh 2. Giáo trình
771.40711 - dc23
BKM0184p-CIP
2


LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay, ảnh số đã trở nên thơng dụng với hầu hết mọi người trong xã hội và việc
thu nhận ảnh số bằng các thiết bị cá nhân hay chuyên dụng cùng với việc đưa vào máy tính
xử lý đã trở nên đơn giản hơn. Trong hoàn cảnh đó, xử lỷ ảnh là một lĩnh vực đã được quan

tâm và trở thành môn học chuyên ngành của sinh viên ngành Công nghệ Thông tin trong
nhiều trường đại học trên cả nước. Với mong muốn đóng góp vào sự nghiệp đào tạo và
nghiên cúư trong lĩnh vực này, đáp ứng nhu cầu tài liệu học tập môn Xử lý ảnh của

Khoa Công nghệ Thông tin Trường Đại học Thủy lợi, chúng tơi biên soạn cuốn Giáo trình
Xử lý ảnh dựa trên đề cương môn học đã được duyệt. Cuốn giáo trình này được dùng làm
tài liệu giảng dạy chính thức cho môn học Xử lý ảnh ngành Công nghệ Thông tin và các
ngành khác của Khoa Công nghệ Thông tin Trường Đại học Thủy lợi.

Cuốn sách tập trung vào các vấn đề cơ bản của xử lý ảnh, cung cấp nền tảng kiến thức
đầy đủ và chọn lọc, giúp người đọc có thể tìm hiểu và ứng dụng vào các công việc liên quan
đến xử lý ảnh. Nội dung giáo trình gồm 9 chương:

Chương 1: Các khái niệm cơ bản trong xử lỷ ảnh.
Chương 2: Một số mơ hình màu.
Chương 3: Biến đối cường độ sáng.
Chương 4: Nhiễu và một số bộ lọc trong miền không gian.
Chương 5: Một số phương pháp phát hiện biên.
Chương 6: Bộ lọc trong miền tần số.
Chương 7: Một số phương pháp biến đối ảnh.
Chương 8: Một số phương pháp nén ảnh.

Chương 9: Xử lý hình thái.
Giáo trình được biên soạn dựa trên kinh nghiệm giảng dạy và nghiên cứu của các tác
giả trong nhiều năm tại Khoa Công nghệ Thông tin, Trường Đại học Thủy lợi và một số
trường đại học khác. Ngoài việc sử dụng làm giáo trình mơn Xử lý ảnh, cuốn sách có thể
làm tài liệu tham khảo cho các bạn quan tâm đến vấn đề nhận dạng và xử lý ảnh.

Các tác giả xin được chân thành cảm ơn Bộ mơn Khoa học Máy tính, Khoa Cơng nghệ
Thơng tin Trường Đại học Thủy lợi và các đồng nghiệp đã động viên, góp ý và giúp đỡ đế

hồn chỉnh nội dung cuốn sách.

3


Xin cảm ơn Lãnh đạo Khoa Công nghệ Thông tin, Trung tâm Thông tin - Thư viện
và Ban Giám hiệu Đại học Thủy lợi đã hỗ trợ và tạo điều kiện đế chúng tơi biên soạn giáo

trình này.
Mặc dù rất cố gắng nhưng cuốn giáo trình này chắc chắn khơng tránh khỏi cịn những
sai sót. Chúng tơi xin trân trọng tiếp thu tất cả những ý kiến đóng góp của bạn đọc cũng như
các bạn đồng nghiệp để có chỉnh lý kịp thời.

Thư góp ý xin gửi về:
Đinh Phú Hùng, Email:

Nguyễn Huy Đức, Email:
Bộ môn Khoa học Máy tính, Khoa Cơng nghệ Thơng tin, Trường Đại học Thủy lợi.

Tập thế tác giả

4


MỤC LỤC
LỜI NĨI ĐÀU............................................................................................................................... 3
DANH MỤC HÌNH VẺ............................................................................................................. 10
DANH MỤC THUẬT NGỮ..................................................................................................... 17

Chương 1. CÁC KHÁI NIỆM co BẢN TRONG xử LÝ ẢNH......................................19

1.1. Các vấn đề cơ bản của xử lý ảnh số......................................................................... 19
1.2. Các nhiệm vụ của xử lý ảnh...................................................................................... 22
1.3. Nguồn gốc của xử lý hình ảnh và một số lĩnh vực ứng dụng.............................. 23

1.3.1. Trong lĩnh vực y học............................................................................................ 24
1.3.2. Trong lĩnh vực viễn thám....................................................................................28
1.3.3. Trong lĩnh vực bảo mật thông tin...................................................................... 29
1.4. Các thành phần của hệ thống xử lý ảnh.................................................................31
1.5. Giới thiệu
• ănh số.......................................................................................................... 34
1.6. Một số công cụ cơ bản trong xử lý ảnh số............................................................. 36

1.6.1. Một số cơng cụ tốn học cơ bản........................................................................ 36
1.6.2. Công cụ phần mềm trong xử lý ảnh số.............................................................. 42

Chương 2. MỘT SỐ MƠ HÌNH MÀU................................................................................... 46
2.1. Mơ hình màu RGB...................................................................................................... 47
2.2. Mơ hình màu CMY..................................................................................................... 48
2.3. Mơ hình màu CMYK.................................................................................................. 50

2.3.1. Chuyển đổi từ mơ hình màu RGB sang mơ hình màu CMYK...................... 51
2.3.2. Chuyển đổi từ mơ hình CMYK về mơ hình RGB........................................... 54
2.4. Mơ hình màu HSI........................................................................................................ 56

2.4.1. Chuyển đổi màu từ RGB sang HSI.....................................................................57
2.4.2. Chuyển đổi màu từ HSI sang RGB.....................................................................60

5

2.5. Mơ hình màu YUV...................................................................................................... 62

2.5.1. Chuyển từ mơ hình RGB sang mơ hình YUV................................................. 64
2.5.2. Chuyển từ mơ hình YUV sang RGB................................................................ 67
2.6. Mơ hình màu YCbCr.................................................................................................. 72

2.6.1. Chuyển từ mơ hình RGB sang YCbCr.............................................................. 73
2.6.2. Chuyển từ mơ hình YCbCr sang RGB.............................................................. 76
2.7. Mơ hình màu YIQ....................................................................................................... 81

2.7.1. Chuyển từ mơ hình RGB sang mơ hình YIQ................................................... 82

2.7.2. Chuyển từ mơ hình YIQ sang mơ hình RGB................................................... 85
2.8. Mơ hình màu YCoCg................................................................................................ 90

2.8.1. Chuyển đổi từ khơng gian màu RGB sang YCoCg........................................ 92

2.8.2. Chuyển đổi từ không gian màu YCoCg sang RGB........................................ 95
Bài tập cuối chương.......................................................................................................... 99

Chương 3. BIẾN ĐỐI CƯỜNG Độ SÁNG........................................................................ 101
3.1. Một số chỉ số đánh giá chất lượng ảnh.................................................................. 102

3.1.1. Chỉ số cường độ sáng........................................................................................102
3.1.2. Chỉ số độ tương phản.........................................................................................103
3.1.3. Chỉ số lượng thông tin của ảnh......................................................................... 104
3.1.4. Chỉ số độ sắc nét của ảnh.................................................................................. 105
3.2. Một số hàm biến đổi cường độ sáng cơ bản......................................................... 107

3.2.1. Biến đổi âm bản................................................................................................. 107

3.2.2. Biến đổi logarit................................................................................................... 108
3.2.3. Biến đổi hàm mũ (hiệu chỉnh gamma).............................................................110
3.3. Biến đổi tuyến tính từng khúc................................................................................ 112

3.3.1. Kéo dãn độ tương phản..................................................................................... 112
3.3.2. Cắt theo mức cường độ sáng........................................................................... 116
3.3.3. Cắt theo mặt phẳng bit....................................................................................... 119
3.4. Xử lý Histogram........................................................................................................ 121

3.4.1. Cân bằng Histogram.......................................................................................... 122
3.4.2. Cân bang Histogram theo lược đồ có sẵn........................................................ 126
3.4.3. Xử lý Histogram cục bộ..................................................................................... 131
Bài tập cuối chương..........................................................................................................137

6


Chương 4. NHIỄU VÀ MỘT SỐ Bộ LỌC TRONGMIỀN KHÔNG GIAN.............. 138
4.1. Giới thiệu một số loại nhiễu..................................................................................... 139

4.1.1. Nhiễu Gaussian................................................................................................... 139
4.1.2. Nhiễu Rayleigh................................................................................................... 142
4.1.3. Nhiễu Erlang (Gamma)...................................................................................... 146
4.1.4. Nhiễu theo phân phối hàm mũ.......................................................................... 149
4.1.5. Nhiễu theo phân phối đều (Uniform Noise).................................................... 153
4.1.6. Nhiễu muối tiêu.................................................................................................. 156
4.2. Giới thiệu phép tương quan và phép nhân chập................................................ 159

4.2.1. Phép tương quan................................................................................................. 159
4.2.2. Phép nhân chập................................................................................................... 164

4.2.3. Tách các mặt nạ.................................................................................................. 170
4.3. Các bộ lọc khơng gian làm mịn tuyến tính........................................................... 171

4.3.1. Bộ lọc trung bình số học.................................................................................... 172
4.3.2. Bộ lọc nhị thức.................................................................................................... 174
4.3.3. Bộ lọc Gaussian.................................................................................................. 176
4.4. Các bộ lọc phi tuyến làm mịn.................................................................................. 178

4.4.1. Bộ lọc Min-Max............................................................................................... 178
4.4.2. Bộ lọc trung điểm............................................................................................... 181
4.4.3. Bộ lọc trung vị................................................................................................... 182
4.4.4. Bộ lọc trung bình hình học................................................................................ 184
4.4.5. Bộ lọc trung bình điều hịa................................................................................ 186
4.4.6. Bộ lọc trung bình bù điều hịa.......................................................................... 187
4.4.7. Bộ lọc trung bình cắt alpha................................................................................ 190
Bài tập cuối chương........................................................................................................ 194

Chương 5. MỘT SÓ PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN BIÊN........................................... 196
5.1. Giới thiệu về biên ảnh............................................................................................. 196
5.1.1. Phát hiện biên dựa trên đạo hàm bậc nhất (Gradient).................................. 198

5.1.2. Phát hiện biên dựa trên đạo hàm bậc hai (Laplacian)................................... 200

7


5.2. Một số phương pháp dựa trên Gradient.............................................................. 202

5.2.1. Phương pháp phát hiện biên Roberts............................................................... 202
5.2.2. Phương pháp Sobel............................................................................................ 204

5.2.3. Phương pháp Prewitt......................................................................................... 213
5.2.4. Phương pháp Kirsch.......................................................................................... 222
5.3. Một số phương pháp dựa trên Laplacian............................................................ 226

5.3.1. Phát hiện biên bằng phương pháp LoG (Log of Gaussian)........................... 226
5.3.2. Phương pháp Difference of Gaussian (DoG)................................................. 228
5.4. ứng dụng của phát hiện biên.................................................................................. 229

Bài tập cuối chương......................................................................................................... 231

Chương 6. BỘ LỌC TRONG MIỀN TÀN SÔ...................................................................233
6.1. Một số khái niệm cơ bản.......................................................................................... 233
6.2. Biến đổi Fourier ròi rạc hai chiều......................................................................... 236

6.2.1. Biến đối Fourier thuận....................................................................................... 236
6.2.2. Biến đổi Fourier nghịch..................................................................................... 239
6.3. Một số bộ lọc trên miền tần số................................................................................244

6.3.1. Bộ lọc thông thấp lý thường............................................................................. 245
6.3.2. Bộ lọc thông thấp Gaussian.............................................................................. 246
6.3.3. Bộ lọc thông thấp ButterWorth........................................................................ 247
6.3.4. Bộ lọc thông cao lý tưởng.................................................................................248
6.3.5. Bộ lọc thông cao Gaussian............................................................................... 249
6.3.6. Bộ lọc thông cao ButterWorth.......................................................................... 251
Bài tập cuối chương......................................................................................................... 252

Chương 7. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐÔI ẢNH................................................ 254
7.1. Kiến thức nền tảng.................................................................................................... 254

7.1.1. Tích vơ hướng..................................................................................................... 254
7.1.2. Phép biến đối dựa trên ma trận......................................................................... 255
7.2. Biến đổi Haar.............................................................................................................. 257

7.2.1. Biến đổi Haar thuận........................................................................................... 258

7.2.2. Biến đổi Haar ngược.......................................................................................... 260

8


7.3. Biến đổi Cosin rịí rạc.............................................................................................. 261

7.3.1. Biến đổi DCT thuận........................................................................................... 261
7.3.2. Biến đổi DCT ngược.......................................................................................... 266
7.4. Biến đổi Hartley ròi rạc........................................................................................... 269

7.4.1. Biến đổi Hartley thuận....................................................................................... 270
7.4.2. Biến đổi Hartley ngược.....................................................................................274
Bài tập cuối chương........................................................................................................ 278

Chương 8. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NÉN ẢNH........................................................... 279
8.1. Một số khái niệm cơ bản.......................................................................................... 279
8.2. Phương pháp nén Huffman..................................................................................... 281
8.2.1. Giải thuật nén Huffman..................................................................................... 281
8.2.2. Giải thuật giải nén Huffman............................................................................. 286

8.3. Phương pháp nén mã mạch dài............................................................................. 291
8.4. Phương pháp nén LZW........................................................................................... 294
8.4.1. Giải thuật nén LZW........................................................................................... 295

8.4.2. Giải thuật giải nén LZW.................................................................................... 297

Bài tập cuối chương......................................................................................................... 299

Chương 9. xử LÝ HÌNH THÁI........................................................................................... 301
9.1. Giới thiệu
• ..................................................................................................................... 301

9.1.1. Phần tử cấu trúc.................................................................................................. 301
9.1.2. Một số hình dạng của phần tử cấu trúc............................................................ 302
9.2. Tập hợp và các toán tử logic................................................................................. 303
9.3. Phép co ảnh và dãn ănh.......................................................................................... 307

9.3.1. Phép co ảnh (phép xói mịn)............................................................................. 308

9.3.2. Phép dãn nở........................................................................................................ 309
9.3.3. ứng dụng của phép co và phép dãn nở............................................................ 309
9.4. Phép tốn đóng và phép toán mở........................................................................... 310

9.4.1. Phép toán mờ (Opening).................................................................................... 310
9.4.2. Phép toán đóng (Closing)................................................................................ 310
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................... 312

9


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Các vấn đề trong xử lỷ ảnh......................................................................................... 20
Hình 1.2. Minh họa tăng cường ảnh về cường độ sáng và độ tương phản............................ 22
Hình 1.3. Minh họa việc tăng cường ảnh ở khía cạnh khử nhiễu........................................... 23

Hình 1.4. Minh họa ảnh được tăng cường độ sắc nét............................................................... 23
Hình 1.5. Minh họa các tia và bước sóng tương ứng................................................................24
Hình 1.6. Minh họa cho ảnh chụp cắt lóp bộ não bằng CT..................................................... 25
Hình 1.7. Minh họa ảnh chụp X-quang...................................................................................... 25
Hình 1.8. Minh họa hình ảnh chụp bằng tia Gamma................................................................ 26
Hình 1.9. Minh họa hình ảnh chụp cắt lóp phát xạ PET.......................................................... 26
Hình 1.10. Minh họa hình ảnh chụp cộng hưởng từ MRI........................................................ 27
Hình 1.11. Minh họa cho tăng cường ảnh chụp não................................................................. 27
Hình 1.12. Minh họa cho việc tổng họp hình ảnh y tế............................................................. 28
Hình 1.13. Minh họa tăng cường ảnh viễn thám....................................................................... 28

Hình 1.14. Minh họa việc tống hợp cho hình ảnh đa quang phố............................................ 29
Hình 1.15. Sơ đồ quá trình giấu tin.............................................................................................29

Hình 1.16. Sơ đồ quá trình tách tin............................................................................................. 30
Hình 1.17. Sơ đồ minh họa các loại thủy vân số....................................................................... 30
Hình 1.18. Minh họa các thành phần của hệ thống xử lý hình ảnh......................................... 32

Hình 1.19. Minh họa ảnh vector..................................................................................................34
Hình 1.20. Minh họa ảnh Bitmap................................................................................................ 35

Hình 1.21. Minh họa ảnh nhị phân............................................................................................. 35
Hình 1.22. Minh họa ảnh xám 8 bit............................................................................................ 36
Hình 1.23. Minh họa các thành phần R, G và B của ảnh màu 24 bit......................................36

10


Hình 1.24. Hình minh họa cho tốn tử cộng hai ảnh............................................................... 39
Hình 1.25. Hình minh họa cho tốn tử trừ hai ảnh.................................................................. 40

Hình 1.26. Hình minh họa cho tốn tử nhân hai ảnh...............................................................41

Hình 1.27. Hình minh họa cho tốn tử chia hai ảnh................................................................ 42
Hình 1.28. Minh họa giao diện phần mềm Matlab.................................................................. 42
Hình 1.29. Minh họa cải thiện cường độ sáng của ảnh........................................................... 43

Hình 1.30. Minh họa khử nhiễu cho ảnh.................................................................................. 44
Hình 1.31. Minh họa tăng cường độ sắc nét cho ảnh.............................................................. 45
Hình 2.1. Hình minh họa khơng gian màu RGB....................................................................... 47

Hình 2.2. Minh họa việc trộn giữa các màu sắc R, G và B......................................................48
Hình 2.3. Minh họa các thành phần R, G và B của một ảnh................................................... 48

Hình 2.4. Minh họa việc trộn giữa các màu c, M và Y........................................................... 49
Hình 2.5. Hình minh họa các thành phần c, M và Y của một ảnh......................................... 49
Hình 2.6. Minh họa việc trộn các màu trong mơ hình CMYK................................................ 51
Hình 2.7. Hình minh họa cho khơng gian màu HIS................................................................. 57
Hình 2.8. Hình minh họa mơ hình màu YUV........................................................................... 63
Hình 2.9. Hình minh họa ảnh trong không gian màu RGB và YƯV...................................... 63

Hình 2.10. Hình minh họa ba kênh Y, u và V.......................................................................... 64
Hình 2.11. Hình minh họa mơ hình YCbCr...............................................................................72
Hình 2.12. Hình minh họa ảnh trong mơ hình RGB và YCbCr.............................................. 73
Hình 2.13. Hình minh họa ba thành phần Y, Cb, Cr của một ảnh đầu vào............................73
Hình 2.14. Hình minh họa ảnh trên khơng gian màu RGB và Y1Q........................................ 81
Hình 2.15. Hình minh họa ba thành phần Y, I, Q..................................................................... 82

Hình 2.16. Hình minh họa khơng gian màu YCoCg................................................................ 91
Hình 2.17. Hình minh họa ảnh trên khơng gian màu RGB và YCoCg.................................. 91

Hình 2.18. Hình minh họa ba thành phần Y, Co và Cg............................................................91

11


Hình 3.1. Hình minh họa tốn tử điểm..................................................................................... 101
Hình 3.2. Hìnhminh họa ảnh và chỉ số cường độ sáng tương ứng........................................ 102

Hình 3.3. Hìnhminh họa ảnh và chỉ số độ tương phản tương ứng.........................................103
Hình 3.4. Hìnhminh họa ảnh và chỉ số lượng thơng tin tương ứng....................................... 104
Hình 3.5. Hìnhminh họa ảnh và chỉ số độ sắc nét tương ứng................................................ 106

Hình 3.6. Đồ thị hàm biến đổi âm bản......................................................................................107
Hình 3.7. Hình ảnh trước và sau biến đổi âm bản................................................................... 108
Hình 3.8. Minh họa đồ thị hàm logarit..................................................................................... 109

Hình 3.9. Minh họa biến đổi logarit đế tăng cường ảnh......................................................... 109
Hình 3.10. Hình ảnh trước và sau biến đổi logarit.................................................................. 110
Hình 3.11. Minh họa đồ thị hàm mũ......................................................................................... 111
Hình 3.12. Ành trước và sau khi biến đổi hàm mũ................................................................. 111
Hình 3.13. Minh họa hàm biến đối tuyến tính từng khúc..................................................... 112

Hình 3.14. Minh họa kéo dãn độ tương phản......................................................................... 113
Hình 3.15. Minh họa hàm cắt theo mức cường độ sáng loại thứ nhất................................. 116
Hình 3.16. Minh họa hàm cắt theo mức cường độ sáng loại thứ hai................................... 117

Hình 3.17. Minh họa hình ảnh được áp dụng phương pháp cắt theo mức cường độ sáng......117
Hình 3.18. Minh họa mặt phẳng bit......................................................................................... 119

Hình 3.19. Minh họa ảnh gốc và 8 ảnh nhị phân................................................................... 120

Hình 3.20. Minh họa tái tạo ảnh từ các mặt phang bit.......................................................... 121
Hình 3.21. Minh họa ảnh và Histogram tương ứng............................................................... 122
Hình 3.22. Minh họa ảnh trước và sau khi cân bang Histogram.......................................... 125
Hình 3.23. Minh họa cho cân bằng Histogram khơng hiệu quả........................................... 127

Hình 3.24. Minh họa hình ảnh chụp MRI não và biểu đồ Histogram................................. 127
Hình 3.25. Minh họa ảnh sau khi cải thiện bang Histogram Matching............................... 128
Hình 3.26. Minh họa việc cân bang Histogram không hiệu quả.......................................... 132

12


Hình 3.27. Minh họa cho việc sứ dụng phương pháp cân bằng Histogram cục bộ............ 134
Hình 4.1. Hình minh họa cách hoạt động của các bộ lọc....................................................... 138

Hình 4.2. Minh họa đồ thị hàm phân phối Gaussian.............................................................. 139

Hình 4.3. Minh họa nhiễu Gaussian và biểu đồ Histogram................................................... 140
Hình 4.4. Đồ thị hàm phân phối Rayleigh................................................................................143
Hình 4.5. Minh họa nhiễu Rayleigh và biểu đồ Histogram....................................................143

Hình 4.6. Đồ thị hàm phân phối Erlang....................................................................................146
Hình 4.7. Minh họa nhiễu Erlang và biếu đồ Histogram........................................................147
Hình 4.8. Đồ thị phân phối hàm mũ..........................................................................................150

Hình 4.9. Minh họa nhiễu hàm mũ và biểu đồ Histogram..................................................... 150
Hình 4.10. Đồ thị phân phối đồng nhất.................................................................................... 153

Hình 4.11. Minh họa nhiễu theo phân phối đồng nhất và biểu đồ Histogram..................... 153
Hình 4.12. Đồ thị hàm phân phối của nhiễu muối tiêu........................................................... 157

Hình 4.13. Minh họa ảnh thêm nhiễu muối tiêu và biểu đồ Histogram tương ứng.............157
Hình 4.14. Minh họa bộ lọc trung bình.................................................................................... 172
Hình 4.15. Minh họa lọc nhiễu trung bình cho ảnh................................................................ 173
Hình 4.16. Minh họa ảnh được lọc bởi bộ lọc nhị thức kích thước 3x3............................ 175

Hình 4.17. Đồ thị hàm Gaussian............................................................................................... 176
Hình 4.18. Minh họa bộ lọc Gaussian hai chiều và ba chiều................................................. 177
Hình 4.19. Minh họa ảnh được lọc bởi bộ lọc Gaussian........................................................ 178
Hình 4.20. Minh họa bộ lọc nhiễu Min.................................................................................... 178
Hình 4.21. Minh họa bộ lọc nhiễu Max....................................................................................180
Hình 4.22. Minh họa ảnh được lọc nhiễu bởi bộ lọc trung điểm...........................................181

Hình 4.23. Minh họa việc lọc nhiễu bằng bộ lọc trung vị...................................................... 183
Hình 4.24. Minh họa lọc nhiễu Gaussian bằng bộ lọc trung bình hình học........................ 185
Hình 4.25. Minh họa việc thiếu hiệu quả cùa bộ lọc trung bình hình học........................... 186

13


Hình 4.26. Minh họa lọc nhiễu hạt muối bằng bộ lọc trung bình điều hịa.......................... 186
Hình 4.27. Minh họa lọc nhiễu hạt tiêu bằng bộ lọc trung bình điều hịa............................ 187

Hình 4.28. Minh họa lọc nhiễu hạt tiêu với tham số Q = 2.................................................... 189
Hình 4.29. Minh họa lọc nhiễu hạt muối với tham số Q = -2............................................... 189
Hình 4.30. Minh họa cho việc lọc nhiễu Gaussian bởi bộ lọc trung bình cắt alpha............193

Hình 4.31. Minh họa cho việc lọc nhiễu muối tiêu bởi bộ lọc trung bình cat alpha........... 193
Hình 5.1. Minh họa ảnh và đồ thị cuờng độ sáng cắt ngang ảnh.......................................... 196

Hình 5.2. Minh họa hàm số và các đạo hàm bậc nhất và bậc hai.......................................... 197

Hình 5.3. Minh họa đường biên bị ảnh hưởng bởi nhiễu....................................................... 198

Hình 5.4. Minh họa biên ảnh sử dụng tốn tử Laplacian....................................................... 201
Hình 5.5. Minh họa ảnh phát hiện biên theo phương pháp Roberts..................................... 202
Hình 5.6. Minh họa ảnh phát hiện biên theo phương pháp Sobel.........................................206
Hình 5.7. Minh họa ảnh phát hiện biên theo phương pháp Prewitt...................................... 215

Hình 5.8. Minh họa tám mặt nạ của tốn tử la bàn Kirsch.................................................. 222
Hình 5.9. Minh họa ảnh biên được tính theo tám hướng....................................................... 223

Hình 5.10. Hình minh họa ảnh biên thu được bởi tốn tử Kirsch......................................... 223
Hình 5.11. Minh họa các diêm chéo khơng............................................................................. 226
Hình 5.12. Hình minh họa phát hiện biên bằng phương pháp LoG......................................228
Hình 5.13. Hình minh họa phát hiện biên bằng phương pháp DoG..................................... 229
Hình 5.14. Minh họa tăng cường độ sắc nét cho ảnh bởi tốn tử Laplacian....................... 230
Hình 6.1. Minh họa đồ thị hàm cos(t) và cos(27it).................................................................. 234

Hình 6.2. Minh họa cho sự thay đổi chậm của cường độ sáng..............................................235
Hình 6.3. Minh họa cho sự thay đối mạnh của cường độ sáng............................................. 235
Hình 6.4. Minh họa cho thành phần tần số thấp (1) và thành phần tần số cao (2).............. 235

Hình 6.5. Minh họa biến đổi Fourier cho ảnh......................................................................... 238
Hình 6.6. Minh họa biến đối ngược Fourier............................................................................ 242

14


Hình 6.7. Sơ đồ lọc ảnh trên miền tần số................................................................................. 245
Hình 6.8. Minh họa bộ lọc thơng thấp lý tường...................................................................... 245

Hình 6.9. Minh họa ảnh sau khi lọc thơng thấp lý tường.......................................................246

Hình 6.10. Minh họa bộ lọc thơng thấp Gaussian...................................................................247
Hình 6.11. Minh họa ảnh được lọc bởi bộ lọc thông thấp Gaussian.................................... 247
Hình 6.12. Minh họa bộ lọc thơng thấp ButterWorth.............................................................248

Hình 6.13. Ánh sau khi được lọc bởi bộ lọc thơng thấp ButterWorth..................................248
Hình 6.14. Minh họa bộ lọc thơng cao lý tường..................................................................... 249
Hình 6.15. Ảnh sau khi được lọc bởi bộ lọc thơng cao lý tường.......................................... 249

Hình 6.16. Minh họa bộ lọc thơng cao Gaussian.................................................................... 250
Hình 6.17. Ảnh sau khi được lọc bởi bộ lọc thơng cao Gaussian......................................... 250

Hình 6.18. Minh họa bộ lọc thơng cao ButterWorth.............................................................. 251
Hình 6.19. Ánh sau khi được lọc bởi bộ lọc thông cao ButterWorth................................... 251
Hình 7.1. Minh họa ma trận biến đối Haar kích thước 8x8................................................. 258
Hình 7.2. Hình minh họa biến đổi Haar thuận........................................................................ 259
Hình 7.3. Hình minh họa biến đổi Haar ngược....................................................................... 261
Hình 7.4. Hình minh họa biến đổi DCT thuận........................................................................ 262

Hình 7.5. Minh họa cho ma trận biến đổi DCT kích thước8x8.......................................... 264
Hình 7.6. Hình minh họa biến đổi ngược DCT....................................................................... 268
Hình 7.7. Minh họa ma trận Hartley 8x8............................................................................... 272

Hình 8.1. Hình minh họa cho hai cách duyệt ảnh................................................................... 292
Hình 8.2. Cấu trúc của từ điển.................................................................................................. 295

Hình 9.1. Minh họa phần tử cấu trúc giao với ảnh................................................................. 302

Hình 9.2. Minh họa phần tử cấu trúc hình kim cương........................................................... 302

Hình 9.3. Minh họa phần tử cấu trúc hình đĩa........................................................................ 303
Hình 9.4. Minh họa phần tử cấu trúc đường thắng................................................................ 303

15


Hình 9.5. Minh họa hợp của hai ma trận nhị phân................................................................ 304
Hình 9.6. Minh họa hợp của hai ảnh nhị phân A và B.......................................................... 304

Hình 9.7. Minh họa giao của hai ma trận nhị phân................................................................ 304
Hình 9.8. Minh họa giao của hai ảnh nhị phân A và B......................................................... 305
Hình 9.9. Minh họa phần bù tuyệt đối của ma trận nhị phân A............................................ 305

Hình 9.10. Minh họa phần bù tuyệt đối của ảnh nhị phân A................................................. 305
Hình 9.11. Minh họa phần bù tưong đối của hai ma trận nhị phân A và B......................... 306
Hình 9.12. Minh họa phần bù tương đối của hai ảnh nhị phân A và B................................ 306

Hình 9.13. Minh họa phép phản xạ (xoay 180 độ) của ma trận nhị phân A...................... 307
Hình 9.14. Minh họa phép tịnh tiến của ma trận nhị phân A............................................... 307
Hình 9.15. Minh họa phép co ảnh nhị phân.............................................................................308
Hình 9.16. Minh họa phép dãn nở............................................................................................ 309
Hình 9.17. Minh họa ứng dụng của phép co ảnh................................................................... 309

Hình 9.18. Minh họa ứng dụng của phép mờ ảnh................................................................. 310
Hình 9.19. Minh họa ứng dụng của phép đóng ảnh.............................................................. 311

16


DANH MỤC THUẬT NGỮ

Từ/cụm
từ
•

STT

Nghĩa

1

Image Negative Transformation

Phép biến đối âm bản

2

Log Transformation

Phép biến đối logarit

3

Piecewise Linear Transformation

Biến đổi tuyến tính từng khúc

4

Intensity-Level Slicing

Cắt theo mức cường độ

5

Bit-Plane Slicing

Cắt theo mặt phang bit

6

Histogram Equalization (HE)

Cân bang Histogram

7

Histogram Matching

Khóp Histogram

8

Linear Spatial Filter

Bộ lọc khơng gian tuyến tính

9

Non-Linear Spatial Filter

Bộ lọc khơng gian phi tuyến

10

Arithmetic Mean Filter

Bộ lọc trung bình số học

11

Binomial Filter

Bộ lọc nhị thức

12

Gaussian Filter

Bộ lọc Gauss

13

Median Filter

Bộ lọc trung vị

14

Midpoint Filter

Bộ lọc trung điểm

15

Geometric Mean Filter

Bộ lọc trung bình hình học

16

Harmonic Mean Filter

Bộ lọc trung bình điều hịa

17

Contra-harmonic Mean Filter

Bộ lọc trung bình bù điều hịa

18

Alpha-Trimmed Mean Filter

Bộ lọc trung bình cat alpha

17


18

19

Ideal Lowpass Filter

Bộ lọc thông thấp lý tưởng

20

Gaussian Lowpass Filter

Bộ lọc thông thấp Gaussian

21

ButterWorth Lowpass Filter

Bộ lọc thông thấp ButterWorth

22

Ideal Highpass Filter

Bộ lọc thông cao lý tường

23

Gaussian Highpass Filter

Bộ lọc thông cao Gaussian

24

ButterWorth Highpass Filter

Bộ lọc thông cao ButterWorth

25

Discrete Fourier Transform (DFT)

Biến đối Fourier rời rạc

26

Discrete Cosine Transform (DCT)

Biến đổi Cosin rời rạc

27

Discrete Haar Transform (DHT)

Biến đổi Haar rời rạc

28

Run-length encoding (RLE)

Mã hóa mạch dài

29

Dialtion

Phép dãn nở

30

Erosion

Phép co


Chương 1

CÁC KHÁI NIỆM Cơ BẢN TRONG xử LÝ ẢNH
Các nội dung chính được đề cập trong chương này:

- Các vấn đề cơ bản của xử lý ảnh số.
- Nguồn gốc của xử lý ảnh số và một số lĩnh vực ứng dụng.
- Các thành phần của hệ thống xử lý ảnh.
- Giới thiệu ảnh số và biểu diễn ảnh số.

- Một số công cụ cơ bản của xử lý ảnh số.

1.1. CÁC VẤN ĐỀ Cơ BẢN CỦA xử LÝ ẢNH SỐ
Trước hết, để có cái nhìn tổng quan về xử lý ảnh số, phần này giới thiệu các vấn đề cơ
bản trong xử lý ảnh số.
Việc xử lý ảnh số bao gồm một số vấn đề như sau:

1) Thu nhận ảnh.
2) Nâng cao chất lượng ảnh.
3) Phục hồi ảnh.
4) Xử lý ảnh màu.

5) Biến đổi ảnh.
6) Nén ảnh.
7) Xử lý hình thái.

8) Phân đoạn ảnh.
Các vấn đề của xử lý ảnh được minh họa như trong hình 1.1.

19


Hình 1.1. Các vấn đề trong xử lý ảnh.

Khi xử lý ảnh, tùy thuộc vào nhiệm vụ đặt ra mà chúng ta có thế lựa chọn các nội dung
xử lý cho phù họp. Đầu ra của các vấn đề từ 1 đến 7 cho chúng ta một hình ảnh, vấn đề 8
cho đầu ra là các thuộc tính của hình ảnh. Trong mỗi quá trình xử lý, cơ sở tri thức có thế
được sử dụng đế hỗ trợ.
1) Thu nhận hình ảnh

Thu nhận ảnh (Image Acquisition) là quá trình đầu tiên của xử lý ảnh kỹ thuật số. Hình
ảnh được chụp bằng cảm biến (ví dụ: máy ảnh, máy quay phim) và được số hóa. Neu đầu ra
của máy ảnh hoặc cảm biến khơng ở dạng kỹ thuật số, có thể sử dụng bộ chuyến đối từ kỹ
thuật tương tự sang kỹ thuật số. Nói cách khác, bước thu nhận hình ảnh có thế đơn giản như
việc đưa một hình ảnh đã ở dạng kỹ thuật số vào xử lý.

2) Nâng cao chất lượng ảnh
Nâng cao chất lượng hình ảnh (Image Enhancement) là quá trình xử lý một hình ảnh
để tạo ra hình ảnh kết quả tốt hơn so với hình ảnh đầu vào. Việc nâng cao chất lượng này
phục vụ cho các ứng dụng cụ thể. Ví dụ, một phương pháp tăng cường chất lượng ảnh khá
hữu ích để tăng cường cho hình ảnh tia X nhưng có thể không phải là một cách tiếp cận tốt

nhất để tăng cường hình ảnh vệ tinh được chụp trong dải hồng ngoại của phổ điện từ. Mục
đích của q trình này là làm nổi bật các chi tiết bị che khuất hoặc đơn giản là làm nổi bật
một số đặc điểm quan tâm trong hình ảnh. Chẳng hạn như điều chỉnh cường độ sáng, độ

tương phản, làm sắc nét ảnh. Chương 3, 4, 5 và 6 của cuốn giáo trình này sẽ trình bày một
số phương pháp tăng cường chất lượng ảnh thường được sử dụng.

20


3) Phục hồi ảnh
Phục hồi ảnh (Image Restoration) cũng là một quá trình liên quan đến việc cải thiện
hình ảnh. Tuy nhiên, không giống như tăng cường chất lượng ảnh là chú quan, phục hồi ảnh
là khách quan, theo nghĩa là các kỹ thuật phục hồi ảnh có xu hướng dựa trên các mơ hình
tốn học hoặc xác suất của sự suy giảm chất lượng hình ảnh.

4) Xử lý ảnh màu
Xử lý ảnh màu (Color Image Processing) ngày càng trờ nên quan trọng do việc sử
dụng hình ảnh kỹ thuật số gia tăng đáng kể. Rất nhiều các ứng dụng xử lý ảnh không thao
tác trực tiếp trên từng kênh màu của ảnh RGB mà chỉ thao tác trên kênh xám của ảnh màu.
Do đó, cần có phải có sự chuyển đổi từ không gian màu RBG sang các không gian màu khác
để thuận tiện cho việc xử lý. Chương 2 của cuốn giáo trình này trình bày một số mơ hình
màu và cách biến đổi từ mơ hình màu RGB sang các mơ hình màu khác và ngược lại.

5) Biến đối ảnh

Biến đổi ảnh (Image Transformation) là quá trình biến đổi hình ảnh sang các loại biểu
diễn khác. Việc biến đổi ảnh có thể phục vụ cho các loại ứng dụng khác nhau như: nén ảnh,
lọc ảnh, hay tăng cường chất lượng ảnh. Một số phép biến đổi cơ bản thường được sử dụng

sẽ được giới thiệu trong chương 7.
6) Nén ảnh

Nén ánh (Image Compression) là quá trình làm giảm dung lượng lưu trữ cần thiết cho
một hình ảnh hoặc băng thơng cần thiết để truyền tải hình ảnh đó. Với sự phát triển của các
cồng nghệ mới, dung lượng lưu trữ dữ liệu đã được cải thiện đáng kể trong thập kỷ qua. Tuy
nhiên, các kỳ thuật nén vẫn đóng vai trị quan trọng trong việc truyền tải hình ảnh qua mạng
Internet. Ví dụ, một chuẩn nén hình ảnh quen thuộc thường được sử dụng là JPEG (Joint

Photographic Experts Group). Một so giải thuật nén ảnh cơ bản được giới thiệu trong chương
8 của cuốn giáo trình này.

7) Xử lý hình thái
Xử lý hình thái (Morphological Processing) là q trình trích xuất các thành phần hữu
ích trong việc biểu diễn và mơ tả hình dạng. Chương 9 của cuốn giáo trình này giới thiệu về

các phép tốn hình thái.
8) Phân đoạn ảnh
Phân đoạn ảnh (Image Segmentation) là quá trình phân vùng hình ảnh thành các phần
hoặc đối tượng cấu thành của nó. Nói chung, phân đoạn tự động là một trong những q
trình khó nhất trong xử lý ảnh kỹ thuật số. Việc phân đoạn càng chính xác thì khả năng thành
cơng của việc phân loại đối tượng tự động càng cao.

21

1.2. CÁC NHIỆM VỤ CỦA xử LÝ ẢNH
Thị giác là một giác quan tiên tiến nhất trong các giác quan của chúng ta, vi vậy khơng
có gì ngạc nhiên khi hình ảnh đóng vai trị quan trọng nhất trong nhận thức của con nguời.
Tuy nhiên, chúng ta bị giới hạn trong dải thị giác của phổ điện từ, máy chụp ảnh bao phủ

gần như toàn bộ phố điện từ, từ sóng gamma đến sóng vơ tuyến. Chúng có thể hoạt động
trên các hình ảnh được tạo ra bởi các nguồn sóng mà con người khơng thể nhìn thấy. Chúng

bao gồm sóng siêu âm, kính hiển vi điện tử và do máy tính tạo ra hình ảnh. Do đó, xử lý hình
ảnh kỹ thuật số bao gồm rất nhiều ứng dụng.
Xử lý ảnh có thể được chia thành các nhiệm vụ chính như sau:

- Nhiệm vụ thứ nhất tập trung vào giải quyết một số vấn đề tồn tại trên ảnh như điều

chỉnh cường độ sáng và độ tương phản, giảm nhiễu và làm sắc nét hình ảnh. Đầu vào và đầu
ra của nhiệm vụ xử lý này là hình ảnh.

- Nhiệm vụ thứ hai tập trung vào các phương pháp như phân đoạn ảnh (phân vùng
hình ảnh thành các vùng hoặc đối tượng) hoặc trích rút đặc trưng cho ảnh. Mơ tả các đối

tượng đó để biếu diễn chúng thành một hình thức phù họp cho việc xử lý trên máy tính. Với
các nhiệm vụ xử lý này, đầu vào của nó thường là hình ảnh, nhưng đầu ra của nó là các thuộc
tính được trích xuất từ các hình ảnh đó như các đường biên, đường viền của các đối tượng

riêng lẻ.

- Nhiệm vụ thứ ba liên quan đến phân loại (nhận dạng) các đối tượng.
Dựa trên các nhiệm vụ mơ tả ở trên, cuốn giáo trình xử lý ảnh này sẽ tập trung vào

nhiệm vụ thứ nhất là giới thiệu các phương pháp để nâng cao chất lượng ành.
Hình ảnh 1.2 minh họa cho việc tăng cường chất lượng ảnh ở khía cạnh cải thiện về

cường độ sáng. Hình 1.2 (a) là hình ảnh bị tối, hình 1.2 (b) và 1.2 (c) là các hình ảnh có độ

tương phản thấp. Hình 1.2 (d) là hình ảnh sau khi đã được tăng cường chất lượng.

(a)

(b)

(c)

(d)

Hình 1.2. Minh họa tảng cường ảnh về cường độ sáng và độ tương phản.

22


Hình ảnh 1.3 minh họa cho việc tăng cường chất lượng ảnh ờ khía cạnh khử nhiễu bởi
các bộ lọc khác nhau. Hình 1.3 (a) là hình ảnh bị nhiễu muối tiêu, hình 1.4 (b) là hình ảnh

được khử nhiễu bởi bộ lọc trung bình và hình 1.3 (c) là hình ảnh được khử nhiễu bởi bộ lọc
trung vị.

(b)

(a)

(c)

Hình 1.3. Minh họa việc tăng cường ảnh ở khía cạnh khử nhiễu.

(a)

(b)

Hình 1.4. Minh họa ảnh được tảng cường độ sắc nét.

Hình 1.4 minh họa cho việc tăng cường ảnh ờ khía cạnh cải thiện độ sắc nét. Hình 1.4 (a)
là một hình ảnh bị mờ, các đường biên ảnh khơng được sắc nét. Hình ảnh 1.4 (b) đã tăng
cường về độ sắc nét.

1.3. NGUỒN GỐC CỦA xử LÝ HÌNH ẢNH VÀ MỘT SỐ LĨNH vực ỨNG DỤNG
Một trong những ứng dụng đầu tiên của hình ảnh kỹ thuật số là trong ngành Báo chí,
khi những bức ảnh đầu tiên được gửi bằng cáp ngầm giữa London và New York. Việc giới
thiệu hệ thống truyền hình cáp vào đầu những năm 1920 đã giảm thời gian cần thiết để
chuyến một bức ảnh qua Đại Tây Dưong từ hon một tuần đến dưới ba giờ. Lịch sử của xử
lý hình ảnh kỹ thuật số gắn chặt với sự phát triến của máy tính kỹ thuật số. Trên thực tế, hình
ảnh kỳ thuật số địi hỏi rất nhiều khơng gian lưu trữ và sức mạnh tính tốn mà tiến bộ trong
q trình xử lý hình ảnh kỹ thuật số phụ thuộc vào sự phát triến của máy tính kỹ thuật số và

23


các công nghệ hỗ trợ, bao gồm lưu trữ dữ liệu, hiến thị và truyền tải. Các kỹ thuật xử lý hình
ảnh kỹ thuật số đã bắt đầu vào cuối những năm 1960 và phát triến mạnh mẽ cho đến nay.
Xử lý ảnh được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực. Một số lĩnh vực điển hình có thể kể

đến như y học, viễn thám và thiên văn học. Mặc dù có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực
khác nhau, tuy nhiên chúng ta có thể xét đến nguồn gốc thu nhận được những hình ảnh này
dựa trên năng lượng điện từ.
Khả kiến

Bước sóng
104

nm
10“

Hình 1.5. Minh họa các tia và bước sóng tương ứng.

Chúng ta có thể quan sát trong hình 1.5, các tia Gamma, tia X, cho đến sóng radio với
các dải bước sóng tương ứng.

1.3.1. Trong lĩnh vực y học
Trong lĩnh vực y học, các hình ảnh y tế thường được xử lý về mặt chất lượng có thế
kể đến như:

- Ánh chụp cắt lóp vi tính CT (Computed Tomography).
- Ảnh chụp X-quang.
- Ảnh chụp cộng hường từ (MRI).
- Ảnh chụp tia Gamma.
- Ánh chụp cắt lóp phát xạ Positron (Positron Emission Tomography - PET).

Việc phát minh của chụp cắt lớp vi tính CT là một trong những sự kiện quan trọng
nhất trong ứng dụng xử lý hình ảnh trong chẩn đốn y tế vào đầu những năm 1970. Chụp cắt
lớp được phát minh độc lập bởi Godfrey N. Hounseld và Giáo sư Allan M. Cormack, người
đã chia sẻ giải thưởng Nobel về y học năm 1979 cho phát minh của họ. Chụp cắt lớp vi tính

(CT) là một q trình trong đó một vịng các máy dò bao quanh một vật thế (hoặc bệnh nhân)
và nguồn tia X đồng tâm với vòng dò sẽ xoay quanh vật thể. Các tia X đi qua vật thể và được
thu thập ở đầu đối diện bởi các máy dò tương ứng trong vịng. Q trình này được lặp đi lập
lại các nguồn quay. Chụp cắt lớp bao gồm các thuật toán sử dụng dữ liệu được cảm nhận để
xây dựng một hình ảnh đại diện cho một lát cắt thông qua đối tượng. Chuyển động của vật
thể theo hướng vng góc với vịng của máy dị tạo ra một tập họp các lát cắt như vậy, tạo
thành một biểu hiện ba chiều (3-D) của bên trong vật thể. Hình 1.6 minh họa cho ảnh chụp
cắt lóp bộ não bằng CT.

24


Hình 1.6. Minh họa cho ảnh chụp cắt lớp bộ não bằng CT.

Ảnh chụp X-quang được tạo ra bằng ống tia X, là ống chân khơng có cực âm và cực

dương. Cực âm được làm nóng, khiến các electron tự do được giải phóng. Những electron
này chạy ở tốc độ cao đến cực dương. Khi các electron tấn công hạt nhân, năng lượng được
giải phóng dưới dạng bức xạ tia X. Năng lượng xuyên thấu của tia X được điều khiển bởi
một điện áp đặt trên cực dương và bởi một dịng điện áp dụng cho dây tóc ở cực âm.

Hình 1.7 cho thấy một hình ảnh chụp X-quang được tạo ra bằng cách đặt bệnh nhân
giữa nguồn tia X và phim nhạy cảm với năng lượng tia X. Cường độ của tia X được điều

chỉnh bằng sự hấp thụ khi chúng đi qua bệnh nhân.

Hình 1.7. Minh họa ảnh chụp X-quang.

Hình ảnh sử dụng tia Gamma được thu nhận bằng cách là tiêm cho bệnh nhân một chất
đồng vị phóng xạ phát ra tia Gamma khi nó phân rã. Hình ảnh được thu thập bời các máy dị

tia Gamma. Hình 1.8 cho thấy hình ảnh qt xương hồn chỉnh thu được bằng cách sử dụng
tia Gamma. Hình ảnh loại này được sử dụng đế xác định vị trí của các bệnh lý xương, chang

hạn như nhiễm trùng hoặc khối u.

25