Tìm hiểu sự ra đời của cơ sở xủ lý ảnh phần 7 pot

Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh
31
Khi N nhỏ, có thể nhận ra là những ánh chớp rời nhau. Khi N tăng lên, ánh sáng nhấp
nháy làm ngời quan sát khó chịu. Khi chúng ta tăng N hơn nữa, khó nhận ra là ánh
sáng đang nhấp nháy và ngời quan sát có thể không phát hiện đợc cờng độ sáng
biến thiên theo thời gian. Tần số tại điểm mà ngời quan sát cảm nhận ánh sáng phát
liên tục gọi là tần số ánh sáng nhấp nháy tới hạn (critical flicker frequency) hoặc tần số
hoà đồng (fusio n). Tần số hoà đồng tăng khi kích cỡ và tổng cờng độ phát sáng của
nguồn nhấp nháy tăng. Tần số hoà đồng có thể nhỏ bằng vài chu kỳ/giây với nguồn
sáng nhỏ lờ mờ, và có thể vợt quá 100 chu kỳ/giây với nguồn sáng kích cỡ lớn và
cờng độ sáng lớn hơn.
ánh sáng gián đoạn thông dụng trong cuộc sống hàng ngày. ánh sáng huỳnh
quang không phát liên tục, nhng nhấp nháy với tốc độ đủ cao (hơn 100 lần/giây) nên
tạo ra cảm giác liên tục trong những điều kiện quan sát điển hình. Tránh sự cảm nhận
ánh sáng nhấp nháy là yếu tố quan trọng quyết định tốc độ phục hồi màn đèn hình (đèn
tia âm cực, cathode ray tube, - CRT ). Nh sẽ thảo luận sâu hơn trong tiết 4, màn hiển
thị đèn hình chỉ đợc chiếu sáng trong một khoảng thời gian ngắn. Để một ảnh đợc
hiển thị liên tục ng ời xem không cảm thấy nháy, màn hình phải đợc phục hồi ở tốc
độ đủ cao. Chẳng hạn, màn hiển thị đèn hình đợc làm sáng 60 lần/giây. Với tỉ lệ ken
dòng 2:1, nh trong hệ truyền hình NTSC, điều này ứng với 30 mành/giây. Với ảnh
động hiện 24 mành/giây, một mành hiện 2 lần. Nh vậy tốc độ nhấp nháy hiệu dụng là
48 mành/giây. Với điện ảnh, khi chiếu phim trong rạp rất tối nên làm giảm tần số hoà
đồng xuống duới 40 chu kỳ/giây. Vì lý do này, xem ảnh động không thấy nháy, ngay
cả khi màn hình tối đến gần một nửa thời gian.
Tuy mỗi mành của điện ảnh hoặc truyền hình không động đậy thật sự, và chỉ
một số có hạn mành đợc chiếu trong một giây, các vật trong cảnh xuất hiện với
chuyển động liên tục. Hiệu ứng này gọi là sự thể hiện dịch chuyển ( motion rendition ),
liên quan chặt chẽ đến hiện tợng phi (

) . Xét hai nguồn sáng xung động (pulsating) ở
cách nhau gần 1

0
của góc nhìn từ ngời quan sát . Khi mỗi nguồn loé lên 1 ms và thời
gian cách nhau 10 ms, ta thấy nh ánh sáng đổi ngôi liên tục từ nguồn nọ sang nguồn
kia. Khi thời gian cách nhau chỉ là 1 ms, ta thấy nh hai nguồn loé sáng đồng thời. Khi
thời gian cách nhau lớn hơn 1 giây, ta thấy đợc là hai nguồn sáng nhấp nháy riêng
biệt. Đó là hiện tợng phi.
Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh
32
Nói chung, tốc độ mành đủ cao để tránh ánh sáng nhấp nháy cũng lại thích hợp
với sự thể hiện dịch chuyển. Việc một vật thể hiện chuyển động liên tục trên màn ảnh
hoặc màn truyền hình không nhất thiết đòi hỏi tốc độ lấy mẫu trong miền thời gian phải
lớn hơn tốc độ Nyquist. Với các vật sự chuyển độn g đủ nhanh thì lấy mẫu theo miền
thời gian 24 lần/giây hoặc 30 lần/giây là thấp hơn tốc độ Nyq uist nhiều, và xảy ra hiệu
ứng ảnh giả tạm thời (temporal aliasing) . Hiệu ứng này không phải bao giờ cũng gây ra
gián đoạn chuyển động .Trong phim, đôi khi chú ng ta thấy bánh xe chuyển động liên
tục, nhng ngợc chiều. Trong trờng hợp này, thể hiện đợc sự dịch chuy ển , nhng
có hiệu ứng ảnh giả tạm thời (temporal aliasing) nghiêm trọng xảy ra. Hiểu biết hiện tại
của chúng ta về hiệu ứng ánh sáng lập loè, sự dịch chuyển, hiệu ứng ảnh giả tạm thời
(temporal aliasing), và mối tuơng quan giữa chúng còn rất hạn chế. Hiểu toàn diện chủ
đề này sẽ có ích trong một số ứng dụng chẳng hạn nh giảm tốc độ bít bằng bỏ bớt một
số khung trong một chuỗi khung ảnh.
4. Hệ thống xử lý ảnh
4.1 Tổng quan hệ thống xử lý ả nh
Một hệ xử lý ảnh điển hình có xử lý số tín hiệu đợc biểu diễn trong hình 1.25.
Nguồn ảnh đầu vào I(x,y) là một vật hoặc một cảnh tự nhiên, nhng nó cũng có thể
đợc tạo ra bởi một hệ thống khác, nh bộ lọc, đèn hình CRT hoặc máy viđêô catxet
(VCR). Bộ số hoá chuyển tín hiệu nguồn đầu vào thành tín hiệu điện mà biên độ biểu
diễn cờng độ ảnh và sau đó đem số hoá nó bằng bộ chuyển đổi tơng tự -số (A/D).
Hình 1.25. Hệ thống xử lý ảnh điển hình.
Sau đó chuỗi f(n

1
,n
2
) ở đầu ra bộ số hoá đợc xử lý bởi m ột giải thuật (algôrit)
xử lý ảnh số. Algôrit này có thể cài trên máy tính, bộ vi xử lý, hoặc một phần cứng
chuyên dụng. Algôrit cụ thể đợc sử dụng phụ thuộc vào mục đích xử lý, có thể là cải
thiện ảnh, phục hồi ảnh, mã hoá ảnh, lý giải ảnh, hoặc một tổ h ợp bất kỳ của chúng.
I(x,y)
I(x,y)
f(n
1
,n
2
)
Bộ số hoá
Xử lý số
ảnh đầu vào
ảnh đầu ra
Hiển thị
g(n
1
,n
2
)
Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh
33
Kết quả xử lý đợc hiển thị cho ngời dùng xem, nhng đôi khi cũng đa vào đầu vào
một hệ thống khác. Bộ hiển thị đợc dùng là đèn hình CRT, nhng cũng có thể là bức
ảnh hoặc băng viđêô catxet. Nếu kết quả là một biểu diễn bằng ký hiệu nh trong lý
giải ảnh, thì thiết bị hiển thị có thể là máy in.

4.2 Bộ số hoá
Bộ số hoá chuyển nguồn ảnh đầu vào thành tín hiệu điện và lấy mẫu tín hiệu
điện, sử dụng bộ chuyển đổi A/D. Các chức năng cụ thể của bộ số hoá phụ thuộc nguồn
ảnh đầu vào. Khi đầu vào là tín hiệu điện, nh trờng hợp băng viđêô catxet VCR, bộ
số hoá giao diện với nguồn đầu vào và đợc sử dụng để lấy mẫu tín hiệu điện tuỳ theo
khuôn dạng đợc dùng trong khâu chuyển đổi nguồn đầu vào thành tín hiệu điện.
Khi nguồn đầu vào là ảnh, một camera điện tử chuyển ảnh thành tín hiệu điện,
và kết qủa đợc số hoá bằng bộ chuyển đổi A/D. Trong một số hệ thống camera, các
đờng dẫn song song cho phép đo đồng thời cờng độ ánh sáng tại nhiều điểm trong
không gian. Tuy nhiên, trong hệ điển hình chỉ có một đờng, và tại một thời điểm đã
cho chỉ có thể đo cờng độ ánh sáng tại một điểm. Trong trờng hợp này, dùng một bộ
quét để tuần tự quét hết bề mặt ảnh đầu vào. Trong hầu hết bộ quét, một khe nhỏ quét
ảnh theo một lộ trình nhất định gọi là trờn g quét (raster). Cờng độ sáng nhận đợc
trên bề mặt khe nhỏ đợc chuyển thành tín hiệu điện và đo, giá trị đo đợc coi là với
cờng độ ảnh tại điểm không gian đó. Quá trình này có thể xem nh phép nhân chập
cờng độ ảnh đầu vào I(x,y) với khe rồi lấy mẫu tích chập. Nh vậy, hiệu quả của khe
là lọc thông thấp I(x,y). Điều đó giới hạn độ phân giải không gian I(x,y) và có thể sử
dụng để làm giảm méo dạng bậc thang (antialiasing), cần thiết trong bộ biến đổi A/D.
Với ảnh tĩnh, ảnh đợc quét một lần, nhng c ũng có thể quét nhiều lần và lấy trung
bình các khung để giảm nhiễu. Với ảnh động, ảnh đợc quét trong những khoảng thời
gian có tính tuần hoàn.
Khi đầu vào là phim hoặc bức ảnh, thiết bị đợc sử dụng để chuyển cờng độ
ảnh thành tín hiệu điện là một bộ q uét bằng điểm sáng lớt. Một điểm sáng nhỏ quét
nguồn đầu vào, và ánh sáng mà bức ảnh phản chiếu (hoặc truyền qua phim) đợc một
bề mặt có gắn các bộ tách sóng quang thu gom. Nguồn chấm sáng nhỏ là màn hình
CRT. Trong tiết 4.3 thảo luận chi tiết hơn về CRT .
Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh
34
Khi nguồn ảnh đầu vào là một vật hoặc một cảnh tự nhiên, thiết bị thông dụng
nhất để chuyển cờng độ ánh sáng thành tín hiệu điện là vidicon và họ hàng của nó nh

Saticon và Newvicon. Vidicon và các thiết bị cùng họ đợc dùng đến tận đầu những
năm 1980 trong tất cả mọi ứng dụng truyền hình, bao gồm camera quảng bá, camera
viđêô xách tay, camera theo dõi. Cấu trúc của một camera vidicon biểu diễn trong hình
1.26. Tại cuối ống vidicon (phía bên trái trong hình) ở bên trong vỏ bọc thuỷ tinh là
một bản ảnh. Bản này có hai lớp. Lớp đối mặt với ánh sáng từ nguồn đầu vào là một lớp
mỏng ôxyt thiếc, trong suốt với ánh sáng nhng dẫn điện.
Hình 1.26. Cấu trúc camera vidicon.
Lớp thứ hai đối mặt với súng điện tử, có phủ một lớp vật liệu nhạy sáng. ở vidicon cơ
sở vật liệu này là antimony trisulfide. ánh sáng từ nguồn đầu vào đi qua các thấu kính
quang học là cơ cấu hội tụ, thông qua bản thuỷ tinh phẳng và qua lớp thứ nhất của bản
ảnh. ánh sáng đợc hội tụ trên lớp thứ hai. Bản ảnh nhạy sáng (lớp thứ hai ) đợc quét
bởi súng điện tử và dòng điện nhận đợc là tín hiệu ra của camera, đợc một bộ chuyển
đổi A/D số hoá. Lộ trình quét là từ phải sang trái, từ dới lên trên. Vì ảnh nguồn đầu
vào bị các thấu kính đảo ngợc, nên trờng quét này tơng đơng quét từ trái sang phải
từ trên xuống dới trong mặt phẳng ảnh đầu vào.
Lớp nhạy sáng là bán dẫn, có tính cách điện khi không có ánh sáng chiếu vào.
Khi ánh sáng đập vào lớp này, điện tử di chuyển sang trong lớp ôxit thiếc dẫn điện tạo
ra điện tích dơng trên mặt bản ảnh quay về phía súng điện tử. Số điện tử chuyển động,
hoặc nói cách khác là số điện tích dơng đối diện với súng điện tử biểu diễn cờng độ
ảnh tại điểm không gian đó. Khi chùm điện tử năng lợng thấp từ súng điện tử quét lên
bản ảnh, nó phóng đủ số đ iện tử để trung hoà với các điện tích dơng. Dòng điện phóng
ánh sáng
Lớp nhạy sáng
vòng đick
bản mặt thuỷ tinh
Lớp trong suất và dẫn điện
đầu ra video
Chùm điện tử
Catôt
Dây đốt nóng

Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh
35
này đợc một vòng bia bằng kim loại dẫn điện nối liền với lớp ôxit thiếc gom lại. Dòng
điện tại vòng bia kim loại là tín hiệu camera. Điện tử xuất phát từ cực catốt, - ở đầu
cuối bên kia của đèn vidicon. Các thấu kính tĩnh điện và từ hội tụ các điện tử thành một
chùm hẹp.
Đáp ứng phổ của vidicon cơ bản với ảnh đen trắng tơng tự nh hàm hiệu suất
chói tơng đối C.I.E đã đợc thảo luận trong phần 4.2. Với ảnh mầu, một camera mầu
dùng phơng pháp qu ang học tách ánh sáng đầu vào thành các thành phần đỏ, lục và
lam. Mỗi thành phần đợc đa đến đầu vào của một camera vidicon. Nh vậy, một
camera màu chứa 3 ống vidicon riêng biệt.
Tín hiệu camera đại biểu cho cờng độ nguồn ảnh đầu vào, đợc bộ biến đổi
A/D lấy mẫu để tạo thành ảnh số. Cỡ ảnh số thông dụng là 128x128, 256x256,
512x512 và 1024x1024 điểm ảnh (pixels). Khi chúng ta giảm số pixels thì độ phân giải
không gian, - cũng gọi là độ nét, bị giảm và các chi tiết trong ảnh bắt đầu biến mất.
Biên độ mỗi pixel đợc lợng tử hoá 256 mức (biểu diễn bằng 8 bit). Thông thờng,
mỗi mức biểu thị bằng một số nguyên, 0 tơng ứng với mức tối nhất và 256 tơng ứng
với mức sáng nhất. Khi chúng ta giảm số mức lợng tử hoá biên độ, nhiễu lợng tử phụ
thuộc tín hiệu b ắt đầu xuất hiện, thoạt đầu nh là nhiễu ngẫu nhiên rồi sau đó nh là
những đờng viền giả tạo. Với ảnh mầu, mỗi thành phần đỏ, lục và lam đợc lợng tử
hoá 8 bit/pixel, tổng số là 24bit/pixel.
Vidicon và các thiết bị cùng họ đợc gọi là các cảm biến quang dẫn hoặc đèn
cảm biến (tube sensors), và đợc dùng cho đến đầu những năm 1980 trong tất cả các
ứng dụng truyền hình. Từ giữa những năm 1980, có sự phát triển vợt bậc trong lĩnh
vực sensor thể rắn. Trong một sensor thể rắn điển hình, các phần tử cảm biến xếp thành
một mảng hai chiều (2 -D) tích hợp trên một chíp. Mỗi phần tử sensor đợc đặt tại một
vị trí pixel và cảm nhận cờng độ ánh sáng tại pixel đó, một cơ cấu quét đọc các giá trị
cờng độ ở các pixel.
CCD (charge coupled device) là một ví dụ của phần tử sensor thể rắn. Khi một
mảng CCD hớng về ánh sáng, các gói điện tích tỷ lệ với cờng độ sáng phát triển. Các

gói điện tích đợc dịch đến một mảng CCD lu trữ không hớng về phía ánh sáng. Giá
trị cờng độ sáng đợc đọc từ mảng lu trữ. Các phơng phá p khác nhau đã đợc phát
triển để đọc giá trị cờng độ sáng ở mảng lu trữ, tuỳ theo cấu hình cụ thể của mảng
nhận ảnh và mảng lu trữ trong CCD.