Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng ảnh trong miền không gian

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

DƯƠNG THÚ Y HƯỜNG

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO
CHẤT LƯỢNG ẢNH TRONG
MIỀN KHÔNG GIAN

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀ NH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

HÀ NỘI - 2015


2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

DƯƠNG THÚ Y HƯỜNG

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO
CHẤT LƯỢNG ẢNH TRONG
MIỀN KHÔNG GIAN

Ngành: Công nghê ̣ thông tin
Chuyên ngành: Truyề n dƣ̃ liê ̣u và ma ̣ng máy tính
Mã số: Chuyên ngành đào ta ̣o thí điể m

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀ NH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS – TS NGÔ QUỐC TẠO

Hà Nội - 2015


3

LỜI CAM ĐOAN
Luận văn tốt nghiệp là một sản phẩm quan trọng, là sự tổng hợp các ý kiến
và kiến thức mà em đã đƣợc học và nghiên cứu trong suốt quá trình học tập của
mình tại trƣờng. Ý thức đƣợc điều đó, với tinh thần làm việc nghiêm túc, tự giác
và sự lao động miệt mài của bản thân cùng với sự hƣớng dẫn tận tình của thầy
giáo PGS-TS Ngô Quốc Tạo, nay em đã hoàn thành luận văn của mình.
Em xin cam đoan luận văn này là sản phẩm do chính em nghiên cứu và
xây dựng nên. Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Em xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã đƣợc
chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày 20 tháng 4 năm 2015
Học viên
Dƣơng Thúy Hƣờng


4

LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Công nghệ thông tin,

trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội và thầy giáo PGS-TS Ngô
Quốc Tạo đã tạo điều kiện cho em đƣợc học tập và nghiên cứu để hoàn thành
luận văn này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô, đồng nghiệp trong cơ quan
nơi em đang công tác đã tạo điều kiện cho em đƣợc học tập, nghiên cứu và hoàn
thành luận văn này.
Hà Nội, ngày 20 tháng 4 năm 2015
Học viên
Dƣơng Thúy Hƣờng


5

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. 1
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ 4
MỤC LỤC .............................................................................................................. 5
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 6
CHƢƠNG ITỔNG QUAN VỀ XƢ̉ LÝ ẢNH SỐ VÀ NÂNG CAO CHẤT
LƢỢNG ẢNH TRONG MIỀN KHÔNG GIAN ................................................... 7
1.1 Tổ ng quan về xƣ̉ lý ảnh số ........................................................................... 7
1.1.1 Giới thiê ̣u về xƣ̉ lý ảnh số .................................................................... 7
1.1.2 Các ứng dụng của xử lý ảnh số ............................................................ 9
1.1.3Các bƣớc cơ bản trong xử lý ảnh số .................................................... 10
1.2Nâng cao chấ t lƣơ ̣ng ảnh trong miề n không gianError!

Bookmark

not

Bookmark

not

defined.
CHƢƠNG IIHIÊU
̣ CHỈNH ÁNH SÁNG HÌNH ẢNHError!
defined.
2.1 Hiê ̣u chin̉ h ánh sáng dƣ̣a trên điể m ảnh . Error! Bookmark not defined.
2.1.1 Change-level Brightness..................... Error! Bookmark not defined.
2.1.2 Change-level Contrast ........................ Error! Bookmark not defined.
2.2 Hiê ̣u chin̉ h ánh sáng dƣ̣a trên histogram Error! Bookmark not defined.
2.2.1 Histogram ........................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.2 Cân bằ ng histogram ............................ Error! Bookmark not defined.
2.3 Hiệu chỉnh ánh sáng sử dụng bộ lọc laplaceError!

Bookmark

not

defined.
CHƢƠNG IIIKẾT QUẢ THƢ̣C NGHIÊM
̣ VÀ ĐÁNH GIÁ Error!

Bookmark

not defined.
3.1 Tâ ̣p dƣ̃ liê ̣u ................................................. Error! Bookmark not defined.
3.2 Mục tiêu ..................................................... Error! Bookmark not defined.
3.2 Đánh giá và so sánh ................................... Error! Bookmark not defined.

3.2.1 Công cụ ............................................... Error! Bookmark not defined.
3.2.2 Đánh giá và so sánh giữa các công cụ Error! Bookmark not defined.


6

KẾT LUẬN .......................................................... Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 11


7

LỜI MỞ ĐẦU
Xƣ̉ lý ảnh số là mô ̣t trong nhƣ̃ng liñ h vƣ̣c phát triể n rấ t nhanh của ngành
Công nghê ̣ thông tin . Trong nhƣ̃ng năm trở la ̣i đây , phầ n cƣ́ng máy tin
́ h và các
thiế t bi ̣liên quan xƣ̉ lý ảnh số đã có sƣ̣ tiế n bô ̣ vƣơ ̣t bâ ̣c về tố c đô ̣ tin
́ h toán , khả
năng lƣu trƣ̃ và xƣ̉ lý đã thúc đẩ y nghiên cƣ́u xƣ̉ lý ảnh số ngày mô ̣t đẩ y ma ̣nh
trong cả lý thuyế t và ƣ́ng du ̣ng . Khái niệm ảnh số đã trở nên thông dụng với hầu
hế t mo ̣i ngƣời trong xã hô ̣i và viê ̣c thu nhâ ̣n ảnh số bằ ng các thiế t bị cá nhân hay
chuyên du ̣ng cùng với viê ̣c đƣa vào máy tin
́ h xƣ̉ lý đã trở nên đơn giản . Nó đƣợc
ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ . Chẳ ng ha ̣n nhƣ
thị giác máy tính , rô-bố t, tìm kiếm tài liệu ảnh , hỗ trơ ̣ chẩ n đoán hình ảnh y ho ̣c ,
thiế t kế ảnh , giải trí … Xử lý ảnh số bằ ng máy tin
́ h đã giúp chúng ta thay đổ i
cách cảm nhận và sử dụng máy tính , nó đã trở thành những công cụ trực quan
quan tro ̣ng không thể thiế u trong đời số ng hằ ng ngày . Vì vậy xử lý ảnh số đã trở
thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong các chuyên ngành Công nghệ

thông tin. Với mong muố n đóng góp nghiên cƣ́u vào liñ h vƣ̣c này , em đã cho ̣n đề
tài “Nghiên cứu phƣơng pháp nâng cao chất lƣợng ảnh trong miền không gian”
làm luận văn tốt nghiệp của mình.
Luâ ̣n văn đƣơ ̣c chia làm 3 chƣơng:
Chƣơng I – Tổng quan về xử lý ảnh số và nâng cao chất lƣợng ảnh trong
miền không gian
Chƣơng II – Hiệu chỉnh ánh sáng hình ảnh
Chƣơng III – Kết quả thực nghiệm và đánh giá
Mă ̣c dù rấ t cố gắ ng nhƣng luâ ̣n văn của em chắ c chắ n không tránh khỏi
nhƣ̃ng thiế u sót . Em xin trân tro ̣ng tiế p thu tấ t cả ý kiế n đóng góp của các thầ y
cô.
Hà Nội, ngày 20 tháng 4 năm 2015
Học viên
Dƣơng Thúy Hƣờng


8

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH SỐ VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH
TRONG MIỀN KHÔNG GIAN
1.1 Tổ ng quan về xử lý ảnh số
1.1.1Giới thiê ̣u về xử lý ảnh số
Xƣ̉ lý ảnh số là một lĩnh vực mang tính khoa học và công nghệ . Nó là một
ngành khoa học mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác nhƣng tốc độ phát
triể n của nó rấ t nhanh, kích thích các trung tâm nghiên cứu , ứng dụng, đă ̣c biê ̣t là
máy tính chuyên du ̣ng riêng cho nó .
Cùng với ngôn ngữ tự nhiên , hình ảnh đã đóng góp một vai trò hết sức
quan tro ̣ng trong viê ̣c trao đổ i thông tin . Tính trực quan của hình ảnh đã giúp cho
con ngƣời hiể u rõ và sâu sắ c hơn các thôn g tin cầ n thu thâ ̣p . Ngƣời ta đã chƣ́ng

minh đƣơ ̣c rằ ng, trong tấ t cả các kênh thu nhâ ̣n thông tin của con ngƣời thì lƣơ ̣ng
thông tin thu nhâ ̣n qua kênh thi ̣giác chiế m khoảng 70%. Hình ảnh là kết quả của
viê ̣c thu nhâ ̣n và biể u diễn

của năng lƣợng ánh sáng trải dài từ tia gamma

(có

bƣớc sóng nhỏ ) đến sóng radio (có bƣớc sóng lớn ). Tuy nhiên , mắ t ngƣời chỉ
cảm nhận đƣợc một vùng giới hạn rất nhỏ trong phổ điện từ . Ngƣơ ̣c la ̣i, máy tính
có thể đo ̣c đƣơ ̣c mô ̣t vùng rấ t rô ̣ng trong phổ điê ̣n tƣ̀

, tƣ̀ tia gamma đế n sóng

radio. Nó có thể biểu diễn và xử lý những bức ảnh đƣợc sinh ra bởi những nguồn
mà con ngƣời không thể nhận biết đƣợc , nhƣ ảnh siêu âm , ảnh hồng ngo ại, ảnh
trong vùng tia X, … Do đó xƣ̉ lý ảnh có mô ̣t pha ̣m vi ƣ́ng du ̣ng tƣơng đố i rô ̣ng.
Xƣ̉ lý ảnh số là một trong những cách tiếp cận phân tích , tổ ng hơ ̣p hình
ảnh theo ý tƣởng và mục đích của ngƣời sử dụng

. Tuy xƣ̉ lý ản h là mô ̣t trong

nhƣ̃ng khoa ho ̣c còn tƣơng đố i mới so với nhiề u ngành kho ho ̣c khác

, song

nhƣ̃ng năm gầ n đây , xƣ̉ lý ảnh và đồ ho ̣a đã phát triể n mô ̣t cách ma ̣nh mẽ và đã
gă ̣t hái đƣơ ̣c nhiề u thành công góp phầ n vào sƣ̣ phát triể n chung của ngành công
nghê ̣ thông tin.
Các phƣơng pháp xử lý ảnh số bắ t nguồ n tƣ̀ hai ƣ́ng du ̣ng : nâng cao chấ t

lƣơ ̣ng thông tin hiǹ h ảnh đố i với mắ t ngƣời và xƣ̉ lý số liê ̣u cho máy tƣ̣ đô ̣ng

.

Mô ̣t trong nhƣ̃ng ƣ́ng du ̣ng đầ u tiên của xử lý ảnh là nâng cao chất lƣợng ảnh báo


9

truyề n qua cáp giƣ̃a London và NewYork vào nhƣ̃ng năm 192x. Thiế t bi ̣đă ̣c biê ̣t
mã hóa hình ảnh (báo), truyề n qua cáp và khôi phu ̣c la ̣i ở phía thu . Vấ n đề nâng
cao chấ t lƣơ ̣ng hiǹ h ảnh lúc đầu có liên quan đến việc lựa chọn quá trình in và
phân bố các mƣ́c sáng (tông và đô ̣ phân giải của ảnh).
Hê ̣ thố ng đầ u tiên (Bartlane) có khả năng mã hóa hình ảnh với

5 mƣ́c

sáng. Khả năng này tăng lên 15 mƣ́c vào 1929. Viê ̣c nâng cao chấ t lƣơ ̣ng ảnh
bằ ng các phƣơng pháp xƣ̉ lý để truyề n ảnh đƣơ ̣c nghiên cƣ́u 35 năm sau đó . Năm
1964, các bức ảnh chụp mặt trăng đƣợc vệ tinh Ranger 7 (Mỹ) truyề n về trái đấ t ,
đƣơ ̣c xƣ̉ lý bằ ng máy tiń h để sƣ̉a méo (gây ra do camera truyề n hin
̀ h đă ̣t trên vê ̣
tinh ở các góc đô ̣ khác nhau ). Các kỹ thuật cơ bản cho phép nâng cao chất lƣợng
hình ảnh nhƣ làm nổi đƣờng biên và lƣu hình ảnh.
Từ năm 1964 đến nay, phạm vi xử lý ảnh số lớn ma ̣nh không ngƣ̀ng . Các
kỹ thuật xử lý ảnh số hiê ̣n nay đƣơ ̣c sƣ̉ du ̣ng để giải quyế t hàng loa ̣t các vấ n đề ,
nhằ m nâng cao chấ t lƣơ ̣ng thông tin hin
̀ h ảnh.
Trong y ho ̣c , các thuật toán máy tính nâng cao độ tƣơng phản

, hoă ̣c mã

hóa các mƣ́c sáng thành các màu để nô ̣i suy ảnh X -Quang và các hin
̀ h ảnh y sinh
học dễ dàng.Các nhà địa vật lý sử dụng kỹ thuật tƣơng tự để nghiên cứu các mẫu
vâ ̣t chấ t tƣ̀ vê ̣ tinh.Các thuật toán nâng cao chất lƣợng ảnh và khô i phu ̣c hin
̀ h ảnh
đƣơ ̣c sƣ̉ du ̣ng để xƣ̉ lý hiǹ h ảnh giảm chấ t lƣơ ̣ng

. Trong thiên văn ho ̣c , các

phƣơng pháp xƣ̉ lý ảnh nhằ m khôi phu ̣c hình ảnh bi ̣nhiễu hoă ̣c bi ̣mấ t do bóng
(artifacts) sau khi chụp. Trong vâ ̣t lý và các liñ h vƣ̣c có liên quan , kỹ thuật máy
tính nâng cao đƣợc chất lƣợng ảnh trong các lĩnh vực nhƣ Plamas (có năng lƣợng
cao) và microscopy điện tử . Tƣơng tƣ̣, ngƣời ta đã ƣ́ng du ̣ng xƣ̉ lý ảnh có kế t quả
tố t trong viễn thám , sinh ho ̣c, y tế h ạt nhân, quân sƣ̣, công nghiê ̣p … Nâng cao
chấ t lƣơ ̣ng và khôi phu ̣c ảnh bi ̣nhiễu là quá trình xƣ̉ lý ảnh dùng cho mu ̣c đích
nô ̣i suy của mắ t ngƣời . Lĩnh vực ứng dụng quan trọng thứ hai là xử lý ảnh số gắn
liề n với viê ̣c cảm nhâ ̣n của máy . Trong liñ h vƣ̣c thƣ́ hai , các cố gắng đều tập
trung vào các quá trình trích thông tin ảnh và chuyể n thành da ̣ng

thích hợp cho

xƣ̉ lý máy tiń h . Nhƣ̃ng vẫn đề tiêu biể u của kỹ thuâ ̣t xƣ̉ lý ảnh số đƣơ ̣c ƣ́ng du ̣ng
nhiề u trong thƣ̣c tế , có thể kể nhƣ : tƣ̣ động nhận dạng đặc trƣng , máy nhìn công


10

nghiê ̣p để điề u khiể n và kiể m tra sản phẩ m , nhâ ̣n da ̣ng mu ̣c tiêu quân sƣ̣ , tƣ̣ đô ̣ng

xƣ̉ lý vân tay , hiể n thi ̣lên màn hình ảnh X -Quang và các mẫu máu, xƣ̉ lý bằ ng
máy các hình ảnh chụp từ vệ tinh để dự báo thời tiết

, nén ảnh để lƣu và truyền

đƣơ ̣c nhiề u hơn tiń hiê ̣u ảnh trong thông tin , máy tính, truyề n hin
̀ h thông thƣờng
và truyền hình có độ phân giải cao.
1.1.2 Các ứng dụng của xử lý ảnh số
Xƣ̉ lý ảnh số có nhiều ứng dụng trong thực tế .Mô ̣t trong nhƣ̃ng ƣ́ng du ̣ng
sớm nhấ t là xƣ̉ lý ảnh tƣ̀ nhiê ̣m vu ̣ Ranger 7 tại phòng thí nghiệm JetPulsion vào
nhƣ̃ng năm đầ u của thâ ̣p kỷ 60. Hê ̣ thố ng chụp hình gắn trên tàu vũ trụ có một số
hạn chế về kích thƣớc và trọng lƣợng , do đó ảnh nhâ ̣n đƣơ ̣c bi ̣giảm chấ t lƣơ ̣ng
nhƣ bi ̣mờ , méo hình học và nhiễu nền . Các ảnh đó đƣợc xử lý thành công nhờ
máy tính số. Hình ảnh của mă ̣t trăng và sao hỏa mà chúng ta thấ y trong tấ t cả các
tạp chí đều đƣợc xử lý bằng những máy tính số . Ngày nay, hầ u hế t các thông tin
ảnh đều đƣợc chuyển sang dạng ảnh số . Vì vậy, trong gầ n nhƣ tấ t cả các liñ h vƣ̣c
của các ngành kỹ thuật đều có ít nhiều liên quan đến ảnh số và sử dụng kỹ thuật
xƣ̉ lý ảnh số .Ứng dụng của xử lý ảnh có khả năng tác động mạnh mẽ nhất đến
cuô ̣c số ng của chúng ta là liñ h vƣ̣c y tế . Soi chu ̣p ả nh bằ ng máy tính dƣ̣a trên cơ
sở đinh
̣ lý cắ t lớp (project slice) đƣơ ̣c dùng thƣờng xuyên trong xét nghiê ̣m lâm
sàng, ví dụ phát hiện và nhận dạng u não. Nhƣ̃ng ƣ́ng du ̣ng y khoa khác của xƣ̉ lý
ảnh gồm cải thiện ảnh X -Quang và nhâ ̣n da ̣ng đƣờng biên ma ̣ch máu tƣ̀ nhƣ̃ng
ảnh chụp bằng tia X.
Có những ứng dụng khác gần gũi hơn với cuộc sống gia đình là cải tiến
ảnh tivi. Hình ảnh trên màn hình tivi có các khuyết tật do độ phân giải hạn chế , bị
rung rinh, nhiề u nề n và trƣơ ̣t hin
̀ h do đan dòng ở nhƣ̃ng mƣ́c đô ̣ khác nhau . Xƣ̉ lý
ảnh số có tác động quyết định đến việc cải thiện chất lƣợng hình ảnh của nhữ ng

hê ̣ truyề n hiǹ h hiê ̣n ta ̣i và làm phát triển những hệ truyền h ình mới có độ phân
giải cao. Mô ̣t vấ n đề nƣ̃a của truyề n thông video nhƣ hô ̣i nghi ̣video , điê ̣n thoa ̣i
video là cầ n có dải tầ n rô ̣ng .Viê ̣c mã hóa thẳ ng chƣơng trình video chấ t lƣơ ̣ng
yêu cầ u đế n 100 triê ̣u bit/giây. Nế u hy sinh mô ̣t phầ n chấ t lƣơ ̣ng và dùng các sơ


11

đồ mã hóa ảnh số thì có thể đƣa ra thi ̣trƣờng nhƣ̃ng hê ̣ truyề n hin
̀ h chấ t lƣơ ̣ng đủ
rõ với nhịp bit chỉ dƣới 100 nghìn bit/giây.
Ngƣời máy càng ngày càng đóng vai trò quan tro ̣ng trong công ng hiê ̣p và
gia điǹ h. Chúng sẽ thực hiện những công việc rất nhàm chán hoặc nguy hiểm và
nhƣ̃ng công viê ̣c mà tố c đô ̣ và chính xác vƣơ ̣t quá khả năng của con ngƣời

. Khi

ngƣời máy trở nên tinh vi hơn , thị giác máy tính sẽ đóng v ai trò ngày càng quan
trọng. Ngƣời ta sẽ đòi hỏi ngƣời máy không nhƣ̃ng phát hiê ̣n và nhâ ̣n da ̣ng các
bô ̣ phâ ̣n công nghiê ̣p , mà còn “hiểu” đƣợc những gì chúng “thấy” và đƣa ra
nhƣ̃ng hành đô ̣ng phù hơ ̣p . Xƣ̉ lý ảnh số có tác đ ộng rất lớn đến thị giác máy
tính.
Ngoài những ứng dụng trên thì còn bao gồm các ứng dụng trong các lĩnh
vƣ̣c nhƣ điê ̣n tƣ̉ gia đình , thiên văn ho ̣c, sinh vâ ̣t ho ̣c, vâ ̣t lý, nông nghiê ̣p, điạ lý,
nhân chủng ho ̣c và nhiề u liñ h v

ực khác . Khả năng nhìn và nghe thấy là hai

phƣơng tiê ̣n quan tro ̣ng nhấ t để con ngƣời nhâ ̣n thƣ́c thế giới bên ngoài , do vâ ̣y
không có gì đáng nga ̣c nhiên khi mà xƣ̉ lý ảnh số có nhiề u khả năng ƣ́ng du ̣ng

,

không chỉ trong khoa ho ̣c kỹ thuật mà còn cả trong mọi hoạt động khác của con
ngƣời.
1.1.3 Các bước cơ bản trong xử lý ảnh số
Con ngƣời thu nhận thông tin qua các giác quan, trong đó thị giác đóng vai trò
quan trọng nhất. Những năm trở lại đây với sự phát triển của phần cứng máy tính, xử
lý ảnh và đồ họa phát triển một cách mạnh mẽ và có nhiều ứng dụng trong cuộc
sống.Xử lý ảnh và đồ họa đóng một vai trò quan trọng trong tƣơng tác ngƣời máy.
Quá trình xử lý ảnh đƣợc xem nhƣ là quá trình thao tác ảnh đầu vào nhằm
cho ra kết quả mong muốn.Kết quả đầu ra của một quá trình xử lý ảnh có thể là
một ảnh “tốt hơn” hoặc một kết luận.

Hình 1.1 Quá trình xử lý ảnh
(Nguồn: Tài liệu tham khảo [1])


12

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] PGS. TS. Đỗ Năng Toàn, TS. Phạm Việt Bình, “Giáo trình xử lý ảnh
số”, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2008.
[2] Võ Đức Khánh, “Giáo trình xử lý ảnh”, NXB Thống kê, Hà Nội,
2003.
[3] Nguyễn Trọng Vinh, “Báo cáo NCKH: Nghiên cứu một số kỹ thuật
hiệu chỉnh góc nghiêng của ảnh”,2011.
Tiếng Anh
[4] R.G. Gonzalez and R.E. Woods, “Digital Image Processing” 3rd ed.

Publishing House of Electronics Industry, Beijing
[5] Lu Yuan, Jian Sun, “Automatic Exposure Correction of Consumer
Photographs”, ECCV 2012
[6]
system.html

/>