PHÂN TÍCH và xử lý ẢNH SIÊU PHỔ (full code + .doc +slide thuyết trình)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
====o0o====

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

PHÂN TÍCH VÀ XỬ LÝ ẢNH SIÊU PHỔ DỰA TRÊN
PHƯƠNG PHÁP LỌC KHUẾCH TÁN PHI TUYẾN

Hà Nội, 05/2018


LỜI NÓI ĐẦU
Trong cuộc sống hiện nay, việc tự đặt chân lên một vùng đất nào đó để thăm
dò địa hình hay khoáng sản đã là một chuyện được rất ít người nghĩ đến. Công nghệ
viễn thám ngày nay đã được phát triển mạnh hơn rất nhiều, và việc xử lý được
những bức ảnh từ công nghệ viễn thám để đưa được ra những số liệu chính xác là
một điều rất quan trọng trong cuộc sống hiện tại. Nó giúp chúng ta có thể xác định
rõ được những vùng đất đó nên để sử dụng vào công việc gì như khai thác khoáng
sản, làm lâm nghiệp, nông nghiệp, hay cũng có thể để xây những nhà máy hoặc các
khu du lịch vui chơi giải trí. Thực tế đã cho thấy có khá nhiều vùng đất các chủ đầu
tư không nghiên cứu kỹ, sau khi xây dựng xong, tốn rất nhiều tiền vào việc xử lý cái
này, cái khác gây suy giảm kinh tế.
Báo cáo thực tập tốt nghiệp với đề tài “ Phân tích và xử lý ảnh siêu phổ bằng
phương pháp khuếch tán phi tuyến” được thực hiện nhằm giải quyết vấn đề của ảnh
siêu phổ, nhìn vào một bức ảnh siêu phổ chúng ta không thể tự đưa ra được các số
liêu chính xác, vì vậy em đã nghĩ đến một ý tưởng là đưa ra các số liệu của một bức
ảnh siêu phổ.

Cùng với việc thực hiện đề tài này em xin gửi lời đến ... đã tận tình giúp đỡ
trong quá trình hoàn thành báo cáo.
Trong quá trình thực hiện dù rất cố gắng nhưng việc sai sót và thiếu sót là
không thể tránh khỏi. Vì vậy nhóm rất mong muốn được sự giúp đỡ của thầy cô để
có thể làm đề tài chính xác và hoàn thiện hơn.


Xử lý ảnh siêu phổ bằng khuếch tán phi tuyến 2018

TÓM TẮT BÁO CÁO
Trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp, ngoài lý thuyết ảnh siêu phổ, lý thuyết lọc
khuếch tán phi tuyến, em còn nghiên cứu qua về các cách xử lý ảnh như lọc nhiễu
dò biên, tách biên ảnh, các phương pháp xử lý ảnh RGB và nhiều dạng ảnh khác. Ở
đây nội dung chính của đề tài gồm có:
Chương 1: Giới Thiệu Chung Về Đề Tài
Chương này em đưa ra các khái niệm cơ bản về xử lý ảnh, khái quát về xử lý ảnh,
và lọc nhiễu.
Chương 2: Ảnh siêu phổ và các ứng dụng trong viễn thám
Trong chương 2 em sẽ trình bày các khái niêm về ảnh siêu phổ, cấu tạo của ảnh siêu
phổ, ảnh siêu phổ được thu và cách phân tích xử lý chúng. Ứng dụng của ảnh siêu
phổ trong viễn thám cũng như việc nghiên cứu khoa học viễn thám có những tác
dụng gì trong cuộc sống hiên nay.
Chương 3: Khôi phục và làm trơn ảnh bằng PDE
Chương 3 em nêu các khái niệm về khuếch tán hay cũng trình bày chi tiết về lý
thuyết về khuếch tán tuyến tính và khuếch tán phi tuyến, những công trình của các
tác giả nghiên cứu về hai mô hình lọc này.
Chương 4: Thực nghiệm
Mô hình hóa sản phẩm và cách sử dụng sản phẩm, đánh giá kết quả và đưa ra kết
luận, hướng phát triển của sản phẩm.

2


Xử lý ảnh siêu phổ bằng khuếch tán phi tuyến 2018

ABSTRACT
In the framework of graduation thesis, in addition to the theory of imaging
spectroscopy imaging spectroscopy, we also do sutdy on image processing such as
noise filtering and edge detection, edge separation, the RGB image processing
method and many other image types. Our thesis is divided into 4 chapters:

Chapter1: An Overview
This chapter contains basic concepts of image processing, image processing
overview and noise filter.
Chapter 2: Hyperspectral imaging and applications in spectroscopy
In chapter 2, I shall present the concepts of imaging spectroscopy, compose of
imaging spectroscopy, collected imaging spectroscopy and scene analysis and
processing. The application of imaging spectroscopy in remote sensing and the role
of remote sensing research in life.
Chapter 3: Image restoration and smooth by PDE
In chapter 3, I present concepts of diffusion, theory of

linear and nonlinear

diffusion, studies of two filter models.
Chapter 4: Field-test
Product modeling and product usage, result evaluation, conclusion and product
development orientation.

3

Xử lý ảnh siêu phổ bằng khuếch tán phi tuyến 2018

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................1
TÓM TẮT BÁO CÁO ................................................................................................2
ABSTRACT ................................................................................................................3
MỤC LỤC ...................................................................................................................4
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..........................................................................................7
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................8
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ...........................................................................9
CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI ..................................................10

1.1Tổng quan về xử lý ảnh .......................................................................... 10
1.1.1 Xử lý ảnh là gì? ................................................................................ 10
1.1.2 Một số vấn đề cơ bản quan trọng trong xử lý ảnh........................... 11
1.2 Lọc nhiễu trong xử lý ảnh. .................................................................... 13
1.2.1 Các bộ lọc nhiễu cổ điển ................................................................. 13
1.2.2 Xử lý ảnh bằng PDE ........................................................................ 14
1.3 Mục đích đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài ......................... 15
1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .............................................. 15
1.4.1Ý nghĩa khoa học............................................................................... 15
1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn .............................................................................. 15
1.5 Phương pháp nghiên cứu ....................................................................... 16
CHƯƠNG 2 : ẢNH SIÊU PHỔ VÀ CÁC ỨNG DỤNG .........................................17
TRONG VIỄN THÁM ..............................................................................................17

2.1 Lý thuyết ảnh siêu phổ .......................................................................... 17
2.1.1Khái niệm chung ............................................................................... 17

2.1.2 Đặc diểm chung của ảnh siêu phổ ................................................... 18
2.1.3 Lý thuyết phản xạ phổ của đối tượng tự nhiên ................................ 20
2.2 Sơ lược về viễn thám ............................................................................. 25
4


Xử lý ảnh siêu phổ bằng khuếch tán phi tuyến 2018

2.2.1 Định nghĩa ....................................................................................... 25
2.2.2 Nguyên lý cơ bản của viễn thám ...................................................... 27
2.2.3 Phân loại viễn thám ......................................................................... 28
2.3 Ứng dụng của viễn thám ....................................................................... 30
2.3.1 Viễn thám trong nghiên cứu địa chất .............................................. 30
2.3.2 Viễn thám trong nghiên cứu sử dụng đất và lớp phủ bề mặt........... 33
2.3.3 Ứng dụng viễn thám trong việc thành lập bản đồ đất ..................... 35
CHƯƠNG 3:TỔNG QUAN LỌC KHUẾCH TÁN PHI TUYẾN............................39

3.1Bản chất vật lý của quá trình khuếch tán ............................................... 39
3.2 Lọc khuếch tán tuyến tính ..................................................................... 40
3.2.1 Mối quan hệ giữa PDE và bộ lọc Gauss ......................................... 41
3.2.2 Quy mô không gian .......................................................................... 44
3.2.3 Những hạn chế của lọc khuếch tán tuyến tính ................................. 45
3.3 Lọc khuếch tán phi tuyến ...................................................................... 45
3.3.1 Mô hình Perona-Malik.................................................................... 45
3.3.2 Các mô hình phi tuyến điển hình .................................................... 47
3.3.3 Mô hình phi tuyến không đẳng hướng ............................................. 48
3.4 Lọc khuếch tán phi tuyến trong ảnh siêu phổ ....................................... 50
CHƯƠNG 4 : THỰC NGHIỆM ...............................................................................52

4.1 Giới thiệu chung .................................................................................... 52

4.2 Giới thiệu sản phẩm bằng phần mềm .................................................... 52
4.3 Các chương trình ứng dụng ................................................................... 54
4.3.1 Khử nhiễu ảnh RGB bằng lọc khuếch tán ....................................... 54
4.3.2 Khử nhiễu ảnh siêu phổ bằng lọc khuếch tán phi tuyến .................. 61
4.3.2 Xuất tham số liên quan đến ảnh để phục vụ công tác nghiên cứu .. 64
4.3.4 Xuất đồ thị đặc tuyến và xử lý ảnh siêu phổ .................................... 70
4.3.5 So sánh việc khử nhiễu ảnh siêu phổ qua đồ thị .............................. 74
4.3.6 Một vài ứng dụng khác trong ứng dụng .......................................... 76
4.4 Tổng kết, hướng đề ra của sản phẩm ..................................................... 78
5


Xử lý ảnh siêu phổ bằng khuếch tán phi tuyến 2018
KẾT LUẬN ...............................................................................................................79
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................80
PHỤ LỤC ..................................................................................................................81

6


Xử lý ảnh siêu phổ bằng khuếch tán phi tuyến 2018

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Các bước cơ bản trong hệ thống xử lý ảnh ..............................................10
Hình 2.1: Hình ảnh ảnh siêu phổ và biểu đồ. ...........................................................18
Hình 2.2: Ảnh siêu phổ với các bước sóng khác nhau ..............................................19
Hình 2.3: Phản xạ năng lương với trường hợp toàn phần. ......................................21
Hình 2.4: Biểu đồ mối quan hệ giá trị phán xạ và bước sóng. .................................22
Hình 2.5: Ảnh trong công nghệ viễn thám ................................................................27
Hình 2.6: Vệ tinh địa tĩnh và vệ tinh quỹ đạo cực. ...................................................29

Hình 3.1: Quá trình khuếch tán vật lý của các phân tử. ...........................................39
Hình 3.2: Hàm Gauss trong MATLAB mô phỏng bằng 3D ......................................41
Hình 4.1: Giao diện chương trình khuếch tán phi tuyến ..........................................53
Hình 4.2: Hình ảnh được xử lý bằng khuếch tán phi tuyến. .....................................56
Hình 4.3: Ảnh sau khi thêm nhiễu Gauss và xử lý bằng khuếch tán tuyến tính ........57
Hình 4.4: Ảnh xử lý bằng phương pháp khuếch tán phi tuyến với k khác nhau .......59
Hình 4.5: Khử nhiễu bằng khuếch tán phi tuyến ......................................................60
Hình 4.6: Ảnh bước sóng 560nm của ảnh siêu phổ ..................................................61
Hình 4.7: Ảnh bước sóng 560 sau khi được chỉnh sáng để quan sát rõ hơn ............62
Hình 4.8: Thêm nhiễu và khôi phục ảnh bằng khuếch tán phi tuyến ........................63
Hình 4.9: Ảnh RGB của một ảnh siêu phổ ................................................................71
Hình 4.10: Biểu đồ reflectance tại điểm tọa độ (717,620) .......................................72
Hình 4.11: Biểu đồ reflectance điểm ảnh (523,295) .................................................73
Hình 4.12: Biều đồ radiance tại điểm ảnh tọa độ ( 214,105) ...................................73
Hình 4.13: Biểu đồ hàm radiance của điểm ảnh (1120,920)....................................74
Hình 4.14: Một điểm ảnh siêu phổ sau khi xử lý qua khuếch tán phi tuyến .............75
Hình 4.15 : Đồ thị Histogram của ảnh siêu phổ .......................................................76
Hình 4.16: Đồ thị Histogram sau khi thêm nhiễu Gauss. .........................................77
Hình 4.17: Hình ảnh về các điểm khuếch tán của ảnh .............................................77

7


Xử lý ảnh siêu phổ bằng khuếch tán phi tuyến 2018

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Nhóm các yếu tố liên quan đến việc giải đoán thổ nhưỡng .....................37
Bảng 4.1: RMSE đồi với các ảnh sau khi khử nhiễu .................................................63
Bảng 4.2: Bảng entropy với các ảnh khử nhiễu khác nhau ......................................65

Bảng 4.3: Các giá trị của Bias khi so sánh với ảnh gốc và ảnh nhiễu .....................66
Bảng 4.4: Tham số RMSE và PSNR trong xử lý ảnh ................................................68
Bảng 4.5: Giá trị RASE và ERGAS ...........................................................................69

8


Xử lý ảnh siêu phổ bằng khuếch tán phi tuyến 2018

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

PSNR

peak signal-to-noise ratio

Giá trị lớn nhất của tín hiệu nhiễu

HTTĐL

Hệ thông tin địa lý

PDE

Partial Differential Equation

Phương trình vi phân từng phần

RGB

Red Green Blue

Đỏ luc lam

MSE

mean squared error

Trung bình bình phương nhiễu

RMSE

Root mean squared error

Căn trung bình bình phương nhiễu

9


Xử lý ảnh siêu phổ bằng khuếch tán phi tuyến 2018

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI
1.1Tổng quan về xử lý ảnh
1.1.1 Xử lý ảnh là gì?
Xử lý ảnh chính là quá trình mà con người chúng ta xử lý những thứ mà con
người ta dùng các bộ cảm ta thu nhận về. Quá trình xử lý ảnh ở đây mục đích chính

là làm cho ảnh tốt hơn (gồm khử nhiễu, làm nét ảnh, hay làm đẹp ảnh hơn) chúng ta
cũng có thể biết chúng quá rất nhiều phần mềm xử lý ảnh hiện nay nổ bật là
Photoshop. Một trường hợp khác của xử lý ảnh là từ ảnh chúng ta đưa ra những
thông số về ảnh. Ngoài các thông số mà chỉ từ một ảnh có thể tìm ra như entropy
hay histogram, chúng ta còn các thông số để so sánh giữa hai ảnh là ảnh gốc và ảnh
đã được xử lý như RMSE, PSNR, Bias, Div, CC-Correlation coefficient, ERGAS,
Quality, RASE)..
Ảnh có thể xem là tập hợp các điểm ảnh và mỗi điểm ảnh được xem như là
đặc trưng cường độ sáng hay một dấu hiệu nào đó tại một vị trí nào đó của đối
tượng trong không gian và nó có thể xem như một hàm n biến P (c1, c2,..., cn). Do
đó, ảnh trong xử lý ảnh có thể xem như ảnh n chiều.

Hình 1.1: Các bước cơ bản trong hệ thống xử lý ảnh
-

Khối thu nhận ảnh: Ở đây nhiệm vụ chính là nhận các dữ liệu ảnh để
đưa vào khối xử lý.

-

Khối tiền xử lý: nhiệm vụ xử lý nâng cao chất lượng ảnh như lọc
nhiễu, tăng sáng, tìm biên, tăng tương phản.

10


Xử lý ảnh siêu phổ bằng khuếch tán phi tuyến 2018
-

Khối trích chọn đặc điểm: có nhiệm vụ chọn các đặc trưng quan trọng

của một bức ảnh đã được tiền xử lý để sử dụng trong bước tiếp theo

-

Khối hậu xử lý: có nhiệm vụ xử lý các đặc điểm đã chọn, có thể lược
bỏ hoặc biến đổi các đặc điểm này để phù hợp với các kỹ thuật cụ thể
sử dụng trong hệ quyết định.

-

Khối hệ quyết định và lưu trữ: có nhiệm vụ phân loại dựa trên dự liệu
đã học lưu trong khối lưu trữ.

-

Khối so sánh và kết luận: đưa ra kết luận dựa vào quyết định của khối
quyết định.

1.1.2 Một số vấn đề cơ bản quan trọng trong xử lý ảnh
1.1.2.1 Ảnh và điểm ảnh
Ảnh tự nhiên là ảnh liên tục về không gian và độ sáng. Để xử lý bằng máy
tính (số), ảnh cần phải được số hoá. Số hoá ảnh là sự biến đổi gần đúng một ảnh
liên tục thành một tập điểm phù hợp với ảnh thật về vị trí (không gian) và độ sáng
(mức xám). Khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được thiết lập sao cho mắt người
không phân biệt được ranh giới giữa chúng. Mỗi một điểm như vậy gọi là điểm ảnh
(PEL: Picture Element) hay gọi tắt là Pixel. Trong khuôn khổ ảnh hai chiều, mỗi
pixel ứng với cặp tọa độ (x, y).
Điểm ảnh (Pixel) là một phần tử của ảnh số tại toạ độ (x, y) với độ xám hoặc
màu nhất định. Kích thước và khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được chọn thích
hợp sao cho mắt người cảm nhận sự liên tục về không gian và mức xám (hoặc màu)

của ảnh số gần như ảnh thật. Mỗi phần tử trong ma trận được gọi là một phần tử
ảnh.
Nói chung khi tổng hợp lại, ảnh là một tập hợp của rất nhiều điểm ảnh hợp
lại.
1.1.2.2 Độ phân giải của ảnh
Độ phân giải của ảnh chính là số điểm ảnh trên một trục tọa độ, ta có độ
phân giải ảnh càng cao, thì số điểm ảnh trong ảnh càng nhiều và ngược lại, khi số
điểm ảnh cao, đồng nghĩa hình ảnh sẽ sắc nét hơn, và khi số điểm ảnh thấp thì ảnh

11


Xử lý ảnh siêu phổ bằng khuếch tán phi tuyến 2018
đương nhiên sẽ kém chất lượng, vì màu sắc của chúng khi ở các vùng biên mới
được phân biệt rõ thành ra tạo ảnh chất lượng kém.
1.1.2.3 Mức xám của ảnh
Một điểm ảnh (pixel) có hai đặc trưng cơ bản là vị trí (x, y) của điểm ảnh và
độ xám của nó. Mức xám của điểm ảnh là cường độ sáng của nó được gán bằng giá
trị số tại điểm đó. Các thang giá trị mức xám thông thường: 16, 32, 64, 128, 256
(Mức 256 là mức phổ dụng). Lý do: từ kỹ thuật máy tính dùng 1 byte (8 bit) để biểu
diễn mức xám: Mức xám dùng 1byte biểu diễn: 28=256 mức, tức là từ 0 đến 255).
Chỉnh số mức xám là nhằm khắc phục tính không đồng đều của hệ thống xử
lý ảnh, thông thường có 2 hướng tiếp cận:
-

Giảm số mức xám: Thực hiện bằng cách nhóm các mức xám gần nhau
thành một bó. Trường hợp giảm xuống 2 mức xám thì chính là chuyển về
ảnh đen trắng.

-

Tăng số mức xám: Thực hiện nội suy ra các mức xám trung gian bằng kỹ
thuật nội suy. Kỹ thuật này nhằm tăng cường độ mịn cho ảnh.

Ảnh đen trắng là ảnh có hai màu đen, trắng (không chứa màu khác) với các
điểm ảnh ở trên ảnh chỉ tồn tại 2 giá trị 0 và 255 với trường hợp ở đây mức xám là
256.
Ảnh nhị phân (hay ảnh xám) thì chúng sẽ có 256 màu, lúc này màu sẽ được
xác định theo mức trung khi ba giá trị RGB là tương đồng với nhau.
Ảnh màu là trong khuôn khổ lý thuyết ba màu (Red, Blue, Green) để tạo nên
thế giới màu, người ta thường dùng 3 byte để mô tả mức màu, khi đó các giá trị
màu: 28*3=224≈16,7 triệu màu.
1.1.2.4 Khử nhiễu
Có 2 loại nhiễu cơ bản trong quá trình thu nhận ảnh mà chúng ta cần loại bỏ:
Nhiễu hệ thống: là nhiễu có quy luật có thể khử bằng các phép biến đổi. Ở
đây có thể ví dụ như nhiễu Gauss.

12


Xử lý ảnh siêu phổ bằng khuếch tán phi tuyến 2018
Nhiễu ngẫu nhiên: vết bẩn không rõ nguyên nhân có thể khắc phục bằng các
phép lọc. Lỗi ở đây thường do người dùng nên khi khôi phục ảnh thường khó khôi
phục được hoàn toàn.
1.1.2.5 Phân tích ảnh
Là khâu quan trọng trong quá trình xử lý ảnh để tiến tới hiểu ảnh. Trong
phân tích ảnh việc trích chọn đặc điểm là một bước quan trọng. Các đặc điểm của
đối tượng được trích chọn tuỳ theo mục đích nhận dạng trong quá trình xử lý ảnh.
Có thể nêu ra một số đặc điểm của ảnh sau đây:
-

Đặc điểm không gian: Phân bố xác xuất, phân bố biên độ, mức xám, điểm
uốn.

-

Đặc điểm biến đổi: Các đặc điểm loại này được trích chọn bằng việc thực
hiện lọc vùng (zonal filtering). Các bộ vùng được gọi là “mặt nạ đặc
điểm” (feature mask) thường là các khe hẹp với hình dạng khác nhau
(tam giác, chữ nhật, cung tròn).

-

Đặc điểm của đường biên: Đặc trưng cho đường biên của đối tượng và
do vậy rất hữu ích trong việc trích trọn các thuộc tính bất biến được dùng
khi nhận dạng đối tượng (Ví dụ đặc điểm cạnh, góc v.v..). Các đặc điểm
này có thể được trích chọn thông qua ảnh biên. Để thu được ảnh biên ta
có thể sử dụng toán tử gradient, toán tử Laplace v.v.. Việc trích chọn hiệu
quả các đặc điểm giúp cho việc nhận dạng các đối tượng ảnh chính xác,
với tốc độ tính toán cao và giảm thiểu dung lượng lưu trữ.

1.2 Lọc nhiễu trong xử lý ảnh.
1.2.1 Các bộ lọc nhiễu cổ điển
Khi thu lại các hình ảnh bằng camera, scaner, ta đưa các hình ảnh vào máy
tính để xử lý. Những hình ảnh này thường sẽ không có chất lượng hoàn hảo, lý do
là do người chụp ảnh có thể rung trong lúc chụp hoặc chất lượng máy ảnh chưa
được hoàn hảo, góc chụp cũng không đạt chuẩn yêu cầu (ngoại trừ trường hợp sử
dụng công nghệ chụp ảnh và làm việc trong phòng thí nghiệm). Trong bức ảnh,
ngoài nội dung chính của ảnh thì còn rất nhiều những đối tượng nhiễu xung quanh.

13


Xử lý ảnh siêu phổ bằng khuếch tán phi tuyến 2018
Các nhiễu ở đây có những ảnh hưởng rất xấu đến bức ảnh, chúng có thể làm mờ đi
đối tượng chính của ảnh. Với mỗi loại nhiễu ta lại cần chọn những bộ lọc thích hợp.
Chúng ta không thể sử dụng các bộ lọc trung vị hay lọc ngoài để xử lý nhiễu nhân,
hay lọc thông thấp để khử nhiễu nhân, mà phải có những tương tác ngược lại.
1.2.2 Xử lý ảnh bằng PDE
Những ứng dụng cho PDE đã được nghiên cứu vào những năm cuối của thế
kỷ trước, những người đặt nền móng cho PDE chính là hai tác giả Witkin và
Koenderink. Sau đó PDE được các nhà nghiên cứu tập trung mạnh hơn với các công
trình của Osher và Rudin, hay P.Perona và J.Malik với các PDE về phần thực. Về
thành phần nghiên cứu số phức gần đây thì các công trình được đánh giá cao bao
gồm G.Gillboa và Y.Y.Zeevi, hay N.Sochen, đó đều là những công trình thành công
mang tầm cỡ quốc tế. Xử lý ảnh PDE ngày càng cho thấy là một phương pháp xử lý
ảnh hiệu quả khi thực hiện các nhiệm vụ giảm nhiễu, tìm biên, làm trơn, phân vùng
ảnh, thay đổi histogram…
Những lý do để thuật toán xử lý ảnh PDE được coi là một phương pháp tốt:
-

Tính chất tự nhiên của PDE có rất nhiều đặc điểm phù hợp với cục bộ của
ảnh. Do vậy biểu diễn quá trình biến đổi ảnh qua PDE là rất thích hợp so
với các phương pháp khác.

-

Thuật toán được mô tả ngắn gọn, không quá dài dòng phức tạp, có thể
hiểu một cách dễ dàng.

-

Có rất nhiều dạng sơ đồ rời rạc hóa cho việc thực hiện các thuật toán
PDE.

-

Có sắn nền tảng lý thuyết toán học về PDE và khá phong phú bao gồm
tính ổn định, lời giải duy nhất hay sự hội tụ…

-

Dễ dàng mở rộng sang các phương pháp một chiều khác như toán tử
Gradient, Laplace.

-

Các PDE được sử dụng để xử lý ảnh thường có hai phương pháp để xử lý
: Xử lý ảnh bằng phương pháp PDE khuếch tán tuyến tính và PDE bằng
lọc khuếch tán phi tuyến.

14


Xử lý ảnh siêu phổ bằng khuếch tán phi tuyến 2018

1.3 Mục đích đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Do hai lĩnh vực ảnh siêu phổ và khuếch tán phi tuyến là những lĩnh vực rộng
và bao gồm tập hợp rất nhiều kiến thức nên đồ án chỉ tập trung thực hiện các vấn đề
sau:

-

Nghiên cứu về ảnh siêu phổ và những ứng dụng của ảnh siêu phổ
trong viễn thám và thông tin vệ tinh.

-

Nghiên cứu về lọc khuếch tán phi tuyến và vẫn đề khử nhiễu bằng lọc
khuếch tán phi tuyến.

-

Nghiên cứu xây dựng thuật toán để xử lý và kết hợp ảnh siêu phổ và
lọc khuếch tán phi tuyến.

-

Tạo lập ứng dụng để có thể có các bước rút gọn và cái nhìn tổng quát
về các số liệu.

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.4.1Ý nghĩa khoa học
-

Xây dựng được thuật toán xử lý ảnh bằng lọc khuếch tán tuyến tính và
lọc khuếch tán phi tuyến.

-

Xây dựng được các đồ thị reflectance và radiance để có thể có được

nhưng thông tin về ảnh siêu phổ rõ ràng hơn.

-

Đề xuất xây dựng so sánh lọc khuếch tán phi tuyến với các phương
pháp xử lý ảnh khác như Winer, Curvelet.

-

Xuất các tham số so sánh giữa ảnh gốc và ảnh sau khi xử lý để đưa ra
được những kết luận chính xác nhất về ảnh.

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn
-

Cải tiến các phương pháp xử lý ảnh.

-

Giảm bớt một phần công việc cho các nhà nghiên cứu về lĩnh vực
viễn thám ảnh siêu phổ.

-

Xây đựng các hệ thống tính toán và xử lý ảnh chuyên dụng thời gian
thực trên phần cứng.

15

Xử lý ảnh siêu phổ bằng khuếch tán phi tuyến 2018

1.5 Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp nghiên được đề ra ở đây là :
-

Về ảnh siêu phổ thì nghiên cứu các cách thức tạo ảnh siêu phổ để đưa
ra đồ thị đặc tuyến để phân tích trong việc nghiên cứu, xử lý các dữ
liệu của ảnh siêu phổ.

-

Sử dụng công cụ toán học biến đổi các phương trình mô tả quá trình
vật lý của đối tượng cần nghiên cứu, biến đổi các phương trình
khuếch tán, phân tích các mô hình bộ lọc dựa trên phương thức xử lý
phi tuyến.

16


Xử lý ảnh siêu phổ bằng khuếch tán phi tuyến 2018

CHƯƠNG 2 : ẢNH SIÊU PHỔ VÀ CÁC ỨNG DỤNG
TRONG VIỄN THÁM

Trong những năm gần đây, viễn thám đang là một ngành công nghệ phát triển
mạnh, song song với nó là những hình ảnh thu được từ thông tin vệ tình với tên gọi
là ảnh siêu phổ. Vậy ảnh siêu phổ là gì, cấu tạo của chúng ra làm sao đồ án của em
sẽ làm rõ một phần nào thắc mắc về vấn đề này. Những bức ảnh thu được thu được
từ vệ tinh cung cấp nguồn thông tin quan trọng trong việc nghiên cứu và phân tích.

Việc giải thích và phân tích hình ảnh siêu phổ yêu cầu một kiến thức chuyên sâu về
những đặc tính phổ với ánh sáng. Với kiến thức hạn chế đồ án của em chỉ xin trình
bày nhưng khái niệm cơ bản về ảnh siêu phổ, cách phân tích hình ảnh và ứng dụng
trong lĩnh vực viễn thám. Những dữ liệu ảnh siêu phổ nhóm sử dụng ở trang web:
/>ages_of_natural_scenes_04.html.

2.1 Lý thuyết ảnh siêu phổ
2.1.1Khái niệm chung
Hệ thống cảm biến đa phổ từ xa SPOT XS đã tạo ra những hình ảnh với một
vài dải bước sóng tương đối rộng. Cụ thể là bước sóng có thể lớn hơn trên 2.2
micromet. Nhưng với ảnh siêu phổ ta chỉ sử dụng dải bước sóng nhìn thấy, ở đây
bước sóng được sử dụng sẽ rơi vào khoảng từ 0.4 micromet đến 0.72 micromet.
Cảm biến siêu phổ cũng thu nhập các dữ liệu hình ảnh trong hàng chục và hàng
trăm dải phổ hẹp, lân cận nhau, với mỗi tế bào hình ảnh các phép đo sẽ giúp có thể
thu được phổ tần liên tục. Sau khi được điều chỉnh cho cảm biến, kết hợp các thông
tin về điều kiện chụp ảnh của bức ảnh, các phổ sau đó được so sánh với các phổ đã
được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, cuối cùng mới đưa ra được những kết
luận là vùng đó có thảm thực vật hay những khoáng chất gì.
Hình ảnh siêu phổ gồm rất nhiều dữ liệu như: hệ số phản xạ, hệ số độ chói,
hay thông tin những chiếc máy ảnh chụp ảnh, tiêu cự ảnh, điều kiện thời tiết, thời

17


Xử lý ảnh siêu phổ bằng khuếch tán phi tuyến 2018
gian chụp ảnh, góc chụp… Tất cả các thông số đều có tác dụng trong việc nghiên
cứu để tránh ảnh hưởng hoặc sai sót. Vì vậy để nghiên cứu được những bức ảnh
siêu phổ cần phải có một sự hiểu biết vô cùng chính xác về các thuộc tính môi
trường và vật liệu trên bề mặt Trái Đất. Các nhà nghiên cứu đã và đang tập trung
nghiên cứu mạnh về lĩnh vực này.

Hình 2.1: Hình ảnh ảnh siêu phổ và biểu đồ.
2.1.2 Đặc điểm chung của ảnh siêu phổ
2.1.2.1. So sánh với ảnh RGB
Chúng ta so sánh ảnh siêu phổ với ảnh RGB, ở đây một điều đặc biệt nhất
của ảnh siêu phổ là chúng được cấu tạo từ nhiều hình ảnh và được xếp chồng lên
nhau, điều này làm cho dung lượng của một ảnh siêu phổ thường rất lớn vì chúng
bao gồm nhiều ảnh. Một thông số khác cũng có ở ảnh siêu phổ đó chính là bước
sóng dùng để thể hiện quang phổ liên tục trên một tế bào ảnh. Giá trị hệ số phản xạ
của từng điểm ảnh cũng là một dữ liệu cần phải được lưu lại trong file ảnh siêu phổ.

18


Xử lý ảnh siêu phổ bằng khuếch tán phi tuyến 2018
Chính những điều này làm một bức ảnh siêu phổ có dữ liệu lên đến vài trăm MB.
Chúng ta có thế thấy dưới đây là một hình ảnh siêu phổ nhìn theo góc nhìn 2D:

Hình 2.2: Ảnh siêu phổ với các bước sóng khác nhau
2.1.2.2 Khái niêm chung về bộ cảm
Ảnh siêu phổ và RGB đều được sử dụng những bộ cảm để ghi lại hình ảnh,
nhưng những bộ cảm để xử lý ảnh siêu phổ thường có cấu trúc phức tạp hơn khá
nhiều. Chúng có thể bao gồm kính lọc phổ và tế bào quang điện, trong đó tế bào
quang điện là thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện để biến đổi quang năng thành
điện năng.
Bộ cảm là một thiết bị làm nhiệm vụ thu nhận các năng lượng bức xạ do vật
thể phản xạ từ các nguồn năng lượng. Ở đây năng lượng nhân tạo do vệ tinh, hay
các thiết bị hỗ trợ( như camera thì thường kèm với đèn flash) với năng lượng tự
nhiên thì đó chính là ánh sáng mặt trời, hay ánh sáng mặt trăng vào những ngày
sáng rõ. Bộ cảm biến đổi những năng lượng quang năng này thành điện năng, sau

đó tín hiệu điện này tiếp túc được chuyển về một số nguyên hữu hạn mà ta thường
gọi là giá trị của pixel. Nguyên tắc hoạt động của bộ cảm chính là khả năng phản xạ
phổ của thực vật, đất và nước đối với sóng điện từ có bước sóng trong vùng nhìn

19


Xử lý ảnh siêu phổ bằng khuếch tán phi tuyến 2018
thấy. Tuy vậy việc nhìn thấy hay không tất cả đều phụ thuộc vào mắt của con
người, do vậy hình ảnh của vật thể và màu sắc được tạo ra từ việc thu năng lượng
do vật thể phản xạ từ một nguồn cung cấp nào đó.
Tín hiệu hình ảnh từ bộ cảm sẽ được đưa vào mắt, sau đó tiếp tục được
truyền qua giác mạc và võng mạc rồi truyền về não bộ, đây mới là nơi hình ảnh
được phân tích và cảm nhận được. Trong bộ cảm bao gồm hai thiết bị quan trọng là
kính lọc phổ và tế bào quang điện.
Kính lọc phổ được sử dụng với tác dụng để tách sóng năng lượng bức xạ ứng
với từng bước sóng khác nhau. Tùy vào số bit dùng ghi nhận thông tin, việc chuyển
tín hiệu thành một số nguyên hữu hạn thể hiện sự thay đổi của cường độ phản xạ
sóng từ. Trong khi đó tế bào quang điện là một thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện
để biến đổi quang năng thành điện năng, chúng ta thấy đây cũng là một dạng thiết bị
rất phổ biến trong thời điểm hiên nay (các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời). Độ
lớn dòng điện tỷ lệ thuận với cường độ sóng phản xạ của vật. Chính vì vậy sự thay
đổi dòng điện có thể được sử dụng để đo lường sự thay đổi của năng lượng ánh
sáng mạnh hay yếu ứng với từng bước sóng khác nhau. Giá trị độ sáng được phụ
thuộc vào số bít sử dụng trong quá trình số hóa và toàn bộ năng lượng của sóng
điện từ thu được chuyển sang tín hiệu số (chỉ sử dụng biến đổi tuyến tính của bộ
cảm).
Các loại bộ cảm hiện nay được phân loại theo nhiều cách khác nhau, có thể
theo kết cấu hoặc theo dải sóng thu nhận. Bộ cảm cũng được chia theo hai nhóm
chủ động thu nhận năng lượng do năng lượng phản xạ và bị động thu nhận các năng

lượng bức xạ do phát xạ.
Các loại bộ cảm thông dụng hiện nay gồm: máy chụp ảnh, máy quét điện tử,
máy quét quang cơ... Các bộ cảm quang học được đặc trưng bởi tính hình học, đặc
trưng bức xạ, tính chất phổ.
2.1.3 Lý thuyết phản xạ phổ của đối tượng tự nhiên
Phản xạ phổ của đối tượng tự nhiên là hàm bao gồm nhiều yếu tố. Những
đặc tính này phụ thuộc vào môi trường và bề mặt đối tượng. Sóng điện từ chiếu tới

20


Xử lý ảnh siêu phổ bằng khuếch tán phi tuyến 2018
mặt đất, năng lượng của nó sẽ tác động lên bề mặt trái đất và xảy ra những hiện
tượng tự nhiên sau:
-

Phản xạ năng lượng.

-

Hấp thụ năng lượng.

-

Thấu quang năng lượng.

Từ đây chúng ta có thế rút ra được công thức:
E0=Ep+Eα+ET

(1.1)

Trong công thức này thì ta có : E0 : năng lượng bức xạ ban đầu
Ep : năng lượng phản xạ.
Eα : năng lượng hấp thụ.
ET : năng lượng thấu quang.
Hiện tượng phản xạ năng lượng là một điều rất hay gặp trong tự nhiên,
chúng ta biết trong quá trình chiếu sáng, tất cả các ánh sáng khi gặp một môi trường
nào đó khác, như ánh sáng đang từ không khí sang nước sẽ gây ra một phản xa như
hình ảnh bên dưới.

Hình 2.3: Phản xạ năng lương với trường hợp toàn phần.
Đối với phản xạ năng lượng, có khá nhiều dạng phản xạ, ở trên là một ví dụ
điển hình nhất là phản xạ toàn phần. Ngoài ra còn bao gồm nhiêu dạng phản xạ
khác như phản xạ một phần, tán xạ một phần (không phản xạ về một hướng), tán xạ

21


Xử lý ảnh siêu phổ bằng khuếch tán phi tuyến 2018
một phần (phản xạ một phần có định hướng). Trong khi đó đối với năng lượng hấp
thụ và thấu quang thì không có nhiều trường hợp như phản xạ năng lượng.
Một vấn đề khác liên quan đến quang phổ phản xạ là việc có rất nhiều dạng
phổ năng lượng khác nhau như: phổ khoáng sản, phổ thực vật hay phản xạ phổ của
nước. Mỗi một phổ lại có mức độ phản xạ khác nhau và chúng được biểu thị bằng
đồ thi như trên hình vẽ. Đây chính là quang phổ phản xạ trong ảnh siêu phổ, đó
chính là tỉ lệ giữa năng lượng phản xạ và năng lượng tới và là một hàm của bước
sóng. Giá trị năng lượng phản xạ sẽ thay đổi liên tục đối với các giá trị bước sóng
khác nhau, có thể tăng có thể giảm tùy vào vật liệu của chúng (đất, nước, thực vật).
Trong biểu đồ có những đường võng xuống những đường võng xuống này đánh dấu
dải bước sóng dao động mà vật liệu chọn hấp thụ năng lượng tới. Đặc điểm này

được coi là dải hấp thụ trong công tác nghiên cứu.

Hình 2.4: Biểu đồ mối quan hệ giá trị phán xạ và bước sóng.
Nhìn vào sơ đồ trên ta thấy thực vật và đất khô là những môi trường có tỉ lệ
phản xa rất cao, thường trên 20% trong khoảng λ nhỏ hơn 1.9 micromet, đối với
đất khô thì lớn hơn 0.5 micromet. Trong khi đó với nước hồ thì tỉ lệ phản xạ tương
đối thấp dưới 10% và khi đạt mức λ < 1.0 micromet.

22


Xử lý ảnh siêu phổ bằng khuếch tán phi tuyến 2018
Có ba loại phổ thông dụng nhất trong môi trường hiện nay và để hiểu rõ hơn
chúng ta cùng tìm hiểu chi tiết về các loại phổ này:
Phổ khoáng sản
Trong khoáng sán yếu tố ảnh hưởng đến sự phản xạ của chúng chủ yếu ảnh
hưởng từ thành phần hóa học và cấu trúc tinh thể, những nguyên nhân trên sẽ làm
thay đổi đường con quang phổ và dỉa hấp thụ của biểu đồ. Sự hấp thụ ngoài ra còn
có thể bị ảnh hưởng bởi vài yếu tố khác như liên kết ion, hình dạng liên kết hóa học,
cấu trúc tinh thể của vật liệu.
Phổ thực vật
Với phổ thực vật các đường cong cũng phụ thuộc vào đặc tính khác nhau của
thực vật. Ở phần ánh sáng nhìn thấy, hình dạng đường cong có sự biến đổi do sự
hấp thụ ánh sáng từ chất diệp lục trong lá và các sắc tố của lá thực vật. Chất diệp lục
hấp thụ ánh sáng vùng nhìn thấy tất tốt, nhưng chủ yếu tập trung ở 2 dải màu xanh
lam và đỏ, tạo ra những đỉnh nhỏ trên vùng bước sóng khoảng (0.45 đến 0.67
micromet). Đó chính là lý do vì sao ta nhìn cây cối lá thường có màu xanh lục.
Phản xạ phổ của nước
Cũng như hai môi trường trên, đối với nước khả năng phản xạ phổ cũng phụ
thuộc vào bức xạ chiếu tới và thành phần có trong nước. Ngoài hai yếu tố trên ở

nước còn phụ thuộc thêm đó là bề mặt của nước và trạng thái của nước. Trong điều
kiên thường, mặt nước hoặc một lớp mỏng nước sẽ hấp thụ rất mạnh năng lượng ở
dải sóng hồng ngoại, vì vậy năng lượng phản xạ rất ít. Vì khả năng phản xạ phổ của
nước ở dải sóng dài là nhỏ nên việc sử dụng các kênh sóng dài để chụp cho ta khả
năng đọc vẽ thủy văn, sông hồ…
Tuy nhiên đối với cái dạng nước đục sẽ không có độ thấu quang như nước
biển hay nước cất trong suốt, cũng là một yếu tố cần quan tâm trong phản xạ phổ
của nước. Điều kiện tự nhiên không phải lúc nào cũng lý tưởng cũng là một điều
kiện lý tưởng, nó chứa rất nhiều các chất hữu cơ và vô cơ khác, và nước đục lại
gồm rất nhiều những chất này. Chính vì vậy khi nghiên cứu người ta nhận thấy

23


Xử lý ảnh siêu phổ bằng khuếch tán phi tuyến 2018
nước đục có khả năng phản xạ cao hơn so với nước bình thường. Khả năng phản xạ
phộ phụ thuộc rất lớn vào độ đục của nước điều này đã được chứng minh. Hàm
lương clorophin trong nước cũng là một nhân tố ảnh hưởng đến khá năng phản xạ
phổ của nước, so với các mội trường khác, môi trường nước bị ảnh hưởng nhiều
hơn các môi trường khác.
Một số yếu tố ngoài tự nhiên ảnh hưởng đến phản xạ phổ
Ngoài môi trường phản xạ phổ của vật thể, những yếu tố không gian và thời
gian cũng có ảnh hưởng khá lớn đến khả năng phản xạ phổ trong tự nhiên.
Đối với yếu tố không gian gồm có hai loại là không gian cục bộ và không
gian địa lý. Yếu tố cục bộ được thể hiện khi bạn chụp ảnh cùng một loại đối tượng,
nhưng đối tượng đó lại được phân bố khác nhau. Nếu chúng phân bố theo hàng và
luống thì sẽ có phản xạ phổ khác so với trồng theo mảng lớn.Còn với yếu tố địa lý
thì thể hiện rõ rệt đối với vùng có khí hậu ôn đới và nhiệt đới thì khí hậu khác nhau,
điều kiện cây trồng phát triển khác nhau sẽ ảnh hường đến những độ phản xạ quang
phổ khác nhau.

Yếu tố thời gian cũng tương tự với yếu tố địa lý vì cây trồng khi phát triển
vào mỗi mùa lại có những biến chuyển khác nhau. Mùa xuân là mùa cây đâm trồi
nảy lộc, mùa hè thì cây đơm hoa kết trái, mùa thu lá rụng lụi tàn, mùa đông thì là
tàn lụi và chờ một chu kỳ mới. Với mỗi mùa cây cối lại có những lượng diệp lục từ
lá khác nhau nên độ phản xạ khác nhau là điều hết sức bình thường.
Một nhân tố lớn khác ảnh hưởng ở đây chính là ảnh hưởng của khí quyển.
Đối với khí quyển thì nhân tố chính ảnh hưởng chính là ánh sáng mặt trời vì chúng
đã gián tiếp đi đến bức ảnh qua hai lần khí quyển. Mặt trời hai yếu tố chính là hiện
tượng tán xạ và hấp thụ năng lượng ánh sáng, và nguyên nhân chính là:
- Do sự hấp thụ có chọn lọc bước sóng của hơi nước và tầng ozon và các khí khác
trong khí quyển.
- Do sự hấp thụ, khúc xạ năng lượng mặt trời của các phần tử trong khí quyển.

24