Xử lý ảnh - Chương 1

Chơng
1
Giới thiệu về xử lý ảnh
1.1 Giới thiệu
Cuốn sách này cung cấp cho các bạn những lý thuyết cơ bản và các phơng
pháp thông dụng trong lĩnh vực xử lý ảnh. Trong chơng 1, chúng tôi sẽ giới
thiệu với bạn một vài khái niệm và thuật ngữ cần thiết. Chúng tôi cũng giới
thiệu sơ lợc các kiến thức tổng quát và các thiết bị cần thiết cho một hệ thống
xử lý ảnh. Cuối cùng là phần giới thiệu chung về nội dung của các chơng trong
cuốn sách.
1.2 Chuẩn bị cơ bản
Xử lý ảnh có quan hệ mật thiết với nhận thức về ảnh của con ngời. Nói một
cách khác, thị giác máy" dựa trên phép xử lý ảnh bằng sự phân tích của máy.
Theo một số tác giả, hai lĩnh vực: xử lý ảnh số và thị giác máy" đợc liên kết
chặt chẽ với nhau. Tuy nhiên, đến nay, cả hai lĩnh vực này đã hoàn thiện đến
mức chúng có thể cho phép giải quyết mỗi vấn đề một cách riêng rẽ. Trong
cuốn sách này, chúng tôi sẽ trình bày về lĩnh vực xử lý ảnh số, phát triển các
thuật toán và cung cấp những ví dụ cụ thể. Lĩnh vực về thị giác máy" sẽ đợc
trình bày trong một cuốn sách khác. Xử lý ảnh số có rất nhiều ứng dụng nh làm
nổi các ảnh trong y học, khôi phục lại ảnh do tác động của khí quyển trong
thiên văn học, tăng cờng độ phân giải của ảnh truyền hình mà không cần thay
đổi cấu trúc bên trong của hệ thống chuyển tải, nén ảnh trong khi truyền đi xa
hoặc lu trữ. Vấn đề này đợc trình bày một cách chặt chẽ trên quan điểm xử lý
tín hiệu hai chiều. Cuốn sách này đợc chia làm 17 chơng. Mỗi một chơng đều
đề cập đến một vấn đề cơ bản khác nhau và phục vụ cho các chơng tiếp theo.
Để hiểu tờng tận, bạn phải đọc các chơng theo đúng thứ tự mà nó đợc trình
bày. Để hiểu đầy đủ thì yêu cầu phải chuẩn bị một số kiến thức cơ sở. Hiện
nay, ngôn ngữ lập trình C đợc sử dụng phổ biến trong các bài toán kỹ thuật. Vì
vậy, tôi chọn C làm ngôn ngữ cho các chơng trình nguồn của tất cả các thuật
toán. Bạn cần phải có một số kiến thức cơ bản về C để hiểu các chơng trình
này. Bạn có thể nghiên cứu C khi làm việc với cuốn sách này. Nó sẽ giúp bạn

có các kỹ năng thực tế và đồng thời kiểm tra kiến thức về ngôn ngữ C của bạn.
Phép biến đổi Z đợc sử dụng xuyên suốt trong cuốn sách này và đợc trình bày
trong chơng 3. Các khái niệm toán học này đòi hỏi bạn cần phải hiểu biết tờng
tận tất cả các tài liệu đợc trình bày trong các phần trớc. Năm chơng đầu tiên có
1
thể phục vụ cho các sinh viên năm thứ ba hoặc năm thứ t của trờng đại học
hoặc cao đẳng, ngành điện, cơ khí hoặc máy tính. Cuốn sách cũng có thể đợc
sử dụng trong các bài giảng tốt nghiệp, tốt nhất là hơn hai học kỳ. Lĩnh vực
này cũng hấp dẫn với sinh viên các ngành truyền hình, sinh vật học, thông tin,
các ứng dụng quân sự .... Ngoài ra một máy PC (286 hoặc hơn) với vỉ mạch
VGA sẽ dùng trong cuốn sách này.
Chơng 16 sẽ đề cập đến thiết kế phần cứng, và giả thiết rằng độc giả đã có
hiểu biết cơ bản về mạch số và tơng tự. Nếu bạn đã qua một khoá học cơ bản
về điện tử, nâng cao hơn về mạch số thì bạn sẽ hiểu các vấn đề trình bày trong
phần này. Tôi đề nghị bạn nên đọc một cuốn sách điện tử nói về các ứng dụng
của bộ khuyếch đại thuật toán và một cuốn sách khác cung cấp cho bạn những
hiểu biết cơ bản về mạch số, trớc khi cố gắng để đọc chơng 16.
1.3 Biểu diễn ảnh
ảnh có thể biểu diễn dới dạng tín hiệu tơng tự hoặc tín hiệu số. Trong biểu
diễn số của các ảnh đa mức xám, một ảnh đợc biểu diễn dới dạng một ma trận
hai chiều. Mỗi phần tử của ma trận biểu diễn cho mức xám hay cờng độ của
ảnh tại vị trí đó. Mỗi phần tử trong ma trận đợc gọi là một phần tử ảnh, thông
thờng kí hiệu là PEL (Picture Element) hoặc là điểm ảnh (Pixel).
- Với ảnh đen trắng: Nếu dùng 8 bit (1 byte) để biểu diễn mức xám, thì số
các mức xám có thể biểu diễn đợc là 2
8
hay 256. Mỗi mức xám đợc biểu diễn
dới dạng là một số nguyên nằm trong khoảng từ 0 đến 255, với mức 0 biểu
diễn cho mức cờng độ đen nhất và 255 biểu diễn cho mức cờng độ sáng nhất.
- Với ảnh màu: Cách biểu diễn cũng tơng tự nh với ảnh đen trắng, chỉ khác

là các số tại mỗi phần tử của ma trận biểu diễn cho ba màu riêng rẽ gồm: đỏ
(red), lục (green) và lam (blue). Để biểu diễn cho một điểm ảnh màu cần 24
bit, 24 bit này đợc chia thành ba khoảng 8 bit. Mỗi khoảng này biểu diễn cho
cờng độ sáng của một trong các màu chính. Để hiểu việc số hoá ảnh hãy xem
hình 1.1.



Hình 1.1 Biểu diễn của một mức xám của ảnh số.
2
Độ sáng trung bình trong
mỗi hình chữ nhật = giá trị
một điểm ảnh.
Pixel
or PEL
Trong hình này một lới chia ô vuông tởng tợng đợc đặt lên ảnh. Độ lớn mỗi
ô vuông của lới xác định kích thớc của một điểm ảnh. Mức xám của một điểm
đợc tính bằng cờng độ sáng trung bình tại mỗi ô vuông này. Mắt lới càng nhỏ
thì cho chất lợng ảnh càng cao. Trong kỹ thuật truyền hình tiên tiến, mục đích
là cung cấp cho ngời xem, hình ảnh chất lợng cao, với độ phân giải gấp hai lần
so với các chuẩn hiện nay.
Trong kỹ thuật tơng tự, một bức ảnh thờng đợc biểu diễn dới dạng các dòng
nằm ngang kế tiếp nhau (Hình 1.2). Mỗi dòng là một tín hiệu tơng tự mang
theo các thông tin về cờng độ sáng dọc theo một đờng nằm ngang trong ảnh
gốc. ảnh trên một chiếc TV đợc hiện lên qua các dòng quét này. Mặc dù thuật
ngữ "tơng tự" đợc dùng để mô tả cho các ảnh quét liên tiếp nh thế này nhng
thực tế ảnh chỉ tơng tự dọc theo hớng nằm ngang. Nó là rời rạc khi xét theo h-
ớng dọc và chính vì vậy mà tín hiệu ảnh là tín hiệu lai nửa tơng tự, nửa số.
Vấn đề về tín hiệu lai đợc đề cập đến trong các chơng 14, 15 và 16. Một
máy truyền hình đợc thiết kế để thu tín hiệu truyền hình mã hoá theo tiêu

chuẩn NTSC của Mỹ có khả năng hiển thị xấp xỉ 525 dòng. Công nghệ truyền
hình tiến bộ nỗ lực để cung cấp cho chúng ta số lợng các dòng gấp hai lần, cho
độ phân giải tốt hơn là TV màn ảnh rộng. Một TV có màn ảnh lớn hơn 28 inch
đợc coi là một TV có màn ảnh rộng. Một điều cần chú ý là một chiếc TV thì có
khả năng hiện một số dòng nh nhau cho dù nó là 5 inch hay là 50 inch. Màn
ảnh lớn nhất của loại TV dòng quét xen kẽ này mà mắt ngời có khả năng phân
biệt đợc từ khoảng cách thông thờng vào khoảng 3 mét. Các tiêu chuẩn truyền
hình và khả năng phân biệt của mắt ngời đợc đề cập đến trong chơng 14.

Hình 1.2 Biểu diễn của một ảnh tơng tự.
3
n=0
x(t,0)


xung
đồng
bộ.
n=1
x(t,T)


xung
đồng
bộ.
t=0

t=0
t=0
t

'
time
1st line scan
1st line scan
x
'
(t
'
)
=x(t.nT)
T
1.4 Một hệ thống xử lý ảnh cơ bản
Một hệ thống xử lý ảnh cơ bản có thể bao gồm: máy tính cá nhân kèm theo
vỉ mạch chuyển đổi đồ hoạ VGA hoặc SVGA, đĩa chứa các ảnh mà bạn dùng
để kiểm tra các thuật toán và một màn hình có hỗ trợ VGA hoặc SVGA.
Nếu ngân sách bạn cho phép, tôi đề nghị bạn nên có một hệ thống nh trong
hình 1.3. Nó bao gồm một máy tính PC có kèm theo thiết bị xử lý ảnh. Nối với
cổng vào của thiết bị thu nhận ảnh là một video camera, và cổng ra nối với một
màn hình. Thực tế, phần lớn các nghiên cứu của chúng ta đợc đa ra trên ảnh
mức xám (ảnh đen trắng). Bởi vậy, hệ thống của bạn sẽ bao gồm một thiết bị
xử lý ảnh đen trắng và một màn hình đen trắng.
ảnh mức xám đợc áp dụng trong nhiều lĩnh vực nh sinh vật học hoặc trong
công nghiệp. Thực tế chỉ ra rằng bất kỳ ứng dụng nào trên ảnh mức xám cũng
ứng dụng đợc trên ảnh màu. Vì lý do này tôi đề nghị hệ thống của bạn ban đầu
chỉ bao gồm các thiết bị thu nhận và hiển thị ảnh đen trắng. Trong chơng 11
chúng ta sẽ đề cập đến lĩnh vực xử lý ảnh màu. Với ảnh màu, tôi đề nghị bạn
sử dụng một hệ thống mới giống nh hình 1.3, ngoại trừ bạn cần một camera
TV màu và một monitor đa tần số (ví dụ nh NEC multiSync, Sony multiscan,
hoặc Mitsubishi Diamond Scan ) để hiển thị ảnh màu. Nếu khả năng tài chính
của bạn không cho phép, bạn có thể vẫn dùng PC của bạn kèm theo vỉ mạch

VGA và monitor VGA, và dùng ảnh đợc cho trong cuốn sách này.
Hình 1.3 Một hệ thống xử lý ảnh.
Bây giờ chúng ta đề cập đến tất cả các khối trong hệ thống.
Thiết bị nhận ảnh. Chức năng của thiết bị này là số hóa một băng tần số cơ
bản của tín hiệu truyền hình cung cấp từ một camera, hoặc từ một đầu máy
VCR. ảnh số sau đó đợc lu trữ trong bộ đệm chính, bộ đệm này có khả năng đ-
ợc địa chỉ hoá (nhờ một PC) đến từng điểm bằng phần mềm. Thông thờng
4
Máy tính cá nhân
Màn
hình
video
Màn hình
đồ hoạ và
văn bản
Camera
truyền hình
với ống kính
có khả năng
phóng to, thu
nhỏ.
Đến thiết bị
nhận ảnh
Thiết bị
nhận ảnh
Đến màn
hình video
thiết bị này có rất nhiều chơng trình con điều khiển mà có thể lập trình đợc
thông qua ngôn ngữ C. Khi mua một thiết bị bạn cần chú ý các điểm sau:
1. Thiết bị có khả năng số hoá ảnh dùng ít nhất là 8 bit (256 mức xám) và

ảnh thu đợc phải có kích thớc ít nhất là 512 ì 512 điểm hoặc hơn nữa.
2. Thiết bị phải chứa một bộ đệm ảnh để lu trữ một hoặc nhiều ảnh có độ
phân giải 512 ì 512 điểm ảnh.
3. Thiết bị phải đợc kèm theo một bộ đầy đủ th viện các chơng trình con có
khả năng giao diện với các chơng trình C viết bằng Turbo C hoặc
Microsoft C.
4. Sổ tay hớng dẫn sử dụng cũng phải đợc kèm theo, bao gồm cả dạng chứa
trên đĩa và khi in.
5. Một số thiết bị cho phép tuỳ chọn sử dụng cả hai chế độ văn bản và đồ
hoạ trên cùng một màn hình hoặc hai màn hình riêng biệt. Mặc dù chi
tiết này là không cần thiết, nhng nó sẽ rất có giá trị trong trờng hợp bạn
bị giới hạn về không gian lắp đặt hoặc khả năng tài chính.
Camera. Tổng quát có hai kiểu camera: kiểu camera dùng đèn chân không
và kiểu camera chỉ dùng bán dẫn. Đặc biệt là trong lĩnh vực này, camera bán
dẫn thờng hay đợc dùng hơn camera đèn chân không. Camera bán dẫn còn đợc
gọi là CCD camera do nó dùng các thanh ghi dịch đặc biệt gọi là thiết bị ghép
(charge-coupled devices- CCDs). Các CCD này chuyển các tín hiệu ánh sáng
từ bộ cảm nhận ánh sáng bố trí ở phía trớc camera thành các tín hiệu điện mà
sau đó đợc mã hoá thành tín hiệu TV.
Loại camera chất lợng cao thì cho tín hiệu ít nhiễu và có độ nhậy cao với ánh
sáng. Khi bạn chọn mua camera thì bạn cần chú ý đến các thấu kính của máy.
Tôi đề nghị bạn nên chọn một thấu kính từ 18 đến 108 mm với f-stop từ 2.5
đến 18. Một vài ngời bán hàng sẽ cung cấp trọn gói camera và thấu kính.
Sau đây là danh sách các nhà sản xuất:
1. Pulnix America Inc, 770 Lucerne Drive, Sunnyvale, CA 84086. Tel.
408-773-1550; fax 408-737-2966.
2. Sony Corp. of America, Component Products Co., 10833 Valley View
St., Cypress, CA 90630. Fax 714-737-4285.
3. Parasonic, industrial camera division: 201-329-6674.
4. JVC Professional: 1-800-JVC-5825.

Monitor video. Một số các nhà sản xuất (nh Sony) sản xuất các loại
monitor đen trắng chất lợng cao. Bạn nên sử dụng loại monitor chất lợng cao,
vì sử dụng các monitor chất lợng thấp có thể làm bạn nhầm lẫn kết quả. Một
monitor 9 inch là đủ cho yêu cầu làm việc của bạn. Để hiển thị ảnh màu, bạn
nên dùng một monitor đa hệ.
Máy tính. Phần mềm cho ở trong sách này đợc phát triển để làm việc trên
tất cả các máy sử dụng hệ điều hành DOS. Mặc dù máy XT có thể chạy đợc
các chơng trình này, nhng để tăng cờng tốc độ bạn cần phải có một máy tính
486 hoặc hơn. Ngày nay thì một máy tính 486-66 MHz còn rẻ hơn giá các máy
5