TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC HUẾ
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
#"
GIÁO TRÌNH
Người soạn: TS. NGUYỄN ĐĂNG BÌNH
HUẾ, 9 - 2011
LỜI MỞ ĐẦU
Xử lý ảnh số là một trong những lĩnh vực phát triển rất nhanh của ngành Công nghệ
thông tin. Trong những năm trở lại đây, phần cứng máy tính và các thiết bị liên
quan xử lý ảnh số đã có sự tiến bộ vượt bậc về tốc độ tính toán, khả năng lưu trữ và
xử lý đã thúc đầy nghiên cứu xử lý ảnh số ngày một đẩy mạnh trong cả lý thuyết và
ứng dụng. Khái niệm ảnh số đã trở nên thông 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. Nó được ứng dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ. Chẵng hạn như thị giác máy tính, rô bốt, tìm
kiếm tài liệu ảnh, hỗ trợ chẩn đoán hình ảnh y học, thiết kế ảnh, giải trí... xử lý ảnh
số bằng máy tính đã giúp chúng ta thay đổi cách cảm nhận và sử dụng máy tính, nó
đã trở thành những công cụ trực quan quan trọng không thể thiếu trong đời sống
hằng ngày. Vì vậy môn “xử lý ảnh số” đã trở thành một trong những môn học chính
trong các chuyên ngành Công nghệ thông tin ở các trường đại học trên cả nước. Với
mong muốn đóng góp vào sự nghiệp đào tạo và nghiên cứu trong lĩnh vực này, tác
giả biên soạn cuốn giáo trình Xử lý ảnh số dựa trên đề cương môn học hệ tín chỉ đã
được duyệt. Cuốn sách tập trung vào các vấn đề từ cơ bản đến nâng cao của xử lý
ảnh nhằm cung cấp một nền tảng kiến thức đầy đủ và chọn lọc nhằm giúp người đọc
có thể tự tìm hiểu và xây dựng các chương trình ứng dụng liên quan trong xử lý
ảnh.
Cuốn sách “Giáo trình xử lý ảnh số” được biên soạn theo sát nội dung chương
trình đào tạo cử nhân Công nghệ thông tin. Nội dung của giáo trình tập trung vào
các vấn đề cơ bản của xử lý ảnh nhằm cung cấp một nền tảng kiến thức đầy đủ và
chọn lọc nhằm giúp người đọc có thể tự tìm hiểu, tự học và nắm được những kiến
thức từ cơ bản đến nâng cao của xử lý ảnh số, trên cơ sở đó có thể tiếp tục tự nghiên
cứu sâu hơn cũng như giúp cho sinh viên xây dựng các chương trình liên quan đến
xử lý ảnh, những thư viện cho riêng mình và phát triển các phần mềm ứng dụng xử
lý ảnh cao hơn.
Giáo trình được chia làm 6 chương, sau mỗi chương đều có phần bài tập để
kiểm tra kiến thức và rèn luyện khả năng lập trình cho bạn đọc. Chương 1, trình bày
tổng quan về xử lý ảnh, các ứng dụng của xử lý ảnh số, các khái niệm cơ bản, sơ đồ
tổng quát của một hệ thống xử lý ảnh và các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh. Chương
2 trình bày về quá trình thu nhận, số hóa, biểu diễn và lưu trữ ảnh. Chương 3, trình
bày các kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh dựa vào các thao tác với điểm ảnh, nâng
cao chất lượng ảnh thông qua việc xử lý các điểm ảnh trong lân cận điểm ảnh đang
xét. Chương này cũng trình bày các kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh nhờ vào các
phép lọc không gian làm trơn, và lọc làm nét. Chương 4 giáo trình trình bày về các
ý tưởng và một số phương pháp cơ bản sử dụng trong khôi phục ảnh như ước lược
sự xuống cấp. bộ lọc Wiener, phục hồi ảnh dựa vào thích nghi. Chương 5, trình bày
các kỹ thuật cơ bản trong việc trích chọn dấu hiệu đặc trưng của ảnh, kỹ thuật tìm
xương theo khuynh hướng tính toán trục trung vị và hướng tiếp cận xấp xỉ nhờ các
thuật toán làm mảnh song song và gián tiếp. Phát hiện biên và tách biên ảnh của các
đối tượng ảnh theo cả hai khuynh hướng: Phát hiện biên trực tiếp và phát hiện biên
gián tiếp và các phương pháp phân vùng ảnh. Cuối cùng là Chương 6 trình bày về
nén ảnh, các khái niệm cơ bản của nén ảnh, nét dữ liệu ảnh có mất mát thông tin và
nén không mất mát thông tin, các phương pháp nén cơ bản như nén mã loạt dài thay
đổi (RLC), nén Huffman và nén LZW.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các bạn đồng nghiệp trong Bộ môn
Khoa học máy tính, Khoa công nghệ thông tin, trường Đại học Khoa học Huế đã
động viên, góp ý và giúp đỡ để hoàn chỉnh nội dung cuốn sách này. Xin cám ơn
Lãnh đạo Khoa Công nghệ thông tin, Ban giám hiệu Đại học Khoa học, Ban Giám
đốc Đại học Huế và Dựa án đào tạo cán bộ tin học và đưa tin học vào nhà trường
thuộc CTMTQG GD & ĐT năm 2011 đã hỗ trợ và tạo điều kiện để cho ra đời giáo
trình này.
Mặc dù rất cố gắng nhưng tài liệu này chắc chắn không tránh khỏi những sai
sót. Chúng tôi 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: Nguyễn Đăng Bình
Khoa Công nghệ thông tin – ĐH Khoa Học Huế.
77 Nguyễn Huệ, Thành phố Huế.
Điện thoại: 0543.826767 Email: ndbinh@hueuni.edu.vn
Huế, ngày 27 tháng 9 năm 2011
TÁC GIẢ
MỤC LỤC
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH SỐ
1.1. Giới thiệu về xử lý ảnh............................................................................................ 2
1.1.1. Xử lý ảnh số là gì................................................................................................. 4
1.1.2. Lịch sử của xử lý ảnh........................................................................................... 6
1.2. Các ứng dụng của xử lý ảnh ................................................................................... 8
1.2.1. Ảnh gamma........................................................................................................ 10
1.2.2. Ảnh X quang...................................................................................................... 11
1.2.3. Ảnh trong dải nhìn thấy được và ảnh hồng ngoại.............................................. 11
1.2.4. Ảnh trong dải sóng radio ................................................................................... 12
1.3. Các bước cơ bản của xử lý ảnh ............................................................................ 13
1.4. Một số khái niệm cơ bản về xử lý ảnh ................................................................. 15
1.4.1. Ảnh số là gì?...................................................................................................... 15
1.4.2. Phần tử ảnh ........................................................................................................ 15
1.4.3. Mức xám............................................................................................................ 16
1.4.4. Độ phân giải của ảnh ......................................................................................... 17
1.4.5. Biểu diễn ảnh ..................................................................................................... 17
1.4.6. Tăng cường, nâng cao chất lượng ảnh............................................................... 18
1.4.7. Khôi phục ảnh.................................................................................................... 18
1.4.8. Biến đổi ảnh....................................................................................................... 19
1.4.9. Phân tích ảnh...................................................................................................... 19
1.4.10. Nhận dạng ảnh................................................................................................. 20
1.4.11. Tra cứu ảnh...................................................................................................... 22
1.4.12. Nén ảnh............................................................................................................ 22
1.5. Một số quan hệ cơ bản giữa các điểm ảnh .......................................................... 23
1.5.1. Lân cận của điểm ảnh ........................................................................................ 23
1.5.2. Tính liền kề, tính liên thông, vùng và biên........................................................ 24
1.5.3. Thuật toán tìm các thành phần liên thông.......................................................... 26
1.5.4. Độ đo khoản cách giữa các điểm....................................................................... 28
Câu hỏi ôn tập............................................................................................................... 30
Chương 2- THU NHẬN, SỐ HÓA, BIỂU DIỄN, LỮU TRỮ ẢNH
2.1. Cấu trúc mắt người ............................................................................................... 31
2.2. Sự hình thành ảnh trong mắt người ................................................................... 34
2.3. Ánh sáng và phổ điện từ của ảnh sáng ............................................................... 35
2.4. Cảm biến và thu nhận ảnh ................................................................................... 36
2.4.1. Thu nhận ảnh sử dụng thiết bị cảm biến............................................................ 37
2.4.2. Mô hình tạo ảnh đơn giản.................................................................................. 38
2.5. Lấy mẫu và lượng hóa .......................................................................................... 40
2.5.1. Các khái niệm cơ bản trong lấy mẫu và lượng hóa ........................................... 40
2.5.2. Biểu diễn ảnh số................................................................................................. 43
2.5.3. Độ phân giải không gian và độ phân giải cấp xám............................................ 44
2.6. Các không gian màu thông dụng ........................................................................ 46
2.6.1. Màu sắc.............................................................................................................. 46
2.6.2. Tổng hợp màu.................................................................................................... 47
2.6.3. Không gian biểu diễn màu và hệ tọa độ màu .................................................... 47
2.6.4. Một số kỹ thuật hiển thị màu............................................................................. 55
2.7. Một số mô hình và phương pháp biểu diễn ảnh ................................................ 56
2.7.1. Mô hình Raster................................................................................................... 56
2.7.2. Mô hình Vector.................................................................................................. 57
2.7.3. Một số phương pháp biểu diễn ảnh ................................................................... 57
2.8. Các loại định dạng tập tin cơ bản ....................................................................... 59
2.8.1. Khái niệm chung................................................................................................ 59
2.8.2. Quá trình đọc một tệp ảnh ................................................................................. 59
Câu hỏi ôn tập............................................................................................................... 60
Chương 3 - NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH
3.1. Kiến thức cơ sở...................................................................................................... 62
3.2. Các toán tử xử lý điểm ảnh................................................................................... 65
3.2.1. Phép biến đổi âm bản......................................................................................... 68
3.2.2. Phép biến đổi Log.............................................................................................. 69
3.2.3. Phép biến đổi lũy thừa....................................................................................... 69
3.2.4. Các hàm biến đổi tuyến tính từng phần............................................................. 73
3.3. Xử lý lược đồ mức xám......................................................................................... 37
3.3.1. Cân bằng lược đồ mức xám............................................................................... 77
3.3.2. Biến đổi độ tương phản dựa trên biến đổi lược đồ mức xám............................ 81
3.4. Lọc tuyến tính ........................................................................................................ 81
3.5. Các bộ lọc không gian làm trơn ........................................................................... 87
3.5.1. Lọc tuyến tính làm trơn ..................................................................................... 87
3.5.2. Lọc thống kê thứ tự............................................................................................ 91
3.6. Các bộ lọc không gian tăng cường độ nét............................................................ 92
3.6.1. Khái niệm bộ lọc dựa trên đạo hàm................................................................... 92
3.6.2. Toán tử đạo hàm bậc nhất.................................................................................. 95
3.6.3. Toán tử đạo hàm bậc hai.................................................................................... 98
3.7. Cải thiện nâng cao chất lượng ảnh .................................................................... 102
3.6.1. Tăng cường ảnh sử dụng toán tử số học và logic ............................................ 102
3.6.1.1. Phép trừ ảnh.................................................................................................. 104
3.6.1.2. Phép trung bình ảnh...................................................................................... 105
3.6.2. Tăng cường biên ảnh ....................................................................................... 107
Bài tập.......................................................................................................................... 107
