Xử lý ảnh - Dò biên

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
BÁO CÁO XỬ LÝ ẢNH
Đề Tài: Dò biên
Giáo viên hướng dẫn:     Trần Hùng Cường
Nhóm sinh viên thực hiên:  Nguyễn Văn Điệp
Nguyễn Huy Đông
Nguyễn Hồng Hiếu
2 Phần 1 TỔNG QUAN VỀ BIÊN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN
BIÊN
1.1. Vị trí của biên trong phân tíchảnh
Phân tích ảnh là một qua trình gồm nhiều giai đoạn. Đầu tiên là giai đoạn tiền
xử lý ảnh. Sau giai đoạn này, ảnh được tăng cường hay được khôi phục đề làm nồi
các đặc tính ( feature extraction ), tiếp theo là phân đoạn ảnh (segmentation) thành
các phần tử. Thí dụ, như phân đoạn dựa theo biên, dựa theo vùng,… Và tuỳ theo
các ứng dựng, giai đoạn tiếp theo có thể là nhận dạng ảnh ( phân thành các lớp có
miêu tả) hay là giải thích và miêu tả ảnh. Hình 1.1 mô tả tóm lược các bước của
quá trình phân tíchảnh:
Ảnh đầu ra của
quá trình tiền XL
Hình 1.1. Các bước trong phân tích ảnh
Các đặc trưng của ảnh thường gồm: mật độ xám, phân bổ xác xuất, phân bồ không
gian, biênảnh. Các kỹ thuật phân đoạn ảnh chủ yếu dựa vào biên.
Do đó, biên có tầm quan trọng đặc biệt trong qua trình phân tích ảnh.
1.2. Biên và các kỹ thuật dò biên
Trong phần này chúng ta sẽ đề cập đến một số nội dung: khái niệm về biên,
phân loại các phương pháp phát hiện biên và qui trình phát hiện biên.
1.2.1. Khái niệm về biên
Biên là một vấn đề chủ yếu trong phân tích ảnh vì các kỹ thuật phân đoạn
ảnh chủ yếu dựa vào biên.
Một điểm ảnh có thể coi là điểm biên nếu ở đó có sự thay đổi đột ngột về
mức xám. Tập hợp các điểm biên tạo thành biên hay đường bao ảnh của ảnh
(boundary).
Thí dụ, trong một ảnh nhị phân, một điểm có thể gọi là biên nếu đó là điểm
đen và có ít nhất một điểm trắng là lân cận.
Trích chọn
đặc tính
Phân
đoạn
Phân loại
Giải thích
3 Để hình dung tầm quan trọng của biên ta xét ví dụ sau: Khi người hoạ sĩ vẽ
một cái bàn gỗ, chỉ cần vài nét phác thảo về hình dáng như cái mặt bàn, chân bàn
mà không cần thêm các chi tiết khác, người xem đã có thể nhận ra nó là một cái
bàn. nếu ứng dụng của ta là phân lớp nhận diện đối tượng, thì coi như nhiệm vụ đã
hoàn thành. Tuy nhiên  nếu đòi hỏi thêm về các chi tiết khác như vân gỗ hay màu
sắc,…thì với chừng ấy thông tin là chưa đủ.
Nhìn chung về mặt toán học người ta coi điểm biên của ảnh là điểm có sự
biến đổi đột ngột về độ xám.Như vậy phát hiện biên một cách lý tưởng là xác định
được tất cả các đường bao trong các đối tượng. Định nghĩa toán học của biênở trên
là cơ sở cho các kỹ thuật phát hiện biên. Điều quan trọng là sự biến thiên mức xám
giữa các ảnh trong một vùng thường là nhỏ, trong khi đó biến thiên mức xám của
điểm vùng giáp ranh (khi qua biên) lại khá lớn.
1.2.2. Phân loại các kỹ thuật phát hiện biên
Xuất phát từ định nghĩa toán học của biên người ta thường sử dụng 2
phương pháp phát hiện biên sau:
1.2.2.1.Phương pháp phát hiện biên trực tiếp:
Phương pháp này nhằm làm nổi biên dựa vào sự biến thiên về giá trị độ sáng
của điểm ảnh. kỹthuật chủ yếu dùng phát hiện biênở đây là kỹ thuật đạo hàm. Nếu
lấy đạo hàm bậc nhất của ảnh ta có phương pháp Gradient; nếu lấy đạo hàm bậc
hai ta có kỹ thuật Laplace. Hai phương pháp trên được gọi là phương pháp dò biên
cục bộ. ngoài ra người ta còn sử dụng phương pháp “đii theo đường bao”: dựa vào
nguyên lý qui hoạch hoạt động và được gọi là phương pháp dò biên tổng thể.
1.2.2.2.Phương pháp gián tiếp:
Nếu bằng cách nào đấy , ta phân được ảnh thành các vùng thì đường phân ranh
giữa các vùng đó chính là biên. việc phân vùng ảnh thường dựa vào kết cấu
(texture) bề mặt của ảnh.
Cũng cần lưu ý rằng, kỹ thuật dò biên và phân vùng ảnh là hai bài toán đối ngẫu
của nhau. Thực vậy, dò biên để thực hiện phân lớp đối tượng và một khi đã phân
lớp xong có nghĩa là đã phân vùng được ảnh. Và ngược lại, khi phân vùng, ảnh đã
phân lập được thành các đối tượng, ta có thể phát hiện được biên. Phương pháp dò
biên trực tiếp tỏ ra khá hiệu quả vì ít chịu ảnh hưởng của nhiễu. song nếu sự biến
thiên độ sáng không đột ngột, phương pháp này lại kém hiệu quả. Phương pháp dò
biên gián tiếp tuy có khó cài đặt song lại áp dụng khá tốt khi sự biến thiên độ sáng
nhỏ.
4 1.2.3. Qui trình phát hiện biên trực tiếp
b1) Khử nhiễu ảnh
Vì ảnh thu nhận thường có nhiễu, nên bước đầu tiên là phải khử nhiễu. việc
khử nhiễu được thực hiện bằng các kỹ thuật khử nhiễu khác nhau.
b2) Làm nổi biên
Tiếp theo là làm nổi biên bởi các toán tử đạo hàm
b3) Định vị điểm biên
Vì các kỹ thuật làm nổi biên có hiệu ứng phụ là tăng nhiễu , do vậy sẽ có
một số điểm biên giả cần loại bỏ.
b4) liên kết và trích chọn biên.
Như đã nói, phát hiện biên và phân vùng ảnh là một bài toán đối ngẫu. vì thế
cũng có thể phát hiện biên thông qua việc phân vùngảnh.
1.3. Một số phương pháp phát hiện biên cục bộ
1.3.1. Phương pháp gradient
Phương pháp gradient là phương pháp dò biên cục bộ dựa vào cực đạii của
đạo hàm. Theo định nghĩa, gradient là một véctơ có các thành phần biểu thị tốc độ
thay đổi giá trị của điểm ảnh theo hai hướng x và y . các thành phần của gradient
được tính bởi: