Xử lý ảnh - Nâng cao chất lượng ảnh

Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản XỬ LÝ ẢNH NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH Giảng Viên: ThS. Đinh Phú Hùng Bộ môn: Kỹ Thuật Máy Tính & Mạng Email: hungdp@wru.edu.vn Ngày 22 tháng 1 năm 2015 1 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Nội Dung 1 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh 2 Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh 3 Một số phép biến đổi cơ bản 2 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Nâng cao chất lượng ảnh là bước cần thiết trong xử lý ảnh nhằm hoàn thiện một số đặc tính của ảnh. Nâng cao chất lượng ảnh gồm hai công đoạn khác nhau: tăng cường ảnh và khôi phục ảnh. Mục đích nhằm hoàn thiện các đặc tính của ảnh như: - Tăng độ tương phản, điều chỉnh mức xám của ảnh. - Lọc nhiễu, hay làm trơn ảnh. - Làm nổi biên ảnh. 3 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Các thuật toán triển khai việc nâng cao chất lượng ảnh hầu hết dựa trên các kỹ thuật: Kỹ thuật trong miền điểm. Kỹ thuật trong miền không gian. Kỹ thuật trong miền tần số. 4 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Toán tử điểm Toán tử điểm là phép biến đổi đối với từng điểm ảnh đang xét, không liên quan đến các điểm lân cận khác. Có hai cách tiệm cận với phương pháp này: Dùng một hàm biến đổi thích hợp với mục đích hoặc yêu cầu đặt ra để biến đổi giá trị mức xám của điểm ảnh sang một giá trị mức xám khác. Dùng lược đồ mức xám (Gray Histogram). Về mặt toán học, toán tử điểm là một ánh xạ từ giá trị cường độ ánh sáng u(m,n) sang giá tri cường độ ánh sáng khác v(m,n) thông qua hàm f(.), tức là: v(m,n) = f(u(m,n)). 5 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Toán tử điểm Một số kỹ thuật trong miền điểm: - Phép biến đổi âm bản. - Phép biến đổi logarit. - Phép biến đổi lũy thừa. - Cân bằng Histogram. - ... 6 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Phép biến đổi âm bản Phép biến đổi âm bản: Với một ảnh có các mức xám nằm trong khoảng [0...L-1] ta có: s = L-1-r Trong đó: r là các giá trị điểm ảnh trước khi xử lý. s là các giá trị điểm ảnh sau khi xử lý. Biến đổi âm bản: Làm nổi bật các chi tiết có mầu sáng ở trong vùng tối. Đặc biệt áp dụng đối với những ảnh có vùng tối lớn. 7 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Phép biến đổi âm bản Đồ thị của phép biến đổi âm bản: 8 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Phép biến đổi âm bản Ảnh trước và sau phép biến đổi âm bản: 9 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Phép biến đổi âm bản Ví dụ về phép biến đổi âm bản: Cho ảnh xám đa cấp I với các cấp xám nằm từ [0...255]. Tìm ảnh âm bản của I. 10 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Phép biến đổi Logarit Phép biến đổi Logarit: s = c*log(1+r) Trong đó: r là các giá trị điểm ảnh trước khi xử lý. s là các giá trị điểm ảnh sau khi xử lý. c là một hằng số. Biến đổi Logarit: Các giá trị mức xám thấp qua phép biến đổi sẽ tạo ra mức xám cao hơn. Các giá trị mức xám cao sẽ nén lại thành mức xám thấp hơn. Phép biến đổi này nhằm mục đích tăng chi tiết hóa ở vùng tối. 11 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Phép biến đổi Logarit Đồ thị của phép biến đổi logarit: 12 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Phép biến đổi Logarit Nhận xét: Phép biến đổi Log ánh xạ một khoảng hẹp các giá trị cấp xám thấp trong ảnh đầu vào thành một khoảng rộng hơn các giá trị cấp xám của ảnh đầu ra. Ngược lại nó ánh xạ một khoảng rộng các giá trị cấp xám cao trong ảnh đầu vào thành một khoảng hẹp hơn các giá trị cấp xám của ảnh đầu ra. Phép biến đổi Log ngược ánh xạ một khoảng rộng các giá trị cấp xám thấp trong ảnh đầu vào thành một khoảng rộng hơn các giá trị cấp xám của ảnh đầu ra. Ngược lại nó ánh xạ một khoảng hẹp các giá trị cấp xám cao trong ảnh đầu vào thành một khoảng hẹp hơn các giá trị cấp xám của ảnh đầu ra 13 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Phép biến đổi Logarit Ảnh trước và sau phép biến đổi logarit: 14 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Phép biến đổi Logarit Ví dụ về phép biến đổi logarit: Cho ảnh xám đa cấp I với các cấp xám nằm từ [0...255]. Dùng biến đổi s = log(1+ r) để tìm ảnh đầu ra I. 15 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Phép biến đổi luỹ thừa Phép biến đổi Lũy thừa: s = c ∗ rγ Trong đó: r là các giá trị điểm ảnh trước khi xử lý. s là các giá trị điểm ảnh sau khi xử lý. γ là một hằng số. Biến đổi lũy thừa: Các giá trị mức xám thấp qua phép biến đổi sẽ tạo ra mức xám cao hơn. Các giá trị mức xám cao sẽ nén lại thành mức xám thấp hơn. Phép biến đổi này nhằm mục đích tăng chi tiết hóa ở vùng tối. 16 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Phép biến đổi lũy thừa Đồ thị của phép biến đổi lũy thừa: 17 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Phép biến đổi lũy thừa Nhận xét: Với γ < 1, các giá trị mức xám nhỏ qua phép biến đổi sẽ tạo ra các mức xám lớn hơn, trong khi đó các giá trị mức xám cao sẽ chuyển thành mức xám nhỏ hơn. Với γ = 1, phép biến đổi là một hàm tuyến tính giữa đầu vào và đầu ra. Đặc biệt khi c = γ = 1, ảnh đầu ra và ảnh đầu vào là giống nhau. Với γ >1, ta có phép biến đổi ngược so với γ < 1. 18 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Phép biến đổi lũy thừa Ảnh trước và sau phép biến đổi lũy thừa: 19 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Phép biến đổi lũy thừa Ví dụ về phép biến đổi lũy thừa: Cho ảnh xám đa cấp I với các cấp xám nằm từ [0...255]. Dùng biến đổi s = r0.3 để tìm ảnh đầu ra I. 20 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Cân bằng Histogram Histogram của một ảnh với mức xám trong khoảng từ [0, L-1] là một hàm rời rạc h(rk) = nk , trong đó rk là mức xám thứ k và nk là số lượng pixel trong ảnh có mức xám rk . Histogram là một đồ thị biểu diễn độ sáng của một bức ảnh với trục hoành là độ sáng và trục tung là số lượng điểm ảnh ở độ sáng tương ứng. Chiều cao của các cột trên đồ thị cũng thể hiện số lượng pixel ở mức sáng tương ứng. Histogram thường được chuẩn hóa. Với n là tổng số pixels của ảnh, histogram chuẩn hóa được tính qua biểu thức: p(rk) = h(rk) n = nk n Có thể coi p(rk) là hàm mật độ xác suất của rk , cho biết khả năng xuất hiện tương ứng của từng giá trị mức xám. 21 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Cân bằng Histogram Ảnh và đồ thị histogram tương ứng: Chú ý: Lệnh imhist(I) dùng để vẽ histogram của ảnh trong matlab 22 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Cân bằng Histogram Ảnh và đồ thị histogram tương ứng: 23 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Cân bằng Histogram Ảnh và đồ thị histogram tương ứng: 24 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Cân bằng Histogram Mục đích cân bằng histogram là đưa ra một ảnh có mức xám được phân bố đồng đều. Kỹ thuật “cân bằng histogram” có thể cải thiện chất lượng ảnh tự động mà không cần làm thủ công với chức năng co/giãn mức xám. Ý tưởng: Tìm một phép biến đổi g = T(f) áp dụng cho mỗi pixel ảnh f(x,y) để g(x,y) phân bố đều. 25 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Cân bằng Histogram Cho ảnh I có kích thước MxN và có L mức xám. Các bước thực hiện cân bằng Histogram như sau: Thống kê được số lượng các pixel nk tương ứng đối với từng mức xám rk . Tính các hàm phân bố tĩch lũy cho các điểm ảnh có mức xám nhỏ hơn hoặc bằng k: cdf (rk) = k∑ i=0 ni . Tính giá trị các pixel mới sk theo công thức sau: sk = round( cdf (rk)− cdfmin M ∗ N − cdfmin ∗ (L− 1)) 26 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Cân bằng Histogram Ảnh và đồ thị histogram sau khi cân bằng: Chú ý: Lệnh H = histeq(I) dùng để cân bằng histogram của ảnh trong matlab. 27 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Cân bằng Histogram Cho ảnh I được biểu diễn bởi ma trận như hình dưới. Hãy thực hiện cân bằng Histogram của ảnh I với số mức xám mới bằng 4. 28 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Cân bằng Histogram Bảng tính toán như sau: Kết quả sau khi cân bằng Histogram: 29 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Cân bằng Histogram Bài tập: Cho ảnh I như hình vẽ. Hãy thực hiện: Vẽ đồ thị Histogram của ảnh I. Cân bằng Histogram của ảnh I với mức xám mới là 10. Vẽ đồ thị Histogram của ảnh I sau khi cân bằng. 30 / 31 Tổng quan về nâng cao chất lượng ảnh Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Một số phép biến đổi cơ bản Cân bằng Histogram Bảng tính toán như sau: Kết quả sau khi cân bằng Histogram: 31 / 31