Luận văn tốt nghiệp NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN BIÊN VÀ ỨNG DỤNG Học viên Mã số Người hướng dẫn khoa học : Nguyễn Mai Anh : CH0302001 : TS Đỗ Năng Tồn Nội dung trình bày Đặt vấn đề Các phương pháp phát biên Ứng dụng biên xác định góc nghiêng văn Kết luận Đặt vấn đề Mục tiêu luận văn nghiên cứu phương pháp biểu diễn biên, hệ thống hóa kiến thức phương pháp phát biên, ứng dụng xử lý ảnh văn Biên vấn đề quan trọng xử lý ảnh đặc điểm trích chọn q trình phân tích ảnh chủ yếu dựa vào biên Điểm biên nơi có thay đổi thay đổi đột ngột mức xám Tập hợp điểm biên tạo thành biên hay đường bao ảnh Các phương pháp phát biên Phương pháp phát biên trực tiếp: làm biên dựa vào biến thiên giá trị độ sáng điểm ảnh Kỹ thuật chủ yếu dùng phát biên kỹ thuật đạo hàm Phương pháp phát biên gián tiếp: cách đấy, ta phân ảnh thành vùng đường phân ranh vùng biên Việc phân vùng ảnh thường dựa vào kết cấu bề mặt ảnh Một số phương pháp khác: Cách tiếp cận theo mơ hình mặt dựa vào việc thực xấp xỉ đa thức ảnh gốc hay ảnh thực phép lọc Laplace Cách tiếp cận tối ưu nhằm xác định hàm, làm giảm phương sai giảm số điểm cực trị cục Phương pháp phát biên trực tiếp Phương pháp Gradient: cho kết ảnh biên dựa vào kỹ thuật xác định điểm có mức xám thay đổi đột ngột nhờ kỹ thuật lấy đạo hàm bậc Theo định nghĩa, gradient véctơ có thành phần biểu thị tốc độ thay đổi giá trị điểm ảnh theo hướng x y f (x + dx, y) − f (x, y) ∂f (x, y) = fx ≈ dx ∂x ∂f (x, y) f (x, y + dy) − f (x, y) = fy ≈ ∂y dy Kỹ thuật Gradient: dùng toán tử gradient lấy đạo hàm theo hướng Kỹ thuật la bàn: dùng toán tử la bàn lấy đạo hàm theo hướng B, N, Đ, T, ĐB, TB, ĐN, TN Phương pháp phát biên trực tiếp -kỹ thuật gradientTốn tử Robert Áp dụng trực tiếp cơng thức đạo hàm điểm (x,y) Với điểm ảnh I(x,y) I, đạo hàm theo x, theo y ký hiệu tương ứng gx, gy tính: ⎧ g x = I ( x + 1, y ) − I ( x, y ) ⎨ ⎩ g y = I ( x, y + 1) − I ( x, y ) Điều tương đương với việc chập ảnh với mặt nạ H1và H2: ⎡0 H1 = ⎢ ⎣− 1⎤ 0⎥ ⎦ ⎡− H2 = ⎢ ⎣0 ⎤ −1⎥ ⎦ Áp dụng toán tử Robert với ảnh nguồn I ta có ảnh kết Ikq sau: Ikq=I ⊗ H1 + I ⊗ H2 Phương pháp phát biên trực tiếp -kỹ thuật gradientToán tử Sobel ⎡− H = ⎢− ⎢ ⎢− ⎣ ⎡− H = ⎢0 ⎢ ⎢1 ⎣ 1⎤ 2⎥ ⎥ ⎥ 1⎦ 0 −2 −1⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ Toán tử Prewitt ⎡− H = ⎢− ⎢ ⎢− ⎣ 1⎤ 1⎥ ⎥ 1⎥ ⎦ 0 ⎡− H = ⎢0 ⎢ ⎢1 ⎣ −1 −1⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ 0 Toán tử Frei-Chen ⎡ Hr = ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ 0 ⎡− − ⎢ Hc = ⎢ 0 ⎢1 ⎣ − 1⎤ 2⎥ ⎥ − 1⎥ ⎦ − 1⎤ ⎥ 0⎥ 1⎥ ⎦ Phương pháp phát biên trực tiếp -kỹ thuật la bànToán tử Kirsch ⎡5 H1 = ⎢− ⎢ ⎢ ⎣− ⎡− H = ⎢− ⎢ ⎢ ⎣− −3 −3 5 ⎤ −3⎥ ⎥ ⎥ −3⎦ ⎡− H = ⎢− ⎢ ⎢− ⎣ −3⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎡− H = ⎢− ⎢ ⎢5 ⎣ −3 ⎡5 H = ⎢5 ⎢ ⎢5 ⎣ −3 −3 −3⎤ −3⎥ ⎥ −3⎥ ⎦ −3 5 ⎤ ⎥ ⎥ −3⎥ ⎦ ⎡− H = ⎢− ⎢ ⎢− ⎣ −3⎤ −3⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎡− H = ⎢5 ⎢ ⎢ ⎣5 ⎡5 H8 = ⎢5 ⎢ ⎢− ⎣ −3 −3 −3 −3 5⎤ 5⎥ ⎥ 5⎥ ⎦ −3⎤ −3⎥ ⎥ −3⎥ ⎦ −3⎤ −3⎥ ⎥ −3⎥ ⎦ Phương pháp phát biên trực tiếp -phương pháp LaplaceToán tử Laplace định nghĩa: Δ2 f = ∂2 f ∂2 f + ∂x ∂y ≈[2f(x,y)-f(x-1,y)-f(x+1,y)]+[2f(x,y)-f(x,y-1)-f(x,y+1)] ≈f(x+1,y)+f(x-1,y)+f(x,y+1)+f(x,y-1)-4f(x,y) kiểu mặt nạ hay dùng: ⎡0 H1 = ⎢1 ⎢ ⎢0 ⎣ −4 0⎤ 1⎥ ⎥ 0⎥ ⎦ ⎡1 H2 = ⎢1 ⎢ ⎢1 ⎣ −8 1⎤ 1⎥ ⎥ 1⎥ ⎦ ⎡−1 H3 = ⎢2 ⎢ ⎢−1 ⎣ −4 −1⎤ 2⎥ ⎥ −1⎥ ⎦ Phương pháp phát biên trực tiếp Original image Sobel Operator Laplacian Operator Prewitt Operator Frei-Chen Operator Roberts Operator Kirsh Operator Robinson Operator Hình ảnh biên thu từ việc áp dụng toán tử 10 Phương pháp phát biên gián tiếp Phân vùng ảnh Dò biên: 11 Phương pháp phát biên gián tiếp -Các kỹ thuật phân vùng ảnhVùng ảnh chi tiết, thực thể toàn cảnh, tập hợp điểm có gần tính chất đấy: mức xám, mức màu, độ nhám,… Các điểm vùng ảnh có độ biến thiên giá trị mức xám tương đối đồng hay tính kết cấu (texture) tương đồng Phân vùng ảnh dựa theo ngưỡng biên độ Phân vùng theo miền đồng Phân vùng dựa theo kết cấu bề mặt (texture) 12 Phương pháp phát biên gián tiếp -Phân vùng ảnh dựa theo ngưỡng biên độĐặc tính đơn giản hữu ích ảnh biên độ tính chất vật lý ảnh như: độ phản xạ, độ truyền sáng, màu sắc đáp ứng đa phổ Như dùng ngưỡng biên độ để phân vùng mà biên độ đủ lớn đặc trưng cho ảnh Quá trình nhị phân hóa ảnh, T ngưỡng cần xác định ⎧1 out ( x, y ) = ⎨ ⎩0 in( x, y ) > T in( x, y ) < T H(k) L mức xám T2 T3 T4 T1 Lược đồ hình rắn lượn cách chọn ngưỡng 13 Phương pháp phát biên gián tiếp -Phân vùng theo miền đồng nhấtKỹ thuật phân vùng ảnh thành miền đồng dựa vào tính chất quan trọng miền Việc lựa chọn tính chất miền xác định tiêu chuẩn phân vùng Tính đồng miền ảnh điểm chủ yếu xác định tính hiệu việc phân vùng Phương pháp phân tách - tứ phân (split - quad trees) Phương pháp hợp (merge) Phương pháp tách - hợp (split - merge) 14 Phương pháp phát biên gián tiếp -Phân vùng dựa theo kết cấu bề mặt (texture)Tiếp cận thống kê: đặc trưng kết cấu sợi độ thơ, độ mịn hay hướng ước lượng nhờ biến đổi ảnh kỹ thuật lọc tuyến tính Tiếp cận cấu trúc: kết cấu sợi có cấu trúc phần tử sợi xác định, mà xuất lặp lặp lại tuân theo luật tất định hay ngẫu nhiên Phân đoạn theo tính kết cấu ACF u(m,n) Trích chọn đặc tính Lọc dải tương quan Phân tích lược đồ Đặc tính sợi Phân tích kết cấu sợi dải tương quan 15 Phương pháp phát biên gián tiếp -kỹ thuật dò biênDò biên tổng quát Bước 1: Xác định cặp vùng xuất phát Bước 2: Xác định cặp vùng Bước 3: Lựa chọn điểm biên Bước 4: Lặp lại bước gặp cặp vùng xuất phát 16 Phương pháp phát biên gián tiếp -kỹ thuật dò biênDò biên theo quy hoạch động "Con đường tối ưu điểm cho trước tối ưu điểm nằm đường tối ưu đó" B E C C E D A Minh họa nguyên lý Bellman 17 ỨNG DỤNG BIÊN TRONG XÁC ĐỊNH GĨC NGHIÊNG VĂN BẢN Bài tốn phát góc nghiêng văn Phát góc nghiêng hiệu chỉnh góc nghiêng văn dựa vào chu tuyến đối tượng ảnh phép biến đối Hough 18 ỨNG DỤNG BIÊN TRONG XÁC ĐỊNH GÓC NGHIÊNG VĂN BẢN Thuật tốn phát góc nghiêng văn Xác định đối tượng ảnh hình chữ nhật nhỏ chứa Lấy điểm trung bình cạnh đáy hình chữ nhật XĐ đường thẳng Áp dụng biến đổi Hough để xác định đường thẳng từ tập điểm vừa tìm T F Tìm đối tượng ảnh hình chữ nhật chứa Xoay văn với góc tìm Mơ tả thuật tốn phát góc nghiêng văn 19 ỨNG DỤNG BIÊN TRONG XÁC ĐỊNH GÓC NGHIÊNG VĂN BẢN Sử dụng kỹ thuật dị biên để tìm hình chữ nhật nhỏ chứa đối tượng ảnh Bước 1: Tìm điểm bắt đầu vùng ta tìm biên vùng (chữ dịng) Bước 2: Xác định điểm xuất phát vùng tiếp theo, gặp điểm xét tìm điểm ảnh dịng có nhãn với điểm xét tiến trình tiếp tục duyệt từ Bước 3: Nếu chạy ngang đến giới hạn khơng thấy điểm bắt đầu vùng khỏi việc hình chữ nhật nhỏ chứa chữ Ngược lại ta quay lại bước 20 ỨNG DỤNG BIÊN TRONG XÁC ĐỊNH GÓC NGHIÊNG VĂN BẢN Áp dụng biến đổi Hough xác định góc nghiêng văn R1=x.cosϕ+y.sinϕ o y Hough[ϕ][r1]=3 R2=x.cosϕ+y.sinϕ ϕ Hough[ϕ][r2]=4 x Hình 3.2: Ứng dụng biến đổi Hough phát góc nghiêng 21 ỨNG DỤNG BIÊN TRONG XÁC ĐỊNH GÓC NGHIÊNG VĂN BẢN Thực nghiệm Ảnh gốc 22 ỨNG DỤNG BIÊN TRONG XÁC ĐỊNH GÓC NGHIÊNG VĂN BẢN Thực nghiệm Ảnh thu sau dò biên 23 ỨNG DỤNG BIÊN TRONG XÁC ĐỊNH GÓC NGHIÊNG VĂN BẢN Thực nghiệm Ảnh thu sau quay ảnh theo chiều kim đồng hồ 24 ỨNG DỤNG BIÊN TRONG XÁC ĐỊNH GÓC NGHIÊNG VĂN BẢN Thực nghiệm Ảnh thu sau chỉnh góc nghiêng 25 Kết luận Với mục đích hệ thống hóa kiến thức phương pháp phát biên ứng dụng với tốn xác định góc nghiêng văn Luận văn đạt số kết sau: Trình bày phương pháp phát biên trực tiếp dựa vào đạo hàm, phương pháp phát biên dựa kỹ thuật dò biên, kỹ thuật phân vùng ảnh Áp dụng phương pháp dò biên cho tốn xác định góc nghiêng văn Cài đặt chương trình demo phát góc nghiêng văn hiệu chỉnh lại văn 26 ... thức phương pháp phát biên ứng dụng với tốn xác định góc nghiêng văn Luận văn đạt số kết sau: Trình bày phương pháp phát biên trực tiếp dựa vào đạo hàm, phương pháp phát biên dựa kỹ thuật dò biên, ... dựa vào biên Điểm biên nơi có thay đổi thay đổi đột ngột mức xám Tập hợp điểm biên tạo thành biên hay đường bao ảnh Các phương pháp phát biên Phương pháp phát biên trực tiếp: làm biên dựa vào... Hough phát góc nghiêng 21 ỨNG DỤNG BIÊN TRONG XÁC ĐỊNH GÓC NGHIÊNG VĂN BẢN Thực nghiệm Ảnh gốc 22 ỨNG DỤNG BIÊN TRONG XÁC ĐỊNH GÓC NGHIÊNG VĂN BẢN Thực nghiệm Ảnh thu sau dò biên 23 ỨNG DỤNG BIÊN