Bài giảng Xử lý ảnh - Chương 2: Ảnh số hóa

Trong chương này, chúng ta sẽ đề cập đến các phần tử của bộ số hoá ảnh, một vài hiện tượng vật lý thường dùng trong quá trình xử lý và chúng ta sẽ xem xét vài sự thực hiện số hoá. Mục đích là để mở rộng hiểu biết về các khả năng và hạn chế của các cách tiếp cận khác nhau đối với sự số hoá ảnh, sự nhạy cảm với nhiễu và sự méo ảnh. Sự giảm bớt hay loại bỏ nhiễu và méo của bộ số hoá là một trong các chức năng chính của xử lý ảnh số. Mời các bạn cùng tham khảo.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Xử lý ảnh - Chương 2: Ảnh số hóa CHƯƠNG 2 ẢNH SỐ HOÁ 2.1 GIỚI THIỆU Các máy tính chỉ có thể xử lý ảnh số, trong khi tự nhiên ban cho các ảnh ở dạng khác, nên điều quyết định trước tiên cho vấn đề xử lý ảnh số là chuyển đổi ảnh sang dạng số. Nhìn chung, thiết bị chuyên dụng cho ảnh số hoá là sự biến đổi từ một hệ thống máy tính thông thường thành một trạm làm việc (workstation) xử lý ảnh số. Một thiết bị ghi lại ảnh cũng có thể cần đến, mặc dù chất lượng các bản in của các máy in ma trận điểm bị hạn chế. Những ngày đầu của xử lý ảnh số, thiết bị số hoá ảnh phức tạp và đắt đến nỗi chỉ một vài trung tâm nghiên cứu có liên quan mới có đủ khả năng trang bị. Tuy nhiên, những tiến bộ trong công nghệ đã khiến cho các bộ số hoá ảnh trở nên rẻ và phổ biến hơn. Cấu hình thiết bị gồm nhiều loại khác xa nhau được sử dụng để chuyển đổi ảnh sang dạng số. Trong chương này, chúng ta sẽ đề cập đến các phần tử của bộ số hoá ảnh, một vài hiện tượng vật lý thường dùng trong quá trình xử lý và chúng ta sẽ xem xét vài sự thực hiện số hoá. Mục đích là để mở rộng hiểu biết về các khả năng và hạn chế của các cách tiếp cận khác nhau đối với sự số hoá ảnh, sự nhạy cảm với nhiễu và sự méo ảnh. Sự giảm bớt hay loại bỏ nhiễu và méo của bộ số hoá là một trong các chức năng chính của xử lý ảnh số. 2.1.1 Các phần tử của bộ số hoá Một bộ số hoá ảnh phải có khả năng chia một ảnh thành các phần tử điểm ảnh (pixel), đánh địa chỉ cho mỗi phần tử riêng biệt, đo giá trị các mức xám của ảnh tại mỗi điểm, lượng tử hoá các giá trị liên tục đo được thành một tập các số nguyên và ghi giá trị của tập số nguyên đó ra thiết bị lưu trữ dữ liệu. Để thực hiện công việc này, bộ số hoá phải có năm phần tử. Phần tử đầu tiên của bộ số hoá là ống kính (aperture) lấy mẫu-cho phép bộ số hoá truy cập vào các phần tử điểm ảnh riêng lẻ và bỏ qua phần còn lại của ảnh. Phần tử thứ hai là một cơ chế quét (sampling/scanning) ảnh. Quá trình này gồm có di chuyển ống kính lấy mẫu khắp ảnh theo mô hình định nghĩa trước. Quá trình quét cho phép ống kính lấy mẫu đánh địa chỉ cho các phần tử điểm ảnh, mỗi lần một điểm. Phần tử thứ ba là một bộ cảm nhận ánh sáng, dùng để đo độ sáng của mỗi điểm ảnh thông qua ống kính lấy mẫu. Bộ cảm biến nói chung là một bộ chuyển đổi dùng để biến đổi từ cường độ ánh sáng thành điện áp hay cường độ dòng điện. Phần tử thứ tư là bộ lượng tử hoá, chuyển đổi giá trị liên tục từ đầu ra của bộ cảm biến thành giá trị số nguyên. Đặc trưng của bộ lượng tử là một mạch điện tử gọi là bộ chuyển đổi tương tự sang số (analog to digital converter-ADC). Phần tử cuối cùng của bộ số hoá là thiết bị lưu trữ đầu ra. Các giá trị mức xám được sinh ra bởi bộ lượng tử hoá phải được lưu trữ ở dạng thích hợp cho máy tính xử lý. Thiết bị đầu ra có thể là bộ nhớ bán dẫn, đĩa từ hoặc một vài thiết bị phù hợp khác. 10 2.2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA BỘ SỐ HOÁ ẢNH Mặc dù các bộ số ảnh khác nhau về các thiết bị mà chúng sử dụng để thực hiện các chức năng của chúng, nhưng chúng vẫn có các đặc tính cơ bản liên quan với nhau. Kích thước điểm ảnh. Hai đặc tính quan trọng là kích thước ống kính lấy mẫu và khoảng cách giữa các điểm ảnh liền kề nhau. Nếu bộ số hoá được trang bị trên một hệ thống quang học có thể thay đổi khả năng phóng to, thì khoảng cách và kích thước mẫu của mặt phẳng ảnh vào là có thể thay đổi, đây là lĩnh vực đáng quan tâm. Kích thước ảnh. Tham số quan trọng khác là khả năng của phương tiện đối với kích thước ảnh vào. Đối với trường hợp máy quét film, kích thước của film đầu vào cực đại là 35 mm hoặc ảnh X quang 11  14 inch. Ở đầu ra, kích thước ảnh được định rõ bằng số dòng cực đại và số điểm ảnh trên một dòng. Tính chất phân phối cục bộ. Đặc tính quan trọng thứ ba của bộ số hoá ảnh là tham số vật lý mà thực tế nó đo và lượng tử hoá được. Ví dụ đối với các máy quét film, chúng có thể đo và lượng tử hoá hệ số truyền hay mật độ quang học của film. Cả hai đều là các hàm độ sáng hay độ tối của film nhưng chắc chắn các ứng dụng của chúng hữu ích hơn các hàm khác. Tính chất tuyến tính. Mức độ tuyến tính của sự số hoá cũng là một yếu tố quan trọng. Chẳng hạn, trong thực tế phương tiện số hoá cường độ ánh sáng, dùng để xác định mức độ chính xác của các mức xám tỷ lệ với độ sáng thực sự của ảnh. Bộ số hoá phi tuyến có thể phá huỷ tính hợp lệ của quá trình xử lý tuần tự. Số các mức xám mà thiết bị có thể lượng tử hoá ảnh cũng rất quan trọng. Các bộ số hoá ảnh trước đây chỉ có hai mức xám: đen và trắng. Trong thực hành số hoá đơn sắc hiện nay, dữ liệu thường là 8 bit (256 mức) và thiết bị có độ phân giải cao hơn có thể thực hiện được. Nhiễu. Cuối cùng, mức nhiễu của bộ số hoá là đặc tính có tầm quan trọng nhất. Trường hợp ảnh xám được thể hiện bởi bộ số hoá, nhiễu vốn có trong hệ thống sẽ gây ra hiện tượng mức xám đan chéo nhau trên ảnh đầu ra, cho dù độ sáng ảnh đầu vào là hằng số. Nhiễu do bộ số hoá tạo ra chính là nguyên nhân gây ra sự suy biến ảnh và điều này liên quan một phần đến sự tương phản của ảnh. Những đặc tính này tạo thành bản chi tiết kỹ thuật cho một bộ số hoá. Chúng cung cấp cơ sở để so sánh các phương tiện khác nhau hay để quyết định một bộ số hoá có thích hợp cho một công việc cụ thể nào đấy hay không. Trong một vài trường hợp, ảnh số hoá có thể thích hợp với vài dòng, số điểm ảnh trên một dòng, các mức xám có liên quan và với tính phi tuyến có thể đánh giá được hay mức nhiễu cao. Tuy nhiên, nhiều ứng dụng quan trọng của xử lý ảnh số đòi hỏi bộ số hoá chất lượng cao-có khả năng số hoá một ảnh lớn có nhiều mức xám với tính tuyến tính tốt và mức nhiễu thấp. Chương sau, chúng ta sẽ thảo luận chi tiết đến các yêu cầu đối với bộ số hoá trong các ứng dụng xử lý ảnh. 2.3 CÁC KIỂU BỘ SỐ HOÁ ẢNH Một kiểu bộ số hoá đa năng và quan trọng là camera số hoá, camera mà có một hệ thống thấu kính có thể số hoá ảnh ...