Xử lý tín hiệu và mã hóa - Chương 2: Thu nhận và biểu diễn ảnh

Xử lý tín hiệu và mã hóa (Master program) Giảng viên: TS. Phạm Việt Hà Email: phamvietha@gmail.com ĐT CQ: (04).37544486 Địa chỉ CQ: 122 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội 1 Chương 2. Thu nhận và biểu diễn ảnh Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 2 2.1 Giới thiệu chung 2.2 Mô hình màu sắc 2.3 Thu nhận ảnh 2.4 Lấy mẫu và lượng tử hóa 2.5 Các định dạng file ảnh 2.1. Giới thiệu chung Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 3 Ví dụ: 2.2. Mô hình màu sắc Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 4 Cảm nhận màu  Phần nhạy cảm với ảnh: võng mạc (retina) bao gồm hai loại tế bào: rods (dạng hình que) và cones (dạng hình nón). Cone nhạy với màu sắc.  Các tế bào que cho một hình ảnh chung về trường chiếu sáng, nó không nhạy với màu sắc mà nhạy với ánh sáng có mức thấp. 2.2. Mô hình màu sắc Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 5 Mô hình màu: Là phương pháp diễn giải các đặc tính và tác động của màu trong ngữ cảnh nhất định.  Không có mô hình màu nào là đầy đủ cho mọi khía cạnh của màu • Sử dụng các mô hình màu khác nhau để mô tả các tính chất được nhận biết khác nhau của màu.  Thí dụ • Mô hình màu RGB: ánh sáng Red, Green và Blue ứng dụng cho màn hình, TV. • Mô hình HSV: Nhận thức của con người • Mô hình CMYK: Máy in 2.2. Mô hình màu sắc Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 6  Xét cấu tạo của mắt và việc nhìn thì tất cả các màu đều là liên kết của 3 màu sơ cấp: Đỏ (R), lục (B), lam(G).  Bước sóng của 3 màu cơ bản là: B=435,8nm; G=546,1 nm; R=700nm. 2.2. Mô hình màu sắc Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 7 2.2. Mô hình màu sắc Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 8 2.3. Thu nhận ảnh Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 9  Ảnh thu được từ các thiết bị thu nhận ảnh có thể là ảnh tương tự hoặc ảnh số. Trong trường hợp ảnh tương tự, chúng ta phải tiến hành quá trình số hóa ảnh để có thể xử lý được bằng máy tính. Các thiết bị thu nhận ảnh thông thường Raster là camera Các thiết bị thu nhận ảnh thông thường Vector là sensor hoặc bàn số hóa Digitalizer Nhìn chung các hệ thống thu nhận ảnh thực hiện 1 quá trình: • Cảm biến: biến đổi năng lượng quang học thành năng lượng điện (giai đoạn lấy mẫu) • Tổng hợp năng lượng điện thành ảnh số (giai đoạn lượng tử hóa) 2.4. Lấy mẫu và lượng tử hóa Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 10 Phương pháp chung để số hóa ảnh là lấy mẫu theo hàng và mã hóa từng hàng. Eg: Quét ảnh theo hàng, lấy mẫu theo hàng và mã hóa từng hàng 2.4. Lấy mẫu và lượng tử hóa Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 11 Lấy mẫu: Yêu cầu tín hiệu có dải phổ hữu hạn Ảnh thỏa mãn điều kiện trên, và được lẫy mẫu đều trên một lưới hình chữ nhật, với bước nhảy (chu kỳ lấy mẫu) ∆x, ∆y có thể khôi phục lại không sai sót. Nếu như ta chọn ∆x, ∆y sao cho: Tiến trình lượng hóa: Lượng tử hóa về mặt biên độ (độ sáng) cho dòng ảnh vừa được rời rạc hóa. 2.4. Lấy mẫu và lượng tử hóa Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 12 Lượng hóa  Lượng hóa ảnh nhằm ánh xạ từ một biến liên tục u (biểu diễn giá trị độ sáng) sang một biến rời rạc u* với các giá trị thuộc tập hữu hạn {r1 , r2 ,..., rL}.  Cơ sở lý thuyết của lượng hóa là chia dải độ sáng biến thiên từ Lmin đến Lmax thành một số mức (rời rạc và nguyên).  Thường Lmin=0, Lmax là số nguyên dạng (Thường chọn B=8, mỗi điểm ảnh sẽ được mã hóa 8 bít). 2.4. Lấy mẫu và lượng tử hóa Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 13  Cho {tk , k = 1,2,..., L +1} là tập các bước dịch chuyển tku. • Với khoảng chia như trên (t1, t2, tk) nếu u(ti, ti+1) thì gán cho u giá trị ri. Hay nói cách khác u đã được lượng hoá bởi mức i (giá trị ri). • Lượng hóa đều: Lượng hóa đều là một kỹ thuật đơn giản, dễ thực hiện nhất. • Giả sử biên độ đầu ra của hệ thống thu nhận ảnh nhận giá trị từ 0 đến X. Mẫu lượng hóa đều trên 256 mức. 2.4. Lấy mẫu và lượng tử hóa Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 14 2.5. Các định dạng ảnh cơ bản Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 15 Ảnh BMP (Bitmap) Là ảnh được mô tả bởi một ma trận các giá trị số xác định màu và bảng màu của các điểm ảnh tương ứng khi hiển thị. * Ưu điểm của ảnh Bitmap là tốc độ vẽ và tốc độ xử lý nhanh. * Nhược điểm của nó là kích thước rất lớn. Ảnh JPEG (Joint Photographic Experts Group) Đây là một định dạng ảnh được hỗ trợ bởi nhiều trình duyệt web. Ảnh JPEG được phát triển để nén dung lượng và lưu trữ ảnh chụp, và được sử dụng tốt nhất cho đồ họa có nhiều màu sắc, ví dụ như là ảnh chụp được scan. 2.5. Các định dạng ảnh cơ bản Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 16 Ảnh GIF (Graphics Interchange Format) Ảnh GIF được phát triển dành cho những ảnh có tính chất thay đổi. Nó được sử dụng tốt nhất cho đồ họa có ít màu, ví dụ như là ảnh hoạt hình hoặc là những bức vẽ với nhiều đường thẳng. Có hai sự khác nhau cơ bản giữa ảnh GIF và ảnh JPEG: + Ảnh GIF nén lại theo cách giữ nguyên toàn bộ dữ liệu ảnh trong khi ảnh JPEG nén lại nhưng làm mất một số dữ liệu trong ảnh. + Ảnh GIF bị giới hạn bởi số màu nhiều nhất là 256 trong khi ảnh JPEG không giới hạn số màu mà chúng sử dụng. Ảnh WMF (Windows Metafiles) Là một tập hợp các lệnh GDI dùng để mô tả ảnh và nội dung ảnh. Có hai ưu điểm khi sử dụng ảnh WMF: Kích thước file WMF nhỏ và ít phụ thuộc vào thiết bị hiển thị hơn so với ảnh Bitmap. 2.5.1 Cấu trúc chung file ảnh Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 17 Ảnh thu được sau quá trình số hóa thường được lưu lại cho các quá trình xử lý tiếp theo hay truyền đi.  Tuy các định dạng này khác nhau, song chúng đều tuân theo một cấu trúc chung nhất. Nhìn chung, một tệp ảnh bất kỳ thường bao gồm 3 phần:  Mào đầu tệp (Header)  Dữ liệu nén (Data Compres)  Bảng màu (Palette Color) 2.5.1 Cấu trúc chung file ảnh Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 18 Ảnh thu được sau quá trình số hóa thường được lưu lại cho các quá trình xử lý tiếp theo hay truyền đi.  Tuy các định dạng này khác nhau, song chúng đều tuân theo một cấu trúc chung nhất. Nhìn chung, một tệp ảnh bất kỳ thường bao gồm 3 phần:  Mào đầu tệp (Header)  Dữ liệu nén (Data Compres)  Bảng màu (Palette Color) 2.5.1 Cấu trúc chung file ảnh Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 19 a) Mào đầu tệp Mào đầu tệp là phần chứa các thông tin về kiểu ảnh, kích thước, độ phân giải, số bit dùng cho 1 pixel, cách mã hóa, vị trí bảng màu b) Dữ liệu nén Số liệu ảnh được mã hóa bởi kiểu mã hóa chỉ ra trong phần Header. c) Bảng màu Bảng màu không nhất thiết phải có, ví dụ khi ảnh là đen trắng. Nếu có, bảng màu cho biết số màu dùng trong ảnh và bảng màu được sử dụng để hiện thị màu của ảnh. Một số các định dạng khác, cấu hình, đặc trưng của từng địng dạng và các tham số. 2.5.2 Quy trình đọc file ảnh Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 20 Tiến hành đọc tệp ảnh và chuyển vào bộ nhớ của máy tính dưới dạng ma trận số liệu ảnh.  Trước tiên, ta cần đọc phần mào đầu (Header) để lấy các thông tin chung và thông tin điều khiển. Việc đọc này sẽ dừng ngay khi ta không gặp đựợc chữ ký (Chữ ký ở đây thường được hiểu là một mã chỉ ra định dạng ảnh và đời (version) của nó) mong muốn. 2.5.2 Quy trình đọc file ảnh Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện 21 Dựa vào thông tin điều khiển, ta xác định đựợc vị trí bảng màu và đọc nó vào bộ nhớ. Cuối cùng, ta đọc phần dữ liệu nén. Căn cứ vào phương pháp nén chỉ ra trong phần Header ta giải mã được ảnh. Cuối cùng là khâu hiện ảnh. Dựa vào số liệu ảnh đã giải nén, vị trí và kích thước ảnh, cùng sự trợ giúp của bảng màu ảnh được hiện lên trên màn hình.