ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
BÙI NGỌC HUY
NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT XỬ LÝ NHIỄU,
HIỆU CHỈNH ẢNH NHỊ PHÂN VÀ ỨNG DỤNG CHO
PHIẾU THI TRẮC NGHIỆM
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
Thái Nguyên - 2013
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
BÙI NGỌC HUY
NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT XỬ LÝ NHIỄU,
HIỆU CHỈNH ẢNH NHỊ PHÂN VÀ ỨNG DỤNG CHO
PHIẾU THI TRẮC NGHIỆM
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60 48 01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS NGÔ QUỐC TẠO
Thái Nguyên - 2013
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn “Nghiên cứu kỹ thuật xử lý nhiễu, hiệu chỉnh
ảnh nhị phân và ứng dụng cho phiếu thi trắc nghiệm” là công trình nghiên cứu
của tôi, có sự hỗ trợ từ Giáo viên hướng dẫn là PGS. TS. Ngô Quốc Tạo. Các
nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu nào trước đây.
Những số liệu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính
tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi trong phần tài liệu tham khảo.
Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính pháp lý quá trình nghiên cứu
khoa học của luận văn này.
Thái Nguyên, ngày
tháng
Tác giả luận văn
Bùi Ngọc Huy
năm 2013
ii
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên tôi bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến các Thầy, cô giáo đã
giảng dạy, hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu
hoàn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Ngô Quốc Tạo - người đã trực tiếp
hướng dẫn và định hướng giúp tôi có thể nhanh chóng tiếp cận, nắm bắt kiến
thức và hoàn thành luận văn “Nghiên cứu kỹ thuật xử lý nhiễu, hiệu chỉnh ảnh
nhị phân và ứng dụng cho phiếu thi trắc nghiệm”.
Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo Trường Đại học Công nghệ
Thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên, Viện Công nghệ thông tin
đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học tập.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới trường Cao đẳng Công nghiệp và Xây dựng,
nơi tôi đang công tác đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình
học tập và làm việc tại trường.
Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, quan
tâm, giúp đỡ tôi hoàn thành khóa học và luận văn.
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN...............................................................................................i
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................ii
MỤC LỤC.......................................................................................................iiI
DANH MỤC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN.................................v
MỞ ĐẦU............................................................................................................1
CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ NHIỄU VÀ HIỆU CHỈNH ẢNH........3
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XỬ LÝ ẢNH.........................................................3
1.1.1. Xử lý ảnh là gì?...............................................................................4
1.1.2. Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh...............................................5
1.2. KHÁI QUÁT QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NHIỄU, HIỆU CHỈNH ẢNH NHỊ PHÂN VÀ
ỨNG DỤNG CHO PHIẾU THI TRẮC NGHIỆM................................................6
1.2.1. Giới thiệu chung..............................................................................6
1.2.2. Quá trình xử lý nhiễu và hiệu chỉnh ảnh.........................................7
1.3. MỘT SỐ KHÁI NIỆM LIÊN QUAN..............................................................8
1.3.1. Ảnh là gì?........................................................................................8
1.3.2. Điểm ảnh (pixel element)................................................................8
1.3.3. Mức xám (Gray Level)....................................................................9
1.3.4. Độ phân giải của ảnh......................................................................9
1.3.5. Phân loại ảnh..................................................................................9
1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1............................................................................11
CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT XỬ LÝ NHIỄU VÀ HIỆU CHỈNH
ẢNH................................................................................................................12
2.1. CÁC KỸ THUẬT TIỀN XỬ LÝ..................................................................12
2.1.1 Giới thiệu chung.............................................................................12
2.1.2 Tăng, giảm độ sáng........................................................................13
2.1.3. Tăng, giảm độ tương phản............................................................13
iv
2.1.4. Tách kênh mầu đỏ.........................................................................14
2.1.5. Chuyển ảnh xám............................................................................15
2.1.6. Nhị phân hóa ảnh bằng phân ngưỡng...........................................16
2.2. KỸ THUẬT NHẬN DẠNG FORM..............................................................20
2.2.1. Đặt vấn đề.....................................................................................20
2.2.2. NHẬN DẠNG CÁC ĐIỂM ĐỊNH VỊ.....................................................22
2.3. MỘT SỐ THUẬT TOÁN XỬ LÝ NHIỄU.....................................................24
2.3.1. Căn chỉnh độ lệnh trang................................................................24
2.3.2. Phân vùng ô cần tô........................................................................25
2.3.3. Nhận dạng ô cần tô.......................................................................28
2.4. MỘT SỐ KỸ THUẬT HIỆU CHỈNH ẢNH....................................................33
2.4.1. Phép giãn nhị phân (Dilation)......................................................33
2.4.2. Phép co ảnh nhị phân (Erosion)....................................................36
2.4.3. Phép mở ảnh (Opening), đóng ảnh (Closing)...............................39
2.4.5. Làm đầy ô cần tô...........................................................................44
2.5. Kết luận chương 2............................................................................46
CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM........................................47
3.1. QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NHIỄU VÀ HIỆU CHỈNH ẢNH....................................47
3.1.1. Tách kênh màu đỏ.........................................................................47
3.1.2. Phân ngưỡng.................................................................................47
3.1.3. Lọc nhiễu.......................................................................................48
3.1.4. Căn chỉnh độ lệch..........................................................................48
3.1.5. Khoanh vùng được tô....................................................................49
3.1.6. Xác định điểm định vị....................................................................49
3.1.7. Tách các vùng được tô..................................................................50
3.2. CHẤM BÀI THI.......................................................................................50
3.3 GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH...................................................................51
KẾT LUẬN......................................................................................................56
v
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................57
vi
DANH MỤC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
HÌNH 1.1. QUÁ TRÌNH XỬ LÝ ẢNH.....................................................................4
HÌNH 1.2. CÁC GIAI ĐOẠN CHÍNH TRONG XỬ LÝ ẢNH.......................................5
HÌNH 1.3. SƠ
ĐỒ TỔNG QUÁT CỦA MỘT HỆ THỐNG XỬ LÝ NHIỄU, HIỆU
CHỈNH ẢNH.........................................................................................................7
HÌNH 1.4. VÍ DỤ VỀ ẢNH ĐEN TRẮNG..............................................................10
HÌNH 1.5. VÍ DỤ ẢNH XÁM...............................................................................10
HÌNH 1.6. VÍ DỤ VỀ ẢNH MÀU.........................................................................11
HÌNH 2.1. ẢNH TRƯỚC KHI CHUYỂN XÁM.......................................................16
HÌNH 2.2. ẢNH ĐÃ THỰC HIỆN CHUYỂN XÁM..................................................16
HÌNH 2.3. CHỌN NGƯỠNG THEO ZACK............................................................18
HÌNH 2.4. PHƯƠNG PHÁP LẤY NGƯỠNG...........................................................18
HÌNH 2.5. PHÂN NGƯỠNG THEO THUẬT TOÁN SIS..........................................20
HÌNH 2.6. CÁC
ĐIỂM ĐỊNH VỊ TRONG PHIẾU TRẢ LỜI CÂU HỎI TRẮC
NGHIỆM............................................................................................................22
HÌNH 2.7. HỆ TỌA ĐỘ KHI XOAY ẢNH..............................................................24
HÌNH 2.8. CÁC ĐIỂM LÂN CẬN GRADIENT........................................................26
HÌNH 2.9. CĂN CHỈNH ĐƯỜNG BIÊN.................................................................28
HÌNH 2.10. VÙNG SỐ BÁO DANH VÀ MÃ ĐỀ ĐÃ QUA XỬ LÝ............................28
HÌNH 2.11. VÙNG ĐÁP ÁN ĐÃ QUA XỬ LÝ.......................................................29
HÌNH 2.12. CÁC DẠNG TÔ TRONG PHIẾU TRẢ LỜI TRẮC NGHIỆM....................29
HÌNH 2.13. Ô BỊ TÔ TRÙNG..............................................................................30
HÌNH 2.14. Ô BỊ TÔ LỆCH, TÔ TRÀN LAN.........................................................30
HÌNH 2.15. ẢNH CẦN KIỂM TRA TÔ ĐƯỢC CHIA THÀNH 3 VÙNG.....................31
HÌNH 2.16: PHÉP GIÃN NHỊ PHÂN.....................................................................34
HÌNH 2.17. QUÁ
TRÌNH QUÉT CỦA PHẦN TỬ CẤU TRÚC TRÊN HÌNH ẢNH
NHỊ PHÂN..........................................................................................................35
vii
HÌNH 2.18. PHÉP CO NHỊ PHÂN TRÊN HAI ĐỐI TƯỢNG.....................................36
HÌNH 2.19. QUÁ TRÌNH LỌC ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG PHÉP CO NHỊ PHÂN
VÀ
PHÉP GIÃN NHỊ PHÂN......................................................................38
HÌNH 2.20. ỨNG DỤNG CỦA PHÉP CO ẢNH DƯỚI DẠNG SỐ NHỊ PHÂN..............38
HÌNH 2.21. QUÁ TRÌNH THỰC HIỆP PHÉP MỞ ẢNH...........................................40
HÌNH 2.22: PHÉP MỞ ẢNH TRÊN PHƯƠNG DIỆN Ý NGHĨA HÌNH HỌC................40
HÌNH 2.24. MINH
HỌA PHÉP ĐÓNG ẢNH TRÊN PHƯƠNG DIỆN Ý NGHĨA
HÌNH HỌC.........................................................................................................42
HÌNH 2.25. MINH HỌA PHÉP BIẾN ĐỔI TRÚNG HOẶC TRƯỢT...........................44
HÌNH 2.26. QUÁ TRÌNH LÀM ĐẦY ĐỐI TƯỢNG TRONG ẢNH.............................45
HÌNH 3.1. ẢNH TRƯỚC VÀ SAU KHI TÁCH KÊNH MÀU ĐỎ................................47
HÌNH 3.2. ẢNH TRƯỚC VÀ SAU KHI PHÂN NGƯỠNG, LỌC NHIỄU.....................48
HÌNH 3.3. ẢNH TRƯỚC VÀ SAU KHI CĂN CHỈNH ĐỘ LỆCH...............................49
HÌNH 3.4. VÙNG SỐ BÁO DANH VÀ MÃ ĐỀ.......................................................50
HÌNH 3.5. GIAO DIỆN CHÍNH CỦA CHƯƠNG TRÌNH...........................................51
HÌNH 3.6. MENU HIỂN THỊ PHẦN TỆP...............................................................52
HÌNH 3.7. MENU HIỂN THỊ XỬ LÝ NHIỄU VÀ HIỆU CHỈNH ẢNH........................52
HÌNH 3.9. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH PHÂN NGƯỠNG VÀ LỌC NHIỄU...................53
HÌNH 3.10. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH XOAY ẢNH................................................54
HÌNH 3.11. MÔ PHỎNG PHÂN VÙNG Ô CẦN TÔ................................................54
HÌNH 3.12. MENU HIỂN THỊ XỬ LÝ BÀI THI.....................................................54
HÌNH 3.13. MÔ PHỎNG ĐỌC CÁC CÂU TRẢ LỜI BÀI THI...................................55
Hình 3.14. Mô phỏng kết quả chấm thi...........................................................55
1
MỞ ĐẦU
- Khoa học xử lý ảnh trên thế giới đang có nhiều bước tiến vững chắc.
Đây cũng là một trong những lĩnh vực có nhiều ứng dụng trong thực tế, góp
phần vào sự lớn mạnh của ngành Công nghệ thông tin.
- Việc xử lý nhiễu và hiệu chỉnh ảnh sau khi đã qua các thiết bị vào như
máy scan về định dạng mẫu ban đầu là việc rất cần thiết, hưu ích trong đời
sống hàng ngày trong việc ứng dụng Công nghệ thông tin.
- Ở nước ta trong vài năm gần đây, Bộ Giáo dục và Đào tạo đã ứng dụng
hình thức thi trắc nghiệm vào thi Đại học, Cao đẳng làm giảm bớt thời gian
chấm thi một cách đáng kể. Việc chấm thi đã được xử lý qua máy tính, không
cần phải giáo viên hoặc các chuyên gia trong lĩnh vực có mặt trực tiếp chấm
thi như trước đây. Việc chấm các bài thi trắc nghiệm có thể được thực hiện
thông qua giải pháp sử dụng các hệ thống máy chấm thi tự động. Người dùng
chỉ cần đưa các phiếu trả lời câu hỏi trắc nghiệm vào máy quét chuyên dụng,
và hệ thống sẽ tự động thực hiện tất cả các công việc xử lý như số hóa phiếu
trả lời, so khớp đáp án và trả lại kết quả. Tuy nhiên, những hệ thống này
thường có chi phí lớn, mặc dù cho tốc độ xử lý cao nhưng độ chính xác lại
không cao, dẫn đến việc phải chấm lại các bài thi gây tốn kém cả về thời gian
và tiền bạc.
- Tại Trường Cao đẳng Công nghiệp và Xây dựng – Quảng Ninh các bài thi
trắc nghiệm sau khi sử dụng máy quét scan thi được các file ảnh với chất lượng
hình ảnh không cao. Nên việc xử lý nhiễu và hiệu chỉnh ảnh là rất cần thiết.
- Xuất phát từ những lý do trên, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật xử
lý nhiễu, hiệu chỉnh ảnh nhị phân và ứng dụng cho phiếu thi trắc nghiệm”,
nhằm trợ giúp cho việc xử lý bài thi, chấm bài thi trắc nghiệm có độ chính xác
cao, đảm bảo thời gian xử lý.
- Nội dung luận văn không kể phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo
bao gồm 3 chương:
2
Chương 1. Khái quát về xử lý nhiễu và hiệu chỉnh ảnh: Chương này
nêu lên quá trình xử lý nhiễu và hiệu chỉnh ảnh nói chung. Từ đó xây dựng
được sơ đồ tổng quát của hệ thống xử lý nhiễu, hiệu chỉnh ảnh áp dụng cho
phiếu thi trắc nghiệm. Qua đó xây dựng tổng quát các bước thực hiện quá trình
xử lý nhiễu và hiệu chỉnh ảnh. Chương này cũng nêu lên được các khái niệm
liên quan đến ảnh của phiếu thi trắc nghiệm được biến đổi qua quá trình xử lý.
Chương 2. Một số kỹ thuật xử lý nhiễu và hiệu chỉnh ảnh: Chương này
nêu lên được các phép toán, thuật toán áp dụng cho quá trình xử lý nhiễu cũng
như hiệu chỉnh ảnh ứng dụng cho phiếu thi trắc nghiệm. Toàn bộ chương tập
trung làm rõ các khái niệm về: phép co nhị phân, phép giãn nhị phân, phép đóng
ảnh, phép mở ảnh, phép trúng hoặc trượt, phép trích biên, phép làm đầy,…
Chương 3. Chương trình thực nghiệm: Chương này nêu rõ các ứng dụng
của phép toán, thuật toán xử lý nhiễu cũng như hiệu chỉnh ảnh ứng dụng cho
phiếu thi trắc nghiệm. Trên cơ sở lý thuyết đã tìm hiểu em xây dựng được
chương trình thực nghiệm.
3
Chương 1
KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ NHIỄU VÀ HIỆU CHỈNH ẢNH
Trong ngành khoa học máy tính, xử lý ảnh là một dạng của xử lý tín hiệu
cho đầu vào là một ảnh hoặc các frame của phim ảnh. Đầu ra có thể là một
hình ảnh, hoặc tập hợp các ký tự hoặc các tham số liên quan tới hình ảnh.
Thường thì kỹ thuật xử lý ảnh có liên quan tới xử lý tín hiệu hai chiều và
được áp dụng bằng một chuẩn riêng về kỹ thuật xử lý ảnh cho nó. Các khái
niệm cơ bản để xử lý tín hiệu như, khái niệm về tích chập, các biến đổi
Fourier, biến đổi Laplace, các bộ lọc hữu hạn,… Ngoài ra còn cần tới các
công cụ toán học như đại số tuyến tính, thống kê. Và một số kiến thức cần
thiết như trí tuệ nhân tao, mạng nơron nhân tạo cũng được đề cập trong quá
trình phân tích và xử lý ảnh.
1.1. Giới thiệu chung về xử lý ảnh
Cũng như xử lý dữ liệu bằng đồ hoạ, xử lý ảnh là một lĩnh vực của tin
học ứng dụng. Xử lý dữ liệu bằng đồ họa đề cập đến những ảnh nhân tạo, các
ảnh này được xem xét như là một cấu trúc dữ liệu và được tạo ra bởi các
chương trình. Xử lý ảnh bao gồm các phương pháp và kỹ thuật để biến đổi, để
truyền tải hoặc mã hóa các ảnh tự nhiên. Mục đích của xử lý ảnh gồm:
Thứ nhất: biến đổi ảnh và làm đẹp ảnh.
Thứ hai: tự động nhận dạng ảnh hay đoán nhận ảnh và đánh giá các nội
dung của ảnh.
Nhận dạng ảnh là quá trình liên quan đến các mô tả đối tượng mà người
ta muốn đặc tả nó. Quá trình nhận dạng thường đi sau quá trình trích chọn các
đặc tính chủ yếu của đối tượng. Có hai kiểu mô tả đối tượng:
- Mô tả tham số (nhận dạng theo tham số).
- Mô tả theo cấu trúc (nhận dạng theo cấu trúc).
4
Nhận biết và đánh giá các nội dung của ảnh là sự phân tích một hình ảnh
thành những phần có nghĩa để phân biệt đối tượng này với đối tượng khác.
Dựa vào đó ta có thể mô tả cấu trúc của hình ảnh ban đầu.
Có thể liệt kê một số phương pháp nhận dạng cơ bản như nhận dạng
biên của một đối tượng trên ảnh, tách cạnh, phân đoạn hình ảnh,... Kỹ thuật
này được sử dụng nhiều trong y học (xử lý tế bào, nhiễm sắc thể).
Trong thực tế người ta đã áp dụng kỹ thuật nhận dạng khá thành công
với nhiều đối tượng khác nhau như: nhận dạng ảnh vân tay, nhận dạng chữ
(chữ cái, chữ số, chữ có dấu). Nhận dạng chữ in hoặc đánh máy trong văn bản
phục vụ cho việc tự động hoá quá trình đọc tài liệu, tăng nhanh tốc độ và chất
lượng thu nhận thông tin từ máy tính, nhận dạng chữ viết tay (với mức độ
ràng buộc khác nhau về cách viết, kiểu chữ,...).
1.1.1. Xử lý ảnh là gì?
Con người thu nhận thông tin qua các giác quan, trong đó thị giác đóng
vai trò quan trọng nhất. Những năm trở lại đây với sự phát triển của phần
cứng máy tính, xử lý ảnh và đồ hoạ đó phát triển một cách mạnh mẽ và có
nhiều ứng dụng trong cuộc sống. Xử lý ảnh và đồ hoạ đóng một vai trò quan
trọng trong tương tác người máy.
Xử lý ảnh được xem như là quá trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho ra
kết quả mong muốn. Kết quả đầu ra của một quá trình xử lý ảnh có thể là một
ảnh “tốt hơn” hoặc một kết luận.
Hình 1.1. Quá trình xử lý ảnh
1.1.2. Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh
5
Ảnh có thể xem là tập hợp các điểm ảnh và mỗi điểm ảnh được xem như
là đặc trưng cường độ sáng hay một dấu hiệu nào đó tại một vị trí nào đó của
đối tượng trong không gian và nó có thể xem như một hàm n biến. Do đó, ảnh
trong xử lý ảnh có thể xem như ảnh n chiều.
Sơ đồ tổng quát của một hệ thống xử lý ảnh:
Lưu trữ
Thiết bị
thu nhận
ảnh
Thu nhận
ảnh
Số hoá
Lưu trữ
Phân tích
ảnh
Hệ quyết
định
Hình 1.2. Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh
Trước hết là quá trình thu nhận ảnh. Ảnh có thể thu nhận qua camera.
Thường ảnh thu nhận qua camera là tín hiệu tương tự (loại camera ống kiểu
CCIR), nhưng cũng có thể là tín hiệu số hoá (loại CCD - Charge Coupled Device).
Ảnh có thể thu nhận từ vệ tinh qua các bộ cảm ứng (sensor), hay ảnh,
sách được quét qua scanner. Tiếp theo là quá trình số hóa (Digitalizer) để biến
đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu rời rạc (lấy mẫu) và số hóa bằng lượng hóa,
trước khi chuyển sang giai đoạn xử lý, phân tích hay lưu trữ lại.
Quá trình phân tích ảnh thực chất bao gồm nhiều công đoạn nhỏ. Trước
hết là công việc tăng cường hình ảnh (Image Enhancement) để nâng cao chất
lượng hình ảnh. Do những nguyên nhân khác nhau: có thể do thiết bị thu nhận
ảnh, do nguồn sáng hay do nhiễu, ảnh có thể bị suy biến. Do vậy cần phải
tăng cường và khôi phục (Image Restoration) lại ảnh để làm nổi bật một số
đặc tính chính của ảnh, hay làm cho ảnh gần giống với trạng thái gốc- trạng
6
thái trước khi ảnh bị biến dạng. Giai đoạn tiếp theo là phát hiện các đặc tính
như biên (Edge Detection), phân vùng ảnh (Image Segmentation), trích chọn
các đặc trưng (Feature Extraction),...
Cuối cùng, tuỳ theo mục đích của ứng dụng, sẽ là giai đoạn nhận dạng,
phân lớp hay các quyết định khác. Các giai đoạn chính của quá trình xử lý ảnh
có thể mô tả ở hình 1.2.
Xử lý ảnh là một trong những lĩnh vực có nhiều ứng dụng trong thực tiễn như:
hệ thông tin địa lý (GIS – Geographic Information System), quân sự, y học,…
Cụ thể, xử lý ảnh số có rất nhiều ứng dụng như:
+ Làm nét hỡn các ảnh trong y học.
+ Khôi phục lại ảnh do tác động của khí quyển trong thiên văn học.
+ Chuyển tải, nén ảnh khi truyền đi xa hoặc lưu trữ.
1.2. Khái quát quá trình xử lý nhiễu, hiệu chỉnh ảnh nhị phân và ứng
dụng cho phiếu thi trắc nghiệm
1.2.1. Giới thiệu chung
Đầu vào của quá trình xử lý nhiễu, hiệu chỉnh ảnh là một ảnh gốc của
phiếu thi trắc nghiệm thu được qua scanner, máy ảnh,… Ảnh ban đầu là một
ảnh mầu, thường có chất lượng thấp do ảnh hưởng của nhiễu, bị nghiêng, bị
đứt nét do thí sinh khi tô không cẩn thận hoặc do thiết bị thu ảnh không tốt.
Quá trình xử lý nhiễu, hiệu chỉnh ảnh nhằm mục đích loại bỏ hay làm
giảm tối thiểu các ảnh hưởng của môi trường bên ngoài lên ảnh thu nhận
được. Công đoạn này bao gồm các bước như lọc ảnh, khử nhiễu, quay ảnh,
qua đó giảm bớt các biến dạng do quá trình quét ảnh gây ra và đưa ảnh về
trang thái tốt nhất có thể.
Đầu ra của quá trình xử lý nhiễu, hiệu chỉnh ảnh:
+ Một ảnh bài thi trắc nghiệm với chất lượng ảnh rõ, nét hơn rất nhiều
so với ảnh ban đầu.
7
+ Trả về được kết quả thi của bài thi trắc nghiệm của thí sinh một cách
chính xác, chấm điểm đúng với kết quả làm được của thí sinh.
Sơ đồ tổng quát của một hệ thống xử lý nhiễu, hiệu chỉnh ảnh:
Lưu trữ
Lưu trữ
Camera
Sensor
Ảnh bài
thi trắc
nghiệm
Số
hoá
XỬ LÝ NHIỄU,
HIỆU CHỈNH HÌNH
ẢNH
Nhận dạng và
chấm thi
Ảnh bài thi trắc
nghiệm với chất
lượng tốt hơn
Hình 1.3. Sơ đồ tổng quát của một hệ thống xử lý nhiễu, hiệu chỉnh ảnh
1.2.2. Quá trình xử lý nhiễu và hiệu chỉnh ảnh
Sau khi thu được ảnh của phiếu thi trắc nghiệm thông qua máy camera
hoặc scan,… ảnh sẽ được số hóa, sau đó thông qua quá trình xử lý nhiễu, hiệu
chỉnh ảnh sẽ thu được:
- Ảnh bài thi trắc nghiễm đã được khử nhiễu với chất lượng ảnh tốt hơn
so vơi ảnh ban đầu giúp cho quá trình nhận dạng của hệ thống chấm thi thu
được kết quả chính xác.
- Đọc được kết quả bài thi, sau đó đối sánh với đáp án, đưa ra kết quả
chính xác đúng với nội dung của bài thi trắc nghiệm.
Quá trình xử lý nhiễu và hiệu chỉnh ảnh được diễn ra qua các quá
trình như sau:
- CÁC KỸỸ THUẬT TIỀỀN XỬ LÝ
+ Tăng, giảm độ sáng
+ Tăng, giảm độ tương phản
+ Tách kênh mầu đỏ
+ Chuyển ảnh xám
+ Nhị phân hóa ảnh bằng phân ngưỡng
8
- NHẬN DẠNG FORM QUA CÁC ĐIỂM ĐỊNH VỊ
- XỬ LÝ NHIỀỸU
+ Căn chỉnh độ lệnh trang
+ Phân vùng ô cần tô
+ Nhận dạng ô cần tô
- MỘT SỐỐ KỸỸ THUẬT HIỆU CHỈNH ẢNH
+ Phép giãn nhị phân
+ Phép co ảnh nhị phân
+ Phép mở ảnh, đóng ảnh
+ Làm đầy ô cần tô
1.3. Một số khái niệm liên quan
1.3.1. Ảnh là gì?
Là tập hợp hữu hạn các điểm ảnh, thường được biểu diễn bằng một mảng
hai chiều I(n, m) với n là số hàng, m là số cột. Ta ký hiệu P(x, y) là một điểm
ảnh tại vị trí (x, y). Số lượng điểm ảnh trên mỗi hàng hoặc các hàng xác định
độ phân giải của ảnh.
1.3.2. Điểm ảnh (pixel element)
Gốc của ảnh (ảnh tự nhiên) là ảnh liên tục về không gian và độ sáng. Để
xử lý bằng máy tính (số), ảnh cần phải được số hoá. Số hoá ảnh là sự biến đổi
gần đúng một ảnh liên tục thành một tập điểm phù hợp với ảnh thật về vị trí
(không gian) và độ sáng (mức xám). Khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được
thiết lập sao cho mắt người không phân biệt được ranh giới giữa chúng. Mỗi
một điểm như vậy gọi là điểm ảnh (PEL: Picture Element) hay gọi tắt là Pixel.
Trong khuôn khổ ảnh hai chiều, mỗi pixel ứng với cặp tọa độ (x, y).
1.3.3. Mức xám (Gray Level)
Mức xám của điểm ảnh là kết quả sự biến đổi tương ứng một cường độ
sáng của điểm ảnh đó với một giá trị số (kết quả của quá trình lượng hoá).
9
Cách mã hoá kinh điển thường dùng 16, 32 hay 64 mức. Mã hoá 256 mức là
phổ dụng nhất do lý do kỹ thuật. Vì 2 8 = 256 (0, 1,..., 255), nên với 256 mức
mỗi pixel sẽ được mã hoá bởi 8 bit.
1.3.4. Độ phân giải của ảnh
Độ phân giải (Resolution) của ảnh là mật độ điểm ảnh được ấn định trên
một ảnh số được hiển thị.
Theo định nghĩa, khoảng cách giữa các điểm ảnh phải được chọn sao cho
mắt người vẫn thấy được sự liên tục của ảnh. Việc lựa chọn khoảng cách thích
hợp tạo nên một mật độ phân bổ, đó chính là độ phân giải và được phân bố
theo trục x và y trong không gian hai chiều.
Ví dụ: Độ phân giải của ảnh trên màn hình CGA (Color Graphic Adaptor)
là một lưới điểm theo chiều ngang màn hình: 320 điểm chiều dọc * 200 điểm
ảnh (320*200). Rõ ràng, cùng màn hình CGA 12” ta nhận thấy mịn hơn màn
hình CGA 17” độ phân giải 320*200. Lý do: cùng một mật độ (độ phân giải)
nhưng diện tích màn hình rộng hơn thì độ mịn (liên tục của các điểm) kém hơn.
1.3.5. Phân loại ảnh
Ảnh khi số hóa được chia làm 3 loại:
a, Ảnh nhị phân: Giá trị xám của tất các các điểm ảnh chỉ nhận giá trị 1
hoặc 0. Như vậy mỗi điểm ảnh trong ảnh nhị phân được biểu diễn bới 1 bit
điểm đen được biểu trong ma trận là 0 và điểm sáng được biểu diễn là 1.
Nhưng đôi khi để tiện cho quá trình cài đặt các thuật toán xử lý ảnh người ta
có thể quy định ngược lại là điểm đen là 1 và điểm trắng là 0.
10
Hình 1.4. Ví dụ về ảnh đen trắng
b, Ảnh xám: Giá trị xám nằm trong khoảng 0..255. Như vậy đối với ảnh
xám, thông thường mỗi pixel mang thông tin của 256 mức xám (tương ứng
với 8 bit) như vậy ảnh xám hoàn toàn có thể tái hiện đầy đủ cấu trúc của một
ảnh màu tương ứng thông qua tám mặt phẳng bit theo độ xám.
Hình 1.5. Ví dụ ảnh xám
c, Ảnh màu: Ảnh màu theo lý thuyết của Thomas là ảnh tổ hợp từ 3 màu
cơ bản: đỏ (R), lục (G), lơ (B) và thường thu nhận trên các dải băng tần khác
nhau. Với ảnh màu, cách biểu diễn cũng tương tự như với ảnh đen trắng, chỉ
khác là các số tại mỗi phần tử của ma trận biểu diễn cho ba màu riêng rẽ gồm:
11
đỏ (red), lục (green) và lam (blue). Để biểu diễn cho một điểm ảnh màu cần
24 bit. 24 bit này được chia thành ba khoảng 8 bit. Mỗi màu cũng phân thành
L cấp màu khác nhau (thường L=256). Mỗi khoảng này biểu diễn cho cường
độ sáng của một trong các màu chính.
Mỗi pixel ảnh màu ký hiệu Px, được viết: (T: trong công thức dưới đây
là ký hiệu chuyển vị)
Px red , green, blue
T
Hình 1.6. Ví dụ về ảnh màu
1.4. Kết luận chương 1
- Chương này nêu lên quá trình xử lý nhiễu và hiệu chỉnh ảnh nói chung.
- Xây dựng được sơ đồ tổng quát của hệ thống xử lý nhiễu, hiệu chỉnh ảnh
áp dụng cho phiếu thi trắc nghiệm.
- Xây dựng tổng quát các bước thực hiện quá trình xử lý nhiễu và hiệu
chỉnh ảnh.
- Nêu lên các khái niệm liên quan đến ảnh của phiếu thi trắc nghiệm được
biến đổi qua quá trình xử lý.
- Từ đó là cở sở để hoàn thành chương tiếp theo của luận văn.
- Xem thêm -