Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu phương pháp phân chia vùng ảnh và ứng dụng

MỤC LỤC


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ST
T

Tên viết tắt

1

DICOM

2

DBSCAN

3

CT


Tên tiếng Anh

Định nghĩa

Digital Imaging and Communications Số hóa và truyền
in Medicine
ảnh y tế
Phân cụm dữ liệu
Density Based Spatial Clustering of
và xác định nhiễu
Applications with Noise
dựa trên mật độ
Chụp cắt lớp điện
Computed Tomography Scanner
toán


LỜI CAM ĐOAN
Tôi là: Nguyễn Thị Bích Điệp
Lớp: CK11A
Khoá học: 2012 - 2014
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số chuyên ngành: 60 48 01
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Thái Nguyên.
Giáo viên hướng dẫn: TS. Vũ Việt Vũ
Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu phương pháp phân chia vùng ảnh
và ứng dụng” này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu sử dụng
trong luận văn là trung thực. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong
luận văn chưa từng được công bố tại bất kỳ công trình nào khác.
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 06 năm 2014
HỌC VIÊN

Nguyễn Thị Bích Điệp


LỜI CẢM ƠN
Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Vũ Việt Vũ, Trường Đại
học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên, người đã tận tình hướng
dẫn giúp học viên hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Học viên cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô giáo của

Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại học Thái
Nguyên, cùng các thầy cô giáo của Viện Công nghệ thông tin - Viện khoa học
Việt Nam đã nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức cho học viên trong
suốt 2 năm học.
Học viên xin cảm ơn sự giúp đỡ của lãnh đạo khoa Chẩn đoán hình ảnh,
bệnh viên Đa khoa Trung ương Thái Nguyên đã hỗ trợ và cung cấp hình ảnh
cho luận văn của học viên. Cảm ơn bác sĩ Lê Thị Lan – bệnh viên Đa khoa
Trung ương Thái Nguyên đã giúp đỡ, bổ trợ cho học viên những kiến thức
căn bản về chẩn đoán hình ảnh y khoa để học viên có thể hoàn thành được
luận văn của mình.
Nguyễn Thị Bích Điệp


5

MỞ ĐẦU
Xử lý ảnh là một lĩnh vực khoa học công nghệ khá mới so với nhiều ngành
khoa học khác. Tuy vậy, tốc độ phát triển của nó rất nhanh với nhiều ứng
dụng thiết thực trong các ngành: vật lý, hóa học, sinh học, y học…
Phân chia vùng ảnh là một bài toán cơ bản trong toàn bộ quá trình xử lý
ảnh. Quá trình này thực hiện việc phân ảnh thành các vùng rời rạc và đồng
nhất với nhau hay nói cách khác là xác định các biên của các vùng ảnh đó.
Các vùng ảnh đồng nhất này thông thường sẽ tương ứng với toàn bộ hay từng
phần của các đối tượng thật sự bên trong ảnh.
Vì thế, trong hầu hết các ứng dụng của lĩnh vực xử lý ảnh, thị giác máy
tính, phân chia vùng ảnh luôn đóng một vai trò cơ bản và thường là bước tiền
xử lý đầu tiên trong toàn bộ quá trình trước khi thực hiện các thao tác khác ở
mức cao hơn như nhận dạng đối tượng, biểu diễn đối tượng, nén ảnh dựa trên
đối tượng, hay truy vấn ảnh dựa vào nội dung.
Một số ứng dụng thực tế của bài toán phân chia vùng ảnh là: Truy xuất
hình ảnh dựa trên nội dung; Hình ảnh y khoa: xác định vị trí khối u và bệnh lý
khác, đo khối lượng mô chẩn đoán, nghiên cứu về cấu trúc giải phẫu; Phát
hiện và nhận dạng: Nhận dạng vân tay, nhận dạng khuôn mặt…
Hiện nay, có nhiều công trình nghiên cứu khoa học về phân tích ảnh y học.
Các ứng dụng hiện nay đều hướng đến mục tiêu hỗ trợ các bác sĩ trong việc
chẩn đoán bệnh lý, tổn thương dựa trên định tính.
Ảnh y học là kỹ thuật và quá trình được sử dụng để tái tạo ra hình ảnh cơ
thể con người hoặc bộ phận cơ thể. Ảnh y học thường chụp các bộ phận bên
trong cơ thể người bằng các thiết bị chuyên dụng như máy X-Quang chụp
hộp sọ, máy chụp cắt lớp vi tính, máy chụp cộng hưởng từ, máy chụp mạch


6

não...nên ảnh thường không rõ, không sắc nét, gây khó khăn cho các chuyên
gia y học trong việc chẩn đoán bệnh. Mặc dù các thiết bị y tế với công nghệ
ngày càng nâng cao để hỗ trợ cho các chuyên gia y tế phân tích và xử lý
thông tin từ ảnh nhưng vấn đề đặt ra cần phải giải quyết song song là việc
nâng cao chất lượng ảnh - đây là một khâu quan trọng được coi là bước tiền
xử lý cho bước tiếp theo là phân chia vùng ảnh y học. Nếu phân chia vùng
ảnh không tốt sẽ dẫn đến sai lầm trong quá trình nhận dạng ảnh, bởi vậy
người ta xem công đoạn phân chia vùng ảnh là quá trình then chốt trong quá
trình xử lý ảnh nói chung.
Nội dung chính của luận văn tập trung tìm hiểu về một số phương pháp
phân chia vùng ảnh và ứng dụng vào việc phân tách các vùng trong ảnh chụp
CT não người. Luận văn được chia thành 3 nội dung chính:
Chương 1: Tổng quan về phân chia vùng ảnh
Chương 2: Tìm hiểu một số phương pháp phân chia vùng ảnh tiêu biểu và
tập trung tìm hiểu phương pháp phân chia vùng ảnh dựa trên các thuật toán
phân cụm
Chương 3: Ứng dụng cho bài toán phân chia vùng ảnh y khoa
Khi viết báo cáo này học viên đã cố gắng để đạt được những mục tiêu và
định hướng nghiên cứu đề ra ban đầu, song điều kiện thời gian và năng lực còn
hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót. Học viên mong nhận được sự góp ý
của thầy giáo hướng dẫn, thầy cô giáo để học viên có được những kinh nghiệm
thực tế và bổ ích để sau này có thể xây dựng được một chương trình hoàn thiện
hơn.


7

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ PHÂN CHIA VÙNG ẢNH
Chương này tìm hiểu những vấn đề tổng quan của phân chia vùng
ảnh. Để có được những kiến thức ban đầu về phân chia vùng ảnh, qua quá
trình đọc tài liệu, học viên đã tìm hiểu những khái niệm cơ bản về phân chia
vùng ảnh, nền tảng các giải thuật phân chia vùng ảnh và các hướng tiếp cận
phân chia vùng ảnh.
I.1.

Tổng quan về phân chia vùng ảnh
Phân chia vùng ảnh [1] là một thao tác ở mức thấp trong toàn bộ quá
trình xử lý ảnh. Quá trình này thực hiện việc phân chia vùng ảnh thành các
vùng rời rạc và đồng nhất với nhau hay nói cách khác là xác định các biên của
các vùng ảnh đó. Các vùng ảnh đồng nhất này thông thường sẽ tương ứng
với tòan bộ hay từng phần của các đối tượng thật sự bên trong ảnh. Vì thế,
trong hầu hết các ứng dụng của lĩnh vực xử lý ảnh (image processing), thị
giác máy tính, phân chia vùng ảnh luôn đóng một vai trò cơ bản và thường
là bước tiền xử lý đầu tiên trong toàn bộ quá trình trước khi thực hiện các thao
tác khác ở mức cao hơn như nhận dạng đối tượng, biểu diễn đối tượng, nén
ảnh dựa trên đối tượng, hay truy vấn ảnh dựa vào nội dung … Vào những thời
gian đầu, các phương pháp phân chia vùng ảnh được đưa ra chủ yếu làm việc
trên các ảnh mức xám do các hạn chế về phương tiện thu thập và lưu trữ.
Ngày nay, cùng với sự phát triển về các phương tiện thu nhận và biểu
diễn ảnh, các ảnh màu đã hầu như thay thế hoàn toàn các ảnh mức xám trong
việc biểu diễn và lưu trữ thông tin do các ưu thế vượt trội hơn hẳn so với ảnh
mức xám. Do đó, các kỹ thuật, thuật giải mới thực hiện việc phân chia vùng
ảnh trên các loại ảnh màu liên tục được phát triển để đáp ứng các nhu cầu


8

mới. Các thuật giải, kỹ thuật này thường được phát triển dựa trên nền tảng các
thuật giải phân chia vùng ảnh mức xám đã có sẵn.
I.2.

Các hướng tiếp cận phân chia vùng ảnh
Phân chia vùng ảnh [1] là chia ảnh thành các vùng không trùng lặp.
Mỗi vùng gồm một nhóm pixel liên thông và đồng nhất theo một tiêu chí nào
đó. Tiêu chí này phụ thuộc vào mục tiêu của quá trình phân vùng. Ví dụ như
đồng nhất về màu sắc, mức xám, kết cấu, độ sâu của các layer… Sau khi phân
vùng mỗi pixel chỉ thuộc về một vùng duy nhất. Để đánh giá chất lượng của
quá trình phân vùng là rất khó. Vì vậy trước khi phân chia vùng ảnh cần xác
định rõ mục tiêu của quá trình phân vùng là gì. Xét một cách tổng quát, ta có
thể chia các hướng tiếp cận phân chia vùng ảnh thành ba nhóm chính như sau:


Các kỹ thuật phân chia vùng ảnh dựa trên không gian đặc trưng.



Các kỹ thuật dựa trên không gian ảnh.



Các kỹ thuật dựa trên các mô hình vật lý.

I.2.1. Các kỹ thuật phân chia vùng ảnh dựa trên không gian đặc trưng

Nếu chúng ta giả định màu sắc bề mặt của các đối tượng trong ảnh là
một thuộc tính bất biến và các màu sắc đó được ánh xạ vào một không gian
màu nào đó, vậy thì chúng ta sẽ có một cái nhìn đối với mỗi đối tượng trong
ảnh như là một cụm (cluster) các điểm trong không gian màu đó. Mức độ
phân tán của các điểm trong trong một cụm được xác định chủ yếu bởi sự
khác biệt về màu sắc. Một cách khác, thay vì ánh xạ các pixel trong ảnh vào
một không gian màu cụ thể, ta xây dựng một histogram dựa trên các đặc
trưng màu dạng ad-hoc cho ảnh đó (ví dụ như Hue), và thông thường, các đối
tượng trong ảnh sẽ xuất hiện như các giá trị đỉnh trong histogram đó. Do đó,
việc phân vùng các đối tượng trong ảnh tương ứng với việc xác định các cụm
– đối với cách biểu diễn thứ nhất; hoặc xác định các vùng cực trị của


9

histogram – đối với cách biểu diễn thứ hai. Các phương pháp tiếp cận này chỉ
làm việc trên một không gian màu.
I.2.2. Các kỹ thuật dựa trên không gian ảnh.

Kỹ thuật được đề cập trong phần trên hoạt động dựa trên các không
gian đặc trưng của ảnh (thông thường là màu sắc). Do đó, các vùng ảnh kết
quả là đồng nhất tương ứng với các đặc trưng đã chọn cho từng không gian.
Tuy nhiên, không có gì đảm bảo rằng tất cả các vùng này thể hiển một sự cô
đọng (compactness) về nội dung xét theo ý nghĩa không gian ảnh (ý nghĩa các
vùng theo sự cảm nhận của hệ thần kinh con người). Mà đặc tính này là quan
trọng thứ hai sau đặc tính về sự thuần nhất của các vùng ảnh. Do các phương
pháp gom cụm cũng như xác định ngưỡng histogram đã nêu đều bỏ qua thông
tin về vị trí của các pixel trong ảnh.
Trong các báo cáo khoa học về phân chia vùng ảnh mức xám, có khá
nhiều kỹ thuật cố thực hiện việc thoả mãn cùng lúc cả hai tiêu chí về tính
đồng nhất trong không gian đặc trưng của ảnh và tính cô đọng về nội dung
ảnh. Tuỳ theo các kỹ thuật mà các thuật giải này áp dụng, chúng được phân
thành các nhóm sau:


Các thuật giải áp dụng kỹ thuật chia và trộn vùng.



Các thuật giải áp dụng kỹ thuật tăng trưởng vùng.



Các thuật giải áp dụng lý thuyết đồ thị.



Các giải thuật áp dụng mạng neural.



Các giải thuật dựa trên cạnh.

I.2.3. Các kỹ thuật dựa trên các mô hình vật lý

Tất cả các giải thuật được xem xét qua, không ít thì nhiều ở mặt nào đó
đều có khả năng phát sinh việc phân vùng lỗi trong các trường hợp cụ thể nếu


10

như các đối tượng trong ảnh màu bị ảnh hưởng quá nhiều bởi các vùng sáng
hoặc bóng mờ, các hiện tượng này làm cho các màu đồng nhất trong ảnh thay
đổi nhiều hoặc ít một cách đột ngột. Và kết quả là các thuật giải này tạo ra các
kết quả phân vùng quá mức mong muốn so với sự cảm nhận các đối tượng
trong ảnh bằng mắt thường. Để giải quyết vấn đề này, các giải thuật phân chia
vùng ảnh áp dụng các mô hình tương tác vật lý giữa bề mặt các đối tượng với
ánh sáng đã được đề xuất. Các công cụ toán học mà các phương pháp này sử
dụng thì không khác mấy so với các phương pháp ở trên, điểm khác biệt
chính là việc áp dụng các mô hình vật lý để minh hoạ các thuộc tính phản
chiếu ánh sáng trên bề mặt màu sắc của các đối tượng.


11

CHƯƠNG II
MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHÂN CHIA VÙNG ẢNH CƠ BẢN
Ở chương 1 học viên đã tìm hiểu sơ lược về các hướng tiếp cận phân
chia vùng ảnh. Có rất nhiều kỹ thuật phân chia vùng ảnh được sử dụng tùy
vào tính chất của bài toán. Trong quá trình tìm hiểu và đọc tài liệu tham
khảo, học viên nhận thấy rất nhiều công trình nghiên cứu hay các luận văn
đã đi sâu tìm hiểu một số kỹ thuật phân vùng tiêu biểu như: Phân vùng dựa
vào ngưỡng biên độ, phân vùng dựa trên cơ sở vùng, phân vùng theo miền
đồng nhất, phân vùng theo đồ thị. Vì vậy trong luận văn của mình, học viên đi
sâu vào nghiên cứu phương pháp phân chia vùng ảnh dựa trên các thuật toán
phân cụm vì một số ưu điểm của nó sẽ được trình bày dưới đây.
II.1. Các phương pháp phân chia vùng ảnh tiêu biểu
II.1.1. Phân vùng dựa vào ngưỡng biên độ

Biên độ của các tính chất vật lý của ảnh (như là độ phản xạ, độ
truyền sáng, màu sắc …) là một đặc tính đơn giản và rất hữu ích. Nếu biên
độ đủ lớn đặc trưng cho ảnh thì chúng ta có thể dùng ngưỡng biên độ để
phân chia vùng ảnh. Thí dụ, biên độ trong bộ cảm biến hồng ngoại có thể
phản ánh vùng có nhiệt độ thấp hay vùng có nhiệt độ cao. Đặc biệt, kỹ
thuật phân ngưỡng theo biên độ rất có ích đối với ảnh nhị phân như văn
bản in, đồ họa, ảnh màu hay ảnh X-quang.
Việc chọn ngưỡng trong kỹ thuật này là một bước vô cùng quan trọng,
thông thường người ta tiến hành theo các bước chung như sau:
-

Xem xét lược đồ xám của ảnh để xác định đỉnh và khe. Nếu ảnh có

-

nhiều đỉnh và khe thì các khe có thể sử dụng để chọn ngưỡng.
Chọn ngưỡng T sao cho một phần xác định trước η của toàn bộ số
mẫu


12

-

Điều chỉnh ngưỡng dựa trên xét lược đồ xám của các điểm lân cận.
Chọn ngưỡng bằng cách xem xét lược đồ xám của những điểm thoả
tiêu chuẩn đã chọn.
Một thuật toán đơn giản trong kỹ thuật này là: giả sử rằng chúng ta

đang quan tâm đến các đối tượng sáng (object) trên nền tối (background), một
tham số T gọi là ngưỡng độ sáng, sẽ được chọn cho một ảnh f[x,y] theo cách:
If f[x,y] ≥ T
Else

f[x,y] = object = 1
f[x,y] = Background = 0.

Ngược lại, đối với các đối tượng tối trên nền sáng ta có thuật toán sau:
If f[x,y] < T f[x,y] = object = 1
Else

f[x,y] = Background = 0.

Ta cần chọn ngưỡng T để việc phân vùng đạt được kết quả cao nhất. Có
rất nhiều thuật toán chọn ngưỡng: ngưỡng cố định, dựa trên lược đồ, sử dụng
Entropy, sử dụng tập mờ, chọn ngưỡng thông qua sự không ổn định của lớp
và tính thuần nhất của vùng v.v…
II.1.2. Phân vùng dựa trên cơ sở vùng


Giới thiệu.
Mục đích của phân vùng là phân chia bức ảnh ra thành nhiều vùng.

Trong phần trên đã trình bày sơ lược cách tiếp cận bài toán này bằng phương
pháp tìm đường biên giữa các vùng trên cơ sở sự không liên tục của độ xám,
phân vùng được thực hiện qua ngưỡng các pixel có thuộc tính phân biệt, như
giá trị của độ xám hoặc màu. Trong phần này chúng ta tìm hiểu về kỹ thuật
phân vùng dựa trên tìm kiếm các vùng một cách trực tiếp.


Công thức cơ bản
Cho R mô tả toàn bộ vùng ảnh. Chúng ta xem phân chia vùng ảnh là

chia R thành n vùng nhỏ như R1,R2,...,Rn,, vì thế :


13

=R ;

(a)

R i liên thông, i=1,2,…,n.
Ri Rj = với mọi i vàj ,i j.

(b)
(c)

P(Ri ) = TRUE với i=1,2,…,n.

(d)

RI Rj ) = FALSE với i j.
Ở đây, P(Ri ) là một hàm logic được định nghĩa trước cho mọi điểm Ri
và là tập rỗng .
Điều kiện (a) chỉ ra sự phân vùng đã kết thúc, điều này có nghĩa mỗi pixel
đều đã nằm trong một vùng. Điều kiện (b) yêu cầu những điểm nằm trong một
vùng phải liên thông trong một điều kiện giới hạn trước. Điều kiện (c) cho biết
các vùng phải rời nhau. Điều kiện (d) đòi hỏi những điểm đã được phân vùng
phải thỏa mãn một vài thuộc tính đã được xác định trước; ví dụ P(Ri )=TRUE
nếu tất cả pixel trong Ri có mức xám giống nhau. Cuối cùng điều kiện (e) nghĩa
là chân trị của P theo các vùng Ri và Rj khác nhau nếu j khác i.


Tăng vùng
Tăng vùng là một thủ tục nhóm các pixel hoặc các miền thành những

vùng lớn hơn dựa trên các điều kiện giới hạn trước .
Chọn một tập bắt đầu, gồm một hoặc nhiều điểm, thường dựa trên bản
chất tự nhiên. Khi một điều kiện trong những phần trước không có giá trị, thủ
thuật này sẽ xem xét mọi pixel giống như tập thuộc tính ban đầu để cuối cùng
gộp các pixel đó vào những vùng trên trong suốt quá trình phát triển vùng.
Kết quả xử lý của những cụm điểm những pixel sẽ được xem là “hạt” (seeds)
nếu thuộc tính của chúng gần với tâm thuộc tính của cụm pixel đó.
Việc chọn tiêu chuẩn phụ thuộc vào từng loại ảnh. Ví dụ phân tích ảnh
chụp vệ tinh trái đất phụ thuộc vào màu sắc. Với ảnh trắng đen, phân tích vùng


14

phải giải thích được một tập mô tả dựa trên giá trị mức xám và đặc trưng không
gian.

Việc mô tả các thuộc tính một cách rời rạc có thể đưa ra những

kết quả sai lạc khi thông tin liên thông hoặc lân cận không được dùng trong
quá trình phát triển vùng. Ví dụ, hiển thị một khoảng bất kỳ những pixel với
ba giá trị mức xám tách biệt. Những pixel phát triển thì có giá trị mức xám
giống nhau để có dạng một “vùng” mà không chú ý đến vấn đề liên thông sẽ
đưa ra một kết quả phân vùng vô nghĩa.
Một vấn đề khác trong phát triển vùng là dạng của điều kiện dừng. Cơ
bản phát triển vùng sẽ dừng khi không có pixel nào thỏa mãn tiêu chuẩn để
nằm trong vùng đó. Tiêu chuẩn chẳng hạn như mức xám, cấu trúc, màu là
những bản chất cục bộ, không xét đến lịch sử của quá trình phát triển vùng.
Thêm tiêu chuẩn sẽ làm tăng thêm sức mạnh của định luật phát triển vùng
dùng khái niệm của kích thước, sự giống nhau của một pixel ứng cử và những
pixel đã được phát triển, và hình của những vùng đã được phát triển. Sử dụng
những loại tiêu chuẩn đã được miêu tả, dựa trên giả thuyết kiểu của kết quả
được mong đợi có giá trị từng phần bé nhất.


Chia và chọn vùng
Đặt R biểu diễn toàn bộ vùng ảnh và chọn tính chất P cho trước. Một

phương pháp phân vùng R là chia nó ra thành những vùng nhỏ hơn và những
vùng tứ phân nhỏ hơn, đối với bất kì vùng Ri nào, P(Ri)=TRUE. Bắt đầu với
toàn bộ vùng. Nếu P(Ri)=FALSE thì ta chia ảnh thành 4 phần. Nếu P là
FALSE cho bất kì vùng tứ phân nào, chúng ta chia vùng tứ phân đó thành 4
phần nhỏ hơn, và cứ tiếp tục như thế. Kỹ thuật phân chia đặc biệt này có sự
thuận lợi trong biểu diễn được gọi là cây tứ phân (Quadtree). Chú ý rằng gốc
của cây tứ phân tương ứng với toàn bộ ảnh và mỗi node tương ứng với phần
chia nhỏ hơn. Trong trường hợp này, chỉ R4 được chia nhỏ hơn nữa.


15

Nếu chỉ phân chia thì phần cuối cùng sẽ chứa những vùng gần nhau
có cùng thuộc tính. Trở ngại này có thể được khắc phục bằng cách hợp lại.
Những vùng gần nhau mà có những pixel tổng hợp thỏa tính chất P nghĩa là 2
vùng lân cận Ri và Rj được hợp lại nếu P(Ri U Rk)=TRUE.

a. Hình được chia cắt

b. Cây quan hệ tương ứng

Hình 2.1
Tóm lại ta có thủ tục sau:
-

Chia thành 4 vùng bằng nhau bất kì vùng nào có P(Rj)= FALSE

-

Hợp những vùng kề nhau Ri và Rj với P(Ri U Rj)=TRUE

-

Dừng nếu không thể phân chia hoặc không thể hợp được nữa.
Ta định nghĩa P(Ri) = TRUE nếu có ít nhất 80% các pixel trong Rj có

thuộc tính |zj-mi|≤2σi với zj là mức xám của pixel thứ j trong vùng R i, mi là
mức xám của vùng đó, và σi là độ lệch chuẩn của mức xám trong R i. Nếu
P(Ri)=TRUE trong điều kiện này, giá trị của tất cả các pixel được đặt bằng
với mi. Phân chia và hợp được thực hiện sử dụng thuật toán trên.


16

a.Hình ban đầu

b.Kết quả sau khi tách và trộn

c. Kết quả sau khi phân ngưỡng
Hình 2.2 Minh họa phân ngưỡng
Kết quả của việc áp dụng kĩ thuật này vào ảnh trong hình 2.2a được
hiển thị trong hình 2.2b. Chú ý rằng ảnh đã được phân vùng hoàn toàn. Ảnh
hiển thị trong hình 2.2c nhận được bởi phân ngưỡng hình 2.2a, với một
ngưỡng đặt tại điểm chính giữa của 2 đỉnh chính của Histogram.
II.1.3. Phân vùng theo miền đồng nhất


Giới thiệu.
Kỹ thuật phân chia vùng ảnh thành các miền đồng nhất dựa vào các

thuộc tính quan trọng nào đó của miền. Mỗi một thuộc tính khi sử dụng thì có
một tiêu chuẩn phân vùng tương ứng. Một số thuộc tính tiêu biểu như: mức
xám, màu sắc ( đối với ảnh màu), kết cấu sợi v.v…
Giả sử ảnh X phải được phân thành N vùng khác nhau R 1, R2, … RN và
nguyên tắc phân vùng là một vị từ của công thức P(R).


17

Việc phân chia vùng ảnh chia tập X thành các tập con R i , i = 1 .. N
phải thỏa mãn:


Các vùng Ri, i=1..N phải lấp kín hoàn toàn ảnh:
X=



Hai vùng khác nhau phải là những tập hợp rời nhau:
Ri R j = 0 với i ≠ j



Mỗi vùng Ri phải có tính đồng nhất:
P(Ri) = TRUE với i = 1..N



Nếu Ri, Rj là hai vùng rời nhau thì (RiRj) phải là một vùng ảnh không
đồng nhất:
P(Ri Rj) = FALSE với i ≠ j
Kết quả của việc phân chia vùng ảnh phụ thuộc vào dạng của vị từ P và

các đặc trưng được biểu diễn bởi vectơ đặc trưng. Thường thì vị từ P có dạng
P(R,X,t), trong đó X là vectơ đặc trưng gắn với một điểm ảnh và t là một tập
hợp các tham số (thường là các ngưỡng). Trong trường hợp đơn giản nhất,
vectơ đặc trưng X chỉ chứa giá trị mức xám của ảnh I(k,l) và vectơ ngưỡng
chỉ gồm một ngưỡng T. Một nguyên tắc phân vùng đơn giản có công thức:
P(R): f(k,l) < T
Trong trường hợp các ảnh màu, vectơ đặc trưng X có thể là ba thành
phần ảnh RGB [fR(k,l), fG(k,l), fB(k,l)]T. Lúc đó luật phân ngưỡng có dạng:
P(R,x,t): ((fR(k,l)

18



Phương pháp tách cây tứ phân.
Phương pháp tách cây tứ phân dựa trên nguyên tắc kiểm tra tính hợp

thức của tiêu chuẩn đồng nhất một cách tổng thể trên miền lớn. Nếu tiêu chuẩn
được thoả việc phân vùng coi như kết thúc. Trong trường hợp ngược lại, chia
miền đang xét thành 4 miền nhỏ hơn, áp dụng đệ quy bằng phương pháp trên
cho mỗi miền nhỏ hơn cho đến khi tất cả các miền đều thoả mãn tiêu chuẩn
đồng nhất.
Thuật toán được mô tả như sau:
Procedure PhanDoan(Mien)
Begin
If (miền đang xét không thoả) Then
Begin
Chia miền đang xét thành 4 miền: Z1, Z2, Z3, Z4
For i=1 to 4 Do PhanDoan(Zi)
End
Else Exit
End;
Thuật toán này tạo nên một cây mà mỗi nút cha có 4 nút con ở mọi
mức, trừ mức ngoài cùng. Vì thế cây này có tên là cây tứ phân. Gốc của cây là
ảnh ban đầu, một vùng thoả tiêu chuẩn tạo nên một nút lá, nếu không sẽ tạo
nên một nút nhánh.
Giả sử chọn tiêu chuẩn phân vùng là màu sắc và quy ước mọi điểm của
vùng là màu trắng sẽ tạo nên một nút lá trắng và tương tự như vậy với nút lá
đen. Nút màu ghi có nghĩa là vùng không thuần nhất và phải tiếp tục chia.


19

a. Ảnh gốc

c. Phân mức 2

b. Phân mức 1

d. Phân mức 3

Hình 2.3 Minh họa kỹ thuật tách cây tứ phân
Hình 2.3 - minh họa thuật toán tách cây tứ phân: ảnh gốc (a) được chia
thành 4 phần được kết quả phân mức 1 (b), tiếp tục thực hiện đối với các phần
nhỏ, ta được phân mức 2, 3.


Phương pháp phân vùng hợp
Phương pháp phân vùng bởi hợp thao tác ngược lại với phương pháp

tách cây tứ phân, nghĩa là xuất phát từ các miền nhỏ nhất - các điểm ảnh rồi


20

hợp chúng lại nếu thoả mãn tiêu chuẩn đề ra để được miền đồng nhất lớn hơn.
Tiếp tục với các miền thu được cho đến khi ta không thể hợp nhất chúng với
nhau nữa, lúc này số miền còn lại chính là các phân vùng của ảnh.
Việc hợp nhất hai miền phải thoả mãn hai nguyên tắc sau:
-

Hai vùng phải kế cận.

-

Hai vùng phải đáp ứng tiêu chuẩn, như cùng màu, cùng mức xám hay
cùng kết cấu vv ...
Giả sử vùng Ri có n điểm, lúc đó giá trị trung bình mi và độ lệch tiêu

chuẩn σi được tính theo công thức:
=

(2.1)
(2.2)

Hai vùng R1 và R2 có thể hợp thành một vùng nếu | m1 – m2| < T và điểm
I(k,l) sẽ được hợp với vùng Ri nếu | I(k,l) – mi | < T , với T là một ngưỡng.
Đầu tiên chúng ta cố gắng hợp điểm (k, l) với một trong các vùng lân
cận Ri. Nếu việc hợp không thành công thì ta hợp với các vùng khác đã có.
Nếu vẫn không thành công hoặc không có vùng lân cận tồn tại thì điểm này
được coi là một vùng mới.
Sau khi hợp nhất (k,l) vào vùng R thì ta phải cập nhật lại giá trị trung
bình và độ lệch tiêu chuẩn:

=

(2.3)

(2.4)
Nếu có nhiều hơn một vùng lân cận thỏa mãn thì hợp điểm (k,l) với
vùng Ri sao cho sự khác biệt |(k,l)-mi| nhỏ nhất.


21

Cũng trong phương pháp pháp phân vùng bởi hợp, có một cách tiếp
cận khác với kỹ thuật trên, đó là phương pháp phân vùng dựa vào đồ thị. Phân
vùng dựa trên đồ thị tìm cách hợp nhất hai miền Ri và Rj theo tính chất so
sánh giữa hai cặp miền.


Phương pháp tách hợp (Split- Merge)
Hai phương pháp vừa xét ở trên có một số nhược điểm. Phương pháp

tách tạo nên một cấu trúc phân cấp và thiết lập mối quan hệ giữa các vùng. Tuy
nhiên nó thực hiện việc chia quá chi tiết. Phương pháp hợp cho phép giảm số
vùng liên thông xuống mức tối thiểu nhưng cấu trúc hàng ngang dàn trải,
không cho ta thấy mối liên hệ giữa các vùng. Chính vì nhược điểm này ta nghĩ
đến việc phối hợp cả 2 phương pháp. Trước tiên dùng phương pháp tách để tạo
nên cấy tứ phân, phân vùngtheo hướng từ gốc lên lá. Tiếp theo tiến hành duyệt
cây theo chiều ngược lại và hợp các vùng có cùng tiêu chuẩn. Với phương pháp
này ta thu được miêu tả cấu trúc của ảnh với các miền liên thông có kích thước
tối đa.
Giải thuật trên gồm một số bước sau:
B1: Kiểm tra tiêu chuẩn đồng nhất


Nếu không thỏa và số điểm trong vùng lớn hơn một điểm, tách làm 4
vùng (trên, dưới, trái, phải) bằng cách gọi đệ quy. Nếu kết quả tách



xong và không tách được nữa thì chuyển sang B2
Nếu tiêu chuẩn đồng nhất là thỏa thì tiến hành hợp vùng và cập nhật
giá trị trung bình cho vùng.
B2: Hợp vùng: Cần kiểm tra 4 lân cận đã nêu trên. Có thể có nhiều

vùng thỏa mãn khi đó ta chọn vùng tối ưu rồi tiến hành hợp.
Phương pháp này thu được kết quả số vùng là nhỏ hơn phương pháp
tách và ảnh được làm trơn.


22

II.1.4. Phân vùng theo đồ thị

Phân chia vùng ảnh dựa vào đồ thị là một phương pháp tiếp cận khá
hiện đại dựa trên thuộc tính non-local của ảnh đầu vào. Phương pháp này phát
hiện ra biên giữa hai vùng của ảnh bằng cách so sánh sự khác nhau giữa nội
vùng (intercomponent) với sự khác nhau với các vùng khác. Thuật toán phân
vùng dựa vào đồ thị tuân theo chiến lược tham lam, có thời gian chạy gần như
tuyến tính, nhưng vẫn đảm bảo được việc phân vùng chính xác và hiệu quả.


Giới thiệu.
Các phương pháp phân chia vùng ảnh cổ điển đều có chung một nhược

điểm là chạy rất chậm trong các ứng dụng xử lý ảnh và hầu như không nắm
bắt được các thuộc tính non-local quan trọng của ảnh. Vì vậy, hầu hết các
nghiên cứu của những năm gần đây đều có xu hướng tìm kiếm một kỹ thuật
phân vùng có khả năng xử lý trong cơ sở dữ liệu ảnh lớn một cách nhanh
chóng, chính xác và hiệu quả. Kỹ thuật phân vùng dựa vào đồ thị được mô tả
ở đây không những vừa nắm bắt được các đặc tính non-local mà độ phức tạp
tính toán chỉ là O(nlogn) đối với bức ảnh có n điểm ảnh (pixel).
Giống như các phương pháp phân cụm cổ điển, phương pháp này cũng
dựa trên việc chọn các cạnh từ một đồ thị. Đồ thị này được xây dựng bằng
cách coi mỗi điểm ảnh là một đỉnh, hai điểm ảnh kề nhau thì được nối bởi một
cạnh vô hướng, trọng số trên một cạnh thể hiện sự khác nhau giữa hai điểm
ảnh. Tuy nhiên, phương pháp này thực hiện việc điều chỉnh sự phân vùng dựa
vào mức độ thay đổi giữa các miền lân cận của ảnh.
Ví dụ: Ảnh phía trên bên trái của hình: hầu hết đều thấy rằng bức ảnh
này có ba miền phân biệt: một hình chữ nhật ở nữa bên trái, một hình chữ
nhật đặc ở giữa nửa bên phải và phần bao quanh hình chữ nhật đặc này. Đó là


23

thuộc tính quan trọng của sự tri giác (perceptually) và các đặc trưng này cũng
sẽ được nắm bắt bởi thụật toán phân vùng.

Hình 2.4. Nhận dạng các vùng ảnh
Phương pháp phân vùng dựa vào đồ thị sẽ tìm dấu hiệu đường biên
giữa hai vùng bằng cách so sánh hai đại lượng: một là dựa vào cường độ khác
nhau dọc theo đường biên và hai là dựa vào cường độ khác nhau giữa các
điểm ảnh với mỗi vùng.


Phương pháp.
Cho G = (V,E) là một đồ thị vô hướng với các đỉnh vi V, là tập hợp

các phần tử cần được phân vùng và các cạnh (vi ,vj) E, tương ứng với các cặp
đỉnh lân cận nhau. Mỗi cạnh (vi ,vj) E có một trọng số tương ứng, trọng số là
một số không âm đo sự khác nhau giữa hai phần tử lân cận vi và vj, ký hiệu
w(vi, vj). Ở đây trọng số của cách cạnh đo sự khác nhau giữa hai điểm nối bởi
cạnh đó (có nhiều mức độ khác nhau: màu sắc, vị trí, sự vận động hoặc các
thuộc tính khác).
Như vậy phân vùng một bức ảnh là việc phân chia V thành các thành
phần, mà mỗi thành phần (hoặc miền) C V tương đương với một thành phần
liên thông trong đồ thị G‟ = , E‟ E.


24



Tính chất của so sánh cặp miền.
Để có thể dễ dàng định lượng dấu hiệu của một đường biên giữa hai

vùng trong ảnh, ta định nghĩa một tính chất D. Tính chất này dựa vào độ đo
sự khác nhau giữa các phần tử dọc theo một đường biên của hai thành phần
liên quan nhằm đo sự khác nhau giữa các phần tử lân cận trong mỗi thành
phần. Kết quả là so sánh sự khác nhau giữa nội vùng (inter-component) với sự
khác nhau với các vùng khác.
Trước hết, ta định nghĩa độ khác nội vùng (internal difference) và độ
khác giữa hai vùng (difference between two components).
Độ khác nội vùng (internal difference) của một thành phần C ⊆ V là
trọng số lớn nhất trong cây tỏa nhánh tối thiểu của thành phần đó, kí hiệu
Int(C). Khi đó:
(2.5)
Độ khác giữa hai vùng (difference between two components) C1, C2
⊆V, là trọng số nhỏ nhất giữa hai vùng, kí hiệu là Dif(C1,C2). Khi đó:
Dif(C1,C2) = min w(Vi,Vj)

(2.6)

ViC1,VjC2,(Vi,Vj)E
Nếu không có cạnh nối nào giữa C1 và C2 thì đặt Dif(C1,C2) = ∞. Độ đo
sự khác nhau này là về nguyên lý thì vẫn có vẻ mơ hồ, vì nó chỉ phản ánh
được cạnh có trọng số nhỏ nhất nối giữa hai thành phần.
Một khái niệm có liên quan trong định nghĩa về tính chất D là giá trị
khác nội vùng nhỏ nhất, kí hiệu MInt. Giá trị Mint được định nghĩa như sau:
MInt (C1, C2) = min( Int (C1 ) + τ (C1 ), Int (C1 ) + τ (C 2 ))

(2.7)

Hàm ngưỡng τ điều khiển mức độ khác nhau giữa hai thành phần, sao
cho giá trị này phải lớn hơn các giá trị khác nội vùng của các thành phần để


25

nhằm mục đích nhận ra đường biên giữa chúng. Đối với các thành phần nhỏ
Int(C) là không đủ tốt để ước lượng các đặc tính của dữ liệu. Trong một số
trường hợp khi |C| = 1 thì Int(C) = 0 với |C| là kích thước của thành phần C.
Khi đó chúng ta sử dụng một hàm ngưỡng dựa trên kích thước của thành phần:
τ (C ) = k / |C|
Với k là một tham số hằng. Trong thực tế thì k được chọn không nhỏ
hơn kích thước của thành phần nhỏ nhất.
Lúc này tính chất so sánh giữa hai cặp miền C1 và C2, kí hiệu D(C1,
C2) được định nghĩa như sau:
(2.8)


Thuật toán và các tính chất.
Mục này trình bày một thuật toán phân vùng sử dụng tiêu chuẩn quyết

định D đã mô tả ở trên. Ta sẽ chỉ ra rằng phân vùng bằng thuật toán này sẽ
tuân theo các thuộc tính không quá thô (too coarse) và cũng không quá mịn
(too fine), theo các định nghĩa sau đây.
Định nghĩa 1
Một phân vùng được xem là quá mịn nếu tồn tại một số cặp miền C 1,C2
S mà giữa hai miền này không có dấu hiệu của đường biên.
Để định nghĩa được những khái niệm bổ sung cho phân vùng quá thô,
chúng ta đưa ra khái niệm tinh chỉnh (refinement) của một phân vùng.
Cho hai phân vùng S và T của cùng một tập cơ sở, ta nói rằng T là một
tinh chỉnh (refinement) của S khi mỗi thành phần của T được chứa trong
(hoặc bằng) một số thành phần của S. Và ta cũng nói rằng T là một tinh chỉnh
đúng (proper refinement) của S khi T ≠ S.


x

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×