Tải bản đầy đủ tại địa chỉ http://ouo.io/yvZGEQ hoặc http://twineer.com/2NE3 Mục tiêu của luận văn xây dựng ứng dụng tiền xử lý ảnh phục vụ nhận dạng sử dụng thư viện mã nguồn mở OpenCV.

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
NGUYỄN XUÂN CƯỜNG
NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT XỬ LÝ ẢNH PHỤC VỤ
VIỆC NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG NHẬN DẠNG TIẾNG VIỆT
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hà Nội - 2015

2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
NGUYỄN XUÂN CƯỜNG
NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT XỬ LÝ ẢNH PHỤC VỤ
VIỆC NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG NHẬN DẠNG TIẾNG VIỆT
Ngành: Công nghệ Thông tin
Chuyên ngành: Quản lý Hệ thống Thông tin
Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điẻm
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜ I HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Ts. Vũ Duy Linh
Hà Nội – 2015

3. 1
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng, đây là kết quả nghiên cứu của tôi trong đó có sự giúp
đỡ rất lớn của thầy hướng dẫn và các đồng nghiệp ở cơ quan. Các nội dung nghiên
cứu và kết quả trong đề tài này hoàn toàn trung thực.
Trong luận văn, tôi có tham khảo đến một số tài liệu của một số tác giả đã liệt
kê tại phần “Tài liệu tham khảo” ở cuối luận văn.
Tác giả luận văn
Nguyễn Xuân Cường

4. 2
LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn đến Viện Công Nghệ thông tin, Đại học Công Nghệ,
Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện cho em học tập và thực hiện luận văn
này.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Tiến sĩ Vũ Duy Linh, người đã tận tình
hướng dẫn em trong quá trình làm luận văn này.
Em xin cảm ơn quý Thầy Cô đã nhiệt tình giảng dạy cho chúng em trong
những năm học vừa qua.
Cuối cùng, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình cũng như bạn
bè, đồng nghiệp đã luôn ủng hộ, động viên em để em có thể có điều kiện tốt nhất để
học tập và nghiên cứu.
Hà Nội, tháng 6/2015
Nguyễn Xuân Cường – CIO 04
Viện Công nghệ thông tin – Đại học Quốc gia Hà Nội

5. 3
MỤC LỤC
BẢNG KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT...............................................................................................6
MỞ ĐẦU........................................................................................................................................................7
CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ THƯ VIỆN OPENCV...............................................9
1.1 Giới thiệu về xử lý ảnh.........................................................................................................................9
1.1.1 Phần thu nhận ảnh .......................................................................................................................10
1.1.2 Tiền xử lý ....................................................................................................................................10
1.1.3 Phân đoạn ảnh (phân vùng ảnh) ..................................................................................................11
1.1.4 Biểu diễn và mô tả.......................................................................................................................11
1.1.5 Nhận dạng và nội suy..................................................................................................................11
1.1.6 Cơ sở tri thức...............................................................................................................................11
1.2 Những vấn đề cơ bản trong hệ thống xử lý ảnh .................................................................................12
1.2.1 Điểm ảnh .....................................................................................................................................12
1.2.2 Độ phân giải của ảnh...................................................................................................................13
1.2.3 Mức xám của ảnh ........................................................................................................................13
1.2.4 Định nghĩa ảnh số........................................................................................................................13
1.2.5 Mối liên hệ giữa các điểm ảnh ....................................................................................................14
1.3 Những vấn đề khác trong xử lý ảnh ...................................................................................................14
1.3.1 Biến đổi ảnh ................................................................................................................................14
1.3.2 Nén ảnh .......................................................................................................................................15
1.4 Một số phương pháp biểu diễn ảnh....................................................................................................15
1.4.1 Mã loạt dài...................................................................................................................................15
1.4.2 Mã xích........................................................................................................................................15
1.4.3 Mã tứ phân ..................................................................................................................................16
1.5 Thư viện OpenCV..............................................................................................................................16
1.5.1 Tổng quan....................................................................................................................................16
1.5.2 Những điểm đặc trưng.................................................................................................................17
1.5.3 Các tổ chức..................................................................................................................................19
1.6 ImageMagick......................................................................................................................................19
CHƯƠNG 2 – MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TIỀN XỬ LÝ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH................21
2.1 Cải thiện ảnh sử dụng các toán tử điểm .............................................................................................21
2.1.1 Tăng độ tương phản (Stretching Contrast)..................................................................................22

6. 4
2.1.2 Tách nhiễu và phân ngưỡng ........................................................................................................23
2.1.3 Biến đổi âm bản (Digital Negative) ............................................................................................24
2.1.4 Cắt theo mức (Intensity Level Slicing) .......................................................................................24
2.1.5 Trích chọn bit (Bit Extraction)....................................................................................................25
2.1.6 Trừ ảnh........................................................................................................................................26
2.1.7 Nén dải độ sáng...........................................................................................................................26
2.1.8 Mô hình hóa và biến đổi lược đồ xám.........................................................................................26
2.2 Cải thiện ảnh dùng toán tử không gian...............................................................................................27
2.2.1 Làm trơn nhiễu bằng lọc tuyến tính: lọc trung bình và lọc dải thông thấp..................................28
2.2.2 Làm trơn nhiễu bằng lọc phi tuyến..............................................................................................30
2.2.3 Mặt lạ gờ sai phân và làm nhẵn...................................................................................................32
2.2.4 Lọc thông thấp, thông cao và lọc dải thông ................................................................................32
2.2.5 Khuyếch đại và nội suy ...............................................................................................................33
2.2.6 Một số kỹ thuật cải thiện ảnh nhị phân .......................................................................................35
2.3 Khôi phục ảnh ....................................................................................................................................36
2.3.1 Các mô hình quan sát và tạo ảnh.................................................................................................38
2.3.2 Các bộ lọc....................................................................................................................................40
CHƯƠNG 3 – TRIỂN KHAI CHƯƠNG TRÌNH VÀ KẾT QUẢ ..............................................................43
3.1 Cài đặt và tích hợp thư viện OpenCV vào Microsoft Visual Studio..................................................43
3.2 Triển khai chương trình......................................................................................................................45
3.2.1 Xử lý phông nền chứng minh thư................................................................................................45
3.2.2 Xử lý đường kẻ ô trong văn bản..................................................................................................46
3.2.3 Xử lý tăng DPI cho văn bản........................................................................................................47
3.3 Mã chương trình.................................................................................................................................48
3.3.1 Đưa ảnh màu về đa mức xám......................................................................................................48
3.3.2 Tăng độ nét..................................................................................................................................49
3.3.3 Tăng độ sáng ...............................................................................................................................51
3.3.4 Tăng độ tương phản ....................................................................................................................53
3.3.5 Loại bỏ phông nền.......................................................................................................................54
3.3.6 Loại bỏ nhiễu...............................................................................................................................56
3.3.7 Tăng DPI .....................................................................................................................................58
3.3.8 Xóa đường kẻ ô ...........................................................................................................................59
3.4 Hình ảnh triển khai chương trình .......................................................................................................62

7. 5
CHƯƠNG 4 – KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...........................................................................64
4.1 Kết luận..............................................................................................................................................64
4.2 Hướng phát triển ................................................................................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................................................65

8. 6
BẢNG KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Ý nghĩa
OCR Optical Character Recognition
Nhận dạng ký tự bằng quang học
BSD Berkeley Software Distribution

9. 7
MỞ ĐẦU
Sự cấp thiết của đề tài
Xử lý ảnh là lĩnh vực mà ngày nay được phát triển và ứng dụng rất rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhờ vào sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các
hệ thống máy tính, các thuật toán và công trình nghiên cứu khác nhau của nhiều
nhà khoa học trên thế giới.
Ở Việt Nam, các ứng dụng về xử lý ảnh đã bước đầu được triển khai trên một
số lĩnh vực như lắp đặt hệ thống nhận dạng biển số xe, nhận dạng vân tay, … Môn
học xử lý ảnh ở các trường đại học được xem là môn học bắt buộc ở một số ngành
như công nghệ thông tin, điện tử viễn thông, … Tuy nhiên nhìn một cách tổng quan
thì số lượng các ứng dụng được triển khai trên thực tế vẫn là quá ít, lĩnh vực này sẽ
còn phát triển mạnh mẽ trong tương lai nếu được quan tâm một cách nghiêm túc.
Một trong những ứng dụng phổ biến hiện nay liên quan mật thiết với xử lý ảnh
đó là nhận dạng ký tự quang học – OCR.
Các chương trình hỗ trợ OCR hiện nay có thể nhận dạng được ký với tỷ lệ trên
90% đối với ảnh có chất lượng nét và font chữ thông dụng. Đối với hình ảnh chất
lượng thấp, font chữ đặc biệt, chữ viết tay hoặc có phông nền phức tạp thì kết quả
cho ra không mấy khả quan, hầu như không nhận dạng được.
Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ, ngày càng có nhiều yêu cầu cao hơn
trong các ứng dụng liên quan đến nhận dạng ký tự quang học, yêu cầu nhận dạng
chính xác hơn, nhanh hơn.
Nội dung của luận văn
Với mục đích như trên luận văn có những nội dung như sau:
- Luận văn tổng hợp lý thuyết về xử lý ảnh – giải pháp nâng cao chất lượng
hình ảnh phục vụ cho nhận dạng, cụ thể ở đây là nhận dạng tiếng Việt.
- Luận văn mô tả một số phương pháp xử lý ảnh. Nền tảng lý thuyết này sẽ
được triển khai thử nghiệm trong luận văn này.

10. 8
- Luận văn đã mô tả từng bước triển khai xử lý ảnh, đưa ra kết quả sau khi xử
lý.
Cấu trúc luận văn
Với mục tiêu xây dựng ứng dụng tiền xử lý ảnh phục vụ cho nhận dạng, luận
văn được chia làm bốn chương:
Chương 1: Tổng quan về tiền xử lý ảnh và thư viện OpenCV
Chương này giới thiệu về các khái niệm trong xử lý ảnh, giới thiệu qua về thư
viện xử lý ảnh OpenCV.
Chương 2: Một số phương pháp tiền xử lý nâng cao chất lượng ảnh
Từ các khái niệm xử lý ảnh được đưa ra ở Chương I, chương này giới thiệu một
số phương pháp tiền xử lý ảnh như: nhị phân hóa, tăng cường độ sáng, tăng cường
độ tương phản, loại bỏ phông nền, khử nhiễu, …
Chương 3: Triển khai chương trình và kết quả
Chương này giới thiệu về chương trình đã được triển khai, các bước thực hiện
và các kết quả của mỗi bước đạt được.
Chương 4: Kết luận và hướng phát triển
Chương này tôi tổng kết lại các kết quả và các đóng góp mà việc thực hiện đề
tài đem lại. Ngoài ra, tôi cũng đề xuất các phương hướng nghiên cứu tiếp theo,
nhằm giúp cho đề tài trở lên hoàn thiện hơn.

11. 9
CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ THƯ VIỆN OPENCV
1.1 Giới thiệu về xử lý ảnh
Xử lý ảnh là một lĩnh vực mang tính khoa học và công nghệ. Nó là một ngành
khoa học mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác nhưng tốc độ phát triển của nó
rất nhanh, kích thích các trung tâm nghiên cứu, ứng dụng, đặc biệt là máy tính
chuyên dụng riêng cho nó.
Xử lý ảnh được đưa vào giảng dạy ở bậc đại học ở nước ta khoảng chục năm
nay. Nó là môn học liên quan đến nhiều lĩnh vực và cần nhiều kiến thức cơ sở khác.
Đầu tiên phải kể đến Xử lý tín hiệu số - một môn học hết sức cơ bản cho xử lý tín
hiệu chung, các khái niệm về tính chập, các biến đổi Fourier, Laplace, các bộ lọc
… Thứ hai, các công cụ như Đại số tuyến tính, Xác xuất, thống kê. Một số kiến
thức cần thiết khác như Trí tuệ nhân tạo, mạng noron nhân tạo cũng được đề cập
đến trong quá trình phân tích và đặc biệt là nhận dạng – OCR.
Các phương pháp xử lý ảnh bắt đầu từ các ứng dụng chính: nâng cao chất lượng
ảnh và phân tích ảnh. Ứng dụng đầu tiên được biết đến là nâng cao chất lượng ảnh
báo được truyền qua cáp từ London đến New York từ những năm 1920. Vấn đề
nâng cao chất lượng ảnh có liên quan tới cân bằng sáng và độ phân giải của ảnh.
Việc nâng cao chất lượng ảnh được phát triển vào khoảng những năm 1955. Điều
này có thể giải thích được vì sau thế chiến thứ hai, máy tính phát triển nhanh tạo
điều kiện cho quá trình xử lý ảnh số thuận lợi. Năm 1964, máy tính đã có khả năng
xử lý và nâng cao chất lượng ảnh từ mặt trăng và vệ tinh Ranger 7 của Mỹ bao
gồm: làm nổi đường biên, lưu ảnh. Từ năm 1964 đến nay, các phương tiện xử lý,
nâng cao chất lượng, nhận dạng ảnh phát triển không ngừng. Các phương pháp tri
thức nhân tạo như mạng noron nhân tạo, các thuật toán xử lý hiện đại và cải tiến,
các công cụ nén ảnh ngày càng được ấp dụng rộng rãi và thu nhiều kết quả khả
quan.
Về cơ bản, các bước cần thiết trong xử lý ảnh bao gồm:

12. 10
Đầu tiên ảnh tự nhiên từ thế giới ngoài được thu nhận qua các thiết bị thu (như
Camera, máy chụp ảnh, scan, …). Trước đây, các tấm ảnh thu được qua máy chụp
hình với phim âm bản, không có tác dụng trong xử lý ảnh. Gần đây, với sự phát
triển của công nghệ, ảnh màu hoặc đen trắng được lấy ra từ Camera, sau đó nó
được chuyển trực triếp thành ảnh số tạo thuận lợi cho xử lý tiếp theo – máy ảnh số,
chụp qua điện thoại … là những ví dụ gần gũi. Mặt khác, ảnh cũng có thể tiếp nhận
từ vệ tinh, có thể quét từ ảnh chụp bằng máy quét ảnh. Hình 1.1 dưới dây mô tả các
bước cơ bản trong xử lý ảnh.
Hình 1.1 Các bước cơ bản trong xử lý ảnh
1.1.1 Phần thu nhận ảnh
Ảnh có thể nhận qua camera màu hoặc đen trắng. Camera thường dùng loại là
loại quét dòng, ảnh tạo ra có dạng hai chiều. Chất lượng một ảnh thu nhận được
phụ thuộc vào thiết bị thu, vào môi trường (ánh sáng, phong cảnh).
1.1.2 Tiền xử lý
Sau bộ thu nhận, ảnh có thể nhiễu, độ tương phản thấp nên cần đưa vào bộ tiền
xử lý để nâng cao chất lượng. Chức năng chính của bộ tiền xử lý là lọc nhiễu, nâng
độ tương phản để làm ảnh rõ hơn, nét hơn.
Thu nhận
ảnh
Tiền xử
lý ảnh
Phân
đoạn ảnh
Biểu diễn
và mô tả
Nhận dạng
và nội suy
Cơ sở tri thức

13. 11
1.1.3 Phân đoạn ảnh (phân vùng ảnh)
Phân vùng ảnh là tách một ảnh đầu vào thành các vùng thành phần để biểu diễn
phân tích, nhận dạng ảnh. Ví dụ: để nhận dạng chữ (hoặc mã vạch) trên phong bì
thư cho mục đích phân loại bưu phẩm, cần chia các câu, chữ về địa chỉ hoặc tên
người thành các từ, các chữ, các số (hoặc các vạch) riêng biệt để nhận dạng. Đây là
phần phức tạp và khó khăn nhất trong xử lý ảnh và cũng dễ gây lỗi, làm mất độ
chính xác của ảnh. Kết quả nhận dạng ảnh phụ thuộc rất nhiều vào công đoạn này.
1.1.4 Biểu diễn và mô tả
Đầu ra ảnh sau phân đoạn chưa các điểm ảnh của vùng ảnh (ảnh đã phân đoạn)
cộng với mã liên kết với các vùng lân cận. Việc biến đổi các số liệu này thành dạng
thích hợp là cần thiết cho xử lý tiếp theo bằng máy tính.
1.1.5 Nhận dạng và nội suy
Nhận dạng ảnh là quá trình xác định ảnh. Quá trình này thường thu được bằng
cách so sánh với mẫu chuẩn đã được học (được lưu) từ trước, hoặc phương pháp
khác như invariant – là một phương pháp mới đang được nghiên cứu trong nhận
dạng.
Nội suy là phán đoán theo ý nghĩa trên cơ sở nhận dạng.
1.1.6 Cơ sở tri thức
Như đã nói ở trên, ảnh là một đối tượng khá phức tạp về đường nét, độ sáng tối,
tương phản, dung lượng điểm ảnh, môi trường để thu ảnh phong phú kéo theo
nhiễu. Trong nhiều khâu xử lý và phân tích ảnh ngoài việc đơn giản hóa các
phương pháp toán học đảm bảo tiện lợi cho xử lý, người ta mong muốn bắt chước
quy trình tiếp nhận và xử lý ảnh theo cách của con người. Trong các bước xử lý đó,
nhiều khâu hiện nay đã xử lý theo phương pháp trí tuệ con người.

14. 12
Hình 1.2 Quá trình xử lý ảnh
1.2Những vấn đề cơ bản trong hệ thống xử lý ảnh
1.2.1 Điểm ảnh
Ảnh gốc (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 hóa. Số hóa 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, hay được gọi tắt là Pixel. Trong ảnh hai chiều, mỗi pixel ứng với cặp tọa
độ (x,y).
Định nghĩa:
Điểm ảnh (Pixel) là một phần tử của ảnh số tại tọa độ (x,y) với độ xám hoặc
màu nhất định. Kích thước và khoảnh cách giữa các điểm ảnh đó được chọn thích
hợp sao cho mắt người cảm nhận sự liên tục về không gian và mức xám (hoặc màu)
của ảnh số gần như ảnh thật. Mỗi phần tử trong ma trận được gọi là một phần tử
ảnh.
Trích
chọn
quan
hệ
Khôi phục
ảnh
Ảnh
số
Xử lý ảnh
Ảnh được
cải tiến
Phân
đoạn
Trích
chọn
đặc
trưng
Phân
tích
thống
kê –
cấu
trúc
Mô tả và
nội suy
Thu
ảnh
Số
hóa
Nén
ảnh
Lưu
ảnh
Truyền
ảnh
Nâng chất
lượng ảnh
Cảnh quan
Ảnh tương tự
Thu nhận ảnh
Nhận dạng – biểu diễn

15. 13
1.2.2 Độ phân giải của ảnh
Định nghĩa:
Độ phân giải 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 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.
1.2.3 Mức xám của ảnh
Mỗi điểm ảnh (pixel) có hai đặc trưng cơ bản là vị trí và độ xám.
Định nghĩa: Mức xám của điểm ảnh là cường độ ánh sáng của nó được gán
bằng giá trị số tại điểm đó.
Các giá trị mức xám thông thường: 16, 32, 64, 128, 256 (Mức 256 là mức phổ
dụng vì trong kỹ thuật máy tính dùng 1 byte (8 bit) để biểu diễn mức xám: 28
= 256
mức, từ 0 đến 255).
Ảnh đen trắng: là ảnh có hai màu đen, trắng (không chứa màu khác) với mức
xám ở các điểm ảnh có thể khác nhau.
Ảnh nhị phân: ảnh chỉ có 2 mức đen trắng, phân biệt tức là dùng 1 bit mô tả, 21
mức xám. Nói cách khác mỗi điểm ảnh của ảnh nhị phân chỉ có thể là 0 hoặc 1.
Ảnh màu: trong khuôn khổ lý thuyết ba màu (RGB) để tạo nên thế giới màu,
người ta dùng 3 byte mô tả mức màu, khi đó các giá trị màu: 28*3
= 224
~ 16 triệu
màu.
1.2.4 Định nghĩa ảnh số
Ảnh số là tập hợp các điểm ảnh với mức xám phù hợp dùng để mô tả ảnh gần
với ảnh thật.