Thu nhận ảnh

thu nhËn ¶nh image representation and modeling Ch­¬ng nµy giíi thiÖu qu¸ tr×nh thu nhËn ¶nh còng nh­ c¸c thiÕt bÞ dïng trong hÖ thèng xö lý ¶nh. TiÕp theo lµ qu¸ tr×nh lÊy mÉu vµ l­îng tö ho¸ ¶nh. §ång thêi còng giíi thiÖu mét sè ph­¬ng ph¸p biÓu diÔn ¶nh, c¸c kiÓu tÖp vµ cÊu tróc cña chóng dïng trong l­u tr÷ ¶nh nh­ .IMG, .PCX,TIFF,.... Cuèi cïng, tr×nh bµy nguyªn t¾c t¸i hiÖn ¶nh gåm c¸c kü thuËt Bayer Dithering, Rylander Pattern Matrix.... 2.1 c¸c thiÕt bÞ thu nhËn ¶nh vµ kü thuËt ph©n tÝch mµu 2.1.1 ThiÕt bÞ thu nhËn ¶nh Mét hÖ thèng xö lý ¶nh cã thÓ trang bÞ kÌm theo c¸c hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý - GIS (Geographical Information System) hay hÖ MORPHO (gi¸ kho¶ng7 ®Õn 8 triÖu USD) hoÆc cã thÓ lµ hÖ thèng m¸y tÝnh c¸ nh©n. C¸c thiÕt bÞ thu ¶nh th«ng th­êng gåm m¸y quay (camera) céng víi bé chuyÓn ®æi t­¬ng tù sè AD(Analog to Digital) hoÆc m¸y quÐt (scanner) chuyªn dông. C¸c thiÕt bÞ thu nhËn ¶nh nµy cã thÓ cho ¶nh tr¾ng ®en B/W (Black & White) víi mËt ®é tõ 400 ®Õn 1600 dpi (dot per inch) hoÆc ¶nh mµu 600 dpi. Víi ¶nh B/W møc mµu z lµ 0 hoÆc 1. Víi ¶nh ®a cÊp x¸m, møc x¸m biÕn thiªn tõ 0 ®Õn 255. ¶nh mµu, mçi ®iÓm ¶nh l­u tr÷ trong 3 bytes vµ do ®ã ta cã 2 8x3 = 2 24 mµu (cì 16, 7 triÖu mµu). Khi dïng scanner, mét dßng photodiot sÏ quÐt ngang ¶nh (quÐt theo hµng) vµ cho ¶nh víi ®é ph©n gi¶i ngang kh¸ tèt. §Çu ra cña scanner lµ ¶nh ma trËn sè mµ ta quen gäi lµ b¶n ®å ¶nh (¶nh Bitmap). Bé sè ho¸ (digitalizer) sÏ t¹o ¶nh vector cã h­íng. Trong xö lý ¶nh b»ng m¸y tÝnh, ta kh«ng thÓ kh«ng nãi ®Õn thiÕt bÞ monitor (mµn h×nh) ®Ó hiÖn ¶nh. Monitor cã nhiÒu lo¹i kh¸c nhau: - CGA : 640 x 320 x 16 mµu, - EGA : 640 x 350 x 16 mµu, - VGA : 640 x 480 x 16 mµu, - SVGA: 1024 x 768 x 256 mµu. Víi ¶nh mµu, cã nhiÒu c¸ch tæ hîp mµu kh¸c nhau. Theo lý thuyÕt mµu do Thomas ®­a ra tõ n¨m 1802, mäi mµu ®Òu cã thÓ tæ hîp tõ 3 mµu c¬ b¶n: Red (®á), Green (lôc) vµ Blue (l¬). ThiÕt bÞ ra ¶nh cã thÓ lµ m¸y in ®en tr¾ng, m¸y in mµu hay m¸y vÏ (plotter). M¸y vÏ còng cã nhiÒu lo¹i: lo¹i dïng bót, lo¹i phun mùc. Nh×n chung, c¸c hÖ thèng thu nhËn ¶nh thùc hiÖn 2 qu¸ tr×nh: C¶m biÕn: biÕn ®æi n¨ng l­îng quang häc (¸nh s¸ng) thµnh n¨ng l­îng ®iÖn. Tæng hîp n¨ng l­îng ®iÖn thµnh ¶nh. 2.1.2 BiÓu diÔn mµu ¸nh s¸ng mµu lµ tæ hîp cña ¸nh s¸ng ®¬n s¾c. M¾t ng­êi chØ cã thÓ c¶m nhËn ®­îc vµi chôc mµu, song l¹i cã thÓ ph©n biÖt ®­îc tíi hµng ngµn mµu. Cã 3 thuéc tÝnh chñ yÕu trong c¶m nhËn mµu: - Brightness: s¾c mµu, cßn gäi lµ ®é chãi. - Hue : s¾c l­îng, cßn gäi lµ s¾c th¸i mµu. - Saturation: ®é b·o hoµ Víi nguån s¸ng ®¬n s¾c, ®é hue t­¬ng øng víi b­íc sãng (. §é b·o hoµ thay ®æi nhanh nÕu ta thªm l­îng ¸nh s¸ng tr¾ng. H×nh 2.1 m« t¶ mèi liªn quan gi÷a c¸c ®¹i l­îng trªn vµ 3 mµu chñ yÕu R, G vµ B. Víi mét ®iÓm W* cè ®Þnh, c¸c kÝ hiÖu G, R, B chØ vÞ trÝ t­¬ng ®èi cña c¸c phæ mµu ®á, lôc vµ l¬. Do sù t¸n s¾c ¸nh s¸ng (øng víi khai triÓn Fourier) mµ ta nh×n râ mµu. Theo Maxwell, trong vâng m¹c m¾t cã 3 lo¹i tÕ bµo h×nh nãn c¶m thô 3 mµu c¬ b¶n øng víi 3 phæ hÊp thô S1((), S2(() vµ S3((). White - Mét mµu bÊt kú sÏ lµ mét ®iÓm lines of greys W* trªn vßng trßn. Hue - NÕu White vµ Black lµ nh­ G S S R nhau th× ®­êng trßn lµ lín nhÊt vµ R lµ ®iÓm b·o hoµ. B - S thay ®æi theo b¸n kÝnh Saturation - H thay ®æi theo gãc ( - W* lµ s½c mµu Black H×nh 2.1. HÖ to¹ ®é mµu RGB (min = 380 nm; ( max = 780 nm. S1(() S2(() S3(() 100 80 60 40 20 0 400 500 600 650 ( yellow green blue H×nh 2.2 C¸c ®­êng cong c¶m nhËn S1, S2 vµ S3. Theo lý thuyÕt 3 mµu, ph©n bè phæ n¨ng l­îng cña mét nguån s¸ng mµu ký hiÖu lµ C(() vµ tæ hîp mµu theo nguyªn t¾c 3 mµu cã thÓ m« t¶ b»ng h×nh 2.3 d­íi ®©y: (1(C) c(() (2(C) (3(C) H×nh 2.3. Nguyªn t¾c tæ hîp mµu. Do ®ã, (i(C) =
(()c(()d( víi i = 1, 2, 3. (2.1) (i(C) gäi lµ ®¸p øng phæ (spectral responses). Ph­¬ng tr×nh 2.1 gäi lµ ph­¬ng tr×nh biÓu diÔn mµu. NÕu C1(() vµ C2(() lµ hai ph©n bè phæ n¨ng l­îng t¹o nªn c¸c ®¸p øng phæ (1(C1) vµ (2(C2) mµ (i(C1) = (i(C2), víi i =1, 2, 3 th× hai mµu C1 vµ C2 lµ nh­ nhau (s¸nh ®­îc). 2.1.3 Tæng hîp mµu vµ s¸nh mµu Mét trong c¸c vÊn ®Ò c¬ b¶n cña lý thuyÕt biÓu diÔn mµu lµ sö dông mét tËp c¸c nguån s¸ng (mµu) ®Ó biÓu diÔn mµu. Theo lý thuyÕt 3 mµu cña Thomas, ng­êi ta h¹n chÕ sè mµu cßn 3 mµu c¬ b¶n: ®á, lôc vµ l¬. Gi¶ sö r»ng ba nguån s¸ng c¬ b¶n cã ph©n phèi phæ n¨ng l­îng lµ pk( () víi k =1, 2, 3 vµ:
pk( ()d( = 1 §Ó s¸nh mét mµu C((), gi¶ sö r»ng 3 mµu c¬ b¶n ®­îc tæ hîp theo tØ lÖ (k((), k =1, 2, 3, nh­ vËy:
(k(()pk( () sÏ cho C((). Thay gi¸ trÞ nµy vµo ph­¬ng tr×nh 2.1 ta cã: (i(C) =
(()[
(k(()pk( ()] d( =
(k(()
pk( ()Si(()d( =
(k(()ai,k víi ai,k =
pk( ()Si(()d( Nh­ vËy, cã thÓ tæng hîp mµu theo phÐp céng: mµu X = (1 ®á + (2 xanh + (3 l¬ víi (1, (2 vµ (3 lµ c¸c hÖ sè tæng hîp. Ph­¬ng ph¸p nµy hay ®­îc dïng trong c¸c ¶nh d©n dông. Lý thuyÕt tæng hîp mµu trªn cho phÐp ®­a ra mét sè luËt s¸nh mµu sau: i) mäi mµu cã thÓ s¸nh bëi nhiÒu nhÊt 3 mµu. ii) nguån s¸ng cña mét mµu tæng hîp b»ng tæng nguån s¸ng c¸c mµu thµnh phÇn. iii) nÕu mµu C1 s¸nh ®­îc víi mµu C1' vµ C2 s¸nh ®­îc víi mµu C2' th×: - (1 C1+ (2 C2 = (1C1'+ (2 C2' : luËt céng mµu - nÕu C1+ C2 = C1'+ C2' vµ C2 = C2' th× C1 = C1'. iv) luËt b¾c cÇu: nÕu C1 = C2 vµ C2 = C3 th× C1 = C3. dÊu = ë trªn cã nghÜa lµ s¸nh ®­îc. 2.1.4 HÖ to¹ ®é mµu Tæ chøc quèc tÕ vÒ chuÈn ho¸ mµu CIE(Commision Internationale d'Eclairage) ®­a ra mét sè c¸c chuÈn ®Ó biÓu diÔn mµu. C¸c hÖ nµy cã c¸c chuÈn riªng. ë ®©y chØ ®Ò cËp ®Õn chuÈn mµu CIE-RGB (hÖ to¹ ®é dïng 3 mµu c¬ b¶n). Nh­ ®· nªu trªn, mét mµu lµ tæ hîp cña c¸c mµu c¬ b¶n theo mét tØ lÖ nµo ®Êy. Nh­ vËy, mét pixel ¶nh mµu kÝ hiÖu Px ®­îc viÕt: Px =
Ng­êi ta dïng hÖ to¹ ®é ba mµu R-G-B(t­¬ng øng víi hÖ to¹ ®é x-y-z) ®Ó biÓu diÔn mµu nh­ sau: Blue (l¬) (0,0,1) l¬ (0,0,1) TÝm xanh TÝm (1,0,1) (1,1,1) vµng ®Ëm (0,0,0) ®en (0,1,0) lôc Green (lôc) (1,0,0) ®á (1,1,0) vµng Red (®á) Trong c¸ch biÓu diÔn nµy ta cã c«ng thøc: ®á + lôc + l¬ =1. C«ng thøc nµy gäi lµ c«ng thøc Maxell. Trong h×nh vÏ trªn, tam gi¸c t¹o bëi ba ®­êng ®øt ®o¹n gäi lµ tam gi¸c Maxell. Ta còng cã thÓ chuyÓn tõ hÖ to¹ ®é 3 mµu vÒ hÖ to¹ ®é x-y-z. 2.2 LÊy mÉu vµ l­îng tö ho¸ (Image Sampling and quantization) Yªu cÇu c¬ b¶n nhÊt trong xö lý ¶nh b»ng m¸y tÝnh lµ ®­a ¶nh vÒ d¹ng biÓu diÔn sè thÝch hîp, nghÜa lµ ¶nh ph¶i ®­îc biÓu diÔn bëi mét ma trËn h÷u h¹n t­¬ng øng víi viÖc lÊy mÉu ¶nh trªn mét l­íi rêi r¹c vµ mçi pixel ®­îc l­îng ho¸ bëi mét sè h÷u h¹n bit. ¶nh sè ®­îc l­îng ho¸ cã thÓ ®­îc xö lý hay chuyÓn qua b­íc biÕn ®æi sè t­¬ng tù - DA(Digital to Analog) ®Ó t¸i hiÖn trªn thiÕt bÞ hiÖn ¶nh. 2.2.1 QuÐt ¶nh (Image scanning) Ph­¬ng ph¸p chung ®Ó lÊy mÉu lµ quÐt ¶nh theo hµng vµ m· ho¸ tõng hµng. VÒ nguyªn t¾c, mét ®èi t­îng, phim hay giÊy trong suèt sÏ ®­îc chiÕu s¸ng liªn tôc ®Ó t¹o nªn mét ¶nh ®iÖn tö trªn tÊm c¶m quang. Tuú theo c¸c lo¹i camera mµ tÊm c¶m quang nµy lµ chÊt quang dÉn hay quang truyÒn. HÖ thèng camera èng sö dông ph­¬ng ph¸p scan-out-digitalizer; cßn hÖ thèng camera CCD(Charge Coup;ed Device) cho ¶nh ma trËn. f(x,y) fi(x,y) u(m,n) u(m,n) ¶nh vµo H×nh 2.4. LÊy mÉu vµ l­îng ho¸ Camera CCD thùc sù lµ thiÕt bÞ mÉu ho¸ tÝn hiÖu 2 chiÒu vµ gäi lµ ph­¬ng ph¸p sefl-scanning matrix. Nguyªn t¾c cña 2 ph­¬ng ph¸p ®­îc minh ho¹ qua h×nh 2-6 trang bªn. Lý thuyÕt mÉu ho¸ 2 chiÒu - ¶nh víi d¶i giíi h¹n (Band limited Images) Mét hµm f(x,y) gäi lµ d¶i giíi h¹n nÕu khai triÓn Fourier F((1, (2) cña nã lµ 0 bªn ngoµi miÒn bao (h×nh 2.5). F((1, (2) = 0 víi ((1( > (x0 , ((2( > (y0 (2.2) Víi (x0 vµ (y0 lµ d¶i giíi h¹n theo x vµ y cña ¶nh. Qu¸ tr×nh sè ho¸ ¶nh cã thÓ hiÓu nh­ m« h×nh tÝn hiÖu d¶i giíi h¹n. Mét ¶nh d¶i giíi h¹n f(x,y) tho¶ m·n ph­¬ng tr×nh 2.2 vµ ®­îc lÊy mÉu ®Òu trªn mét l­íi h×nh ch÷ nhËt víi b­íc nh¶y (x, (y cã thÓ kh«i phôc l¹i kh«ng cã sai sãt dùa trªn c¸c gi¸ trÞ mÉu f(m(x,n(y). Theo lý thuyÕt lÊy mÉu trong xö lý tÝn hiÖu, nÕu tÇn sè lÊy mÉu theo x, y lín h¬n 2 lÇn d¶i giíi h¹n (x0, (y0 hay t­¬ng ®­¬ng víi:
= (xs > 2 (x 0,
= (ys > 2 (y0 th× cã thÓ kh«i phôc ®­îc. TØ sè nµy do Nyquist ®Ò xuÊt vµ mang tªn tØ sè Nyquist. F((1, (2) (2 (20 - (10 (10 (1 (x0 (1 --(y0 -(y0 (2 H×nh 2.5. Khai triÓn Fourier cña hµm d¶i giíi h¹n. camera ChiÕu s¸ng (illumination) object/phim (®èi t­îng chiÕu s¸ng) ®Ých a) Ph­¬ng ph¸p sè ho¸ Scan-out ( Bé ChuyÓn M¹ch Bé ®iÒu khiÓn L­îng ho¸ (Switch ( &logic u(m,n) control) b) Ph­¬ng ph¸p Self-scanning array H×nh 2.6. Ph­¬ng ph¸p lÊy mÉu & l­îng ho¸ ¶nh H¬n n÷a, viÖc kh«i phôc l¹i ¶nh cã thÓ néi suy theo c«ng thøc: f(x,y) =
(2.3) Trong thùc tÕ, nhiÔu ngÉu nhiªn lu«n cã mÆt trong tÝn hiÖu ¶nh. Do ®ã, lý thuyÕt lÊy mÉu ë trªn ph¶i ®­îc më réng víi mét sè kü thuËt kh¸c nh­: l­íi kh«ng vu«ng, l­íi b¸t gi¸c. §Ó ®¬n gi¶n khi tr×nh bµy, nh÷ng kü thuËt nµy kh«ng nªu ë ®©y. §éc gi¶ cã quan t©m xin tham kh¶o tµi liÖu[1]. 2.2.2 L­îng ho¸ ¶nh (Image Quantization) 2.2.2.1 Kh¸i niÖm vµ nguyªn t¾c l­îng ho¸ ¶nh L­îng ho¸ ¶nh lµ b­íc kÕ tiÕp cña viÖc lÊymÉu, nh»m thùc hiÖn mét ¸nh x¹ tõ mét biÕn liªn tôc u sang mét biÕn rêi r¹c u* víi c¸c gi¸ trÞ thuéc tËp h÷u h¹n {r1, r2, . . ., rL}. ¸nh x¹ nµy th­êng lµ mét hµm bËc thang (h×nh 2.7) tu©n theo nguyªn t¾c sau: Cho {tk, k=1, 2, . . . L+1} lµ mét tËp c¸c b­íc dÞch chuyÓn hay møc ®é quyÕt ®Þnh; t1 lµ gi¸ trÞ nhá nhÊt vµ tL+1 lµ gi¸ trÞ lín nhÊt cña u. C¸ch ®¬n gi¶n nhÊt lµ dïng l­îng ho¸ ®Òu. Theo ph­¬ng ph¸p nµy, gi¶ sö ®Èu ra cña mét bé c¶m biÕn ¶nh nhËn gi¸ trÞ tõ 0 ®Õn 10.0. NÕu mÉu lµ l­îng ho¸ ®Òu trªn 256 møc, th× b­íc dÞch chuyÓn tk vµ møc x©y dùng l¹i rk ®­îc tÝnh bëi: tk =
víi k =1, 2,...,257; rk = tk -
víi k =1, 2,..., 256 §¹i l­îng q = tk - tk-1 = rk - rk-1 lµ h»ng sè víi c¸c gi¸ trÞ k vµ gäi lµ kho¶ng l­îng ho¸. Trong phÇn nµy, ta chØ xem xÐt c¸c bé l­îng ho¸ kh«ng bé nhí (zero memory quantizer), cã nghÜa lµ ®Çu ra chØ phô thuéc duy nhÊt lµ ®Çu vµo. C¸c bé l­îng ho¸ kiÓu nµy rÊt cã Ých trong kü thuËt m· ho¸ ¶nh nh­ m· ho¸ ®iÒu xung PCM (Pulse Code Modulation), PCM vi ph©n, chuyÓn m·, v...v. Chó ý r»ng, ¸nh x¹ l­îng ho¸ nµy kh«ng thuËn nghÞch, nghÜa lµ víi mét ®Çu ra ®· cho, ®Çu vµo lµ kh«ng duy nhÊt. V× vËy, ng­êi ta ®· nghiªn cøu bæ xung nhiÒu kü thuËt kh¸c nhau ®Ó cùc tiÓu ho¸ biÕn d¹ng, t¨ng hiÖu qu¶. Mét kü thuËt phæ dông lµ trung b×nh b×nh ph­¬ng cùc tiÓu (do Lloyd-max ®Ò xuÊt) chóng ta sÏ m« t¶ d­íi ®©y. u* u Bé u* ®Çu ra l­îng ho¸ u lçi l­îng ho¸ H×nh 2.7. M« h×nh bé l­îng ho¸. 2.2.2.2 Kü thuËt l­îng ho¸ trung b×nh b×nh ph­¬ng cùc tiÓu Kü thuËt nµy nh»m cùc tiÓu ho¸ sai sè trung b×nh b×nh ph­¬ng ®èi víi mét sè møc l­îng ho¸ ®· cho. Cho u lµ mét biÕn thùc ngÉu nhiªn víi hµm mËt ®é liªn tôc Pu(u). Mong muèn ë ®©y lµ t×m ®­îc møc ®é quyÕt ®Þnh tk vµ møc kh«i phôc l¹i rk víi mét bé l­îng ho¸ L møc sao cho sai sè trung b×nh b×nh ph­¬ng lµ nhá nhÊt. Gäi ( = E[(u - u*)2] =
(2.4) NhiÖm vô lµ t×m min cña (. ViÕt l¹i (2.4) ta cã: ( =

i=0, 1,. . ., L-1 (2.5) §Ó tÝnh rk, ta cÇn gi¶i hÖ ph­¬ng tr×nh (nhËn ®­îc khi lÊy vi ph©n 2.5): (tk -rk-1)2Pu(tk) - (tk - rk) 2Pu(tk) = 0 2
(u - rk)Pu(u)du = 0 L­u ý r»ng tk ( tk-1, do ®ã gi¸ trÞ cña tk vµ rk cho bëi: tk = (rk - rk-1)/2 k = 1, 2, . . . L (2.6) vµ rk =
k = 0, 1, . . ., L-1 (2.7) Th«ng th­êng hÖ ph­¬ng tr×nh (2.6), (2.7) lµ kh«ng tuyÕn tÝnh. KÕt qu¶ trªn chøng tá r»ng møc dÞch chuyÓn tèi ­u n»m trªn nöa ®­êng cña c¸c møc xkh«i phôc l¹i. C¸c møc kh«i phôc l¹i tèi ­u n»m t¹i träng t©m cña ph©n bè mËt ®é gi÷a c¸c møc dÞch chuyÓn. Gi¶i hÖ ph­¬ng tr×nh (2.6) & (2.7) ta thu ®­îc c¸c cËn t1 vµ tL+1. Trong thùc tÕ, ng­êi ta hay ¸p dông ph­¬ng ph¸p Newton ®Ó gi¶i ph­¬ng tr×nh trªn. Khi sè møc l­îng ho¸ lín, ng­êi ta dïng ph­¬ng ph¸p xÊp xØ mËt ®é x¸c suÊt nh­ mét hµm h»ng kh«n ngoan (picewise) pu(u) = pu(vi) víi vi = (ti + ti+1); ti ( u < ti+1. Thay gi¸ trÞ míi cña pu(u) vµo 2.5 vµ tÝnh cùc tiÓu ho¸, ta cã lêi gi¶i xÊp xØ cho møc quyÕt ®Þnh ti+1[1]: ti+1 =
(2.8) víi A = tL+1 - t1 vµ rk = (k/L)A, k=1,2,...,L. Tõ ®ã ta dÔ dµng tÝnh ®­îc gi¸ trÞ cña sai sè (. (*) C¸c hµm mËt ®é th­êng dïng lµ hµm Gauss vµ hµm Laplace. Hµm Gauss cã d¹ng: Pu(u) =
) (2.9) Hµm Laplace cã d¹ng: Pu(u) = (/2 * exp(-((u-(() (2.10) trong ®ã: ( lµ kú väng to¸n häc (2 lµ hiÖp biÕn víi biÕn ngÉu nhiªn u ®èi víi hµm Gauss. HiÖp biÕn Laplace ®­îc tÝnh bëi (2 =2/(. Tr­êng hîp ®Æc biÖt, nÕu ph©n bè lµ ®Òu th× hÖ ph­¬ng tr×nh (2.6) & (2.7) lµ tuyÕn tÝnh vµ sÏ cho ta c¸c kho¶ng ®Òu nhau gi÷a c¸c møc dÞch chuyÓn vµ møc kh«i phôc l¹i. Do vËy, phÐp l­îng ho¸ nµy cã tªn lµ l­îng ho¸ tuyÕn tÝnh. Gi¶ sö hµm mËt ®é cho bëi c«ng thøc: 1/(tL+1 - t1) nÕu ti ( u ( ti+1 pu(u) = 0 kh¸c ®i Tõ ph­¬ng tr×nh (2.7) ta cã: rk =
(2.11) do ®ã tk = (tk+1 - tk)/2 ( tk = tk-1 = tk+1 - tk = const = q. Cuèi cïng ta cã q = (tL+1 -t1)/L; tk = tk-1 + q; rk = tk - q/2 (2.12) Nh­ vËy, mäi møc dÞch chuyÓn vµ møc kh«i phôc l¹i ®Òu c¸ch ®Òu. Sai sè cña phÐp l­îng ho¸ lµ u - u* sÏ ph©n phèi ®Òu trªn kho¶ng (-q/2 , q/2). Sai sè trung b×nh b×nh ph­¬ng sÏ lµ: ( =
(2.13)* L­îng ho¸ ®Òu nh­ trªn kh¸ thuËn tiÖn cho cµi ®Æt. Tuy nhiªn, trong thùc tÕ ta cßn gÆp nhiÒu lo¹i ph©n bè kh«ng ®Òu cña c¸c biÕn ngÉu nhiªn. §éc gi¶ quan t©m ®Õn c¸c biÕn ®æi nµy còng nh­ so s¸nh kÕt qu¶ gi÷a mét sè ph­¬ng ph¸p xin tham kh¶o tµi liÖu [1]. 2.3 mét sè ph­¬ng ph¸p biÓu diÔn ¶nh (image representation) Sau b­íc sè ho¸, ¶nh sÏ ®­îc l­u tr÷ hay chuyÓn sang giai ®o¹n ph©n tÝch. Tr­íc khi ®Ò cËp ®Õn vÊn ®Ò l­u tr÷ ¶nh, ta cÇn xem xÐt ¶nh sÏ ®­îc biÓu diÔn ra sao trong bé nhí m¸y tÝnh. PhÇn trªn còng ®· nãi ®Õn c¸c m« h×nh to¸n häc ®Ó biÓu diÔn ¶nh. NÕu l­u tr÷ trùc tiÕp ¶nh th« theo kiÓu b¶n ®å ¶nh, dung l­îng sÏ kh¸ lín, tèn kÐm mµ nhiÒu khi kh«ng hiÖu qu¶ theo quan ®iÓm øng dông. Th­êng ng­êi ta kh«ng biÓu diÔn toµn bé ¶nh th« mµ tËp trung ®Æc t¶ c¸c ®Æc tr­ng cña ¶nh nh­: biªn ¶nh (Boundary) hay c¸c vïng ¶nh (Region). C¸c kü thuËt ph¸t hiÖn biªn hay ph©n vïng ¶nh sÏ ®­îc giíi thiÖu kü trong ch­¬ng 5 vµ 6. D­íi ®©y giíi thiÖu mét sè ph­¬ng ph¸p biÓu diÔn. Th­êng ng­êi ta dïng: - BiÓu diÔn m· lo¹t dµi (Run - Length Code). - BiÓu diÔn m· xÝch (Chaine Code). - BiÓu diÔn m· tø ph©n (Quad Tree Code). Ngoµi ra còng dïng m« h×nh thèng kª . 2.3.1 M· lo¹t dµi Ph­¬ng ph¸p nµy hay dïng biÓu diÔn cho vïng ¶nh hay ¶nh nhÞ ph©n. Mét vïng ¶nh R cã thÓ biÓu diÔn ®¬n gi¶n nhê mét ma trËn nhÞ ph©n: u(m,n) = 1 nÕu (m,n) ( R 0 nÕu kh«ng Víi c¸ch biÓu diÔn trªn, mét vïng ¶nh hay ¶nh nhÞ ph©n ®­îc xem nh­ gåm c¸c chuçi 0 hay 1 ®an xen. C¸c chuçi nµy gäi lµ mét m¹ch (run). Theo ph­¬ng ph¸p nµy, mçi m¹ch sÏ ®­îc biÓu diÔn bëi ®Þa chØ b¾t ®Çu cña m¹ch vµ chiÒu dµi m¹ch theo d¹ng: (, chiÒu dµi). 0 1 2 3 4 0 ¶nh ®­îc biÓu diÔn 1 (1,1) 1, (1,3) 2 2 (2,0) 4, (3,1) 2 H×nh 2.8. ¶nh nhÞ ph©n vµ c¸c biÓu diÔn m· lo¹t dµi t­¬ng øng. NhiÒu d¹ng biÕn thÓ kh¸c nhau kh¸c nhau cña ph­¬ng ph¸p nµy sÏ ®Ò cËp chi tiÕt trong Ch­¬ng 8 (8.2.1). 2.3.2 M· xÝch M· xÝch th­êng ®­îc dïng ®Ó biÓu diÔn biªn cña ¶nh. Thay v× l­u tr÷ toµn bé ¶nh, ng­êi ta l­u tr÷ d·y c¸c ®iÓm ¶nh nh­ A, B,..., M (h×nh 2.9). Theo ph­¬ng ph¸p nµy, 8 h­íng cña vÐct¬ nèi 2 ®iÓm biªn liªn tôc ®­îc m· ho¸. Khi ®ã ¶nh ®­îc biÓu diÔn qua ®iÓm ¶nh b¾t ®Çu A cïng víi chuçi c¸c tõ m·. §iÒu nµy ®­îc minh ho¹ trong h×nh 2-9 d­íi ®©y. Mét biÕn thÓ cña ph­¬ng ph¸p nµy lµ t¨ng sè h­íng. Víi biªn còng cßn nhiÒu ph­¬ng ph¸p kh¸c (Ch­¬ng 5). 2 A 7 3 1 M 1 B 6 0 1 E 0 F 2 J C D G 4 0 K 4 J 2 5 3 I 4 H 5 6 7 H×nh 2-9. H­íng c¸c ®iÓm biªn vµ m· t­¬ng øng. A 111 110 000 001 000 110 101 110 101 010 100 010 2.3.3 M· tø ph©n Theo ph­¬ng ph¸p m· tø ph©n, mét vïng cña coi nh­ bao kÝn bëi mét mét h×nh ch÷ nhËt. Vïng nµy ®­îc chia lµm 4 vïng con (quadrant). NÕu mét vïng con gåm toµn ®iÓm ®en (1) hay toµn ®iÓm tr¾ng(0) th× kh«ng cÇn chia tiÕp. Trong tr­êng hîp ng­îc l¹i, vïng con gåm c¶ ®en vµ tr¾ng gäi lµ vïng x¸m l¹i tiÕp tôc ®­îc chia lµm 4 vïng con tiÕp. Qu¸ tr×nh chia dõng l¹i khi kh«ng thÓ chia tiÕp ®­îc n÷a, cã nghÜa lµ vïng con chØ chøa thuÇn nhÊt ®iÓm ®en hay tr¾ng. Nh­ vËy, c©y biÓu diÔn gåm mét chuçi c¸c ký hiÖu b(black), w (white) vµ g(grey) kÌm theo ký hiÖu m· ho¸ 4 vïng con. BiÓu diÔn theo ph­¬ng ph¸p nµy ­u viÖt h¬n so víi c¸c ph­¬ng ph¸p trªn, nhÊt lµ so víi m· lo¹t dµi. Tuy nhiªn, ®Ó tÝnh to¸n sè ®o c¸c h×nh nh­ chu vi, m« men lµ kh¸ khã. 2.4 C¸c ®Þnh d¹ng ¶nh c¬ b¶n trong xö lý ¶nh ¶nh thu ®­îc sau qu¸ tr×nh sè ho¸ cã nhiÒu lo¹i kh¸c nhau, phô thuéc vµo kü thuËt sè ho¸ ¶nh. Nh­ ®· nãi ë phÇn trªn , ta chia lµm 2 lo¹i: ¶nh ®en tr¾ng vµ ¶nh mµu. ¶nh thu nhËn ®­îc cã thÓ l­u tr÷ trªn tÖp ®Ó phôc vô cho c¸c b­íc xö lý tiÕp theo. D­íi ®©y sÏ tr×nh bµy mét sè ®Þnh d¹ng ¶nh th«ng dông hay dïng trong qu¸ tr×nh xö lý ¶nh hiÖn nay. 2.4.1 §Þnh d¹ng ¶nh IMG ¶nh IMG lµ ¶nh ®en tr¾ng. PhÇn ®Çu cña ¶nh IMG cã 16 bytes chøa c¸c th«ng tin cÇn thiÕt : + 6 bytes ®Çu: dïng ®Ó ®¸nh dÊu ®Þnh d¹ng ¶nh IMG. Gi¸ trÞ cña 6 bytes nµy viÕt d­íi d¹ng Hexa: 0x0001 0x0008 0x0001. + 2 bytes tiÕp theo: chøa ®é dµi mÉu tin. §ã lµ ®é dµi cña d·y c¸c bytes kÒ liÒn nhau mµ d·y nµy sÏ ®­îc lÆp l¹i mét sè lÇn nµo ®ã. Sè lÇn lÆp nµy sÏ ®­îc l­u trong byte ®Õm. NhiÒu d·y gièng nhau ®­îc l­u trong mét byte. §ã lµ c¸ch l­u tr÷ nÐn sÏ ®­îc ®Ò cËp chi tiÕt trong ch­¬ng 8. + 4 bytes tiÕp: m« t¶ kÝch cì pixel + 2 bytes tiÕp : sè pixel trªn mét dßng ¶nh + 2 bytes cuèi: sè dßng ¶nh trong ¶nh. ¶nh IMG ®­îc nÐn theo tõng dßng. Mçi dßng bao gåm c¸c gãi(pack). C¸c dßng gièng nhau còng ®­îc nÐn thµnh mét gãi. Cã 4 lo¹i gãi sau: Lo¹i 1: Gãi c¸c dßng gièng nhau Quy c¸ch gãi tin nµy nh­ sau: 0x00 0x00 0xFF Count. Ba byte ®Çu cho biÕt sè c¸c d·y gièng nhau; byte cuèi cho biÕt sè c¸c dßng gièng nhau. Lo¹i 2: Gãi c¸c d·y gièng nhau Quy c¸ch gãi tin nµy nh­ sau: 0x00 Count. Byte thø hai cho biÕt sè c¸c d·y gièng nhau ®­îc nÐn trong gãi. §é dµi cña d·y ghi ë ®Çu tÖp. Lo¹i 3: D·y c¸c pixel kh«ng gièng nhau, kh«ng lÆp l¹i vµ kh«ng nÐn ®­îc. Qui c¸ch nh­ sau: 0x80 Count. Byte thø hai cho biÕt ®é dµi d·y c¸c pixel kh«ng gièng nhau kh«ng nÐn ®­îc. Lo¹i 4: D·y c¸c pixel gièng nhau Tuú theo c¸c bit cao cña byte ®Çu ®­îc bËt hay t¾t. NÕu bit cao ®­îc bËt (gi¸ trÞ 1) th× ®©y lµ gãi nÐn c¸c bytes chØ gåm bit 0, sè c¸c byte ®­îc nÐn ®­îc tÝnh bëi 7 bit thÊp cßn l¹i. NÕu bit cao t¾t (gi¸ trÞ 0) th× ®©y lµ gãi nÐn c¸c byte gåm toµn bit 1. Sè c¸c byte ®­îc nÐn ®­îc tÝnh bëi 7 bit thÊp cßn l¹i. C¸c gãi tin cña file IMG phong phó nh­ vËy lµ do ¶nh IMG lµ ¶nh ®en tr¾ng, do vËy chØ cÇn 1 bit cho 1 pixel thay v× 4 hoÆc 8 nh­ ®· nãi ë trªn. Toµn bé ¶nh chØ cã nh÷ng ®iÓm s¸ng vµ tèi t­¬ng øng víi gi¸ trÞ 1 hoÆc gi¸ trÞ 0. Tû lÖ nÐn cña kiÓu ®Þnh d¹ng nµy lµ kh¸ cao. 2.4.2 §Þnh d¹ng ¶nh PCX §Þnh d¹ng ¶nh PCX lµ mét trong nh÷ng ®Þnh d¹ng ¶nh cæ ®iÓn nhÊt. Nã sö dông ph­¬ng ph¸p m· lo¹t dµi RLE (Run-Length-Encoded) ®Ó nÐn d÷ liÖu ¶nh. Qu¸ tr×nh nÐn vµ gi¶i nÐn ®­îc thùc hiÖn trªn tõng dßng ¶nh. Thùc tÕ, ph­¬ng ph¸p gi¶i nÐn PCX kÐm hiÖu qu¶ h¬n so víi kiÓu IMG. TÖp PCX gåm 3 phÇn: ®Çu tÖp (header), d÷ liÖu ¶nh (image data) vµ b¶ng mµu më réng(xem h×nh 2.10). Header cña tÖp PCX cã kÝch th­íc cè ®Þnh gåm 128 byte vµ ®­îc ph©n bè nh­ sau: + 1 byte : chØ ra kiÓu ®Þnh d¹ng. NÕu lµ kiÓu PCX/PCC nã lu«n cã gi¸ trÞ lµ 0Ah. + 1 byte: chØ ra version sö dông ®Ó nÐn ¶nh, cã thÓ cã c¸c gi¸ trÞ sau: - 0: version 2.5. - 2: version 2.8 víi b¶ng mµu. - 3: version 2.8 hay 3.0 kh«ng cã b¶ng mµu. - 5: version 3.0 cã b¶ng mµu. + 1 byte: chØ ra ph­¬ng ph¸p m· ho¸. NÕu lµ 0 th× m· ho¸ theo ph­¬ng ph¸p BYTE PACKED, nÕu kh«ng lµ ph­¬ng ph¸p RLE. + 1 byte: sè bit cho mét ®iÓm ¶nh plane. + 1 word: to¹ ®é gãc tr¸i trªn cña ¶nh. Víi kiÓu PCX nã cã gi¸ trÞ lµ (0,0); cßn PCC th× kh¸c (0,0). + 1 word: to¹ ®é gãc ph¶i d­íi. + 1 word: kÝch th­íc bÒ réng vµ bÒ cao ¶nh. + 1 word: sè ®iÓm ¶nh. + 1 word: ®é ph©n gi¶i mµn h×nh. + 1 word. + 48 byte: chia thµnh 16 nhãm, mçi nhãm 3 byte. Mçi nhãm nµy chøa th«ng tin vÒ mét thanh ghi mµu. Nh­ vËy ta cã 16 thanh ghi mµu. + 1 byte: kh«ng dïng ®Õn vµ lu«n ®Æt lµ 0. +1 byte: sè bit plane mµ ¶nh sö dông. Víi ¶nh 16 mµu, gi¸ trÞ nµy lµ 4, víi ¶nh 256 mµu (1 pixel/8 bit) th× sè bit plane l¹i lµ 1. + 1 byte: sè bytes cho mét dßng quÐt ¶nh. + 1 word: kiÓu b¶ng mµu. + 58 byte: kh«ng dïng. Tãm l¹i, ®Þnh d¹ng ¶nh PCX th­êng ®­îc dïng ®Ó l­u tr÷ ¶nh v× thao t¸c ®¬n gi¶n, cho phÐp nÐn vµ gi¶i nÐn nhanh. Tuy nhiªn v× cÊu tróc cña nã cè ®Þnh, nªn trong mét sè tr­êng hîp nã lµm t¨ng kÝch th­íc l­u tr÷. Vµ còng v× nh­îc ®iÓm nµy mµ mét sè øng dông l¹i sö dông mét kiÓu ®Þnh d¹ng kh¸c mÒm dÎo h¬n: ®Þnh d¹ng TIFF (Targed Image File Format) sÏ m« t¶ d­íi ®©y. 2.4.3 §Þnh d¹ng ¶nh TIFF KiÓu ®Þnh d¹ng TIFF ®­îc thiÕt kÕ ®Ó lµm nhÑ bít c¸c vÊn ®Ò liªn quan ®Õn viÖc më réng tÖp ¶nh cè ®Þnh. VÒ cÊu tróc, nã còng gåm 3 phÇn chÝnh: - PhÇn Header (IFH): cã trong tÊt c¶ c¸c tÖp TIFF vµ gåm 8 byte: + 1 word: chØ ra kiÓu t¹o tÖp trªn m¸y tÝnh PC hay Macintosh. Hai lo¹i nµy kh¸c nhau rÊt lín ë thø tù c¸c byte l­u tr÷ trong c¸c sè dµi 2 hay 4 byte. NÕu tr­êng nµy cã gi¸ trÞ lµ 4D4Dh th× ®ã lµ ¶nh cho m¸y Macintosh; nÕu lµ 4949h lµ cña m¸y PC. + 1 word: version. Tõ nµy lu«n cã gi¸ trÞ lµ 42. Cã thÓ coi ®ã lµ ®Æc tr­ng cña file TIFF v× nã kh«ng thay ®æi. Header 128 bytes D÷ liÖu ¶nh nÐn B¶ng mµu më réng H×nh 2.10. CÊu tróc tÖp ¶nh d¹ng PCX. + 2 word: gi¸ trÞ Offset theo byte tÝnh tõ ®Çu file tíi cÊu tróc IFD(Image File Directory) lµ cÊu tróc thø hai cña file. Thø tù c¸c byte ë ®©y phô thuéc vµo dÊu hiÖu tr­êng ®Çu tiªn. - PhÇn thø 2 (IFD): Nã kh«ng ë ngay sau cÊu tróc IFH mµ vÞ trÝ cña nã ®­îc x¸c ®Þnh bëi tr­êng Offset trong ®Çu tÖp. Cã thÓ cã mét hay nhiÒu IFD cïng tån t¹i trong file (nÕu file cã nhiÒu h¬n 1 ¶nh). Mét IFD gåm: + 2 byte: chøa c¸c DE (Directory Entry). + 12 byte lµ c¸c DE xÕp liªn tiÕp. Mçi DE chiÕm 12 byte. + 4 byte : chøa Offset trá tíi IFD tiÕp theo. NÕu ®©y lµ IFD cuèi cïng th× tr­êng nµy cã gi¸ trÞ lµ 0. - CÊu tróc phÇn d÷ liÖu thø 3: c¸c DE. C¸c DE cã ®é dµi cè ®Þnh gåm 12 byte vµ chia lµm 4 phÇn: + 2 byte: ChØ ra dÊu hiÖu mµ tÖp ¶nh ®· ®­îc x©y dùng. + 2 byte: kiÓu d÷ liÖu cña tham sè ¶nh. Cã 5 kiÓu tham sè c¬ b¶n: a) 1: BYTE (1 byte). b) 2: ASCII (1 byte). c) 3: SHORT (2 byte). d) 4: LONG (4 byte). e) 5: RATIONAL (8 byte). + 4 byte: tr­êng ®é dµi (bé ®Õm) chøa sè l­îng chØ môc cña kiÓu d÷ liÖu ®· chØ ra . Nã kh«ng ph¶i lµ tæng sè byte cÇn thiÕt ®Ó l­u tr÷. §Ó cã sè liÖu nµy ta cÇn nh©n sè chØ môc víi kiÓu d÷ liÖu ®· dïng. + 4 byte: ®ã lµ Offset tíi ®iÓm b¾t ®Çu d÷ liÖu thùc liªn quan tíi dÊu hiÖu, tøc lµ d÷ liÖu liªn quan víi DE kh«ng ph¶i l­u tr÷ vËt lý cïng víi nã n»m ë mét vÞ trÝ nµo ®ã trong file. D÷ liÖu chøa trong tÖp th­êng ®­îc tæ chøc thµnh c¸c nhãm dßng (cét) quÐt cña d÷ liÖu ¶nh. C¸ch tæ chøc nµy lµm gi¶m bé nhí cÇn thiÕt cho viÖc ®äc tÖp. ViÖc gi¶i nÐn ®­îc thùc hiÖn theo bèn kiÓu kh¸c nhau ®­îc l­u tr÷ trong byte dÊu hiÖu nÐn. Nh­ ®· nãi ë trªn, file ¶nh TIFF lµ dïng ®Ó gi¶i quyÕt vÊn ®Ò khã më réng cña file PCX. Tuy nhiªn, víi cïng mét ¶nh th× viÖc dïng file PCX chiÕm Ýt kh«ng gian nhí h¬n. 2.4.4 §Þnh d¹ng ¶nh GIF(Graphics Interchanger Format) C¸ch l­u tr÷ kiÓu PCX cã lîi vÒ kh«ng gian l­u tr÷: víi ¶nh ®en tr¾ng kÝch th­íc tÖp cã thÓ nhá h¬n b¶n gèc tõ 5 ®Õn7 lÇn. Víi ¶nh 16 mµu, kÝch th­íc ¶nh nhá h¬n ¶nh gèc 2-3 lÇn, cã tr­êng hîp cã thÓ xÊp xØ ¶nh gèc. Tuy nhiªn, víi ¶nh 256 mµu th× nã béc lé râ kh¶ n¨ng nÐn rÊt kÐm. §iÒu nµy cã thÓ lý gi¶i nh­ sau: khi sè mµu t¨ng lªn, c¸c lo¹t dµi xuÊt hiÖn Ýt h¬n vµ v× thÕ, l­u tr÷ theo kiÓu PCX kh«ng cßn lîi n÷a. H¬n n÷a, nÕu ta muèn l­u tr÷ nhiÒu ®èi t­îng trªn mét tÖp ¶nh nh­ kiÓu ®Þnh d¹ng TIFF, ®ßi hái cã mét ®Þnh d¹ng kh¸c thÝch hîp. §Þnh d¹ng ¶nh GIF do h·ng ComputServer Incorporated (Mü) ®Ò xuÊt lÇn ®Çu tiªn vµo n¨m 1990. Víi ®Þnh d¹ng GIF, nh÷ng v­íng m¾c mµ c¸c ®Þnh d¹ng kh¸c gÆp ph¶i khi sè mµu trong ¶nh t¨ng lªn kh«ng cßn n÷a. Khi sè mµu cµng t¨ng th× ­u thÕ cña ®Þnh d¹ng GIF cµng næi tréi. Nh÷ng ­u thÕ nµy cã ®­îc lµ do GIF tiÕp cËn c¸c thuËt to¸n nÐn LZW(Lempel-Ziv-Welch). B¶n chÊt cña kü thuËt nÐn LZW lµ dùa vµo sù lÆp l¹i cña mét nhãm ®iÓm chø kh«ng ph¶i lo¹t dµi gièng nhau. Do vËy, d÷ liÖu cµng lín th× sù lÆp l¹i cµng nhiÒu (xem ch­¬ng 8). D¹ng ¶nh GIF cho chÊt l­îng cao, ®é ph©n gi¶i ®å ho¹ còng ®¹t cao, cho phÐp hiÓn thÞ trªn hÇu hÕt c¸c phÇn cøng ®å ho¹. §Þnh d¹ng tæng qu¸t cña ¶nh GIF nh­ sau: Ch÷ ký cña ¶nh GIF note Bé m« t¶ hiÓn thÞ GIF Header (7 byte) B¶n ®å mµu tæng thÓ Global Palette M« t¶ mét ®èi t­îng cña ¶nh Header Image (10 byte) - DÊu ph©n c¸ch Palete of Imge 1(nÕu cã) - Bé m« t¶ ¶nh Data of Image 1 - B¶n ®å mµu côc bé ' ,' ký tù liªn kÕt - D÷ liÖu ¶nh . . . . . . . . . . . . . . . . . . PhÇn m« t¶ nµy lÆp n lÇn nÕu ¶nh chøa n ®èi t­îng. ';' GIF terminator PhÇn ®Çu cuèi ¶nh GIF(terminator) - Chø ký cña ¶nh GIF cã gi¸ trÞ lµ GIF87a. Nã gåm 6 ký tù, 3 kÝ tù ®Çu chØ ra kiÓu ®Þnh d¹ng, 3 ký tù sau chØ ra version cña ¶nh. - Bé h×nh hiÓn thÞ: chøa m« t¶ c¸c th«ng sè cho toµn bé ¶nh GIF: + §é réng h×nh raster theo pixel: 2 byte; + §é cao h×nh raster theo pixel: 2 byte; + C¸c th«ng tin vÒ b¶n ®å mµu, h×nh hiÓn thÞ,... + Th«ng tin mµu nÒn: 1 byte; + PhÇn ch­a dïng: 1 byte. B¶n ®å mµu tæng thÓ: m« t¶ bé mµu tèi ­u ®ßi hái khi bit M = 1. Khi bé mµu tæng thÓ ®­îc thÓ hiÖn, nã sÏ x¸c lËp ngay bé m« t¶ h×nh hiÓn thÞ. Sè l­îng thùc thÓ b¶n ®å mµu lÊy theo bé m« t¶ h×nh hiÓn thÞ ë trªn vµ b»ng 2 m, víi m lµ l­îng bit trªn mét pixel khi mçi thùc thÓ chøa ®ùng 3 byte (biÓu diÔn c­êng ®é mµu cña ba mµu c¬ b¶n Red-Green-Blue). CÊu tróc cña khèi nµy nh­ sau: Bit  Thø tù byte  M« t¶   mµu Red  1  gi¸ trÞ mµu ®á theo index 0   mµu Green  2  gi¸ trÞ mµu xanh lôc theo index 0   mµu Blue  3  gi¸ trÞ mµu xanh l¬ theo index 0   mµu Red  4  gi¸ trÞ mµu ®á theo index 1   mµu Green  5  gi¸ trÞ mµu xanh lôc theo index1   mµu Blue  6  gi¸ trÞ mµu xanh l¬ theo index 0   . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . . . . . . .    - Bé m« t¶ ¶nh: ®Þnh nghÜa vÞ trÝ thùc tÕ vµ phÇn më réng cña ¶nh trong ph¹m vi kh«ng gian ¶nh ®· cã trong phÇn m« t¶ h×nh hiÓn thÞ. NÕu ¶nh biÓu diÔn theo ¸nh x¹ b¶n ®å mµu côc bé th× cê ®Þnh nghÜa ph¶i ®­îc thiÕt lËp. Mçi bé m« t¶ ¶nh ®­îc chØ ra bëi ký tù kÕt nèi ¶nh. Ký tù nµy chØ ®­îc dïng khi ®Þnh d¹ng GIF cã tõ 2 ¶nh trë lªn. Ký tù nµy cã gi¸ trÞ 0x2c (ký tù dÊu ph¶y). Khi ký tù nµy ®­îc ®äc qua, bé m« t¶ ¶nh sÏ ®­îc kÝch ho¹t. Bé m« t¶ ¶nh gåm 10 byte vµ cã cÊu tróc nh­ sau: C¸c bit  Thø tù Byte  M« t¶   00101100  1  Ký tù liªn kÕt ¶nh (‘)   c¨n tr¸i ¶nh  2,3  Pixel b¾t ®Çu ¶nh tÝnh tõ tr¸i h×nh hiÓn thÞ   c¨n ®Ønh trªn  4,5  Pixel cuèi ¶nh b¾t ®Çu tÝnh tõ ®Ønh trªn h×nh hiÓn thÞ   ®é réng ¶nh  6,7  chiÒu réng ¶nh tÝnh theo pixel   ®é cao ¶nh  8,9  chiÒu cao ¶nh tÝnh theo pixel   MI000pixel  10  Khi bit M = 0 : sö dông b¶n ®å mµu tæng thÓ M = 1 : sö dông b¶n ®å mµu côc bé I = 0 : ®Þnh d¹ng ¶nh theo thø tù liªn tôc I = 1 : ®Þnh d¹ng ¶nh theo thø tù xen kÏ pixel +1: sè bit/pixel cña ¶nh nµy.   - B¶n ®å mµu côc bé: b¶n ®å mµu côc bé chØ ®­îc chän khi bit M cña byte thø 10 lµ 1. Khi b¶n ®å mµu ®­îc chän, b¶n ®å mµu sÏ chiÕu theo bé m« t¶ ¶nh mµ lÊy vµo cho ®óng. T¹i phÇn cuèi ¶nh, b¶n ®å mµu sÏ lÊy l¹i phÇn x¸c lËp sau bé m« t¶ h×nh hiÓn thÞ. L­u ý lµ tr­êng “pixel “ cña byte thø 10 chØ ®­îc dïng khi b¶n ®å mµu ®­îc chØ ®Þnh. C¸c tham sè nµy kh«ng nh÷ng chØ cho biÕt kÝch th­íc ¶nh theo pixel mµ cßn chØ ra sè thùc thÓ b¶n ®å mµu cña nã. - D÷ liÖu ¶nh: chuçi c¸c gi¸ trÞ cã thø tù cña c¸c pixel mµu t¹o nªn ¶nh. C¸c pixel ®­îc xÕp liªn tôc trªn mét dßng ¶nh, tõ tr¸i qua ph¶i. C¸c dßng ¶nh ®­îc viÕt tõ trªn xuèng d­íi. - PhÇn kÕt thóc ¶nh: cung cÊp tÝnh ®ång bé cho ®Çu cuèi cña ¶nh GIF. Cuèi cña ¶nh sÏ x¸c ®Þnh bëi kÝ tù “;” (0x3b). §Þnh d¹ng GIF cã rÊt nhiÒu ­u ®iÓm vµ ®· ®­îc c«ng nhËn lµ chuÈn ®Ó l­u tr÷ ¶nh mµu thùc tÕ (chuÈn ISO 10918-1). Nã ®­îc mäi tr×nh duyÖt Web (Web Browser) hç trî víi nhiÒu øng dông hiÖn ®¹i. Cïng víi nã cã chuÈn JPEG (Joint Photograph Expert Group). GIF dïng cho c¸c ¶nh ®å ho¹ (Graphic), cßn JPEG dïng cho ¶nh chôp (Photographic). 2.5 C¸c kü thuËt t¸i hiÖn ¶nh (in ¶nh) C¸c kü thuËt dïng ®Ó in ¶nh cã thÓ chia lµm hai nhãm: kü thuËt chôp ¶nh (photography hardcopy) vµ kü thuËt in ¶nh (printer hardcopy). §©y chÝnh lµ c¸c kü thuËt dïng ®Ó in ¶nh trong s¸ch, b¸o ¶nh vµ t¹p chÝ. 2.5.1 Kü thuËt chôp ¶nh (photography hardcopy techniques) Ph­¬ng ph¸p sao chôp ¶nh lµ ph­¬ng ph¸p ®¬n gi¶n gi¸ thµnh thÊp, chÊt l­îng cao. Sau b­íc chôp lµ kü thuËt phßng tèi (darkroom) nh»m t¨ng c­êng ¶nh nh­ mong muèn. ThÝ dô nh­ : phãng ®¹i ¶nh, thu nhá ¶nh ,..., tuú theo øng dông. Kü thuËt chôp ¶nh mµn h×nh mµu lµ kh¸ ®¬n gi¶n. Nã gåm mét sè b­íc nh­ sau: 1) §Æt camera trong phßng tèi, c¸ch mµn h×nh kho¶ng 10 feet (1 feet =0,3048 m). 2) Më èng kÝnh ®Ó lµm ph¼ng mÆt cong mµn h×nh do vËy ¶nh sÏ dµn ®Òu h¬n. 3) T¾t phÝm ph¶n chiÕu (brightness) vµ phÝm t­¬ng ph¶n (constrast) cña mµn h×nh ®Ó t¹o nªn ®é râ cho ¶nh. C¸c mµu chãi, c­êng ®é cao trªn ¶nh sÏ gi¶m ®i. 4) §Æt tèc ®é èng kÝnh tõ 1/8 ®Õn 1/2 gi©y. Víi èng kÝnh tèc ®é 1/4 gi©y, b¾t ®Çu víi f vµ dõng ë f/8. 2.5.2 Kü thuËt in ¶nh (Printer Hardcopy techniques) Tr­íc khi ®i s©u vµo kü thuËt in ¶nh, ta xem xÐt c¸c ¶nh ®­îc thÓ hiÖn trªn s¸ch, b¸o ¶nh vµ t¹p chÝ nh­ thÕ nµo. Nh×n chung, ng­êi ta dïng kü thuËt nöa c­êng ®é (halftone). Theo kü thuËt nµy, mét ¶nh t¹o nªn bëi mét chuçi c¸c ®iÓm in trªn giÊy. Thùc chÊt, mçi pixel gåm mét h×nh vu«ng tr¾ng bao quanh mét chÊm ®en (black dot). Do vËy, nÕu chÊm ®en cµng lín ¶nh sÏ cµng xÉm mµu. Mµu x¸m cã thÓ coi nh­ chÊm ®en chiÕm nöa vïng tr¾ng. Vïng tr¾ng lµ vïng gåm mét chïm c¸c c¸c pixel gåm rÊt Ýt hoÆc kh«ng cã chÊm ®en. Do sù c¶m nhËn cña m¾t ng­êi, sù thay ®æi c­êng ®é chÊm ®en trong c¸c phÇn tö ¶nh tr¾ng t¹o nªn m« pháng cña mét ¶nh liªn tôc. Nh­ vËy, m¾t ng­êi c¶m nhËn lµ mét ¶nh mµ mµu biÕn ®æi tõ ®en qua x¸m råi ®Õn tr¾ng. Tæng sè c­êng ®é duy nhÊt hiÖn diÖn sÏ x¸c ®Þnh c¸c kÝch th­íc kh¸c nhau cña chÊm ®en. Th­êng b¸o ¶nh t¹o ¶nh nöa c­êng ®é víi ®é ph©n gi¶i tõ 60 ®Õn 80 dpi, s¸ch cã thÓ in ®Õn 150 dpi. Tuy nhiªn, c¸c m¸y in cña m¸y tÝnh kh«ng cã kh¶ n¨ng s¾p xÕp c¸c chÊm ®en cña c¸c kÝch th­íc kh¸c nhau cña ¶nh. Do ®ã, ng­êi ta ph¶i dïng mét sè kü thuËt biÕn ®æi nh­ : ph©n ng­ìng, chän mÉu, dithering. Chóng ta lÇn l­ît xem xÐt d­íi ®©y. Ph©n ng­ìng (Thresholding) Kü thuËt nµy ®Æt ng­ìng ®Ó hiÓn thÞ c¸c t«ng mµu liªn tôc C¸c ®iÓm trong ¶nh ®­îc so s¸nh víi ng­ìng ®Þnh tr­íc. Gi¸ trÞ cña ng­ìng sÏ quyÕt ®Þnh ®iÓm cã ®­îc hiÓn thÞ hay kh«ng. Do vËy ¶nh kÕt qu¶ sÏ mÊt ®i mét sè chi tiÕt. Cã nhiÒu kü thuËt chän ng­ìng ¸p dông cho c¸c ®èi t­îng kh¸c nhau: - HiÓn thÞ 2 mµu: dïng cho ¶nh ®en tr¾ng cã 256 møc x¸m. B¶n chÊt cña ph­¬ng ph¸p nµy lµ chän ng­ìng dùa trªn l­îc ®å møc x¸m cña ¶nh; ®Ó ®¬n gi¶n cã thÓ lÊy ng­ìng víi gi¸ trÞ lµ 127. Vµ nh­ vËy: u(m,n) = 1 cho hiÖn (®en) nÕu u(m,n) < 127 0 (hay hiÖn tr¾ng) nÕu ng­îc l¹i Nh×n chung kü thuËt nµy khã chÊp nhËn v× ¶nh mÊt kh¸ nhiÒu chi tiÕt. - Kü thuËt hiÖn 4 mµu: ®Ó kh¾c phôc nh­îc ®iÓm cña c¸ch hiÖn 2 mµu, ng­êi ta qui ®Þnh c¸ch hiÖn 4 mµu nh­ sau: Mµu Mµn h×nh monochrome(®¬n s¾c) Mµn h×nh mµu 0 ®en ®en 1 x¸m ®Ëm ®á 2 x¸m nh¹t xanh 3 tr¾ng vµng Ta cã thÓ h×nh dung c¸ch ph©n ng­ìng 4 mµu theo s¬ ®å sau: Mµu 0 1 2 3 Møc x¸m 0 64 128 192 255 Dïng ng­ìng ngÉu nhiªn 4 mµu: theo ph­¬ng ph¸p nµy, ta chia kh«ng gian møc x¸m thµnh c¸c miÒn hiÓn thÞ vµ ®¸nh sè lµ 0, 1, 2 vµ 3. TiÕp sau, ®Þnh nghÜa c¸c miÒn mµ c¸c cÆp hiÓn thÞ (bËt, t¾t) t­¬ng øng víi: (0,1), (1,2) vµ (2,3). Kh¸c víi ng­ìng cè ®Þnh, ë ®©y ng­ìng ®­îc reo ngÉu nhiªn . Qu¸ tr×nh thùc hiÖn ®­îc m« t¶ trong thuËt to¸n : for each pixel I(x,y) do Begin if I(x,y) < 85 then Begin . Khëi t¹o 1 sè ngÉu nhiªn r trong kho¶ng [0,84] . if I(x,y) >r then mµu =1 else mµu =0 End else if I(x,y)<170 then Begin . Khëi t¹o 1 sè ngÉu nhiªn r trong kho¶ng [85,169] . if I(x,y) >r then mµu =1 else mµu =0 End Else Begin . Khëi t¹o mét sè ngÉu nhiªn r trong kho¶ng [170,255] . if I(x,y) >r then mµu =1 else mµu =0 End end Kü thuËt chän theo mÉu (patterning) Kü thuËt nµy sö dông mét nhãm c¸c phÇn tö trªn thiÕt bÞ ra (m¸y in ch¼ng h¹n) ®Ó biÓu diÔn mét pixel trªn ¶nh nguån. C¸c phÇn tö cña nhãm quyÕt ®Þnh ®é s¸ng tèi cña c¶ nhãm. C¸c phÇn tö nµy m« pháng c¸c chÊm ®en trong kü thuËt nöa c­êng ®é. Nhãm th­êng ®­îc chän cã d¹ng ma trËn vu«ng. Nhãm n x n phÇn tö sÏ t¹o nªn n2 + 1 møc s¸ng. Ma trËn mÉu th­êng ®­îc chän lµ ma trËn Rylander. Ma trËn Rylander cÊp 4 cã d¹ng: 0 8 2 10 4 12 6 14 3 11 1 9 7 15 5 13 ViÖc chän kÝch th­íc cña nhãm nh­ vËy sÏ lµm gi¶m ®i ®é mÞn cña ¶nh. V× vËy kü thuËt nµy chØ ¸p dông trong tr­êng hîp mµ ®é ph©n gi¶i cña thiÕt bÞ ra lín h¬n ®é ph©n gi¶i cña ¶nh nguån. ThÝ dô: thiÕt bÞ ra cã ®é ph©n gi¶i 640 x 480 khi sö dông nhãm cã kÝch th­íc 4 x 4 sÏ chØ cßn 160 x 120. Kü thuËt Dithering Kü thuËt Dithering ®­îc ¸p dông ®Ó t¹o ra ¶nh ®a cÊp s¸ng khi ®é ph©n gi¶i nguån vµ ®Ých lµ nh­ nhau. Kü thuËt nµy sö dông mét ma trËn mÉu gäi lµ ma trËn Dither. Ma trËn nµy gÇn gièng nh­ ma trËn Rylander. §Ó t¹o ¶nh, mçi phÇn tö cña ¶nh gèc sÏ ®­îc so s¸nh víi phÇn tö t­¬ng øng cña ma trËn Dither. NÕu lín h¬n, phÇn tö ë ®Çu ra sÏ s¸ng vµ ng­îc l¹i. Ma trËn Dither cÊp 2n sÏ ®­îc tÝnh nh­ sau: 0 8 2 10 12 4 14 6 3 11 1 9 15 7 13 5 8 7 8 15 6 7 15 13 7 5 13 12 15 13 12 12 a) ¶nh gèc b) ma trËn Dither - D4 c) ¶nh kÕt qu¶ H×nh 2.11. T¹o ¶nh theo ph­¬ng ph¸p Dithering D2n = 4Dn + D200Un 4Dn + D201Un víi D2 = 0 2 = D200 D201 4Dn + D210 4Dn + D211Un 3 1 D210 D211 Dn lµ ma trËn Dither cÊp n ;Un lµ ma trËn cÊp n (c¸c phÇn tö ®Òu lµ 1) d¹ng:
ThÝ dô, víi D2 nh­ trªn, ta tÝnh D4 nh­ sau: D4 =
vµ D4 =
Mét c¸ch t­¬ng tù, ta tÝnh ®­îc D16. Víi D16, ta thÊy tÊt c¶ c¸c gi¸ trÞ tõ 0 ®Õn 255 ®Òu cã mÆt. Kh¸c víi ph­¬ng ph¸p ng­ìng ngÉu nhiªn chØ dùa vµo mét ng­ìng biÕn
Ma trËn Dither cÊp 16 - D16 thiªn, ë ®©y ng­ìng ®­îc x¸c ®Þnh mét c¸ch râ rµng. C¸ch dïng ma trËn ng­ìng cã thÓ h×nh dung nh­ sau: Gi¶ sö I(x,y) lµ mét ®iÓm ¶nh. §Æt x0 = x mod 16 vµ y0 = y mod 16 th× x0,y0 sÏ chØ nhËn mét trong c¸c gi¸ trÞ tõ 0 ®Õn 15. Nh­ vËy, nã sÏ x¸c ®Þnh mét phÇn tö cña D16. Gäi S = D16(x0,y0). S sÏ cã gi¸ trÞ trong kho¶ng tõ 0 ®Õn 255 vµ cã thÓ dïng lµm ng­ìng ®Ó hiÖn ¶nh. H¬n n÷a, nÕu chØ dÞch chuyÓn theo mét chiÒu (x ch¼ng h¹n), ta thÊy r»ng c¶ 16 ®iÓm ¶nh sÏ r¬i vµo ng­ìng S thu ®­îc tõ 16 ®iÓm tr­íc. Do vËy, ta cã mét c¸ch thøc chuÈn ®Ó bËt hay t¾t c¸c ®iÓm ¶nh víi tr¹ng th¸i l­íi. §Ó sö dông ®­îc 4 mµu, ta còng sö dông theo kü thuËt ng­ìng 4 mµu nh­ng chØ cÇn 3 vïng, mçi vïng 85 møc. ë ®©y cÇn cã sù lùa chän gi÷a D16 vµ D8. NÕu chän D16 th× sÏ thõa, nªn ta chän D8 víi chuÈn ho¸ theo c¸ch thøc chØ dïng 63 møc gi¸ trÞ. vïng 1 p =
vïng 2 p =
vïng 3 p =
ThuËt to¸n ph©n ng­ìng dïng ma trËn ng­ìng ®­îc m« t¶ nh­ sau: for each I[i,j] do if I[i,j] < 84 then { vïng 1} Begin I[i,j] := I[i,j] * 3/4 x0 := (i mod 8) +1; y0 := (j mod 8)+1; nguong := D[x0,y0]; If I[i,j] < nguong then Hien(j+x+1, i+y+1,0) Else Hien(j+x+1, i+y+1,1) end Else If I[i,j] < 169 then {vïng 2} Begin I[i,j] := (I[i,j] * 3-85)/4 x0 := (i mod 8) +1; y0 := (j mod 8)+1; nguong := D[x0,y0]; If I[i,j] < nguong then Hien(j+x+1, i+y+1,1) Else Hien(j+x+1, i+y+1,2) end Else {vïng 3} Begin I(i,j) := (I[i,j] * 3-170)/4 x0 := (i mod 8) +1; y0 := (j mod 8)+1; nguong := D[x0,y0]; If I[i,j] < nguong then Hien(j+x+1, i+y+1,2) Else Hien(j+x+1, i+y+1,3) end End Bµi tËp ch­¬ng 2 1. ViÕt thñ tôc hiÖn ¶nh theo kü thuËt 4 mµu víi ng­ìng ngÉu nhiªn. 2. Víi ma trËn Dither cÊp 4 - D4 ®· cho trong gi¸o tr×nh, h·y viÕt ch­¬ng tr×nh tÝnh ma trËn D8 vµ D16. 3. Víi ma trËn D8 võa tÝnh ®­îc, h·y ¸p dông kü thuËt Dithering ®Ó biÕn ®æi ¶nh ra vµ so s¸nh kÕt qu¶. ¶nh vµo cã thÓ tù t¹o hay sö dông ¶nh ®· t¹o ra ë ch­¬ng 1. 4. ViÕt thñ tôc thÓ hiÖn chøc n¨ng in ¶nh tõ mµn h×nh ra m¸y in: a) ®äc mét ¶nh PCX hay BMP vµ hiÖn lªn mµn h×nh b) dïng kü thuËt Dither ®Ó in ¶nh . 5. ViÕt thñ tôc ®äc mét ¶nh PCX (gi¶i nÐn) vµ l­u vµo b¶ng 2 chiÒu. 6. ViÕt thñ tôc l­u ¶nh sè biÓu diÔn bëi b¶ng lªn tÖp PCX. 7. X©y dùng gi¶i thuËt chuyÓn ®æi ®Þnh d¹ng PCX sang BMP vµ ng­îc l¹i. 8. §äc vµ hiÖn ¶nh víi ®Þnh d¹ng TIFF. 9. §äc vµ hiÖn ¶nh víi ®Þnh d¹ng GIF.