Tài liệu Nghiên cứu kỹ thuật xử lý nhiễu, hiệu chỉnh ảnh nhị phân và ứng dụng cho phiếu thi trắc nghiệm

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.