Ứng dụng xử lý ảnh đếm các đối tượng có ảnh chạm nhau

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Trang phụ bìa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

NGUYỄN THỊ THANH XUÂN

ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH

ĐẾM CÁC ĐỐI TƯỢNG CÓ ẢNH CHẠM NHAU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên năm 2020

i

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Thị Thanh Xuân

Sinh ngày: 10/10/1977

Học viên lớp cao học CHK17A - Trường Đại học Công nghệ Thông tin và

Truyền thông - Đại học Thái Nguyên.

Hiện đang công tác tại: Trường THPT Đồng Hỷ - tỉnh Thái Nguyên.

Xin cam đoan: Đề tài “Ứng dụng xử lý ảnh đếm các đối tượng có ảnh chạm

nhau” do TS. Phạm Đức Long hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi.

Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.

Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội

dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu sai tôi hoàn toàn

chịu trách nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật.

Thái Nguyên, ngày 01 tháng 10 năm 2020

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Thanh Xuân

ii

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, được sự động viên,

giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo hướng dẫn TS. Phạm Đức Long, luận

văn với Đề tài “Ứng dụng xử lý ảnh đếm các đối tượng có ảnh chạm nhau”.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Thầy giáo hướng dẫn TS. Phạm Đức Long đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tôi

hoàn thành luận văn này.

Phòng đào tạo Sau đại học Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền

thông đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn.

Trường THPT Đồng Hỷ - tỉnh Thái Nguyên nơi tôi công tác đã tạo điều kiện

tối đa cho tôi thực hiện khóa học này.

Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên,

khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, thực hiện và hoàn

thành luận văn này.

Thái Nguyên, ngày 01 tháng 10 năm 2020

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Thanh Xuân

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... i

LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... ii

MỤC LỤC............................................................................................................... iii

DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................... iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................................v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................... vi

ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................Error! Bookmark not defined.

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐẾM ĐỐI TƯỢNG VÀ NHU CẦU ĐẾM BẰNG

XỬ LÝ ẢNH ............................................................................................................2

1.1. Đếm đối tượng trong thực tế ..............................................................................2

1.1.1 Đếm thủ công bằng mắt ...................................................................................2

1.1.2 Đếm qua thiết bị sensor....................................................................................3

1.1.3 Đếm qua ảnh ....................................................................................................4

1.2 Đặc điểm đếm đối tượng qua ảnh .......................................................................5

1.2.1 Ảnh số ..............................................................................................................5

1.2.2. Những thuận lợi khi áp dụng đếm bằng xử lý ảnh..........................................8

1.2.3 Khó khăn khi đếm đối tượng qua ảnh..............................................................8

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1......................................................................................10

CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẾM BẰNG XỬ LÝ ẢNH ...................11

2.1 Đếm các đối tượng tách rời...............................................................................11

2.1.1 Thuật toán kinh điểm đếm các đối tượng tách rời nhau.................................11

2.1.2 Đếm sai khi có các đối tượng chạm nhau ......................................................12

2.2 Đếm đối tượng có ảnh dính nhau dùng hình thái học kinh điển.......................14

2.2.1 Hình thái học kinh điển..................................................................................14

2.2.2 Hạn chế khi đếm các đối tượng dính nhau.....................................................16

2.3 Phối hợp Biến đổi Watershed và biến đổi khoảng cách....................................17

2.3.1 Biến đổi khoảng cách (DT - Distance Transform).........................................17

iv

2.3.2 Phân vùng Watershed (WS-Watershed Segmentation) .................................19

2.3.3 Phối hợp biến đổi Watershed và biến đổi khoảng cách .................................27

2.4 Sử dụng mạng nơ ron ........................................................................................31

2.5 Đếm đối tượng có ảnh dính nhau dùng hình thái học định hướng....................35

2.5.1 Khảo sát Hình thái học gradients kinh điển ...................................................35

2.5.2 Hình thái học có định hướng.........................................................................37

2.6 Xây dựng thuật toán đếm đối tượng có ảnh dính nhau dùng hình thái học định

hướng.......................................................................................................................41

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2......................................................................................42

CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH ĐẾM CÂY THÉP QUA ẢNH ĐẦU

BÓ...........................................................................................................................43

3.1 Cơ sở chọn thuật toán và nhu cầu thực tế .........................................................43

3.2 Đếm cây thép qua ảnh đầu bó ...........................................................................51

3.3 Kết quả thực nghiệm .........................................................................................52

3.4 Nhận xét và đánh giá, so sánh...........................................................................55

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3........................................................................................56

KẾT LUẬN.............................................................................................................56

HƯỚNG PHÁT TRIỂN..........................................................................................57

TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................58

PHỤ LỤC.................................................................................................................. I

v

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Một số ví dụ biến đổi khoảng cách..........................................................18

Bảng 3.1 Quy cách thép cây cường lực (thép cây có vằn)......................................45

Bảng 3.2 Quy cách thép tròn trơn ...........................................................................46

Bảng 3.3 Độ chính xác kết quả đếm qua ảnh đầu bó thép (%)...............................55

iv

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Đếm sơ khai và trừu tượng với con số.......................................................2

Hình 1.2 Đếm thủ công đầu bó thép dùng sơn và mắt thường .................................2

Hình 1.3 Đếm bằng sensor........................................................................................3

Hình 1.4 Đếm quả để ước tính sản lượng .................................................................4

Hình 1.5 Đếm hồng cầu qua kính hiển vi .................................................................4

Hình 1.6 Đếm ô tô trên đường cao tốc......................................................................4

Hình 1.7 Nguyên lý máy ảnh số................................................................................5

Hình 1.8 Nguyên lý sensor CCD. Trong hình là 3 vi điểm ảnh................................6

Hình 1.9 Sensor CCD và sensor CMOS ...................................................................6

Hình 1.10 Sensor CMOS hiện tại..............................................................................7

Hình 1.11 Ảnh thiếu sáng chất lượng kém, bị mất không tin ...................................9

Hình 1.12 Ảnh hồng cầu bị chạm, chồng lên nhau..................................................9

Hình 1.13 Ảnh nhiễu và không nhiễu .......................................................................9

Hình 2.1 Tạo các điểm ảnh biên cho ảnh I..............................................................11

Hình 2.2 Minh họa phương pháp đếm kinh điển ....................................................12

Hình 2.3 a) ảnh nguyên bản b) ảnh nhị phân .......................................................13

Hình 2.4 Thực hiện phép co và phép dãn nở ảnh nhị phân.....................................13

Hình 2.5 a) Ảnh nguyên bản b) Sau khi dùng phép co c) Sau khi dùng phép dãn nở.

...............................................................................................................14

Hình 2.6 Ảnh nhị phân nguyên bản và sau khi thực hiện các phép hình thái học 15

Hình 2.7 Hình thái học trên ảnh xám......................................................................16

Hình 2.8 Thực hiện hình thái học trên ảnh xám......................................................16

Hình 2.9 Dùng phép co để tách các đối tượng........................................................17

Hình 2.10 Do phép co chưa đủ số lần thực hiện .....................................................17

Hình 2.11 Tác dụng của ba kiểu biến đổi khoảng cách .........................................19

Hình 2.12 Nguyên lý biến đổi lưu vực sông (watershed transform) nơi các giá trị

cường độ xác định đồi và lưu vực. Đối với mục đích phân vùng, các lưu

vực có thể bị ngập để kết hợp các vùng tương ứng...............................19

v