Bài giảng Đa phương tiện và các ứng dụng giải trí - Chương III: Ảnh - Lê Tấn Hùng

(MULTIMEDIA AND GAMES) 
IT4440 
Đa phương tiện 
và các ứng dụng giải trí 
Nội dung môn học 
Tuần Chủ đề Số tiết 
1 Giới thiệu về môn học 
1 – 5 Phần I. Tổng quan về thông tin đa phương tiện và các kỹ thuật xử lý 15 
1 Chương I: Nhập môn Multimedia 1 
1 Chương II: Một số kiến thức cơ bản 1 
2 Chương III: Ảnh 4 
3 Chương IV: Màu 3 
4 Chương V: Video 3 
5 Chương VI: Audio 3 
6 – Phần II. Một số ứng dụng đa phương tiện 
Chương V: Multimedia- ứng dụng và giải trí 
Chương VI: Ứng dụng web 
Chương VII: Ứng dụng mobile 
Chương VIII: Ứng dụng 3D 
Chương IX: Ứng dụng Game 
Bảo vệ Bài tập lớn, Tổng kết ôn tập 
Nội dung môn học 
Tuần Chủ đề Số tiết 
1 Giới thiệu về môn học 
1 – 5 Phần I. Tổng quan về thông tin đa phương tiện và các kỹ thuật xử lý 15 
1 Chương I: Nhập môn Multimedia 1 
1 Chương II: Một số kiến thức cơ bản 1 
2 Chương III: Ảnh 4 
3 Chương IV: Màu 3 
4 Chương V: Video 3 
5 Chương VI: Audio 3 
6 – Phần II. Một số ứng dụng đa phương tiện 
Chương V: Multimedia- ứng dụng và giải trí 
Chương VI: Ứng dụng web 
Chương VII: Ứng dụng mobile 
Chương VIII: Ứng dụng 3D 
Chương IX: Ứng dụng Game 
Bảo vệ Bài tập lớn, Tổng kết ôn tập 
Mục tiêu của chương 
Quá trình tạo ảnh 
Biểu diễn và lưu trữ ảnh 
Nén ảnh 
Một số kỹ thuật xử lý ảnh cơ bản 
Một số công cụ xử lý ảnh 
Tổng kết chương 
Tài liệu tham khảo 
Chương III: Ảnh 
Người học sẽ: 
Được trang bị kiến thức về quá trình tạo ảnh, 
biểu diễn, nén và lưu trữ ảnh 
Được giới thiệu một số kỹ thuật xử lý ảnh cơ 
bản, một số công cụ xử lý 
Sau khi kết thúc chương, người học : 
Nắm được kiến thức cơ bản của tạo ảnh, biểu 
diễn, lưu trữ ảnh 
Biết vận dụng một số kỹ thuật, công cụ xử lý 
ảnh để thực hành xử lý một số ảnh cụ thể 
III.1 Mục tiêu của chương 
III.2 Quá trình tạo ảnh 
Ảnh (Bimmaped 
Image) được tạo 
ra như thế nào ? 
III.2 Quá trình tạo ảnh 
III.2 Quá trình tạo ảnh 
Ống kính và điểm nhìn xác định phối cảnh 
Độ mở ống kính và tốc độ đóng quyết định độ sáng 
ảnh 
Độ mở và các hiệu ứng khác quyết định độ sâu ảnh 
Film hay cảm biến cho phép lưu ảnh 
III.2 Quá trình tạo ảnh 
Bộ cảm biến, film sẽ « cảm» ánh sáng từ mọi phía 
III.2 Quá trình tạo ảnh 
Pinhole Camera model: ánh sáng đi qua một lỗ nhỏ 
World Camera Digitizer Digital image 
Source : Tal Hassner. Computer Vision. Weizmann Institute of Science (Israel). 
III.2 Quá trình tạo ảnh 
Quá trình tạo ảnh số (digital image) 
III.2 Quá trình tạo ảnh 
 CCD: Charge Coupled Device (Thiết bị 
tích điện kép) 
 Tiếp nhận ánh sáng tới 
 Ánh sáng tới được chuyển thành các tín hiệu 
điện 
 Năng lượng của tín hiệu điện tỷ lệ thuận với 
lượng ánh sáng tới 
 Có các bộ lọc để tăng tính chọn lựa 
III.2 Quá trình tạo ảnh 
KAF-1600 - Kodak. 
Cảm biến quang CCD 
III.2 Quá trình tạo ảnh 
Tạo ảnh màu như thế nào ? 
III.2 Quá trình tạo ảnh 
Minh họa quá trình tạo ảnh RGB 
Mỗi điểm ảnh trên cảm biến được coi như một 
thùng chứa 
Các photon ánh sáng sẽ rơi vào các thùng chứa. 
Cường độ sáng tỷ lệ thuận với số photon ánh 
sang có trong thùng chứa 
III.2 Quá trình tạo ảnh 
Tại sao lại có 
hai Green, 
một Blue và 
một Red trong 
mô hình 
Bayer ? 
Cảm biến Bayer và Foveon 
III.2 Quá trình tạo ảnh 
Thực sự thì 
camera đã 
« nhìn » thấy 
gì ? 
III.2 Quá trình tạo ảnh 
III.2 Quá trình tạo ảnh 
Để tạo thành bức ảnh giống như ta nhìn 
thấy, cần phải thực hiện bước 
« Demosaicing » 
Đối với mô hình Bayer, kết hợp 4 phần 
tử liền kề để tạo thành một điểm ảnh có 
giá trị RGB 
III.3 Ảnh số: Biểu diễn 
Các giá trị điện thế mà ta thu được 
tương ứng với đáp ứng của bộ cảm biến 
quang đối với môi trường quan sát 
Các giá trị này (Voltage) là các giá trị liên 
tục (Analog) 
Các giá trị này sẽ được số hóa để cho ta 
mảng các điểm, mỗi điểm có 3 giá trị (R, 
G, B) => Ảnh số 
 Light → Electric charge → Number 
III.3 Ảnh số: Biểu diễn 
ảnh số được 
tạo ra như 
thế nào ? 
III.3 Ảnh số: Biểu diễn 
Digitization = Sampling + Quantization 
23 
Source : Gonzalez and Woods. Digital Image Processing. Prentice-Hall, 2002. 
III.3 Ảnh số: Biểu diễn 
Lấy mẫu và lượng tử hóa Cường 
độ sáng 
của 
đường 
quét 
ngang 
Ảnh 
gốc 
Lấy 
mẫu 
Lượng 
tử hóa 
 Lấy mẫu ảnh bị giới hạn bởi kích thước 
của cảm biến (kích thước của ma trận 
điểm ảnh trên cảm biến) 
 Lượng tử hóa bị hạn chế bởi số mức 
ánh sáng định nghĩa trong một giải nào 
đó 
Source : Gonzalez and Woods. Digital Image Processing. Prentice-Hall, 2002. 
III.3 Ảnh số: Biểu diễn 
Source : Gonzalez and Woods. Digital Image Processing. Prentice-Hall, 2002. 
Ảnh tương tự trên 
cảm biến 
Ảnh sau khi lấy mẫu 
và lượng tử hóa 
III.3 Ảnh số: Biểu diễn 
Ảnh được biểu diễn bởi một ma trận kích 
thước MxN, tương ứng với số điểm ảnh của 
bộ cảm biến quang 
Mỗi phần tử của ảnh sẽ có 1 đến 3 giá trị 
tùy thuộc vào ảnh mức xám (đen trắng) hay 
ảnh màu 
Các giá trị là một số nguyên nằm trong 
khoảng [Lmin, Lmax] 
Tổng số bít cần thiết để biểu diễn các mức 
xám trong khoảng L là K sao cho: L= 2K 
Tổng số bit cần để lưu trữ một ảnh là: 
MxNxK (bít) 
III.3 Ảnh số: Biểu diễn 
III.3 Ảnh số: Độ phân giải của ảnh 
Độ phân 
giải ảnh 
là gì ? 
 Độ phân giải trong không gian 
 Là phần tử nhỏ nhất nhìn thấy được (kích 
thước điểm ảnh) 
 Độ phân giải theo mức xám 
 Sự thay đổi màu sắc nhỏ nhất có thể quan 
sát đươc 
 Một ảnh có độ phân giải không gian M X 
N điểm ảnh có độ phân giải mức xám là 
K bits hay L mức xám 
III.3 Ảnh số: Độ phân giải của ảnh 
III.3 Ảnh số: Độ phân giải của ảnh 
Độ phân giải không gian 
Độ phân giải mức xám 
III.3 Ảnh số: Độ phân giải của ảnh 
Kích thước vật lý của một ảnh khi nó 
được hiển thị phụ thuộc vào mật độ điểm 
ảnh trên thiết bị hiển thị (dpi = dots per 
inch) 
III.3 Ảnh số: Độ phân giải của ảnh 
III.3 Ảnh số: Độ phân giải của ảnh 
 Hầu hết các định dạng file ảnh để lưu độ phân giải ảnh cùng 
với giá trị các điểm ảnh, thường là độ phân giải của thiết bị 
thu nhận (camera) 
III.3 Ảnh số: Độ phân giải của ảnh 
III.3 Ảnh số: Lưu trữ 
64 60 69 100 149 151 176 182 179 
65 62 68 97 145 148 175 183 181 
65 66 70 95 142 146 176 185 184 
66 66 68 90 135 140 172 184 184 
66 64 64 84 129 134 168 181 182 
59 63 62 88 130 128 166 185 180 
60 62 60 85 127 125 163 183 178 
62 62 58 81 122 120 160 181 176 
63 64 58 78 118 117 159 180 176 
Mức xám - 8 bits: 
 0 - đen 
 255 - trắng 
 210 209 204 202 197 247 143 71 64 80 84 54 54 57 58 
206 196 203 197 195 210 207 56 63 58 53 53 61 62 51 
201 207 192 201 198 213 156 69 65 57 55 52 53 60 50 
216 206 211 193 202 207 208 57 69 60 55 77 49 62 61 
221 206 211 194 196 197 220 56 63 60 55 46 97 58 106 
209 214 224 199 194 193 204 173 64 60 59 51 62 56 48 
204 212 213 208 191 190 191 214 60 62 66 76 51 49 55 
214 215 215 207 208 180 172 188 69 72 55 49 56 52 56 
209 205 214 205 204 196 187 196 86 62 66 87 57 60 48 
208 209 205 203 202 186 174 185 149 71 63 55 55 45 56 
207 210 211 199 217 194 183 177 209 90 62 64 52 93 52 
208 205 209 209 197 194 183 187 187 239 58 68 61 51 56 
204 206 203 209 195 203 188 185 183 221 75 61 58 60 60 
200 203 199 236 188 197 183 190 183 196 122 63 58 64 66 
205 210 202 203 199 197 196 181 173 186 105 62 57 64 63 
 x = 
 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 
41 
42 
43 
44 
45 
46 
47 
48 
49 
50 
51 
52 
53 
54 
55 
y = 
III.3 Ảnh số: Lưu trữ 
III.3 Ảnh số: Biểu diễn và lưu trữ 
Ảnh là một tín hiệu 2D (x, y) 
Về mặt toán học: Ảnh là một ma trận 
biểu diễn tín hiệu 
Đối với người dùng: Ảnh chứa các thông 
tin ngữ nghĩa (khung cảnh đường phố) 
Phân loại ảnh 
 Ảnh tự nhiên – thu nhận từ các thiết bị 
 camera, microscope, tomography, infrared, 
satellite,  
 Ảnh nhân tạo – 
 Đồ họa máy tính (computer graphics), thực tại 
ảo (virtual reality) 
Ảnh tự nhiên ảnh nhân tạo Ảnh nhân tạo 
Ảnh mức xám I(x,y) in [0..255] 
Ảnh nhị phân I(x,y) in {0 , 1} 
Ảnh màu 
 IR(x,y) IG(x,y) IB(x,y) 
Source : Tal Hassner. Computer Vision. Weizmann Institute of Science (Israel). 
Phân loại ảnh 
Ảnh màu trong hệ tọa độ RGB 
Bên cạnh hệ tọa độ 
màu RGB ta còn có 
các hệ tọa độ màu 
khác 
Source : Tal Hassner. Computer Vision. Weizmann Institute of Science (Israel). 
III.4 Nén ảnh (image compression) 
Tại sao 
cần phải 
nén ? 
Tại sao 
ta 
 có thể 
nén ảnh 
? 
Các phương 
pháp thường 
dùng để nén 
ảnh ? 
Tại sao cần phải nén ? 
Lượng dữ liệu ngày càng lớn 
Các yêu cầu về lưu trữ và truyền thông 
 DVD 
 Video conference 
 Printer 
Tốc độ truyền dữ liệu cinema không 
nén:1Gbps 
III.4 Nén ảnh (image compression) 
Tại sao ta có thể nén ảnh ? 
Sự dư thừa thông tin theo không gian, thời 
gian, tần số 
Các pixel lân cận không độc lập nhưng 
tương quan lẫn nhau 
III.4 Nén ảnh (image compression) 
III.4 Nén ảnh (image compression) 
Dư thừa thông tin trong không gian (Spatial Redundancy) 
III.4 Nén ảnh (image compression) 
Dư thừa thông tin theo cường độ sáng 
I2 
I1 
Theo định luật Weber: sai khác DI = I1 – I2, chỉ 
có thể phân biệt được khi DI/I1 đủ lớn 
The high (bright) values need a less accurate 
representation compared to the low (dark) 
values 
Weber’s law holds for all human senses! 
III.4 Nén ảnh (image compression) 
Dư thừa thông tin theo tần số 
Hệ thống thị giác của con người cũng giống 
như một bộ lọc: Các thành phần tần số quá cao 
sẽ bị bỏ qua 
Nguyên lý nén ảnh là gì ? Chỉ dữ lại 
thông tin 
III.4 Nén ảnh (image compression) 
REDUNDANTDATA 
INFORMATION 
DATA = INFORMATION + REDUNDANT DATA 
Nguyên lý nén ảnh là gì ? Chỉ dữ lại 
thông tin 
Vậy làm thế nào để phát hiện ra sự dư 
thừa thông tin phục vụ trong các giải 
thuật nén ảnh 
III.4 Nén ảnh (image compression) 
Mô hình chung của nén ảnh trong các hệ 
thống truyền và lưu trữ dữ liệu 
III.4 Nén ảnh (image compression) 
Coder: (en)coder + decoder = codec 
Source encoder: removes redundancy 
Channel encoder: adds redundancy 
A/D, D/A, en/decryption optional 
Only deal with the source coder 
Bộ mã hóa nguồn tin 
 Coded 
bit-string 
 Coded 
bit-string 
Transformation 
Input 
Info. 
Reconstructed 
 Information 
Codeword 
 decoder 
 Inverse 
transformation 
Codeword 
assignment 
Quantization 
 Transformation: new representation of data 
Differential coding, transform coding (MM2) 
 Quantization: In-reversible process => lossy 
coding 
 Codeword assignment (entropy coding): Info. 
Theory: Huffman, run length, arithmetic, dictionary coding 
After transformation and quantization 
=> source symbols: s1, s2, s3,, sn 
The symbols need to be represented 
by bits 
Remove the redundancy in the 
symbols (lossless) 
Methods: Run length, Huffman, 
arithmetic, modifications, dictionary 
(LZW: zip, gif, tiff, pdf,..) 
Quick introduction to run length and 
 Huffman coding 
Codeword assignment 
Input: 7,7,7,7,7,13,90,9,9,9,2,1,1,0,5,= 15 
Byte 
RLE: 5,7,13,90,3,9,2,2,1,0,5,= 11 Byte 
How to distinguish between values and 
counts? 
One value of a byte to indicate a count, e.g. 
0 or 255, e.g. 255: 
255,5,7,13,90,255,3,9,2,255,2,1,0,5,= 14 
Byte 
One bit to indicate count [1] and value [0] 
for 8 values => 
[10001001],5,7,13,90,3,9,2,2,[000]1,0,5.. 
~ 12,5 Byte 
Run length coding 
Arrange symbols: p(s2) > p(s5) >  > 
p(s3) 
li = length in bits of the i’th symbol si 
Key idea: use fewer bits to code the 
most likely symbols: l2 < l5 <  < l3 
Huffman coding 
Huffman coding 
Algorithm: 
Arrange symbols 
Loop: 
 Combine the two symbols with lowest probabilities into a new 
symbol 
 Assign one bit and update probabilities 
 Re-arrange symbols 
Codewords: back trace 
S1 ( 0.30 ) 
S6 ( 0.25 ) 
S3 ( 0.20 ) 
S2 ( 0.10 ) 
S5 ( 0.10 ) 
S4 ( 0.05 ) 
S1 ( 0.30 ) 
S6 ( 0.25 ) 
S3 ( 0.20 ) 
S5,4 ( 0.15 ) 
S2 ( 0.10 ) 
S1 ( 0.30 ) 
S6 ( 0.25 ) 
S5,4,2 ( 0.25 ) 
S3 ( 0.20 ) 
S5,4,2,3 ( 0.45 ) 
S1 ( 0.30 ) 
S6 ( 0.25 ) 
S1,6 ( 0.55 ) 
S5,4,2,3 ( 0.45 ) 
S ( 1.0 ) 
0 
0 
0 
0 
0 
1 
1 
1 
1 
1 
"Joint Photographic Expert Group". 
Voted as international standard in 1992. 
Works with color and grayscale images, 
e.g., satellite, medical, ... 
Lossy and lossless 
III.4 Nén ảnh: JPEG 
1987: ITU + ISO => international standard 
for still image compression, due to grows 
in the PC market: JPEG = Joint 
Photographic Expert Group 
Goal: non-binary images keeping a good 
to excellent image quality 
First standard in 1992 
JPEG is NOT an algorithm but rather a 
framework with several algorithms and 
user-settings 
III.4 Nén ảnh: JPEG 
First generation JPEG uses DCT + Run 
length Huffman entropy coding. 
Second generation JPEG (JPEG2000) 
uses wavelet transform + Bit plane 
coding + Arithmetic entropy coding. 
III.4 Nén ảnh : JPEG 
Các thông tin tần số cao có thể bị loại bỏ mà không làm 
mất mát thông tin quan sát vì mắt người không cảm nhận 
được những hiệu ứng do các thành phần tần số cao 
mang lại một cách chính xác 
Ảnh được chuyển sang miền tần số sử dụng phép biến 
đổi Cosin rời rạc - Discrete Cosine Transform (DCT). 
Phép biến đổi DCT thường được áp dụng cho các khối 
pixel kích thước 8 × 8. 
Việc áp dụng DCT không làm giảm kích thước của dữ 
liệu, vì số các hệ số của DCT cũng bằng tổng số pixel của 
khối (64). 
Tuy nhiên, các hệ số của DCT được lượng tử hóa, vì thế 
số bit cần thiết để biểu diễn các hệ số DCT sẽ giảm đi. 
Việc lượng tử hỏa sẽ làm biến mất một số thông tin. 
III.4 Nén ảnh: JPEG 
 DCT is similar to DFT, but can provide a 
better approximation with fewer coefficients 
 The coefficients of DCT are real valued 
instead of complex valued in DFT. 
III.4 Nén ảnh: JPEG 
Tại sao là 
DCT mà 
không phải là 
DFT ? 
III.4 Nén ảnh: JPEG 
• Each 8x8 block 
can be looked at 
as a weighted 
sum of these 
basis functions. 
• The process of 
2D DCT is also 
the process of 
finding those 
weights. 
The 64 (8 X 8) DCT Basis Functions 
Zig-zag Scan DCT Blocks 
 Why? -- To group low frequency coefficients 
in top of vector. 
Maps 8 x 8 to a 1 x 64 vector. 
Ảnh gốc 
Ảnh JPEG 27:1 
JPEG2000 27:1 
Original image 
512 x 512 x 8 bits 
 = 2,097,152 bits 
JPEG 
27:1 reduction 
=77,673 bits 
Ví dụ về nén JPEG 
Bài tập 
Why is it possible to 
compress images? 
Explain the JPEG 
framework 
What is the 
compression factor of 
this luminance DCT-
block? 
130 5 4 -34 11 -17 14 10 
2 47 6 1 -8 14 21 22 
-19 1 -2 -3 6 3 -1 -21 
-3 5 -1 5 -1 -2 17 11 
7 -9 2 10 9 1 -4 9 
2 4 -6 -11 12 -7 40 -17 
-1 -12 -3 1 9 14 57 34 
22 5 4 -2 33 -21 14 -27 
GIF 
PNG 
JPEG 
TiFF 
BMP 
Các định dạng file ảnh 
là một định dạng tập tin hình ảnh bitmap cho các 
hình ảnh dùng ít hơn 256 màu sắc khác nhau và 
các hoạt hình dùng ít hơn 256 màu cho mỗi 
khung hình. 
GIF là định dạng nén dữ liệu đặc biệt hữu ích 
cho việc truyền hình ảnh qua đường truyền lưu 
lượng nhỏ. 
Định dạng này được CompuServe cho ra đời 
vào năm 1987 và nhanh chóng được dùng rộng 
rãi trên World Wide Web cho đến nay. 
Graphics Interchange Format - GIF 
Là một dạng hình ảnh sử dụng phương pháp 
nén dữ liệu mới - không làm mất đi dữ liệu gốc. 
PNG được tạ ... 
BMP 
BẢNG TỔNG KẾT CÁC ĐỊNH DẠNG FILE 
Color data mode - Bits per pixel 
TIF 
RGB - 24 or 48 bits, 
Grayscale - 8 or 16 bits, 
Indexed color - 1 to 8 bits, 
Line Art (bilevel)- 1 bitFor TIF files, most programs allow either no compression or LZW 
compression (lossless, but is less effective for 24 bit color images). Adobe Photoshop also 
provides JPG or ZIP compression too (but which greatly reduces third party compatibility of 
TIF files). "Document programs" allow ITCC G3 or G4 compression for 1 bit text (Fax is G3 
or G4 TIF files), which is lossless and tremendously effective (small). 
PNG 
RGB - 24 or 48 bits, 
Grayscale - 8 or 16 bits, 
Indexed color - 1 to 8 bits, 
Line Art (bilevel) - 1 bitPNG uses ZIP compression which is lossless, and slightly more 
effective than LZW (slightly smaller files). PNG is a newer format, designed to be both 
verstile and royalty free, back when the LZW patent was disputed. 
JPG 
RGB - 24 bits, 
Grayscale - 8 bitsJPEG always uses lossy JPG compression, but its degree is selectable, 
for higher quality and larger files, or lower quality and smaller files. 
GIF 
Indexed color - 1 to 8 bitsGIF uses lossless LZW compression, effective on indexed color. 
GIF files contain no dpi information for printing purposes. 
File format and purpose 
Photographic Images 
Graphics, including 
Logos or Line art 
Properties 
Photos are continuous tones, 24 
bit color or 8 bit Gray, no text, 
few lines and edges 
Graphics are often solid colors, 
up to 256 colors, with text or 
lines and sharp edges 
For Unquestionable Best 
Quality 
TIF or PNG (lossless 
compression 
and no JPG artifacts) 
PNG or TIF (lossless 
compression, 
and no JPG artifacts) 
Smallest File Size 
JPG with a higher Quality factor 
can be decent. 
TIF LZW or GIF or 
PNG (graphics/logos without 
gradients normally permit 
indexed color of 2 to 16 colors 
for smallest file size) 
Maximum Compatibility 
(PC, Mac, Unix) 
TIF or JPG TIF or GIF 
Worst Choice 
256 color GIF is very limited 
color, and is a larger file than 24 
bit JPG 
JPG compression adds 
artifacts, smears text and lines 
and edges 
III.5 Một số kỹ thuật xử lý ảnh cơ bản 
Thế nào 
là xử lý 
ảnh ? 
Xử lý 
Ảnh đầu 
ra 
Ảnh đầu 
vào 
Các phép xử lý cơ bản 
Các bộ lọc tuyến tính 
Blurring 
Sharpening 
Edge detection 
Wiener denoising 
Các bộ lọc phi tuyến 
Median filter 
Bilateral filter 
Cross-bilateral filter 
III.5 Một số kỹ thuật xử lý ảnh cơ bản 
Lược đồ ảnh 
 Lược đồ ảnh là phân bố các giá trị mức 
xám (màu ) của một ảnh 
 H(k) = tổng số pixel trong ảnh có giá trị 
k 
Number 
of pixels 
Gray level 
PI(k) 
k 
PI(k) 
k 
1 
1 
0.5 
PI(k) 
k 
0.1 
Image dynamic range = [min_value, 
max_value] 
Source : Tal Hassner. Computer Vision. Weizmann Institute of Science 
(Israel). 
Lược đồ ảnh 
 Luminance của một ảnh được định nghĩa là 
giá trị trung bình của tất cả các mức xám 
trong ảnh 
 Trong ảnh dưới đây, chỉ có luminance thay 
đổi 
Source : Eric Favier. L'analyse et le traitement des images. ENISE. 
Luminance (độ sáng) 
 The contrast can be defined in many 
different ways : 
 Standard deviation of the gray levels 
 Variation between the min and max gray 
level 
Contrast (độ tương phản) 
Hai ảnh dưới đây khác nhau về độ tương phản 
Contrast (độ tương phản) 
Source : Gonzalez and Woods. Digital Image Processing. Prentice-Hall, 2002. 
Ví dụ về độ tương phản của ảnh 
 Có nhiều phương pháp 
 Chuyển đổi tuyến tính 
 Piecewise linear transform 
 Non-linear transform 
 Histogram equalization 
Source : Caroline Rougier. Traitement d'images (IFT2730). Univ. de Montréal. 
Tăng cường độ tương phản ảnh 
I’ 
I min max 
255 
0 
I(i,j) 
I’(i,j) 
  1 , 0 
min max 
min) ) , ( ( min) ) , ( ( 
min max 
255 ) , ( ' 
 j i I with j i I i i I 
Source : Caroline Rougier. Traitement d'images (IFT2730). Univ. de Montréal. 
Biến đổi tuyến tính 
255 
255 
min max 
255 
255 
% 
0 255 
min max 
0 255 
Source : Caroline Rougier. Traitement d'images (IFT2730). Univ. de Montréal. 
Biến đổi tuyến tính 
0 50 100 150 200 250
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0 50 100 150 200 250
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Source image More contrasted image 
Source : Tal Hassner. Computer Vision. Weizmann Institute of Science (Israel). 
Cân bằng lược đồ xám 
Histogram equalization can improve the image contrast where 
histogram dynamic correction is of no use 
Cân bằng lược đồ xám 
If we take the same image with different contrasts, histogram equalization will 
give the same results for all images 
Source : Gonzalez and Woods. Digital Image Processing. Prentice-Hall, 2002. 
Cân bằng lược đồ xám 
Logical operators can be applied to images 
AND 
OR 
= 
= 
Source : Gonzalez and Woods. Digital Image Processing. Prentice-Hall, 2002. 
Một số toán tử logic (AND, OR) 
 If f and g are two images, the 
pixelwise addition R is defined 
as: 
R(x,y) = Min( f(x,y)+g(x,y) ; 255 ) 
 Image addition is used to 
 lower the noise in a serie of 
images 
 increase the luminance by 
adding the image to itself 
Source : Eric Favier. L'analyse et le traitement des images. ENISE. 
Cộng ảnh 
 The pixelwise 
substraction of 
two images f and 
g is: 
S(x,y) = Max( f(x,y)-
g(x,y) ; 0 ) 
 Image 
substraction is 
used to 
 detect defaults 
 detect motion in 
images 
Source : Eric Favier. L'analyse et le traitement des images. ENISE. 
Trừ ảnh 
 The multiplication S of an image f by a ratio (factor) is defined 
as: 
S(x,y) = Max( f(x,y)*ratio ; 255) 
 Image multiplication can be used to increase the contrast or 
the luminosity 
Source : Eric Favier. L'analyse et le traitement des images. ENISE. 
Nhân ảnh 
x1,5 = x1,2 = 
93 
0.5*F(x,y) + 0.5*G(x,y) 
F(x,y) 
G(x,y) 
F(x,y) - G(x,y) G(x,y) - F(x,y) 
Source : www.nte.montaigne.u-bordeaux.fr/SuppCours/5314/Dai/TraitImage01-02.ppt 
Một số phép toán trên các ảnh 
Các phép xử lý cơ bản 
Các bộ lọc tuyến tính 
Blurring 
Sharpening 
Edge detection 
Các bộ lọc phi tuyến 
Median filter 
Bilateral filter 
Cross-bilateral filter 
III.5 Một số kỹ thuật xử lý ảnh cơ bản 
Các bộ lọc làm mịn ảnh (Blurring) 
In general, for symmetry f(u,v) = f(u) f(v) 
You might want to have some fun with asymmetric 
filters 
We will use a Gaussian blur 
Blur width sigma depends on kernel size n 
(3,5,7,11,13,19) 
Spatial Frequency 
2
2
1
( ) exp ( / 2) / 2
22
u
f u floor n
 
Slide credit: Ravi Ramamoorthi 
Discrete Filtering, Normalization 
Gaussian is infinite 
In practice, finite filter of size n (much less energy beyond 2 
sigma or 3 sigma). 
Must renormalize so entries add up to 1 
Simple practical approach 
Take smallest values as 1 to scale others, round to integers 
Normalize. E.g. for n = 3, sigma = ½ 
2 2
2 2
2 2
1 2
( , ) exp exp 2
2 2
u v
f u v u v
   
0.012 0.09 0.012 1 7 1
1
0.09 0.64 0.09 7 54 7
86
0.012 0.09 0.012 1 7 1
Slide credit: Ravi Ramamoorthi 
Slide credit: Ravi Ramamoorthi 
Slide credit: Ravi Ramamoorthi 
Sharpening (làm sắc nét) 
original 
0 
2.0 
0 
0.33 
Sharpened 
original 
Slide credit: Bill Freeman 
Sharpening example 
co
ef
fi
ci
en
t 
-0.3 
original 
8 
Sharpened 
(differences are 
accentuated; constant 
areas are left untouched). 
11.2 
1.7 
-0.25 
8 
Slide credit: Bill Freeman 
Sharpening Filter 
Unlike blur, want to accentuate high frequencies 
Take differences with nearby pixels (rather than 
avg) 
1 2 1
1
( , ) 2 19 2
7
1 2 1
f x y
Sharpening 
before after 
Slide credit: Bill Freeman 
Edge Detection 
Edge Detection 
Edge Detection 
Complicated topic: subject of many PhD theses 
Here, we present one approach (Sobel edge 
detector) 
Step 1: Convolution with gradient (Sobel) filter 
Edges occur where image gradients are large 
Separately for horizontal and vertical directions 
Step 2: Magnitude of gradient 
Norm of horizontal and vertical gradients 
Step 3: Thresholding 
Threshold to detect edges 
Slide credit: Ravi Ramamoorthi 
Các phép xử lý cơ bản 
Các bộ lọc tuyến tính 
Blurring 
Sharpening 
Edge detection 
Các bộ lọc phi tuyến 
Median filter 
Bilateral filter 
Cross-bilateral filter 
III.5 Một số kỹ thuật xử lý ảnh cơ bản 
Median filter 
Replace each pixel by the median over N pixels (5 pixels, for these 
examples). Generalizes to “rank order” filters. 
5-pixel 
neighborhood 
In: Out: 
In: Out: 
Spike noise is 
removed 
Monotonic 
edges remain 
unchanged 
Median([1 7 1 5 1]) = 1 
Mean([1 7 1 5 1]) = 2.8 
Median filtering results 
Best for salt and pepper noise 
Panorama 
Image Blending 
Image Warping 
Image Morphing 
Một số thao tác với ảnh 
Panorama 
Image Blending 
Image Warping 
Image Morphing 
Một số thao tác với ảnh 
Introduction 
Are you getting the whole picture? 
Compact Camera Field of View (FOV) = 50 x 35° 
Introduction 
Are you getting the whole picture? 
Compact Camera FOV = 50 x 35° 
Human FOV = 200 x 135° 
Introduction 
Are you getting the whole picture? 
Compact Camera FOV = 50 x 35° 
Human FOV = 200 x 135° 
Panoramic Mosaic = 360 x 180° 
Why “Recognising Panoramas”? 
1D Rotations (q) 
Ordering matching images 
• 2D Rotations (q, f) 
– Ordering matching images 
Why “Recognising Panoramas”? 
1D Rotations (q) 
Ordering matching images 
• 2D Rotations (q, f) 
– Ordering matching images 
Mosaics: stitching images together 
virtual wide-angle camera Slide credit: F. Durand 
How to do it? 
Basic Procedure 
Take a sequence of images from the same position 
 Rotate the camera about its optical center 
Compute transformation between second image and 
first 
Transform the second image to overlap with the first 
Blend the two together to create a mosaic 
If there are more images, repeat 
but wait, why should this work at all? 
What about the 3D geometry of the scene? 
Why aren’t we using it? 
Slide credit: F. Durand 
Panorama 
Image Blending 
Image Warping 
Image Morphing 
Một số thao tác với ảnh 
Best blending examples 
Paul Gentry 
Best blending examples 
Marco 
Best blending examples 
Roger Xue 
Best blending examples 
Alfredo 
Best blending examples 
Merve 
Best blending examples 
Alex Rubinsteyn 
Một số thao tác với ảnh 
Blending image được thực hiện như 
thế nào 
Sinh viên về nhà tự tìm hiểu 
Panorama 
Image Blending 
Image Warping 
Image Morphing 
Một số thao tác với ảnh 
Morphing = Object Averaging 
The aim is to find “an average” between two objects 
Not an average of two images of objects 
but an image of the average object! 
How can we make a smooth transition in time? 
 Do a “weighted average” over time t 
How do we know what the average object looks 
like? 
We haven’t a clue! 
But we can often fake something reasonable 
 Usually required user/artist input 
Slide credit: Alyosha Efros 
Idea #1: Cross-Dissolve 
Interpolate whole images: 
 Imagehalfway = (1-t)*Image1 + t*image2 
This is called cross-dissolve in film industry 
But what is the images are not aligned? 
Slide credit: Alyosha Efros 
Idea #2: Align, then cross-disolve 
Align first, then cross-dissolve 
Alignment using global warp – picture still valid 
Slide credit: Alyosha Efros 
Panorama 
Image Blending 
Image Warping 
Image Morphing 
Một số thao tác với ảnh 
Dog Averaging 
What to do? 
Cross-dissolve doesn’t work 
Global alignment doesn’t work 
 Cannot be done with a global transformation (e.g. affine) 
Any ideas? 
Feature matching! 
Nose to nose, tail to tail, etc. 
This is a local (non-parametric) warp 
 Slide credit: Alyosha Efros 
Idea #3: Local warp, then cross-dissolve 
Morphing procedure: 
 for every t, 
1. Find the average shape (the “mean dog”) 
local warping 
2. Find the average color 
Cross-dissolve the warped images 
Slide credit: Alyosha Efros 
Local (non-parametric) Image Warping 
Need to specify a more detailed warp function 
Global warps were functions of a few (2,4,8) 
parameters 
Non-parametric warps u(x,y) and v(x,y) can be 
defined independently for every single location x,y! 
Once we know vector field u,v we can easily warp 
each pixel (use backward warping with 
interpolation) 
Slide credit: Alyosha Efros 
Image Warping – non-parametric 
Move control points to specify a spline warp 
Spline produces a smooth vector field 
Slide credit: Alyosha Efros 
Warp specification - dense 
How can we specify the warp? 
Specify corresponding spline control points 
• interpolate to a complete warping function 
But we want to specify only a few points, not a grid 
Slide credit: Alyosha Efros 
Warp specification - sparse 
How can we specify the warp? 
Specify corresponding points 
• interpolate to a complete warping function 
• How do we do it? 
How do we go from feature points to pixels? 
Slide credit: Alyosha Efros 
Triangular Mesh 
1. Input correspondences at key feature points 
2. Define a triangular mesh over the points 
Same mesh in both images! 
Now we have triangle-to-triangle correspondences 
3. Warp each triangle separately from source to 
destination 
How do we warp a triangle? 
3 points = affine warp! 
Just like texture mapping 
Slide credit: Alyosha Efros 
III.6 Một số công cụ thao tác ảnh 
Em đã từng sử 
dụng một công cụ 
nào để thao tác 
ảnh chưa ? 
Công cụ gì ? 
III.6 Một số công cụ thao tác ảnh 
Photoshop is the de facto industry 
standard; 
The Gimp is an Open Source 
alternative. 
Image Magick can be used for 
command-line processing. 
Others ? 
Bitmapped images are manipulated to correct 
technical deficiencies, alter the content or create 
artificial compositions 
Images are often organized into layers, which 
are like overlaid sheets that may have 
transparent areas. Layers are used for 
compositing or experimenting with different 
versions of an image. 
Một số thao tác với công cụ 
Compositing layers 
Areas may be selected by drawing with marquee 
and lasso tools or a Bézier pen, or selected on 
the basis of colour similarity or edges using a 
magic wand or magnetic lasso. 
Magic wand selection 
Magic lasso selection 
Any selection defines a mask – the area that is 
not selected. Masked areas of the image are 
protected from changes. 
A greyscale mask, which is partially transparent, 
is an alpha channel. 
An alpha channel can be associated with a layer 
as a layer mask, and used for effects such as 
knock-outs and vignettes 
Compositing with a layer mask 
Vignetting an image 
In pixel point processing, each pixel’s new value 
depends only on its old value. 
Brightness, contrast and levels are relatively 
crude pixel point adjustments. 
Tăng cường độ tương phản và độ sáng 
 Tổng kết chương 
Bài giảng Alain Boucher (Image 
Processing and Computer Vision – 
Chapter 2) 
Bài giảng Rob Fergus (Computational 
Photography – Chapter 1, 2) 
Ebook, Digital Multimedia – Chapter 4 
Bài giảng Trần Thị Thanh Hải, CSDL đa 
phương tiện, Image, 2010 
Tài liệu tham khảo của chương