Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh 31 Khi N nhỏ, có thể nhận ra là những ánh chớp rời nhau. Khi N tăng lên, ánh sáng nhấp nháy làm ngời quan sát khó chịu. Khi chúng ta tăng N hơn nữa, khó nhận ra là ánh sáng đang nhấp nháy và ngời quan sát có thể không phát hiện đợc cờng độ sáng biến thiên theo thời gian. Tần số tại điểm mà ngời quan sát cảm nhận ánh sáng phát liên tục gọi là tần số ánh sáng nhấp nháy tới hạn (critical flicker frequency) hoặc tần số hoà đồng (fusio n). Tần số hoà đồng tăng khi kích cỡ và tổng cờng độ phát sáng của nguồn nhấp nháy tăng. Tần số hoà đồng có thể nhỏ bằng vài chu kỳ/giây với nguồn sáng nhỏ lờ mờ, và có thể vợt quá 100 chu kỳ/giây với nguồn sáng kích cỡ lớn và cờng độ sáng lớn hơn. ánh sáng gián đoạn thông dụng trong cuộc sống hàng ngày. ánh sáng huỳnh quang không phát liên tục, nhng nhấp nháy với tốc độ đủ cao (hơn 100 lần/giây) nên tạo ra cảm giác liên tục trong những điều kiện quan sát điển hình. Tránh sự cảm nhận ánh sáng nhấp nháy là yếu tố quan trọng quyết định tốc độ phục hồi màn đèn hình (đèn tia âm cực, cathode ray tube, - CRT ). Nh sẽ thảo luận sâu hơn trong tiết 4, màn hiển thị đèn hình chỉ đợc chiếu sáng trong một khoảng thời gian ngắn. Để một ảnh đợc hiển thị liên tục ng ời xem không cảm thấy nháy, màn hình phải đợc phục hồi ở tốc độ đủ cao. Chẳng hạn, màn hiển thị đèn hình đợc làm sáng 60 lần/giây. Với tỉ lệ ken dòng 2:1, nh trong hệ truyền hình NTSC, điều này ứng với 30 mành/giây. Với ảnh động hiện 24 mành/giây, một mành hiện 2 lần. Nh vậy tốc độ nhấp nháy hiệu dụng là 48 mành/giây. Với điện ảnh, khi chiếu phim trong rạp rất tối nên làm giảm tần số hoà đồng xuống duới 40 chu kỳ/giây. Vì lý do này, xem ảnh động không thấy nháy, ngay cả khi màn hình tối đến gần một nửa thời gian. Tuy mỗi mành của điện ảnh hoặc truyền hình không động đậy thật sự, và chỉ một số có hạn mành đợc chiếu trong một giây, các vật trong cảnh xuất hiện với chuyển động liên tục. Hiệu ứng này gọi là sự thể hiện dịch chuyển ( motion rendition ), liên quan chặt chẽ đến hiện tợng phi ( ) . Xét hai nguồn sáng xung động (pulsating) ở cách nhau gần 1 0 của góc nhìn từ ngời quan sát . Khi mỗi nguồn loé lên 1 ms và thời gian cách nhau 10 ms, ta thấy nh ánh sáng đổi ngôi liên tục từ nguồn nọ sang nguồn kia. Khi thời gian cách nhau chỉ là 1 ms, ta thấy nh hai nguồn loé sáng đồng thời. Khi thời gian cách nhau lớn hơn 1 giây, ta thấy đợc là hai nguồn sáng nhấp nháy riêng biệt. Đó là hiện tợng phi. Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh 32 Nói chung, tốc độ mành đủ cao để tránh ánh sáng nhấp nháy cũng lại thích hợp với sự thể hiện dịch chuyển. Việc một vật thể hiện chuyển động liên tục trên màn ảnh hoặc màn truyền hình không nhất thiết đòi hỏi tốc độ lấy mẫu trong miền thời gian phải lớn hơn tốc độ Nyquist. Với các vật sự chuyển độn g đủ nhanh thì lấy mẫu theo miền thời gian 24 lần/giây hoặc 30 lần/giây là thấp hơn tốc độ Nyq uist nhiều, và xảy ra hiệu ứng ảnh giả tạm thời (temporal aliasing) . Hiệu ứng này không phải bao giờ cũng gây ra gián đoạn chuyển động .Trong phim, đôi khi chú ng ta thấy bánh xe chuyển động liên tục, nhng ngợc chiều. Trong trờng hợp này, thể hiện đợc sự dịch chuy ển , nhng có hiệu ứng ảnh giả tạm thời (temporal aliasing) nghiêm trọng xảy ra. Hiểu biết hiện tại của chúng ta về hiệu ứng ánh sáng lập loè, sự dịch chuyển, hiệu ứng ảnh giả tạm thời (temporal aliasing), và mối tuơng quan giữa chúng còn rất hạn chế. Hiểu toàn diện chủ đề này sẽ có ích trong một số ứng dụng chẳng hạn nh giảm tốc độ bít bằng bỏ bớt một số khung trong một chuỗi khung ảnh. 4. Hệ thống xử lý ảnh 4.1 Tổng quan hệ thống xử lý ả nh Một hệ xử lý ảnh điển hình có xử lý số tín hiệu đợc biểu diễn trong hình 1.25. Nguồn ảnh đầu vào I(x,y) là một vật hoặc một cảnh tự nhiên, nhng nó cũng có thể đợc tạo ra bởi một hệ thống khác, nh bộ lọc, đèn hình CRT hoặc máy viđêô catxet (VCR). Bộ số hoá chuyển tín hiệu nguồn đầu vào thành tín hiệu điện mà biên độ biểu diễn cờng độ ảnh và sau đó đem số hoá nó bằng bộ chuyển đổi tơng tự -số (A/D). Hình 1.25. Hệ thống xử lý ảnh điển hình. Sau đó chuỗi f(n 1 ,n 2 ) ở đầu ra bộ số hoá đợc xử lý bởi m ột giải thuật (algôrit) xử lý ảnh số. Algôrit này có thể cài trên máy tính, bộ vi xử lý, hoặc một phần cứng chuyên dụng. Algôrit cụ thể đợc sử dụng phụ thuộc vào mục đích xử lý, có thể là cải thiện ảnh, phục hồi ảnh, mã hoá ảnh, lý giải ảnh, hoặc một tổ h ợp bất kỳ của chúng. I(x,y) I(x,y) f(n 1 ,n 2 ) Bộ số hoá Xử lý số ảnh đầu vào ảnh đầu ra Hiển thị g(n 1 ,n 2 ) Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh 33 Kết quả xử lý đợc hiển thị cho ngời dùng xem, nhng đôi khi cũng đa vào đầu vào một hệ thống khác. Bộ hiển thị đợc dùng là đèn hình CRT, nhng cũng có thể là bức ảnh hoặc băng viđêô catxet. Nếu kết quả là một biểu diễn bằng ký hiệu nh trong lý giải ảnh, thì thiết bị hiển thị có thể là máy in. 4.2 Bộ số hoá Bộ số hoá chuyển nguồn ảnh đầu vào thành tín hiệu điện và lấy mẫu tín hiệu điện, sử dụng bộ chuyển đổi A/D. Các chức năng cụ thể của bộ số hoá phụ thuộc nguồn ảnh đầu vào. Khi đầu vào là tín hiệu điện, nh trờng hợp băng viđêô catxet VCR, bộ số hoá giao diện với nguồn đầu vào và đợc sử dụng để lấy mẫu tín hiệu điện tuỳ theo khuôn dạng đợc dùng trong khâu chuyển đổi nguồn đầu vào thành tín hiệu điện. Khi nguồn đầu vào là ảnh, một camera điện tử chuyển ảnh thành tín hiệu điện, và kết qủa đợc số hoá bằng bộ chuyển đổi A/D. Trong một số hệ thống camera, các đờng dẫn song song cho phép đo đồng thời cờng độ ánh sáng tại nhiều điểm trong không gian. Tuy nhiên, trong hệ điển hình chỉ có một đờng, và tại một thời điểm đã cho chỉ có thể đo cờng độ ánh sáng tại một điểm. Trong trờng hợp này, dùng một bộ quét để tuần tự quét hết bề mặt ảnh đầu vào. Trong hầu hết bộ quét, một khe nhỏ quét ảnh theo một lộ trình nhất định gọi là trờn g quét (raster). Cờng độ sáng nhận đợc trên bề mặt khe nhỏ đợc chuyển thành tín hiệu điện và đo, giá trị đo đợc coi là với cờng độ ảnh tại điểm không gian đó. Quá trình này có thể xem nh phép nhân chập cờng độ ảnh đầu vào I(x,y) với khe rồi lấy mẫu tích chập. Nh vậy, hiệu quả của khe là lọc thông thấp I(x,y). Điều đó giới hạn độ phân giải không gian I(x,y) và có thể sử dụng để làm giảm méo dạng bậc thang (antialiasing), cần thiết trong bộ biến đổi A/D. Với ảnh tĩnh, ảnh đợc quét một lần, nhng c ũng có thể quét nhiều lần và lấy trung bình các khung để giảm nhiễu. Với ảnh động, ảnh đợc quét trong những khoảng thời gian có tính tuần hoàn. Khi đầu vào là phim hoặc bức ảnh, thiết bị đợc sử dụng để chuyển cờng độ ảnh thành tín hiệu điện là một bộ q uét bằng điểm sáng lớt. Một điểm sáng nhỏ quét nguồn đầu vào, và ánh sáng mà bức ảnh phản chiếu (hoặc truyền qua phim) đợc một bề mặt có gắn các bộ tách sóng quang thu gom. Nguồn chấm sáng nhỏ là màn hình CRT. Trong tiết 4.3 thảo luận chi tiết hơn về CRT . Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh 34 Khi nguồn ảnh đầu vào là một vật hoặc một cảnh tự nhiên, thiết bị thông dụng nhất để chuyển cờng độ ánh sáng thành tín hiệu điện là vidicon và họ hàng của nó nh Saticon và Newvicon. Vidicon và các thiết bị cùng họ đợc dùng đến tận đầu những năm 1980 trong tất cả mọi ứng dụng truyền hình, bao gồm camera quảng bá, camera viđêô xách tay, camera theo dõi. Cấu trúc của một camera vidicon biểu diễn trong hình 1.26. Tại cuối ống vidicon (phía bên trái trong hình) ở bên trong vỏ bọc thuỷ tinh là một bản ảnh. Bản này có hai lớp. Lớp đối mặt với ánh sáng từ nguồn đầu vào là một lớp mỏng ôxyt thiếc, trong suốt với ánh sáng nhng dẫn điện. Hình 1.26. Cấu trúc camera vidicon. Lớp thứ hai đối mặt với súng điện tử, có phủ một lớp vật liệu nhạy sáng. ở vidicon cơ sở vật liệu này là antimony trisulfide. ánh sáng từ nguồn đầu vào đi qua các thấu kính quang học là cơ cấu hội tụ, thông qua bản thuỷ tinh phẳng và qua lớp thứ nhất của bản ảnh. ánh sáng đợc hội tụ trên lớp thứ hai. Bản ảnh nhạy sáng (lớp thứ hai ) đợc quét bởi súng điện tử và dòng điện nhận đợc là tín hiệu ra của camera, đợc một bộ chuyển đổi A/D số hoá. Lộ trình quét là từ phải sang trái, từ dới lên trên. Vì ảnh nguồn đầu vào bị các thấu kính đảo ngợc, nên trờng quét này tơng đơng quét từ trái sang phải từ trên xuống dới trong mặt phẳng ảnh đầu vào. Lớp nhạy sáng là bán dẫn, có tính cách điện khi không có ánh sáng chiếu vào. Khi ánh sáng đập vào lớp này, điện tử di chuyển sang trong lớp ôxit thiếc dẫn điện tạo ra điện tích dơng trên mặt bản ảnh quay về phía súng điện tử. Số điện tử chuyển động, hoặc nói cách khác là số điện tích dơng đối diện với súng điện tử biểu diễn cờng độ ảnh tại điểm không gian đó. Khi chùm điện tử năng lợng thấp từ súng điện tử quét lên bản ảnh, nó phóng đủ số đ iện tử để trung hoà với các điện tích dơng. Dòng điện phóng ánh sáng Lớp nhạy sáng vòng đick bản mặt thuỷ tinh Lớp trong suất và dẫn điện đầu ra video Chùm điện tử Catôt Dây đốt nóng Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh 35 này đợc một vòng bia bằng kim loại dẫn điện nối liền với lớp ôxit thiếc gom lại. Dòng điện tại vòng bia kim loại là tín hiệu camera. Điện tử xuất phát từ cực catốt, - ở đầu cuối bên kia của đèn vidicon. Các thấu kính tĩnh điện và từ hội tụ các điện tử thành một chùm hẹp. Đáp ứng phổ của vidicon cơ bản với ảnh đen trắng tơng tự nh hàm hiệu suất chói tơng đối C.I.E đã đợc thảo luận trong phần 4.2. Với ảnh mầu, một camera mầu dùng phơng pháp qu ang học tách ánh sáng đầu vào thành các thành phần đỏ, lục và lam. Mỗi thành phần đợc đa đến đầu vào của một camera vidicon. Nh vậy, một camera màu chứa 3 ống vidicon riêng biệt. Tín hiệu camera đại biểu cho cờng độ nguồn ảnh đầu vào, đợc bộ biến đổi A/D lấy mẫu để tạo thành ảnh số. Cỡ ảnh số thông dụng là 128x128, 256x256, 512x512 và 1024x1024 điểm ảnh (pixels). Khi chúng ta giảm số pixels thì độ phân giải không gian, - cũng gọi là độ nét, bị giảm và các chi tiết trong ảnh bắt đầu biến mất. Biên độ mỗi pixel đợc lợng tử hoá 256 mức (biểu diễn bằng 8 bit). Thông thờng, mỗi mức biểu thị bằng một số nguyên, 0 tơng ứng với mức tối nhất và 256 tơng ứng với mức sáng nhất. Khi chúng ta giảm số mức lợng tử hoá biên độ, nhiễu lợng tử phụ thuộc tín hiệu b ắt đầu xuất hiện, thoạt đầu nh là nhiễu ngẫu nhiên rồi sau đó nh là những đờng viền giả tạo. Với ảnh mầu, mỗi thành phần đỏ, lục và lam đợc lợng tử hoá 8 bit/pixel, tổng số là 24bit/pixel. Vidicon và các thiết bị cùng họ đợc gọi là các cảm biến quang dẫn hoặc đèn cảm biến (tube sensors), và đợc dùng cho đến đầu những năm 1980 trong tất cả các ứng dụng truyền hình. Từ giữa những năm 1980, có sự phát triển vợt bậc trong lĩnh vực sensor thể rắn. Trong một sensor thể rắn điển hình, các phần tử cảm biến xếp thành một mảng hai chiều (2 -D) tích hợp trên một chíp. Mỗi phần tử sensor đợc đặt tại một vị trí pixel và cảm nhận cờng độ ánh sáng tại pixel đó, một cơ cấu quét đọc các giá trị cờng độ ở các pixel. CCD (charge coupled device) là một ví dụ của phần tử sensor thể rắn. Khi một mảng CCD hớng về ánh sáng, các gói điện tích tỷ lệ với cờng độ sáng phát triển. Các gói điện tích đợc dịch đến một mảng CCD lu trữ không hớng về phía ánh sáng. Giá trị cờng độ sáng đợc đọc từ mảng lu trữ. Các phơng phá p khác nhau đã đợc phát triển để đọc giá trị cờng độ sáng ở mảng lu trữ, tuỳ theo cấu hình cụ thể của mảng nhận ảnh và mảng lu trữ trong CCD. . hoá ảnh, lý giải ảnh, hoặc một tổ h ợp bất kỳ của chúng. I(x,y) I(x,y) f(n 1 ,n 2 ) Bộ số hoá Xử lý số ảnh đầu vào ảnh đầu ra Hiển thị g(n 1 ,n 2 ) Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh 33 Kết quả xử lý đợc. (algôrit) xử lý ảnh số. Algôrit này có thể cài trên máy tính, bộ vi xử lý, hoặc một phần cứng chuyên dụng. Algôrit cụ thể đợc sử dụng phụ thuộc vào mục đích xử lý, có thể là cải thiện ảnh, phục hồi ảnh, . ảnh giả tạm thời (temporal aliasing) nghiêm trọng xảy ra. Hiểu biết hiện tại của chúng ta về hiệu ứng ánh sáng lập loè, sự dịch chuyển, hiệu ứng ảnh giả tạm thời (temporal aliasing), và mối tuơng