Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh 11 Hình 1.5: Các màu cơ bản của hệ thống màu cộng. Thiên nhiên thờng tạo ra màu sắc bằng cách lọc bỏ (trừ đi) một số bớc sóng và phản xạ những bớc sóng khác. Việc trừ bỏ bớc sóng đợc thực hiện bởi những nguyên tử gọi là sắc tố (pigment), chúng hấp thụ những phần đặc biệt của phổ. Ví dụ, khi ánh sáng mặt trời gồm nhiều bớc sóng khác nhau chiếu vào quả táo đỏ, hệ thống hàng tỷ phân tử sắc tố trên bề mặt của quả táo hấp thụ tất cả các bớc sóng ngoại trừ bớc sóng ứng với màu đỏ. Kết quả là ánh sáng phản xạ c ó hàm c( )gây cảm nhận màu đỏ. Các sắc tố lấy đi những bớc sóng và hỗn hợp của hai loại sắc tố khác nhau sẽ tạo ra ánh sáng phản xạ mà bớc sóng ngắn hơn. Đó là hệ màu trừ (subtractive color system). Khi hai thứ mực có màu khác nhau đợc trộn để tạo ra một màu khác trên giấy thì đấy cũng là một hệ màu trừ. Ba màu cơ bản của hệ màu trừ là vàng (Y), lục lam (cyan) và đỏ thẫm (M), chúng là những màu thứ cấp của hệ màu cộng. Ba màu này đợc biểu diễn trên hình 1.6 . Bằng việc trộn các mà u đó với những hàm lợng thích hợp, có thể tạo ra một dải màu rộng. Trộn màu vàng và màu lục lam tạo ra màu lục. Trộn màu vàng và màu đỏ thẫm tạo ra màu đỏ. Trộn màu lục lam và màu đỏ thẫm tạo ra màu lam. Do vậy ba màu đỏ, lục và lam, những màu cơ bản của hệ màu cộng, lại là những màu thứ cấp của hệ màu trừ . Khi tất cả ba màu cơ bản Y, C, M đợc kết hợp, kết quả là màu đen, các sắc tố hấp thụ tất cả bớc sóng ánh sáng nhìn thấy . Điều quan trọng cần lu ý là: hệ màu trừ khác một cách cơ bản với hệ màu cộng . Trong hệ màu cộng, khi chúng ta thêm các màu với bớc sóng khác nhau, ánh sáng nhận đợc gồm nhiều bớc sóng hơn. Chúng ta bắt đầu với màu đen, tơng ứng với Xanh lơ Đỏ Vàng Tím Trắng Lục Lam Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh 12 không có ánh sáng . Khi chúng ta đi từ màu cơ bản (RGB) đến các màu thứ cấp (YCM) và rồi đến màu trắng, chúng ta làm tăng các bớc sóng trong ánh sáng nhận đợc.Trong hệ màu trừ, chúng ta bắt đầu với màu trắng, tơng ứng với không có sắc tố. Khi chúng ta đi từ các màu cơ bản (YCM) đến các màu thứ cấp (RGB) rồi đến màu đen, chúng ta làm giảm những b ớc sóng trong ánh sáng phản xạ nhận đợc. Hình 1.6: Các màu cơ bản của hệ màu trừ. Trong một hệ màu cộng, chúng ta có thể coi ánh sáng đỏ, lục, lam, là kết quả của ánh sáng trắng đi qua ba bộ lọc thông dải khác nhau. Trộn hai màu có thể coi nh ánh sáng trắng đi qua một bộ lọc tổ hợp song song của hai bộ lọc thông dải tơng ứng. Trong hệ màu trừ, chúng ta có thể coi các ánh sáng màu vàng, lục lam và đỏ thẫm nh là kết quả của ánh sáng trắng đi qua ba bộ lọc chặn dải khác nhau. Trộn hai màu có t hể coi là kết quả của ánh sáng trắng đi qua hai bộ lọc chặn dải tơng ứng đặt nối tiếp. 1.4. Biểu diễn ảnh đơn sắc và ảnh màu . Với ảnh đen-trắng, ánh sáng c( ) có thể đợc biểu diễn bởi một số I nh sau: I=k dSc BW 0 (1.5) Trong đó S BW ( )là đặc tính phổ của cảm biến đợc sử dụng và k là hệ số tỷ lệ xích (scaling constant). Vì sự cảm nhận độ sáng có tầm quan trọng hàng đầu đối với ảnh đen trắng, nên S BW ( )đợc chọn giống nh hàm hiệu suất sáng tơng đối đã đợc thảo luận trong phần 1.2. Giá trị I thờng đợc gọi là độ chói, cờng độ, hay mức xám của ảnh Xanh lơ Đỏ Vàng Tím Đen Lục Lam Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh 13 đen trắng. Vì I trong công thức (1.5) biểu diễn công suất trên đơn vị diện tích, nên nó bao giờ cũng không âm và hữu hạn, nghĩa là: 0 I I max Trong đó I max là giá trị lớn nhất mà I đạt đợc. Trong xử lý ảnh, I đợc chia thang (scaled) sao cho nó nằm trong một phạm vi thuận lợi nào đó, ví dụ 0 I1 hoặc 0 I 255. Trong những trờng hợp này 0 ứn g với mức tối nhất và 1 hoặc 255 ứng với mức sáng nhất. Vì cách đặt mức thang này nên đơn vị trắc quang (photometric) hoặc bức xạ (radiometric) cụ thể gắn với I trở nên không quan trọng. ảnh trắng đen, trong cảm nhận chỉ có một màu. Vì vậy có khi gọi nó là ảnh đơn sắc (monochrome). ảnh mầu có thể coi nh 3 ảnh đơn sắc. Với ảnh màu, ánh sáng với hàm c( )đợc đại diện bởi 3 con số gọi là giá trị cặp ba (tristimulus values). Một tập 3 con số thờng dùng trong thực tế là R,G, và B, theo th ứ tự đại biểu cho cờng độ của các thành phần đỏ, lục và lam. Bộ ba giá trị R, G và B nhận đợc từ: R=k dSc R 0 (1.7a) G=k dSc G 0 (1 .7b) B=k dSc B 0 (1.7c) ở đó S R ( ), S G ( ) và S B ( )theo thứ tự là những đặc tính phổ của các cảm biến (bộ lọc) đỏ, lục và lam. C ũng nh mức xám I trong ảnh đơn sắc, R, G, B là không âm và hữu hạn. Một bộ S R ( ), S G ( )và S B ( )đợc biểu diễn trong hình 1.7. Ví dụ của f R (x,y), f G (x,y) và f B (x,y) đại diện các thành phần đ ỏ, lục, lam của 1 ảnh màu, theo thứ tự đợc biểu diễn trong hình 1.8(a), (b) và (c). ảnh màu đợc hình thành khi ba thành phần đợc kết hợp bởi màn hình TV màu. Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh 14 Hình 1.7: Ví dụ đặc tính phổ của các cảm biến màu đỏ, lục và lam. Một cách tiếp cận xử lý ảnh màu là xử lý 3 ảnh đơn sắc R, G và B riêng biệt và tổ hợp kết quả lại. Phơng pháp tiếp cận này đơn giản và thờng sử dụng trong thực tế. Vì độ sáng, màu sắc và độ bão hoà mỗi cái đều phụ thuộc cả 3 ảnh đơn sắc, nên việc xử lý riêng biệt R, G và B có thể tác động đến màu sắc và độ bão hoà, mặc dầu có khi mục đích xử lý chỉ là thay đổi độ sáng. Bộ ba giá trị R, G và B có thể đợc chuyển thành một số bộ ba giá trị khác. Một bộ cụ thể, đợc biết đến nh độ chói - sắc độ (chrominance-luminance), khá hữu dụng trong thực tế. Khi R, G và B là các giá trị đợc sử dụng trong máy thu hình TV (theo hệ màu NTSC), thì giá trị độ chói - sắc độ tơng ứng Y, I và Q liên hệ với R, G và B bởi: (1.8a) 0.3120.523- 0.322-0.274- 0.1140.587 B G R . . . Q I Y 2110 5960 2990 Và (1.8b) 1.7011.104- 0.647-0.273- 0.6210.956 Q I Y . . . B G R 0001 0001 0001 s B (( ) s R ( ) s G ( ) 400 500 600 700 Bớc sóng [nm] Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh 15 Hình 1.9: Các thành phần Y, I và Q của ảnh màu trong hình 1.8(d), (a) thành phần Y; (b) thành phần I; (c) thành phần Q. Thành phần Y đợc gọi là thành phần chói, vì nó phản ánh độ chói l trong công thức (1.3). Nó có vai trò chính trong sự nhận biết độ sáng của ảnh màu, và cũng có thể sử dụng đợc với ảnh đen trắng. Các thành phần I và Q gọi là các thành phần sắc độ, và chúng có vai trò chính trong sự nhận biết màu sắc và độ bão hoà của ảnh màu. Các thành phần f Y (x,y), f I (x,y) và f Q (x,y) ứng với ảnh màu trong hình 1.8, theo thứ tự đợc biểu diễn nh ba ảnh đơn sắc trong hình 1.9(a),(b) và (c). Vì f I (x,y) và f Q (x,y) có thể âm nên ta cộng thêm thiên áp cho chúng để hiển thị. Cờng độ xám trung bình trong hình 1.9(b) và (c) đại biểu cho biên độ không của f I (x,y) và f Q (x,y). So với bộ RGB, bộ ba giá trị YIQ có thuận lợi là ta có thể chỉ xử lý riêng thành phần Y. ảnh đã xử lý sẽ khác với ảnh cha xử lý trong biểu hiện độ sáng của nó. Một thuận lợi khác là hầu h ết thành phần tần số cao của ảnh màu đều ở trong thành phần Y. Do vậy, lọc thông thấp các thành phần I và Q sẽ không ảnh hởng đáng kể đến ảnh màu. Đặc tính này có thể đợc khai thác trong mã hoá ảnh màu số hoặc trong phát tín hiệu TV màu analog. Khi mục đích của xử lý ảnh vợt quá yêu cầu tái tạo chính xác cảnh gốc theo cảm nhận của con ngời, chúng ta sẽ không giới hạn trong phạm vi dải sóng con ngời nhìn thấy đợc. Chẳng hạn khi muốn phát hiện một đối tợng phát nhiệt, thì việc có đợc một ảnh bằng c ảm biến hồng ngoại dễ hơn nhiều so với ảnh màu thông thờng . (b) (c) . [nm] Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh 15 Hình 1.9: Các thành phần Y, I và Q của ảnh màu trong hình 1.8(d), (a) thành phần Y; (b) thành phần I; (c) thành phần Q. Thành phần Y đợc gọi là thành phần chói,. thành phần đ ỏ, lục, lam của 1 ảnh màu, theo thứ tự đợc biểu diễn trong hình 1.8(a), (b) và (c). ảnh màu đợc hình thành khi ba thành phần đợc kết hợp bởi màn hình TV màu. Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh 14 Hình. không của f I (x,y) và f Q (x,y). So với bộ RGB, bộ ba giá trị YIQ có thuận lợi là ta có thể chỉ xử lý riêng thành phần Y. ảnh đã xử lý sẽ khác với ảnh cha xử lý trong biểu hiện độ sáng của nó.