BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Môn Kỹ thuật đồ họa Đề tài Màu sắc trong đồ họa

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Môn: Kỹ thuật đồ họa

Đề tài: Màu sắc trong đồ họa

Giảng viên : Nguyễn Thị Thanh Tâm

Contents

GIỚI THIỆU 3

A CÁC MÔ HÌNH MÀU 3

I Mô hình màu RGB: 3

II Mô hình màu CMY, CMY-K: 4

III Mô hình màu YIQ 4

IV Mô hình màu HSV (HSB) và HSL: 5

B CHUYỂN ĐỔI GIỮA CÁC MÔ HÌNH MÀU 12

I Chuyển đổi từ hệ màu RGB sang CMY: 12

II Chuyển đổi từ hệ màu CMY sang CMY-K: 12

III Chuyển đổi từ hệ mài RGB sang YIQ: 13

IV Chuyển đổi từ hệ màu RGB sang HSV và ngược lại: 13

VI Chuyển từ hệ màu RGB sang XYZ 16

C CHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỔI 18

D PHÂN VÙNG ẢNH 21

I.Định nghĩa 21

II.Các phương pháp 22

3.1.Phân vùng ảnh theo ngưỡng biên độ 24

3.2.Phân vùng theo miền đồng nhất - 25

3.3 Phân vùng dựa trên đường biên 25

3.4 Phân vùng theo kết cấu bề mặt 26

GIỚI THIỆU

- Mô hình màu (color model) là hệ thống có quy tắc cho việc tạo khoảng màu từ tập các màu cơ bản

- Mục đích của mô hình màu là cho phép biểu diễn một phần các mầu nhìn thấy được bằng các chỉ số kỹ thuật quy ước Sau đây, ta xem xét một số mô hình hay được sử dụng nhất:

A CÁC MÔ HÌNH MÀU

I Mô hình màu RGB:

- Trong hệ màu RGB, các màu sắc đều đƣợc tạo ra từ 3 màu cơ bản là đỏ (red), lục (green) và lam (blue) Các mầu gốc này được tổ hợp với nhau theo một tỷ lệ để tái tạo màu sắc

- Tập hợp các mầu được sắp xếp theo khối lập phương đơn vị Các giá trị màu là một vector gồm 3 thành phần R, G, B có giá trị nằm trong khoảng từ 0 đến 1 - Là hệ màu cộng, việc hiển thị màu như là kết quả của ánh sáng truyền qua (cộng vào) nên khi không có ánh sáng sẽ đƣợc coi là màu đen

Red + Green + Blue = White

- Dùng cho hiển thị các thiết bị điện tử như: máy tính, TV, camera số …

z

II Mô hình màu CMY, CMY-K: * Mô hình màu CMY:

- Các màu sắc đều được tạo ra từ 3 màu cơ bản là xanh nhạt (Cyan), vàng (Yellow) và tím (Magenta) là các phần bù tương ứng cho các màu đỏ, xanh lục và xanh lam Các màu gốc này được tổ hợp với nhau theo một tỷ lệ để tái tạo màu sắc

- Là hệ màu trừ hiển thị màu như là kết quả của ánh sáng bị hấp thụ (bị trừ) bởi mực in nên khi thêm vào càng nhiều mực in thì ánh sáng phản xạ càng ít Khi không có mực in thì ánh sáng bị phản xạ (từ bề mặt trắng) sẽ được coi là màu trắng

Cyan + Magenta + Yellow = Black

- Tập hợp các màu cũng được sắp xếp theo khối lập phương đơn vị Các giá trị màu là một vector gồm 3 thành phần C, M, Y có giá trị nằm trong khoảng từ 0 đến 1

- Sử dụng trong in ấn

*Mô hình màu CMY-K:

- Là mô hình mở rộng của CMY ứng dụng trong máy in màu Giá trị đen bổ xung vào thay thế cho hàm lượng màu bằng nhau của 3 màu cơ bản

III Mô hình màu YIQ

- Mô hình màu YIQ là mô hình màu được ứng dụng trong truyền hình màu băng tần rộng, nó có mối quan hệ chặt chẽ với màn hình đồ họa màu raster

- YIQ là sự thay đổi của RGB cho khả năng truyền phát và tương thích với Tivi đen trắng thế hệ trước Tín hiệu truyền sử dụng trong hệ thống NTSC

- Thành phần Y của YIQ không phải là màu vàng nhưng là thể sáng và được xác định như màu gốc Y của CIE Chỉ thành phần Y của một tín hiệu Tivi màu được thẻ hiện trên Tivi đen trắng Màu được mã hóa trong 2 phần còn lại là I và Q

- Mô hình YIQ sử dụng hệ tọa độ Đề-các 3 chiều được biểu diễn như một khối đa diện lồi trong khối lập phương RGB

IV Mô hình màu HSV (HSB) và HSL: 1 Mô hình màu HSV (HSB):

- Gồm 3 thông số biểu diễn:

+ Hue (sắc màu): màu sắc 00 -3600 đo bởi góc quay xung quanh trục đứng với màu đỏ là 00 , màu lục là 1200 , màu lam là 2400 Các màu bổ sung cho hình chóp ở 1800 đối diện với màu khác

+ Saturation (độ bão hòa): 0-1, giá trị của S là tập các giá trị từ 0 trên đường trục tâm (trục V) đến 1 trên các mặt bên tại đỉnh của chóp 6 cạnh

+ Value/Brightness (độ sáng): 0-1 đường cao V với đỉnh là các điểm gốc toạ độ (0,0) Điểm ở đỉnh là màu đen và giá trị V=0, tại các điểm này giá trị của H và S không liên quan đến nhau Khi điểm có S=0 và V=1 là điểm màu trắng, những giá trị trung gian của V đối với S=0 (trên đường thẳng qua tâm) là các màu xám Khi S=0 giá trị của H phụ thuộc được gọi bởi các qui ước không xác định Ngược lại khi S khác 0 giá trị H sẽ là phụ thuộc

- Thường được sử dụng trong mỹ thuật

2 Mô hình màu HSL:

- Mô hình HSL là sự biến dạng của mô hình màu HSV mà trong đó mô hình này màu trắng được kéo hướng lên hình nón sáu cạnh phía trên

- Bao gồm các thông số: Hue, Lightness, Saturation Model

Mô hình màu HSL tương tự như mô hình HSV mà trong đó mô hình này màu trắng được kéo hướng lên hình chóp sáu cạnh phía trên từ mặt V=1 Như với mô hình chóp sáu cạnh đơn:

+ Phần bổ sung của màu sắc được đặt ở vị trí 180 độ hơn là xung quanh hình chóp sáu cạnh đôi

+ Độ bão hoà được đo xung quanh trục đứng, từ không trên trục tới 1 trên bề mặt

+ Độ sáng (Lightness)=0 cho màu đen (tại điểm mút thấp nhất của hình chóp sáu cạnh đôi) và bằng 1 cho màu trắng (tại đầu mút cao nhất)

- Sử dụng nhiều trong kỹ thuật đồ họa

Cả 2 mô hình HSL và HSV được thiết kế vào những năm 1970 để phục vụ cho công nghệ số và ứng dụng không gian màu sắc khối trụ

V Mô hình màu CIE:

 CIE – Viết tắt của ủy ban đo lường và chiếu sáng quốc tế Comission Internationale de l'Eclairage, 1931 Mô hình màu CIE color phát triển trên cơ sở hoàn toàn độc lập thiết bị dựa trên sự cảm nhận của của mắt người về màu sắc với ý tưởng 3 đại lượng ánh sáng màu cùng phổ tương ứng

=> Là hệ màu chuẩn thuần nhất, bao gồm tất cả các hệ màu trên và giải quyết được nhược điểm của hệ màu RGB

 Color = X’X + Y’Y + Z’Z

 Các giá trị XYZ thay thế cho 3 đại lượng truyền thống RGB  Màu được hiểu trên 2 thuật ngữ: màu sắc và sắc độ

 Ưu điểm của 3 loại màu nguyên lý cơ bản là có thể sinh ra các màu trên cơ sở tổng các đại lượng dương của màu mới thành phần

 Việc chuyển đổi từ không gian màu 3D tọa độ (X, Y, Z) vào không gian 2D xác định bởi tọa độ (x, y), theo công thức dưới phân số của của tổng 3 thành phần cơ bản:

o x = X/(X+Y+Z), y = Y/(X+Y+Z), z = Z/(X+Y+Z), x + y + z = 1  toạ độ z không được sử dụng

2 CIE - XYY

 Chuẩn CIE xác định 3 màu giả thuyết X, Y và Z làm cơ sở cho phép trộn màu theo mô hình 3 thành phần kích thích

 Không gian màu hình móng ngựa là kết hợp của không gian tọa độ 2D màu x, y và độ sáng

 x = 700 nm; y = 543.1 nm; z = 435.8 nm

 Thành phần độ sáng hay độ chói được chỉ định chính bằng giá trị đại lượng Y trong tam kích tố của màu sắc

3 CIE – xyY

 Thang đo của Y xuất phát từ điểm trắng trên đường thẳng vuông góc với mặt phẳng x, y với giá trị từ 0 tới 100

 Khoảng màu lớn nhất khi Y= 0 tại điểm trắng và bằng CIE Illuminant C Đây là đáy của hình

 Khi Y tăng màu trở nên sáng hơn và khoảng màu hay gam màu giảm diện tích trên tọa độ x, y cũng giảm theo

 Tại điểm trên không gian với Y= 100 màu có sắc xám bạc và khoảng màu ở đây là bé nhất

 Không sử dụng sơ đồ màu xyY như là ánh xạ cho việc chỉ ra quan hệ giữa các màu

 Sơ đồ là không gian phẳng giới hạn bởi đường cong mà phép ánh xạ quan hệ màu không gian quan sát bị vặn méo

 Ví dụ màu không thuộc khoảng xanh lục sẽ thuộc phần đỏ hay tím o X = x(Y/y), Y = Y, Z = (1-x-y)(Y/y)

4 Ưu điểm

 Chuẩn chuyển đổi giá trị màu mà độ bão hoà thành thông tin của các mô hình màu khác

 1 cách định nghĩa và xác định trực quan và đơn giản về màu bù thông qua giải thuật hình học có thể tính toán

 Định nghĩa tự nhiên về sắc thái và đơn giản hoá việc định lượng giá trị của thuộc tính này

 Cơ sở cho định nghĩa gam màu cho màn hình hay thiết bị hiển thị Gam của màn hình RGB có thể mô tả bằng sơ đồ màu CIE

 Sự thay đổi màu sắc của đối tượng có thể ánh xạ thành quỹ đạo trên sơ đồ CIE

B CHUYỂN ĐỔI GIỮA CÁC MÔ HÌNH MÀU

- Các mô hình màu có thể chuyển đổi qua lại lẫn nhau, ở đây sẽ lấy hệ màu RGB làm trung gian chuyển đổi giữa các hệ màu khác

- Khi không đề cập thêm ở dưới thì việc chuyển từ hệ màu A -> B thì việc chuyển từ hệ màu B-> A sẽ được thực hiện ngược lại

I Chuyển đổi từ hệ màu RGB sang CMY:

- Tọa độ trong hệ màu RGB là (R, G, B) - Tọa độ trong hệ màu CMY là (C, M, Y)

Khi đó công thức chuyển đổi qua lại giữa RGB vàCMY sẽ thỏa mãn

công thức:

II Chuyển đổi từ hệ màu CMY sang CMY-K:

- Tọa độ mới của điểm trong hệ màu CMY-K sẽ thỏa mãn:

III Chuyển đổi từ hệ mài RGB sang YIQ:

Sự biến đổi RGB thành YIQ được xác định theo công thức sau:

Y độ chói, I & Q đại lượng về màu sắc

IV Chuyển đổi từ hệ màu RGB sang HSV và ngược lại:

VI Chuyển từ hệ màu RGB sang XYZ

Các nhà sản xuất cung cấp các toạ độ XYZ cho phốt pho tương ứng với màu RGB mà màn hình hiển thị: (Xr, Yr, Zr), (Xg, Yg, Zg) và (Xb, Yb, Zb)

Hay viết lại:

Xét R=1:

Xét G = 1:

Xét B = 1:

Thường [X Y Z] cho mỗi phốt pho thì không được cung cấp, nên chúng ta tính với trường hợp điểm trắng khi R=G=B=1

Bây giờ ta cần biết độ chói của điểm trắng được gửi bởi Yw

suy ra Xw =Xr + Xg + Xb = xrEr + xrEg + xbEb

Từ đó:

Ta hoàn toàn tính được: Er, Eg và Eb

Demo chương trình C++ chuyển từ RGB sang HSB và ngược lại  Thuật toán:

- RGB sang HSV:

- HSV sang RGB:

 Kết quả demo:

D PHÂN VÙNG ẢNH I.Định nghĩa

- Phân vùng ảnh là quá trình chia bức ảnh thành các vùng đồng nhất hoặc các đối tượng có cùng đặc điểm theo các tiêu chí định trước

- Các tiêu chí có thể là: cường độ, lược đồ xám, giá trị trung bình (mean), độ lệch chuẩn (variance),…

- Phần lớn các thuật toán phân vùng đều dựa vào một trong hai đặc điểm cơ bản của giá trị cường độ: sự không liên tục và tính tương đồng

II.Các phương pháp

xám (ví dụ biên) hay còn gọi là phân vùng dựa vào biên

các tiêu chí cho trước- phân vùng dựa vào miền Phân vùng ảnh theo ngưỡng biên độ

Phân vùng theo miền đồng nhất

Phân vùng theo kết cấu bề mặt

3.1.Phân vùng ảnh theo ngưỡng biên độ

- Trong hầu hết các trường hợp, ngưỡng được chọn từ lược đồ độ sáng của vùng hay ảnh cần phân đoạn Có rất nhiều kỹ thuật chọn ngưỡng tự động xuất phát từ lược đồ xám {h[b] | b = 0, 1, , B-1} đã được đưa ra, B là số mức xám của ảnh, với ảnh grayscale

* Các thuật toán xử lý: - Thuật toán đẳng liệu - Thuật toán đối xứng nền - Thuật toán tam giác

3.2.Phân vùng theo miền đồng nhất

- Không giống với phân vùng dựa vào biên (dựa vào sự không liên tục của cường số sáng), phân vùng dựa vào miền tìm ra các vùng một cách trực tiếp dựa trên sự tương đồng của các pixel lân cận nhau

-Kỹ thuật phân vùng ảnh thành các miền đồng nhất dựa vào các thuộc tính quan trọng nào đó của miền Mỗi một thuộc tính khi sử dụng thì có một tiêu chuẩn phân đoạn tương ứng Một số thuộc tính tiêu biểu là: mức xám, màu sắc (đối với ảnh màu), kết cấu sợi

* Có ba cách tiếp cận chủ yếu trong phân vùng ảnh theo miền đồng nhất và độc lập với tiêu chuẩn lựa chọn tính đồng nhất:

 Phương pháp phân tách – cây tứ phân (split – quad trees)  Phương pháp hợp (merge)

 Phương pháp tách - hợp (split – merge)

3.3 Phân vùng dựa trên đường biên

Việc phân đoạn ảnh dựa vào biên được tiến hành qua một số bước: - Phát hiện biên và làm nổi biên

- Làm mảnh biên

-Nhị phân hoá đường biên - Miêu tả đường biên

3.4 Phân vùng theo kết cấu bề mặt

- Kết cấu thường được nhận biết trên bề mặt của các đối tượng như gỗ, cát, vải vóc…Kết cấu là thuật ngữ phản ánh sự lặp lại của các phần tử sợi (texel) cơ bản Sự lặp lại này có thể ngẫu nhiên hay có tính chu kì hoặc gần chu kì Một texel chứa rất nhiều điểm ảnh Trong phân tích ảnh, kết cấu được chia làm hai loại chính là: loại thống kê và loại cấu trúc