bài tập lớn môn xử lý ảnh cảm nhận và biểu diễn màu sắc

Trong nội dung của bài tập lớn này chúng em ngoài việc giới thiệu về cơ quan cảmnhận hình ảnh chính của con người: con mắt cùng với việc miêu tả khả năng cảm nhậncủa nó như thế nào còn g

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Khoa Công Nghệ Thông Tin

o0o

-BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN

XỬ LÝ ẢNH

Giáo viên hướng dẫn : Trần Hùng Cường Sinh viên thực hiện : Nhóm 8

Nguyễn Tân Thành Nguyễn Trường Tam

Nguyễn Thị Hạ Đào Minh Thưởng

Lớp : Tin6_k11

MỤC LỤC

1 Ánh sáng, màu sắc 5

1.1 Ánh sáng 5

1.1.1 Khái niệm 5

1.1.2 Tính chất của ánh sáng 6

1.2 Màu sắc 6

2 Cảm nhận ánh sáng và chuyển động 7 2.1 Cấu tạo mắt 7

2.2 Vì sao ta nhìn thấy màu sắc các vật 12

2.3 Cảm nhận chuyển động 14

3 Các hệ biểu diễn màu 16 3.1 Mô hình màu RGB 16

3.1.1 Khái niệm 16

3.1.2 Cơ sở sinh học 18

3.1.3 Biểu diễn trên máy tính 17

3.2 Mô hình màu CMY 20

3.2.1 Mô hình màu CMY 20

3.2.2 Mô hình màu CMYK 22

3.3 Mô hình HSI – Hue-Saturation-Intensity 23

3.4 Các hệ biểu diễn màu khác 25

3.4.1 Mô hình HSB 25

3.4.2 Mô hình YUV 25

3.4.3 Mô hình màu YIQ 26

3.4.4 Mô hình CIE L*a*b 27

4 Chuyển đổi giữa các hệ biểu diễn màu Lập trình mô phỏng 28 4.1 Chuyển đổi giữa các hệ biểu diễn màu 28

4.1.1 Chuyển đổi RGB - CMY (CMYK) 28

4.1.2 Chuyển đổi RGB – HSI 30

4.1.3 Chuyển đổi RGB với các hệ màu khác 30

4.2 Chương trình mô phỏng 31

4.1.1 Các chức năng của chương trình 32

4.2.2 Đánh giá chương trình 34

5 Lời kết 35

LỜI MỞ ĐẦU

Có người đã từng nói thực chất thì con người đang cảm nhận thế giới chứ không phảiquan sát thế giới và những cảm nhận thường mang nặng tính chủ quan phụ thuộc vàotừng cá nhân Xét về mặt sinh lý điều đó cũng có nhiều điểm đúng Khi chúng ta nhậnthế giới thì thực chất các xúc giác chúng ta thu tín hiệu rồi từ đó truyền lên não để não

xử lý tùy theo “kinh nghiệm” có được trước đó vì thế mới có chuyện cùng 1 hình ảnhnhưng người này bảo màu này nhưng người kia lại nói nó mang màu sắc khác

Trong nội dung của bài tập lớn này chúng em ngoài việc giới thiệu về cơ quan cảmnhận hình ảnh chính của con người: con mắt cùng với việc miêu tả khả năng cảm nhậncủa nó như thế nào còn giới thiệu thêm về các “cách nhìn nhận” hình ảnh ở đây thựcchất là các hệ biểu diễn màu khác nhau Từ đó đem lại cái nhìn từ mặt kỹ thuật về sựcảm nhận và biểu diễn màu sắc

Cảm ơn thầy Trần Hùng Cường đã giúp đỡ nhóm trong quá trình thực hiện bài tập lớn

này!

1.1.2 Tính chất của ánh sáng

Khi ánh sáng truyền qua mọi vật sẽ truyền một năng lượng nhiệt trên bề mặt của vật.Năng lượng hấp thụ của vật tùy thuộc vào màu sắc của vật Vật có màu sáng dễ hấp thụnăng lượng ánh sáng hơn những vật có màu tối

Khi ánh sáng truyền qua hai môi trường không đồng nhất sẽ chịu ảnh hưởng của hiệntượng khúc xạ Ánh sáng bị bẻ cong hay đi lệch hướng do có thay đổi vận tốc dichuyển

Khi ánh sáng đi qua tinh thể trong suốt sẻ phân tán thành ánh sáng màu của các sắc thể

đỏ, cam, vàng, xanh lá cây, xanh dương, tím

Trong chân không, ánh sáng đi với vận tốc không đổi, thường được ký hiệu là c =299.792.458 m/s

Ánh sáng mắt người nhìn thấy được gọi là ánh sáng nhìn thấy được có bước sóng

380-750 nm Ánh sáng bước sóng ngắn hơn ánh sáng nhìn thấy được gọi là tia cực tím; ánhsáng có bước sóng dài hơn ánh sáng nhìn thấy được gọi là tia hồng ngoại

Màu sắc của anh sáng mắt người nhìn thấy được là một màu trộn lộn từ ba màu sắcchính đỏ, xanh lá cây và xanh dương

1.2 Màu sắc

Màu sắc là cảm giác mang đến cho hệ thần kinh của người từ sự kết hợp tín hiệu của baloại tế bào cảm thụ màu ở mắt người Cảm giác này cũng bị ảnh hưởng "dài hạn" từ trínhớ lưu lại quá trình học hỏi từ khi lớn lên trong xã hội, và "ngắn hạn" bởi các hiệuứng ánh sáng của phông nền

Màu sắc của một tia ánh sáng là cảm giác màu mà tia sáng đó gây nên ở mắt người.Màu sắc của các vật thể là màu sắc của ánh sáng do chúng phát xạ ra (nếu là vật nóngsáng) hay phản xạ từ chúng từ một nguồn chiếu sáng (nếu coi vật là không nóng sáng)

2 Cảm nhận ánh sáng và chuyển động

2.1 Cấu tạo mắt

Mắt người là một phần của não hình thành từ tuần thứ 3 của phôi kỳ dưới dạng hai túithị nguyên thủy, phát triển và lồi dần ra phía trước tạo thành võng mạc, thể thủy tinh và

các thành phần hoàn chỉnh khác Cặp mắt là một trong năm giác quan quan trọng, giúpcon người quan sát và kiểm soát môi trường chung quanh.

Mắt người nằm trong hai lỗ hốc hai bên sống mũi, trên có gò lông mày và trán, dướigiáp xương má Màng mạc bọc xương của hốc mắt nối tiếp bên sau với màng cứng củanão, bọc theo dai dây thần kinh thị giác Bên ngoài có hai mí mắt khi nhắm lại che kínhốc mắt Mí trên có lông mi dài cong, lông mi của mí dưới ít hơn và ngắn hơn Bêntrong hốc mắt có các tuyến nước mắt, các bắp thịt di chuyển mắt, trong cùng là các mô

mỡ chêm đệm không cho mắt bị kéo vào phía sau bởi các bắp thịt

Nhãn cầu gồm 3 lớp màng có tên gọi là:

 Màng ngoài gồm củng mạc và phía trước biến đổi thành giác mạc

 Màng giữa là màng bồ đào, thân bè và mạch lạc mạc, chứa nhiều mạch máu,phía trước dày lên thành cơ thể mi và mống mắt

 Màng trong là võng mạc, chứa các tế bào nhận cảm ánh sáng là tế bào gậy và tếbào nón

Thể thủy tinh giữ vai trò của một thấu kính để hội tụ ánh sáng trên võng mạc Nó đượctreo bởi các dây chằng tròn với cơ thể mi Giữa giác mạc và thể thủy tinh là thủy dịch,giữa thể thủy tinh và võng mạc là dịch kính Cả hai chất dịch này giữ cho mắt không bịxẹp

Chỗ hõm giữa giác mạc và mống mắt được gọi là tiền phòng, đối lại chỗ hõm đóng kínquanh sau mống mắt và phần thắt ngang thủy tinh thể (thấu kính mắt) được gọi là hậuphòng Cả hai phòng đều chứa đầy thủy dịch

Lỗ tròn giữa màng mống mắt được gọi là con ngươi Phần lớn nhất của hõm sau thủytinh thể chứa đầy một chất trong suốt gọi là dịch kính (corpus vitreum) Cái băng đỡ

thủy tinh thể được gọi là vùng bè (mi) (zonula ciliaris zinni) căng ra giữa màng ngangthủy tinh thể và thân bè (corpus ciliare).

Giác mạc, tiền phòng, con ngươi, thủy tinh thể (thấu kính) và dịch kính có chức năngcho xuyên qua và phản chiếu tia sáng, vì vậy chúng được gọi là môi trường xuyên ánhsáng Võng mạc và thần kinh mắt tuần tự là những bộ phận tiếp nhận và truyền dẫnxung động ánh sáng Phần giữa của võng mạc được gọi là hoàng điểm (macula lutea)

có chức năng nhạy cảm nhất

Các cơ của mắt cũng tham gia vào một số chức năng của mắt Các cơ mống mắt giúpđiều chỉnh đường kính đồng tử Cơ thể mi có thể làm thay đổi độ cong của thể thủytinh Các cơ ngoài mắt điều khiển mắt quay về phía mục tiêu thị giác

Tế bào nhận cảm gồm ba vùng: đoạn ngoài, đoạn trong và vùng xináp Đoạn ngoàichứa nhiều đĩa, bên trong chứa quang sắc tố; đoạn ngoài của tế bào gậy mảnh, của tếbào nón dày hơn, hình chóp Đoạn trong chứa nhiều ty thể Vùng xináp tiếp xúc với tếbào ngang và tế bào lưỡng cực; chất dẫn truyền thần kinh là glutamat được phóng thíchliên tục vào khe xináp

Con ngươi mắt bình thường có đường kính là 3.4 – 4.5 mm, khi đường kính đó hơn 5

mm, người ta nói đó là chứng dãn đồng tử (mydriaso) và khi nó ít hơn 2 mm thì đó làchứng co đồng tử (miozo) Thông thường thì người đàn bà có con ngươi mắt lớn hơn ởđàn ông, người cận thị hơn ở người viễn thị, người trẻ hơn ở người già

Biến thái khác của con ngươi (metamorphocoria) được thấy ở trường hợp con ngươi bịdính (sinekio) hoặc ở trường hợp biến chứng giang mai (metasifilo)

Những thay đổi con ngươi đột ngột xảy ra là do phản ứng ánh sáng và phản ứng hội tụ.Khi tia sáng rọi vào mắt, con ngươi bé lại (phản ứng ánh sáng trực tiếp) đồng thời conngươi kia cũng bé lại (phản ứng ánh sáng gián tiếp) Sự phản ứng con ngươi do tia sáng

là hiện tượng cơ bản nhất chỉ rõ những thay đổi bệnh lý khác nhau Con ngươi mất vận

động gọi là con ngươi co cứng, ví dụ như chứng thông manh tuyệt đối (amaurozahemianopsia rigideco) Cái gọi là chứng co cứng con ngươi phản xạ (refleksapupilrigideco), (con ngươi của Argyll Robertson) là trạng thái lạ thường, trong đó conngươi bé lại, thị lực tương đối tốt, phản ứng hội tụ được giữ lại và chỉ có mất phản ứngánh sáng và thường thấy biến chứng giang mai được gọi là chứng ta bét lưng (dorsatabeco) hoặc chứng bại liệt nói chung.

Sau khi rời khỏi mắt, các dây thần kinh từ phân nửa võng mạc phía mũi giao thoa tạigiao thoa thị Sau giao thoa thị là các giải thị đến tận cùng tại thể gối ngoài Từ thể gốingoài các tia thị đến thùy chẩm vỏ não

Đường chéo các xung động, gọi là đường cảm nhận thị giác là đều đặn nhất Những sợiquang học giao chéo nhau (kiasmo) dưới đáy não quanh tuyến yên và lên đến trung tâmnhìn thứ nhất (4 mấu lồi và mấu cạnh hình đầu gối) Xuyên qua trung tâm nhìn thứnhất những sợi thần kinh mới cuối cùng lên đến trung tâm nhìn sau gáy qua các vòngMeyer và các tia nhìn Gratiolet vùng chẩm

2.2 Vì sao ta nhìn thấy màu sắc các vật

Sự kích thích ánh sáng phù hợp với mắt là những tia sáng nhìn được, có nghĩa là có độsóng dài khoảng 400 đến 700nm (nanomatroj: nanômét) Sự kích thích đó được tiếpnhận trước hết do tế bào thị giác võng mạc được gọi là tế bào hình kim và gai thị rồithần kinh thị giác chuyển xung động lên đến trung tâm nhìn trong sọ não

Khi ánh sáng chiếu vào một vật, nó có thể bị vật phản xạ, hấp thụ, hoặc cho đi qua.Chiếu một chùm ánh sáng trắng vào một vật:

 Nếu vật phản xạ tất cả ánh sáng có bước sóng khác nhau chiếu vào nó, thì theohướng phản xạ ta sẽ nhìn thấy vật có màu trắng

 Nếu vật hấp thụ tất cả các ánh sáng có bước sóng khác nhau chiếu tới, thì theohướng phản xạ hoặc truyền qua ta nhìn thấy nó có màu đen

 Nếu vật hấp thụ đa số bức xạ chính trong quang phổ của ánh sáng trắng, nó sẽ

có màu xám

Phần lớn các vật thể có màu sắc là do vật có cấu tạo từ những vật liệu xác định và vậthấp thụ một số bước sóng ánh sáng và phản xạ, tán xạ những bước sóng khác Màu sắccác vật còn phụ thuộc vào màu sách của ánh sáng rọi vào nó và khi nói một vật có màunày nọ, là ta đã giả định nó được chiếu bằng chùm ánh sáng trắng

Màu sắc không thể được xem là đặc tính riêng của một vật thể là hình thù của vật thể

đó Đặc tính cố hữu của các vật thể là hấp thụ hoặc phản xạ các bước sóng nào đó.Chúng ta chỉ có thể cảm nhận các màu tương ứng với các bước sóng phản xạ

Nếu ánh sáng trắng được chiếu vào một đối tượng sẽ có một khả năng dưới đây xảy ra:

 Tất cả ánh sáng bị hấp thụ Trong trườg hợp này, chúng ta cảm nhận đối tượng

có màu đen

 Tất cả ánh sáng được phản xạ Trong trường hợp này, đối tượng có màu trắng

 Tất cả ánh sáng đều đi qua đối tượng Trong trường hợp này màu của ánh sángkhông đổi

Một phần ánh sáng bị hấp thụ, phần còn lại được phản xạ Trong trường hợp này tacảm nhận được màu tùy thuộc vào bước sóng nào của ánh sáng được phản xạ và bướcsóng nào được hấp thụ

Một phần ánh sáng bị hấp thụ, phần còn lại được xuyên qua đối tượng Trong trườnghợp này ta cảm nhận được màu sắc tùy thuộc vào bước sóng nào của ánh sáng bị hấpthụ, bước sóng nào xuyên qua

Một phần ánh sáng được phản xạ, phần còn lại đi qua Trong trường hợp này màu sắccủa ánh sáng được phản xạ và màu của ánh sáng đi xuyên qua sẽ thay đổi

Những đặc tính của đối tựơng được chiếu sáng quyết định việc cảm nhận màu sẽ rơivài một trong các trường hợp trên.

Ánh sáng phản xạ hay truyền qua đối tượng được mắt người ghi nhận và chuyển thànhcác xung thần kinh kích hoạt cảm nhận màu trong bộ não

Võng mạc của mắt người có vô vàn tế bào nhạy sáng Có hai loại tế bào: tế bào hìnhque và tế bào hình nón Tế bào hình que phân biệt độ sáng tối trong khi tế bào hình nónghi nhận màu sắc Có 3 loại tế bào hình nón, 1 loại phản ứng các bước sóng cố địnhtrong dải quang phổ từ 400 đến 500 nm cho cảm giác màu Blue; một loại phản ứng vớibước sóng từ 500 đến 600nm cho cảm giác màu Green và một loại phản ứng với bướcsóng từ 600 đến 700nm cho cảm giác màu Red

2.3 Cảm nhận chuyển động

Mắt người cảm nhận hình ảnh và truyền lên não để xử lý quá trình đó cần một khoảngthời gian nhất định Khi quan sát chuyển động thực tế là ta quan sát hình ảnh của vật tạinhững thời điểm khác nhau liên tiếp, sự sai khác nhau rất nhỏ của những hình ảnh này

sẽ đem tới cho ta cảm giác sự vật đang chuyển động

Với mắt người khi ta quan sát được 24 (hoặc nhiều hơn) hình ảnh của vật trong 1 giâythì mắt sẽ cảm nhận được vật đó đang chuyển động một cách “trơn tru” không có cảmgiác bị “giật” Điều này được sử dụng nhiều trong làm phim hoạt hình nhất là các phimtheo dạng vẽ, các họa sĩ sẽ vẽ các hình với sự thay đổi sai khác nhau rất ít sau đó đểchúng lại cạnh nhau và lướt máy quay hoặc thay đổi các hình lần lượt với tốc độ khôngnhỏ hơn 24 hình trong 1 giây từ đó tạo cho người xem có cảm giác về nhân vật hayhoạt cảnh nào đó đang chuyển động

Tuy nhiên nhiều khi có thể hình ảnh này chưa xử lý xong thì hình ảnh khác đã đượctiếp nhận tạo nên những cảm nhận không được chính xác khi quan sát những chuyểnđộng tạo cảm giác sai lệch ví như các bạn xem trên màn ảnh những nan hoa của bánh

xe bò chạy nhanh hay của một chiếc ô tô du lịch đang phóng nhanh Khi đó bạn sẽ thấymột hiện tượng kỳ quái ô tô lao rất nhanh nhưng bánh xe của nó thì quay rất chậm cókhi còn không quay thậm chí quay theo chiều ngược lại Điều đó có thể được giải thíchnhư sau: khi chúng ta quan sát như vậy chúng ta không nhìn thấy nan hoa 1 cách liêntục mà chỉ thấy chúng sau những khoảng thời gian bằng nhau bởi vì cứ 1 giây chúng talại chỉ có thể nhìn được 24 hình mà thôi, nếu bánh quay được số nguyên vòng trong1/24 giây thì các nan hoa sẽ có vị trí không đổi khi bạn quan sát chúng Còn nếu nóthêm được số nguyên vòng và 1 phần rất nhỏ vòng nữa ta sẽ có cảm giác nó quay rấtchậm còn nếu nó chưa kịp quay hết 1 vòng thì bạn sẽ có cảm giác nó quay ngược lại Cũng từ đó ta dễ dàng thấy nếu trong 1 giây mà số hình thu được quá ít so với số 24 thìbạn sẽ có cảm giác như hình ảnh bị giật và không liên tục.

3 Các hệ biểu diễn màu

3.1 Mô hình màu RGB

3.1.1 Khái niệm

Mô hình màu RGB sử dụng mô hình bổ sung trong đó ánh sáng đỏ, xanh lá cây vàxanh lam được tổ hợp với nhau theo nhiều phương thức khác nhau để tạo thành cácmàu khác Từ viết tắt RGB trong tiếng Anh có nghĩa là đỏ (red), xanh lá cây (green) vàxanh lam (blue), là ba màu gốc trong các mô hình ánh sáng bổ sung

Cũng lưu ý rằng mô hình màu RGB tự bản thân nó không định nghĩa thế nào là "đỏ",

"xanh lá cây" và "xanh lam" một cách chính xác, vì thế với cùng các giá trị như nhaucủa RGB có thể mô tả các màu tương đối khác nhau trên các thiết bị khác nhau có cùngmột mô hình màu Trong khi chúng cùng chia sẻ một mô hình màu chung, không gianmàu thực sự của chúng là dao động một cách đáng kể

Sử dụng mô hình màu RGB như một tiêu chuẩn biểu thị màu trên Internet có nguồngốc từ các tiêu chuẩn cho ti vi màu năm 1953 của RCA và việc sử dụng tiêu chuẩnRGB bởi Edwin Land trong các camera Land / Polaroid

3.1.2 Cơ sở sinh học

Các màu gốc có liên quan đến các khái niệm sinh học hơn là vật lý, nó dựa trên cơ sởphản ứng sinh lý học của mắt người đối với ánh sáng Mắt người có các tế bào cảmquang có hình nón nên còn được gọi là tế bào hình nón, các tế bào này thông thường cóphản ứng cực đại với ánh sáng vàng - xanh lá cây (tế bào hình nón L), xanh lá cây (tếbào hình nón M) và xanh lam (tế bào hình nón S) tương ứng với các bước sóng khoảng

564 nm, 534 nm và 420 nm Ví dụ, màu vàng thấy được khi các tế bào cảm nhận màuxanh ánh vàng được kích thích nhiều hơn một chút so với tế bào cảm nhận màu xanh lácây và màu đỏ cảm nhận được khi các tế bào cảm nhận màu vàng - xanh lá cây đượckích thích nhiều hơn so với tế bào cảm nhận màu xanh lá cây

Mặc dù biên độ cực đại của các phản xạ của các tế bào cảm quang không diễn ra ở cácbước sóng của màu "đỏ", "xanh lá cây" và "xanh lam", ba màu này được mô tả như làcác màu gốc vì chúng có thể sử dụng một cách tương đối độc lập để kích thích ba loại

tế bào cảm quang

Để sinh ra khoảng màu tối ưu cho các loài động vật khác, các màu gốc khác có thểđược sử dụng Với các loài vật có bốn loại tế bào cảm quang, chẳng hạn như nhiều loạichim, người ta có lẽ phải nói là cần tới bốn màu gốc; cho các loài vật chỉ có hai loại tếbào cảm quang, như phần lớn các loại động vật có vú, thì chỉ cần hai màu gốc

3.1.3 Biểu diễn trên máy tính

 Biểu diễn dạng số 24 bit:

Khi biểu diễn dưới dạng số, các giá trị RGB trong mô hình 24 bpp thông thường đượcghi bằng cặp ba số nguyên giữa 0 và 255, mỗi số đại diện cho cường độ của màu đỏ,xanh lá cây, xanh lam trong trật tự như thế Ví dụ:

 (0, 0, 0) là màu đen

 (255, 255, 255) là màu trắng

 (255, 0, 0) là màu đỏ

 (0, 255, 0) là màu xanh lá cây

 (0, 0, 255) là màu xanh lam

 Kiểu 16 bit:

Còn có kiểu 16 bpp, trong đó hoặc là có 5 bit cho mỗi màu, gọi là kiểu 555 hay thêmmột bit còn lại cho màu xanh lá cây (vì mắt có thể cảm nhận màu này tốt hơn so vớicác màu khác), gọi là kiểu 565 Kiểu 24 bpp nói chung được gọi là thật màu, trong khikiểu 16 bpp được gọi là cao màu

 Kiểu 32 bit:

Cái gọi là kiểu 32 bpp phần lớn là sự đồng nhất chính xác với kiểu 24 bpp, do ở đâythực sự cũng chỉ có 8 bit cho mỗi màu thành phần, tám bit dư đơn giản là không sửdụng (ngoại trừ khả năng sử dụng như là kênh alpha) Lý do của việc mở rộng của kiểu

32 bpp là vận tốc cao hơn mà phần lớn các phần cứng ngày nay có thể truy cập các dữ