Cảm nhận và biểu diễn màu sắc

Cảm nhận và biểu diễn màu sắc

VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

-o0o -BÀI TẬP LỚN

Xử lý ảnh

Đề tài : Cảm nhận và biểu diễn màu sắc

Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Linh Giang Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Bách

Nguyễn Thị Hòa Nguyễn Văn Hải

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 4

Phân công công việc 5

1 Ánh sáng, màu sắc 6

1.1 Ánh sáng 6

1.1.1 Khái niệm 6

1.1.2 Tính chất của ánh sáng 7

1.2 Màu sắc 7

2 Cảm nhận ánh sáng và chuyển động 8

2.1 Cấu tạo mắt 8

2.2 Vì sao ta nhìn thấy màu sắc các vật 13

2.3 Cảm nhận chuyển động 15

3 Các hệ biểu diễn màu 17

3.1 Mô hình màu RGB 17

3.1.1 Khái niệm 17

3.1.2 Cơ sở sinh học 18

3.1.3 Biểu diễn trên máy tính 18

3.2 Mô hình màu CMY 21

3.2.1 Mô hình màu CMY 21

3.2.2 Mô hình màu CMYK 23

3.3 Mô hình HSI – Hue-Saturation-Intensity 24

3.4 Các hệ biểu diễn màu khác 25

3.4.1 Mô hình HSB 25

3.4.2 Mô hình YUV 26

3.4.3 Mô hình màu YIQ 27

3.4.4 Mô hình CIE L*a*b 28

4 Chuyển đổi giữa các hệ biểu diễn màu Lập trình mô phỏng 29

4.1 Chuyển đổi giữa các hệ biểu diễn màu 29

4.1.1 Chuyển đổi RGB - CMY (CMYK) 29

4.1.2 Chuyển đổi RGB – HSI 30

4.1.3 Chuyển đổi RGB với các hệ màu khác 31

4.2 Chương trình mô phỏng 32

4.1.1 Các chức năng của chương trình 32

4.2.2 Đánh giá chương trình 35

5 Lời kết 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

LỜI MỞ ĐẦU

Có người đã từng nói thực chất thì con người đang cảm nhận thế giới chứ không phải quan sát thế giới và những cảm nhận thường mang nặng tính chủ quan phụ thuộc vào từng cá nhân Xét về mặt sinh lý điều đó cũng có nhiều điểm đúng Khi chúng ta nhận thế 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 ảnh nhưng 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 cảm nhận hình ảnh chính của con người: con mắt cùng với việc miêu tả khả năng cảm nhận của nó như thế nào còn giới thiệu thêm về các “cách nhìn nhận” hình ảnh ở đây thực chất là các

hệ biểu diễn màu khác nhau Từ đó đem lại cái nhìn từ mặt kỹ thuật về sự cảm nhận và biểu diễn màu sắc

Cảm ơn thầy Nguyễn Linh Giang đã giúp đỡ nhóm trong quá trình thực hiện bài tập lớn này!

Phân công công việc

2

Các hệ biểu diễn màu, biến đổi

giữa các hệ biểu diễn màu

Nguyễn Văn Hải Có sự giúp đỡ của:

Nguyễn Quang BáchNguyễn Thị Hòa

3

Lập trình mô phỏng Nguyễn Văn Hải

Nguyễn Thị Hòa

Có sự giúp đỡ của:Nguyễn Quang Bách

4

Tổng hợp kết quả, viết báo cáo Nguyễn Quang Bách

Nguyễn Văn HảiNguyễn Thị Hòa

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 thụ năng 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 hiện tượng khúc xạ Ánh sáng bị bẻ cong hay đi lệch hướng do có thay đổi vận tốc di chuyển.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; ánh sáng 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 sắc chính 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 ba loại tế bào cảm thụ màu ở mắt người Cảm giác này cũng bị ảnh hưởng "dài hạn" từ trí nhớ lưu lại quá trình học hỏi từ khi lớn lên trong xã hội, và "ngắn hạn" bởi các hiệu ứng 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 nóng sáng) 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 túi thị 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, giúp con 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, dưới giáp xương má Màng mạc bọc xương của hốc mắt nối tiếp bên sau với màng cứng của não, bọc theo dai dây thần kinh thị giác Bên ngoài có hai mí mắt khi nhắm lại che kín hốc mắt Mí trên có lông mi dài cong, lông mi của mí dưới ít hơn và ngắn hơn Bên trong 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 tế bào nón

Thể thủy tinh giữ vai trò của một thấu kính để hội tụ ánh sáng trên võng mạc Nó được treo 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 bị xẹp

Chỗ hõm giữa giác mạc và mống mắt được gọi là tiền phòng, đối lại chỗ hõm đóng kín quanh sau mống mắt và phần thắt ngang thủy tinh thể (thấu kính mắt) được gọi là hậu phòng 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 thủy tinh 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 ngang thủy tinh thể và thân bè (corpus ciliare).

Giác mạc, tiền phòng, con ngươi, thủy tinh thể (thấu kính) và dịch kính có chức năng cho xuyên qua và phản chiếu tia sáng, vì vậy chúng được gọi là môi trường xuyên ánh sáng Võng mạc và thần kinh mắt tuần tự là những bộ phận tiếp nhận và truyền dẫn xung 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 giúp điều chỉnh đường kính đồng tử Cơ thể mi có thể làm thay đổi độ cong của thể thủy tinh 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 ngoài chứa nhiều đĩa, bên trong chứa quang sắc tố; đoạn ngoài của tế bào gậy mảnh, của tế bào nón dày hơn, hình chóp Đoạn trong chứa nhiều ty thể Vùng xináp tiếp xúc với tế bào ngang

và tế bào lưỡng cực; chất dẫn truyền thần kinh là glutamat được phóng thích liên 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 là chứng co đồng tử (miozo) Thông thường thì người đàn bà có con ngươi mắt lớn hơn ở đàn 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 bị dính (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 con ngươi 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 (amauroza hemianopsia rigideco) Cái gọi là chứng co cứng con ngươi phản xạ (refleksa pupilrigideco), (con ngươi của Argyll Robertson) là trạng thái lạ thường, trong đó con ngươi bé lại, thị lực tương đối tốt, phản ứng hội tụ được giữ lại và chỉ có mất phản ứng ánh sáng và thường thấy biến chứng giang mai được gọi là chứng ta bét lưng (dorsa tabeco) hoặc chứng bại liệt nói chung.

Sau khi rời khỏi mắt, các dây thần kinh từ phân nửa võng mạc phía mũi giao thoa tại giao thoa thị Sau giao thoa thị là các giải thị đến tận cùng tại thể gối ngoài Từ thể gối ngoài 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 sợi quang học giao chéo nhau (kiasmo) dưới đáy não quanh tuyến yên và lên đến trung tâm nhìn thứ nhất (4 mấu lồi và mấu cạnh hình đầu gối) Xuyên qua trung tâm nhìn thứ nhất những sợi thần kinh mới cuối cùng lên đến trung tâm nhìn sau gáy qua các vòng Meyer

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 độ sóng dài khoảng 400 đến 700nm (nanomatroj: nanômét) Sự kích thích đó được tiếp nhận trước hết do tế bào thị giác võng mạc được gọi là tế bào hình kim và gai thị rồi thần 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 theo hướng 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 theo hướng 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 vật hấp thụ một số bước sóng ánh sáng và phản xạ, tán xạ những bước sóng khác Màu sắc các vật còn phụ thuộc vào màu sách của ánh sáng rọi vào nó và khi nói một vật có màu này 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 sáng không đổi

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

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

Một phần ánh sáng được phản xạ, phần còn lại đi qua Trong trường hợp này màu sắc của 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 rơi vài một trong các trường hợp trên.

Ánh sáng phản xạ hay truyền qua đối tượng được mắt người ghi nhận và chuyển thành các 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 hình que

và tế bào hình nón Tế bào hình que phân biệt độ sáng tối trong khi tế bào hình nón ghi nhận màu sắc Có 3 loại tế bào hình nón, 1 loại phản ứng các bước sóng cố định trong dải quang phổ từ 400 đến 500 nm cho cảm giác màu Blue; một loại phản ứng với bước sóng từ 500 đến 600nm cho cảm giác màu Green và một loại phản ứng với bước sóng 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 khoảng thời gian nhất định Khi quan sát chuyển động thực tế là ta quan sát hình ảnh của vật tại những 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 giây thì mắt sẽ cảm nhận được vật đó đang chuyển động một cách “trơn tru” không có cảm giác bị “giật” Điều này được sử dụng nhiều trong làm phim hoạt hình nhất là các phim theo dạng vẽ, các họa sĩ sẽ vẽ các hình với sự thay đổi sai khác nhau rất ít sau đó để chúng lại cạnh nhau và lướt máy quay hoặc thay đổi các hình lần lượt với tốc độ không nhỏ hơn 24 hình trong 1 giây từ đó tạo cho người xem có cảm giác về nhân vật hay hoạt cảnh nào đó đang chuyển động

Tuy nhiên nhiều khi có thể hình ảnh này chưa xử lý xong thì hình ảnh khác đã được tiếp nhận tạo nên những cảm nhận không được chính xác khi quan sát những chuyển động

chạy nhanh hay của một chiếc ô tô du lịch đang phóng nhanh Khi đó bạn sẽ thấy một hiện tượng kỳ quái ô tô lao rất nhanh nhưng bánh xe của nó thì quay rất chậm có khi còn không quay thậm chí quay theo chiều ngược lại Điều đó có thể được giải thích như sau: khi chúng ta quan sát như vậy chúng ta không nhìn thấy nan hoa 1 cách liên tục mà chỉ thấy chúng sau những khoảng thời gian bằng nhau bởi vì cứ 1 giây chúng ta lại chỉ có thể nhìn được 24 hình mà thôi, nếu bánh quay được số nguyên vòng trong 1/24 giây thì các nan hoa sẽ có vị trí không đổi khi bạn quan sát chúng Còn nếu nó thêm được số nguyên vòng và 1 phần rất nhỏ vòng nữa ta sẽ có cảm giác nó quay rất chậm 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 thì bạn sẽ có cảm giác như hình ảnh bị giật và không liên tục

3 Các hệ biểu diễn màu

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 nhau của RGB có thể mô tả các màu tương đối khác nhau trên các thiết bị khác nhau có cùng một

mô hình màu Trong khi chúng cùng chia sẻ một mô hình màu chung, không gian màu 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 nguồn gốc

từ các tiêu chuẩn cho ti vi màu năm 1953 của RCA và việc sử dụng tiêu chuẩn RGB 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 sở phản ứng sinh lý học của mắt người đối với ánh sáng Mắt người có các tế bào cảm quang có hình nón nên còn được gọi là tế bào hình nón, các tế bào này thông thường có phản ứng cực đại với ánh sáng vàng - xanh lá cây (tế bào hình nón L), xanh lá cây (tế bào 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 màu xanh ánh vàng được kích thích nhiều hơn một chút so với tế bào cảm nhận màu xanh lá cây và màu đỏ cảm nhận được khi các tế bào cảm nhận màu vàng - xanh lá cây được kích 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 các bước sóng của màu "đỏ", "xanh lá cây" và "xanh lam", ba màu này được mô tả như là các 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 thể được

sử dụng Với các loài vật có bốn loại tế bào cảm quang, chẳng hạn như nhiều loại chim, người ta có lẽ phải nói là cần tới bốn màu gốc; cho các loài vật chỉ có hai loại tế bào 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

Khi biểu diễn dưới dạng số, các giá trị RGB trong mô hình 24 bpp thông thường được ghi 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