Thuật toán phục hồi màu cho tư liệu phim ảnh đã bị lão hóa

Bài viết Thuật toán phục hồi màu cho tư liệu phim ảnh đã bị lão hóa giới thiệu một thuật toán mới để phục hồi màu cho các phim và ảnh cũ bị lão hóa. Với các bạn chuyên ngành Công nghệ thông tin thì đây là tài liệu hữu ích.

Tạp chí KHKT Mỏ - Địa chất, số 42/4-2013, tr.103-108 THUẬT TOÁN PHỤC HỒI MÀU CHO TƯ LIỆU PHIM ẢNH ĐÃ BỊ LÃO HÓA LÊ THANH HUỆ, Trường Đại học Mỏ- Địa chất PHẠM CẢNH DƯƠNG, Viện Khoa học Việt Nam Tóm tắt: Trong này, chúng tơi giới thiệu thuật toán để phục hồi màu cho phim ảnh cũ bị lão hóa Thuật tốn xây dựng dựa mơ hình bạc màu affine, biễu diễn mật độ lớp màu phim, phụ thuộc vào nhân tố ảnh hưởng đến trình bạc màu,được đề xuất R Gschwind F Frey với phương pháp cân màu lược đồ màu đa kênh xây dựng không gian màu RGB Thuật toán đề nghị chủ yếu tập trung vào việc hiệu chỉnh điểm có độ chói trung bình đặc biệt điểm gần xám phương pháp lặp xấp xỉ số hóa hình ảnh, người ta bắt đầu nghiên cứu Đặt vấn đề Ảnh phim màu phản ánh thực tế trung phương pháp phục hồi ảnh bạc màu dựa thực phong phú ảnh phim đen trắng công cụ xử lý ảnh số Tuy nhiên, Tuy nhiên đặc điểm vật liệu kết thu hạn chế Các hệ thống cơng nghệ chế tạo, tư liệu màu có độ bền khơi phục thương mại đại đòi hỏi tư liệu đen trắng, phổ biến can thiệp người nhiều khâu có giá tượng bạc màu suy giảm tương phản thành cao (ví dụ: Hệ thống xử lý màu Da Sau thời gian lưu trữ khoảng 10 năm, Vinchi (Mỹ) chào bán với giá khoảng hình ảnh thường bị mờ cân màu triệu bảng Anh) Nhìn chung, phương pháp sắc, khiến chất lượng cảm nhận hình ảnh bị suy phục hồi ảnh bạc màu, lão hóa bao gồm giảm nhiều Các phần tử tạo ảnh phim bước sau: - Xây dựng mơ hình tốn học mô tả đen trắng phần tử bạc nguyên chất, bền vững phản ứng hóa học Các trình bạc màu phim theo thời gian, nhiệt độ, phần tử tạo ảnh phim màu phần tử độ ẩm cường độ ánh sáng tác động lên vật nhuộm màu hữu cơ, dễ bị phân hủy điều liệu ảnh - Xây dựng thuật tốn cho phép xác kiện nóng ẩm bị chiếu sáng lâu Vì phim, ảnh đen trắng bị bị ảnh hưởng nhiệt định lại mật độ màu ban đầu ảnh dựa độ độ ẩm môi trường so với phim, số đo mật độ màu ảnh bị bạc màu ảnh màu Hơn nữa, tốc độ phân hủy các thơng số mơ hình bạc màu màu khác không đồng dẫn đến 1.1 Cấu tạo phim màu (âm bản) Phim điện ảnh màu cấu tạo từ cân màu sắc, làm giảm nhanh lớp nhũ nhậy sáng lớp lọc, phủ đế chóng chất lượng hình ảnh Từ năm 1990 nhờ vào phát chất dẻo (Acetate Polyester) triển nhanh chóng kỹ thuật số thiết bị hình Hình Cấu tạo phim màu (âm bản) 103 - Lớp nhũ nhậy sáng: lớp chứa phần tử nhạy sáng chứa thơng tin hình ảnh, màu sắc - Lớp chống phản quang: lớp nằm lớp nhũ nhạy sáng đế phim 1.2 Mô hình tốn học tượng bạc màu Để sử dụng phương pháp xử lí số cho việc phục hồi màu sắc tư liệu phim ảnh màu, cần xây dựng mơ hình tốn học biễu diễn mật độ lớp màu phim, phụ thuộc vào nhân tố ảnh hưởng đến trình bạc màu như: thời gian lưu trữ, nhiệt độ, độ ẩm môi trường lưu trữ cường độ ánh sáng tác động lên vật liệu ảnh Từ cuối năm 1990, dựa số liệu thực tế nhiều thí nghiệm nhiều loại phim màu khác nhau, điều kiện bảo quản khác nhau, R Gschwind F S Frey [1] xây dựng mơ hình phù hợp, mơ tả xác trình bạc màu phim điện ảnh nhiều loại giấy ảnh màu Mơ hình kiểm nghiệm chấp nhận rộng rãi Gọi (r ' , g ' , b' ) độ chói điểm ảnh (i, j ) ảnh bạc màu (r , g , b) độ chói ban đầu (ta cần xác định) điểm Khi ta có mối quan hệ sau:  r '   a11 a 12 a13  r   a41   '      , (1.1)  g    a21 a22 a23  g    a42  '       b   a31 a32 a33  b   a43    với aij - phần tử ma trận bạc màu A Các phương pháp phục hồi màu Sau chúng tơi trình bày vắn tắt số phương pháp phục hồi màu cho phim ảnh màu đề xuất năm gần Nhìn chung phương pháp đề xuất dựa mơ hình bạc màu (1.1) dựa lý thuyết retinex [3] chế cảm nhận màu thị giác 2.1 Các phương pháp dựa mơ hình bạc màu R Gschwind F S Frey [1] phát triển kỹ thuật tăng tốc độ lão hóa cho nhiều thử nghiệm, tác giả xác định thông số aij (1.1) cho nhiều loại phim thông 104 - Đế phim: Có loại chất dẻo sử dụng làm đế phim là: Nhựa hữu nitrat, nhóm Acetate, đế polyester dụng với điều kiện thời gian bảo quản khác Tuy nhiên, thực tế, đặc biệt tư liệu bảo quản nước ta thơng thường ta biết xác chủng loại phim, thời gian điều kiện điều kiện bảo quản chúng Do vậy, thơng số có giá trị tham khảo Từ (1.1) ta thấy, để xác định 12 tham số aij , cần biết độ chói (r , g , b) ban đầu điểm ảnh Vì thơng thường ta khơng có thơng tin ảnh ban đầu, nên việc xác định điểm khó khăn Trong [2], M Chambah B.Besserer đề xuất phương án đoán giá trị điểm đó, dựa màu quen thuộc xuất ảnh màu da mặt nhân vật, màu cây, màu trời xanh v.v… 2.2 Các phương pháp cân màu Các phương pháp cân màu phát triển nhằm mục đích khắc phục tượng thiên màu ảnh chụp điều kiện ánh sáng không chuẩn Các phương pháp dựa đặc tính cảm nhận màu sắc thị giác Con người thông thường không cảm nhận màu sắc vùng tối ảnh Các vùng ghi nhận màu xám Hơn nữa, ảnh đạt chất lượng tiêu chuẩn độ chói trung bình kênh màu thường Tương tự, vùng sáng ảnh thường thị giác cảm nhận màu trắng Do thông thường phương pháp cân màu là: phương pháp “Vùng xám” (Grey World Method) phương pháp “Trắng cực đại” (Max White Method)  Phương pháp Grey World: Phương pháp giả thiết độ chói trung bình kênh màu R, G, B ảnh Giả sử độ chói trung bình kênh màu R, G, B tương ứng mR, mG, mB Ta giữ kênh G khơng đổi, hệ số tỷ lệ kênh R B xác định sau: aR  mG / mR aB  mG / mB , (2.1)  Phương pháp Max White: Phương pháp Max White giả thiết điểm sáng có độ chói cực đại kênh màu R, G, B  2n , 2n , 2n  , với n - số bít biễu diễn kênh ảnh (thơng thường n = 8; n= 16) Độ khuếch đại kênh màu xác định sau: aR  2n / RMax aG  2n / GMax , (2.2) aB  / BMax Nhiều cải tiến đề xuất chủ yếu dựa ý tưởng hai phương pháp kể [4, 5, 6] Trong phần tiếp theo, chúng tơi trình bày phương pháp mới, phát triển từ mơ hình để phục hồi màu cho phim ảnh màu Phương pháp kết hợp cân màu mơ hình bạc màu Trong mục chúng tơi trình bày phương pháp phục hồi màu dựa mơ hình bạc màu (1.1) Phương pháp cho kết khôi phục tốt, đồng thời cho phép giảm thiểu đáng kể can thiệp người q trình khơi phục Ta có ký hiệu sau: X '  (r ' , g ' , b' )T  R3 - điểm ảnh đo được; X  (r, g, b)T  R3 - điểm ảnh ban đầu (chưa bị bạc màu);  a11 a 12 a13  A   a21 a22 a23  - ma trận bạc màu có a   31 a32 a33  kích thước (3x3); b  (b1 , b2 , b3 )T - véc tơ biểu thị độ lão hóa đế phim Khi mơ hình bạc màu có dạng sau: ' (3.1) x  Ax  b , Để phục hồi giá trị ban đầu x thông qua giá trị ảnh bạc màu x’, cần xác định 12 thông số aij , bi từ ta có: n Bước Chúng ta xét dạng đặc biệt (3.1) sau:  a11 x     ' a22 0   b1   (1)  x   b2  b  a33   3 , (3.3) Vì hệ số ngồi đường chéo ma trận A thường nhỏ so với phần tử đường chéo chính, nên (3.3) xem mơ hình xấp xỉ (1.1) Để xác định thông số (3.3), cần xác định giá trị hai điểm ảnh ảnh phải tìm x (1) Tương tự thuật toán Max – White, chọn điểm sáng (cho ứng với giá trị (255, 255, 255)) điểm tối (cho ứng với giá trị (0, 0, 0)) ảnh x’ Bước cho phép phục hồi xác màu sắc phần sáng tối ảnh Đồng thời phần tử đường chéo A giúp phục hồi biên độ độ tương phản kênh màu R, G, B riêng biệt Tuy nhiên, vùng có độ chói trung bình đặc biệt, vùng gần xám, ta thấy tượng thiên màu Bước 2: Trong bước đề xuất công cụ để loại thiên màu: biểu đồ độ chói tổng hợp khơng gian (R, G, B) Khác với biểu đồ độ chói thơng thường (histogram) xây dựng kênh mau riêng biệt, biểu đồ độ chói tổng hợp xây dựng khơng gian (R, G, B) hình x  A1 ( x'  b) , (3.2) Phương pháp xây dựng thực hai bước: Hình Khơng gian màu (R, G, B) 105 Trước tiên ta định nghĩa “điểm ảnh gần xám” Khơng tính tổng qt, ta giả thiết ảnh I số hóa 24 bit (8 bit cho kênh màu) Ta kí hiệu Smin (Smin  255) độ bão hòa màu Khi đó, hệ tọa độ trọng tâm hình ta có điểm x thuộc mặt phẳng [R, G, B] x  (  ,  ,  );       tối thiểu (thông thường Smin  40  60 ) Với điểm ảnh x  (r , g , b)  I ta nói x điểm ảnh gần xám nếu:  max r; g; b  r; g; b  S Thuật toán đề nghị chủ yếu tập trung vào việc hiệu chỉnh điểm có độ chói trung bình đặc biệt điểm gần xám Xét mặt phẳng [R, G, B] (hình 2) Tọa độ Descarte đỉnh R, G, B R = (384, 0, 0); G = (0, 384, 0); B = (0, 0, 384) Gọi Op trọng tâm tam giác RGB, tọa độ Descarte Op là: Op  (128,128,128) , (3.4) Tọa độ trọng tâm Op mặt phẳng [R, G, B] là: 1 Op  R  G  B , (3.5) 3 Kí hiệu   Op , hình chiếu x’ điểm x = (r, g, b) mặt phẳng [R, G, B] biễu diễn công thức: O  x' x , với Op  p , (3.6) x , Op  Ta có cơng thức biến đổi tọa độ trọng tâm x   R, G, B sang tọa độ Descarte ngược lại Cho x  (r, g , b)  R, G, B biểu diễn x hệ tọa độ trực giao Khi đặt M  r  g  b, ta có biểu diễn x hệ tọa độ trọng tâm [R, G, B]: x  R   G   B r g b với:   ,   ,   M M M Tiếp theo ta xây dựng lược đồ Histogram tam giác RGB (hình 3) Xét hệ tọa độ trọng tâm mặt phẳng [R, G, B] Với số nguyên N cho trước ta chia đoạn [0, 1] thành 2N đoạn điểm chia: i n0  0, n1  N , , ni  N , , n2 N  2 106 Hình Phân hoạch tam giác RGB với N = Các đoạn:  2N     1  R0  0, N  ; R1   N , N  ; ; R2N 1   N ,1 ;   2    tương tự tọa độ G B Các điểm dạng (  ,  ,  )  (ni , n j ,1  (ni  n j )), với i,j =0,1, ,2N, ni +nj ≤ xác định phân hoạch tam giác RGB Ta ký hiệu bij @1- (ni + n j ) cho (ni + n j £ 1) Với i, j = 0,1, , 2N - cho (ni + n j £ 1) , hình thoi xác định điểm (ni,nj,βi,j,), (ni+1,nj,βi+1,j,), (ni,nj+1,βi,j+1,), (ni+1,nj+1,βi+1,j+1,), hay nói cách khác xác định cạnh ρ=ni; γ=nj; ρ=ni+1; γ=nj+1 gồm tam giác phân chia b = bi , j+ = bi+ 1, j , tam giác có tọa độ thỏa mãn:       ta gọi tam giác loại I ký hiệu Ti1,j , tam giác lại có tọa độ thỏa mãn       gọi tam giác loại II ký hiệu Ti ,2j Ngồi có số hình thoi xác định có tam giác loại I nằm tam giác RGB dọc theo đường B=0 Như vậy, tam giác RGB phân hoạch thành tam giác Ti1, j Ti ,2j Để đếm điểm ảnh có độ chói trung bình rơi vào tam giác phân hoạch trên, ta xây dựng mảng đếm điểm A[i,j], i,j = 1, 2, …, 2N+1 Đây mảng gồm (2N + 1) × (2N + 1) phần tử Số điểm ảnh rơi vào tam giác Ti1,j ghi vào phần A[i+1, j+1], số điểm ảnh rơi vào tam giác ghi vào phần tử A[(2N+1) j, (2N+1)- i], đối xứng qua đường chéo phụ Bước ta xác định lược đồ Histogram, trước tiên ta tính trọng tâm tam giác phân hoạch tam giác RGB Đặt   , (tức 1/3 đoạn nhỏ 3.2 N 1/2N) Đối với tam giác loại I có tọa độ cạnh ta có   ni ,   n j ,   nk , ni  n j  nk  1, tọa độ trọng tâm xác định bởi: i j k  ;  c1  N  ; c1  N   , (3.7) N 2 2 Với tam giác loại II, Ti , j , ni  n j  nk  , tọa độ trung tâm là: i j k c2  N  2;  c2  N  2; c2  N  2 , (3.8) 2 trọng tâm lược đồ xác định công thức: P  ( xij1 cij1  xij2cij2 ) , (3.9) M i, j đây: xij - số điểm ảnh rơi vào tam giác Tij1 ; c1  xij2 - số điểm ảnh rơi vào tam giác Tij2 ; Cij1  ( c1 ,  c1 , c1 ) - trọng tâm tam giác loại I, Tij1 ; Hình Véc tơ thiên màu Với véc tơ thiên màu F  ( FR , FG , FB ) , ta sử dụng phương pháp “hiệu chỉnh gamma” để điều chỉnh lại giá trị màu điểm ảnh x(1), với giá trị gamma xác định sau cho màu: ln(0,5  FG ) ln(0,5  FR ) G  R ; ; ln(0,5) ln(0,5) ln(0,5  FB ) B ln(0,5) Kết thu xấp xỉ x(2) tốt ảnh ban đầu ảnh x(2) sử dụng để xác định lại tồn 12 thơng số mơ hình (2) Sau ta sử dụng cơng thức (3.2) để phục hồi màu cho toàn ảnh đoạn phim cần phục chế Thử nghiệm thực tế Thuật toán lập trình ngơn ngữ C số Tool MapLap 7.0 Các moduls chương trình thử nghiệm số trích đoạn từ phim lưu trữ, sản xuất từ năm 1970 – 1980 thu thập Viện phim Việt Nam số ảnh mẫu Địa chất Trung tâm Bảo tàng Địa chất Kết phục chế tốt hầu hết mẫu thử Cij2  ( c2 ,  c2 , c2 ) - trọng tâm tam giác II, Tij2 ; M   ( xij1  xij2 ) - số điểm ảnh tích lũy ij Histogram Từ tọa độ trọng tâm lược đồ trọng tâm tam giác RGB, ta có véc tơ thiên màu (xem hình 4): 1 F  P( , , ) , (3.10) 3 Hình Ảnh khoảng tướng sau xử lý 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Ảnh khoảng tướng gốc bị mờ Kết luận Chúng tơi tiến hành tính tốn thử nghiệm thuật tốn chạy kiểm tra thử chương trình có số nhận xét sau: - Hầu hết mẫu liệu ảnh thu thập sau phục hồi ảnh cho hiệu tốt - Đối với ảnh thành phần với đặc tính khác áp dụng thuật tốn phục hồi thích hợp để đảm bảo cơng việc đạt hiệu cao Ngồi ra, hai cơng việc tiến hành song song, cuối cộng vào cho ta ảnh nguyên phục hồi, tiết kiệm thời gian tính tốn [1] GSCHWIND R., FREY F S and ROSENTHALER L, 1995 Electronic Imaging: A Tool for The Reconstruction of Faded Color Photographs and Color Movies, Proc SPIE Image and Video Processing III, pp 57-63 [2] CHAMBAH M and BESSERER B, 2000 Digital Color Restoration of Faded Motion Pictures, CGIP Conf Proc, pp 338-342 [3] LAND E, 1977 The Retinex Theory of Color Vision, Scientific American 237-3:2-17 [4] LAM E, 2005 Combining Gray World and Retinex Theory for AutomaticWhite Balance in Digital Photography, ISCE, pp 134-139 [5] LAM E, 2005 Combining Gray World and Retinex Theory for AutomaticWhite Balance in Digital Photography, Proc of the Ninth Intern Symp on Consumer Electronics, ISCE, Macau SAR, Hong Kong, pp 134-139 [6] AHMED A M T, July 2009 The Max White Effect on The Gray World WhiteBalancing Algorithm, Proc of the Visualization, Imaging and Image Processing Conf., VIIP, Cambridge, UK, pp 237-242 [7] NIKITENKO D and WIRTH M, Dec 2008 Applicability of White-Balancing Algorithms to Restoring Faded Colour Slides: An Empirical Evaluation”, J of Multimedia, vol 3, No5 SUMMARY New Restoration Algorith for damage data base of films and pictures Le Thanh Hue, University of Mining and Geology Pham Canh Duong, CIID, VAST In this paper, we present a new algorithm to restore colors for old photographs and films The algorithm is based on the affine bleach model a method of multichannel color histogram newly constructed in RGB color space The affine bleach model, proposed by R Gschwind and F Frey, show the density of color layers depending on major factors influential to the fading process The algorithm focuses on correction points of medium exposure, especially nearly grey points, with iterative approximation method 108 ... hình ảnh, màu sắc - Lớp chống phản quang: lớp nằm lớp nhũ nhạy sáng đế phim 1.2 Mơ hình tốn học tư ng bạc màu Để sử dụng phương pháp xử lí số cho việc phục hồi màu sắc tư liệu phim ảnh màu, cần... trận bạc màu A Các phương pháp phục hồi màu Sau chúng tơi trình bày vắn tắt số phương pháp phục hồi màu cho phim ảnh màu đề xuất năm gần Nhìn chung phương pháp đề xuất dựa mơ hình bạc màu (1.1)... điểm ảnh ảnh phải tìm x (1) Tư ng tự thuật toán Max – White, chọn điểm sáng (cho ứng với giá trị (255, 255, 255)) điểm tối (cho ứng với giá trị (0, 0, 0)) ảnh x’ Bước cho phép phục hồi xác màu