Khuôn dạng HSI.[r]
(1)Chương 21
XỬ LÝ ẢNH MÀU VÀ
ẢNH ĐA PHỔ
21.1 GIỚI THIỆU
Trong chương trước, đề cập tới ảnh số hai chiều Các ảnh coi có mức xám hàm hai biến không gian Một tổng quát hoá dễ hiểu lên ba chiều cho ảnh có mức xám hàm hai biến không gian biến phổ Chúng gọi các ảnh đa phổ Khi việc lấy mẫu phổ bị
giới hạn ba dải tương ứng với ba dải phổđỏ, lục lam mà hệ thống thị giác người cảm nhận, gọi thủ tục xử lý ảnh màu
Một ảnh ba chiều tạo cách lấy mẫu không hai toạ độ
không gian ảnh quang học, mà cịn phổ bước sóng ánh sáng điểm Vì vậy, thay lượng tử hoá tổng cường độ ánh sáng chiếu lên điểm ảnh, ta lấy mẫu lượng tử hoá phổđiện từ ánh tới Việc tạo thành ảnh ba chiều mà mức xám hàm hai biến không gian biến thứ ba bước sóng quang học
Phạm trù liên quan tới việc xử lý ảnh thường gọi phân tích ảnh đa phổ Ảnh kết gọi với tên ảnh đa số (multidigital) Chúng thường tổ chức chuỗi ảnh số hai chiều, mà ảnh số có cách số hóa ảnh ban đầu dải phổ hẹp
21.2 PHÂN TÍCH ẢNH ĐA PHỔ
Có lẽđiểm bật phân tích đa phổđó lĩnh vực cảm biến từ
xa Các ảnh đa phổ thu từ máy bay hay trạm không gian bay vùng cần nghiên cứu bề mặt trái đất Mỗi điểm ảnh cảm biến thiết bị đo ánh sáng dải hẹp Vì thế, ảnh số hoá với điểm ảnh nhiều giá trị, thường
được sử dụng 24 hay 24 kênh phổ Mỗi ảnh hai chiều thể đối tượng giống xuất qua lọc quang học dải hẹp Giải phổ kiểm soát phân tích đa phổ khơng cần phải giới hạn phổ nhìn thấy Thơng thường, dải mà quan tâm mở rộng từ tia hồng ngoại qua phổ nhìn thấy tia tử ngoại
Phần đáng ý phân tích phổ dành hết cho sự phân lớp điểm ảnh Trong trình này, ảnh phân chia thành vùng tương ứng với kiểu bề
mặt khác nhau, ví dụ vùng hồ, cánh đồng, cánh rừng, khu dân cư khu công nghiệp Mỗi điểm ảnh đa trịđược phân lớp với kiểu bề mặt sử
dụng tập số đo mật độ phổ Sự phân lớp hoàn thành với kỹ thuật tương tự nhưđã đề cập chương 20 Thường thường, phép tốn đại số ví dụ
(2)mặt xác thực Độc giả có quan tâm nên tham khảo tài liệu cảm biến từ xa để
có thể hiểu thêm vấn đề 21.3 XỬ LÝ MÀU ẢNH
21.3.1 Cảm nhận màu
Khuôn dạng quen thuộc ảnh đa phổ khả cảm nhận màu thông thường Võng mạc mắt người bao phủ với tế bào thần kinh cảm nhận ánh sáng (Hình 21-1) có chức tương tự vị trí cảm nhận chip CCD Các tế bào thần kinh cảm nhận sáng hấp thụ ánh sáng từảnh tập trung võng mạc thuỷ tinh thể võng mạc Chúng sinh xung thần kinh tới não, thông qua xấp xỉ triệu sợi dây thần kinh quang học Tần số xung mã hoá thành độ sáng ánh sáng tới
HÌNH 21-1
Hình 21-1 Mắt người (mắt phải, nhìn từ xuống)
Tế bào cảm quang trộn lẫn hai loại, tế bào hình que tế bào hình nón, gọi theo hình dạng vật lý chúng Tế bào hình que nhạy cảm hơn, cung cấp cho khả cảm nhận ánh sáng, đêm tối đơn sắc Tế bào hình nón có khả cảm nhận màu, chỉở mức ánh sáng cao
Tế bào hình nón có ba loại, điểm khác chủ yếu tính chất quang hố chúng chuyển đổi ánh sáng thành xung thần kinh Tế bào hình nón chia thành phần thấy phổđiện từ thành ba dải: đỏ, lục lam Vì nguyên nhân mà ba màu coi màu chínhđối với khả nhìn người Hình 21-2
đưa phổ nhạy cảm ba loại tế bào hình nón hệ thống cảm nhận người
(3)Hình 21-2 Phổđộ nhạy cảm tế bào cảm quang mắt người Các xung thần kinh sinh tế bào cảm quang đáp ứng lại ánh sáng qua lớp tế bào lưỡng cực lớp tế bào hạch Mạng nơ ron nhân tạo miêu tả
trong chương 20 mô sau kiến trúc hoạt động tế bào võng mạc Các sợi trục khoảng chừng triệu tế bào hạch tạo thành dây thần kinh quang học, hướng dẫn liệu ảnh tới não
21.3.2 Ảnh ba màu
Vì chất hệ thống thị giác người, nên phần lớn sản phẩm trình bày
cố gắng phí tổn ảnh điện tửđã dành hết cho hệ thống ba màu, đặc biệt camera truyền hình, số hố, thiết bị hiển thị máy in Vì vậy, chế độ ba màu coi đặc biệt quan trọng Không tăng cường ảnh màu thực ba màu, mà phân tích định lượng ảnh màu thường thực thiết bị ba màu, tạo khối lượng nhiều với giá thành tương đối thấp
Các ví dụ phổ biến hệ thống ảnh ba màu bao gồm ảnh chụp màu ảnh TV màu (chương 2, 3) Trong hai trường hợp, phổ nhìn thấy chia thành ba dả
i-đỏ, lục lam-gần giống lượng tử hoá phổ thực mắt người Trong
ảnh chụp màu, ảnh riêng biệt rửa theo ba loại thuốc ảnh xen lẫn Trong TV màu, sử dụng ba cảm biến ảnh, bộđảm nhận chức
lọc quang học màu đỏ, lục, lam Đối với mục đích hiển thị, ảnh màu đỏ, lục, lam
được đặt chồng lên nhau, máy in màu hình hiển thị màu Việc xếp chồng tạo kết gần giống võng mạc cảnh ban đầu trơng như bình thường
Trong ảnh số ba màu coi hàm ba toạ độ vô hướng (hai toạđộ không gian chiều phổ) Nó thường thuận lợi để xem
một ảnh bình thường (hai chiều) có ba mức xám (đỏ, lục, lam) điểm ảnh Liên quan đến vấn đề khác, hữu dụng để xem xét nạp chồng ba
ảnh số đơn sắc Xử lý phân tích ảnh màu thực đơn giản ta nhận thấy rõ hai thay Sau này, nhiều khái niệm đề cập chương trước có thểđược áp dụng với chút sửa đổi
21.3.3 Đặc tả màu
Khn dạng RGB. Có nhiều phương pháp rõ định lượng màu, chẳng hạn xác định điểm ảnh ảnh màu số Cách thức dễ hiểu sử dụng giá trịđộ tỷ lệđộ sáng đỏ lục, lam, tỷ lệ Chúng ta gọi quy
ước khn dạng RGB Mỗi điểm anảh biểu diễn điểm phần tư thứ không gian ba chiều, trinhg bày hình lập phương màu hình 21-3 Lược đồ mức xám ảnh ba màu phân bố điểm không gian RGB
(4)Hình 21-3 Khối lập phương khơng gian màu
Không gian màu RGB ban đầu không biểu diễn độ sáng màu có màu đen Độ sáng đầy đủ màu xuất màu trắng Một lượng ba thành phần màu với độ sáng yếu tạo sắc thái xám Quỹ tích tất điểm nằm đường chéo hình lập phương màu gọi đường xám Ba góc hình lập phương màu tương ứng với ba màu chính-đỏ, lục lam Ba góc cịn lại tương ứng với màu phụ
vàng, lục lam màu tím
Khn dạng HSI. Một giảm đò đặc tả thường dùng khác, gọi khuôn dạng HSI, nghi thức hoá hệ thống màu phát triển Munsell thường sử dụng hoạ sĩ Thiết kế phản ánh cách mà người nhìn màu tạo hội thuận lợi cho việc xử lý ảnh
Trong khuôn dạng HSI I viết tắt Intensity (cường độ), hay độ sáng Đối với mục đích chúng ta, trung bình giá trị mức xám R, G B, giản đồ khác với phân bổ màu không đồng sử dụng Giá trị
cường độ rõ độ sáng toàn bộđiểm ảnh, mà khơng biết điểm ảnh màu Ta chuyển đổi ảnh thành ảnh đơn sắc lấy trung bình thành phần RGB với nhau, loại trừ thơng tin màu sắc
Hai tham số chứa thơng tin màu màu sắc (Hue-H) độ bão hoà (Saluration-S), số thuật ngữ tương đương sử dụng Hai tham số minh hoạ vòng trịn màu hình 21-4 Màu sắc màu ám bước sóng phổ màu Một cách tuỳ ý, màu sắc góc 00 màu đỏ, 1200 màu lục, 2400 màu lam Màu sắc trải ngang qua màu phổ nhìn thấy từ 00 tới 240 Giữa 2400 3600 phổ màu mà mắt nhận biết
HÌNH 21-4
Hình 21-4 Đường trịn màu
Tham số độ bão hồ bán kính từ gốc đến đường tròn màu Xung quanh chu vi đường tròn màu tinh khiết, hay bão hồ, độ bão hồ chúng có giá trị Tại tâm nằm sắc thái không rõ rệt (xám) có độ bão hồ
Khái niệm độ bão hồ minh hoạ sau Nếu bạn có thùng sơn màu
(5)trắng) Nếu mặt khác bạn hoà trộn sơn màu đen với màu đỏ sáng, độ bão hồ
giảm (tiến màu đen) Trong màu sắc độ bão hoà tồn đối lập
Cùng lúc ba màu toạđộ định nghĩa không gian hình trụ trịn (hình 21-5) Sắc thái xám nằm dọc trục từ màu đen ởđáy trụ tới màu trắng ởđỉnh trụ Các màu
đửđộ sáng, độ bão hỗ nằm chu vi vịng trịn mặt đỉnh
Có nhiều hệ toạ độ màu khác sử dụng Chúng thiết lập CIE, uỷ
ban chuẩn quốc tế ánh sáng màu, có lẽđược nhiều người sử dụng Chúng dựa liệu thử nghiệm từ việc thu thập thử nghiệm phù hợp màu
đối với quan sát người
HÌNH 21-5
Hình 21-5 Khơng gian màu hình trụ
21.3.4 Chuyển đổi toạđộ màu
Đối với mục đích xử lý ảnh, hữu dụng cho khả chuyển đổi hệ toạ độ màu RGB HSI Một vài trình thực tốt hệ thống hệ
thống khác
21.3.4.1 Chuyển đổi RGB sang HSI
Việc chuyển đổi từ khuôn dạng RGB sang HSI có thểđược tiếp cận sau Trở
lại với đường xám đường chéo hình lập phương màu khơng gian RGB trục đứng hình trụ trịn khơng gian HSI Do bắt
đầu hệ toạ độ (x, y, z) hình lập phương RGB quay cho
đường chéo nằm dọc theo trục z trục R nằm mặt phẳng xz (Hình 21-6) Phép quay cho
R G B y G B z R G B
x
3
1
6
(1)
Tiếp theo, chuyển đổi toạ độ hình trụ trịn cách định nghĩa tọa độ
cực mặt phẳng xy Chúng ta có
x y
ang y
x2 ,
(2)
(6)HÌNH 21-6
Hình 21-6 Quay hình lập phương RGB
Chúng ta có toạ độ hình trụ, (, , z) tương đương với (H,S,I) có hai vấn đề với độ bão hồ: Nó khơng độc lập với cường độ, tuỳ muốn gì, màu có độ bão hồ đầy đủ (chúng khơng có q hai màu chính) hình lục giác mặt phẳng xy (hình 21-7a), thay đường trịn Biện pháp sửa chữa chuẩn hoá cách chia giá trị lớn cho Việc dẫn tới công thức bão hoà
B G R I
B G R
B G R
S 3min , , 3min , ,
max
(3) Các màu bão hoà đầy đủ hình trịn bán kính mặt phẳng xy (hình 21-7b)
HÌNH 21-7
Hình 21-7 Mặt phẳng xy khơng gian màu: (a) toạđộ cực chưa chuẩn hoá; (b) độ bão hồ chuẩn hố
Trong màu sắc tính với biểu thức (2), có phương pháp tương đương để tính góc
B G B R G R
B R G R
2
1 cos
(4)
Và màu sắc
(7)21.3.4.2 Chuyển đổi HSI sang RBG
Công thức cho việc chuyển đổi từ HSI sang RGB có dạng khác so, tuỳ
thckhu vực hình quạt đường trịn màu mà điểm chuyển đổi nằm
đó Đối với 00 H < 1200,
S G I R B
I B H H S I
R
3 60
cos cos
3 (6)
Trong với 1200 H <2400
S B I R G
I R H H S I
G
3 180 cos 120 cos 0 (7)
Và 2400 H <3600
S R I G B
I G H H S I
B
3 300 cos 240 cos 0 (8)
Có vài biến đổi HSI khác Từ quan điểm xử lý ảnh màu, lựa chọn đặc biệt khơng ảnh hưởng tới kết quả, miễn màu sắc góc, độ
bão hoà độc lập với cường độ phép biến đổi có thểđảo ngược
21.3.5 Tăng cường ảnh màu
21.3.5.1 Cân màu
Thơng thường ảnh màu số hố, khơng xuất hồn chỉnh hiển thị Những độ nhạy cảm, hệ số gia tăng, khoảng trông (mức đen),… khác ba kênh màu thực phép biến đổi tuyến tính khác ba thành phần ảnh suốt q trình số hố Kết ảnh với màu “trở nên không cân màu sắc” Tất đối tượng ảnh dịch màu so với mà chúng phải thể Điểm đáng ý đối tượng có màu xám
Kiểm tra cân màu liệu tất đối tượng màu xám có thực xuất với màu xám hay không Kiểm tra thứ hai màu bão hoã cao có màu sắc phù hợp hay khơng Nếu ảnh có màu đen bật hay màu trắng, việc tạo đỉnh thấy rõ lược đồ ảnh thành phần RGB Nếu đỉnh xuất mức xám khác nhau, báo hiệu màu khơng cân
Biện pháp sửa chữa việc không cân màu loại phải sử dụng biến đổi tỷ lệ xám tuyến tính ảnh R, G B riêng biệt Thông thường