Bài giảng Xử lý ảnh - Chương 21: Xử lý ảnh màu và ảnh đa phổ

Trong chương trước, chúng ta đã đề cập tới các ảnh số hai chiều. Các ảnh như vậy có thể được coi như có mức xám là hàm hai biến không gian. Một sự tổng quát hoá dễ hiểu lên ba chiều sẽ cho chúng ta các ảnh có mức xám là một hàm hai biến không gian và một biến phổ. Chúng được gọi là các ảnh đa phổ. Khi việc lấy mẫu phổ bị giới hạn bởi ba dải tương ứng với ba dải phổ đỏ, lục và lam mà hệ thống thị giác của con người có thể cảm nhận, chúng ta gọi là thủ tục xử lý ảnh màu.

Ch­¬ng 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 khơng gian Một tổng qt hố dễ hiểu lên ba chiều cho ảnh có mức xám hàm hai biến khơng gian biến phổ Chúng gọi ảnh đa phổ Khi việc lấy mẫu phổ bị giới hạn ba dải tương ứng với ba dải phổ đỏ, 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 khơng hai toạ độ không gian ảnh quang học, mà cịn phổ bước sóng ánh sáng điểm Vì vậy, thay lượng tử hố tổng cường độ ánh sáng chiếu lên điểm ảnh, ta lấy mẫu lượng tử hoá phổ điện 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 lẽ điểm bật phân tích đa phổ 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 hố với điểm ảnh nhiều giá trị, thường 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 sốt 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 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 trị phân lớp với kiểu bề mặt sử dụng tập số đo mật độ phổ Sự phân lớp hoàn thành với kỹ thuật tương tự đề cập chương 20 Thường thường, phép tốn đại số ví dụ phép trừ tỷ số tạo thành thực tập ảnh để tăng cường khác bề mặt Trong ảnh nhận dải phổ cụ thể hình dạng hiệu ứng chiếu sáng, ảnh tỷ lệ cho biết tính chất bề 430 mặt xác thực Độc giả có quan tâm nên tham khảo tài liệu cảm biến từ xa để 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 từ ảnh 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 hố 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, 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 phổ điện từ thành ba dải: đỏ, lục lam Vì nguyên nhân mà ba màu coi màu khả nhìn người Hình 21-2 đưa phổ nhạy cảm ba loại tế bào hình nón hệ thống cảm nhận người HÌNH 21-2 431 Hình 21-2 Phổ độ 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 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 tử 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 dảiđỏ, 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, đảm nhận chức lọc quang học màu đỏ, lục, lam Đối với mục đích hiển thị, ảnh màu đỏ, lục, lam 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 toạ độ không gian chiều phổ) Nó thường thuận lợi để xem 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 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 trị độ tỷ lệ độ sáng đỏ lục, lam, tỷ lệ Chúng ta gọi quy ước khn dạng RGB Mỗi điểm anảh biểu diễn điểm phần tư thứ khơng gian ba chiều, trinhg bày hình lập phương màu hình 21-3 Lược đồ mức xám ảnh ba màu phân bố điểm khơng gian RGB HÌNH 21-3 432 Hình 21-3 Khối lập phương không 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 đị 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 điểm 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 vịng 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 khơng có 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 trịn 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 đỏ Nó tương ứng với màu sắc bão hoà Trộn vào thùng sơn trắng làm cường độ màu đỏ nhỏ đi, giảm độ bão hồ, khơng làm cho tối Màu hồng tương ứng với độ bão hoà 0.5, … Việc hoà trộn thêm nhiều màu trắng vào, màu đỏ trở nên nhạt độ bão hồ giảm, chí tiến tới (màu 433 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 toạ độ định nghĩa khơng gian hình trụ trịn (hình 21-5) Sắc thái xám nằm dọc trục từ màu đen đáy trụ tới màu trắng đỉnh trụ Các màu đử độ sáng, độ bão hoã nằm chu vi vòng tròn mặt đỉnh Có nhiều hệ toạ độ màu khác sử dụng Chúng thiết lập CIE, uỷ ban chuẩn quốc tế ánh sáng màu, có lẽ nhiều người sử dụng Chúng dựa liệu thử nghiệm từ việc thu thập thử nghiệm phù hợp màu quan sát người HÌNH 21-5 Hình 21-5 Khơng gian màu hình trụ 21.3.4 Chuyển đổi toạ độ 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 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 x 2 R  G  B y G  B z R  G  B  (1) Tiếp theo, chuyển đổi toạ độ hình trụ trịn cách định nghĩa tọa độ cực mặt phẳng xy Chúng ta có   x2  y2   ang  x, y  (2) Trong ang(x,y) góc đường từ gốc toạ độ đến điểm (x, y) tạo thành với trục x Đây đường tiếp tuyến cung 434 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 hố  cách chia giá trị lớn cho  Việc dẫn tới cơng thức bão hồ S   max  1 R, G , B  1  R, G, B  RG B I (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 không gian màu: (a) toạ độ cực chưa chuẩn hố; (b) độ bão hồ chuẩn hố Trong màu sắc tính với  biểu thức (2), có phương pháp tương đương để tính góc     cos 1    R  G   R  B    R  G 2  R  B G  B    (4) Và màu sắc  H  2   GB GB (5) 435 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 Đối với 00  H < 1200, R I  S cos H   1    cos 60  H   B  I 1  S  G  3I  R  B (6) Trong với 1200  H