430
Ch¬ng 21
XỬ LÝ ẢNH MÀU VÀ
ẢNH ĐA PHỔ
21.1. GIỚI THIỆU
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.
Một ảnh ba chiều có thể được tạo ra bằng cách lấy mẫu không chỉ hai toạ độ
không gian của một ảnh quang học, mà còn phổ bước sóng ánh sáng tại mỗi điểm. Vì
vậy, thay vì lượng tử hoá tổng cường độ ánh sáng chiếu lên từng điểm ảnh, ta đi lấy
mẫu và lượng tử hoá phổ điện từ của ánh tới đó. Việc này tạo thành một ảnh ba chiều
mà trong đó mức xám là một hàm hai biến không gian và một biến thứ ba là bước
sóng quang học.
Phạm trù liên quan tới việc xử lý những ảnh như vậy thường gọi là phân tích ảnh
đa phổ. Ảnh kết quả đôi khi được gọi với cái tên ảnh đa số (multidigital). Chúng
thường được tổ chức như một chuỗi các ảnh số hai chiều, mà mỗi một ảnh trong số
đó có được bằng cách số hóa ảnh ban đầu trong một dải phổ hẹp.
21.2. PHÂN TÍCH ẢNH ĐA PHỔ
Có lẽ điểm nổi bật nhất đối với phân tích đa phổ đó là trong lĩnh vực cảm biến từ
xa. Các ảnh đa phổ thu được từ máy bay hay trạm không gian đang bay trên vùng cần
nghiên cứu trên bề mặt trái đất. Mỗi điểm ảnh được cảm biến bởi một bộ các thiết bị
đo ánh sáng dải hẹp. Vì thế, ảnh được số hoá với các điểm ảnh nhiều giá trị, thường
được sử dụng 24 hay hơn 24 kênh phổ. Mỗi một ảnh hai chiều thể hiện đối tượng
giống như khi nó xuất hiện qua một bộ lọc quang học dải hẹp. Giải phổ được kiểm
soát bởi phân tích đa phổ không cần phải giới hạn trong phổ nhìn thấy. Thông
thường, dải mà chúng ta quan tâm mở rộng từ tia hồng ngoại qua phổ nhìn thấy cho
tới tia tử ngoại.
Phần đáng chú ý của phân tích phổ được dành hết cho sự phân lớp điểm ảnh.
Trong quá trình này, ảnh được phân chia thành các vùng tương ứng với các kiểu bề
mặt khác nhau, ví dụ như các vùng hồ, các cánh đồng, các cánh rừng, khu dân cư và
các khu công nghiệp. Mỗi điểm ảnh đa trị được phân lớp như với các kiểu bề mặt sử
dụng tập số đo mật độ phổ của nó. Sự phân lớp được hoàn thành với các kỹ thuật
tương tự như đã đề cập trong chương 20. Thường thường, các phép toán đại số ví dụ
như phép trừ và các tỷ số tạo thành được thực hiện trên một tập ảnh để tăng cường sự
khác nhau của bề mặt. Trong khi ảnh nhận được trong một dải phổ cụ thể nào đó sẽ
mất hình dạng do các hiệu ứng chiếu sáng, thì các ảnh tỷ lệ cho biết các tính chất bề
431
mặt xác thực hơn. Độc giả có quan tâm nên tham khảo tài liệu về cảm biến từ xa để
có thể hiểu thêm về vấn đề này.
21.3. XỬ LÝ MÀU ẢNH
21.3.1. Cảm nhận màu
Khuôn dạng quen thuộc nhất của các ảnh đa phổ là khả năng cảm nhận màu thông
thường. Võng mạc của mắt người được bao phủ với các tế bào thần kinh cảm nhận
ánh sáng (Hình 21-1) có chức năng tương tự các vị trí cảm nhận trên chip CCD. Các
tế bào thần kinh cảm nhận sáng hấp thụ ánh sáng từ ảnh và tập trung trên võng mạc
bởi thuỷ tinh thể và võng mạc. Chúng sinh ra các xung thần kinh tới não, thông qua
xấp xỉ một triệu sợi dây thần kinh quang học. Tần số của các xung này được mã hoá
thành độ sáng của ánh sáng tới
HÌNH 21-1
Hình 21-1 Mắt người (mắt phải, nhìn từ trên xuống)
Tế bào cảm quang là sự trộn lẫn của hai loại, các tế bào hình que và các tế bào
hình nón, gọi theo hình dạng vật lý của chúng. Tế bào hình que nhạy cảm hơn, cung
cấp cho chúng ta khả năng cảm nhận ánh sáng, đêm tối đơn sắc. Tế bào hình nón có
khả năng cảm nhận màu, nhưng chỉ ở các mức ánh sáng cao.
Tế bào hình nón có ba loại, điểm khác nhau chủ yếu về tính chất quang hoá đó là
chúng chuyển đổi ánh sáng thành các xung thần kinh. Tế bào hình nón chia thành
phần thấy được của phổ điện từ thành ba dải: đỏ, lục và lam. Vì nguyên nhân này mà
ba màu này được coi như các màu chính đối với khả năng nhìn của người. Hình 21-2
đưa ra các phổ nhạy cảm của ba loại tế bào hình nón trong hệ thống cảm nhận của
con người.
HÌNH 21-2
432
Hình 21-2 Phổ độ nhạy cảm của các tế bào cảm quang của mắt người
Các xung thần kinh sinh ra bởi các tế bào cảm quang đáp ứng lại ánh sáng đi qua
lớp các tế bào lưỡng cực và lớp tế bào hạch. Mạng nơ ron nhân tạo được miêu tả
trong chương 20 được mô phỏng sau kiến trúc và hoạt động của các tế bào võng mạc
này. Các sợi trục của khoảng chừng một triệu tế bào hạch tạo thành dây thần kinh
quang học, nó hướng dẫn dữ liệu ảnh tới não bộ.
21.3.2. Ảnh ba màu
Vì bản chất của hệ thống thị giác con người, nên phần lớn sản phẩm trình bày sự
cố gắng và phí tổn trong ảnh điện tử đã dành hết cho các hệ thống ba màu, đặc biệt là
các camera truyền hình, các bộ số hoá, các thiết bị hiển thị và các máy in. Vì vậy, chế
độ ba màu được coi là đặc biệt quan trọng. Không chỉ sự tăng cường ảnh màu là một
sự thực hiện ba màu, mà phân tích định lượng ảnh màu cũng thường được thực hiện
trên thiết bị ba màu, vì nó tạo ra khối lượng nhiều với giá thành tương đối thấp.
Các ví dụ phổ biến về hệ thống ảnh ba màu bao gồm các ảnh chụp màu và ảnh TV
màu (chương 2, 3). Trong cả hai trường hợp, phổ nhìn thấy được chia thành ba dải-
đỏ, lục và lam-gần giống như sự lượng tử hoá phổ thực hiện bởi mắt người. Trong
ảnh chụp màu, các ảnh riêng biệt được rửa theo ba loại thuốc ảnh xen lẫn nhau.
Trong TV màu, sử dụng ba bộ cảm biến ảnh, mỗi bộ đảm nhận chức năng của một bộ
lọc quang học màu đỏ, lục, lam. Đối với mục đích hiển thị, các ảnh màu đỏ, lục, lam
được đặt chồng lên nhau, trên máy in màu hoặc trên màn hình hiển thị màu. Việc xếp
chồng này tạo ra các kết quả gần giống như nhau trên võng mạc như cảnh ban đầu và
do đó trông như như bình thường.
Trong khi một ảnh số ba màu có thể được coi như một hàm ba toạ độ vô hướng
(hai toạ độ không gian và một chiều phổ). Nó thường thuận lợi hơn để xem nó như
một ảnh bình thường (hai chiều) có ba mức xám (đỏ, lục, lam) tại mỗi điểm ảnh.
Liên quan đến các vấn đề khác, nó hữu dụng hơn để xem xét một sự nạp chồng ba
ảnh số đơn sắc. Xử lý và phân tích ảnh màu thực sự rất đơn giản nếu ta có thể nhận
thấy rõ hai sự thay thế này. Sau này, nhiều khái niệm đề cập trong các chương trước
có thể được áp dụng với một chút sửa đổi.
21.3.3. Đặc tả màu
Khuôn dạng RGB. Có nhiều phương pháp có thể chỉ rõ định lượng một màu,
chẳng hạn như xác định một điểm ảnh trong một ảnh màu số. Cách thức dễ hiểu nhất
là sử dụng các giá trị độ tỷ lệ độ sáng đỏ lục, lam, tỷ lệ giữa 0 và 1. Chúng ta gọi quy
ước này là khuôn dạng RGB. Mỗi điểm anảh có thể được biểu diễn bởi một điểm
trong phần tư thứ nhất của không gian ba chiều, như trinhg bày trong hình lập
phương màu trong hình 21-3. Lược đồ mức xám của một ảnh ba màu là một sự phân
bố các điểm trong không gian RGB.
HÌNH 21-3
433
Hình 21-3 Khối lập phương không gian màu
Không gian màu RGB ban đầu không biểu diễn độ sáng của bất kỳ một màu chính
nào và vì thế nó có màu đen. Độ sáng đầy đủ của cả màu chính cùng xuất hiện sẽ là
màu trắng. Một lượng ba thành phần màu bằng nhau với độ sáng yếu hơn tạo ra một
sắc thái xám. Quỹ tích của tất cả các điểm như vậy nằm trên đường chéo của hình lập
phương màu và được gọi là đường xám. Ba góc của hình lập phương màu tương ứng
với ba màu chính-đỏ, lục và lam. Ba góc còn lại tương ứng với các màu phụ như
vàng, lục lam và màu tím.
Khuôn dạng HSI. Một giảm đò đặc tả thường dùng khác, gọi là khuôn dạng HSI,
là một sự nghi thức hoá hệ thống màu được phát triển bởi Munsell và thường được
sử dụng bởi các hoạ sĩ. Thiết kế của nó phản ánh cách mà con người nhìn màu và nó
cũng tạo cơ hội thuận lợi cho việc xử lý ảnh.
Trong khuôn dạng HSI. I viết tắt của Intensity (cường độ), hay độ sáng. Đối với
mục đích của chúng ta, nó là trung bình của các giá trị mức xám R, G và B, mặc dù
các giản đồ khác với sự phân bổ các màu không đồng đều cũng được sử dụng. Giá trị
cường độ chỉ rõ độ sáng toàn bộ điểm ảnh, mà không biết điểm ảnh đó màu gì. Ta có
thể chuyển đổi một ảnh thành ảnh đơn sắc bằng lấy trung bình các thành phần RGB
với nhau, do đó loại trừ các thông tin về màu sắc.
Hai tham số chứa thông tin màu đó là màu sắc (Hue-H) và độ bão hoà
(Saluration-S), mặc dù một số thuật ngữ tương đương đôi khi cũng được sử dụng.
Hai tham số này được minh hoạ bởi vòng tròn màu trong hình 21-4. Màu sắc của một
màu ám chỉ bước sóng phổ của màu đó. Một cách tuỳ ý, một màu sắc ở góc 00 là
màu đỏ, 1200 là màu lục, và 2400 là màu lam. Màu sắc trải ngang qua các màu của
phổ nhìn thấy từ 00 tới 240. Giữa 2400 và 3600 không có phổ của màu mà mắt có
thể nhận biết được.
HÌNH 21-4
Hình 21-4 Đường tròn màu
Tham số độ bão hoà là bán kính từ gốc đến đường tròn màu. Xung quanh chu vi
của đường tròn là các màu tinh khiết, hay bão hoà, và độ bão hoà của chúng có giá
trị bằng 1. Tại tâm nằm giữa các sắc thái không rõ rệt (xám) có độ bão hoà bằng 0.
Khái niệm độ bão hoà có thể minh hoạ như sau. Nếu bạn có một thùng sơn màu
đỏ. Nó sẽ tương ứng với màu sắc 0 và bão hoà là 1. Trộn vào thùng sơn trắng làm
cường độ của màu đỏ nhỏ đi, giảm độ bão hoà, nhưng không làm cho nó tối hơn.
Màu hồng tương ứng với độ bão hoà bằng 0.5, … Việc hoà trộn thêm nhiều màu
trắng vào, màu đỏ trở nên nhạt hơn và độ bão hoà giảm, thậm chí tiến tới 0 (màu
434
trắng). Nếu mặt khác bạn hoà trộn sơn màu đen với màu đỏ sáng, độ bão hoà nó sẽ
giảm (tiến về màu đen). Trong khi màu sắc và độ bão hoà tồn tại đối lập nhau.
Cùng lúc ba màu toạ độ định nghĩa một không gian hình trụ tròn (hình 21-5). Sắc
thái xám nằm dọc trên trục từ màu đen ở đáy trụ tới màu trắng ở đỉnh trụ. Các màu
đử độ sáng, độ bão hoã nằm trên chu vi của vòng tròn trên mặt đỉnh.
Có nhiều hệ toạ độ màu khác đã được sử dụng. Chúng thiết lập bởi CIE, một uỷ
ban chuẩn quốc tế về ánh sáng và màu, có lẽ được nhiều người sử dụng nhất. Chúng
dựa trên những dữ liệu thử nghiệm từ việc thu thập các thử nghiệm phù hợp màu
đối với quan sát của con người.
HÌNH 21-5
Hình 21-5 Không gian màu hình trụ
21.3.4. Chuyển đổi toạ độ màu
Đối với mục đích xử lý ảnh, nó rất hữu dụng cho khả năng chuyển đổi giữa hệ toạ
độ màu RGB và HSI. Một vài quá trình chỉ thực hiện tốt trên hệ thống này hoặc hệ
thống khác.
21.3.4.1. Chuyển đổi RGB sang HSI
Việc chuyển đổi từ khuôn dạng RGB sang HSI có thể được tiếp cận như sau. Trở
lại với đường xám trên đường chéo của hình lập phương màu trong không gian RGB
và nó là trục đứng trong hình trụ tròn của không gian HSI. Do đó chúng ta có thể bắt
đầu bằng một hệ toạ độ (x, y, z) trong đó hình lập phương RGB được quay sao cho
đường chéo của nó nằm dọc theo trục z và trục R của nó nằm trong mặt phẳng xz
(Hình 21-6). Phép quay này được cho bởi.
BGRzBGyBGRx 3
1
2
1
2
6
1 (1)
Tiếp theo, chúng ta chuyển đổi toạ độ hình trụ tròn bằng cách định nghĩa tọa độ
cực trong mặt phẳng xy.
Chúng ta có
yxangyx ,
22
(2)
Trong đó ang(x,y) là góc do một đường từ gốc toạ độ đến điểm (x, y) tạo thành với
trục x. Đây là đường tiếp tuyến cung cơ bản.