intTypePromotion=3

Chương 1: Cơ sở xử lý ảnh

Chia sẻ: Lê Sĩ Năm | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

0
235
lượt xem
97
download

Chương 1: Cơ sở xử lý ảnh

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Xử lý ảnh số có nhiều ứng dụng thực tế. Một trong những ứng dụng sớm nhất là xử lý ảnh từ nhiệm vụ Ranger 7 tại phòng thí nghiệm Jet Propulsion vào những năm đầu của thập kỷ 60

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Chương 1: Cơ sở xử lý ảnh

  1. Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh Ch­¬ng 1. C¬ së xö lý ¶nh.  Më ®Çu. Xö lý ¶nh sè cã nhiÒu øng dông thùc tÕ. Mét trong nh÷ng øng dông sím nhÊt lµ xö lý ¶nh tõ nhiÖm vô Ranger 7 t¹i phßng thÝ nghiÖm Jet Propulsion vµo nh÷ng n¨m ®Çu cña thËp kû 60. HÖ thèng chôp h×nh g¾n trªn tµu vò trô cã mét sè h¹n chÕ vÒ kÝch th­íc vµ träng l­îng, do ®ã ¶nh nhËn ®­îc bÞ gi¶m chÊt l­îng nh­ bÞ mê, mÐo h×nh häc vµ nhiÔu nÒn. C¸c ¶nh ®ã ®­îc xö lý thµnh c«ng nhê m¸y tÝnh sè. H×nh ¶nh cña mÆt tr¨ng vµ sao ho¶ mµ chóng ta thÊy trong tÊt c¶ c¸c t¹p chÝ ®Òu ®­îc xö lý b»ng nh÷ng m¸y tÝnh sè . øng dông cña xö lý ¶nh cã kh¶ n¨ng t¸c ®éng m¹nh mÏ nhÊt ®Õn cuéc sèng cña chóng ta lµ trong lÜnh vùc y tÕ. Soi chôp b»ng m¸y tÝnh dùa trªn c¬ së ®Þnh lý c¾t líp (projection_slice) sÏ th¶o luËn trong phÇn 4.3, ®­îc dïng th­êng xuyªn trong trong xÐt nghiÖm l©m sµng, vÝ dô nh­ ph¸t hiÖn vµ nhËn d¹ng u n·o. Nh÷ng øng dông y häc kh¸c cña xö lý ¶nh sè gåm c¶i thiÖn ¶nh X quang vµ nhËn d¹ng ®­êng biªn m¹ch m¸u tõ nh÷ng ¶nh chôp m¹ch b»ng tia X (angiograms). øng dông kh¸c, gÇn gòi h¬n víi cuéc sèng gia ®×nh lµ c¶i tiÕn ¶nh tivi . H×nh ¶nh mµ chóng ta thÊy trªn mµn h×nh tivi cã c¸c khuyÕt tËt lµ ®é ph©n gi¶i h¹n chÕ, bÞ rung rinh, cã ¶nh ma ,nhiÔu nÒn vµ tr­ît h×nh do ®an dßng ë nh÷ng møc ®é kh¸c nhau. Tivi sè kh«ng cßn xa víi th ùc tÕ vµ xö lý ¶nh sè sÏ cã t¸c ®éng quyÕt ®Þnh ®Õn viÖc c¶i thiÖn chÊt l­îng h×nh ¶nh cña nh÷ng hÖ truyÒn h×nh hiÖn t¹i vµ lµm ph¸t triÓn nh÷ng hÖ truyÒn h×nh míi nh­ truyÒn h×nh cã ®é ph©n gi¶i cao (HDTV). Mét vÊn ®Ò chÝnh cña truyÒn th«ng video nh­ héi nghÞ video, ®iÖn tho¹i video lµ cÇn cã cã d¶i tÇn réng. ViÖc m· ho¸ th¼ng ch­¬ng tr×nh video chÊt l­îng qu¶ng b¸ yªu cÇu ®Õn 100 triÖu bit/sec. NÕu hy sinh mét phÇn chÊt l­îng vµ dïng c¸c s¬ ®å m· ho¸ ¶nh sè th× cã thÓ ®­a ra thÞ tr­êng nh÷ng hÖ truyÒn h×n h chÊt l­îng ®ñ râ víi nhÞp bit chØ d­íi 100 ngh×n bit/sec. 1
  2. Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh Ng­êi m¸y cµng ngµy cµng ®ãng vai trß quan träng trong c«ng nghiÖp vµ gia ®×nh. Chóng sÏ thùc hiÖn nh÷ng c«ng viÖc rÊt nhµm ch¸n hoÆc nguy hiÓm , vµ nh÷ng c«ng viÖc mµ tèc ®é vµ ®é chÝnh x¸c v­ît qu¸ kh¶ n¨ng cña con ng­êi . Khi ng­êi m¸y trë nªn tinh vi h¬n , thÞ gi¸c m¸y tÝnh sÏ ®ãng vai trß ngµy cµng quan träng. Ng­êi ta sÏ ®ßi hái ng­êi m¸y kh«ng nh÷ng ph¸t hiÖn vµ nhËn d¹ng c¸c bé phËn c«ng nghiÖp, mµ cßn “hiÓu” ®­îc nh÷ng g× chóng “thÊy” vµ ®­a ra nh÷ng hµnh ®éng phï hîp. Xö lý ¶nh sè sÏ cã t¸c ®éng lín ®Õn thÞ gi¸c m¸y tÝnh. Ngoµi nh÷ng lÜnh vùc øng dông mäi ng­êi ®· biÕt, xö lý ¶nh sè cßn cã mét sè øng dông kh¸c Ýt ®­îc nãi ®Õn h¬n. Ng­êi thi hµnh luËt ph¸p th­êng chôp h×nh trong nh÷ng m«i tr­êng kh«ng thuËn lîi ,vµ ¶nh nhËn ®­îc th­êng bÞ xuèng cÊp. VÝ dô, bøc ¶nh chôp véi biÓn ®¨ng kÝ xe « t« ®ang ch¹y th­êng bÞ nhoÌ, viÖc lµm gi¶m ®é nhoÌ lµ cÇn thiÕt trong viÖc nhËn d¹ng « t«. Mét øng dông Ýt biÕt kh¸c lµ nghiªn cøu sù di c­ cña c¸ voi. Khi ng­êi ta nghiªn cøu hµnh vi di c­ cña s­ tö, hæ vµ c¸c ®éng vËt kh¸c, hä b¾t c¸c ®éng vËt vµ cét thÎ vµo vÞ trÝ thuËn lîi ë ®u«i hoÆc tai. Khi b¾t ®­îc ®éng vËt ë n¬i kh¸c, thÎ cho biÕt th«ng tin vÒ sù di c­ cña ®éng vËt. Tuy nhiªn, c¸ voi rÊt khã b¾t vµ cét thÎ. May thay, c¸ voi l¹i thÝch ®Ó lé ®u«i, mµ ®u«i cña chóng cã nh÷ng ®Æc ®iÓm cã thÓ gióp ®Ó nhËn biÕt chóng. §Ó nhËn d¹ng mét con c¸ voi, bøc ¶nh chôp véi ®u«i cña nã tõ trªn tµu ®­îc so s¸nh víi hµng ngµn ¶nh ®u«i c¸ voi kh¸c nhau trong mét bé s­u tËp. Quan s¸t liªn tiÕp vµ nhËn d¹ng mét c¸ thÓ c¸ voi nµo ®ã ta cã thÓ theo dâi sù di c­ cña nã. Tuy nhiªn, viÖc so s¸nh ¶nh cùc kú nhµm ch¸n vµ ph¶i dïng xö lý ¶nh sè ®Ó tù ®éng ho¸ c«ng viÖc. Nh÷ng øng dông xö lý ¶nh sè lµ v« h¹n. Ngoµi nh÷ng øng dô ng ®· th¶o luËn ë trªn, cßn bao gåm c¶ c¸c lÜnh vùc kh¸c nh­ ®iÖn tö gia ®×nh, thiªn v¨n häc, sinh vËt häc, vËt lý, n«ng nghiÖp, ®Þa lý, nh©n chñng häc, vµ nhiÒu lÜnh vùc kh¸c. Nh×n vµ nghe lµ hai ph­¬ng tiÖn quan träng nhÊt ®Ó con ng­êi nhËn thøc thÕ giíi bªn ngoµi, do vËy kh«ng cã g× ®¸ng ng¹c nhiªn khi mµ xö lý ¶nh sè cã nhiÒu kh¶ n¨ng øng dông, kh«ng chØ trong khoa häc vµ kÜ thuËt mµ c¶ trong mäi ho¹t ®éng kh¸c cña con ng­êi. Xö lý ¶nh sè cã thÓ chia lµm bèn lÜnh vùc, tuú thuéc vµo lo¹i c«ng viÖc. §ã lµ c¶i thiÖn ¶nh, phôc håi ¶nh, m· ho¸ ¶nh, vµ lý gi¶i néi dung (understanding) ¶nh. Trong c¶i thiÖn ¶nh, ¶nh ®­îc xö lý ®Ó ng­êi xem, nh­ tron g truyÒn h×nh, hoÆc lµ ®­îc xö lý tr­íc ®Ó trî gióp ho¹t ®éng cña m¸y mãc, nh­ trong nhËn d¹ng ®èi t­îng bëi m ¸y mãc. Trong phôc håi ¶nh, ¶nh bÞ xuèng cÊp trong mét sè tr­êng hîp, ch¼ng h¹n nh­ bÞ nhoÌ, vµ môc ®Ých lµ ®Ó gi¶m bít hoÆc lo¹i bá h¼n ¶nh h­ëng sù xuèng cÊp. Phôc håi ¶nh cã 2
  3. Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh liªn quan mËt thiÕt ®Õn c¶i thiÖn ¶nh. Khi ¶nh bÞ xuèng cÊp, viÖc c¶i thiÖn ¶n h th­êng ®em l¹i kÕt qu¶ lµm gi¶m sù xuèng cÊp.Tuy nhiªn cã mét sè sù kh¸c nhau quan träng gi÷a phôc håi ¶nh vµ c¶i thiÖn ¶nh. Trong phôc håi ¶nh, mét ¶nh lý t­ëng bÞ xuèng cÊp vµ môc ®Ých phôc håi lµ t¹o ra ¶nh sau xö lý gièng nh­ ¶nh ban ®Çu. Trong viÖc c¶i thiÖn ¶nh, môc ®Ých c¶i thiÖn lµ lµm cho ¶nh sau xö lý tr«ng ®Ñp h¬n ¶nh ch­a ®­îc xö lý. §Ó minh ho¹ sù kh¸c nhau nµy, h·y l­u ý r»ng mét ¶nh gèc ch­a xuèng cÊp kh«ng thÓ phôc chÕ h¬n n÷a, nh­ng vÉn cã thÓ ®­îc c¶i thiÖn b»ng c¸ch t¨ng ®é nÐt. Trong m · ho¸ ¶nh, môc ®Ých lµ biÓu diÔn ¶nh víi mét sè Ýt bÝt nhÊt trong ®iÒu kiÖn chÊt l­îng ¶nh vµ ®é râ chÊp nhËn ®­îc cho tõng øng dông cô thÓ, ch¼ng h¹n nh­ héi nghÞ video. M· ho¸ ¶nh liªn quan ®Õn c¶i thiÖn ¶nh vµ phôc håi ¶nh. NÕu cã thÓ c¶i tiÕn d¸ng vÎ b ªn ngoµi (visual appearance) cña ¶nh ®­îc phôc håi, hoÆc lµm gi¶m sù xuèng cÊp do c¸c nguån nhiÔu, - nh­ nhiÔu l­îng tö mµ thuËt to¸n m· ho¸ ¶nh g©y ra, th× ta cã thÓ lµm gi¶m sè l­îng bÝt cÇn thiÕt ®Ó ®¹i diÖn ¶nh ë mét møc chÊt l­îng vµ ®é râ chÊp nhËn ®­îc trong lý gi¶i ¶nh(understanding), ®Çu vµo lµ ¶nh, môc ®Ých lµ diÔn ®¹t néi dung ¶nh b»ng mét hÖ ký hiÖu nµo ®ã. Nh÷ng øng dông cña lý gi¶i ¶nh bao gåm thÞ gi¸c m¸y tÝnh, kü thuËt r«bèt vµ nhËn d¹ng môc tiªu. Lý gi¶i ¶nh kh¸c víi ba lÜnh vùc kh¸c cña xö lý ¶nh ë mét khÝa c¹nh chÝnh. Trong c¶i tiÕn, phôc håi vµ m· ho¸ ¶nh c¶ ®Çu vµo vµ ®Çu ra ®Òu lµ ¶nh ,vµ kh©u xö lý tÝn hiÖu lµ phÇn then chèt trong c¸c hÖ thèng ®· thµnh c«ng trªn c¸c lÜnh vùc ®ã. Trong lý gi¶i ¶nh , ®Çu vµo lµ ¶nh, nh­ng ®Çu ra th­êng lµ mét biÓu diÔn b»ng kÝ hiÖu néi dung cña ¶nh ®Çu vµo. Sù ph¸t triÓn thµnh c«ng cña c¸c hÖ thèng trong lÜnh vùc nµy cÇn ®Õn c¶ xö lý tÝn hiÖu vµ nh÷ng kh¸i niÖm trÝ tuÖ nh©n t¹o. Trong hÖ lý gi¶i ¶nh ®iÓn h×nh, xö lý tÝn hiÖu ®­îc dïng cho c«ng viÖc xö lý møc thÊp nh­ lµm gi¶m sù xuèng cÊp vµ trÝch ra c¸c ®­êng bê (extraction of edges) hoÆc c¸c ®Æc tÝnh ¶nh kh¸c, cßn trÝ tuÖ nh©n t¹o ®­îc dïng cho nh÷ng c«ng viÖc xö lý møc cao nh­ thao t¸c kÝ hiÖu vµ qu¶n lý c¬ së tri thøc. Chóng ta chØ nghiªn cøu mét sè k Ü thuËt xö lý ë møc thÊp dïng trong lý gi¶i ¶nh, coi nh­ lµ mét bé phËn cña c¶i thiÖn, phôc håi, vµ m· ho¸ ¶nh. Nghiªn cøu kü h¬n viÖc lý gi¶i ¶nh sÏ v­ît qu¸ ph¹m vi cña cuèn s¸ch nµy. Trong ch­¬ng nµy, chóng t«i tr×nh bÇy c¬ së xö lý ¶nh. Nh÷ng c¬ së ®ã sÏ ®Æt nÒn mãng cho phÇn th¶o luËn vÒ c¶i thiÖn, phôc håi, m· ho¸ ¶nh trong c¸c ch­¬ng sau. Trong phÇn 1, th¶o luËn vÒ c¬ së xö lý ¶nh. Trong phÇn 2 vµ 3, th¶o luËn nh÷ng phÇnc¬ b¶n cña hÖ thÞ gi¸c ë con ng­êi. Trong phÇn 4, th¶o luËn nh÷ng c¬ së cña m« i tr­êng xö lý ¶nh ®iÓn h×nh. 3
  4. Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh 1. ¸nh s¸ng. 1.1. ¸nh s¸ng lµ sãng ®iÖn tõ. Mäi vËt mµ chóng ta quan s¸t ®­îc nhê ¸nh s¸ng. Cã hai lo¹i nguån s¸ng. Lo¹i thø nhÊt gäi lµ nguån s¸ng s¬ cÊp, tù nã ph¸t ¸nh s¸ng. VÝ dô nguån s¸ng s¬ cÊp gåm mÆt trêi, ®Ìn ®iÖn, ®Ìn cÇy (c©y nÕn). Lo¹i kh¸c gäi lµ nguån s¸ng thø cÊp, chØ ph¶n x¹ hoÆc khuÕch t¸n ¸nh s¸ng ®­îc ph¸t bëi nguån kh¸c, vÝ dô nguån s¸ng thø cÊp gåm mÆt tr¨ng, nh÷ng ®¸m m©y vµ nh÷ng qu¶ t¸o. ¸nh s¸ng lµ mét phÇn cña d¶i phæ liªn tôc bøc x¹ sãng ®iÖn tõ. Sãng ®iÖn tõ mang n¨ng l­îng vµ sù ph©n bè n¨ng l­îng cña sãng ®iÖn tõ ®i qua mét mÆt ph¼ng kh«ng gian cã thÓ m« t¶ b»ng c(x,y,t,  ), ë ®ã x vµ y lµ hai biÕn kh«ng gian, t lµ biÕn thêi gian vµ  lµ b­íc sãng. Hµm c(x,y,t,  ) ®­îc gäi lµ th«ng l­îng bøc x¹ trªn (diÖn tÝch x b­íc sãng) hoÆc l­îng bøc x¹ trªn b­íc sãng. B­íc sãng  liªn quan víi tÇn sè f bëi:  = c/f (1.1) c lµ vËn tèc cña sãng ®iÖn tõ , kho¶ng 3.10 8m/s trong ch©n kh«ng vµ kh«ng khÝ. MÆc dï c(x, y, t,  ) cã thÓ biÓu diÔn t¶ theo hµm tÇn sè, nh­ng sö dông b­íc sãng  vÉn thuËn tiÖn h¬n. §¬n vÞ liªn hÖ víi c(x,y,t,  ) lµ n¨ng l­îng trªn (diÖn tÝch x thêi gian x b­íc sãng) vµ lµ Jun/(m 3.s) trong hÖ MKS (mÐt, kg, sec). NÕu chóng ta tÝch ph©n c(x,y,t,  ) theo biÕn  , chóng ta nhËn ®­îc l­îng bøc x¹ cã ®¬n vÞ lµ J/(m 2.s) hoÆc W/m 2. Bøc x¹ mÆt trêi xuyªn qua mÆt ph¼ng th¼ng gãc víi tia bøc x¹ lµ 1350 W/m 2 khi kh«ng cã sù hÊp thô cña kh«ng khÝ. NÕu chóng ta tÝch ph©n c(x,y,t,  ) víi c¶ 4 biÕn x, y, t vµ  , chóng ta cã ®­îc tæng n¨ng l­îng (b»ng Jun) cña sãng ®iÖn tõ xuyªn qua mÆt ph¼ng kh«ng gian. ¸nh s¸ng kh¸c víi c¸c sãng ®iÖn tõ kh¸c, - nh­ sãng v« tuyÕn ®iÖn, lµ m¾t ng­êi nhËn biÕt ®­îc nã. Gi¶ sö ta xÐ t mét ®iÓm cè ®Þnh (x’,y’) trong kh«ng gian vµ mét thêi ®iÓm cè ®Þnh (t’), th× hµm c(x,y,t,  ) cã thÓ xem nh­ lµ chØ lµ hµm cña biÕn  . Chóng ta cã thÓ diÔn t¶ bëi c(x’,y’,t’,  ) hoÆc c(  ) cho thuËn tiÖn. VÝ dô cña c(  ) tõ bøc x¹ mÆt trêi ®­îc biÓu diÔn trong h×nh 1.1. M¾t nhËy c¶m víi nh÷ng sãng ®iÖn tõ trong mét d¶i cùc kú hÑp cña  , ®ã lµ kho¶ng tõ 350nm ®Õn 750nm (1nm = 10 -9 m). H×nh 1.2 biÓu diÔn c¸c lo¹i sãng ®iÖn tõ theo hµm cña b­íc sãng  . Bøc x¹ ®iÖn tõ víi  lín, tõ vµi cm ®Õn hµng ngh×n mÐt, cã thÓ t¹o ra bëi m¹ch ®iÖn . Bøc x¹ nh­ vËy ®­îc 4
  5. Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh sö dông cho truyÒn th«ng v« tuyÕn vµ radar. Bøc x¹ víi  ngay phÝa trªn d¶i nh×n thÊy ®­îc gäi lµ hång ngo¹i, víi  ngay d­íi vïng nh×n thÊy ®­îc, gäi lµ tö ngo¹i. C¶ bøc x¹ hång ngo¹i vµ tö ngo¹i ®Òu ®­îc ph¸t bëi nh÷ng nguån s¸ng ®iÓn h×nh ch¼ ng h¹n nh­ mÆt trêi. Bøc x¹ víi  ë phÝa xa d­íi vïng nh×n thÊy ®­îc gåm tia X, tia  , vµ tia vò trô; víi tia vò trô, b­íc sãng  nhá h¬n 10 -5 nm hoÆc 10 -14 ms.  120 110 100 90 C«ng suÊt t­¬ng ®èi. 80 70 60 50 40 10 400 500 600 700 B­íc sãng [nm] H×nh 1.1: Thµnh phÇn phæ cña bøc x¹ mÆt trêi, ë trªn tÇng khÝ quyÓn cña tr¸i ®Êt (®­êng liÒn nÐt) vµ trªn mÆt ®Êt t¹i Washington vµo buæi tr­a (®­êng nÐt ®øt). 1.2. §é s¸ng, mµu s¾c vµ ®é b·o hoµ . Sù nhËn biÕt ¸nh s¸ng cña loµi ng­êi víi c(  ) ®­îc m« t¶ chung b»ng thuËt ng÷ ®é s¸ng (brightness), mµu s¾c vµ ®é b·o hoµ. §é s¸ng (brightness) liªn quan ®Õn møc ®é s¸ng cña ¸nh s¸ng. Mµu s¾c liªn quan ®Õn mµu, ch¼ng h¹n nh­ mµu ®á, mµu cam hoÆc mµu mËn chÝn(tÝa). §é b·o hoµ ®«i khi cßn gäi lµ s¾c ®é, liªn quan ®Õn møc ®é t­¬i hoÆc xÉm cña mµu. §é s¸ng, mµu s¾c vµ ®é b·o hoµ lµ nh÷ng thuËt ng÷ vÒ nhËn thøc (perceptual terms), phô thuéc vµo mét sè nh©n tè bao gåm d¹ng chi tiÕt cña c(  ), lÞch sö qu¸ khø cña nh÷ng kÝch thÝch thÞ gi¸c mµ ng­êi quan s¸t ®· tr¶i qua, vµ m«i tr­êng cô thÓ n¬i ¸nh s¸ng ®­îc quan s¸t. Tuy nhiªn cã thÓ xÐt ®Õn chóng mét c¸ch gÇn ®óng nh­ nh÷ng ®Æc thï cña c(  ). §Ó liªn hÖ c¶m nhËn ®é s¸ng cña loµi ng­êi víi c(  ) cÇn ®Þnh nghÜa ra mét sè ®¹i l­îng tr¾c quang (photometric quantity). Nh÷ng ®¹i l­îng liªn hÖ víi c(  ), ch¼ng 5
  6. Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh h¹n nh­ th«ng l­îng bøc x¹, l­îng bøc x¹ vµ W/m 2 ®­îc gäi lµ ®¬n vÞ ®o bøc x¹ (radiometric unit). C¸c ®¹i l­îng vËt lý ®ã cã thÓ ®Þnh nghÜa ®éc lËp víi ng­êi quan s¸t cô thÓ. Sù ®ãng gãp cña c(  1) vµ c(  2) ®Ó t¹o ra sù c¶m nhËn ®é s¸ng cña con ng­êi nãi chung lµ hoµn toµn k h¸c nhau khi  1   2 mÆc dÇu c(  1) cã thÓ gièng c(  2). Ch¼ng h¹n ng­êi quan s¸t kh«ng thÓ nh×n thÊy mét sãng ®iÖn tõ víi c(  ) b»ng kh«ng trong vïng kh¶ kiÕn cña  , mÆc dÇu bªn ngoµi d¶i kh¶ kiÕn c(  ) cã thÓ rÊt lín. Ngay c¶ trong vïng kh¶ kiÕn, ®é s¸ng còng phô thuéc  . V× lý do nµy, mét tÝch ph©n ®¬n cña c(  ) trªn biÕn  kh«ng ph¶n ¶nh ®óng sù c¶m nhËn ®é s¸ng. B­íc sãng tÝnh b»ng m B­íc sãng 104 tÝnh b»ng nm B¨ng v« tuyÕn qu¶ng b¸ (10-9 m) 102 1 UHF 700 VHF §á -2 ra®a 10 Vi ba 10-4 600 Cam Hång ngo¹i Vµng 10-6 ¸nh s¸ng nh×n thÊy. 10-8 Tia X 500 Lôc Tia Gamma 10-10 Lam 10-12 400 TÝm H×nh 1.2: C¸c lo¹i sãng ®iÖn tõ theo hµm cña b­íc sãng  . C¸c ®¹i l­îng cã xÐt ®Õn ®Æc tÝnh thÞ gi¸c cña con ng­êi, - do ®ã ph¶n ¶nh ®é s¸ng tèt h¬n tÝch ph©n cña c(  ), ®­îc gäi lµ nh÷ng ®¹i l­îng tr¾c quang (photometric) . §¹i l­îng tr¾c quang c¬ b¶n lµ ®é chãi (luminance), ®­îc c«ng nhËn n¨m 1948 bëi CIE( Uû ban quèc tÕ vÒ tiªu chuÈn ¸nh s¸ng vµ mµu s¾c) . XÐt ¸nh s¸ng víi c(  )=0 t¹i mäi n¬i ngo¹i trõ  =  r , ë ®©y  r lµ mét b­íc sãng tham chiÕu cè ®Þnh. ¸nh s¸ng chØ gåm mét thµnh phÇn phæ (mét b­íc sãng) gäi lµ ¸nh s¸ng ®¬n s¾c. Gi¶ sö chóng ta yªu cÇu ng­êi quan s¸t so s¸nh ®é chãi cña ¸nh s¸ng ®¬n s¾c c(  r)víi mét ¸nh s¸ng 6
  7. Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh ®¬n s¾c kh¸c c’(  t), ë ®©y  t lµ b­íc sãng thö. Gi¶ sö ng­êi quan s¸t nãi r»ng c(  r) phï hîp víi c’(  t) vÒ ®é s¸ng. §iÓm mµ ®é s¸ng c(  r) vµ c’(  t) b»ng nhau cã thÓ nhËn ®­îc víi thÝ nghiÖm cho chiÕu hai vÕt s¸ng: c(  r) cè ®Þnh vµ c’(  t) thay ®æi, råi yªu cÇu ng­êi quan s¸t t¨ng hoÆc gi¶m biªn ®é cña c’(  t) cho ®Õn khi chóng phï hîp vÒ ®é s¸ng. Tû sè c(  ) / c’(  t), ë ®ã c(  r) vµ c’(  t) phï hîp vÒ ®é s¸ng, ®­îc gäi lµ hiÖu suÊt s¸ng t­¬ng ®èi cña ¸nh s¸ng ®¬n s¾c  t so víi  r , vµ gÇn nh­ ®éc lËp víi biªn ®é cña c(  r) trong ®iÒu kiÖn quan s¸t b×nh th­êng. B­íc sãng  sö dông lµ 550 nm (¸nh s¸ng vµng- xanh l¸ c©y), lµ b­íc sãng ë ®ã mét ng­êi quan s¸t ®iÓn h×nh cã ®é nhËy s¸ng cùc ®¹i. Víi sù lùa chän  r nµy, hiÖu suÊt s¸ng t­¬ng ®èi c(  r) / c’(  t) lu«n bÐ h¬n hoÆc b»ng 1, v× c(  r) kh«ng lín h¬n c’(  t); nghÜa lµ ë  r cÇn Ýt n¨ng l­îng h¬n ®Ó t¹o ra ®é s¸ng nh­ nhau. HiÖu suÊt s¸ng t­¬ng ®èi lµ hµm cña  vµ ®­îc gäi lµ hµm hiÖu suÊt s¸ng t­¬ng ®èi, kÝ hiÖu b»ng v(  ). C¶ hai ¸nh s¸ng ®¬n s¾c c 1(  1)vµ c2(  2) biÓu hiÖn cã ®é s¸ng nh­ nhau ®èi víi ng­êi q uan s¸t khi : c 1(  1)v(  1)= c2(  2)v(  2) (1.2) Hµm hiÖu suÊt s¸ng t­¬ng ®èi v(  )phô thuéc vµo ng­êi quan s¸t . Ngay c¶ víi mét ng­êi quan s¸t, v(  ) còng h¬i kh¸c nhau khi ®o ë nh÷ng thêi ®iÓm kh¸c nhau. §Ó lo¹i bá sù biÕn thiªn, n¨m 1929 CIE ®Þnh nghÜa ra ng­êi quan s¸t chuÈn, dùa trªn kÕt qu¶ thùc nghiÖm ®¹t ®­îc tõ mét sè ng­êi quan s¸t kh¸c nhau . KÕt qu¶ hµm v(  )®­îc gäi lµ hµm hiÖu suÊt s¸ng t­¬ng ®èi CIE vµ ®­îc minh ho¹ trong h×nh 1.3. Hµm CIE ®¹t cùc ®¹i b»ng 1 t¹i  =550 nm. §¬n vÞ c¬ b¶n cña ®é chãi lµ lumen (lm). §é chãi trªn diÖn tÝch 1 cña s¸ng víi c(  ) ®­îc ®Þnh nghÜa bëi:  l  k c .v d . (1.3)  0 Trong c«ng thøc trªn : l cã ®¬n vÞ lµ lumen/m 2 k=685 lumen/watt c(  )cã ®¬n vÞ lµ watt/m 3  cã ®¬n vÞ lµ m (  )kh«ng cã thø nguyªn. 7
  8. Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh ¸nh s¸ng ®¬n s¾c víi ®é chãi 1W/m 2 t¹o ra 685 lumen/m 2 khi v(  )=1. §iÒu nµy x¶y ra khi  =555 nm * 100 90 80 §é chãi t­¬ng ®èi 70 60 50 40 30 20 10 400 500 600 700 B­íc sãng [nm] H×nh 1.3 : Hµm hiÖu suÊt s¸ng t­¬ng ®èi CIE. Víi nh÷ng b­íc sãng kh¸c, v(  ) < 1, ®é chãi cña ¸nh s¸ng ®¬n s¾c ph¶i lín h¬n 1W/m 2 ®Ó t¹o ra ®é chãi trªn diÖn tÝch 685 lumens/m 2. Cã nhiÒu ®¬n vÞ ®o c­êng ®é ¸nh s¸ng ch¼ng h¹n nh­ footcandle (lumens/ft 2) vµ phot (lumens/cm 2). Ghi nhí r»ng ®é chãi vµ ®é chãi trªn diÖn tÝch kh«ng ®o ®­îc sù c¶m nhËn cña ng­êi vÒ ®é s¸ng. VÝ dô ¸nh s¸ng víi 2 lumen/m 2 kh«ng s¸ng gÊp ®«i ¸nh s¸ng víi 1 lumen/m 2. Cã thÓ t¹o ra m«i tr­êng ®Ó ¸nh s¸ng cã gi¸ trÞ ®é chãi trªn diÖn tÝch nhá tr«ng l¹i s¸ng h¬n mét ¸nh s¸ng kh¸c mµ ®é chãi trªn diÖn tÝch lín h¬n. Tuy nhiªn ®é chãi trªn diÖn tÝch liªn quan trùc tiÕp ®Õn sù c¶m nhËn ® é chãi cña con ng­êi nhiÒu h¬n tÝch ph©n cña c(  ). H¬n n÷a, trong nh÷ng ®iÒu kiÖn quan s¸t ®iÓn h×nh (¸nh s¸ng * Nh÷ng th¶o luËn cña chóng ta trong phÇn nµy cã tÝn h tãm l­îc, víi sù chÊp nhËn mét sè gi¶ ®Þnh hîp lý. VÝ dô (1.2) dùa trªn luËt b¾c cÇu , ®­îc ph¸t biÓu lµ nÕu A vµ B s¸ng nh­ nhau vµ B vµ C s¸ng nh­ nhau th× A vµ C còng s¸ng b»ng nhau. LuËt b¾c cÇu nµy ®­îc chøng minh gÇn ®óng b»ng thùc nghiÖm . 8
  9. Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh kh«ng qu¸ yÕu mµ còng kh«ng qu¸ chãi chang) th× ¸nh s¸ng víi ®é chãi trªn diÖn tÝch lín h¬n sÏ cho c¶m gi¸c s¸ng h¬n lµ ¸nh s¸ng mµ ®é chãi trªn diÖn tÝch nhá h¬n. Mµu s¾c (hue) ®­îc ®Þnh nghÜa lµ thuéc tÝnh cña mµu cho phÐp chóng ta ph©n biÖt mµu ®á víi mµu xanh lam. Trong mét vµi tr­êng hîp , mµu s¾c cã thÓ liªn quan tíi c¸c ®Æc tÝnh ®¬n gi¶n cña c(  ). ¸nh s¸ng víi c(  )lµ h»ng sè trong d¶i kh¶ kiÕn (nh×n thÊy ®­îc) cã mµu tr¾ng hoÆc kh«ng mµu. Trong nh÷ng ®iÒu kiÖn quan s¸t th­êng, ¸nh s¸ng ®¬n s¾c xuÊt hiÖn mµu vµ mµu cña nã phô thuéc  . Khi con ng­êi quan s¸t mét chuçi d¶i s¸ng ®¬n s¾c ®Æt kÒ nhau, mµu chuyÓn ®æi ªm ¶ tõ mµu s¾c nµy sang mµu s¾c kh¸c. ¸nh s¸ng cã thÓ bÞ l¨ng kÝnh ph©n tÝch thµnh mét chuçi d¶i s¸ng ®¬n s¾c nh­ ta thÊy trªn h×nh 1.4. ThÝ nghiÖm nµy ®­îc Newton thùc hiÖn lÇn ®Çu vµo n¨m 1666. Newton chia phæ mµu trong d¶i kh¶ kiÕn thµnh b¶y lo¹i: ®á, cam, vµng, lôc, lam, chµm, tÝm víi b­íc sãng gi¶m dÇn, gäi lµ b¶y mµu cÇu vång. Tho¹t tiªn Newton chØ b¾t ®Çu víi c¸c mµu ®á, vµng, lôc, lam, tÝm. Sau ®ã «ng thªm mµu cam vµ mµu chµm ®Ó t¹o thµnh sè 7 (gièng nh­ chia 7 ngµy mét tuÇn, nh¹c cã 7 nèt vµ v.v...). §á Cam ¸nh s¸ng tr¾ng Vµng Lôc L¨ng Lam chµm kÝnh TÝm H×nh 1.4 : L¨ng kÝnh ph©n tÝch ¸nh s¸ng tr¾ng thµnh chuçi ¸nh s¸ng ®¬n s¾c. Khi ¸nh s¸ng kh«ng ®¬n s¾c nh­ng c(  )cña nã cã d¶i hÑp vµ hÇu hÕt toµn bé n¨ng l­îng cña nã tËp trung trong  ’-  <  <  ’+  víi  nhá, th× mµu s¾c tr«ng thÊy t­¬ng tù nh­ ¸nh s¸ng ®¬n s¾c víi  =  ’. Tuy nhiªn mµu cã biÓu hiÖn kÐm tinh khiÕt h¬n ¸nh s¸ng ®¬n s¾c cïng mµu s¾c. Khi c(  )lµ hµm bÊt kú, khã cã thÓ coi mµu s¾c nh­ mét trong nh÷ng ®Æc tÝnh ®¬n gi¶n cña c(  ). B»ng c¸ch lùa chän c(  )thÝch hîp, cã thÓ t¹o ra mµu s¾c kh«ng t­¬ng øng víi bÊt kú ¸nh s¸ng ®¬n s¾c nµo. Trén ¸nh s¸ng ®á víi ¸nh s¸ng xanh lam cã thÓ taä ra ¸nh s¸ng mµu tÝa (purple). 9
  10. Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh §é b·o hoµ liªn quan ®Õn tÝnh tinh khiÕt hoÆc sÆc sì cña mµu. ¸nh s¸ng ®¬n s¾c cã phæ tinh khiÕt vµ tr«ng rÊt sÆc sì, tinh khiÕt. Khi ®ã ng­êi ta nãi lµ ®é b·o hoµ cao. Cßn khi thµnh phÇn phæ cña c(  )më réng, sÏ c¶m nhËn thÊy mµu kÐm chãi läi vµ tinh khiÕt, ta b¶o lµ ®é b·o hoµ kÐm. §é b·o hoµ m µu liªn quan mËt thiÕt víi ®é réng hiÖu dông cña c(  ). 1.3. HÖ mµu céng vµ hÖ mµu trõ . Khi tæ hîp hai ¸nh s¸ng c 1(  )vµ c2(  ), ¸nh s¸ng nhËn ®­îc lµ c(  ) ®­îc tÝnh theo: c(  )= c1(  )+ c2(  ) (1.4) Khi ¸nh s¸ng céng vµo nhau nh­ ë (1.4), ta ®­îc lµ hÖ mµu céng (additive color system). §em céng nhiÒu nguå n s¸ng víi nh÷ng b­íc sãng kh¸c nhau, sÏ t¹o ra ®­îc nhiÒu mµu kh¸c nhau. VÝ dô mµn ®Ìn h×nh tivi mµu ®­îc phñ víi nh÷ng chÊm photpho nhá rùc rì xÕp thµnh tõng côm 3 mµu . Mçi nhãm gåm 1 ®iÓm mµu ®á, mét ®iÓm mµu lôc vµ mét ®iÓm mµu lam. Sö dông 3 mµu ®ã l µ v× khi tæ hîp mét c¸ch thÝch hîp chóng cã thÓ t¹o ra mét d¶i mµu réng h¬n mäi tæ hîp cña nh÷ng bé ba mµu kh¸c, chóng lµ nh÷ng mµu c¬ b¶n cña hÖ mµu céng. Mµu cña nh÷ng ¸nh s¸ng ®¬n s¾c thay ®æi tõ tõ vµ khã x¸c ®Þnh ®­îc nh÷ng b­íc sãng riªng øng víi ®á (R) , lôc (G) vµ lam (B). CIE chän  =700 nm cho mµu ®á,  =546,1 nm cho mµu xanh lôc vµ  =435,8 nm cho mµu lam. Ba mµu c¬ b¶n cña hÖ mµu céng ®­îc biÓu diÔn trªn h×nh 1.5. Trong hÖ mµu céng, sù trén lÉn mµu lam vµ mµu lôc víi sè l­îng b»ng nhau sÏ t¹o ra mµu lôc lam (cyan). Sù trén lÉn mµu ®á vµ mµu lam víi sè l­îng b»ng nhau sÏ t¹o ra mµu ®á thÉm (magenta) vµ sù trén lÉn mµu ®á vµ mµu lôc víi sè l­îng b»ng nhau t¹o ra mµu vµng . Ba mµu vµng (Y), lôc lam (C) vµ ®á thÉm (M) gäi lµ nh÷ng mµu thø cÊp cña hÖ mµu céng. Khi 3 mµu R, G, B ®­îc kÕt hîp víi sè l­îng b»ng nhau, kÕt qu¶ sÏ lµ mµu tr¾ng. Do vËy khi c¸c thµnh phÇn R,G,B ®­îc sö dông trong mµn h×nh TV mµu víi sè l­îng nh­ nhau, th× kÕt qu¶ lµ sÏ ra h×nh ¶nh ®en tr¾ng. §em kÕt hîp c¸c thµnh phÇn R,G vµ B víi ph©n l­îng kh¸c nhau, cã thÓ ®­îc t¹o ra nhiÒu mµu kh¸c nhau. VÝ dô, sù trén lÉn ¸nh s¸ng ®á vµ ¸nh s¸ng mµu lôc yÕu, kh«ng cã ¸nh s¸ng mµu lam, sÏ t¹o ra ¸nh s¸ng n©u. 10
  11. Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh  §á Vµng TÝm Tr¾ng Lôc Xanh l¬ Lam H×nh 1.5: C¸c mµu c¬ b¶n cña hÖ thèng mµu céng. Thiªn nhiªn th­êng t¹o ra mµu s¾c b»ng c¸ch läc bá (trõ ®i) mét sè b­íc sãng vµ ph¶n x¹ nh÷ng b­íc sãng kh¸c. ViÖc trõ bá b­íc sãng ®­îc thùc hiÖn bëi nh÷ng nguyªn tö gäi lµ s¾c tè (pigment), chóng hÊp thô nh÷ng phÇn ®Æc biÖt cña phæ. VÝ dô, khi ¸nh s¸ng mÆt trêi gåm nhiÒu b­íc sãng kh¸c nhau chiÕu vµo qu¶ t¸o ®á, hÖ thèng hµng tû ph©n tö s¾c tè trªn bÒ mÆt cña qu¶ t¸o hÊp thô tÊt c¶ c¸c b­íc sãng ngo¹i trõ b­íc sãng øng víi mµu ®á. KÕt qu¶ lµ ¸nh s¸ng ph¶n x¹ c ã hµm c(  )g©y c¶m nhËn mµu ®á. C¸c s¾c tè lÊy ®i nh÷ng b­íc sãng vµ hçn hîp cña hai lo¹i s¾c tè kh¸c nhau sÏ t¹o ra ¸nh s¸ng ph¶n x¹ mµ b­íc sãng ng¾n h¬n. §ã lµ hÖ mµu trõ (subtractive color system). Khi hai thø mùc cã mµu kh¸c nhau ®­îc trén ®Ó t¹o ra mét mµu kh¸c trªn giÊy th× ®Êy còng lµ mét hÖ mµu trõ. Ba mµu c¬ b¶n cña hÖ mµu trõ lµ vµng (Y), lôc lam (cyan) vµ ®á thÉm (M), chóng lµ nh÷ng mµu thø cÊp cña hÖ mµu céng. Ba mµu nµy ®­îc biÓu diÔn trªn h×nh 1.6 . B»ng viÖc trén c¸c mµu ®ã víi nh÷ng hµm l­îng thÝch hîp, cã thÓ t¹o ra mét d¶i mµu réng. Trén mµu vµng vµ mµu lôc lam t¹o ra mµu lôc. Trén mµu vµng vµ mµu ®á thÉm t¹o ra mµu ®á. Trén mµu lôc lam vµ mµu ®á thÉm t¹o ra mµu lam. Do vËy ba mµu ®á, lôc vµ lam, nh÷ng mµu c¬ b¶n cña hÖ mµu céng, l¹i lµ nh÷ng mµu thø cÊp cña hÖ mµu trõ . Khi tÊt c¶ ba mµu c¬ b¶n Y, C, M ®­îc kÕt hîp, kÕt qu¶ lµ mµu ®en, c¸c s¾c tè hÊp thô tÊt c¶ b­íc sãng ¸nh s¸ng nh×n thÊy . §iÒu quan träng cÇn l­u ý lµ: hÖ mµu trõ kh¸c mét c¸ch c¬ b¶n víi hÖ mµu céng . Trong hÖ mµu céng, khi chóng ta thªm c¸c mµu víi b­íc sãng kh¸c nhau, ¸nh s¸ng nhËn ®­îc gåm nhiÒu b­íc sãng h¬n. Chóng ta b¾t ®Çu víi mµu ®en, t­¬ng øng víi 11
  12. Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh kh«ng cã ¸nh s¸ng . Khi chóng ta ®i tõ mµu c¬ b¶n (RGB) ®Õn c¸c mµu thø cÊp (YCM) vµ råi ®Õn mµu tr¾ng, chóng ta lµm t¨ng c¸c b­íc sãng trong ¸nh s¸ng nhËn ®­îc.Trong hÖ mµu trõ, chóng ta b¾t ®Çu víi mµu tr¾ng, t­¬ng øng víi kh«ng cã s¾c tè. Khi chóng ta ®i tõ c¸c mµu c¬ b¶n (YCM) ®Õn c¸c mµu thø cÊp (RGB) råi ®Õn mµu ®en, chóng ta lµm gi¶m nh÷ng b­íc sãng trong ¸nh s¸ng ph¶n x¹ nhËn ®­îc.  Vµng Lôc §á §en Xanh l¬ TÝm Lam H×nh 1.6: C¸c mµu c¬ b¶n cña hÖ mµu trõ. Trong mét hÖ mµu céng, chóng ta cã thÓ coi ¸nh s¸ng ®á, lôc, lam, lµ kÕt qu¶ cña ¸nh s¸ng tr¾ng ®i qua ba bé läc th«ng d¶i kh¸c nhau. Trén hai mµu cã thÓ coi nh ­ ¸nh s¸ng tr¾ng ®i qua mét bé läc tæ hîp song song cña hai bé läc th«ng d¶i t­¬ng øng. Trong hÖ mµu trõ, chóng ta cã thÓ coi c¸c ¸nh s¸ng mµu vµng, lôc lam vµ ®á thÉm nh­ lµ kÕt qu¶ cña ¸nh s¸ng tr¾ng ®i qua ba bé läc chÆn d¶i kh¸c nhau. Trén hai mµu cã t hÓ coi lµ kÕt qu¶ cña ¸nh s¸ng tr¾ng ®i qua hai bé läc chÆn d¶i t­¬ng øng ®Æt nèi tiÕp. 1.4. BiÓu diÔn ¶nh ®¬n s¾c vµ ¶nh mµu . Víi ¶nh ®en-tr¾ng, ¸nh s¸ng c(  ) cã thÓ ®­îc biÓu diÔn bëi mét sè I nh­ sau:  I=k  c S BW  d (1.5)  0 Trong ®ã S BW (  )lµ ®Æc tÝnh phæ cña c¶m biÕn ®­îc sö dông vµ k lµ hÖ sè tû lÖ xÝch (scaling constant). V× sù c¶m nhËn ®é s¸ng cã tÇm quan träng hµng ®Çu ®èi víi ¶nh ®en tr¾ng, nªn S BW(  )®­îc chän gièng nh­ hµm hiÖu suÊt s¸ng t­¬ng ®èi ®· ®­îc th¶o luËn trong phÇn 1.2. Gi¸ trÞ I th­êng ®­îc gäi lµ ®é chãi, c­êng ®é, hay møc x¸m cña ¶nh 12
  13. Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh ®en tr¾ng. V× I trong c«ng thøc (1.5) biÓu diÔn c«ng suÊt trªn ®¬n vÞ diÖn tÝch, nªn nã bao giê còng kh«ng ©m vµ h÷u h¹n, nghÜa lµ: 0≤ I≤ Imax Trong ®ã I max lµ gi¸ trÞ lín nhÊt mµ I ®¹t ®­îc. Trong xö lý ¶nh, I ®­îc chia thang (scaled) sao cho nã n»m trong mét ph¹m vi thuËn lîi nµo ®ã, vÝ dô 0 ≤I≤1 hoÆc 0≤ I≤ 255. Trong nh÷ng tr­êng hîp nµy 0 øn g víi møc tèi nhÊt vµ 1 hoÆc 255 øng víi møc s¸ng nhÊt. V× c¸ch ®Æt møc thang nµy nªn ®¬n vÞ tr¾c quang (photometric) hoÆc bøc x¹ (radiometric) cô thÓ g¾n víi I trë nªn kh«ng quan träng. ¶nh tr¾ng ®en, trong c¶m nhËn chØ cã mét mµu. V× vËy cã khi gäi nã lµ ¶nh ®¬n s¾c (monochrome). ¶nh mÇu cã thÓ coi nh­ 3 ¶nh ®¬n s¾c. Víi ¶nh mµu, ¸nh s¸ng víi hµm c(  )®­îc ®¹i diÖn bëi 3 con sè gäi lµ gi¸ trÞ cÆp ba (tristimulus values). Mét tËp 3 con sè th­êng dïng trong thùc tÕ lµ R,G, vµ B, theo th ø tù ®¹i biÓu cho c­êng ®é cña c¸c thµnh phÇn ®á, lôc vµ lam. Bé ba gi¸ trÞ R, G vµ B nhËn ®­îc tõ:  R=k  c S R  d (1.7a)  0  G=k  c S G  d (1.7b)  0  B=k  c S B  d (1.7c)  0 ë ®ã SR(  ), SG(  ) vµ SB(  )theo thø tù lµ nh÷ng ®Æc tÝnh phæ cña c¸c c¶m biÕn (bé läc) ®á, lôc vµ lam. C òng nh­ møc x¸m I trong ¶nh ®¬n s¾c, R, G, B lµ kh«ng ©m vµ h÷u h¹n. Mét bé S R(  ), SG(  )vµ SB(  )®­îc biÓu diÔn trong h×nh 1.7. VÝ dô cña fR(x,y), fG(x,y) vµ f B(x,y) ®¹i diÖn c¸c thµnh phÇn ® á, lôc, lam cña 1 ¶nh mµu, theo thø tù ®­îc biÓu diÔn trong h×nh 1.8(a), (b) vµ (c). ¶nh mµu ®­îc h×nh thµnh khi ba thµnh phÇn ®­îc kÕt hîp bëi mµn h×nh TV mµu. 13
  14. Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh sR (  ) sB((  ) s G(  ) 400 500 600 700 B­íc sãng [nm] H×nh 1.7: VÝ dô ®Æc tÝnh phæ cña c¸c c¶m biÕn mµu ®á, lôc vµ lam. Mét c¸ch tiÕp cËn xö lý ¶nh mµu lµ xö lý 3 ¶nh ®¬n s¾c R, G vµ B riªng biÖt vµ tæ hîp kÕt qu¶ l¹i. Ph­¬ng ph¸p tiÕp cËn nµy ®¬n gi¶n vµ th­êng sö dông trong thùc tÕ. V× ®é s¸ng, mµu s¾c vµ ®é b·o hoµ mçi c¸i ®Òu phô thuéc c¶ 3 ¶nh ®¬n s¾c, nªn viÖc xö lý riªng biÖt R, G vµ B cã thÓ t¸c ®éng ®Õn mµu s¾c vµ ®é b·o hoµ, mÆc dÇu cã khi môc ®Ých xö lý chØ lµ thay ®æi ®é s¸ng. Bé ba gi¸ trÞ R, G vµ B cã thÓ ®­îc chuyÓn thµnh mét sè bé ba gi¸ trÞ kh¸c. Mét bé cô thÓ, ®­îc biÕt ®Õn nh­ ®é chãi - s¾c ®é (chrominance-luminance), kh¸ h÷u dông trong thùc tÕ. Khi R, G vµ B lµ c¸c gi¸ trÞ ®­îc sö dông trong m¸y thu h×nh TV (theo hÖ mµu NTSC), th× gi¸ trÞ ®é chãi - s¾c ®é t­¬ng øng Y, I vµ Q liªn hÖ víi R, G vµ B bëi: Y  0.299 0.587 0.114   R   I   0.596 - 0.274 - 0.322  G  (1.8a)    Q  0.211 - 0.523 0.312   B   R  1.000 0.956 0.621  Y  Vµ G   1.000 - 0.273 - 0.647   I  (1.8b)     B  1.000 - 1.104 1.701  Q  14
  15. Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh (b) (c) H×nh 1.9: C¸c thµnh phÇn Y, I vµ Q cña ¶nh mµu trong h×nh 1.8(d), (a) thµnh phÇn Y; (b) thµnh phÇn I; (c) thµnh phÇn Q. Thµnh phÇn Y ®­îc gäi lµ thµnh phÇn chãi, v× nã ph¶n ¸nh ®é chãi l trong c«ng thøc (1.3). Nã cã vai trß chÝnh trong sù nhËn biÕt ®é s¸ng cña ¶nh mµu, vµ còng cã thÓ sö dông ®­îc víi ¶nh ®en tr¾ng. C¸c thµnh phÇn I vµ Q gäi lµ c¸c thµnh phÇn s¾c ®é, vµ chóng cã vai trß chÝnh trong sù nhËn biÕt mµu s¾c vµ ®é b·o hoµ cña ¶nh mµu. C¸c thµnh phÇn fY(x,y), fI(x,y) vµ f Q(x,y) øng víi ¶nh mµu trong h×nh 1.8, theo thø tù ®­îc biÓu diÔn nh­ ba ¶nh ®¬n s¾c trong h×nh 1.9(a),(b) vµ (c). V× f I(x,y) vµ f Q(x,y) cã thÓ ©m nªn ta céng thªm thiªn ¸p cho chóng ®Ó hiÓn thÞ. C­êng ®é x¸m trung b×nh trong h×nh 1.9(b) vµ (c) ®¹i biÓu cho biªn ®é kh«ng cña f I(x,y) vµ f Q(x,y). So víi bé RGB, bé ba gi¸ trÞ YIQ cã thuËn lîi lµ ta cã thÓ chØ xö lý riªng thµnh phÇn Y. ¶nh ®· xö lý sÏ kh¸c víi ¶nh ch­a xö lý trong biÓu hiÖn ®é s¸ng cña nã. Mét thuËn lîi kh¸c lµ hÇu h Õt thµnh phÇn tÇn sè cao cña ¶nh mµu ®Òu ë trong thµnh phÇn Y. Do vËy, läc th«ng thÊp c¸c thµnh phÇn I vµ Q sÏ kh«ng ¶nh h­ëng ®¸ng kÓ ®Õn ¶nh mµu. §Æc tÝnh nµy cã thÓ ®­îc khai th¸c trong m· ho¸ ¶nh mµu sè hoÆc trong ph¸t tÝn hiÖu TV mµu analog. Khi môc ®Ých cña xö lý ¶nh v­ît qu¸ yªu cÇu t¸i t¹o chÝnh x¸c c¶nh “gèc” theo c¶m nhËn cña con ng­êi, chóng ta sÏ kh«ng giíi h¹n trong ph¹m vi d¶i sãng con ng­êi nh×n thÊy ®­îc. Ch¼ng h¹n khi muèn ph¸t hiÖn mét ®èi t­îng ph¸t nhiÖt, th× viÖc cã ®­îc mét ¶nh b»ng c¶m biÕn hång ngo¹i dÔ h¬n nhiÒu so víi ¶nh mµu th«ng th­êng . 15
  16. Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh ¶nh hång ngo¹i cã thÓ ®¹t ®­îc theo c¸ch t­¬ng tù theo c«ng thøc (1.7), chØ cÇn thay ®æi mét c¸ch ®¬n gi¶n c¸c ®Æc tÝnh phæ cña c¶m biÕn ®­îc sö dông. 2. HÖ thèng thÞ gi¸c ng­êi 2.1. M¾t. HÖ thèng thÞ gi¸c ng­êi lµ bé phËn phøc t¹p nhÊt hiÖn h÷u. HÖ thèng thÞ gi¸c cho phÐp chóng ta tæ chøc vµ hiÓu biÕt nhiÒu phÇn tö phøc t¹p trong m«i tr­êng quanh ta. HÇu nh­ víi tÊt c¶ ®éng vËt, thÞ gi¸c lµ ph­¬ng tiÖn ®Ó duy tr× sù sèng cßn. Víi loµi ng­êi thÞ gi¸c kh«ng chØ lµ trî gióp sù sèng cßn mµ cßn lµ mét c«ng cô cña t­ duy vµ ph­¬ng tiÖn ®Ó lµm cho cuéc sèng phong phó h¬n. HÖ thèng thÞ gi¸c bao gåm m¾t biÕn ®æi ¸nh s¸ng thµnh tÝn hiÖu thÇn kinh, vµ c¸c bé phËn h÷u quan cña n·o xö lý c¸c tÝn hiÖu thÇn kinh ®Ó lÊy ra th«ng tin cÇn thiÕt. M¾t, khëi ®Çu hÖ thèng thÞ gi¸c, lµ mét h×nh cÇu víi ®­êng kÝnh kho¶ng 2 cm. VÒ mÆt chøc n¨ng mµ nãi, th× m¾t lµ thiÕt bÞ thu gom vµ héi tô ¸nh s¸ng lªn mÆt sau cña nã. H×nh c¾t ngang cña m¾t ®­îc b iÓu diÔn trong h×nh 1.10. T¹i phÝa tr­íc cña m¾t tr«ng ra thÕ giíi bªn ngoµi, lµ gi¸c m¹c cøng (cornea), mét mµng máng dai vµ trong suèt. Chøc n¨ng chÝnh cña gi¸c m¹c lµ ®Ó khóc x¹ ¸nh s¸ng . V× cã h×nh trßn, nã ho¹t ®éng nh­ thÊu kÝnh héi tô cña camera. Nã chÞu tr¸ch nhiÖm vÒ gÇn 2/3 tæng ¸nh s¸ng khóc x¹ cÇn thiÕt cho viÖc héi tô chÝnh x¸c. Mµng cøng DÞch thuû tinh Thuû tinh thÓ ThÓ dÞch n­íc tr¹ch H×nh 1.10 . H×nh c¾t ngang cña m¾t ng­êi. PhÝa sau gi¸c m¹c cã mét thÓ dÞch n­íc (aqueous humour) lµ mét dung dÞch trong veo, dÔ l­u ®éng. Qua gi¸c m ¹c vµ thÓ dÞch n­íc cã thÓ tr«ng thÊy trßng ®en 16
  17. Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh (iris), -- cßn gäi lµ mèng m¾t. B»ng viÖc thay ®æi kÝch cì ®ång tö (con ng­¬i), -- mét lç trßn nhá ë gi÷a trßng ®en, trßng ®en ®iÒu khiÓn l­îng ¸nh s¸ng vµo m¾t . §­êng kÝnh ®ång tö kho¶ng tõ 1,5 mm ®Õn 8 mm, khi tiÕp xóc víi ¸nh s¸ng cµng chãi th× ®­êng kÝnh ®ång tö cµng thu nhá . Mµu cña mèng m¾t qui ®Þnh mµu cña m¾t. Khi chóng ta nãi r»ng mét ng­êi cã m¾t xanh, th× nghÜa lµ mèng m¾t mµu xanh. Mµu mèng m¾t t¹o nªn sù hÊp dÉn cña m¾t, kh«ng cã ý nghÜa g× vÒ c høc n¨ng thÞ gi¸c. PhÝa sau mèng m¾t lµ thuû tinh thÓ, gåm nhiÒu sîi trong suèt ®­îc bao bäc trong mµng máng ®µn håi trong suèt, cã kÝch th­íc vµ h×nh d¹ng nh­ mét h¹t ®Ëu nhá. Thuû tinh thÓ ph¸t triÓn trong suèt thêi gian sèng cña con ng­êi. Do vËy thñy tinh thÓ cña mét ng­êi 80 tuæi réng h¬n 50% cña ng­êi 20 tuæi. Nh­ mét cñ hµnh, c¸c tÕ bµo thuéc líp giµ nhÊt n»m ë trung t©m, vµ c¸c tÕ bµo thuéc líp trÎ h¬n n»m xa trung t©m. Thuû tinh thÓ cã h×nh d¹ng hai mÆt låi vµ chiÕt suÊt 1,4 cao h¬n tÊt c¶ c¸c phÇn kh¸c cña m¾t mµ ¸nh s¸ng ®i qua. Tuy nhiªn thuû tinh thÓ ®­îc bao bäc bëi m«i tr­êng cã chiÕt suÊt gÇn kÒ chiÕt suÊt cña nã. V× lý do nµy sù khóc x¹ ¸nh s¸ng t¹i thuû tinh thÓ cã gãc khóc x¹ nhá h¬n nhiÒu so víi t¹i gi¸c m¹c. Gi¸c m¹c cã chiÕt suÊt khóc x¹ 1,38 nh­ng nã tiÕp xóc víi kh«ng khÝ cã chiÕt suÊt b»ng 1. Chøc n¨ng chÝnh cña thuû tinh thÓ lµ héi tô chÝnh x¸c ¸nh s¸ng vµo mµn ¶nh phÝa sau m¾t gäi lµ vâng m¹c. Mét hÖ thèng víi thÊu kÝnh cè ®Þnh vµ kho¶ng c¸ch cè ®Þnh gi÷a thÊu kÝnh vµ mµn ¶nh, cã thÓ héi tô nh÷ng vËt ë mét kho¶ng c¸ch cô thÓ. VÝ dô, nÕu vËt ë xa héi tô râ nÐt th× vËt ë gÇn sÏ héi tô phÝa sau mµn ¶nh. §Ó cã thÓ héi tô vËt ë gÇn t¹i mét thêi ®iÓm vµ vËt ë xa t¹i vµi thêi ®iÓm kh¸c, camera thay ®æi kho¶ng c¸ch gi÷a thÊu kÝnh (cè ®Þnh) vµ mµn ¶nh. §ã lµ tr­êng hîp m¾t cña nhiÒu lo¹i c¸. Trong tr­êng hîp m¾t ng­êi, h×nh d¹ng thuû tinh thÓ, chø kh«ng ph¶i lµ kho¶ng c¸ch gi÷a thuû tinh thÓ vµ mµn ¶nh, ®­îc thay ®æi. Qu¸ tr×nh thay ®æi h×nh d¹ng ®Ó nh×n ®­îc c¶ gÇn vµ xa gäi lµ sù ®iÒu tiÕt cñ a m¾t. Thay ®æi h×nh d¹ng lµ ®Æc tÝnh quan träng nhÊt cña thuû tinh thÓ. Sù ®iÒu tiÕt cña m¾t x¶y ra gÇn nh­ ngay lËp tøc vµ ®­îc ®iÒu khiÓn bëi mi m¾t, mét nhãm c¬ bao quanh thuû tinh thÓ. PhÝa sau thuû tinh thÓ lµ thuû tinh dÞch, lµ mét chÊt trong suèt nh­ th¹ch. Nã ®­îc phèi hîp vÒ mÆt quang häc sao cho ¸nh s¸ng ®· ®­îc thuû tinh thÓ héi tô râ nÐt råi th× ¸nh s¸ng cø gi÷ nguyªn lé tr×nh. Thuû tinh dÞch chøa trong toµn bé kh«ng gian gi÷a thuû tinh thÓ vµ vâng m¹c, chiÕm kho¶ng 2/3 dung tÝch m¾t. Mét tron g nh÷ng chøc n¨ng cña nã lµ ®Ó gi÷ nguyªn h×nh d¹ng m¾t. 17
  18. Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh PhÝa sau dÞch thuû tinh lµ vâng m¹c, nã phñ kho¶ng 65% phÝa trong nh·n cÇu. §©y lµ mµn h×nh, n¬i ¸nh s¸ng vµo ®­îc héi tô vµ c¸c tÕ bµo tiÕp nhËn quang chuyÓn ¸nh s¸ng thµnh tÝn hiÖu thÇn kinh. TÊt c¶ c¸c bé phËn cña m¾t mµ chóng ta nãi ®Õn ®Òu phôc vô cho chøc n¨ng ®Æt mét h×nh ¶nh râ nÐt lªn bÒ mÆt c¬ quan c¶m nhËn. ViÖc ¶nh ®­îc t¹o ra trªn vâng m¹c, vµ m¾t chØ ®¬n gi¶n lµ mét thiÕt bÞ nhËn ¶nh, m·i ®Õn tËn ®Çu thÕ kû 17 ng­êi ta míi biÕt. Ngay c¶ thêi Hy L¹p cæ ®¹i ®· biÕt cÊu tróc cña m¾t mét c¸ch chÝnh x¸c vµ ®· tiÕn hµnh phÉu thuËt m¾t kh¸ tinh vi còng chØ lËp luËn r»ng cã nh÷ng tia t­¬ng tù ¸nh s¸ng (light -like) ph¸t ra tõ m¾t ®Ëp vµo vËt vµ lµm nã cã thÓ thÊy ®­îc. Cuèi cïng sù thËt xuÊt hiÖ n, n¨m 1625 Scheiner chøng minh ®­îc r»ng ¸nh s¸ng th©m nhËp vµo m¾t vµ sù nh×n b¾t nguån tõ ¸nh s¸ng th©m nhËp vµo m¾t. T¸ch vµ vµ ®em tr­¬ng vâng m¹c cña ®éng vËt vµ nh×n nã tõ phÝa sau, «ng ®· thÊy ®­îc ¶nh lËp l¹i rÊt nhá cña nh÷ng vËt tr­íc nh·n cÇu. Cã hai lo¹i tÕ bµo c¶m nhËn ¸nh s¸ng trong vâng m¹c. Chóng ®­îc gäi lµ tÕ bµo h×nh nãn vµ h×nh que. H×nh nãn, víi sè l­îng kho¶ng 7 triÖu, kÐm nhËy s¸ng h¬n h×nh que vµ chñ yÕu lµ ®Ó nh×n ban ngµy. Chóng còng cã tr¸ch nhiÖm c¶m nhËn mµu s¾c. Cã ba lo¹i h×nh nãn theo thø tù nhËy nhÊt víi ¸nh s¸ng ®á, lôc vµ lam. §©y lµ c¬ së sinh lý häc ®Þnh tÝnh cña viÖc biÓu diÔn ¶nh mµu víi ba ¶nh ®¬n s¾c ®á, lôc vµ lam. H×nh que, sè l­îng kho¶ng 120 triÖu, nhËy s¸ng h¬n h×nh nãn vµ vÒ c¬ b¶n ®Ó nh×n ban ®ªm. V× h×nh nãn chÞu tr¸ch nhiÖm cho ¶nh mµu kh«ng ph¶n øng khi ¸nh s¸ng tï mï, nªn chóng ta kh«ng thÓ thÊy mµu trong bãng tèi. TÕ bµo h×nh que vµ h×nh nãn ph©n bæ kh¾p vâng m¹c. Tuy nhiªn sù ph©n bè cña chóng kh«ng ®Òu. Sù ph©n bè cña tÕ bµo h×nh que vµ h×nh nãn trong v âng m¹c ®ù¬c biÓu diÔn trong h×nh 1.11. Ngay phÝa sau ®iÓm chÝnh gi÷a con ng­¬i cã mét chç tròng trªn vâng m¹c, gäi lµ ®iÓm vµng (fovea). ë ®ã tËp trung ®a sè tÕ bµo h×nh nãn vµ hoµn toµn kh«ng cã tÕ bµo h×nh que. Do ®ã, ®©y lµ vïng nh×n râ nhÊt trong ¸nh s¸ng tr¾ng. Khi ta nh×n th¼ng vµo mét vËt phÝa tr­íc, vËt ®­îc héi tô trong ®iÓm vµng (fovea). V× ®iÓm vµng (fovea) rÊt nhá, ta th­êng xuyªn di chuyÓn sù chó ý tõ vïng nµy sang vïng kh¸c, khi xem xÐt mét vïng réng h¬n. TÕ bµo h×nh que, ho¹t ®éng tèt nhÊt khi trêi tèi, ®­îc tËp trung ë vïng xa ®iÓm vµng (fovea). V× kh«ng cã tÕ bµo h×nh que trong ®iÓm vµng (fovea), nªn mét vËt héi tô trong ®iÓm vµng (fovea) kh«ng thÓ thÊy ®­îc trong bãng tèi. Do ®ã ban ®ªm ®Ó thÊy mét vËt, vµo ta ph¶i nh×n h¬i nghiªng. 18
  19. Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh nãn nãn Mòi Gãc nh×n, ®é Th¸i d­¬ng trong vâng m¹c H×nh 1.11: Sù ph©n bè tÕ bµo h×nh que (®­êng chÊm chÊm) vµ h×nh non (®­êng liÒn nÐt) trªn vâng m¹c.  Cã nhiÒu líp máng trong vâng m¹c. Tuy tÕ bµo h×nh que vµ h×nh nãn lµ c¸c tÕ bµo c¶m nhËn ¸nh s¸ng, ®¸ng lý ra chóng ph¶i n»m kÒ thuû tinh dÞch, nh­ng chóng l¹i ë xa h¬n thuû tinh dÞch. Do vËy ¸nh s¸ng ph¶i ®i qua c¸c líp kh¸c cña vâng m¹c, ch¼ng h¹n ®i qua c¸c sîi thÇn kinh ®Ó tíi tÕ bµo h×nh nãn, h×nh que. §iÒu nµy ®­îc m« t¶ trong h×nh 1.12. ThËt kh«ng hiÓu t¹i sao thiªn nhiªn l¹i chän c¸ch lµm nh­ vËy, nh­ng trong thùc tÕ c¸ch s¾p ®Æt nµy vÉn ho¹t ®éng tèt. Nh­ng Ýt ra th× ta còng thÊy lµ ë ®iÓm vµng (fovea) c¸c d©y thÇn kinh ®­îc ®Èy sang mét bªn ®Ó c¸c tÕ bµo h×nh nãn ®­îc ph¬i ra tr­íc ¸nh s¸ng. ¸nh s¸ng D©y thÇn kinh thÞ gi¸c TÕ bµo Ganglian TÕ bµo l­ìng cùc TÕ bµo h×nh que C¸c tÕ bµo TÕ bµo h×nh nãn Pigment H×nh 1.12 : C¸c líp trong vâng m¹c. L­u ý r»ng ¸nh s¸ng ph¶i ®i qua nhiÒu líp tr­íc khi tíi ®­îc c¸c tÕ bµo c¶m nhËn ¸nh s¸ng . 19
  20. Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh V× c¸ch s¾p xÕp ®Æc biÖt nµy, c¸c d©y thÇn kinh ¸nh s¸ng ph¶i xuyªn qua c¸c líp tÕ bµo c¶m nhËn ¸nh s¸ng trªn ®­êng tíi n·o. Thay v× v­ît qua c¸c líp tÕ bµo c¶m nhËn ¸nh s¸ng ë kh¾p vâng m¹c, chóng ®­îc bã l¹i t¹i mét vïng nhá b»ng cì ®Çu ghim trong vâng m¹c, gäi lµ ®iÓm mï. V× kh«ng cã c¸c tÕ bµo c¶m nhËn ¸nh s¸ng trong vïng nµy, chóng ta kh«ng thÓ nh×n thÊy ¸nh s¸ng héi tô trªn ®iÓm mï. Khi ¸nh s¸ng ®Ëp tíi tÕ bµo h×nh nãn vµ h×nh que, mét ph¶n øng ®iÖn ho¸ phøc t¹p x¶y ra, vµ ¸nh s¸ng ®­îc chuyÓn thµnh c¸c xung thÇn kinh, truyÒn ®Õn n·o th«ng qua d©y thÇn kinh thÞ gi¸c. Cã kho¶ng 130 triÖu tÕ bµo c¶m nhËn ¸nh s¸ng (h×nh nãn vµ h×nh que), nh­ng chØ cã kho¶ng 1 triÖu gi©y thÇn kinh. §iÒu ®ã cã nghÜa lµ trung b×nh cø mét d©y thÇn kinh phôc vô h¬n 100 tÕ bµo c¶m nhËn ¸nh s¸ng. Trong thùc tÕ kh«ng ph¶i lµ chia ®Òu nh­ vËy. Víi mét sè tÕ bµo h×nh nãn trong ®iÓm vµng (fovea) mçi d©y thÇn kinh phôc vô cho mét tÕ bµo, lµm t¨ng tÝnh nhËy s¸ng trong vïng nµy. Tuy nhiªn, c¸c tÕ bµo h×nh que l¹i ®­îc chia ®Òu cho c¸c d©y thÇn kinh. §©y lµ lý do t¹i sao tÝnh nhËy s¸ng (visual acuity) vµo ban ®ªm kh«ng tèt b»ng ban ngµy, tuy cã nhiÒu tÕ bµo h×nh que h¬n h×nh nãn. Chç c¸c d©y thÇn kinh thÞ gi¸c giao nhau VËt cong gËp nh­ ®Çu gèi Vâng m¹c Bøc x¹ thÞ gi¸c Bã d©y thÇn kinh thÞ gi¸c H×nh 1.13 : §­êng c¸c tÝn hiÖh thÇn kinh ®i tõ vâng m¹c ®Õn vá n·o thÞ gi¸c. 20

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản