Giáo trình xử lý ảnh - Chương 1

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

209
lượt xem 56
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu tham khảo giáo trình xử lý ảnh gồm 4 chương - Chương 1 Cơ sở xử lý ảnh

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình xử lý ảnh - Chương 1

120 110 100 90 C«ng suÊt t¬ng ®èi. 80 70 60 50 40 10 400 500 600 700 Bíc sãng [nm] : Thµnh phÇ n 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). . . 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 ho Æc 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
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 tÝnh b»ng nm 104 (10-9 m) B¨ng v« tuyÕn qu¶ng b¸ 102 UHF 1 700 §á VHF ra®a -2 10 Vi ba 10-4 Cam 600 Vµng Hång ngo¹i 10-6 nh s¸ng nh×n thÊy. Lôc Tia X 10-8 500 Tia Gamma 10-10 Lam 10-12 400 TÝm : 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 , ë ®©y lµ mét bíc sãng tham chiÕu cè ®Þnh. nh s¸ng = r r 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
®¬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 q uan 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( )= c2( 2 ) v( ) (1.2) 1 2 Hµm hiÖu suÊt s¸ng t¬ng ®èi v( )phô thuéc vµ o 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: (1.3) l k c .v d. 0 l cã ®¬n vÞ lµ lumen/m 2 Trong c«ng thøc trªn : k=685 lumen /watt c( )cã ®¬n vÞ lµ watt/m 3 cã ®¬n vÞ lµ m ( )kh«ng cã thø nguyªn. 7
nh s¸ng ®¬n s¾c víi ®é chãi 1W/m 2 t¹o ra 685 lumen/m 2 khi v( )=1. §iÒu =555 nm * nµy x¶y ra khi 100 90 80 §é chãi t¬ng ®èi 70 60 50 40 30 20 10 400 500 600 700 Bíc sãng [nm] : 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 t rªn 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 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 nhá tr«ng l¹i s¸ng h¬n mét ¸nh s¸ng kh¸c mµ lín h¬n. Tuy nhiªn 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
kh«ng qu¸ yÕu mµ còng kh«ng qu¸ chãi chang) th× ¸nh s¸ng víi lín h¬n sÏ cho c¶m gi¸c s¸ng h¬n lµ ¸nh s¸ng mµ 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. Newt on 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 Lam L¨ng chµm kÝnh TÝm : 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
nh s¸ng ®¬n s¾c 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( ). . . 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 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 10
§á Vµng TÝm Tr¾ng Xanh l¬ Lôc Lam : 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 (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 . Ba mµu c¬ b¶n cña lµ vµng (Y), lôc lam (cyan) vµ ®á thÉm (M), chóng lµ nh÷ng mµu thø cÊp cña . Ba mµu nµy ®îc biÓu diÔn trªn h×nh 1.6 . B»ng viÖc trén c¸c mµ u ®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 , l¹i lµ nh÷ng mµu thø cÊp cña . 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
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 b íc 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 (1.5) c S BW d 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
®en tr¾ng. V× I trong c«ng thøc (1.5) biÓu diÔn c«ng suÊt trªn ®¬n vÞ diÖn tÝch, nªn nã bao giê còn g 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 (1.7a) c SR d 0 G=k (1 .7b) c SG d 0 B=k (1.7c) c SB d 0 ®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
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 b iÖt 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 (chro minance -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 t¬ng øng Y, I vµ Q liªn hÖ víi R, G vµ B bëi: Y 0.299 R I 0.596 G Q 0.211 B R 1.000 Y Vµ G 1.000 I B 1.000 Q 14
(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 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
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. 2.1. 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 l ªn 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
(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 thèng víi thÊu kÝnh cè ®Þnh vµ kho¶ng c¸ch cè ®Þnh gi÷a thÊu kÝnh vµ mµn ¶nh, cã thÓ 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 råi th× ¸nh s¸ng cø gi÷ nguyªn lé tr×nh. Thuû tinh dÞch chøa trong toµn bé kh«ng gian g nh÷ng chøc n¨ng cña nã lµ ®Ó gi÷ nguyªn h×nh d¹ng m¾t. 17
§©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 ®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 l¹i rÊt nhá cña nh÷ng vËt tríc nh·n cÇu. 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. chóng kh«ng ®Òu. Sù ph©n bè cña tÕ bµo h×nh que vµ h×nh nãn trong v biÓu diÔn trong h×nh 1.11. Ngay phÝa sau ®iÓm chÝnh gi÷a con ng¬i cã mét chç tròng ®ã tËp trung ®a sè tÕ bµo h×nh nãn vµ hoµn toµn kh«ng cã tÕ bµo h×nh que. 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
nãn nãn Mòi Gãc nh×n, ®é Th¸i d¬ng trong H×nh 1.11 : Sù ph©n bè tÕ bµo h×nh que (®êng chÊm chÊm ) vµ h×nh non (®êng liÒn nÐt ) bµo c¶m nhËn ¸nh s¸ng, ®¸ng lý ra chóng ph¶i n»m kÒ thuû tinh dÞch, nhng chóng l¹i 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 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 TÕ bµo h×nh nãn C¸c tÕ bµo Pigment H×nh 1.12 tíi ®îc c¸c tÕ bµ o c¶m nhËn ¸nh s¸ng . 19
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 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 th Çn 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 ch ia ®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 Bøc x¹ thÞ gi¸c Bã d©y thÇn kinh thÞ gi¸c H×nh 1.13 20