Xử lý ảnh_Chương 1 Cơ sở xử lý ảnh

Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh 1 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 thùc 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. Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh 2 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 Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh 3 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. Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh 4 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/(m3.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/m2. 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 Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh 5 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.  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 C «n g su Êt t­ ¬n g ®è i. 120 110 100 90 80 70 60 50 40 10 400 500 600 700 B­íc sãng [nm] Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh 6 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 kh¸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. 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 ra®a Vi ba 104 102 1 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 B¨ng v« tuyÕn qu¶ng b¸ Hång ngo¹i ¸nh s¸ng nh×n thÊy. Tia X Tia Gamma UHF VHF 700 600 500 400 §á Cam Vµng Lôc Lam TÝm B­íc sãng tÝnh b»ng nm (10-9 m) B­íc sãng tÝnh b»ng m Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh 7 ®¬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 : c1( 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:     .dv.ckl  0 (1.3) Trong c«ng thøc trªn : l cã ®¬n vÞ lµ lumen/m 2 k=685 lumen/watt c()cã ®¬n vÞ lµ watt/m3  cã ®¬n vÞ lµ m ()kh«ng cã thø nguyªn. Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh 8 ¸nh s¸ng ®¬n s¾c víi ®é chãi 1W/m 2 t¹o ra 685 lumen/m2 khi v( )=1. §iÒu nµy x¶y ra khi  =555 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/m2 ®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/cm2). 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/m2. 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 . 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 400 500 600 700 B­íc sãng [nm] § é ch ãi t­ ¬n g ®è i Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh 9 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...). 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). ¸nh s¸ng tr¾ng §á Cam Vµng Lôc Lam chµm TÝm L¨ng kÝnh Ch­¬ng 1: c¬ së xö lý ¶nh 10 §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, t