Лекция №3 Източници: Лекция Обработка изображений стр. 3 Fisenki pdf ст



Дата27.09.2016
Размер150.01 Kb.
#10908
ТипЛекция

гл. ас. д-р инж. Димитър Петров - Цифрова обработка на изображения.

ЛЕКЦИЯ № 3




Източници:

Лекция - Обработка изображений стр.3

Fisenki.pdf – стр. 16

1_гонсалес_вудс_цо_изображ .Djvu – стр. 420

Прэтт У. Цифровая обработка изображений. Книга 1 (1982).Djvu- стр. 160
ЛЕКЦИЯ № 3 Формиране на цветни цифрови изображения


  1. Въпрос. Основи на теорията за цветовете.

Използуването на цветовете в обработката на изображенията се обуславя от две основни причини:



  • Първо – цветът е този важен признак, който много често облекчава разпознаването и отделянето на обекта върху изображението;

  • Второ – човек е в състояние да различи не по-вече от двадесетина нива на гълъбовото, и в същото време е в състояние да различи хиляди оттенъци в цвета. Това е изкючително важна особеност на човешкото зрение особено що се касае до анализа на изображнеията.

Обработката на цветните изображения може да се раздели условно на две основни области: обработка на изображенията в истински цветове и обработка на изображенията в изкуствено създадени - т.н. псевдоцветове.

В първия случай разглежданите изображения се формират от цветни устройства за регистрация на изображения такива като цветен цифров фотоапарат, или цветен скенер. Във втория случай, цветното изображени се формира чрез присвояване на различни цветове на различните пиксели от изображението съобразно тяхната яркост или диапазона на нейното изменение.

Независимо че възприемането и интерпретацията на цвета в човешкия мозък от психофизиологична гледна точка все още не е достатъчно изследвано, физическата природа на цвета може да бъде описана достатъчно точно.

Още през 1666 г. сър Исак Нютон открил, че при преминаване на слънчевия лъч през стъклена призма изходящият поток светлинни лъчи се разлага на непрекъснат спектър от цветове (фиг.1) простиращ се в шест широки цветови диапазона: виолетов, син, зелен, жълт, оранжев и червен.При разглеждането на пълния спектър (фиг.2) се вижда, че нито един от цветовите диапазони няма ясно изразена граница, напротив всеки цвят плавно преминава в другия.



Фиг. 2 Разлагане на белия цвят на спектрални съставящи.





Фиг. 2. Дължина на вълните във видимата част на електромагнитния спектър
Важно място в теорията за цветовете заема изборът на параметрите характеризиращи светлината. Когато светлината е ахроматична (неоцветена) тя се характеризира единствено с показателя интензивност. Ахроматичната светлина –това е светлината, която я вижда зрителят на черно-белия екран. Именно ахроматичната светлина е предмет на разглеждане при изясняване на понятието квантоване на аналоговото изображение и употребявания в тази връзка термин ниво на сивото отразяващ интензивността на ахроматичния цвят.

Хроматичната (оцветената) светлина обхваща диапазона на видимия спектър (фиг.2) приблизително от 400 нм. до 700 нм. Хроматичните източници на светлина се характеризират с три основни величини: енергиен поток, светлинен поток и яркост.



  • Енергийния поток – това е общото количество енергия излъчвано от светлинния източник за единица времe. Обикновено се измерва във ватове (Вт).

  • Светлинен поток – това е потока от лъчиста енергия, която се възприема от зрителното усещане като осветеност. Измерва се в лумени (Лм).

  • Яркост – това е субективна характеристика, която практически не се подава на измерване. Тя отразява нивото на зрително усещане в резултат от въздействието на интензивността (светлинния поток). Яркостта е един от ключовите параметри за описание на цветовите възприятия от човека.

В началото на 19 век Томас Йънг открива, че всички цветове могат да се получат при смесването в подходящи пропорции на 3 основни цвята – син, зелен и червен. Това е т.нар. принцип на трикомпонентността и, според теорията, се свърза с наличието на 3 вида рецептори, които реагират съответно на син, зелен и червен цвят. Тази хипотеза на Йънг се потвърждава от съвременните изследвания, които доказват съществуването на 3 вида колбички в ретината на окото, които имат различна крива на спектрална чувствителност и реагират на различна дължина на вълната. Колбичките са наречени сини, зелени и червени и ако съотношението между тяхното възбуждане е същото, както при смесването на трите цвята, може да се получи всеки друг цвят. Например едновременното възбуждане на зелени и червени колбички води до усещането за жълт цвят, а на трите заедно – за бяло. Черен цвят се получава при пълното отсъствие на възбуда. 

Човек възприема цветовете със специални рецептори разположени върху ретината на човешкото око – т.н. „колбички”. В резултат на многократни екесперименти е установено, че съществуващите 6-7 милона колбички в човешкото око, могат да серазделят на три групи по отношение на тяхната възприемчивост към спектралния състав на светлината:

S -чувствутелни към синия цвят, М – към зеления и L – към червения. При това разпределение около 65% са от типа L, 33% от типа М и само около 2% - от тип S, но за сметка на това те са най-чувствителни.

На фиг. 3 са представени установените през 1965 г. експериментални криви на спектралната чувствителност на колбичките за всяка от трите групи. Вследствие на тези спектрални характеристики човешкото око възприема цветовете като различно съчетание на т.н. първични или основни цветове: червен R, зелен G, син B.

Фиг. 3 Криви на спектралната чувствителност на колбичките от човешкото око


При осветяване на ретината се възбуждат и трите вида колбички. Ако възбуждането е най-силно за един вид колбички се получава цветно зрително възприятие. Ако колбичките се възбудят еднакво, то зрителното възприятие е черно-бяло.
На практика още през 1931 г. Междунардната комисия по осветление-МКО (INTERNATIONAL COMMISSION ON ILLUMINATION- ICI) е разработила стандарт за набора от монохроматичните основни цветове:

  • Син с дължина на вълната 435.8 нм.;

  • Зелен с дължина на вълната 546.1 нм.;

  • Червен с дължина на вълната 700 нм.

Тъй-като този стандарт е създаден преди 1965г. когато стават достъпни кривите на спектралната чувствителност (фиг.3), по същество той отговаря приблизително на експерименталните данни. Както показват фиг. 2 и фиг. 3 нито един монохроматичесн цвят не може да бъде наречен само червен, зелен или син.

В теорията на цветовете съществуват два вида основни - първични цветове.



  • Първични цветове на светлинните източници;

  • Първични цветове на оцветителите (светофилтри)

Изясняването на тези понятия е от особена важност за създаването на т.н. псевдоцветове при формирането на псевдоцветни изображения чрез наслагване на отделни изображения на едини същ обект получени от камера регистрираща монохромна светлина на вълната с определена дължина – т.н.много зоналани камери.

Основните цветове на светлините източници са зелен, червен и син. При тяхното събиране - фиг. 4а се получават т.н. вторични основни цветове: пурпурен (magenta) – чрез събиране на червен +син, гълъбов – чрез събиране на зелен + син и жълт – чрез смесване на червен + зелен

Смесването на трите основни цвята, или вторичния основен цвят и противоположния основен цвят дава белия цвят.



Оцветителите в т.ч. и светофилтрите поглъщат (изваждат) някой един от основните цветове на светоизточника и пропускат останалите два. За оцветителите основните цветове се явяват пурпурния, гълъбовия и жълтия, а вторични – червния, зеления и синия – фиг. 4б

Фиг. 4 (а) - събиране на основни и допълнителни цветове, (б) – събиране на основни и допълнителни цветове на оцветители (светофилтри)
Параметрите с които се характеризират разликите в цветовете са яркост, тон и наситеност.

  • Яркостта е свързана със зрителното усещане за интензивността на цвета.

  • Тонът, характеризира основния цвят, който се възприема от наблюдателя.

  • Наситеността на цвета е свързана с количеството бял цвят наличен в цвета.

Т.е. когато наричаме даден обект „червен”, „оранжев” или „жълт” ние обозначаваме неговия цветови тон. Наситеността на цвета е свързана с относителното му избеляване, или количеството наличие на бял цвят в него. Монохроматичните цветове са 100% наситени. Такива цветове като розовия (смес на червен и бял) или бледо-лилав (смес на виолетовия и белия) са по малко наситени. При това величинита на наситеността е обратно пропорионална на количеството бял цвят в сместа.

Тонът и наситеността на цвета взети заедно се наричат цветност. На тази база цветът може да се характеризира със своята яркост и цветност.

Количествата червен, зелен и син цвят необходими за получаването на някой конкретен цвят се наричат координати на цвета (фиг.5) и се означават с X,Y и Z

Фиг. 5 Координати на цвета при 8 битово описание на основните цветове


Често при описание на цвета, яркостта не представлява интерес. При това положение тонът на цвета и неговата наситеност могат да се изразят чрез координатите на цвета, които се записват по следния начин.
............................ (1)
............................. (2)
............................. (3)
Въз основа на уравнения (1), (2) и (3) може да бъде записано:
...................... (4)

В съответствие със стойностите на фиг 5 и уравнения 1-3 за тонът и наситеността на всеки един от основните цветове се получава:


x + y + z = 0.111 + 0.549 + 0.340 = 1
Уравнение (4) означава, че за даден цвят ако са известни двата съставящи цвята, може да бъде изчислена стойността на третата съставяща.

Смисълът и значението на уравнение (4) ще бъде илюстрирано с използуването на Диаграмата на цветността (фиг. 6) изработена от МКО.

Върху диаграмата цялата съвкупност от цветове е представена като функция на червения цвят – координата x и зеления цвят – координата y. За произволни стойности на координатите x и y съответното значение на координатата z съобразно (4) може да бъде получено от израза:
z=1-(x+y) ........................... (5)
Например точката от фиг. (6) като зелена съдържа приблизително 62% зелено и 25% червено. От (5) следва, че съдържанието на синьото е около 13%.

Фиг. 6 – Диаграма на цветността изработена от МКО

По протежение на границите на диаграмата на цветността са разположени различните цветове от спектъра – от виолетовия с дължина на вълната 380 нм. до червения с дължина на вълната – 780 нм.

Която и да е точка разположена върху границата на диаграмата има 100% цветова наситеност и обратно, която и да е точка разположена вътре в диграмата представлява определена смес от основните цветове.

Особено място в диаграмата заема т.н. точка на равната енергия чийто цвят е получен от равното процентно участие на всички основни цветове. Тази точка представлява основен (базов) бял цвят по стандарта на МКО. Основната характеристика на точката на равната енергия е тази, че нейната цветова наситеност е равна на нула.

Смисълът на точката на равната енергия се състои в следното: При преместването на която и да е точка от границата на диаграмата към точката на равната енергия, нейната цветова наситеност става все по-слаба съобразно величината на преместването (съдържа все по-вече бял цвят).

Диаграмата на цветовете е полезна при разглеждане на въпросите свързани със смесването на цветовете. Това се дължи на факта, че всяка отсечка съединяваща две които и да са точки от диграмата позволява да се определят всички възможни цветове, които могат да бъдат получени при смесването на двата дадени цвята в съотношения променящи се по протежение от началото до края на отсечката.

Например, да разгледаме отсечката съединяваща точките „червена” и „зелена”. Точките представляващи смес от тези цветове ще лежат върху разглежданата отсечка. Ако в сместа е по-вече червения цвят от зеления, то на такава смес ще съответсва точка намраща се по-близо до червената точка. Аналогично отсечка прекарана от точката на равната енергия към която и да е друга точка от границата на диаграмата, определя всички отенъци на избрания цвят.


  1. Въпрос. Цветови модели.


Предназначението на цветовите модели (color models) наричани още цветово пространство или система от цветове е да направи възможно описанието на цветовете с помощта на определен стандарт. По своята същност цветовия модел дефинира (определя) някаква координатна система и подпространство вътре в тази система, в която всеки цвят представлява единствена точка.

Болшинството съвременни цветови модели са ориентирани или към устройствата използувани за визуализация на цифровите изображения (цветни плотери и монитори) или към определени приложни задачи - например създаване на цветни графики или анимации. В практиката се използуват множество различни цветови модели, което се предопределя от това, че науката за цвета обхваща много широка област включваща различни многочислени приложения.





    1. Цветови модел RGB – (Red-Green-Blue)


Цветовия модел RGB (Red, Green, Blueчервен, зелен, син) е най-разпространен за създаване на машинни графики и анимации при тяхната визуализация върху екрана на монитора. При този модел спектралната функция се представя като сума от чувствителността на всеки тип колбички. Моделът се характеризира с т.н. адитивност (сумиране) при получаването на новия цвят. (цялото на модела е съвкупност от отделни части на други модели).
Пример:

Получаване на черен цвят: fblack = 0, (R,G,B) = 0,0,0

Получаване на пурпурен (magenta) цвят: fmagenta = fred + fblue, (R,G,B) = (1,0,1)

Получаване на бял цвят fblue = fred + fgreen + fblue, (R,G,B) = (1,1,1).


Цветното пространство RGB може да се представи чрез куб показан на фиг. 7.

В RGB модела всеки цвят се представя като съвкупност от червения, зеления и синия първичен цвят. В основата на модела лежи декартовата координатна система.



Растерните изображения представяни чрез RGB модела се състоят от три отделни изображения (матрици) – по една за всеки от първичните основни цветове. При възпроизвеждането върху RGB монитор тези три изображения се смесват върху луминисциращия екран и образуват цветното изображение. Числото битове използувани за представянето на всеки пиксел в RGB пространството се нарича дълбочина на цвета.

Ако всяка от матриците (червена, зелена и синя) са 8 битови то цветното изображение ще има дълбочина 24 бита. За такива изображения се казва, че са пълноцветни. Общото число възможни цветове се представя с израза (28)3 =

16 777 216 цвята.

Цветното пространство се представя чрез куб показан на фиг. 7.


Фиг. 7. 24 цветови куб RGB

Важно е да се отбележи, че поради особеността на рецепторите на човешкото око в модела RGB не са представени всички възможни цветове. Делът на представените цветове обаче е много по-голям от делът на не представените.




    1. Цветови модел CMY и CMYK – (Columbine – Magenta – Yelow)

Цветовия модел CMY се използува за получаване на цветове чрез смесване на оцветители при печатане на цветни изображения.

Както стана ясно цветовете гълъбов (Columbine), пурпурен (Magenta) и жълт (Yelow) се явяват вторични основни цветове на светлинните източници и обратно първични основни цветове на оцветителите (филтрите).

Например ако една повърхност която е оцветена в гълъбово се освети с бяла светлина то червения цвят от тази повърхност няма да се отрази защото гълъбовия оцветител изважда (поглъща) червения цвят от отразявания бял цвят, който се състои от равни количества червен, зелен и син цвят.

Болшинството от устройствата за нанасяне на цветни бои върху хартия (цветни принтери, плотери, копирни машини и др.) изискват или представяне на входните данни за цвета в модела CMY, или в процеса на работа преобразуват данните от RGB в CMY модел.

Това преобразувание се извършва по формулата:
........................... (6)
Където се предполага, че значенията на всички цветове са нормирани така, че координатите на техните съставящи отговарят на формула (4).

В съответствие с фиг. 4(б) взети в равни количества първичните основни цветове на оцветителите (гълъбов, пурпурен и жълт) формират черен цвят, който обаче на практика изглежда по светъл от оригиналния. Ето защо при при печат на чисто черен цвят, цветовия модел CMY се разширява до CMYK чрез добавяне на четвърти основен цвят - черен.

Типичен пример за преобразуване на цветови модел RGB в CMY и CMYK е разпечатването върху мастилено струен плотер на цветни изображения създадени чрез някоя компютърна програма - например AutoCAD (фиг.8).

Фиг. 8 Мастилница с оцветители на мастилено струен плотер HP Designjet 510
В компютърна среда цветовете от чертежа са в система RGB, но при тяхното извеждане върху плотера цветовия модел се преобразува по формула (6) в CMYК и за това плотерът е снабден със трите основни цвята за оцветители плюс четвърти основен цвят – черен.
3.2 Цветови модел YСrCb
Названието на този цветен модел са разшифрова като: luminance, Chrominance-blue, Chromimamce-red, което се првежда като: яркост, цветност на синьото, цветност на червеното.

При YСrCb модела принципът на представянето на цвета съвпада с естествения способ на човека да възприема цветовете. Освен колбичките, втората група светочуствителни рецептори на човешкото око това са т.н. пръчици. Колбичките, които в човешкотооко са около 6-7 млн. са силно чуствителни към наситеността на цветовете и по-слабо към тяхната яркост, а пръчиците чиийто брой е около 130 млн. са чуствителни много силно към светлината, т.е. към яркостните съставящи на цветовете. Не случайно в полутъмна обстановка човек вижда предметите, но не различава цветовете. Това е така, защото количеството попадаща в зеницата светлина е недостатъчна за да предизвика ракция на колбичките. Освен това човешкото око е по-чуствеително към по късите вълни на видимия спектър – зеления и синия и по-малко към червения цвят.

Ето защо за разлика от модела RGB където и трите компонента са равнопоставени и отразяват наситеността на червения, зеления и синия цвят, цветовия модел YСrCb също се състои от три компонента но един от тях „Y” компонента – яркост е основен и е свързан с качеството (контрастността и яркостта) на изображението. Останалите два компонента Сr и Cb характеризират наситеността на червения и синия цвят спрямо останалите цветове (наличието на червения и синия цвят).

Стойността на параметъра „яркост” на изображението и другите два нормирани параметри Сr и Cb се дава с израза:


...................(7)
Обратното преобразуване на цветовия модел от YСrCb към RGB се дава с израза:
.................... (8)

(а) Цветно общо изображение YCbCr (б) Y изображение


(в) Cb изображение (г) Cr изображение

Фиг. 9. Цветно общо и отделени черно-бели изображения на компонентите Y,Cb и Cr

На фиг. 9 са показани четири изображения на един и същ обект – рибка, визуализирани чрез използуване на различните съставящи на цветовия модел YCbCr. Изображение a е получено от смесването на всички компоненти на изображението – т.е. цветно. Изображение б е получено само от компонента Y в сива скала. Изображения в и г са получени от компонентите Cb и Cr. Ясно се вижда, че макар и изображенията съставени от цветовите компоненти да не са толкова ясни и качествени, то благодарение на контрастното изображение получено от компонента Y общото цветно изображение изглежда достатъчно контрастно и със задоволително качество.

Фиг. 9 илюстрира нагледно едно от основните преимущества на YСrCb цветовия модел, а именно това, че той позволява да се намали обема на информацията съдържащата се в двете съставящи, без това да повлияе съществено на качеството на изображението като цяло.



Този цветови модел се използува в телевизионните системи PAL и SEKAM, а така също при кодировка на неподвижни изображения. На база на този модел е разработен JPEG формата за съхранение на цифрови изображения.


Каталог: tadmin -> upload -> storage
storage -> Литература на факта. Аналитизъм. Интерпретативни стратегии. Въпроси и задачи
storage -> Лекция №2 Същност на цифровите изображения Въпрос. Основни положения от теория на сигналите
storage -> Лекция 5 система за вторична радиолокация
storage -> Толерантност и етничност в медийния дискурс
storage -> Ethnicity and tolerance in media discourse revisited Desislava St. Cheshmedzhieva-Stoycheva abstract
storage -> Тест №1 Отбележете невярното твърдение за подчертаните думи
storage -> Лекции по Въведение в статистиката
storage -> Търсене на живот във вселената увод
storage -> Еп. Константинови четения – 2010 г някои аспекти на концептуализация на богатството в руски и турски език


Сподели с приятели:




©obuch.info 2024
отнасят до администрацията

    Начална страница