Bài giảng Xử lý ảnh - Chương 21: Xử lý ảnh màu và ảnh đa phổ

Trong chương trước, chúng ta đã đề cập tới các ảnh số hai chiều. Các ảnh như vậy có thể được coi như có mức xám là hàm hai biến không gian. Một sự tổng quát hoá dễ hiểu lên ba chiều sẽ cho chúng ta các ảnh có mức xám là một hàm hai biến không gian và một biến phổ. Chúng được gọi là các ảnh đa phổ. Khi việc lấy mẫu phổ bị giới hạn bởi ba dải tương ứng với ba dải phổ đỏ, lục và lam mà hệ thống thị giác của con người có thể cảm nhận, chúng ta gọi là thủ tục xử lý ảnh màu.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Xử lý ảnh - Chương 21: Xử lý ảnh màu và ảnh đa phổ Ch­¬ng 21 XỬ LÝ ẢNH MÀU VÀ ẢNH ĐA PHỔ 21.1. GIỚI THIỆU Trong chương trước, chúng ta đã đề cập tới các ảnh số hai chiều. Các ảnh như vậy có thể được coi như có mức xám là hàm hai biến không gian. Một sự tổng quát hoá dễ hiểu lên ba chiều sẽ cho chúng ta các ảnh có mức xám là một hàm hai biến không gian và một biến phổ. Chúng được gọi là các ảnh đa phổ. Khi việc lấy mẫu phổ bị giới hạn bởi ba dải tương ứng với ba dải phổ đỏ, lục và lam mà hệ thống thị giác của con người có thể cảm nhận, chúng ta gọi là thủ tục xử lý ảnh màu. Một ảnh ba chiều có thể được tạo ra bằng cách lấy mẫu không chỉ hai toạ độ không gian của một ảnh quang học, mà còn phổ bước sóng ánh sáng tại mỗi điểm. Vì vậy, thay vì lượng tử hoá tổng cường độ ánh sáng chiếu lên từng điểm ảnh, ta đi lấy mẫu và lượng tử hoá phổ điện từ của ánh tới đó. Việc này tạo thành một ảnh ba chiều mà trong đó mức xám là một hàm hai biến không gian và một biến thứ ba là bước sóng quang học. Phạm trù liên quan tới việc xử lý những ảnh như vậy thường gọi là phân tích ảnh đa phổ. Ảnh kết quả đôi khi được gọi với cái tên ảnh đa số (multidigital). Chúng thường được tổ chức như một chuỗi các ảnh số hai chiều, mà mỗi một ảnh trong số đó có được bằng cách số hóa ảnh ban đầu trong một dải phổ hẹp. 21.2. PHÂN TÍCH ẢNH ĐA PHỔ Có lẽ điểm nổi bật nhất đối với phân tích đa phổ đó là trong lĩnh vực cảm biến từ xa. Các ảnh đa phổ thu được từ máy bay hay trạm không gian đang bay trên vùng cần nghiên cứu trên bề mặt trái đất. Mỗi điểm ảnh được cảm biến bởi một bộ các thiết bị đo ánh sáng dải hẹp. Vì thế, ảnh được số hoá với các điểm ảnh nhiều giá trị, thường được sử dụng 24 hay hơn 24 kênh phổ. Mỗi một ảnh hai chiều thể hiện đối tượng giống như khi nó xuất hiện qua một bộ lọc quang học dải hẹp. Giải phổ được kiểm soát bởi phân tích đa phổ không cần phải giới hạn trong phổ nhìn thấy. Thông thường, dải mà chúng ta quan tâm mở rộng từ tia hồng ngoại qua phổ nhìn thấy cho tới tia tử ngoại. Phần đáng chú ý của phân tích phổ được dành hết cho sự phân lớp điểm ảnh. Trong quá trình này, ảnh được phân chia thành các vùng tương ứng với các kiểu bề mặt khác nhau, ví dụ như các vùng hồ, các cánh đồng, các cánh rừng, khu dân cư và các khu công nghiệp. Mỗi điểm ảnh đa trị được phân lớp như với các kiểu bề mặt sử dụng tập số đo mật độ phổ của nó. Sự phân lớp được hoàn thành với các kỹ thuật tương tự như đã đề cập trong chương 20. Thường thường, các phép toán đại số ví dụ như phép trừ và các tỷ số tạo thành được thực hiện trên một tập ảnh để tăng cường sự khác nhau của bề mặt. Trong khi ảnh nhận được trong một dải phổ cụ thể nào đó sẽ mất hình dạng do các hiệu ứng chiếu sáng, thì các ảnh tỷ lệ cho biết các tính chất bề 430 mặt xác thực hơn. Độc giả có quan tâm nên tham khảo tài liệu về cảm biến từ xa để có thể hiểu thêm về vấn đề này. 21.3. XỬ LÝ MÀU ẢNH 21.3.1. Cảm nhận màu Khuôn dạng quen thuộc nhất của các ảnh đa phổ là khả năng cảm nhận màu thông thường. Võng mạc của mắt người được bao phủ với các tế bào thần kinh cảm nhận ánh sáng (Hình 21-1) có chức năng tương tự các vị trí cảm nhận trên chip CCD. Các tế bào thần kinh cảm nhận sáng hấp thụ ánh sáng từ ảnh và tập trung trên võng mạc bởi thuỷ tinh thể và võng mạc. Chúng sinh ra các xung thần kinh tới não, thông qua xấp xỉ một triệu sợi dây thần kinh quang học. Tần số của các xung này được mã hoá thành độ sáng của ánh sáng tới HÌNH 21-1 Hình 21-1 Mắt người (mắt phải, nhìn từ trên xuống) Tế bào cảm quang là sự trộn lẫn của hai loại, các tế bào hình que và các tế bào hình nón, gọi theo hình dạng vật lý của chúng. Tế bào hình que nhạy cảm hơn, cung cấp cho chúng ta khả năng cảm nhận ánh sáng, đêm tối đơn sắc. Tế bào hình nón có khả năng cảm nhận màu, nhưng chỉ ở các mức ánh sáng cao. Tế bào hình nón có ba loại, điểm khác nhau chủ yếu về tính chất quang hoá đó là chúng chuyển đổi ánh sáng thành các xung thần kinh. Tế bào hình nón chia thành phần thấy được của phổ điện từ thành ba dải: đỏ, lục và lam. Vì nguyên nhân này mà ba màu này được coi như các màu chính đối với khả năng nhìn của người. Hình 21-2 đưa ra các phổ nhạy cảm của ba loại tế bào hình nón trong hệ thống cảm nhận của con người. HÌNH 21-2 431 Hình 21-2 Phổ độ nhạy cảm của các tế bào cảm quang của mắt người Các xung thần kinh sinh ra bởi các tế bào cảm quang đáp ứng lại ánh sáng đi qua lớp các tế bào lưỡng cực và lớp tế bào hạch. Mạng nơ ron nhân tạo được miêu tả trong chương 20 được mô phỏng sau kiến trúc và hoạt động của các tế bào võng mạc này. Các sợi trục của khoảng chừng một triệu tế bào hạch tạo thành dây thần kinh quang học, nó hướng dẫn dữ liệu ảnh tới não bộ. 21.3.2. Ảnh ba màu Vì bản chất của hệ thống thị giác con người, nên phần lớn sản phẩm trình bày sự cố gắng và phí tổn trong ảnh điện tử đã dành hết cho các hệ thống ba màu, đặc biệt là các camera truyền hình, các bộ số hoá, các thiết bị hiển thị và các máy in. Vì vậy, chế độ ba màu được coi là đặc biệt quan trọng. Không chỉ sự tăng cường ảnh màu là một sự thực hiện ba màu, mà phân tích định lượng ảnh màu cũng thường được thực hiện trên thiết bị ba màu, vì nó tạo ra khối lượng nhiều với giá thành tương đối thấp. Các ví dụ phổ biến về hệ thống ảnh ba màu bao gồm các ảnh chụp màu và ảnh TV màu (chương 2, 3). Trong cả hai trường hợp, phổ nhìn thấy được chia thành ba dải- đỏ, lục và lam-gần giống như sự lượng tử hoá phổ thực hiện bởi mắt người. Trong ảnh chụp màu, các ảnh riêng biệt được rửa theo ba loại thuốc ảnh xen lẫn nhau. Trong TV màu, sử dụng ba bộ cảm biến ảnh, mỗi bộ đảm nhận chức năng của một bộ lọc quang học màu đỏ, lục, lam. Đối với mục đích hiển ...