Tài liệu Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNTT&TT ------------------- LÊ THỊ ĐÌNH CHIẾU SÁNG TRONG ẢNH VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÁY TÍNH Chuyên ngành : Khoa học máy tính Mã số : 60 48 01 Thái Nguyên, năm 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng” MỤC LỤC MỤC LỤC .............................................................................................................. 1 LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... 3 LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... 4 Phần 1. ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................ 5 1. Giới thiệu tổng quan về đề tài .......................................................................... 5 2. Lý do chọn đề tài ............................................................................................. 6 3. Bố cục của luận văn ......................................................................................... 6 Phần 2. NỘI DUNG ................................................................................................ 8 Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ CHIẾU SÁNG ẢNH ................. 8 1.1. Một số khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh. .................................................. 8 1.1.1. Xử lý ảnh ............................................................................................. 8 1.1.2.Quá trình thu nhận ảnh, biểu diễn ảnh và lƣu trữ ảnh ............................ 8 1.1.2.1. Quá trình thu nhận ảnh ............................................................... 8 1.1.2.2. Biểu diễn ảnh ............................................................................. 8 1.1.2.3. Lƣu trữ ảnh .............................................................................. 10 1.1.3. Các mô hình biểu diễn màu ................................................................ 12 1.1.3.1. Hệ màu chuẩn RGB ................................................................. 12 1.1.3.2. Hệ màu CMY ........................................................................... 13 1.1.3.3.Hệ màu YIQ .............................................................................. 14 1.1.3.4.Hệ màu L*a*b ........................................................................... 14 1.1.3.5.Hệ màu HSI(Hue- Saturation- Itensity) ..................................... 14 1.2. Ánh sáng và sự chiếu sáng trong ảnh ....................................................... 16 1.2.1. Khái quát về chiếu sáng ảnh ............................................................... 16 1.2.2. Một số ứng dụng của chiếu sáng ảnh.................................................. 16 1.2.3. Một số hình ảnh về chiếu sáng ........................................................... 17 Chƣơng 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT CHIẾU SÁNG ẢNH .................................... 20 2.1. Kỹ thuật Phong Shading ........................................................................ 21 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. Kỹ thuật phản chiếu ngƣợc Phong Shading ............................................ 23 Kỹ thuật Gouraud Shading..................................................................... 24 Phép nội suy Phong ............................................................................... 26 Tính bất biến về màu sắc với RETINEX ................................................ 27 2.6. So sánh các kỹ thuật chiếu sáng: Phong Shading, phản chiếu ngƣợc Phong Shading, Gouraud Shading. ............................................................................ 35 Chƣơng 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM .................................................. 37 3.1. Bài toán chiếu sáng trong ảnh .................................................................. 37 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng” 3.2. Chƣơng trình thử nghiệm ......................................................................... 38 3.2.1. Các khối Modul chính trong chƣơng trình.......................................... 38 3.2.1.1. Khối Modul thực hiện mở một ảnh mới .................................... 38 3.2.1.2. Khối Modul thực hiện xử lý thêm nguồn sáng vào ảnh ............. 39 3.2.1.3. Khối Modul thực hiện thêm nguồn sáng mới ............................ 40 3.2.1.4. Khối Modul thực hiện thiết lập thông số nguồn sáng ................ 41 3.2.1.5. Khối Modul thực hiện các sự kiện khi thay đổi nguồn sáng ...... 45 3.2.1.6. Khối Modul thực hiện hiển thị kết quả xử lý ảnh ...................... 50 3.2.2. Giao diện chƣơng trình ...................................................................... 51 3.2.2.1. Giao diện chính của chƣơng trình chiếu sáng trong ảnh ............ 51 3.2.2.2. Giao diện thực hiện mở ảnh ...................................................... 52 3.2.2.3. Giao diện thiết lập màu, tọa độ nguồn sáng, kiểu chiếu sáng,… 52 3.2.2.4. Giao diện xử lý chiếu sáng ảnh và kết quả ................................ 53 3.2.2.5. Giao diện thêm nhiều nguồn sáng đồng thời ............................. 54 Phần 3. PHẦN KẾT LUẬN ................................................................................... 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 55 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng” LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng” là công trình nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Nguyễn Thị Hồng Minh. Các số liệu, hình ảnh đƣợc sử dụng trong luận văn cũng nhƣ các kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận văn là trung thực. LÊ THỊ ĐÌNH Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng” LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong trƣờngĐại học CNTT&TT-Đại học Thái Nguyên cũng nhƣ các thầy giáo ở Viên Công Nghệ Thông Tin đã hết lòng truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong suốt thời gian học Cao học vừa qua. Tôi xin chân thành cảm ơn cô giáo TS. Nguyễn Thị Hồng Minh đã tạo điều kiện, trực tiếp hƣớng dẫn, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, cán bộ viên chức trƣờng Dự bị đại học dân tộc Nội trú Sầm Sơn đã tạo mọi điều kiện cho bản thân tôi và các học viên lớp cao học CNTT K8B hoàn thành khoa học. Tôi xin chân thành cảm ơn các học Viên trong lớp Cao học CNTTK8B đã động viên, chia sẻ kinh nghiệm, kiến thức, tài liệu cho bản thân tôi trong quá trình học tập và thực hiện đề tài luận văn. Một lần nữa xin chân thành cảm ơn! Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng” Phần 1. ĐẶT VẤN ĐỀ 1. Giới thiệu tổng quan về đề tài Chiếu sáng ảnh là quá trình chúng ta có thể thêm các hiệu ứng ánh sáng thực vào ảnh. Với việc thêm các hiệu ứng ánh sáng thực vào các bức ảnh đó có thể làm cho các bức ảnh sáng sủa, lãng mạn hơn và ngƣợc lại cũng có thể làm cho bức ảnh đó trở nên tối tăm, ảm đạm hơn. Chiếu sáng ảnh có thể chỉnh sửa đƣợc màu sắc ánh sáng, thêm vào nhiều kiểu ánh sáng một cách đa dạng, thay đổi chất lƣợng bề mặt bức ảnh, thêm vào nhiều loại hiệu ứng ánh sáng bao quanh. Mô hình về ánh sáng và sắc thái là một trong những mô hình chiếu sáng ảnh đƣợc phát triển nhanh chóng và phổ biến nhất. Việc sử dụng các mô hình về ánh sáng và sắc thái nhằm tạo ra những hình ảnh thực bằng cách chúng ta sẽ tái tạo lại vẻ bên ngoài của các bề mặt trong nhiều điều kiện sáng khác nhau. Từ đó chúng ta có thể thu đƣợc sự phản chiếu từ các điểm trên bề mặt. Các mô hình chiếu sánh ảnh phổ biến gồm có mô hình Phong shading và Gouraud shading. Phong shading dùng để chỉ một tập hợp các kỹ thuật trong đồ họa máy tính 3D. Phong shading bao gồm một mô hình của sự phản chiếu ánh sáng từ các bề mặt và một phƣơng pháp ƣớc tính màu sắc điểm ảnh bằng những dạng bình thƣờng của bề mặt nội suy trên những đa giác định dạng. Mô hình phản chiếu có thể là “mô hình phản chiếu Phong – Phong refection model”, “Phong illumination” hay “Phong lighting”. Cũng có thể gọi là “Phong shading” nếu đó là bóng điểm ảnh hoặc những nơi mà tính toán ánh sáng có thể gọi là “shading - bóng”. Phong refection là mô hình thực nghiệm chiếu sáng cục bộ. Nó mô tả cách mà một bề mặt phản xạ ánh sáng nhƣ là sự kết hợp giữa phản xạ khuếch tán ở các bề mặt thô ráp với phản xạ phản chiếu ở cá bề mặt sáng bóng. Nó dựa trên quan sát của BUI TUONG PHONG là: bề mặt sáng bóng có những điểm phản chiếu cƣờng độ nhỏ, trong khi bề mặt mờ đục có những điểm phản chiếu lớn và giảm đi từ từ. Gouraud shading, là một phƣơng pháp đƣợc sử dụng trong đồ họa máy tính để mô phỏng các hiệu ứng khác nhau của ánh sáng và màu sắc trên bề mặt của một Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng” đối tƣợng. Trong thực tế, Gouraud shading đƣợc sử dụng để đạt đƣợc ánh sáng mịn trên bề mặt đa giác thấp (low polydon) mà không có các yêu cầu nặng nề về tính toán chiếu sáng cho mỗi điểm ảnh. Gouraud công bố lần đầu tiên kỹ thuật này vào năm 1971, sau khi phát minh ra Le Sapot. 2. Lý do chọn đề tài Với sự phát triển rất mạnh mẽ của một số loại hình nghệ thuật, văn hóa đòi hỏi chúng ta có những bức ảnh sống động rõ nét phản ảnh đúng đủ trong những thời kỳ, thời điểm nhất định. Để đáp ứng đƣợc các yếu tố đó đòi hỏi các bức ảnh phải đƣợc điều phối mầu sắc, ánh sáng,… cho phù hợp với các yêu cầu thực tế. Vì vậy để hỗ trợ thêm cho việc tạo ra các bức ảnh nhƣ mong muốn nhƣ đã nêu trên ta cùng nghiên cứu các kỹ thuật chiếu sáng ảnh. Với việc thêm các hiệu ứng ánh sáng thực vào các bức ảnh đó có thể làm cho các bức ảnh sáng sủa, lãng mạn hơn, rực rỡ và ngƣợc lại cũng có thể làm cho bức ảnh đó trở nên tối tăm, ảm đạm hơn Chính vì lý do nêu trên tôi quyết định chọn đề tài “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng”. 3. Bố cục của luận văn  Phần mở đầu: Nêu lý do chọn đề tài và bố cục luận văn  Nội dung: CHƢƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ CHIẾU SÁNG ẢNH 1.1. Một số khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh. 1.2. Ánh sáng và sự chiếu sáng trong ảnh. 1.2.1. Khái quát về chiếu sáng ảnh 1.2.2. Một số ứng dụng của chiếu sáng ảnh 1.2.3. Một số hình ảnh về chiếu sáng Chương 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT CHIẾU SÁNG ẢNH 2.1. Kỹ thuật Phong Shading 2.2. Kỹ thuật phản chiếu ngƣợc Phong Shading 2.3. Kỹ thuật Gouraud Shading Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng” 2.4. Phép nội suy Phong 2.5. Tính bất biến về màu sắc với RETINEX 2.6. So sánh các kỹ thuật chiếu sáng: Phong Shading, phản chiếu ngƣợc Phong Shading, Gouraud Shading. Chương 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 3.1. Bài toán chiếu sáng ảnh 3.2. Chƣơng trình thử nghiệm 3.2.1. Các khối Modul chính trong chƣơng trình 3.2.2. Giao diện chƣơng trình. Phần kết luận: Tóm tắt các kết quả đạt đƣợc, hƣớng phát triển tiếp  Tài liệu tham khảo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng” Phần 2. NỘI DUNG Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ CHIẾU SÁNG ẢNH 1.1. Một số khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh. 1.1.1. Xử lý ảnh Xử lý ảnh (Image Proceessing) là một lĩnh vực có quan hệ mật thiết với nhận thức về ảnh của con ngƣời. Hay nói một cách khác “thị giác máy” dựa trên phép xử lý ảnh bằng sự phân tích của máy. Trong thực tế, hai lĩnh vực “xử lý ảnh số” và “ thị giác máy” có liên kết chặt chẽ với nhau. Tuy nhiên, cho đến nay cả hai lĩnh vực này đã hoàn thiện đến mức chúng có thể cho phép giải quyết các vấn đề một cách riêng rẽ, độc lập. 1.1.2. Quá trình thu nhận ảnh, biểu diễn ảnh và lƣu trữ ảnh 1.1.2.1. Quá trình thu nhận ảnh Ảnh tồn tại trong thực tế là một ảnh liên tục về không gian và về giá trị độ sáng. Ảnh có thể đƣợc thu nhận qua Camera, từ vệ tinh nhân tạo qua bộ cảm biến Sensor hay qua máy Scanner. Để có thể xử lý ảnh bằng máy tính cần thiết phải tiến hành số hóa ảnh. Số hóa là quá trình rời rạc hóa về không gian và lƣợng tử hóa thành phần giá trị. Quá trình rời rạc hóa về không gian là quá trình thu nhận những điểm rời rạc từ một ảnh liên tục. Quá trình này cũng chính là việc tìm cách biểu diễn một ảnh lớn có vô số điểm, thành ảnh có hữu hạn điểm, mà không làm mất hay thay đổi tính chất của ảnh, để việc lƣu trữ và xử lý đƣợc dễ dàng. Quá trình lƣợng tử hóa về giá trị là quá trình rời rạc hóa về mặt giá trị để có thể đơn giản hóa việc tính toán và đƣa vào máy tính để xử lý. Tùy theo từng loại ảnh, độ chính xác yêu cầu và khả năng xử lý của máy tính mà ta có các mức lƣợng tử thích hợp. 1.1.2.2. Biểu diễn ảnh Trong biểu diễn ảnh, có hai khái niệm thƣờng dùng đó là pixel(phần tử ảnh) và grey level(mức xám). * Phần tử ảnh (Pixel) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng” Với tính chất ảnh đƣợc thu nhận nhƣ trên thì ảnh có thể đƣợc biểu diễn bằng tín hiệu tƣơng tự hoặc tín hiệu số. Trong biểu diễn số của các ảnh đa cấp xám, một ảnh thƣờng đƣợc biểu diễn bằng một ma trận hai chiều. Mỗi phần tử của ma trận biểu diễn cho mức xám hay cƣờng độ của ảnh tại vị trí đó. Mỗi phần tử nhƣ vậy trong ma trận đƣợc gọi là một phần tử ảnh, thông thƣờng kí hiệu là PEL(Picture Element) hoặc là điểm ảnh(Pixel). Mỗi Pixel gồm một cặp tọa độ x,y và màu. Cặp tọa độ x,y tạo nên độ phân giải của ảnh( Resolution). Một ảnh là một tập hợp các điểm ảnh. Khi đƣợc số hóa, nó thƣờng đƣợc biểu diễn bởi bảng hai chiều I(n,p): n dòng và p cột. Ta nói ảnh gồm (n  p) pixels. * Mức xám(Gray level) Mức xám là kết quả sự mã hóa tƣơng ứng một cƣờng độ sáng của mỗi điểm ảnh với một giá trị số- kết quả của quá trình lƣợng hóa. Pixel hay 1.2. Ánh sáng và sự chiếu sáng trong ảnh. PEL Độ sáng trung bình trong mỗi hình chữ nhật = giá trị một điểm ảnh. Hình 1.1.2.2: a - Biểu diễn một mức xám của ảnh số. Trong hình 1, lƣới chia ô vuông tƣởng tƣợng đƣợc đặt lên ảnh. Độ lớn mỗi ô vuông của lƣới xác định kích thƣớc của một điểm ảnh. Mức xám của một điểm đƣợc tính bằng cƣờng độ sáng trung bình tại mỗi ô vuông này. Mắt lƣới càng nhỏ thì cho chất lƣợng ảnh càng cao. - Với ảnh đen trắng: Nếu dùng 8 bit(1 byte) để biểu diễn mức xám, thì số các mức xám có thể biểu diễn đƣợc là 28 hay 256. Mỗi mức xám đƣợc biểu diễn dƣới dạng là một số nguyên nằm trong khoảng từ 0 đến 255, với mức 0 biểu diễn cho mức cƣờng độ đen nhất và 255 biểu diễn cho mức cƣờng độ sáng nhất. - Với ảnh màu: Cách biểu diễn cũng tƣơng tự nhƣ với ảnh đen trắng, chỉ khác là các số tại mỗi phần tử của ma trận biểu diễn cho ba màu riêng rẽ, bao gồm: Đỏ(Red), Lục(Green) và Lơ(Blue). Để biểu diễn cho một điểm ảnh màu cần 24 bit, 24 bit này đƣợc chia thành ba khoảng 8 bit. Mỗi khoảng này biểu diễn cho cƣờng độ sáng của một trong các màu chính. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng” Nhƣ vậy, ta có thể thấy rằng ảnh đa kép xám là một trƣờng hợp đặc biệt của ảnh màu, trong đó các thành phần tọa độ màu tƣơng ứng bằng nhau(R=G=B=1). Về mặt toán học, bản chất của ảnh là một hàm hai biến phụ thuộc vào miền không gian I= f(x,y) với x,y là các biến tọa độ. Giá trị số ở điểm có tọa độ(x,y) tƣơng ứng với giá trị xám hoặc độ sáng của ảnh(x là các cột, y là các hàng). Giá trị của hàm ảnh I=f(x,y) đƣợc hạn chế trong phạm vi của các số nguyên dƣơng. 0  f(x,y)  fmax Ảnh có thể đƣợc biểu diễn theo một trong hai mô hình sau: Mô hình Vector hoặc mô hình Raster.  Mô hình Raster: Là mô hình biểu diễn ảnh thông dụng nhất hiện nay. Ảnh đƣợc biểu diễn dƣới dạng ma trận các điểm ảnh. Tùy theo nhu cầu thực tế mà mỗi điểm ảnh có thể đƣợc biểu diễn bởi một hay nhiều bit. Mô hình Raster thuận lợi cho việc thu nhận, hiển thị và in ấn.  Mô hình Vector: Bên cạnh mục đích tiết kiệm không gian lƣu trữ, dễ dàng hiển thị và in ấn, các ảnh biểu diễn theo mô hình vector còn có ƣu điểm cho phép dễ dàng lựa chọn, sao chép, di chuyển, tìm kiếm,…Theo những yêu cầu này thì kỹ thuật biểu diễn vector tỏ ra ƣu việt hơn. Trong mô hình này, ngƣời ta sử dụng hƣớng vector của các điểm ảnh lân cận để mã hóa và tái tạo lại hình ảnh ban đầu. Các ảnh vector đƣợc thu nhận trực tiếp từ các thiết bị số hóa nhƣ Digitalize hoặc đƣợc chuyển đổi từ các cảnh Raster thông qua các chƣơng trình vector hóa. Khi xử lý các ảnh Raster chúng ta có thể quan tâm đến mối quan hệ trong vùng lân cận của các điểm ảnh. Các điểm ảnh có thể xếp hàng trên một lƣới hình vuông(raster), lƣới hình lục giác hoặc theo một cách hoàn toàn ngẫu nhiên với nhau. Cách sắp xếp theo hình vuông là đƣợc quan tâm đến nhiều nhất và có hai loại: điểm 4 láng giềng(4 liền kề) hoặc 8 láng giềng(8 liền kề). Hình 1.1.2.2: b - Điểm 8 láng giềng và điểm 4 láng giềng. 1.1.2.3. Lưu trữ ảnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng” Ảnh thu đƣợc sau quá trình số hoá thƣờng đƣợc lƣu lại cho quá trình xử lý tiếp theo hoặc chuyển sang giai đoạn phân tích. Nếu lƣu trữ trực tiếp ảnh thô theo kiểu bản đồ ảnh thì dung lƣợng sẽ khá lớn, tốn kém mà nhiều khi không đem lại hiệu quả cao. Trong quá trình phát triển của kỹ thuật xử lý ảnh, tồn tại nhiều định dạng khác nhau từ ảnh đen trắng IMG, ảnh đa cấp xám hay ảnh màu: BMP, GIF, JPEG,… Định dạng BMP: Đây là định dạng thƣờng gặp trong các file ảnh, các ảnh đƣợc chụp từ phim VCD thƣờng mang định dạng này. Định dạng JPG: Là định dạng nén, file ảnh đƣợc lƣu dƣới định dạng này thƣờng có dung lƣợng nhỏ, thƣờng đƣợc dùng trong công việc thiết kế trang Web. Định dạng PDF: Là định dạng file ảnh để đọc trong chƣơng trình Acrobat, cũng thƣờng đƣợc dùng trong công việc thiết kế trang Web. Định dạng GIF: Là định dạng của các file ảnh động, dung lƣợng của file GIF cũng rất nhỏ nên thƣờng dùng trong công việc thiết kế Website. Tuy những định dạng này là khá khác nhau, song chúng cũng tuân theo một cấu trúc chung nhất. Nhìn chung một tệp ảnh gồm ba phần: - Đầu tệp( Header) - Dữ liệu nén(Data Compression) - Bảng màu(Falette Color)  Đầu tệp : Chứa thông tin về kiểu , kích thƣớc, độ phân giải, số bít dùng cho 1 pixel, cách mã hoá, vị trí bảng màu,…Kích thƣớc phần Header rất khác nhau, phụ thuộc kiểu định dạng ảnh.  Dữ liệu nén: Số liệu ảnh đã đƣợc mã hoá bởi kiểu mã hoá chỉ ra trong phần header.  Bảng màu: không nhất thiết phải có. Nếu có, nó chỉ ra số màu dùng trong ảnh và sử dụng để hiện ảnh. Đầu tệp(Header) Dữ liệu nén (Data Compression) Bảng màu (Palette Color) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 11 http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 1.1.2.3: Cấu tạo của một tệp ảnh. Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng” 1.1.3. Các mô hình biểu diễn màu 1.1.3.1. Hệ màu chuẩn RGB Theo tổ chức quốc tế về chuẩn hóa màu CIE(Commision Internationle Eclairage), một màu đƣợc tổ hợp từ các màu cơ bản theo một tỷ lệ nào đấy. Tổ chức này đƣa ra một hệ chuẩn, dùng ba màu cơ bản, độc lập là R(Red-Đỏ), G(GreenLục), B(Blue-Lơ) và kí hiệu RBGCIE. Hầu hết, các màu khác nhau trong thực tế đều có thể biểu diễn tọa độ của chúng bởi hệ tọa độ độ này, có nghĩa là từ ba màu cơ bản này ta có thể tổng hợp đƣợc nhiều màu khác nhau trong thực tế. Hệ thống màu RGB là hệ thống màu cộng vào bởi vì mỗi màu đƣợc tạo nên bằng cách cộng thêm các phần tử vào màu đen (0,0,0). Khuôn dạng của không gian RGB là định dạng phổ biến nhất của ảnh số, lý do chính là tính tƣơng thích với màn hình hiển thị hay chính là màn hình vi tính. Giả sử, một pixel ảnh màu kí hiệu là Px thì nó đƣợc viết: Re d  PX= Green  Blue  Ngƣời ta dùng hệ tọa độ ba màu R-G-B(tƣơng ứng với hệ tọa độ x-y-z) để biểu diễn màu nhƣ sau: Blue(Lơ) (0,0,1) Lơ (0,1,1)Tím xanh (1,0,1)Tím (0,1,0)Lục Green(Lục) (0,0,0)Đen Red(Đỏ) (1,0,0)Đỏ (1,1,0)Vàng Hình 1.1.3.1. Hệ toạ độ 3 màu G-R-B Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 12 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng” Trong cách biểu diễn này ta có công thức: Đỏ + Lục + Lơ = 1. Công thức này đƣợc gọi là công thức Maxwell. Trong hình vẽ trên tam giác tạo bởi ba đƣờng thẳng đứt đoạn gọi là tam giác Maxwell. Màu trắng trong hệ tọa độ này đƣợc tính bởi: TrắngCIE=(ĐỏCIE=LụcCIE=LơCIE=1). 1.1.3.2. Hệ màu CMY Không gian màu CMY đƣợc dùng trong việc in ấn. Màu lục lam, màu đỏ tƣơi và màu vàng là phần bù của màu đỏ, màu xanh lá cây và màu xanh dƣơng đƣợc gọi là các thành phần cơ sở trừ vì chúng đƣợc tạo ra bằng cách trừ đi độ sáng từ màu trắng. Ví dụ: Màu lục lam là phần bù của màu đỏ, đƣợc tạo ra bằng cách xóa đi thành phần đỏ từ màu trắng. Có thể chuyển từ không gian màu RGB sang không gian màu CMY bằng công thức chuyển đổi đơn giản nhƣng không chính xác: C=1-R; M=1-G; Y=1-B. Hệ thống màu CMY dƣờng nhƣ là một sự đảo ngƣợc của hệ thống màu RGB. Đặc tính của nó là sự đơn giản, ứng dụng nhiều trong thực tế, tuy nhiên khuyết điểm của nó cũng tƣơng tự nhƣ không gian màu RGB, tức là cách mã hóa khác với cách mà con ngƣời cảm nhận về màu sắc. 1.1.3.2. Hệ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –Hình Đại học Thái Nguyên 13màu C-M-Y http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng” 1.1.3.3.Hệ màu YIQ Về cơ bản mô hình màu YIQ là sự biến thể mô hình màu RGB bằng cách chuyển đổi hiệu quả và duy trì sự tƣơng thích với hệ màu đơn sắc chuẩn. Thành phần Y của hệ màu này cung cấp tất cả các thông tin video yêu cầu bởi một tập các màu đơn sắc. Công thức chuyển đổi từ RGB sang YIQ: Y  0.299  I  = 0.596    Q  0.212 0.587  0.275  0.532 0.114   R   0.321 = G   0.311  B  Để lấy đƣợc các giá trị RGB từ tập YIQ, chúng ta chỉ cần thực hiện toán tử đảo ma trận. Hệ màu YIQ đƣợc thiết kế giúp sự cảm nhận của con ngƣời về sự thay đổi độ sáng chói tốt hơn sự thay đổi đặc trƣng màu sắc(Hue) và độ thuần khiết(Staration). Lợi thế của YIQ trong việc xử lý ảnh là độ chói(Y) và thông tin màu(I và Q) đƣợc tách riêng ra. Sự quan trọng của việc tách riêng này giúp cho việc xử lý thành phần Y của ảnh có thể không có ảnh hƣởng đến nội dung màu. Không gian màu này gây khó khăn cho ngƣời sử dụng vì nó không phản ánh trực tiếp khái niệm giác quan của màu sắc: màu, sắc thái và độ sáng. 1.1.3.4.Hệ màu L*a*b Mô hình này cũng do tổ chức màu quốc tế CIE đề cử, dùng cho việc lƣợng hóa sự khác biệt màu sắc trong vật chiếu sáng của ánh sáng ban ngày. Tuy nhiên, nó có một sự chuyển đổi để ghi vào việc tính toán cho việc thích nghi với nguồn sáng. Một màu đƣợc xác định bằng hai tọa độ x và y. Độ sáng L* dựa trên độ đo giác quan của thành phần sáng u*,v* là tọa độ màu. Các màu khác nhau theo một hƣớng duy nhất là xấp xỉ bằng nhau trong không gian màu. Do đó, khoảng cách Euclide đƣợc dùng để xác định khoảng cách tƣơng đối giữa hai màu. Tuy nhiên, việc chuyển sang không gian màu RGB là không tuyến tính. Đây là không gian màu có sự tách biệt giữa ánh sáng và màu sắc. 1.1.3.5.Hệ màu HSI(Hue- Saturation- Itensity) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 14 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng” Hệ thống màu HSI mã hóa thông tin màu sắc bằng cách chia giá trị I từ hai giá trị đƣợc mã hóa về độ hội tụ của màu H và S. Thành phần không gian màu của HSI gồm 3 phần: H: Có giá trị từ 0-2  , mang thông tin về màu sắc. S: Có giá trị 0-1, mang giá trị về độ thuần khiết của thành phần H. I: Mang thông tin về độ sáng của điểm ảnh. Ta có thể hình dung không gian HSI nhƣ là một hình nón. Với trục chính biểu thị cƣờng độ sáng I. Khoảng cách đến trục biểu thị độ thuần khiết S. Góc xung quanh trục biểu thị màu sắc H. Lưu ý: Hệ thống màu HSI đôi khi cũng đƣợc gọi là hệ thống màu HSV, bởi vì thay V(Value) bởi I(Itensity). Hệ thống HSI thích hợp hơn với thiết kế đồ họa bởi vì nó cung cấp sự điều khiển trực tiếp đến ánh sáng và màu sắc. Hệ thống này cũng hỗ trợ tốt cho những thuật toán xử lý ảnh vì sự tiêu chuẩn hóa về ánh sáng và tập trung về hai tham số là độ hội tụ màu và cƣờng độ màu. Hệ thống HSI có sự phân biệt rõ rệt về màu sắc và ánh sáng. Do đó, có khả năng rất lớn trong việc so sánh sự giống nhau về màu sắc giữa hai ảnh. Hình 1.1.3.5. a. Hệ màu HIS – b. Không gian màu HSI Công thức chuyển đổi không gian màu RGB sang không gian màu HIS. Cho RGB c1(r, g, b) và HSI c2(h, s, i). Ta có: i=max(r, g, b); s= i  min( r , g , b) i Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 15 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng” Đặt r’= ir ig i b ; g’= ; b’= i  min(r , g , b) i  min(r , g , b) i  min(r , g , b) 5  b' khi : r  max( r , g , b); g  min( r , g , b) 1  g ' khi : r  max( r , g , b); g  min( r , g , b)  1  r ' khi : g  max( r , g , b); b  min( r , g , b) h=  3  b' khi : g  max( r , g , b); b  min( r , g , b) 3  g ' khi : b  max( r , g , b); r  min( r , g , b)  5  r ' khác Với các đặc tính sau mô hình màu HSI có những ƣu điểm sau: - Dễ cảm nhận, phù hợp với cảm nhận mắt ngƣời. - Dễ định lƣợng, tách bạch thành phần màu và độ sáng. Với 5 hệ màu đƣợc giới thiệu ở trên thì hệ màu chuẩn RGB là hệ màu cơ bản nhất, những hệ màu còn lại đều có thể đƣợc chuyển đổi từ hệ RGB. Mặt khác, hệ màu RGB đƣợc sử dụng rộng rãi trong xử lý ảnh số, do tính tƣơng thích với độ phân giải của màn hình máy tính. Do vậy, đề tài này cũng chọn hệ màu RGB cho cách biểu diễn và xây dựng đề tài của mình. 1.2. Ánh sáng và sự chiếu sáng trong ảnh 1.2.1. Khái quát về chiếu sáng ảnh Chiếu sáng ảnh là quá trình chúng ta có thể thêm các hiệu ứng ánh sáng thực vào ảnh. Với việc thêm các hiệu ứng ánh sáng thực vào các bức ảnh đó có thể làm cho các bức ảnh sáng sủa, lãng mạn hơn và ngƣợc lại cũng có thể làm cho bức ảnh đó trở nên tối tăm, ảm đạm hơn. Chiếu sáng ảnh có thể chỉnh sửa đƣợc màu sắc ánh sáng, thêm vào nhiều kiểu ánh sáng một cách đa dạng, thay đổi chất lƣợng bề mặt bức ảnh, thêm vào nhiều loại hiệu ứng ánh sáng bao quanh. 1.2.2. Một số ứng dụng của chiếu sáng ảnh Chiếu sáng ảnh giúp chúng ta điều chỉnh ánh sáng trong bức ảnh theo ý thích. Làm cho bức ảnh ảnh sáng sủa, lãng mạn hơn và ngƣợc lại cũng có thể làm cho bức ảnh đó trở nên tối tăm, ảm đạm hơn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng” Chiếu sáng ảnh có thể chỉnh sửa đƣợc màu sắc ánh sáng, thêm vào nhiều kiểu ánh sáng một cách đa dạng, thay đổi chất lƣợng bề mặt bức ảnh, thêm vào nhiều loại hiệu ứng ánh sáng bao quanh. 1.2.3. Một số hình ảnh về chiếu sáng Original Image effect01.las Original Image effect02.las effect02a.las effect02b.las Original Image effect03.las Original Image effect04.las Original Image effect05.las Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 17 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng” Original Image effect06.las Original Image effect07.las Original Image effect08.las Original Image effect09.las Original Image effect10.las effect10a.las Original Image effect11.las Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 18 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng” Original Image effect13.las Original Image effect15.las Original Image effect16.las Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 19 http://www.lrc-tnu.edu.vn