Đề tài Cảm nhận và biểu diễn màu sắc - Xử lý ảnh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG --------o0o-------- BÀI TẬP LỚN Xử lý ảnh Đề tài : Cảm nhận và biểu diễn màu sắc Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Linh Giang Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Bách Nguyễn Thị Hòa Nguyễn Văn Hải Lớp : Hệ thống thông tin – K51 Hà Nội - Tháng 04/2010 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Có người đã từng nói thực chất thì con người đang cảm nhận thế giới chứ không phải quan sát thế giới và những cảm nhận thường mang nặng tính chủ quan phụ thuộc vào từng cá nhân. Xét về mặt sinh lý điều đó cũng có nhiều điểm đúng. Khi chúng ta nhận thế giới thì thực chất các xúc giác chúng ta thu tín hiệu rồi từ đó truyền lên não để não xử lý tùy theo “kinh nghiệm” có được trước đó vì thế mới có chuyện cùng 1 hình ảnh nhưng người này bảo màu này nhưng người kia lại nói nó mang màu sắc khác. Trong nội dung của bài tập lớn này chúng em ngoài việc giới thiệu về cơ quan cảm nhận hình ảnh chính của con người: con mắt cùng với việc miêu tả khả năng cảm nhận của nó như thế nào còn giới thiệu thêm về các “cách nhìn nhận” hình ảnh ở đây thực chất là các hệ biểu diễn màu khác nhau. Từ đó đem lại cái nhìn từ mặt kỹ thuật về sự cảm nhận và biểu diễn màu sắc. Cảm ơn thầy Nguyễn Linh Giang đã giúp đỡ nhóm trong quá trình thực hiện bài tập lớn này! Phân công công việc STT Công việc Thực hiện (Phụ trách chinh) Ghi chú 1 Cảm nhận ánh sáng và chuyển động Nguyễn Quang Bách Nguyễn Thị Hòa 2 Các hệ biểu diễn màu, biến đổi giữa các hệ biểu diễn màu Nguyễn Văn Hải Có sự giúp đỡ của: Nguyễn Quang Bách Nguyễn Thị Hòa 3 Lập trình mô phỏng Nguyễn Văn Hải Nguyễn Thị Hòa Có sự giúp đỡ của: Nguyễn Quang Bách 4 Tổng hợp kết quả, viết báo cáo Nguyễn Quang Bách Nguyễn Văn Hải Nguyễn Thị Hòa 1. Ánh sáng, màu sắc 1.1 Ánh sáng 1.1.1 Khái niệm Ánh sáng là từ phổ thông dùng để chỉ các bức xạ điện từ có bước sóng nằm trong vùng quang phổ nhìn thấy được bằng mắt thường (tức là từ khoảng 400 nm đến 700 nm). Giống như mọi bức xạ điện từ, ánh sáng có thể được mô tả như những đợt sóng hạt chuyển động gọi là photon. Ánh sáng do Mặt Trời tạo ra còn được gọi là ánh nắng (hay còn gọi là ánh sáng trắng bao gồm nhiều ánh sáng đơn sắc biến thiên liên tục từ đỏ đến tím); ánh sáng Mặt Trăng mà chúng ta thấy được gọi là ánh trăng thực tế là ánh sáng do mặt trời chiếu tới mặt trăng phản xạ đi tới mắt người; do đèn tạo ra còn được gọi là ánh đèn; do các loài vật phát ra gọi là ánh sáng sinh học. 1.1.2 Tính chất của ánh sáng Khi ánh sáng truyền qua mọi vật sẽ truyền một năng lượng nhiệt trên bề mặt của vật. Năng lượng hấp thụ của vật tùy thuộc vào màu sắc của vật. Vật có màu sáng dễ hấp thụ năng lượng ánh sáng hơn những vật có màu tối. Khi ánh sáng truyền qua hai môi trường không đồng nhất sẽ chịu ảnh hưởng của hiện tượng khúc xạ. Ánh sáng bị bẻ cong hay đi lệch hướng do có thay đổi vận tốc di chuyển. Khi ánh sáng đi qua tinh thể trong suốt sẻ phân tán thành ánh sáng màu của các sắc thể đỏ, cam, vàng, xanh lá cây, xanh dương, tím... Trong chân không, ánh sáng đi với vận tốc không đổi, thường được ký hiệu là c = 299.792.458 m/s Ánh sáng mắt người nhìn thấy được gọi là ánh sáng nhìn thấy được có bước sóng 380-750 nm. Ánh sáng bước sóng ngắn hơn ánh sáng nhìn thấy được gọi là tia cực tím; ánh sáng có bước sóng dài hơn ánh sáng nhìn thấy được gọi là tia hồng ngoại. Màu sắc của anh sáng mắt người nhìn thấy được là một màu trộn lộn từ ba màu sắc chính đỏ, xanh lá cây và xanh dương. 1.2. Màu sắc Màu sắc là cảm giác mang đến cho hệ thần kinh của người từ sự kết hợp tín hiệu của ba loại tế bào cảm thụ màu ở mắt người. Cảm giác này cũng bị ảnh hưởng "dài hạn" từ trí nhớ lưu lại quá trình học hỏi từ khi lớn lên trong xã hội, và "ngắn hạn" bởi các hiệu ứng ánh sáng của phông nền. Màu sắc của một tia ánh sáng là cảm giác màu mà tia sáng đó gây nên ở mắt người. Màu sắc của các vật thể là màu sắc của ánh sáng do chúng phát xạ ra (nếu là vật nóng sáng) hay phản xạ từ chúng từ một nguồn chiếu sáng (nếu coi vật là không nóng sáng). 2. Cảm nhận ánh sáng và chuyển động 2.1. Cấu tạo mắt Mắt người là một phần của não hình thành từ tuần thứ 3 của phôi kỳ dưới dạng hai túi thị nguyên thủy, phát triển và lồi dần ra phía trước tạo thành võng mạc, thể thủy tinh và các thành phần hoàn chỉnh khác. Cặp mắt là một trong năm giác quan quan trọng, giúp con người quan sát và kiểm soát môi trường chung quanh. Mắt người nằm trong hai lỗ hốc hai bên sống mũi, trên có gò lông mày và trán, dưới giáp xương má. Màng mạc bọc xương của hốc mắt nối tiếp bên sau với màng cứng của não, bọc theo dai dây thần kinh thị giác. Bên ngoài có hai mí mắt khi nhắm lại che kín hốc mắt. Mí trên có lông mi dài cong, lông mi của mí dưới ít hơn và ngắn hơn. Bên trong hốc mắt có các tuyến nước mắt, các bắp thịt di chuyển mắt, trong cùng là các mô mỡ chêm đệm không cho mắt bị kéo vào phía sau bởi các bắp thịt. Nhãn cầu gồm 3 lớp màng có tên gọi là: Màng ngoài gồm củng mạc và phía trước biến đổi thành giác mạc. Màng giữa là màng bồ đào, thân bè và mạch lạc mạc, chứa nhiều mạch máu, phía trước dày lên thành cơ thể mi và mống mắt. Màng trong là võng mạc, chứa các tế bào nhận cảm ánh sáng là tế bào gậy và tế bào nón. Thể thủy tinh giữ vai trò của một thấu kính để hội tụ ánh sáng trên võng mạc. Nó được treo bởi các dây chằng tròn với cơ thể mi. Giữa giác mạc và thể thủy tinh là thủy dịch, giữa thể thủy tinh và võng mạc là dịch kính. Cả hai chất dịch này giữ cho mắt không bị xẹp. Chỗ hõm giữa giác mạc và mống mắt được gọi là tiền phòng, đối lại chỗ hõm đóng kín quanh sau mống mắt và phần thắt ngang thủy tinh thể (thấu kính mắt) được gọi là hậu phòng. Cả hai phòng đều chứa đầy thủy dịch. Lỗ tròn giữa màng mống mắt được gọi là con ngươi. Phần lớn nhất của hõm sau thủy tinh thể chứa đầy một chất trong suốt gọi là dịch kính (corpus vitreum). Cái băng đỡ thủy tinh thể được gọi là vùng bè (mi) (zonula ciliaris zinni) căng ra giữa màng ngang thủy tinh thể và thân bè (corpus ciliare). Giác mạc, tiền phòng, con ngươi, thủy tinh thể (thấu kính) và dịch kính có chức năng cho xuyên qua và phản chiếu tia sáng, vì vậy chúng được gọi là môi trường xuyên ánh sáng. Võng mạc và thần kinh mắt tuần tự là những bộ phận tiếp nhận và truyền dẫn xung động ánh sáng. Phần giữa của võng mạc được gọi là hoàng điểm (macula lutea) có chức năng nhạy cảm nhất. Các cơ của mắt cũng tham gia vào một số chức năng của mắt. Các cơ mống mắt giúp điều chỉnh đường kính đồng tử. Cơ thể mi có thể làm thay đổi độ cong của thể thủy tinh. Các cơ ngoài mắt điều khiển mắt quay về phía mục tiêu thị giác. Tế bào nhận cảm gồm ba vùng: đoạn ngoài, đoạn trong và vùng xináp. Đoạn ngoài chứa nhiều đĩa, bên trong chứa quang sắc tố; đoạn ngoài của tế bào gậy mảnh, của tế bào nón dày hơn, hình chóp. Đoạn trong chứa nhiều ty thể. Vùng xináp tiếp xúc với tế bào ngang và tế bào lưỡng cực; chất dẫn truyền thần kinh là glutamat được phóng thích liên tục vào khe xináp. Con ngươi mắt bình thường có đường kính là 3.4 – 4.5 mm, khi đường kính đó hơn 5 mm, người ta nói đó là chứng dãn đồng tử (mydriaso) và khi nó ít hơn 2 mm thì đó là chứng co đồng tử (miozo). Thông thường thì người đàn bà có con ngươi mắt lớn hơn ở đàn ông, người cận thị hơn ở người viễn thị, người trẻ hơn ở người già. Biến thái khác của con ngươi (metamorphocoria) được thấy ở trường hợp con ngươi bị dính (sinekio) hoặc ở trường hợp biến chứng giang mai (metasifilo). Những thay đổi con ngươi đột ngột xảy ra là do phản ứng ánh sáng và phản ứng hội tụ. Khi tia sáng rọi vào mắt, con ngươi bé lại (phản ứng ánh sáng trực tiếp) đồng thời con ngươi kia cũng bé lại (phản ứng ánh sáng gián tiếp). Sự phản ứng con ngươi do tia sáng là hiện tượng cơ bản nhất chỉ rõ những thay đổi bệnh lý khác nhau. Con ngươi mất vận động gọi là con ngươi co cứng, ví dụ như chứng thông manh tuyệt đối (amauroza hemianopsia rigideco). Cái gọi là chứng co cứng con ngươi phản xạ (refleksa pupilrigideco), (con ngươi của Argyll Robertson) là trạng thái lạ thường, trong đó con ngươi bé lại, thị lực tương đối tốt, phản ứng hội tụ được giữ lại và chỉ có mất phản ứng ánh sáng và thường thấy biến chứng giang mai được gọi là chứng ta bét lưng (dorsa tabeco) hoặc chứng bại liệt nói chung. Sau khi rời khỏi mắt, các dây thần kinh từ phân nửa võng mạc phía mũi giao thoa tại giao thoa thị. Sau giao thoa thị là các giải thị đến tận cùng tại thể gối ngoài. Từ thể gối ngoài các tia thị đến thùy chẩm vỏ não. Đường chéo các xung động, gọi là đường cảm nhận thị giác là đều đặn nhất. Những sợi quang học giao chéo nhau (kiasmo) dưới đáy não quanh tuyến yên và lên đến trung tâm nhìn thứ nhất (4 mấu lồi và mấu cạnh hình đầu gối). Xuyên qua trung tâm nhìn thứ nhất những sợi thần kinh mới cuối cùng lên đến trung tâm nhìn sau gáy qua các vòng Meyer và các tia nhìn Gratiolet vùng chẩm. 2.2 Vì sao ta nhìn thấy màu sắc các vật Sự kích thích ánh sáng phù hợp với mắt là những tia sáng nhìn được, có nghĩa là có độ sóng dài khoảng 400 đến 700nm (nanomatroj: nanômét). Sự kích thích đó được tiếp nhận trước hết do tế bào thị giác võng mạc được gọi là tế bào hình kim và gai thị rồi thần kinh thị giác chuyển xung động lên đến trung tâm nhìn trong sọ não. Khi ánh sáng chiếu vào một vật, nó có thể bị vật phản xạ, hấp thụ, hoặc cho đi qua. Chiếu một chùm ánh sáng trắng vào một vật: Nếu vật phản xạ tất cả ánh sáng có bước sóng khác nhau chiếu vào nó, thì theo hướng phản xạ ta sẽ nhìn thấy vật có màu trắng. Nếu vật hấp thụ tất cả các ánh sáng có bước sóng khác nhau chiếu tới, thì theo hướng phản xạ hoặc truyền qua ta nhìn thấy nó có màu đen. Nếu vật hấp thụ đa số bức xạ chính trong quang phổ của ánh sáng trắng, nó sẽ có màu xám. Phần lớn các vật thể có màu sắc là do vật có cấu tạo từ những vật liệu xác định và vật hấp thụ một số bước sóng ánh sáng và phản xạ, tán xạ những bước sóng khác. Màu sắc các vật còn phụ thuộc vào màu sách của ánh sáng rọi vào nó và khi nói một vật có màu này nọ, là ta đã giả định nó được chiếu bằng chùm ánh sáng trắng. Màu sắc không thể được xem là đặc tính riêng của một vật thể là hình thù của vật thể đó. Đặc tính cố hữu của các vật thể là hấp thụ hoặc phản xạ các bước sóng nào đó. Chúng ta chỉ có thể cảm nhận các màu tương ứng với các bước sóng phản xạ. Nếu ánh sáng trắng được chiếu vào một đối tượng sẽ có một khả năng dưới đây xảy ra: Tất cả ánh sáng bị hấp thụ. Trong trườg hợp này, chúng ta cảm nhận đối tượng có màu đen. Tất cả ánh sáng được phản xạ. Trong trường hợp này, đối tượng có màu trắng Tất cả ánh sáng đều đi qua đối tượng. Trong trường hợp này màu của ánh sáng không đổi. Một phần ánh sáng bị hấp thụ, phần còn lại được phản xạ. Trong trường hợp này ta cảm nhận được màu tùy thuộc vào bước sóng nào của ánh sáng được phản xạ và bước sóng nào được hấp thụ. Một phần ánh sáng bị hấp thụ, phần còn lại được xuyên qua đối tượng. Trong trường hợp này ta cảm nhận được màu sắc tùy thuộc vào bước sóng nào của ánh sáng bị hấp thụ, bước sóng nào xuyên qua. Một phần ánh sáng được phản xạ, phần còn lại đi qua. Trong trường hợp này màu sắc của ánh sáng được phản xạ và màu của ánh sáng đi xuyên qua sẽ thay đổi. Những đặc tính của đối tựơng được chiếu sáng quyết định việc cảm nhận màu sẽ rơi vài một trong các trường hợp trên. Ánh sáng phản xạ hay truyền qua đối tượng được mắt người ghi nhận và chuyển thành các xung thần kinh kích hoạt cảm nhận màu trong bộ não. Võng mạc của mắt người có vô vàn tế bào nhạy sáng. Có hai loại tế bào: tế bào hình que và tế bào hình nón. Tế bào hình que phân biệt độ sáng tối trong khi tế bào hình nón ghi nhận màu sắc. Có 3 loại tế bào hình nón, 1 loại phản ứng các bước sóng cố định trong dải quang phổ từ 400 đến 500 nm cho cảm giác màu Blue; một loại phản ứng với bước sóng từ 500 đến 600nm cho cảm giác màu Green và một loại phản ứng với bước sóng từ 600 đến 700nm cho cảm giác màu Red. 2.3 Cảm nhận chuyển động Mắt người cảm nhận hình ảnh và truyền lên não để xử lý quá trình đó cần một khoảng thời gian nhất định. Khi quan sát chuyển động thực tế là ta quan sát hình ảnh của vật tại những thời điểm khác nhau liên tiếp, sự sai khác nhau rất nhỏ của những hình ảnh này sẽ đem tới cho ta cảm giác sự vật đang chuyển động. Với mắt người khi ta quan sát được 24 (hoặc nhiều hơn) hình ảnh của vật trong 1 giây thì mắt sẽ cảm nhận được vật đó đang chuyển động một cách “trơn tru” không có cảm giác bị “giật”. Điều này được sử dụng nhiều trong làm phim hoạt hình nhất là các phim theo dạng vẽ, các họa sĩ sẽ vẽ các hình với sự thay đổi sai khác nhau rất ít sau đó để chúng lại cạnh nhau và lướt máy quay hoặc thay đổi các hình lần lượt với tốc độ không nhỏ hơn 24 hình trong 1 giây từ đó tạo cho người xem có cảm giác về nhân vật hay hoạt cảnh nào đó đang chuyển động. Tuy nhiên nhiều khi có thể hình ảnh này chưa xử lý xong thì hình ảnh khác đã được tiếp nhận tạo nên những cảm nhận không được chính xác khi quan sát những chuyển động tạo cảm giác sai lệch ví như các bạn xem trên màn ảnh những nan hoa của bánh xe bò chạy nhanh hay của một chiếc ô tô du lịch đang phóng nhanh. Khi đó bạn sẽ thấy một hiện tượng kỳ quái ô tô lao rất nhanh nhưng bánh xe của nó thì quay rất chậm có khi còn không quay thậm chí quay theo chiều ngược lại. Điều đó có thể được giải thích như sau: khi chúng ta quan sát như vậy chúng ta không nhìn thấy nan hoa 1 cách liên tục mà chỉ thấy chúng sau những khoảng thời gian bằng nhau bởi vì cứ 1 giây chúng ta lại chỉ có thể nhìn được 24 hình mà thôi, nếu bánh quay được số nguyên vòng trong 1/24 giây thì các nan hoa sẽ có vị trí không đổi khi bạn quan sát chúng. Còn nếu nó thêm được số nguyên vòng và 1 phần rất nhỏ vòng nữa ta sẽ có cảm giác nó quay rất chậm còn nếu nó chưa kịp quay hết 1 vòng thì bạn sẽ có cảm giác nó quay ngược lại. Cũng từ đó ta dễ dàng thấy nếu trong 1 giây mà số hình thu được quá ít so với số 24 thì bạn sẽ có cảm giác như hình ảnh bị giật và không liên tục. 3. Các hệ biểu diễn màu 3.1 Mô hình màu RGB 3.1.1 Khái niệm Mô hình màu RGB sử dụng mô hình bổ sung trong đó ánh sáng đỏ, xanh lá cây và xanh lam được tổ hợp với nhau theo nhiều phương thức khác nhau để tạo thành các màu khác. Từ viết tắt RGB trong tiếng Anh có nghĩa là đỏ (red), xanh lá cây (green) và xanh lam (blue), là ba màu gốc trong các mô hình ánh sáng bổ sung. Cũng lưu ý rằng mô hình màu RGB tự bản thân nó không định nghĩa thế nào là "đỏ", "xanh lá cây" và "xanh lam" một cách chính xác, vì thế với cùng các giá trị như nhau của RGB có thể mô tả các màu tương đối khác nhau trên các thiết bị khác nhau có cùng một mô hình màu. Trong khi chúng cùng chia sẻ một mô hình màu chung, không gian màu thực sự của chúng là dao động một cách đáng kể. Sử dụng mô hình màu RGB như một tiêu chuẩn biểu thị màu trên Internet có nguồn gốc từ các tiêu chuẩn cho ti vi màu năm 1953 của RCA và việc sử dụng tiêu chuẩn RGB bởi Edwin Land trong các camera Land / Polaroid. 3.1.2 Cơ sở sinh học Các màu gốc có liên quan đến các khái niệm sinh học hơn là vật lý, nó dựa trên cơ sở phản ứng sinh lý học của mắt người đối với ánh sáng. Mắt người có các tế bào cảm quang có hình nón nên còn được gọi là tế bào hình nón, các tế bào này thông thường có phản ứng cực đại với ánh sáng vàng - xanh lá cây (tế bào hình nón L), xanh lá cây (tế bào hình nón M) và xanh lam (tế bào hình nón S) tương ứng với các bước sóng khoảng 564 nm, 534 nm và 420 nm. Ví dụ, màu vàng thấy được khi các tế bào cảm nhận màu xanh ánh vàng được kích thích nhiều hơn một chút so với tế bào cảm nhận màu xanh lá cây và màu đỏ cảm nhận được khi các tế bào cảm nhận màu vàng - xanh lá cây được kích thích nhiều hơn so với tế bào cảm nhận màu xanh lá cây. Mặc dù biên độ cực đại của các phản xạ của các tế bào cảm quang không diễn ra ở các bước sóng của màu "đỏ", "xanh lá cây" và "xanh lam", ba màu này được mô tả như là các màu gốc vì chúng có thể sử dụng một cách tương đối độc lập để kích thích ba loại tế bào cảm quang. Để sinh ra khoảng màu tối ưu cho các loài động vật khác, các màu gốc khác có thể được sử dụng. Với các loài vật có bốn loại tế bào cảm quang, chẳng hạn như nhiều loại chim, người ta có lẽ phải nói là cần tới bốn màu gốc; cho các loài vật chỉ có hai loại tế bào cảm quang, như phần lớn các loại động vật có vú, thì chỉ cần hai màu gốc. 3.1.3. Biểu diễn trên máy tính Biểu diễn dạng số 24 bit: Khi biểu diễn dưới dạng số, các giá trị RGB trong mô hình 24 bpp thông thường được ghi bằng cặp ba số nguyên giữa 0 và 255, mỗi số đại diện cho cường độ của màu đỏ, xanh lá cây, xanh lam trong trật tự như thế. Ví dụ: (0, 0, 0) là màu đen (255, 255, 255) là màu trắng (255, 0, 0) là màu đỏ (0, 255, 0) là màu xanh lá cây (0, 0, 255) là màu xanh lam (255, 255, 0) là màu vàng (0, 255, 255) là màu xanh ngọc (255, 0, 255) là màu hồng sẫm Định nghĩa trên sử dụng thỏa thuận được biết đến như là toàn bộ khoảng RGB. Thông thường, RGB cho video kỹ thuật số không phải là toàn bộ khoảng này. Thay vì thế video RGB sử dụng thỏa thuận với thang độ và các giá trị tương đối chẳng hạn như (16, 16, 16) là màu đen, (235, 235, 235) là màu trắng v.v. Ví dụ, các thang đọ và giá trị tương đối này được sử dụng cho định nghĩa RGB kỹ thuật số trong CCIR 601. Kiểu 16 bit: Còn có kiểu 16 bpp, trong đó hoặc là có 5 bit cho mỗi màu, gọi là kiểu 555 hay thêm một bit còn lại cho màu xanh lá cây (vì mắt có thể cảm nhận màu này tốt hơn so với các màu khác), gọi là kiểu 565. Kiểu 24 bpp nói chung được gọi là thật màu, trong khi kiểu 16 bpp được gọi là cao màu. Kiểu 32 bit: Cái gọi là kiểu 32 bpp phần lớn là sự đồng nhất chính xác với kiểu 24 bpp, do ở đây thực sự cũng chỉ có 8 bit cho mỗi màu thành phần, tám bit dư đơn giản là không sử dụng (ngoại trừ khả năng sử dụng như là kênh alpha). Lý do của việc mở rộng của kiểu 32 bpp là vận tốc cao hơn mà phần lớn các phần cứng ngày nay có thể truy cập các dữ liệu được sắp xếp trong các địa chỉ byte có thể chia được ngang nhau theo cấp số của 2, so với các dữ liệu không được sắp xếp như vậy. Kiểu 48 bit "Kiểu 16-bit" cũng có thể để chỉ tới 16 bit cho mỗi màu thành phần, tạo ra trong kiểu 48 bpp. Kiểu này làm cho nó có khả năng biểu thị 65.535 sắc thái mỗi màu thành phần thay vì chỉ có 255. Nó đầu tiên được sử dụng trong chỉnh sửa hình ảnh chuyên nghiệp, như Photoshop của Adobe để duy trì sự chính xác cao hơn khi có hơn một thuật toán lọc hình ảnh được sử dụng đối với hình ảnh đó. Với chỉ có 8 bit cho mỗi màu, các sai số làm tròn có xu hướng tích lũy sau mỗi thuật toán lọc hình ảnh được sử dụng và làm biến dạng kết quả cuối cùng. RGBA Với nhu cầu về các hình ảnh ghép đã xuất hiện phương án của RGB trong đó thêm vào kênh 8 bit dư cho độ trong suốt, vì thế tạo ra định dạng 32 bpp. Kênh trong suốt được biết đến phổ biến hơn như là kênh alpha, vì thế định dạng này có tên là RGBA. Cũng lưu ý rằng vì nó không thay đổi bất kỳ cái gì trong mô hình RGB, nên RGBA không phải là một mô hình màu khác biệt, nó chỉ là định dạng tệp (file) trong đó bổ sung thêm thông tin về độ trong suốt cùng với thông tin về màu trong cùng một tệp. Màu sắc trong thiết kế Web Màu sắc được sử dụng trong thiết kế web thông thường được biểu diễn với việc sử dụng RGB; xem các màu web để có giải thích cho việc sử dụng màu sắc trong ngôn ngữ HTML và các ngôn ngữ liên quan khác. Ban đầu, sự giới hạn độ sâu màu của phần lớn các màn hình đã dẫn tới sự giới hạn bảng màu là 216 màu RGB - được định nghĩa bởi Netscape Color Cube. Tuy nhiên, với sự thống trị của các thiết bị hiển thị 24-bit, việc sử dụng toàn bộ 16,7 triệu màu bằng các mã màu RGB trong mã HTML sẽ không phải là vấn đề với phần lớn người sử dụng. Nói ngắn gọn, bảng màu an toàn của web chứa 216 tổ hợp của đỏ, xanh lá cây, xanh lam và mỗi màu có thể có 1 trong 6 giá trị (trong hệ thập lục phân hay số hex) là : #00, #33, #66, #99, #CC, hay #FF. Rõ ràng là, 63 = 216. Mô hình màu RGB cho HTML đã dược chấp nhận về mặt hình thức là tiêu chuẩn Internet trong HTML 3.2, tuy nhiên nó đã được sử dụng từ trước. 3.2. Mô hình màu CMY 3.2.1. Mô hình màu CMY Khi bật đèn bàn cho ánh sáng trắng rọi vào trang sách, bạn thấy chữ in đen trên nền giấy trắng. Nền "trắng toát" (không có mực) là nơi ánh sáng của đèn bị giấy phản xạ hoàn toàn trước khi đi đến mắt bạn. Chữ "đen thui" là chỗ ánh sáng của đèn bị mực hấp thụ hoàn toàn và không thể đi đến mắt bạn. Nếu mực chỉ hấp thụ thành phần đỏ của ánh sáng trắng, phản xạ hoàn toàn thành phần xanh chuối và xanh dương, bạn sẽ thấy chữ có màu xanh trời nhạt (cyan). Quả thực, màu xanh dương và màu xanh chuối được pha trộn với liều lượng như nhau trong ánh sáng phản xạ cho ta màu xanh trời nhạt. Nói khác đi, mực có màu xanh trời nhạt là mực có tác dụng hấp thụ ánh sáng đỏ. Tương tự, mực hấp thụ ánh sáng xanh chuối có màu tím đỏ (magenta) do sự pha trộn của màu đỏ và màu xanh dương trong ánh sáng phản xạ. Mực hấp thụ ánh sáng xanh dương có màu vàng (yellow) do sự pha trộn của màu đỏ và màu xanh chuối trong ánh sáng phản xạ. Ba màu xanh trời nhạt, tím đỏ và vàng (lần lượt tương ứng với sự hấp thụ hoàn toàn màu đỏ, xanh chuối, xanh dương của ánh sáng phát xạ) được xem là ba màu căn bản của ánh sáng phản xạ. Tùy liều lượng của mực xanh trời nhạt, tím đỏ và vàng, sự hấp thụ các thành phần đỏ, xanh chuối và xanh dương trong ánh sáng trắng xảy ra mạnh yếu khác nhau, ta sẽ thấy những màu sắc khác nhau trên giấy. Một cách khái quát, màu bất kỳ của vật phản xạ được xác định bằng bộ ba trị số biểu diễn cường độ màu xanh da trời, tím đỏ và vàng. Người ta gọi cách thức xác định màu sắc như vậy là mô hình màu CMY (CMY color model). CMY là viết tắt của Cyan-Magenta-Yellow. Màu trắng trong mô hình này được biểu diễn dưới dạng: (C = 0, M = 0, Y = 0) hoặc gọn hơn (0C-0M-0Y) Bạn có thể hình dung rằng màu trắng tương ứng với gốc tọa độ trong một không gian 3 chiều được định vị bởi 3 trục tọa độ C, M và Y. Màu đen và các sắc xám tạo bởi liều lượng bằng nhau của các thành phần C, M và Y. Nếu "chơi" thật đậm 3 màu đó trên giấy, khả năng phản xạ ánh sáng hầu như biến mất, bạn có màu đen "thùi lùi" (nếu hồi nhỏ bạn từng "chà" bút chì đủ màu vào một chỗ trên giấy để vẽ... con giun đất, bạn sẽ hiểu ngay sự kiện này). Mô hình RGB và mô hình CMY chẳng qua chỉ là hai "cách nhìn" đối với màu sắc. Trong mô hình RGB, màu sắc được tạo ra bởi sự đóng góp của các thành phần RGB với cường độ khác nhau. Cường độ cao của các thành phần RGB cho ta màu trắng. Khi cường độ của chúng bằng 0, ta có màu đen (không có ánh sáng). Trong mô hình CMY, ta lại chú ý đến hiệu quả của các thành phần CMY trong việc trừ khử các thành phần RGB của ánh sáng tới. Liều lượng cao của các thành phần CMY cho ta màu đen. Liều lượng của chúng bằng 0 cho ta màu trắng (không có mực). Do vậy, người ta gọi mô hình RGB là mô hình màu cộng tính (additive) và mô hình CMY là mô hình màu hiệu tính (subtractive). 3.2.2 Mô hình màu CMYK Là mô hình mở rộng của CMY ứng dụng trong máy in mầu. Giá trị đen (K) bổ xung vào thay thế cho hàm lượng mầu bằng nhau của 3 mầu cơ bản. Từ CMYK (hay đôi khi là YMCK) là từ viết tắt trong tiếng Anh để chỉ mô hình màu loại trừ sử dụng trong in ấn màu. Mô hình màu này dựa trên cơ sở trộn các chất màu của các màu sau: C=Cyan trong tiếng Anh có nghĩa là màu xanh lơ M=Magenta trong tiếng Anh có nghĩa là màu hồng sẫm Y=Yellow trong tiếng Anh có nghĩa là màu vàng K=Key (trong tiếng Anh nên hiểu theo nghĩa là cái gì đó then chốt hay chủ yếu để ám chỉ màu đen mặc dù màu này có tên tiếng Anh là black do chữ B đã được sử dụng để chỉ màu xanh lam (blue) trong mô hình màu RGB. Hỗn hợp của các màu CMY lý tưởng là loại trừ (các màu này khi in cùng một chỗ trên nền trắng sẽ tạo ra màu đen). Nguyên lý làm việc của CMYK là trên cơ sở hấp thụ ánh sáng. Màu mà người ta nhìn thấy là từ phần của ánh sáng không bị hấp thụ. Trong CMYK hồng sẫm cộng với vàng sẽ cho màu đỏ, hồng sẫm cộng với xanh lơ cho màu xanh lam, xanh lơ cộng với vàng sinh ra màu xanh lá cây và tổ hợp của các màu xanh lơ, hồng sẫm và vàng tạo ra màu đen. Vì màu 'đen' sinh ra bởi việc trộn các màu gốc loại trừ là không thực sự giống như mực đen thật sự hay màu đen của vật đen tuyệt đối (là vật hấp thụ toàn bộ ánh sáng), việc in ấn trên cơ sở bốn màu (đôi khi gọi là in các màu mặc dù điều này không chính xác) phải sử dụng mực đen để bổ sung thêm vào với các màu gốc loại trừ là các màu vàng, hồng sẫm và xanh lơ. Việc sử dụng công nghệ in ấn bốn màu sinh ra kết quả in ấn cuối cùng rất cao cấp với độ tương phản cao hơn. Tuy nhiên màu của vật thể mà người ta nhìn thấy trên màn hình máy tính thông thường có sự sai khác chút ít với màu của nó khi in ra vì các mô hình màu CMYK và RGB (sử dụng trong màn hình máy tính) có các gam màu khác nhau. Mô hình màu RGB là mô hình dựa trên cơ sở phát xạ ánh sáng (màu bổ sung) trong khi mô hình CMYK làm việc theo cơ chế hấp thụ ánh sáng (màu loại trừ). 3.3 Mô hình HSI – Hue-Saturation-Intensity Hệ thống màu mã hóa thông tin màu sắc bằng cách chia giá trị intensity I từ 2 giá trị được mã hóa thuộc về độ hội tụ màu - hue H và saturation S Thành phần không gian màu HSI gồm có 3 phần: Hue được định nghĩa có giá trị 0-2π, mang thông tin về màu sắc. Saturation có giá trị 0-1, mang giá trị về độ thuần khiết cả thành phần Hue. Intensity (value) có giá trị 0-1 mang thông tin về độ sáng của điểm ảnh. Có thể hình dung không gian màu HSI như là vật hình nó với trục chính biểu thị cường độ sáng Intensity, khoảng cách đến trục biểu thị độ tập trung Saturation, góc xung quanh trục biểu thị cho sắc màu Hue. Đôi khi , hệ thống màu HSI được coi như là hệ thống màu HSV dùng Value thay vì Intensity. Hệ thống màu HSI thì thích hợp hơn với một số thiết kế đồ họa bởi vì nó cung cấp sự điều khiển trực tiếp đến ánh sáng và sắc độ. Hệ thống màu HSI cũng hỗ trợ tốt hơn những thuật toán xử lý ảnh vì tiêu chuẩn hóa về ánh sáng và tập trung vào hai tham số về độ hội tụ màu và cường độ màu. Hệ thống màu HSI có sự phân chia rõ rệt giữa ánh sáng và màu sắc do đó có khả năng rất lớn được áp dụng cho việc tính đặc trưng và so sánh sự giống về màu sắc của hai ảnh nên thích hợp cho việc tìm kiếm ảnh dựa vào màu. Sự giống và khác nhau giữa hai ảnh về màu sắc đối với mắt người chỉ là tương đối. 3.4. Các hệ biểu diễn màu khác 3.4.1. Mô hình HSB Không gian màu HSB, còn gọi là không gian màu HSV, là một không gian màu dựa trên ba số liệu: H: (Hue) Vùng màu S: (Saturation) Độ bão hòa màu B (hay V): (Bright hay Value) Độ sáng 3.4.2. Mô hình YUV Mô hình YUV qui định một không gian màu được tạo bởi một độ sáng và hai thành phần màu (chrominance). YUV được sử dụng trong hệ thống phát sóng truyền hình theo chuẩn PAL, đây là chuẩn ở phần lớn các nước. Ví dụ mặt phẳng màu U-V tại giá trị Y = 0.5, nằm trong phổ màu RGB. Mô hình YUV giúp tạo ra màu đúng với nhận thức của con người hơn chuẩn RGB, là loại được dùng trong các thiết bị đồ hoạ máy tính, nhưng không chuẩn bằng không gian màu HSV. Y đại diện cho thành phần độ sáng, U và V là đại diện cho các thành phần màu. Không gian màu YCbCr hay YPbPr, được sử dụng trong các thiết bị phát hình, đều xuất phát từ nó (Cb/Pb và Cr/Pr là những phiên bản biến thể của U và V), và đôi khi bị gọi một cách không chính xác là "YUV". Không gian màu YIQ được dùng trong các hệ thống truyền hình NTSC cũng liên quan đến nó, tuy nhiên lại đơn giản hơn nó nhiều. Các tín hiệu YUV đều xuất phát từ các nguồn RGB. Các giá trị trọng số của R, G và B được cộng lại với nhau để tạo ra một tín hiệu Y đơn, để biểu diễn độ sáng chung tại một điểm đó. Tín hiệu U sau đó được tạo ra bằng các trừ Y khỏi tín hiệu xanh lam (B của RGB), và được nhân với một tỉ lệ có sẵn; còn V được tính bằng cách trừ Y khỏi màu đỏ (R của RGB), và nhân tỉ lệ với một hệ số khác. 3.4.3 Mô hình màu YIQ Mô hình mầu YIQ là mô hình mầu được ứng dụng trong truyền hình mầu băng tần rộng tại Mỹ, và do đó nó có mối quan hệ chặt chẽ với màn hình đồ hoạ màu raster. YIQ là sự thay đổi của RGB cho khả năng truyền phát và tính tương thích với ti vi đen trắng thế hệ trước. Tín hiệu truyền sử dụng trong hệ thống NTSC (National Television System Committee). 3.4.4. Mô hình CIE L*a*b Mô hình CIE L*a*b* được xây dựng dựa trên khả năng cảm nhận màu của mắt người. Các giá trị Lab mô tả tất cả những màu mà mắt một người bình thường có thể nhìn thấy được. Lab được xem là một mô hình màu độc lập đối với thiết bị và thường được sử dụng như một cơ sở tham chiếu khi chuyển đổi một màu từ một không gian màu này sang một không gian màu khác. Theo mô hình Lab, tất cả các màu có cùng một độ sáng sẽ nằm trên cùng một mặt phẳng có dạng hình tròn theo 2 trục a* và b*. Màu có giá trị a* dương thì ngả đỏ, màu có giá trị a* âm thì ngả lục. Tương tự b* dương thì ngả vàng và b* âm thì ngả lam. Còn độ sáng của màu thì thay đổi theo trục dọc. Ngoài ra còn nhiều hệ biểu diễn màu khác mà chưa thể đề cập hết ở đây. 4. Chuyển đổi giữa các hệ biểu diễn màu. Lập trình mô phỏng. 4.1. Chuyển đổi giữa các hệ biểu diễn màu 4.1.1. Chuyển đổi RGB - CMY (CMYK) Từ RGB sang CMY: giá trị của từng thành phần trong RGB thuộc khoảng [0,1] được lượng tử hóa 256 mức [0:255] do đó biểu diễn được 2563=1677216 màu đây cũng chính là cách mà máy tính dùng để biểu diễn các màu sắc được hiển thị trên màn hình có khác đôi chút là nó được biểu diễn dưới dạng Hexa các màu biến đổi từ #000000 tới #FFFFFF. Việc chuyển đổi sang CMY rất đơn giản: và trong máy tính dưới dạng thập phân là Từ đó ta suy ra công thức ngược để chuyển đổi từ CMY sang RGB: Chuyển đổi sang CMYK: việc này được tiến hành thông qua mô hình trung gian CMY. Sau khi biến đổi hệ sang CMY với 3 thành phần thu được là (C’, M’, Y’) ta tiến hành tiếp như sau: Chọn lựa hệ số K là vấn đề tương đối phức tạp, nó hoàn toàn phụ thuộc vào quyết định của nhà sản xuất ra thiết bị in ấn. Các giá trị của K bị các nhà sản xuất giữ kín như là một bí quyết công nghệ. Trong đa số trường hợp, hệ số K sẽ cho là bằng 0 khi độ bão hòa của màu đen thấp hơn từ 50% đến 75% do người ta cho rằng dưới mức hợp lý (hoàn toàn chủ quan) thì không cần phải in bằng mực đen. Về lý thuyết người ta tạm chấp nhận K = min {C’/2,55, M’/2,55, Y’/2,55}. (0 ≤ K ≤100) Nếu K = 100 thì C = 0, M = 0, Y = 0 (toàn bộ là màu đen). Nếu 100 > K > 0 thì: C = (C'/2.55 - K) * 100 /(100 - K) M = (M'/2.55 - K) * 100 /(100 - K), Y = (Y'/2.55 - K) *100 /(100 - K) và K = K trong đó các giá trị C, M, Y, K được làm tròn đến phần nguyên. 4.1.2. Chuyển đổi RGB – HSI Từ RGB sang HSI: Θ = cos -1 H= S=1- I= Từ HSI sang RGB Trong phần mô phỏng sẽ chuyển đổi thông số để dễ dàng trong việc tính toán 4.1.3. Chuyển đổi RGB với các hệ màu khác RGB – YIQ: Từ RGB sang YIQ Y 0.299 0.587 0.114 R I = 0.596 -0.274 -0.322 G Q 0.212 -0.523 0.311 B Từ YIQ sang RGB R 1.0 0.956 0.621 Y G = 1.0 -0.272 -0.647 I B 1.0 -1.105 1.702 Q RGB – YUV Từ RGB sang YUV Y 0.299 0.587 0.114 R U = -0.147 -0.289 0.437 G V 0.615 -0.515 -0.100 B Từ YUV sang RGB R 1.0 0.0 1.140 Y G = 1.0 -0.394 -0.581 U B 1.0 2.028 0.0 V 4.2. Chương trình mô phỏng Trong chương trình mô phỏng này chúng ta sẽ mô phỏng việc chuyển đổi qua lại giữa các hệ biểu diễn màu, ở đây việc chuyển đổi đều từ RGB sang các hệ màu khác. Ngôn ngữ sử dụng là C#.Net trong bộ Visual Studio 2008 chạy trên nền .Net Framework 3.5 4.1.1 Các chức năng của chương trình Cửa sổ chính của chương trình: Chức năng biến đổi RGB – CMY/CMYK Các giá trị của R, G, B, C, M, Y nằm trong khoảng 0-255 trong biến đổi RGB-CMY Các giá trị của R, G, B nằm trong khoảng 0-255 còn C, M, Y, K nằm trong khoảng 0-100. Chú ý điều này khi nhập dữ liệu. Chức năng biến đổi RGB – HSI R, G, B có giá trị trong khoảng 0-255, H có giá trị trong khoảng 0-360 (độ) còn S, I có giá trị trong khoảng 0-1. Chức năng các phép biến đổi khác 4.2.2 Đánh giá chương trình Chương trình với giao diện dễ sử dụng, các chỉ số được đưa ra quy ước về giá trị trước nên thuận tiện cho người dùng sử dụng. Chạy trên nền .Net hiện khá phổ biến tài nguyên cần để chạy chương trình không nhiều. Tuy nhiên chương trình mới dừng ở mức biến đổi trên 1 điểm ảnh (trừ biến đổi CMY-RGB) do đó có thể cải tiến để thấy được sự biến đổi trên 1 vùng (mảng dữ liệu) cùng với đó là thêm chau chuốt về giao diện. 5. Lời kết Thế giới quanh ta thật phong phú và việc cảm nhận được thế giới nhiều lúc mang lại cho ta cảm giác thực sự thú vị và hấp dẫn. Qua bài tập lớn này chúng ta biết thêm các tri thức về giác quan quan trọng của con người: thị giác để từ đó khám phá được thực chất việc cảm nhận về hình ảnh xung quanh ta diễn ra như thế nào. Cũng từ đó mà ta biết được các hệ thống biểu diễn màu sắc mà mỗi loại tùy vào sự cảm nhận hay chức năng mà có cách biểu diễn khác nhau. Và qua đây các thành viên trong nhóm được rèn luyện khả năng tự nghiên cứu học hỏi, làm việc đồng đội: có thể đưa cái nhìn ngoài đời phần nào đó biểu diễn nó trên máy tính. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bài giảng Xử lý ảnh – TS Nguyễn Linh Giang [2] Bài giảng Đồ họa hiện thực ảo – ThS Lê Tấn Hùng [3] Các tài nguyên từ Internet: