305434 Digital Image Processing

10/02/58
305434
Digital Image Processing
Chapter6: Color Image
Processing
หลักการพืน ฐานของสี
• ในปี ค.ศ. 1666, Sir Isaac Newton พบว่ าเมือลํา
แสงอาทิตย์ ซ งึ เป็ นแสงสีขาว (white light) ผ่ าน
prism จะเป็ น spectrum ทีต่อเนืองของสี ตัง$ แต่ สี
ม่ วงซึงอยู่ปลายด้ านหนึงไปยังสีแดงทีอยู่ปลายอีกด้ าน
หนึง
1
10/02/58
สีท ีอยู่ตดิ กัน จะมีลักษณะของสีไม่ ต่างกันมาก
(Figure from Rafael C. Gonzalez and Richard E.
Wood, Digital Image Processing, 2nd Edition.
• สีแต่ ละสีจะมีความถีต่าง ๆ กัน
• ความยาวคลืนของแสงทีตามนุษย์ มองเห็นจะอยู่ในช่ วง 400700 nm
(Figure from Rafael C. Gonzalez and Richard E.
Wood, Digital Image Processing, 2nd Edition.
2
10/02/58
• อ้ างอิงถึงบทที 2 เซลล์ รูปกรวย (cones) เป็ นตัวรั บสีใน
ตามนุษย์
• 65% ของจํานวน cones ไวต่ อแสง สีแดง
• 33% ของจํานวน cones ไวต่ อแสง สีเขียว
• 2% ของจํานวน cones ไวต่ อแสง สีนํา$ เงิน ซึงไว
ทีสุด
การดูดกลืนแสงของ cones
3
10/02/58
คุณสมบัติของตามนุษย์ในการรับแสง
• จากคุณลักษณะในการดูดกลืนแสงของ cones ในตามนุษย์
CIE (the Internaioncal Commission on
Illumination) ได้ กาํ หนด “primary color” (แม่ สี)
เพือให้ เป็ นมาตรฐาน
–Red ( R ) มีความยาวคลืน 700 nm
–Green ( G ) มีความยาวคลืน 546.1 nm
–Blue ( B ) มีความยาวคลืน 435.8 nm
ได้ กาํ หนดก่ อนเกิด Figure 6.3
• การผสมสี primary color ทําให้ เกิด secondary
color (สีผสมระหว่ างแม่ สีสองสี) คือ
–Magenta ( R + B )
–Cyan ( G + B )
–Yellow ( R + G )
4
10/02/58
(Figure from Rafael C. Gonzalez and Richard E.
Wood, Digital Image Processing, 2nd Edition.
คุณลักษณะเฉพาะของแต่ละสี
พิจารณาจาก
• Brightness (ความเข้ มแสง , gray level,
intensity)
• Hue (สีตามค่ า wavelength เช่ น แดง ส้ ม เหลือง)
• Saturation (ความอิมตัวของสี (hue) เมือผสมกับสีขาว
เช่ น pink (red + white) , lavender (violet +
white)
Note: Hue และ Saturation รวมกันเรี ยกว่ า
chromaticity
5
10/02/58
tristimulus
• ปริมาณของ R, G, B ทีใช้ ให้ เกิดสีใดสีหนึง เรี ยกว่ าค่ า
“tristimulus” เขียนเป็ น X, Y, Z ตามลําดับ
• ดังนัน$ สีใดสีหนึง จะถูกกําหนดโดย “tristimulus
coefficient”
X
X +Y + Z
Y
จากทัง$ สามสมการ x+y+z = 1
y=
X +Y + Z
Z
z=
X +Y + Z
x=
(Figure from Rafael C. Gonzalez and Richard E.
Wood, Digital Image Processing, 2nd Edition.
6
10/02/58
จาก chromaticity diagram
• Chromaticity diagram จะแสดงสีท ีขึน$ อยู่กับแกน x
(red) และ y (green) และสําหรั บ x และ y ใดๆ จะหา z
(blue) ได้ ด้วยสมการ z = 1 – (x + y)
• ตัวอย่ าง จุดทีถูกกําหนดให้ ในสีเขียวในรู ปจะมี g 62% และ r
25% ซึงจะมี b 13% จากสมการ
• บริเวณขอบของภาพแสดงความยาวคลืนตัง$ แต่ violet ที 380
nm ไปจนถึง 780 nm
• จุดที x, y, z เท่ ากันหมดคือสีขาว (white light)
Color Models
• อาจจะเรี ยกว่ าเป็ นระบบสี ซึงทําให้ สะดวกในการระบุ
มาตรฐานของสีท เี ป็ นทียอมรั บโดยทัวไป เช่ น
– Hardware เช่ นจอภาพสีและกล้ องวีดโิ อ ใช้ RGB color
model
– การพิมพ์ ภาพสี ใช้ CMY และ CMYK color models
– วิธีท ีมนุษย์ ใช้ ในการตีความและอธิบายสี ใช้ HSI color
model
7
10/02/58
The RGB Color Model
• ในแต่ ละสีจะมีส่วนประกอบของ red, green, blue ซึง
อยู่บนพืน$ ฐานของระบบ Cartesian coordinate ซึง
แสดงในลักษณะรู ปลูกบาศก์
(Figure from Rafael C. Gonzalez and Richard E.
Wood, Digital Image Processing, 2nd Edition.
จะมี red, green, blue อยู่ท ีแต่ ละมุม
ทีมุมอีกสามมุมจะมี cyan, magenta, และ yellow
Black อยู่ท ี origin
White อยู่ท ีมุมตรงข้ าม origin
ถ้ าลากเส้ นเชือมต่ อระหว่ าง black กับ white ค่ า gray
level ทีอยู่ตามเส้ นนีจ$ ะมีค่า R, G, B เท่ ากัน
• ค่ าสีอ ืน ๆ ภายในลูกบาศก์ หาได้ จาก vector จาก origin
•
•
•
•
•
8
10/02/58
• สมมติให้ มีการ normalized ก็จะเป็ นลูกบาศก์ หนึงหน่ วย
(unit cube) ซึงค่ า R, G, B อยู่ในช่ วง [0, 1]
• จํานวนบิททีใช้ แสดงแต่ ละ pixel ใน RGB space เรี ยกว่ า
“pixel depth” เช่ น ถ้ าเราบอกว่ าใน RGB image จะมี
red, green, และ blue อย่ างละ 8 bits จะเรี ยกว่ ามี
depth 24 bits (3*8)
• สําหรั บ 24-bits RGB image จะเรี ยกว่ า “full color” ซึง
จะมีจาํ นวนสีทัง$ หมด (28)3 = 16,777,216 สี
RGB 24-bits Color Cube
(Figure from Rafael C. Gonzalez and Richard E.
Wood, Digital Image Processing, 2nd Edition.
9
10/02/58
Safe RGB colors
• ในหลาย ๆ ระบบอาจจะใช้ สีจาํ นวนน้ อยเช่ น 256 สี ตัวอย่ าง
ของระบบทีใช้ สีจาํ นวนน้ อยเช่ น pseudocolor image
processing, system-safe colors, safe web
colors
• สําหรั บ 256 สี จะแบ่ งเป็ น
– 40 สี ใช้ ใน operating system ซึง operating system ต่ าง
ๆ กันจะมีกระบวนการใช้ ต่างกัน
– 216 สีท ีเหลือ จะถูกใช้ ในระบบปกติ เรียกว่ าเป็ นมาตรฐานสําหรับ
“safe color” (subset of color)
Safe Color
• มาจาก RGB 3 ค่ าซึงแต่ ละค่ าทีเป็ นไปได้ คือ 0, 51, 102,
153, 204, 255 ดังนัน$ ค่ าสีท ีเป็ นไปได้ ทัง$ หมดคือ 63 =
216 ค่ า
(Figure from Rafael C. Gonzalez and Richard E.
Wood, Digital Image Processing, 2nd Edition.
10
10/02/58
(Figure from Rafael C. Gonzalez and Richard E.
Wood, Digital Image Processing, 2nd Edition.
จาก Figure 6.10
รู ป 6.10 a)
• แถวที 1 คอลัมน์ ท ี 1 มีค่าสี FFFFFF (สีขาว)
• แถวที 1 คอลัมน์ ท ี 2 มีค่าสี FFFFCC
• แถวที 2 คอลัมน์ ท ี 1 มีค่าสี FFCCFF
รู ป 6.10 b)
• แสดงถึงรหัสฐาน 16 โดยแสดงให้ เห็นเทียบกับค่ าความ
เข้ มแสง
11
10/02/58
(Figure from Rafael C. Gonzalez and Richard E.
Wood, Digital Image Processing, 2nd Edition.
The CMY and CMYK Color Models
• อุปกรณ์ บางอย่ าง เช่ น color printer, copiers ใช้ สีท ี
เป็ นแบบ CMY (cyan, magenta, yellow)
• ในการแปลง RGB เป็ น CMY ใช้ สมการ
C  1  R 
 M  = 1 − G 
    
Y  1  B 
12
10/02/58
http://www.webriti.com/index.php/color/
cmyk-and-rgb-colorspace/
http://www.spielberg-ocr.com/printing.html
http://www.spielberg-ocr.com/printing.html
13
10/02/58
• จากสมการ RGB ถูก normalized ให้ อยู่ในช่ วง [0,
1]
• สําหรั บการ print สีดาํ ถ้ าใช้ สี CMY ผสมกันก็อาจจะ
ได้ สีดาํ ทีมีค่อยเข้ มเท่ าไร จึงนําสีดาํ จริง ๆ มาใช้ จงึ เป็ น
ทีมาของ CMYK โดย K แทนสีดาํ นันเอง
The HSI Color Models
มนุษย์ จะตีความหมายของสี ตามรู ปแบบของ HSI
• H : Hue คือค่ าสีบริสุทธิ9 (pure color) เช่ น เหลือง ส้ ม แดง
• S : Saturation คือความอิมตัวของสีเมือผสมกับแสงสีขาว
• I : Intensity = gray level
14
10/02/58
(Figure from Rafael C. Gonzalez and Richard E.
Wood, Digital Image Processing, 2nd Edition.
(Figure from Rafael C. Gonzalez and Richard E.
Wood, Digital Image Processing, 2nd Edition.
15
10/02/58
http://exceed.cpe.ku.ac.th/wiki/index.php/Color_Classify
(Figure from Rafael C. Gonzalez and Richard E.
Wood, Digital Image Processing, 3rd edition.
16
10/02/58
Pseudocolor Image Processing
• คือกระบวนการกําหนดค่ าสีให้ กับค่ าระดับเทาโดยขึน$ อยู่กับ
เกณฑ์ ท ีกาํ หนด
• วัตถุประสงค์ ของการใช้ pseudocolor image
processing คือทําให้ มนุษย์ มีการมองเห็นภาพได้ ดีขึน$ และ
ตีความหมายของภาพทีต้องการจะสือได้ ดีขึน$
Intensity Slicing
• มอง image เป็ นแบบ 3D function (intensity กับ
spatial coordinates)
• นําระนาบวางขนานกับ 3D function แล้ วจะกําหนดค่ าสีท ีอยู่
ในช่ วงระนาบต่ างกันให้ แตกต่ างกัน
17
10/02/58
วิธีการ intensity-slicing
(Figure from Rafael C. Gonzalez and Richard E.
Wood, Digital Image Processing, 2nd Edition.
หลักการทัว ไป
• ให้ gray level อยู่ในช่ วง [0,L-1]
• ให้ l0 แทนสีดาํ (f(x,y) = 0) และ lL-1 แทนสีขาว
(f(x,y) = L-1)
• ให้ ระนาบ P ตัง$ ฉากกับแกน intensity ที level l1, l2,
…,lP โดย 0 < P < L-1 ระนาบ P จะแบ่ ง gray level
เป็ น P+1 ช่ วง กําหนดเป็ น v1, v2, …, vP+1 ตามลําดับ
• กําหนดค่ าสีให้ กับ gray level จะใช้ ความสัมพันธ์
f(x,y) = ck
if f(x,y) ∈ Vk
โดย ck คือสีท ีสัมพันธ์ กับตําแหน่ ง k ในช่ วง Vk
18
10/02/58
แสดงวิธีการเป็ นแบบขันบันได
(Figure from Rafael C. Gonzalez and Richard E.
Wood, Digital Image Processing, 2nd Edition.
ตัวอย่ าง
(Figure from Rafael C. Gonzalez and Richard E.
Wood, Digital Image Processing, 3rd Edition.
19
10/02/58
ตัวอย่ าง
(Figure from Rafael C. Gonzalez and Richard E.
Wood, Digital Image Processing, 3rd Edition.
ตัวอย่ าง
(Figure from Rafael C. Gonzalez and Richard E.
Wood, Digital Image Processing, 3rd Edition.
20
10/02/58
Color Transformation
(Figure from Rafael C. Gonzalez and Richard E.
Wood, Digital Image Processing, 3rd Edition.
Color complements
(Figure from Rafael C. Gonzalez and Richard E.
Wood, Digital Image Processing, 3rd Edition.
21
10/02/58
Color complements
(Figure from Rafael C. Gonzalez and Richard E.
Wood, Digital Image Processing, 3rd Edition.
Tone and color correction
(Figure from Rafael C. Gonzalez and Richard E.
Wood, Digital Image Processing, 3rd Edition.
22