Procesarea Imaginilor

Cap.1. Elemente de percepţie vizuală.

1.1. Vederea umană

Elementul sensibil la lumină al ochiului este retina, pe care se focalizează imaginea. Există două tipuri de celule receptoare: conuri şi bastonaşe. Conurile sînt în număr de 6-7 milioane, sînt localizate în porţiunea centrală a retinei şi sînt sensibile la culoare. Deoarece se leagă cîte unul la cîte o terminaţie a nervului ocular sînt deasemenea sensibile la detalii fine. Bastonaşele sînt în număr de 75-120 milioane, distribuite în jurul conurilor şi se leagă mai multe la cîte o terminaţie a nervului ocular. Din acest motiv nu sînt sensibile la detalii, nici la culori, oferind doar o vedere de ansamblu, în schimb sînt sensibile la nivele mult mai slabe de iluminare. Conurile formează vederea de zi, numită şi fotopică, iar bastonaşele vederea de noapte, numită scotopică.

Domeniul de intensitate al luminii la care ochiul se poate adapta este extrem de larg, de ordinul a 1010 de la pragul scotopic la senzaţia de strălucire orbitoare. Experienţa arată că senzaţia subiectivă de strălucire faţă de intensitatea luminoasă este o funcţie logaritmică (fig.1.1.). Totuşi ochiul nu poate vedea simultan într-un domeniu atît de larg. Se produce un fenomen de adaptare în jurul valorii medii a strălucurii imaginii Ba . Curba punctată indică senzaţia în jurul acestui punct. Îndepărtarea prea mare de acest punct duce la adaptarea ochiului la un alt nivel.

Domeniul intensităţilor în care ochiul poate distinge, pentru un nivel de adaptare dat, este destul de mic. Se consideră că reproducerea unei imagini este satisfăcătoare dacă ea conţine un număr de cca 100 de nivele de intensitate.

1.2. Un model al imaginii monocrome

Vom da pentru început un model al imaginilor alb-negru, acestea fiind în general obiectul de lucru al vederii artificiale. O astfel de imagine este o funcţie bidimensională a intensităţii luminoase, notată f(x,y), unde x şi y sînt coordonatele spaţiale. Deoarece lumina este o formă de energie funcţia este nenulă şi finită

0 < f(x,y) < ∞

Imaginile pe care le percepem în mod obişnuit constau din lumină reflectată de obiecte. Există, deci, două componente care formează o imagine: cantitatea de lumină incidentă, numită iluminare şi capacitatea diferitelor corpuri de a reflecta lumina incidentă, numită reflectanţă. Cele două componente se pot separa astfel

f(x,y) = i(x,y)r(x,y) unde

0 < i(x,y) < ∞

0 < r(x,y) < 1

Iată cîteva valori tipice pentru valorile iluminării. Zi senină: i = 9000 candele, zi înnorată: 1000, încăpere iluminată artificial: 100, noapte cu lună plină: 0.01. Reflectanţa tipică a cîtorva materiale este: 0.01 pentru catifea neagră, 0.65 pentru oţel, 0.9 pentru zăpadă.

Pentru o imagine alb-negru valoarea funcţiei f la coornonatele date (x,y) se numeşte nivel de gri, notat l. Acest nivel aparţine unui interval fizic [Lmin, Lmax]. Din considerente practice acest interval este scalat la intervalul [0, L] unde l = 0 reprezintă negru, l = L corespunde la alb iar valorile intermediare reprezintă nuanţe de gri.

1.3. Modele ale imaginilor color

Este evident că imaginile monocrome nu pot fi satisfăcătoare în toate situaţiile. Pe lîngă aplicaţii ultracunoscute cum ar fi televiziunea, tehnoredactarea etc, se pot menţiona şi altele: analiza culturilor agricole pe baza imaginilor culese de sateliţi, analiza mineralogică, aplicaţii în medicină şi defectoscopie bazate pe pseudocolorizarea unor imagini monocrome.

Precum se ştie, lumina albă se descompune într-un spectru cromatic mergînd de la roşu pentru frecvenţa cea mai mică a radiaţiei luminoase, pînă la indigo pentru frecvenţa cea mai mare. Noţiunea de culoare este, aşadar, biunivoc legată de cea de frecvenţă. Totuşi, datorită structurii sale, ochiul poate percepe, subiectiv, orice culoare ca pe o combinaţie a trei culori de bază, numite culori primare: roşu, verde şi albastru.

Modelul RGB (Red, Green, Blue) porneşte de la culorile primare şi este numit şi model de compoziţie aditivă, deoarece se însumează radiaţii luminoase aparţinînd culorilor respective. Modelul este foarte răspîndit deoarece stă la baza concepţiei tehnice a dispozitivelor de achiziţie şi afişare a imaginilor color . Modelul RGB se bazează pe un sistem de coordonate rectangular. Orice culoare se defineşte ca un punct încadrat într-un cub cu latura 1. Dacă cele trei componente iau valori în intervalul [0, 1] tripletul (0,0,0) corespunde culorii negru iar (1, 1, 1) culorii alb. Un triplet de tipul (x, x, x) se află pe 3

diagonala principală a cubului şi corespunde unei nuanţe de gri. Însumarea a două componente primare produce o culoare care este numită complementară în raport cu a treia. De exemplu (1, 1, 0) = galben, complementar cu (0, 0, 1) = albastru.

Un model mai apropiat de percepţia subiectivă a culorilor, dar şi de suportul fizic al noţiunii de culoare este HSB (Hue = nuanţă, Saturation = saturaţie, Brightness = strălucire). Acest model este dezvoltat în coordonate cilindrice. Nuanţa parcurge un cerc avînd culorile: roşu la 0°, galben la 60°, verde la 120°, cyan la 180°, albastru la 240°, magenta la 300° şi din nou roşu la 360°. Putem considera nuanţa ca pe o mărime fizică ce exprimă valoric "numele" pe care îl dăm unei culori în limbajul curent.

Saturaţia se referă la gradul de amestecare cu lumină albă al culorii. O culoare pură are S = 1. Saturaţia se cuantifică pe raza cilindrului. Culorile situate pe suprafaţa exterioară a cilindrului sînt culori pure, deci complet saturate. Pe măsură ce saturaţia scade, nuanţa este din ce în ce mai greu de cuantificat. La limită, cînd saturaţia este nulă nuanţa este indefinită, aşadar, pe axa cilindrului avem doar nivele de gri.

Strălucirea se referă la percepţia subiectivă asupra intensităţii luminoase. Conversia unei imagini color într-una bazată exclusiv pe nivele de gri păstrează doar informaţia legată de strălucire, în timp ce informaţiile despre nuanţă şi saturaţie se pierd.

Conversia între modelele RGB si HSB este o operaţie matematică relativ complicată. Ea se poate face în mod exact, pe baza relaţiilor geometrice şi trigonometrice care descriu cele două modele. În literatura de specialitate sînt prezentate şi proceduri de conversie aproximative, care dau rezultate satisfăcătoare şi nu necesită operaţii de calcul în virgulă mobilă, nici evaluarea unor funcţii trigonometrice. În fig.1.2. se dă o reprezentare grafică a proporţiilor în care componentele RGB se compun la parcurgerea completă a unui cerc al nuanţei pentru culori saturate şi cu strălucire maximă (Saturation = 1, Brightness = 1).