Способы разделения цветового оттенка
В компьютерной графике применяют понятие цветового разрешения (другое название — глубина цвета). Оно определяет метод кодирования цветовой информации для ее воспроизведения на экране монитора. Для отображения черно-белого изображения достаточно двух бит (белый и черный цвета). Восьмиразрядное кодирование позволяет отобразить 256 градаций цветового тона. Два байта (16 бит) определяют 65 536 оттенков (такой режим называют High Color). При 24-разрядном способе кодирования возможно определить более 16,5 миллионов цветов (режим называют True Color ).
С практической точки зрения цветовому разрешению монитора близко понятие цветового охвата. Под ним подразумевается диапазон цветов, который можно воспроизвести с помощью того или иного устройства вывода (монитор, принтер, печатная машина и прочие).
В соответствии с принципами формирования изображения аддитивным или субтрактивным методами разработаны способы разделения цветового оттенка на составляющие компоненты, называемые цветовыми моделями. В компьютерной графике в основном применяют модели RGB и HSB (для создания и обработки аддитивных изображений) и CMYK (для печати копии изображения на полиграфическом оборудовании).
Цветовые модели расположены в трехмерной системе координат, образующей цветовое пространство, так как из законов Гроссмана следует, что цвет можно выразить точкой в трехмерном пространстве.
Первый закон Грассмана (закон трехмерности). Любой цвет однозначно выражается тремя составляющими, если они линейно независимы. Линейная независимость заключается в невозможности получить любой, из этих трех цветов сложением двух остальных.
Второй закон Грассмана (закон непрерывности). При непрерывном изменении излучения цвет смеси также меняется непрерывно. Не существует такого цвета, к которому нельзя было бы подобрать бесконечно близкий.
Третий закон Грассмана (закон аддитивности). Цвет смеси излучений зависит только от ихцвета, но не спектрального состава. То есть цвет (C) смеси выражается суммой цветовых уравнений излучений:
Таким образом, прямоугольная трехмерная координатная система цветового пространства для аддитивного способа формирования изображения имеет точку начала координат, соответствующую абсолютно черному цвету (цветовое излучение отсутствует), и три оси координат, соответствующих основным цветам. Любой цвет (С) может быть выражен в цветовом пространстве вектором, который описывается уравнением:
которое практически идентично уравнению свободного вектора в пространстве, рассматриваемому в векторной алгебре. Направление вектора характеризует цветность, а его модуль выражает яркость.
Так как величина излучения основных цветов является основой цветовой модели, ее максимальное значение принято считать за единицу. Тогда в трехмерном цветовом пространстве можно построить плоскость единичных цветов, образованную треугольником цветности. Каждой тоже плоскости единичных цветов соответствует след цветового вектора, пронизывающего ее в этой точке. Следовательно, цветность любого излучения может быть представлена единственной точкой внутри треугольника цветности, в вершинах которого находятся точки основных цветов. То есть положение точки любого цвета можно задать двумя координатами, а третья легко находится по двум другим.
 |
| Рис.11. Плоскость единичных цветов |
Если на плоскости единичных цветов указать значения координат, соответствующих реальным спектральным излучениям оптического диапазона (от 380 до 700 нм), и соединить их кривой, то мы получим линию, являющуюся геометрическим местом точек цветности монохроматических излучений, называемую локусом. Внутри локуса находятся все реальные цвета.
 |
| Рис. 12. Цветовой локус |
Чтобы избежать отрицательных значений координат, была выбрана колориметрическая система X, полученная путем пересчета из RGB. В этой системе точке белого соответствуют координаты (0,33; 0,33). Колориметрическая система XYZ является универсальной, в ней можно выразить цветовой охват как аддитивных, так и субтрактивных источников цвета. Для аддитивных источников цветовой охват выражается треугольником с координатами вершин, соответствующими излучению основных цветов R, G, B.
Для субтрактивных источников (полученных в процессе печати красками, чернилами, красителями) используется модель CMYK, поэтому цветовой охват описывается шестиугольником, когда помимо точек синтеза основной триады (желтая, пурпурная, голубая) добавляются точки попарных наложений, соответствующие основным цветам; желтая + голубая = зеленая, желтая + пурпурная = красная, голубая + пурпурная = синяя.
Источник
Способы разделения цветового оттенка
При работе с цветом используются понятия цветовое разрешение (его еще называют глубиной цвета) и цветовая модель. Цветовое разрешение определяет метод кодирования цветовой информации, и от него зависит то, сколько цветов на экране может отображаться одновременно. Для кодирования двухцветного (черно-белого) изображения достаточно выделить по одному биту на представление цвета каждого пикселя. Выделение одного байта позволяет закодировать 256 различных цветовых оттенков. Два байта (16 битов) позволяют определить 65 536 различных цветом. Этот режим называется High Color. Если для кодирования цвета используются три байта (24 бита), возможно одновременное отображение 16,5 млн цветов. Этот режим называется True Color.
Цвета в природе редко являются простыми. Большинство цветовых оттенков образуется смешением основных цветов. Способ разделения цветового оттенка на составляющие компоненты называется цветовой моделью. Существует много различных типов цветовых моделей, но в компьютерной графике, как правило, применяется не более трех. Эти модели известны под названиями: RGB, CMYK и HSB.
Цветовая модель RGB наиболее проста для понимания и очевидна. В этой модели работают мониторы и бытовые телевизоры. Любой цвет считается состоящим из трех основных компонентов: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue). Эти цвета называются основными. Считается также, что при наложении одного компонента на другой яркость суммарного цвета увеличивается. Совмещение трех компонентов дает нейтральный цвет (серый), который при большой яркости стремится к белому цвету.
Это соответствует тому, что мы наблюдаем на экране монитора, поэтому данную модель применяют всегда, когда готовится изображение, предназначенное для воспроизведения на экране. Если изображение проходит компьютерную обработку в графическом редакторе, то его тоже следует представить в этой модели. В графических редакторах имеются средства для преобразования изображений из одной цветовой модели в другую.
Метод получения нового оттенка суммированием яркостей составляющих компонентов называют аддитивным методом. Он применяется всюду, где цветное изображение рассматривается в проходящем свете («на просвет»): в мониторах, слайд-проекторах и т. п.
Нетрудно догадаться, что чем меньше яркость, тем темнее оттенок. Поэтому в аддитивной модели центральная точка, имеющая нулевые значения компонентов (0, 0, 0), имеет черный цвет (отсутствие свечения экрана монитора). Белому цвету соответствуют максимальные значения составляющих (255, 255, 255). Модель RGB является аддитивной, а ее компоненты — красный, зеленый и синий — называют основными цветами.
Цветовую модель CMYK используют для подготовки не экранных, а печатных изображений. Они отличаются тем, что их видят не в проходящем, а в отраженном свете. Чем больше краски положено на бумагу, тем больше света она поглощает и меньше отражает. Совмещение трех основных красок поглощает почти весь падающий свет, и со стороны изображение выглядит почти черным. В отличие от модели RGB увеличение количества краски приводит не к увеличению визуальной яркости, а наоборот к ее уменьшению. Поэтому для подготовки печатных изображений используется не аддитивная (суммирующая) модель, а субтрактивная (вычитающая) модель. Цветовыми компонентами этой модели являются не основные цвета, а те, которые получаются в результате вычитания основных цветов из белого:
Эти три цвета называются дополнительными, потому что они дополняют основные цвета до белого.
Существенную трудность в полиграфии представляет черный цвет. Теоретически его можно получить совмещением трех основных или дополнительных красок, но на практике результат оказывается негодным. Поэтому в цветовую модель CMYK добавлен четвертый компонент — черный. Ему эта система обязана буквой К в названии (blacK).
В типографиях цветные изображения печатают в несколько приемов. Накладывая на бумагу по очереди голубой, пурпурный, желтый и черный отпечатки, получают полноцветную иллюстрацию. Поэтому готовое изображение, полученное на компьютере, перед печатью разделяют на четыре составляющих одноцветных изображения. Этот процесс называется цветоделением. Современные графические редакторы имеют средства для выполнения этой операции.
В отличие от модели RGB, центральная точка имеет белый цвет (отсутствие красителей на белой бумаге). К трем цветовым координатам добавлена четвертая — интенсивность черной краски. Ось черного цвета выглядит обособленной, но в этом есть смысл: при сложении цветных составляющих с черным цветом все равно получится черный цвет.
Сложение цветов в модели CMYK каждый может проверить, взяв в руки голубой, розовый и желтый карандаши или фломастеры. Смесь голубого и желтого на бумаге дает зеленый цвет, розового с желтым — красный и т. д. При смешении всех трех цветов получается неопределенный темный цвет. Поэтому в этой модели черный цвет и понадобился дополнительно.
Некоторые графические редакторы позволяют работать с цветовой моделью HSB. Если модель RGB наиболее удобна для компьютера, а модель CMYK — для типографий, то модель HSB наиболее удобна для человека. Она проста и интуитивно понятна.
В модели HSB тоже три компонента: оттенок цвета (Hue), насыщенность цвета (Saturation) и яркость цвета (Brightness). Регулируя эти три компонента, можно получить столь же много произвольных цветов, как и при работе с другими моделями.
Цветовая модель HSB удобна для применения в тех графических редакторах, которые ориентированы не на обработку готовых изображений, а на их создание своими руками. Существуют такие программы, которые позволяют имитировать различные инструменты художника (кисти, перья, фломастеры, карандаши), материалы красок (акварель, гуашь, масло, тушь, уголь, пастель) и материалы полотна (холст, картон, рисовая бумага и пр.). Создавая собственное художественное произведение, удобно работать в модели HSB, а по окончании работы его можно преобразовать в модель RGB или CMYK, в зависимости от того, будет ли оно использоваться как экранная или печатная иллюстрация.
Цветовая палитра — это таблица данных, в которой хранится информация о том, каким кодом закодирован тот или иной цвет. Эта таблица создается и хранится вместе с графическим файлом.
Самый удобный для компьютера способ кодирования цвета — 24-разрядный, True Color. В этом режиме на кодирование каждой цветовой составляющей R (красной), G (зеленой) и В (синей) отводится по одному байту (8 битов). Яркость каждой составляющей выражается числом от 0 до 255, и любой цвет из 16,5 миллионов компьютер может воспроизвести по трем кодам. В этом случае цветовая палитра не нужна, поскольку в трех байтах и так достаточно информации о цвете конкретного пикселя.
Существенно сложнее обстоит дело, когда изображение имеет только 256 цветов, кодируемых одним байтом. В этом случае каждый цветовой оттенок представлен одним числом, причем это число выражает не цвет пикселя, а индекс цвета (его номер). Сам же цвет разыскивается по этому номеру в сопроводительной цветовой палитре, приложенной к файлу. Такие цветовые палитры еще называют индексными палитрами. Разные изображения могут иметь разные цветовые палитры. Например, в одном изображении зеленый цвет может кодироваться индексом 64, а в другом изображении этот индекс может быть отдан розовому цвету. Если воспроизвести изображение с «чужой» цветовой палитрой, то зеленая елка на экране может оказаться розовой.
В тех случаях, когда цвет изображения закодирован двумя байтами (режим High Color), на экране возможно изображение 65 тысяч цветов. Разумеется, это не все возможные цвета, а лишь одна двести пятьдесят шестая доля общего непрерывного спектра красок, доступного в режиме True Color. В таком изображении каждый двухбайтный код тоже выражает какой-то цвет из общего спектра. Но в данном случае нельзя приложить к файлу индексную палитру, в которой было бы записано, какой код какому цвету соответствует, поскольку в этой таблице было бы 65 тысяч записей и ее размер составил бы сотни тысяч байтов. Вряд ли есть смысл прикладывать к файлу таблицу, которая может быть по размеру больше самого файла. В этом случае используют понятие фиксированной палитры. Ее не надо прикладывать к файлу, поскольку в любом графическом файле, имеющем шестнадцатиразрядное кодирование цвета, один и тот же код всегда выражает один и тот же цвет.
Источник
Цветовая сегментация для чайников
Это статья рассчитана на новичков, которые только начинают осваивать методы обработки изображений. Сама я часто сталкиваюсь с отсутствием легких примеров, особенно на русском языке, поэтому надеюсь данный материал окажется полезным.
Как-то встала передо мной следующая задача. У меня было много фотографий болгарских перцев и необходимо было отделить растение от фона. На примере этой задачи я покажу один из самых примитивных способов как это можно сделать при помощи openCV 2.4.
Суть задачи: закрасить белым все что не является растением.
Исходная фотография (слева) и то что должно получиться (справа).
Для начала загрузим изображение:
По умолчанию в opencv цветное изображение хранится палитре BGR. Определять цвет в BGR не очень удобно, поэтому для начала переведем изображение в формат HSV.
HSV (или HSB) означает Hue, Saturation, Value (Brightness), где:
Hue — цветовой тон, т.е. оттенок цвета.
Saturation — насыщенность. Чем выше этот параметр, тем «чище» будет цвет, а чем ниже, тем ближе он будет к серому.
Value (Brightness) — значение (яркость) цвета. Чем выше значение, тем ярче будет цвет (но не белее). А чем ниже, тем темнее (0% — черный)
Так как искать растение мы будем именно по цвету, то больше всего нас интересует именно тон.
Преобразуем изображение в палитру HSV и разобьем на три составляющие Hue Saturation Value соответственно.
Зададим диапазон значений тона. В OpenCV зеленый находится в диапазоне от 34 до 72. Перец на фотографиях не полностью зеленый. Поэтому опытным путем был подобран диапазон от 21 до 110.
Далее пробежимся по нашему изображению. Для каждого пикселя получим все три компоненты. Интенсивность мы использовать не будем, но, чтобы было понятнее и не перескакивать индексы я ее оставлю. Если тон не укладывается в заданный диапазон или яркость слишком низкая – значит это фон, поэтому закрашиваем все белым цветом.
В результате у нас получится такое изображение:
В целом фон удалился, но остались непонятные шумы в левом углу.
Один из способов убрать мелкие несвязные частицы — это морфологическая обработка изображений.
Дилатация (морфологическое расширение) – свертка изображения или выделенной области изображения с некоторым ядром. Ядро может иметь произвольную форму и размер. При этом в ядре выделяется единственная ведущая позиция, которая совмещается с текущим пикселем при вычислении свертки. Во многих случаях в качестве ядра выбирается квадрат или круг с ведущей позицией в центре. Ядро можно рассматривать как шаблон или маску. Применение дилатации сводится к проходу шаблоном по всему изображению и применению оператора поиска локального максимума к интенсивностям пикселей изображения, которые накрываются шаблоном. Такая операция вызывает рост светлых областей на изображении. На рисунке серым цветом отмечены пиксели, которые в результате применения дилатации будут белыми.
Эрозия (морфологическое сужение) – обратная операция. Действие эрозии подобно дилатации, разница лишь в том, что используется оператор поиска локального минимума серым цветом залиты пиксели, которые станут черными в результате эрозии.
Подробнее про это дело можно почитать тут. Применим морфологические операции к нашим картинкам. В качестве структурного элемента возьмем эллипс.
Результат морфологической обработки.
Большинство шумов убрались, но и само изображение размылось, а это не совсем то что мы хотели. Поэтому мы будем использовать преобразованное изображение как маску, чтобы удалить ненужный шум.
Слева маска, справа результат применения маски.
Вот таким способом можно примитивно выделить объект из фона.
Источник
