Giáo trình
Cơ sở xử lý ảnh

Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh
1
Chơng 1.
Cơ sở xử lý ảnh .
Mở đầu.
Xử lý ảnh số có nhiều ứng dụng thực tế. Một trong những ứng dụng sớm nhất là
xử lý ảnh từ nhiệm vụ Ranger 7 tại phòng thí nghiệm Jet Propulsion vào những năm
đầu của thập kỷ 60. Hệ thống chụp hình gắn trên tàu vũ trụ có một số hạn chế về kích
thớc và trọng lợng, do đó ảnh nhận đợc bị giảm chất lợng nh bị mờ, méo hình học
và nhiễu nền. Các ảnh đó đợc xử lý thành công nhờ máy tính số. Hình ảnh của mặt

những môi trờng không thuận lợi ,và ảnh nhận đợc thờng bị xuống cấp. Ví dụ, bức
ảnh chụp vội biển đăng kí xe ô tô đang chạy thờng bị nhoè, việc làm giảm độ nhoè là
cần thiết trong việc nhận dạng ô tô. Một ứng dụng ít biết khác là nghiên cứu sự di c
của cá voi. Khi ngời ta nghiên cứu hành vi di c của s tử, hổ và các động vật khác, họ
bắt các động vật và cột thẻ vào vị trí thuận lợi ở đuôi hoặc tai. Khi bắt đợc động vật ở
nơi khác, thẻ cho biết thông tin về sự di c của động vật. Tuy nhiên, cá voi rất khó bắt
và cột thẻ. May thay, cá voi lại thích để lộ đuôi, mà đuôi của chúng có những đặc điểm
có thể giúp để nhận biết chúng. Để nhận dạng một con cá voi, bức ảnh chụp vội đuôi
của nó từ trên tàu đợc so sánh với hàng ngàn ảnh đuôi cá voi khác nhau trong một bộ
su tập. Quan sát liên tiếp và nhận dạng một cá thể cá voi nào đó ta có thể theo dõi sự
di c của nó. Tuy nhiên, việc so sánh ảnh cực kỳ nhàm chán và phải dùng xử lý ảnh số
để tự động hoá công việc.
Những ứng dụng xử lý ảnh số là vô hạn. Ngoài những ứng dụ ng đã thảo luận ở
trên, còn bao gồm cả các lĩnh vực khác nh điện tử gia đình, thiên văn học, sinh vật
học, vật lý, nông nghiệp, địa lý, nhân chủng học, và nhiều lĩnh vực khác. Nhìn và nghe
là hai phơng tiện quan trọng nhất để con ngời nhận thức thế giới bên ngoài, do vậy
không có gì đáng ngạc nhiên khi mà xử lý ảnh số có nhiều khả năng ứng dụng, không
chỉ trong khoa học và kĩ thuật mà cả trong mọi hoạt động khác của con ngời.
Xử lý ảnh số có thể chia làm bốn lĩnh vực, tuỳ thuộc vào loại công việc. Đó là
cải thiện ảnh, phục hồi ảnh, mã hoá ảnh, và lý giải nội dung (understanding) ảnh. Trong
cải thiện ảnh, ảnh đợc xử lý để ngời xem, nh tron g truyền hình, hoặc là đợc xử lý
trớc để trợ giúp hoạt động của máy móc, nh trong nhận dạng đối tợng bởi m áy móc.
Trong phục hồi ảnh, ảnh bị xuống cấp trong một số trờng hợp, chẳng hạn nh bị nhoè,
và mục đích là để giảm bớt hoặc loại bỏ hẳn ảnh hởng sự xuống cấp. Phục hồi ảnh có
Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh
3
liên quan mật thiết đến cải thiện ảnh. Khi ảnh bị xuống cấp, việc cải thiện ản h thờng
đem lại kết quả làm giảm sự xuống cấp.Tuy nhiên có một số sự khác nhau quan trọng
giữa phục hồi ảnh và cải thiện ảnh. Trong phục hồi ảnh, một ảnh lý tởng bị xuống cấp
và mục đích phục hồi là tạo ra ảnh sau xử lý giống nh ảnh ban đầu. Trong việc cải

4
1. ánh sáng.
1.1. ánh sáng là sóng điện từ .
Mọi vật mà chúng ta quan sát đợc nhờ ánh sáng. Có hai loại nguồn sáng. Loại
thứ nhất gọi là nguồn sáng sơ cấp, tự nó phát ánh sáng. Ví dụ nguồn sáng sơ cấp gồm
mặt trời, đèn điệ n, đèn cầy (cây nến). Loại khác gọi là nguồn sáng thứ cấp, chỉ phản xạ
hoặc khuếch tán ánh sáng đợc phát bởi nguồn khác, ví dụ nguồn sáng thứ cấp gồm
mặt trăng, những đám mây và những quả táo.
ánh sáng là một phần của dải phổ liên tục bức xạ sóng điện từ. Sóng điện từ
mang năng lợng và sự phân bố năng lợng của sóng điện từ đi qua một mặt phẳng
không gian có thể mô tả bằng c(x,y,t,

), ở đó x và y là hai biến không gian, t là biến
thời gian và

là bớc sóng. Hà m c(x,y,t,

) đợc gọi là thông lợng bức xạ trên (diện
tích x bớc sóng) hoặc lợng bức xạ trên bớc sóng. Bớc sóng

liên quan với tần số f
bởi:

= c/f (1.1)
c là vận tốc của sóng điện từ , khoảng 3.10
8
m/s trong chân không và không khí. Mặc dù
c(x, y, t,

) có thể biểu diễn tả theo hàm tần số, nhng sử dụng bớc sóng


) có thể xem nh là chỉ là hàm của biến

.
Chúng ta có thể diễn tả bởi c(x,y,t,

) hoặc c(

) cho thuận tiện. Ví dụ của c(

) từ
bức xạ mặt trời đợc biểu diễn trong hình 1.1. Mắt nhậy cảm với những sóng điện từ
trong một dải cực kỳ hẹp của

, đó là khoảng từ 350nm đến 750nm (1nm = 10
-9
m).
Hình 1.2 biểu diễn các loại sóng điện từ theo hàm của bớc sóng

. Bức xạ điện từ với

lớn, từ vài cm đến hàng nghìn mét, có thể tạo ra bởi mạch điện . Bức xạ nh vậy đợc
Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh
5
sử dụng cho truyền thông vô tuyến và radar. Bức xạ với

ngay phía trên dải nhìn thấy
đợc gọi là hồng ngoại, với

ngay dới vùng nhìn thấy đợc, gọi là tử ngoại. Cả bức


).
Để liên hệ cảm nhận độ sáng của loài ngời với c(

) cần định nghĩa ra một số
đại lợng trắc quang (photometric quantity). Những đại lợng liên hệ với c(

), chẳng
Công suất tơng đối.
120
110
100
90
80
70
60
50
40
10
400 500 600 700
Bớc sóng [nm]
Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh
6
hạn nh thông lợng bức xạ, lợng bức xạ và W/m
2
đợc gọi là đơn vị đo bức xạ
(radiometric unit). Các đại lợng vật lý đó có thể định nghĩa độc lập với ngời quan sát
cụ thể. Sự đóng góp của c(

1

) trên biến

không phản ảnh đúng sự cảm nhận độ sáng.
Hình 1.2: Các loại sóng điện từ theo hàm của bớc sóng

.
Các đại lợng có xét đến đặc tính thị giác của con ngời, - do đó phản ảnh độ
sáng tốt hơn tích phân của c(

), đợc gọi là những đại lợng trắc quang (photometric) .
Đại lợng trắc quang cơ bản là độ chói (luminance), đợc công nhận năm 1948
bởi CIE( Uỷ ban quốc tế về tiêu chuẩn ánh sáng và màu sắc) . Xét ánh sáng với c(

)=0
tại mọi nơi ngoại trừ

=

r
, ở đây

r
là một bớc sóng tham chiếu cố định. ánh sáng
chỉ gồm một thành phần phổ (một bớc sóng) gọi là ánh sáng đơn sắc. Giả sử chúng ta
yêu cầu ngời quan sát so sánh độ chói của ánh sáng đơn sắc c(

r
)với một ánh sáng
rađa
Vi ba

Vàng
Lục
Lam
Tím
Bớc sóng
tính bằng nm
(10
-9
m)
Bớc sóng
tính bằng m
Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh
7
đơn sắc khác c(

t
), ở đây

t
là bớc sóng thử. Giả sử ngời quan sát nói rằng c(

r
)
phù hợp với c(

t
) về độ sáng. Điểm mà độ sáng c(

r
) và c(


r
, và gần nh độc lập với biên độ
của c(

r
) trong điều kiện q uan sát bình thờng. Bớc sóng

sử dụng là 550 nm (ánh
sáng vàng- xanh lá cây), là bớc sóng ở đó một ngời quan sát điển hình có độ nhậy
sáng cực đại. Với sự lựa chọn

r
này, hiệu suất sáng tơng đối c(

r
) / c(

t
) luôn bé
hơn hoặc bằng 1, vì c(

r
) không lớn hơn c(

t
); nghĩa là ở

r
cần ít năng lợng hơn để

)v(

2
) (1.2)
Hàm hiệu suất sáng tơng đối v(

)phụ thuộc vào ngời quan sát . Ngay cả với
một ngời quan sát, v(

) cũng hơi khác nhau khi đo ở những thời điểm khác nhau. Để
loại bỏ sự biến thiên, năm 1929 CIE định nghĩa ra ngời quan sát chuẩn, dựa trên kết
quả thực nghiệm đạt đợc từ một số ngời quan sát khác nhau . Kết quả hàm v(

)đợc
gọi là hàm hiệu suất sáng tơng đối CIE và đợc minh hoạ trong hình 1.3. Hàm CIE đạt
cực đại bằng 1 tại

=550 nm.
Đơn vị cơ bản của độ chói là lumen (lm). Độ chói trên diện tích 1 của sáng với
c(

) đợc định nghĩa bởi:

.dv.ckl





0

hơn 1W/m
2
để tạo ra độ chói t rên diện tích 685 lumens/m
2
. Có nhiều đơn vị đo cờng
độ ánh sáng chẳng hạn nh footcandle (lumens/ft
2
) và phot (lumens/cm
2
).
Ghi nhớ rằng độ chói và độ chói trên diện tích không đo đợc sự cảm nhận của
ngời về độ sáng. Ví dụ ánh sáng với 2 lumen/m
2
không sáng gấp đôi ánh sáng với 1
lumen/m
2
. Có thể tạo ra môi trờng để ánh sáng có giá trị độ chói trên diện tích nhỏ
trông lại sáng hơn một ánh sáng khác mà độ chói trên diện tích lớn hơn. Tuy nhiên độ
chói trên diện tích liên quan trực tiếp đến sự cảm nhận đ ộ chói của con ngời nhiều hơn
tích phân của c(

). Hơn nữa, trong những điều kiện quan sát điển hình (ánh sáng
*
Những thảo luận của chúng ta trong phần này có tín h tóm lợc, với sự chấp nhận một
số giả định hợp lý. Ví dụ (1.2) dựa trên luật bắc cầu , đợc phát biểu là nếu A và B sáng nh
nhau và B và C sáng nh nhau thì A và C cũng sáng bằng nhau. Luật bắc cầu này đợc chứng
minh gần đúng bằng thực nghiệm .
100
90
80

với các màu đỏ, vàng, lục, lam, tím. Sau đó ông thêm màu cam và màu chàm để tạo
thành số 7 (giống nh chia 7 ngày một tuần, nhạc có 7 nốt và v.v ).
Hình 1.4 : Lăng kính phân tích ánh sáng trắng thành chuỗi ánh sáng đơn sắc.
Khi ánh sáng không đơn sắc nhng c(

)của nó có dải hẹp và hầu hết toàn bộ
năng lợng của nó tập trung trong

-

<

<

+

với

nhỏ, thì màu sắc
trông thấy tơng tự nh ánh sáng đơn sắc với

=

. Tuy nhiên màu có biểu hiện
kém tinh khiết hơn ánh sáng đơn sắc cùng màu sắc. Khi c(

)là hàm bất kỳ, khó có thể
coi màu sắc nh một trong những đặc tính đơn giản của c(

). Bằng cách lựa chọn

)và c
2
(

), ánh sáng nhận đợc là c(

) đợc tính
theo:
c(

)= c
1
(

)+ c
2
(

) (1.4)
Khi ánh sáng cộng vào nhau nh ở (1.4), ta đợc là hệ màu cộng (additive color
system). Đem cộng nhiều nguồ n sáng với những bớc sóng khác nhau, sẽ tạo ra đợc
nhiều màu khác nhau. Ví dụ màn đèn hình tivi màu đợc phủ với những chấm photpho
nhỏ rực rỡ xếp thành từng cụm 3 màu . Mỗi nhóm gồm 1 điểm màu đỏ, một điểm màu
lục và một điểm màu lam. Sử dụng 3 màu đó l à vì khi tổ hợp một cách thích hợp chúng
có thể tạo ra một dải màu rộng hơn mọi tổ hợp của những bộ ba màu khác, chúng là
những màu cơ bản của hệ màu cộng. Màu của những ánh sáng đơn sắc thay đổi từ từ và
khó xác định đợc những bớc sóng riêng ứng với đỏ (R) , lục (G) và lam (B). CIE
chọn

=700 nm cho màu đỏ,

system). Khi hai thứ mực có màu khác nhau đợc trộn để tạo ra một màu khác trên giấy
thì đấy cũng là một hệ màu trừ.
Ba màu cơ bản của hệ màu trừ là vàng (Y), lục lam (cyan) và đỏ thẫm (M),
chúng là những màu thứ cấp của hệ màu cộng. Ba màu này đợc biểu diễn trên hình 1.6
. Bằng việc trộn các mà u đó với những hàm lợng thích hợp, có thể tạo ra một dải màu
rộng. Trộn màu vàng và màu lục lam tạo ra màu lục. Trộn màu vàng và màu đỏ thẫm
tạo ra màu đỏ. Trộn màu lục lam và màu đỏ thẫm tạo ra màu lam. Do vậy ba màu đỏ,
lục và lam, những màu cơ bản của hệ màu cộng, lại là những màu thứ cấp của hệ màu
trừ . Khi tất cả ba màu cơ bản Y, C, M đợc kết hợp, kết quả là màu đen, các sắc tố hấp
thụ tất cả bớc sóng ánh sáng nhìn thấy .
Điều quan trọng cần lu ý là: hệ màu trừ khác một cách cơ bản với hệ màu cộng .
Trong hệ màu cộng, khi chúng ta thêm các màu với bớc sóng khác nhau, ánh sáng
nhận đợc gồm nhiều bớc sóng hơn. Chúng ta bắt đầu với màu đen, tơng ứng với
Xanh lơ
Đỏ
Vàng
Tím
Trắng
Lục
Lam
Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh
12
không có ánh sáng . Khi chúng ta đi từ màu cơ bản (RGB) đến các màu thứ cấp (YCM)
và rồi đến màu trắng, chúng ta làm tăng các bớc sóng trong ánh sáng nhận đợc.Trong
hệ màu trừ, chúng ta bắt đầu với màu trắng, tơng ứng với không có sắc tố. Khi chúng
ta đi từ các màu cơ bản (YCM) đến các màu thứ cấp (RGB) rồi đến màu đen, chúng ta
làm giảm những b ớc sóng trong ánh sáng phản xạ nhận đợc.

Hình 1.6: Các màu cơ bản của hệ màu trừ.
Trong một hệ màu cộng, chúng ta có thể coi ánh sáng đỏ, lục, lam, là kết quả

trong phần 1.2. Giá trị I thờng đợc gọi là độ chói, cờng độ, hay mức xám của ảnh
Xanh lơ
Đỏ
Vàng
Tím
Đen
Lục
Lam
Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh
13
đen trắng. Vì I trong công thức (1.5) biểu diễn công suất trên đơn vị diện tích, nên nó
bao giờ cũng không âm và hữu hạn, nghĩa là:
0 I I
max
Trong đó I
max
là giá trị lớn nhất mà I đạt đợc. Trong xử lý ảnh, I đợc chia
thang (scaled) sao cho nó nằm trong một phạm vi thuận lợi nào đó, ví dụ 0 I1 hoặc
0 I 255. Trong những trờng hợp này 0 ứn g với mức tối nhất và 1 hoặc 255 ứng
với mức sáng nhất. Vì cách đặt mức thang này nên đơn vị trắc quang (photometric)
hoặc bức xạ (radiometric) cụ thể gắn với I trở nên không quan trọng. ảnh trắng đen,
trong cảm nhận chỉ có một màu. Vì vậy có khi gọi nó là ảnh đơn sắc (monochrome).
ảnh mầu có thể coi nh 3 ảnh đơn sắc. Với ảnh màu, ánh sáng với hàm
c(

)đợc đại diện bởi 3 con số gọi là giá trị cặp ba (tristimulus values). Một tập 3 con
số thờng dùng trong thực tế là R,G, và B, theo th ứ tự đại biểu cho cờng độ của các
thành phần đỏ, lục và lam. Bộ ba giá trị R, G và B nhận đợc từ:
R=k


(

), S
G
(

) và S
B
(

)theo thứ tự là những đặc tính phổ của các cảm biến
(bộ lọc) đỏ, lục và lam. C ũng nh mức xám I trong ảnh đơn sắc, R, G, B là không âm
và hữu hạn. Một bộ S
R
(

), S
G
(

)và S
B
(

)đợc biểu diễn trong hình 1.7. Ví dụ của
f
R
(x,y), f
G
(x,y) và f























B
G
R
.
.
.
Q
I











Q
I
Y
.
.
.
B
G
R
0001
0001
0001
s
B
((

)
s
R
(

hình 1.9(b) và (c) đại biểu cho biên độ không của f
I
(x,y) và f
Q
(x,y). So với bộ RGB, bộ
ba giá trị YIQ có thuận lợi là ta có thể chỉ xử lý riêng thành phần Y. ảnh đã xử lý sẽ
khác với ảnh cha xử lý trong biểu hiện độ sáng của nó. Một thuận lợi khác là hầu h ết
thành phần tần số cao của ảnh màu đều ở trong thành phần Y. Do vậy, lọc thông thấp
các thành phần I và Q sẽ không ảnh hởng đáng kể đến ảnh màu. Đặc tính này có thể
đợc khai thác trong mã hoá ảnh màu số hoặc trong phát tín hiệu TV màu analog.
Khi mục đích của xử lý ảnh vợt quá yêu cầu tái tạo chính xác cảnh gốc theo
cảm nhận của con ngời, chúng ta sẽ không giới hạn trong phạm vi dải sóng con ngời
nhìn thấy đợc. Chẳng hạn khi muốn phát hiện một đối tợng phát nhiệt, thì việc có
đợc một ảnh bằng c ảm biến hồng ngoại dễ hơn nhiều so với ảnh màu thông thờng .
(b) (c)
Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh
16
Màng cứng
ảnh hồng ngoại có thể đạt đợc theo cách tơng tự theo công thức (1.7), chỉ cần thay
đổi một cách đơn giản các đặc tính phổ của cảm biến đợc sử dụng.
2. Hệ thống thị giác ngời
2.1. Mắt.
Hệ thống thị giác ngời là bộ phận phức tạp nhất hiện hữu. Hệ thống thị giác
cho phép chúng ta tổ chức và hiểu biết nhiều phần tử phức tạp trong môi trờng quanh
ta. Hầu nh với tất cả động vật, thị giác là phơng tiện để duy trì sự sống còn. Với loài
ngời thị giác không chỉ là trợ giúp sự sống còn mà còn là một công cụ của t duy và
phơng tiện để làm cho cuộc sống phong phú hơn.
Hệ thống thị giác bao gồm mắt biến đổi ánh sáng thành tín hiệu thần kinh, và
các bộ phận hữu quan của não xử lý các tín hiệu thần kinh để lấy ra thông tin cần thiết.
Mắt, khởi đầu hệ thống thị giác, là một hình cầu với đờng kính khoảng 2 cm. Về mặt

nhng nó tiếp xúc với không khí có chiết suất bằng 1. Chức năng chính của thuỷ tinh
thể là hội tụ chính xác ánh sáng vào màn ảnh phía sau mắt gọi là võng mạc. Một hệ
thống với thấu kính cố định và khoảng cách cố định giữa thấu kính và màn ảnh, có thể
hội tụ những vật ở một khoảng cách cụ thể. Ví dụ, nếu vật ở xa hội tụ rõ nét thì vật ở
gần sẽ hội tụ phía sau màn ảnh. Để có thể hội tụ vật ở gần tại một thời điểm và vật ở xa
tại vài thời điểm khác, camera thay đổi khoảng cách giữa thấu kính (cố định) và màn
ảnh. Đó là trờng hợp mắt của nhiều loại cá.
Trong trờng hợp mắt ngời, hình dạng thuỷ tinh thể, chứ không phải là khoảng
cách giữa thuỷ tinh thể và màn ảnh, đợc thay đổi. Quá trình thay đổi hình dạng để
nhìn đợc cả gần và xa gọi là sự điều tiết củ a mắt. Thay đổi hình dạng là đặc tính quan
trọng nhất của thuỷ tinh thể. Sự điều tiết của mắt xảy ra gần nh ngay lập tức và đợc
điều khiển bởi mi mắt, một nhóm cơ bao quanh thuỷ tinh thể.
Phía sau thuỷ tinh thể là thuỷ tinh dịch, là một chất trong suốt nh thạch. Nó
đợc phối hợp về mặt quang học sao cho ánh sáng đã đợc thuỷ tinh thể hội tụ rõ nét
rồi thì ánh sáng cứ giữ nguyên lộ trình. Thuỷ tinh dịch chứa trong toàn bộ không gian
giữa thuỷ tinh thể và võng mạc, chiếm khoảng 2/3 dung tích mắt. Một tron g những
chức năng của nó là để giữ nguyên hình dạng mắt.
Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh
18
Phía sau dịch thuỷ tinh là võng mạc, nó phủ khoảng 65% phía trong nhãn cầu.
Đây là màn hình, nơi ánh sáng vào đợc hội tụ và các tế bào tiếp nhận quang chuyển
ánh sáng thành tín hiệu thần kinh. Tất cả các bộ phận của mắt mà chúng ta nói đến đều
phục vụ cho chức năng đặt một hình ảnh rõ nét lên bề mặt cơ quan cảm nhận. Việc ảnh
đợc tạo ra trên võng mạc, và mắt chỉ đơn giản là một thiết bị nhận ảnh, mãi đến tận
đầu thế kỷ 17 ngời ta mới biết. Ngay cả thời Hy Lạp cổ đại đã biết cấu trúc của mắt
một cách chính xác và đã tiến hành phẫu thuật mắt khá tinh vi cũng chỉ lập luận rằng
có những tia tơng tự ánh sáng (light -like) phát ra từ mắt đập vào vật và làm nó có thể
thấy đợc. Cuối cùng sự thật xuất hiệ n, năm 1625 Scheiner chứng minh đợc rằng ánh
sáng thâm nhập vào mắt và sự nhìn bắt nguồn từ ánh sáng thâm nhập vào mắt. Tách và
và đem trơng võng mạc của động vật và nhìn nó từ phía sau, ông đã thấy đợc ảnh lập

trong thực tế cách sắp đặt này vẫn hoạt động tốt. Nhng ít ra thì ta cũng thấy là ở điểm
vàng (fovea) các dây thần kinh đợc đẩy sang một bên để các tế bào hình nón đợc
phơi ra trớc ánh sáng.
Hình 1.12 : Các lớp trong võng mạc. Lu ý rằng ánh sáng phải đi qua nhiều lớp trớc khi
tới đợc các tế bà o cảm nhận ánh sáng .
ánh sáng
Các tế bào
Pigment
Tế bào hình nón
Tế bào hình que
Tế bào lỡng cực
Tế bào Ganglian
Dây thần kinh thị
giác
Mũi
nón
nón
Góc nhìn, độ
Thái dơng trong
võng mạc
Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh
20
Vì cách sắp xếp đặc biệt này, các dây thần kinh ánh sáng phải xuyên qua các lớp
tế bào cảm nhận ánh sáng trên đờng tới não. Thay vì vợt qua các lớp tế bào cảm nhận
ánh sáng ở khắp võng mạc, chúng đợc bó lại tại một vùng nhỏ bằng cỡ đầu ghim
trong võng mạc, gọi là điểm mù. Vì không có các tế bào cảm nhận ánh sáng trong vùng
này, chúng ta không thể nhìn thấy ánh sáng hội tụ trên điểm mù.
Khi ánh sáng đập tới tế bào hình nón và hình que, một phản ứng điện hoá phức
tạp xảy ra, và ánh sáng đợc chuyển thành các xung thần kinh, truyền đến não thông
qua dây thần kinh thị giác. Có khoảng 130 triệu tế bào cảm nhận ánh sáng (hình nón và

lý tín hiệu thần kinh để lấy ra thông tin.

Hình 1.14 : Hệ thị giác ngời là một sự nối liên tiếp của hai hệ. Hệ thứ nhất đại biểu
cho mức ngoại vi của hệ thị giác, chuyển ánh sáng thành tín hiệu thần kinh. Hệ thứ hai
đại biểu cho mức trung tâm của hệ thị giác, xử lý tín hiệu thần kinh để lấy ra thông tin
cần thiết.
Về quá trình xử lý ở mức trung tâm ngời ta hiểu biết còn quá ít, nhng quá
trình xử lý ở mức ngoại vi thì đã đợc hiểu biết căn kẽ, và đã có nhiều nỗ lực để tạo ra
mô hình của nó. Hình 1.15 (mô hình Stock ham) biểu diễn một mô hình rất đơn giản
cho ảnh đơn sắc phù hợp với một số hiện tợng thị giác đã biết. Trong mô hình này,
cờng độ ảnh đơn sắc I(x,y) đợc biến đổi phi tuyến, chẳng hạn bằng thuật toán
lôgarit, nén những cờng độ mức cao nhng dãn những c ờng độ mức thấp. Kết quả
Mức
ngoại vi
Mức
trung tâm
ánh sáng
Tín hiệu
thần kinh
ảnh ảo
Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh
22
đợc lọc bởi một hệ LSI (linear shift - invariant, hệ dịch bất biến tuyến tính) có đáp ứng
tần số - không gian là H(
yx
,
). Phép biến đổi phi tuyến đợc đề xuất trên căn cứ một
số kết quả thí nghiệm tâm -vật lý sẽ đợc thảo luận trong phần tiếp theo. Hệ LSI với
H(
yx

)
ánh sáng
Tín hiệu
thần kinh
Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh
23
3. Các hiện tợng thị giác .
3.1. Độ nhạy cảm cờng độ .
Một cách lợng hoá khả năng của con ngời phân biệt 2 tác nhân kích thích thị
giác giống nhau, chỉ khác về cờng độ hoặc độ chói là đo mức chênh lệch vừa đủ để
nhận thấy (just-noticeable difference, - j.n.d).
J.n.d có thể đợc định nghĩa và đo bằng nhiều cách. Một cách là thông qua thí
nghiệm tâm vật lý gọi là sự phân biệt cờng độ. Giả sử ta đa tác nhân kích thích thị
giác trong hình 1.16 cho một ngời quan sát xem. Vùng phía trong là một ảnh đơn sắc
có cờng độ đều I
in
, đợc chọn ngẫu nhiên là I hoặc I +
I
. Vùng bên ngoài là một
ảnh đơn sắc cờng độ I
out
, đợc chọn là I+
I
khi I
in
= I, và là I khi I
in
= I +
I
. Ta yêu

theo hàm của I.
I
(I
in
)
I +I
(I
out
)
I
(I
out
)
I +I
(I
in
)