Ogólny schemat systemu wprowadzania obrazu

Schemat przykładowego układu służącego do pozyskiwania obrazów cyfrowych i do wprowadzania ich do systemu przetwarzającego (komputera) w największym uproszczeniu pokazuje rysunek 2.19.

A/C SAM1

SAM2

DRAM Procesor

Rys. 2.19. Przykładowa struktura stanowiska do wprowadzania obrazu do systemu komputerowego.

Jak widać z podanego na rysunku 2.19 schematu, sygnał z kamery po prze-tworzeniu w przetworniku analogowo - cyfrowym trafia do pamięci buforowej, z której jest w miarę potrzeby wydobywany i przetwarzany za pośrednictwem

2.3 Urządzenie do wprowadzania obrazu 29 odpowiedniego procesora. Dokładniejszy schemat wejściowego fragmentu syste-mu pokazuje z kolei rysunek 2.20. Na rysunku tym, obok obiektów już wyżej omówionych i przedstawionych, pokazane są elementy kontroli (monitory) i ste-rowania.

PANEL STEROWNIA

KAMERĄ ^INTERFEJS

PC + Frame Grabber

Centronics obraz analogowy obraz cyfrowy

sterownik kamery

kamera

video

sterowanie

Rys. 2.20. Układ wprowadzania obrazu wraz z elementami kontrolnymi i sterującymi.

Obok sterowania optyką kamery (obiektywem w ramach funkcji zoom, autofo-cus, itd.) celowe jest także niekiedy sterowanie kamerą w sensie jej fizycznego przemieszczania, celem swobodnego wybierania kadru podlegającego procesowi analizy i przetwarzania. Stosowane w Katedrze Automatyki AGH rozwiązanie tego typu przedstawiono na rysunku 2.21.

W systemach analizujących obrazy w czasie rzeczywistym dla potrzeb kontroli lub sterowania praktycznie nie stosuje się rozwiązań współpracujących z kame-rami kolorowymi. Jednak dla kompletu opisu omawianych tu zagadnień trzeba dodać kilka uwag także i na temat kamer barwnych. Klasycznym podejściem do analizy i przetwarzania obrazów barwnych jest wykorzystywanie modelu RGB wywodzącego się najpierw z fotografii barwnej, potem z barwnej telewizji, a potem z barwnej grafiki komputerowej. Genezy modelu RGB należy szukać w trójchromatycznej teorii widzenia, zgodnie z którą dowolną barwę można uzyskać w wyniku zmieszania trzech barw podstawowych. O tym, że barwami tymi są barwy R, G i B (czerwona (red), zielona (green) i błękitna (blue)), zade-cydowały względy techniczne. Barwy te dość łatwo uzyskać na błonie fotogra-ficznej a także na ekranie monitora, pokrytego odpowiednio rozmieszczonymi

30 2 Metody pozyskiwania obrazów cyfrowych

plamkami luminoforów, które pobudzone trzema strumieniami elektronów świecą światłami o barwach: czerwonej, zielonej i niebieskiej. W modelu RGB gama dostępnych barw jest reprezentowana przez sześcian jednostkowy w układzie współrzędnych kartezjańskich. Model RGB jest modelem addytywnym. Barwy różne od podstawowych uzyskuje się w wyniku przestrzennego sumowania strumieni świateł o barwach podstawowych, jakimi świecą plamki luminoforów.

Proporcje strumieni światła są określone przez wartości sygnałów sterujących podawanych na monitor, z reguły znormalizowanych do zakresu [0, 1]. Stosując jednakowe wysterowania uzyskuje się poziomy szarości, od czarnego do białego.

Tak więc wszystkie poziomy szarości występują w modelu RGB na przekątnej łączącej wierzchołki (0,0,0) i (1,1,1).

computer

motor zoom lens M8Z10SA (e) video

Rys. 2.21. Struktura systemu pozyskiwania obrazów cyfrowych z ruchomą kamerą.

Model RGB koncepcyjnie jest bardzo prosty i ze względu na liniowość umożliwia dość łatwe wykonywanie obliczeń związanych z wyznaczeniem barw obiektów.

Korzystając z modelu RGB nie można jednak zapomnieć o kilku problemach, które są istotne ze względów praktycznych.

2.3 Urządzenie do wprowadzania obrazu 31

• Sześcian RGB jest modelem dyskretnym. Poszczególne barwy są reprezentowane w sześcianie RGB za pomocą punktów rozmiesz-czonych wewnątrz i na powierzchni sześcianu.

• Zależnie od liczby bitów ‘m’ przeznaczonych do reprezentowania barwy piksela, liczba dostępnych barw jest ograniczona do 2^m. Przy-kładowo - rozmieszczenie barw w sześcianie RGB przy 8 bitach na piksel (R - 3bity, G - 3bity, B - 2bity) ukazuje ograniczoną liczbę różnych barw, jaką można dysponować przy przejściu na przykład od barwy R do barwy B. Model RGB reprezentuje pewien podzbiór barw widzialnych.

• Możliwość odtwarzania barw jest ograniczona przez prawa opisujące addytywne mieszanie barw. Sześcian RGB nie jest przestrzenią jednorodną, jeśli chodzi o percepcję barw. Jednakowym zmianom wzdłuż dowolnej ścieżki w sześcianie RGB nie zawsze odpowiadają takie same zmiany w odczuciu człowieka.

Z wymienionych powodów model barw RGB nie jest zbyt wygodny przy inter-aktywnej pracy z komputerem, a więc wtedy, kiedy użytkownik ma możność bezpośredniego określania potrzebnej barwy. Wpływ zmian wartości poszczegól-nych składowych R, G, B na końcową barwę nie zawsze jest oczywisty. Z tego względu dla potrzeb komputerowego przetwarzania obrazów zostały opracowane inne modele barw, których podstawową zaletą miało być ułatwienie odbioru odpowiedniej barwy. Jednym z tych modeli jest model HSV¹³. W tym modelu określa się: odcień barwy (Hue), nasycenie (Saturation) i wartość (Value).

Bryłą, w której są zawarte wszystkie barwy reprezentowane w modelu HSV, jest ostrosłup sześciokątny (rys. 2.22), który został skonstruowany w następujący sposób. Jeżeli popatrzy się na sześcian RGB z zewnątrz wzdłuż przekątnej, na której leżą poziomy szarości, to obserwowany kontur bryły będzie sześciokątem foremnym, w którego wierzchołkach będą się znajdowały barwy R, Y, G, C, B, M. W środku sześciokąta będzie znajdować się barwa biała. Wnętrze będzie wypełnione odcieniami barw o różnym nasyceniu. Konstrukcja bryły polega na utworzeniu osi prostopadłej do sześciokąta i przechodzącej przez jego środek.

Na osi tej są reprezentowane różne poziomy szarości. Po ustaleniu na tej osi punktu, któremu zostaje przypisana barwa czarna, można już skonstruować odpowiedni ostrosłup foremny. Osi głównej są przypisane wartości od 0 dla wierzchołka do 1 w środku podstawy. Każdy przekrój ostrosłupa prostopadły do osi głównej zawiera wszystkie odcienie barw o różnych nasyceniach i o jas-ności odpowiadającej na osi. Na obwodzie sześciokąta znajdują się barwy nasycone. Każdemu odcieniowi barwy jest przypisany kąt liczony przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, poczynając od półprostej łączącej środek sześciokąta

13 Istnieją pewne odmiany modelu HSV - model HSB, w którym B oznacza jasność (Brightness), i model HSI, w którym I oznacza intensywność (Intensity).

32 2 Metody pozyskiwania obrazów cyfrowych

z wierzchołkiem reprezentującym barwę czerwoną. Wzdłuż każdej półprostej łą-czącej środek sześciokąta z barwą nasyconą leżą barwy nienasycone o tym samym odcieniu co barwa nasycona. Im bliżej środka sześciokąta, tym mniejsze nasyce-nie barwy. Skala nasycenia barwy zmienia się od 0 do 100%.

G V Y

C R

B M

240⁰ 120⁰

K

0⁰

Rys. 2.22. Model HSV.

Korzystanie z modelu HSV umożliwia wybieranie barw w sposób zbliżony do stosowanego przy malowaniu. Można najpierw określić potrzebny odcień barwy, następnie, dodając białej barwy - zmniejszyć jej nasycenie i wreszcie, dodając czarnej barwy - dobrać jej jasność. Oczywiście kolejność postępowania może być też odwrotna i możliwe jest iteracyjne dochodzenie do ostatecznej barwy.

Model HSV stanowi pewne przybliżenie rzeczywistości, nie zawsze zgodne z odczuciami psychofizycznymi. Model ten skonstruowano przy założeniu, że wszystkie odcienie barw są nasycone przy tej samej wartości jasności (dla V=1).

Model HSV stanowi przestrzenne przedstawienie barwnych świateł z wnętrza sześcianu RGB. Organizacja modelu bryły barw jest systematyczna, ale nie ma cech przestrzeni liniowej. O ile model RGB ma bezpośrednie odzwierciedlenie w realizacji technicznej, o tyle model HSV - nie. Dlatego często konieczne jest przechodzenie z jednego z tych modeli na model RGB i odwrotnie (zwłaszcza w systemach interaktywnych, kiedy użytkownik korzysta z modelu HSV, a ogląda obraz wyświetlany na monitorze RGB). Należy dodać, że do przyspieszenia procesu translacji między modelami opracowano specjalizowane układy konwer-sji. Na przykład firma Data Translation opracowała układy scalone do konwersji RGB ↔ HSV¹⁴.

14 Curran L. „Chip set speeds color image processing” Electronic Design, January 12 1989, s. 147-149.

2.3 Urządzenie do wprowadzania obrazu 33