DİJİTAL GÖRÜNTÜ İŞLEME Prof. Dr. Oğuz Güngör Karadeniz Teknik Üniversitesi Jeodezi ve Fotogrametri Mühendisliği Bölümü 61080 Trabzon ogungor@ktu.edu.tr 1
Renk Nedir? 2
En basit anlamıyla renk maddelerden yansıyarak göze ulaşan ışığın beyinde uyandırdığı duygudur. Diğer bir deyişle renk gözdeki retina üzerine düşen elektromanyetik spektrumun idrak edilmesinin bir sonucudur. Renklerin idrak edilmesi (görülmesi) üç aşamada oluşur. Fiziksel aşama Fizyolojik aşama Pisikolojik aşama 14.02.2012 3
1 - Fiziksel Aşama Elektromanyetik spektrum terimi ışığın tüm dalga boylarını tanımlamak için kullanılır. Dolayısıyla elektromanyetik spektrum Gama ve X ışınları gibi çok küçük dalga boylarından mikrodalga ve radyo dalgaları gibi çok büyük dalgaboylarınının tamamını kapsar. İnsan gözü, elektromanyetik spektrum içinde yalnızca 380 ile 780 nanometre aralığındaki dalga boyuna sahip ışığı görebilir. Bu çok küçük aralığa görülebilir spektrum denilmektedir. Görülebilir spektrumun dışında kalan ışıkları algılayabilmek için çok özel sensörler gerekmektedir. 4
Elektromanyetik Spektrum Görülebilir Spektrum 5
Eğer beyaz ışık yeşil nesnenin üzerine yansıtılırsa çoğu dalga boyları emilecek ve sadece nesneden yeşil yansıtılacak. Colours Absorbed 6
Renkli görmenin temel elemanı aslında ışıktır. Renkli görme retinadaki ışığa hassas olan alıcı sinirlerin ışığa maruz kalmasıyla başlar. Işık, ışığa hassas olan alıcı sinirleri tetikleyen fiziksel bir uyarıcı gibi davranır. Beyin tarafından algılana renkler ışığın dalga boyuna göre değişir. Yani, farklı dalga boylarındaki ışık bize farklı renklerde görünür. Görülür spektrum içerisinde, kısa dalga boylu ışıklar mavi veya menekşe rengi olarak, uzun dalga boylu ışık ise kırmızı olarak görülür. 7
2 - Fizyolojik Aşama Bu aşamada retina içerdiği ışığa hassas olan alıcı sinirler yardımıyla üzerine düşen ışığı elektrik uyarılarına çevirir ve bu uyarılar görme siniri yolu ile beyindeki görme merkezine iletilir. Bu işleme retinanın elektromanyetik radyasyona fizyolojik tepkimesi denilmektedir. Insan retinası, görülebilir spektruma duyarlı iki çeşit alıcı sinire sahiptir. Bunlar çubuklar (rods) ve koniler (cones) dir. Kaynak: Koschan, A. ve Abidi, M. 2008. Digital Color Image Processing, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey 14.02.2012 8
Çubuklar Bunlar renkten bağımsız olarak ışığın yoğunluğundaki değişimleri algılarlar Nesneleri siyah, beyaz ve gri tonları şeklinde algılarlar İnsanlar gece karanlığında düşük ışık olduğu durumlarda bu çubuklar sayesinde yine de etrafını siyah-beyaz olarak görebilirler. Fakat renkli göremezler Koniler Renkli görüşten koniler sorumludur Fakat, görebilmek için çubuklardan daha fazla miktarda ışığa ihtiyaç duyarlar Üç farklı koni hücresi vardır. Bunlar: L tipi, M tipi ve S tipi konilerdir. 9
Her bir tip koni belli bir kısmında bindirme olsa da görülebilir spektrumun farklı bir bölgesine duyarlıdır. Fakat her bir tip koni maksimum değerdeki algılamasını farklı bir dalga boyunda yapar. L tipi koni uzun dalga boylu ışığa duyarlıdır ve bu kırmızıya denk gelir M tipi koni daha kısa dalga boylu ışığa duyarlıdır ve bu yeşil renge denk gelir S tipi koni en kısa dalga boylu ışığa duyarlıdır ve bu maviye denk gelir 14.02.2012 10
Pisikolojik Aşama Işığa hassas olan alıcı sinirler yardımıyla elektrik uyarılarına çevrilen ve optik sinir sistemi ile beyne ulaştırılan sinyaller arasındaki farklılıklar beyin tarafından analiz edilir ve pisikolojik anlamda renk algısı oluşturulur. Eğer görülebilir spektrumun uzun dalga boyuna sahip ışık tarafından L tipi koniler uyarılmışsa insan beyni kırmızı rengi üretir. Benzer şekilde eğer L ve S tipi konilerden daha çok M tipi koniler duyarlılık gösterirse beyin yeşil rengi algılar Ve mavi renk S tipi koniler, M ve L tipi konilerden daha fazla uyarılırsa beyinde oluşur. Eğer gözlemlenen ışık ana renkler olan mavi, yeşil ve kırmızıdan daha başka bir dalga boyuna sahipse L, M ve S tipi konilerin belli oranlarda kombinasyonu uyarılır. Örnek: Sarı renk L ve M tipi koniler eşit miktarda uyarıldığında ve S tipi koni uyarılmadığında görülür Kaynak: Principles of Remote Sensing 14.02.2012 11
An example of simultaneous contrast Digital Image Processing:P.M.Dholakia; Brian Mac Namee; brian.macnamee@dit.ie 12
Digital Image Processing:P.M.Dholakia; Brian Mac Namee; brian.macnamee@dit.ie 13
Digital Image Processing:P.M.Dholakia; Brian Mac Namee; brian.macnamee@dit.ie 14
Bölgenin algılanan yoğunluğu, o bölgeyi çevreleyen ışık yoğunluğu ile ilgildir. Bazı illüzyonlar: Digital Image Processing:P.M.Dholakia; Brian Mac Namee; brian.macnamee@dit.ie 15
Ortadaki çarpı işaretine bakın ve daireler düşünün Digital Image Processing:P.M.Dholakia; Brian Mac Namee; brian.macnamee@dit.ie 16
Renk Uzayları Renk uzayı her bir rengin tek bir nokta olarak temsil edildiği bir koordinat sistemidir. Önceki slaytlarda da belirtildiği üzere renkler konilerin farklı dalga boylarında farklı reaksiyon göstermelerinden dolayı mavi, yeşil ve kırmızı renklerin karışımından oluşmaktadır. Bu sebepten dolayı bir rengi renk uzayı içerisinde tanımlayabilmek için üç bileşen (renk koordinat değerleri) gereklidir. Renkleri ölçmek ve temsil etmek amacıyla çok fazla araştırma yapılmıştır, ama bütün herkesin üzerinde anlaştığı tek bir koordinat sisteminde anlaşılamamıştır. Bugün literatirde farklı uygulamalar ve amaçlar için geliştirilmiş 20 den fazla renk uzayı bulunmaktadır. 17
Renk Uzayları _ Devam Bu kadar fazla renk uzayı tanımlanmasının altındaki sebep renkleri tanımlamada kullanılan sistemlerin ya teknik özelliklere ya da algısal kaliteye dayanmasıdır. Teknik özellikler bir rengin nasıl üretildiğini veya dalga boyu anlamında fizilsel olarak nasıl ölçüldiğini gözterir. Algısal kalite ise insan beyninin rengi nasıl gördüğüne gösterir. Dolayısıyla renk algılaması hem fizilsel anlamda renge hem de insan beyninin rengi görsel anlamda nasıl işlediğine bağlıdır ve bu da hem ışık şartlarından hem de etraftaki diğer renklerden etkilenir. Bazı renk uzayları hem fiziksel hem de algısal özellikleri modellemek amacıyla tanımlanmıştır. Be ders kapsamında en çok RGB ve IHS renk uzaylarını kullanacağımız için sadece bu iki renk uzayı detaylı olarak incelenecektir. 18
RGB Renk Uzayı Önceki slaytlarda açıklandığı üzere, insan beyni renkleri L, M ve S tipi konilerin nesnelerden yansıyan farklı dalga boylarındaki ışığa duyarlılıklarının karışımı sonucu algılar Eğer yansıyan ışık üç ana renk olan mavi, yeşil ve kırmızı ışığa ait dalga boylarının arasında bir değerse, L, M ve S tipi konilerin üçü birden tetiklenir. Benzer şekilde RGB renk sistemi tüm renkleri üç ana renk olan mavi, yeşil ve kırmızıdan üretir. http://en.wikipedia.org/wiki/file:additivecolor.svg 19
Görüntü işlemede en yaygın kullanılan renk uzaylarından biridir. RGB renk uzayı üç boyutlu kartezyen bir koordinat sistemi olarak tanımlanabilir Her bir eksen mavi, yeşil ve kırmızı renklerden oluşur. Koordinat sisteminin orijininde siyah vardır ve maksimim mavi, yeşil ve kırmızı beyaz ı oluşturur. RGB Renk Uzayı Eşit miktarda mavi, yeşil ve kırmızı farklı gri tonları oluşturur, ve bu renkler siyah ve beyaz noktaları birleştiren doğru üzerinde yer alır. Kaynak: http://www.shapes.com.au/colourandlight/images/rgb-cube.jpg Bütün diğer renkler, mavi, yeşil ve kırmızı eksenler üzerinde aldıkları değerlere göre oluşan küpün içerisinde veya küpün üzerinde yer alır. 20
Kırmızı ve yeşil ışığın eşit miktarda karışımı sarı rengi oluşturur. Kırmızı ve yeşil ışığın eşit olmayan miktarda karışımı portakal rengi ve kahverenginin tonlarını oluşturur. Yeşil ve mavi ışığın eşit miktarda karışımı cyan rengi oluşturur. Yaşil ve mavi rengin eşit olmayan miktarda karışımı cyan rengin tonlarını oluşturur. Kırmızı ve mavi ışığın eşit miktarda karışımı magenta rengi oluşturur. RGB Renk Küpü Kırmızı ve mavi ışığın eşit olmayan miktarda karışımı mor ve tonlarını oluşturur. Kaynak: http://www.shapes.com.au/colourandlight/images/rgb-cube.jpg 21
IHS Renk Uzayı IHS renk uzayı renkleri Intensity (yoğunluk??), Hue (ton??) ve Saturation (renksel doymuşluk??) olarak üç bileşenle temsil eder. Bu bileşenler görseldir ve ressamların bir rengi diğerinden ayırmada kullandığı mantıkla aynıdır. Bu yüzden bir renkten diğerine geçiş veya istenilen rengi elde etmek RGB renk uzayına göre daha kolaydır 22
Intensity, Hue ve Saturation Bileşenleri Hue: Gördüğümüz renklerdeki baskın dalga boyudur. Başka bir deyişle bir limona sarı dediğimizde onun hue bileşenini söylemiş oluruz Saturation: Rengin saflık derecesi saturation ile ifade edilir. Rengin beyaz ışık ile ne kadar seyreltildiğinin göstergesidir. Bu yüzden saf renkler %100 saturated denilebilir. Intensity: Rengin parlaklığıdır. Intensity az ise görüntü karanlık çok ise daha aydınlık olur. Dolayısıyla intensity bir renge ait tüm dalga boylarındaki enerji miktarına bağlıdır. Intensity fiziksel bir niceliktir ve ölçülebilir. Uzaktan algılama sensörleri nesnelerden yansıyan enerjinin miktarına göre enerji yoğunluğunu algılar ve siyah beyaz görüntüleri oluşturan sayısal değerlere çevirir. Bu yüzden intensity siyah-beyaz görüntüler için en önemli tanımlayıcıdır. 23
Intensity, Hue ve Saturation Bileşenleri Intensity 24
Saf ve Saturated Renkler 100% saturated R, G, and B primaries Less saturated primaries 25
White (I = 1) Green Yellow Cyan White (I = 1) Red Green Yellow Blue Intensity Magenta Cyan I = 0.5 Red Saturation Hue Red = 0 o Black (I = 0) Blue Inte nsit y Magenta Saturation Hue Black (I = 0) Red = 0 o a) Six Sided Hexcone b) Double Six Sided Hexcone White (I = 1) White (I = 1) Intensity Blue Intensity Black (I = 0) Green Red Hue Saturation Blue Black (I = 0) Hue Red Green Saturation c) Sphere d) Cylinder Farklı IHS Renk Uzayları 26