Introduksjon til ulike fargerom

For å beregne middelverdien av pikselverdien i et område, er det viktig å velge et fargerom som er best egnet til oppgaven. Et fargerom er en matematisk modell for å representere farge i form av verdier [90]. Typisk har et fargerom 3 dimensjoner der hver dimensjon er en fargekanal. Det finnes mange ulike fargerom. Alle med side fordeler og ulemper. For å velge det fargerommet som er best egnet til bruk i en fargesammenlikning, må ulike fargerom testes. Det har derfor blitt gjort en test i Kapittel 5.4 der YCbCr fargerom viste seg å gi best

resultat. Videre i dette kapittelet vil ulike fargerom introduseres og teorien bak YCbCr og HSV fargerom blir lagt frem da disse brukes i oppgaven. Til slutt i kapittelet vil teorien for beregning av middelverdien og avstandsmål legges frem.

RGB fargerom

RGB fargerom som står for det samme på norsk og engelsk: red-green-blue eller rød-grønn-blå, utgjør disse 3 komponentene fargekanalene. Hovedulempen i bruk av RGB fargerommet i maskinsyn er den høye korrelasjonen mellom fargekanalene. Dette er fordi alle fargekanalene inneholder informasjon om luminans (mål på hvor lys en flate er [8]).

En senking av kontrastnivået i et bilde fører til reduksjon av verdien i alle fargekanalen, dermed gjør det svært vanskelig å utføre en fargesammenlikning ved ulike lysvariasjoner.

RGB fargerom representerer heller ikke farge slik vi mennesker oppfatter dem. Vi definerer ikke farge ut fra hvor mange prosent de inneholder av hver primærfarge.

Lab fargerom

Lab er et populært fargerom med dimensjoneneLfor lightness (lyshet),a(fargekomponent som gir fargen verdi fra grønt til rødt) ogb(angir fargen mellom gult og blått) [10]. Lab er et fargerom med flere fordeler over RGB. En egen kanalLbrukes til å skille ut lysstyrken i en scene, i tillegg inneholder Lab teoretisk alle farger mulig å oppfatte. En av de viktigste fordelene med Lab er uavhengighet fra utstyret det opereres på. Et utstyr uavhengig fargerom er et fargerom der valgte parametere produserer samme farge uavhengig av utstyret som brukes [12]. Ulempen med metoden er at konvertering fra RGB til Lab fargerom behøver utregning av kubikkroten og dermed er operasjonen beregningsmessig mer krevende enn transformasjon til HSV.

HSV fargerom

Med motivasjon å kunne danne en modell som beskriver farge nærmere slik den oppfattes av mennesker, ble HSV (Hue, Saturation, Value) modellen utviklet på midten av 1970 tallet ved New York Institute of Technology og Palo Alto Center Incorporated og først ble beskrevet i 1978 av Alvy Ray Smith i en utgave av Computer Graphics [72]. Andre variasjoner av fargerommet er gitt ved HSL (L for lightness), HSB (B for brightness) og HSI (I for intensity).

HSV fargerom representeres i form av sylinderkoordinater vist i Figur 2.6.

2.4 Farge-egenskap 27

Figur 2.6 HSV sylinder. Bilde er hentet fra Wikipedia.

Vinkelen rundt den sentrale vertikale aksen korresponderer til fargekanalenhue som fremstiller fargene i form av en vinkelen i en kontinuerlig sirkel. Vinkelen gis i grader fra [0,360] eller normalisert til [0,1], der rød er både ved 0^◦ og 360^◦ [0 og 1]. Distansen fra sentrale vertikale akse korresponderer tilsaturationog måler fargens fortynning av hvitt [76].

Ved normalisering ersaturationmellom [0,1]. Anstanden langs sentrale aksen korresponderer tilvaluesom inneholder informasjon om gråtonen og spenner fra 0 (svart) til 1 (hvit).

Fordelen med dette rommet er ikke bare en uavhengig kanal for fargeintensitet, mer intuitiv beskrivelse av fargen enn ved RGB, men også en rask konvertering til og fra RGB som kunne gjøres med maskinvare i sanntid på 70 tallet. Ideen bak konverteringen er å bruke en RGB kube bestående av rødt, grønt og blått lys og videre vinkle kuben slik at svart plasseres på bunnen og hvit rett ovenfor langs vertikale akse. Denne RGB kuben prosjekteres på et plan, kalt for ”fargeplan” som ligger vinkelrett på den nøytrale aksen. Projeksjonen tar form av en sekskant med rød, gul, grønn, cyan, blå og magenta i sine hjørner vist i Figur 2.7.

Videre måleshueav fargen i kuben ved vektorvinkelen til et punkt i projeksjonen rundt dets akse og starter på rød ved 0^◦. Matematisk er beregningen avhuevist i Likning 2.10.

H=

Figur 2.7 RGB til hue konvertering der fargeplanet er vist i grått. Bilde er hentet fra Wikipedia.

Her betyr ’ symbolet at fargen er normalisert til området [0,1].C_max definert som høyest verdi av (R’,G’,B’) ogC_min defineres som minste verdi av (R’,G’,B’). Et alternativ til saturationer fargemetning eller ”chroma” som brukt i A. R. Smith [72]. Forskjellen er at saturationmålerer renheten i fargen eller ikke-hvitheten mens chroma er absolutt.∆som kalles for chroma, er definert om∆=C_max−C_min. Ved nøytrale farger (C=0) setteshuitil verdi 0^◦.

HSL modellen skalerer fargen så den alltid passer i området [0,1] for alle kombinasjoner avvalueog kaller den nye egenskapensaturation. For å beregnesaturation, divideres chroma medvalue. Matematisk beskrivelse er vist i likning (2.11).

S=







0 ,∆=0

∆

V ,ellers

(2.11)

Value er definert i likning (2.12).

V =C_max (2.12)

YCbCr fargerom

YCbCrfargerom ble utviklet som en del av ITU-R BT.601-5 standarten av ITU (International Telecommunication Union) [32]. Disse dokumentene definerer YCbCr som et fargerom for digital-tv. Fargerommet et populært for tv bruk fordiY (luminans) komponenten kan

2.4 Farge-egenskap 29 sendes med høy båndbredde, mens CbCr (blå og rød) krominans komponentene (delen av fargeinformasjonen som bestemmer fargen [84]) komprimeres siden det menneskelige øyet er mer sensitiv mot svart-hvit informasjon [60]. Dette fargerommet defineres av en matematisk koordinat transformasjon som er assosiert med RGB fargerom [60]. Matematisk er konvertering fraRGBtilYCbCrvist i likning (2.13) [38]. Her er brukes^′symbolet til å vise at gamma korreksjon utføres.

For atYCbCrfargerommet skal kunne representere alle fargeintensitetene til enRGB fargekube, der hver fargekanal er 8-bit, blirY forskjøvet til ligge i et område mellom 16-235 og CbCr mellom 16-240. Dette resulterer i atY kanalen har verdien 16 for svart og 235 for hvit. Dermed roteres og skaleresRGBfargekuben for å passe innenfor en størreYCbCr fargekube, vist i Figur 2.8. Fargeplanet forY = 0.5 er vist i Figur 2.9.

Figur 2.8 RGB fargekube i YCbCr fargerom [31].

Figur 2.9CbCrplanet ved konstant luminansY^′=0.5 [60].