ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNTT&TT
-------------------

LÊ THỊ ĐÌNH

CHIẾU SÁNG TRONG ẢNH VÀ ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Chuyên ngành : Khoa học máy tính
Mã số

: 60 48 01

Thái Nguyên, năm 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng”

MỤC LỤC
MỤC LỤC .............................................................................................................. 1
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... 3
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... 4
Phần 1. ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................ 5
1. Giới thiệu tổng quan về đề tài .......................................................................... 5
2. Lý do chọn đề tài ............................................................................................. 6

3. Bố cục của luận văn ......................................................................................... 6
Phần 2. NỘI DUNG ................................................................................................ 8
Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ CHIẾU SÁNG ẢNH ................. 8
1.1. Một số khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh. .................................................. 8
1.1.1. Xử lý ảnh ............................................................................................. 8
1.1.2.Quá trình thu nhận ảnh, biểu diễn ảnh và lƣu trữ ảnh ............................ 8
1.1.2.1. Quá trình thu nhận ảnh ............................................................... 8
1.1.2.2. Biểu diễn ảnh ............................................................................. 8
1.1.2.3. Lƣu trữ ảnh .............................................................................. 10
1.1.3. Các mô hình biểu diễn màu ................................................................ 12
1.1.3.1. Hệ màu chuẩn RGB ................................................................. 12
1.1.3.2. Hệ màu CMY ........................................................................... 13
1.1.3.3.Hệ màu YIQ .............................................................................. 14
1.1.3.4.Hệ màu L*a*b ........................................................................... 14
1.1.3.5.Hệ màu HSI(Hue- Saturation- Itensity) ..................................... 14
1.2. Ánh sáng và sự chiếu sáng trong ảnh ....................................................... 16
1.2.1. Khái quát về chiếu sáng ảnh ............................................................... 16
1.2.2. Một số ứng dụng của chiếu sáng ảnh.................................................. 16
1.2.3. Một số hình ảnh về chiếu sáng ........................................................... 17
Chƣơng 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT CHIẾU SÁNG ẢNH .................................... 20
2.1. Kỹ thuật Phong Shading ........................................................................ 21
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.

Kỹ thuật phản chiếu ngƣợc Phong Shading ............................................ 23
Kỹ thuật Gouraud Shading..................................................................... 24
Phép nội suy Phong ............................................................................... 26
Tính bất biến về màu sắc với RETINEX ................................................ 27


2.6. So sánh các kỹ thuật chiếu sáng: Phong Shading, phản chiếu ngƣợc Phong
Shading, Gouraud Shading. ............................................................................ 35
Chƣơng 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM .................................................. 37
3.1. Bài toán chiếu sáng trong ảnh .................................................................. 37
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1




Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng”

3.2. Chƣơng trình thử nghiệm ......................................................................... 38
3.2.1. Các khối Modul chính trong chƣơng trình.......................................... 38
3.2.1.1. Khối Modul thực hiện mở một ảnh mới .................................... 38
3.2.1.2. Khối Modul thực hiện xử lý thêm nguồn sáng vào ảnh ............. 39
3.2.1.3. Khối Modul thực hiện thêm nguồn sáng mới ............................ 40
3.2.1.4. Khối Modul thực hiện thiết lập thông số nguồn sáng ................ 41
3.2.1.5. Khối Modul thực hiện các sự kiện khi thay đổi nguồn sáng ...... 45
3.2.1.6. Khối Modul thực hiện hiển thị kết quả xử lý ảnh ...................... 50
3.2.2. Giao diện chƣơng trình ...................................................................... 51
3.2.2.1. Giao diện chính của chƣơng trình chiếu sáng trong ảnh ............ 51
3.2.2.2. Giao diện thực hiện mở ảnh ...................................................... 52
3.2.2.3. Giao diện thiết lập màu, tọa độ nguồn sáng, kiểu chiếu sáng,… 52
3.2.2.4. Giao diện xử lý chiếu sáng ảnh và kết quả ................................ 53
3.2.2.5. Giao diện thêm nhiều nguồn sáng đồng thời ............................. 54
Phần 3. PHẦN KẾT LUẬN ................................................................................... 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 55


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2




Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng”

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng” là công trình
nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Nguyễn Thị Hồng Minh. Các
số liệu, hình ảnh đƣợc sử dụng trong luận văn cũng nhƣ các kết quả nghiên cứu
đƣợc trình bày trong luận văn là trung thực.

LÊ THỊ ĐÌNH

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3




Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng”

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong trƣờngĐại học CNTT&TT-Đại
học Thái Nguyên cũng nhƣ các thầy giáo ở Viên Công Nghệ Thông Tin đã hết lòng
truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong suốt thời gian học Cao học vừa
qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn cô giáo TS. Nguyễn Thị Hồng Minh đã tạo điều

kiện, trực tiếp hƣớng dẫn, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện
luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, cán bộ viên chức trƣờng Dự bị
đại học dân tộc Nội trú Sầm Sơn đã tạo mọi điều kiện cho bản thân tôi và các học
viên lớp cao học CNTT K8B hoàn thành khoa học.
Tôi xin chân thành cảm ơn các học Viên trong lớp Cao học CNTTK8B đã
động viên, chia sẻ kinh nghiệm, kiến thức, tài liệu cho bản thân tôi trong quá trình
học tập và thực hiện đề tài luận văn.
Một lần nữa xin chân thành cảm ơn!

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4




Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng”

Phần 1. ĐẶT VẤN ĐỀ
1. Giới thiệu tổng quan về đề tài
Chiếu sáng ảnh là quá trình chúng ta có thể thêm các hiệu ứng ánh sáng thực
vào ảnh. Với việc thêm các hiệu ứng ánh sáng thực vào các bức ảnh đó có thể làm
cho các bức ảnh sáng sủa, lãng mạn hơn và ngƣợc lại cũng có thể làm cho bức ảnh
đó trở nên tối tăm, ảm đạm hơn. Chiếu sáng ảnh có thể chỉnh sửa đƣợc màu sắc ánh
sáng, thêm vào nhiều kiểu ánh sáng một cách đa dạng, thay đổi chất lƣợng bề mặt
bức ảnh, thêm vào nhiều loại hiệu ứng ánh sáng bao quanh.
Mô hình về ánh sáng và sắc thái là một trong những mô hình chiếu sáng ảnh
đƣợc phát triển nhanh chóng và phổ biến nhất. Việc sử dụng các mô hình về ánh
sáng và sắc thái nhằm tạo ra những hình ảnh thực bằng cách chúng ta sẽ tái tạo lại
vẻ bên ngoài của các bề mặt trong nhiều điều kiện sáng khác nhau. Từ đó chúng ta

có thể thu đƣợc sự phản chiếu từ các điểm trên bề mặt.
Các mô hình chiếu sánh ảnh phổ biến gồm có mô hình Phong shading và
Gouraud shading.
Phong shading dùng để chỉ một tập hợp các kỹ thuật trong đồ họa máy tính
3D. Phong shading bao gồm một mô hình của sự phản chiếu ánh sáng từ các bề mặt
và một phƣơng pháp ƣớc tính màu sắc điểm ảnh bằng những dạng bình thƣờng của
bề mặt nội suy trên những đa giác định dạng.
Mô hình phản chiếu có thể là “mô hình phản chiếu Phong – Phong refection
model”, “Phong illumination” hay “Phong lighting”. Cũng có thể gọi là “Phong
shading” nếu đó là bóng điểm ảnh hoặc những nơi mà tính toán ánh sáng có thể gọi
là “shading - bóng”. Phong refection là mô hình thực nghiệm chiếu sáng cục bộ. Nó
mô tả cách mà một bề mặt phản xạ ánh sáng nhƣ là sự kết hợp giữa phản xạ khuếch
tán ở các bề mặt thô ráp với phản xạ phản chiếu ở cá bề mặt sáng bóng. Nó dựa trên
quan sát của BUI TUONG PHONG là: bề mặt sáng bóng có những điểm phản chiếu
cƣờng độ nhỏ, trong khi bề mặt mờ đục có những điểm phản chiếu lớn và giảm đi từ
từ.
Gouraud shading, là một phƣơng pháp đƣợc sử dụng trong đồ họa máy tính
để mô phỏng các hiệu ứng khác nhau của ánh sáng và màu sắc trên bề mặt của một
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5




Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng”

đối tƣợng. Trong thực tế, Gouraud shading đƣợc sử dụng để đạt đƣợc ánh sáng mịn
trên bề mặt đa giác thấp (low polydon) mà không có các yêu cầu nặng nề về tính
toán chiếu sáng cho mỗi điểm ảnh. Gouraud công bố lần đầu tiên kỹ thuật này vào
năm 1971, sau khi phát minh ra Le Sapot.

2. Lý do chọn đề tài
Với sự phát triển rất mạnh mẽ của một số loại hình nghệ thuật, văn hóa đòi
hỏi chúng ta có những bức ảnh sống động rõ nét phản ảnh đúng đủ trong những thời
kỳ, thời điểm nhất định. Để đáp ứng đƣợc các yếu tố đó đòi hỏi các bức ảnh phải
đƣợc điều phối mầu sắc, ánh sáng,… cho phù hợp với các yêu cầu thực tế. Vì vậy
để hỗ trợ thêm cho việc tạo ra các bức ảnh nhƣ mong muốn nhƣ đã nêu trên ta cùng
nghiên cứu các kỹ thuật chiếu sáng ảnh. Với việc thêm các hiệu ứng ánh sáng thực
vào các bức ảnh đó có thể làm cho các bức ảnh sáng sủa, lãng mạn hơn, rực rỡ và
ngƣợc lại cũng có thể làm cho bức ảnh đó trở nên tối tăm, ảm đạm hơn
Chính vì lý do nêu trên tôi quyết định chọn đề tài “Chiếu sáng trong ảnh và
ứng dụng”.
3. Bố cục của luận văn
 Phần mở đầu: Nêu lý do chọn đề tài và bố cục luận văn
 Nội dung:
CHƢƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ CHIẾU SÁNG ẢNH
1.1. Một số khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh.
1.2. Ánh sáng và sự chiếu sáng trong ảnh.
1.2.1. Khái quát về chiếu sáng ảnh
1.2.2. Một số ứng dụng của chiếu sáng ảnh
1.2.3. Một số hình ảnh về chiếu sáng
Chương 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT CHIẾU SÁNG ẢNH
2.1. Kỹ thuật Phong Shading
2.2. Kỹ thuật phản chiếu ngƣợc Phong Shading
2.3. Kỹ thuật Gouraud Shading
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6





Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng”

2.4. Phép nội suy Phong
2.5. Tính bất biến về màu sắc với RETINEX
2.6. So sánh các kỹ thuật chiếu sáng: Phong Shading, phản chiếu ngƣợc
Phong Shading, Gouraud Shading.
Chương 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM
3.1. Bài toán chiếu sáng ảnh
3.2. Chƣơng trình thử nghiệm
3.2.1. Các khối Modul chính trong chƣơng trình
3.2.2. Giao diện chƣơng trình.
Phần kết luận: Tóm tắt các kết quả đạt đƣợc, hƣớng phát triển tiếp
 Tài liệu tham khảo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7




Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng”

Phần 2. NỘI DUNG
Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ CHIẾU SÁNG ẢNH
1.1. Một số khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh.
1.1.1. Xử lý ảnh
Xử lý ảnh (Image Proceessing) là một lĩnh vực có quan hệ mật thiết với nhận
thức về ảnh của con ngƣời. Hay nói một cách khác “thị giác máy” dựa trên phép xử
lý ảnh bằng sự phân tích của máy. Trong thực tế, hai lĩnh vực “xử lý ảnh số” và “
thị giác máy” có liên kết chặt chẽ với nhau. Tuy nhiên, cho đến nay cả hai lĩnh vực

này đã hoàn thiện đến mức chúng có thể cho phép giải quyết các vấn đề một cách
riêng rẽ, độc lập.
1.1.2. Quá trình thu nhận ảnh, biểu diễn ảnh và lƣu trữ ảnh
1.1.2.1. Quá trình thu nhận ảnh
Ảnh tồn tại trong thực tế là một ảnh liên tục về không gian và về giá trị độ
sáng. Ảnh có thể đƣợc thu nhận qua Camera, từ vệ tinh nhân tạo qua bộ cảm biến
Sensor hay qua máy Scanner.
Để có thể xử lý ảnh bằng máy tính cần thiết phải tiến hành số hóa ảnh. Số
hóa là quá trình rời rạc hóa về không gian và lƣợng tử hóa thành phần giá trị. Quá
trình rời rạc hóa về không gian là quá trình thu nhận những điểm rời rạc từ một ảnh
liên tục. Quá trình này cũng chính là việc tìm cách biểu diễn một ảnh lớn có vô số
điểm, thành ảnh có hữu hạn điểm, mà không làm mất hay thay đổi tính chất của
ảnh, để việc lƣu trữ và xử lý đƣợc dễ dàng. Quá trình lƣợng tử hóa về giá trị là quá
trình rời rạc hóa về mặt giá trị để có thể đơn giản hóa việc tính toán và đƣa vào máy
tính để xử lý. Tùy theo từng loại ảnh, độ chính xác yêu cầu và khả năng xử lý của
máy tính mà ta có các mức lƣợng tử thích hợp.
1.1.2.2. Biểu diễn ảnh
Trong biểu diễn ảnh, có hai khái niệm thƣờng dùng đó là pixel(phần tử ảnh)
và grey level(mức xám).
* Phần tử ảnh (Pixel)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
8




Luận văn thạc sỹ: “Chiếu sáng trong ảnh và ứng dụng”

Với tính chất ảnh đƣợc thu nhận nhƣ trên thì ảnh có thể đƣợc biểu diễn bằng
tín hiệu tƣơng tự hoặc tín hiệu số. Trong biểu diễn số của các ảnh đa cấp xám, một

ảnh thƣờng đƣợc biểu diễn bằng một ma trận hai chiều. Mỗi phần tử của ma trận
biểu diễn cho mức xám hay cƣờng độ của ảnh tại vị trí đó. Mỗi phần tử nhƣ vậy
trong ma trận đƣợc gọi là một phần tử ảnh, thông thƣờng kí hiệu là PEL(Picture
Element) hoặc là điểm ảnh(Pixel). Mỗi Pixel gồm một cặp tọa độ x,y và màu.
Cặp tọa độ x,y tạo nên độ phân giải của ảnh( Resolution). Một ảnh là một tập
hợp các điểm ảnh. Khi đƣợc số hóa, nó thƣờng đƣợc biểu diễn bởi bảng hai chiều
I(n,p): n dòng và p cột. Ta nói ảnh gồm (n  p) pixels.
* Mức xám(Gray level)
Mức xám là kết quả sự mã hóa tƣơng ứng một cƣờng độ sáng của mỗi điểm
ảnh với một giá trị số- kết quả của quá trình lƣợng hóa.

Pixel hay
1.2.
Ánh sáng và sự chiếu sáng trong ảnh.
PEL

Độ sáng trung bình
trong mỗi hình chữ
nhật = giá trị một
điểm ảnh.

Hình 1.1.2.2: a - Biểu diễn một mức xám của ảnh số.

Trong hình 1, lƣới chia ô vuông tƣởng tƣợng đƣợc đặt lên ảnh. Độ lớn mỗi ô
vuông của lƣới xác định kích thƣớc của một điểm ảnh. Mức xám của một điểm
đƣợc tính bằng cƣờng độ sáng trung bình tại mỗi ô vuông này. Mắt lƣới càng nhỏ
thì cho chất lƣợng ảnh càng cao.
- Với ảnh đen trắng: Nếu dùng 8 bit(1 byte) để biểu diễn mức xám, thì số các
mức xám có thể biểu diễn đƣợc là 28 hay 256. Mỗi mức xám đƣợc biểu diễn dƣới
dạng là một số nguyên nằm trong khoảng từ 0 đến 255, với mức 0 biểu diễn cho

mức cƣờng độ đen nhất và 255 biểu diễn cho mức cƣờng độ sáng nhất.
- Với ảnh màu: Cách biểu diễn cũng tƣơng tự nhƣ với ảnh đen trắng, chỉ khác
là các số tại mỗi phần tử của ma trận biểu diễn cho ba màu riêng rẽ, bao gồm:
Đỏ(Red), Lục(Green) và Lơ(Blue). Để biểu diễn cho một điểm ảnh màu cần 24 bit,
24 bit này đƣợc chia thành ba khoảng 8 bit. Mỗi khoảng này biểu diễn cho cƣờng
độ sáng của một trong các màu chính.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
9




data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....




data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....



data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....