色彩的复现：计算机图像处理与数值计算

    于方军 于倩倩

    

    

    

    随着技术的进化，人们发现通过RGB三原色混合可以得到各种颜色。而彩色显示器就是利用这一点显示彩色图片的。对于计算机来说，构成彩色图像的像素点颜色信息是由R（红色）、G（绿色）、B（蓝色）三基色的值构成，不同的RGB值可以混合出各种颜色，我们可以用一个四脚共阴极的三色LED灯，通过控制这三个值，模拟显示不同颜色。对于图像处理的操作，如模糊处理、色度处理、对比度调节等就是对这组数据进行复杂的数学运算。本文利用开源库OpenCV，通过卷积运算来实现图像处理，让学生看到图像处理操作背后的数值计算才是图像处理的本质。

    现代的显示屏对色彩的还原度已经达到了以假乱真的程度，而显示器从单色到彩色的过程并不是一个简单的过程。本实验过程首先读取某点的像素值，即获取该点的RGB值，并通过开源硬件Arduino控制四脚共阴极的三色LED灯，并用像素点的RGB值控制对应的LED引脚，在另一种类型的计算机上复现该颜色，已实现对RGB显示色彩这一概念的深刻理解。

    读取图片的像素值

    如上页图1所示为用Jupyter Notebook打开源程序，分步执行后，读取一张标准的RGB混色示意图片并显示，接下来用img.shape显示彩色图片的长、宽、通道数，用img显示组成图片的各个点的像素值。

    图1所示的图像，是一个80行、80列的像素点的组合，每个像素点由三个颜色信息构成。对于彩色图像来说，每一个像素点的值由RGB三个通道值构成，每个通道值用0～255中间值代表不同强度，这些不同强度的RGB值可以组合出各种颜色，通过研究控制图片的像素值来控制显示颜色，可以帮助学生深入理解计算机中彩色图片的构成和显示原理。

    2.改变像素值观察区域图像颜色变化

    用px=img[20，40]读取图片中纵坐标都为20、横坐标为40的像素点的像素值，该点为蓝色所以读取值为[0 0 254]。可以通过改变该点的像素值，觀察颜色的变化，如改为[255 0 0]，则该点变为红色;也可以通过img[30：40，20：30]=[0，0，255]改变某个区域的像素值为蓝色，用同样的方法，可以在图中添加绿色块和红色块（如图2）。

    接下来，可以改变颜色块的像素值为其他值，看看色块颜色应该怎样变化，如果把三个值都设置为255，得到的是白色，都设置为0得到的就是黑色;如果设置为相同的三个中间值如[100 100 100]，就会得到一个灰度块，同时改变这个值可以得到亮度不同的灰度块。了解了图像矩阵色彩信息的原理之后，便可以在Arduino平台上复现图片上任意一点的色彩信息。

    3.对像素点颜色的模拟显示

    Pinpong库是一套控制开源硬件主控板的Python库，通过在Python程序中加载PinPong库即可连接硬件，通过Arduino板D8、D7、D6控制红绿蓝三色全彩LED灯三个对应引脚，把读取的某点像素值通过pw0.write_analog（）赋值给这些引脚，实现模拟显示该点颜色的功能。

    （1）读取像素点的值

    用px=img[40，30]获得纵坐标40，横坐标30的像素点色值为[255 4 253]，该点呈现粉色。这三个值对应列表px中的px[0]、px[1]、px[2]，接下来要用这三个值控制共阴极的RGB三色LED的三个对应脚。幸运的是，色彩的RGB显示范围和Arduino中的模拟引脚的输入范围相当，这省去了换算的麻烦，可以直接使用px当中的分量数值（如下页图3、图4）。

    （2）模拟显示读取像素点颜色

    把读取计算机图片上某个点的色彩数值用pinpong库中的pw0.write_analog（pw[0]）加载到Arduino的对应脚上，以显示计算机色彩在单片机上的还原，运行程序得到的实验装置上显示粉色的效果如图5所示。

    这样，用Arduino复现彩色图片中像素点的色彩信息，就完成了彩色显示器中从0到1的突破。显示器可以看作许多极小的彩色LED点的组合，通过这种简单的代码级别的对像素点的操作，点动成线，线动成面，利用这样的原理，是否会有更加丰富的显示效果，留给大家者进一步思考。而技术突破背后的数学知识、计算思维和实践智慧，则是信息科技学科的育人价值所在。