色彩的復現：計算機圖像處理與數值計算

于方軍 于倩倩

隨著技術的進化，人們發現通過RGB三原色混合可以得到各種顏色。而彩色顯示器就是利用這一點顯示彩色圖片的。對于計算機來說，構成彩色圖像的像素點顏色信息是由R（紅色）、G（綠色）、B（藍色）三基色的值構成，不同的RGB值可以混合出各種顏色，我們可以用一個四腳共陰極的三色LED燈，通過控制這三個值，模擬顯示不同顏色。對于圖像處理的操作，如模糊處理、色度處理、對比度調節等就是對這組數據進行復雜的數學運算。本文利用開源庫OpenCV，通過卷積運算來實現圖像處理，讓學生看到圖像處理操作背后的數值計算才是圖像處理的本質。

現代的顯示屏對色彩的還原度已經達到了以假亂真的程度，而顯示器從單色到彩色的過程并不是一個簡單的過程。本實驗過程首先讀取某點的像素值，即獲取該點的RGB值，并通過開源硬件Arduino控制四腳共陰極的三色LED燈，并用像素點的RGB值控制對應的LED引腳，在另一種類型的計算機上復現該顏色，已實現對RGB顯示色彩這一概念的深刻理解。

讀取圖片的像素值

如上頁圖1所示為用Jupyter Notebook打開源程序，分步執行后，讀取一張標準的RGB混色示意圖片并顯示，接下來用img.shape顯示彩色圖片的長、寬、通道數，用img顯示組成圖片的各個點的像素值。

圖1所示的圖像，是一個80行、80列的像素點的組合，每個像素點由三個顏色信息構成。對于彩色圖像來說，每一個像素點的值由RGB三個通道值構成，每個通道值用0～255中間值代表不同強度，這些不同強度的RGB值可以組合出各種顏色，通過研究控制圖片的像素值來控制顯示顏色，可以幫助學生深入理解計算機中彩色圖片的構成和顯示原理。

2.改變像素值觀察區域圖像顏色變化

用px=img[20，40]讀取圖片中縱坐標都為20、橫坐標為40的像素點的像素值，該點為藍色所以讀取值為[0 0 254]。可以通過改變該點的像素值，觀察顏色的變化，如改為[255 0 0]，則該點變為紅色;也可以通過img[30：40，20：30]=[0，0，255]改變某個區域的像素值為藍色，用同樣的方法，可以在圖中添加綠色塊和紅色塊（如圖2）。

接下來，可以改變顏色塊的像素值為其他值，看看色塊顏色應該怎樣變化，如果把三個值都設置為255，得到的是白色，都設置為0得到的就是黑色;如果設置為相同的三個中間值如[100 100 100]，就會得到一個灰度塊，同時改變這個值可以得到亮度不同的灰度塊。了解了圖像矩陣色彩信息的原理之后，便可以在Arduino平臺上復現圖片上任意一點的色彩信息。

3.對像素點顏色的模擬顯示

Pinpong庫是一套控制開源硬件主控板的Python庫，通過在Python程序中加載PinPong庫即可連接硬件，通過Arduino板D8、D7、D6控制紅綠藍三色全彩LED燈三個對應引腳，把讀取的某點像素值通過pw0.write_analog（）賦值給這些引腳，實現模擬顯示該點顏色的功能。

（1）讀取像素點的值

用px=img[40，30]獲得縱坐標40，橫坐標30的像素點色值為[255 4 253]，該點呈現粉色。這三個值對應列表px中的px[0]、px[1]、px[2]，接下來要用這三個值控制共陰極的RGB三色LED的三個對應腳。幸運的是，色彩的RGB顯示范圍和Arduino中的模擬引腳的輸入范圍相當，這省去了換算的麻煩，可以直接使用px當中的分量數值（如下頁圖3、圖4）。

（2）模擬顯示讀取像素點顏色

把讀取計算機圖片上某個點的色彩數值用pinpong庫中的pw0.write_analog（pw[0]）加載到Arduino的對應腳上，以顯示計算機色彩在單片機上的還原，運行程序得到的實驗裝置上顯示粉色的效果如圖5所示。

這樣，用Arduino復現彩色圖片中像素點的色彩信息，就完成了彩色顯示器中從0到1的突破。顯示器可以看作許多極小的彩色LED點的組合，通過這種簡單的代碼級別的對像素點的操作，點動成線，線動成面，利用這樣的原理，是否會有更加豐富的顯示效果，留給大家者進一步思考。而技術突破背后的數學知識、計算思維和實踐智慧，則是信息科技學科的育人價值所在。