Elaborazione di Immagini a Colori

Transcript

1 Elaborazione di Immagini a Colori Elaborazione dei dati multimediali a.a. 2009/10 Fondamenti La luce visibile è costituita da una banda di frequenze nello spettro elettromagnetico (dai 400 ai 700 nm). Se la luce è acromatica (priva di colore) il suo unico attributo è l intensità, (rappresentata nelle immagini da un livello di grigio) Nel caso di luce cromatica servono diversi attributi per caratterizzarne il colore. I colori rappresentati da singole frequenze nello spettro del visibile si dicono puri. 1

2 Fondamenti La percezione del colore dipende da 3 fattori: La riflettanza spettrale della superficie dell oggetto, che determina come la superficie trasformi lo spettro ricevuto nello spettro radiato Lo spettro di energia che illumina la superficie dell oggetto La sensibilità spettrale del sensore irradiato dall energia luminosa proveniente dal superficie dell oggetto Caratteristiche spettrali A `colour' is a visual sensation produced by a specific SPD (spectral power distribution) incident on the retina. Se si misura la luce con un spettrofotometro si ottiene lo spettrogramma, che rappresenta la funzione di stimolo del colore, ie., la distribuzione dell energia radiante sullo spettro di frequenze del visibile. 2

3 Caratteristiche spettrali Il valore più elevato della funzione stimolo fornisce informazione sulla tinta del colore. Più elevato e scoscesa è la curva in prossimità del valore massimo, più puro è il colore associato. Sintesi additiva Modello additivo: creazione degli altri colori mediante la combinazione additiva dei colori primari RGB. Tipico nei monitor i quali hanno tre tipi di fosfori per ogni pixel. Es.: R + G = giallo G Y R se riduco l intensità del verde mantenendo quella del rosso allora ho un arancione G Y R 3

4 Sintesi additiva La somma di due colori primari produce un colore Es.: R+G= giallo, R+B=magenta, B+G=ciano Ciano (C), magenta (M) e giallo (Y) sono colori secondari o complementari Miscelando i tre primari o un secondario con il suo primario opposto, nella giusta intensità, produce bianco. Vedi Cosa vuol dire che con tre colori primari si possono generare tutti gli altri? Perche i primari hanno questo ruolo speciale? E cosa c entra la sintesi additiva con il colore definito come SPD? 4

5 Tristimulus L occhio percepisce il colore usando tre ricettori (coni) diversi, sensibili a diverse porzioni dello spettro, corrispondenti al Blu Verde Rosso. Tristimulus La percezione di ogni altro colore dunque avviene attraverso la combinazione di tre stimoli Questo meccanismo implica inoltre che due diverse SPD possono produrre la stessa sensazione di colore (metamerismo) Il tristimulus di un colore è la quantità di ciascun colore primario che -- in una sintesi additiva a tre componenti -- produce il colore dato. Color matching: viene mostrato un colore puro (singola lunghezza d onda) ad un soggetto, il quale, manipolando l intensità dei tre primari deve riprodurre il colore dato. 5

6 Tinta, saturazione e brillantezza Le caratteristiche percettive che un umano usa per descrivere un colore non sono il tristimulus ma tinta, saturazione e brillantezza. Tinta (hue): è un attributo legato alla lunghezza d onda dominante nella mistura di onde luminose. La tinta è l attributo fondamentale di un colore: quando chiamiamo un colore arancio, rosso o giallo stiamo specificando la tinta. Tinta, saturazione e brillantezza Saturazione: si riferisce alla purezza relativa del colore ovvero alla quantità di bianco aggiunto al colore puro e.g., rosa è meno saturo del rosso i colori puri sono pienamente saturati Brillantezza (brightness): incorpora la nozione acromatica di intensità. è un attributo soggettivo, difficile da misurare. alcune tinte sono implicitamente più luminose (brillanti) di altre. 6

7 Hue Saturation Brightness Brightness Cromaticità Hue e saturation assieme sono chiamati croma o cromaticità. Un colore è descritto dalla sua luminosità e cromaticità. La cromaticità descrive il colore e la sua purezza. Chromaticity is an objective specification of the quality of a color regardless of its luminance, that is, as determined by its hue and colorfulness (or saturation, chroma, intensity, or excitation purity). 7

8 Spazi colore Fin ora abbiamo definito i colori in modo soggettivo. Gli spazi colore servono a dare definizioni quantitative del colore La parte soggettiva viene eliminata definendo un osservatore standard Tutti gli spazi colore usano 3 componenti CIE CIE: Commission Internationale de l'eclairage, è l istituzione che regola la definizione dei sistemi di colore. The CIE has defined a system that classifies colour according to the human visual system. 8

9 CIE RGB Esperimento di color matching con i tre primari RGB. Si registra il valore del tristimolo per ogni lunghezza d onda e per ogni soggetto. Alcuni colori non potevano essere riprodotti se non aggiungendo uno dei primari al colore di test. In questo caso veniva registrato un valore negativo di quel primario Media sui soggetti The CIE 1931 RGB Color matching functions. The color matching functions are the amounts of primaries needed to match the monochromatic test primary at the wavelength shown on the horizontal scale. CIE RGB Le funzioni di color matching possono essere interpretate come le sensitività spettrali di tre rilevatori la cui risposta costituisce il tristimolo RBG. Given these scaled color matching functions, the RGB tristimulus values for a color with a spectral power distribution I() would then be given 9

10 CIE XYZ Per superare il problema del colore negativo del CIE RGB, la CIE ha introdotto un nuovo spazio colore, chiamato XYZ. Si basa su tre funzioni di color matching che sono combinazione lineare di quelle RBG e sono sempre positive. The CIE standard observer color matching functions CIE XYZ The y() function was set equal to the luminance function, that describes the variation of perceived brightness with wavelength. The illuminant, and lighting and viewing geometry are carefully defined, since these all affect the appearance of a particular colour. The XYZ tristimulus values for a color with a spectral power distribution I() are given in terms of the standard observer by: 10

11 CIE XYZ Using this system we can specify any colour in terms of its CIE XYZ coordinates. The CIE XYZ system works by weighting the SPD of an object in terms of three colour matching functions. These functions are the sensitivities of a standard observer to light of different wavelengths. This process produces three CIE tristimulus values, X,Y,Z, CIE XYZ I valori del tristimolo XYZ sono una combinazione lineare di quelli del tristimolo RGB X R Y = G Z B Lo spazio colore CIE XYZ è stato deliberatamente costruito in modo che la coordinata Y corrispondesse alla brillantezza percepita, o luminanza. 11

12 Coefficienti tricromatici Normalizzando i coefficienti X,Y,Z si hanno i cosiddetti coefficienti tricromatici: x = X X +Y + Z, y = Y X +Y + Z, z = Z X +Y + Z Sono coefficienti (positivi) che dipendono solo dalla cromaticità e sono indipendenti dalla brillantezza. Si noti che x + y + z = 1, quindi se ne possono prendere solo due, di solito (x,y). Il terzo è determinato automaticamente: z=1-x-y. CIE xyy Dai soli coefficienti tricromatici (x,y) l informazione di luminanza non è recuperabile. Per avere uno spazio colore completo bisogna affiancare ad x e y l luminanza Y Lo spazio colore che ne deriva è noto come CIE xyy ed è ampiamente usato in pratica per specificare colori. 12

13 Diagramma di cromaticità CIE 1931 The CIE 1931 color space chromaticity diagram. This figures shows the (x,y) values for every color perceiveble by a human.the outer curved boundary is the spectral (or monochromatic) locus, with wavelengths shown in nanometers. Diagramma di cromaticità Il diagramma rappresenta tutti i valori cromatici visibili. Non rappresenta la brillantezza del colore. I colori sul bordo curvo del diagramma sono puri o monocromatici. I punti interni sono misture di colori puri. Il bianco è al centro Una linea retta tra due punti rappresenta tutti i diversi colori che si possono ottenere dalla combinazione additiva dei due. Non uniformità percettiva. La distanza nel diagramma di cromaticità non corrisponde alla differenze percepita tra due. Soluzione: CIE Lab 13

14 Diagramma di cromaticità CIE 1931 Diagramma di cromaticità Tutte le combinazioni di tre colori sono contenute nel triangolo che ha i tre colori per vertici. Nota: un triangolo con tre colori primari ai vertici non può contenere tutti i colori del diagramma. Gamut: insieme dei colori rappresentabili con un modello di colore, o con un particolare dispositivo 14

15 Si assuma un sistema di riproduzione basato su RGB: per stampare si deve convertire RGB in CMYK. I due spazi non coincidono né in dimensione né in posizionamento. Siccome il sistema di riferimento è RGB, allora i colori dello spazio di colore CMYK che non possono essere rappresentati in RGB non si possono stampare in CMYK. CIE Lab Lo spazio XYZ non è percettivamente uniforme Perceptually uniform means that a change of the same amount in a color value should produce a change of about the same visual importance. Poiché la risposta del sistema visivo umano è non lineare, la CIE ha definito un nuovo sistema con un mapping non lineare del XYZ Inoltre il sistema CIE Lab si basa sui colori opponenti, per rendere maggiormente vicina alla percezione umana la rappresentazione della crominanza. 15

16 Colori opponenti The color opponent process is a color theory that states that the human visual system interprets information about color by recording differences between the responses of cones, rather than each type of cone's individual response. Colori opponenti There are three opponent channels: red versus green, blue versus yellow, and black versus white (the latter type is achromatic and detects light-dark variation, or luminance) Responses to one color of an opponent channel are antagonistic to those to the other color. Non è in contrapposizione alla teoria del tristimolo, perchè si colloca ad un livello percettivo più complesso 16

17 CIE Lab La luminosità L è funzione (non lineare) della coordinata Y e si estende dal nero (<0) al bianco (>0). La cromaticità è definita dalle coordinate a e b che possono assumere valori sia positivi che negativi. a è funzione (non lineare) di X e Y e si estende dal verde (<0) al rosso (>0). b è funzione (non lineare) di Z e Y e si estende dal blu (<0) al giallo (>0). CIE Lab La sezione orizzontale dello spazio CIE Lab rivela un piano che rappresenta tutti i colori con la stessa luminosità: ogni colore si identifica con i valori a,b e la luminosità L. La luminosità è rappresentata verticalmente per mezzo della scala di luminosità L che si estende da 0 (nero) a 100 (bianco). 17

18 Spazi colore device dependent Accanto agli spazi colore definiti dalla CIE, che sono per costruzione indipendenti dal dispositivo di visualizzazione (tutto standardizzato) vi sono spazi colore dipendenti dal dispositivo. Per esempio, ogni monitor RGB ha tre primari leggermente diversi, e dunque una rappresentazione che non contiene la definizione dei primari è dipendente dal dispositivo. RGB Color Space The classical computer colorspace 3 different channels: Red, Green, Blue Based on the tristimulus representation 18

19 RGB Color Space Nel modello RGB, un colore è definito da 3 componenti che rappresentano i colori primari Per convenienza, si normalizzano le componenti in modo da avere un cubo con componenti RGB appartenenti all intervallo [0,1] Tutti i colori che giacciono all interno del cubo possono essere riprodotti da un sistema di riproduzione che si basa sui colori primari (eg., monitor). RGB Color Space (0,0) A single pixel consists of three components = Final pixel in the image If R,G, and B are represented with 8 bits (24- bit RGB image), the total number of colors is (28 )3=16,777,216 19

20 srgb Per rendere RGB indipendente dal dispositivo è stato introdotto il srgb da Hp e Microsoft nel srgb usa dei colori primari standardizzati Il triangolo è il gamut del modello srgb, sovrapposto al diagramma CIE 1931 Example RGB 20

21 HS* Color Spaces HS (Hue, Saturation) codificano la cromaticità (tinta, saturazione) La terza componente prende nomi diversi V (value), B (Brightness), L (Lightness), I (Intensity) ma codifica comunque la brillantezza HSV(B) e HSL(I) sono leggermente diversi nel modo in cui definiscono la trasformazione (non lineare) dello spazio RGB Le caratteristiche principali di questo spazio sono: il disaccoppiamento tra cromaticità e brillantezza la rilevanza percettiva delle componenti Usato per scelta o editing di colori. Editing saturation of colors (Left) Image of food originating from a digital camera; (center) saturation value of each pixel decreased 20%; (right) saturation value of each pixel increased 40%. 21

22 HSV Color Space Hue, Saturation, Value (HSV). Lo spazio colore è una piramide a base esagonale o un cono. HSV Color Space Two values (H & S) encode chromaticity Hue H is defined by and angle between 0 and 2π: Saturation S models the purity of the color S=1 for a completely pure or saturated color S=0 for a shade of gray The distance along the axis corresponds to lightness, value or brightness. 22

23 HSV - HSL Mentre HSV è equivalente ad una piramide, HSL è quivalente ad una doppia piramide Entrambe si possono mappare su di un cilindro per confronto HSV Represention (0,0) A single pixel consists of three components. Each pixel is a Vector / Array = Pixel-Vector in the computer memory Final pixel in the image Caution! Sometimes pixels are not stored as vectors. Instead, first is stored the complete hue component, then the complete sat., then the intensity. 23

24 HSV Examples Original Image Hue Saturation Value YUV Color Space Modello usato per lo standard di trasmissione televisivo PAL YCbCr (simile) usato in JPEG ed MPEG YIQ (simile) usato in NTSC La componente Y è la luminanza ed è la sola che serve per la visualizzazione in bianco e nero Compatible with monochrome TV standards: La crominanza è rappresentata da UV U is the blue luminance difference V is the red luminance difference Piano U-V (Y=0.5) 24

25 YUV Color Space Il nostro sistema visivo è più sensibile ai cambi di luminanza che di crominanza, per questo si assegna più risoluzione (banda) alla componente Y e meno a U e V (8:3:1) La possibilità di quantizzazione differenziata per luminanza e crominanza è la motivazione principale per l introduzione di questo spazio, che non è altro che un cambio di base dello spazio RGB YUV representation (0,0) A single pixel consists of three components. Each pixel is a Vector / Array = Pixel-Vector in the computer memory Final pixel in the image Same Caution as before applies here! 25

26 YUV example Original Image Intensity U-Component V-Component Il modello CMY Il modello CMY (Cyan, Magenta, Yellow), è usato nella stampa a colori. A differenza di tutti quelli visti finora si basa sulla sintesi sottrattiva del colore. Monitor e televisori generano il colore mediante la combinazione additiva dei 3 colori primari, che vengono emessi. La stampa del colore viene invece fatta sovrapponendo inchiostro colorato sulla carta bianca, che non emette ma riflette la luce (bianca) incidente. 26

27 Sintesi Additiva/Sottrativa Sintesi additiva: somma di onde luminose di diversa frequenza che raggiungono il nostro occhio Esempio: TV e monitor. Sintesi sottrativa: la luce bianca (emessa dal una sorgente luminosa) colpisce il pigmento e ne viene selettivamente riflessa (ovvero selettivamente assorbita). Esempio: un pigmento giallo assorbe il blu e riflette rosso e verde. Ecco perché non otteniamo il bianco quando mescoliamo i pigmenti: la sintesi è sottrattiva! 27

28 Il modello CMYK Red, Green, Blue are the primary colors of light Cyan, Magenta, Yellow are the Secondary colors of light Primary colors of pigments When a cyan-colored object is illuminated with white light, no red light will be reflected from its surface! Cyan subtracts red! In generale, il pigmento assorbe (sottrae) dalla luce (bianca) i colori complementari al suo e riflette il resto. Per vedere il nero basterebbe miscelare in parti ugyuali i tre pigmenti, ma in realtà si ottiene un colore marrone, quindi si preferisce aggiungere il nero direttamente (black) CMYK Il sistema CMYK può essere rappresentato: colori RGB normalizzati Ciò indica ad esempio che il ciano puro assorbe il rosso, etc.. 28

29 Comparison: CMYK, RGB, and HSI 29