Corso di Visione Artificiale. Percezione e Colore. Samuel Rota Bulò

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1 Corso di Visione Artificiale Percezione e Colore Samuel Rota Bulò

2 Percezione del colore La percezione del colore è dovuta all'interazione tra la luce emessa da una sorgente, gli oggetti incontrati nel suo cammino e l'occhio di un osservatore umano. Il colore percepito dipende dalle caratteristiche fisiche della luce che lo raggiunge.

3 Percezione del colore

4 L'occhio umano Regolazione della quantità di luce che entra nell'occhio La lente è flessibile. - Regola la messa a fuoco. - Assorbe circa l'8% della luce visibile e una maggiore percentuale di luce infrarossa e ultravioletta. Luce viene recepita da 2 classi di recettori distribuiti lungo la retina: coni e bastoncelli. Coni sono 6/7 milioni distribuiti intorno alla fovea e sono sensibili al colore. Bastoncelli sono 75/150 milioni distribuiti lungo tutta la retina. Non contribuiscono alla percezione del colore, ma sono sensibili a basse condizioni di illuminazione.

5 Distribuzione di coni e bastoncelli

6 Percezione della luminosità L'intensità luminosa percepita è una funzione logaritmica dell'intensità luminosa incidente sull'occhio. La visione fotopica (derivante dall'attività dei coni) si può adattare ad un intervallo di 106 millilambert (ml). La visione scotopica (derivante dall'attività dei bastoncelli) La transizione tra visione scotopica e fotocopica è graduale. L'intervallo di intensità che l'occhio può discriminare simultaneamente è piccolo rispetto a quello a cui può adattarsi. Se l'occhio si è adattato al livello tra Ba e Bb non sarà in grado di percepire variazioni di intensità al di fuori di quell'intervallo, ma dovrà adattarsi ad un nuovo livello.

7 Percezione della luminosità Esperimento: Visione scotopica Visione fotopica poniamo un uomo/donna di fronte ad un area illuminata uniformemente di intensità I. In un'area circolare posta in mezzo alla regione mostriamo veloci flash di intensità I + Ι chiedendo di segnalare le variazioni. Sia Ic l'incremento di intensità che viene segnalato 50% delle volte. L'incremento relativo è detto Weber ratio. Valori piccoli di Weber ratio indicano buona discriminazione della luminosità. Viceversa, valori grandi indicano una discriminazione povera. La discriminazione è povera con la visione scotopica e buona con la visione fotopica.

8 Percezione della luminosità Esperimento: Modifichiamo l'esperimento precedente mantenendo lo sfondo costante, mentre l'intensità della sorgente luminosa centrale, invece di produrre un flash, viene incrementata gradualmente. L'uomo/donna è in grado di percepire tra 1 e 2 dozzine di intensità differenti per livello di adattamento.

9 Percezione della luminosità

10 Percezione della luminosità

11 Altri fenomeni di percezione

12 ... e forse quello più sbalorditivo

13 Luce Nel 1666 Isaac Newton scoprì che se un raggio di luce bianca attraversa un prisma di vetro diviene uno spettro continuo di colori. L'intuizione di Newton è che il bianco non e un colore puro, ma è la composizione di più colori.

14 Luce

15 Spettrofotometro

16 Luce e lo spettro elettromagnetico La luce è la parte dello spettro elettromagnetico visibile all'occhio umano. L'intervallo è circa 0.43 µm (violetto) 0.79 µm (rosso). La luce manifesta proprietà di onde e particelle (fotoni).

17 Sorgenti di luce Per creare una sorgente luminosa basta scaldare un oggetto fino alla fusione. Un corpo nero è un oggetto che assorbe tutta l'energia elettromagnetica che lo colpisce (no riflessione). La distribuzione dell'energia spettrale che lascia l'oggetto è una funzione semplice della temperatura. A temperature relativamente basse i corpi neri sono rossi, passano poi per l'arancione, il giallo e il bianco.

18 Sorgenti di luce naturale La più importante sorgente luminosa è il sole. Parte della luce proveniente dal sole viene dispersa dall'aria, per cui anche il cielo può essere considerato come sorgente luminosa. Luce alle basse frequenze viaggia più a lungo prima di essere dispersa rispetto a quella ad alte frequenze. Questo significa che quando il sole è alto nel cielo, la luce blu viene dispersa, il sole quindi appare giallo, mentre il cielo appare blu all'occhio.

19 Sorgenti di luce naturale

20 Sorgenti di luce artificiale Luce ad incandescenza: un filamento di metallo viene scaldato ad alte temperature e produce una luce rossastra. Luce a fluorescenza: elettroni ad alta velocità colpiscono un gas nel bulbo; questo rilascia un radiazione ultravioletta, che causa la fluorescenza di fosfori che rivestono il bulbo. Tipicamente la luce è bluastra, ma sono anche disponibili bulbi che imitano la luce naturale del giorno.

21 Luce e Colore I colori che l'uomo e alcuni animali percepiscono sono determinati dalla natura della luce riflessa dagli oggetti. Una sorgente emette luce di una certa natura (caratterizzata da un certo spettro). Quando la luce colpisce un oggetto questa viene in parte riflessa, in parte assorbita e in parte rifratta in base alle caratteristiche fisiche dell'oggetto. La luce che giunge all'occhio umano verrà elaborata dal cervello e, a seconda della sua natura, porterà alla percezione dei colori. Fattore di riflessione dell'oggetto per la lunghezza d'onda λ

22 Esempi di fattori di riflessione

23 I recettori del colore Curve di assorbimenti dei 3 tipi di recettori del colore. La percezione del colore è determinata dalla risposta dei coni alla luce. Una forte evidenza sperimentale ha stabilito che vi sono 3 diversi tipi di recettori corrispondenti approssimativamente al rosso, verde e blu (Tricromia). Approssimativamente perché nessun recettore contribuisce in modo esclusivo alla percezione del rosso, verde o blu. La distribuzione dei coni rispetto al tipo è: 65% rosso, 33% verde e 2% blu. Coni Bastoncelli La risposta di un singolo recettore ad una luce E è data da

24 Color matching Esperimento: Abbiamo una luce test e 3 luci primarie legate alle risposte massime dei coni. La luce test e le luci primarie vengono proiettate rispettivamente su 2 regioni adiacenti. Viene chiesto ad un osservatore di regolare l'intensità delle luci primarie in modo tale che la loro combinazione produca una luce percettivamente uguale alla luce test. Attenzione: L'esperimento funziona con QUASI tutti i colori. Esistono tonalità tra il blue e il verde non riproducibili. Dobbiamo aggiungere del rosso alla luce test per ottenere una corrispondenza (o pesare negativamente la luce primaria rossa) Continua...

25 Color matching Motivo: La luce verde stimola il cono rosso più del colore test (per esempio ciano) Per rendere le risposte alla luce test e alla combinazione delle luci primarie uguali, bisogna ridurre la risposta dei coni rossi (ovvero sottrarre del rosso).

26 Funzioni di color matching Dato un insieme di luci/colori primari, ad es, P1, P2,P3 f1, f2, f3 sono funzioni di color matching per le luci primarie P1, P2,P3 se dove U(λ) è una sorgente luminosa monocromatica con frequenza singola λ Data una luce test T se conosciamo le funzioni di matching delle luci primarie P1, P2,P3 abbiamo che

27 Spazio di colore CIE XYZ Nel 1931 lo standard CIE (International Commission on Illumination) definisce lo spazio di colori XYZ I colori primari associati allo spazio XYZ sono virtuali in quanto non possono essere rappresentati in natura dal momento che hanno dei valori negativi nel loro spettro. Le funzioni di color matching sono positive, quindi la percezione cromatica di ogni radiazione luminosa può essere riprodotta con una combinazione positiva di questi colori virtuali

28 Spazio di colore CIE XYZ e xyy Del colore distinguiamo 3 caratteristiche: Luminosità: intensità del colore Tonalità: Saturazione: è il colore dominante percepito è la purezza del colore, o la quantità di luce bianca mischiata al colore dominante La tonalità e la saturazione insieme formano la cromaticità del colore. Nello spazio XYZ, Y rappresenta la luminosità del colore. Tipicamente la cromaticità nello spazio XYZ è rappresentata da Un colore è quindi caratterizzato dalla cromaticità (x,y) e luminosità Y. Questo spazio derivato da XYZ è spesso chiamato CIE xyy.

29 Diagramma di cromaticità CIE Questo diagramma rappresenta la cromaticità di ogni colore visibile nello spazio CIE xyy. I colori puri dello spettro si trovano lungo il bordo del diagramma. Sono colori saturi. Ogni altro colore può essere espresso come combinazione lineare di colori puri. Il bianco si trova nel baricentro dei 3 colori primari. I colori generabili dalla combinazione di N colori dati si trovano nel poligono convesso che li ha per vertici. L'area del poligono è detto gamut e indica la quantità di colori generabili dagli N colori ai vertici.

30 Gamut

31 Spazio di colore RGB Lo spazio RGB ha come colori primari R (700 nm), G (546.1 nm) e B (435.8 nm). E' stato creato nel 1931 dalla CIE prima che le curve dei coni fossero note. Inoltre, in pratica, RGB è device-dipendente, in quanto utilizza I fosfori primari del device che rappresentano R, G e B. Funzioni di matching per RGB Gamut RGB

32 Modello di colori RGB Rappresentiamo i colori come punti di uno spazio euclideo in cui R,G,B sono le dimensioni dello spazio. Un colore T in questo spazio diventa un punto con coordinate (r,g,b) dove r,g,b sono le intensità di R,G,B necessarie a produrre T. Consideriamo le intensità di colore normalizzate nell'intervallo [0,1].

33 Sintesi additiva e sottrattiva In base al modello RGB, se mescoliamo 3 fasci di luci colorate rispettivamente di rosso, verde e blu, otteniamo una luce bianca. Tuttavia l'esperienza ci insegna che se dipingiamo un quadro e mescoliamo i colori blu, rosso e giallo otteniamo tutto fuori che il bianco. Cosa non torna?

34 Sintesi additiva e sottrattiva Mentre la luce colorata deriva da un'emissione diretta di luce, il colore di un pigmento deriva da luce riflessa.

35 Spazio di colori CMY CMYK è uno spazio di colori in cui i colori primari sono C (ciano), M (magenta) e Y (giallo). I colori primari sono ottenuti sottraendo una luce primaria del modello RGB dalla luce bianca W. Se lo spazio viene utilizzato per i display, lo spazio CMY viene utilizzato per le stampanti. Notare che il nero K si può in teoria ottenere combinando C,M e Y In pratica mescolare C,M,Y per produrre K in una stampante è inefficiente, quindi quello che si fa è fornire un pigmento nero. Lo spazio che ne deriva è detto CMYK

36 Trasformazione RGB CMY Dato un colore di coordinate (r,g,b) nello spazio RGB, lo stesso colore nello spazio CMY ha coordinate: e viceversa dato un colore di coordinate (c,m,y) in CMY, lo stesso colore nello spazio RGB ha coordinate:

37 Proprietà del colore Un problema degli spazi visti finora è che non modellano esplicitamente le proprietà comunemente utilizzate per descrivere un colore: luminosità, tonalità, saturazione. La tonalità o tinta identifica il colore puro predominante. La saturazione è l'intensità della tinta. Se nulla abbiamo una tonalità di grigio. Se massima abbiamo un colore puro. La luminosità identifica la quantità di luce emessa. Se nulla otteniamo il nero. TONALITÀ LUMINOSITÀ SATURAZIONE

38 Spazio HSV Hue: tonalità, Saturation: saturazione, Value: brillantezza

39 Spazio HSL Hue: tonalità, Saturation: saturazione, Lightness: luminosità

40 Spazio di colore uniforme Uno spazio di colore è uniforme se la distanza tra due colori nello spazio è un indicatore affidabile della differenza percettiva di due colori. Uno strumento per misurare il grado di uniformità di uno spazio di colori sono le ellissi di Macadam. I colori che racchiude sono percettivamente indistinguibili dal colore al centro dell'ellissi. Se le ellissi sono circolari e uniformi, lo spazio è uniforme. spazio CIE xy ZOOM

41 Spazio L*a*b* Questo spazio è universalmente il più popolare spazio uniforme. Standard CIE dal Descrive come lo spazio XYZ tutti i colori visibili all'occhio umano. L* rappresenta la luminosità del colore. Si basa su un colore bianco di riferimento nello spazio XYZ. versione semplificata

42 Spazio L*u*v* Standard CIE dal 1976 fratello di L*a*b* Deformazione dello spazio XYZ per migliorarne l'uniformità. L* è lo stesso dello spazio L*a*b* Si basa su un colore bianco di riferimento nello spazio XYZ.

43 Percezione del colore con interferenza