UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRIESTE

Transcript

1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRIESTE Corso di Elaborazione Elettronica di Immagini IL COLORE PARTE 2 Gabriele Guarnieri

2 Sommario Spazi colore percettivamente uniformi 1 Spazi colore percettivamente uniformi: CIE-Lab e CIE-Luv 2 3 Adattamento cromatico 4 Profili colore

3 Esperimento di MacAdam Lo spazio colore CIE-Lab Lo spazio colore CIE-Luv SPAZI COLORE PERCETTIVAMENTE UNIFORMI (CIE-LAB e CIE-LUV)

4 Esperimento di MacAdam Lo spazio colore CIE-Lab Lo spazio colore CIE-Luv Spazi colore percettivamente uniformi In molti casi è necessario misurare la distanza tra due colori: Estrazione dei bordi Approssimazione di colori fuori gamma Quantizzazione Stima della temperatura colore... Sarebbe utile avere uno spazio colore percettivamente uniforme, in cui cioè la distanza percepita tra due colori sia proporzionale alla distanza euclidea tra le coordinate colorimetriche.

5 Esperimento di MacAdam Esperimento di MacAdam Lo spazio colore CIE-Lab Lo spazio colore CIE-Luv Lo spazio colore XYZ non è percettivamente uniforme. Esperimento di MacAdam (1942): Un osservatore tenta di riprodurre un colore dato mescolando 3 sorgenti primarie A causa della limitata sensibilità dell occhio, il colore ottenuto non è identico al campione Si ripete più volte l esperimento, e si misura la dispersione Risultato: L errore commesso varia notevolmente a seconda del colore di partenza.

6 Esperimento di MacAdam Esperimento di MacAdam Lo spazio colore CIE-Lab Lo spazio colore CIE-Luv Rappresentando le misure sul diagramma di cromaticità, si ottengono nuvole di punti di forma ellittica: Ellissi di MacAdam. La dimensione delle ellissi nel diagramma a fianco è 10 volte quella reale.

7 Lo spazio colore CIE-Lab Esperimento di MacAdam Lo spazio colore CIE-Lab Lo spazio colore CIE-Luv Idea: Distorcere lo spazio XYZ con una funzione non lineare, in modo da trasformare le ellissi di MacAdam in cerchi della stessa dimensione. Nel 1976 viene introdotto lo spazio colore CIE-Lab: L = 116f (Y /Y w ) 16 a = 500 [ f (X/X w ) f (Y /Y w ) ] b = 200 [ f (Y /Y w ) f (Z/Z w ) ] dove X w, Y w e Z w sono le coordinate del punto di bianco, e ( ) 3 3 t se t > 6 f (t) t altrimenti

8 Lo spazio colore CIE-Lab Esperimento di MacAdam Lo spazio colore CIE-Lab Lo spazio colore CIE-Luv L = 25 L = 50 L = 75 Proprietà: L varia da 0 a 100 Ai grigi corrisponde a = 0 e b = 0

9 Lo spazio colore CIE-Lab Esperimento di MacAdam Lo spazio colore CIE-Lab Lo spazio colore CIE-Luv La distanza percepita tra due colori è data, come si è detto, dalla distanza euclidea: E (L 2 L 1 ) 2 + (a 2 a 1 ) 2 + (b 2 b 1 ) 2 E = Empfindung (sensazione). Per convenzione, due colori appaiono indistinguibili quando E 1. La validità del modello è controversa: La quantità E è significativa soltanto per piccole distanze Anche per piccole distanze, i risultati sono talvolta inaccurati

10 Esperimento di MacAdam Lo spazio colore CIE-Lab Lo spazio colore CIE-Luv Codifica di immagini nello spazio colore CIE-Lab Alcuni formati (TIFF e PDF) consentono di rappresentare immagini in Lab Vantaggi: Consente di rappresentare quasi ogni colore visibile (perché è una trasformazione dello spazio XYZ) È device independent (cioè le coordinate rappresentano le proprietà fisiche del colore, e non le istruzioni macchina per riprodurlo su un dispositivo) Rumore di quantizzazione poco visibile Lo spazio XYZ non viene usato per la codifica perché non è percettivamente uniforme richiederebbe più bit o una correzione gamma

11 Esperimento di MacAdam Lo spazio colore CIE-Lab Lo spazio colore CIE-Luv Codifica di immagini nello spazio colore CIE-Lab Codifica (8 bit): L: riscalato da [0, 100] a [0, 255] a, b: limitati a [ 128, 127] e rappresentati in complemento a 2 ( cielab ) o con offset di 128 ( icclab ) In Matlab: >> imwrite(lab, Lab_image.tif, Colorspace, cielab ) >> imwrite(lab, Lab_image.tif, Colorspace, icclab ) Le funzioni lab2uint8 e lab2double consentono di convertire i valori Lab da una rappresentazione all altra. Matlab usa la rappresentazione icclab

12 Esperimento di MacAdam Lo spazio colore CIE-Lab Lo spazio colore CIE-Luv Codifica di immagini nello spazio colore CIE-Lab Limitazioni: La codifica di a e b esclude alcuni colori visibili Codifica inefficiente (molti valori non corrispondono a colori visibili) Per visualizzare l immagine, è necessario convertirla Se possibile, usando il profilo colore del monitor (vedremo) Altrimenti, usando uno spazio colore standard (tipicamente srgb)

13 Lo spazio colore CIE-Luv Esperimento di MacAdam Lo spazio colore CIE-Lab Lo spazio colore CIE-Luv Alternativa allo spazio colore CIE-Lab, proposta nel 1976 L = 116f (Y ) 16 4X u = X + 15Y + 3Z 9Y v = X + 15Y + 3Z Meno usato ma presenta alcuni vantaggi: Le coordinate u e v non dipendono dalla luminanza La trasformazione razionale preserva l allineamento tra punti La formula per E è più complessa (coinvolge anche i punti di bianco)

14 Esperimento di MacAdam Lo spazio colore CIE-Lab Lo spazio colore CIE-Luv Diagramma di cromaticità nello spazio CIE-Luv

15 Introduzione Combinazione degli inchiostri Stampa a 4 colori (CMYK) STAMPA E SPAZI COLORE CMYK

16 Introduzione Spazi colore percettivamente uniformi Introduzione Combinazione degli inchiostri Stampa a 4 colori (CMYK) Monitor e televisori utilizzano sorgenti luminose che emettono luce (sintesi additiva) Nella stampa invece si usano inchiostri che assorbono luce (sintesi sottrattiva) Si usa un altro modello Per stampare un immagine a colori, sono necessari almeno 3 inchiostri. La scelta più comune è Ciano (C), che assorbe la luce rossa Magenta (M), che assorbe la luce verde Giallo (Y), che assorbe la luce blu

17 Combinazione degli inchiostri Introduzione Combinazione degli inchiostri Stampa a 4 colori (CMYK) La trasformazione non è rappresentabile con una matrice perché gli inchiostri si combinano seguendo una legge non lineare Conviene misurare separatamente il colore prodotto da ogni combinazione. Con N inchiostri sono possibili 2 N combinazioni: primari di Neugebauer

18 Introduzione Combinazione degli inchiostri Stampa a 4 colori (CMYK) Retini per mezzetinte Le mezzetinte vengono riprodotte usando retini (halftone screen) o tecniche di dithering, che variano la frazione di area coperta da inchiostro. La superficie appare uniforme se vista a distanza Lo spettro di riflessione del colore risultante è dato da una combinazione lineare degli spettri di ciascun primario di Neugebauer, pesata rispetto alla frazione di area che occupano R(λ) = 2 N k=1 a k R k (λ) Per ridurre le interferenze, i diversi inchiostri usano retini con angoli diversi e, talvolta, densità diverse

19 Dot gain Spazi colore percettivamente uniformi Introduzione Combinazione degli inchiostri Stampa a 4 colori (CMYK) Diversi fenomeni fanno sì che l area occupata dall inchiostro sia maggiore del previsto (e quindi l immagine stampata sia più scura) Dot gain o tone value increase: L inchiostro tende a diffondersi a causa della porosità della carta Il diametro dei punti del retino si allarga, e la superficie coperta dall inchiostro aumenta L entità del fenomeno dipende da diversi fattori Tipo di carta (minore su carta patinata) Percentuale di copertura (nullo a 0% e 100%) Tipo di inchiostro, processo di stampa, ecc. Viene tipicamente descritto da una funzione non lineare

20 Yule-Nielsen effect Spazi colore percettivamente uniformi Introduzione Combinazione degli inchiostri Stampa a 4 colori (CMYK) La luce che illumina il foglio stampato non viene riflessa dallo stesso punto, bensì viene diffusa dalla carta e restituita da punti diversi. Fenomeno descritto da Yule e Nielsen nel 1951 L entità dell effetto dipende dalla densità del retino. Per retini molto densi, lo spettro di riflessione è descritto dalla legge R(λ) = [ 2 N k=1 a k R 1/p k (λ)] p p = 2 L esponente p nei sistemi di stampa reali vale

21 Stampa a 4 colori (CMYK) Introduzione Combinazione degli inchiostri Stampa a 4 colori (CMYK) In un sistema di stampa reale, usando soltanto 3 colori non si riesce a riprodurre adeguatamente il nero (ad esempio il testo) Difficoltà di dosaggio degli inchiostri Difficoltà di allineamento delle lastre/testine di stampa Notevole consumo di inchiostro Costi, tempi di asciugatura Conviene usare un quarto inchiostro di colore nero (K = key ) Il calcolo avviene tipicamente in due fasi: Black generation: calcola la percentuale di inchiostro nero Undercolor removal: riduce la percentuale di inchiostro ciano, magenta e giallo

22 Profili ICC Adattamento cromatico Rendering intent PROFILI COLORE E STANDARD ICC

23 Spazi colore percettivamente uniformi Profili ICC Adattamento cromatico Rendering intent Ogni dispositivo (fotocamera, scanner, monitor, stampante, formati di file, ecc.) utilizza un proprio spazio colore È quindi necessario usare appositi algoritmi per convertire un immagine da uno spazio colore a un altro: color management Spesso le caratteristiche dei dispositivi sono molto variabili e non rispettano le specifiche Per ottenere una riproduzione accurata dei colori, è necessario Misurare (con colorimetri, spettrofotometri, ecc.) le caratteristiche del dispositivo e costruire un modello: caratterizzazione Correggere il comportamento del dispositivo: calibrazione

24 Profili ICC Adattamento cromatico Rendering intent International Color Consortium (ICC) Consorzio formato nel 1993 da 8 industrie Obiettivo: sviluppare e promuovere un sistema di color management che consenta l interoperabilità tra diversi dispositivi, applicazioni e sistemi operativi Pubblica le specifiche per un formato di file standard che descrive le proprietà colorimetriche di un dispositivo: Profilo ICC Basato sul formato dei profili ColorSync di Apple Lo standard è attualmente alla versione (ISO :2005), ma molti software implementano soltanto la versione 2

25 Profili ICC Spazi colore percettivamente uniformi Profili ICC Adattamento cromatico Rendering intent Un profilo ICC descrive un algoritmo per convertire i colori dallo spazio usato dal dispositivo ad un profile connection space (PCS) di riferimento, e viceversa Due possibili PCS: XYZ o Lab

26 Profili Matrix / TRC Profili ICC Adattamento cromatico Rendering intent Usati tipicamente per descrivere monitor e fotocamere. Invertibili Il profilo contiene i coefficienti della matrice e i valori tabulati delle tone reproduction curves. La versione 4 consente di definire curve parametriche (gamma + offset)

27 Profili CLUT / TRC Profili ICC Adattamento cromatico Rendering intent Usati tipicamente per descrivere stampanti. Non invertibili Il profilo contiene i valori tabulati della color look-up table e delle tone reproduction curves

28 Adattamento cromatico Profili ICC Adattamento cromatico Rendering intent I dispositivi hanno tipicamente un punto di bianco ben definito Monitor: primari accesi alla massima potenza Stampanti: carta senza inchiostro, illuminante D50 Solitamente si desidera che la conversione da un profilo colore all altro faccia corrispondere i punti di bianco È necessario introdurre un apposita chromatic adaptation transform (CAT), che opera sulle coordinate del PCS per passare da un dispositivo all altro

29 Adattamento cromatico Profili ICC Adattamento cromatico Rendering intent Modello di Von Kries: L occhio umano si adatta al punto di bianco della scena regolando il guadagno dei 3 canali LMS corrispondenti alle risposte dei coni La trasformazione da XYZ a LMS è lineare, e può essere rappresentata da una matrice B Procedimento: X 2 Y 2 = B 1 L w2 /L w1 0 0 X 1 0 M w2 /M w1 0 B Y 1 Z S w2 /S w1 Z 1 Esistono color appearance models più complessi, che comprendono anche trasformazioni non lineari

30 Adattamento cromatico Profili ICC Adattamento cromatico Rendering intent Sono state proposte diverse stime per la matrice B. Lo standard ICC suggerisce la matrice di Bradford: B = Nello standard ICC, il PCS usa sempre un punto di bianco D50. Ogni profilo ICC comprende dunque una CAT che riporta il punto di bianco del dispositivo a D50

31 Rendering intent Spazi colore percettivamente uniformi Profili ICC Adattamento cromatico Rendering intent Gli spazi colore dei diversi dispositivi hanno tipicamente gamme (gamut) diverse Conseguenze: Alcuni colori dello spazio di partenza non possono essere riprodotti dal dispositivo di destinazione Alcuni colori dello spazio di destinazione non vengono usati È necessario usare algoritmi di gamut mapping nella conversione. Il metodo da usare dipende dal tipo di immagine e dall applicazione

32 Rendering intent Spazi colore percettivamente uniformi Profili ICC Adattamento cromatico Rendering intent Lo standard ICC definisce quattro diversi diversi rendering intent Relative colorimetric Absolute colorimetric Perceptual Saturation I profili a matrice possono realizzare soltanto i colorimetric intent I profili a CLUT possono realizzare anche i perceptual e saturation intent. Il metodo è definito dal costruttore del profilo, e ad ogni intent corrisponde un proprio gruppo di TRC e CLUT