Wykład 5 - Kolor w grafice komputerowej.pdf - Grafika - lomisza

Kolor w graﬁce komputerowej

Kolor == barwa

Kolor -> wraenie percepcyjne wywoane przez wiato

1/9

Human Visual System

Kolor w grafice komputerowej

Radosaw Mantiuk

Courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Priyan Weerappuli

• Oko jest sensorem i wstpnie przetwarza informacje.

• Obraz powstaje w mózgu.

• wiato jest wizk fal elektromagnetycznych.

Kolor w graﬁce komputerowej

Interakcja wiato<->materia

1/9

Kolor w graﬁce komputerowej

1/9

Fala wietlna

Rodzaje interakcji materiau ze wiatem:

Zakres widzialny fali elektromagnetycznej

• absorbcja wiata (ang. absorption) i transmisja wiata (ang. transmission), zaamanie

wiata (ang. refraction) na granicy orodków,

• rozproszenie wiata (ang. scattering, diffuse reflection) oraz odbicie wiata (ang.

reflection, specular reflection),

• emisja wiata (ang. emission),

• fluorescencja (ang. fluorescence) - reemisja wiata o wikszych dugociach fali,

fosforescencja (ang. phosprorescence) - reemisja wiata przez okrelony czas

Znajomo wasnoci absorbcyjnych i rozpraszajcych materiau pozwala

przewidzie jego kolor .

perfect reflecting diffuser - powierzchnia, która nie absorbuje ani nie transmituje

wiata, a jedynie odbija wiato rozpraszajc je wszystkich kierunkach z takim samym

nateniem bez wzgldu na sposób (kierunek) owietlenia powierzchni

Kolor w graﬁce komputerowej

Budowa oka czowieka

4/9

Kolor w graﬁce komputerowej

4/9

Czopki i prciki

czopki - widzenie barwne w penym wietle (czue na mae zmiany kontrastu)

prciki - widzenie zmierzchowe (retinen) (czue na mae zmiany luminancji)

Postrzeganie barw moliwe jest

dziki czopkom znajdujcym si

na siatkówce. Najwicej

czopków znajduje si w okolicy

plamki ótej.

CZOPKI (ang. cones)

PRCIKI (ang. rods)

dugo fali [nm]

Czopki mog by typu M, L bd S. Róni si od siebie czuoci na

okrelone dugoci fal wietlnych. Odpowiadaj kolorom RGB.

U ludzi z wadami postrzegania kolorów nie wystpuj dane rozdzaje

czopków.

Pictures courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Kolor w graﬁce komputerowej

1/9

Kolor w graﬁce komputerowej

2/9

Cechy barwy

Energia promieniowania elektromagnetycznego

Jednostki radiometryczne - pomiar fali elektromagnetycznej

- cechy barwy

ilociowa -> jasno (ang. luminance) - natenie wiata na

siatkówce

Energia wyraana w [J].

c = 2.998x10^8 [m/s]

h = 6.623x10^-34 [Js]

jakociowe

nasycenie (ang. saturation ) - rónica pomidzy

danym kolorem i kolorem szarym

odcie (ang. hue ) - “kolor” barwy

• barwy monochromatyczne (tcza, pryzmat)

• barwy achromatyczne (szare, o zerowym nasyceniu)

• barwy chromatyczne

Kolor w graﬁce komputerowej

2/9

Kolor w graﬁce komputerowej

2/9

Jednostki radiometryczne

Jednostki fotometryczne: Konwersja

Uwzglednienie czuoci oka na róne dugoci fal wietlnych.

luminancja = f( dlugosc fali ) * radiancja

Kolor w graﬁce komputerowej

2/9

Kolor w graﬁce komputerowej

2/9

Jednostki fotometryczne

lumen [lm] - moc promieniowania (energia

emitowana w okrelonym czasie) emitowanego

przez punktowe ródo wiata

candela [cd = lm/sr] - intensywno

promieniowania (ang. intensity ), liczba lumenów

emitowana przez punktowe ródo wiata w

danym kcie bryowym

dF = I * d

lux [lx = lm/m2] - emisja (ang. emittance ), liczba

lumenów emitowana przez ródo wiata o danej

powierzchni, illuminancja (ang. illuminance ) to

miara energii owietlajcej dan powierzchni (ze

wszystkich kierunków)

dF = E * dA

kt bryowy

[steradian=sr]

Jednostki fotometryczne

nit [cd/m2 = lm/(m2*sr)] - luminancja (ang.

luminance ), liczba lumenów emitowana przez

ródo wiata o okrelonej powierzchni w danym

kcie bryowy lub miara energii docierajcej do

powierzchni z danego kta bryowego

dF = B * dS * cosß * d

Kolor w graﬁce komputerowej

2/9

Kolor w graﬁce komputerowej

2/9

Miara iloci wiata

Widmowy rozkad energetyczny

(ang. SPD - Spectral Power Distribution)

jaskrawo (B) (ang. brightness) - miara wraenia wzrokowego mówica czy powierznia

emituje wicej, czy mniej wiata

jasno (Y) (ang. luminance) - moc promieniowania wychodzcego z danej powierzni w

danym kierunku, wyraona w jednostkach uwzgldniajcych czuo oka dla rónych

dugoci fali [cd/m2]

widmowy rozkad

energetyczny - moc

fali (ang. radiant flux)

wychodzcej z danej

powierzchni, liczona

dla rónych dugoci

fali

spectral

sensitivity

function

lightness (L*) - luminancja z uwzgldnieniem wraenia percepcyjnego

Obrazy spektralne i multispektralne

fala dominujca - fala o najwikszej energii w wizce wiata

czysto pobudzenia (kontrast) - rónica pomidzy energi fali dominujcej i redni

energi fal w wizce

Kolor w graﬁce komputerowej

5/9

Kolor w graﬁce komputerowej

6/9

Definiowanie barw

Przestrze barw: CIE RGB (1)

Podstawowa definicja barwy - SPD

funkcje dopasowania barw (ang. color-matching functions) - jaka ilo kadej z trzech

barw podstawowych jest potrzebna do dopasowania wszystkich dugoci fal w widmie

widzialnym

• definiowanie 3 wartoci numerycznych, które odpowiadaj danemu SPD

• przykadowe przestrzenie kolorów (ang. color space): CIE XYZ, CIE

L*u*v*, CIE L*a*b*

• color order system - zestaw próbek kolorów, kada próbka odpowiada

danemu SPD

• np. Munsell system

• w jakich proporcjach zmiesza rónokolorowe tusze, aby otrzyma dane

SPD

• np. PANTONE system

Q = r () R + g () G + b () B

Ujemne wartoci R. Trudnoci

z uzyskaniem stabilnych barw

podstawowych na monitorach.

R,G,B - barwy podstawowe

700 nm (red)

546.1 nm (green)

435.8 nm (blue)

Funkcje dopasowania barw dla barw CIE RGB - wyznaczane eksperymentalnie

CIE 1964 standard observer

Kolor w graﬁce komputerowej

6/9

Kolor w graﬁce komputerowej

6/9

CIE RGB (2)

CIE RGB (3)

Obliczenie wartoci R, G I B dla koloru I (podanego poprzez rozkad spektralny).

Rg chromacity space

Kolor w graﬁce komputerowej

6/9

Kolor w graﬁce komputerowej

7/9

Funkcje dopasowania barw CIE XYZ

Wykres chromatycznoci CIE

(ang. chromaticity diagram)

Funkcje dopasowania barw dla barw CIE XYZ (CIE 1931 standard observer) (CIE

Midzynarodowa Komisja Owietlenia).

paszczyzna

X + Y + Z = 1

Przestrze koloru CIE XYZ

spectral locus

• XYZ - kolory podstawowe (ang. color

primaries)

• Y odpowiada luminancji.

• Brak ujemnych wartoci.

• XYZ kolory teoretyczne (nie mona

ich wygenerowa na monitorze).

• x = y = z = 1/3 (punk bieli)

• liniowa transformacja pomidzy RGB i

XYZ

• Wszystkie barwy widziane przez

czowieka.

• Barwy monochromatyczne na brzegach.

• Odlego kartezjaska midzy punktami

na wykresie to rónica midzy barwami

(ale nie w sensie percepcyjnym).

• Barwy porednie le na linii czcej

barwy bazowe.

Q = x () X + y () Y + z () Z

line of purple

830

x () d

Y = Q

380

830

y () d

830

z () d

x =

X + Y + Z

y =

X + Y + Z

z = 1 x y

wykres chromatycznoci to rzut paszczyzny

X + Y + Z = 1 na paszczyzn xy

Kolor w graﬁce komputerowej

7/9

Kolor w graﬁce komputerowej

9/9

Gama barw (ang. color gamut)

Przykady przestrzeni kolorów

(ang. color spaces)

Trzy barwy podstawowe tworz

trójkt wyznaczajcy barwy moliwe

do uzyskania w danej gamie barw.

addytywny - RGB

Red, Green, Blue

D65 (6504 K)

(wiato soneczne)

substraktywny - CMYK

Cyan, Magenta, Yellow

K - poprawa kontrastu

addytywny - YUV

Y - luminancja

U,V - chrominancja

liniowe przeksztacenie

ukadu RGB

(4:2:2 rejestracja)

inne modele barw (liniowe i

nieliniowe):

HSV, HLS, YIQ (NTSC), YCbCr,

RGYB, CIE LUV, CIE LAB,

TekHVC

Pictures courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Kolor w graﬁce komputerowej

Przestrze koloru

przestrze koloru - wyodrbniony podzbiór trójwymiarowego systemu wspórzdnych barw,

w którym le wszystkie barwy z okrelonej gamy barw

8/9

Kolor w graﬁce komputerowej

Punkt bieli (ang. white point)(1)

8/9

Kolor najjaniejszego obiektu na scenie (np. róda wiata).

Wzgldem tego koloru obliczane s pozostae kolory na scenie.

- wygodne zdefiniowanie barwy w obrbie danej gamy barw

- modele zwizane ze sprztem: RGB - monitory, YUV - telewizja, CMYK - druk

Kolor wybranego biaego obiektu znajdujcego si na danej scenie.

• W przestrzeniach addytywnych SPD przyporzdkowane równym

wartociom kolorów podstawowych,

• w przestrzeniach substraktywnych SPD róda wiata wymnoone

przez SPD powierzchni.

• Nie ma jednoznacznej definicji koloru biaego.

• Jeeli wybrany biay obiekt ma wasnoci idealnie odbijajce, kolor puktu bieli jest taki

sam jak kolor róda wiata.

• Punkt bieli definiuje si jako Yxy lub jako temperatur punktu bieli (np. D65 - 6504K).

model barw addytywny

model barw substraktywny

X = Q

380

Z = Q

380

Kolor w graﬁce komputerowej

Temperatura koloru (ang. color

temperature)

8/9

Kolor w graﬁce komputerowej

Transformacja przestrzeni koloru (1)

8/9

SPD obiektu (ang. black body radiator) rozgrzanego do okrelonej

temperatury.

Konwersja pomidzy liniowymi przestrzeniami kolorów (np. CIE XYZ I CIE RGB) polega

na wymnoeniu koloru przez macierz transformacji (3x3).

1700 K: Match ﬂame

1850 K: Candle

2800 K: Tungsten lamp (incandescent lightbulb)

3350 K: Studio "CP" light

3400 K: Studio lamps, photoﬂoods, etc...

4100 K: Moonlight

5000 K: Typical warm daylight

5500–6000 K: Typical cool daylight, electronic ﬂash (can vary between manufacturers)

6420 K: Xenon arc lamp

6500 K: Daylight°

9300 K: TV screen (analog) screen (analog)

Do przeksztacenia konieczna jest znajomo bezwgldnego koloru punktu bieli oraz

bezwzgldnego koloru trzech barw podstawowych.

Równanie konwersji dla kolorów podstawowych RGB i standardowego

punktu bieli (BT.709).

D65 ->

0.4124 0.3576 0.1805

0.2126 0.7152 0.0722

0.0193 0.1192 0.9505

Dostosowanie punktu bieli (ang. white balancing ) - zmiana koloru punktu bieli

powodujca zmian koloru pikseli obrazu (transformacj przestrzeni kolorów).

Kolor w graﬁce komputerowej

Transformacja przestrzeni koloru (2)

8/9

Kolor w graﬁce komputerowej

Transformacja przestrzeni koloru (3)

8/9

Równanie konwersji dla dowolnych kolorów podstawowych R (x R , y R , z R ), G

(x G ,y G ,z G ), B (x B ,y B ,z B ) i dowolnego punktu bieli (Xw,Yw,Zw).

Obliczenie wspóczynników uwzgldniajcych pooenie punktu bieli.

x R S R x G S G x B S B

y R S R y G S G y B S B

z R S R z G S G z B S B

* Luminance

Color primaries

Obliczenie S - szukanie wspóczynników, które po wymnoeniu przez barwy

podstawowe dadz punk bieli.

x R S R x G S G x B S B

y R S R y G S G y B S B

z R S R z G S G z B S B

X W = x R S R + x G S G + x B S B

Y W = y R S R + y G S G + y B S B

Z W = z R S R + z G S G + z B S B

Kolor w graﬁce komputerowej

Korelacja pomidzy kanaami koloru

Kolor w graﬁce komputerowej

Profile ICC (1)

Color Management System

W naturalnych obrazach pomidzy kanaami RGB wystpuje dua korelacja (jeeli

jedna ze skadowych ma due wartoci pozostae te bed takie miay).

Korelacje mona zmniejszy konwertujc kolor do przestrzeni przeciwstawnych kolorów

(ang. color opponent space ):

• luminacja,

• red-green,

• yellow-blue.

RGB > YC B C R

Konwersja wykorzystywana np. do kompresji JPEG. Kana Y jest najwaniejszy (pod wzgldem

percepcyjnym), dlatego mona mocniej kompresowa kanay chrominancji.

Wykład 5 - Kolor w grafice komputerowej.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: