WYKŁAD 14 1. Wra - zsk.ict.pwr.wroc.pl · 2. Modele liczbowe barw • System barw Munsella •...
Transcript of WYKŁAD 14 1. Wra - zsk.ict.pwr.wroc.pl · 2. Modele liczbowe barw • System barw Munsella •...
1
WYKŁAD 14WYKŁAD 14
PODSTAWY TEORII BARWPODSTAWY TEORII BARW
Plan wykładu:Plan wykładu:
•• Wrażenie widzenia barwyWrażenie widzenia barwy
•• Modele liczbowe barwModele liczbowe barw
1. Wrażenie widzenia barwy
Co jest potrzebne aby zobaczyć barwę?
• Światło
• Przedmiot (materia)
• Organ wzrokowy człowieka
triada optyczna
Światło widzialne
• Promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali λ od380 do 780 nm (400 - 700nm).
• Charakterystyka światła - widmowy rozkład energii,
czyli funkcja P(λ).
• Biel równoenergetyczna E - P(λ) = const.
• Światło, które zawiera fale o wszystkich możliwych długościach (z zakresu widzialnego) i odpowiednich proporcjach - światło białe.
Rozkład widmowy energii promieniowania słońca
2
Przedmiot (materia) a światło:
• Przenikanie
• Odbicie
• Pochłanianie (absorbcja)
• Przenikanie
Przenikanie, charakteryzowane jest współczynnikiem przenikalności RI (Refractive index), wyrażającym stosunek prędkości światła w próżni do prędkości w materiale (n.p. dla wody RI = 1.333).
• Odbicie
Idealne zwierciadło (odbicie kierunkowe)
ΘΘ
Powierzchnia o odbiciu dyfuzyjnym (matowa)
Powierzchnia o odbiciu dyfuzyjnym i odbiciu kierunkowym (najczęściej występuje w praktyce)
• Pochłanianie (absorbcja)
Fale o pewnych długościach są pochłaniane
Transmitancja optyczna
3
Organ wzrokowy człowieka:
Receptory (czopki i pręciki) rozmieszczone sąna powierzchni siatkówki
• czopki (9 mln) - widzenie barwne
• pręciki (100 mln) - widzenie w stopniach szarości
Rozkład receptorów na powierzchni siatkówki
Względna czułość czopków i pręcików
czopki S (niebieskie) czopki M (zielone)
czopki L (czerwone) pręciki (szare)
długość fali [nm] długość fali [nm]
długość fali [nm] długość fali [nm]
czopki S (niebieskie) czopki M (zielone)
czopki L (czerwone) pręciki (szare)
Względna czułość oka ludzkiego
widzenie „dzienne”
widzenie „nocne”
400 500 600 700 λ [nm]
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0507 555
4
2. Modele liczbowe barw
• System barw Munsella
• Model CIE-XYZ• Model RGB• Model CMY (CMYK)• Model HSV• Modele telewizyjne YUV i YIQ• Inne modele barw
Jak (najlepiej przy pomocy kilku liczb lub symboli) opisać barwę?
Opis barwy przy pomocy funkcji rozkładu widmowego P(λ)jest niewygodny a także nadmiarowy, bowiem jak stwierdzono eksperymentalnie, różne rozkłady widmowe wywołują takie same wrażenia wzrokowe.
2.1. System barw Munsella
Albert Henry Munsell - „A Color Notation”, 1905 r
VALUE
CHROMAHUE
Munsell określił układ współrzędnych, (pomysł pochodzi od Newtona) pozwalający charakteryzować kolor przy pomocy trzech wielkości.
HUE - odcieńVALUE - jasnośćCHROMA - nasycenie
HUE - odcieńMunsell wyróżnił 5 barw podstawowych: czerwony, żółty,
zielony, niebieski i purpurowy oraz 5 barw pośrednich:żółto-czerwony, zielono-żółty, niebiesko-zielony, purpurowo-niebieski i czerwono-purpurowy. Barwy rozmieścił na tarczy podobnej do kompasu, przypisując im odpowiednie oznaczenia.
VALUE - wartość (jasność)
Wartość wyraża różnicę pomiędzy „jasnym” a „ciemnym”.Munsell wprowadził 9 dyskretnych poziomów wartości (jasności), oznaczanych od 1N do 9N określających uporządkowane stopnie szarości (np. 2N - ciemno-szary, 5N -średnio-szary). Można powiedzieć, że 0N - czarny, 10N -biały.
CHROMA - nasycenie
Chroma, czyli nasycenie określa różnicę pomiędzy barwą czystą a szarością.Chroma jest również stopniowana według skali dyskretnej, jednak zakres skali zależy od odcienia i wartości.
Posługując opisanym powyżej układem trzech współrzędnych, Mansell umieścił w poszczególnych punktach przestrzeni trójwymiarowej kolorowe prostokąty.Zrobił to tak, aby percepcyjna różnica pomiędzy sąsiednimi kolorami była mniej więcej taka sama.
5
W efekcie, powstałą przestrzeń barw którą można przedstawić przy pomocy 100 barwnych tablic ( „MunsellBook of Colors” ).
Przykłady dwóch takich tablic:
10YR5RP
5RP 5/24
2.2. Model CIE-XYZ
Comission Internationale de l'Eclairage - 1931 r.
Przeprowadzono eksperyment z wykorzystaniem urządzenia zwanego kolorymetrem. Polegał on na rozkładaniu światła o zadanej długości fali λ na trzy składowe.
ekrany
oko (obserwator)
światło badane
oświetlacze regulowane przegroda
700 nm
546,1 nm
435,8 nm
R
G
B
Nie dla wszystkich barw widma udaje się osiągnąć (w tym układzie oświetlaczy) równowagę kolorymetru.
oko
światło badane
ekrany
Czasem trzeba zmienić układ oświetlaczy.
Wynikiem eksperymentu jest wykres (model CIE-RGB).
400 500 600 700 λ [nm]
0,0
- 0,1
0,1
0,2
0,3
r(λ)g(λ)b(λ)
składowetrójchromatyczne
r(λ), g(λ), b(λ)
Model CIE-RGB jest niewygodny (występują ujemne wagi).Zdefiniowano więc w miejsce barw RGB nowe, fikcyjne barwy podstawowe XYZ. Wprowadzenie nowych barw pozwoliło przekształcić poprzedni wykres do następującej postaci.
x(λ)
z(λ)
y(λ)
6
Wielkości składowych podstawowych, czyli liczby X,Y,Z odpowiadające barwie o rozkładzie widmowym P(λ), można wyliczyć następująco:
∫∫∫
=
=
=
λλλ
λλλ
λλλ
d)(z)(PkZ
,d)(y)(PkY
,d)(x)(PkX
Jeśli obliczyć tak X,Y,Z dla wszystkich widm P(λ), to w układzie współrzędnych X,Y,Z powstanie pewna bryła. Punkty wewnątrz bryły reprezentują wszystkie barwy widzialne. Rzut przekroju bryły na płaszczyznę X-Y nazywamy wykresem
chromatyczności CIE-XYZ.
rzut przekroju bryły
płaszczyzną o równaniu
X+Y+Z=1 na płaszczyznę
X-Y
przekrój bryły płaszczyzną o równaniu X+Y+Z=1
wycinek bryły
płaszczyznao równaniu X+Y+Z=1
X
Y
Z
Własności wykresu CIE-XYZ
1. Barwa = [x, y].
2. Barwy czyste (prążki widma)- obwiednia wykresu.
3. Pozostałe barwy widzialne -wnętrze wykresu.
4. Punkt C ( x = 0.333 , y = 0.333) - barwa biała.
5. Wykres nie zawiera informacji o jasności(eliminuje luminancję)
Wykres CIE-XYZ
Zastosowania modelu CIE-XYZ
1. Wyznaczanie dominującej długości fali dla barwy A
2. Wyznaczanie barwydopełniającej dla barwy A
C
A
A’
CA
A’
A’ - barwa dopełniająca dla AA’ - dominująca długość fali dla A
7
3. Sumowanie barw A i B
A + B - suma barw A i B
4. Trójkąt barw
Wnętrze trójkąta zawiera wszystkie sumy barw R, G, B
A
B
A+B
G
RB
5. Porównywanie i wzajemne transformacje przestrzeni barw różnych urządzeń graficznych
2.3. Model RGB1. Barwa = [R, G, B],
R, G, B є [0, 1].
2. Przekątna sześcianu od[0, 0, 0 ] do [1, 1, 1] - ośszarości, od barwy czarnej do białej.
3. Pozostałe barwy jakie można utworzyć z barw podstawowych R, G, B -wnętrze sześcianu.
4. Zachodzi sumowanie barw-np. proces wyświetlania na monitorze ekranowym.
5. Zaleta - łatwość odtworzenia barwy opisanej.
6. Wada - trudność w opisaniu barwy wyobrażanej.
(0,1,0)(1,0,0)
(0,0,1)
2.4. Model CMY1. Barwa = [C, M, Y],
C, M, Y є [0, 1].
2. Przekątna sześcianu od[0, 0, 0 ] do [1, 1, 1] - ośszarości, od barwy białej do czarnej.
3. Pozostałe barwy jakie można utworzyć z barw podstawowych C, M, Y -wnętrze sześcianu.
4. Modeluje odejmowanie barw np. proces drukowania na białym papierze.
5. Zaleta - łatwość odtworzenia barwy opisanej.
6. Wada - trudność w opisaniu barwy wyobrażanej.
(1,0,0) (0,1,0)
(0,0,1)
8
2.5. Model HSV
1. Barwa = [H, S, V],H є [0o - 360o], S,V є [0, 1].
2. Oś stożka - oś szarości.
3. Zaleta - możliwość prostego interakcyjnego osiągnięciaopisu barwy wyobrażanej.
4. Istnieją algorytmy konwersjiopisu z modelu HSV na RGB i CMY.
2.6. Modele telewizyjne YUV i YIQ
luminancja (Y) – informacja o jasności, obraz w szarościchrominancja (UV, IQ) – informacja o barwie
RGB
YUV
konwerter
kanał transmisyjny
YUV
konwerter
RGB
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
−−−−=
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
BGR
311.0528.0212.0321.0257.0168.0
114.0587.0229.0
QIY
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
−−−−=
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
BGR
100.0517.0617.0434.0288.0146.0
114.0587.0229.0
VUY
Y - luminancja, U,V - chrominancja
Y - luminancja, I,Q - chrominancja
YUV – model dla telewizji w systemie PAL
YIQ – model dla telewizji w systemie NTSC
Przykład:
Obraz źródłowy
G BR
Y U V