El Color en Computación Gráfica - cs.uns.edu.arcs.uns.edu.ar/cg/clasespdf/Color.pdf · El color...

1

El Color en Computación

GráficaGráfica

Dpto. de Ciencias e Ingeniería de la ComputaciónUniversidad Nacional del Sur

El Color en Computación Gráfica

Objetivo

Encontrar un modelo de color que esté relacionado con la manera queopera el ojo y que sea consistente con cómo los dispositivos gráficosgeneran el color.

¿Cómo se describen numéricamente los colores?¿Cómo de relacionan estas descripciones con las forma en quedescribimos el color en la vida diaria?¿Cómo comparamos colores?

. VyGLab – DCIC - UNS CG 2010

¿Qué rango de colores puede mostrarse en una pantalla?¿Qué rango de colores puede mostrarse en una página impresa?¿Cómo puede producirse un conjunto de colores deseado?¿Qué debemos hacer cuando debemos mostrar una imagen en undispositivo que sólo admite, por ejemplo, 256 colores?

2

Conceptos Básicos


Estímulo Percepción

Percepción del Color

La corteza visual esuno de los centros dealto nivel donde seprocesan las sensa-i i l


ciones espaciales ycromáticas

Distribución de lapotencia espectral dela luz

La luz entra a laregión foveal de laretina y estimula losconos y bastoncitos.

Los impulsos nervio-sos viajan desde laretina a lo largo delnervio óptico hasta elcerebro

3


El color depende de sutiles interacciones entre la física dela radiación de la luz y el sistema ojo-cerebro. Loselementos básicos a tener en cuenta son

El Estímulo

El Sistema Visual Humano


4

Los elementos básicos a tener en cuenta son

El Estímulo El Estímulo



El espectro electromagnético

El estímulo


Ubicación del espectro visible (por los humanos) dentro del espectroelectromagnético.

5

El espectro electromagnético

El estímulo


Luces espectrales puras

Densidadespectral

Verde Naranja

El estímulo

espectralVioleta Azul RojoAmarillo


Longitud de onda (nm)

La densidad espectral es la potencia por longitud de onda o potenciarelativa.

6

... El estímulo ...

Espectros para algunos colores comunes

La luz de la mayoría delas fuentes no consiste

Gris Blanco

sólo de una longitud deonda sino que contienecantidades de potenciadiferentes para unconjunto de longitudesde onda.A este conjunto dedensidades espectrales

Naranja

VerdePúrpura

Negro


densidades espectralesse lo denomina espectrode la luz.

Amarillo

Rojo

Azul

Distintas Fuentes de Luz

El estímulo

Potenciarelativa


Longitud de onda (nm)

7

Reflectancia

Si la luz L está dada por la siguiente curva de respuesta:

El estímulo

...y un determinado objeto O responde a la luz de intensidaduniforme para cada longitud de onda del siguiente modo …


p g g

Reflectancia

Para calcular la respuesta del objeto O a la luz L debemos multiplicarlongitud de onda a longitud de onda, las dos curvas. Así calculamos cómoresponde el objeto a cada cantidad de estímulo en todo el espectro.

El estímulo


El área gris representa la luzreflejada por el objeto, es decir,la respuesta total a la luzrecibida.

8

Interacción de la luz con un objeto

El estímulo


La Luz

El estímulo


9

Metámeros

El estímulo


Metámeros

Colores que parecen el mismo

El estímulo

bajo una fuente de luz ...


... pueden lucir totalmente diferentesbajo otra fuente de luz.

Applets:www.cs.brown.edu/exploratories/freeSoftware/repository/edu/brown/cs/exploratories

10

Los elementos básicos a tener en cuenta son

El Estímulo El Estímulo



Con respecto al Sistema VisualHumano deben considerarseaspectos relevantes de:

Sistema Visual Humano

La fisiología

Las características perceptuales

El sistema visual humano estáconstituído por el ojo y la porción delcerebro que procesa las señales

Perception Sekuler y Blake


Juntos, el ojo y el cerebro convierten información óptica en lapercepción visual de una escena.

neuronales provenientes del ojo.Perception, Sekuler y Blake

11


La luz que entra al ojo pasa a través de:

córnea


pupila

lente

cámara vítreay entonces impacta la retina

... Sistema Visual Humano ...

La luz que impacta en la retina excita

los fotorreceptores; éstos convierten

la intensidad y el color de la luz en

ñ l lseñales neuronales que se

recombinan y se procesan

adicionalmente para ser enviadas al

cerebro a través del nervio óptico.


La luz que entra a la retina debe pasar por varias capas de células antes deimpactar los fotorreceptores.

12

Los Fotorreceptores


Conos Bastoncitos


115.000.000 Concentrados en la periferia

de la retina Sensibles a la intensidad La mayoría son sensibles a

los 500 nm (~verde)

7.000.000 Concentrados cerca delcentro de la retina

Sensibles a las long. de onda alta, media y baja

Existen tres tipos diferentes de conos. Cada uno responde a unabanda espectral distinta del espectro de la luz. Esto permite alcerebro discriminar color mediante un proceso denominado


ptricromancia.


E. Bruce Goldstein. Sensation and Perception, Brooks/Cole, 1999.

13

Respuesta a los estímulos



El área grisrepresenta lo que veel receptor, es decir,la respuesta total ala luz recibida.

Curvas de respuesta retinal



Funciones de respuesta espectral delos 3 tipos de conos en la retina.

Imágenes de David Forsyth

14

El estímulo luego de ser procesado por los conos



La distribución de la potencia espectral de la fuente de luz multiplicadapor la reflectancia espectral del objeto multiplicada por la sensitividadespectral de los conos del ojo humano constituye el estímulo de colorque vemos.

Metamerismo



Si consideramos una persona con dos tipos dereceptores R1 y R2, percibirá señales luminosas I1 e I2como iguales.

15

Deficiencias en la visión del Color

Algunas personas no pueden distinguir determinadas luces.Aproximadamente el 10% de los hombres son “ciegos al color” en elsentido que no pueden diferenciar determinados colores


Normal Protanopia

sentido que no pueden diferenciar determinados colores.


Capacidades de discriminación de color que se pierden en losobservadores con distintas deficiencias de color

Deuteranopia Tritanopia

Se han desarrollado tests para determinar si una determinada personaes ciega al color.




16




• Simula las deficiencias de la visión color• Web service o plug-in de Photoshop

Deuteranopia Protanopia Tritanopia

Diversos mecanismos del Sistema Visual Humano habilitan lapercepción de los estímulos sobre un amplio rango dinámico deniveles de iluminación y magnitud de los mismos.


Estos incluyen:

Respuesta logarítmica de los fotorreceptores

Inhibición lateral

Efectos de Contraste

Fenómenos de adaptación


Constancia de distintas cantidades visuales

Tales mecanismos optimizan el juicio de cantidades relativas aexpensas de juicios absolutos, facilitando la detección de cambiosespaciales y temporales.

17

El sistema visual humano no mide luz en el ambiente, sino cambiosde iluminación. Esta es una propiedad de los sistemas sensores enetapas tempranas.


Esto tiene importantes consecuencias en la forma en quepercibimos.

Estas diferencias de contraste leídas son transmitidas al cerebro yson muchas veces las culpables de las ilusiones de contraste quepueden causar errores en la manera en que leemos los datos de unavisualización


visualización.

Las diferencias también nos muestran que la percepción de lailuminación es no lineal y esto tiene consecuencias en la codificaciónde información mediante escalas de grises.

Respuesta logarítmica de los fotorreceptores

La luz percibida no es una función lineal de la cantidad de


luz emitida por una lámpara.


18

Respuesta logarítmica de los fotorreceptores: Escalas de Grises

1.7

1.8

1.9

2


1 2 3 4 5 6 7 8 91

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6


Los puntos negros que se ven en laintersección de la grilla se deben aque hay menos inhibición cuando un

Inhibición Lateral: Sensitividad al Contraste


q ycampo receptivo está en la posición(a) que en la posición (b).

(a)


(b)

Grilla de Hering

19

Inhibición Lateral: Bandas de Mach



La inhibición lateral aumenta el cambio de contraste aparente en cadaescalón, causando un overshoot en el perfil de intensidad percibido.




www.nbb.cornell.edu/neurobio/land (Trabajos año 96-97)

20




www.nbb.cornell.edu/neurobio/land (Trabajos año 96-97)

Efectos de Contraste: Contraste Simultáneo

El brillo percibido de una región depende de la intensidad del áreacircundante



21

Es el cambio en apariencia de un áreacentral causado por la presencia de un



central causado por la presencia de unárea vecina.

Los cuatro parches son idénticos pero la


Los cuatro parches son idénticos pero lazona circundante oscura hace queaparezcan más claros y más grandes, entanto que la zona circundante más clarahace que la zona central aparezca másoscura y más pequeña.

Los cuatro rectángulos de la filasuperior son del mismo gris. Loscuatro de abajo son de un grismás claro.


El colorido del target también está afectado

por la zona circundante. En general, los


po a o a c cu da e ge e a , os

colores parecen más vívidos contra colores de

menor luminosidad. Esto ocurre

particularmente con el gris.


22

La habilidad del ojo para resolver

Efectos de Contraste: Sensitividad al Contraste


La habilidad del ojo para resolverdetalle espacial fino está expresadopor su función de sensitividad alcontraste o respuesta visual relativacomo función de la frecuenciaespacial.


Teniendo en cuenta …


El brillo percibido


El brillo percibidode una regióndepende de laintensidad delárea circundante

El ojo acentúa los cambiosabruptos en intensidad.

La respuesta en frecuenciadel ojo cae a medida que lastransiciones de intensidad sehacen más y más finas entamaño.

23

Combinando estos conceptos de respuesta no lineal a laintensidad, interacción de los fotoreceptores y respuesta enfrecuencia del ojo podemos observar:


frecuencia del ojo, podemos observar:

La intensidad con que vemos un objeto está relacionada conla intensidad promedio que rodea al mismo

En una imagen se acentúan las transiciones abruptas deintensidad.

La respuesta a los detalles en una imagen se dejan de


La respuesta a los detalles en una imagen se dejan depercibir cuando son demasiado finos. Detalles con altocontraste se resuelven mejor que los de bajo.

Fenómenos de Adaptación: Afterimages



En los displays deben evitarse grandes áreas de color brillante; de locontario pueden aparecer afterimages muy molestas.

24

Sistemas de Color


Supongamos que queremos describirle exactamente uncolor a alguien; esta descripción debe hacerse demanera oral.

Descripción del Color

¿Cómo lo hacemos?

Queremos describir el color mediante un pequeñoconjunto de números.

¿Cuántos números se requerirían?


25


Los colores se describen a menudo comparándolos conmuestras o luces de un color estándar para encontrarasí la coincidencia más cercana.


Las funciones de matching de colores muestran las cantidades de cadauno de los tres primarios que necesita el observador promedio parahacer match de un color de luminancia constante, para todos los valoresde longitud de onda dominante en el espectro visible.



26

La percepción humana del color es tridimensional; podemos describir uncolor como la superposición de tres colores primarios mediante la siguienteecuación:

C rR + gG + bBdonde C es el color a representar y R G y B son las fuentes primarias


donde C es el color a representar y R, G, y B son las fuentes primariasusadas para generar C.


Si los primarios rojo, verde y azul, corresponden a los colores de fósforo de unmonitor, este espacio define el gamut del monitor.

En general, un gamut es el conjunto de todos los colores que puedenproducirse por un dispositivo o sensarse por un sistema receptor.



27



Las funciones de matching de colores muestran las cantidades de cadauno de los tres primarios que necesita el observador promedio parahacer match de un color de luminancia constante, para todos los valoresde longitud de onda dominante en el espectro visible.


br

g


r

28

Podemos dibujar la posición de

a medida que λ varía a lo largo del espectro visible.

Todos los puntos de la curva están en el plano r + g + b = 1.

))(),(),(( bgr


Dado que algunas coordenadas son negativas para ciertos valores deλ, la curva no está totalmente dentro del octante positivo en esteespacio.


En 1931 se desarrolló un estándar por la International Commission onIllumination (Commission Internationale de l’éclairage, or CIE).

El CIE definió tres primarios supersaturados especiales X, Y y Z.

Estos no correspondían a colores reales pero tenían la propiedad de

CIE: Espacio para el matching de Colores

p p p pque todos los colores reales podían representarse comocombinaciones positivas de estos tres primarios especiales.

Están definidos por funciones de matcheo.

La luz monocromática de longde onda λ se matchea


de onda λ se matcheamediante una CL de estosprimarios especiales:

mono(λ) = x(λ)X + y(λ)Y +z(λ)Z

29

Y fue elegido de modo tal que y coincide con la función de eficiencialuminosa. La respuesta del ojo a la luz monocromática de potenciafija a diferentes longitudes de onda. Esto hace que la cantidad del

i i Y t l i l l i t id d t t l d l


– x y, y z, soncombinaciones lineales de rg, y b.

primario Y presente en una luz sea igual a la intensidad total de laluz.


– => RGBi XYZi via unamatriz

Queremos normalizar la cromaticidad para mantener brillounitario:

)()(1)( yxz


)()()(

)()(

zyx

xx

)()()(

)()(

zyx

yy

)()()(

)()(

zyx

zz


La figura muestra la curva enel octante positivo del planoxyz.

30

La curva de color espectral s(λ) está en el espacio tridimensional pero,como está en el plano x + y + z = 1, es fácil representar su forma en undiagrama bi-dimensional. Sólo son necesarias x e y para especificar un

l (d i t id d it i ) d d ( ) d t


color (de intensidad unitaria) porque dadas (x, y) podemos encontrartrivialmente z.

Entonces el diagrama estándarCIE de cromaticidad es:


El diagrama muestra la curva (que delimita un espacio en forma deherradura de caballo) de todos los colores espectrales purosetiquetados de acuerdo a su longitud de onda.

Dentro del espacio delimitado por la curva están todos los otros colores

Diagrama CIE

Dentro del espacio delimitado por la curva están todos los otros coloresvisibles. Los puntos fuera de esta región no corresponden a luz visible.

Varias regiones se etiquetan connombres que se usan comúnmentepara describir los colores que


p qencontramos acá. Los puntos cercader (0.6, 0.3), por ejemplo sonpercibidos como rojo.

31

El diagrama CIE tiene muchos usos. Varios de estos se derivan de lafacilidad con que podemos interpretar las líneas rectas sobre el mismo.

Diagrama CIE

Todos los ptos sobre una línea entreTodos los ptos sobre una línea entrecolores a y b son una combinaciónconvexa de a y b, αa + (1 - α)b para 0 ≤α ≤ 1.

Cada pto es un color legítimo.

Cuando dos colores se suman y susuma es blanco, decimos que soncomplementarios.

e (azul verde) y f (naranja rosa) son

D

B

EF

i


e (azul-verde) y f (naranja-rosa) soncomplementarios porque cantidadesadecuadas de cada uno de ellos dablanco, w.

CA

j

k

Diagrama CIE


32

Entonces, el diagrama de cromaticidad CIE se puede usar para

520530

0.9

Nombrar Colores

Diagrama CIE

y

650

610

590

550

570

600

580

560

540

505

500

510

490

495

0.5

green

yellow-green

yellow

orange

redcyan white

i k

Nombrar Colores


x

65090

485

480

470450

0.50.0

red

magenta

purple

blue

pink

Representar iluminantes estándar

0.8 A – Luz tungsteno

Diagrama CIE

0.4

0.6

C

BA

2000010000

80007000

60005000

400030002000

E

y

B – Puesta sol

C – Cielo azul

D65 – Luz del día promedio

E – Blanco de igual energía (x=y=z=1/3)


0 0.2 0.4 0.6 0.80

0.2C

D6520000 E

x

33

Cromaticidad definida en coordenadas polares

La mezcla de 2 colores tá l t540510

520530

y

Diagrama CIE

está en el segmento que los une.

650610

590

550

570

600

580

560

540

505

500

510

490

495

C

A

B


x

650

485

480

470450

Desafortunadamente, iguales distancias entre puntos en el diagrama nocorresponden a diferencias iguales en el color percibido.

Diagrama CIE


Pequeños cambios en la región G sólo causa pequeños cambios en el colorpercibido pero pequeños cambios en las regiones B o Y causa grandescambios en el color percibido.

34

Otro de los usos importantesdel diagrama CIE es lacomparación de gamuts dedi iti L t d

Diagrama CIE: Gamuts

dispositivos. Los gamuts decolor son los rangos de coloresque un dispositivo puedeproducir.




35

0.8

G2NTSC

R1G1B1 Primarios PALR2G2B2 Primarios NTSC


0.4

0.6 G1

R1R2

G2

CE

D65

PAL

y

2 2 2

D65 Blanco de referencia PALC Blanco de referencia NTSC


0 0.2 0.4 0.6 0.80

0.2

B1B

2

x

¡Cuidado con las diferencias!

Mapeo de Gamuts


36

Adicionalmente, los gamutsson volúmenes 3D

Mapeo de Gamuts

Se debe preservar laapariencia


Esto es a vecesimposible y el mapeo esun rediseño

Mapeo de Gamuts


Sistemas de gestión de Color

37

La especificación CIE de color es precisa y estándar pero no esnecesariamente la más natural.

En Computación Gráfica es más natural pensar en combinaciones de rojo,verde y azul para formar todos los colores deseados

Sistemas de Color

verde y azul para formar todos los colores deseados.

Otros usan cromaticidad, saturación y brillo o vividez.

Los artistas se refieren frecuentemente a tintes, sombras y tonos.

Estos son 3 ejemplos de modelos de color, distintas elecciones de descriptoresusados para formar colores.

Si se pueden cuantificar los 3 descriptores, se puede describir un color por


medio de una 3-upla de valores, tal como (tinte, sombra, tono)=(.125, 1.68,.045).

Las diferentes opciones dan lugar a definir diferentes espacios de color; asítambién surge la necesidad de convertir descripciones de color de un espacioal otro.

Sistema RGB

Sistemas de color

Computer Graphics, Principles and PracticeFoley, van Dam, Feiner and Hughes


El modelo de color RGB describe colores como combinaciones positivas de losprimarios rojo, verde y azul. Si los escalares r, g, y b se confinan a valoresentre 0 y 1, todos los colores están dentro del cubo.

38

Colores Aditivos

Primarios

• Rojo

Combinan luces roja, verde y azul

Sistemas de color

Rojo• Verde• Azul


Colores Aditivos

Sistemas de color


39

Ejemplo:Descomposición de la imagen en los canales RGB

Sistemas de color


Rojo (R) Verde (G) Azul (B)

Sistema CMY

Sistemas de color

Un sistema de color sustractivo expresa un color, por medio de una


Un sistema de color sustractivo expresa un color, por medio de una3-upla, en la que cada uno de los tres valores especifica cuánto deun cierto color debe removerse del blanco para producir el colordeseado (el complemento del primario correspondiente).El sistema de color sustractivo más conocido es el CMY cuyosprimarios son cyan, magenta y amarillo

40

Colores SustractivosFiltran la luz blanca para

modular rojo, verde y azulPrimarios

Sistemas de color

• Cyan• Magenta• Amarillo


Colores SustractivosFiltran la luz blanca para

modular rojo, verde y azulPrimarios

Sistemas de color

• Cyan• Magenta• Amarillo

Supongamos que los tres filtros los describimos como (.4, .5, .2)CMY.


41

Colores Sustractivos

Sistemas de color


Colores Sustractivos

Filtros Ideales

Sistemas de color

Filtros Ideales– Líneas sólidas– Filtros Bloque

Filtros Reales– Impurezas

Resultados


– No Linealidad– Colores más oscuros

42

Es más natural especificar ...

Sistemas de color

Crominancia

Saturación


Brillo

• Hue distingue entre colores tales como rojo, verde, púrpura y amarillo

• Saturación se refiere a cuán puro es el color, es decir, cuántoblanco/gris se le ha mezclado

Sistemas de color

blanco/gris se le ha mezclado

– rojo es altamente saturado; rosa es relativamente no saturado

– azul cobalto es altamente saturado; azul cielo es relativamente nosaturado

– los pasteles son menos vívidos, menos intensos

• Lightness abarca la noción acromática de intensidad percibida de un


objeto que refleja

• Brightness se usa en lugar de lightness para hacer referencia a laintensidad percibida de un objeto auto-luminoso (emisor de luz tal comouna lamparita, el sol o un CRT)

43

Modelo HLS

Hue – Lo que la gente piensa que es el color

Sistemas de color

q

Luminancia – claro/oscuro, el rango es del negro<-->blanco

Saturación - intensidad, el rango es del hue <-->gris

blanco

l

Colores nombrados


negro

valor

Saturación

Ejemplo:Descomposición de la imagen en los canales HLS

Sistemas de color


Crominancia (C) Saturación (S) Brillo (B)

44

Sistema Munsell Sistema CIELuv

Sistemas de color


Representan el color de manera perceptualmente uniforme.

Derivado de los dispositivos conveniente para describir a nivel de dispositivo de display

RGB, CMYK

Sistemas de color

Intuitivo basado en descripción familiar del color

HSV, HSB, HLS

Perceptualmente uniforme independiente del dispositivo, perceptualmente uniforme

CIELUV, CIELAB, Munsell


45


El Color en Computación Gráfica - cs.uns.edu.arcs.uns.edu.ar/cg/clasespdf/Color.pdf · El color...

Documents

Transcript of El Color en Computación Gráfica - cs.uns.edu.arcs.uns.edu.ar/cg/clasespdf/Color.pdf · El color...