El Color en Computación Gráfica

Transcripción

1 El Color en Computación Gráfica Dpto. de Ciencias e Ingeniería de la Computación Universidad Nacional del Sur El Color en Computación Gráfica Objetivo Encontrar un modelo de color que esté relacionado con la manera que opera el ojo y que sea consistente con cómo los dispositivos gráficos generan el color. Cómo se describen numéricamente los colores? Cómo de relacionan estas descripciones con las forma en que describimos el color en la vida diaria? Cómo comparamos colores? 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 un dispositivo que sólo admite, por ejemplo, 256 colores? 1

2 Conceptos Básicos Percepción del Color Estímulo Percepción La corteza visual es uno de los centros de alto nivel donde se procesan las sensa- ciones espaciales y cromáticas Distribución de la potencia espectral de la luz La luz entra a la región foveal de la retina y estimula los conos y bastoncitos. Los impulsos nerviosos viajan desde la retina a lo largo del nervio óptico hasta el cerebro 2

3 El color depende de sutiles interacciones entre la física de la radiación de la luz y el sistema ojo-cerebro. Los elementos básicos a tener en cuenta son El Estímulo El Sistema Visual Humano 3

4 Los elementos básicos a tener en cuenta son El Estímulo El Sistema Visual Humano El espectro electromagnético El estímulo Ubicación del espectro visible (por los humanos) dentro del espectro electromagnético. 4

5 El estímulo El espectro electromagnético Luces espectrales puras El estímulo Densidad espectral Verde Naranja Violeta Azul Amarillo Rojo Longitud de onda (nm) La densidad espectral es la potencia por longitud de onda o potencia relativa. 5

6 Espectros para algunos colores comunes... El estímulo... La luz de la mayoría de las fuentes no consiste sólo de una longitud de onda sino que contiene cantidades de potencia diferentes para un conjunto de longitudes de onda. A este conjunto de densidades espectrales se lo denomina espectro de la luz. Negro Naranja Amarillo Gris Rojo Verde Blanco Púrpura Azul Distintas Fuentes de Luz El estímulo Potencia relativa Longitud de onda (nm) 6

7 El estímulo Reflectancia Si la luz L está dada por la siguiente curva de respuesta:...y un determinado objeto O responde a la luz de intensidad uniforme para cada longitud de onda del siguiente modo Reflectancia El estímulo Para calcular la respuesta del objeto O a la luz L debemos multiplicar longitud de onda a longitud de onda, las dos curvas. Así calculamos cómo responde el objeto a cada cantidad de estímulo en todo el espectro. El área gris representa la luz reflejada por el objeto, es decir, la respuesta total a la luz recibida. 7

8 El estímulo Interacción de la luz con un objeto La Luz El estímulo 8

9 El estímulo Metámeros Metámeros El estímulo Colores que parecen el mismo bajo una fuente de luz pueden lucir totalmente diferentes bajo otra fuente de luz. Applets: are/repository/edu/brown/cs/exploratories 9

10 Los elementos básicos a tener en cuenta son El Estímulo El Sistema Visual Humano Sistema Visual Humano Con respecto al Sistema Visual Humano deben considerarse aspectos relevantes de: La fisiología Las características perceptuales Perception, Sekuler y Blake El sistema visual humano está constituído por el ojo y la porción del cerebro que procesa las señales neuronales provenientes del ojo. Juntos, el ojo y el cerebro convierten información óptica en la percepción visual de una escena. 10

11 Sistema Visual Humano La luz que entra al ojo pasa a través de: córnea pupila lente cámara vítrea y entonces impacta la retina... Sistema Visual Humano... Laluzqueimpactaenlaretinaexcita los fotorreceptores; éstos convierten la intensidad y el color de la luz en señales 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 de impactar los fotorreceptores. 11

12 Sistema Visual Humano Los Fotorreceptores Conos Concentrados cerca del centro de la retina Sensibles a las long. de onda alta, media y baja Bastoncitos Concentrados en la periferia de la retina Sensibles a la intensidad La mayoría son sensibles a los 500 nm (~verde) Sistema Visual Humano Existen tres tipos diferentes de conos. Cada uno responde a una banda espectral distinta del espectro de la luz. Esto permite al cerebro discriminar color mediante un proceso denominado tricromancia. E. Bruce Goldstein. Sensation and Perception, Brooks/Cole,

13 Sistema Visual Humano Respuesta a los estímulos El área gris representa lo que ve el receptor, es decir, la respuesta total a la luz recibida. Sistema Visual Humano Curvas de respuesta retinal Funciones de respuesta espectral de los 3 tipos de conos en la retina. Imágenes de David Forsyth 13

14 Sistema Visual Humano El estímulo luego de ser procesado por los conos La distribución de la potencia espectral de la fuente de luz multiplicada por la reflectancia espectral del objeto multiplicada por la sensitividad espectral de los conos del ojo humano constituye el estímulo de color que vemos. Sistema Visual Humano Metamerismo Si consideramos una persona con dos tipos de receptores R1 y R2, percibirá señales luminosas I1 e I2 como iguales. 14

15 Sistema Visual Humano Deficiencias en la visión del Color Algunas personas no pueden distinguir determinadas luces. Aproximadamente el 10% de los hombres son ciegos al color en el sentido que no pueden diferenciar determinados colores. Normal Protanopia Deuteranopia Tritanopia Capacidades de discriminación de color que se pierden en los observadores con distintas deficiencias de color Deficiencias en la visión del Color Sistema Visual Humano Se han desarrollado tests para determinar si una determinada persona es ciega al color. 15

16 Sistema Visual Humano Deficiencias en la visión del Color Deuteranopia Protanopia Tritanopia Simula las deficiencias de la visión color Web service o plug-in de Photoshop Sistema Visual Humano Diversos mecanismos del Sistema Visual Humano habilitan la percepción de los estímulos sobre un amplio rango dinámico de niveles 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 a expensas de juicios absolutos, facilitando la detección de cambios espaciales y temporales. 16

17 Sistema Visual Humano El sistema visual humano no mide luz en el ambiente, sino cambios de iluminación. Esta es una propiedad de los sistemas sensores en etapas tempranas. Esto tiene importantes consecuencias en la forma en que percibimos. Estas diferencias de contraste leídas son transmitidas al cerebro y son muchas veces las culpables de las ilusiones de contraste que pueden causar errores en la manera en que leemos los datos de una visualización. Las diferencias también nos muestran que la percepción de la iluminación es no lineal y esto tiene consecuencias en la codificación de información mediante escalas de grises. Sistema Visual Humano Respuesta logarítmica de los fotorreceptores La luz percibida no es una función lineal de la cantidad de luz emitida por una lámpara. 17

18 Sistema Visual Humano Respuesta logarítmica de los fotorreceptores: Escalas de Grises Sistema Visual Humano Inhibición Lateral: Sensitividad al Contraste Los puntos negros que se ven en la intersección de la grilla se deben a que hay menos inhibición cuando un campo receptivo está en la posición (a) que en la posición (b). (a) (b) Grilla de Hering 18

19 Inhibición Lateral: Bandas de Mach Sistema Visual Humano La inhibición lateral aumenta el cambio de contraste aparente en cada escalón, causando un overshoot en el perfil de intensidad percibido. Inhibición Lateral: Bandas de Mach Sistema Visual Humano (Trabajos año 96-97) 19

20 Inhibición Lateral: Bandas de Mach Sistema Visual Humano (Trabajos año 96-97) Sistema Visual Humano Efectos de Contraste: Contraste Simultáneo El brillo percibido de una región depende de la intensidad del área circundante 20

21 Efectos de Contraste: Contraste Simultáneo Sistema Visual Humano Es el cambio en apariencia de un área central causado por la presencia de un área vecina. Los cuatro parches son idénticos pero la zona circundante oscura hace que aparezcan más claros y más grandes, en tanto que la zona circundante más clara hace que la zona central aparezca más oscura y más pequeña. Los cuatro rectángulos de la fila superior son del mismo gris. Los cuatro de abajo son de un gris más claro. Sistema Visual Humano Efectos de Contraste: Contraste Simultáneo El colorido del target también está afectado por la zona circundante. cu En general, e los colores parecen más vívidos contra colores de menor luminosidad. Esto ocurre particularmente con el gris. 21

22 Sistema Visual Humano Efectos de Contraste: Sensitividad al Contraste La habilidad del ojo para resolver detalle espacial fino está expresado por su función de sensitividad al contraste o respuesta visual relativa como función de la frecuencia espacial. Teniendo en cuenta Sistema Visual Humano El brillo percibido de una región depende de la intensidad del área circundante El ojo acentúa los cambios abruptos en intensidad. La respuesta en frecuencia del ojo cae a medida que las transiciones de intensidad se hacen más y más finas en tamaño. 22

23 Sistema Visual Humano Combinando estos conceptos de respuesta no lineal a la intensidad, interacción de los fotoreceptores y respuesta en frecuencia del ojo, podemos observar: La intensidad con que vemos un objeto está relacionada con la intensidad promedio que rodea al mismo En una imagen se acentúan las transiciones abruptas de intensidad. La respuesta a los detalles en una imagen se dejan de percibir cuando son demasiado finos. Detalles con alto contraste se resuelven mejor que los de bajo. Sistema Visual Humano Fenómenos de Adaptación: Afterimages En los displays deben evitarse grandes áreas de color brillante; de lo contario pueden aparecer afterimages muy molestas. 23

24 Sistemas de Color Descripción del Color Supongamos que queremos describirle exactamente un color a alguien; esta descripción debe hacerse de manera oral. Cómo lo hacemos? Queremos describir el color mediante un pequeño conjunto de números. Cuántos números se requerirían? 24

25 Descripción del Color Los colores se describen a menudo comparándolos con muestras o luces de un color estándar para encontrar así la coincidencia más cercana. Descripción del Color Las funciones de matching de colores muestran las cantidades de cada uno de los tres primarios que necesita el observador promedio para hacer match de un color de luminancia constante, para todos los valores de longitud de onda dominante en el espectro visible. 25

26 Descripción del Color La percepción humana del color es tridimensional; podemos describir un color como la superposición de tres colores primarios mediante la siguiente ecuación: C rr + gg + bb donde C es el color a representar y R, G, y B son las fuentes primarias usadas para generar C. Si los primarios rojo, verde y azul, corresponden a los colores de fósforo de un monitor, este espacio define el gamut del monitor. En general, un gamut es el conjunto de todos los colores que pueden producirse por un dispositivo o sensarse por un sistema receptor. Descripción del Color 26

27 Descripción del Color Descripción del Color Las funciones de matching de colores muestran las cantidades de cada uno de los tres primarios que necesita el observador promedio para hacer match de un color de luminancia constante, para todos los valores de longitud de onda dominante en el espectro visible. b r g r 27

28 Descripción del Color Podemos dibujar la posición de ( r( ), g( ), b( )) 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. Dado que algunas coordenadas son negativas para ciertos valores de λ, la curva no está totalmente dentro del octante positivo en este espacio. CIE: Espacio para el matching de Colores En 1931 se desarrolló un estándar por la International Commission on Illumination (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 p de que todos los colores reales podían representarse como combinaciones positivas de estos tres primarios especiales. Están definidos por funciones de matcheo. La luz monocromática de long de onda λ se matchea mediante una CL de estos primarios especiales: mono(λ) = x(λ)x + y(λ)y + z(λ)z 28

29 CIE: Espacio para el matching de Colores Y fue elegido de modo tal que y coincide con la función de eficiencia luminosa. La respuesta del ojo a la luz monocromática de potencia fija a diferentes longitudes de onda. Esto hace que la cantidad del primario i Y presente en una luz sea igual a la intensidad id d totalt de la luz. x y, y z, son combinaciones lineales de r g,yb. => RGB i XYZ i via una matriz CIE: Espacio para el matching de Colores Queremos normalizar la cromaticidad para mantener brillo unitario: z( ) 1 x( ) y( ) x( ) x( ) x( ) y( ) z( ) y( ) y( ) x( ) y( ) z( ) z( ) z( ) x( ) y( ) z( ) La figura muestra la curva en el octante positivo del plano xyz. 29

30 CIE: Espacio para el matching de Colores 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 un diagrama bi-dimensional. Sólo son necesarias x e y para especificar un color (de intensidad id dunitaria) i porque dadas d (x, y) podemos encontrar trivialmente z. Entonces el diagrama estándar CIE de cromaticidad es: Diagrama CIE El diagrama muestra la curva (que delimita un espacio en forma de herradura de caballo) de todos los colores espectrales puros etiquetados de acuerdo a su longitud de onda. Dentro del espacio delimitado por la curva están todos los otros colores visibles. Los puntos fuera de esta región no corresponden a luz visible. Varias regiones se etiquetan con nombres que se usan comúnmente para describir los colores que encontramos acá. Los puntos cerca der (0.6, 0.3), por ejemplo son percibidos como rojo. 30

31 Diagrama CIE El diagrama CIE tiene muchos usos. Varios de estos se derivan de la facilidad con que podemos interpretar las líneas rectas sobre el mismo. Todos los ptos sobre una línea entre colores a y b son una combinación convexa de a y b, αa +(1-α)b para 0 α 1. Cada pto es un color legítimo. Cuando dos colores se suman y su suma es blanco, decimos que son complementarios. e (azul-verde) y f (naranja-rosa) rosa) son complementarios porque cantidades adecuadas de cada uno de ellos da blanco, w. E i A k F C B D j Diagrama CIE 31

32 Diagrama CIE Entonces, el diagrama de cromaticidad CIE se puede usar para green Nombrar Colores y cyan yellowgreen yellow 590 orange 600 white 610 pink red blue 480 purple magenta x 0.5 Representar iluminantes estándar Diagrama CIE y 0.8 A Luz tungsteno B A C E D65 B Puesta sol C Cielo azul D65 Luz del día promedio E Blanco de igual energía (x=y=z=1/3) x 32

33 Diagrama CIE Cromaticidad definida en coordenadas polares y B A C 650 x La mezcla de 2 colores está en el segmento que los une. Diagrama CIE Desafortunadamente, iguales distancias entre puntos en el diagrama no corresponden a diferencias iguales en el color percibido. Pequeños cambios en la región G sólo causa pequeños cambios en el color percibido pero pequeños cambios en las regiones B o Y causa grandes cambios en el color percibido. 33

34 Diagrama CIE: Gamuts Otro de los usos importantes del diagrama CIE es la comparación de gamuts de dispositivos. iti Los gamuts de color son los rangos de colores que un dispositivo puede producir. Diagrama CIE: Gamuts 34

35 Diagrama CIE: Gamuts y G 2 G 1 D65 C E R 1 R 2 NTSC PAL R 1 G 1 B 1 Primarios PAL R 2 G 2 B 2 Primarios NTSC D65 Blanco de referencia PAL C Blanco de referencia NTSC B 1B x Mapeo de Gamuts Cuidado con las diferencias! 35

36 Mapeo de Gamuts Adicionalmente, los gamuts son volúmenes 3D Se debe preservar la apariencia Esto es a veces imposible y el mapeo es un rediseño Mapeo de Gamuts Sistemas de gestión de Color 36

37 Sistemas de Color La especificación CIE de color es precisa y estándar pero no es necesariamente la más natural. En Computación Gráfica es más natural pensar en combinaciones de rojo, 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 descriptores usados 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; así también surge la necesidad de convertir descripciones de color de un espacio al otro. Sistemas de color Sistema RGB Computer Graphics, Principles and Practice Foley, van Dam, Feiner and Hughes El modelo de color RGB describe colores como combinaciones positivas de los primarios rojo, verde y azul. Si los escalares r, g, yb se confinan a valores entre 0 y 1, todos los colores están dentro del cubo. 37

38 Sistemas de color Colores Aditivos Primarios Rojo Verde Azul Combinan luces roja, verde y azul Colores Aditivos Sistemas de color 38

39 Sistemas de color Ejemplo: Descomposición de la imagen en los canales RGB Rojo (R) Verde (G) Azul (B) Sistemas de color Sistema CMY Un sistema de color sustractivo expresa un color, por medio de una 3-upla, en la que cada uno de los tres valores especifica cuánto de un cierto color debe removerse del blanco para producir el color deseado (el complemento del primario correspondiente). El sistema de color sustractivo más conocido es el CMY cuyos primarios son cyan, magenta y amarillo 39

40 Sistemas de color Colores Sustractivos Primarios Cyan Magenta Amarillo Filtran la luz blanca para modular rojo, verde y azul Sistemas de color Colores Sustractivos Primarios Cyan Magenta Amarillo Filtran la luz blanca para modular rojo, verde y azul Supongamos que los tres filtros los describimos como (.4,.5,.2) CMY. 40

41 Sistemas de color Colores Sustractivos Colores Sustractivos Sistemas de color Filtros Ideales Líneas sólidas Filtros Bloque Filtros Reales Impurezas Resultados No Linealidad Colores más oscuros 41

42 Sistemas de color Es más natural especificar... Crominancia Saturación Brillo Sistemas de color Hue distingue entre colores tales como rojo, verde, púrpura y amarillo Saturación se refiere a cuán puro es el color, es decir, cuánto blanco/gris se le ha mezclado rojo es altamente saturado; rosa es relativamente no saturado azul cobalto es altamente saturado; azul cielo es relativamente no saturado 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 la intensidad percibida de un objeto auto-luminoso (emisor de luz tal como una lamparita, el sol o un CRT) 42

43 Sistemas de color Modelo HLS Hue Lo que la gente piensa que es el color Luminancia claro/oscuro, el rango es del negro<-->blanco Saturación - intensidad, el rango es del hue <-->gris Colores nombrados blanco valor Saturación negro Sistemas de color Ejemplo: Descomposición de la imagen en los canales HLS Crominancia (C) Saturación (S) Brillo (B) 43

44 Sistemas de color Sistema Munsell Sistema CIELuv Representan el color de manera perceptualmente uniforme. Sistemas de color Derivado de los dispositivos conveniente para describir a nivel de dispositivo de display RGB, CMYK Intuitivo basado en descripción familiar del color HSV, HSB, HLS Perceptualmente uniforme independiente del dispositivo, perceptualmente uniforme CIELUV, CIELAB, Munsell 44

45 45