1 El Color en Computación Gráfica 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? Lab. de Visualización y Computación Gráfica Dpto. de Ciencias e Ingeniería de la Computación Universidad Nacional del Sur 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? Percepción del Color Estímulo Percepción Conceptos Básicos La corteza visual es uno de los centros de alto nivel donde se procesan las sensaciones 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 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 Los elementos básicos a tener en cuenta son El Estímulo El El
2 El espectro electromagnético Luces espectrales puras Densidad espectral Verde Naranja Violeta Azul Amarillo Rojo 380 nm 760 nm Ubicación del espectro visible (por los humanos) dentro del espectro electromagnético. Longitud de onda (nm) La densidad espectral es la potencia por longitud de onda o potencia relativa. Espectros para algunos colores comunes Distintas Fuentes de Luz La luz de la mayoría de las fuentes no consiste sólo de una longitud de onda sino que tiene distinta potencia para un determinado conjunto de longitudes de onda. A este conjunto de densidades espectrales se lo denomina espectro de la luz. Negro Naranja Gris Rojo Verde Blanco Púrpura Potencia relativa Amarillo Azul Longitud de onda (nm) Reflectancia Si la luz L está dada por la siguiente curva de respuesta: Reflectancia Para calcular la respuesta del objeto O a la luz L debemos multiplicar longitud de onda a longitud de onda, las dos curvas....y un determinado objeto O responde a la luz de intensidad uniforme para cada longitud de onda del siguiente modo El área gris representa la luz reflejada por el objeto, es decir, la respuesta total a la luz recibida.
3 Interacción de la luz con un objeto La Luz Metámeros Metámeros Colores que parecen el mismo bajo una fuente de luz...... pueden lucir totalmente diferentes bajo otra fuente de luz. Applets: www.cs.brown.edu/exploratories/freesoftw are/repository/edu/brown/cs/exploratories Los elementos básicos a tener en cuenta son El Estímulo El 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.
4 La luz que impacta en la retina excita 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 al ojo pasa a través de: l córnea l pupila l lente l cámara vítrea y entonces impacta la retina La luz que entra a la retina debe pasar por varias capas de células antes de impactar los fotorreceptores. Los Fotorreceptores Absorción de la luz en conos y bastones de la retina 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. Conos 7.000.000 Concentrados cerca del centro de la retina Sensibles a las long. de onda alta, media y baja Bastones 115.000.000 Concentrados en la periferia de la retina Sensibles a la intensidad La mayoría son sensibles a los 500 nm (~verde) E. Bruce Goldstein. Sensation and Perception, Brooks/Cole, 1999. Absorción de la luz en conos de la retina luego de ser procesado por los conos Curvas de respuesta espectral de los 3 tipos de conos en la retina Imágenes de David Forsyth 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.
2 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 5 Metamerismo Diversos mecanismos del 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 Si consideramos una persona con dos tipos de receptores R1 y R2, percibirá señales luminosas I1 e I2 como iguales. 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. Respuesta logarítmica de los fotorreceptores La luz percibida no es una función lineal de la cantidad de luz emitida por una lámpara. Respuesta logarítmica de los fotorreceptores. Escalas de Grises Inhibición Lateral. Bandas de Mach Inhibición Lateral. Bandas de Mach La inhibición lateral aumenta el cambio de contraste aparente en cada escalón, causando un overshoot en el perfil de intensidad percibido. www.nbb.cornell.edu/neurobio/land (Trabajos año 96-97)
6 Inhibición Lateral. Bandas de Mach Efectos de Contraste. Contraste Simultáneo El contraste se define como la diferencia relativa en la intensidad entre un punto de una imagen y sus alrededores. El brillo percibido de una región depende de la intensidad del área circundante www.nbb.cornell.edu/neurobio/land (Trabajos año 96-97) Efectos de Contraste. Contraste Simultáneo Efectos de Contraste. Contraste Simultáneo Es el cambio en apariencia de un área central causado por la presencia de un área vecina. El colorido del target también está afectado por la zona circundante. En general, los colores parecen más vívidos contra colores de menor luminosidad. Esto ocurre particularmente con el gris. 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. Efectos de Contraste. Contraste Simultáneo Teniendo en cuenta 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. 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.
7 Combinando estos conceptos de respuesta no lineal a la intensidad, interacción de los fotoreceptores y respuesta en frecuencia del ojo, podemos observar: Fenómenos de Adaptación. Afterimages 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 deja de percibir cuando éstos son demasiado finos. Detalles con alto contraste se resuelven mejor que los con bajo contraste. Fenómenos de Adaptación. Afterimages Constancia de distintas cantidades visuales En el sistema visual se da la adaptación a la oscuridad y a la luz Cuando se enfoca sobre un estímulo muy fuerte, los fotorreceptores responden a esa luz entrante. Si se continúa mirando a ese estímulo, los fotorreceptores se desensibilizan (se fatigan). Esta fatiga es más fuerte para las células enfocadas a las partes más brillantes de la figura y más débil para las enfocadas a la parte más oscura. Entonces, cuando la pantalla se pone blanca, las células menos fatigadas responden más fuertemente que sus vecinas produciendo la parte más brillante de la afterimage. La constancia perceptual es la tendencia a percibir los objetos como estables o sin cambios a pesar de cambios en la información sensorial. En lo referido a las cantidades visuales hay 2 tipos: Constancia de brillo: percepción de que la brillantez es la misma a pesar de variar la cantidad de luz que incide sobre la retina. Constancia de color: tendencia a percibir los objetos familiares como si mantuvieran su color a pesar de cambios en la información sensorial. Sistemas de 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?
8 Supongamos 3 fuentes primarias de luz con espectro P k (λ), k =1,2,3 La intensidad de cada fuente de luz puede ajustarse por un factor b k. Cómo elegimos b k, k =1,2,3, de modo tal que se obtenga como resultado un conjunto de valores triestímulo (α R, α G, α B ) deseados? C (λ)= b 1 P 1 (λ)+b 2 P 2 (λ)+b 3 P 3 (λ) 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. Así podemos describir un color como la superposición de tres colores primarios Los colores se describen a menudo comparándolos con muestras o luces de un color estándar para encontrar así la coincidencia más cercana.? = Experimento de matching de color: Luz monocromática de test y luces monocromáticas primarias. Primarios RGB (escaladas de modo tal que R λ =G λ =B λ matches el blanco espectral). Intensidad negativa : el color se suma al color test Observador humano estándar: CIE (Commision Internationale de L Eclairage), 1931.
9 Sistema primario CIE XYZ La definición de los primarios XYZ se realizó en la especificación de 1931 para un observador estándar. Es decir que la CIE definió un conjunto de funciones de matching de colores para el observador estándar con las siguientes propiedades: Diagrama de cromaticidad CIE Los valores de color xyy pueden graficarse en un gráfico muy útil conocido como el diagrama de cromaticidad CIE. Todas las funciones espectrales de matching son positivas Y corresponde a la luminancia Igual energía del blanco: X=Y=Z Primarios virtuales 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 de (0.6, 0.3), por ejemplo son percibidos como rojo. El diagrama CIE tiene muchos usos. Varios de estos se derivan de la facilidad con que podemos interpretar las líneas rectas sobre el mismo. Representar iluminantes estándar Todos los puntos 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 punto 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) son complementarios porque cantidades adecuadas de cada uno de ellos da blanco, w. E i A k F C B D j 0.8 0.6 y 0.4 0.2 0 4000 5000 3000 6000 2000 7000 8000 A 10000 B 20000 C E D65 0 0.2 0.4 0.6 0.8 x A Luz tungsteno B Puesta sol C Cielo azul D65 Luz del día promedio E Blanco de igual energía (x=y=z=1/3)
10 Desafortunadamente, iguales distancias entre puntos en el diagrama no corresponden a diferencias iguales en el color percibido. Otro de los usos importantes del diagrama CIE es la comparación de gamuts de dispositivos. Los gamuts de color son los rangos de colores que un dispositivo puede producir. 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. 0.8 G 2 NTSC PAL R 1 G 1 B 1 Primarios PAL R 2 G 2 B 2 Primarios NTSC 0.6 y 0.4 G 1 D65 C E R 1 R 2 D65 Blanco de referencia PAL C Blanco de referencia NTSC 0.2 0 B 1 B 2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 x Mapeo de Gamuts 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 Sistemas de gestión de Color
11 Mapeo de Gamuts 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. Sistemas de gestión de Color 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. Sistema RGB Colores Aditivos Primarios Rojo Verde Azul Combinan luces roja, verde y azul 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, y b se confinan a valores entre 0 y 1, todos los colores están dentro del cubo. Sistema CMY Colores Sustractivos Primarios Cyan Magenta Amarillo Filtran la luz blanca para modular rojo, verde y azul 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
12 Colores Sustractivos Es más natural especificar... Filtros Ideales Líneas sólidas Filtros Bloque Filtros Reales Impurezas Resultados No Linealidad Colores más oscuros Crominancia Saturación Brillo 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 Sistema Munsell Sistema CIELuv blanco valor Hue Saturación negro Representan el color de manera perceptualmente uniforme. Bibliografía 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 ACM SIGGRAPH Proceedings Agoston, M. Computer graphics & geometric modeling / Mathematics, Springer-Verlag London Ltd., 2005. Angel, E., Shreiner, D. Interactive Computer Graphics: A top-down approach with shader-based OpenGL, Addison Wesley, 6th. Ed., 2011. Foley, J., van Dam, A., Feiner, S. y Hughes, J., Computer Graphics. Principles and Practice, Addison Wesley, 1992, 2 nd Edition. Hearn, D., Baker, M.P., Computer Graphics, C Version, Prentice Hall Inc., 2003, 3rd Edition. Hill, F. Jr, Kelley, S., Computer Graphics Using OpenGL, Prentice Hall, 3rd Ed., 2006. Watt, A., 3D Computer Graphics, Addison-Wesley Publishing Company, 1999. Watt, A., Watt, M., Advanced Animation and Rendering Techniques: Theory and Practice, Addison- Wesley Publishing Company, 1993.
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