Reprezentacje danych multimedialnych - kolory

1. Natura �wiatła2. Widzenie barwne3. Diagram chromatyczno�ci4. Modele koloru

Natura �wiatła, spektra

�wiatło – fala elektromagnetyczna z zakresu 400 nm ÷700 nm

Zwykle widzimy nie jedn� cz�stotliwo��, ale całe spektrum.

Mechanizm widzenia

Oko działa tak jak kamera

Pr�ciki – widzenie zmierzchowe

Czopki – widzenie barwne, w pełnym �wietle

Widzenie barwne

Barwa – długo�� fali:

Ale normalne �wiatło nie jest monochomatyczne –jak widzimy �wiatło o ci�głym widmie?

Jaki jest zwi�zek typu spektrum i barwy?

Trzy typy czopków, ka�dy z typów wra�liwy na ró�ne fragmenty spektrum.

Widzenie barwne – c.d.

Czuło�ci spektralne czopków i czuło�� jasno�ciowa oka

Maksima dla: 440 nm (niebieskie), 545 nm (zielone), 580 nm (czerwone); 550 nm (jasno��)

Widzenie barwne – c.d.

Charakterystyki sygnału kolorowego:

Kolor – wyspecyfikowany przez trójk� liczb (R,G,B). Tak wi�c kolory okre�lone s� w 3-wymiarowej przestrzeni wektorowej

Ró�ne widma mog� da� te same (R,G,B) – te same kolory.

Mieszanina kolorów – nowy kolor

Formowanie obrazu barwnego

� Powierzchnie nie�wiec�ce przy o�wietlaniu – odbijaj� ró�n� ilo�� �wiatła przy ró�nych długo�ciach fali

� Charakterystyka zdolno�ci odbijania – funkcja S(λ)� Przykład: funkcje S(λ) dwu ró�nych przedmiotów

Formowanie obrazu barwnego c.d.

• Model powstawania obrazu

• Funkcja C(λ) – sygnał kolorowy, równy E(λ) S(λ)

Kamera, korekcja gamma� Dla ka�dego piksela – trzy sygnały analogowe� Sygnały podlegaj� digitalizacji (obci�cie do liczb

całkowitych). Typowo – precyzja 8-bitowa � Wy�wietlanie obrazu – sygnał zamieniony na analogowy

(napi�cie) i u�yty do sterowania działa elektronowego katody

� Ilo�� �wiatła – nieliniowa funkcja napi�cia, np. dla kanału czerwonego

Φ ~ Rγ, γ ≈2.2� Systemy TV – przed transmisj� sygnał podlega korekcie,

tak, by po wy�wietleniu �wiatło było proporcjonalne do sygnału (korekcja gamma)

R � R’ = R 1/γ

Korekcja gamma

Korekcja gamma – c.d.

bez korekcji z korekcj�

Składanie barw

� Lata 30-te – eksperymenty CIE z odtwarzaniem ró�nych barw przez wybrane trójki barw podstawowych

� Technika – eksperyment kolorymetryczny

Składanie barw – c.d.

Czy ka�dy kolor da si� uzyska� jako mieszank� podstawowych?

Funkcje dopasowania koloru

Diagram chromatyczno�ci CIE

� Czy mo�na dobra� tak trzy barwy podstawowe, by ka�dy kolor mo�na było uzyska� przez ich dodatnie kombinacje?

� Tak, ale nie b�d� to czyste kolory� 1931, CIE, barwy podstawowe X,Y,Z

Diagram chromatyczno�ci CIE – c.d.

Współrz�dne X, Y, Z:

Płaszczyzna X+Y+Z=1

Własno�ci diagramu:

� Kraw�dzie diagramu odpowiadaj� „czystym” kolorom widmowym

� Biel (temperatura 6447 K) – punkt W� Dla ka�dych dwóch kolorów ich

kombinacja daje punkt le��cy na linii je ł�cz�cej

� Dla ka�dych trzech kolorów ich wszystkie ich mieszanki le�� we wn�trzu trójk�ta rozpi�tego na nich

Modele kolorów dla obrazówAddytywny model RGB� Wy�wietlacz ma 3 rodzaje

fosforu, które ró�nie �wiec� przy pobudzeniu

� Kolor uzyskuje si� przez odpowiednie pobudzenie ka�dego rodzaju

Subtraktywny model CMY� U�ywany dla urz�dze�

drukuj�cych (barwa – pochła-nianie �wiatła w pigmencie)

� Barwy podstawowe – cyjan (-R), magenta (-G), �ółty (-B).

� Kolor – usuni�cie z białego

Modele kolorów dla obrazów

� Transformacje pomi�dzy modelami

� Model CMYK• Równe ilo�ci C, M i Y – powinny da� czer�• W praktyce – nie daj� (zamiast tego – brudny br�z)• Taniej i łatwiej u�ywa� CMY oraz czerni (K) w sposób jak ni�ej

Modele kolorów dla video

Model YUV� U�ywany do reprezentacji kolorów w video PAL� Y – luminancja – podstawowa zmienna CIE (odpowiadaj�ca czuło�ci

oka na jasno��Y = 0.299 R + 0.587 G + 0.114 B

� Chrominancja – ró�nica mi�dzy kolorem a �wiatłem białym o tej samej jasno�ci. Reprezentowana przez składowe U, V.

� Definicja pierwotna:U = B – YV = R – Y

� Aktualnie u�ywa si� warto�ci przeskalowanych (aby sygnał composite video był w wygodnym zakresie):

U = 0.492 (B – Y)V = 0.877 (R – Y)

Modele kolorów dla video – c.d.

Przesłanki tego wyboru:� Kompatybilne z telewizj� czarno-biał� (gdy tylko Y)� Ró�na czuło�� oka na luminancj� i chrominancj� – wa�ne

dla alokacji pasma w transmisji sygnału analogowego, czy cz�sto�ci próbkowania sygnału cyfrowego.

Inne modele – oparte na podobnej zasadzie.

Y U V

Model YCbCr

� Blisko powi�zany z YUV� Składowe chrominancji przeskalowane i przesuni�te:

Cb = (B – Y)/1.772 + 0.5Cr = (R – Y)/1.402 + 0.5

� Tak zdefiniowane współczynniki Y, Cb, Cr maj� warto�ci pomi�dzy 0 a 1

� YCbCr u�ywane w kompresji JPEG i MPEG

Model YIQ

� U�ywany do reprezentacji kolorów w systemie NTSC� Stara si� lepiej ni� YUV dopasowa� do zdolno�ci

percepcyjnych oka ludzkiego� I, Q – przeskalowane i obrócone U, V; I – o�

pomara�czowo-niebieska; Q – purpurowo-zielonaI = 0.877 (R – Y) cos 33° – 0.492 (B – Y) sin 33°Q = 0.877 (R – Y) sin 33 ° + 0.492 (B – Y) cos 33°

� Oko najbardziej czułe na Y, nast�pnie I, potem Q.

Y I Q

Podsumowanie

� Kolorowe obrazy s� kodowane przez trójki liczb okre�laj�cych barw�

� RGB jest addytywnym modelem u�ywanym przez urz�dzenia emituj�ce �wiatło, CMY – subtraktywnym modelem u�ywanym dla drukarek

� YUV i YIQ s� najcz��ciej u�ywanymi modelami koloru dla video

� Modele YUV, YIQ wykorzystuj� własno�ci oka ludzkiego do przypisania wagi informacji ró�nego typu

� Modele RGB, CMK, YUV, YIQ s� zorientowane na sprz�t. Oprócz nich s� mo�liwe inne modele (np. HSB)