Соответствие цветов. Машинное представление цвета Алексей Игнатенко Лекция 2 23 марта 2009

На лекции Машинное представление цвета Соответствие цветов, эксперименты CIE Цветовое пространство CIE XYZ Однородное цветовое пространство L*a*b Мониторы. Цветовая модель и цветовое пространство RGB Точка белого, цветовая температура, гамма-коррекция

Цветность и яркость Восприятие человека позволяет различать Яркость Оттенок Насыщенность Цветность (chrominance) – на этой лекции Яркость (luminance) – на следующих

Передача цвета Как соответствуют друг другу Видимый глазом свет Цвет на мониторе / проекторе Цвет на фотографии Цвет в графическом редакторе Цвет объектов в OpenGL?

Машинное представление цвета Проблема 1: Как однозначно описать цвет? Цвет – это не энергетический спектр! Очень сложный механизм восприятия! Проблема 2: Цифровое представление цвета в компьютере

Машинное представление цвета: квантованный спектр Можно взять видимый спектр ( нм) и квантовать его с небольшим шагом (обычно 5-10нм) 40 float на точку = 160b на пиксель Изображение 1Мп = 160 мегабайт!

Цвет как три числа, трихроматическая теория Два основных следствия устройства человеческого зрения: Трихроматия, трехцветность (trichromacy) Весь спектр может быть сведен в точности к трех числам без потери информации для визуальной системы человека Метамеризм (metamerism) Все спектры, создающие одинаковые отклики, неразличимы человеком

Соответствие цветов Не нужно моделировать произвольный спектр Трех чисел достаточно Для тех цветов, которые различает человек Нужно разработать принцип численного (количественного) представления цвета Воспринимаемое соответствие цветов (perceptual color matching)

Эксперименты по соответствию цветов 1920е-1930е Экран размером 2 градуса Три источника света – основные цвета R, G, B (монохроматические) Наблюдатель может менять интенсивность каждого источника Хотя можно найти соответствие любого цвета, исходный цвет был монохроматический Чтобы ограничить число цветов Монохроматический цвет нм (пробегает радугу) с шагом 5нм

Эксперименты по соответствию цветов (2) Большую часть цветов можно задать как сумму: С = rR + gG + bB (аддитивное соответствие) Некоторые цвета нельзя задать таким способом, вместо этого: C + rR = gG + bB (субстрактивное соответствие) Создает проблемы для устройств вывода – нельзя создать лампу, которая забирает энергию Позволяет использовать любые разные базовые света

Эксперименты по соответствию цветов: проблемы Результаты верны только для конкретного наблюдателя для данных основных цветов (ламп) для монохроматических целевых цветов Для практического использования необходимо расширить их На более широкий класс наблюдателей На более широкий класс базовых цветов На более широкий класс целевых цветов

Эксперименты CIE 1931г Эксперименты по воспринимаемому соответствию цветов были проведены на большом количестве людей Для людей с нормальным цветовосприятием результаты оказались достаточно близки их можно усреднить В 1931 году на их основе CIE стандартизовала понятие стандартного наблюдателя Вывод: результаты экспериментов по соответствию цветов для стандартного наблюдателя могут быть применены к любому человеку с нормальным зрением

Эксперименты по соответствию цветов: результаты CIE ,1435,8 Положение «ручки»

Эксперименты по соответствию цветов: коррекция Кривые не соответствуют яркости источников света Нормированы, чтобы площадь под графиками была одинаковой Для получения яркости источников нужна коррекция R: 1 G: B:

Закон аддитивности Грассмана Мы знаем: Что любое излучение –сумма монохроматических излучений разной интенсивности (амплитуды волны) что любой цвет может быть описан тройкой чисел (трихроматия) как представить монохроматические цвета с помощью тройки чисел (из экспериментов CIE) для данных базовых цветов Возможно ли на основе этой информации найти тройки числе для любого цвета? Да! Закон аддитивности Грассмана

Закон аддитивности Грассмана Эмпирический закон о линейности человеческого зрения (Hermann Grassman) Аддитивность: Если наблюдатель задаст цвет лучей 1 и 2 как R1B1G1 и R2B2G2 относительно заданных основных цветов То цвет их комбинации цвет будет равен R = R1 + R2 G = G1 + G2 B = B1 + B2 Верность для любого уровня интенсивности kC1=kC2, если C1=C2

Закон аддитивности Грассмана (2) Позволяет использовать конечный набор соответствий цветов для моделирования бесконечного набора Любое спектральное распределение может быть задано как взвешенная сумма монохроматических источников => Если задать RGB-соответствия для этих цветов, то RGB для любого спектрального цвета будет взвешенной суммой RGB монохроматических цветов

Закон аддитивности Грассмана (3) В общем случае можно задать цвет для C(λ) следующим образом C(λ) С(λ), но воспринимаемый цвет будет одинаковый! Это следует из определения стандартного наблюдателя и закона аддитивности Грассмана

Соответствие цветов: пространство CIE RGB 1931 Кривые и спецификация базовых источников света задают трехмерное цветовое пространство CIE RGB ,1435,8

Соответствие цветов: пространство CIE RGB 1931 (2)

Переход между цветовыми пространствами Хотим создать другое цветовое пространство с источниками X(λ), Y(λ), Z(λ) Пусть знаем координаты этих источников (r1,g1,b1), (r2,g2,b2), (r3,g3,b3) в RGB Следовательно: r gb

Переход между цветовыми пространствами (2) В предположении о верности закона Грассмана переход между цветовыми пространствами – линейное преобразование

Пространство CIE XYZ Задача: создать новое цветовое пространство XYZ, более удобное в работе, чем CIE RGB Базовые цвета x(λ), y(λ), z(λ) всюду неотрицательны y(λ) соответствует стандартной функции свечения CIE Функция свечения отражает различную чувствительность глаза к силе излучения в различных частях спектра Точка белого «равной энергии» должна соответствовать x=y=z=1/3 «плоское» спектральное распределение

Диаграмма цветности (chromaticity diagram) Цвет – тон и яркость В модели CIE XYZ Y задает яркость. Тональность принято задавать производными параметрами x и y: Проекция на плоскость X+Y+Z=1

Диаграмма цветности для CIE XYZ

Свойства диаграммы цветности Свойства: На диаграмме представлены все цвета, видимые среднестатистическому человеку Все цвета, которые могут быть получены смешением любых двух, лежат на прямой между ними Все цвета, которые могут быть получены смешением трех цветов, лежат внутри треугольника => Смешивая три данных реальных источника света, невозможно получить все цвета, видимые человеком Область основных цветов CIE RGB

Интуитивные цветовые пространства Пространство XYZ недостаточно интуитивно Нет осмысленных значений у компонент X,Z (Y означает яркость) Нелинейно для восприятия Изменение значений xyz не означает пропорциональное изменение цвета Было разработано несколько цветовых пространств, обладающих заданными свойствами

CIE 1976 L*a*b Трехмерное пространство L* - яркость (lightness) L* =0 черный L* = 100 белый а* - положение между фиолетовым и зеленым а* < 0 фиолетовый а* > 0 зеленый b* - положение между желтым и синим b* < 0 желтый b* > 0 синий

Преобразование XYZ->Lab Преобразование нелинейное! Xn,Yn,Zn – точка белого

Цветовые пространства и модели Цветовая модель – абстрактная математическая модель описания цвета набором чисел (обычно тремя) Не имеет функции отображения в абсолютное цветовое пространство Нельзя использовать в прикладных задачах без привязки к абсолютному пространству Цветовое пространство = модель + отображение в некоторое исходное (reference) пространство Цвета не зависят от внешних факторов

Цветовые пространства Исходные (reference) цветовые пространства: CIE XYZ CIE L*a*b CIE RGB (не используется) Цветовые модели: RGB CMYK YIQ HSV HSL Производные цветовые пространства: sRGB (RGB) Adobe RGB (RGB) Apple RGB (RGB)

Модель RGB Основана на аддитивной комбинации трех основных цветов – красного (Red), зеленого (Green), синего (Blue) Описывает системы, основанные на испускании света для получения нужного цвета (телевизоры, мониторы) Сами по себе значения r,g,b не несут физического смысла Нужна привязка к исходному цветовому пространству Наиболее часто применяется в компьютерной графике, т.к. компьютерная графика работает с изображениями на мониторе

CRT: спецификация RGB элементов Три фосфора задают аддитивное цветовое пространство Для полной спецификации обычно задают xy-координаты для r,g,b-фосфоров точку белого (относительная яркость) Примеры пространств: NTSC RGB (телевизоры) HDTV RGB (телевизоры) sRGB (мониторы) При передаче сигнала (например, телевизионного) цвет кодируется в предположении о соответствии фосфоров монитора (телевизора) стандарту Если не соответствуют, но монитор должен включать в себя коррекцию (аппаратную или программную) Пространство sRGB (основные цвета и точка белого)

Спецификация RGB элементов: точка белого Точка белого – цвет, который считается белым в данных условиях Для монитора – цвет, который испускают фосфоры с максимальной яркостью (1,1,1) Фактически задает относительные яркости фосфоров Существуют стандартные точки белого CIE common white points

Точка белого: некоторые стандартные точки белого ИмяСIE 1931CCTПрим xy E1/ Точка равной энергии D D TV, sRGB D A Лампа накаливания

Цветовая температура Цветовая температура – характеристика видимого света Сравнение цвета с цветом нагретого черного тела (black body radiator) Большинство источников света построены на излучении нагретого тела, поэтому их удобно описывать с помощью цветовой температуры Можно сопоставить с реальным освещением

Цветовая температура: примеры 1600 K: восход и закат 1800 K: свеча 2800 K: лампа накаливания 3200 K: студийные лампы 5200 K: яркое полуденное солнце 5500 K: усредненный дневной свет 6000 K: облачное небо K: ярко-синее чистое небо K: молния

Пространство sRGB Создано Microsoft, Hewlett- Packard Стандартизировано в 1996г. На данный момент широко используется: Мониторы Фотоаппараты Если для изображения не указано цветовое пространство, можно считать, что это sRGB Недостатки: исходные цвета сильно внутри видимой человеком области

Пространство Adobe RGB Разработано Adobe в 1998 Цель – иметь возможность работать на мониторе с большинством цветов, доступных в модели CMYK на принтерах Более широкий диапазон передаваемых цветов (gamut) Проблема: 8 бит на цвет может не хватать

Отображения передаваемых диапазонов цветовых пространств Цветовые пространства имеют разные диапазоны передаваемых цветов (gamut) Например, не все цвета изображения с профилем Adobe RGB могут быть показаны на мониторе с фосфорами sRGB Нужно преобразовать исходное изображение таким образом, чтобы все его цвета попадали в передаваемый диапазон устройства Процесс называется отображением передаваемого диапазона (gamut mapping) Два типа непередаваемых цветов Невозможна коррекция цветности (I < 0) Возможна коррекция цветности, но невозможна коррекция интенсивности (I > 1)

Отображения передаваемых диапазонов цветовых пространств: подходы Применяется после применения преобразования в целевое пространство Локальные и глобальные подходы Примеры локальных Масштабирование цвета пикселя до попадания в диапазон Отсечение по [0,1] … Пример глобального подхода: Поиск наименьших и наибольших компонент цвета и масштабирование цветов всего изображения для попадания в диапазон

CRT: Гамма-коррекция На CRT-мониторах яркость фосфора зависит от напряжения нелинейно Перед передачей на монитор всегда применяется обратное преобразование На LCD – приходится эмулировать!

Ограничения трехцветных пространств Нельзя использовать при физических вычислениях, включающих явление дифракции, интерференции Радуга Аддитивные пространства имеют достаточно узкий диапазон передачи цвета