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Elaborazione di immagini a colori
L Caponetti
Il colore nella elaborazione di immaginiL’uso del colore è motivato da:
Il colore è un descrittore che semplifica l’identificazione di un oggetto e la sua estrazione dalla scenaL’occhio umano è in grado di distinguere migliaia di gradazioni di colore e solo poche dozzine di tonalità di grigio
Elaborazione full color – colore pieno -Le immagini sono acquisite mediante un sensore full color come una macchina forografica o uno scanner
Elaborazione false color – a falsi colori Si assegna un colore a particolari valori monocromatici ( o terne di valori monocromatici)
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L Caponetti
Considerazioni di base
I colori non sono proprieta’ intrinseche deicorpi ma sensazioni attivate nel sistemanervoso dell’osservatore
L’esperienza del colore e’ causata dal fattoche il sistema visivo risponde in modo diversoad una varieta’ di lunghezze d’onda
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Considerazioni di base
I colori non sono proprieta’ intrinseche deicorpi ma sensazioni attivate nel sistemanervoso dell’osservatore
L’esperienza del colore e’ causata dal fattoche il sistema visivo risponde in modo diversoad una varieta’ di lunghezze d’onda
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Considerazioni di base
La percezione del colore dipendedalla fisica della luce – energia elettromagneticadalla interazione della luce con i materiali fisicidalla interpretazione dei fenomeni risultanti da parte del sistema neuro-visivo umano
I colori percepiti sono determinati dalla luce riflessa dall’oggetto – lunghezza d’ondadella luce che produce lo stimolo visivo
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Considerazioni di base
La luce visibile è composta da una banda relativamente stretta della radiazione elettromagnetica
Il sistema visivo umano interpreta come luce visibile l’energia elettromagnetica
con lunghezze d’onda comprese tra400-800 nanometri –1 nm =10-9 m
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Spettro dell’energia elettromagnetica
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Spettro del visibile
Gli occhi percepiscono una parte molto limitata delle radiazioni elettromagnetiche, quelle con lunghezze d'onda (lambda) compresa tra 400 nanometri (ultravioletti) e 800 nm (infrarossi)
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Spettro del visibile
Se una luce bianca – ad esempio un raggio luminoso-passa attraverso un prisma il raggio in uscita non èbianco, ma è costituito da uno spettro continuo di colori – dal viola al rosso (Nweton 1666)
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Luce bianca
Se la luce percepita contiene tutte le lunghezze d’onda in eguale misura la luce è acromaticaUna luce acromatica può essere
Bianca se proviene direttamente da una sorgenteBianca, nera o grigia se è riflessa o trasmessa
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Luce bianca
Se la luce percepita contiene tutte le lunghezze d’onda in eguale misura la luce è acromaticaUna luce acromatica può essere
Bianca se proviene direttamente da una sorgenteBianca, nera o grigia se è riflessa o trasmessa
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Luce bianca
BiancoUn oggetto che riflette acromaticamente –cioè in modo bilanciato in tutte le lunghezze d’onda visibili- più del 80% della luce incidente bianca appare bianco
NeroUn oggetto che riflette meno del 3% della luce incidente bianca appare nero
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Luce bianca
GrigioUn oggetto che riflette con valori intermedi, più del 3% della luce incidente bianca e meno del 80%, appare grigio
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Spettro del visibile
Lo spettro del visibile è costituito dalle lunghezze d’onda dell’intervallo 400 - 800 nm (10-9 metri)
Lunghezze d’onda più elevate
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Il colore delle superfici
il colore di un oggetto dipende dala distribuzione delle lunghezze d’onda dellasorgente di luce incidenteil materiale che costituisce la superficiedell’oggetto - quanto assorbe le lunghezze d’onda
Un oggetto appare colorato se riflette solo unapiccola banda delle lunghezze d’onda e assorbetutte le altre
– ad esempio un oggetto verde riflette la lucecon lunghezza d’onda da 500 a 570 nm e assorbe quasi tutte le altre
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Il colore delle sorgenti naturali
Il sole:solitamente viene modellato come unasorgente lontana e puntiformeil colore della luce del sole varia a secondadell’ora e del periodo dell’anno
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Caratterizzazione della luce
La luce cromatica copre lo spettro elettromagnetico da 400 nm a 700 nm.Per descrivere la qualità di una fonte di luce cromatica si utilizzano 3 parametri:
Radianza – misura la quantità di energia emessa dalla sorgente (watt)Luminanza – energia percepita da un osservatore (lumen)Luminosità – descrittore soggettivo
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Curva di efficienza
Curva di efficienza: risposta dell’occhio allo stimolo luminoso a luminosità costante al variare della lunghezza d’ondaL’occhio umano vede meglio scene illuminate da luci giallo-verdi di lunghezza d’onda attorno ai 550 nm: la luce solare
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Sistema visivo umano
Nella retina vi sono due tipi di cellule sensibili alla luce:
coni: sono sensibili alla lunghezza d’onda-percezione del colore
bastoncelli: hanno lo scopo di adattarsi aicambiamenti di intensita’ di luce ad esempio allaluce crepuscolare e notturna
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La percezione umana
La retina è costituita da due tipi di cellule, detti per la loro forma, coni e bastoncelli
Coni
Bastoncelli
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La percezione umanaI coni sono sensibili alla lunghezza d’onda (percezione del colore)I coni possono essere suddivisi in 3 categorie percettive
coni rossi,coni verdiconi blu
I cui picchi di attivazione si hanno attorno a 680 nm-Rosso, 545 nm -Verde e 440 nm -Blu
Coni
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Sistema visivo umano
I coni sono responsabili della visione deidettagli e dei colori.Studi di genetica della visione supportanol’idea che esistano 3 tipi di coni, differenziatidalla loro sensibilita’ a diverse lunghezzed’onda:
Coni-S (short wavelength sensitive cone)Coni-M (middle wavelength sensitive cone)Coni-L (long wavelength sensitive cone)
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RGB
La teoria del tristimolo, di Young-Helmotz, sulla percezione del colore ipotizza che la retina abbia 3 differenti tipi di sensori (coni), ciascuno dei quali è più sensibile ad uno dei colori R-G-B
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Teoria del tristimolo
Ogni colore percepito può essererappresentato come un punto in unospazio 3D detto spazio del tristimolo
Esistono diverse rappresentazioni del colore basate su mapping in puntitridimensionali
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RGB
L’occhio umano percepisce ogni colore come combinazione di 3 colori primari:
Rosso avente lunghezza d’onda 700 nmVerde avente lunghezza d’onda 546.1 nmBlue avente lunghezza d’onda 435.8 nm
Le lunghezze d’onda dei tre colori primari sono state standardizzate dalla commissione CIE (International Commission of illumination)
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Creazione del colore
La misura del colore o delle sensazioni di colore è oggetto di studio della colorimetria.Metodi usati per formare il colore:
sintesi del colore additivasintesi del colore sottrattiva
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Colori primari e secondari
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Sintesi additiva dei colori
Ogni colore può essere ottenuto attraverso la miscelazione di tre emissioni di luce relative ai tre colori primari:
unendo le luci rosso e verde si ottengono luci giallo aranciounendo le luci rosso e blu si ottengono luci porpora...il bianco si ottiene unendo le tre luci primarie
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Sintesi sottrattiva
Nella sintesi sottrattiva non si intende produrre una radiazione luminosa di un particolare colore, ma un colorante che assorba alcune lunghezze d’onda e ne rifletta altre.
Nella sintesi sottrattiva, si definiscono primari i pigmenti/filtri che assorbono la radiazione luminosa di un colore primario, riflettendo le altre due
Magenta (assorbe il verde)Ciano (assorbe il rosso)Giallo (assorbe il blu)
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Sintesi sottrattiva
Si fa passare luce bianca attraverso dei filtri che lasciano passare solo delle radiazioni di una determinata lunghezza d’onda (cioè un dato colore)La parola “sottrattiva” significa che si eliminano dei colori dal bianco per ottenere altri colori
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Coefficienti cromatici
Le quantità di rosso, verde e blu presenti in un dato colore sono detti valori tristimolo e vengono indicati con X,Y,Z
Un colore viene specificato tramite i suoi coefficienti cromatici x,y,z
x=X/(X+Y+Z)y=Y/(X+Y+Z)z=Z/(X+Y+Z); da cui si ricava x+y+z=1
i coefficienti cromatici sono le coordinate della intersezione tra un vettore colore e il piano unitario
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Diagramma di cromaticità
x+y+z=1
Il diagramma di cromaticità mostra la composizione del colore come funzione di x (rosso) e y(verde)
Il corrispondente valore z si ricava daz=1-(x+y)
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Diagramma di cromaticità CIE
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Diagramma di cromaticità
Il diagramma di cromaticità rappresenta su un piano bidimensionale un colore, prescindendo dalla luminosità.E’ utile nello studio dei colori, che possono essere posti in relazione alle rispettive lunghezze d'onda dominanti.
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Rappresentazione del coloreCaratteristiche descrittive del colore frequentemente utilizzate sono:
Luminosità (brightness): attributo che si riferisce alla quantità di luce presente - intensità
Tinta (hue): attributo legato alla lunghezza d’onda dominante. Rappresenta ciò che un osservatore definisce “il colore dominante”Saturazione (saturation): attributo che si riferisce alla purezza della
tinta; è la percentuale con cui il colore puro è diluito con il biancoUn colore puro è saturo al 100%Un colore ha una una bassa saturazione quando nel colore è presente un’elevata quantità di luce bianca
L’insieme della tinta e della saturazione definiscono la cromaticità, ovvero ciò che caratterizza il colore indipendentemente dalla intensità luminosa presente
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Schema di Munsell
Tutte le linee verticali tratteggiate sono la rappresentazione della medesima “linea dei grigi”.
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Modelli di colore
Un modello di colore specifica un sistema dicoordinate 3D ed un sottoinsieme del sistemain cui tutti i colori sono rappresentati da puntiModelli orientati a particolari dispositivi
RGB monitorCMYK hardcopy
Modello derivato dallo studio dellapercezione HIS, HSV
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Modello RGBOgni colore è rappresentato dalle sue componentiprimarie relative al Rosso, Verde e Blu
Il modello è basato su un sistema di coordinate cartesiane ed in partcolare su un cubo, in cui i valoriprimari RGB si trovano su 3 spigoli
I colori primari R-G-B sono additivi. Il colorerisultante si ottiene in modo additivo dallecomponenti R-G-B
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Cubo RGBR G B
Red 1,0,0
Green 0,1,0
Blue 0,0,1
Black 0,0,0
white 1,1,1
La diagonale principale dal punto (0,0,0) al punto (1,1,1) rappresenta livelli di grigio.
Un livello di grigio ha uguale componente di R, G, B
R G B
Red 1,0,0
Green 0,1,0
Blue 0,0,1
Black 0,0,0
white 1,1,1
La diagonale principale dal punto (0,0,0) al punto (1,1,1) rappresenta livelli di grigio.
Un livello di grigio ha uguale componente di R, G, B
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Cubo RGB
Coordinate nel sistema R-G-B Black (0,0,0)White (1,1,1)Red (1,0,0)Green (0,1,0)Blue (0,0,1)
La diagonale principale dal punto (0,0,0) al punto(1,1,1,) rappresenta livelli di grigioCiascuno di questi livelli ha uguale componente diR, di G e di B
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Spazi di colore
lo spazio RGB é rappresentato tramite il cubo RGB – in figura I colori sono normalizzatida 0a 255
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Caratteristiche del modello RGB
Un colore c è definito come somma pesata ditre valori r, g, b
c = rR + gG + bBdove r, g, b sono i pesi relativi ai 3 coloriprimariIl sistema R-G-B è percettivamente non lineare: distanze uguali nello spazio RGB non corrispondono a differenze uguali dellapercezione visiva
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Modello CMY- Cyan, Magenta, Yellow
C-M-Y sono i colori complementari dei coloriR-G-B
ciano (Cyan) (0,1,1) magenta (1,0,1) giallo (Yellow) (1,1,0)
Il modello CMY rappresenta lo stesso spaziodi colore del modello RGB ma utilizza i coloricomplementari
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RGB -> Cyan, Magenta, Yellow
I colori C-M-Y sono complementari deicolori R-G-B
−
=
BGR
YMC
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RGB -> C MY
Ciano
Magenta
Yellow
−
=
=
001
111
110
C
−
=
=
010
111
101
M
−
=
=
100
111
111
Y
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Modello Cyan, Magenta, Yellow
I colori CMY sono detti primari sottrattivi. Possonoinfatti essere usati per sottrarre un colore dalla lucebianca
Il modello CMY si basa sulla capacita’ propriadell’inchiostro su carta di assorbire luce
Ad esempio se la luce bianca colpisce una superficiesu cui c’è un inchiostro di colore ciano, nessuna lucerossa – complementare del ciano- viene riflessa, ma viene assorbita
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RGB -> C MY
Ciano
Magenta
Yellow
−
=
=
001
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110
C
−
=
=
010
111
101
M
−
=
=
100
111
111
Y
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Modello Cyan, Magenta, Yellow
I colori CMY sono detti primari sottrattivi. Possonoinfatti essere usati per sottrarre un colore dalla lucebianca
Il modello CMY si basa sulla capacita’ propriadell’inchiostro su carta di assorbire luce
Ad esempio se la luce bianca colpisce una superficiesu cui c’è un inchiostro di colore ciano, nessuna lucerossa – complementare del ciano- viene riflessa, ma viene assorbita
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Modello C MY K
K rappresenta il nero (blacK)il nero puo’ essere derivato direttamente dallacombinazione di C M e Y (ossia assorbendo tutti e trei colori base) Generalmente gli inchiostri di stampa contengonomolte impurita’, quindi questo modello dicombinazione del colore invece di produrre il neroproduce un marrone scuro
CMYK e’ lo standard delle stampanti
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Spazio HSI
H = hue, tintaS = saturation, saturazioneI = luminosità/intensità
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Spazio HSIHue – tinta descrive la tinta del colore come coordinata angolare
( dal rosso 00 al rosso 3600)
Saturazione varia da 0 (colore desaturatogrigiastro) a 1 (colore puro o saturo) – lungo il raggio
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Spazio HSI
I –luminosità/intensitàvaria lungo l’asse del cono
I livelli di grigio sono lungo l’asse del cono a saturazione 0
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Spazio HSIHue: e’ la tinta vera e propria.La qualità per cui distinguiamo unafamiglia di colori da un’altra
Saturazione: la distanza del colore dal grigio piu’ vicino. La qualità per cui distinguiamo un colore forte-puro- da uno debole
Valore o Luminosità: indica la quantita’ di luce o quantita’di bianco di un colore
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Spazio HSI
Il sistema HSI fornisce un modo piùnaturale per definire un colore
Con il valore della tinta - hue – si definisce il colore tra quelli dell’arcobaleno (rosso, arancione, giallo, verde, blu, violetto, nero)Diminuendo il valore di intensità si muove il colore verso il neroDiminuendo la saturazione si muove il colore verso il bianco
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L Caponetti
Conversione da RGB a HSI
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Conversione da RGB a HSI
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HSV/HSI
HSVHSI
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Sistema YIQE’ il sistema utilizzato nella trasmissione televisiva (Standard NTSC)
Un colore RGB può essere convertito in YIQ:
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114BI = 0.596R - 0.275G - 0.311BQ = 0.212R - 0.528G + 0.311B
dove Y – luminanza- è la componente di intensità, rappresenta un colore mediante un livello di grigio
I pesi riflettono la sensibilità dell’occhio ai colori primari RGB
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Sistema YIQ
I,Q codificano la cromaticità’
ll sistema YIQ è utile nella trasmissione delle immagini per ottimizzarne la codifica
Infatti il sistema visivo umano è più sensibile alla variazione di luminanza piuttosto che alla variazione di cromaticità: le componenti I,Q possono essere compresse più della componente Y
