colorarea - math.uaic.romunteanu/cursuri/curs_05_an3.pdf · cuprinsinformat˘ii generale lumina...

Cuprins Informatii generale Lumina acromatica si lumina colorata Modele de culoare

Colorarea

Marian Ioan MUNTEANU

Al.I.Cuza University of Iasi, Romaniawebpage: http://www.math.uaic.ro/∼munteanu

5 Noiembrie 2012

Cuprins

1 Informatii generale

2 Lumina acromatica si lumina colorataFiziologia vederiiPrincipiul de functionare al unui monitor CRTTehnici aditive si substractive; efecte opticeEfecte optice

3 Modele de culoare

Introducere

Studiul sistematic al reprezentarii culorilor ınComputer Graphics s-a dezvoltat relativ recentdatorita faptului ca sistemele de vizualizare cefolosesc o gama ampla de culori sunt de putin timpraspandite. Primele sisteme aveau o gama de 8-16culori si, astfel, se ıntelege de ce ın acest caz nu eradeosebit de necesar un studiu aprofundat alreprezentarii si perceptiei culorilor.

Introducere

Dupa cum se stie, culoarea unui obiect nu depindedoar de obiectul ın sine, ci si de sursa de lumina, deculoarea mediului ınconjurator si de sistemul devizualizare al omului. Spre exemplu, daca iluminamcu lumina rosie un obiect care reflecta doar luminaalbastra, acesta va aparea complet negru. In acelasimod, un fond ınchis va face sa apara un obiect caresta ın fata mai deschis, iar ochiul omului poatevedea si alte nuante care ın realitate nu exista.

Premii Nobel

In 1909 sunt atribuite doua premii Nobel pentrufizica:

Guglielmo Marconi pentru cercetarile ındomeniul undelor radio

Karl Ferdinand Braun pentru cercetari ındomeniul razelor catodice.

Premii Nobel

Tehnologia tuburilor cu raze catodice (descoperitadeci ın primii ani ai secolului al XX-lea) esteutilizata mai ales ın anii ’50−’60 odata cudezvoltarea televiziunii.

Un monitor CRT - mai economic (devine istorie?).

Imaginea este produsa pe suprafata interna a tubului(care este una fosforescenta) de catre unul sau maimulte fascicule de electroni care o bombardeaza.

Tehnologia tuburilor cu raze catodice (descoperitadeci ın primii ani ai secolului al XX-lea) esteutilizata mai ales ın anii ’50−’60 odata cudezvoltarea televiziunii.

Un monitor CRT - mai economic (devine istorie?).

Imaginea este produsa pe suprafata interna a tubului(care este una fosforescenta) de catre unul sau maimulte fascicule de electroni care o bombardeaza.

Lumina acromatica

– este ceea ce se vede pe ecranul unui televizoralb-negru, cantitatea de lumina fiind singurul atributal acestui tip de lumina.

In fizica:

energie a semnalului luminos (sau, mai concret,puterea semnalului luminos) si este definita de unatribut fizic numit intensitatea luminii sauluminanta.

Termenul de luminozitate se refera ınsa la senzatiapsihologica a perceptiei luminii.

Lumina acromatica

In fizica:

Lumina acromatica

In fizica:

Lumina acromatica

Diferitelor niveluri de intensitate li se asociazaanumiti scalari care variaza de la 0 la 1:

0 reprezinta negrul1 albulcelelalte valori reprezinta diferite nuante de gri.

Dorim sa vizualizam 256 nuante de gri diferite pe unmonitor.

Ne punem ıntrebarea:ce nivele de intensitate va trebui sa folosim?

Lumina acromatica

Primul imbold ar fi acela de a diviza intervalul [0,1]ın 256 de parti egale. Procedand astfel, nu vomobtine 256 de nuante de gri diferite, deoarece ochiulnostru nu este sensibil ın mod liniar la luminanta.

Spre exemplu,

diferenta dintre intensitatile 0,10 si 0,11 – clardiferenta dintre 0,5 si 0,55 – insesizabil

Lumina acromatica

Primul imbold ar fi acela de a diviza intervalul [0,1]ın 256 de parti egale. Procedand astfel, nu vomobtine 256 de nuante de gri diferite, deoarece ochiulnostru nu este sensibil ın mod liniar la luminanta.

Spre exemplu,

diferenta dintre intensitatile 0,10 si 0,11 – clardiferenta dintre 0,5 si 0,55 – insesizabil

Lumina acromatica

Negrul de pe monitor nu va avea niciodata valoarea 0 deoarecenu e posibil sa stingem complet fosforul.

Exista astfel o valoare minima de intensitate I0 careia ıiatribuim (impropriu) numele de negru.Experimental se obtine o progresie geometrica:pentru a gasi cele 256 de intensitati diferite plecand de la I0,este necesar sa ımpartim intervalul [0,1] astfel ıncat valoareaintensitatii pe fiecare interval sa fie de r ori intensitateaintervalului precedent):

I0 = I0, I1 = r I0, I2 = r I1 = r 2I0, . . . , I255 = r 255I0.

Daca acum impunem I255 = 1, atunci r =

) 1255

Lumina acromatica

I0 = I0, I1 = r I0, I2 = r I1 = r 2I0, . . . , I255 = r 255I0.

) 1255

Lumina acromatica

I0 = I0, I1 = r I0, I2 = r I1 = r 2I0, . . . , I255 = r 255I0.

) 1255

Lumina acromatica

I0 = I0, I1 = r I0, I2 = r I1 = r 2I0, . . . , I255 = r 255I0.

) 1255

Lumina acromatica

Cea mai mica intensitate variaza de la 1200

la 140

dinintensitatea maxima 1. Raportul dintre intensitatea maxima si

cea minima se numeste dynamic range si este1

Din experiente s-a dedus ca r = 1, 01 este o valoare limita subcare este recomandabil sa nu se coboare, i.e. sub aceastavaloare ochiul uman normal nu reuseste sa faca diferenta ıntreIj si Ij+1. Astfel, se obtine numarul maxim de nivele care pot fidistinse de ochiul uman ce pot fi obtinute pe un dispozitiv alcarui dynamic range este cunoscut:

n = log1.01

Lumina acromatica

Cea mai mica intensitate variaza de la 1200

la 140

dinintensitatea maxima 1. Raportul dintre intensitatea maxima si

cea minima se numeste dynamic range si este1

Din experiente s-a dedus ca r = 1, 01 este o valoare limita subcare este recomandabil sa nu se coboare, i.e. sub aceastavaloare ochiul uman normal nu reuseste sa faca diferenta ıntreIj si Ij+1. Astfel, se obtine numarul maxim de nivele care pot fidistinse de ochiul uman ce pot fi obtinute pe un dispozitiv alcarui dynamic range este cunoscut:

n = log1.01

Lumina colorata

Senzatia vizuala pe care o produce lumina colorataeste mult mai placuta vis-a-vis de cea acromatica.Trei parametri sunt implicati ın mod esential pentrua descrie culoarea luminii:

• hue = nuanta

Figura: Nuante diferite: hue = 1, 0.9, 0.8, . . . , 0.1

Lumina colorata

• saturation = saturatia − indicativ pe scalanuantelor de gri.Exemplu: hue = 0.9, lum = 0.7

Figura: Saturatii diferite: sat = 1, 0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.4, 0.2

• lightness = luminozitatea − aceeasi semnificatieca si la lumina acromatica.Exemplu: hue = 0.75, sat = 0.825

Figura: Luminozitati diferite: lum = 1, 0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.4, 0.2

Lumina colorata

Din punct de vedere fizic, lumina este o unda electromagneticaavand lungimea de unda cuprinsa ıntre 4000 A si 7600 A dinspectru. Frecventele din intervalul de mai sus sunt perceptibileca si culori: violet, continuand cu indigo, albastru, verde,galben, orange, rosu, cele 7 culori ale curcubeului.

Ochiul nu este la fel de sensibil pentru diferitele lungimi deunda ale fluxului radiant incident.

Lumina colorata

Din punct de vedere fizic, lumina este o unda electromagneticaavand lungimea de unda cuprinsa ıntre 4000 A si 7600 A dinspectru. Frecventele din intervalul de mai sus sunt perceptibileca si culori: violet, continuand cu indigo, albastru, verde,galben, orange, rosu, cele 7 culori ale curcubeului.

Ochiul nu este la fel de sensibil pentru diferitele lungimi deunda ale fluxului radiant incident.

Lumina colorata

Astfel, daca avem doua radiatii ce transporta aceeasi putere(acelasi flux radiant), dar au lungimi de unda diferite, deexemplu

λ1=5300 A (verde), λ2=6500 A (rosu),masuratorile arata ca verdele produce o senzatie de lumina de7,8 ori mai intensa decat rosul.Cu alte cuvinte spunem ca ochiul este mai sensibil la verdedecat la rosu, astfel ıncat, daca dorim sa avem aceeasi senzatieluminoasa pentru ambele radiatii, sursa rosie trebuie sa fie de7,8 ori mai puternica.Experimental: sensibilitatea ochiului este maxima pentruculoarea verde-galbui cu λ0=5500A devenind aproape nula ınregiunea violeta, pentru λ=4000A si ın regiunea rosie pentruλ=7600A.

Lumina colorata

Fiziologia vederii

Retina ochiului omenesc contine grupari de celule:conuri si bastonase.

Bastonasele sunt fotoreceptori sensibili la variatia deluminozitateConurile sunt responsabile cu perceptia culorilor.

Conurile contin compusi chimici, numiti fotopigmenti, a caroractivare depinde de lungimea de unda a luminii cu care intra ıncontact.

Studii medicale si biologice au aratat existenta a trei tipuridiferite de fotopigmenti, sensibili la trei lungimi de undadiferite, numiti rosii, verzi si albastri dupa nuanta frecventeila care corespunde activarea maxima a fiecaruia dintre acestia.

Fiziologia vederii

Conurile sunt asadar caracterizate de tipul de fotopigment pecare ıl contin: exista astfel conuri rosii, verzi si albastre.Experimentele au aratat ca valoarea maxima a lungimii deunda pentru conurile albastre este ın jur de 4400 A, pentrucele verzi ın jur de 5450 A si pentru cele rosii ın jur de 5800 A.Conurile albastre sunt cel mai putin sensibile ın timp ce celerosii si cele verzi sunt cu adevarat active.

Teoria tristimulului afirma ca este posibil sa se reprezinte oculoare amestecand cele trei lumini monocromatice, numiteprimare, cu lungimile de unda de 4400 A (BLUE), 5450 A(GREEN) si 5800 A (RED).Astfel functioneaza si un monitor CRT (Cathodic Ray Tube).

Fiziologia vederii

Principiul de functionare al unui monitor CRT

In acest paragraf vom descrie ın linii mari modul defunctionare al unui tub cu raze catodice.

Ecranul este contruit ın maniera ca fiecare pixel este formatdin trei bucati mici de fosfor, diferite, care, atinse de fascicululde electroni, emit lumina vizibila ın lungimile de unda de rosu,verde si albastru. Pentru simplificarea operatiilor se pun ın tubtot trei tunuri de electroni, fiecare asociat la una din cele treiculori primare, iar pentru evitarea interferentelor dintrefascicole este montata o masca perforata (shadow mask),astfel ca primul fascicul atinge fosforul rosu, al doilea pe celverde si al treilea pe cel albastru. In video controller, fiecarepixel este descris de trei informatii diferite, cate una pentrufiecare componenta primara.

Principiul de functionare al unui monitor CRT

Fiecare din cele trei informatii serveste, transformata ın semnalanalogic, la activarea tunului de electroni corespunzator dinCRT.

Tehnici aditive si substractive; efecte optice

Asa cum am mai spus, o culoare se obtine amestecand luminacelor trei culori primare.

De exemplu, galbenul (5600A) se obtine amestecand rosu siverde.

Acest lucru nu trebuie sa ne surprinda. Noi suntem obisnuitisa obtinem noi culori amestecand culorile, adica folosind otehnica substractiva; pe albul foii de hartie (care continetoate frecventele) aplicam o culoare care reflecta doar una dinlungimile de unda.

Cu lumina ınsa se utilizeaza o tehnica aditiva.

Tehnica aditiva vs. substractiva

Efecte optice

Culoarea unui obiect, asa cum am mai spus, depinde si demodul ın care creierul nostru elaboreaza informatia vizuala.

Ochiul este un simplu senzor; informatia pe care acesta oreceptioneaza este transmisa prin nervul optic la creier iaracesta o elaboreaza pentru a obtine imaginea pe care o vedemın realitate.

Este de notat faptul ca exista o zona pe retina ce nu continecelule receptoare numita pata oarba.

In acest caz, creierul va reconstrui cu o eficienta extraordinarazona care ”lipseste” pe baza informatiilor pe care le detine dinrestul imaginii, pentru a nu avea ”gauri” ın campul nostruvizual.

Efecte optice

Cateva efecte se pot obtine alaturand culori ın diferite imagini.

In figura de mai jos discurile din interiorul dreptunghiurilor para fi de nuante diferite. Cu toate acestea este aceeasi nuantade gri.

Figura: Cele trei discuri sunt de aceeasi nuanta de gri

Efecte optice

De asemenea, obiectele de aceeasi dimensiune pot fi perceputeca avand lungimi diferite.

Figura: Segmentul AB este acelasi

Efecte optice

Mai mult decat atat, obiecte care nu exista ın realitate potaparea ca urmare a influentelor optice pe care le au alteobiecte. In figura alaturata cele trei bucati de discuri creeazasenzatia existentei unui triunghi.

Figura: De unde a aparut triunghiul?

RGB vs. CMY(K)

Un model de culoare:

un sistem de coordonate (tridimensionale)

un domeniu vizibil ın sistem

ın care toate culorile particulare unei game pot fi descrise.

Modelele orientate hardware cele mai utilizate:1 modelul RGB pentru monitoare CRT2 modelul YIQ pentru sisteme TV color3 modelul CMY(K) pentru anumite imprimante color

... nu permit exprimarea directa a notiunilor denuanta, saturatie si stralucire.

... au fost construite alte modele:HSV (sau HSB), HLS si HVC.

RGB vs. CMY(K)

Figura: Modelul RGB

RGB vs. CMY(K)

Figura: Modelul CMY(K)

RGB vs. CMY(K)

Figura: RGB vs. CMY

RGB vs. CMY(K)

Figura: Cele 2 modele de culoare

Modelul HSB

colorarea - math.uaic.romunteanu/cursuri/curs_05_an3.pdf · cuprinsinformat˘ii generale lumina...

Documents