Свет. Цвет. Астана. Лекция 2

Свет. Цвет.
Астана. Лекция 2
На прошлой лекции
• Организация курса
– Учиться, а не учить
– Учись, делая
• Три смежных, тесно связанных
дисциплины:
– Обработка изображений
– Компьютерное зрение
– Компьютерная графика
На лекции
• Физические основы цвета и света,
измерение цвета
• Восприятие цвета глазом
• Измерение цвета и света
– Цветовые системы: RGB, CMY(K), CIE XYZ,
HSI/HSV
• Типовая графическая система
• Понятие изображения и операции над
изображением
– Полноцветные и палитрованные изображения
Свет
• Основополагающее понятие
• Двойственная природа света
– Поток частиц энергии
– Электромагнитные волны
• Далее свет рассматривается как
электромагнитные волны
Свет как электромагнитная
волна
• Характеризуется
амплитудой,
длиной волны, и
поляризацией
• Видимый свет 400700 нанометров
• Аплитуда ~ энергия
Распространение света
Точечный
источник света
Поверхность
Нормаль к
поверхности
N
Отражение
Камера/глаз
Оптическое
направление
Свет как электромагнитная
волна (2)
• Свет – это поток
волн с различными
длинами и
различными
амплитудами
• Общая мощность
света – интеграл по
всему диапазону
длин волн
Свет как электромагнитная
волна (3)
• Видимый свет ~400-700 нанометров
– 380-470 нм фиолетовый и синий цвет
– 500-560 нм зеленый
– 590-760 нм красный
• В более мелких участках этих интервалов цвет
излучений соответствует различным оттенкам
указанных цветов).
Визуальная система
человека
Колбочки и палочки
• Система цветового зрения
– Колбочки (3 типа – R,G,B)
– Палочки (ахроматическое излучение)
• В каждом глазу 6 млн колбочек и 120
млп. палочек
– 250млн на оба глаза
Распределение колбочек и
палочек по сетчатке
Чувствительность глаза к
длинам волн
• Термины "красный" и
"зеленый" условны,
поскольку пиковые
значения лежат в
желтом диапазоне
• Чувствительность
глаза к синему цвету
существенно ниже,
чем к зеленому и
красному
– Это используется на
практике
Цветовые модели
• Изображение необходимо выводить на монитор, а для этого
нужно разработать представление для цвета
• Проблема
– как представить в цифровом виде непрерывный спектр
сигнала?
• Решение
– выбрать из сигнала наиболее значимые длины волн, хранить
их значения. Полный спектр реконструируется через
«достраивания» неизвестных значений с учетом работы
типичного глаза
Модель RGB
(Red-Greed-Blue)
•
Можно считать, что глаз ставит в соответствие спектральной функции
тройку чисел (R,G,B), где 0 <= R,G,B <= 1
•
Pr, Pg и Pb - весовые функции чувствительности колбочек различных
типов
R   I   PR    d ,
G   I   PG    d ,
B   I   PB    d ,
•
Это аддитивная цветовая система – для получения искомого цвета
базовые цвета складываются
– (0,0,0) – черный. (1,1,1) – белый
•
В мониторах используется модель RGB, т.е. на вход монитор принимает
именно RGB-сигнал, который затем управляет яркостью красного,
зеленого и синего люминофора
RGB (2)
Цветовой куб
Модель CMY(K)
• Cyan-Magenta-Yellow(-blacK)
• Субтрактивная система
– искомый цвет получается вычитанием из
белого (1,1,1)
• Используется в принтерах
• Связь с RGB: Crgb = (1,1,1) – Ccmyk
• Переход CMY->CMYK
K  minC , M , Y ,
C  C  K,
M  M  K,
Y  Y  K.
Цветовой куб
Модель CIE XYZ
• В модели RGB невозможно представить некоторые длины
волн
– Их представление будет < 0
• Модель CIE XYZ позволяет описывать все видимые цвета
при помощи неотрицательных коэффициентов
X   I  x  d ,
Y   I   y d ,
Z   I   z    d .
Переход RGB <-> CIE XYZ
 X   0.412453 0.357580 0180423
  R
.
  
 
 Y    0.212671 0.715160 0.072169  G
  
 
.
0.950227  B
 Z   0.019334 0119193
Интуитивные цветовые модели: HSV
• RGB, CMY(K), CIE XYZ ориентированы на работу
с аппаратурой и неудобны для задания цвета
человеком
• Субъективные атрибуты цвета
– Цветовой тон
– Насыщенность
– Светлота
• Психофизические эквиваленты: доминирующая
длина волны, чистота, яркость
• Модель HSV (иногда – HSB) удобна для задания
цвета человеком
– Hue Saturation Value (Brightness)
HSV (2)
HSV (3)
HSV (4)
Единицы измерения света
• Световой поток
– Ватт
– Люмен (по действию на стандартный глаз)
• Сила света (плотность потока)
– Кандел (относительно свечи, пл)
• Падающий свет (освещенность)
– Ватт/м2
– Нит (Кандел / м2)
– Люкс (Люмен / м2)
• Воспринимаемый свет (яркость)
– нет единиц (субъективный параметр)
Восприятие интенсивности
• Воспринимаемая мощность света не
соответствует реальной мощности
• Физика vs. психофизика
Восприятие интенсивности
(2)
• Steven’s law:
– восприятие vs. интенсивность
SI
p
Ощущение
Интенсивность
Яркость
0,33
Запах
0,55
Громкость
0,60
Вкус
0,80
Длина
1,0
Тяжесть
1,45
BI
1
3
Эти особенности
восприятия учитываются
при кодировании сигналов
Гамма монитора
Для типичного
монитора
  2.5
Две ручки настройки:
I  g (V  Vb )

•Vb – яркость
•G - контрастность
Гамма-коррекция
• Желательно, чтобы монитор проводил
линейное преобразование с цветом
• Это невозможно (для CRT), поэтому для
компенсации производится гаммакоррекция
I V

V P

1

1
 
I  V  (P )  P
Типовая графическая
система
• В буфере кадра генерируется изображение,
предназначенное для вывода на монитор
CPU
Графический
конвейер
Растеризатор
Буфер кадра
Изображение
• А что такое изображение?
– Изображение – матрица INxM, причем каждый элемент
матрицы содержит известным образом закодированный
цвет
• в самом общем случае – спектр излучения, обычно -- RGB
– Элемент изображения – пиксель (picture element)
– Изображение всегда имеет конечные размеры
• Проблема оцифровки
• Цвет представлен конечным числом байт, поэтому
компьютер может оперировать только конечным
числом цветов
• Число представимых цветов называется глубиной
цвета
Разрешение человеческого
глаза
• В каждом глазу 6 млн. колбочек и 120
млн. палочек
• Можно считать, что разрешение глаза
– ~2500x2500 при работе с цветом
– ~11000x11000 для ахроматического
излучения
Глубина цвета
• Будем считать, что цвет представлен в
системе RGB
– Т.е. цветные изображения
• Типичные значения глубины цвета:
– 1 байт на пиксель + палитра (256)
• Палитрованное изображение
– 3 байта на пиксель (16,7м)
• полноцветное изображение
– Представление с плавающей точкой (12 байт)
• Наиболее точное, но занимает много памяти
Цвет с палитрой
• Неявное задание цвета через индекс
в специальной таблице (палитре)
125
N
R
G
B
1
23
1
123
2
34
24
11
…
…
…
…
255
23
256 256
Операции над
изображением: оператор
Робертса
• Пример
– Пространственное дифференцирование
(оператор Робертса)
Rij  ( gij  g (i 1)( j 1) )  ( g (i )( j 1)  g (i 1)( j ) )
2
– Порог: Rij > N
2
Оператор Робертса: пример
Формат BMP-файла
•
FILE HEADER
–
•
INFORMATION HEADER
–
•
Size of information header (4 bytes) =40
Image width (4 bytes)
Image height (4 bytes)
Number of color planes (2 bytes) =1
Number of bits per pixel (2 bytes)
Compression method used (4 bytes)
Number of bytes of bitmap data (4 bytes)
Horizontal screen resolution (4 bytes)
Vertical screen resolution (4 bytes)
Number of colors used in the image (4 bytes) =0
Number of important colors (4 bytes)
COLOR TABLE
–
•
BM signature (2 bytes) =BM
File size (4 bytes)
Reserved (2 bytes)
Reserved (2 bytes)
Location of bitmap data (4 bytes)
The color table holds 256 entries of 4 bytes each.
BITMAP DATA
–
The ordering of the bytes reflects the left-to-right order of pixels, starting with the
bottom line in the image.
Итоги
• Свет – электромагнитная волна
• Часть светового спектра воспринимается человеком
• Свет воспринимается специальными чувствительными
элементами на сетчатке глаза (палочками и колбочками)
• В компьютере цвет представляется в одной из цветовых
моделей
• RGB, CMY(K), CIE XYZ, HSV/HSB
• Для компенсации нелинейных искажений CRT-монитора
применяется гамма-коррекция
• Изображение – матрица, каждый элемент которой содержит
цвет
• Изображения бывают полноцветные и палитрованные.
Количество представимых цветов называется глубиной
цвета