WYKŁAD 14 PODSTAWY TEORII BARW. Plan wykładu: 1. Wrażenie widzenia barwy. Wrażenie widzenia barwy Modele liczbowe barw

Transkrypt

1 WYKŁAD Wrażenie widzenia barwy Co jest potrzebne aby zobaczyć barwę? PODSTAWY TEOII AW Światło Przedmiot (materia) Organ wzrokowy człowieka Plan wykładu: Wrażenie widzenia barwy Modele liczbowe barw triada optyczna Światło widzialne Promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali λ od 380 do 780 nm ( nm). Charakterystyka światła - widmowy rozkład energii, czyli funkcja P(λ). Światło, które zawiera fale o wszystkich możliwych długościach (z zakresu widzialnego) i odpowiednich proporcjach - światło białe. iel równoenergetyczna E - P(λ) = const. ozkład widmowy energii promieniowania słońca 1

2 Przedmiot (materia) a światło: Przenikanie Odbicie Przenikanie Przenikanie, charakteryzowane jest współczynnikiem przenikalności I (efractive index), wyrażającym stosunek prędkości światła w próżni do prędkości w materiale (n.p. dla wody I = 1.333). Odbicie Θ Θ Pochłanianie (absorbcja) Idealne zwierciadło (odbicie kierunkowe) Pochłanianie (absorbcja) Powierzchnia o odbiciu dyfuzyjnym (matowa) Fale o pewnych długościach są pochłaniane Powierzchnia o odbiciu dyfuzyjnym i odbiciu kierunkowym (najczęściej występuje w praktyce) Transmitancja optyczna 2

3 Organ wzrokowy człowieka: czopki (9 mln) - widzenie barwne pręciki (100 mln) - widzenie w stopniach szarości eceptory (czopki i pręciki) rozmieszczone są na powierzchni siatkówki ozkład receptorów na powierzchni siatkówki czopki S (niebieskie) czopki M (zielone) widzenie nocne widzenie dzienne 0.6 długość fali [nm] długość fali [nm] 0.4 czopki czopki L (czerwone) (czerwone) pręciki pręciki (szare) (szare) λ [nm] długość fali [nm] długość fali [nm] Względna czułość czopków i pręcików Względna czułość oka ludzkiego 3

4 2. Modele liczbowe barw Opis barwy przy pomocy funkcji rozkładu widmowego P(λ) jest niewygodny a także nadmiarowy, bowiem jak stwierdzono eksperymentalnie, różne rozkłady widmowe wywołują takie same wrażenia wzrokowe. Jak (najlepiej przy pomocy kilku liczb lub symboli) opisać barwę? 2.1. System barw Munsella Albert Henry Munsell - A Color Notation, 1905 r Munsell określił układ współrzędnych, (pomysł pochodzi od Newtona) pozwalający charakteryzować kolor przy pomocy trzech wielkości. VALUE System barw Munsella Model CIE-XYZ Model Model CMY (CMYK) Model HSV Modele telewizyjne YUV i YIQ Inne modele barw HUE HUE -odcień VALUE -jasność CHOMA - nasycenie CHOMA HUE - odcień Munsell wyróżnił 5 barw podstawowych: czerwony, żółty, zielony, niebieski i purpurowy oraz 5 barw pośrednich: żółto-czerwony, zielono-żółty, niebiesko-zielony, purpurowoniebieski i czerwono-purpurowy. arwy rozmieścił na tarczy podobnej do kompasu, przypisując im odpowiednie oznaczenia. VALUE - wartość (jasność) Wartość wyraża różnicę pomiędzy jasnym a ciemnym. Munsell wprowadził 9 dyskretnych poziomów wartości (jasności), oznaczanych od 1N do 9N określających uporządkowane stopnie szarości (np. 2N - ciemno-szary, 5N - średnio-szary). Można powiedzieć, że 0N - czarny, 10N -biały. CHOMA - nasycenie Chroma, czyli nasycenie określa różnicę pomiędzy barwą czystą a szarością. Chroma jest również stopniowana według skali dyskretnej, jednak zakres skali zależy od odcienia i wartości. Posługując opisanym powyżej układem trzech współrzędnych, Mansell umieścił w poszczególnych punktach przestrzeni trójwymiarowej kolorowe prostokąty. Zrobił to tak, aby percepcyjna różnica pomiędzy sąsiednimi kolorami była mniej więcej taka sama. 4

5 W efekcie, powstałą przestrzeń barw którą można przedstawić przy pomocy 100 barwnych tablic ( Munsell ook of Colors ). Przykłady dwóch takich tablic: 5P 5/ Model CIE-XYZ Comission Internationale de l'eclairage r. Przeprowadzono eksperyment z wykorzystaniem urządzenia zwanego kolorymetrem. Polegał on na rozkładaniu światła o zadanej długości fali λ na trzy składowe. 700 nm 546,1 nm 435,8 nm ekrany światło badane oświetlacze regulowane przegroda oko (obserwator) 5P 10Y Nie dla wszystkich barw widma udaje się osiągnąć (w tym układzie oświetlaczy) równowagę kolorymetru. Czasem trzeba zmienić układ oświetlaczy. ekrany Model CIE- jest niewygodny (występują ujemne wagi). Zdefiniowano więc w miejsce barw nowe, fikcyjne barwy podstawowe XYZ. Wprowadzenie nowych barw pozwoliło przekształcić poprzedni wykres do następującej postaci. światło badane z(λ) Wynikiem eksperymentu jest wykres (model CIE-). składowe trójchromatyczne r(λ), g(λ), b(λ) 0,3 0,2 0,1 0,0 oko b(λ) g(λ) r(λ) y(λ) x(λ) -0, λ [nm] 5

6 Wielkości składowych podstawowych, czyli liczby X,Y,Z odpowiadające barwie o rozkładzie widmowym P(λ), można wyliczyć następująco: Y przekrój bryły płaszczyzną o równaniu X+Y+Z=1 X = k P( λ )x( λ )dλ, Y = k P( λ )y( λ )dλ, Z = k P( λ )z( λ )dλ Jeśli obliczyć tak X,Y,Z dla wszystkich widm P(λ), to w układzie współrzędnych X,Y,Z powstanie pewna bryła. Punkty wewnątrz bryły reprezentują wszystkie barwy widzialne. płaszczyzna o równaniu X+Y+Z=1 wycinek bryły Z rzut przekroju bryły płaszczyzną o równaniu X+Y+Z=1 na płaszczyznę X-Y zut przekroju bryły na płaszczyznę X-Y nazywamy wykresem chromatyczności CIE-XYZ. X Własności wykresu CIE-XYZ Zastosowania modelu CIE-XYZ 1. arwa = [x, y]. 2. arwy czyste (prążki widma) - obwiednia wykresu. 1. Wyznaczanie dominującej długości fali dla barwy A 2. Wyznaczanie barwy dopełniającej dla barwy A 3. Pozostałe barwy widzialne - wnętrze wykresu. A 4. Punkt C ( x = 0.333, y = 0.333) - barwa biała. 5. Wykres nie zawiera informacji o jasności (eliminuje luminancję) C A A C A Wykres CIE-XYZ A - dominująca długość fali dla A A - barwa dopełniająca dla A 6

7 3. Sumowanie barw A i 4. Trójkąt barw 5. Porównywanie i wzajemne transformacje przestrzeni barw różnych urządzeń graficznych A A+ A + - suma barw A i Wnętrze trójkąta zawiera wszystkie sumy barw,, 2.3. Model (0,0,1) 1. arwa = [,, ],,, є [0, 1]. 2. Przekątna sześcianu od [0, 0, 0 ] do [1, 1, 1] - oś szarości, od barwy czarnej do białej Model CMY (0,0,1) 1. arwa = [C, M, Y], C, M, Y є [0, 1]. 2. Przekątna sześcianu od [0, 0, 0 ] do [1, 1, 1] - oś szarości, od barwy białej do czarnej. (1,0,0) (0,1,0) 3. Pozostałe barwy jakie można utworzyć z barw podstawowych,, - wnętrze sześcianu. 4. Zachodzi sumowanie barwnp. proces wyświetlania na monitorze ekranowym. (1,0,0) (0,1,0) 3. Pozostałe barwy jakie można utworzyć z barw podstawowych C, M, Y - wnętrze sześcianu. 4. Modeluje odejmowanie barw np. proces drukowania na białym papierze. 5. Zaleta - łatwość odtworzenia barwy opisanej. 6. Wada - trudność w opisaniu barwy wyobrażanej. 5. Zaleta - łatwość odtworzenia barwy opisanej. 6. Wada - trudność w opisaniu barwy wyobrażanej. 7

8 2.5. Model HSV 2.6. Modele telewizyjne YUV i YIQ 1. arwa = [H, S, V], H є [0 o -360 o ], S,V є [0, 1]. 2. Oś stożka - oś szarości. 3. Zaleta - możliwość prostego interakcyjnego osiągnięcia opisu barwy wyobrażanej. 4. Istnieją algorytmy konwersji opisu z modelu HSV na i CMY. luminancja (Y) informacja o jasności, obraz w szarości chrominancja (UV, IQ) informacja o barwie Y U V kanał transmisyjny konwerter konwerter Y U V YUV model dla telewizji w systemie PAL Y U = V Y - luminancja, U,V -chrominancja YIQ model dla telewizji w systemie NTSC Przykład: Obraz źródłowy Y I = Q Y - luminancja, I,Q - chrominancja Y U V 8