UNIVERZA%20V%20LJUBLJANI

1
UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za elektrotehniko
Zoran Goljuf
BARVA, ZAZNAVANJE BARVE IN BARVNI PROSTORI
SEMINARSKA NALOGA PRI PODIPLOMSKEM ŠTUDIJU
Mentor prof. dr. Stanislav Kovacic
2
Vsebina

• Kaj je svetloba?
• Vidni del svetlobnega spektra
• Kaj je barva?
• Zaznavanje barve
• Barvni prostori

Issac Newton (1642-1727)
Runge-jev prostorski barvni model (1810)
3
Kaj je svetloba?

• Svetloba
• Elektromagnetno valovanje z valovnimi dolžinami
  med 380nm
• in 780nm (vidni del svetlobnega spektra)
• Parametri svetlobe
• Valovna dolžina ?
• Frekvenca - f
• Hitrost svetlobe valovna dolžina x frekvenca
  c ?f
• Hitrost svetlobe v vacuum-u je približno 3x108
  m/s
• V ostalih medijih je hitrost manjša

4
Vidni del svetlobnega spektra
Valovna dolžina svetlobe nm Pripadajoca barva
380 450 Vijolicna
450 490 Modra
490 560 Zelena
560 - 590 Rumena
590 630 Oranžna
630 - 780 Rdeca
5
Kaj je barva?

• Barva
• Rezultat cloveškega zaznavanja
• vidnega dela svetlobnega spektra
• - Ni fizicna lastnost svetlobe
• Barve ne smemo povezovati samo z doloceno valovno
  dolžino
• - ampak je odvisna od spektralne mocnostne
  porazdelitve posameznih valovnih dolžin preko
  celotnega vidnega spektra
• - vec razlicnih porazdelitev svetlobe lahko
  zaznamo kot isto barvo - metamerism effect -
  metameri

6
Spektralna porazdelitev moci svetlobnega vira
Tipicna spektralna porazdelitev moci svetlobnega
vira
Spektralna porazdelitve moci za svetlobni vir z
dominantno valovno dolžino blizu rdece barve
Spektralna porazdelitve moci za svetlobni vir
bele svetlobe
7
Zaznavanje barve

• Mrežnica
• Na svetlobo obcutljiva
• plast
• Sestavljena je iz cepkov (ang. cons) in palicic
  (ang. rods), ki tvorijo sinapse s številnimi
  živcnimi celicami

8
Zaznavanje barve

• Palicice
• Daljše od cepkov
• Za nocno (skotopsko) videnje
• Sposobne zaznati šibkejšo svetlobo
• 120 milijonov
• - Ne zaznavajo barve
• Cepki
• - Za dnevno (fotopsko) videnje
• Zaznavajo barvo
• 6 milijonov
• Trije razlicni tipi cepkov, ki se vzburijo pri
  razlicnih valovnih dolžinah svetlobe receptorji
  za rdeco (R), zeleno (G), modro (B) barvo
• L, M, S - fotoreceptorji

9
Zaznavanje barve

• Dve teoriji o zaznavanju barv
• Young Helmholtzova tribarvna teorija
• Trije tipi cepkov (rdeca,zelena, modra barva)
• Heringova štiribarvnateorija oz. teorija
  nasprotnih barv

- Pri zaznavi barv sodelujejo štiri
prabarve rdeca, zelena, modra in rumena oz.
tri vrste
nasprotnih vodov, ki posredujejo možganom
signale o barvi - crno beli zbirni vod
posreduje crne,bele in sive signale - modro
rumeni zbirni vod posreduje modre in rumene
signale - rdece zeleni zbirni vod posreduje
rdece in zelene signale Vsi trije zbirni vodi
sprejemajo svetlobne signale iz receptorjev

10
Zaznavanje barve

• - Barve vidimo v možganih kot tri komponente
  (trikromatski vid)
• - Barvna slepota je izguba ene ali obeh barvnih
  komponent
• Kljub razlikam sta danes veljavni obe teoriji
• Young-Helmholtzova teorija opisuje dogajanje na
  mrežnici
• Heringova teorija opisuje prenos signalov in
  zaznavo barve v možganih
• Živali lahko vidijo dvokromatsko, trikromatsko,
  štirikromatsko

11
Barvni prostori

• Barvne prostore uporabljamo za matematicno
  predstavitev barvne palete
• Barvne prostore lahko delimo v naslednje skupine
• naravni barvni prostori, ki povzemajo cloveški
  sistem zaznavanja svetlobe in barv. Za
  predstavitev barve zadošcajo tri komponente
  (znacilke). V to skupino štejemo
• RGB
• I1I2I3
• HSV
• CIE XYZ
• Munsellov barvni prostor
• prostori, ki so prilagojeni dolocenim vhodnim ali
  izhodnim napravam, ti so
• pri TV sistemih prostori YUV, YIQ in YCbCr
• pri fotografskih sistemih prostor YCC
• pri tiskarskih sistemih prostor CMYK
• barvna prostora CIELab, CIELuv, ki sta bila
  predlagana s strani mednarodne organizacije CIE.
  Skupne znacilnosti obeh prostorov so neodvisnost
  od naprav, uniformnost ter linearnost pri
  zajemanju.

12
Barvni prostor RGB

• Na ortogonalnih oseh so tri barvne komponente
  (primarne barve ali znacilke) R, G, B
• Vsaka barvna komponenta ima obmocje od 0 do 255
• V celoti 16 milijonov (224) možnih barv
• Vse tri komponente enake 0 ? crna barva
• Vse tri komponente enake 255 ? bela barva
• Enaki receptorji v ocesu
• Uporablja se pri racunalniški grafiki
• Zasloni s katodno cevjo

13
Barvni prostor RGB

• Vsako barvo lahko izrazimo s tremi komponentami

Karakteristika zaznavanja barv Standardnega
opazovalca RGB barvnega sistema
r, g, b .......delež rdece, zelene, modre
barve E(?) ..........spektralna mocnostna
porazdelitev svetlobe svetila S(?)
..........spektralna odbojnost materiala fC(?) C
R,G,B ........funkcija barvnega ujemanja
odziva senzorja (oko ali kamera)
14
Princip dolocanja standardnega opazovalca

• S spreminjanjem moci in kombinacij treh primarnih
  virov lahko pridobimo vse barve
• Vecje stevilo opazovalcev
• Krivulje na grafu predstavljajo potrebno kolicino
  R, G, B komponent, da dosežemo vidno vzorcno
  barvo
• Negativna vrednost za R komponento v okolici
  500nm pomeni, da z dodajanjem primarnih barv ne
  moremo dobiti vidno vzorcno barvo

Karakteristika zaznavanja barv Standardnega
opazovalca RGB barvnega sistema
15
Normirani barvni prostor rgb

• Tretja komponenta je odvisna od prvih dveh
• Zmanjšamo dimenzijo za racunanje

RGB rgb
C1 20 15 62 0,21 0,15 0,64
C2 40 30 124 0,21 0,15 0,64
C3 80 60 248 0,21 0,15 0,64
16
Normirani barvni prostor rgb
17
Barvni prostor I1I2I3

• Predlagal Ohta s sodelavci leta 1980
• Dolocen je eksperimentalno na osnovi izracuna
  Karhunen-Loevejeve transformacije osmih razlicnih
  barvnih slik
• Znacilke I1, I2, I3, ki so med seboj
  nekorelirane, dobimo s pomocjo lastnih vektorjev
  in lastnih vrednosti kovariancne matrike barv
  slike
• Najboljše znacilke so vezane na najvecje lastne
  vrednosti ? najbolj ucinkovito locevanje barv

18
Barvni prostor CIE XYZ

• Predlagana s strani organizacije CIE leta 1931
• CIE je kratica za mednarodno komisijo za
  osvetlitev (fr. Commission Internationale de
  l'Eclairage)
• Osnovan na aditivni mešanici treh namišljenih
  primarnih barv X,Y in Z
• Vsaka zaznavna barva je matemeticno izrazljiva z
  uteženo vsoto teh barv
• Predstavlja povprecno clovekovo zaznavanje barv
• Najpogosteje se uporablja za referencni barvni
  prostor
• NTSC televizijski sistem je
• osnovan na tem barvnem sistemu

Karakteristika zaznavanja barv Standardnega
opazovalca pri XYZ sistemu
19
Barvni prostor CIE XYZ
A, B, C .......delež X, Y, Z primarne barve E(?)
..........spektralna mocnostna porazdelitev
svetlobe svetila S(?) ..........spektralna
odbojnost materiala x(?), y(?), z(?)
..........funkcije barvnega ujemanja odzivov
Pri transformaciji XYZ v RGB ima matrika
negativne koeficiente ? nekatere XYZ barve se
transformirajo v RGB vrednosti, ki so negativne
ali vecje od 1 ? Z RGB barvnim sistemom ne moremo
prikazati vseh vidnih barv
Transformacija iz RGB barvnega prostora v XYZ
prostor in obratno
20
Barvni prostor CIE xyz

• Barvne znacilke tega sistema imenujemo kromaticne
  koordinate
• Za tvorbo kromaticnega diagrama zadošcata dve
  koordinati
• Ne vsebuje informacije o intenziteti
• Problem nestabilnost pri majhnih intenzitetah

Kromaticni diagram
21
Barvni prostor HSI, HSV, HLS

• Posnemajo clovekovo zaznavanje in interpretiranje
  barv
• Locena svetlost in kromaticnost barve
• Imajo naslednje komponente prostora
• H (ang. Hue) barvni odtenek nam pove, katera je
  njena zaznana barva
• obmocje 0 H 360
• S (ang. Saturation) nasicenost nam pove, kako
  prosojna oziroma nasicena je barva. Nenasicena
  barva bleda barva, nasicena živa barva
• obmocje 0 S 1
• (V Value, I Intensity, L Lightness) je
  komponenta svetlosti in prostori se locijo po
  tem, kako je definirana. Pri vseh definicijah pa
  velja, da ima svetlejša barva tudi vecjo vrednost
  komponente
• obmocje 0 V, I, L 1
• Ljudje bolje zaznavamo odtenek barve kot njeno
  nasicenje ali svetlost, zato so komponente
  zapisane v razlicnem razmerju (najpogosteje v
  razmerju HSI 643232)?za zapis vsake barve
  potrebujemo le 16 bitov (655)
• Nelinearna transformacija med RGB prostorom in
  HLS oz. HSV prostorom

22
Barvni prostor HSI, HSV, HLS

• Prostori se locijo tudi po obliki HSV enojna,
  ostala dva dvojna 6-kotna piramida (ang. hexcone)

Enacbe za izracun HSI prostora
23
Barvni prostor HSI, HSV, HLS
24
Barvna prostora CIELab in CIELuv

• Predlagana s strani organizacije CIE leta 1976
• CIE je kratica za mednarodno komisijo za
  osvetlitev (fr. Commission Internationale de
  l'Eclairage)
• komponenta svetlosti L (ang. luminance) in dve
  kromaticni komponenti rdece-zelena in
  rumeno-modra
• zaznavno uniformna prostora cloveško zaznavanje
  razlike med dvema barvama je v sorazmerju z
  evklidsko razdaljo v tem prostoru
• Lab ? za merjenje odbite svetlobe
• Luv ? za merjenje oddane svetlobe (vir
  svetlobe)
• Povzemajo standardnega opazovalca
• Uporabljata v industrijskih sistemih,
• kjer se ocenjuje ali kvaliteta barvanja
• izdelkov (CIELab) ali kvaliteta
• izvorov svetlobe (CIELuv)

25
Barvna prostora CIELab in CIELuv

• Pretvorba iz RGB v prostora CIELab in CIELuv
  prostor poteka v dveh korakih, najprej moramo
  pretvoriti v CIE XYZ barvni prostor in od tam
  naprej v CIELab.
• Vrednosti Yn, Xn in Zn v enacbah pomenijo
  komponente referencne bele barve in jo
  uporabljamo za korekcijo uporabljene osvetlitve

26
Barvna prostora CIELab in CIELuv
27
Barvni prostor RAL

• Razvit je bil na zakonitostih CIELab sistema
• Razvrstitev barv je izvedena po kriterijih
  cilindricnega sistema, uporabljenega pri CIELab
  sistemu
• Barve se razvršcajo po koordinati pestrosti H,
  svetlosti L in krome C
• Najbolj razširjena v industriji
• Oznacevanje po RAL DESIGN lestvici se oznacuje
  s sedemmestno številko v treh skupinah npr. RAL
  150 65 35
• prvo trimestno število definira pestrost, s kotom
  od 0 do 360
• drugi par izraža svetlost
• tretji par podaja oddaljenost od os svetlosti oz.
  delež ciste
• Za oznacevanje po RAL CLASSIC lestvici so
  uporabljene štiri številke, ki povedo za kakšno
  barvo gre npr. ali je barva navadna ali je
  svetleca/metalik RAL 9002? bela barva

28
Zaznavna uniformnost

• Sprememba v prostoru (oz. razlika med dvema
  barvama) je sorazmerna z nam zaznano razliko
• Edino CIELab in CIELuv sta zaznavno uniformna

29
Primer strojnega vida - HSI

• Slika A Naloga je poiskati srednjo modro žogo s
  pomocjo komponent HSI prostora
• Slika B Za segmentacijo uporabimo le
  informacijo, ki jo dobimo iz odtenka iskane
  krogle ne moremo dolociti, saj sistem razpozna še
  tri lažne rezulate,
• Slika C Uporabimo dodatno še intenziteto
  rezultat je malo boljši, vendar še vedno ne
  moremo z gotovostjo dolociti iskane krogle,
• Slika D Uporabimo vse tri komponente šele sedaj
  lahko izlocimo iskano kroglo.

30
Sklep

• Pravilna izbira barvnega prostora je lahko
  pomemben dejavnik pri obdelavi barvnih slik
  (razgradnja, kompresija)
• V praksi ni idealnega barvnega sistema za vse
  aplikacije
• Poznavanje lastnosti posameznih barvnih sistemov
  olajša izbiro

Barvni prostor Linearnost transformacije Stabilnost izracuna Zaznavna uniformnost
rgb NE NE NE
XYZ DA DA NE
xyz NE NE NE
CIELuv NE DA DA
CIELab NE DA DA
I1I2I3 DA DA NE
HSI NE NE NE
31
Digitalne kamere

• Poznamo vec tipov image senzorjev
• CMOS
• Complementary Metal-Oxide Semiconductor
• Zelo razširjen v racunalništvu
• V primerjavi z CCD senzorji
• Bolj prilagodljiv
• Procesiranje slike direktno na cipu
• Veliko dodatnih funkcij
• Manjša poraba energije
• Cenejša izdelava

32
Digitalne kamere

• CCD
• Charge-coupled device
• Zelo razširjeni v digitalni fotografiji, kamerah
• svetlobno obcutljivim detektorjem, na katerem so
  v dveh dimenzijah porazdeljeni majhni svetlobno
  obcutljivi elementi (fotoreceptorji) - "pixli"
  (slikovni elementi)
• Slikovni elementi so lahko razporejeni tudi v vec
  tisoc vrstah in stolpcih

Splošni blok diagram digitalne CCD kamere
33
Digitalne kamere Bayer Filter

• Color Filter Array (CFA)
• Predlagal Bryce E. Bayer leta 1976
• Med CCD senzorjem in lecami
• Zgrajen na podlagi opazovanj cloveškega vida
  odziv ocesa na zeleno barvo je vecji kot pa na
  rdeco in modro
• Vsakemu pixlu pripada samo ena barva
• Polovici pixlov CCD senzorja je dolocena zelena,
  ¼ rdeca in ¼ modra barva
• Barva je dolocena za celoten CCD senzor z
  interpolacijo sosednjih vrednosti
• Posledica - slabša ostrina slike

34
Digitalne kamere

• Fujifilm SuperCCD
• Pixli v obliki satnic
• Boljše barve
• Boljša kvaliteta slike
• Možnost strojne interpolacije resolucije na
  dvojno vrednost dejanske resolucije

35
Digitalne kamere

• Foveon X3
• Razvila firma Foveon leta 2002
• Zaznavanje vseh treh primarnih barv modro,
  zeleno, rdeco na posameznem pixlu
• Trislojni filter
• Barva je dolocena na osnovi zbranih elektricnih
  nabojev na posameznem sloju filtra
• Ni potrebna interpolacija
• Boljše, ostrejše barve
• Boljša kvaliteta slike

36

• Hvala za pozornost!
• ?