Luz e Cor - webserver2.tecgraf.puc-rio.br · Luz e Cor por Marcelo Gattass Departamento de...

Luz e Cor

por

Marcelo Gattass

Departamento de Informática

PUC-Rio

(adaptado por Luiz Fernando Martha para a disciplina CIV2802 – Sistemas Gráficos

para Engenharia)

Luz

f(Hertz)

102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020

FM,TVMicro-Ondas Ultra-Violeta

Onda eletro-magnética

f(Hertz)rádioAM FM,TV

Micro-Ondas

Infra-Vermelho

Ultra-VioletaRaiosX

VISÍVEL

vermelho (4.3x1014 hz), laranja, amarelo,..., verde, azul, violeta (7.5x1014 hz)

106 104 102 10 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12λ(m)

Comprimento de Onda

c = λλλλ f

c = Velocidade da Luz ≅ 3.0x108 m/s

λ =λ =λ =λ = c/ f

Cor λλλλ

Violeta 380-440 mµ

Azul 440-490 mµ

Verde 490-565 mµ

Amarelo 565-590 mµ

Laranja 590-630 mµ

Vermelho 630-780 mµ1 mµ = 10-9 m

λλλλ

Reflexão e Refração

θθθθi

θθθθr

incidente refletido

refratado

material 1θθθθi

material 2ηηηηi = velocidade da luz no material i

velocidade da luz no vácuo

sen θθθθr = sen θθθθiηηηη1111

ηηηη2222 lei de Snell(1621)

Índice de refração

ηηηηi

prisma

vermelhoalaranjadoamareloverdeazulvioleta

luz branca (acromática) tem todos os comprimentos de onda

Newton

Fontes luminosas

100

0

50

λλλλ

E

fonte luminosa branca

400 500 600 7000 λλλλ

((((mµ)µ)µ)µ)

fonte luminosa colorida

400 500 600 7000

50

100

λλλλ((((mµ)µ)µ)µ)

E comprimento de

onda dominante

define a

matiz (hue)

Características das fontes luminosas

400 500 600 700λλλλ

((((mµ)µ)µ)µ)

E comprimento de

onda dominante

define a

matiz (hue)

400 500 600 700λλλλ

((((mµ)µ)µ)µ)

E intensidade

define o

brilho

(brightness)

((((mµ)µ)µ)µ)matiz (hue)

((((mµ)µ)µ)µ)

brilho (brightness)

400 500 600 700λλλλ

((((mµ)µ)µ)µ)

E

saturação

a concentração no

comprimento de

onda dominante

define a

saturação ou pureza

cores pastéissão menos saturadas oumenos puras

Processos de formação de cores

índices de refração distinto do material base

por pigmentação

A sucessão de reflexão e refração determinam a natureza da luz refletida

do material base

tinta preta

tinta branca tinta colorida(saturada)

tons mais escuros(shade)

tons mais claros(tints)

Cinzas(greys)

PALHETA

DO

PINTOR

tons

Processos de formação de cores

aditivos

λλλλ

Ea+b(λλλλ) = Ea (λλλλ)+Eb(λλλλ)

λλλλ

Ea

λλλλ

Eb

a

b

a+b

Ea+b

O olho não vê

componentes!

subtrativos

Luz branca

Filtro verde

Luz verde

filtros ou corantes

λλλλ λλλλ λλλλ

EiEft Ef(λλλλ) = t(λλλλ) . Ei (λλλλ)

transparência

azul

amarelo

λλλλ

índices de refração próximo do material base

componentes!

Espaço de cor do olho humano

Olho humano: Cones (RGB) e Bastonetes (cegos para cor)

.16

.18

.20

fra

ção

de

luz

ab

sorv

ida

GR

.02

0

.04

.06

.08

.10

.12

.14

.16

400 440 480 520 560 600 640 680 λλλλ

fra

ção

de

luz

ab

sorv

ida

po

r ca

da

co

ne

comprimento de onda (mµµµµ)

B

Fração da luz absorvida pelo olho

100 luminosidade

400 500 600 700

0

50

sensib

ilidade

rela

tiva

λλλλ((((mµ)µ)µ)µ)

Tons de cinza igualmente espaçados

Preto

Branco

Inte

nsid

ade

Posição

Tons de cinza perceptualmente espaçados e bandas de Mach

Preto

Inte

nsid

ade

Branco

Inte

nsid

ade

Posição

Efeito da Banda deMach

Contraste Simultâneo

Percepção de cor

Inte

nsi

da

de

Luz Colorida

Luz Branca

400 440 480 520 560 600 640 680 λλλλ

Inte

nsi

da

de

comprimento de onda (nm)

B

G

R

componente vermelha

r = ∫ c(λλλλ) R(λλλλ) dλλλλ

não é bem assim!

O problema de reprodução de cor em CG

Mundo RealE

λλλλ400 700

Espaço VirtualE

λλλλ

B

G

R

• mesma sensação de cor ⇒⇒⇒⇒ Metamerismo

• só distingue 400 mil cores (< 219) ⇒⇒⇒⇒ 19 bits deveriam ser suficientes

Representação perceptual da cor CIE RGB

r(λλλλ) R

g(λλλλ) G

b(λλλλ) B

R = 700 mµµµµG = 546 mµµµµB = 435.8 mµµµµ

Cor Monocromática

C(λλλλ)

Problema:Não consegue se representar todas as cores visíveis (falta saturação)

C(λ (λ (λ (λ ) = r(λ)(λ)(λ)(λ) R + g(λ) (λ) (λ) (λ) G + b(λ) (λ) (λ) (λ) B

Artifício para “subtrair” uma componente

g(λλλλ) G

b(λλλλ) B

C(λ )(λ )(λ )(λ ) + r(λ)(λ)(λ)(λ) R = g(λ)(λ)(λ)(λ) G + b(λ)(λ)(λ)(λ) B

C(λ )(λ )(λ )(λ ) = r(λ)(λ)(λ)(λ) R + g(λ)(λ)(λ)(λ) G + b(λ)(λ)(λ)(λ) B, onde r(λ)(λ)(λ)(λ) = - r(λ)(λ)(λ)(λ)

r(λλλλ) R

C(λλλλ)

0.2

0.4

esim

ulo

s r(λ (λ (λ (λ )

g(λ (λ (λ (λ )

b(λ (λ (λ (λ )

C(λ (λ (λ (λ ) = r(λ(λ(λ(λ) R + g(λ) (λ) (λ) (λ) G + b(λ) (λ) (λ) (λ) B

Componentes das cores monocromáticas

- CIE RGB -

- 0.2

0

0.2

400 500 600 700

438 n

m

546 n

m

λλλλ(mµµµµ)V

alo

res d

os t

ri-e

sim

ulo

s

Combinação de três cores (RGB) para reproduzir as cores espectrais

r(λ (λ (λ (λ )

2.36470 -0.51515 0.00520

-0.89665 0.14264 -0.01441

-0.46808 0.08874 1.00921

R

G

B

X

Y

Z

=

C(λ)(λ)(λ)(λ) = r(λ)(λ)(λ)(λ) R + g(λ)(λ)(λ)(λ) G + b(λ)(λ)(λ)(λ) B

Conversão da base CIE RGB para CIE XYZ

Escolhendo-se XYZ tal que:

-0.46808 0.08874 1.00921B Z

C(λ)(λ)(λ)(λ) = X(λ)(λ)(λ)(λ) X + Y(λ)(λ)(λ)(λ) Y + Z(λ)(λ)(λ)(λ) Z

X(λ) (λ) (λ) (λ) = 2.36470r(λ)(λ)(λ)(λ)-0.89665g(λ)(λ)(λ)(λ)-0.46808b(λ) (λ) (λ) (λ) Y(λ) (λ) (λ) (λ) =-0.51515r(λ)(λ)(λ)(λ) +0.14264g(λ)(λ)(λ)(λ)+0.08874b(λ)(λ)(λ)(λ)Z(λ) (λ) (λ) (λ) = 0.00520r(λ)(λ)(λ)(λ)-0.01441g(λ)(λ)(λ)(λ)+1.00921b(λ)(λ)(λ)(λ)

tem-se

onde

1.4

1.6

1.8

2.0

Cores Básicas do CIE 1931

C(λ (λ (λ (λ ) = X(λ) (λ) (λ) (λ) X + Y(λ) (λ) (λ) (λ) Y + Z(λ) (λ) (λ) (λ) Z

Z(λ)(λ)(λ)(λ)

Componentes das cores monocromáticas

- CIE XYZ -

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

Valo

r

λλλλ((((mµ)µ)µ)µ)400 500 600 700

X(λ)(λ)(λ)(λ)

X(λ)(λ)(λ)(λ)

Y(λ)(λ)(λ)(λ)

Nota: Y foi escolhida de forma a Y(λ)(λ)(λ)(λ) ser semelhante à curva de

sensibilidade do olho (luminância)

Y

Plano X+Y+Z=1

Cores visíveis representadas no sistema CIE XYZ

X

Z

Plano X+Y+Z=1

Valores típicos de iluminamento de uma superfície

Modo Valores (lux)Luz do dia (máximo) 100 000Luz de dia sombrio 10 000Interior próximo a janela 1 000Minimo p/ trabalho 100

… e o olho

se acomoda!

• Um parenteses sobre luminosidade ou brilho

Retirando a luminosidade ou brilhoda definição da cor em CIE XYZ

Minimo p/ trabalho 100Lua cheia 0,2Luz das estrelas 0,000 3

x = X/(X+Y+Z)

y = Y/(X+Y+Z)

z = Z/(X+Y+Z)

• Retirar o fator luminosidade ou brilho projetando no plano X+Y+Z=1

note que x+y+z =1

X = (x / y ) Y

Y = Y

Z = (1-x-y ) Y / y

Cores visíveis representadas no sistema CIE xyY

520

510

540

560

Verde

y

0.7

0.8

0.9

1.0

Cores visíveis representadas no sistema CIE xyY

480

490

500

560

Purpura

580

600

700

400

Azul

CianAmarelo

Vermelho

x0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Branco

0.1

0.2

0.3

0.4

0.6

0.5

0.7

y

0.7

0.8

0.9

1.0

C

C2 cor não realizável

C1 cor não realizável na impressora

Gamute de cromaticidade de dispositivos

x0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.6

0.5

0.7

gamute de um monitor

gamute de uma impressora

C1

C2

W

Sistemas de cores porenumeração

Munsell

Albert H. Munsell - artista plástico (1905)

valor ou intensidade

Pantone (início dos 60’s)

mapas de cores

croma ou saturação

tonalidadeou matiz

base para os sistemas de interface

Sistemas de cor dependentes de dispositivo - mRGB

I ) Sistemas dos Monitores - mRGB

G

1.0 Y

W

verdeamarelo

processo aditivo

R

B

1.0

1.0 M

CW

K vermelho

azul

preto

ciano

magenta

branco

normalmentetemos 1 byte

para cada componentemapeando[0, 255] em [0,1]

Sistemas de cor dependentes de dispositivo - CMY

II ) Sistemas das Impressoras -CMY ou CMYK

processo predominantementesubtrativo

tinta ciano (0,1,1)

componente vermelha é absorvida

C

Y

M

R G

B

K

Conversão RGB para CMY e vice-versa

G

1.0 Y

CW

verdeamarelo

branco

1.0

C

K

preto

ciano verde

azul

B

R1.0

1.0 M

C

K vermelho

azul

preto

ciano

magenta

branco

1.0

1.0

Y

M

W

K

amarelo

magenta

branco

vermelho

azul

(r,g,b) (c,m,y)

(c,m,y) = (1-r, 1-g, 1-b)

Sistemas de cor dependentes de dispositivo - CMYK

� O sistema CMYK usa o preto (blacK) porque o pigmento (carbono) é mais barato;

� A superposição de ciano, magenta e amarelo para produzir preto gera um tom meio puxado para o marron.

K := αααα min (C, M, Y)

α α α α ∈∈∈∈ [0,1][0,1][0,1][0,1]

C := C - KM := M - KY := Y - K

M

Y

K

C

base linearmentedependente

Sistemas de cor mais indicados para interface com usuário - HSV

V

R

Y

R

G

C

Y

W

G

C

B M

Value

K S

HB M

R

G

B

Vdecompor (r,g,b)na base de V e doespaço ortogonala ele.

Saturation

Hue

Diálogo para seleção de cor - IUP