Introduzione al colore

Introduzione

• I colori non sono proprieta’ intrinsechedei corpi ma sensazioni attivate nelsistema nervoso dell’osservatore

• l’esperienza del colore e’ causata dalfatto che il sistema visivo risponde in modo diverso ad una varieta’ dilunghezze d’onda.

Introduzione

• I nostri occhi percepiscono una parte molto limitata delle radiazioni elettromagnetiche, quelle con lunghezze d'onda (lambda) compresa tra i 400 nanometri (ultravioletti) e i 700 nm (infrarossi)

Introduzione

Introduzione

• Inoltre il colore percepito e’condizionato da due fattorifondamentali: – la superficie su cui la luce e’ riflessa– il tipo di luce e il colore della luce

Il colore delle superfici

• il colore delle superfici colorate e’ ilrisultato di una grande varieta’dimeccanismi:– il materiale che costituisce la superficie (e

quanto assorbe le lunghezze d’onda)– rifrazione– difrazione

Il colore delle sorgentinaturali

• Il sole:– solitamente viene modellato come una

sorgente lontana e puntiforme– il colore della luce del sole varia a seconda

dell’ora e del periodo dell’anno

Il colore delle sorgentinaturali

• il cielo:– puo’ essere modellato come una calotta che emette

quantita’ di luce costante.– questo modello e’ molto approssimativo visto che

l’orizzonte e’ molto piu’ luminoso dello zenith

• Partendo dalla considerazione che il cielo e’luminoso perche’ la luce emessa dal sole e’diffusa dall’aria si puo’ definire un modello tale per cui ogni unita’ di aria emette una quantita’di luce costante

Il colore delle sorgentiartificiali

• luci incandescenti• luci fluorescenti• luci ai vapori di mercurio• luci alogene

Percezione del colore

• per essere in grado di descrivere il coloredobbiamo capire in che modo il sistema divisione e di elaborazione umano risponde ad essi.

• la percezione del colore da parte dell’uomo e’una funzione complessa del contesto. Elementifondamentali:– illuminazione– memoria– identita’ dell’oggetto– emozione

Percezione del colore: ricerca di colori rappresentanti

• un soggetto deve descrivere una luce testutilizzando un misto di luci base (i primari).

• un grande numero di primari puo’ esserenecessari per approssimare alcuni colori.

• inoltre la soluzione non e’ unica.• il problema viene semplificato se si permette

la “sottrazione” dei colori

......11 +++= iiPwPwT

Percezione del colore:tricromia

• sperimentalmente si e’ verificato che per la maggior parte degli osservatori tre coloriprimari sono sufficienti ad approssimare quasi tutte le luci test, a patto che:– si possa combinare i colori tramite addizione e

sottrazione– i tre primari siano indipendenti

• si e’ anche visto che dati gli stessi primari e lo stesso test, la maggior parte della genteselezionera’ la stessa mistura..

Percezione del colore: leggi di Grassman

• sperimentalmente e’ stato dimostratoche si puo’ sempre ottenereun’approssimazione “sufficientemente”accurata di qualsiasi luce test usandouna combinazione lineare di primari

• questo porta alle leggi di Grassman

Percezione del colore: leggi di Grassman

332211

332211

PwPwPwTPwPwPwT

bbbb

aaaa

++=++=

333222111 )()()( PwwPwwPwwTT babababa +++++=+

Percezione del colore: leggi di Grassman

332211

332211

PwPwPwTPwPwPwT

b

a

++=++=

ba TT =

Percezione del colore: leggi di Grassman

332211 PwPwPwTa ++=0

)()()( 332211

≥++=

kPkwPkwPkwkTa

Il matching è lineare

Recettori del colore

• La tricromia suggerisce che il modo in cui il colore e’ trasmesso agli occhi e poi al cervello sia governato da regoleprecise

• Principio dell’univarianza: ogni recettore ha un unico tipo di risposta, in diverse intensità a seconda della lunghezza d’onda.

• siccome la composizione e’ lineare, anche i recettori devono essere lineari.

• La risposta di un recettore sara’:

∫Λ

= λλλσ dEp kk )()(

σk e’ la sensibilita’ del k-esimo recettoreE(λ) la quantita’ di luce che lo colpisce, Λ l’intervallo di lunghezza d’onda visibile.

nel sistema visivo umano...

• La luce è focalizzata dal cristallino sulla fovea centrale della retina, viene trasformata da milioni di recettori ottici in segnali elettrici che sono trasmessi tramite il nervo ottico al cervello dove vengono elaborati e memorizzati.

• Si tratta di una quantità enorme di dati che passa per un circuito molto complesso, per questo gli occhi sono l'organo sensoriale piùvicino al cervello.

nel sistema visivo umano...

nel sistema visivo umano...

• l’anatomia della retina ci insegna cheesistono due tipi di cellule sensibili allaluce, differenziate dalla forma:– coni– bastoncelli

• i bastoncelli hanno lo scopo diadattarsi ai cambiamenti di intensita’ diluce e adattarsi alla luce crepuscolare e notturna

nel sistema visivo umano...

• i coni sono responsabili della visionedei dettagli e dei colori.

• studi di genetica della visionesupportano l’idea che esistano 3 tipi diconi, differenziati dalla loro sensibilita’ a diverse lunghezze d’onda:– S corte– M medie– L lunghe

nel sistema visivo umano...

Teoria del tristimolo

• ogni radiazione elettromagnetica che entranell’occhio puo’ essere classificata medianteuna terna di numeri che rappresentano le attivazioni dei tre tipi di coni.

• Queste terne di numeri godono di proprieta’additiva lineare

• essi sono efficacemente rappresentati come punti di uno spazio 3D detto spazio del tristimolo.

• esistono diverse rappresentazioni del colorebasate su mapping in punti tridimensionali

Osservatore standard CIE 1931

• Commission Internationale de l’Éclairage CIÉ: 1931

• tre funzioni primarie standard:– X, Y, Z– definisce tutti i colori visibili

• solo coefficienti positivi– Y = percezione della luminanza sulla retina– x, y = chromaticity

Osservatore standard CIE 1931

Osservatore standard CIE 1931

x+y+z=1

Creazione del colore

• Metodi usati per formare il colore:– sintesi del colore additiva– sintesi del colore sottrativa

Sintesi additiva dei colori

• Ogni colore può essere ottenuto attraverso la miscelazione di tre emissioni di luce relative ai tre colori primari:– unendo le luci rosso e verde si ottengono luci

giallo arancio– unendo le luci rosso e blu si ottengono luci

porpora...– il bianco si ottiene unendo le tre luci primarie

a potenza massima

Sintesi sottrattiva

• Si fa passare luce bianca attraverso dei filtri che lasciano passare solo delle radiazioni di una determinata lunghezza d’onda (cioè un dato colore).

• La parola “sottrattiva” sta a significare che si eliminano dei colori dal bianco per ottenere altri colori.

Gli spazi di colore

• gli spazi di colore sono normalmenteinventati per motivi pratici, quindi neesistono molti

• Noi introdurremo:– due spazi di colore derivati da dispositivi:

• RGB• CMYK

– uno derivato dallo studio della percezione:• HSV

Modello RGB

• E’ basato su 3 colori primarimonocromatici:– R rosso (lunghezza d’onda λ=700nm)– G verde (λ=546.1nm)– B blu (λ=435.8nm)

• Tipico dei dispositivi di acquisizione e visualizzazione

Spazi di colore

• lo spazio RGB può essere rappresentato graficamente tramite il cubo RGB

Modello RGB

• Una vasta percentuale dello spettro visibilepuo’ essere rappresentata miscelando lucerossa, verde e blu in diverse proporzioni e intensita’.

• Se i colori primari sono sommati producono ilbianco– per questo motivo il modello RGB e’ di tipo additivo– per produrre il bianco tutte le lunghezze d’onda

visibili sono trasmeesse all’occhio

• I colori additivi sono usati per l’illuminazione, i video e i monitor.

Modello CMY

• A partire dal cubo RGB ritroviamoimmediatamente i colori– ciano (Cyan), – Magenta, – giallo (Yellow)(posizionati sui 3 vertici rimanenti)

• Il modello CMY rappresenta lo stessospazio di colore del RGB ma utilizza unabase alternativa

Modello CMY

• Il modello CMY si basa sulla capacita’propria dell’inchiostro su carta diassorbire luce

• Quando la luce bianca colpisce gliinchiostri, alcune lunghezze d’ondavisibili vengono assorbite, mentre altrevengono riflesse e quindi viste.– per questo motivo questo modello di

formazione del colore si dice sottrattivo

Modello CMYK

• K rappresenta il nero (blacK)• il nero puo’ essere derivato direttamente dalla

combinazione di C M e Y (ossia assorbendotutti e tre i colori base).

• Purtroppo pero’ gli inchiostri di stampacontengono molte impurita’, quindi questomodello di combinazione del colore invece diprodurre il nero produce un marrone scuro

• CMYK e’ lo standard delle stampanti

RGB -> CMY

−

=

BGR

YMC

111

Spazi di colore

• Gli spazi RGB e CMYK sono stati concepiti in funzione dei dispositivi di visualizzazione (monitor e stampanti), ma non rispecchianoaffatto la nostra percezione.

• Un modello alternativo molto più vicino al nostro modo di “vedere” i colori è il modello HSV.

• Il modello HSV viene usato molto spessonell’ambito dell’analisi di immagini

Spazio HSV

• H = hue, tinta• S = saturation,

saturazione• V = value,

valore

Spazio HSV

Hue: e’ la tinta vera e propria.

Saturazione: la distanza del colore dal grigiopiu’ vicino

Valore o illuminazione: si parla di quantita’ di luce o quantita’di bianco di un colore

RGB-> HSV

• V = (R+G+B)/3• S = 1-min(R,G,B)

• H=...

Un’applicazione:skin finder

• Il colore della pelle umana e’ il risultatodegli effetti di sangue e melanina.

• Molto spesso all’interno di immaginicontenenti persone gli effetti di filtri e luci colorate sono attenuati, per evitaresgradevoli effetti bluastri o verdastrisulla pelle

Un’applicazione:skin finder

• Esistono svariati algoritmi cheeffettuano un test di colore su ognipixel a partire da immagini a colori.

• Noi ne vedremo due molto semplici:1) test basato sulla rappresentazione RGB2) test basato sulla rappresentazione YIQ

Skin finder (1)

• E’ stato dimostrato che molti pixel ditipo pelle si posizionano in una porzionespecifica del piano RG

• per ogni pixel dell’immagine si utilizzauna sogliatura sul valore R/G, nellarappresentazione RGB: – t<=R/G<=T

• La scelta del valore delle soglie t e T e’importante.

Skin finder (1)

Skin finder (2)

• Per motivi di velocita’ di esecuzionepuo’ essere opportuno limitare la sogliatura ad un campo di colore.

• Un algoritmo esistente in letteraturache segua questa idea e’ basato sullospazio YI’Q’ (una rotazione dello spazioYIQ usato dalle TV americane, che non e’ altro che una riscalatura del RGB)

Skin finder (2)

Aspetti importanti

• rapporto tra falsi positivi e falsi negativi• accuratezza della soglia: e’ importante

avere dei dati di training significativi• si potrebbe pensare di usare qualche

algoritmo di apprendimento piu’sofisticato per caratterizzare i pixel pelle.