Embed Size (px)
Citation preview
La fisica nella percezione del colore:
storia e applicazioni
Claudio OleariUniversità degli Studi di Parma, Dpt Fisica e Scienze della terra
«la giallezza del GIALLO»• Attributo della percezione,
• Specificato solo nel linguaggio
(convenzionalmente),
• … how brain activity gives rise to conscious experience
remains an enigma, as enigmatic is the process behind
colour qualities, e.g., the redness of red [A. Valberg]
• Non c’è misurazione
→ Non c’è scienza
OSA-UCS (1947-1974)[email protected]
OSA-UCS system: from psychophysical to psychometric color
Claudio Oleari Università degli Studi di Parma, 43124 Parma. Italy
E-mail: [email protected]
La fisica nella percezione del colore:
storia e applicazioni
Claudio OleariUniversità degli Studi di Parma, Dpt Fisica e Scienze della terra
Misurazione delle sensibilità spettrali di una camera
nel sistema di riferimento
FONDAMENTALE
obiettivocamera
allo
spettroradiometro
tarato
Tl
monocromatore
(SR,l, SG,l , SB,l)
CCD
l
fundamental reference frame
l
l
l
l
l
l lllT
Sb
T
Sg
T
Sr
B
F
G
F
R
F
,,,)(,)(,)(
( )Fb l ( )Fr l( )Fg l
Si suppone che la risposta del sensore sia lineare
780 780 780
F , F F , F F , F
380 380 380
F F F
( ) d , ( ) d , ( ) d
, , linear vector space
e e eR L r G L g B L b
R G B
l l ll l l l l l
Misurazione delle sensibilità spettrali di una camera
mediante la tecnica della
minima
saturazioneJ. K. [email protected]
obiettivocamera
allo spettrometro
tarato. Si misura ogni
componente RGBλ
monocromatica
CCD
l
Laboratory-reference frame
RGB-reference frame
(SR=SGSB)
W W W( , , )R G [email protected]
obiettivocamera
allo spettrometro
tarato
monocromatica
CCD
l
Laboratory-reference frame
RGB-reference frame
(SR=SGSB)Uguagliamento del bianco
mediante miscele
di luci differenti.
-METAMERISMO-
W W W( , , )R G [email protected]
WRGB ( )
R Rr
M
l
l
l
WRGB ( )
G Gg
M
l
l
l
WRGB ( )
B Bb
M
l
l
l
W W W( , , )
, ,
R G B
R G B
M
l l l
l
W
780 780 780
RGB , RGB RGB , RGB RGB , RGB
380 380 380
RGB RGB RGB
( ) d , ( ) d , ( ) d
, , linear vector space
e e eR L r G L g B L b
R G B
l l ll l l l l l
RGB F
RGB F
RGB F
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
r r
g g
b b
l l
l l
l l
T
Sistema di
riferimento
fondamentale
Sistema di
riferimento del
laboratorio RGB
Se l’osservatore umano
fosse come una
fotocamera, misurando
oppure
compiremmo la sua
caratterizzazione.
F F F( ), ( ), ( )r g bl l l
RGB RGB RGB( ), ( ), ( )r g bl l l
The protagonists
1623 - Galilei
1704 - Newton
1802 - Young
1808 - (Göthe)
1852 - Helmholtz
1853 - Grassman
1857 - Maxwell
1872 - Hering
1920 - Schrödinger
1931 ...
The historical steps
centre of gravity rule
three kind of photoreceptors (fibres)
tristimulus space
The standards CIE 1931
CIE 1964
OSA-UCS system (1947-1974)
CIE 1976
(Göthe against Newton)
Helmholtz-Hering Controversy
trichromacy Le Blom, Palmer
The protagonists
1623 - Galilei
1704 - Newton
1802 - Young
1808 - (Göthe)
1852 - Helmholtz
1853 - Grassman
1857 - Maxwell
1872 - Hering
1920 - Schrödinger
1931 ...
The historical steps
centre of gravity rule
three kind of photoreceptors (fibres)
tristimulus space
The standards CIE 1931-CIE 1964-CIE 1976
OSA-UCS system (1947-1974)
“Colour Appearance”
(Göthe against Newton)
Helmholtz-Hering Controversy
trichromacy Le Blom, Palmer
Wald
Jamesson-Hurvich
Svetichin
Rushton
Hubel-Wiesel, [email protected]
«For the rays to speak
properly are not coloured. In
them there is nothing else
than a certain power and
disposition to stir up a
sensation of this or that
Colour»(Isaac Newton)[email protected]
«if the sensation that we call
colour has any laws, it must
be something in our own
nature which determines the
forms of these laws»(J.K. Maxwell 1872)
Isaac NewtonNew theory about light and colour (1671)
Opticks (1704)
Franco Giudice Ed., Isaac Newton, Scritti sula luce e sul colore, BUR, 2006
EXPERIMENTUM CRUCIS (1671)
No individual ray, no single refrangibility, is corresponding to white.
White in a heterogeneous mixture of differently refrangible rays.
CENTER OF GRAVITY RULE
METAMERISM
Non è una legge fisica,
ma una legge che
riguarda le sensazioni!
TRICHROMATIC COLOR REPRODUCTION
& REAL «PRIMARIES»
R
B
G
An RGB system cannot reproduce all the real colours!
Instrumental reference frame
CYAN
YELLOW
MAGENTA
BLUE
GREEN
RED
WHITE
Demichel (1924) – Neugebauer (1937)
Additive mixing of 8 colour lights
B
G
E possibile una sorgente di
colore negativo!?
CB + G R = C ??Fenomeno spiegato da Maxwell 180 anni più tardi
R
Questo non è un problema,
come disse J.K. Maxwell, perché
«by transposing the negative term to
the other side»of the colour-matching equation
«it becomes positive, and then the
equation may be verified.»
B + G R = C
B + G = R + C
?
… it is such an orange as may be made by
mixing an homogeneal orange with a
white in the proportion of the line OZ to
the line ZY, ...
I. Newton
METAMERISM
L’esistenza di coppie di colori spettrali che miscelati
opportunamente diano un colore metamerico col colore
bianco (colori spettrali complementari) fu stabilita solo a
metà del 1800.
Il colore bianco presentò una difficolta particolare per Newton, che scrisse:
(1671) - “There is no one sort of rays which alone can exhibit this [i.e.
white]. This is ever compounded, and to its composition are requisite all the
aforesaid primary colours.”
(1704) - “if only two of the primary colours which in the circle are opposite
to one another be mixed in an equal proportion , the point Z shall fall upon
the centre O and yet the colour compounded of these two shall not be
perfectly white, but some faint anonymous colour. For I could never yet by
mixing only two primary colours produce a perfect white. Whether it may be
compounded of a mixture of three taken at equal distance in the conference.”
Christian Huygens:
(1673) – “two colours alone (yellow and blue) might be sufficient to yield
white.”[email protected]
Errori di Newton e problemi aperti:
1) le posizioni angolari dei colori spettrali
(Primary Colours) sul cerchio sono in
relazione con le note musicali e non con i
colori complementari
2) Tutte le tinte Magenta sono rappresentate
da un punto sul cerchio dei colori.
3) La forma circolare è solo una
approssimazione
Verso la definizione di
primari immaginari1757 – Mikhail Vasil’evich Lomonosov
1777 – George Palmer
1780 – John Elliot MD
1802 – Thomas Young
(1840 – David Brewster)
• Contributo di Young alla comprensione della
teoria di Newton
• La luce come fenomeno ondulatorio
• Comprensione del fenomeno della interferenza
• Tricromia connessa a tre tipi di “fibres” nella
retina, risonanti diversamente se attraversate da
luce
• Uso del disco rotante con settori colorati per
miscelare i colori (Claudius Ptolomaeus ≈100 –
175)
Thomas Young (1802)(1817)
Hermann Günther Graßmann(1853)
Leggi di Graßmann, come riscritte da Krantz (1975), affermano le
seguenti proprietà di linearità tra i colori A, B, C e D,
L’insieme di tutti I colori costituisce uno spazio vettoriale lineare,
detto
spazio del tristimolo.
1.- simmetry law if A B then B A
2.- transitivity law if A B and B C then A C
3.- proportionality law if A B then a B a A real a0
4.- additivity law if A B and C D then (A + C) (B + D)
IMAGINARY “PRIMARIES”
Grado di eccitazionedei tre tipi di fibre
Colour-Matching Functions in fundamental reference frame
[email protected] Exp.Psychology, Cambridge University
Check of Newton’s centre of gravity rule
R
B
G
trilinear mixing triangle (c.1860)
Red
Green
Blue
Instrumental reference frame
Red-Green-Blue physical “primaries”
Fundamental reference frame
imaginary “primaries”
)(lb)(lg
)(lr
(K = Katherine)
Colour-matching functions
in instrumental reference frame
CIE 1931 observer
Colour-Matching Functions:
Maxwell’s
minimum saturation Method
R = 630.2 nm
(rosso)
G = 525.1 nm
(verde)
B = 456.9 nm
(blu)
Colour matching of two beams
La caratterizzazione del sistema visivo
avviene richiedendo l’uguagliamento
delle due parti bianche
di un campo bipartito
- sistema di riferimento fondamentale,
- equazione della “Helligkeit” e l’ Alychne
- le opponenze cromatiche di Hering
- la metrica dello spazio del tristimolo
Ervin Schrödinger (1920)
Lv=eRR+eGG+eBB
Exner’s
coefficients
(R, G, B) (eR, eG, eB)
Exner-
Schrödinger’s
“Helligkeit”
equation
LUMINANCE
X
Y
Z alychne
700
400
500
600
)(lz
Standard Colorimetric Observer CIE 1931
(D. B. Judd used the Schrödinger alychne)
)(lx
)()( ll Vy
Schrödinger e la metrica
Elemento di linea ds2 nel riferimento fondamentale
il metro con cui si misurano le distanze si accorcia al
crescere della luminosità h;
i tre fotorecettori operano in modo indipendente, poiché ds2
non dipende da prodotti misti dXidXj .
++
++++
2
3
3
32
2
2
22
1
1
1
2
3
3
32
2
2
22
1
1
1
332211
2
ddd1
ddd1
d
XX
aX
X
aX
X
a
h
XX
aX
X
aX
X
a
XaXaXas
10
1) Ipotesi di Young (1802): tre tipi di fotorecettori indipendenti, L,
M e S, con proprie sensibilità spettrali.
2) ipotesi dell’univarianza di Rushton (1972): l’effetto fotochimico
di un fotone una volta assorbito dal pigmento di un fotorecettore è
indipendente dalla sua energia; la differenza tra fotoni di diversa
energia è nella probabilità di essere assorbiti (Questa legge richiama
la legge della equivalenza fotochimica di Stark-Einstein : “one
photon is absorbed in any photochemical event”).
3) Macula lutea e assorbimento del cristallino
4) in ogni situazione visiva le sensazioni di colore sono in
corrispondenza biunivoca col numero di fotoni assorbito dai tre tipi
di fotorecettori.
Ipotesi per la specificazione
del colore nella “first zone”Oggi
LMS fundamental reference frame
Numero di fotoni associato alla radianza spettrale Lp,l = Le,l /(h n
Transmittanza della cornea tc
Transmittanza spettrale interna ti(l) = 10–(l) 1
ATTIVAZIONE dei CONI o VALORI DEL TRISTIMOLO
780 780
, ,
380 380
( ) ( )d ( ) dS p c i S eS K L L sl lt t l l l l l
780 780
, ,
380 380
( ) ( )d ( ) dL p c i L eL K L L ll lt t l l l l l 780 780
, ,
380 380
( ) ( )d ( ) dM p c i M eM K L L ml lt t l l l l l
per i coni L
per i coni M
per i coni S
tale che L = M = S per la radianza equienergetica Le,l = E(l = 1.
(L,M,S) corrispondenza biunivoca (sensazioni di colore)[email protected]
LMS fundamental reference frame
Numero di fotoni associato alla radianza spettrale Lp,l = Le,l /(h n
Transmittanza della cornea tc
Transmittanza spettrale interna ti(l) = 10–(l) 1
ATTIVAZIONE dei CONI or VALORI DEL TRISTIMOLO
780 780
, ,
380 380
( ) ( )d ( ) dS p c i S eS K L L sl lt t l l l l l
780 780
, ,
380 380
( ) ( )d ( ) dL p c i L eL K L L ll lt t l l l l l 780 780
, ,
380 380
( ) ( )d ( ) dM p c i M eM K L L ml lt t l l l l l
per i coni L
per i coni M
per i coni S
tale che L = M = S per la radianza equienergetica Le,l = E(l = 1.
(L,M,S) corrispondenza biunivoca (sensazioni di colore)
Colore
psicofisico
colour1) perceived colour:
characteristic of visual perception that can be described by
attributes of hue, brightness (or lightness) and colourfulness
(or saturation or chroma)NOTE 2 Perceived colour depends on the spectral distribution of the colour stimulus, on the
size, shape, structure and surround of the stimulus area, on the state of adaptation of the
observer’s visual system, and on the observer’s experience of the prevailing and similar
situations of observation.
NOTE 4 Perceived colour may appear in several modes of colour appearance. The names for
various modes of appearance are intended to distinguish among qualitative and geometric
differences of colour perceptions. Some of the more important terms of the modes of colour
appearance are given in “object colour”, “surface colour” and “aperture colour”. Other modes
of colour appearance include film colour, volume colour, illuminant colour, body colour, and
Ganzfeld colour. Each of these modes of colour appearance may be further qualified by
adjectives to describe combinations of colour or their spatial and temporal relationships. Other
terms that relate to qualitative differences among colours perceived in various modes of
colour appearance are given in “luminous colour”, “non-luminous colour”, “related colour” and
“unrelated colour”.
2) psychophysical colour:
specification of a colour stimulus in terms of operationally
defined values, such as 3 tristimulus values
Colour sensation: The sense organs
register the colour stimulus, “decode” it,
and transform it into a neural signal – colour
sensation –, that is then transmitted to the
brain.
Colour perception: In the brain, the neural
signal is organized and interpreted. Colour
perception involves “making sense” of
colour sensations.
Stato di coscienza
La fisica nella percezione del colore:
storia e applicazioni
Claudio OleariUniversità degli Studi di Parma, Dpt Fisica e Scienze della terra
La fisica nella psicofisica del colore:
storia e applicazioni
Claudio OleariUniversità degli Studi di Parma, Dpt Fisica e Scienze della terra
I fisici e la psicofisica del colore:
storia e applicazioni
Claudio OleariUniversità degli Studi di Parma, Dpt Fisica e Scienze della terra
SCUSATEMI per il fuori tema
GRAZIE per l’attenzione
Claudio Oleari
Se volete posso continuare con poche immagini sulla «colour
appearance»
!
htt
p://w
ww
.lo
tto
lab
.org
/art
icle
s/illu
sio
nsoflig
ht.a
sp
ASSIMILAZIONE
(Akiyoshi Kitaoka
"Trick eyes" Tokyo:
KANZEN 2002 )
by M
ich
ae
l B
ach
CONTRASTO SIMULTANEO o INDUZIONE DI BRILLANZA:
due quadrati grigi uguali posti su due diversi sfondi appaiono differenti.
White’s assimilation
CONSTANZA DEL COLORE
“Hunt’s cushion”(from R. Jackson, L. MacDonald, K. Freeman,
“Computer Generated Color”, Wiley, 1994)
Colore percepito
in scena
e in riproduzione
SI, MA
From Marc Ebner, Color Constancy, Wiley (2007)
R. Hunt
Perché è necessario il bilanciamento del bianco?
2011 R.J. Motta
2011 R.J. Motta
Color television, for the first time, offered the possibility of viewing both the original and reproduction side by side,
why does one need to daylight balance a tungsten lit scene, even when displaying the image right next to the original scene? The need for such translation has elicited two lines of inquire
1) what influences and determines the state of chromatic adaption when viewing mixed scenes, with self-luminous and reflective colors?2) by what mechanism one must determine the corresponding colors? as equivalent reflectances/objects, or equivalent perceptions?
La televisione a colori, per la prima volta, ha offerto la possibilità di visualizzare affiancati l’originale e la riproduzione,
?perché è necessario modificare una scena illuminata
da una sorgente a filamento di tungsteno (3200K)
come se fosse illuminata dalla luce del giorno
(6500K), anche quando la riproduzione è a fianco
della scena originale?La necessità di tale trasformazione ha suscitato due linee di ricerca:
1) Cosa determina lo stato di adattamento cromatico
nella visualizzazione di scene miste, con colori
autoluminosi e non autoluminosi?
2) Quali sono i meccanismi che determinano colori
corrispondenti? i.e. riflettanze equivalenti/oggetti, o
percezioni equivalenti?2011 R.J. Motta
… most color photographs are taken in daylight and projected or viewed with tungsten lamps;
commercial motion pictures made with tungsten studio lamps are almost always projected with arcs that resemble daylight;
color television receivers produce "white" of daylight quality, or even bluer, although most of the scenes televised are tungsten-lighted.
1956 MacAdam
… la maggior parte delle fotografie a colori è
ottenuta con luce del giorno ed è proiettata o
visualizzata con lampade a filamento di tungsteno;
film commerciali, realizzati in studio con
lampade a filamento di tungsteno, sono quasi
sempre proiettati con lampade a scarica, la cui luce è
simile alla luce diurna;
i televisori a colori hanno il "bianco“ del tipo
luce del giorno, o più blu, anche se la maggior parte
delle scene televisive è illuminata con lampade a
filamento di tungsteno.
1956 MacAdam
R. Hunt
+
R. Hunt
I segnali televisivi RGB prodotti in studio da sorgenti a
filamento di tungsteno (3200K) sono moltiplicati da
opportuni fattori in modo che risultino uguali a quelli
prodotti dalla luce del giorno (6500K) e quindi il bianco
riprodotto dal monitor abbia una temperatura di colore di
6500K.
Ciò comporta che il colore ottenuto con questa
trasformazione sia differente da quello che si otterrebbe in
studio con l’illuminazione D65: e.g. su monitor i colori
rossi risultano più chiari e i colori blu più scuri.
+ Conversione del bianco,
non dei colori!!!
