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Corso di Visione Artificiale
Percezione e Colore
Samuel Rota Bulò
Percezione del colore
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La percezione del colore è dovuta
all'interazione tra la luce emessa da una
sorgente, gli oggetti incontrati nel suo cammino
e l'occhio di un osservatore umano.
Il colore percepito dipende dalle caratteristiche
fisiche della luce che lo raggiunge.
Percezione del colore
L'occhio umano
Regolazione della quantità di
luce che entra nell'occhio
La lente è flessibile.
- Regola la messa a fuoco.
- Assorbe circa l'8% della luce
visibile e una maggiore
percentuale di luce infrarossa
e ultravioletta.
Luce viene recepita da 2
classi di recettori distribuiti
lungo la retina: coni e
bastoncelli.
Coni sono 6/7 milioni
distribuiti intorno alla fovea e
sono sensibili al colore.
Bastoncelli sono 75/150 milioni distribuiti lungo
tutta la retina. Non contribuiscono alla
percezione del colore, ma sono sensibili a
basse condizioni di illuminazione.
Distribuzione di coni e bastoncelli
Percezione della luminosità
L'intensità luminosa percepita è una
funzione logaritmica dell'intensità luminosa
incidente sull'occhio.
La visione fotopica (derivante dall'attività dei
coni) si può adattare ad un intervallo di 106
millilambert (mL).
La visione scotopica (derivante dall'attività
dei bastoncelli)
La transizione tra visione scotopica e
fotocopica è graduale.
L'intervallo di intensità che l'occhio può
discriminare simultaneamente è piccolo
rispetto a quello a cui può adattarsi.
Se l'occhio si è adattato al livello tra Ba e Bb
non sarà in grado di percepire variazioni di
intensità al di fuori di quell'intervallo, ma
dovrà adattarsi ad un nuovo livello.
Percezione della luminosità
Esperimento:
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Visione
scotopica
Visione
fotopica
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poniamo un uomo/donna di fronte ad un area
illuminata uniformemente di intensità I .
In un'area circolare posta in mezzo alla regione
mostriamo veloci flash di intensità I + ∆Ι chiedendo
di segnalare le variazioni.
Sia ∆Ic l'incremento di intensità che viene
segnalato 50% delle volte.
L'incremento relativo è detto Weber ratio.
Valori piccoli di Weber ratio indicano buona
discriminazione della luminosità. Viceversa, valori
grandi indicano una discriminazione povera.
La discriminazione è povera con la visione
scotopica e buona con la visione fotopica.
Percezione della luminosità
Esperimento:
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Modifichiamo l'esperimento precedente mantenendo lo sfondo costante, mentre l'intensità
della sorgente luminosa centrale, invece di produrre un flash, viene incrementata
gradualmente.
L'uomo/donna è in grado di percepire tra 1 e 2 dozzine di intensità differenti per livello di
adattamento.
Percezione della luminosità
Percezione della luminosità
Altri fenomeni di percezione
... e forse quello più sbalorditivo
Luce
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Nel 1666 Isaac Newton scoprì che
se un raggio di luce bianca attraversa
un prisma di vetro diviene uno spettro
continuo di colori.
L'intuizione di Newton è che il bianco
non e’ un colore “puro”, ma è la
composizione di più colori.
Luce
Spettrofotometro
Luce e lo spettro elettromagnetico
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La luce è la parte dello spettro elettromagnetico visibile
all'occhio umano.
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L'intervallo è circa 0.43 µm (violetto) – 0.79 µm (rosso).
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La luce manifesta proprietà di onde e particelle (fotoni).
Sorgenti di luce
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Per creare una sorgente luminosa basta scaldare un oggetto
fino alla fusione.
Un corpo nero è un oggetto che assorbe tutta l'energia
elettromagnetica che lo colpisce (no riflessione).
La distribuzione dell'energia spettrale che lascia l'oggetto è una
funzione semplice della temperatura.
A temperature relativamente basse i corpi neri sono rossi,
passano poi per l'arancione, il giallo e il bianco.
Sorgenti di luce naturale
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La più importante sorgente luminosa è il sole.
Parte della luce proveniente dal sole viene
dispersa dall'aria, per cui anche il cielo può
essere considerato come sorgente luminosa.
Luce alle basse frequenze viaggia più a lungo
prima di essere dispersa rispetto a quella ad alte
frequenze. Questo significa che quando il sole è
alto nel cielo, la luce blu viene dispersa, il sole
quindi appare giallo, mentre il cielo appare blu
all'occhio.
Sorgenti di luce naturale
Sorgenti di luce artificiale
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Luce ad incandescenza: un
filamento di metallo viene scaldato ad
alte temperature e produce una luce
rossastra.
Luce a fluorescenza: elettroni ad alta
velocità colpiscono un gas nel bulbo;
questo rilascia un radiazione
ultravioletta, che causa la
fluorescenza di fosfori che rivestono il
bulbo. Tipicamente la luce è bluastra,
ma sono anche disponibili bulbi che
imitano la luce naturale del giorno.
Luce e Colore
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I colori che l'uomo e alcuni animali
percepiscono sono determinati dalla
natura della luce riflessa dagli oggetti.
Una sorgente emette luce di una certa
natura (caratterizzata da un certo spettro).
Quando la luce colpisce un oggetto
questa viene in parte riflessa, in parte
assorbita e in parte rifratta in base alle
caratteristiche fisiche dell'oggetto.
La luce che giunge all'occhio umano verrà
elaborata dal cervello e, a seconda della
sua natura, porterà alla percezione dei
colori.
Fattore di riflessione dell'oggetto
per la lunghezza d'onda λ
Esempi di fattori di riflessione
I recettori del colore
Curve di assorbimenti dei 3 tipi di recettori
del colore.
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La percezione del colore è determinata dalla
risposta dei coni alla luce.
Una forte evidenza sperimentale ha stabilito
che vi sono 3 diversi tipi di recettori
corrispondenti approssimativamente al
rosso, verde e blu (Tricromia).
Approssimativamente perché nessun
recettore contribuisce in modo esclusivo alla
percezione del rosso, verde o blu.
La distribuzione dei coni rispetto al tipo è:
65% rosso, 33% verde e 2% blu.
Coni
Bastoncelli
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La risposta di un singolo recettore ad una luce E è data da
Color matching
Esperimento:
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Abbiamo una luce test e 3 luci primarie
legate alle risposte massime dei coni.
La luce test e le luci primarie vengono
proiettate rispettivamente su 2 regioni
adiacenti.
Viene chiesto ad un osservatore di regolare
l'intensità delle luci primarie in modo tale che
la loro combinazione produca una luce
percettivamente uguale alla luce test.
Attenzione:
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L'esperimento funziona con QUASI tutti i
colori.
Esistono tonalità tra il blue e il verde non
riproducibili.
Dobbiamo aggiungere del rosso alla luce test
per ottenere una corrispondenza (o pesare
negativamente la luce primaria rossa)
Continua ...
Color matching
Motivo:
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La luce verde stimola il cono rosso più
del colore test (per esempio ciano)
Per rendere le risposte alla luce test e
alla combinazione delle luci primarie
uguali, bisogna ridurre la risposta dei
coni rossi (ovvero sottrarre del rosso).
Funzioni di color matching
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Dato un insieme di luci/colori primari, ad es, P1 , P2 ,P3
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f1, f2, f3 sono funzioni di color matching per le luci primarie P1 ,
P2 ,P3 se
dove U(λ) è una sorgente luminosa monocromatica con frequenza
singola λ
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Data una luce test T se conosciamo le funzioni di matching delle
luci primarie P1 , P2 ,P3 abbiamo che
Spazio di colore CIE XYZ
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Nel 1931 lo standard CIE (International Commission on Illumination) definisce lo spazio di
colori XYZ
I colori primari associati allo spazio XYZ sono “virtuali” in quanto non possono essere
rappresentati in natura dal momento che hanno dei valori negativi nel loro spettro.
Le funzioni di color matching sono positive, quindi la percezione cromatica di ogni
radiazione luminosa può essere riprodotta con una combinazione positiva di questi colori
virtuali
Spazio di colore CIE XYZ e xyY
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Del colore distinguiamo 3 caratteristiche:
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Luminosità: intensità del colore
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Tonalità:
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Saturazione:
è il colore dominante percepito
è la purezza del colore, o la quantità di luce bianca mischiata
al colore dominante
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La tonalità e la saturazione insieme formano la cromaticità del colore.
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Nello spazio XYZ, Y rappresenta la luminosità del colore.
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Tipicamente la cromaticità nello spazio XYZ è rappresentata da
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Un colore è quindi caratterizzato dalla cromaticità (x,y) e luminosità Y. Questo
spazio derivato da XYZ è spesso chiamato CIE xyY.
Diagramma di cromaticità CIE
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Questo diagramma rappresenta la
cromaticità di ogni colore visibile
nello spazio CIE xyY.
I colori puri dello spettro si trovano
lungo il bordo del diagramma. Sono
colori saturi.
Ogni altro colore può essere
espresso come combinazione
lineare di colori puri.
Il bianco si trova nel baricentro dei 3
colori primari.
I colori generabili dalla
combinazione di N colori dati si
trovano nel poligono convesso che
li ha per vertici.
L'area del poligono è detto gamut e
indica la quantità di colori generabili
dagli N colori ai vertici.
Gamut
Spazio di colore RGB
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Lo spazio RGB ha come colori primari R (700 nm), G (546.1 nm) e B (435.8 nm).
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E' stato creato nel 1931 dalla CIE prima che le curve dei coni fossero note.
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Inoltre, in pratica, RGB è device-dipendente, in quanto utilizza I fosfori primari del
device che rappresentano R, G e B.
Funzioni di matching per RGB
Gamut RGB
Modello di colori RGB
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Rappresentiamo i colori come punti di uno spazio euclideo in cui R,G,B sono le
dimensioni dello spazio.
Un colore T in questo spazio diventa un punto con coordinate (r,g,b) dove r,g,b
sono le intensità di R,G,B necessarie a produrre T.
Consideriamo le intensità di colore normalizzate nell'intervallo [0,1].
Sintesi additiva e sottrattiva
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In base al modello RGB, se mescoliamo 3 fasci di luci colorate
rispettivamente di rosso, verde e blu, otteniamo una luce bianca.
Tuttavia l'esperienza ci insegna che se dipingiamo un quadro e
mescoliamo i colori blu, rosso e giallo otteniamo tutto fuori che il bianco.
Cosa non torna?
Sintesi additiva e sottrattiva
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Mentre la luce colorata deriva da un'emissione diretta di luce, il colore di un
pigmento deriva da luce riflessa.
Spazio di colori CMY
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CMYK è uno spazio di colori in cui i colori primari sono C (ciano), M (magenta) e Y
(giallo).
I colori primari sono ottenuti sottraendo una luce primaria del modello RGB dalla
luce bianca W.
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Se lo spazio viene utilizzato per i display, lo
spazio CMY viene utilizzato per le stampanti.
Notare che il nero K si può in teoria ottenere
combinando C,M e Y
In pratica mescolare C,M,Y per produrre K in
una stampante è inefficiente, quindi quello che
si fa è fornire un pigmento nero. Lo spazio che
ne deriva è detto CMYK
Trasformazione RGB ⇔ CMY
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Dato un colore di coordinate (r,g,b) nello spazio RGB, lo
stesso colore nello spazio CMY ha coordinate:
e viceversa dato un colore di coordinate (c,m,y) in CMY, lo
stesso colore nello spazio RGB ha coordinate:
Proprietà del colore
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Un problema degli spazi visti finora è che non modellano
esplicitamente le proprietà comunemente utilizzate per
descrivere un colore: luminosità, tonalità, saturazione.
La tonalità o tinta identifica il colore puro predominante.
La saturazione è l'intensità della tinta. Se nulla abbiamo una
tonalità di grigio. Se massima abbiamo un colore puro.
La luminosità identifica la quantità di luce emessa. Se nulla
otteniamo il nero.
TONALITÀ
LUMINOSITÀ
SATURAZIONE
Spazio HSV
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Hue: tonalità, Saturation: saturazione, Value: brillantezza
Spazio HSL
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Hue: tonalità, Saturation: saturazione, Lightness: luminosità
Spazio di colore uniforme
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Uno spazio di colore è uniforme se la distanza tra due colori nello spazio è
un indicatore “affidabile” della differenza percettiva di due colori.
Uno strumento per misurare il grado di uniformità di uno spazio di colori
sono le ellissi di Macadam. I colori che racchiude sono percettivamente
indistinguibili dal colore al centro dell'ellissi.
Se le ellissi sono circolari e uniformi, lo spazio è uniforme.
spazio CIE xy
ZOOM
Spazio L*a*b*
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Questo spazio è universalmente il più popolare spazio uniforme.
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Standard CIE dal 1976.
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Descrive come lo spazio XYZ tutti i colori visibili all'occhio umano.
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L* rappresenta la luminosità del colore.
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Si basa su un colore bianco di riferimento nello spazio XYZ.
versione
semplificata
Spazio L*u*v*
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Standard CIE dal 1976 “fratello” di L*a*b*
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Deformazione dello spazio XYZ per migliorarne l'uniformità.
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L* è lo stesso dello spazio L*a*b*
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Si basa su un colore bianco di riferimento nello spazio XYZ.
Percezione del colore con interferenza