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Modelli di Colore 1
Michele Nappi, Ph.D
Dipartimento di Matematica e Informatica
Università degli Studi di Salerno
[email protected]
www.dmi.unisa.it/people/nappi
089-963334
13/03/2014
Michele Nappi
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Spettro Visibile
•Spettro Visibile: Luce bianca attraverso un prisma ottico
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Michele Nappi
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Spettro Visibile
•Luce Visibile: onde elettromagnetiche [380 nm, 780 nm]
•1nm=10-9m
•Ultravioletto <380 nm (<10nm Raggi X, Raggi Gamma, Raggi Cosmici)
•Infrarosso >780 nm (>1500nm onde radio)
•La percezione del colore avviene attraverso la combinazione di tre stimoli primari
(tricromia): a livello della retina viene filtrato il segnale e diviso in tre colori: blu, rosso e
verde (verde-giallo)
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Spettro Visibile
•Il colore di un oggetto è percepito come luce riflessa dall’oggetto
•Un oggetto che riflette luce in modo omogeneo sull’intero spettro
visibile è percepito di colore bianco
•Un oggetto che assorbe luce in modo omogeneo sull’intero spettro
visibile è percepito di colore nero
•Un oggetto verde riflette luce la cui lunghezza d’onda ricade
nell’intervallo [500 nm, 570 nm] e assorbe quasi totalmente le altre
lunghezze d’onda [380 nm, 499 nm][571 nm, 780]
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Spettro Visibile
•Il nostro occhio, a differenza dell’orecchio, non è in grado di
effettuare un’analisi spettrale, ma riporta una sensazione risultante
dalla combinazione di tutte le lunghezze d’onda visibili
•E’ inoltre impossibile comunicare la sensazione corrispondente ad
un certo stimolo. Quello che possiamo comunicare è che due stimoli
diversi producono la stessa sensazione.
•La teoria di Young-Helmholtz (1801) ipotizza che per riprodurre la
sensazione di un colore si possano combinare opportunamente tre
radiazioni primarie (sistemi tricromici). La prima conferma
sperimentale ottenuta da esperimenti sull’occhio si ebbe negli
esperimenti di Wright & Guild (1928-1931).
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Percezione e Colori del CIE
•CIE: Commission Internationale de l’Eclairage (1931)
•Colori Primari (osservatore standard):
•Red (700 nm)
•Green (546.1 nm)
•Blue (435.8 nm)
•Y= 0.299Red+0.587Green+0.114Blue (luminanza dello stimolo).
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Percezione e Colori del CIE
•
•
I coni (visione fotopica) sono divisi in tre
gruppi:
–
L (long) sensibili al rosso
–
M (middle) sensibili al verde
–
S (short) sensibili al blue
I bastoncelli sono sensibili nello stesso
modo (invarianti) alle varie frequenze dello
spettro luminoso: producono una visione
(scotopica) basata solo sulle differenze di
luminosità
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Percezione e Colori del CIE
• E= Radiazione (luce)
• SR SG SB = Funzioni di Sensibilità
spettrale dei Coni
• = Lunghezza d’onda
• Ogni gruppo di coni somma
l’energia luminosa visibile in
base alla sua sensibilità e
trasmette al sistema visivo la
somma dei contributi di ogni
lunghezza d’onda pesati dalla
sua funzione di sensibilità
spettrale
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R   E  S R  d
780
380
G   E  SG  d
780
380
B   E  S B  d
780
380
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Percezione e Colori del CIE
•Percentuale (Y) di intensità dei tre primari (RGB) per comporre tutti i colori dello
spettro visibile (X) [Wright & Guild (1928-1931)]
•I coefficienti negativi indicano che alcuni colori non possono essere rappresentati
dalla somma dei tre primari
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Modelli di Colore
Classi di Immagini a Colori:
1. True colors (Colori Veri) è ottenuta mediante composizione
(sottrattiva o additiva di tre componenti –HSB, RGB, CYM,
YIQ–) Ogni componente è quantizzata con un numero definito
di bit
2. Pseudo-Colors (Colori Falsi) è ottenuta assegnando ad ogni
intervallo di colori veri un colore medio
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Modelli di Colore
•Il modello di colore RGB è utilizzato per realizzare dispositivi di proiezione
quali monitors, TV e nell’elaborazione di immagini. Viene utilizzato anche per
immagini satellitari.
•Additivo: Si addiziona luce (RGB) al nero
•Il modello di colore CYM è utilizzato per realizzare dispositivi di stampa
•Sottrattivo: Si sottrae luce (CYM) al bianco
•Il modello di colore HSB (HSV) è utilizzato nell’Elaborazione di Immagini
•Conbinazione di Hue (Tonalità), Saturazione (Saturation), Luminosità (Brightness)
•Il modello di colore YIQ (YUV) è utilizzato nelle trasmissioni TV e
nell’elaborazione di immagini
•Sfrutta la maggiore sensibilità dell’occhio umano alla luminanza (immagini a livelli
di grigio)
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Modelli di Colore: RGB
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Modelli di Colore: RGB
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Modelli di Colore: RGB
La tabella dei colori che utilizza il modello RGB è:
R
G
B
----------------------------255
255
255
255
0
0
0
255
0
0
0
255
0
0
0
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colore
bianco
rosso
verde
blu
nero
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C
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Modelli
Mdi Colore:YCMY
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Relazioni tra i Cubi di Colore
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Modelli di Colore
magenta = rosso + blu
ciano = verde +blu
giallo = rosso + verde
Altre possibili combinazioni:
bianco = blu (primario) + giallo (secondario)
bianco = verde (primario) + magenta (secondario)
bianco = rosso (primario) + ciano (secondario)
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Il Modello HSB
•
Il modello HSB (HSI) è basato sulla percezione umana del colore e descrive tre
caratteristiche principali del colore:
•
Tonalità (Hue) è il colore riflesso o trasmesso attraverso un oggetto. Viene calcolata
come una posizione sulla ruota dei colori standard ed è espressa in gradi da 0 a 360. In
generale, la tonalità è identificata dal nome del colore, come ad esempio rosso,
arancione o verde. Si esprime con la lunghezza d’onda
•
Saturazione (Saturation), detta anche croma, è la potenza o la purezza del colore. La
saturazione rappresenta la quantità di grigio rispetto alla tonalità ed è calcolata come
percentuale da 0% (grigio) a 100% (saturazione completa). Sulla ruota dei colori
standard, la saturazione aumenta dal centro verso l’esterno.
•
Luminosità (Brightness) è la chiarezza o la scurezza relativa del colore ed è
generalmente misurata come percentuale da 0% (nero) a 100% (bianco).
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Il Modello HSB
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SPAZIO HSV
•
•
HSV (hue, saturation, value): H è un angolo tra 0 e 360
gradi, S e V sono valori tra 0 ed 1. E’ una trasformazione
dello spazio 0 R,G,B 1, dove si definiscono per ogni
punto:
» MAX= MAX(R,G,B)
» MIN= MIN(R;G;B)
Le cordinate sono allora date dalle seguenti formule:
V  MAX
 MAX  MIN 
S 

MAX


 GB
 MAX  MIN if MAX  R


BR
H  2 
if MAX  G
6
MAX  MIN
R G

4  MAX  MIN if MAX  B

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Percezione e Colori del CIE: SPAZIO XYZ
La conversione dallo spazio CIERGB a quello CIEXYZ è
definita dalla seguente trasformazione lineare:
 X  0.4900 0.3100 0.2000   R 
Y   0.1770 0.8124 0.0106   G 
  
  
 Z   0
0.0100 0.9900   B 
Le nuove funzioni X,Y,Z sono normalizzate ed una (Y) rappresenta la
luminosità associata ad ogni colore. La quantità di Red, Green and
Blue per generare ogni colore è quindi rappresentata da X, Y, Z e un
colore è definito nel seguente modo:
x
X
Y
Z
y
z
X Y  Z
X Y  Z
X Y  Z
x  y  z 1
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Percezione e Colori del CIE: SPAZIO XYZ
X
x
(rosso)
X Y  Z
Y
y
(verde)
X Y  Z
Z
z
(blue)
X Y  Z
x  y  z 1
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Percezione e Colori del CIE: SPAZIO XYZ
Bianco (Black point):
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0.333 di rosso (x)
0.333 di verde (y)
0.333 di blue (z = 1- (x+y))
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z  1  ( x  y)
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Percezione e Colori del CIE: SPAZIO LAB
• A tutt’oggi lo spazio CIEXYZ è considerato il riferimento assoluto per tutte le
definizioni di colore, ma ha un grande difetto: descrive la natura fisica del colore e
non la sua percezione da parte dell’osservatore.
• Vengono quindi definiti nel 1976 una serie di spazi colore tra i quali il CIELAB,
noto anche come modello di Hering (L = Luminosità, a = asse verde-rosso, b = asse
blu-giallo) è diventato lo standard defacto nella pratica colorimetrica industriale e
copre tutti i colori nello spettro visibile
•Nasce dalla considerazione sperimentale che non si può percepire un rosso
verdastro o un giallo bluastro
• La prima coordinata di questo spazio può essere ottenuta dalle seguenti formule:
1
 Y 3
Y 
L  116   16 se    0.008856
 Yn 
 Yn 
Y 
L  903.3 
 Yn 
Y 
se    0.008856
 Yn 
Questa è chiamata Chiarezza (Lightness) CIE 1976 e riproduce la percezione della luminosità
dell’Osservator Standard.
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Percezione e Colori del CIE: SPAZIO LAB
• Le altre due coordinate sono a e b definite come segue:
  X 
 
a  500 f 
  Xn 
 Y 
b  200 f   
  Yn 
 Y 
f  
 Yn 
 Z 
f  
 Z n 
 x 3 se x  0.008856
dove f  x   
16
se x  0.008856
7.787 x  116
1
Su ogni piano a chiarezza costante si possono definire angolo di tinta (hue) e croma (saturazione). La
differenza tra colori può essere espressa come distanza euclidea tra i vettori dei colori.
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