Elaborazione di immagini a colori
Il colore nella elaborazione di immagini
L’uso del colore è motivato da:
Elaborazione full color – colore pieno
Il colore è un descrittore che semplifica l’identificazione di un oggetto
e la sua estrazione dalla scena
L’occhio umano è in grado di distinguere migliaia di gradazioni di
colore e solo poche dozzine di tonalità di grigio
Le immagini sono acquisite mediante un sensore full color come una
macchina forografica o uno scanner
Elaborazione false color – a falsi colori
Si assegna un colore a particolari valori monocromatici ( o terne di
valori monocromatici)
L Caponetti
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Considerazioni di base
I colori non sono proprieta’ intrinseche dei
corpi ma sensazioni attivate nel sistema
nervoso dell’osservatore
L’esperienza del colore e’ causata dal fatto
che il sistema visivo risponde in modo diverso
ad una varieta’ di lunghezze d’onda
L Caponetti
Considerazioni di base
I colori non sono proprieta’ intrinseche dei
corpi ma sensazioni attivate nel sistema
nervoso dell’osservatore
L’esperienza del colore e’ causata dal fatto
che il sistema visivo risponde in modo diverso
ad una varieta’ di lunghezze d’onda
L Caponetti
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Considerazioni di base
La percezione del colore dipende
dalla fisica della luce – energia
elettromagnetica
dalla interazione della luce con i materiali fisici
dalla interpretazione dei fenomeni risultanti da
parte del sistema neuro-visivo umano
I colori percepiti sono determinati dalla luce
riflessa dall’oggetto – lunghezza d’onda
della luce che produce lo stimolo visivo
L Caponetti
Considerazioni di base
La luce visibile è composta da una
banda relativamente stretta della
radiazione elettromagnetica
Il sistema visivo umano interpreta come
luce visibile l’energia elettromagnetica
con lunghezze d’onda comprese tra
400-800 nanometri –1 nm =10-9 m
L Caponetti
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Spettro dell’energia elettromagnetica
L Caponetti
Spettro del visibile
Gli occhi percepiscono una parte molto
limitata delle radiazioni elettromagnetiche,
quelle con lunghezze d'onda (lambda)
compresa tra 400 nanometri (ultravioletti) e
800 nm (infrarossi)
L Caponetti
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Spettro del visibile
Se una luce bianca – ad esempio un raggio luminosopassa attraverso un prisma il raggio in uscita non è
bianco, ma è costituito da uno spettro continuo di
colori – dal viola al rosso (Nweton 1666)
L Caponetti
Luce bianca
Se la luce percepita contiene tutte le
lunghezze d’onda in eguale misura la
luce è acromatica
Una luce acromatica può essere
Bianca se proviene direttamente da una
sorgente
Bianca, nera o grigia se è riflessa o
trasmessa
L Caponetti
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Luce bianca
Se la luce percepita contiene tutte le
lunghezze d’onda in eguale misura la
luce è acromatica
Una luce acromatica può essere
Bianca se proviene direttamente da una
sorgente
Bianca, nera o grigia se è riflessa o
trasmessa
L Caponetti
Luce bianca
Bianco
Un oggetto che riflette acromaticamente –
cioè in modo bilanciato in tutte le
lunghezze d’onda visibili- più del 80% della
luce incidente bianca appare bianco
Nero
Un oggetto che riflette meno del 3% della
luce incidente bianca appare nero
L Caponetti
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Luce bianca
Grigio
Un oggetto che riflette con valori
intermedi, più del 3% della luce incidente
bianca e meno del 80%, appare grigio
L Caponetti
Spettro del visibile
Lunghezze d’onda più elevate
Lo spettro del visibile è costituito dalle lunghezze
d’onda dell’intervallo 400 - 800 nm (10-9 metri)
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Il colore delle superfici
il colore di un oggetto dipende da
la distribuzione delle lunghezze d’onda della
sorgente di luce incidente
il materiale che costituisce la superficie
dell’oggetto - quanto assorbe le lunghezze d’onda
Un oggetto appare colorato se riflette solo una
piccola banda delle lunghezze d’onda e assorbe
tutte le altre
– ad esempio un oggetto verde riflette la luce
con lunghezza d’onda da 500 a 570 nm e
assorbe quasi tutte le altre
L Caponetti
Il colore delle sorgenti naturali
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
L Caponetti
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Caratterizzazione della luce
La luce cromatica copre lo spettro
elettromagnetico da 400 nm a 700 nm.
Per descrivere la qualità di una fonte di luce
cromatica si utilizzano 3 parametri:
Radianza – misura la quantità di energia emessa
dalla sorgente (watt)
Luminanza – energia percepita da un osservatore
(lumen)
Luminosità – descrittore soggettivo
L Caponetti
Curva di efficienza
Curva di efficienza:
risposta dell’occhio allo
stimolo luminoso a
luminosità costante al
variare della lunghezza
d’onda
L’occhio umano vede
meglio scene illuminate da
luci giallo-verdi di
lunghezza d’onda attorno
ai 550 nm: la luce solare
L Caponetti
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Sistema visivo umano
Nella retina vi sono due tipi di cellule
sensibili alla luce:
coni: sono sensibili alla lunghezza d’ondapercezione del colore
bastoncelli: hanno lo scopo di adattarsi ai
cambiamenti di intensita’ di luce ad esempio alla
luce crepuscolare e notturna
L Caponetti
La percezione umana
La retina è costituita
da due tipi di cellule,
detti per la loro
forma, coni e
bastoncelli
Bastoncelli
Coni
L Caponetti
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La percezione umana
I coni sono sensibili alla
lunghezza d’onda
(percezione del colore)
I coni possono essere
suddivisi in 3 categorie
percettive
coni rossi,
coni verdi
coni blu
I cui picchi di attivazione si
hanno attorno a 680 nm
-Rosso, 545 nm -Verde e
440 nm -Blu
Coni
L Caponetti
Sistema visivo umano
I coni sono responsabili della visione dei
dettagli e dei colori.
Studi di genetica della visione supportano
l’idea che esistano 3 tipi di coni, differenziati
dalla loro sensibilita’ a diverse lunghezze
d’onda:
Coni-S (short wavelength sensitive cone)
Coni-M (middle wavelength sensitive cone)
Coni-L (long wavelength sensitive cone)
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RGB
La teoria del tristimolo, di Young-Helmotz,
sulla percezione del colore ipotizza che la
retina abbia 3 differenti tipi di sensori (coni),
ciascuno dei quali è più sensibile ad uno dei
colori R-G-B
L Caponetti
Teoria del tristimolo
Ogni colore percepito può essere
rappresentato come un punto in uno
spazio 3D detto spazio del tristimolo
Esistono diverse rappresentazioni del
colore basate su mapping in punti
tridimensionali
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RGB
L’occhio umano percepisce ogni colore come
combinazione di 3 colori primari:
Rosso avente lunghezza d’onda 700 nm
Verde avente lunghezza d’onda 546.1 nm
Blue avente lunghezza d’onda 435.8 nm
Le lunghezze d’onda dei tre colori primari sono
state standardizzate dalla commissione CIE
(International Commission of illumination)
L Caponetti
Creazione del colore
La misura del colore o delle sensazioni di
colore è oggetto di studio della colorimetria.
Metodi usati per formare il colore:
sintesi del colore additiva
sintesi del colore sottrattiva
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Colori primari e secondari
L Caponetti
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
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Sintesi sottrattiva
Nella sintesi sottrattiva non si intende produrre una
radiazione luminosa di un particolare colore, ma un
colorante che assorba alcune lunghezze d’onda e ne
rifletta altre.
Nella sintesi sottrattiva, si definiscono primari i
pigmenti/filtri che assorbono la radiazione luminosa
di un colore primario, riflettendo le altre due
Magenta (assorbe il verde)
Ciano (assorbe il rosso)
Giallo (assorbe il blu)
L Caponetti
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” significa che si
eliminano dei colori dal bianco per ottenere
altri colori
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Coefficienti cromatici
Le quantità di rosso, verde e blu presenti in un dato
colore sono detti valori tristimolo e vengono indicati
con X,Y,Z
Un colore viene specificato tramite i suoi coefficienti
cromatici x,y,z
x=X/(X+Y+Z)
y=Y/(X+Y+Z)
z=Z/(X+Y+Z); da cui si ricava x+y+z=1
i coefficienti cromatici sono le coordinate della intersezione tra un vettore
colore e il piano unitario
L Caponetti
Diagramma di cromaticità
x+y+z=1
Il diagramma di cromaticità mostra la
composizione del colore come funzione
di x (rosso) e y(verde)
Il corrispondente valore z si ricava da
z=1-(x+y)
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Diagramma di cromaticità CIE
L Caponetti
Diagramma di cromaticità
Il diagramma di cromaticità rappresenta
su un piano bidimensionale un colore,
prescindendo dalla luminosità.
E’ utile nello studio dei colori, che
possono essere posti in relazione alle
rispettive lunghezze d'onda dominanti.
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Rappresentazione del colore
Caratteristiche descrittive del colore frequentemente utilizzate
sono:
Luminosità (brightness): attributo che si riferisce alla quantità di
luce presente - intensità
Tinta (hue): attributo legato alla lunghezza d’onda dominante.
Rappresenta ciò che un osservatore definisce “il colore dominante”
Saturazione (saturation): attributo che si riferisce alla purezza della
tinta; è la percentuale con cui il colore puro è diluito con il bianco
Un colore puro è saturo al 100%
Un colore ha una una bassa saturazione quando nel colore è presente
un’elevata quantità di luce bianca
L’insieme della tinta e della saturazione definiscono la
cromaticità, ovvero ciò che caratterizza il colore
indipendentemente dalla intensità luminosa presente
L Caponetti
Schema di Munsell
Tutte le linee verticali tratteggiate sono la
rappresentazione della medesima “linea dei grigi”.
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Modelli di colore
Un modello di colore specifica un sistema di
coordinate 3D ed un sottoinsieme del sistema
in cui tutti i colori sono rappresentati da punti
Modelli orientati a particolari dispositivi
RGB
CMYK
monitor
hardcopy
Modello derivato dallo studio della
percezione
HIS, HSV
L Caponetti
Modello RGB
Ogni colore è rappresentato dalle sue componenti
primarie relative al Rosso, Verde e Blu
Il modello è basato su un sistema di coordinate
cartesiane ed in partcolare su un cubo, in cui i valori
primari RGB si trovano su 3 spigoli
I colori primari R-G-B sono additivi. Il colore
risultante si ottiene in modo additivo dalle
componenti R-G-B
L Caponetti
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Cubo RGB
Red
Red
Green
Green
RRGGBB
1,0,0
1,0,0
Blue
Blue
0,1,0
0,1,0
0,0,1
0,0,1
Black
Black
white
white
0,0,0
0,0,0
1,1,1
1,1,1
La
Ladiagonale
diagonale
principale
principaledal
dal
punto
punto(0,0,0)
(0,0,0)alal
punto
punto(1,1,1)
(1,1,1)
rappresenta
rappresentalivelli
livelli
didigrigio.
grigio.
Un
Unlivello
livellodidigrigio
grigio
ha
hauguale
uguale
componente
componente didi
R,
R,G,
G,BB
L Caponetti
Cubo RGB
Coordinate nel sistema R-G-B
Black
White
Red
Green
Blue
(0,0,0)
(1,1,1)
(1,0,0)
(0,1,0)
(0,0,1)
La diagonale principale dal punto (0,0,0) al punto
(1,1,1,) rappresenta livelli di grigio
Ciascuno di questi livelli ha uguale componente di
R, di G e di B
L Caponetti
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Spazi di colore
lo spazio RGB é rappresentato tramite il
cubo RGB – in figura I colori sono normalizzati
da 0a 255
L Caponetti
Caratteristiche del modello RGB
Un colore c è definito come somma pesata di
tre valori r, g, b
c = rR + gG + bB
dove r, g, b sono i pesi relativi ai 3 colori
primari
Il sistema R-G-B è percettivamente non
lineare: distanze uguali nello spazio RGB non
corrispondono a differenze uguali della
percezione visiva
L Caponetti
21
Modello CMY- Cyan, Magenta, Yellow
C-M-Y sono i colori complementari dei colori
R-G-B
ciano (Cyan)
magenta
giallo (Yellow)
(0,1,1)
(1,0,1)
(1,1,0)
Il modello CMY rappresenta lo stesso spazio
di colore del modello RGB ma utilizza i colori
complementari
L Caponetti
RGB -> Cyan, Magenta, Yellow
I colori C-M-Y sono complementari dei
colori R-G-B
C 1 R
M = 1 − G
Y 1 B
L Caponetti
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RGB -> C MY
Ciano
Magenta
Yellow
0 1 1
C = 1 = 1 − 0
1 1 0
1 1 0
M = 0 = 1 − 1
1 1 0
1 1 0
Y = 1 = 1 − 0
1 1 1
L Caponetti
Modello Cyan, Magenta, Yellow
I colori CMY sono detti primari sottrattivi. Possono
infatti essere usati per sottrarre un colore dalla luce
bianca
Il modello CMY si basa sulla capacita’ propria
dell’inchiostro su carta di assorbire luce
Ad esempio se la luce bianca colpisce una superficie
su cui c’è un inchiostro di colore ciano, nessuna luce
rossa – complementare del ciano- viene riflessa, ma
viene assorbita
L Caponetti
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RGB -> C MY
Ciano
Magenta
Yellow
0 1 1
C = 1 = 1 − 0
1 1 0
1 1 0
M = 0 = 1 − 1
1 1 0
1 1 0
Y = 1 = 1 − 0
1 1 1
L Caponetti
Modello Cyan, Magenta, Yellow
I colori CMY sono detti primari sottrattivi. Possono
infatti essere usati per sottrarre un colore dalla luce
bianca
Il modello CMY si basa sulla capacita’ propria
dell’inchiostro su carta di assorbire luce
Ad esempio se la luce bianca colpisce una superficie
su cui c’è un inchiostro di colore ciano, nessuna luce
rossa – complementare del ciano- viene riflessa, ma
viene assorbita
L Caponetti
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Modello C MY K
K rappresenta il nero (blacK)
il nero puo’ essere derivato direttamente dalla
combinazione di C M e Y (ossia assorbendo tutti e tre
i colori base)
Generalmente gli inchiostri di stampa contengono
molte impurita’, quindi questo modello di
combinazione del colore invece di produrre il nero
produce un marrone scuro
CMYK e’ lo standard delle stampanti
L Caponetti
Spazio HSI
H = hue, tinta
S = saturation,
saturazione
I = luminosità/
intensità
L Caponetti
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Spazio HSI
Hue – tinta descrive
la tinta del colore
come coordinata
angolare
( dal rosso
00 al rosso
0)
360
Saturazione varia da
0 (colore desaturato
grigiastro) a 1
(colore puro o
saturo) – lungo il
raggio
L Caponetti
Spazio HSI
I–
luminosità/intensità
varia lungo l’asse del
cono
I livelli di grigio sono
lungo l’asse del cono
a saturazione 0
L Caponetti
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Spazio HSI
Hue: e’ la tinta vera e propria.
La qualità per cui distinguiamo una
famiglia di colori da un’altra
Saturazione: la distanza del colore dal grigio piu’ vicino.
La qualità per cui distinguiamo un colore forte-puro- da uno debole
Valore o Luminosità: indica la quantita’ di luce o quantita’
L Caponetti
di bianco di un colore
Spazio HSI
Il sistema HSI fornisce un modo più
naturale per definire un colore
Con il valore della tinta - hue – si definisce
il colore tra quelli dell’arcobaleno (rosso,
arancione, giallo, verde, blu, violetto, nero)
Diminuendo il valore di intensità si muove il
colore verso il nero
Diminuendo la saturazione si muove il
colore verso il bianco
L Caponetti
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L Caponetti
Conversione da RGB a HSI
L Caponetti
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Conversione da RGB a HSI
L Caponetti
HSV/HSI
HSV
HSI
L Caponetti
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Sistema YIQ
E’ il sistema utilizzato nella trasmissione televisiva (Standard
NTSC)
Un colore RGB può essere convertito in YIQ:
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
I = 0.596R - 0.275G - 0.311B
Q = 0.212R - 0.528G + 0.311B
dove Y – luminanza- è la componente di intensità,
rappresenta un colore mediante un livello di grigio
I pesi riflettono la sensibilità dell’occhio ai colori primari RGB
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Sistema YIQ
I,Q codificano la cromaticità’
ll sistema YIQ è utile nella trasmissione delle
immagini per ottimizzarne la codifica
Infatti il sistema visivo umano è più sensibile
alla variazione di luminanza piuttosto che alla
variazione di cromaticità: le componenti I,Q
possono essere compresse più della
componente Y
L Caponetti
30
