A Imagem (Parte III) Prof. AMOUSSOU DOROTHÉE amousdorothe@yahoo.br

1. A Imagem (Parte III) Prof. AMOUSSOU DOROTHÉE amousdorothe@yahoo.com.br UNIVERSIDADE KIMPA VITA Sistemas Multimédia

2. Sistemas Multimídia Tópicos: • Sistemas de Cores (Conversão)

3. v l = v / f Natureza da luz c = velocidade da luz @ 3.0x108 m/s c = l f

4. 400 500 600 700 780 nm 380 nm Sensibilidade do olho Sensibilidade do olho em função do comprimento de onda: Fração da luz absorvida pelo olho 100% sensibilidade relativa 50% 0% l (nm)

5. Luz branca (Newton) vermelho alaranjado amarelo verde azul violeta luz branca prisma Corl Violeta 380-440 nm Azul 440-490 nm Verde 490-565 nm Amarelo 565-590 nm Laranja 590-630 nm Vermelho 630-780 nm luz branca (acromática) tem todos os comprimentos de onda

6. Energia E 100 luz branca 50 luz colorida 0 l (nm) 400 500 600 700 comprimento de onda 780 nm 380 nm Espectro de fontes luminosas

7. E comprimento de onda dominante define a matiz (hue) E intensidade define o brilho (brightness) l (nm) l (nm) 400 500 600 700 matiz (hue) brilho (brightness) a concentração no comprimento de onda dominante define a saturação ou pureza E 400 500 600 700 l (nm) 400 500 600 700 saturação Características das fontes luminosas cores pastéis são menos saturadas ou menos puras

8. Características das fontes luminosas

9. Luminância B Matiz(Hue) Saturação G R 3D Color Spaces • Tri-cromático sugere espaço 3D Polar Cartesiano

10. Olho humano: Cones (SML) e Bastonetes (cegos para cor) .20 .18 .16 .14 .12 fração de luz absorvida por cada cone .10 .08 .06 .04 .02 Curvas se sobrepõe! Não temos como saber qual a sensação de um dado cone! 0 400 440 480 520 560 600 640 680 l comprimento de onda (nm) 780 nm 380 nm Sensibilidade do olho

11. Luz Colorida c( ) Luz Branca Intensidade 400 440 480 520 560 600 640 680 l não é assim! comprimento de onda (nm) Percepção de cor

12. Mundo Real E l 400 700 Espaço Virtual E R G B l • Objetivo: produzir a mesma sensação de cor • olho só distingue 400 mil cores (< 219) Þ19 bits podem ser suficientes O problema de reprodução de cor em CG

13. Colorimetria e Sistemas de Cores • CIE (Commission Internationale de l’Eclairage) • RGB • XYZ • xyY • Lu*v* • La*b* • Sistemas por exumeração • Munsell • Pantone • Sistemas dependentes de dispositivos • mRGB • CMY • CMYK • Sistemas para especificação interativa • HSV • HLS

14. Os sistemas de cor padrão • O modelo matemático adequado para uma representação do espaço espectral de cor é um espaço vetorial de dimensão finita. • O processo de reconstrução de cor utiliza uma base de cores primárias. • Modelo tricromático de Young-Helmholtz - sistema de processamento de cor do olho humano é baseado na amostragem das faixas vermelha (red), verde (green) e azul (blue) do espectro visível, feita pelas moléculas fotossensíveis do olho -> Primeiro modelo padrão básico: CIE-RGB.

15. Os sistemas de cor padrão • Monitor de computador: • Três cores primárias emitidas por cada um dos tubos de raios catódicos (vermelho a 700 nm, verde a 546 nm e azul a 436 nm) - não correspondem às cores detectadas pelo olho humano. • Necessidade de modificar as proporções de intensidade de cor aplicadas a cada uma das componentes primárias emitidas. • Não é possível reproduzir todos os comprimentos de onda de luz visível. • Existem, portanto, cores que não podem ser simplesmente reproduzidas em monitores a cores pela adição ponderada das cores vermelha, verde e azul.

16. Representação perceptual da cor CIE RGB R = 700 nm G = 546 nm B = 435.8 nm r(l) R g(l) G b(l) B Cor Monocromática C(l) C(l ) = r(l) R + g(l) G + b(l) B Problema: Não consegue se representar todas as cores visíveis (falta saturação)

17. 400 500 600 700 Componentes das cores monocromáticas - CIE RGB C(l ) = r(l) R + g(l) G + b(l) B 0.4 b(l ) r(l ) g(l ) 0.2 Valores dos tri-estimulos l (nm) 0 546 nm 438 nm - 0.2 Combinação de três cores (RGB) para reproduzir as cores espectrais Fonte: http://www/cvision.ucsd.edu/

18. 400 500 600 700 Componentes das cores monocromáticas - CIE RGB r(l ) b(l ) 0.4 g(l ) 0.2 Valores dos tri-estimulos l (nm) 0 - 0.2

19. Os sistemas de cor padrão • Solução: em 1931 a CIE (Commission Internationale de l’Éclairage) resolveu adotar um novo modelo de representação padrão X, Y, Z. • As cores primárias não correspondem a cores visíveis, mas suas componentes de cor são positivas sendo possível reproduzir no monitor todos os comprimentos de ondas de luz visível. • As coordenadas de cromaticidade dessas cores primárias são conhecidas, sendo possível a realização de cálculos que permitem não só obtenção de valores de grandezas no sistema XYZ a partir de grandezas do sistema RGB, assim como mudanças de coordenadas entre outros sistemas de cor.

20. X R 0.490 0.310 0.200 0.177 0.813 0.011 0.000 0.010 0.990 = Y G Z B Conversão da base CIE RGB para CIE XYZ C(l) = r(l) R + g(l) G + b(l) B

21. 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Componentes das cores monocromáticas - CIE XYZ Cores Básicas do CIE 1931 Y foi escolhida de forma a y(l) ser semelhante à curva de sensibilidade do olho (luminância) Valor l (nm) 400 500 600 700

22. Y X Z Cores visíveis representadas no sistema CIE XYZ

23. 0.9 520 530 540 510 550 505 560 green 570 yellow- green 500 580 0.5 yellow 590 495 orange 600 610 white cyan 490 red 650 pink 485 magenta blue 480 purple 470 450 0.0 1.0 0.5 x Nome das cores y

24. X Y Z XR YR ZR XG YG ZG XB YB ZB XR YR ZR XG YG ZG XB YB ZB R G B = R + G + B = Conversão do mRGB paraCIE XYZ e vice-versa Dados (R,G,B) determine (x,y) 1) O fabricante deve informar as coordenadas x,y dos fósforos do monitor ex. ITU-R BT.709 International Telecommunication Union R G B white x 0.64 0.30 0.15 0.3127 y 0.33 0.60 0.06 0.3290 2) Determine a coordenada z = 1 - x - y Valores aproximados ex. R G B white z 0.04 0.12 0.787 0.3582 3) As coordenadas X,Y,Z são obtidas de: O problema agora consiste em encontrar as componentes XYZ do R, G e B

25. X Y Z XR YR ZR XG YG ZG XB YB ZB R G B xRCR yRCR zRCR xGCG yGCG zGCG xBCB yBCB zBCB R G B = = xR yR zR xG yG zG xB yB zB CR CG CB XW YW ZW xRCR yRCR zRCR xGCG yGCG zGCG xBCB yBCB zBCB 1 1 1 = = Conversão do mRGB paraCIE XYZ … xR = XR/ (XR+YR+ZR), se CR = XR+YR+ZR então XR = xRCR YR = yRCReZR = zRCRe XG = xGCG , YG = yGCGeZG = zGCG XB = xBCB , YB = yBCBeZB = zBCB da mesma forma substituindo na matriz da equação para determinar as componentes CR , CG e CB usa-se o fato de que R=G=B=1 é a cor branca.

26. 0.644 1.192 1.203 0.64 0.30 0.15 0.33 0.60 0.06 0.03 0.10 0.79 CR CG CB CR CG CB 0.95 1.00 1.09 = resolvendo = 0.412 0.358 0.180 0.213 0.715 0.072 0.019 0.119 0.950 X Y Z R G B = R G B 3.240 -1.537 -0.499 -0.969 1.876 0.042 0.056 -0.204 1.057 X Y Z = Conversão do mRGB paraCIE XYZ … Supondo que a luminosidade do branco YW = 1.00, tem-se: YW = yW CW Þ CW = YW / yW =1.0/0.3290 = 3.04 XW = xW CW = 0.31x3.04 = 0.9506 ZW = zW CW = 0.3582x316.45= 1.089 Concluindo:

27. Y R G K C M B Sistemas de cor dependentes de dispositivo - CMY Sistemas das Impressoras -CMY ou CMYK processo predominantemente subtrativo luz branca (1,1,1) normal q luz ciano (0,1,1) tinta ciano (0,1,1) papel branco (1,1,1) componente vermelha é absorvida

28. C G verde ciano verde Y 1.0 1.0 amarelo W preto C branco K azul ciano amarelo branco K W vermelho preto 1.0 1.0 R Y magenta azul M 1.0 1.0 vermelho magenta M B (r,g,b) (c,m,y) Conversão RGB para CMY e vice-versa

29. Sistemas de cor dependentes de dispositivo - CMYK • O sistema CMYK usa o preto (blacK) porque o pigmento (carbono) é mais barato; • A superposição de ciano, magenta e amarelo para produzir preto gera um tom meio puxado para o marrom. Y K := a min (C, M, Y) a Î[0,1] C := C - K M := M - K Y := Y - K K M base linearmente dependente C

30. HSV Visão lateral do hexágono HSV

31. HSV/HSB Color Space HSV = Hue Saturation Value HSB = Hue Saturation Brightness Saturation Scale Brightness Scale

32. HSV Value Saturation Hue

33. G R B G R S=1 Min Max S=0 R B B S = ( Max-Min ) / Max Transformação RGB para HSV e vice-versa Max = max(R,G,B) Min = min(R,G,B) no caso G e B, respectivamente V = Max

34. Conversão RGB para HSVcálculo de H V G(120o) Y (60o) C(180o) R (0o) 120o 60o 180o B(240o) M(300o) 0o 240o 300o H S r R 120o H b g 180o B

35. V green 120° yellow cyan 0.5 red 0° Blue 240° magenta H 0.0 S black HLS Color Space HLS = Hue Lightness Saturation

36. Sistemas de vídeo componente • O olho tem menor sensibilidade para detectar cores do que variações de intensidade • Utiliza-se uma banda maior para a luminância: Y = 0,299R + 0,587G + 0,116B • Os componentes de crominância são representados como: R-Y e B-Y • Sistemas baseados em Y, R-Y, B-Y são chamados de vídeo componente.

37. Sistemas de vídeo digital • O padrão internacional para vídeo digital Y, Cr, Cb é dado pela seguinte transformação de Y, R-Y, B-Y: • Y = 16 + 234Y • Cr = 128 + 112 (0,5/(1-0,114) * (B-Y)) • Cb = 128 + 112 (0,5/(1-0,299) * (R-Y)) • Usado nos padrões JPEG e MPEG.

38. Sistemas de vídeo digital RGB to YCrCb YCrCb to RGB Fonte: http://www.efg2.com/Lab/Library/Color/Science.htm

39. Sistemas de vídeo digital Imagem original, Componente Y - intensidade, Cb – Componente azul, Cr – Componente vermelha. (da esquerda para a direita)

40. Sistemas de vídeo composto • São sistemas de cor para transmissão de vídeo (NTSC, PAL, etc.). • Os componentes são combinados em um único sinal: • O sinal de luminância pode ser utilizado em aparelhos preto e branco • As crominâncias podem ser codificadas em apenas 5% da banda de passagem sem degradar o sinal de luminância. • Sistema YUV • U = 0,493 (B-Y) • V = 0,877 (R-Y)

41. Sistemas de vídeo composto • Sistema YIQ: IQ é obtido a partir de uma rotação das coordenadas UV • I ocupa uma banda menor • Criado para ser eficiente e compatível com TV preto e branco. • Usado no NTSC (National Television Standards Committee) • Y é a luminância (intensidade) – mesmo que CIE Y • I e Q codificam cromaticidade

42. Uso de Cores • Usos estéticos (passar uma sensação ao observador), destacar objetos, codificar quantidades (relevo, temperatura, dinâmica de fluídos). • Nosso sistema visual é mais sensível à variação espacial (pequenos detalhes devem diferir do fundo da imagem não somente em cor mas em intensidade). • Azul e preto, amarelo e branco são combinações ruins (não use azul para texto). • Para daltônicos evite verdes e vermelhos com baixa saturação e intensidade.

43. Uso de Cores • É difícil de se perceber cores quando usadas com pequenos objetos. • Cor percebida de objeto é afetada por cor da área que o circula. • Cores muito saturadas produzem imagens posteriores. • Cores afetam tamanhos percebidos • Objetos vermelhos aparentam ser maiores que objetos verdes. • Cores refratam de modo diferente na nossa lente e aparentam distâncias diferentes.

44. Comparação entre o sistema visual humano e um sistema de visão artificial Fonte: MARQUES FILHO, O. e VEIRA NETO, H., Processamento Digital de Imagens, Editora Brasport, 1999.