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Percezione e Colore

Corso di Visione Artificiale

Samuel Rota Bulò

Percezione del colore

● 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 umanoRegolazione 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 luminositàEsperimento:

● 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.

Visionefotopica

Visionescotopica

● 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 luminositàEsperimento:

● 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

● 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

● La luce è la parte dello spettro elettromagnetico visibile all'occhio umano.

● L'intervallo è circa 0.43 µm (violetto) – 0.79 µm (rosso).

● La luce manifesta proprietà di onde e particelle (fotoni).

Sorgenti di luce● 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

● 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

● 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● 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● 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.

Curve di assorbimenti dei 3 tipi di recettori del colore.

Coni

Bastoncelli

● La risposta di un singolo recettore ad una luce E è data da

Color matchingEsperimento:

● 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:

● 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:

● 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● Dato un insieme di luci/colori primari, ad es, P1 , P2 ,P3

● 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

● Data una luce test T se conosciamo le funzioni di matching delle luci primarie P1 , P2 ,P3 abbiamo che

Spazio di colore CIE XYZ● 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● Del colore distinguiamo 3 caratteristiche:

● Luminosità: intensità del colore

● Tonalità: è il colore dominante percepito

● Saturazione: è la purezza del colore, o la quantità di luce bianca mischiata al colore dominante

● La tonalità e la saturazione insieme formano la cromaticità del colore.

● Nello spazio XYZ, Y rappresenta la luminosità del colore.

● Tipicamente la cromaticità nello spazio XYZ è rappresentata da

● 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● 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● Lo spazio RGB ha come colori primari R (700 nm), G (546.1 nm) e B (435.8 nm).

● E' stato creato nel 1931 dalla CIE prima che le curve dei coni fossero note.

● 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● 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● 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● Mentre la luce colorata deriva da un'emissione diretta di luce, il colore di un

pigmento deriva da luce riflessa.

Spazio di colori CMY● 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.

● 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

● 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

● 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● Hue: tonalità, Saturation: saturazione, Value: brillantezza

Spazio HSL● Hue: tonalità, Saturation: saturazione, Lightness: luminosità

Spazio di colore uniforme● 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.

ZOOM

spazio CIE xy

Spazio L*a*b*● Questo spazio è universalmente il più popolare spazio uniforme.

● Standard CIE dal 1976.

● Descrive come lo spazio XYZ tutti i colori visibili all'occhio umano.

● L* rappresenta la luminosità del colore.

● Si basa su un colore bianco di riferimento nello spazio XYZ.

versione semplificata

Spazio L*u*v*● Standard CIE dal 1976 “fratello” di L*a*b*

● Deformazione dello spazio XYZ per migliorarne l'uniformità.

● L* è lo stesso dello spazio L*a*b*

● Si basa su un colore bianco di riferimento nello spazio XYZ.

Percezione del colore con interferenza