Aula 05

Cores em Imagens e Vídeo

Diogo Pinheiro Fernandes Pedrosa

Universidade Federal Rural do SemiáridoDepartamento de Ciências Exatas e Naturais

Ciência da Computação

Ciência das Cores● A cor é fundamentada na luz;● A luz é uma onda eletromagnética;

● A cor é caracterizada pelo comprimento de onda desta onda eletromagnética.

● Ela ocupa apenas uma pequena parte do espectro eletromagnético.

Ciência das Cores● Uma fonte de luz pode contribuir com ondas

com diversos comprimentos de onda → o especto não é completamento visível;● Infra-vermelho;● Ultra-violeta.

● A luz visível tem seu comprimento de onda na faixa de 400 a 700 nm;

Ciência das Cores● Uma luz branca pode ser decomposta em

vários espectros, em um processo chamado de dispersão;

Ciência das Cores● Dada uma luz branca de um dia ensolarado,

pode-se encontrar a distribuição de potência espectral (spectral power distribuition):

E

Visão Humana● A luz é focalizada pelo cristalino e é projetada

na retina;

Visão Humana● Retina:

● Array de células: cones e bastonetes;● Bastonetes → responsáveis pela percepção de

intensidades de luz (mais ou menos claro); produz imagens em níveis de cinza;

● Cones → células receptoras que, devido ao seu pigmento, produzem sinal para ondas no comprimento de vermelho, verde e azul.

Visão Humana

Sensibilidade Espectral do Olho● A sensibilidade do olho humano (cones) ao

espectro visível é maior para a parte central do diagrama de espectro;● Há maior sensibilidade para o vermelho, e menor

para o azul;● A sensibilidade dos bastonetes engloba vários

comprimentos de onda, mas produz imagens em nível de cinza;

Sensibilidade Espectral do Olho● Há aproximadamente 6 milhões de cones na

retina, com proporções diferentes para os receptores vermelho, verde e azul:● A razão é 40 (red) : 20 (green) : 1 (blue)!

● Esta sensibilidade é representada pelo vetor:

q=[qR , qG , qB ]T

Sensibilidade Espectral do Olho● As cores produzidas por um objeto luminoso

consiste na integração do sinal que cada receptor produz diante de um estímulo luminoso.

R=∫E ⋅qR d

G=∫E ⋅qG d

B=∫E ⋅qB d

Formação da Imagem● A visão de objetos deriva da visão da luz

refletida por estes objetos;● Diversos tipos de superfície refletem a luz em

diferentes tipos de comprimento de onda.

E

S C

C =E ⋅S

Formação da Imagem● Considerando o espectro refletido pelo objeto:

R=∫E ⋅S ⋅qR d

G=∫E ⋅S ⋅qG d

B=∫E ⋅S ⋅qB d

Formação da Imagem em Câmeras● Mesmo princípio de formação da imagem no

olho humano:● Cada receptor (R, G e B) gera um sinal analógico

correspondente ao comprimento de onda percebido;

● O sinal analógico é digitalizado, truncado para inteiro (8 bits) e armazenado;

● Intervalo RGB: [0, 255];● A imagem visualizada em um display tem sua luz

gerada pelo equipamento → alguns ajustes se fazem necessário.

Formação da Imagem em Câmeras

Formação da Imagem em Câmeras

Formação da Imagem em Câmeras

Correção Gama● Para que uma imagem digital seja visualizada,

os valores RGB digitais são novamente convertidos para sinais analógicos e uma luz no pixel do monitor é gerada a partir destes sinais analógicos (tensão elétrica):● Tecnologia por tubos de raios catódicos;● Tecnologia LCD.

Correção Gama● Situação desejada: a luz emitida é linearmente

proporcional à tensão elétrica;● Situação real: a luz emitida é uma aproximação

(potência) da tensão elétrica;● Esta potência é chamada de gama ( ).

● Torna-se necessário utilizar um fator de correção do brilho: elevar a componente de saída ao inverso deste gama;

Correção Gama

R'=R1 /

G '=G1/

B'=B1 /

Funções de Casamento de Cores● A definição dos valores RGB foi por muito

tempo realizada através de estudos da psicologia:● Dado um conjunto particular de três cores (luzes)

R, G e B (chamadas de cores primárias) eram ajustadas para que sua combinação “casasse” com a cor de uma dada luz.

● Em 1931, o CIE (Comission Internationale de L´Eclairege) agrupou os valores destes testes em gráficos (curvas de casamento de cores).

Funções de Casamento de Cores

Color matching function Standard color matching function

r , g , b x , y , z

Diagrama de Cromaticidade● Definição dos valores triestímulos a partir das

funções padrões de casamento de cores:

X=∫E ⋅x d

Y=∫E ⋅y d

Z=∫E ⋅z d

x= XXYZ

y= YXYZ

z= ZXYZ

Diagrama de Cromaticidade● Considera-se z = 0;● O diagrama de

cromaticidade mostra que o padrão de cores de luzes é aditiva.

Diagrama de Cromaticidade● Especificações de

cores em monitores:

[ xr x g xbyr y g ybzr z g zb ] [RGB ]=[ xyb ]

Diagrama de Cromaticidade● Correção do gamut

→ o monitor não pode reproduzir todas as cores do diagrama de cromaticidade;

● Correção do ponto branco → alterar padrões de tal forma que quando RGB for máximo, tem-se luz branca.

Monitores

Impressoras

Diagrama de Cromaticidade

Monitores

Impressoras

[ XYZ ]=[0.3935 0.3653 0.19160.2124 0.7011 0.08660.0187 0.1119 0.9582 ] [ RGB ]

Modelos de Cores para Imagens

Modelo RGB● É o modelo de cores mais utilizado;● Consiste em um sistema cartesiano 3D;● Cada canal de cor (R, G ou B) tem sua

variação, de forma proporcional, no intervalo [0, 1];

● A cor é obtida através da adição dos valores nos três canais.

Modelo RGB

Modelo RGB

Modelo CMY● Também é conhecido como o modelo de

subtração de cores;● É utilizada para impressão, apenas, com as

cores ciano (C), magenta (M) e amarelo (Y);● Exemplo: uma tinta amarela borrifada em um papel

irá absorver a componente azul da iluminação branca e irá refletir as componentes vermelha e verde.

● Neste modelo, a cor preta é obtida quando:C=Y=M=1

Modelo CMY● Transformação RGB para CMY:

[ CMY ]=[111 ]−[ RGB ]

Modelo CMY + K● Para economia de tinta, as impressoras

coloridas utilizam um quarto cartucho com tinta preta (componente K do modelo);

● Para determinar o quanto de preto deve ser utilizado, faz-se:

K=min C ,M ,Y

Modelo CMY + K● Em seguida, retira-se a parte correspondente

ao preto nas demais componentes:

[ C new

M new

Y new]=[ C−KM−KY−K ]

Modelos de Cores em Vídeo

Modelo YUV● É um modelo de cores utilizado para

transmissão analógica de vídeo;● A componente Y codifica o sinal de luminância

(considerendo as componentes R, G e B com o gama corrigido);● Luminância (ou luma) → refere-se ao brilho da

imagem;

Modelo YUV● As componentes U e V são chamadas de

crominância e se referem a diferenças entre cores:

{U=B´−YV=R´−Y ´

Modelo YUV● A trasformação entre modelos é:

[YUV ]=[ 0.299 0.587 0.144−0.299 −0.587 0.8860.701 −0.587 −0.144 ] [ R´G´B´ ]

Modelo YUV● Em uma imagem de vídeo em nível de cinza

(“preto e branco”), tem-se que as componentes R´, G´ e B´ têm seus valores iguais. Logo:● O valor da luminância é igual ao valor das

componentes R´ ou G´ ou B´ (a soma dos coeficientes da matriz de transformação é igual a 1);

● Os valores da crominância são iguais a zero.● Este modelo pode ser utilizado tanto em TVs

coloridas como em TVs preto e branco.

Modelo YUV

Modelo YIQ● Os seus componentes também são chamados

de luminância (Y) e crominância (I e Q);● Este modelo é uma versão do modelo YUV,

com o mesmo lume (Y), mas com as quadraturas rotacionadas por 33º:

{ I=0.877283 R´−Y cos 33◦−0.492111B´−Y sen 33◦Q=0.877283R´−Y sen 33◦−0.492111B´−Y cos33◦

Modelo YIQ● Modelo utilizado para transmissão de TV

colorida (NTSC);● Pixels cinza (R´ = G´ = B´) também geram

crominância com valores iguais a zero;● A transformação é:

[YIQ ]=[ 0.299 0.587 0.1440.595879 −0.274133 −0.3217460.211205 −0.523083 0.311878 ] [R´G ´B ´ ]

Modelo YIQ

Modelo YCbCr● É um modelo usado na compressão JPEG

(imagens) e MPEG (vídeo);● É fortemente relacionada com o modelo YUV:

● Não é uma codificação propriamente dita, mas uma forma de representar o modelo RGB para transmissão;

● Seus componentes, além da luminância (Y) são a crominância da diferença azul (Cb) e a crominância da diferença vermelha (Cr).

Modelo YCbCr● Transformação:

[ YCbCr ]=[ 0.299 0.587 0.144−0.168736 −0.331264 0.5

0.5 −0.418688 −0.081312 ] [ R´G´B´ ][ 00.50.5 ]

Modelo YCbCr