Lektor: Kurz: SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE VIDEOTECHNIKA A MULTIMÉDIA Kamil Říha SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 2 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Podstata světla By Kalki [Public domain] via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons • (bílé) světlo je směs elektromagnetických vln • přechod bílého světla vzduch/sklo zpomalí rychlost šíření, což ohýbá parsek • různé vlnové délky různé rychlosti různé ohyby • Isaac Newton kolem roku 1670 objevil, že bílé světlo je složené z mnoha barev SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 3 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Světlo jako elektromagnetické vlnění gama záření 106 105 104 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 energie 1 fotonu ( × 1,24 ) [eV] : 1 10 100 1 10 100 1 10 100 1 10 100 1 10 100 vlnová délka: 1 [pm] [nm] [μm] [mm] [m] [km] rentgenové záření UV záření infračervené záření mikrovlny rádiové vlny 10-9 3∙1020 3∙1019 3∙1018 3∙1017 3∙1016 3∙1015 3∙1014 3∙1013 3∙1012 3∙1011 3∙1010 3∙109 3∙108 3∙107 3∙106 frekvence [Hz] : 3∙105 380 nm 780 nmviditelné světlo SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 4 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Barva • psychofyzikální jev • definuje ji vjem lidského zrakového orgánu • fyzikálně je barva odvozena od vlnové délky daného světla, resp. směsi vlnových délek, protože monochromatické světlo prakticky neexistuje • vlnová délka: vzdálenost, jakou urazí vlna v daném prostředí za jednu periodu λ = 𝑣𝑇 = 𝑣 𝑓 , • kde 𝑇 = 1 𝑓 je perioda vlnění a 𝑣 je rychlost šíření v daném prostředí • barevný senzor: charakterizován spektrální citlivostí 𝑠 λ • barevné světlo: charakterizovatelné pomocí spektrální funkce 𝑟 λ • odezva senzoru: 𝑜 = න λ1 λ2 𝑠 λ 𝑟 λ dλ SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 5 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Odezva senzoru na světelné spektrum 1. spektrální citlivost barevného senzoru 𝑠 λ 2. spektrální funkce barevného světla 𝑟 λ 3. odezva senzoru: 𝑜 = න λ1 λ2 𝑠 λ 𝑟 λ dλ 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 450 550 650 normalizovaná citlivost[-] λ [nm] 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 450 550 650 normalizovaná energie[-] λ [nm] 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 450 481 511 542 572 603 634 664 695 odezvasenzoru[-] λ [nm] 𝑠 λ 𝑟 λ 𝑟 λ 𝑠 λ 𝑠 λ 𝑟 λ SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 6 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Anatomie oka By Rhcastilhos [Public domain], Medical gallery of Mikael Häggström via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 7 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Anatomie oka hlavní funkce oka (oční bulvy): • akomodace (zaostření) – řasnaté tělísko (ciliární sval) deformuje čočku • změna velikosti vstupní pupily (clony) pomocí duhovky • adaptace – změna citlivosti oka na světlo (přizpůsobení se světelným podmínkám) • konvergence – sbíhavost očních os princip „snímání“ optického vjemu na sítnici: světločivné buňky převádí energii dopadajícího světla na vzruchy přenášené do mozku pomocí nervových vláken • tyčinky (asi 120 milionů): 200 000 x citlivější na světlo než čípky, jsou však citlivé pouze na jas • čípky (asi 6 milionů): méně jsou jich 3 typy rozlišující tří základní barvy žlutá skvrna (makula) místo na sítnici s největší hustotou čípků. Toto místo snímá obraz při přímém pohledu a umožňuje nejostřejší vidění. V jejím středu nejsou dokonce žádné tyčinky. SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 8 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Adaptace zraku na střední jas 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 104 105 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 zrakovývjemjasu skutečný jas [cd/m2 ] adaptačníjas adaptačníjas adaptačníjas adaptačníjas 10:1 100:1 500:1 1000:1 SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 9 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Typy čípků By Vanessaezekowitz [GNU Free Documentation License], at en.wikipedia via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons λ [nm] normalizovanácitlivost S – short – krátké M – medium – střední L – long – dlouhé odtud RGB základní barevný prostor metamerismus: jev, kdy se dvě barvy lidskému zraku jeví jako stejné, přestože z hlediska spektrální charakteristiky stejné nejsou. SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 10 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Barevný model 𝑅𝐺𝐵 630 nm 530 nm 450 nm SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 11 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Experiment CIE • tři typy čípků → trojrozměrný prostor • CIE experiment (Commission internationale de l'éclairage, International Commission on Illumination 1931) (MKO - mezinárodní komise pro osvětlování) • světlo o známé λ vytváří člověk pomocí tří základních barev • díky metamerismu vidí jednu barvu 2° 700 nm 546,1 nm 435,8 nm λ SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 12 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Nastavení základních barev CIE - výsledek experimentu relativníjas[-] r (λ) g (λ) b (λ) 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 −0.10 400 500 600 700 800 λ [nm] By Marco Polo at English Wikipedia [Public domain], via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons - křivky, které v podstatě popisují spektrální citlivosti jednotlivých čípků u průměrného pozorovatele - záporná hodnota jasu červeného kanálu - některé barvy dosaženy přidáváním červené k referenční barvě - základní barvy nestačí na generování celého spektra SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 13 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Spektrální barvy v rovině 𝑟𝑔 - výsledek experimentu • výsledky je možné vynést jako určitou 3D oblast do prostoru 𝑟𝑔𝑏 • pro jednotkový jas není třeba prostor, postačí rovina • jedna barva je pak redundantní: 𝑏 = 1 − 𝑟 − 𝑔 • díky záporným hodnotám 𝑟 je některé barvy nesnadné určit • řešení: volba neskutečných barev 𝑥, 𝑦 jako vrcholů trojúhelníka vymezujícího oblast barev skutečných CIE 1931 chromaticity diagram showing the boundaries of the [00], [01], [10] triangle in xy space. Data from Wyszecki, Günter and Stiles, Walter Stanley (2000) Color Science: Concepts and Methods, Quantitative Data and Formulae (2nd ed.), Wiley-Interscience SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 14 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Barevný prostor 𝑋𝑌𝑍, rovina 𝑥𝑦- výsledek experimentu By Hankwang at English Wikipedia [Public domain], via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons • prostor 𝑅𝐺𝐵 (pro konstantní jas rovina 𝑟𝑔) obsahuje u některých barev záporné hodnoty • CIE navrhla transformaci do prostoru 𝑋𝑌𝑍 (pro konstantní jas rovina 𝑥𝑦) 𝑋 = 2,7690𝑅 + 1,7518𝐺 + 1,1300𝐵 𝑌 = 1,0000𝑅 + 4,5907𝐺 + 0,0601𝐵 𝑍 = 0,0000𝑅 + 0,0565𝐺 + 5,5943𝐵 • pro jednotkový jas postačí souřadnice 𝑥, 𝑦 které jsou po normalizaci: 𝑥 = 𝑋 𝑋 + 𝑌 + 𝑍 𝑦 = 𝑌 𝑋 + 𝑌 + 𝑍 SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 15 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Nastavení základních barev CIE - výsledek experimentu relativníjas[-] λ [nm] By Marco Polo at English Wikipedia [Public domain], via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons - opět v podstatě křivky spektrální citlivosti jednotlivých čípků, tentokrát ale bez potřeby záporné červené - po přepočtu jsou k dispozici neskutečné základní barvy ҧ𝑥, ത𝑦, ҧ𝑧, které definují kompletní gamut (viditelný rozsah barev) normálního pozorovatele SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 16 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Jas, tón, sytost 350 450 550 650 750 800 větší jas menší jas velká sytost zelený tónsvětelnáenergie λ [nm] SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 17 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Jas, tón, sytost 350 450 550 650 750 800 malá sytost zelený tónsvětelnáenergie λ [nm] SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 18 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Jas, tón, sytost 350 450 550 650 750 800 nulová sytost světelnáenergie λ [nm] nepestrá barva SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 19 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Další barevné modely 1. Model RGB je v některých aplikacích často nevýhodný 2. Potřeba oddělení manipulace s jasem, odstínem a saturací: HSV (hue, saturation, value), HSL (hue, saturation, lightness) By SharkD derivative work: via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 20 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Další barevné modely 1. Model RGB je v některých aplikacích často nevýhodný 2. Potřeba oddělení manipulace s jasem, odstínem a saturací: HSV (hue, saturation, value), HSL (hue, saturation, lightness) By SharkD derivative work: via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 21 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Barevný (subtratktivní) model CMY, CMYK By Viliam Furík and Baraaszer via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons cyan yellow magenta key SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 22 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Barevné prostory Barevný prostor je definovaná množina barev, umožňující reprodukci barev pomocí daného zařízení 1. sRGB (1995): 36% 2. Adobe RGB (1998): 52% 3. Wide Gamut RGB: 78% 4. ProPhoto RGB (Kodak 1980): 90% při větším gamutu (daná kompletní množina barev) je doporučeno používat vyšší (16) bitové rozlišení jako předcházení posterizaci (zviditelnění barevných přechodů) By BenRG and cmglee via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 23 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Barevné prostory Barevný prostor je definovaná množina barev, umožňující reprodukci barev pomocí daného zařízení 1. sRGB (1995): 36% 2. Adobe RGB (1998): 52% 3. Wide Gamut RGB: 78% 4. ProPhoto RGB (Kodak 1980): 90% při větším gamutu (daná kompletní množina barev) je doporučeno používat vyšší (16) bitové rozlišení jako předcházení posterizaci (zviditelnění barevných přechodů) posterizace SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 24 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Posterizace - příklad SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 25 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Absolutní barevné prostory Absolutní barevný prostor: prostor s jednoznačně definovanými barvami Relativní barevný prostor: definuje pouze vztahy mezi nejednoznačně definovanými komponentami (barevný model) 1. LAB (1948): L – lightness (jas), a, b – komplementární barevné souřadnice, nelineární transformace CIE XYZ 2. podobný CIE LUV (1976) 3. v digitální televizi: Yuv, YCbCr, … By Simon A. Eugster and Adoniscik, via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 26 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií ICC profil • Každé zařízení, které snímá nebo produkuje obraz může přiřazovat skutečným barvám jiné číselné souřadnice v daném barevném modelu • ICC - International Color Consortium definuje barevné profily daných zařízení • ICC profil: definuje přiřazení (pomocí přepočtu nebo tabulky) souřadnic použitého barevného modelu (RGB, CMYK) ke skutečným barvám definovaným v referenčním (absolutním) barevném prostoru (CIE XYZ, CIE LAB) • ICC profil může být získán od výrobce daného zařízení, nebo kalibrací pomocí kalibrační sondy či spektrofotometru SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 27 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Základní parametry snímacích a zobrazovacích zařízení • primární barvy vymezující trojúhelník v referenční paletě (jejich barvu a jas) • převodní nelineární tabulka barev (ICC profil) • bílý bod: zejména jeho barva, např. D65 je standardizovaný bod v rovině 𝑥𝑦 CCT: correlated color temperature – viz dále • černý bod: barva a jas, hustota černé udává dolní hranici dynamického rozsahu daného zařízení • dynamický rozsah: poměr mezi největším (bílá) a nejmenším (černá) jasem By BenRG, via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 28 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Teplota chromatičnosti • odvozeno od tepelných zářičů • Planckův vyzařovací zákon • jsou hledány barvy, které se nejvíce podobají spektrální křivce záření absolutně černého tělesa na dané teplotě • je počítána korelace Planckovy křivky s křivkami citlivosti oka • isotermické přímky: barvy nejblíže spektrální křivce By en:User:PAR, Hołek, and Darth Kule via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 29 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Teplota chromatičnosti By Darth Kule, Public domain, via Wikimedia Commons 𝑀 λ, 𝑇 spektrální hustota zářivého toku absolutně černého tělesa spektrální křivky světla pro různé teploty absolutně černého tělesa SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 30 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Teplota chromatičnosti souřadnice barev tepelných zářičů v prostoru XYZ: 𝑋 𝑇 = න 0 ∞ ҧ𝑥 λ 𝑀 λ, 𝑇 dλ 𝑌𝑇 = න 0 ∞ ത𝑦 λ 𝑀 λ, 𝑇 dλ 𝑍 𝑇 = න 0 ∞ ҧ𝑧 λ 𝑀 λ, 𝑇 dλ kde 𝑀 λ, 𝑇 spektrální hustota zářivého toku absolutně černého tělesa By en:User:PAR and Marco Polo via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons relativníjas[-] λ [nm] SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 31 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Teplota chromatičnosti By Yerocus, en:User:PAR, and Marco Polo via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons relativníjas[-] λ [nm] SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 32 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Celková spektrální citlivost • skotopické vidění: tyčinkové vidění adaptované na nízkou úroveň osvětlení • fotopické vidění: barevné vidění za dobrých světelných podmínek • další křivky mezi těmito extrémy • výpočet jasové složky: 𝑌 = 0,30𝑅 + 0,59𝐺 + 0,11𝐵 λ [nm] normalizovanácitlivost skotopické fotopické By Dicklyon at English Wikipedia [Public domain], via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons SVĚTLO, BARVA, KOLORIMETRIE Videotechnika a multimédia 33 / ?? Kamil Říha Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Děkuji za pozornost