INTRODUCCIÓN AL PROCESADO DE IMAGEN

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TEMA 1

LUZ Y SISTEMA VISUAL HUMANO

INTRODUCCIÓN Y EJEMPLOS

LUZ Y COLOR

TEMA 1 LUZ Y SISTEMA VISUAL HUMANO

• LUZ Es la radiación electromagnética que estimula la respuesta visual humana.

• Ocupa una región en el espectro entre 389 nm y 780 nm.

1.1- LUZ, LUMINANCIA Y BRILLO

• Distribución de energía de una onda electromagnética que atraviesa un cierto plano espacial: C(x,y,t,λ) (flujo radiante).

• Si consideramos un punto fijo (x’,y’), y un instante dado, t’: C(x,y,t,λ) C(λ) (flujo radiante por longitud de onda)

• Magnitudes asociadas a C(λ) Magnitudes radiométricas.

• Se definen independientemente del observador.

• Magnitudes relacionadas con el sistema visual humano Magnitudes fotométricas.

•Dependen del observador.•La percepción humana de la luz se describe habitualmente en términos de:

•Brillo: Cantidad de luz percibida•Tinte: Color (rojo, verde…)•Saturación: Viveza del color

• Las contribuciones que C(λ1) y C(λ2) aportan a la percepción del brillo por un observador son en general bastante diferentes para λ1≠ λ2, incluso aunque C(λ1)=C(λ2)

Una simple integral de C(λ) sobre λ no se relaciona de manera adecuada con la percepción del brillo.

• Fotometría: Ciencia que relaciona el brillo percibido por un observador con la energía radiante.

• Cantidad fotométrica básica: Luminancia.

• Utilización del color para visualización de imágenes:• Más agradable• Permite apreciar más información visual

• Formas de mezclar colores Representación de un color como suma de colores primarios

1.2- COLORIMETRÍA

• Poder transmisor de un filtro a una longitud de onda λ: Cociente entre la intensidad de luz que transmite y la que incide (Tλ).

• Al pasar la luz por un filtro, se atenúa la intensidad a ciertas longitudes de onda Se “sustrae” parte de la luz.

• De este modo se obtienen los pigmentos, es decir, las pinturas.

1.2.1- MEZCLA SUSTRACTIVA DE COLORES

• Superposición, sobre una pantalla blanca, de luces coloreadas S1 y S2.

• Luz roja más luz amarilla Vemos luz naranja (en realidad, un análisis espectral indicaría luz roja y luz amarilla, pero la sensación es de color naranja).

• Para la obtención de cualquier color del espectro por el método aditivo se requiere la aportación de 3 componentes, que llamamos colores Primarios (R, G, B).

1.2.2- MEZCLA ADITIVA DE COLORES

• Toda sensación de color se puede obtener por suma de tres fuentes S1, S2 y S3, de colores que llamamos primarios (Maxwell y Grassmann). Grassmann formuló 3 leyes al respecto:1. Trivarianza: Un color cualquiera X, de luminancia L, se puede igualar

mediante tres luminancias R, G, B, o cantidades adecuadamente dosificadas de tres luces RGB.

X = R·PR + G·PG + B·PB

2. Luminancia: La luminancia de X es la suma de las luminancias de sus componentes.

LX = LR + LG + LB

3. Proporcionalidad: Si se multiplican ambos miembros de la Eq. 1, la igualdad no se altera

α X = α R·PR + α G·PG + α B·PB

4. Aditividad: La luminancia del color resultante de una mezcla de colores es la suma de sus primarios.

LX = LR + LG + LB

LY = LR’ + LG’ + LB’

1.2.3- LEYES DE GRASSMAN

LZ=LX+LY=(LR+LR’)+(LG+LG’)+(LB+LB’)

1.2.4- DETERMINACIÓN DE COEFICIENTES. EL COLORÍMETRO

• La luz X se puede representar como un vector con componentes RGB:

C1 = R1 + G1+ B1

• El módulo del vector OC1 nos da la luminancia del color.

1.2.4- DETERMINACIÓN DE COEFICIENTES. EL COLORÍMETRO

• Si nos movemos en un plano en el que la luminancia (módulo del vector OC1) sea constante, y sólo nos interesan las diferencias de matiz, nos basta con dos parámetros para determinar el color:

• Basta con conocer dos de las coordenadas reducidas (la tercera se obtiene por diferencia). Se han adoptado r y g como parámetros de este sistema.

1.2.5- REPRESENTACIÓN DEL COLOR MEDIANTE PARÁMETROS r Y g

R1 + G1 + B1

r1 + r1 + r1 = R1 + G1 + B1

R1 + G1 + B1

• El plano formado por las dos componentes se conoce como carta rg:

• Blanco: (1/3, 1/3)• Rojo: (1,0)

• Hay tonos que no se pueden obtener en el colorímetro como suma de colores RGB. Hay que poner una luz al otro lado, lo que daría lugar a valores negativos en la carta rg.

1.2.5- REPRESENTACIÓN DEL COLOR MEDIANTE PARÁMETROS r Y g

• Para que todo color se halle representado por un punto en el primer cuadrante, el CIE reformó el sistema de parámetros r, g y b adoptando ciertas funciones lineales de ellos a las que llamó x, y, z.

• Esto equivale a tomar nuevos patrones primarios ficticios que cumplían con las condiciones requeridas, X, Y, Z.

donde x + y + z =1, por lo que basta conocer x e y.

• Las coordenadas x, y calculadas para todos los colores del espectro conforman una gráfica llamadacurva lugar del espectro, que representa la fronterade todos los colores reales existentes.

1.2.6- COMPONENTES TRICROMÁTICAS INTERNACIONALES

X + Y + Zy=

YX + Y + Z

X + Y + Z

ESQUEMAS DE COLORES

Cubo RGB

Línea de GradienteNeutro

Líneas de GradientePrimario-secundario

Plano de colores primarios

Límites de saturación

Color RGB

How to describe color? - We have several possibilities:

1. Make a table of colors, e.g. Munsell color-order system.2. Assign names to colors, e.g. Light-Goldenrot-Yellow, Medium-

Spring-Green, etc.3. Produce colors by some process: Artists speak about the

following variations of pure pigments: TINTS (means adding white), SHADES (means adding black), and TONES (means adding a combination of both).

Consequently colored light has following quantities associated: HUE (corresponding to pure pigment) SATURATION (i.e. distance from gray of equal intensity) LIGHTNESS (i.e. perceived intensity of a reflecting object) or BRIGHTNESS (i.e. perceived intensity of light emitting

object).

SISTEMA VISUAL HUMANO

SISTEMA VISUAL HUMANOEL OJO

En la retina existen dos tipos de células fotosensibles:• Conos: Responsables de la visión del color (visión

fotópica). Se cree que hay tres tipos de conos, sensibles al rojo, verde y azul respectivamente. Dada la forma de conexión de las terminaciones nerviosas que van al cerebro, son responsables de la definición espacial.

• Bastoncitos: Se concentran en zonas alejadas de la fóvea. Responsables de la visión escotópica (visión a bajos niveles de intensidad). No son sensibles al color.

LPF (Espacial) log BPF (Espacial) LPF (temp)

Apertura finita del ojo

Leyes de Weber

Inhibición lateral

(bandas de Match)

Frecuencia de fusión y

rendición de movimiento

SISTEMA DE VISIÓN HUMANA: DIAGRAMA DE BLOQUES

RESPUESTA DEL SISTEMA VISUAL HUMANO

• Iluminación de la retina: Para una escena con un determinado brillo Y, existe una relación entre el brillo real de la imagen y la iluminación producida en la retina:

E = K · Y · Sp

La cantidad de luz que llega a la retina depende de de la apertura de la pupila, que a su vez depende del nivel de luz ambiente existente.

• Agudeza visual: Es la capacidad de distinguir objetos muy pequeños. Para el experimento clásico de alternar líneas negras y blancas, la agudeza se define como:

V = 1 / αdonde α es el poder separador de alfa, es decir, el ángulo para el que el ojo comienza a distinguir las líneas blancas de las negras. El valor medio para el ojo humano es de α = 1 min.

1.3.2- RESPUESTA DEL SISTEMA VISUAL HUMANO

• Umbrales diferencia de luminancia. Sensibilidad al contraste: La respuesta del ojo a los cambios de intensidad de iluminación es no lineal. • Experimentos de Weber.

• 1er experimento:

El momento en que la diferencia ΔI comienza a ser percibida depende de I. La tasa ΔI /I (fracción de Weber) es prácticamente constante (~ 0.02) para un alto rango de intensidades.

• 2º experimento:

El rango es que la fracción de Weber permanece constante se reduce considerablemente. Sin embargo, la envolvente de las curvas es equivalente a la curva del primer experimento.

• Umbral diferencia de crominancia. Fijamos un color C con una luminancia fija, y vamos variando su color, C + ΔC, hasta que percibamos un cambio de color. Si representamos en la carta cromática los umbrales de variación de cada color, obtenemos las elipses de Mac Adam: los umbrales no son iguales para todos los colores.

• Flicker (parpadeo). Iluminamos una escena con destellos de luz con una frecuencia de N destellos por segundo. Si N es pequeño, los destellos se aprecian separados. Si aumenta la frecuencia, aparece un fenómeno denominado flicker o parpadeo, muy molesto. Si seguimos aumentando esta frecuencia (frecuencia crítica de flicker), se aprecia como luz continua. La frecuencia crítica de flicker depende de la intensidad, y va de 37 a 100 Hz.En cine se suelen utilizar 24 imágenes por segundo (cada fotograma se repite dos veces), logrando una frecuencia de 48 fotogramas por segundo.

• Sensación de movimiento. El número de imágenes que se deben presentar al espectador para que el movimiento aparezca de manera continua deber se mayor que 15. No confundir con el flicker.

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