Bài giảng Đồ họa máy tính: Bài 6 - Lê Tấn Hùng

„ However, chroma is not uniform for every hue at every value. Munsell saw that full chroma for individual hues might be achieved at very different places in the color sphere.. „ CIEL[r]

(c) SE/FIT/HUT 2002

Bài 6:

Mầu sắc trongđồ họa –

Color model

(c) SE/FIT/HUT 2002

Mơ hình mầu - color model

„ Mơ hình mầu hệthống có quy tắc cho việc tạo khoảng mầu từtập mầu cơbản

„ Có loại mơ hình mầu là:

„ Mầu thêm additive: „ Mầu bùsubtractive: „ system’s color gamut

„ Mỗi mơ hình mầu có khoảng mầu hay gam mầu riêng gamut (range) mầu mà có thểhiển thịhay in

„ Mỗi mơ hình mầuđược giới hạn khoảng phổmầu nhìnđược Gam mầu hay khoảng cịnđược gọi khơng gian mầu "color space" Ảnh hay đồhoạ

vector có thểnói: sửdụng khơng gian mầu RGM hay CMY hay bất cứkhông gian mầu khác

„ Một số ứng dụngđồhoạcho phép người dùng sửdụng nhiều mơ hình mầu

đồng thờiđểsoạn thảo hay thểhiệnđối tượng hình học Ðiểm quan trọng hiểu vàđểchọ mơ hình cần thiết cho cơng việc

(c) SE/FIT/HUT 2002

Phép trộn mầu Colour Mixing „ Additive:

„ CRT colour mixing „ LCD projectors

„ Subtractive:

„ paints „ dyes

λ Φ

λ Φ λ Φ

+ =

λ Φ

λ Φ λ

Φ =

(c) SE/FIT/HUT 2002

Mơ hình mầu thêm

Additive Model RGB Mơ hình mầu thêm Additive Model RGB

„ Thomas Young (1801) mầu cơbản red, green, blue từngđôi sẽcho mầu thứcấp yellow, cyan, magenta;

„ Mầu trắng thuđược kết hợp cả3 mầu „ Sựthayđổi cườngđộcủa mầu thành phần

sẽtạođược giá trịmầu bất kỳtrong phổmầu spectral hues

„ Màn hình mầu sửdụng ngun lý mầu thêm

Mơ hình mầu RGB (Red - Green - Blue) Đỏ- Lục - Lam Additive Color Model

„C = rR + gG + bB

„C = color or resulting light, „(r,g,b) = color coordinates in range

1, cườngđộcảánh sáng chiếu hay bộ

3 giá trịkích thíchtristimulus values RGB

„(R,G,B) = red, green, blue primary colors.

RGB Color ModelRGB Color Model

„ Advantages

„relates easily to CRT operation „easy to implement „ Disadvantages

„RGB values generally not transferable between devices (no standard `red’ phosphor)

„not perceptually (colours close together near white are distinguishable, but not true near black)

„not intuitive - eg where is skin colour? „ ứng dụng

(c) SE/FIT/HUT 2002

Device Dependency „ This is a vector spacewith the basis

vectors defined by the properties of the monitor phosphors.

„ If the phosphors change the colour space changes.

„ We cannot use RGB to universally define a colour.

„ ⇒we require a device independent

colour space. RGB Space 1

RGB Space 2

(c) SE/FIT/HUT 2002

Subtractive color - Mầu bù

CMY-(Cyan, Magenta, Yellow)

„ Mơ hình mầu CMY- xanh tím, Đỏtươi, vàng „ Mơ hình mầu bù -Subtractive color modelshiển

thịánh sáng mầu sắc phản xạtừmực in Bổ xung thêm mựcđồng nghĩa với ánh sáng phản xạ

càng

„ Khi bềmặt khơng phủmực ánh sáng phản xạlà ánh sáng trắng -white

„ Khi mầu có giá trịcho mầu xám Khi giá trịđạt max cho mầu đen

„ Color = cC + mM + yY

          −           =          

B G R

Y M C

1 1

(c) SE/FIT/HUT 2002

Mơ hình mầu CMY- K

„ Mơ hình mởrộng của CMY ứng dụng máy in mầu Giá trịđen bổxung vào thay thếcho hàm lượng mầu bằng của mầu cơ bản.

(c) SE/FIT/HUT 2002 10

Mơ hình mầu YIQ

„ Mơ hình mầu YIQ mơ hình mầuđượcứng dụng truyền hình mầu băng tần rộng Mỹ, có mối quan hệchặt chẽvới hình

đồhoạmàu raster

„ YIQ sựthayđổi RGB cho khảnăng truyền phát tính tương thích với ti vi đen trắng thếhệtrước Tín hiệu truyền sửdụng hệthống NTSC (National Television System Committee)

„ Sựbiếnđổi RGB thành YIQ xácđịnh theo công thức sau:

„ Yis luminance, I & Q đại lượng vềmầu sắc

„ Note: Y is the same as CIE’sY

„ Result: backwards compatibility with B/W TV!                

   

− − − =          

B G R Q

I Y

0.311 0.523 0.212

0.321 0.275 0.596

0.114 0.587 0.299

(c) SE/FIT/HUT 2002 11

The Munsell Color System

„ Albert Henry Munsell, an American artist

„ Dựa tri giác cảm nhận, Rational way to describe color" sửdụng ký pháp mô tảthập phân đơn giản thay vào tên màu, ( he considered "foolish" and "misleading.")

„ 1898 with the creation of his color sphere, or tree

„ A Color Notation, in 1905 Đĩa mầu chuẩn standard for colorimetry (the measuring of color)

„ Munsell mơ hình hó hệthống quỹđạo mức quay quanh phổmầu

„ Trục quỹđạo trục đen trắng tỉlệvới đen trục nam đen tai trục bắc (black as the south pole.)

„ Extending horizontally from the axis at each gray value is a gradation of color progressing from neutral gray to full saturation

„ With these three defining aspects, any of thousands of colors could be fully described Munsell named these aspects, or qualities, Hue, Value, and Chroma

(c) SE/FIT/HUT 2002 12

„Hue

„Value

Ví dụ:

Mơ tả10R, 5YR, 7.5PB, etc denote particular hues, the notation N is used to denote the gray value at any point on the axis

5N mô tảmức độxám: 2N a dark gray, and 7N a light gray

(c) SE/FIT/HUT 2002 13

Biểu mầu - Chroma

„ Chroma is the quality that distinguishes the difference from a pure hue to a gray shade The chroma axis extends from the value axis at a right angle and the amount of chroma is noted after the value designation „ 7.5YR 7/12 indicates a yellow-red hue tending

toward yellow with a value of and a chroma of 12:

„ However, chroma is not uniform for every hue at every value Munsell saw that full chroma for individual hues might be achieved at very different places in the color sphere „ exp, the fullest chroma for hue 5RP

(red-purple) is achieved at 5/26:

(c) SE/FIT/HUT 2002 14

Mơ hình mầu HSV

Yếu tốcảm nhận

ƒ Hue - sắc mầu ƒ Saturation -độbão hoà: ƒ Lightness -độsáng: ƒ Brighitness (độphát sáng)

(c) SE/FIT/HUT 2002 15

Mơ hình mầu HSV

( Hue, Saturation, Value )

„ Mô hi`nh mầu RGB, CMY, YIQ

định hướng cho phần cứng

„ HSV=HSB định hướng người sửdụng dựa cơsở vềtrực giác vềtông màu, sắcđộvà sắc thái mỹthuật

„ HSV, 1978 by Alvey Ray Smith „ Hue: sắcđộ0-360

„ Value-Brightness:(độsáng) 0-1

„ Saturation: Độbão hoà 0-1

„ odd and anti-intuitive when the strength of the colour of white is considered

(c) SE/FIT/HUT 2002 16

HSV Color Space „ Không gian mầu trực quan

„ H = Hue „ S = Saturation „ V = Value (or brightness)

Value Saturation

Hue

Chuyểnđổi HSV-RGB

„ Khi S=0 H ko tham gia //đen trắng

„ R = V;

„ G = V;

„ B = V;

„ Else//CHROMATIC case

„ H = H/60;

„ I = Floor(H);// lấy giá trịnguyên

„ F = H — I;

„ M = V*(1 — S);

„ N = V*(l — S*F);

„ K = V*(1—S*(1—F))

if I = then (R,G,B) = (V,K,M); If I = then (R, G, B) = (N, V, M); if I = then (R, G, B) = (M, V, K); if I = then (R, G, B) = (M, N, V); if I = then (R, G, B) = (K, M, V);

Hue, Lightness, Saturation ModelHue, Lightness, Saturation Model

„ Mơ hình thường sửdụng kỹ

thuật đồhoạ „ Ưu điểm

„intuitive(trực giác): choose hue, vary lightness, vary saturation „ Nhược điểm

„Chuyển đổi với RGB có sai số (cube stood on end) thay đổi trên loại hình khác

(c) SE/FIT/HUT 2002 19

HSV (Hue, Saturation and Value), HLS (Hue, Luminance and Saturation) HSI (Hue, Saturation and Intensity)

(c) SE/FIT/HUT 2002 20

Nhượcđiểm RGB

„ Kết quảthực nghiệm cho thấy nhiều ánh sáng mẫu

tạo thành từ3 thành phần mầu cơcởvới nguyên nhân vỏcủa võng mạc - retinal cortex

„ Với mầu Cyan: cườngđộcủa ánh sáng mầu green blue kích thích cảm nhận mầuđỏtrong mắt ngăn khơng cho thuđược mầu xác „ Cách nhấtđểthuđược mầu loại bớt phần mầuđỏbằng cách

thêm ánh sángđỏvào mẫu ban đầu

„ Bằng cách thêm từtừánh sángđỏvào thuđược (test + red) sẽcho mầu (blue + green)

„ C + rR = gG + bB <=> C = gG + bB - rR

„ Vấnđề đặt việc phức tạp phân tích mầu chuyểnđổi mầu với

đại lượng âm ánh sángđỏ độc lập thiết bị

(c) SE/FIT/HUT 2002 21

CIE stands for Comission Internationale de l'Eclairage (International Commission on Illumination).

„ Commission thành lập 1913 tạo mộtđiễn

đàn quốc tếvềtảođổi ý tưởng thông tin nhưtập chuẩn - set standards cho vấnđềliên quanđến ánh sáng „ Mơ hình mầu CIE color phát triển

sởhoàn toàn độc lập thiết bị

„ Dựa sựcảm nhận của mắt người vềmầu sắc

„ Yếu tố mơ hình CIE định nghĩa chuẩn vềnguồn sáng chuẩn người quan sát

(c) SE/FIT/HUT 2002 22

Standard Sources & Standard Observer

The following CIE standard sources were defined in 1931:

„ Nguồn chuẩn - Standard Sources

„Source A tungsten-filament lamp with a color temperature of 2854K „Source B model of noon sunlight with a temperature of 4800K „Source C model of average daylight with a temperature of 6500K

„Nguồn B C có thểthu từnguồn A thông qua lọc từphân bốphổcủa nguồn A „ Người quan sát chuẩn - Standard Observer

CIE 1931 có đặc tảcho chuẩn người quan sát bổxung năm 1964

„Standard observer sựkết hợp cảnhóm nhỏcác cá thể(about 15-20) đại diện cho hệquan sát mầu sắc người thường-normal human color vision „Các đặc tảsửdụng kỹthuật tương tựđểđể thu mầu có giá trịkích

thích tương đương với kích thích tốRGB - RGB tristimulus value

(c) SE/FIT/HUT 2002 23

CIE

„CIEXYZ: là mơ hình CIE gốc sửdụng sơđồmầu

được chấp nhận năm 1931.

„CIELUV: là mơ hìnhthiết lập năm 1960 bổxung

1976 mơ hình thay đổi mởrộng sơđổmầu gốc để

hiệu chỉnh tính khơng đồng đều non-uniformity.

„CIELAB: Một cách tiếp cận khác phát triển của

Richard Hunter in 1942 địng nghĩa mầu theo trục

phân cực cho mầu (a and b) đại lượng thứ3 ánh

sáng (L).

(c) SE/FIT/HUT 2002 24

CIE XYZ - Color Space

„ CIE - Cambridge, England, 1931 với ý tưởng đại lượng ánh sáng lights mầu X, Y, Z phổtươngứng:

„ Mỗi sóng ánh sángλcó thểcảm nhậnđược sựkết hợp đại lượng X,Y,Z „ Mơ hình - khối hình khơng gian 3D X,Y,Z

gồmgamutcủa tất cảcác mầu có thểcảm nhậnđược

„ Color = X’X + Y’Y + Z’Z

„ XYZ tristimulus values thay thếcho đại lượng truyền thống RGB

„ Mầuđược hiểu thuật ngữ(Munsell's

(c) SE/FIT/HUT 2002 25

CIE XYZ

„ CIE sửdụng giá trị XYZ tristimulus đểhình thành nên tập giá trịvềđộkết tủa mầu - chromaticity mô tảbằng xyz „ Ưu điểm của loại mầu nguyên lý cơ bản có thểsinh

mầu cơ sởtổng đại lượng dương của mầu mới thành phần

„ Việc chuyển đổi từkhông gian mầu 3D tọa độ(X,Y,Z) vào không gian 2D xác định bởi tọa độ(x,y),theo công thức dưới phân số

của của tổng thành phần cơ bản.

„ x = X/(X+Y+Z) , y = Y/(X+Y+Z) , z = Z/(X+Y+Z)

„ x + y + z =

„ toạđộ z không được sửdụng

(c) SE/FIT/HUT 2002 26

CIE's 1931 xyY - The chromaticity coordinates chromaticity diagram „ Chuẩn CIE xácđịnh mầu giảthuyết

hypothetical colors, X, Y, and Zlàm cơsở

cho phép trộn mầu theo mơ hình thành phần kích thích - tristimulus model „ Khơng gian mầu hình móng ngựa

-horseshoe-shaped kết hợp không gian tọa độ2D mầu-chromaticity x, y

độsáng

„ λx = 700 nm; λy = 543.1 nm; λz = 435.8 nm

„ Thành phần độsáng hay độchói định giá trịđại lượng Ytrong tam kích tốtristimulus mầu sắc

(c) SE/FIT/HUT 2002 27

Mơ hìnhCIE xyY

„ Thang đo Y xuất phát từđiểm trắng đường thẳng vng góc với mặt phẳng x,y với giá trịtừ0 to 100

„ Khỏang mầu lớn Y=0 điểm trắng CIE Illuminant C Đây đáy hình „ Khi Y tăng mầu trởnên sáng khoảng mầu

hay gam mầu giảm diện tích tọa độx,y giảm theo

„ Tại điểm khơng gian với Y= 100 mầu có sác xám bạc khoảng mầu ởđây bé

ƒKhông sửdụng sơđồmầu xyY ánh xạcho việc chỉra quan hệgiữa mầu

ƒSơđồlà không gian phẳng giới hạn đường cong mà phép ánh xạquan hệmầu không gian quan sát bịvặn méo

ƒVid dụ: mầu không thuộc khoảng xanh lục sẽthuộc phần đỏhay tím •X = x(Y/y) , Y = Y , Z = (1 - x - y)(Y/y)

(c) SE/FIT/HUT 2002 28

Ưuđiểm

„ Cung cấp

„ Chuẩn chuyển đổi giá trịmầu mà độbão hồ thành thơng tin mơ hình mầu khác „ cách định nghĩa xác định trực quan đơn

giản vềmầu bù thơng qua giải thuật hình học có thểtính toán

„ Định nghĩa tựnhiên vềsắc thái tint đơn giản hố việc định lượng giá trịcủa thuộc tính „ Cơ sở cho định nghĩa gam mầu (space) cho

hình hay thiết bịhiển thị Gam hình RGB có thểmơ tảbằng sơđồmầu CIE „ Sự thay đổi mầu sắc đối tượng có thểánh xạ

thành quỹđạo sơđồCIE

„ Ví dụmaximum blackbody spectrum cảđối tượng nung nóng cốthểbiểu diễn sơđồ

mầu

CIE-LUV

„ Đểhiệu chỉnh điều đó, sơđồtỉlệmầu đồng dạng-uniform chromaticity scale (UCS)

được đưa

„ SơđồUCS sửdụng cơng thức tốn đểchuyển đổi giá trịXYZhay tọa độx,ythành cặp giá trịmới (u,v) biểu diễn cách trực quan xác mơ hình chiều •Trong sơđồmỗi đoạn thẳng mơ tảsựkhác biệt

mầu sắc tương đồng với tỉlệbằng •Khoảng cách đầu đoạn thẳng cảm nhận theo CIE 1931 2° standard observer

• Chiều dài đoạn thẳng biến thiên có thểrất lớn phụthuộc vào vịtrí cảchúng biểu đồ

•Sựkhác biệt chiều dài đoạn thẳng sựbiến dạng méo phần đồ

thị

CIE u,vChromaticity Diagram: „ So sánh UCS với sơđồ1931 diagram trước

đó,khác biệt sựkéo dài vùng mầu lam-đỏ

blue-red sơđồvà sưh thay đổi vịtrí

điểm chói trắng đẫn đến giảm trơng thấy

khác biệt vùng mầu lục

„ Ty nhiên điều khơng thoả mãn cho

đến năm1975,

„ 1976 CIE đưa sựsửa đổi sơđồu,v

thay giá trịmới (u',v') cách nhân vvới 1.5

„ Sơđồmới có dạng chuyển đổi

„ u'= u

(c) SE/FIT/HUT 2002 31

CIE u’v’

„ Ty khơng phải tồn diện sơđồu',v'đưa sựđồng dạng tốt hẳn so với u,v

„ đoạn thẳng sơđồu',v'cũng có hình dạng giơng x,y quan sát cho thấy chúng gần nhưđồng dạng với

„ Một điểm khác biệt tạo đểtạo nên mô hình CIELUV thay thang đo giá trịđộ

sáng Ybằng thang đo L*

„ Thang đo Y tỉlệđồng dạng độsáng với bước thay đổi „ Tuy nhiên tỉlệnày chưa thoảđáng biểu diễn sựkhác biệt tương đương vềđộsáng

(c) SE/FIT/HUT 2002 32

CIE LUV

„ Độsáng Yđược cho không khác biệt với giá trịlà cường độlà khoảng 70 hay 75 Vềcon sốsựkhác biệt không phân biệt

được sựkhác biệt giá trịthấp hay cao nhưđiểm nằm „ Sửdụng cơng thức tốn, giá trịYchuyển thành giá trịkhác xấp xỉvà đồng

dạng đểchỉra sựkhác biệt cách dễdàng

„ Thang đo L*, gần giống với thang đo hệthống Munsell Sựkhác biệt rõ ràng L* sửdụng thang đo 0-100, Munsell's sửdụng thang đo 0-10

„ Thang đo độsáng L*được sửdụng CIELAB CIELUV Giá trị CIELUV tương tựCIEXYZ CIE xyY tính độc lập thiết bịvà

ore not restrained by gamut

„ Việc phát triển theo CIEXYZ vàxyYsẽcho phép biểu diễn không gian mầu

đồng dạng tốt

(c) SE/FIT/HUT 2002 33

CIE-LAB

„ CIELAB hệthống thứ CIE chấp nhận năm 1976 mơ hình mầu đểbiểu diễn tốt giá trị

mầu đồng dạng

„ CIELAB hệthống mầu đối nghịch dựa hệthống Richard Hunter [1942] gọi L, a, b

„ Sựđối mầu phát vào khoảng năm 60s hat: vịtrí thần kinh thịgiác não hay võng mạc sựkích thích mầu chuyển thành

khác biệt gữa tối sáng (light and dark) đỏvà lục( red and green), lam vàng( blue and yellow)

„ CIELAB biểu diễn giá trịnày trục: L*, a*, and b* CIE L*a*b* Space.)

„ Trục đứng trung tâm biểu diễn độsáng L* với giá trịchạy từ(black) tới 100 (white)

(c) SE/FIT/HUT 2002 34

CIE - LAB

„ Trục mầu dựa theo nguyên lý: mầu khơng thểcảđỏlẫn lục hay lam vàng chúng mầu đối lẫn Trên trục giá trịchạy từ

dương đến âm

„ Trên trục a-a', giá trị dương chỉra tổng mầu đỏ âm chỉra tổng mầu xanh

„ Trên trục b-b', mầu vàng dương lam âm „ Trên cả2 trục zero cho mầu xám

„ Như giá trịchỉcần trục mầ độsáng hay mức độxám sửdụng trục (L*), khác biệt hẳn với RGB, CMY or XYZ độsáng phụthuộc vào tổng tương quan kênh mầu

„ CIELAB desktop color

„ Độc lập thiết bị(unlike RGB and CMYK),

„ Là mô hình mầu cơsởcho Adobe PostScript (level and level 3)

„ dùng mơ hình quản lý mầuđộc lập thiết bịcho ICC (International Color Consortium

(c) SE/FIT/HUT 2002 35

R G

B

Monitor Gamut

Printer Gamut

common monitor only

printer only Gamut Comparisons

Gamut Comparisons

(c) SE/FIT/HUT 2002 36

White

common gamut scale gamut clip

(c) SE/FIT/HUT 2002 37

XYZ →RGB Conversion

„ Ultimate goal: select most appropriate RGB values to match the hue and luminance of a spectral source.

380 780 Φλ λ           =           56 . 0 32 . 0 11 . 0 B G R

(c) SE/FIT/HUT 2002 38

Φ(λ) →XYZ Conversion

„ The first stage is to determine the XYZ tristimulus values required to match the spectral source:

„ Tristimulus curves available in tabular form, so approximate integral with a summation:

∫ Φ =780 380 ) ( ) (λ λdλ x

X =∫ Φ

780

380 ) ( ) (λ λdλ y

Y =780∫ Φ

380 ) ( ) (λ λdλ z Z ( )λ ∆λ Φ ≈∑ = ) ( ] [ ~ 80 i i x X i ( )λ ∆λ Φ ≈∑ = ) ( ] [ ~ 80 i i y Y

i ( )λ λ

∆ Φ ≈∑ = ) ( ] [ ~ 80 i i z Z i 5 , 40 380 ) ( = + ∆λ=

λi i where

(c) SE/FIT/HUT 2002 39

RGB →XYZ Conversion

„ Now determine the linear transformation which maps RGB tristimulus values to XYZ values.

„ This matrixis different for each monitor (i.e different monitor phosphors).

„ Monitors have a finite luminance range (typically 100 cd/m2), whereas XYZ space is unbounded

⇒Need to be concerned with the display of bright sources (e.g the sun)

– tone mapping: reproducing the impression of brightness on a device of

limited luminance bandwidth

(c) SE/FIT/HUT 2002 40

RGB →XYZ Conversion

„ Recall linear relationship between XYZ and RGB spaces:

„ Linear system can be solved if positions of colours are known in both spaces.

„ Sometimes manufacturers provide tristimulus values for monitor phosphors = (Xr, Yr, Zr) (Xg, Yg, Zg) (Xb, Yb, Zb)

                    =           B G R a a a a a a a a a Z Y X 33 32 31 23 22 21 13 12 11

RGB →XYZ Conversion

„ Solution of the linear system:

„ Note:

„ … and similarly for G = and B = 1.

                    =           B G R Z Z Z Y Y Y X X X Z Y X b g r b g r b g r           =           ⇒           =           r r r Z Y X Z Y X B G R 0 0 1

XYZ →RGB Conversion

„ The opposite transformation is given by the inverse of the original RGB AXYZ matrix:

„ We can thus determine an RGB value associated with the XYZ value determined earlier from Φ(λ)