Bài giảng môn Đồ họa và hiện thực ảo - Bài 6: Màu sắc trong đồ họa – Color model

Value was defined by Munsell defined value as "the quality by which we distinguish a light color from a dark one." Value is a neutral axis that refers to the grey level of the[r]

(1)

Kỹ thuật Đồ hoạ

1

Bài 6:

Mầu sắc trongđồhọa –

Color model

2

Mụ hình mầu - color model

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

z Khoảng mầu mà tạo với tập mầu cơbản goi gam

mầu hệthốngđó system’s color gamut

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

z Mỗi mơ hình mầuđược giới hạn khoảng phổmầu nhìnđược Gam mầu hay khoảng cịnđược gọi khơng gian mầu "color space" Ảnh hay đồhoạvector có thểnói: sửdụng khơng gian mầu RGM hay CMY hay bất cứkhông gian mầu khác

z Một số ứng dụngđồhoạcho phép người dùng sửdụng nhiều mơ hình mầuđồng thờiđểsoạn thảo hay thểhiệnđối tượng hình học Ðiểm quan trọng hiểu vàđểchọ mơ hình cần thiết cho cơng việc

3

zCú loại mơ hình mầu là:

–Mầu thêm additive:Mơ hình mầu thêm sử dụng ánh sáng -lightđể hiển thị mầu Mầu sắc mơ hình kết ánh sáng tryền dẫn -transmitted

–Mầu bù subtractive:mơ hình mầ bù sử dụng mực in - printing inks Mầu sắc cảm nhận từ ánh sáng phản xạ -reflectedlight

4

Phộp trộn mầu Colour Mixing

zAdditive: spectrum of light is the result of addition of individual spectra

– CRT colour mixing – LCD projectors

zSubtractive: colour resulting from the selective absorption of light wavelengths

– paints

– dyes

λ Φ

λ Φ λ Φ

+ =

λ Φ

λ Φ λ

Φ =

Mơ hình mầu thêm

Additive Model RGB

Mơ hình mầu thêm

Additive Model RGB z Khi nguồn sáng kết hợp kết quảthu

được sựthêm vào của phấn bố phổnăng lượng

z Thomas Young (1801) mầu cơbản red, green, blue từngđôi cho mầu thứ cấp yellow, cyan, magenta;

z Mầu trắng thuđược kết hợp cả3 mầu

z Sựthayđổi cườngđộcủa mầu thành phần sẽtạođược giá trịmầu bất kỳtrong phổmầu spectral hues

z Màn hình mầu sửdụng nguyên lý mu thờm

6

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

zC = rR + gG + bB – C = color or resulting light, – (r,g,b) = color coordinates in range

0 1, cườngđộcảánh sáng chiếu hay bộ3 giá trịkích thích

tristimulus values RGB

– (R,G,B) = red, green, blue primary

colors

zNếu mầu tạo giá trị kích thích không thểphân biệtđược mầu zThe sRGB không gian mầu dựa

(2)

RGB Color Model RGB Color Model

z Advantages

–relates easily to CRT operation –easy to implement

z 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?

z ứng dụng –CRT display –transparency –slide film

8

Device Dependency

zThis is a vector spacewith the basis vectors defined by the properties of the monitor phosphors.

zIf the phosphors change the colour space changes. zWe cannot use RGB to

universally define a colour.

z⇒we require a device independent colour space

RGB Space

9

Subtractive color - Mầu bù CMY-(Cyan, Magenta, Yellow) z Mơ hình mầu CMY- xanh tím, Đỏtươi,

vàng

z Mơ hình mầu bù -Subtractive color modelshiển thịánh sáng mầu sắc phản xạtừmực in Bổxung thêm mực đồng nghĩa với ánh sáng phản xạcàng

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

z Khi mầu có giá trị cho mầu xám Khi giá trịđạt max cho mầu đen

z Color = cC + mM + yY

⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡

B G R

Y M C

1 1

10

Mơ hình mầu CMY- K

zMơ hình mở rộng của CMY ứng dụng máy in mầu Giá trị đen bổ xung vào thay thế cho hàm lượng mầu bằng của mầu cơ bản. zCông thức chuyển đổi:

K = min(C, M, Y) ; C = C - K ; M = M - K; Y = Y - K ;

– C-Cyan, M-Magenta, Y-Yellow; K-blacK

Kü thuËt §å ho¹

11

Mơ hình mầu YIQ

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

z YIQ sựthayđổi RGB cho khảnăng truyền phát tính tương thích với ti vi đen trắng thếhệtrước Tín hiệu truyền sử dụng hệ thống NTSC (National Television System Committee)

z Sựbiếnđổi RGB thành YIQ xácđịnh theo công thức sau:

z Yis luminance, I & Q đại lượng về mầu 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

12

The Munsell Color System z Albert Henry Munsell, an American artist

z Dựa tri giác cảm nhận, Rational way to describe color" sử dụng ký pháp mô tả thập phân đơn giản thay vào tên màu, ( he considered "foolish" and "misleading.")

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

z A Color Notation, in 1905 Đĩa mầu chuẩn standard for

colorimetry (the measuring of color)

z Munsell mô hình hó hệ thống quỹđạo mức

quay quanh phổ mầu

z Trục quỹđạo trục đen trắng tỉ lệ với đen trục nam đen tai trục bắc (black as the south pole.)

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

z With these three defining aspects, any of thousands of

colors could be fully described Munsell named these

(3)

13

z Hue

Munsell defined hue as "the quality by which we distinguish one color from another." He selected five principle colors: red, yellow, green, blue, and purple; and five intermediate colors: yellow-red, green-yellow, blue-green, purple-blue, and red-purple; and he arranged these in a wheel measured off in 100 compass points

z Value

Value was defined by Munsell defined value as "the quality by which we distinguish a light color from a dark one." Value is a neutral axis that refers to the grey level of the color This ranges from white to black As notations such as 10R, 5YR, 7.5PB, etc denote particular hues, the notation N is used to denote the gray value at any point on the axis Thus a value of 5N would denote a middle gray, 2N a dark gray, and 7N a light gray In Munsell's original system, values 1N and 9N are, respectively, black and white, though this was l t d d t l f (bl k) th h

14

Chroma

z 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 Thus 7.5YR 7/12 indicates a yellow-red hue tending toward yellow with a value of and a chroma of 12:

z 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 For example, the fullest chroma for

15

Mơ hình mầu HSV

Yếu tốcảm nhận

Hue - sắc mầu dùng để phân biệt sựkhác nhau giữa mầu nhưxanh, đỏ, vàng

Saturation -độbão hoà: chỉra mứcđộthuần của một màu hay khoảng cách của mầu tới điểm có cườngđộcân bằng(mầu xám)

Lightness -độsáng: hiện thân vềmô tảcườngđộ sáng từ ánh sáng phản xạ nhận được từ đối tượng

Brighitness (độ phát sáng) cường độ ánh sáng à t đối t hát hứkhô hải d hả

Kü thuật Đồ hoạ

16

Mụ hỡnh mu HSV

( Hue, Saturation, Value ) z Mô hi`nh mầu RGB, CMY, YIQ

định hướng cho phần cứng

z HSV=HSB định hướng người sử

dụng dựa cơsở vềtrực giác

tông màu, sắcđộvàsắc thái mỹthuật

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

– Value-Brightness:(độsáng) 0-1 – Saturation: Độbão hoà0-1

z odd and anti-intuitive when the

strength of the colour of white is considered

17

HSV Color Space

zKhơng gian mầu trực quan

– H = Hue

– S = Saturation

– V = Value (or brightness)

Value Saturation

Hue

18

Chuyểnđổi HSV-RGB

z Khi S=0 H ko tham gia //đen trắng – R = V;

– G = V;

– B = V;

z 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))

(4)

Hue, Lightness, Saturation Model Hue, Lightness, Saturation Model

zMơ hình thường sử dụng kỹ thuật đồ hoạ

zƯu điểm

–intuitive(trực giác): choose hue, vary lightness, vary saturation

zNhược điểm

–Chuyển đổi với RGB có sai số (cube stood on end) thay đổi trên loại hình khác khụng cú cm nhn u

20

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

21

Nhcim RGB

z Kết quảthực nghiệm cho thấy nhiều ánh sáng mẫu không thểtạo thành từ3 thành phần mầu cởvới nguyên nhân vỏcủa võng mạc - retinal cortex

z Với mầu Cyan: cườngđộcủa ánh sáng mầu green

blue kích thích cảm nhận mầuđỏtrong mắt ngăn khơng cho thuđược mầu xác

z Cách nhấtđểthuđược mầu loại bớt phần mầuđỏbằng cách thêm ánh sángđỏvào mẫu ban đầu

z Bằng cách thêm từtừánh sángđỏvào thuđược (test +

red) sẽcho mầuđúng (blue + green)

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

22

CIE stands for Comission Internationale de l'Eclairage

(International Commission on Illumination).

z Commission thành lập 1913 tạo

mộtđiễnđàn quốc tếvềtảođổi ý tưởng thông tin tập chuẩn - set standards cho vấnđềliên quanđến ánh sáng

z Mơ hình mầu CIE color phát

triển sở hoàn toàn độc lập thiết bị

z Dựa cảm nhận của

mắt người mầu sắc

z Yếu tố mơ hình CIE định nghĩa chun v ngun

23

Standard Sources & Standard Observer

The following CIE standard sources were defined in 1931: z 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 thu từ nguồn A thông qua lọc từ phân bố phổcủa

nguồn A

z Người quan sát chuẩn - Standard Observer

CIE 1931 có đặc tả cho chuẩn người quan sát bổ xung năm 1964

– Standard observer kết hợp nhóm nhỏ cá thể (about 15-20) đại diện cho hệ quan sát mầu sắc người thường-normal human color vision

– Các đặc tả sử dụng kỹ thuật tương tựđểđể thu mầu có giá trị kích thích tương đương với kích thích tố RGB - RGB tristimulus value

z CIEXYZ: mơ hình CIE gốc sử dụng sơđồ mầu chấp nhận năm 1931

z CIELUV: mơ hìnhthiết lập năm 1960 bổxung 1976 mụ hỡnh thay

24

CIE XYZ - Color Space

z CIE - Cambridge, England, 1931 với ý tưởng đại lượng ánh sáng lights mầu X, Y, Z phổ tươngứng:

z Mỗi sóng ánh sángλcó thểcảm

nhậnđược sựkết hợp đại lượng X,Y,Z

z Mô hình - khối hình khơng gian 3D X,Y,Z gồm gamutcủa tất mầu có thểcảm nhậnđược

z Color = X’X + Y’Y + Z’Z z XYZ tristimulus values thay

(5)

25

CIE XYZ

zCIE sử dụng giá trị XYZ tristimulus để hình thành nên tập giá trị vềđộ kết tủa mầu -chromaticity mô tả bằng xyz

zƯu điểm của loại mầu nguyên lý cơ bản có thể sinh mầu cơ sở tổng đại lượng dương của mầu mới thành phần

zViệc chuyển đổi từ không 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.

zx = X/(X+Y+Z) , y = Y/(X+Y+Z) , z = Z/(X+Y+Z)

– x + y + z = 26 Kü thuËt §å ho¹

CIE's 1931 xyY - The chromaticity coordinates và chromaticity diagram

z Chuẩn CIE xácđịnh mầu giả thuyết hypothetical colors, X, Y, and Zlàm cơsởcho phép trộn mầu theo mơ hình thành phần kích thích - tristimulus model

z Khơng gian mầu hình móng

ngựa -horseshoe-shaped kết hợp khơng gian tọa độ 2D mầu-chromaticity x, y độ sáng

z λx = 700 nm; λy = 543.1 nm;

z = 435.8 nm

27

Mơ hìnhCIE xyY

z Thang đo Y xuất phát từđiểm

trắng đường thẳng vng góc với mặt phẳng x,y với giá trị từ to 100

z Khỏang mầu lớn Y=0 điểm

trắng CIE Illuminant C Đây đáy hình

z Khi Y tăng mầu trở nên sáng

khoảng mầu hay gam mầu giảm diện tích tọa độ x,y giảm theo

z Tại điểm không gian với Y= 100 mầu có sác xám bạc khoảng mầu bé

Không sử dụng sơđồ mầu xyY ánh xạcho việc quan hệ mầu

Sơđồ là không gian phẳng giới hạn đường cong mà phép ánh xạ quan hệ mầu không gian quan sát bị vặn méo

Vid dụ: mầu không thuộc khoảng xanh lục thuộc phần đỏ hay tím •X = x(Y/y) , Y = Y , Z = (1 - x - y)(Y/y)

28

Ưuđiểm

z Cung cấp

z Chuẩn chuyển đổi giá trị mầu mà độ

bão hồ thành thơng tin mơ hình mầu khác

z cách định nghĩa xác định trực quan đơn giản mầu bù thơng qua giải thuật hình học cóthể tính tốn

z Định nghĩa tự nhiên sắc thái tint đơn giản hoá việc định lượng giá trị thuộc tính

z Cơ sở cho định nghĩa gam mầu

(space) cho hình hay thiết bị hiển thị Gam hình RGB

29

CIE-LUV

z Để hiệu chỉnh điều đó, sơđồ tỉ lệ mầu đồng dạng-uniform chromaticity scale (UCS) đưa

z Sơđồ UCS sử dụng công thức toán để chuyển đổi giá trịXYZhay tọa độ x,ythành cặp giá trị (u,v) biểu diễn cách trực quan xác mơ hình chiều

z 1960, CIE chấp nhận loại UCS vày với tên 1960 CIEu,vChromaticity •Trong sơđồ đoạn thẳng mơ tả khác biệt

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

• Chiều dài đoạn thẳng biến thiên lớn phụ thuộc vào vị trí chúng biểu đồ

•Sự khác biệt chiều dài đoạn thẳng biến dạng méo phần

th

30

CIE u,vChromaticity Diagram:

z So sánh UCS với sơđồ 1931

diagram trước đó,khác biệt kéo dài vùng mầu lam-đỏ blue-red sơđồ sưh thay đổi vị trí điểm chói trắng đẫn đến giảm trông thấy khác biệt vùng mầu lục

z Ty nhiên điều khơng thoả

mãn năm1975,

z 1976 CIE đưa sửa đổi

sơđồ u,vthay giá trị (u',v') cách nhân vvới 1.5

z Sơđồ có dạng chuyển đổi

(6)

31

CIE uv

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

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

z Một điểm khác biệt tạo để tạo nên mơ hình CIELUV thay thang đo giá trịđộ sáng Ybằng thang đo L*

z Thang đo Y tỉ lệđồng dạng độ sáng với bước thay đổi

z Tuy nhiên tỉ lệ chưa thoảđáng biểu diễn khác biệt tương đương vềđộ sáng

32

CIE LUV

zĐộ sáng Yđược cho không khác biệt với giá trị cường độ khoảng 70 hay 75 Về số khác biệt không phân biệt khác biệt giá trị thấp hay cao nhưđiểm nằm

z Sử dụng cơng thức tốn, giá trịYchuyển thành giá trị khác xấp xỉ đồng dạng để khác biệt cách dễ dàng

z Thang đo L*, gần giống với thang đo hệ thống Munsell Sự khác biệt rõ ràng L* sử dụng thang đo 0-100, Munsell's sử dụng thang đo 0-10

z Thang đo độ sáng L*được sử dụng CIELAB

như CIELUV Giá trị CIELUV tương tự CIEXYZ CIE

xyY tính độc lập thiết bị ore not restrained by gamut

z Việc phát triển theo CIEXYZ xyY cho phộp biu din

33

CIE-LAB

z CIELAB hệ thống thứ CIE

chấp nhận năm 1976 mô hình mầu để biểu diễn tốt giá trị mầu đồng dạng

z CIELAB hệ thống mầu đối nghịch dựa

trên hệ thống Richard Hunter [1942] gọi L, a, b

z Sựđối mầu phát vào

khoảng năm 60s hat: vị trí thần kinh thị giác não hay võng mạc kích thích mầu chuyển thành khác biệt gữa tối sáng (light and dark) đỏ lục( red and green), lam vàng( blue and yellow)

CIELAB biể diễ iá tị t ê

34

CIE - LAB

z Trục mầu dựa theo nguyên lý: mầu không thể cả đỏ lẫn lục hay lam vàng chúng mầu đối lẫn Trên trục giá trị chạy từ dương đến âm

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

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

z Như giá trị cần trục mầ độ sáng hay mức độ

xám sử dụng trục (L*), khác biệt hẳn với RGB, CMY or XYZ độ sáng phụ thuộc vào tổng tương quan kênh mầu

z CIELAB desktop color

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

– Là mơ hình mầu cơsởcho Adobe PostScript (level and level 3) – dùng mơ hình quản lý mầuđộc lập thiết bịcho ICC

(International Color Consortium

35

R G

B

Monitor Gamut

Printer Gamut

common monitor only

printer only

Gamut Comparisons Gamut Comparisons

36

White

common gamut scale gamut clip

(7)

37

XYZ →RGB Conversion

zUltimate goal: select most appropriate RGB values to match the hue and luminance of a spectral source. 380 780 Φλ λ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ 56 32 11 B G R

38

() → XYZ Conversion

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

zTristimulus 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 =∫ Φ

780

380

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

i ( )λ λ

Δ Φ ≈∑ = ) ( ] [ ~ 80 i i z Z i , 40 380 ) ( = + Δλ=

λi i

where

39

RGB XYZ Conversion

zNow determine the linear transformation which maps RGB tristimulus values to XYZ values. zThis matrixis different for each monitor (i.e

different monitor phosphors).

zMonitors 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 40 Kü thuËt §å ho¹

RGB →XYZ Conversion

zRecall linear relationship between XYZ and RGB spaces:

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

zSometimes manufacturers provide tristimulus values for monitor phosphors = (Xr, Yr, Zr) (Xg,

Y Z ) (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

41

RGB →XYZ Conversion

zSolution of the linear system:

zNote:

z… 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

42

XYZ →RGB Conversion

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

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