COULEUR et CODAGE de la COULEUR Lumière et couleur Synthèse additive et soustractive Grandeurs photométriques Luminance et luminosité Teinte et saturation Modèles colorimétriques Correction Gamma Ioan Roxin, UFR-STGI, PSM Montbéliard, 2009
Disciplines de la vision
Vision artificielle (Computer vision) Traitement d’image (Image processing) Infographie (Computer graphics) Image Infographie Vision artificielle
Objet (Modèle)
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Lumière et couleur Isaac NEWTON (1642-1727) 1676 - Décomposition de la lumière
Thomas YOUNG (1773-1829) 1801 - la perception des couleurs peut être expliquée par la présence de trois nerfs rétiniens excités respectivement par le rouge, le vert et le violet.
Hermann Ludwig Ferdinand von HELMHOLTZ (18211894) redécouvre et développe la théorie de l'analyse trichrome de Young
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Lumière et couleur
Λ = 0,00000055 m
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Lumière et couleur
Spectre des couleurs visibles (380 – 780 nm)
Rayonnement visible
Aspect ondulatoire de la lumière l = c/f , où : l =longueur d'onde; c = vitesse de la lumière (300000000 m/s); f = fréquence (en Hertz) Ioan Roxin, Multimédia - Couleurs, Master 1 PSM - Montbéliard, 2009
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Lumière et couleur
Diffraction
comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent
Interférence
deux ondes de même type se rencontrent (mécanique ondulatoire)
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Lumière et couleur
Cônes et bâtonnets
Bâtonnets : 100 à 200 millions - vision nocturne (scotopique) ; - sensibilité grande à bas niveau de lumière (éclairement < 1 lux); - perception achromatique ;
Cônes : 6 à 7 millions - vision diurne (photopique) - détails ; - perception chromatique (couleurs : 430nm, 560nm et 610nm) Ioan Roxin, Multimédia - Couleurs, Master 1 PSM - Montbéliard, 2009
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COULEUR
Synthèse additive
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Synthèse soustractive 8
COULEURS
Secondaires
Tertiaires
Primaires
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Grandeurs photométriques
Flux lumineux (lumen - lm) Intensité lumineuse (candela - cd) Éclairement (lux –lx ) Luminance (candela/m2 – cd/m2) Intensité de la source (cd) Luminance (cd/m2)
Flux lumineux (lm)
Éclairement (lux)
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Grandeurs photométriques
une source d'éclairage artificielle - une lampe électrique - rayonne dans toutes les directions de l'espace un flux lumineux dont l'unité est le lumen (lm);
Intensité (cd)
dans une direction donnée, ce flux a une certaine intensité exprimée en candelas (cd) ; Flux lumineux (lm)
une surface, placée à une distance donnée de la source, reçoit un éclairement qui s'exprime en lux (lx);
la surface éclairée renvoie une partie de l'éclairement reçu en direction de l'observateur : c'est la luminance exprimée en candelas par mètre carré (cd/m²). Ioan Roxin, Multimédia - Couleurs, Master 1 PSM - Montbéliard, 2009
Luminance (cd/m2)
Éclairement (lux)
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Grandeurs photométriques
Flux lumineux (lumen - lm)
la quantité globale de lumière qu'une lampe émet dans toutes les directions; Telle lampe halogène de 2000 watts (2 kW) émet, par exemple un flux de 52000 lm
Intensité lumineuse (candela - cd)
flux transmis uniformément dans un cône d’angle solide unitaire (stéradian) et d’axe la direction de la source Angle solide = l'aire de la calotte sphérique définie par le cône / le carré du rayon de la sphère . Ioan Roxin, Multimédia - Couleurs, Master 1 PSM - Montbéliard, 2009
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Grandeurs photométriques
Éclairement (lux –lx )
le flux reçu par unité de surface de l’élément éclairé 1 lux : un flux lumineux de 1 lumen atteignant une surface de 1 m2
Source lumineuse
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Eclairement = 1 lux = 1 lumen/m2
1 m2
Intensité = 1 candela
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Grandeurs photométriques
Éclairement (lux –lx ) E = I / D² * cos(α)
Exemple 1 : Une source d'intensité 1800 cd éclaire, sous un angle de 30°, une surface placée à 2,75 m. E = 1800 cd / (2,75*2,75) * cos(30°) = 1800 cd / 7,5625 * cos(30°) = 238*0,866 = 206 lux Exemple 2 : soit une source de 40000 cd placée à 5 m d'une surface inclinée à 45°. E = ? Ioan Roxin, Multimédia - Couleurs, Master 1 PSM - Montbéliard, 2009
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Grandeurs photométriques
Quelques valeurs d’éclairement
Nuit de pleine lune Lumière d’une bougie à 10 cm Rue de nuit bien éclairée Appartement, lampes domestiques Quai de station de métro Guichet de gare Comptoir d’un grand magasin Plateau de télévision Ciel couvert Journée ensoleillée dans l’après-midi Journée ensoleillée à midi
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0,1 à 1 lux 10 lux 20 à 100 lux 100 à 300 lux 300 lux 650 lux 500 à 700 lux 800 à 1600 lux 32000 lux 35000 lux 50000 à 100000 lux
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Grandeurs photométriques
Luminance (candela/m2 - cd/m2 ou nit) l’intensité lumineuse fournie par l’unité de surface apparente d’une source (ou brillance, l'éclat d'un objet) La luminance varie selon 2 facteurs : - l'éclairement E (lux) sur une zone déterminée ; - le facteur de réflexion (r) de cette surface. r = flux réfléchi / flux incident Ex. r = 0,18 pour la peau blanche
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Grandeurs photométriques
Exemples de luminance
disque solaire à midi surface de la lune ciel couvert écran de télévision au blanc ciel très sombre limite supérieur de tolérance de l’œil seuil de séparation entre vision photopique et scotopique scènes naturelles éclairées par la lumière du jour
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1,6.109 cd/m2 2 500 cd/m2 2 000 cd/m2 100 cd/m2 103 cd/m2; 80000 cd/m2 ; évalué à 0,1 cd/m2; 10-6 à 50 000 cd/m2 ;
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Luminance et luminosité
Luminance -
une grandeur photométrique l’intensité lumineuse fournie par l’unité de surface (cd/m2)
Luminosité -
l’impression subjective causée par l’énergie lumineuse le pendant psychosensoriel de la luminance appelée aussi brillance, clarté ou éclat
Y(R,V,B) = 0.30R + 0.59V + 0.11B Avec Flash (ColorMatrixFilter) : Y(R,V,B) = 0.3086*R + 0.6094*V + 0.0820*B Ioan Roxin, Multimédia - Couleurs, Master 1 PSM - Montbéliard, 2009
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Histogramme de la luminosité La qualité et la gamme tonale de l'image numérique
Image sous-exposée
Image normale
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Image surexposée 19
Luminance et luminosité
Non-linéarrité de la perception humaine
L* = a(Y/Yn)p - b Y 13 L* = 116( ) − 16 Yn Ioan Roxin, Multimédia - Couleurs, Master 1 PSM - Montbéliard, 2009
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Luma – Luminosité en vidéo Pour des besoins de synchronisation et de traitement du signal, on garde seulement 220 niveaux pour luma
SDTV (Standard Definition Television) UIT-R Rec. 601
Y’(R’,V’,B’)=219(0.299R’+0.587V’+0.114B’)+16
Y’min = 16 (noir); Y’max = 235 (blanc)
HDTV (High Definition Television) UIT-R Rec. 709
Y’(R’,V’,B’)=219(0.2126R’+0.7152V’+0.0722B’)+16 Ioan Roxin, Multimédia - Couleurs, Master 1 PSM - Montbéliard, 2009
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Luma
Fonctions de « type Y » : YIQ, YUV, YCbCr En N&B, on n’affiche que Y En couleur, Y et 2 chrominances (rouge et bleu) chrominances Cb et Cr (225 niveaux dans l'intervalle [16, 240] ) Cb = 128 + 112 x 1/0,886 x (B’-Y’) Cr = 128 + 112 x 1/0,701 x (R’-Y’)
Images JPEG : Cb = 128 + 128 x 1/0,886 x (B’-Y’) Cr = 128 + 128 x 1/0,701 x (R’-Y’)
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Teinte ou ton - désigne la couleur proprement dite - la longueur d’onde dominante - une roue chromatique sert précisément à représenter les diverses teintes
Toutes les couleurs de l'image d'origine sont déplacées simultanément sur la circonférence de la roue chromatique. Ioan Roxin, Multimédia - Couleurs, Master 1 PSM - Montbéliard, 2009
Original
60°
120°
180°
240°
300°
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Saturation - désigne la pureté de la teinte ou - son niveau de dilution par la lumière blanche 100%R + 100%V + 0%B = Jaune, saturation 100% 100%R + 100%V + 20% B = Jaune, saturation 80%
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Modèles colorimétriques
RVB et R’V’B’ CMJ et CMJN CIE XYZ, CIE xyY, CIE Lab TSL
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Le modèle CIE 1931
au cours des années 20, la Commission Internationale de l’Eclairage (CIE) a effectué ces expériences afin de mesurer les proportions du mélange de trois primaires capable de produire une perception équivalente à celle d’une couleur de longueur d’onde monochromatique connue
1931 - système colorimétrique universel baptisé CIE XYZ X, Y et Z sont des couleurs dites irréelles : X - rougeâtre plus saturée que le rouge, Y un vert sursaturé ayant la même longueur d'onde que le vert, Z un bleu sursaturé ayant la même longueur d'onde que le bleu. Couleurs primaires CIE : 435, 8 nm, 546,1 nm et 700,0 nm indépendant des conditions d’éclairage et de tout support de visualisation
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x=
X X +Y + Z
y=
Y X +Y +Z
La chromaticité CIE [x, y] CIE xyY
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Références de blanc
Le blanc du jour D65 – température de couleur de 6504K Le blanc en photographie classique D55 Le blanc en imprimerie D50 Notation
x
y
z
D50 D55 D65 9300 K (standard au Japon)
0,3457 0,3325 0,312727 0,283
0,3587 0,3476 0,329024 0,298
0,2956 0,3199 0,358250 0,419
Point blanc : - moniteur : dépendant de la calibration du moniteur - imprimante : Balance des blancs : APN Ioan Roxin, Multimédia - Couleurs, Master 1 PSM - Montbéliard, 2009
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CIE 1931 - Non-uniformité perceptuelle
Ellipse de Mac Adam (couleur identique) Pouvoir de discrimination des couleurs +Bleu -Vert
En 1960, CIE propose une échelle uniforme de chromacité L*a*b* Ioan Roxin, Multimédia - Couleurs, Master 1 PSM - Montbéliard, 2009
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L* = 903,3
Y ; Yn
CIE – modèles normalisés
Espace UCS (Uniform Chromaticity Scale) Standardisation de la luminosité L* («L star», en 1976) Y L* = 903,3 ; Yn Y 13 L* = 116( ) − 16 Yn
Y ≤ 0,008856 Yn Y > 0,008856 Yn
La luminosité (L*) varie entre 0 et 100
Deux systèmes normalisés : L*u*v* et L*a*b*
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Le modèle CIE L*a*b*
Espace « pivot » pour les conversion Formules de calcule pour a* et b* (val > 0.008856) a*=500[(
1 3
1 3
X ) −( Y ) ] X n Yn 1 3
1 3
Y Z b * = 200[( ) −( ) ] Yn Zn L* - la luminosité exprimée de 0 (noir) à 100 (blanc) ; a* - les valeurs de la gamme du vert au rouge, gradué de – 100 à + 100 ; b* - les valeurs de la gamme du bleu au jaune, gradué de – 100 à + 100 Ioan Roxin, Multimédia - Couleurs, Master 1 PSM - Montbéliard, 2009
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Le modèle CIE L*a*b*
indépendant de tout périphérique de reproduction il intègre toutes les couleurs du spectre visible. uniformité perceptuelle (les aires des ellipses de Mac Adam sont moins irrégulières et leurs formes sont plus « circulaires »).
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Gamut de couleur - espace couleur relatif à un périphérique ou un système donné; - ensemble des couleurs reproductibles par le périphérique ou le système
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Espaces de couleur
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Gamma et mode R’V’B’
Non linéarité de la réponse en luminance du tube cathodique La luminance est située entre le carré et le cube de la tension d’entrée (v2 < luminance = v2,5 < v3). Le gamma d’un moniteur varie de 2.2 à 2.5
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Gamma
Caractérise la reproduction des niveaux de tons dans un système graphique (la relation entre les valeurs en entrée et les valeurs résultats); pour un moniteur : gamma Résume, dans une seul paramètre numérique, la relation nonlinéaire entre la valeur du code et la luminance Cette non-linéarité est loin d’être un défaut; elle est fortement désirable : on peut utiliser un codage sur 8 bits au lieu de 11 ou 12 bits (pour éviter «l’effet de bande» Mach-banding) Terrible réputation et mauvaise compréhension Internet et les produits multimédia souffrent souvent d’une mauvaise reproduction des niveaux de gris et des couleurs
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Correction Gamma
Sans correction gamma l’intensité des valeurs affichées sera toujours inférieur à nos attentes
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Correction gamma
On utilise une fonction de correction des valeurs d’entrée, une fonction puissance ayant l’exposant égal avec l’inverse du gamma du moniteur L’ = L1/gamma L’exposant de la fonction puissance est le gamma de correction ou gamma d’encodage ou camera gamma (selon W3C)
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Correction gamma
Gamma d’encodage*gamma de décodage = Gamma système (ou viewing gamma) Gamma d’encodage
Gamma de décodage
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Correction gamma
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Gamma système Charles Poynton, The rehabilitation of gamma 0.45*2.5 = 1.125
0.45*2.5 = 1.125
1/1.47*1/1.7 = 1/2. 1/2.5*2.5 = 1
1/1.8*1/1.45 = 1/2.6 1/2.61*2.5 = 0.98 Ioan Roxin, Multimédia - Couleurs, Master 1 PSM - Montbéliard, 2009
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Gamma système
Les mêmes gris paraissent plus clairs sur fond noir que sur fond blanc
Gamma système doit être adapté aux conditions d’observation (ex. on adoptera un gamma supérieur pour la projection d’un film dans l’obscurité totale)
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Fidélité des couleurs
Calibrage de périphériques Gestion de profils (ICC, sRGB, …)
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Gestion de la couleur
Colorimétrie : mesure des couleurs visible ou reproductibles
Système de gestion des couleurs (Color Management System) Objectif : décrire les caractéristiques de l’espace coloré visible ou reproductible par un périphérique donné, en créant le profil ICC (International Color Consortium) du périphérique et en modélisant le gamut (l’espace coloré) de ce périphérique par rapport à l’ensemble de l’espace visible
Suites logiciels : Gretag Macbeth; XRite/MonacoSystems Utilitaires : Eye-One Share, ColorShop X, QColor, iQueue
Gérard NIEMETZKY : Color geek Ioan Roxin, Multimédia - Couleurs, Master 1 PSM - Montbéliard, 2009
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Rendering intents : methods of gamut mapping
Méthodes de rendering : -Colorimétrique – v. Gamut clipping -Saturation – gamut clipping on prsérvant la saturation des couleurs par rapport à leur luminosité -Perceptuel - une forme de gamut compression Ioan Roxin, Multimédia - Couleurs, Master 1 PSM - Montbéliard, 2009
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LCD
Bla bla
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Plasma
Bla bla
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