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El Color en
Computación Gráfica
Lab. de Visualización y Computación Gráfica Dpto. de Ciencias e Ingeniería de la Computación
Universidad Nacional del Sur S. Castro, D. Urribarri CG 2015
El Color en Computación Gráfica
Objetivo
Encontrar un modelo de color que esté relacionado con la manera que
opera el ojo y que sea consistente con cómo los dispositivos gráficos
generan el color.
¿Cómo se describen numéricamente los colores?
¿Cómo de relacionan estas descripciones con las forma en que
describimos el color en la vida diaria?
¿Cómo comparamos colores?
¿Qué rango de colores puede mostrarse en una pantalla?
¿Qué rango de colores puede mostrarse en una página impresa?
¿Cómo puede producirse un conjunto de colores deseado?
¿Qué debemos hacer cuando debemos mostrar una imagen en un
dispositivo que sólo admite, por ejemplo, 256 colores?
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Conceptos Básicos
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
La corteza visual es
uno de los centros de
alto nivel donde se
procesan las sensa-
ciones espaciales y
cromáticas
Distribución de la
potencia espectral de
la luz
La luz entra a la
región foveal de la
retina y estimula los
conos y bastoncitos.
Los impulsos nervio-
sos viajan desde la
retina a lo largo del
nervio óptico hasta el
cerebro
Estímulo Percepción
Percepción del Color
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El color depende de sutiles interacciones entre la física de
la radiación de la luz y el sistema ojo-cerebro. Los
elementos básicos a tener en cuenta son
El Estímulo
El Sistema Visual Humano
Los elementos básicos a tener en cuenta son
El Estímulo
El Sistema Visual Humano
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
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El espectro electromagnético
Ubicación del espectro visible (por los humanos) dentro del espectro
electromagnético.
El estímulo
380 nm 760 nm
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Luces espectrales puras
Longitud de onda (nm)
Densidad
espectral
La densidad espectral es la potencia por longitud de onda o potencia
relativa.
Violeta Azul Rojo Amarillo
Verde Naranja
El estímulo
Espectros para algunos colores comunes
La luz de la mayoría de
las fuentes no consiste
sólo de una longitud de
onda sino que tiene
distinta potencia para un
determinado conjunto de
longitudes de onda.
A este conjunto de
densidades espectrales
se lo denomina espectro
de la luz.
Naranja
Verde
Amarillo
Rojo
Azul
Púrpura
Negro
Gris Blanco
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El estímulo
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Distintas Fuentes de Luz
Longitud de onda (nm)
Potencia
relativa
El estímulo
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Reflectancia
Si la luz L está dada por la siguiente curva de respuesta:
...y un determinado objeto O responde a la luz de intensidad
uniforme para cada longitud de onda del siguiente modo …
El estímulo
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El área gris representa la luz
reflejada por el objeto, es decir,
la respuesta total a la luz
recibida.
Para calcular la respuesta del objeto O a la luz L debemos multiplicar longitud
de onda a longitud de onda, las dos curvas.
El estímulo
Reflectancia
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Interacción de la luz con un objeto
El estímulo
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La Luz
El estímulo
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Metámeros
El estímulo
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Colores que parecen el mismo
bajo una fuente de luz ...
... pueden lucir totalmente diferentes
bajo otra fuente de luz.
Applets:
www.cs.brown.edu/exploratories/freeSoftw
are/repository/edu/brown/cs/exploratories
El estímulo
Metámeros
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Los elementos básicos a tener en cuenta son
El Estímulo
El Sistema Visual Humano
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Juntos, el ojo y el cerebro convierten información óptica en la
percepción visual de una escena.
Con respecto al Sistema Visual
Humano deben considerarse
aspectos relevantes de:
La fisiología
Las características
perceptuales
El sistema visual humano está
constituído por el ojo y la porción del
cerebro que procesa las señales
neuronales provenientes del ojo. Perception, Sekuler y Blake
Sistema Visual Humano
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La luz que entra al ojo pasa a través de:
l córnea
l pupila
l lente
l cámara vítrea
y entonces impacta la retina
Sistema Visual Humano
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La luz que impacta en la retina excita
los fotorreceptores; éstos convierten
la intensidad y el color de la luz en
señales neuronales que se
recombinan y se procesan
adicionalmente para ser enviadas al
cerebro a través del nervio óptico.
La luz que entra a la retina debe pasar por varias capas de células antes de
impactar los fotorreceptores.
Sistema Visual Humano
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Conos Bastones
115.000.000
Concentrados en la periferia
de la retina
Sensibles a la intensidad
La mayoría son sensibles a
los 500 nm (~verde)
7.000.000
Concentrados cerca del
centro de la retina
Sensibles a las long. de
onda alta, media y baja
Los Fotorreceptores
Sistema Visual Humano
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Existen tres tipos diferentes de conos. Cada uno responde a una
banda espectral distinta del espectro de la luz. Esto permite al cerebro
discriminar color mediante un proceso denominado tricromancia.
E. Bruce Goldstein. Sensation and Perception, Brooks/Cole, 1999.
Absorción de la luz en conos y bastones de la retina
Sistema Visual Humano
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Curvas de respuesta espectral de los 3
tipos de conos en la retina Imágenes de David Forsyth
Absorción de la luz en conos de la retina
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El estímulo luego de ser procesado por los conos
La distribución de la potencia espectral de la fuente de luz multiplicada
por la reflectancia espectral del objeto multiplicada por la sensitividad
espectral de los conos del ojo humano constituye el estímulo de color
que vemos.
Sistema Visual Humano
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Metamerismo
Si consideramos una persona con dos tipos de
receptores R1 y R2, percibirá señales luminosas I1 e I2
como iguales.
Sistema Visual Humano
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Diversos mecanismos del Sistema Visual Humano habilitan la percepción de
los estímulos sobre un amplio rango dinámico de niveles de iluminación y
magnitud de los mismos.
Estos incluyen:
Respuesta logarítmica de los fotorreceptores
Inhibición lateral
Efectos de Contraste
Fenómenos de adaptación
Constancia de distintas cantidades visuales
Tales mecanismos optimizan el juicio de cantidades relativas a expensas de
juicios absolutos, facilitando la detección de cambios espaciales y
temporales.
Sistema Visual Humano
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Respuesta logarítmica de los fotorreceptores
La luz percibida no es una función lineal de la cantidad de luz emitida
por una lámpara.
Sistema Visual Humano
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Respuesta logarítmica de los fotorreceptores. Escalas de
Grises
1 2 3 4 5 6 7 8 91
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
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Sistema Visual Humano
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La inhibición lateral aumenta el cambio de contraste aparente en cada
escalón, causando un overshoot en el perfil de intensidad percibido.
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Inhibición Lateral. Bandas de Mach
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www.nbb.cornell.edu/neurobio/land (Trabajos año 96-97)
Inhibición Lateral. Bandas de Mach
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www.nbb.cornell.edu/neurobio/land (Trabajos año 96-97)
Sistema Visual Humano
Inhibición Lateral. Bandas de Mach
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El contraste se define como la diferencia relativa en la intensidad entre un
punto de una imagen y sus alrededores. El brillo percibido de una región
depende de la intensidad del área circundante
Efectos de Contraste. Contraste Simultáneo
Sistema Visual Humano
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Es el cambio en apariencia de un área
central causado por la presencia de un
área vecina.
Efectos de Contraste. Contraste Simultáneo
Los cuatro parches son idénticos pero la
zona circundante oscura hace que
aparezcan más claros y más grandes, en
tanto que la zona circundante más clara
hace que la zona central aparezca más
oscura y más pequeña.
Los cuatro rectángulos de la fila
superior son del mismo gris. Los
cuatro de abajo son de un gris
más claro.
Sistema Visual Humano
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El colorido del target también está afectado por la
zona circundante. En general, los colores parecen
más vívidos contra colores de menor luminosidad.
Esto ocurre particularmente con el gris.
Efectos de Contraste. Contraste Simultáneo
Sistema Visual Humano
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La habilidad del ojo para resolver
detalle espacial fino está expresado
por su función de sensitividad al
contraste o respuesta visual relativa
como función de la frecuencia
espacial.
Efectos de Contraste. Contraste Simultáneo
Sistema Visual Humano
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El brillo percibido
de una región
depende de la
intensidad del
área circundante
El ojo acentúa los cambios
abruptos en intensidad.
La respuesta en frecuencia
del ojo cae a medida que las
transiciones de intensidad se
hacen más y más finas en
tamaño.
Teniendo en cuenta …
Sistema Visual Humano
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Combinando estos conceptos de respuesta no lineal a la intensidad,
interacción de los fotoreceptores y respuesta en frecuencia del ojo,
podemos observar:
La intensidad con que vemos un objeto está relacionada con la
intensidad promedio que rodea al mismo
En una imagen se acentúan las transiciones abruptas de intensidad.
La respuesta a los detalles en una imagen se deja de percibir
cuando éstos son demasiado finos. Detalles con alto contraste se
resuelven mejor que los con bajo contraste.
Sistema Visual Humano
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Fenómenos de Adaptación. Afterimages
Sistema Visual Humano
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Cuando se enfoca sobre un estímulo muy fuerte, los fotorreceptores
responden a esa luz entrante. Si se continúa mirando a ese estímulo, los
fotorreceptores se desensibilizan (se fatigan).
Esta fatiga es más fuerte para las células enfocadas a las partes más
brillantes de la figura y más débil para las enfocadas a la parte más oscura.
Entonces, cuando la pantalla se pone blanca, las células menos fatigadas
responden más fuertemente que sus vecinas produciendo la parte más
brillante de la afterimage.
En el sistema visual se da la adaptación a
la oscuridad y a la luz
Sistema Visual Humano
Fenómenos de Adaptación. Afterimages
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Constancia de distintas cantidades visuales
La constancia perceptual es la tendencia a percibir los objetos como estables
o sin cambios a pesar de cambios en la información sensorial. En lo referido
a las cantidades visuales hay 2 tipos:
Constancia de brillo: percepción de que la brillantez es la misma a pesar de
variar la cantidad de luz que incide sobre la retina.
Constancia de color: tendencia a percibir los objetos familiares como si
mantuvieran su color a pesar de cambios en la información sensorial.
Sistema Visual Humano
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Sistemas de Color
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Supongamos que queremos describirle exactamente un color
a alguien; esta descripción debe hacerse de manera oral.
¿Cómo lo hacemos?
Queremos describir el color mediante un pequeño conjunto
de números.
¿Cuántos números se requerirían?
Descripción del Color
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Supongamos 3 fuentes primarias de luz con espectro Pk(λ), k =1,2,3
La intensidad de cada fuente de luz puede ajustarse por un factor bk.
¿Cómo elegimos bk, k =1,2,3, de modo tal que se obtenga como
resultado un conjunto de valores triestímulo (αR, αG, αB) deseados?
C (λ)= b1P1 (λ)+b2P2 (λ)+b3P3 (λ)
Así podemos describir un color como la superposición de tres colores
primarios
Descripción del Color
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Las funciones de matching de colores muestran las cantidades de cada
uno de los tres primarios que necesita el observador promedio para
hacer match de un color de luminancia constante, para todos los valores
de longitud de onda dominante en el espectro visible.
Descripción del Color
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Los colores se describen a menudo comparándolos con muestras o
luces de un color estándar para encontrar así la coincidencia más
cercana.
= ?
Descripción del Color
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Descripción del Color
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Descripción del Color
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Experimento de matching de color:
Luz monocromática de test y luces
monocromáticas primarias.
Primarios RGB (escaladas de
modo tal que Rλ=Gλ=Bλ matches el
blanco espectral).
“Intensidad negativa”: el color se
suma al color test
Observador humano estándar: CIE
(Commision Internationale de
L’Eclairage), 1931.
Descripción del Color
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Sistema primario CIE XYZ
La definición de los primarios XYZ se realizó en la especificación de 1931 para
un observador estándar. Es decir que la CIE definió un conjunto de funciones de
matching de colores para el observador estándar con las siguientes
propiedades:
Todas las funciones espectrales de
matching son positivas
Y corresponde a la luminancia
Igual energía del blanco: X=Y=Z
Primarios virtuales
Descripción del Color
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Diagrama de cromaticidad CIE
Los valores de color xyY pueden graficarse en un gráfico muy útil
conocido como el diagrama de cromaticidad CIE.
Descripción del Color
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Diagrama de Cromaticidad CIE
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El diagrama muestra la curva (que delimita un espacio en forma de
herradura de caballo) de todos los colores espectrales puros
etiquetados de acuerdo a su longitud de onda.
Dentro del espacio delimitado por la curva están todos los otros colores
visibles. Los puntos fuera de esta región no corresponden a luz visible.
Varias regiones se etiquetan con
nombres que se usan comúnmente
para describir los colores que
encontramos acá. Los puntos cerca
de (0.6, 0.3), por ejemplo son
percibidos como rojo.
Diagrama de Cromaticidad CIE
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El diagrama CIE tiene muchos usos. Varios de estos se derivan de la
facilidad con que podemos interpretar las líneas rectas sobre el mismo.
Todos los puntos sobre una línea entre
colores a y b son una combinación
convexa de a y b, αa + (1 - α)b para 0 ≤
α ≤ 1.
Cada punto es un color legítimo.
Cuando dos colores se suman y su
suma es blanco, decimos que son
complementarios.
e (azul-verde) y f (naranja-rosa) son
complementarios porque cantidades
adecuadas de cada uno de ellos da
blanco, w.
D
B
C
A
E F
i
j
k
Diagrama de Cromaticidad CIE
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Representar iluminantes estándar
0 0.2 0.4 0.6 0.8 0
0.2
0.4
0.6
0.8
C
B A
D65
20000
10000
8000
7000
6000 5000
4000 3000 2000
E
x
y
A – Luz tungsteno
B – Puesta sol
C – Cielo azul
D65 – Luz del día
promedio
E – Blanco de igual
energía (x=y=z=1/3)
Diagrama de Cromaticidad CIE
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Pequeños cambios en la región G sólo causa pequeños cambios en el color
percibido pero pequeños cambios en las regiones B o Y causa grandes
cambios en el color percibido.
Desafortunadamente, iguales distancias entre puntos en el diagrama no
corresponden a diferencias iguales en el color percibido.
Diagrama de Cromaticidad CIE
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Otro de los usos importantes
del diagrama CIE es la
comparación de gamuts de
dispositivos. Los gamuts de
color son los rangos de colores
que un dispositivo puede
producir.
Diagrama de Cromaticidad CIE
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Diagrama de Cromaticidad CIE
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0 0.2 0.4 0.6 0.8 0
0.2
0.4
0.6
0.8
G 1
R 1
B 1 B
2
R 2
G 2
C E
D65
PAL NTSC
x
y
R1G1B1 Primarios PAL
R2G2B2 Primarios NTSC
D65 Blanco de referencia
PAL
C Blanco de referencia
NTSC
Diagrama de Cromaticidad CIE
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Adicionalmente, los gamuts
son volúmenes 3D
Se debe preservar la
apariencia
Esto es a veces
imposible y el mapeo es
un rediseño
Mapeo de Gamuts
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Sistemas de gestión de Color
Mapeo de Gamuts
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Sistemas de gestión de Color
Mapeo de Gamuts
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La especificación CIE de color es precisa y estándar pero no es
necesariamente la más natural.
En Computación Gráfica es más natural pensar en combinaciones de rojo,
verde y azul para formar todos los colores deseados.
Otros usan cromaticidad, saturación y brillo o vividez.
Los artistas se refieren frecuentemente a tintes, sombras y tonos.
Estos son 3 ejemplos de modelos de color, distintas elecciones de descriptores
usados para formar colores.
Si se pueden cuantificar los 3 descriptores, se puede describir un color por
medio de una 3-upla de valores, tal como (tinte, sombra, tono)=(.125, 1.68,
.045).
Las diferentes opciones dan lugar a definir diferentes espacios de color; así
también surge la necesidad de convertir descripciones de color de un espacio
al otro.
Sistemas de color
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Sistema RGB
Computer Graphics, Principles and Practice
Foley, van Dam, Feiner and Hughes
El modelo de color RGB describe colores como combinaciones positivas de los
primarios rojo, verde y azul. Si los escalares r, g, y b se confinan a valores
entre 0 y 1, todos los colores están dentro del cubo.
Sistemas de color
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Colores Aditivos
Primarios
• Rojo
• Verde
• Azul
Combinan luces roja,
verde y azul
Sistemas de color
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Sistema CMY
Un sistema de color sustractivo expresa un color, por medio de una
3-upla, en la que cada uno de los tres valores especifica cuánto de
un cierto color debe removerse del blanco para producir el color
deseado (el complemento del primario correspondiente).
El sistema de color sustractivo más conocido es el CMY cuyos
primarios son cyan, magenta y amarillo
Sistemas de color
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Colores Sustractivos
Filtran la luz blanca para
modular rojo, verde y azul Primarios
• Cyan
• Magenta
• Amarillo
Sistemas de color
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Colores Sustractivos
Filtros Ideales
– Líneas sólidas
– Filtros Bloque
Filtros Reales
– Impurezas
Resultados
– No Linealidad
– Colores más oscuros
Sistemas de color
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Crominancia
Saturación
Brillo
Es más natural especificar ...
Sistemas de color
Modelo HLS
Hue. Lo que la gente piensa que es el color
Luminancia. Claro/oscuro, el rango es del negro <--> blanco
Saturación. Intensidad, el rango es del hue <-->gris
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blanco
negro
valor
Hue
Saturación
Colores nombrados
Sistemas de color
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Sistema Munsell
Representan el color de manera perceptualmente uniforme.
Sistema CIELuv
Sistemas de color
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Derivado de los dispositivos
conveniente para describir a nivel de dispositivo de display
RGB, CMYK
Intuitivo
basado en descripción familiar del color
HSV, HSB, HLS
Perceptualmente uniforme
independiente del dispositivo, perceptualmente uniforme
CIELUV, CIELAB, Munsell
Sistemas de color
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ACM SIGGRAPH Proceedings
Agoston, M. Computer graphics & geometric modeling / Mathematics, Springer-Verlag London Ltd.,
2005.
Angel, E., Shreiner, D. Interactive Computer Graphics: A top-down approach with shader-based
OpenGL, Addison Wesley, 6th. Ed., 2011.
Foley, J., van Dam, A., Feiner, S. y Hughes, J., Computer Graphics. Principles and Practice, Addison
Wesley, 1992, 2nd Edition.
Hearn, D., Baker, M.P., Computer Graphics, C Version, Prentice Hall Inc., 2003, 3rd Edition.
Hill, F. Jr, Kelley, S., Computer Graphics Using OpenGL, Prentice Hall, 3rd Ed., 2006.
Watt, A., 3D Computer Graphics, Addison-Wesley Publishing Company, 1999.
Watt, A., Watt, M., Advanced Animation and Rendering Techniques: Theory and Practice, Addison-
Wesley Publishing Company, 1993.
Bibliografía
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