Väri-informaation koodaus. Mikko Nuutinen

Transkriptio

1 Väri-informaation koodaus Mikko Nuutinen

2 Luento Mitä muistivärit ovat Esimerkki värikartasta Värikoordinaatit (eli väri-informaation koodaus) Värieron laskenta ja tarkennettu värieron mittaus RGB-väriesitys

3 Oppimistavoitteet Mitä muistiväreillä tarkoitetaan Värikarttojen perusidea (Munsell) Värikoordinaatistot: xyy, CIELAB, CIELUV Idea siitä miksi on kehitetty tarkennettuja värieromittoja; (CIEDE2000, S-CIELAB) RGB-väriesitys: srgb, (Adobe RGB) Huom, tentissä ei vaadita kaavojen tarkkaa muistamista; perusidean ymmärtäminen riittää

4 Muistivärit ominaisuuksia Muistivärejä ovat esim kasvillisuuden, taivaan ja ihon värit Määritetään niiden itsensä avulla Suomen lipun sininen taivaan sininen Coca Cola tölkin punainen etc Mitä tutumpi kuvan sisältö on, sitä helpommin väri koetaan vääräksi (esim. virhe ihon värin sävyssä havaitaan helposti) Muistivärit saattavat olla kulttuurisesti sidonnaisia Esim. jään eri olomuodot

5 Muistivärit esimerkkejä Enemmän kulttuurisidonnaisia: Coca Cola, Jaffa, TKK:n päärakennus Vähemmän kulttuurisidonnaisia: iho (?), banaani, appelsiini, kasvit, taivas, ruoho

6 Muistivärit Ihon värin preferoitu toisto (esimerkkitutkimus) Zeng ja Luo* tutki preferoitua ihon värin toistoa sekä sen toleranssia Periaate oli että naamakuvien ihon väriä modifioitiin kohti tiettyjä ennalta määrättyjä keskuspisteitä; koehenkilöiden tehtävä oli valita kahdesta vaihtoehdosta aina miellyttävämpi Testikuvajoukko sisälsi eri etnisen alkuperän edustajia: kaukaasia, aasia, afrikka * H. Zeng, R. Luo, Colour and Tolerance of Preferred Skin Colours on Digital Photographic Images, Color Research and Applications, (2011).

7 Muistivärit Ihon värin preferoitu toisto (esimerkkitutkimus) b* a* Tutkimuksessa kuvien ihon värejä säädettiin kohti yhdeksää ennalta määritettyä ihon värin keskipistettä eli jokaisesta kuvasta saatiin yhdeksän versiota * H. Zeng, R. Luo, Colour and Tolerance of Preferred Skin Colours on Digital Photographic Images, Color Research and Applications, (2011).

8 Muistivärit Ihon värin preferoitu toisto (esimerkkitutkimus) 8 miellyttävämpi 5 2 b* a* * H. Zeng, R. Luo, Colour and Tolerance of Preferred Skin Colours on Digital Photographic Images, Color Research and Applications, (2011).

9 Muistivärit Ihon värin preferoitu toisto (esimerkkitutkimus) Tutkimuksen tekijöiden mukaan esim keskitumman preferoidun ihonvärin hajonta eri kuvien välillä on pienempää kuin vaalean tai tumman preferoidun ihonvärin hajonta Kaikkien ihonvärien hajonta on selkeästi suurempaa kroman suhteen kuin sävyn suhteen Testikuvien keskimääräinen preferoitu toisto Vaalea iho Keskitumma iho Tumma iho sävy b* kroma Ihonvärimallin keskipiste (piste 4 edellisillä kalvoilla) a* * H. Zeng, R. Luo, Colour and Tolerance of Preferred Skin Colours on Digital Photographic Images, Color Research and Applications, (2011).

10 Muistivärit Ihon värin preferoitu toisto: toleranssi kroman muutokselle suurempi kuin sävyn muutokselle Sävyä muutettu (Photoshop-asteikko -25) Sävyä muutettu (Photoshop-asteikko +25) Kromaa laskettu (Photoshop-asteikko -25) Kromaa kasvatettu (Photoshop-asteikko +25)

11 Värikartat Värikartta on dokumentti, johon fyysiset värinäytteet on jaettu tasaisesti havaittavaan järjestykseen Eli on olemassa oikea kirja, jonne painetut näytteet on järjestetty ja jokaisella näytteellä on oma koodi Koodi kertoo näytteen väriarvon dokumentissa Tunnettuja värikarttoja: Munsell color system, Natural color system ja OSA uniform color scales system Käytännön esimerkkejä ovat maalikaupoista löytyvät maalivalmistajien värikartat Seuraavaksi on esitetty Munsell color systemin idea

12 Värikartat Munsell color system Munsell color system julkaistiin 1905 (Albert H. Munsell, A Color Notation ) Munsell color system jakaa väriavaruuden kolmeen dimensioon: arvo (value), sävy (hue), kroma (chroma) Munsell color system oli ensimmäinen järjestelmä joka esitti värin perustuen sen sävyn, arvon ja kroman toisistaan riippumattomiin dimensioihin, jotka sijoitettiin havainnollisesti yhtenevään avaruuteen Järjestelmää käytetään laajasti edelleen Albert H. Munsell Several editions of the Munsell Book of Color. The atlas is arranged into a removable page of removable color swatches of varying value and chroma for each of 40 particular hues.

13 Värikartat Munsell color system Munsell määritti sävyn ominaisuutena, joka erottaa yhden värin toisesta väristä Viisi pääväriä: punainen, keltainen, vihreä, sininen ja purppura Päävärien väliin määritettiin välivärit: punaisen-keltainen, keltaisen-vihreä, vihreänsininen, sinisen-purppura, purppuran-punainen

14 Värikartat Munsell color system Munsell määritti kroman ominaisuutena, joka erottaa puhtaan sävyn harmaasta Esim notaatio 7.5YR 7/10 määrittää puna-keltaisen sävyn, jonka arvo on 7 ja kroma 10 Maksimikroma riippuu arvosta ja sävystä 7.5YR 7/10

15 Värikartat Munsell color system Munsellin systeemissä sinisellä, purppuralla ja punaisella sävyt ovat vahvempia (= suurempi kroma) matalammilla arvoilla (= kirkkauksilla), kun taas vihreällä ja keltaisella sävyt ovat vahvempia korkeammilla arvoilla Tämän seurauksena Munssellin systeemiä havainnollistava väripuu on epäsymmetrisen muotoinen

16 Värikoordinaatistot Termillä värikoordinaatisto tarkoitetaan tällä kurssilla kolmidimensioista koordinaatistoa, jonka avulla voidaan määrittää mille tahansa värihavainnolle jokin numeerinen arvo Vertaa Munsell, jossa annetaan valmiina värinäyte ja numeerinen arvo Esim. kolmikomponenttinen arvo voisi olla jollekin värille L=50, a=15 ja b=70 L=50, a=15 ja b=70

17 Värikoordinaatistot laiteriippumaton / laiteriippuvainen väriavaruus Laiteriippumaton väriavaruus ( unrendered color space ) Laiteriippumattomalla väriavaruudella on yksikäsitteinen yhteys XYZ-värinesityksen eli kyseessä on kolorimetrinen väriesitys Laiteriippumattoman väriavaruuden väriarvoilla ei suoraan ohjata mitään väriä esittävää laitetta; koordinaattiarvot määrittävät tietyn fyysisen värivasteen avaruudessa, jossa voidaan esittää kaikki värihavainnot (vertaa CIELAB, CIELUV) Laiteriippuvainen väriavaruus ( rendered color space ) Yhteydessä tiettyyn laitteeseen (ts. laitteen määrittämä väritoisto) Voidaan ohjata suoraan laitetta: koordinaattiarvot konvertoitu tietyn laitteen väriavaruuteen (vertaa srgb / näyttöjen rajoitettu gamut) x2 Laireriippuva väriavaruus y2 y1 Laiteriippumaton väriavaruus Y X x1 Muunnoksessa X Y on kyse laitteen värinhallinasta, josta enemmän seuraavalla luennolla

18 Kolorimetrisen värinesityksen perusteet Periaatteessa kaikki värikoordinaatistot perustuvat CIE XYZ tristimulus-arvoihin Alun perin XYZ-värinsovitusfunktiot on johdettu CIE RGB värinsovitusfunktioista noudattaen tiettyjä rajoitteita. CIE RGB värinsovitusfunktiot on johdettu kokeellisella tutkimuksella. =X, joka on tappivasteiden kombinaatio Valaisun spektri =Y, joka vastaa näytteen luminanssia Kohteen heijastusspektri Edellisten tulo XYZ värinsovitusfunktiot Edellisten tulo Aallonpituuden yli integroidut arvot XYZ=tristimulusarvot =Z, joka vastaa lyhyen aallonpituusalueen tappivastetta M.D. Fairchild, Color appearance models and complex visual stimuli, Journal of Dentistry, vol 38, e25-e33 (2010).

19 Kolorimetrisen värinesityksen perusteet CIE RGB värinsovitusfunktiot johdettiin kokeellisella tutkimuksella Havaitsijat säätivät kolmen monokromaattisen primäärivärin ( =546, 436 ja 700 nm) intensiteettiä vastaamaan monokromaattisen testivärinäytteen havaintoa (katso kuvaa oikealla) Kaikkia testivärinäytteitä ei saatu toteutettua kolmen primäärivärin avulla, mutta näissä tapauksissa toteutettiin modifikaatio, missä testivärinäytteeseen lisättiin monokromaattista primääriväriä; tämä on esitetty negatiivisena vasteena värinsovitusfunktioissa (vertaa viereinen kuva) Myöhemmin CIE RGB datasta johdettiin laajasti käytetyt CIE XYZ värinsovitusfunktiot; niiden rajoitteeksi asetettiin esimerkiksi: värinsovitusfunktioiden tuli saada vain positiivisia arvoja ja Y komponentin tuli vastata havaittua kirkkautta (CIE standard photopic observer) The CIE 1931 RGB Color matching functions. The color matching functions are the amounts of primaries needed to match the monochromatic test primary at the wavelength shown on the horizontal scale.

20 CIE xy ja CIE xyy väriavaruus XYZ-arvoista saadaan suoraan johdettua laiteriippumattoman xyy-väriavaruuden arvot CIE XYZ väriavaruudessa Y määrittää värin kirkkauden Värin kromaattisuus määrittyy XYZ-arvoista johdettujen xy-arvojen avulla xy-taso esittää kaikki havaittavissa olevat värit HUOM! kahden väripisteen etäisyys xytasolla ei vastaa tarkasti visuaalisesti havaittu värieroa 520nm 510nm 500nm 470nm 530nm 540nm 550nm Hevosenkenkä sisältää kaikki värit, jotka voidaan havaita 560nm 570nm 580nm 590nm 600nm 610nm 670nm x X X Y Z y X Y Y Z 430nm z Y x X Y Z 1 y Planckin käyrä sisältää teoreettisen mustan kappaleen eri lämpötiloja vastaavien värihavaintojen koordinaattiarvot d_the_cie_xyy_color_space

21 MacAdamin ellipsit MacAdamin ellipsit esittää toleransseja väripisteille, joita ei eroteta visuaalisesti toisistaan MacAdamin kokeessa koehenkilölle esitettiin kaksi värinäytettä; toinen oli kiinteä ja toinen piti säätää samaan värihavaintoon kuin toinen. Tulosten perusteella ellipsin koko ja suunta xy-tasolla riippui väripisteen sijainnista. Tämän perusteella xy-tason koordinaattiarvoilla ei voi esittää havaittuja värieroja tai määrittää tarkasti erotetaanko värejä toisistaan

22 MacAdamin ellipsit Vaikka kuvassa esitettyjen värinäyteparien laskennallinen etäisyys xy-tasolla on sama, niin vihreän alueella sijaitsevaa väriparia ei subjektiivisesti mitattujen ellipsien perusteella eroteta toisistaan, mutta syaanin alueen väripari erotetaan

23 Kolorimetrisen värinesityksen perusteet XYZ-arvoja käytetään usein lähtöarvoina visuaalisesti tarkemmille värikoordinaateille Värimittausprosessi: mitataan spektri (spektoradiometri), integroidaan värinsovitusfunktiot spektrin yli (eli lasketaan XYZ-arvot) ja lopuksi lasketaan väriarvot jossakin havainnollisesti yhtenevässä väriavaruudessa Näytteen mitattu spektri XYZ-arvot Väriavaruusmuunnos Esitys esim CIELAB L=76, a=-30, b=-38 Värinsovitusfunktiot

24 CIELAB ja CIELUV CIE standardoi sekä CIE 1976 L*a*b* (CIELAB) että CIE 1976 L*u*v* (CIELUV), kun ilmeni tarve värikoordinaatistolle, jossa voidaan laskea värierot tarkemmin CIELAB-koordinaatistoa pidetään tarkempana erityisesti tulostus-, kuvannus- sekä materiaali-teollisuuden sovelluksissa CIELUV-koordinaatistoa käytetään sitä vastoin perinteisesti näyttöteollisuuden sovelluksissa

25 CIELAB b* L a* Näytteen XYZ-arvot XYZ XnYnZn Näytteen Lab-arvot L* 1163 Y / Y 16 a* 500( 3 X / X 3 b* 200( 3 Y / Y 3 n Y / n Y n Z / n Z n ) ) Ympäristön valonlähteen XYZ-arvot Kun tarkastellaan CIELAB-arvojen laskentakaavoja, havaitaan että a*- komponentti perustuu pitkän ja keskipitkän aallonpituuden vasteeseen ja b*-komponentti perustuu lyhyen ja keskipitkän aallonpituuden vasteeseen olor_matching_functions.svg/200px- CIE_1931_XYZ_Color_Matching_Functions.svg.png

26 CIELAB RGB-koordinaatistoon koodattu kuva esitettynä RGB-näytöllä R G B Luminanssi, L, normalisoidaan välille 0 ja 100 Kromaattiset kanavat a ja b saa tyypillisesti arvoja välillä -128 ja 128 L* tumma kirkas kirkas tumma a* b*

27 CIELAB CIELAB-värikoordinaatistossa kahden väripisteen havaittua värieroa voidaan approksimoida laskemalla niiden euklidinen etäisyys avaruudessa Värieron laskentaa on myöhemmin vielä tarkennettu menetelmillä, jotka korjaavat CIELAB-avaruudessakin esiintyvää epäyhtenäisyyttä (esim. CIEDE2000) E. Rinhard, E.A. Khan, A.O. Akyüz, G.M. Johnsson, Color Imaging Fundamentals and Applications, A K Peters, ltd, 1056 s (2008).

28 LCH väriavaruus CIELAB-koordinaatit voidaan suoraan muuntaa luminanssi, L, kroma,c, ja sävy, h, koordinaatteihin Visuaalisesti havaittujen värierojen toleranssien approksimaatio on usein tarkempi esitettynä Lch-arvoilla kuin Lab-arvoilla johtuen ellipsien suuntautuneisuudesta (ch-dimensiot lähenee ellipsien pääkomponentteja) E. Rinhard, E.A. Khan, A.O. Akyüz, G.M. Johnsson, Color Imaging Fundamentals and Applications, A K Peters, ltd, 1056 s (2008).

29 CIELUV Kuten CIELAB-koordinaattien, niin CIELUV-koordinaattien input on näytteen (X,Y,Z) sekä ympäristön valaistuksen (Xn,Yn,Zn) tristimulusarvot Näyttöteollisuudessa esitetään näyttöjen värintoistoalue (gamut) usein u v - tasolla (myös xy-tasoa käytetään) u*- ja v*-komponentit ottavat huomioon valon värin

30 Kolmikomponenttisen laitteen gamut (/värit joita laite toistaa) voidaan visualisoida kolmella mitatulla väriarvolla u v -tasolla Max G Max R b* Max B a* ab-tasolla kaikkia värejä ei saada rajattua kolmen pisteen sisälle

31 Kolmikomponenttisen laitteen gamut (/värit joita laite toistaa) voidaan visualisoida kolmella mitatulla väriarvolla u v -tasolla Esimerkeissä on mitattu gamut sekä GretagMacBeth-testikentän värinäytteiden toisto kahdelle tabletille. Mitattu arvo on kuvattu ympyröillä ja oikea väriarvo on kuvattu neliöillä. Huomaa miten kaikki mitatut värit sijoittuu mitatun kolmion sisään.

32 Tarkennettu värieron mittaus Alunperin oli tarkoitus että CIELAB ja CIELUV olisivat havainnollisesti yhteneväisiä väriavaruuksia eli tietty euklidininen etäisyys avaruuden missä tahansa osassa vastaisi aina samaa havaittua värieroa Myöhemmin kuitenkin ilmeni että molemmissa on liikaa epäyhteneväisyyttä ja nousi tarve paremmille värieromittausalgoritmeille Kehitettiin CMC (1984), CIE 1994 ja CIEDE2000 -algoritmit Esimerkki miten Munsselin värien sävylinjat kaartuvat CIELAB-avaruudessa. Ideaalisessa väriavaruudessa linjat olisivat suoria M. Fairchild, 1998

33 Tarkennettu värieron mittaus CIEDE2000 CIEDE2000-värieroarvo lasketaan suoraan kahden CIELAB-arvon välille; arvot kuitenkin käsitellään muunnettuna LCH-avaruuteen, jossa väritoleransseja on tarkempaa mallintaa. Lisäksi mallissa on erilaisia paikkasidonnaisia painotuksia, jotka huomioivat sen missä kohtaa tutkitut väriarvot sijaitsevat väriavaruudessa CIELAB1 CIELAB2 CIEDE2000 Havaittu väriero värien CIELAB1 ja CIELAB2 välillä E. Rinhard, E.A. Khan, A.O. Akyüz, G.M. Johnsson, Color Imaging Fundamentals and Applications, A K Peters, ltd, 1056 s (2008).

34 Tarkennettu värieron mittaus CIEDE2000 CIEDE2000 algoritmin kehitys perustui neljään subjektiivisesti mitattuun datasettiin: BFD, Leeds, RIT-DuPont ja Witt Käytännössä kehitettiin malli, joka sovittaa datasettien värikenttien mitatut CIELAB-väriarvot niin, että etäisyydet vastaavat paremmin subjektiivisesti havaittuja etäisyyksiä S. Shen, R. S. Berns, Color-Difference Formula Performance for Several Datasets of Small Color Diffrerences Based on Visual Uncertainty, Color Research and Applications, Vol. 36, Nro, 1, p (2011)

35 Tarkennettu värieron mittaus CIEDE2000 Lasketaan värien 1 ja 2 luminanssi-, kroma- ja sävyeroarvojen etäisyydet, joita painotetaan riippuen värien sijainnista väriavaruudessa. Lisäksi CIEDE2000- yhtälö sisältää rotaatiotarkennuksen. Rotaatiotarkennus (RT) määrittää toleranssiellipsin suuntaa, jossa väriero havaitaan. Tarkennus kohdistettu erityisesti CIELAB-avaruuden saturoituneen sinisen alueelle E. Rinhard, E.A. Khan, A.O. Akyüz, G.M. Johnsson, Color Imaging Fundamentals and Applications, A K Peters, ltd, 1056 s (2008).

36 Tarkennettu värieron mittaus CIEDE2000 Kuvassa on esitetty miten CIEDE2000 yhtälö suoriutuu MacAdamin ellipsien mallintamisesta Kuvan tulkinta: MacAdamin ellipsit perustuvat mitattuun havaintoon, kun taas CIEDE2000-arvot perustuvat laskennalliseen mallintamiseen D. R. Pant, I. Farup, Riemannian Formulation of the CIEDE2000 Color Difference Formula, CIC2010, p

37 Tarkennettu värieron mittaus CIEDE2000 Imagine that you just painted half of the wall and you run out of the paint. You went back to buy another tin of that paint. When you paint the wall, you are asked to judge whether you accept or reject the match between each half of the wall. Alla on esitetty tutkimuksessa käytettyjen näyteparien hyväksymisprosentti CIELAB-avaruudessa (vasen kuva) ja CIEDE2000-algoritmilla (oikea kuva) laskettujen värieroarvojen funktiona Tuloksen tulkinta: Jos käytetään CIEDE2000- arvoja niin voidaan tarkemmin ennustaa tullaanko väriero havaitsemaan tutkimuksen sovellusalueella CIEDE2000-väriero kasvaa, niin hyväksymisprosesntti pienenee M. R. Luo, C. Minchew, P. Kenyon, G. Cui, Verification of CIEDE2000 using industrial data, AIC 2004 s (2004).

38 Kuvien välisen havaitun värieron mittaus S-CIELAB Vertailtavista kuvista suodatetaan ne taajuudet pois joita ei visuaalisesti havaita Tämän jälkeen lasketaan pikselikohtainen väriero

39 Kuvien välisen havaitun värieron mittaus S-CIELAB: käytännön sovellus on mitata erottuuko rasterirakenne Tuloksen tulkinta: Jos käytetään S- CIELAB arvoja niin voidaan tarkemmin ennustaa tullaanko rasterirakenne havaitsemaan tutkimuksen sovellusalueella X. Zhang et al. Color image quality metric S-CIELAB and its application on halftone texture visibility Proc. IEEE COMPCON 1997

40 Yhteenveto tarkennetusta värieron mittauksesta CIEDE2000 laskee kahden värinäytteen visuaaliselle etäisyydelle estimaatin yhtälöllä, joka sisältää painokertoimia, joiden arvo riippuu siitä missä kohtaa värinäytteet sijaitsevat värikoordinaatistossa S-CIELAB huomioi silmän alipäästösuodattavan ominaisuuden; silmä ei erota pieniä yksityiskohtia. S- CIELAB soveltuu kahden kuvan värieron mittaukseen. Se alipäästösuodattaa kuvan ennen pikselikohtaisten värieroarvojen mittausta.

41 RGB-värinesitys RGB-värinesitystä käytetään usein elektronisissa laitteissa, kuten kameroissa ja näytöissä Kameran tarkka väridetektio vaatisi että kameran vaste saadaan sellaiseksi että sen ja värinsovitusfunktioiden välillä on olemassa lineaarinen muunnos värinsovitusfunktiot XYZ CIELAB Kameran vaste RGB M XYZ Se kuinka lähelle ihmisen havaitsemaa väritoistoa päästään, riippuu kameran vasteesta sekä muunnoksesta M (kyseessä kameran mittatarkkuus) CIELAB

42 RGB-värinesitys srgb on de-facto-standardi RGB-esityksen profiilina srgb-värinesityksen asema perustuu CRTnäytön fosforien luontaiseen väritoistoon, joka on lähellä srgb-standardia Käytännössä jos värihallinta ei ole käytössä, niin useimmiten oletuksena on srgb-profiili srgb-esityksen RGB-arvoilla on yhteys XYZarvoihin ja sitä kautta CIELAB-arvoihin! Adobe RGB on esimerkki RGB-esityksestä, jolla on laajempi gamut kuin srgb-esityksellä

43 RGB-värinesitys Jos tarve esim tulosteen vedostukseen voi Adobe RGB sekä laajemman väriavaruuden näyttö olla välttämätön

44 XYZ-arvoista srgb-arvoihin srgb-standardin määrittämän katseluympäristön ominaisuudet eli ympäristö, missä värit havaitaan oikein jos ne on koodattu srgb-standardin mukaisesti Missä C on värikanava ja a=0.055 Parametri Näytön luminanssi 80 cd/m 2 Näytön valkopiste Näytön taustan heijastus Ympäristön valaistusvoimakkuus Ympäristön valaistuksen valkopiste Tyypillisen (vaihtoehtoisen) ympäristön valaistusvoimakkuus Tyypillisen (vaihtoehtoisen) ympäristön valkopiste Arvo x = , y = (D65) 20% (~medium gray) 64 lux x = , y = (D50) 200 lux x = , y = (D50)