Computação Gráfica Imagem: Luz e Cor

Apresentação em tema: "Computação Gráfica Imagem: Luz e Cor"— Transcrição da apresentação:

1 Computação Gráfica Imagem: Luz e Cor

2 Iluminação Sensores em câmeras Entendendo a luz
Como os seres humanos percebem a luz Representando cores no computador: espaços de cores

3 Entendendo a luz

4 Sensores em câmeras 3 sensores CCD - charge coupled device
Sensíveis à vermelho, verde e azul Mede intensidade de cada cor e transforma energia luminosa em voltagem que pode ser posteriormente discretizada por algum conversor analógico-digital

5 Sensores em câmeras Analógico: gera um sinal analógico na saída, codificado, para que a imagem possa ser reconstruída ao ser percebida em algum aparelho (vídeo cassete) ou placa de aquisição - NTSC, PALM, SECAN, PAL Digital: converte imediatamente a energia luminosa percebida por cada sensor (CCD) em vários níveis ou valores digitais (geralmente, 256 para cada cor).

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7 Entendendo a luz Luz como photons (partículas sem massa)
Luz como onda (eletromagnetismo)

8 Comprimento de onda Frequencia

9 Luz Energia da onda: c = velocidade da luz h = constante de Planck
eV = (eletron volts, ergs) = unidades de energia; h = x eV-sec = x erg-sec

10 Aspectos físicos da luz e da cor
Luz é irradiação eletro-magnética Diferentes cores correspondem a diferentes comprimentos de onda Intensidade de cada comprimento de onda é especificada pela amplitude da onda Freqüência f=2/ Comprimento de onda grande = baixa freqüência Comprimento de onda curto = alta freqüência

11 Aspectos físicos da luz e da cor
Não confundir com comprimento de onda e espectro em processamento de imagem Em PI, referem-se aos valores espaciais do sinal Em formação de imagem, referem-se às propriedades físicas da luz Idealmente, toda imagem deve ter um espectro completo em todos os píxels

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14 Intervalos aproximados
Violeta m (mili-micron ou nano-metro) Azul Verde Amarelo Laranja Vermelho

15 - Olhos humanos respondem à luz visível
- Pequena porção do espectro entre infra-vermelho e violeta - Cor é definida pelo espectro de emissão da fonte de luz - Plotagem da amplitude x comprimento de onda: - Som é parecido com isso, nossos ouvidos fazem uma análise do espectro de modo que ouvimos próximo do que ocorre fisicamente. - Percepção de cor é bem diferente, problema que não temos largura de banda para suportar o processamento.

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19 Seu amigo o fóton Percebemos radiação eletro-magnética com  entre 400 e 700 nm É um acidente da natureza: Atmosfera deixa passar muita luz neste range É energia mais alta que infra-vermelho (quente) e nosso corpo não rejeita ela. Mesmas razões que plantas são verdes

20 Seu amigo o fóton Pode mudar range mudando pigmentos visuais: imagens digitais, produzidas em computadores(CG), provavelmente parecem incorretas para os animais Poderia-se fazer CG com ondas rádio, raios gama ou mesmo ondas de som Propriedades de cor dos objetos mudariam Refração depende do comprimento de onda

21 Visão e cérebro são um só
Retina é parte do Sistema Nervoso Central 2 milhões de fibras nervosas saem da retina para o LGN, 10 milhões do LGN para o cérebro Conexão no cérebro é o Cortex Visual Primário ou V1, na parte posterior. Hipótese: V1 é um buffer para processamento posterior

22 Processamento visual Movimento sacádico Retina acumula imagem
LGN abre conexão, imagem acessa V1 Resto do cérebro acessa informação Outro ponto de interesse é gerado (paralelo) Sacádico ocorre novament (80 a 250 ms) (Tudo é automático, controle parcial)

23 Modelos de cor (espaços)
Nosso sistema é em limitado (o que é bom) Evitamos calcular e reproduzir cor no espectro completo (usamos 3 canais de cor) TV seria mais complexa se percebêssemos full. Transmissão com larguras de banda maiores Monitor com técnicas ais complexas Visão computacional em tempo real é quase possível Qualquer de VC requer apenas 3 valores Vários espaços de cor (transformações 3x3)

24 Espaços de cor Combinação linear Espectro RGB
Qualquer radiação (visível ou não) descrita Geralmente desnecessário e impraticável RGB Conveniente para monitores Não muito intuitivo

25 Espaços de cor HSV CIE XYZ
Espaço de cor intuitivo, Hue (que cor é, tom), Saturation (quanto de cor tem), Value (quão brilhante, ou intensidade da cor) - HSI H é cíclico, portanto transformação não linear do RBG CIE XYZ Transformação linear do RGB, cientistas da cor Sistemas com 4 amostras do espectro têm melhor performance, mas 3 é sufciente

26 RGB 1=700 m (Red) 2=546 m (Green) 3=435.8 m (Blue)

27 XYZ

28 Sistemas complementares (CMY)
Ideal para impressoras Subtrai do branco (processo subtrativo) Ciano = verde+azul => elimina vermelho Magenta=azul+vermelho => elimina verde Amarelo=vermelho+verde => elimina azul

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30 Primárias aditivas Trabalhando com luz: primárias aditivas
Componentes RGB são adicionados pela propriedade de superposição do eletro-magnetismo Conceitualmente: começa com preto , adiciona luz RGB

31 Primárias subtrativas
Trabalhando com pigmentos: primárias subtrativas Tipicamente (CMYK): ciano, magenta, amarela, preta Conceitualmente: começa com branco, pigmentos filtram (retiram) a luz Pigmentos retiram as partes do spectro Conversão de monitor para impressora é um problema interessante (interação de modo não linear) Cartucho preto (k) garanti preto com qualidade

32 - Quando a luz bate numa superfície opaca, alguma luz é absorvida,
resto da luz é refletida. - Luz emitida (fonte) e refletida é o que vemos - Modelar reflexão não é simples, varia com o material - micro-estrutura define detalhes da reflexão - suas variações produzem desde a reflexão especular (espelho) até a reflexão difusa (luz se espalha)

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34 Ângulo Sólido Representa o ângulo cônico definido a partir do centro de uma esfera pela razão entre a área da calota esférica A e o quadrado do raio r da esfera.

35 Ângulo sólido

36 Ângulo sõlido Da figura, Numa esfera toda:
Para ângulos sólidos pequenos, área da calota pode ser aproximada pela área de um círculo:

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38 Radiância Intensidade radiante proveniente de uma fonte extensa, em uma dada direção  por unidade de área perpendicular a esta direção

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40 Radiância e Irradiância
Relação entre ambas: Reflectância (razão entre fluxo incidente e refletido)

41 Significado de cor O que é uma imagem?
Irradiância: cada pixel mede a luz incidente num ponto no filme Proporcional à integral da radiância da cena que chega àquele ponto

42 Significado de cor O que é cor?
Refere-se à radiancia ou irradiância medida em 3 comprimentos de onda diferentes Cor da cena: radiância vinda das superfícies (para iluminação) Cor da imagem: irradiância, para renderização Quantidades com diferentes unidades, não devem ser confundidas

43 Iluminação Fontes de luz emitem luz: Espectro eletro-magnético
Posição e direção Superfícies refletem luz Reflectância Geometria (posição, orientação, micro-estrutura) Absorção Transmissão Iluminação é determinada pela interação entre fontes de luzes e superfícies

44 Percepção de iluminação
A luz recebida de um objeto pode ser expressa por I() = ()L() onde () representa a reflectividade ou transmissividade do objeto (albedo) e L() é a distribuição de energia incidente.

45 Luminância de um objeto
A luminância ou intensidade de luz de um objeto espacialmente distribuído, com distribuição de luz I(x, y, ), é definida como: V() é a função de eficiência luminosa relativa do sistema visual. Intervalo de iluminação do sistema visual humano: 1 a 1010

46 Luminância e brilho Luminância de um objeto é independente da luminância dos objetos ao seu redor. Brilho de um objeto também chamado de brilho aparente, é a luminância percebida e depende da luminância ao redor do objeto. Duas regiões com mesma luminância, cujas regiões ao redor de ambas possuem diferentes luminâncias terão diferentes brilhos aparentes.

47 Considerando refração
Refração: inclinação que a luz sofre para diferentes velocidades em diferentes materiais Índice de refração luz viaja à velocidade c/n em um material com índice n c é a velocidade da luz no vácuo (n=1) varia de acordo com o comprimento de onda prismas e arco-iris (luz branca quebrada em várias)

48 Índice de refração

49 Refração

50 Transmissão com refração
A luz inclina pelo princípio físico do tempo mínimo (princípio de Huygens) luz viaja de A a B pelo caminho mais rápido se passar de um material de índice n1 para outro de índice n2, a lei de Snell define o ângulo de refração: Quando entra em materiais mais densos (n maior), a inclinação é mais perpendicular (ar para a água) e vice-versa se os índices são os mesmos, a luz não inclina Quando entra num material menos denso, reflexão total pode ocorrer se

51 Difração Entortar próximo dos cantos

52 Dispersão Refração depende da natureza do meio, ângulo de incidência, comprimento de onda

53 Resultado

54 Doppler Exemplo do trem passando