Tartalomjegyzék. Pixelgrafika. Felbontás (Resolution) Pixelgrafika október. 1. A valóság folytonos a kép diszkrét

Átírás

1 BME Építészmérnöki kar Építészeti Ábrázolás Tanszék Tartalomjegyzék Számítógépek alkalmazása előadás, szeptember 29. Előadó: Batta Imre Pixelgrafika 1. Pixelképek tulajdonságai 1.1 Felbontás 1.2 Színmélység 1.3 Gamma 2. Színrendszerek 2.1 Fény 2.2 Látás fiziológiája 2.3 CIEXYZ CIELab 2.5 RGB 2.6 HSV, HSL BME Építészmérnöki Kar, Építészeti Ábrázolás Tanszék munkaközössége, Peredy József, Szoboszlai Mihály, Kiss Zsolt, Strommer László, Ledneczki Pál, Batta Imre, Juhász Péter, Fejér Tamás, Kovács András, Kovács András Zsolt Pixelgrafika Felbontás (Resolution) A valóság folytonos a kép diszkrét Grafikus alkalmazások: - Mintán alapuló alkalmazások, pl. Photoshop, CorellPaint, Painter. A képet diszkrét adatok alkotják, amelyeknek meghatározása mintavétellel történik. Mintavételezés eszközei: szkenner, digitális fényképezőgép, videokamera, pixelgrafikus szerkesztő program, 3D-s modell renderelése. - Geometrián alapuló alkalmazások, pl. AutoCad, ArchiCad, CorellDraw. A képet geometriai adatok alkotják, amelyeknek a meghatározása matematikai kifejezésekkel, elsősorban vektorokkal történik október. 1

2 Felbontás (Resolution) Alias jelenség Minta = pixel (picture element képelem) Mértékegységek: válozó képméretnél - sample/inch (minta/hüvelyk) - dot/inch (pont/inch) - line/inch (vonal/inch) állandó képméretnél - pixel/pixel képernyő memóriához igazodó szabványos mértékek: 320/200, 640/480, 1024/768, 1280/960, 1600/1200 A felbontás (mintavételi gyakoriság) szükséges mértéke a látvány részletességétől függ. Alias jelenség: Analóg jel mintavételezése akkor megfelelő, ha a mintavételi frekvencia legalább kétszerese a jelben előforduló legmagasabb frekvenciának. Ha a mintavételi frekvencia alacsonyabb, a rekonstruált jelben a magas frekvenciák álruhában (alias latinul álruha, álarc) alacsony frekvencián jelennek meg. Nyquist küszöb=fmax/2 5 6 Alias jelenség Színmélység (Color Mode, Color Depth) A pixelkép diszkrét RGB adatai analóg jellé (függvénnyé) transzformálható. Erre alkalmas módszer a Fourier elemzés, amely a képfüggvényt növekvő frekvenciájú színusz és koszinusz függvényekkel határozza meg. Vektoros 3D-s modell renderelésénél, file tömörítésnél mintavételezés (sampling), pixelkép nagyításánál, kicsinyitésénél, torzításánál újramintavételezés (resampling) történik, ezért elégtelen mintavételezési felbontás (frekvencia) esetén az alias jelenség felléphet. Pixelkép az alias típusú hibái a moaré hatás, fogazottság, hibás pixelek. 3D-s padlóminta renderelt képe, képjavítás nélkül és antialias képjavítással. A felső képek az alsó képek nagyításai. Színmélység a színmeghatározás (kvantálás) pontossága. A kvantálás is mintavételi eljárás. Mértéke a memóriához igazodik: bit = 1+1 szín (pl. Fekete-fehér) bit (1 byte) = 256 szín- vagy világosság fokozat x 8 bit (3 byte) = 3 szín- x 256 fokozat = 16 millió szín. + 8 bit alfa csatorna = 256 átlátszósági fokozat x 12 bit = 3 x 4096 fokozat. Kép dinamika (8. dia) szélesítésére a szkennernél, video kameránál van szükség. Az elkészült pixelkép színmélysége 24-bites lesz. Vektoros betű körvonala, pixelképe, anti-alias eljárással javított pixelképe október. 2

3 Dinamika (Dynamic Range) Kontraszt (Contrast) A fényerőt a szem világosságként érzékeli. A nagyobb fénysürűségű fényforrást (felületet) a szemünk világosabbnak látja. A szem log cd/m 2 nagyságrendű fényerőváltozást képes érzékelni. Eszközei: a pupilla, két fotóreceptor típus, a pálca és a csap, amelyeknek az érzékenysége az éjszakai és nappali megvilágításra hangolódott. Adaptáció: A szem egyidejüleg nem képes érzékelni a teljes fényerő skálát, hanem a megváltozott fényviszonyokhoz rövidebb vagy hosszabb idő alatt alkalmazkodik. Az átállási idő sötét megvilágításra elérheti a 30 percet is. 9 Az adaptációs mechanizmusnak köszönhetően világosság relatív érzet, a szem csak az egymás melletti (vagy az egymás után megjelenő) felületek fénysűrűség eltérését érzékeli. Az eltérés mértéke a kontraszt. L 1 és L 2 abszolút fénysűrüségű felület között érzett világosság különbség: K=(L 1 -L 2 )/(L 1 + L 2 ) A még érzékelhető L fénysűrűségkülönbség (kontraszt-küszöb) fényszegény környezetben magasabb mint világos környezetben. Sötétben kevésbbé látjuk a részleteket és a tónuskülönbségeket. Koffka gyűrük. A kontraszt érzékenység egy képen belül is változhat, mert a látás részletről-részletre haladva rakja össze a látványt. A bal felső képen a gyűrű egyszínű. A jobb felső kép már két önálló részletből áll, ezért a gyűrű két része különböző világosságúnak látszik. Az alsó képen az eltolás a két részletet teljesen elkülöníti egymástól, ezért a relaív világosság különbség még erőteljesebb. 10 Kurt Koffka ( ) német pszichológus. Gamma korrekció (Gamma Correction) Gamma korrekció Adott adaptációs szinten a szem a sötét részletekben kevesebb, a világos részletekben több lépcsőt különböztet meg. A képfelvevő és megjelenítő eszközok világosság lépcsői viszont lineárisan növekednek. A tényleges (fizikai) és az érzékelt (pszichológiai) világosság lépcsők közötti eltérés kiegyenlítésére szolgál a gamma korrekció. Az alacsony fotonszám következményei. A négy rajz egyre növekvő megvilágítással 400 retina fotóreceptort Ferenczy Károly ( ) Kavicsdobáló fiuk. illusztrál. Ahhoz, hogy a körrel jelzett terület világosság Forrás különbsége érzékelhető legyen, logaritmikusan növekvő fontonszám szükséges. Pirenne (1967) alapján október. 3

4 Gamma korrekció Kontraszt vagy gamma? 255 Intenzitás (I) 0 Feszültség (V) I=V y Feszültség (V) Gamma korrekció előtt és után. A folytonos vonal a fizikai mennyiséget (pl. a CRT képernyő vezérlő feszültségét), a szaggatott vonal a világosság érzetet jelöli. A Gamma korrekció szükséges mértéke függ a megjelenítő eszközök szokásos háttér megvilágításától. Pl. diafilm, tv (γ) = , számítógépes CRT képernyő (γ) = 2.2. Intenzitás (I) I=P 1 y 13 A Gamma utólag módosítható a képernyő szabályozókkal, a videó memóriában (LUT) vagy grafikus szerkesztő programmal: Kontraszt (Contrast) szabályozás hatása: a) képernyőn, b) pixelgrafikus alkalmazásban lineárisan, c) görbével. Fényerő (Brightness) szabályozás hatása: d) képernyőn, e) pixelgrafikus alkalmazásban lineárisan, c) görbével. Ha a módosítás lineáris (Contrast, Brightness), a világos illetve sötét színek feltorlódnak, a kép kiég illetve elfeketedik. A videó memória a színek képernyő értékeinek nyilvántartására szolgál. Technikai elnevezése kereső tábla Look Up Table (LUT). A LUT módosítható a grafikus szerkesztő monitor beállításával, ekkor a beállítás a grafikus szerkesztő ablakaiban érvényesül. És módosítható a grafikus kártya beállításaival, ekkor a beállítás valamennyi ablakban érvényesül. 14 Fehér pont (White point) Képdinamika kihasználása a) b) c) A fehér pont beállítással a digitális kamera dinamikája (kontraszt és lépcsőszám) a látványban kiválasztott legvilágosabb színhez igazítható. (A legvilágosabbnak választott színt kör jelöli.) Szinyei-Merse Pál ( ) Rózsi, a művész lánya. Forrás 15 d) e) f) A rendelkezésre álló képdinamika kihasználása: a) Teljes dinamika (illusztráció); b) Széles dinamika, sok fokozat; c) Széles dinamika, kevés fokozat; d) Szűk dinamika, sok fokozat; e) Szük dinamika, kevés fokozat; f) Szük dinamika, kevés fokozat október. 4

5 Képdinamika kihasználása A látható EMS hullámhossza nm Georges de LaTour ( ) Krisztus az ácsműhelyben. Forrás A fény elektromágneses sugárzás, amelyet a nm-es tartományban a szemünkkel képesek vagyunk érzékelni. Kék-zöld-vörös színek: rövid-közép-hosszú hullámok. 17 Rusell D. Fernald: tengervízben az elnyelődés 6 nagyságrenddel kevesebb mint a szomszédos hullámhosszokon. 18 Spektrális energiaeloszlás Fotóreceptorok A napfény spektrális energiaeloszlási görbéje. A fotoreceptorok az emberi retinán: pálca + 3 csap. Pálca: érzékenysége nagy, alacsony megvilágítási szintnél (éjszaka) működik, 2-3 lépcsős akromatikus (egyszínű) látást eredményez. Csapok: nappali világításnál működnek. A csapok hullámhossz érzékenysége különböző. A színeslátás alapja, hogy a három csap az adott hullámhosszra (színre) különbözőképpen válaszol. Receptor molekula: opszin és a fény hatására leváló kromófor. Kromofór A napfény és a természetes tárgyakról visszatükröződő fény hullámhossz összetétele és a hullámhossz alkotóelemek energiaszintje vegyes. Az összetételt a spektrális energiaeloszlás jellemzi. Különböző eloszlások azonos színingert eredményezhetnek (metamerizmus). A metamer színek színérzete azonos, spektrális energiaeloszlásuk azonban különböző. 19 Receptorsejt részlete a külső és a belső szegmens találkozásánál. A receptor molekulák a plazma korongokon átfűződve helyezkednek el október. 5

6 Fotóreceptor Fotóreceptorok Minden receptor sejt típusban különböző maximum helyre hangolódott fényérzékelő molekula (opszin + kromofór) található. A négy fotóreceptor sejt hullámhossz érzékenysége átlapolva átfogja át a spektrumot. Egy receptoros rendszer akromatikus látásra képes. Két fényhatás hullámhossza lehet különböző, de az egy hullámhossz maximumra hangolt receptorok azonban csak a fényerőkülönbséget érzékelik. Két receptoros rendszer már képes a színeket és a fényerőkülönbségeket is megkülönböztetni. Az agy a két receptor által adott jel különbségét veti össze. A pélca (szaggatott vonal) és a három csap (kék, zöld és vörös folytonos vonal) hullámhosz érzékenységi görbéi Fotóreceptorok Három csap három csatorna Szin megkülönböztető képesség (baloldali oszlop) alakulása a hipotetikus fotóreceptorok érzékenységi görbék (jobboldali oszlop) függvényében. A-B ábra: normális színlátás. C-D ábra: ha a kiosztás egyenletes lenne, a színmegkülönböztető képesség nem javulna, viszont a kromatikus aberráció miatt a látásélesség csökkenne. E-F ábra: ha a zöld és vörös érzékenységi görbe közel kerülne egymáshoz, színtévesztés alakulna ki. G-H ábra: ha a vörös receptor hiányzna, a kék görbe ellaposodásával a színérzékelés megszűnne. Evolúciós fejlődés a látásélesség (felbontás) növelése érdekében: Emlősöknél: kék-zöld szín- és zöld-zöld világosság csatorna. Főemlősőknél: kék-zöld szín-, zöld-zöld világosság és zöldvörös színcsatorna. (Z+V):(Z+V) Forrás Nathans: The Evolution and Physiology of Human Color Vision, Neuron A fénysugár törésszöge hullámhosszonként különböző, ezért a szem optikai képalkotásában életlenséget, kromatikus aberrációt okoz. Az életlenség nm között 2.2 dioptria. Ezért a rövid hullámhosszú (kék) receptorok száma az emberi retinán csak 10 %. 23 K:Z Z:Z Z:V Az ábrán kör és gyűrű jelöli, hogy az érzékelő egység a retinán nem egy, hanem több receptorból áll, amelyek koncentrikus helyzetű központra és gyűrűre tagolódnak október. 6

7 Szín, telítettség, világosság Hue, Saturation, Value (Luminance) Színkeverés A színérzet a spektrális energiaeloszlástól függően a következő: Szín vagy színárnyalat (Hue) a domináns hullámhosszaktól függ. Pl. domináns λ440 = kék. Telítettség (Saturation) a domináns és nem domináns hullámhosszak viszonylagos energiájától függ. A telítettség fizikai megfelelője kibocsátási tisztaság. Világosság (Value, Luminance) valamennyi hullámhossz energiájától függ. A világosság fizikai megfelelője fénysűrűség, mértékegysége cd/m 2. A domináns hullámhossz, kibocsátási tisztaság és a világosság szemléltetése leegyszerűsített spektrális energiaeloszlási görbékkel. A szaggatott vonal példaként egy fehér szín spektrális energiaeloszlását mutatja. 25 Szinkeverés: Összeadó (additív) módon keverednek az anyagból sugárzó fények: RGB (Red-Green-Blue) Vörös Zöld Kék Kivonó (szubtraktív) módón keverednek az anyagról visszaverődő fények: CMY (Cyan-Magenta-Yellow) Cíán Bíbor Sárga + Fehér + Fekete Ha az anyagot fehér fénnyel világítjuk meg, a visszaverődő fényben az elnyelt (domináns) szín komplementer párja lesz a domináns. A vörös, zöld és a kék komplementer párja a cíán, a bíbor és a sárga. Az RGB színkeverést a színre bontó eszközök (video kamerák, szkennerek), továbbá a CRT és LCD monitorok használják, a CMY illetve CMYK színkeverést pedig a festékipar, nyomtatók stb. Kivonó színkeverésnél a fehérre azért van szükség, mert a három alapszin keveréke nem eredményez világosabb színt. Kivonó színkeverésnél a feketére azért van szükség, mert a három alapszín keveréke a gyakorlatban nem feketét, hanem sötétbarnát eredményez. A fekete szín elnevezése K mint Key (kulcsszín): CMYK. 26 Színrendszerek CIEXYZ (1931) CIE = COMMISSION INTERNATIONALE DE L'ECLAIRAGE (Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság) A metamer színek színérzete azonos, spektrális energiaeloszlásuk azonban különböző. A színek többsége három egymástól független (egymással nem kikeverhető) monokróm szín keverékével elállítható, és a három szín arány alapján katalogizálható. A mintaszín és a keverékszín összevetésén alapuló színmérést színösszehasonlításnak (Color Matching) nevezik. Szinrendszerek: Eszközfüggetlen: CIEXYZ CIELab Eszközfüggő: RGB CMY, CMYK HSV, HLS LUV, YIQ (videó) Newton féle színkör. Két szín keveréke mindíg kevésbbé telített színt eredményez, és a hozzáadott harmadik alapszín a fehértartalmat növeli. A színháromszög területén kívül eső telített szín tehát csak két méréssel katalogizálható. Az első mérés a mintaszínt összehasonlítja a három alapszín keverékével. A második lépésben a mintaszínhez a harmadik alapszínből annyit tesz hozzá, annyival tompítja, hogy az megfeleljen a színmeghatározó keverékhez. Ez utóbbi hozzáadott alapszín értéke tehát negatív lesz. A negatív színkoordináták elkerülése érdekében a CIE 1931-ben megalkotta a CIEXYZ színrendszert.. 27 A CIEXYZ színrendszerben X, Y és Z elnevezésű nemlétező színek helyettesítik a vörös, zöld és kék alapszíneket, és a hozzájuk tartozó x(λ), y(λ) és z(λ) színillesztő segédfüggvények határozzák meg a színek helyét a koordinátarendszerben. CIE 1931-es színösszehasonlító súlyfüggvényei. Gamut (színterjedelem). A képalkotó és megjelenítő rendszerek színterjedelme különböző. A képalkotó lánc (szkenner monitor printer) színeinek összehangolására a pixelgrafikus szerkesztőkben a Color Management eljárás szolgál október. 7

8 CIELab színrendszer RGB színrendszer CIELab színrendszer: felső kép a színek gömb alakú elvi elrendezés. Jobbra a teljes színtest, és azon belül a CRT monitor színterjedelme (gamut). CIELab szinrendszer a három csatornás látáselméleten alapul. - L (Luminancia) tengely határozza meg a világosság fokozatokat a feketétől a fehérig. - a tengely határozza meg a zöld és vörös színeket. A L tengely közelében a színek telítettsége alacsony, világosság értékük az L tengely szerint változó. - b tengely határozza meg a kék és sárga színeket. A L tengely közelében a színek telítettsége alacsony, világosság értéke az L tengely szerint változó. 29 CRT monitor közelről RGB színrendszer: a három alapszínből kevert színek meghatározása térben a három tengelyes Descartes féle koordinátarendszerrel történik. A három tengely a vörös, zöld és a kék. Mivel a színmélység változhat, a koordináták nyilvántartása 0 és 1 közötti értékkel történik: 0,0,0 = fekete, 1,1,1= fehér. 30 HSV / HLS színrendszerek HSV / HLS színrendszerek HSV rendszer (Hue, Saturation, Value) HLS rendszer (Hue, Lightness, Saturation) A színek heterokromatikus világossága különböző, pl. a kék sötétebb, a sárga világosabb. (A látórendszerben a világosság érzékelés kettős rendszerű. Nemcsak a (Z+V):(Z+V) világosság csatorna, hanem a K:Z és Z:V színcsatornák is keltenek világosság érzetet.) RGB Világosság konverzió. Színinterpoláció a zöld és vörös között a HSV rendszerben. Színinterpoláció a zöld és vörös között az RGB rendszerben. 31 A pixelgrafikus szerkesztők az RGB, HSV, HLS vagy HSB színrendszerek kezeléséhez különböző beosztást alkalmaznak. Pl , 0-1, 0-255, 1-256, 1-240, stb RGB Világosság átszámítás tapasztalati képletét 1953-ben állapították meg, hogy a színes TV adás fekete-fehér készüléken is látható legyen. A szürke értékek meghatározásánál ezt a képletet használja minden 0.0 grafikus program. 0,0,0 1,1,1 RGB színek Y=0,299R+0.587G+0.114B Világosság RGB Zöld Vörös Kék október. 8