BME Építészmérnöki kar Építészeti Ábrázolás Tanszék Számítógépek alkalmazása előadás, szeptember 20.

Átírás

1 BME Építészmérnöki kar Építészeti Ábrázolás Tanszék Számítógépek alkalmazása előadás, szeptember 20. Pixelgrafika-I. 1

2 Tartalomjegyzék Első rész (szín) 1. Fény fizikai tulajdonságai 1.1 Elektromágneses sugárzás 1.2 Spektrális energiaeloszlás 1.3 Kromatikus aberráció 2. Látás 2.1 Szem optikai felépítése 2.2 Retina 2.3 Receptorok 2.4 Színlátás fiziológiája 2.5 Szín, telítettség, világosság 2.6 Összeadó-kivonó színkeverés 2.7 CMY CMYK színkeverés 3. Színrendszerek 3.1 Színösszehasonlítás 3.2 CIE XYZ színingertér (1931) 3.3 CIE LAB színingertér (1976) 3.4 RGB színmodel 3.5 HSV, HSL színmodellek 3.5 RGB HSV konverzió Második rész (forma) 5. Pixelképek tulajdonságai 1.1 Felbontás 1.2 Színmélység 1.3 Dinamika 1.3 Kontraszt 1.3 Gamma 6. Mintavétel 3.1 Fourier transzformáció 3.2 Anti-Aliasing 3.3 Jpg formátum 7. Fájlformátumok 3.1 Felépítés 3.2 Tömörítő algoritmusok 3.3 Raw, Targa, Bmp, Tiff, Jpg, Png. 2

3 Pixel = picture element (képelem) 3

4 Képalkotás A valóság folytonos a kép diszkrét * 1.6 x m Planck féle hosszúság felett! 4

5 Grafikus alkalmazások - Mintán alapuló alkalmazások: pl. Photoshop, CorellPaint, Painter A képet diszkrét adatok alkotják, amelyeknek meghatározása mintavétellel történik. Mintavételi eszközök: szkenner, digitális fényképezőgép, videokamera, grafikus program, renderelés. - Geometrián alapuló alkalmazások, pl. AutoCad, ArchiCad, CorellDraw. A képet geometriai adatok alkotják, amelyeknek a meghatározása matematikai kifejezésekkel, elsősorban vektorokkal történik. 5

6 EMS látható hullámhossz tartománya nm λ hullámhossz (m) Gamma Röntgen Mikró Radar Rádió Ultraibolya Fény Infravörös 0.38x10-6 rövid közép hosszú 0.78x10-6 A fény elektromágneses sugárzás, amelyet a nm-es hullámhosszúságú tartományban a szemünkkel képesek vagyunk érzékelni. 6

7 Spektrális energiaeloszlás A napfény spektrális energiaeloszlási görbéje. A napfény és a természetes tárgyakról visszatükröződő fény hullámhossz összetétele és azok energiaszintje vegyes. A színek (színingerek) különböző hullámhossz összetételű és energiájú fény alapján keletkezik. Metamer színek: Különböző eloszlások azonos színingert eredményezhetnek. A metamer színek színérzete azonos, spektrális energiaeloszlásuk azonban különböző. 7

8 nm EMS magyarázata nm Kék 700 nm Vörös Rusell D. Fernald: tengervízben a fény elnyelődése 6 nagyságrenddel kevesebb mint a szomszédos hullámhosszokon. Kromatikus aberráció: két különböző sűrűségű közeg határán a különböző hullámhosszúságú fény törése különböző. Az emberi szemben a rövid (kék) és a hosszú (vörös) hullámhosszúságú fény eltérése 2 dioptria. A lencse optikai tengelyében nincs kromatikus aberráció. 8

9 nm EMS magyarázata 2. A fejlábúak családjába tartozó Nautilus-nál lencse még nem alakult ki. A képalkotás a camera obscura elvén működik. 3 mm hosszú Copilia Quadrata tengeri állatka egyetlen receporral és 0.15 mm átmérőjű lencsével. 9

10 Szem optikai felépítése A retina középpontjában, az optikai tengelytől mintegy 3.4 mm távolságra (11.8 ) az idegpályák enyhe bemélyedést formálva szétválnak. Ez a látógödör (Fovea), az éleslátás központja. Itt a legsűrűbb a receptorok száma, s közvetlenül érintkeznek a csarnokvízen keresztül áthatoló fénnyel. A fovea látásélességét, angolul Acuity az is növeli, hogy a rövid hullámhosszra érzékeny kék receptorok itt hiányoznak. A szem állandó, az érdeklődése tárgyát körbejáró, fürkésző mozgása, a szakkádok egyesítik az éleslátás területét a periférikus látás homályosabb képalkotásával. 10

11 Retina felépítése Ganglion sejtek Bipoláris sejtek R csapok Fényérzékelő sejtek (receptorok): pálca (gyenge fényben, éjszakai működik) 120 millió. csap (nappali fényben működik), három típusa: millió rövid (kék), millió közép (zöld), millió hosszú (vörös) hullámhosszra érzékenyek. K + H csapok Pigmenthám Retina felépítése fordított. A fény felőli oldalon a gyűjtó (ganglion) sejtek találhatók. Osterberg diagram: a csapok és pálcák megoszlása az emberi retinán. A foveában a legsűrűbb a csapok előfordulása, de nincsenek pálcák és rövid hullámhosszú receptorok. A foveát a pálcák gyűrű alakban veszik körül. 11

12 Csapok eloszlása a retinán Rövid hullámhosszakra érzékeny csapok Közép hullámhosszakra érzékeny csapok Hosszú hullámhosszakra érzékeny csapok Makákó majom retinájáról oftalmoszkóppal készített in vitro fénykép hamis színekkel. Részlet foveától nazális 1.4 fokra. Austin Roorda, University of Houston, Texas. 12

13 Receptorok érzékenysége A három csap és a pálca (szaggatott vonal) színérzékenységi görbéi normalizált logaritmikus skálán. A három csap és a pálca (szaggatott vonal) érzékenységi görbéi és színérzékenységi görbéi normalizált lineáris skálán. A pálca és a 3 csap hullámhossz érzékenysége átlapolva átfogja a látható fénytartományt. A közép (zöld) és a hosszú (vörös) receptor érzékenységi maximuma között az eltolódás csak 25 nm. 13

14 Helmholtz és Hering Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz Karl Ewald Konstantin Hering

15 Dikromatikus színérzékelés Minden receptor sejt típusban különböző maximum helyre hangolódott fényérzékelő molekula (opszin + kromofór) található. A három csap (és a pálca) hullámhossz érzékenysége átlapolva átfogja a spektrumot. Egy receptoros rendszer csak akromatikus (szín nélküli) 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. Monokromatikus színérzékelés Háttér Alak Dikromatikus színérzékelés Háttér Alak 15

16 Trikromatikus színérzékelés A nappali fényt érzékelő alapegység ( pixel ) központ-gyűrű alakban szerveződő receptorokból áll. A színérzet a központban és a gyűrű elhelyezkedő receptorok válaszkülönbsége alapján keletkezik, az információt a ganglion (gyűjtő) sejtek nyúlványai, axonok továbbítják az agyba. Emlősök Főemlősök [Academic use only] K:Z K:Z Z:Z (Z+V):(Z+V) Z:V Az emlősöknél két rendszer alakult ki: a rövid és közép hullámhosszakra érzékeny csapok központ gyűrű elrendeződéséből a Kék-Zöld csatorna, és a közép hullámhosszakra érzékeny csapokból a világosságkülönbségeket érzékelő Zöld-Zöld csatorna. A főemlősöknél a közép hullámhosszra érzékeny csapok száma a látásélesség (felbontás) fokozása érdekében megszaporodott, és az új csapok hullámhossz érzékenysége genetikailag módosult. A maximumhely eltolódás 25 nm. Így a meglévő szín- és világosság csatorna mellé új színcsatorna, a közép és hosszú hullámhosszakra érzékeny Zöld-Vörös csatorna keletkezett, amely a vörös tartományban megnövelte a színérzékelést. 16

17 Színérzékenység 2 és 3 csappal Szín megkülönböztető képesség (baloldali oszlop) alakulása hipotetikus fotóreceptorok érzékenységi görbék (jobboldali oszlop) függvényében: A-B ábra: normális színlátás. C-D ábra: ha a kiosztás egyenletes lenne, a szín megkülönböztető képesség jelentősen 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. Forrás Nathans: The Evolution and Physiology of Human Color Vision, Neuron G-H ábra: ha a vörös receptor hiányozna, az ellaposodó kék görbe miatt a vörös színérzékelés megszűnne. A vörös színtartományban hiányzik az összevetés két eltérő érzékenységű receptor között. 17

18 Színlátás (összefoglaló) Monokromatikus színlátás (pálcákkal) éjszaka Emlősök színlátása két csappal Főemlősök színlátása három csappal 18

19 Szín, telítettség, világosság 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 a fénysűrűség, mértékegysége cd/m 2. A domináns hullámhossz, kibocsátási tisztaság és a világosság szemléltetése leegyszerűsített spektrális energia eloszlási görbékkel. A háttérben a szaggatott vonal példaként egy fehér szín spektrális energia eloszlását mutatja. 19

20 Színkeverés 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 alapszín 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. 20

21 CMYK Key Color (fekete) Key Color: fekete szín hozzáadása a növeli a CMY színek telítettségét, a nyomat kontrasztosabb lesz. Black Removal, fekete eltávolítás: a CMY színek értékét a hozzáadott fekete szín értékével csökkenteni kell. Eszerint a hozzáadott fekete K értéke nem lehet több mint a három alapszín közül a legalacsonyabb. Például (százalékban megadva) a CMY 70,60,50 szín fekete tartalma legfeljebb 50 lehet, és mondjuk K = 30 hozzáadott feketével a CMYK 40,30,20,30 színnel lesz azonos. A CMYK színrendszerben a K érték nyilvántartása elkülönül, a legtöbb pixeles adatcsere fájlformátum a fekete tartalmat nem tartja nyilván, - a TIFF kivétel. 21

22 Színrendszerek Eszközfüggetlen rendszerek: CIE XYZ, CIE XY CIE L*a*b* CIE LUV Eszközfüggő rendszerek: RGB HSV, HLS LUV, YIQ 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 szín-összehasonlításnak (Color Matching) 22

23 Színösszehasonlítás (Color Matching) PN PM P2 P1 P3 P M mintaszín, P 1-3 kék, zöld és vörös monokróm fény, P N negatív szín (P 1-3 ) Newton színkör. Két szín keveréke mindig kevésbé 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 ben megalkotta a CIEXYZ színrendszert. 23

24 CIE XYZ színingertér (1931) A CIEXYZ színrendszerben X, Y és Z elnevezésű nem létező 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 háromszögletű koordináta-rendszerben. CIE 1931-es színillesztő függvényei CIE = COMMISSION INTERNATIONALE DE L'ECLAIRAGE (Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság) 24

25 CIE XY (1931) CIE XYZ szín koordináták: x = X / ( X + Y + Z ) y = Y / ( X + Y + Z ) z = Z / ( X + Y + Z ) CIE XY - mivel x + y + z = 1, a Z koordináta elhagyható. Gamut (színterjedelem). A képalkotó és megjelenítő rendszerek színterjedelme különböző. Color Management (színkezelő) eljárás szolgál a képalkotó lánc (szkenner monitor printer) színeinek összehangolására a pixelgrafikus szerkesztőkben. 25

26 CIELUV színingertér (1976) A CIE LUV színingertérben a színek eloszlása egyenletesebb, és a kék színek tartománya nagyobb. 26

27 CIEL*a*b* színingertér (1976) CIELab színrendszer: felső kép a színek gömb alakú elvi elrendezés. Jobbra a teljes színtest, és azon belül a CRT monitor színterjedelme (gamut). CIELab színrendszer az ellentétes színek (Hering) látáselméleten alapul. - L* (Lightness) 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. 27

28 RGB színkoordináta-rendszer Kék (0,0,1) Cián (0,1,1) Bíbor (1,0,1) Fehér (1,1,1) Fekete (0,0,0) Zöld (0,1,0) Vörös (1,0,0) Sárga (1,1,0) Az RGB színkoordináta-rendszert a képalkotó és a megjelenítő eszközök (szkenner, digitális kamera, monitor stb.) használják. 28

29 RGB eszközök Közeli fénykép a K-313-as teremben található monitorról. Távolról nézve a három képpont összeolvad, s azt fehérnek látjuk, ha a kék, zöld és piros képpont egyforma erőséggel világít. A három képpont lehet foszfor (CRT), folyadék (LCD), vagy gáz (Plazma). Balra: LCD monitor részlete, jobbra a CRT és a plazma monitor működési elve. 29

30 HSV / HLS színkoordináta-rendszerek 30

31 RGB HSV konverzió Az RGB HSV konverzió kiszámolja az RGB színek színét, telítettségét és világosságtartalmát Világosság RGB Zöld Vörös ,0,0 1,1,1 RGB színek Kék 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. Ezért a színek un. heterokromatikus világossága különböző, pl. a kék sötétebb, a sárga világosabb. Az RGB HSV konverzió ezt a világosság-különbséget is figyelembe veszi. Az első átszámítási képletet 1953-ben állapították meg, hogy a színes TV adás fekete-fehér készüléken is látható legyen. Világosság (Y) átszámítási képlete a következő: Y=0,299R+0.587G+0.114B 31

32 Színkoordináta-rendszerek skálái A pixelgrafikus szerkesztők az RGB, HSV, HLS vagy HSB színrendszerek kezeléséhez különböző beosztást alkalmaznak. Pl , 0-1, 0-255, 1-256, 1-240, stb. 32

33 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