El Color en Computación Gráfica

Dpto. de Ciencias e Ingeniería de la Computación Universidad Nacional del Sur

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? .

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Conceptos Básicos

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Percepción del Color Estímulo

Percepción

La corteza visual es uno de los centros de alto nivel donde se procesan las sensaciones i espaciales i l y cromáticas Distribución de la potencia espectral de la luz

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La luz entra a la región foveal de la retina y estimula los conos y bastoncitos.

Los impulsos nerviosos viajan desde la retina a lo largo del nervio óptico hasta el cerebro CG 2010

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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

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3

Los elementos básicos a tener en cuenta son

.



El Estímulo



El Sistema Visual Humano

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El estímulo El espectro electromagnético

Ubicación del espectro visible (por los humanos) dentro del espectro electromagnético. .

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El estímulo El espectro electromagnético

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El estímulo Luces espectrales puras Densidad espectral

Verde Violeta

Azul

Naranja

Amarillo

Rojo

Longitud de onda (nm) La densidad espectral es la potencia por longitud de onda o potencia relativa. .

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... 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 contiene cantidades de potencia diferentes para un conjunto de longitudes de onda. A este conjunto de densidades espectrales se lo denomina espectro de la luz.

Negro

Naranja Verde

Púrpura

Rojo Amarillo

.

Blanco

Gris

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Azul

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El estímulo Distintas Fuentes de Luz

Potencia relativa

Longitud de onda (nm) .

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El estímulo 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 p para cada longitud g de onda del siguiente g modo …

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El estímulo Reflectancia Para calcular la respuesta del objeto O a la luz L debemos multiplicar longitud de onda a longitud de onda, las dos curvas. Así calculamos cómo responde el objeto a cada cantidad de estímulo en todo el espectro.

El área gris representa la luz reflejada por el objeto, es decir, la respuesta total a la luz recibida. .

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El estímulo Interacción de la luz con un objeto

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El estímulo La Luz

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El estímulo Metámeros

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El estímulo Metámeros 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 .

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Los elementos básicos a tener en cuenta son

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

El Estímulo



El Sistema Visual Humano

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Sistema Visual Humano Con respecto al Sistema Visual Humano deben considerarse aspectos relevantes de:  La fisiología  Las características perceptuales

Perception Sekuler y Blake Perception,

El sistema visual humano está constituído por el ojo y la porción del cerebro que procesa las señales neuronales provenientes del ojo.

Juntos, el ojo y el cerebro convierten información óptica en la percepción visual de una escena. .

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Sistema Visual Humano

La luz que entra al ojo pasa a través de:    

córnea pupila lente cámara vítrea

y entonces impacta la retina .

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... Sistema Visual Humano ... La luz que impacta en la retina excita los fotorreceptores; éstos convierten la intensidad y el color de la luz en señales ñ l neuronales l 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. .

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Sistema Visual Humano Los Fotorreceptores

Conos

Bastoncitos

7.000.000 Concentrados cerca del centro de la retina  Sensibles a las long. de onda alta, media y baja

.









 115.000.000

Concentrados en la periferia de la retina  Sensibles a la intensidad  La mayoría son sensibles a los 500 nm (~verde)

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Sistema Visual Humano 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 p proceso denominado tricromancia.

E. Bruce Goldstein. Sensation and Perception, Brooks/Cole, 1999.

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Sistema Visual Humano Respuesta a los estímulos

El área gris representa lo que ve el receptor, es decir, la respuesta total a la luz recibida. .

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Sistema Visual Humano Curvas de respuesta retinal

Funciones de respuesta espectral de los 3 tipos de conos en la retina. Imágenes de David Forsyth .

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Sistema Visual Humano 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. .

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Sistema Visual Humano Metamerismo

Si consideramos una persona con dos tipos de receptores R1 y R2, percibirá señales luminosas I1 e I2 como iguales.

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Sistema Visual Humano Deficiencias en la visión del Color Algunas personas no pueden distinguir determinadas luces. Aproximadamente el 10% de los hombres son “ciegos al color” en el sentido que no pueden diferenciar determinados colores. colores

Normal

Protanopia

Deuteranopia

Tritanopia

Capacidades de discriminación de color que se pierden en los observadores con distintas deficiencias de color .

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Sistema Visual Humano Deficiencias en la visión del Color Se han desarrollado tests para determinar si una determinada persona es ciega al color.

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Sistema Visual Humano Deficiencias en la visión del Color

Deuteranopia

Protanopia

Tritanopia

• Simula las deficiencias de la visión color • Web service o plug-in de Photoshop .

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Sistema Visual Humano 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. .

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Sistema Visual Humano El sistema visual humano no mide luz en el ambiente, sino cambios de iluminación. Esta es una propiedad de los sistemas sensores en etapas tempranas. Esto tiene importantes consecuencias en la forma en que percibimos. Estas diferencias de contraste leídas son transmitidas al cerebro y son muchas veces las culpables de las ilusiones de contraste que pueden causar errores en la manera en que leemos los datos de una visualización visualización. Las diferencias también nos muestran que la percepción de la iluminación es no lineal y esto tiene consecuencias en la codificación de información mediante escalas de grises. .

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Sistema Visual Humano Respuesta logarítmica de los fotorreceptores La luz percibida no es una función lineal de la cantidad de luz emitida por una lámpara.

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Sistema Visual Humano Respuesta logarítmica de los fotorreceptores: Escalas de Grises 2 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1

.

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Sistema Visual Humano Inhibición Lateral: Sensitividad al Contraste Los puntos negros que se ven en la intersección de la grilla se deben a que hayy menos inhibición cuando un q campo receptivo está en la posición (a) que en la posición (b).

(a)

(b)

Grilla de Hering .

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Sistema Visual Humano Inhibición Lateral: Bandas de Mach

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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Sistema Visual Humano Inhibición Lateral: Bandas de Mach

www.nbb.cornell.edu/neurobio/land (Trabajos año 96-97) .

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Sistema Visual Humano Inhibición Lateral: Bandas de Mach

www.nbb.cornell.edu/neurobio/land (Trabajos año 96-97) .

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Sistema Visual Humano Efectos de Contraste: Contraste Simultáneo El brillo percibido de una región depende de la intensidad del área circundante

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Sistema Visual Humano Efectos de Contraste: Contraste Simultáneo Es el cambio en apariencia de un área central causado por la presencia de un área vecina.

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.

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Los cuatro rectángulos de la fila superior son del mismo gris. Los cuatro de abajo son de un gris más claro.

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Sistema Visual Humano Efectos de Contraste: Contraste Simultáneo El colorido del target también está afectado por la po a zona o a c circundante. cu da e En ge general, e a , los os colores parecen más vívidos contra colores de menor luminosidad. Esto ocurre particularmente con el gris.

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Sistema Visual Humano Efectos de Contraste: Sensitividad al Contraste 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.

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Sistema Visual Humano Teniendo en cuenta …

El brillo percibido de una región depende de la intensidad del área circundante El ojo acentúa los cambios abruptos en intensidad. .

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La respuesta en frecuencia del ojo cae a medida que las transiciones de intensidad se hacen más y más finas en tamaño.

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Sistema Visual Humano Combinando estos conceptos de respuesta no lineal a la intensidad, interacción de los fotoreceptores y respuesta en frecuencia del ojo, 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 dejan de percibir cuando son demasiado finos. Detalles con alto contraste se resuelven mejor que los de bajo.

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Sistema Visual Humano Fenómenos de Adaptación: Afterimages

En los displays deben evitarse grandes áreas de color brillante; de lo contario pueden aparecer afterimages muy molestas. .

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Sistemas de Color

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Descripción del Color  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?

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Descripción del Color  Los colores se describen a menudo comparándolos con

muestras o luces de un color estándar para encontrar así la coincidencia más cercana.

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Descripción del Color 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.

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Descripción del Color La percepción humana del color es tridimensional; podemos describir un color como la superposición de tres colores primarios mediante la siguiente ecuación:

C  rR + gG + bB

donde C es el color a representar y R, R G, G y B son las fuentes primarias usadas para generar C.

Si los primarios rojo, verde y azul, corresponden a los colores de fósforo de un monitor, este espacio define el gamut del monitor. En general, un gamut es el conjunto de todos los colores que pueden producirse por un dispositivo o sensarse por un sistema receptor. .

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Descripción del Color

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Descripción del Color

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Descripción del Color 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. r

b g

r

.

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Descripción del Color Podemos dibujar la posición de (r ( ), g ( ), b( )) a medida que λ varía a lo largo del espectro visible. Todos los puntos de la curva están en el plano r + g + b = 1. Dado que algunas coordenadas son negativas para ciertos valores de λ, la curva no está totalmente dentro del octante positivo en este espacio.

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CIE: Espacio para el matching de Colores En 1931 se desarrolló un estándar por la International Commission on Illumination (Commission Internationale de l’éclairage, or CIE). El CIE definió tres primarios supersaturados especiales X, Y y Z. Estos no correspondían p a colores reales p pero tenían la p propiedad p de que todos los colores reales podían representarse como combinaciones positivas de estos tres primarios especiales. Están definidos por funciones de matcheo. La luz monocromática de long de onda λ se matchea mediante una CL de estos primarios especiales: mono(λ) = x(λ)X + y(λ)Y + z(λ)Z .

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CIE: Espacio para el matching de Colores Y fue elegido de modo tal que y coincide con la función de eficiencia luminosa. La respuesta del ojo a la luz monocromática de potencia fija a diferentes longitudes de onda. Esto hace que la cantidad del primario i i Y presente t en una luz l sea igual i l a la l intensidad i t id d total t t l de d la l luz.

– x y, y z , son combinaciones lineales de r g , y b . – => RGBi  XYZi via una matriz

.

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CIE: Espacio para el matching de Colores Queremos normalizar la cromaticidad para mantener brillo unitario: z()  1 x()  y()

x() 

x() x()  y()  z()

y() 

y() x()  y()  z()

z() 

z() x()  y()  z()

La figura muestra la curva en el octante positivo del plano xyz.

.

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CIE: Espacio para el matching de Colores La curva de color espectral s(λ) está en el espacio tridimensional pero, como está en el plano x + y + z = 1, es fácil representar su forma en un diagrama bi-dimensional. Sólo son necesarias x e y para especificar un color l (de (d intensidad i t id d unitaria) it i ) porque dadas d d (x, ( y)) podemos d encontrar t trivialmente z. Entonces el diagrama estándar CIE de cromaticidad es:

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Diagrama CIE 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 q p que encontramos acá. Los puntos cerca der (0.6, 0.3), por ejemplo son percibidos como rojo.

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Diagrama CIE 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 ptos 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 pto es un color legítimo. Cuando dos colores se suman y su suma es blanco, decimos que son complementarios. e (azul-verde) (azul verde) y f (naranja-rosa) (naranja rosa) son complementarios porque cantidades adecuadas de cada uno de ellos da blanco, w.

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E

F i

D B

C

j

A k

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Diagrama CIE

.

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Diagrama CIE Entonces, el diagrama de cromaticidad CIE se puede usar para 0.9 520

530

Nombrar Colores

540

510

550 505

560

green

570

yellowgreen

500 y 0.5

yellow

590 orange 600 610 red 650

495 90 490 485 480

0.0 .

white

cyan

i k pink

blue

580

magenta

purple

470 450 0.5

x

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Diagrama CIE Representar iluminantes estándar

A – Luz tungsteno

0.8

B – Puesta sol C – Cielo azul

0.6

D65 – Luz del día

y 0.4

0.2

0

.

promedio

4000 3000 5000 2000 6000 7000 8000 A B 10000 E 20000 C D65

0

0.2

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0.4

x

0.6

E – Blanco de igual

energía (x=y=z=1/3)

0.8 CG 2010

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Diagrama CIE Cromaticidad definida en coordenadas polares

y

520

La mezcla de 2 colores está tá en ell segmento t que los une.

530 540 550

510 505

B

500

A 495

C

490

560 570 580 590 600 610 650

485 480 470 450

.

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x CG 2010

Diagrama CIE Desafortunadamente, iguales distancias entre puntos en el diagrama no corresponden a diferencias iguales en el color percibido.

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. .

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Diagrama CIE: Gamuts Otro de los usos importantes del diagrama CIE es la comparación de gamuts de di dispositivos. iti L Los gamuts t de d color son los rangos de colores que un dispositivo puede producir.

.

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Diagrama CIE: Gamuts

.

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Diagrama CIE: Gamuts

0.8 NTSC PAL

G2 G1

0.6

D65 Blanco de referencia PAL C Blanco de referencia NTSC

y 0.4 D65 C

R1 R2

E

R1G1B1 Primarios PAL R2G2B2 Primarios NTSC

0.2

0

0

B1 B 2

0.2

0.4

0.6

0.8

x .

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Mapeo de Gamuts

¡Cuidado con las diferencias!

.

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Mapeo de Gamuts Adicionalmente, los gamuts son volúmenes 3D

Se debe preservar apariencia

la

Esto es a veces imposible y el mapeo es un rediseño

.

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Mapeo de Gamuts

Sistemas de gestión de Color .

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Sistemas de Color 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. 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. .

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Sistemas de color 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. .

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Sistemas de color Colores Aditivos Primarios

Combinan luces roja, verde y azul

• Rojo • Verde • Azul

.

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Sistemas de color Colores Aditivos

.

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Sistemas de color Ejemplo: Descomposición de la imagen en los canales RGB

Rojo (R) .

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Verde (G)

Azul (B) CG 2010

Sistemas de color 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 .

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Sistemas de color Colores Sustractivos

Filtran la luz blanca para modular rojo, verde y azul

Primarios • Cyan • Magenta • Amarillo

.

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Sistemas de color Colores Sustractivos

Filtran la luz blanca para modular rojo, verde y azul

Primarios • Cyan • Magenta • Amarillo Supongamos que los tres filtros los describimos como (.4, .5, .2)CMY.

.

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Sistemas de color Colores Sustractivos

.

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Sistemas de color Colores Sustractivos Filtros Ideales – Líneas sólidas – Filtros Bloque Filtros Reales – Impurezas Resultados – No Linealidad – Colores más oscuros

.

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Sistemas de color Es más natural especificar ...

Crominancia

Saturación

Brillo

.

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Sistemas de color • Hue distingue entre colores tales como rojo, verde, púrpura y amarillo • Saturación se refiere a cuán puro es el color, es decir, cuánto blanco/gris se le ha mezclado – rojo es altamente saturado; rosa es relativamente no saturado – azul cobalto es altamente saturado; azul cielo es relativamente no saturado – los pasteles son menos vívidos, menos intensos • Lightness abarca la noción acromática de intensidad percibida de un objeto que refleja • Brightness se usa en lugar de lightness para hacer referencia a la intensidad percibida de un objeto auto-luminoso (emisor de luz tal como una lamparita, el sol o un CRT) .

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Sistemas de color  Modelo HLS 





Hue – Lo que la gente piensa que es el color q Luminancia – claro/oscuro, el rango es del negroblanco Saturación - intensidad, el rango es del hue gris

Colores nombrados

blanco valor l  Saturación

negro

.

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Sistemas de color Ejemplo: Descomposición de la imagen en los canales HLS

Crominancia (C) .

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Saturación (S)

Brillo (B) CG 2010

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Sistemas de color Sistema Munsell

Sistema CIELuv

Representan el color de manera perceptualmente uniforme. .

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Sistemas de color 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

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.

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