1 - Images Numériqueset Colorimétrie

Plan

• Introduction• Couleur et perception visuelle• Modélisation de la couleur• Restitution de la couleur• Problèmes de la numérisation• Respect des couleurs en

infographie

Images NumériquesIntroduction

Images et Modèles

Monde(réel ou virtuel)

SynthèseAcquisition

Restitution

Modèle Conceptuel

composants de base

Vision

Interprétation Extraction

Informationsélémentaire

s

Vision humaine ou Informatique

Pixels, Résolution

• Pixel = Picture Element (pas toujours carrés !)

• RésolutionNombre de Pixels par ligne et par

colonne(trame rectangulaire)

• Le nombre de bits / Pixel, détermine le nombre de couleurs utilisables à un instant donné. (8 bits -> 256 couleurs)

Informations associées aux pixels

• couleur • Profondeur (Z-buffer)• mélange (canal alpha)• etc …

Des données quantitatives ou qualitatives

Traitement / Synthèse

• Synthèse : production de pixels (algorithmes, palettes graphiques, …)

• Traitement : manipulation de pixels obtenus par synthèse ou par numérisation d’images (scanners, caméras, …).

• Analyse : Extraction de structures dans les images.

Image et Modèle

Image Modèle

Traitement

Analyse

Synthèse

Quelques images de synthèse ou traitées

3D Scientifique

Simulation en Architecture (image RADIANCE)

Simulation d’intervention (image RADIANCE)

Rendu Volumique

Visualisation Numérique (image VTK)

Visualisation Expérimentale (image ONERA)

Expérimental/Simulation (image ONERA)

Retouche

Avant

Après

Image satellite

Google Maps

Images SPOT

Images SPOT (composition)

Image SPOT (2)

Couleurs et

Perception Visuelle

Lumière (1)

• Lumière = rayonnement électromagnétique

• Visible chez l’humain 380 nm < longueur d’onde < 780 nm 400 500 600 700UltraViolet Violet Bleu Vert Jaune Orange Rouge Infrarouge

435.8 546.1 700

• Certains serpents «voient» l’Infrarouge

• Certains insectes «voient» l’Ultraviolet

Lumière (2)

Lumière (3)

• Couleur : f()

• Lumière monochromatique: 1 seule longueur d’onde

• Lumière blanche : toutes les longueurs d’onde visibles en même quantité.

• Mise en évidence => Prisme

Décomposition

Lumière Blanche

• Couleur : corps noir à 5000°K

• En pratique: différentes «lumières blanches»(soleil : 4800°K, Ciel : 6500°K, . . . c.f.

pellicules photo, étalonnage du blanc des caméras)

• Couleurs complémentaires : combinaison = blanc

Illuminants Standards

Perception

• ŒIL : Physiologie, . . . .

+

• CERVEAU : Psychologie, Culture, . . .

Oeil

• Œil iris : intensité cornée, humeur aqueuse, cristallin : mise au point rétine : récepteurs

Mise au point

• Se fait par déplacements et déformations du cristallin.

• Les indices de réfraction varient en fonction des longueurs d’ondes (voir prisme, arc-en-ciel, ..).

• Si deux couleurs de longueurs d’ondes trop différentes sont juxtaposées, l’oeil ne parviendra pas à faire la mise au point.

=> Éviter par exemple le texte bleu sur fond rouge

Bleu sur rouge

Rétine

• La rétine contient des récepteurs transformant l’énergie lumineuse en impulsions électriques.

• les bâtonnets sont sensibles aux faibles intensités lumineuses, et saturent à partir d’intensités moyennes.

• les cônes sont moins sensibles, mais traitent mieux les intensités élevées.

• L’efficacité lumineuse est optimale à 510 nm (vert) en lumière faible, et à 555nm (jaune vert) en lumière élevée.

Rétine

• Acuité Visuelle moyenne : 1 ’ d ’arc ou ~ 1mm à une distance de 3,5

m

Cônes

• Il existe trois types de cônes, qui ont leur efficacité lumineuse optimale pour des longueurs d’ondes différentes (445, 535 et 570 nm).

• Il permettent la vision des couleurs, (non perçues en lumière faible car seuls les bâtonnets sont activés).

• Ils se situent principalement dans la fovéa (point focal de l’œil)

Sensibilités Spectrales

Répartition des cones

• Environ 120 Millions de bâtonnets et 8 Millions de cônes (cônes concentrés dans la fovéa). Transmission par environ 1 Million de fibres nerveuses.

=> codages favorisent l’intensité par rapport à la couleur ! (4:2:2, PAL, SECAM, NTSC, etc ....)

Nombres de Récepteurs

verts : 64 % rouges: 32 % bleus : 4 %

Daltonisme• Décrit par Dalton, médecin écossais du XVIIIe siècle

(qui voyait mal les couleurs).• Le Daltonien dichromate ne forme les couleurs

qu’avec deux canaux: le plus souvent le vert manque.

• Le Daltonien trichromate dispose des trois canaux, mais l’un d’entre eux est déficient.

• Anomalie Héréditaire, et non maladie (en général).• Transmise par le chromosome sexuel X.• En France : 8% des hommes et 0,45% des femmes.

• => En tenir compte dans les interfaces utilisateurs

Daltonisme

Test de vision des couleurs

Signaux de Couleur

+/-

Cônes Bâtonnets

+

+-

-

Jaune/BleuNoir/Blanc

Rouge/Vert

Bases trichromatiques

• Pratiquement , toute perception de couleur peut être reproduite à partir de 3 couleurs de base.

• Aucune de ces trois couleurs ne doit pouvoir être obtenue à partir des deux autres (base !).

• Il existe plusieurs bases:

XYZ, YUV, RVB, TLS, YIQ .....

Equivalence en Perception

Modélisation de la

Couleur

• Sources Lumineuses

• Objets réfléchissants

Couleur des Objets

Couleur émise

Couleur réfléchie

Brillance surfacique

Absorption

Additive Soustractive

Composition des Couleurs

Décomposition RVB

Modèle RVB

R

V

B

Modèle TLS

Calibrage Trichromatique

Réglage de la convergence

Diagramme CIE (1931)Espace XYZ

Plan X+Y+Z =1

Plan X+Y+Z = 1

Passage de 3 à 2 variables

Diagramme CIE

Propriétés du Diagramme CIE

• Lorsque l ’on mélange deux couleurs, la chromaticité obtenue se trouve sur le segment de droite joignant les chromaticités des deux couleurs initiales.

• La longueur d’onde dominante d ’une couleur est obtenue en prolongeant le segment partant du point blanc et passant par le point représentant la couleur, jusqu’à la bordure du diagramme.

• Pour 3 couleurs de base données, l ’ensemble des couleurs que l ’on peut obtenir est contenu dans le triangle des couleurs qu ’elles forment sur le diagramme.

• Le segment joignant deux couleurs complémentaires passe par le point blanc.

Restitutionde la

Couleur

Ecran et mémoire d’images

Mode RVB (RGB)

11

11

1

1111

111

11 1

11 1

1

1

11

11

1

1

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1

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111

11 1

11

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11

11

111

11

1111 1 11

11

11

11

1

1111

111

11 1

Tables de couleurs

11

11

1

1111

111

11 1

22

22

22

22

222

22

2222 2 22

22

3

33

33

3

3

255 0 00 255 00 0 255

Moniteurs Vidéo

OU

CRT

Moniteurs Vidéo (2)

LCD

Différences entre moniteurs

Les différents types de moniteurs utilisent des luminophores ayant des caractéristiques différents par :• Les longueurs d ’onde émises• Leur réactivité aux excitations

Gamme de couleurs d’un moniteur

Blanc duMoniteur

Moniteurs Divers

Blanc D65

Illuminant C

SMPTE

EBU

NTSC

Diagramme CIE et moniteurs

Transformation RVB <-> XYZ

Correspondance RVB <-> XYZ pour un moniteur donné

X Xr Xv Xb R X R

Y = Yr Yv Yb V Y = M V

Z Zr Zv Zb B Z B

Correspondance entre moniteurs différents (C2 est le tripletRGB produisant sur le moniteur 2 la même couleur que C1 sur le moniteur 1)

C2 = M2-1 M1 C1

Luminance / Chrominance (YIQ)

Luminance: Y = 0,3 R + 0,59 V + 0,11 B

Y 0,299 0,587 0,114 R

I = 0,596 -0,275 -0,321 V

Q 0,212 -0,528 0,311 B

Chrominance: I et Q

NTSC : 4MHz pour Y, 1,5 MHz pour I et 0,6 MHz pour Q

Tramage en imprimerie

Problèmes de la numérisation

Numérisation

• Echantillonnage

• Quantification

Echantillonnage

Critère de Nyquist

Pour reconstituer un signal sans perte d ’information, il faut qu’il ait été échantillonné à une fréquence au moins deux fois plus élevée que la fréquence maximale qui le compose.

Solutions Possibles•On élimine les trop hautes fréquences dans les modèles -> préfiltrage.

•On augmente la fréquence d ’échantillonnage -> suréchantillonnage.

•On évite les trames d ’échantillonnage régulières -> échantillonnage stochastique

+ Combinaison de ces méthodes !

Evolution des matériels

•La taille des écrans a été multipliée par 2 ou 3 en 20 ans.

•Les performances des processeurs doublent environ tous les 18 mois (~210 en 15 ans !)

•Les capacités de stockage évoluent à peu près comme les performances.

Aliasing (aliassage)

Avec antialising Sans antialising

Effets de l’aliasing

Echantillonnage stochastique

Moiré

Cube texturé

Image tramée scannée

Vue en zoom

Tramage des moniteurs

• Les écrans graphiques utilisent eux même des grilles n ’ayant pas nécessairement le même résolution que les images.

=> problèmes de moirages

OU

Quantification

Le problème de la quantification se pose également pour les images en couleurs, quand il faut par exemple :

•Utiliser des cartes graphiques 256 couleurs pour des images en 3x8 bits.

•Produire des images GIF, PNG en couleurs indexées

Respect des couleursen infographie

Respect des couleurs à l’impression

Utilisation de « profils »définis par le constructeur pour chaque imprimante

Nécessité de « recalibrer » périodiquement les données en fonction de l’usure, des encres… par utilisation de capteurs pour contrôler les résultats

Voir par exemple les techniques développées par Apple autour de ColorSync

Respect des couleurs à l’affichage

Problème très important pour conserver les mêmes couleurs tout au long de la chaîne graphique.

Distorsion des couleurs entraînée par le rendu des tubes ou écrans plats

Une correction d’usine basée sur la « gamma correction » est fournie

Possibilité de réétalonnage logiciel ou matériel avec sonde de mesure sur moniteurs haut de gamme.

Principe de la « gamma correction »

• Sans correction

• Avec correction

Démonstrations