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I MAGIS is a joint project of CNRS - INPG - INRIA - UJF iMAGIS-GRAVIR / IMAG Modèles de couleur Nicolas Holzschuch iMAGIS-GRAVIR/IMAG.

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1 i MAGIS is a joint project of CNRS - INPG - INRIA - UJF iMAGIS-GRAVIR / IMAG Modèles de couleur Nicolas Holzschuch iMAGIS-GRAVIR/IMAG

2 Modèles de couleur Quest-ce quune couleur ? Définitions –Artistiques Teinte, saturation, luminance –Physiques/biologiques Spectre, stimulus Fonctions de base universelles Espaces perceptuellement uniformes –Informatiques RGB, CMYK, HSV, YCbCr…

3 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Définitions du peintre Définitions basées sur le mélange des peintures Vocabulaire habituel de la couleur Blanc Noir Couleur pure Gris Teintes Tons Ombres Saturation Luminosité

4 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Définition physique Une couleur = un spectre

5 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Définition spectrale Échantillonnage de la couleur entre 380 nm (violet) et 720 nm (rouge) Longueurs donde visibles –En dessous de 380 nm : ultra-violet –Au dessus de 720 nm : infra-rouge

6 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Teinte, saturation… (2) Définition physique liée au spectre : –Teinte = longueur donde dominante –Saturation = pureté de lexcitation –Luminance = quantité de lumière –Couleur pure = une seule longueur donde

7 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Exemple simplifié Luminance= aire sous la courbe 400 nm Violet 760 nm Rouge Energie P( ) Teinte Longueur donde dominante e2 e1 Saturation

8 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Perception de la couleur La rétine : –Cônes –Bâtonnets Bâtonnets : –Perception achromatique –Lumière atténuée Cônes : –Perception chromatique (3 types) –Concentrés au centre de la rétine

9 iMAGIS-GRAVIR / IMAG 3 sortes de cônes

10 iMAGIS-GRAVIR / IMAG 3 sortes de cônes : conséquence Spectres différents, couleurs perçues comme identiques : métamères

11 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Représentation des couleurs La représentation spectrale est trop riche –Par rapport à la vision –En coût mémoire La vision humaine na que trois fonctions de base Il doit exister une représentation compacte –Pourquoi pas les couleurs primaires ? Rouge, vert, bleu

12 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Un léger défaut

13 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Une nouvelle fonction de base Les couleurs primaires ont un défaut : –Lensemble des couleurs visibles ne peut pas être représenté avec des coordonnées positives Besoin de nouvelles fonctions de base –Couvrant tout le visible –Avec des coordonnées positives –Linéaires par rapport à RVB Commission Internationale de lÉclairage –www.cie.co.atwww.cie.co.at –1931

14 iMAGIS-GRAVIR / IMAG CIE XYZ

15 iMAGIS-GRAVIR / IMAG CIE XYZ Y = luminance (perçue par la vision humaine) X,Y, Z : représentation de la couleur Conversion vers RVB : linéaire –Matrice 3x3 de conversion Chromaticité : –XYZ représente toutes les couleurs –Besoin de pouvoir séparer la luminance de la chromaticité –« le même rouge, mais en plus sombre »

16 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Chromaticité On introduit (x,y) : Parfois, on donne (x,y,Y) au lieu de (X,Y,Z) –Plus facile à mesurer –Conversion :

17 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Diagramme de chromaticité x y 380 nm 720 nm 500 nm Couleurs pures Couleurs combinées

18 iMAGIS-GRAVIR / IMAG

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20

21 Diagramme de chromaticité

22 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Diagramme de chromaticité

23 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Diagramme de chromaticité Couleurs affichables par le moniteur

24 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Diagramme de chromaticité

25 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Perception des couleurs Distance entre deux couleurs : –Dans lespace de base : facile –Pour la vision humaine : utile Idéalement, il y a un lien entre les deux Espace des couleurs perceptuellement uniforme –Lien constant, indépendant de la couleur Différences juste perceptibles : –Plus petite distance entre deux couleurs perçues comme différentes

26 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Différences juste perceptibles dans lespace xy

27 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Espaces perceptuellement uniformes CIE, 1976 L*a*b* et L*u*v* A n : coordonnée dun blanc de référence

28 iMAGIS-GRAVIR / IMAG L*a*b* et L*u*v* Perceptuellement uniformes tous les deux –Par construction L* : luminance, perceptuellement uniforme L*a*b* : –Orthonormal L*u*v* : –Conversion facile avec XYZ et donc RGB –Simple projection

29 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Représentation informatique Comment on définit une couleur ? –Ensemble de coordonnées dans un espace de couleurs Plusieurs fonctions de base possibles Fidélité des couleurs Relation avec linterface –Bleu pour le froid, rouge pour le chaud

30 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Fonctions de base Basées sur loutil daffichage : –RGB, CMYK, YCbCr Basées sur linterface homme-machine –HSV Conversion entre eux ? Conversion vers un espace indépendant (par exemple XYZ) ?

31 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Rouge-Vert-Bleu Le plus connu des systèmes –utilisé (en interne) dans tous les moniteurs –additif

32 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Cyan-Magenta-Jaune Utilisé dans les imprimantes couleurs Soustractif

33 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Conversion CMJ-RVB En théorie : C=1-R M=1-V J=1-B En pratique : –Conversion non-linéaire –Contraintes physiques Ordre des couches dencre, mélange… Réaction du papier …

34 iMAGIS-GRAVIR / IMAG CMYK K pour blacK Économie : –Lencre noire est moins chère que les encres de couleur Plusieurs possibilités : –Par exemple : K = min(C,M,Y) C = C-K M = M-K Y = Y-K –Suppose que le noir se mélange parfaitement à toutes les autres couleurs –En pratique, conversion non-linéaire, basée sur lexpérience, lordre des couches…

35 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Le cube RVB/CMJ

36 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Fonctions de base type Y YIQ, YUV, YcbCr… Utilisées pour la télévision couleur (et donc la vidéo) –Y la luminance –Cb et Cr la chromaticité En N & B, on naffiche que Y En couleur, on convertit vers RVB YUV=PAL, YIQ=NTSC

37 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Fonctions de base YCbCr Y doit être égal à la luminance: Y=LumaRed*R+LumaGreen*G+LumaBlue*B Cb est la chromaticité bleue : Cb = (B-Y)/(2-2*LumaBlue) Cr est la chromaticité rouge : Cr = (R-Y)/(2-2*LumaRed) LumaRed, LumaGreen, LumaBlue mesurées, correspondent aux phosphores du téléviseur

38 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Valeurs de luminance Les valeurs dépendent du standard télé choisi : –CCIR 601: Lr=0.299, Lg=0.587, Lb=0.114 –CCIR 709: Lr=0.2125, Lg=0.7154, Lb= Espace YIQ (NTSC) :

39 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Intérêts de YCbCr Parfois, on est obligé de lutiliser –Travail avec entrées/sorties vidéo Efficace pour la compression dimages : –Meilleur taux de compression si on convertit en YCbCr avant la compression –Grosse bande passante pour Y –Plus petite bande passante pour la chromaticité –L*a*b* est efficace pour ça aussi

40 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Teinte-Saturation-Luminance Hue-Saturation-Value (ou Luminance) : –HSV, HSL Pratique pour linterface homme-machine:

41 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Teinte-Saturation-Luminance max=max(R,G,B) min=min(R,G,B) V=max S=(max-min)/max delta=max-min si max=R alors H=(G-B)/delta sinon si max=G alors H=2+(B-R)/delta sinon si max=B alors H=4+(R-G)/delta H = H*60 si H<0 alors H=H+360

42 iMAGIS-GRAVIR / IMAG TSL, HSV, HSL Pratique pour les interpolations –Interpoler entre rouge et vert –Rampe de couleur Effets de couleur pour la visualisation –Varier la saturation, à teinte constante –Varier la teinte, à saturation constante Carte daltitude, par exemple

43 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Le cone HSV

44 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Espaces de couleur

45 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Fidélité des couleurs Problème : conserver la même couleur quand on change doutil de visualisation Solution : passer dans un espace indépendant –Échantillonner les phosphores RVB –Convertir en XYZ :

46 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Fidélité des couleurs (2) Description du moniteur disponible sur le site du fabricant –On extrait Xr, Xg, Xb… Pour dautres sorties (imprimantes, par ex.) : –Tables de conversion multi-dimensionnelles « Profil » de chaque outil, disponible (www.icc.org)www.icc.org Chaîne de conversion dun outil à un autre –RVB outil 1 vers XYZ –XYZ vers Lab –Lab vers CMYK outil 2

47 iMAGIS-GRAVIR / IMAG En pratique… Ça se dégrade avec lâge : –Les phosphores, le canon à électrons susent –Plus efficace de mesurer directement le profil du moniteur, de limprimante Mais plus cher (caméra spéciale, logiciel) –Ou mesurer directement la chaîne de conversion Scanner-moniteur-imprimante

48 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Gamma-Correction La perception humaine est logarithmique –Lune des causes du Mach-banding (cf. cours suivant) Intensité perçue, L* –Définie comme une racine cubique de lintensité émise, Y –En fait, à cause de loffset et de léchelle, presque un Y puissance 0.4

49 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Gamma correction (2) Le canon à électron du moniteur nest pas linéaire non plus –Luminance produite liée au voltage appliqué, à la puissance 2.5 Théoriquement, les deux sannulent (Pure coïncidence) Mais en fait… –Les caméras vidéo font la conversion inverse –Plus pratique de stocker un RVB non linéaire (sur 8 bits)

50 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Gamma correction Correction effectuée par la carte, avant le moniteur –Pour compenser le comportement du canon à électrons Paramétrable –Une cause de bugs intéressante Surtout si mal paramétré (valeurs 4) –Unix 1.45, Mac 1.8, NTSC & PC 2.2, PAL 2.9…

51 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Affichage des couleurs Capacité daffichage de loutil –Mesurée en bits : 1 bit=2 niveaux, 8 bits=256 niveaux –bits par fonction de base : 24 bits=256 niveaux pour chacun de R,V,B Dépends de loutil : TV : 30 dpi, 8bits de couleur Moniteur : dpi, 24 bits de couleur Imprimante : dpi, 3 bits de couleur (8 couleurs) Photo: 800 dpi, 36 bits de couleur

52 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Augmenter le nombre de couleurs La quantité de couleurs affichables est insuffisante –Surtout avec 8 bits, ou une imprimante Afficher des images qui contiennent plus de couleurs ? –Dépasser la capacité théorique de loutil Idée de base : –Sacrifier la résolution spatiale au profit des couleurs

53 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Halftoning Imprimantes de qualité : Impriment des disques dont la taille varie inversement avec I Résolution de halftone –Différente de la résolution spatiale –60-80 dpi pour un journal, pour un livre

54 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Dithering Autre méthode pour traiter plus de couleurs Un bloc de pixels pour représenter les couleurs –n*n pixels pour n*n+1 niveaux de couleur

55 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Dithering (2) Exemple pour 2x2: Notation matricielle : 01234

56 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Notation matricielle Pour le niveau i, on affiche les pixels avec v

57 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Dithering, suite Un pixel dimage remplacé par 4, 9, 16… pixels de limprimante On veut garder la résolution originale : –Utiliser un modulo : i=x modulo n j=y modulo n On allume le pixel si (i,j) dans la matrice de dithering est plus petit que I(x,y)

58 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Dithering, encore On voit apparaître le motif de dithering Pour le faire disparaître : –Floyd-Steinberg –On commet une erreur à chaque pixel –Diffuser lerreur aux pixels voisins Ça se voit moins, mais limage est plus floue

59 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Conclusion Représentation des couleurs –Plusieurs fonctions de base –Adaptées à différentes taches Moniteur, imprimante, vidéo… Conversion facile entre les outils Fidélité des couleurs, représentation indépendante Dithering pour augmenter le nombre de couleurs


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