Computação Gráfica Imagem: Luz e Cor www.dca.ufrn.br/~lmarcos/courses/compgraf Iluminação • • • • Sensores em câmeras Entendendo a luz Como os seres humanos percebem a luz Representando cores no computador: espaços de cores Entendendo a luz Sensores em câmeras • 3 sensores CCD - charge coupled device • Sensíveis à vermelho, verde e azul • Mede intensidade de cada cor e transforma energia luminosa em voltagem que pode ser posteriormente discretizada por algum conversor analógico-digital Sensores em câmeras • Analógico: gera um sinal analógico na saída, codificado, para que a imagem possa ser reconstruída ao ser percebida em algum aparelho (vídeo cassete) ou placa de aquisição - NTSC, PALM, SECAN, PAL • Digital: converte imediatamente a energia luminosa percebida por cada sensor (CCD) em vários níveis ou valores digitais (geralmente, 256 para cada cor). Entendendo a luz • Luz como photons (partículas sem massa) • Luz como onda (eletromagnetismo) Comprimento de onda Frequencia Luz • Energia da onda: h = 4.135 x 10-15 eV-sec = 6.625 x 10-27 erg-sec c = velocidade da luz h = constante de Planck eV = (eletron volts, ergs) = unidades de energia; Aspectos físicos da luz e da cor • Luz é irradiação eletro-magnética – Diferentes cores correspondem a diferentes comprimentos de onda – Intensidade de cada comprimento de onda é especificada pela amplitude da onda – Freqüência f=2/ • Comprimento de onda grande = baixa freqüência • Comprimento de onda curto = alta freqüência Aspectos físicos da luz e da cor • Não confundir com comprimento de onda e espectro em processamento de imagem – Em PI, referem-se aos valores espaciais do sinal – Em formação de imagem, referem-se às propriedades físicas da luz – Idealmente, toda imagem deve ter um espectro completo em todos os píxels Intervalos aproximados • Violeta 380-440 m (mili-micron ou nanometro) • Azul 440-490 • Verde 490-565 • Amarelo 565-590 • Laranja 590-630 • Vermelho 630-700 - Olhos humanos respondem à luz visível - Pequena porção do espectro entre infra-vermelho e violeta - Cor é definida pelo espectro de emissão da fonte de luz - Plotagem da amplitude x comprimento de onda: - Som é parecido com isso, nossos ouvidos fazem uma análise do espectro de modo que ouvimos próximo do que ocorre fisicamente. - Percepção de cor é bem diferente, problema que não temos largura de banda para suportar o processamento. Seu amigo o fóton • Percebemos radiação eletro-magnética com entre 400 e 700 nm • É um acidente da natureza: – Atmosfera deixa passar muita luz neste range – É energia mais alta que infra-vermelho (quente) e nosso corpo não rejeita ela. • Mesmas razões que plantas são verdes Seu amigo o fóton • Pode mudar range mudando pigmentos visuais: imagens digitais, produzidas em computadores(CG), provavelmente parecem incorretas para os animais • Poderia-se fazer CG com ondas rádio, raios gama ou mesmo ondas de som – Propriedades de cor dos objetos mudariam – Refração depende do comprimento de onda Visão e cérebro são um só • Retina é parte do Sistema Nervoso Central • 2 milhões de fibras nervosas saem da retina para o LGN, 10 milhões do LGN para o cérebro • Conexão no cérebro é o Cortex Visual Primário ou V1, na parte posterior. – Hipótese: V1 é um buffer para processamento posterior Processamento visual • Movimento sacádico • Retina acumula imagem • LGN abre conexão, imagem acessa V1 • Resto do cérebro acessa informação • Outro ponto de interesse é gerado (paralelo) • Sacádico ocorre novament (80 a 250 ms) (Tudo é automático, controle parcial) Modelos de cor (espaços) • Nosso sistema é em limitado (o que é bom) • Evitamos calcular e reproduzir cor no espectro completo (usamos 3 canais de cor) – TV seria mais complexa se percebêssemos full. – Transmissão com larguras de banda maiores – Monitor com técnicas ais complexas • Visão computacional em tempo real é quase possível • Qualquer de VC requer apenas 3 valores • Vários espaços de cor (transformações 3x3) Espaços de cor • Combinação linear • Espectro – Qualquer radiação (visível ou não) descrita – Geralmente desnecessário e impraticável • RGB – Conveniente para monitores – Não muito intuitivo Espaços de cor • HSV – Espaço de cor intuitivo, Hue (que cor é, tom), Saturation (quanto de cor tem), Value (quão brilhante, ou intensidade da cor) - HSI – H é cíclico, portanto transformação não linear do RBG • CIE XYZ – Transformação linear do RGB, cientistas da cor • Sistemas com 4 amostras do espectro têm melhor performance, mas 3 é sufciente RGB • 1=700 m (Red) • 2=546 m (Green) • 3=435.8 m (Blue) • () = (R(), G(), B()) XYZ X 0.49 0.17 0.00 R Y 0.31 0.81 0.01 G Z 0.20 0.01 0.99 B Sistemas complementares (CMY) • • • • • Ideal para impressoras Subtrai do branco (processo subtrativo) Ciano = verde+azul => elimina vermelho Magenta=azul+vermelho => elimina verde Amarelo=vermelho+verde => elimina azul Primárias aditivas • Trabalhando com luz: primárias aditivas – Componentes RGB são adicionados pela propriedade de superposição do eletromagnetismo – Conceitualmente: começa com preto , adiciona luz RGB Primárias subtrativas • Trabalhando com pigmentos: primárias subtrativas – Tipicamente (CMYK): ciano, magenta, amarela, preta – Conceitualmente: começa com branco, pigmentos filtram (retiram) a luz – Pigmentos retiram as partes do spectro – Conversão de monitor para impressora é um problema interessante (interação de modo não linear) – Cartucho preto (k) garanti preto com qualidade - Quando a luz bate numa superfície opaca, alguma luz é absorvida, resto da luz é refletida. - Luz emitida (fonte) e refletida é o que vemos - Modelar reflexão não é simples, varia com o material - micro-estrutura define detalhes da reflexão - suas variações produzem desde a reflexão especular (espelho) até a reflexão difusa (luz se espalha) Ângulo Sólido • Representa o ângulo cônico definido a partir do centro de uma esfera pela razão entre a área da calota esférica A e o quadrado do raio r da esfera. Ângulo sólido Ângulo sõlido • Da figura, • Numa esfera toda: • Para ângulos sólidos pequenos, área da calota pode ser aproximada pela área de um círculo: Radiância • Intensidade radiante proveniente de uma fonte extensa, em uma dada direção por unidade de área perpendicular a esta direção Radiância e Irradiância • Relação entre ambas: • Reflectância (razão entre fluxo incidente e refletido) Significado de cor • O que é uma imagem? – Irradiância: cada pixel mede a luz incidente num ponto no filme – Proporcional à integral da radiância da cena que chega àquele ponto Significado de cor • O que é cor? – Refere-se à radiancia ou irradiância medida em 3 comprimentos de onda diferentes – Cor da cena: radiância vinda das superfícies (para iluminação) – Cor da imagem: irradiância, para renderização – Quantidades com diferentes unidades, não devem ser confundidas Iluminação • Fontes de luz emitem luz: – Espectro eletro-magnético – Posição e direção • Superfícies refletem luz – Reflectância – Geometria (posição, orientação, micro-estrutura) – Absorção – Transmissão – Iluminação é determinada pela interação entre fontes de luzes e superfícies Percepção de iluminação • A luz recebida de um objeto pode ser expressa por I() = ()L() • onde () representa a reflectividade ou transmissividade do objeto (albedo) e L() é a distribuição de energia incidente. Luminância de um objeto • A luminância ou intensidade de luz de um objeto espacialmente distribuído, com distribuição de luz I(x, y, ), é definida como: f x , y 0 I x , y , V d • V() é a função de eficiência luminosa relativa do sistema visual. • Intervalo de iluminação do sistema visual humano: 1 a 1010 Luminância e brilho • Luminância de um objeto é independente da luminância dos objetos ao seu redor. • Brilho de um objeto também chamado de brilho aparente, é a luminância percebida e depende da luminância ao redor do objeto. • Duas regiões com mesma luminância, cujas regiões ao redor de ambas possuem diferentes luminâncias terão diferentes brilhos aparentes. Considerando refração • Refração: inclinação que a luz sofre para diferentes velocidades em diferentes materiais • Índice de refração – luz viaja à velocidade c/n em um material com índice n – c é a velocidade da luz no vácuo (n=1) – varia de acordo com o comprimento de onda – prismas e arco-iris (luz branca quebrada em várias) Índice de refração Refração Transmissão com refração • A luz inclina pelo princípio físico do tempo mínimo (princípio de Huygens) – luz viaja de A a B pelo caminho mais rápido – se passar de um material de índice n1 para outro de índice n2, a lei de Snell define o ângulo de refração: n1sin1 n2 sin 2 – Quando entra em materiais mais densos (n maior), a inclinação é mais perpendicular (ar para a água) e vice-versa – se os índices são os mesmos, a luz não inclina • Quando entra num material menos denso, reflexão total pode ocorrer se 1 n2 1 sin n1 Difração • Entortar próximo dos cantos Dispersão • Refração depende da natureza do meio, ângulo de incidência, comprimento de onda Resultado Doppler • Exemplo do trem passando • http://webphysics.davidson.edu/Applets/Do ppler/Doppler.html
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