1	Computação Gráfica Módulo I – Luz e Cor UniverCidade - Prof. Ismael H F Santos
2	Considerações Gerais Objetivo: Discutir os principais conceitos eos princípios básicos dos Sistemas Gráficos e a Programação em OpenGL. A quem se destina : Alunos e Profissionais que desejem aprofundar seus conhecimentos sobre Computação Grafica e suas aplicações.
3	Bibliografia Computação Gráfica Volume 1. Jonas Gomes e Luiz Velho. Instituto de Matemática Pura e Aplicada – IMPA. Introdução a Computação Gráfica - Paulo Roma http://www.lcg.ufrj.br/compgraf1/downloads/apostila.pdf http://www.lcg.ufrj.br/compgraf1/downloads/apostila.ps.gz Notas do Curso ministrado na Universidade de Maryland pelo Prof. David Mount ftp://ftp.cs.umd.edu/pub/faculty/mount/427/427lects.ps.gz http://www.lcg.ufrj.br/~esperanc/CG/427lects.ps.gz Apostila Fundamentos da Imagem Digital – Antonio Scuri Computer Graphics: Principles and Practice, Second Edition. James Foley, Andries van Dam, Steven Feiner, John Hughes. Addison-Wesley. OpenGL Programming Guide, 2nd Edition. Mason Woo, Jackie Neider, Tom Davis. Addison Wesley.
4	Bibliografia OpenGL OpenGL® Programming Guide, 2nd Edition. Mason Woo, Jackie Neider, Tom Davis. Addison Wesley. http://www.lcg.ufrj.br/redbook Manual de referência online http://www.lcg.ufrj.br/opengl Sítio oficial do OpenGL www.opengl.org
5	Paradigmas dos Universos Universos: físico → matemático → representação → codificação. Luz → modelo espectral → representação tricromática → sistemas de cor.
6	Luz e Cor O que é cor? Cor é uma sensação produzida no nosso cérebro pela luz que chega aos nossos olhos. É um problema psico-físico
7	Luz e Cor
8	Modelos físico da luz
9	Modelo de fótons
10	Física da luz Modelo de ondas - Óptica geométrica Luz é uma radiação eletro-magnética que se propaga a 3x10⁵km/s ( E = h . n, c = l .n). Modelo quântico
11	Natureza da luz
12	Ondas eletromagnéticas
13	Reflexão e Refração
14	Onda em obstáculos
15	Energia e Fluxo Radiante
16	Potência (fluxo) radiante
17	Irradiação e Radiosidade
18	Área Aparente e Angulo Sólido Area Aparente ou foreshortening Angulo Sólido em steradian
19	Radiância
20	Radiância em função da direção
21	Luz viaja em linha reta
22	Câmeras fotográficas Câmera Convencional Câmera Digital
23	O que mede uma câmera fotografica Câmeras fotográficas medem a radiância de pontos da cena
24	Radiancia ou Luminância
25	Luz Espectro de fontes luminosas Processos de formação de cor
26	Espectro idealizado de fontes luminosas
27	Espectros de luz branca
28	Reflectâncias espectrais de flores
29	Medidas do espectro da luz solar
30	Espectros de luz “branca”
31	Espectro dos fósforos dos monitores
32	Corpo negro (blackbody) Corpo negro – material que emite luz quando aquecido. O espectro de cores é determinado apenas pela temperatura do corpo. Uma lampada incandescente e a chapa de um fogão elétrico apresentam um espectro de cores que são uma boa aproximação do espectro de cores de um corpo negro. Espectro da Luz solar e de um corpo negro a 6500º K
33	Corpo negro (blackbody) Variação da distribuição espectral da radiação de um corpo negro em função da temperatura
34	Temperatura da cor Qualquer fonte luminosa que tem as mesmas coordenadas de cromaticidade que a de um corpo negro pode ser descrita como tendo a temperatura de cor daquele corpo negro.
35	Temperatura da cor
36	Espectro CIE D65 e da lâmpada incandecente (illuminant A)
37	Espectro de quatro fontes luminosas artificiais
38	Modelo Matemático de Luz Universo matemático é o conjunto D de todas as funções de distribuição espectral. Função de distribuição espectral relaciona: comprimento de onda com uma grandeza radiométrica.
39	Características das fontes luminosas
40	Características das fontes luminosas
41	Processos aditivos de formação de cores
42	Processos subtrativos de formação de cores
43	Processos de formação de cores: por pigmentos
44	What is Color?
45	What is Color?
46	What is Color?
47	What is Color?
48	Sistemas Físicos de Cor O olho é um sistema físico de processamento de cor (sistema refletivo). Similar a uma câmera de vídeo. Converte luz em impulsos nervosos.
49	Anatomia do olho humano
50	Percepção de Cor Diferente para cada espécie animal. Dentre os mamíferos, só o homem e o macaco enxergam cores. Aves têm uma visão muito mais acurada do que a nossa.
51	Representação Amostragem gera uma representação finita de uma função de distribuição espectral. Todo sistema refletivo possui um número finito de sensores, que fazem uma amostragem em n faixas do espectro.
52	Amostragem s_i(l)é a função de resposta espectral do i-ésimo sensor.
53	Sistema Visual Humano Dois tipos de células receptoras com sensibilidades diferentes: cones e bastonetes. Bastonetes → luz de baixa intensidade (sem cor). Cones → luz de média e alta intensidade (com cor). Três tipos de cones que amostram: comprimento de onda curto (azul), médio (verde) e longo (vermelho).
54	Sensibilidade dos cones do olho humano
55	Eficiência Luminosa Brilho aparente varia com o comprimento de onda. Pico do brilho é diferente para níveis baixos (bastonetes), médios e altos (cones). Máximo na faixa do verde.
56	Sensibilidade do olho em função do comprimento de onda
57	Percepção de cor
58	Princípios do metamerismo
59	Metamerismo
60	Metamerismo
61	Amostragem e Reconstrução A cor reconstruída deve ser perceptualmente igual a cor original. É possível devido ao metamerismo. Cores metaméricas são perceptualmente idênticas.
62	Metamerismo e reprodução de cor em CG
63	O problema de reprodução de cor em CG
64	Sistemas Emissivos Sistemas emissivos reconstroem cores a partir de emissores que formam uma base de primárias, P_k
65	Representação Discreta de Cor O espaço de todas as distribuições espectrais possui dimensão infinita. Representação finita requer um processo de amostragem. Aproxima um espaço de dimensão infinita por um espaço de dimensão finita (há perda de informação). Pode-se utilizar um vetor de dimensão finita na representação discreta de cor.
66	Espaço Perceptual de Cor Representação define uma transformação linear. De acordo com os experimentos de Young em 1807. Espaço perceptual de cor é de dimensão 3. Representação discreta associa um conjunto de distribuições espectrais ao mesmo ponto do R ³ (metamerismo).
67	Reconstrução de Cor Dados Uma função de distribuição espectral C(l), Um sistema emissivo com base P_k E um sistema refletivo, Como calcular as componentes na base de primárias de forma a que a cor reconstruída seja perceptualmente equivalente a cor original?
68	Funções de Reconstrução de Cor Uma vez que se conheça a resposta espectral do sistema, prova-se que: r_k(l) são as funções de reconstrução de cor.
69	1ª Lei de Grassmann
70	2ª e 3ª Lei de Grassmann
71	Sistemas de Cor - Padrão CIE CIE – Comission Internationale de L’Eclairage (criada em 1913). Padrão CIE-RGB (1931) apresenta coordenadas negativas. Padrão CIE-XYZ foi criado para evitar coordenadas negativas. Primárias não estão contidas no sólido de cor. Conversão CIE-RGB para CIE-XYZ é uma mera mudança de sistema de coordenadas.
72	Colorimetria e Sistemas de Cores CIE (Commission Internationale de l’Eclairage) RGB XYZ xyY Luv Lab Sistemas por exumeração Munsell Pantone Sistemas dependentes de dispositivos mRGB CMY CMYK Sistemas para especificação interativa HSV HLS
73	3D Color Spaces
74	Resposta Espectral Cor espectral desconhecida à esquerda. Três cores padrão de cada lado. Intensidade de cada cor padrão varia de forma independente.
75	CIE RGB
76	Representação perceptual da cor CIE RGB
77	colour Matching Experiment 1
78	colour Matching Experiment 1
79	colour Matching Experiment 1
80	colour Matching Experiment 2
81	colour Matching Experiment 2
82	colour Matching Experiment 2
83	Artifício para “subtrair” uma componente
84	Intensidade Negativa? Podem haver cores que não são igualadas pelas três cores padrão apenas. Nesse caso, adiciona-se uma cor padrão ao lado esquerdo também (correspondendo, matematicamente, a uma intensidade negativa).
85	Componentes das cores monocromáticas - CIE RGB -
86	Componentes das cores monocromáticas - CIE RGB 2º 1931
87	Componentes das cores monocromáticas - CIE RGB -
88	Sólido de Cor Conjunto de todas as cores visíveis forma um cone convexo, chamado de sólido de cor. Combinação convexa de duas distribuições espectrais é uma distribuição espectral. Cada distribuição espectral corresponde a um único ponto no espaço de cor. Aplicação de representação é linear. Espaço de cor é o conjunto das retas que passam pela origem.
89	Sólido de Cor – CIE - RGB
90	Mudança de Base do Espaço de Cor
91	Criação do Sistema XYZ Duas cores primárias têm luminância zero. Informação de luminância na componente Y. Traça-se uma reta coincidente com o segmento quase retilíneo do diagrama de cromaticidade. Interseção desta reta com a reta de luminância zero define a primária X.
92	Construção Geométrica As duas outras primárias ficam definidas traçando-se uma outra reta tangente ao diagrama de cromaticidade. Esta reta minimiza a área do triângulo formado pela reta de luminância zero, a reta anterior e esta reta. Z está sobre a reta de luminância zero.
93	Conversão RGB-XYZ Dispõem-se das coordenadas de cromaticidade xyz. C_r, C_g, C_bescalam apropriadamente os vetores da base. É necessário que se conheçam as coordenadas tricromáticas de um ponto.
94	Branco Padrão Normalmente, usam-se as coordenadas tricromáticas (X_w,Y_w,Z_w) do branco padrão de referência: (R_w, G_w, B_w) = (1, 1, 1).
95	Mudança da base CIE RGB para CIE XYZ
96	Mudança da base CIE RGB -> CIE XYZ
97	Conversão da base CIE RGB para CIE XYZ
98	Matriz de Conversão RGB -> XYZ Fazendo as contas usando (X_w,Y_w,Z_w) = (R_w, G_w, B_w) = (1, 1, 1), obtém-se:
99	Componentes das cores monocromáticas - CIE XYZ -
100	CIE XYZ (2^oe 10^o)
101	CIE XYZ 2^o- 1931
102	Cor de um objeto no CIE XYZ
103	Cores visíveis representadas no CIE XYZ
104	Retirando a luminosidade ou brilho da definição da cor em CIE XYZ
105
106	Diagrama de Cromaticidade Projeta-se radialmente o sólido de cor no plano de Maxwell: x + y + z = 1. A interseção do sólido de cor com o plano de Maxwell é uma curva convexa. Cores espectrais correspondem a pontos na fronteira do diagrama de cromaticidade.
107	Coordenadas de Cromaticidade Reta que passa pela origem e por uma cor C. {p; p = tC, t Î R}. Projeção c= (c_r, c_g, c_b) no plano de Maxwell impõem c_r+ c_g + c_b= 1. t(C_r+C_g+C_b) = c_r+ c_g+ c_b= 1 Þ t = 1/(C_r+C_g+C_b) Þ c_i= C_i/(C_r+C_g+C_b).
108	Cálculo da Luminância Luminância é uma grandeza colorimétrica que corresponde aos termos perceptuais de brilho (emissores) ou luminosidade (refletores). Luminância é um funcional linear.
109	Decomposição Crominância-Luminância Coordenadas de cromaticidade captam a noção da matiz de uma cor. Juntamente com a informação de intensidade ou luminância determinam unicamente uma cor.
110	Núcleo do Funcional de Luminância Todo vetor de um espaço vetorial pode ser escrito, de modo único, como soma direta de um vetor do núcleo de um funcional linear e de um vetor pertencente a um espaço complementar ao núcleo.
111	Propriedade Dimensão do núcleo mais a dimensão da imagem de uma transformação linear é igual a dimensão do domínio da transformação. Seja L : Âⁿ→ Â^m. Então, dim(ker(L)) + dim(Im(L)) = n. Logo, a dimensão do núcleo do operador de luminância é igual a 2.
112	Plano de Crominância Se duas cores tem a mesma luminância, então elas estão em um hiperplano afim, paralelo ao núcleo do operador de luminância. Cada hiperplano afim paralelo ao núcleo do operador de luminância é chamado de um hiperplano de crominância (luminância constante).
113	Núcleo do Operador de Luminância
114	Cor Dominante e Complementar
115	Cores visíveis representadas no CIE XYZ Diagrama de Cromaticidade
116	Sistema xyY O diagrama de cromaticidade retira a luminância. Cores relacionadas com luminância não aparecem (marrom = vermelho-alaranjado com luminância muito baixa). Coordenadas xyY permitem que se faça uso do diagrama de cromaticidade na especificação de cores.
117	Sistema xyY
118	Retirando a luminosidade ou brilho da definição da cor em CIE XYZ
119	Cores visíveis representadas no sistema CIE xyY
120	Nome das cores
121	Nome das cores
122	Planckian locus
123	Saturação e cor complementar no diagrama de cromaticidade xy
124
125
126
127
128	Opponent Colors
129	Gamute de cromaticidade de dispositivos
130	Gamute
131	Gamut de cores de um monitor RGB
132	Cores perceptualmente equidistantes representadas no sistema CIE xyY
133	Weber's law The change in a stimulus that will be just noticeable (JND) is a constant ratio of the original stimulus.
134	Correção Gama Assume luminância proporcional à voltagem. Mas não é !! Luminância µ a potência do feixe de elétrons. Luminância µ Voltagem^g. ^g entre 1.5 e 3.0 (depende do monitor). Deve pré-compensar valores RGB. Alguns monitores fazem a correção gama por hardware, outros não.
135	Correção Gama
136	Correção Gama
137	Correção Gama (a coincidência)
138	O sistema tem muitos Gamas!
139	Gama de uma ponta a outra (end to end)
140	Que ajuste adotar?
141	Tons de cinza igualmente espaçados
142	Tons de cinza corrigidos
143	Tons de cinza igualmente espaçados
144	Tons de cinza corrigidos
145	Tons de cinza igualmente espaçados
146	Tons de cinza corrigidos
147	Tons de cinza igualmente espaçados
148	Tons de cinza corrigidos
149	CIE L* Correção perceptual
150	Sistemas de cor perceptualmente uniformes do CIE Luv e CIE Lab (1976)
151	CIE xyY ® CIE LUV
152	CIE LAB
153	CIE 1976 (Lab*) colour space, Lightnedd
154	CIE 1976 (Lab*) colour space, Hue and Chroma
155	CIE 1976 a,b colour difference and CIELAB components
156	CIE 1994 colour difference k parametric factors, industry dependent S weighting functions, depend on location in colour space:
157	Branco de referência
158	Conversão Lab - XYZ
159	Sistemas de Cor Espaço de cor + sistema de coordenadas. Sistemas Padrão. Sistemas dos Dispositivos. Sistemas Computacionais. Sistemas de Interface.
160	Sistemas Padrão Independentes de dispositivos físicos. CIE-RGB. 700 mm (Red), 546 mm (Green), 435.8 mm (Blue). CIE-CMY. Ciano (azul piscina), Magenta (violeta), Amarelo. CIE-XYZ.
161	Sistemas dos Dispositivos Subconjunto do sólido de cor. Contém todas as cores que podem ser geradas pelo dispositivo (combinação convexa da base de primárias do dispositivo). Forma de paralelepípedo e as faces são paralelogramos. Mudando-se as coordenadas ganha a forma de um cubo.
162	Sistemas Dispositivos - Monitores
163	Sistemas de Cor dependentes de dispositivo - mRGB
164	Cubo RGB
165	Sistemas de cor dependentes de dispositivo - mRGB
166	Conversão do mRGB para CIE XYZ e vice-versa
167	Conversão do mRGB para CIE XYZ (cont.)
168	Conversão do mRGB para CIE XYZ (cont.)
169	RGB normalizado
170	sRGB - “A Standard Default Color Space for the Intenet” Hewlett-Packard and Microsoft propose the addition of support for a standard color space, sRGB, within the Microsoft operating systems, HP products, the Internet, and all other interested vendors. The aim of this color space is to complement the current color management strategies by enabling a third method of handling color in the operating systems, device drivers and the Internet that utilizes a simple and robust device independent color definition.
171	ITU-R BT.709
172	sRGB viewing environment Parameters
173	XYZ ® sRGB: Passo 1 - Conversão
174	XYZ ® sRGB: Passo 2 – Correção Gamma
175	XYZ ® sRGB: Passo 3 –Digital Color (8 bits)
176	XYZ ® RGB
177	sRGB ® XYZ
178	XYZ ¬ RGB
179	Sistema CMY Sistema das Impressoras. CMY ou CMYK. Processo predominantemente subtrativo.
180	Sistemas de cor dependentes de dispositivo - CMY
181	R=M+Y
182	Sistemas de cor dependentes de dispositivo - CMY
183	CMYK Color Model CMYK = Cyan, Magenta, Yellow, blacK
184	Conversão RGB para CMY e vice-versa
185	Sistemas de cor dependentes de dispositivo - CMYK O sistema CMYK usa o preto (blacK) porque o pigmento (carbono) é mais barato; A superposição de ciano, magenta e amarelo para produzir preto gera um tom meio puxado para o marron.
186	CMY + Black Using three inks for black is expensive C+M+Y = dark brown not black Black instead of C+M+Y is crisper with more contrast
187	Sistemas de Interface Oferecem uma interface adequada a especificação de cores por um usuário comum. Em geral, especificam cores através de três parâmetros: matiz, saturação e luminância.
188	Tipos de Sistema de Interface Baseados em coordenadas: HSV, HSL. Baseados em amostras: Pantone, Munsell.
189	Paradigmas de Cor
190	Sistema HSV Criado por Alvy Ray Smith. Projeta o cubo RGB ortogonalmente sobre o plano: x + y + z = 3. Conversão para RGB não é uma transformação linear.
191	Sistemas de cor mais indicados para interface com usuário - HSV
192	HSV
193	HSV/HSB Color Space
194	HSV
195	Sistemas de cor mais indicados para interface com usuário - HSV
196	Transformação RGB para HSV e vice-versa
197	Conversão RGB para HSV - cálculo de H
198	Conversão RGB-HSV
199	Sistema HSL Sistema H (Hue) S (Saturation) L (Lightness) Patenteado pela Tektronix. Baseado no HSV.
200	Sistema HSL
201	HLS Color Space
202	HLS
203	Opponent Color Spaces
204	Sistemas Baseados em Amostras Amostram matizes, saturação e luminância. Sistema de Munsell (1915). Obedece o critério da uniformidade perceptual. Sistema Pantone (1960). Criado pela indústria gráfica. Usado no processo de impressão em papel.
205	The Artist Point of View Hue - The color we see (red, green, purple) Saturation - How far is the color from gray (pink is less saturated than red, sky blue is less saturated than royal blue) Brightness/Lightness (Luminance) - How bright is the color
206	Munsell Color System
207	Munsell Book of Colors
208	Munsell Book of Colors
209	Sistemas de cores por enumeração
210	YIQ Color Model (NTSC) YIQ is the color model used for color TV in America (NTSC= National Television Systems Committee) Y is luminance, I & Q are color (I=red/green,Q=blue/yellow) Note: Y is the same as CIE’s Y Result: backwards compatibility with B/W TV! Convert from RGB to YIQ:
211	YIQ Color Model The YIQ model exploits properties of our visual system, which allows to assign different bandwidth for each of the primaries (4 MHz to Y, 1.5 to I and 0.6 to Q)
212	Codificação de Vídeo
213	Sistema YUV – PAL (Y’, B’-Y’, R’-Y’)
214	Cubo RGB no espaço (Y’, B’-Y’, R’-Y’)
215	Conversão para vídeo
216	Uma fórmula para conversão para video
217	Aparencia de cor
218	Banda de Mach
219	Contraste Simultâneo
220	Contraste
221	Conclusões do cérebro
222
223
224
225
226
227
228	Referências http://cvision.ucsd.edu/ http://www.poynton.com/Poynton-color.html http://www.efg2.com/Lab/ http://www.easyrgb.com/ http://cvrl.ioo.ucl.ac.uk/cmfs.htm
229	FIM