TEMA 1
LUZ Y SISTEMA VISUAL HUMANO
INTRODUCCIÓN AL PROCESADO DE IMAGEN
INTRODUCCIÓN Y EJEMPLOS
LUZ Y COLOR
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LUZ Y SISTEMA VISUAL HUMANO
1.1- LUZ, LUMINANCIA Y BRILLO
• LUZ  Es la radiación electromagnética que estimula la respuesta
visual humana.
• Ocupa una región en el espectro entre 389 nm y 780 nm.
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1.1- LUZ, LUMINANCIA Y BRILLO
• Distribución de energía de una onda electromagnética que
atraviesa un cierto plano espacial: C(x,y,t,λ) (flujo radiante).
• Si consideramos un punto fijo (x’,y’), y un instante dado, t’:
C(x,y,t,λ)  C(λ) (flujo radiante por longitud de onda)
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1.1- LUZ, LUMINANCIA Y BRILLO
• Magnitudes asociadas a C(λ)
 Magnitudes radiométricas.
• Se definen independientemente del observador.
• Magnitudes relacionadas con el sistema visual humano
 Magnitudes fotométricas.
•Dependen del observador.
•La percepción humana de la luz se describe habitualmente en
términos de:
•Brillo: Cantidad de luz percibida
•Tinte: Color (rojo, verde…)
•Saturación: Viveza del color
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1.1- LUZ, LUMINANCIA Y BRILLO
• Las contribuciones que C(λ1) y C(λ2) aportan a la percepción del
brillo por un observador son en general bastante diferentes para
λ1≠ λ2, incluso aunque C(λ1)=C(λ2)
 Una simple integral de C(λ) sobre λ no se relaciona de manera
adecuada con la percepción del brillo.
• Fotometría: Ciencia que relaciona el brillo percibido por un observador
con la energía radiante.
• Cantidad fotométrica básica: Luminancia.
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1.2- COLORIMETRÍA
• Utilización del color para visualización de imágenes:
• Más agradable
• Permite apreciar más información visual
• Formas de mezclar colores  Representación de un color como
suma de colores primarios
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1.2.1- MEZCLA SUSTRACTIVA DE COLORES
• Poder transmisor de un filtro a una longitud de onda λ: Cociente
entre la intensidad de luz que transmite y la que incide (Tλ).
• Al pasar la luz por un filtro, se atenúa la intensidad a ciertas
longitudes de onda  Se “sustrae” parte de la luz.
• De este modo se obtienen los
pigmentos, es decir, las pinturas.
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1.2.2- MEZCLA ADITIVA DE COLORES
• Superposición, sobre una pantalla blanca, de luces coloreadas S1 y
S2.
• Luz roja más luz amarilla  Vemos luz naranja (en realidad,
un análisis espectral indicaría luz roja y luz amarilla, pero la
sensación es de color naranja).
• Para la obtención de cualquier color del espectro por el método
aditivo se requiere la aportación de 3
componentes, que llamamos colores
Primarios (R, G, B).
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1.2.3- LEYES DE GRASSMAN
• Toda sensación de color se puede obtener por suma de tres fuentes S1,
S2 y S3, de colores que llamamos primarios (Maxwell y Grassmann).
Grassmann formuló 3 leyes al respecto:
1. Trivarianza: Un color cualquiera X, de luminancia L, se puede igualar mediante
tres luminancias R, G, B, o cantidades adecuadamente dosificadas de tres luces
RGB.
X = R·PR + G·PG + B·PB
2. Luminancia: La luminancia de X es la suma de las luminancias de sus
componentes.
LX = LR + LG + LB
3. Proporcionalidad: Si se multiplican ambos miembros de la Eq. 1, la igualdad no
se altera
α X = α R·PR + α G·PG + α B·PB
4. Aditividad: La luminancia del color resultante de una mezcla de colores es la
suma de sus primarios.
LX = LR + LG + LB
 LZ=LX+LY=(LR+LR’)+(LG+LG’)+(LB+LB’)
LY = LR’ + LG’ + LB’
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1.2.4- DETERMINACIÓN DE COEFICIENTES. EL COLORÍMETRO
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1.2.4- DETERMINACIÓN DE COEFICIENTES. EL COLORÍMETRO
• La luz X se puede representar como un vector con componentes RGB:
C1 = R1 + G1+ B1
• El módulo del vector OC1 nos da la luminancia del color.
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1.2.5- REPRESENTACIÓN DEL COLOR MEDIANTE PARÁMETROS r Y g
• Si nos movemos en un plano en el que la luminancia (módulo del vector
OC1) sea constante, y sólo nos interesan las diferencias de matiz, nos basta
con dos parámetros para determinar el color:
R1
r1 =
R1 + G1 + B1
G1
g1=
R1 + G1 + B1
r1 + r1 + r1 =
•
B1
b1=
R1 + G1 + B1
R1 + G1 + B1
R1 + G1 + B1
Basta con conocer dos de las coordenadas reducidas (la tercera se obtiene
por diferencia). Se han adoptado r y g como parámetros de este sistema.
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1.2.5- REPRESENTACIÓN DEL COLOR MEDIANTE PARÁMETROS r Y g
• El plano formado por las dos componentes se conoce como carta rg:
• Blanco: (1/3, 1/3)
• Rojo: (1,0)
• Hay tonos que no se pueden obtener en el colorímetro como suma de colores
RGB. Hay que poner una luz al otro lado, lo que daría lugar a valores
negativos en la carta rg.
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1.2.6- COMPONENTES TRICROMÁTICAS INTERNACIONALES
• Para que todo color se halle representado por un punto en el primer
cuadrante, el CIE reformó el sistema de parámetros r, g y b adoptando
ciertas funciones lineales de ellos a las que llamó x, y, z.
• Esto equivale a tomar nuevos patrones primarios ficticios que cumplían con
las condiciones requeridas, X, Y, Z.
x=
X
X+Y+Z
y=
Y
X+Y+Z
donde x + y + z =1, por lo que basta conocer x e y.
• Las coordenadas x, y calculadas para todos los
colores del espectro conforman una gráfica llamada
curva lugar del espectro, que representa la frontera
de todos los colores reales existentes.
z=
Z
X+Y+Z
ESQUEMAS DE COLORES
Cubo RGB
Línea de Gradiente
Neutro
Líneas de Gradiente
Primario-secundario
Plano de colores
primarios
Límites de saturación
Color RGB
 How to describe color? - We have several possibilities:
1. Make a table of colors, e.g. Munsell color-order system.
2. Assign names to colors, e.g. Light-Goldenrot-Yellow, MediumSpring-Green, etc.
3. Produce colors by some process: Artists speak about the
following variations of pure pigments:



TINTS (means adding white),
SHADES (means adding black),
and TONES (means adding a combination of both).
Consequently colored light has following quantities associated:




HUE (corresponding to pure pigment)
SATURATION (i.e. distance from gray of equal intensity)
LIGHTNESS (i.e. perceived intensity of a reflecting object)
or BRIGHTNESS (i.e. perceived intensity of light emitting object).
SISTEMA VISUAL HUMANO
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EL OJO
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En la retina existen dos tipos de células fotosensibles:
• Conos: Responsables de la visión del color (visión
fotópica). Se cree que hay tres tipos de conos,
sensibles al rojo, verde y azul respectivamente.
Dada la forma de conexión de las terminaciones
nerviosas que van al cerebro, son responsables
de la definición espacial.
• Bastoncitos: Se concentran en zonas alejadas de
la fóvea. Responsables de la visión escotópica
(visión a bajos niveles de intensidad). No son
sensibles al color.
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SISTEMA DE VISIÓN HUMANA: DIAGRAMA DE BLOQUES
LPF (Espacial)
Apertura
finita del ojo
log
Leyes de
Weber
BPF (Espacial)
Inhibición
lateral
(bandas de
Match)
LPF (temp)
Frecuencia de
fusión y
rendición de
movimiento
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RESPUESTA DEL SISTEMA VISUAL HUMANO
• Iluminación de la retina: Para una escena con un determinado brillo Y,
existe una relación entre el brillo real de la imagen y la iluminación
producida en la retina:
E = K · Y · Sp
La cantidad de luz que llega a la retina depende de de la apertura de la
pupila, que a su vez depende del nivel de luz ambiente existente.
• Agudeza visual: Es la capacidad de distinguir objetos muy pequeños. Para el
experimento clásico de alternar líneas negras y blancas, la agudeza se define
como:
V=1/α
donde α es el poder separador de alfa, es decir, el ángulo para el que el ojo
comienza a distinguir las líneas blancas de las negras. El valor medio para el
ojo humano es de α = 1 min.
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1.3.2- RESPUESTA DEL SISTEMA VISUAL HUMANO
• Umbrales diferencia de luminancia. Sensibilidad al contraste: La respuesta
del ojo a los cambios de intensidad de iluminación es no lineal.
• Experimentos de Weber.
• 1er experimento:
El momento en que la diferencia ΔI comienza a ser percibida
depende de I. La tasa ΔI /I (fracción de Weber) es prácticamente
constante (~ 0.02) para un alto rango de intensidades.
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1.3.2- RESPUESTA DEL SISTEMA VISUAL HUMANO
• 2º experimento:
El rango es que la fracción de Weber permanece constante se reduce
considerablemente. Sin embargo, la envolvente de las curvas es
equivalente a la curva del primer experimento.
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1.3.2- RESPUESTA DEL SISTEMA VISUAL HUMANO
• Umbral diferencia de crominancia.
Fijamos un color C con una
luminancia fija, y vamos variando
su color, C + ΔC, hasta que
percibamos un cambio de color. Si
representamos en la carta
cromática los umbrales de
variación de cada color, obtenemos
las elipses de Mac Adam: los
umbrales no son iguales para todos
los colores.
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1.3.2- RESPUESTA DEL SISTEMA VISUAL HUMANO
• Flicker (parpadeo). Iluminamos una escena con destellos de luz con una
frecuencia de N destellos por segundo. Si N es pequeño, los destellos se
aprecian separados. Si aumenta la frecuencia, aparece un fenómeno
denominado flicker o parpadeo, muy molesto. Si seguimos aumentando esta
frecuencia (frecuencia crítica de flicker), se aprecia como luz continua. La
frecuencia crítica de flicker depende de la intensidad, y va de 37 a 100 Hz.
En cine se suelen utilizar 24 imágenes por segundo (cada fotograma se repite dos
veces), logrando una frecuencia de 48 fotogramas por segundo.
• Sensación de movimiento. El número de imágenes que se deben presentar al
espectador para que el movimiento aparezca de manera continua deber se mayor que
15. No confundir con el flicker.
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