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カラー情報の表現と解析 呉海元＠和歌山大学

カラー情報の表現と解析 呉海元＠和歌山大学. 参考書： ●南　敏、中村　納 画像工学 ( 増補 )― 画像のエレクトロニクス ― 　コロナ社 ●松山隆司、久野義徳、井宮淳： コンピュータビジョン -- 技術評論と将来展望 -- 　新技術コミュニケーションズ、 1998. Physics-Based Vision. Observer (Camera). カメラ. 光源. ● 知覚とは別に，視覚系への色刺激となる 光の物理現象 を調べて，これを利用する視覚研究 ●物体表面での 光の反射の仕方 （物体表面を構成する材質によって異なる）が画像生成を決定づける.

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カラー情報の表現と解析 呉海元＠和歌山大学

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Presentation Transcript

  1. カラー情報の表現と解析呉海元＠和歌山大学 参考書： ●南　敏、中村　納 画像工学(増補)―画像のエレクトロニクス― 　コロナ社 ●松山隆司、久野義徳、井宮淳： コンピュータビジョン --技術評論と将来展望-- 　新技術コミュニケーションズ、1998

  2. Physics-Based Vision Observer (Camera) カメラ 光源 ● 知覚とは別に，視覚系への色刺激となる光の物理現象を調べて，これを利用する視覚研究 ●物体表面での光の反射の仕方（物体表面を構成する材質によって異なる）が画像生成を決定づける 光の反射の仕方 物体表面の材質による 物体

  3. Color Image Formation Observer (Camera) カメラ 照明光源 光の反射の仕方 物体表面の材質による 物体 ●画像内の物体の色は照明光源、物体、カメラ３者 　の幾何関係と物体表面の材質に応じて変化

  4. Color Image Formation（光源） カメラ Observer (Camera) 光源 光の反射の仕方 物体表面の材質による 物体

  5. 光源のスペクトル Blackbody Radiator黒体の放射 Fluorescent light蛍光灯 光源のスペクトルは関係した色温(Correlated Color Temperature; CCT)より構成される 評価の基本単位：ケルビン(Kelvin; K).

  6. 光源のスペクトル Blackbody Radiator CCT = 6200K CCT = 2600K Fluorescent light ・光源の色温度が異なると、同じ物体 でも撮られた画像の色が異なる ・Ｋ：絶対温度（＝摂氏温度＋273）

  7. Color Image Formation（物体） 光源 カメラ Observer (Camera) 光の反射の仕方 物体表面の材質による 物体 対象物からの放射エネルギーの分布

  8. Reflectance of Gray グレーの対象物からの放射エネルギーの分布は一定

  9. Reflectance of Human Skin 白人 白人 紅斑のある白人 東洋人 黒人 黒人

  10. Reflectance of Vegetation & Soil 草木 土 異なる対象物からの放射エネルギーの分布は異なる

  11. Color Image Formation（カメラ） カメラ Observer (Camera) 光源 光の反射の仕方 物体表面の材質による 物体

  12. Observer/Sensor Camera Response Eye Response Reflected light spectrum is represented by a 3 element vector ・人間の目とカメラセンサーの色知覚が異なる ・反射光のスペクトルがRGB3次元のベクトルより表現

  13. 表色系(Color System) 表色系は特定の記号を用いて、色の表示を明確に行うための一連の規定および定義からなる体系である (CIE Color Standard – 1931) CIE standardized (Commission Internationale de L’Eclairage)→　国際照明委員会

  14. X R 0.490 0.310 0.200 0.177 0.813 0.011 0.000 0.010 0.990 = Y G Z B CIE色空間 • CIEは“imaginary”光を三つ（X, Y, Z）定義

  15. Measured vs. CIE色空間 • measured basis • 単色光 • 物理的観測 • 負の部分を含む • CIEtransformed basis • イメージされた光源 • 全部正、単位面積 • Ｙは明るさ

  16. RGBとCIE色空間 CIE色空間 RGB色空間（立方体） RGB色空間 in CIE色空間

  17. 明るさと独立した色度平面内のRGB Colour Cube Chromaticity Plane 　　　色度平面 Same Color, different brightnesses

  18. HSV色空間 Saturation Value Hue

  19. Color Spaces

  20. RGB to YIQ・YUV • YIQ色空間(カラーテレビ、Used in NTSC： National Television Systems Committee) • Y：明るさ, I & Q：色 (I=red/green,Q=blue/yellow) • Y = 0.299 R + 0.587 G + 0.114 B • I = 0.596 R - 0.275 G - 0.321 B • Q = 0.212 R - 0.528 G + 0.311 • YUV色空間（デジタルビデオカメラ、1982 standard） • Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B • U = 0.492(B – Y) • V = 0.877(R – Y)

  21. X = x X X+Y+Z Y = y Y X+Y+Z Z = z Z X+Y+Z x+y+z = 1 CIE色度図 ３次元のCIE色空間内の色を２次元に変換し、表現：　 y xy色度図 x

  22. カラーデバイスとCIE色度図の比較

  23. ●観測者は刺激光を参考光に何回も繰り返し等色する実験より測定●観測者は刺激光を参考光に何回も繰り返し等色する実験より測定 色弁別(Color Discrimination) 色弁別：色の違いを見つけること；

  24. 等色実験 図の中のI, IIは 白色拡散反射面であり、 Iには3原色光を濃度 フィルタを通して照射し、 IIには試料光を照射する ●RGBの量を適当に調整し、 I，IIの色がまったく一致した時等色された ●明るさも一致していなければならない

  25. ●刺激光は参考光の周りにばらつく ●そのばらつきの標準偏差を求め10倍して表示 ●CIE色度図の上方の緑色の部分の楕円は極めて大きく、左下の青紫の部分の楕円は極めて小さい ●人間の色に対する弁別能力が、色度図上の位置によって大きく異なる 色弁別(Color Discrimination)

  26. 均等色度図 ●色度図の座標変換を行って、色度図上のどの部分においても、標準偏差の楕円は大きさが等しい円として示されるようになれば、色度の視覚差がどこでも均質なものとなる ●このようにして得られる色度図が均等色度図(Uniform Chromaticity Scale Diagram, UCS Diagram)である

  27. CIE1960UCS色度図 ●CIE1960UCS色度図（xy色度図）への座標変換は次式より行われている u = 4x / (-2x+12y+3); v = 6y / (-2x+12y+3) ●3刺激値X, Y, Zを用いれば u = 4X / (X+15Y+3Z); v = 6Y / (X+15Y+3Z) となる ●利点：式で簡単に計算できる 　 欠点：完全に均一になっていない 　　　→楕円は円に近いが、円になっていない

  28. 均等色空間（D.Farnsworth 1957） 心理実験より

  29. 混色 ●混色：二つの色を混合して別の色を生ずること ●加法混色： 二つの色光を同一スクリーン上に重ねて投影したときに別の色が生ずるような混色●減法混色： 光源とスクリーンの間に色フィルタ・他の吸収媒質を置き、その重ね合わせによって別の色を生じさせるような混色

  30. Additive (RGB) 加法混色 カラーテレビジョン カラー画像表示は、加法混色の原理に基づく 加法混色の3原色：赤（R）、緑（G）,青（B）が用いられる

  31. 減法混色・補色 減法混色では、RGBの補色(Complementary Color）、シアン（C）、マゼンタ（M）、黄（Y）を3原色として用いる 補色:二つの色光を加えて白色になる場合、それら二つの色光は互いに補色の関係がある カラープリントの場合は、減法混色の原理に基づいて色を再現している

  32. Subtractive (CMYK) 減法混色 ●カラープリントは、シアン（C）、マゼンタ（M）、黄（Y） 　３層の色からカラー画像を構成 ●カラープリントに入射した光は、 C層でRを、M層でGを、Y層でBを吸収する ●反射光として我々の目に入り、カラー画像として知覚される

  33. Color Image Formation（物体） Observer (Camera) カメラ 照明光源 物体 光の反射の仕方は物体表面を形成する材質に依存する

  34. Body Reflected Light(object color) Surface Reflected Light(light source color) Dichromatic Reflection Model（2色性反射モデル）ー絶縁体材料 Incident Light Material surface Absorption（吸収） Scattering（散布） Colorant（着色剤） 物体からの反射光が２つの反射成分の組合わせで記述できることを仮定している

  35. Example Reflectance of Skin From [Anderson and Parrish]

  36. B RGBbody RGBbody+a RGBsurface R RGBsurface G 同じ素材のRGBは同じ平面に存在 ●For smalla the camera RGB will be in the ‘body’ direction ●As abecomes large so the RGB moves towards the ‘surfface’ direction

  37. B RGBbody R RGBsurface 2色平面 G 2色平面（Dichromatic Plane） 反射されたRGBは RGBbody+aRGBsurface必ず“body”RGBと“surface”RGBの間にある RGBs outside this plausible (striped) region can only occur if we have negative body or surface contributions. We cannot since light is a positive quantity

  38. Measurement in RGB Space 材質の推定に関する研究が可能

  39. Fixed color of light Fixed viewing angle Fixed lighting geometry Seeing Color Image ●画像内の物体の色は照明光源、物体、カメラ３者の幾何関係と物体表面の材質に応じて変化 • 光源の幾何関係(shading) • 光源の色

  40. n n e2 e1 q q 光源の幾何関係1:光源の位置 暗い 明るい 光源は物体表面の法線方向に近いほど、画像の色が明るくなる

  41. e1 + e2 光源の幾何関係2:マルチ光源 マルチ光源 有効光源 n n e1 e2 マルチ光源は一つの有効光源に等価することも可能 光源が多いほど、画像の色が明るくなる

  42. 光のモデルの概念 • 光のモデル • 物体に光が当たることによって物体の色（輝度）が決まる • 光を種類に分けて考える • 環境光 • 反射光 • 拡散反射光 • 鏡面反射光 • 透過光 光のモデル基礎と応用

  43. それぞれの光源からの光（局所照明） 大域照明 各係数の和は１ 光のモデルの計算式 • 輝度の計算式 • 全ての光による影響を足し合わせることで、物体上の点の輝度が求まる 環境光 拡散反射光 鏡面反射光（局所照明） 鏡面反射光（大域照明） 透過光

  44. : source brightness : surface albedo (reflectance) : constant (optical system) Shape From Shading

  45. 陰影から３D形状復元の例 入力画像 復元された３Ｄ形状

  46. 画像の色が光源色に依存 Macbeth color checker タングステン電球 白色蛍光灯 Daylight Tungsten Redder

  47. 光源色の補正 Illuminant Color Tungsten Macbethcolor checkerと一致 照明が何に？ Color Correction 元の照明光源の色が分かれば、 照明による画像の色変化が校正・除外できる

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