2D-3D számítógépes grafika BME Építészmérnöki Kar Építészeti Ábrázolás Tanszék Előadó: Batta Imre Pixelgrafika 3. rész

Tartalom Téma: a kép paraméterei, hűséges visszaadás a látvány és kép, illetve a kép és kép között… Kép paraméterei Dinamika Gamma Gamut Fehérpont Fehéregyensúly Árnyalat-visszaadás (Tone Reproduction) Színkezelés (Color Management)

Árnyalat-visszaadás: világ / látás / kép Látvány (világ) árnyalatterjedelme: 10-6 – 108cd/m2 Csillagfény Holdfény Belsőtér Napfény 1 foton 100 000 000 cd/m2 - 6 - 4 -2 2 4 6 8 Emberi látórendszer árnyalatterjedelme: 10-6 – 106 egyidejű max. 10 000 : 1 É j s z a k a i K ö z t e s N a p p a l i pálca gyenge élesség nincs színlátás pálca & csapok csapok jó élesség jó színlátás LCD képernyő árnyalatterjedelme sötétben max.1000 : 1, 256 lépcső Az emberi szem max dinamikája 10 000 : 1, de az időbeni adaptáció, pupilla, receptortípus-váltás stb. segítségével max. 100 000 000 : 1 dinamikájú látvány érzékelésére képes. Ugyanakkor a megjelenítők (fotó, képernyő, vetítő) dinamikus tartománya rögzített, szűk, és az árnyalatok száma sem korlátlan. Pl. az LCD képernyők dinamikája ez idő szerint 1000 : 1 (0.5 -500 cd/m2). Feketeszint 0.5 cd/m2 300 cd/m2 Fénykép árnyalatterjedelme pl. belső térben max.100 : 1, 500 lépcső Feketeszint ρ=0.1% 0.9 %

Árnyalatterjedelem (dinamika) A vizuális rendszerek (érzékelők, rögzítők, adattovábbítók, megjelenítők) minőségét jellemző két tulajdonság: Árnyalatterjedelem az érzékelhető ill. megjeleníthető legvilágosabb és legsötétebb látványelem ill. képelem fénysűrűségének aránya. Lmax / Lmin Az emberi látórendszer 10 nagyságrend fénysűrűség tartományt képes érzékelni, de nem egyidejűleg. Az érzékelhető árnyalatterjedelem az adaptáció következtében dinamikusan változik (Dynamic Range). Egyidejű max. 4 nagyságrend. Árnyalatszám az árnyalatterjedelmen belül érzékelhető, megjeleníthető árnyalatkülönbségek száma. Természetesen függ az árnyalat terjedelemétől. Csillagfény 2 4 6 8 -2 - 4 - 6 Holdfény Belsőtér Napfény Média Dinamika Árnyalatszám Világ (látvány) 1012 ∞ Látás 1010 Látás egyidejűleg 104 200 Dia 1000 700 Plazma 256 LCD 400-600 CRT 50 – 200 400 – 530 Fénykép 100 465 Ff. nyomat krétázott papíron Sz. nyomat krétázott papíron 50 400 Napilap f/h 10 234

Árnyalatterjedelem kihasználása b) c) d) e) f) Árnyalatterjedelem (dinamika) és az árnyalatszám viszonya a) Teljes dinamika; b) Széles dinamika, sok árnyalat; c) Széles dinamika, kevés árnyalat; d) Szűk dinamika, sok árnyalat; e) Szűk dinamika, kevés árnyalat; f) Szűk dinamika, kevés árnyalat.

Árnyalatterjedelem kihasználása Georges de LaTour (1592-1652) Krisztus az ácsműhelyben.

Árnyalatterjedelem kihasználása Georges de LaTour (1592-1652) Szent József álma.

Gamma korrekció – 5/1 Gamma korrekció: a CRT képernyők fénysűrűség lépcsőinek átosztása a videojel (tk. a vezérlőfeszültség) előtorzításával, hogy a szemünkben egyenlő közű világosság-érzet különbségek keletkezzenek. Az előtorzítás hatványfüggvény szerint történik, mert szerencsére(?)… ● a vezérlőfesz./ fénysűrűség növekedés, ● és a fénysűrűség / világosság-érzet növekedés is… hatványfüggvény szerint alakul, a kitevő: gamma és 1/gamma. L = V y Az alacsony foton szám következményei. A négy rajz egyre növekvő megvilágítással 400 retina receptort illusztrál. Ahhoz, hogy a körrel jelzett terület világosság különbsége érzékelhető legyen, logaritmikusan növekvő számú fonton szükséges. Pirenne, 1967 alapján. Fénysűrűség + = L’ = V 1 y Feszültség (Volt) Világosság

Gamma korrekció – 5/2 Ferenczy Károly (1862-1917): Kavicsdobáló fiuk Adott adaptációs szinten a szem a sötét részletekben kevesebb, a világos részletekben több árnyalatot különböztet meg. A világosság érzet egyenletes növekedéséhez tehát hatványfüggvény szerint (kitevő: 1/gamma) növekvő fénysűrűség szükséges.

Gamma korrekció – 5/3 A gamma korrekció mértékét tehát három tényező határozza meg! 1. A lineárisan növekvő videojel ill. vezérlőfeszültség hatványfüggvény szerint (kitevő: gamma) növeli az RGB képpontok fénykibocsátását (fénysűrűségét). A gamma korrekció (kitevő: 1/gamma) lineárissá teszi a fénykibocsátás növekedést. 2. A lineárisan növekvő fénykibocsátás még hatványfüggvény szerint (kitevő: gamma) növeli világosság-érzetet. A gamma korrekció (kitevő: 1/gamma) túlemeli a fénykibocsátás növekedést, hogy a világosság-érzet emelkedés lineáris legyen. 3. A sötét háttér (pl. mozi) csökkenti a kontraszt-és a színérzékenységet*, ezért a sötét részletek megkülönböztetéséhez, a sötét színek élénkségének visszaadásához nagyobb fénysűrűség lépcsőkre van szükség. A gamma korrekció (kitevő: 1/gamma) tovább emeli a fénykibocsátás növekedést, hogy a világosság-érzet emelkedés lineáris legyen. * Bartleson-Breneman, Hunt és Stevenson hatások (V) Videojel (mV) (L) Fénysűrűség (cd/m2) Világosság-érzet 1 700 mV 255 1

Gamma korrekció – 5/4 Videokamera Grafikus kártya LUT Gamma korrekcióra tehát akkor is szükség van, ha a megjelenítő eszköz fénykibocsátás növekedése lineáris! A videojel gamma korrekciójának helye: videokamera, grafikus kártya, képernyő. Videokamera Előtorzítás a kamerában, a videó-TV lánc kiindulópontjában: így olcsóbb elektronika a Tv készülékekben, jobb jel/zaj viszony az adattovábbításban (kevesebb sötétzaj). Grafikus kártya LUT Előtorzítás a számítógép videó-memória kereső táblájában (LUT – Look Up Table). Az Op-rendszer kezeli. Módosítható… (a) képernyő tulajdonságként (Display Properties / Settings/ Advanced Setup), ekkor a változtatások a felhasználói felület (Graphical User Interface, GUI) minden ablakában érvényesülnek. (b) grafikus képszerkesztő program képernyő beállításaival vagy ICC színprofillal, ekkor a változtatások csak a képszerkesztő ablakban érvényesülnek. Pc képernyő, projektor, TV Utólagos gamma szabályozás finom beállítás céljából. Vigyázat megváltoztatja a képernyő színeit is!

Képfájl utánállítás: kontraszt vagy gamma? Gamma korrekció – 5/5 Képfájl utánállítás: kontraszt vagy gamma? Kontraszt (Contrast) tk. fénysűrűség szabályozás. Világosság (Brightness) tk. feketeszint szabályozás. Gamma fénysűrűség lépcsők átosztása. A kontraszt és a fényerő szabályozás lineáris, a világos illetve sötét színek feltorlódnak, a kép kiég illetve elfeketedik. A kép világosságának növelésére vagy csökkentésére használjuk inkább a nem lineáris gamma korrekciót! CRT monitor Szoftver Gamma Volt 0,0,0 0,0,0 0,0,0 λ λ λ Volt 0,0,0 0,0,0 0,0,0 λ λ λ Felső sor: kontraszt növelés és gamma (< 1) korrekció összehasonlítása. Alsó sor: fényerő csökkentés és gamma (> 1) korrekció összehasonlítása.

Fehér pont (White point) A fehér pont (legvilágosabb pont) beállítással maximalizálható a rendelkezésre álló képdinamika terjedelme, azaz a legsötétebb és legvilágosabb képpont közötti kontraszt és árnyalatszám. A látvány kiválasztott pontja a képen fehér színű lesz (RGB 1,1,1). A fehér pont beállításra a szkennereknél és professzionális digitális kameráknál van lehetőség. A pixelképen a legvilágosabb pont utólag is módosítható. Az Equalize (automatikus kiegyenlítés) parancs a képdinamikát a rendelkezésre álló terjedelmen belül (RGB 0,0,0 – 1,1,1) arányosan széthúzza. Az eredményt az un. hisztogrammal ellenőrizhető. (A legvilágosabbnak választott színt kör jelöli.) Szinyei-Merse Pál ( 1845-1920) Rózsi, a művész lánya.

Fehér egyensúly (White balance) Az emberi látás adaptálódik a megvilágítás színösszetételéhez, az anyagok tanult színét bizonyos határok között kiegyensúlyozatlan megvilágításban is ugyanolyannak érzékeli. A képek színeit viszont csak akkor tartjuk természetesnek, ha az emberek, tárgyak stb. megvilágítása fehér (napfény) színű. Az ideális mesterséges fényforrás a napfény spektrális teljesítmény-eloszlását közelíti, amely a látható fényből minden hullámhosszúságú sugárzást tartalmaz. A gyakorlatban használt fényforrások hullámhossz összetétele nem egyenletes, a színük a kékes, zöldes, sárgás, vöröses irányba tolódik. A képrögzítő eszközök (pl. filmemulzió, szenzor) spektrális érzékenységét az adott fényforrás színösszetételéhez kell igazítani. A korrekció kiindulópontja a látvány fehér színű felületei, mivel a fényforrások elszínező hatása a világos telítetlen színű részleteken a legfeltűnőbb. A korrekció eredményeképpen a fehér ismét fehér színű (színtelen) lesz, viszont a telített színek torzulhatnak. Látvány fehér fényben Látvány sárgás fényben Kék színszűrős korrekció

2D-3D számítógépes grafika Árnyalat-visszaadás

Árnyalat-visszaadás A képhelyreállítás (Image Restoration) és a képfokozás (Image Enhancement) célja olyan képek kijavítása, amelyeknek az árnyalatai a felvétel, adatátvitel, tárolás stb. során összeestek, elvesztek vagy eltorzultak, tehát többnyire a kontraszt növelése. Ezzel szemben… Az árnyalat-visszaadás, más néven árnyalatátosztás (Tone Reproduction, Tone Mapping) feladata a látvány hűséges visszaadása a képrögzítők (kamera) és megjelenítők (fénykép, nyomat, képernyő stb.) korlátozott árnyalatterjedelmével. A hűséges visszaadás azt jelenti, hogy a kép hasonlítson a látványhoz, felidézze az emberi látórendszer (Human Visual System) által létrehozott belső képet. Ehhez az szükséges, hogy… (1) a képrögzítés érzékenység tartománya elérje az emberi látás teljes árnyalat-terjedelmét, (látvány világ fénysűrűsége 10 nagyságrendet fog át). A többszörös visszaverődést számoló radiosity / particle trace / mental ray árnyalások ilyen képet eredményeznek. (2) az árnyalatterjedelem csökkentés vegye figyelembe az emberi látás különböző megvilágításnál változó sajátosságait (élesség, szín- és kontrasztérzékenység stb.) A képrögzítés érzékenységi tartományának növelése a fényképezéssel kezdődött. A digitális képrögzítés új fejleménye a nagy árnyalatterjedelmű kép technológia (High Dynamic Range Image, HDRI). A fejlesztést a légi- és műholdas távérzékelésen kívül a filmipar (Lucasfilm-Pixar, Industrial Light & Magic) támogatja, mert szükséges a hagyományos filmes és digitális képrögzítéssel ill. árnyalással készült képek egyesítéséhez.

A látás változó paramétereinek szemléltetése: Árnyalat-visszaadás A látás változó paramétereinek szemléltetése: Baloldali kép: az adaptálódó szem látásélességének (acuity) és színérzékenységének alakulása különböző erősségű megvilágításnál (napfény, belsőtér, holdfény, csillagfény). Jobboldali kép: világosra adaptálódás fázisai. A fénykülönbség 0.1 - 5623 cd/m2. Időtartam 0 – 75 sec. Jobboldali kép: sötétre adaptálódás fázisai. A fénykülönbség 1412 - 0.1 cd/m2. Időtartam 0 – 75 sec. Ferwerda, Pattanaik, Shirley, Greenberg: A Model of Visual Adaptation for Realistic Image Synthesis,

Árnyalat-visszaadás fényképen Film árnyalat- terjedelme Fényképészet szokásos eszközei az árnyalatterjedelem növelésére: ● filmérzékenység / expozíciós idő / rekesznyílás; (a választható értékek duplázzák vagy felezik az érzékenységét, ill. a filmre eső fénymennyiséget, lásd a táblázatot.) ● zónarendszer: beállítás a 18 %-os sűrűségű (log 0.5 reflektancia) mintára. ● negatív-pozitív előhívás; ● fotópapír gradáció; ● pozitív kép lokális sötétítése-világosítása (burning-dodging). Régi különleges eljárások: ● felvétel nagy és kis érzékenységű negatívval (Otto Kühn, sinográfia) ● két felvétel, az egyik az árnyékra és a középtónusokra, a másik a fényekre exponálva (Otto Fielitz). 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 3% 18% 90% ASA/DIN filmseb. 50/18 100/21 200/24 400/27 800/30 Zársebesség (sec) 1 1/2 1/4 1/8 1/16 1/32 (30) 1/64 (60) 1/128 1/256 1/512 1/1024 Rekesz (f/Ø) 32 22.6 16 11.3 8 5.6 4 2.8 2 1.4

Árnyalat-visszaadás Ansel Adams (1902-1984): rövid expozícióval (Low Key) és hosszú expozícióval (High Key) technikával készült két fényképe

Digitális árnyalat-visszaadás Megjelenítés Árnyalat leképző operátor Képernyő korlátozott képességekkel Megfigyelő Látvány Vizuális összehasonlítás Megfigyelő Valóság Lineáris leképzés, alulexponált Lineáris leképzés, túlexponált Átosztott leképzés Ward Larson, Rushmeier, Piatko: A Visibility Matching Tone Reproduction Operator for High Dynamic Range Scenes, IEEE Transactions On Visualization And Computer Graphics, 1997.

FujiFilm Super CCD SR II sensor (Kamera: Finepix S3 Pro) Árnyalat-visszaadás Valódi vagy szintetikus látvány árnyalat-visszaadása három lépésben: 1. Teljes árnyalatterjedelem digitális rögzítése: ■ különböző expozíciós időkkel (Auto Exposure Bracketing, AEB), ■ speciális szenzorral (pl. Fuji Finepix S3 Pro digitális kamera), ■ radiosity / particle trace / mental ray árnyalással. FujiFilm Super CCD SR II sensor (Kamera: Finepix S3 Pro)

Valódi vagy szintetikus látvány árnyalat-visszaadása három lépésben: 2a. HDR kép kiszámítása ■ Egyszerűsített felvétel-keverés (Exposure Blending): különböző expozíciós időkkel készült felvételek egyesítése, a sötét és világos részek kiegyenlítése. ■ HDR számítás (Tone Mapping): a különböző expozíciós időkkel készült felvételekből, az expozíciós időkülönbségek alapján a látvány teljes árnyalatterjedelmének rekonstruálása. 2b. HDR kép tárolása HDRI fájlformátumokkal… ■ .tiff: LogLuv TIFF (WardLarson) ■ .exr: OpenEXR (Industrial Light & Magic) ■ .hdr: radiance RGBE (WardLarson) ■ .???: scRGB (Microsoft/HP) Digitális támogatás Színmélység Dinamika 12-bit CCD 36 4.096 : 1 14-bit CCD 42 16.384 : 1 16-bit TIFF 48 65.536 : 1 HDRI formátumok 96 végtelen

Árnyalat-visszaadás 3. Árnyalatátosztás (Tone Mapping) Valódi vagy szintetikus látvány árnyalat-visszaadása három lépésben: 3. Árnyalatátosztás (Tone Mapping) a megjelenítők a korlátozott árnyalat-terjedelméhez igazítva: ■ kép egészén, ■ részletekben változó módón (mint a lokális sötétítés-világosítás a fényképészeti nagyításnál), ■ szem adaptációjához igazodva időben. HDRI szerkesztők: ■ Photomatix, http://www.hdrsoft.com ■ HDRShop, http://gl.ict.usc.edu/HDRShop/ ■ Photogenics.HDR, http://www.idruna.com ■ PhotoShop CS2, http://www.adobe.com ■ OpexEXR, http://www.openexr.com ■ Artizen, http://www.supportingcomputers.net/ Render ■ Exposure control, OpenEXR, IL&M

Árnyalat-visszaadás Expozíciós idő: 1/750 sec., blende: f/6.7, ISO: 100 Expozíciós idő: 1/180 sec., blende: f/6.7, ISO: 100 Fotók: Jacques Joffre, kamera: Canon EOS-1D Mark II HDR kép készült Photomatix szoftverrel (www.hdrsoft.com) Luminosity: 0, Strength: 60%, Color saturation: 80%, White clip: 4.2, Black clip: 0.02 Expozíciós idő: 1/45 sec., blende: f/6.7, ISO: 100

Árnyalat-visszaadás Felső sor: az árnyalat-visszaadás alapjául szolgáló fotósorozat (16 db kép). Alsó sor: árnyalatátosztás (Tone Mapping) három módszerrel: 1. Ward-Larson, 2. Fattal, 3. Durand, Dorsey.

Árnyalat-visszaadás radiosity / MCPT árnyalással MCPT, Monte-Carlo Path Tracing Lineáris leképzés Naiv hisztogram kiegyenlítés Hisztogram hangolás lineáris felső határral Ward Larson, Rushmeier, Piatko: A Visibility Matching Tone Reproduction Operator for High Dynamic Range Scenes, IEEE Transactions On Visualization And Computer Graphics, 1997. Fig. 8. Rendering of a bathroom model mapped with a linear operator. Fig. 9. Naive histogram equalization allows us to see the area around the light sources, but contrast is exaggerated in other areas, such as the shower tiles. Fig. 10. Histogram adjustment with a linear ceiling on contrast preserves both lamp visibility and tile appearance. Fig. 14. The dimmed bathroom scene mapped with the function shown in Fig. 13. Fig. 15. Our tone reproduction operator for the original bathroom scene with veiling luminance added. Fig. 16. Our dimmed bathroom scene with tone-mapping using human contrast sensitivity, veiling luminance, and mesopic color response. Fátyolosságot adó megvilágítás Fátyol kiegészítés Kontraszt- és színcsökkentés és fátyol alacsony megvilágításnál

Árnyalat-visszaadás Árnyalatátosztó operátorok (gyűjtés): Linear Dynamic Max (Artizen) Exponential Fattal Lock05 (Artizen) Lock06 (Artizen) Mean Value Photoreceptor (Artizen) Reinhard Schlick Stockham 100+ Every Filter (Artizen) Details Enhancer (Photomatix) Tone Compressor (Photomatix) Eredeti Fotóreceptor Fattal Reinhard http://www.supportingcomputers.net/Applications/Artizen/Gallery.htm Schlick Stockham

Előre a múltba Szerző: Doug DeCarlo

2D-3D számítógépes grafika Színkezelés (Color Management)

Színkezelés Feladat: Árnyalat-visszaadás: transzformációk a látvány (valóság) – kép között. Színkezelés (Color Management): transzformációk különböző médiák, tehát kép – kép között. Paraméterek Feketeszint Fehérpont Fehér szín (fehér egyensúly) Világosság-árnyalat átosztás (gamma korrekció) Színárnyalat átosztás (gamut átosztás) Eljárások Eszközök kalibrálása Kép(fájl) módosítása: véglegesen, fájlhoz csatolt módosító tényezőkkel, un. színprofillal.

Gamut a CIELab színingertérben Nyomdai gamut Monitor gamut Forrás: ICC

Színkezelés Profil összekapcsoló tér V 4.0 Szkenner Digitális videó - kamera Analóg TV - videó Számítógép monitor Általános (Generic) Bementi profil Bementi profil Bementi profil Bementi profil Bementi profil Profil összekapcsoló tér V 4.0 Kimeneti profil Kimeneti profil Kimeneti profil Kimeneti profil Kimeneti profil Nyomtató Nyomdagép Analóg TV - videó WEB szg. monitor Általános (Generic)

Színkezelési szándékok CMY nyomtató CMY nyomtató CMY nyomtató L* Világosság L* Világosság RGB képernyő RGB képernyő RGB képernyő a*b* Króma a*b* Króma a*b* Króma ICC Abszolút Média relatív Perceptuális http://www.drycreekphoto.com/tools/printer_gamuts/gamutmodel.html http://www.colour.org/tc8-03/

© Batta Imre, 2006 www.star.bme.hu -1,5