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Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Immagini Digitali

Rivelazione e registrazioneI dispositivi

2 Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Rivelazione e registrazione

È il processo di rivelazione e registrazione che “ferma” l’immagine su un supporto adatto agli usi successivi

L’acquisizione di un’immagine digitale deve produrre come risultato un’immagine numerica su un supporto accessibile da parte di un dispositivo di calcolo

Tecnologie principali:

FOTOCHIMICHEFOTOCHIMICHE

OPTOELETTRONICHEOPTOELETTRONICHE

ex: pellicola fotografica

ex: telecamera + dispositivo di memoria


Rivelazione e registrazione

LetturaLettura(scansione/ripresa)(scansione/ripresa)

trasduzione o rivelazione

campionamento

quantizzazioneScritturaScrittura(memorizzazione)(memorizzazione)


La La fotografia digitalefotografia digitale utilizza numerosi dispositivi di acquisizione e trattamento, basati su utilizza numerosi dispositivi di acquisizione e trattamento, basati su differenti tecnologie: i differenti tecnologie: i sensori CCD sensori CCD oo CMOS CMOS delle telecamere, delle fotocamere e degli delle telecamere, delle fotocamere e degli scanner per creare e leggere le immagini, i scanner per creare e leggere le immagini, i monitormonitor per visualizzarle, le per visualizzarle, le stampantistampanti per per ottenere le copie su carta.ottenere le copie su carta.

I dispositiviI dispositivi


CMOS

I sensori CMOS e CCDI sensori CMOS e CCD

I sensori allo stato solido, fabbricati su silicio ed altri wafers (microprocessori o chips), sono stati sviluppati a partire dai primi anni '70. Essendo molto piccoli (pochi mm2), compatti e maneggevoli, hanno avuto subito grande sviluppo. Producono cariche elettriche quando sono colpiti dalla luce. In campo fotografico hanno trovato applicazione i CMOS e i CCD.

Le fotocamere provviste di CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductors), meno sensibili dei CCD e più rumorosi, non sonoancora adatte alla fotomicrografia. La tecnologia CMOS è in fase di sviluppo e sicuramente migliorerà.


I sensori CCDI sensori CCD

I CCD (Charge-Coupled Devices) sono tipici sensori video che equipaggiano praticamente tutte le videocamere e le camere digitali attuali di buon livello. Non solo sono piccoli e permettono di costruire camere miniaturizzate, ma hanno un consumo estremamente ridotto.

Il sensore CCD è una lastrina di silicio a più strati (wafer a semiconduttori) ed è suddiviso, come un mosaico, in centinaia di migliaia o milioni di “tessere” microscopiche quadrate o rettangolari o, in alcuni casi, di altra forma, note come “photosites”o “photodiodi” o anche, impropriamente, come pixel.

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Quando un flusso di fotoni colpisce uno di questi fotodiodi e penetra nella sua struttura di silicio, dagli atomi di questo elemento vengono rilasciate cariche elettriche (elettroni) in quantità proporzionale all’intensità della luce che ha colpito il CCD.

La corrente elettrica che si genera è un segnale analogico in quanto varia proporzionalmente (cioè in modo analogo) alla quantità di luce che ha colpito il sensore.

FOTODIODIFOTODIODI

ELETTRONI LIBERATIELETTRONI LIBERATI

LUCELUCE

STRATO DI SILICIOSTRATO DI SILICIO

FILTRI RGBFILTRI RGB

ELETTRODIELETTRODI


CCD lineareCCD lineareCCD lineareCCD lineare

CCD ad area o a matriceCCD ad area o a matriceCCD ad area o a matriceCCD ad area o a matrice


Nel sensore, i fotodiodi possono essere disposti in fila (Nel sensore, i fotodiodi possono essere disposti in fila (CCD CCD linearelineare) oppure a formare una superficie rettangolare () oppure a formare una superficie rettangolare (CCD ad CCD ad area o a matricearea o a matrice).).


Il CCD lineare al microscopio

I CCD lineariI CCD lineari

I CCD lineari hanno elevata risoluzione e registrano l’immagine effettuando la scansione della superficie dell’oggetto: in pratica un motore sposta la fila di CCD passo passo facendogli leggere l’intera superficie.


.. ..CCD LINEARECCD LINEARE

FILTRI RBGFILTRI RBG

I CCD lineariI CCD lineari

I fotodiodi rispondono solo alla luce, ma non alle sue lunghezze d’onda, cioè ai colori. Questa funzione viene ottenuta sovrapponendo a ciascun fotodiodo un filtro rosso, verde o blu (colori primari). A questo punto il CCD può essere paragonato all’occhio umano.

Se si accostano tre sensori a CCD lineari, ciascuno provvisto di un diverso filtro RGB, è possibile effettuare una scansione su un oggetto colorato in un unico passaggio.


I CCD lineariI CCD lineariI CCD lineari possono però essere usati solo con oggetti fermi e in luce continua, in quanto prima viene letto un colore, poi il seguente e infine il terzo, per cui è praticamente impossibile scansire in un tempo così breve da fermare un movimento. I CCD lineari infatti sono caratteristici degli scanner scanner e delle camere digitali da studiocamere digitali da studio.


I CCD ad area o a matriceI CCD ad area o a matriceI CCD ad area o a matrice sono sensori CCD coperti da filtri RGB disposti in modo da coprire un’area rettangolare.


I CCD ad area o a matriceI CCD ad area o a matrice

Scatto singolo conScatto singolo conCCD a gruppi diCCD a gruppi diquattro fotodiodi quattro fotodiodi con filtri RGBcon filtri RGB

Nelle fotocamere digitali più semplici il sensore è formato da gruppi di quattro fotodiodi che registrano la stessa informazione con colore diverso:

1→ R 1→ B2→ G

La risoluzione finale è bassa poiché è come se il numero di fotodiodi del sensore fosse ridotto di quattro volte, e di conseguenza anche i pixel che generano.

Appositi programmi di interpolazione riempiranno in un secondo tempo i “buchi di informazione” fra le quaternedi pixel, ma questo fa diminuire le discontinuità non aumentare la non aumentare la risoluzionerisoluzione.


I CCD ad area o a matriceI CCD ad area o a matriceFotocamere migliori registrano un’immagine eseguendo 3 scatti cambiando filtro (RGB). Si ha un miglioramento della risoluzione rispetto al tipo precedente, ma ancora la ripresa a colori è possibile solo con soggetto e fotocamera immobili. Il movimento è possibile solo per le riprese in bianco e nero.

3 scatti con 3 filtri diversi 3 scatti con 3 filtri diversi (ad es. su disco rotante)(ad es. su disco rotante)

LUCE

Filtro neutro per la messa a fuoco

Matrice monocromaticaMatrice monocromatica


I CCD ad area o a matriceI CCD ad area o a matrice

Un aumento decisivo di risoluzione si ha con l’utilizzo di 3 sensori monocromatici ad area, ciascuno coperto da un filtro RGB

Tre CCD a matriceTre CCD a matricemonocromaticamonocromaticacoperti di filtri RGBcoperti di filtri RGB

PRISMA DEVIATOREPRISMA DEVIATORE((beam-splitterbeam-splitter))

LUCELUCE

Camere che possono riprendere oggetti in movimento e scattare

fotografie in rapida successione.

un sistema di prismi (beam splitter) devia ogni raggio luminoso in modo che colpisca contemporaneamente i tre sensori fotografia con un

unico scatto

tempi rapidi


Realizzazione RGBRealizzazione RGB


Filtri di coloreFiltri di coloreSTRUTTURA TRASMISSIONE

Light efficiencyLight efficiency: 0.3 × 0.8 ~ 24%ResolutionResolution: 3 sub-pixel form a pixel


Display terminologyDisplay terminology


RGB e CMYKRGB e CMYK

Una vasta percentuale dello spettro visibile può essere rappresentata miscelando luci RGB → Il modello RGB è di tipo additivoIl modello RGB è di tipo additivo

R+G+B = WSpazio Spazio RRGGBB usato per: illuminazione, video e monitor usato per: illuminazione, video e monitor

Il modello CMY si basa sulla proprietà della carta di assorbire luce: quando la luce colpisce gli inchiostri alcune l vengono riflesse, altre assorbite → Il modello CMY è di tipo sottrattivoIl modello CMY è di tipo sottrattivo

C+M+Y = K

Spazio Spazio CCMMYYKK è lo standard delle stampanti è lo standard delle stampanti

A causa delle impurità presenti negli inchiostri non si ottiene un K puro


Spazi colorimetriciSpazi colorimetrici

Le gamme RGB e CMYK non sono tutte uguali:

Ogni monitor e ogni stampante visualizzano gamme Ogni monitor e ogni stampante visualizzano gamme diversediverse

La gamma di colori prodotta da una periferica viene chiamata spazio colorimetricospazio colorimetrico

Molti sistemi di elaborazione di immagini professionali (ad es. Photoshop) danno la possibilità di incorporare informazioni relative allo spazio colorimetrico all’interno di un file


Monitor CRTMonitor CRT

Il sistema televisivo è concepito a partire dalla struttura del tubo a raggi catodici (CRT) che sintetizza il colore tramite integrazione spaziale dei fosfori RGB disposti a mosaico sullo schermo

Lo spazio colore che si utilizza è quindi costruito in base alla cromaticità delle luci emesse dai tre tipi di fosfori

Si ottiene uno spazio RGB in cui sono realizzabili solo i colori racchiusi, in un cubo i cui vertici rappresentano le coordinate cromatiche dei fosfori

L’intersezione di questo spazio con il piano R+G+B = 1 produce un triangolo che può essere rappresentato nello spazio CIEXYZ e si chiama gamutgamut del monitor


Gamut di un monitorGamut di un monitor


Gamut di coloreGamut di colore


Spazio RGB al calcolatoreLa rappresentazione del colore nei calcolatori è tipicamente pensata in funzione delle schede video che dovranno pilotare un monitor CRT e di basa sull’RGBTipica rappresentazione è il truecolortruecolor che utilizza, per comandare i 3 segnali che vanno al monitor, 3 valori a 8 bit per ogni pixel

È logico supporre, in mancanza di altre informazioni, che quando si lavora con immagini digitali al calcolatore si stia lavorando con valori acquisiti e corretti con un determinato fattore gamma

max,max, v

v

v

v

EE

LL

Nel generare immagini sintetiche per le quali è importante la percezione umana, è invece importante conoscere le trasformazioni ed eventuali correzioni operate dalla scheda video


Spazio RGB

Esistono circa 200 spazi RGB che dipendono dalle lunghezze d’onda e dagli illuminanti di riferimento

• RGB NTSC• RGB PAL• RGB ITU-R BT.709 (monitor più saturato e più usato)• Spazio S-RGB standard 1996 HP e Microsoft (http://www.w3.org/hgraphics/color/sRGB)

Lo spazio sRGB utilizza un monitor virtuale con adattamento dei fosfori correzione gamma e punto di bianco come lo standard ITU-RBT-709


Modello HSVGli spazi RGB e CMY sono stati concepiti in funzione dei dispositivi non della percezione umana

Uno spazio molto utilizzato per l’analisi delle immagini è l’HSVHSV, molto più vicino al nostro modo di “vedere” i coloriIl modello HHSSVV è una tipologia di specificazione di colore che permette di eseguire un’elaborazione di immagini per un’interfaccia con l’operatore umano.

Come gli altri spazi per la grafica, si ricava come trasformazione di uno spazio RGB indefinito per coordinate e gamma.

HH = Hue = Hue TintaSS = Saturation = Saturation SaturazioneVV = Value = Value Valore


Modello HSVGli spazi RGB e CMY sono stati concepiti in funzione dei dispositivi non della percezione umana

HH = Hue = Hue, TintaSS = Saturation = Saturation, SaturazioneVV = Value = Value, Valore

HH = Tinta vera e propria

SS = Saturazione: distanza dal grigio più vicino

VV = Valore o illuminazione: quantità di luce o di bianco di un colore


Modello HSV

HH = Hue = Hue

SS = Saturation = Saturation

VV = Value = Value

3600 H1 S 0 10 V

È una trasformazione dello spazio RGB

1BG,R,0

dove si definiscono, per ogni punto:

BGRMin

BGRMax

,,min

,,max


Modello HSV

3600 H1 S 0 10 V

Le coordinate sono allora date dalle seguenti formule:

Max

MinMaxS

MaxV

MinMaxGRMinMaxRBMinMaxBG

H

4

26

RMax

GMax

BMax


Modello HSV

saturazionesaturazione


Spazio CIELAB

Il riferimento assoluto per tutte le definizioni di colore è lo spazio CIEXYZ ma ha il grande difetto di descrivere la natura fisica del colore senza relazione con la percezione dell’osservatore

Nel 1976 per superare questo limite nasce lo spazio CIELABCIELAB che è lo standard nella pratica industriale

La prima coordinata, la Lightness (chiarezza) CIE1976Lightness (chiarezza) CIE1976, riproduce la percezione della luminosità dell’Osservatore Standard riferito ad un illuminante le cui caratteristiche sono (X(Xnn,Y,Ynn=100,Z=100,Znn) ) può essere ottenuta dalle coordinate XYZ

È, con ottima approssimazione, una scala uniformescala uniforme ed è definita nell’intervallo [0,100]


Spazio CIELABIl documento CIE 15:2004 Colorimetry definisce la chiarezza CIE 1976 in funzione del fattore di luminanza Y (che assume valori tra 0 e 1) con la seguente formula

16116 YfL*

dove il termine f(Y) è definito:16116 3

1

Y

Y

L* allora 11624

Y se

108116841

L* allora 11624

Y se

3

3

L* assume dunque valori tra 0 e 100

In pratica la formula per la chiarezza CIE 1976 è:

16Y116L* allora 0.008856Y se

Y903.296L* allora 0.008856Y se31


Spazio CIELAB

Il documento CIE 15:2004 Colorimetry definisce le due coordinate cromatiche a* e b* a partire da xn,yn e zn:

dove i termini f(xn) e f(zn) sono definiti come:

nn

nn

zfyfb

yfxfa

200

500

*

*

116

16

nx108

841xf allora

11624

x se n

3

n

3

1

nx

n

3

n xf allora 11624

x se

116

16

nz108

841zf allora

11624

z se n

3

n

3

1

nz

n

3

n xf allora 11624

z se


Spazio CIELAB

Su ogni piano a chiarezza costante si possono definire angolo di tinta (hue) e croma (saturazione)

Per le differenze di colore:

(L*,C*,h)

22 *** baC

222 **** baLE

222 hCLE ***

**

ab

arctgh

222 **** CLEH

La differenza di tinta può essere valutata con la quantità lineare H*, equivalente della quantità angolare h:

222 **** CbaH

La differenza di tinta, contrariamente all’angolo di tinta, non può mai essere indefinita


Spazio CIELAB

Basato sulla teoria dei colori opponenti di Hering che sostiene che il sistema visivo genera segnali in coppie opponenti: il giallogiallo si oppone al blublu, il rossorosso al verdeverde e il nero al bianco.


Spazio CIELAB


Quantizzazione cromaticaQuantizzazione cromatica

La risoluzione cromatica è un compresso costo/prestazioni In applicazioni tipiche della grafica non sempre è necessario avere a disposizione tutti i colori delle immagini truecolor (24 bit per pixel, 8 per ogni canale)

È possibile risparmiare spazio di memorizzazione e ridurre il carico computazionale, riducendo il numero di colori

Per ridurre il numero di livelli di colore: si usano meno bit per banda (es. 5-5-5 o 5-6-5 nel caso

dell’hicolorhicolor a 15 e 16 bit rispettivamente) si usa una look-up tablelook-up table (mappa di colori): si sceglie un

numero finito di colori (es. 256) memorizzati su una tabella ed il valore del pixel è un puntatore a tale tabella che contiene terne RGB


Selezione della Selezione della palettepalette

L’elenco dei colori disponibili è chiamato palettepalette (più comune dell’italiano paletta, comunque corretto)

Nel passato la scheda CGA aveva una palette a 4 colori, l’EGA a 16 colori fino alla “rivoluzione” della scheda VGAVGA che consentiva una palette a 256 colori

Nell’operazione di quantizzazione dei colori ha un ruolo fondamentale la scelta della palettescelta della palette

È possibile utilizzare una palette standardpalette standard che contenga un sottoinsieme dei possibili colori, scelto dividendo il cubo RGB in un numero standard di passi per ogni canale.Questa operazione può essere fatta scegliendo un passo pari a:

3 ElemN dove Elem indica il numero di elementi da inserire nella palettepalette


Selezione della Selezione della palettepalette3 ElemN

Elem = n° elementi palettepalette

N = n° passipassi

Nel caso di 256 elementi il numero di passi è uguale a 6 che porta ad una palette di 216 elementi equispaziati, mentre i restanti possono essere scelti a piacere (ad es. tonalità di rosa per meglio rappresentare la pelle)

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