Escala de grises

Profundidad del color
Monocromo de 1 bit Escala de grises de 8 bits Color de 8 bits Color de 15 o 16 bits (color de alta densidad) Color de 24 bits (color verdadero) Color de 30, 36 o 48 bits (color profundo)
Relacionados
Color indexado Paleta Modelo de color RGB Color seguro para la Web
v t mi

En fotografía digital , imágenes generadas por computadora y colorimetría , una escala de grises o imagen es aquella en la que el valor de cada píxel es una sola muestra que representa solo una cantidad de luz ; es decir, lleva solo información de intensidad . Las imágenes en escala de grises, una especie de monocromo en blanco y negro o gris , se componen exclusivamente de tonos de gris . El contraste varía desde el negro en la intensidad más débil hasta el blanco en la más fuerte.^[1]

Las imágenes en escala de grises son distintas de las imágenes en blanco y negro de dos tonos de un bit, que, en el contexto de las imágenes por computadora, son imágenes con solo dos colores : blanco y negro (también llamadas imágenes de dos niveles o binarias ). Las imágenes en escala de grises tienen muchos tonos de gris en el medio.

Las imágenes en escala de grises pueden ser el resultado de medir la intensidad de la luz en cada píxel de acuerdo con una combinación ponderada particular de frecuencias (o longitudes de onda) y, en tales casos, son monocromáticas propiamente dichas cuando solo una frecuencia (en la práctica, una banda estrecha de frecuencias) ) Está capturado. En principio, las frecuencias pueden ser de cualquier lugar del espectro electromagnético (por ejemplo , infrarrojos , luz visible , ultravioleta , etc.).

Una imagen colorimétrica (o más específicamente fotométrica ) en escala de grises es una imagen que tiene un espacio de color en escala de grises definido , que asigna los valores de muestra numéricos almacenados al canal acromático de un espacio de color estándar, que a su vez se basa en las propiedades medidas de la visión humana .

Si la imagen en color original no tiene un espacio de color definido, o si no se pretende que la imagen en escala de grises tenga la misma intensidad acromática percibida por el ser humano que la imagen en color, entonces no existe un mapeo único de dicha imagen en color a una imagen en escala de grises.

Representaciones numéricas [ editar ]

Una imagen de muestra en escala de grises

La intensidad de un píxel se expresa dentro de un rango dado entre un mínimo y un máximo, inclusive. Este rango se representa de manera abstracta como un rango de 0 (o 0%) (ausencia total, negro) y 1 (o 100%) (presencia total, blanco), con cualquier valor fraccionario en el medio. Esta notación se utiliza en trabajos académicos, pero esto no define qué es "negro" o "blanco" en términos de colorimetría . A veces, la escala se invierte, como en la impresión, donde la intensidad numérica denota la cantidad de tinta que se emplea en medios tonos , donde el 0% representa el papel blanco (sin tinta) y el 100% es un negro sólido (tinta completa).

En informática, aunque la escala de grises se puede calcular a través de números racionales , los píxeles de la imagen generalmente se cuantifican para almacenarlos como enteros sin signo, para reducir el almacenamiento y el cálculo necesarios. Algunos de los primeros monitores de escala de grises solo pueden mostrar hasta dieciséis tonos diferentes, que se almacenarían en forma binaria utilizando 4 bits . Pero hoy en día, las imágenes en escala de grises (como las fotografías) destinadas a la visualización (tanto en pantalla como impresas) se almacenan comúnmente con 8 bits por píxel muestreado. Esta profundidad de píxel permite registrar 256 intensidades diferentes (es decir, tonos de gris) y también simplifica el cálculo, ya que se puede acceder a cada muestra de píxel individualmente como un byte completo.. Sin embargo, si estas intensidades se espaciaran por igual en proporción a la cantidad de luz física que representan en ese píxel (llamada codificación lineal o escala), las diferencias entre los tonos oscuros adyacentes podrían ser bastante notables como artefactos de bandas , mientras que muchos de los tonos más claros sería "desperdiciado" codificando una gran cantidad de incrementos perceptualmente indistinguibles. Por lo tanto, los tonos generalmente se distribuyen uniformemente en una escala no lineal comprimida con gamma , que se aproxima mejor a los incrementos perceptuales uniformes para los tonos oscuros y claros, lo que generalmente hace que estos 256 tonos sean suficientes (apenas) para evitar incrementos notables.

Los usos técnicos (por ejemplo, en imágenes médicas o aplicaciones de detección remota ) a menudo requieren más niveles, para hacer un uso completo de la precisión del sensor (típicamente 10 o 12 bits por muestra) y para reducir los errores de redondeo en los cálculos. Dieciséis bits por muestra (65.536 niveles) es a menudo una opción conveniente para tales usos, ya que las computadoras administran palabras de 16 bits de manera eficiente. Los formatos de archivo de imagen TIFF y PNG (entre otros)admite la escala de grises de 16 bits de forma nativa, aunque los navegadores y muchos programas de imágenes tienden a ignorar los 8 bits de orden bajo de cada píxel. Internamente para la computación y el almacenamiento de trabajo, el software de procesamiento de imágenes generalmente usa números enteros o de coma flotante de tamaño 16 o 32 bits.

Conversión de color a escala de grises [ editar ]

Una foto en color convertida a escala de grises

La conversión de una imagen en color arbitraria a escala de grises no es única en general; las diferentes ponderaciones de los canales de color representan efectivamente el efecto de filmar películas en blanco y negro con filtros fotográficos de diferentes colores en las cámaras.

Conversión colorimétrica (preservación de la luminancia perceptiva) a escala de grises [ editar ]

Una estrategia común es utilizar los principios de fotometría o, más ampliamente, colorimetría para calcular los valores de la escala de grises (en el espacio de color de la escala de grises de destino) para tener la misma luminancia (luminancia técnicamente relativa) que la imagen en color original (de acuerdo con su espacio de color ). ^[2]^[3] Además de la misma luminancia (relativa), este método también asegura que ambas imágenes tendrán la misma luminancia absoluta cuando se muestren, como se puede medir con instrumentos en sus unidades SI de candelas por metro cuadrado , en cualquier área dada de la imagen, puntos blancos iguales. La luminancia en sí se define utilizando un modelo estándar de visión humana, por lo que la preservación de la luminancia en la imagen en escala de grises también preserva otras medidas de luminosidad perceptiva , como $L *$ (como en el espacio de color CIE L ab de 1976 ) que está determinada por la luminancia lineal $Y$ en sí mismo (como en el espacio de color CIE 1931 XYZ ) al que nos referiremos aquí como $Y lineal$ para evitar cualquier ambigüedad.

Para convertir un color de un espacio de color basado en un modelo de color RGB comprimido con gamma (no lineal) típico en una representación en escala de grises de su luminancia, la función de compresión de gamma debe eliminarse primero mediante la expansión de gamma (linealización) para transformar la imagen en un espacio de color RGB lineal. , de modo que se pueda aplicar la suma ponderada adecuada a los componentes de color lineales ( ) para calcular la luminancia lineal $Y$ $lineal$ , que luego se puede volver a comprimir gamma si el resultado de la escala de grises también se codificará y almacenará en un espacio de color no lineal típico . ^[4] ${\ Displaystyle R _ {\ mathrm {linear}}, G _ {\ mathrm {linear}}, B _ {\ mathrm {linear}}}$

Para el espacio de color sRGB común , la expansión gamma se define como

{\ Displaystyle C _ {\ mathrm {linear}} = {\ begin {cases} {\ frac {C _ {\ mathrm {srgb}}} {12.92}}, & {\ text {if}} C _ {\ mathrm {srgb }} \ leq 0.04045 \\\ left ({\ frac {C _ {\ mathrm {srgb}} +0.055} {1.055}} \ right) ^ {2.4}, & {\ text {de otro modo}} \ end {cases} }}

donde $C srgb$ representa cualquiera de los tres primarios sRGB comprimidos con gamma ( $R srgb$ , $G srgb$ y $B srgb$ , cada uno en el rango [0,1]) y $C lineal$ es el valor de intensidad lineal correspondiente ( $R lineal$ , $G lineal$ , y $B lineal$ , también en el rango [0,1]). Luego, la luminancia lineal se calcula como una suma ponderada de los tres valores de intensidad lineal. El espacio de color sRGB se define en términos de la luminancia $lineal$ $Y$ $lineal$ CIE 1931 , que viene dada por

{\ Displaystyle Y _ {\ mathrm {linear}} = 0.2126R _ {\ mathrm {linear}} + 0.7152G _ {\ mathrm {linear}} + 0.0722B _ {\ mathrm {linear}}}

. ^[5]

Estos tres coeficientes particulares representan la percepción de intensidad (luminancia) de los humanos tricromáticos típicos a la luz de la Rec. Precisa. 709 colores primarios aditivos (cromaticidades) que se utilizan en la definición de sRGB. La visión humana es más sensible al verde, por lo que tiene el mayor valor de coeficiente (0,7152) y menos sensible al azul, por lo que tiene el coeficiente más pequeño (0,0722). Para codificar la intensidad de la escala de grises en RGB lineal, cada uno de los tres componentes de color se puede configurar para que sea igual a la luminancia lineal calculada (reemplazándola por los valores para obtener esta escala de grises lineal), que luego normalmente debe comprimirse en gamma para volver a una no convencional. -representación lineal. ^[6] ${\ Displaystyle Y _ {\ mathrm {linear}}}$ ${\ Displaystyle R _ {\ mathrm {linear}}, G _ {\ mathrm {linear}}, B _ {\ mathrm {linear}}}$ ${\ Displaystyle Y _ {\ mathrm {linear}}, Y _ {\ mathrm {linear}}, Y _ {\ mathrm {linear}}}$ Para sRGB, cada uno de sus tres primarios se establece en el mismo $Y srgb$ comprimido con $gamma$ dado por el inverso de la expansión gamma anterior como

Y_{\mathrm {srgb} }={\begin{cases}12.92\ Y_{\mathrm {linear} },&{\text{if }}Y_{\mathrm {linear} }\leq 0.0031308\\1.055\ Y_{\mathrm {linear} }^{1/2.4}-0.055,&{\text{otherwise}}\end{cases}}

Debido a que los tres componentes sRGB son iguales, lo que indica que en realidad es una imagen gris (no en color), solo es necesario almacenar estos valores una vez, y llamamos a esto la imagen en escala de grises resultante. Así es como se almacenará normalmente en formatos de imagen compatibles con sRGB que admitan una representación en escala de grises de un solo canal, como JPEG o PNG. Los navegadores web y otro software que reconozca imágenes sRGB deberían producir la misma reproducción para una imagen en escala de grises que para una imagen sRGB en "color" que tenga los mismos valores en los tres canales de color.

Codificación luminosa en sistemas de video [ editar ]

Para imágenes en espacios de color como Y'UV y sus parientes, que se utilizan en sistemas de vídeo y televisión en color estándar como PAL , SECAM y NTSC , se calcula un componente de luminancia no lineal $(Y ')$ directamente a partir de intensidades primarias comprimidas con rayos gamma como una suma ponderada, que, aunque no es una representación perfecta de la luminancia colorimétrica, se puede calcular más rápidamente sin la expansión y compresión gamma utilizadas en los cálculos fotométricos / colorimétricos. En los modelos Y'UV e Y'IQ utilizados por PAL y NTSC, el rec601 luma $(Y ')$ El componente se calcula como

Y'=0.299R'+0.587G'+0.114B'

donde usamos el primo para distinguir estos valores no lineales de los valores no lineales sRGB (discutidos anteriormente) que usan una fórmula de compresión gamma algo diferente, y de los componentes RGB lineales. El estándar ITU-R BT.709 utilizado para HDTV desarrollado por ATSC usa diferentes coeficientes de color, calculando el componente luma como

Y'=0.2126R'+0.7152G'+0.0722B'

.

Aunque estos son numéricamente los mismos coeficientes usados en sRGB arriba, el efecto es diferente porque aquí se están aplicando directamente a valores comprimidos de gamma en lugar de a los valores linealizados. El estándar ITU-R BT.2100 para televisión HDR usa coeficientes aún diferentes, calculando el componente luma como

Y'=0.2627R'+0.6780G'+0.0593B'

.

Normalmente, estos espacios de color se vuelven a transformar en R'G'B 'no lineales antes de renderizarlos para su visualización. En la medida en que quede suficiente precisión, se pueden reproducir con precisión.

Pero si el componente de luma Y 'en sí mismo se usa directamente como una representación en escala de grises de la imagen en color, la luminancia no se conserva: dos colores pueden tener la misma luma $Y'$ pero diferente luminancia lineal CIE $Y$ (y, por lo tanto, diferente $Y srgb$ no $lineal$ como se define arriba) y, por lo tanto, parece más oscuro o más claro para un humano típico que el color original. De manera similar, dos colores que tienen la misma luminancia $Y$ (y, por tanto, la misma $Y srgb$ ) tendrán, en general, luma diferente según cualquiera de las definiciones de luma $Y '$ anteriores. ^[7]

Escala de grises como canales únicos de imágenes en color multicanal [ editar ]

Las imágenes en color a menudo se componen de varios canales de color apilados , cada uno de ellos representa los niveles de valor del canal dado. Por ejemplo, las imágenes RGB se componen de tres canales independientes para los componentes de color primario rojo, verde y azul ; Las imágenes CMYK tienen cuatro canales para placas de tinta cian, magenta, amarillo y negro , etc.

A continuación, se muestra un ejemplo de división del canal de color de una imagen en color RGB completa. La columna de la izquierda muestra los canales de color aislados en colores naturales, mientras que a la derecha están sus equivalencias en escala de grises:

Composición de RGB a partir de 3 imágenes en escala de grises

También es posible lo contrario: crear una imagen a todo color a partir de sus canales de escala de grises separados. Al alterar los canales, usar compensaciones, rotar y otras manipulaciones, se pueden lograr efectos artísticos en lugar de reproducir con precisión la imagen original.

Modos de escala de grises [ editar ]

Esta sección necesita expansión . Puede ayudar agregando más . ( Julio de 2019 )

Algunos sistemas operativos ofrecen un modo de escala de grises. Puede estar vinculado a una tecla de acceso rápido o puede ser programable.

También es posible instalar una extensión de modo de escala de grises en algunos navegadores.

Ver también [ editar ]

Canal (imagen digital)
Semitono
Duotono
Falso color
Tono sepia
Cianotipo
Procesamiento de imágenes morfológicas
Grabado mezzotinto
Lista de formatos de color monocromáticos y RGB - Sección de paletas monocromáticas
Lista de paletas de software : secciones de paletas de degradado de color y paletas de colores falsos
Acromatopsia , ceguera total al color , en la que la visión se limita a una escala de grises.
Sistema de zona

Referencias [ editar ]

^ Johnson, Stephen (2006). Stephen Johnson sobre fotografía digital . O'Reilly. ISBN 0-596-52370-X.
^ Poynton, Charles A. "Rehabilitación de gamma". Photonics West'98 Electronic Imaging. Sociedad Internacional de Óptica y Fotónica, 1998. en línea
^ Charles Poynton, luminancia constante
^ Bruce Lindbloom, RGB de Trabajo de Información Espacial ( recuperado 02/10/2013 )
^ Michael Stokes, Matthew Anderson, Srinivasan Chandrasekar y Ricardo Motta, "Un espacio de color predeterminado estándar para Internet - sRGB", en línea ,consulte la matriz al final de la Parte 2.
^ Hamburguesa de Wilhelm, Mark J. Burge (2010). Principios de los algoritmos centrales de procesamiento de imágenes digitales . Springer Science & Business Media. págs. 110-111. ISBN 978-1-84800-195-4.
^ Charles Poynton, La magnitud de los errores de luminancia no constantes en Charles Poynton, Una introducción técnica al video digital. Nueva York: John Wiley & Sons, 1996.

[1] Johnson, Stephen (2006). Stephen Johnson sobre fotografía digital . O'Reilly. ISBN 0-596-52370-X.

[2] Poynton, Charles A. "Rehabilitación de gamma". Photonics West'98 Electronic Imaging. Sociedad Internacional de Óptica y Fotónica, 1998. en línea

[3] Charles Poynton, luminancia constante

[4] Bruce Lindbloom, RGB de Trabajo de Información Espacial ( recuperado 02/10/2013 )

[5] Michael Stokes, Matthew Anderson, Srinivasan Chandrasekar y Ricardo Motta, "Un espacio de color predeterminado estándar para Internet - sRGB", en línea ,consulte la matriz al final de la Parte 2.

[Wilhelm_Burger,_Mark_J._Burge-6] Hamburguesa de Wilhelm, Mark J. Burge (2010). Principios de los algoritmos centrales de procesamiento de imágenes digitales . Springer Science & Business Media. págs. 110-111. ISBN 978-1-84800-195-4.

[7] Charles Poynton, La magnitud de los errores de luminancia no constantes en Charles Poynton, Una introducción técnica al video digital. Nueva York: John Wiley & Sons, 1996.

[1]