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Color en Imágenes Digitales
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Grupo de Tecnología Industrial
COLOR EN IMÁGENES DIGITALES
Div. Ingeniería de Sistemas y Automática
Universidad Miguel Hernández
GRUPO DE TECNOLOGÍA INDUSTRIAL
Color en Imágenes Digitales
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Grupo de Tecnología Industrial
Tabla de Contenidos
Ø Motivación
Ø Antecedentes Históricos
Ø Naturaleza de la Luz
Ø Interacción entre la Luz y la Materia
Ø Percepción Humana del Color
Ø Representación del color
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Grupo de Tecnología Industrial
Motivación
ã El empleo del color mejora las tareas de alto nivel en el procesamiento de imágenes
ãEspecialmente útil para:ë Discriminar objetos cromáticosë Procesar información en color
Tres veces más de información
Similitud con la visión humana
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Grupo de Tecnología Industrial
Tabla de Contenidos
Ø Motivación
Ø Antecedentes Históricos
Ø Naturaleza de la Luz
Ø Interacción entre la Luz y la Materia
Ø Percepción Humana del Color
Ø Representación del color
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Grupo de Tecnología Industrial
ã Antecedentes históricosë Newton (1671)ï Estudia la naturaleza de la luzþ Pobre comprensión del color
ë Young (1802)ï Apoya su estudio en la teoría ondulatoriaþ Mejor comprensión de la luz y el color
ë Palmer y Young (1777, 1802)ï Hipótesis sobre la percepción humana del colorþ Tres tipos de receptores con respuestas selectivas
ë Grassmann y Maxwell (1854, 1856)ï Modelo matemático para la expresión del colorþ El color se puede expresar como tres variables
independientes
Antecedentes Históricos
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Grupo de Tecnología Industrial
ã Antecedentes históricosë Maxwell (1857)ï Una mezcla aditiva puede igualarse con combinaciones de
estímulos primarios
þGeneralización tricromática
ë Helmholtz (1866)ï Explica la distinción entre mezcla aditiva y sustractivaï Explica la generalización tricromática
þ Se basa en las curvas de sensibilidad espectral de las tres “fibras sensibles al color”del ojo.
ï La confirmación fisiológica de esta evidencia indirecta no llegó hasta mucho más tarde: conos S, M, L(1983, 1993)
ë CMF’sï Color Matching Functions (~1930)
þ Conjuntos de tres funciones relacionadas con las sensi-bilidades de los conos mediante
Antecedentes Históricos
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Grupo de Tecnología Industrial
ã Antecedentes históricosë Guild y Wright (1929, 1931)ï Definen conjuntos de CMF’s usados por el CIEþ CIE: Comission Internationale de l’Éclairageþ Establecimiento de una especificación numérica del
color en términos de valores triestímuloë CMF’s y percepciónï CMF’s:þ Modelo lineal de especificación de color
ï Percepción humana del colorþ No lineal
ï Necesidad de espacios de color uniformesþ Distancias euclídeas iguales corresponden a
diferencias de percepción de color iguales
Antecedentes Históricos
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Grupo de Tecnología Industrial
Tabla de Contenidos
Ø Motivación
Ø Antecedentes Históricos
Ø Naturaleza de la Luz
Ø Interacción entre la Luz y la Materia
Ø Percepción Humana del Color
Ø Representación del color
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Naturaleza de la Luz
ã Teoría Electromagnética (propagación de la luz)ë La luz como radiación
electromagnética se propaga en forma de dos ondas vectoriales perpendiculares entre sí y mutuamente acopladasë El ojo humano es sensible a las
radiaciones electromagnéticas de entre 380 nm y 780 nm
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Grupo de Tecnología Industrial
Naturaleza de la luz
ã Modelo corpuscular (Interacción de la luz con la materia)ë La luz está formada por cantidades cuantificables
de energía (fotones)ë La energía radiante que incide sobre un objeto se
transforma, por una parte, en energía reflejada, en energía transmitida y en energía absorbida:
R: Reflectancia
T: Transmitancia
A: Absortancia
Características que definen las propiedades
de un material
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Grupo de Tecnología Industrial
Tabla de Contenidos
Ø Motivación
Ø Antecedentes Históricos
Ø Naturaleza de la Luz
Ø Interacción entre la Luz y la Materia
Ø Percepción Humana del Color
Ø Representación del color
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Grupo de Tecnología Industrial
Color
ã Interacción entre la Luz y la Materiaë El color en los objetos viene provocado por la
interacción de una luz emitida sobre el mismo.ë Si la luz impacta sobre un objeto:ï Será completa o parcialmente transmitidaï Será completa o parcialmente reflejadaï Será completa o parcialmente absorbida
ë Transmisión
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Grupo de Tecnología Industrial
Colorë Indice Refractivo (RI): relación entre la velocidad
de la luz en un medio y el vacío.ë Refracción: Cambio en la dirección de la luz al
atravesar dos medios con RI diferentes
ï El RI de una sustancia se ve afectado por la longitud de onda de la fuente de luz
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Grupo de Tecnología Industrial
Colorë Reflexión: Superficies que reflejan la luz con una
intensidad y con un ángulo igual que la incidente.
ë Absorción: La luz incidente se absorbe en función de la pigmentación del objeto
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Colorë Reflectancia Espectral: Cantidad de luz en cada
longitud de onda que es reflejada por un objeto en comparación con la reflexión pura (objeto blanco)
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Grupo de Tecnología Industrial
Tabla de Contenidos
Ø Motivación
Ø Antecedentes Históricos
Ø Naturaleza de la Luz
Ø Interacción entre la Luz y la Materia
Ø Percepción Humana del Color
Ø Representación del color
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Percepción Humana del Colorã Percepción humana del color
Fuente de luz emite radiación con diferentes long. de ondaEl objeto refleja otra distribución de longitudes de ondaLos fotoreceptores del ojo son sensibles a determinadas
distribucionesLos estímulos se envían al cerebro y se percibe el color
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Grupo de Tecnología Industrial
Percepción Humana del Color
ã Características de un color:ë Brillo:Incorpora la noción de intensidad ë Matiz: Longitud de onda dominante del colorë Saturación: Pureza relativa o cantidad de luz
blanca mezclada con el matiz. El grado de saturación es inversamente proporcional a la cantidad de luz blanca añadida
ë Matiz + Saturación = Cromaticidad
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Percepción Humana del Color
ã Modelo fisiológico
ë Respuesta espectral de los conos (S, M, L) de ojo. Sensación tricromática
ã Modelo perceptual
ë Procesamiento neuronal de la respuesta retinal
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Percepción Humana del Color
ã Visión Humanaë En la retina del ojo humano se ubican dos
fotorreceptores sensibles a la luz: conos y bastones
ï Bastones: No sensibles al colorï Conos: Tres tipos (L, S, M) sensibles al color rojo
verde y azul
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Percepción Humana del Color
ã Existen tres tipos de conos. ë Cada uno es sensible a un rango de longitudes
de ondaë Las respuestas se combinan para formar una
imagen en color
S-conos M-conos
( ) ( )
( )( ) incidente luz la de espectralón distribuci
i cono del adsensibilid
max
min
λ
λ
λλλλ
λ
f
s
dfsc
i
ii ∫=
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Grupo de Tecnología Industrial
Percepción Humana del Color
ã Modelo perceptualë Percibimos cuatro matices distintosï Rojo, verde, amarillo y azul
ë Teoría de los colores opuestos (Hering, 1920)ï Rojo-verde, azul-amarillo son pares
opuestosï Podemos percibir matices intermedios
entre pares no opuestos
þ Rojo-amarilloþ Amarillo-verdeþ Verde-azulþ Azul-rojo
ï No podemos:
þ Rojo-verdeþ Amarillo-azul
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Grupo de Tecnología Industrial
Tabla de Contenidos
Ø Motivación
Ø Antecedentes Históricos
Ø Naturaleza de la Luz
Ø Interacción entre la Luz y la Materia
Ø Percepción Humana del Color
Ø Representación del color
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Grupo de Tecnología Industrial
Representación del Color
ã Los espacios de color proporcionan un método
para especificar, ordenar y manipular colores
ã Los espacios son ordenaciones n-
dimensionales de las sensaciones de color
ã La amplia mayoría de los modelos se han
desarrollado para aplicaciones específicas
ã Ejemplos: RGB, HSI, CMY, XYZ, ...
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Representación del Color
ã Espacio RGB
ã Espacio XYZ
ã Espacio YUV-YIQ
ã Espacio C-Y, CMY, CMYK
ã Espacio HSI
ã Espacios uniformes de color CIE Luv, CIE Lab
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacio RGB
ã Espacio CIE RGB (Red, Green, Blue) (1931)ë Tricromáticoë Primitivas:ï Rojo: 700 nmï Verde: 546,1 nmï Azul: 438,5 nm
ë Admite aportaciones negativas
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacio RGB
Aportaciones RGB para cada longitud de onda
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacio RGB
ã Imágenes RGBë Conjunto de tres imágenes en niveles de gris
independientes
ë Cada una representa una componente de colorï Rojo (R) ; Verde (G) ; Azul (B)
ë Coeficientes normalizados
ë Coeficientes tricromáticos
max0
max0
max0 ;;
BB
bG
Gg
RR
r ===
BGRBb
BGRGg
BGRRr
++=
++=
++= ;;
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacio RGB
ã Obtención de un color en RGBë Colores aditivos
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacio RGB
ã Imágenes RGB
Negro (0,0,0)
Blanco (1,1,1)
Grises (n,n,n)
Rojo (1,0,0)
Verde (0,1,0)
Azul (0,0,1)
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacio RGB
ã Descomposición 3 canales RGB
Canal Rojo Canal AzulCanal Verde
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacio RGB
ã El modelo de colores RGB es el empleado en la adquisición de imágenes (cámaras CCD)ë En estos sistemas existen actualmente dos
alternativas:ï CCD Tripleï CCD único con exposición triple
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Grupo de Tecnología Industrial
Representación del Color
ã Espacio RGB
ã Espacio XYZ
ã Espacio YUV-YIQ
ã Espacio C-Y, CMY, CMYK
ã Espacio HSI
ã Espacios uniformes de color CIE Luv, CIE Lab
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacio XYZ
ã El espacio XYZ fue introducido por la CIE para evitar los inconvenientes de los triestímulos espectrales R,G y B:
ALGUNOS COLORES SÓLO PUEDEN REPRODUCIRSE CON CANTIDADES
NEGATIVAS DE UN ESTÍMULO
En XYZ los primarios empleados son imaginarios, no representan ninguna luz física
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Grupo de Tecnología Industrial
−−
−−=
ZYX
BGR
105.1333.0138.0033.0029.2119.1424.0145.1739.2
Espacio XYZ
ï Coeficientes tricromáticos
ï Diagrama cromático xy (z=1-x-y)
ZYXZ
zZYX
Yy
ZYXX
x++
=++
=++
= ;;
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacio XYZ
ë La recta que une un color frontera con el blanco representa todas las posibles saturaciones que puede tener ese colorë Si se une un color
frontera con el blanco, y se prolonga la recta hasta la frontera opuesta, se obtiene su color complementarioë Si se combinan tres
colores no alineados, todos los colores que se pueden formar con ellos están dentro de dicho triángulo
ã Tinte representa una característica asociada con la longitud de onda dominante en el color.
ã Saturación representa la pureza relativa entre el blanco y la longitud de onda dominante (tinte). El blanco puro posee una saturación nula.
ã La recta que une dos colores en el diagrama contiene todos los colores que se pueden obtener con ellos
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Grupo de Tecnología Industrial
Representación del Color
ã Espacio RGB
ã Espacio XYZ
ã Espacio YUV-YIQ
ã Espacio C-Y, CMY, CMYK
ã Espacio HSI
ã Espacios uniformes de color CIE Luv, CIE Lab
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacio YUV-YIQ
ãEstos sistemas surgieron para la difusión de la señal de televisiónãTienen su origen en una recodificación del
espacio RGB para responder a una característica de la visión humana:
Más sensible a los cambios de luminancia que a los cambios de matiz o saturación
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacio YUV, YIQ
ã Codificación de colores:ë Ambos modelos codifican el color en
componente de luminancia Y, y en señales IQ o UV, que definen señales de color magenta-verde y amarillo-cyan respectivamente
ã Sistema de televisión:ë YIQ:ï Sistema NTSC
ë YUV:ï Sistema PALï Sistema SECAM
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacio YUV, YIQ
ã Espacio YUV
ë La información del color (U,V) y la información de la luminancia (Y) están desacopladas
−−−−=
BGR
VUY
100.0515.0615.0436.0289.0147.0
114.0587.0299.0
( )( )YRV
YBU−=−=
877.0493.0
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacio YUV, YIQ
ã Espacio YIQ (Luminancia - Fase - Cuadratura)
ë La información del color (I+Q) y la información de la luminancia están desacopladas
−−−=
BGR
QIY
311.0523.0212.0321.0275.0596.0
114.0587.0299.0
Color en Imágenes Digitales
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Grupo de Tecnología Industrial
Representación del Color
ã Espacio RGB
ã Espacio XYZ
ã Espacio YUV-YIQ
ã Espacio C-Y, CMY, CMYK
ã Espacio HSI
ã Espacios uniformes de color CIE Luv, CIE Lab
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacio C-Y, CMY, CMYK
ã Espacio C-Y
ë Es una recodificación del RGB más eficaz en la transmisión para TV en color (), y que además es compatible con los estándares de TV en blanco y negro
−−−−=
−−
BGR
YBYR
Y
886.0587.0299.0114.0587.0701.0
114.0587.0299.0
( ) ( )0 si
22
≠
−−=
−+−=
SYBYRarctgH
YRYBS
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacio C-Y, CMY, CMYK
ã Espacio CMY (Cyan, Magenta, Yellow)ë TricromáticoëSubstractivo
−
=
BGR
YMC
e 111
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacio C-Y, CMY, CMYK
ã Espacio CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, Black)ë Tricromático, se añade el negroë Substractivo ë Empleado en impresión
−
=
BGR
YMC
e 111
−
=
KKK
YMC
YMC
eeK
K
K
( )eYMCK ,,min=
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Grupo de Tecnología Industrial
Representación del Color
ã Espacio RGB
ã Espacio XYZ
ã Espacio YUV-YIQ
ã Espacio C-Y, CMY, CMYK
ã Espacio HSI
ã Espacios uniformes de color CIE Luv, CIE Lab
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacio HSIã Espacio HSI (Hue (tono,matiz)- Saturación -
Intensidad)ë Las componentes de estos espacios representan los
atributos perceptuales con los que los seres humanos especifican el color percibido: luminancia o intensidad, matiz o tono y saturaciónë La información de intensidad (I) está desacoplada de la
información del color (H,S)ë Transformación RGB - HSI
−−+−−+−
=
++−=
++=
−2/12
1
)])(()[()]()[(2/1
cos
)],,[min(3
1
)(31
BGBRGRBRGR
H
BGRBGR
S
BGRI
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacio HSI
ã Espacio HSI (Hue (tono)-Saturación - Intensidad)ë Pirámide hexagonal
invertidaëTono (Hue): ángulo
alrededor al eje verticalë Saturación: separación
del eje hacia el límite del hexágonoë Escala de grises en el
eje central de la pirámideë Valor: Oscuridad del
color, más oscuro al fondo de la pirámide
Rojo
Negro
Blanco
Verde
Azul
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacio RGB
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacio HSI
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacio RGB
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacio HSI
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Color en Imágenes Digitales
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Grupo de Tecnología Industrial
Representación del Color
ã Espacio RGB
ã Espacio XYZ
ã Espacio YUV-YIQ
ã Espacio C-Y, CMY, CMYK
ã Espacio HSI
ã Espacios uniformes de color CIE Luv, CIE Lab
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacios Uniformes de Color CIE Luv, CIE Lab
ã La transformación del modelo RGB a espacio CIELAB no es inmediata y las coordenadas L*, a* y b* se calculan mediante transformaciones no lineales, haciendo uso del espacio XYZã El espacio CIELAB puede ser representado
mediante un sistema de coordenadas polares L*, croma y matiz
Amarillo
Magenta
Verde
Cyan
CromaMatiz
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacios Uniformes de Color CIE Luv, CIE Lab
ã Espacio L * u* v*
( )( )n
n
n
vvLv
uuLuY
YfL
′−′=
′−′=
−
=
**
**
*
13
13
16116( )
≤+
>=
0088.011616787.7
0088.031
xx
xxxf
nnn
nn
nnn
nn
ZYXY
vZYX
Yv
ZYXXu
ZYXXu
3159
3159
3154
3154
++=′
++=′
++=′
++=′
( ) blanco del referencia ,, nnn ZYX
Color en Imágenes Digitales
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacios Uniformes de Color CIE Luv, CIE Lab
ã Espacio L * a* b*
−
=
−
=
−
=
nn
nn
n
ZZ
fYY
fb
YYf
XXfa
YYfL
200
500
16116
*
*
*
( )
≤+
>=
0088.011616
787.7
0088.031
xx
xxxf
( ) blanco del referencia ,, nnn ZYX
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacios Uniformes de Color CIE Luv, CIE Lab
ã Espacio L * u* v*
ã Espacio L* a* b*
( ) ( )
=+= *
*2*2* HueCroma
vuarctgvu
( ) ( )
=+= *
*2*2* HueCroma
baarctgba
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacios Uniformes de Color CIE Luv, CIE Lab
ã Valores RGB entre colores
200,200,200 225,225,225 175,175,175
225,175,225175,175,225 175,225,175
150,150,175 125,125,150 100,100,125
30
Color en Imágenes Digitales
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Grupo de Tecnología Industrial
Espacios Uniformes de Color CIE Luv, CIE Lab
ã Distancias métricas RGB , L*u*v* , L*a*b* entre colores
0 , 0 , 0 43.3 , 4.2 , 4.2 43.3 , 4.6 , 4.6
43.3 , 19.9 , 15.243.3 , 19.4 , 12.9 43.3 , 20.0 , 15.4
0 , 0 , 0 43.3 , 5.7 , 5.7 86.6 , 12.4 , 12.3
Color en Imágenes Digitales
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Grupo de Tecnología Industrial
Representación del color
R G B S (HSI) Croma (Lu*v*)
Croma (La*b*)
255 0 0 255 178.93 107.98
200 0 0 255 161.20 99.58
100 0 0 255 117.82 78.90
50 0 0 255 83.39 60.94
10 0 0 255 28.40 30.09
1 0 0 255 2.86 3.94
0 100 0 255 91.82 85.22
0 0 100 255 78.95 89.20
100 100 0 255 68.90 63.44
100 0 100 255 85.29 75.36
0 100 100 255 56.71 42.68
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