Rolul culorilor in analiza datelor de teledetectie

Lumina este o forma de energie care se propaga in spatiu sub forma undelor (oscilatiilor) electromagnetice, fiind un caz particular al energiei radiante, mai precis este acea parte a energiei radiante care este capabila sa produca fiintei umane si altor organisme superioare, senzatii vizuale.

Energia emisa de soare cuprinde o larga gama de radiatii electromagnetice. Dintre acestea, la suprafata pamantului, dupa trecerea prin atmosfera terestra (care actioneaza ca un filtru), ajunge doar o mica parte, care cuprinde radiatiile vizibile precum si radiatii din zonele invecinate (ultraviolet si infrarosu). Toate acestea alcatuiesc (dupa cum s-a mai aratat in capitolul 1) zona optica a spectrului (fig.1).

Dintre componentele spectrului radiatiilor electromagnetice, doar acelea apartinand unui domeniu foarte ingust, plasat aproximativ in mijlocul acestuia, avand valorile esalonate intre 380 si 760 nm, produc senzatii luminoase. Ele constituie zona vizibila a spectrului, prezenta lor simultana in cantitati egale, provocand unui observator senzatia luminii albe.

Ochiul uman nu este capabil sa distinga componentele luminii albe, dar, atunci cand printr-un procedeu oarecare, aceasta este descompusa astfel incat radiatiile componente sa ocupe pozitii diferite in campul vizual, organul vederii le diferentiaza prin senzatii diferite de culoare.

Ochiul raspunde simultan tuturor radiatiilor pe care le capteaza ; o radiatie de o anumita lungime de unda nu poate fi distinsa dintre celelalte, cu exceptia cazului in care este captata separat. De exemplu, ochiul identifica cu usurinta culoarea verde in spectrul vizibil, dar nu este capabil sa izoleze aceasta senzatie din lumina alba in care acest verde este prezent. Inseamna ca ochiul nu contine o infinitate de categorii de elemente sensibile la culoare, corespunzatoare tuturor radiatiilor apartinand domeniului vizibil al spectrului. Experienta demonstreaza ca totul se petrece ca si cum ar exista doar trei categorii de astfel de elemente, mai precis de conuri corespunzand, in mare, celor trei zone ale spectrului care grupeaza radiatiile albastre (380-500 nm), verzi (500-600 nm) si rosii (600-760 nm). Este suficient astfel sa se amestece in mod judicios fascicole de lumina avand culorile rosu, verde, respectiv albastru (numite culori primare), pentru a realiza sinteza luminii albe. Aceasta teorie este confirmata de faptul ca orice culoare poate fi reprodusa printr-un amestec potrivit de trei fascicole de lumina, fiecare corespunzator culorilor primare.

Fiind un fenomen in intregime cerebral, rezultat din actiunea radiatiilor luminoase asupra ochiului determinad o senzatie asociata viziunii, notiunea de culoare nu exista din punct de vedere material. Culorile pot fi create de interactiunea luminii cu obiectele, fie culorile corpurilor opace (cea mai mare parte a corpurilor din natura), sau ale corpurilor transparente (filtre, filme, diapozitive), fie prin emiterea cu ajutorul unui dispozitiv iradiant (fascicul laser, televiziune ).

In cazul corpurilor opace culoarea rezulta din interactiunea luminii cu un obiect. Receptorul (in acest caz ochiul) analizeaza, iar creierul interpreteaza fractiunea de semnal reflectat in directia sa (fig16). In cazul corpurilor transparente receptorul analizeaza, iar creierul interpreteaza fractiunea de semnal transmisa catre receptor (fig.17).

In 1669 Newton a reusit sa descompuna experimental, cu ajutorul unei prisme triunghiulare, lumina alba in culori monocromatice, respectiv in radiatii electromagnetice carora le corespunde o lungime de unda care permite sa fie caracterizate. Altfel spus a descompus un fascicol de lumina solara pentru a pune in evidenta o serie neintrerupta de culori juxtapuse, care a primit denumirea de spectru vizibil. Producerea spectrului in acest mod se explica prin faptul ca indicele de refractie al unui material transparent variaza cu lungimea de unda a radiatiei care il traverseaza; in consecinta, diferitele radiatii componente ale unui amestec sunt deviate mai mult sau mai putin in functie de lungimea lor de unda.

Intre culorile spectrului nu exista granite bine definite de trecere de la o culoare la alta, dar ochiul uman distinge, totusi, un numar de peste 150 de nuante intermediare. O culoare obtinuta prin excitarea ochiului cu o radiatie luminoasa de o anumita lungime de unda sau de o banda foarte ingusta de lungimi de unda (sub 5 nm) se numeste culoare monocromatica, iar radiatia care ii da nastere este denumita radiatie monocromatica.

In realitate, culorile uzuale sunt departe de a fi pure asa cum sunt culorile monocromatice ale spectrului. De fapt, culorile folosite in teledetectie corespund radiatiei acoperind un interval continuu de lungimi de unda care integreaza o infinitate de unde monocromatice. De aceea, procesarea de imagini are ca obiect si caracterizarea spectrala a culorii corpurilor.

Definitia culorii poate avea diferite sensuri daca luam in considerare aspectul fizic, psihofizic, psihosenzorial sau fiziologic:

din punct de vedere fizic : radiatii electromagnetice cuprinse intre 375-760 nm si care formeaza banda spectrului electromagnetic vizibil, cu o lungime de unda care este susceptibila sa stimuleze selectiv conurile retiniene;

din punct de vedere psiho-fizic culoarea este acea caracteristica a luminii care permite de a distinge unul de altul, doua campuri din spectrul vizibil care au aceeasi forma, marime si structura;

din punct de vedere psihosenzorial, indiferent de stimulul utilizat, orice senzatie luminoasa se caracterizeaza prin: luminozitate (factor necromatic ce se refera la intensitatea sursei luminoase), tonalitate (denumirea culorii care se refera la scara perceptiva calitativ si indicata cu termenii de rosu, verde, galben, albastru) si saturatie (caracteristica a culorii ce se refera la o scara de senzatii reprezentand grade crescande de culoare plecand de la alb).

din punct de vedere fiziologic, compunerea unui ansamblu de trei culori primare permite reproducerea oricarei culori.

Rezulta, deci, ca notiunea de culoare include in sine doi factori:

unul obiectiv (radiatia luminoasa),

unul subiectiv (senzatia de culoare care se naste in creierul uman, ca urmare a excitarii ochiului de aceasta radiatie).

1. Geneza culorilor in natura

Toate senzatiile de culoare pe care le incercam rezulta din modificarea selectiva a luminii albe in natura. Principalele fenomene fizice care stau la originea acestor modificari sunt absorbtia, difuzia, interferenta, dispersia si fluorescenta.

Absorbtia. Majoritatea fenomenelor absorb selectiv o parte din lumina care le intalneste, in sensul ca absorbtia variaza cu lungimile de unda ale radiatiilor componente. Ca urmare, lumina care paraseste materialul (prin reflexie sau transmisie) are o compozitie spectrala diferita de cea incidenta si, fiind perceputa de ochi, produce senzatia unei anumite culori. Un obiect dat va aparea, deci, colorat in culoarea luminii reflectate sau transmise de el.

Difuzia. Culorile in care apare cerul la rasaritul sau la apusul soarelui rezulta datorita aceluiasi fenomen care confera cerului senin culoarea sa albastra : difuzia selectiva a radiatiilor luminoase reflectate in toate directiile de catre moleculele gazelor care alcatuiesc atmosfera. Actionand asupra radiatiilor luminoase, moleculele de aer au influenta in primul rand asupra celor cu lungime de unda mica si destul de putin asupra celorlalte. Difuzate prin reflexie, undele luminoase cu lungime de unda mica dau cerului culoarea albastra. Proportia de unde scurte difuzate este atat de mare incat observatorul nu mai primeste decat o cantitate foarte mica din acestea: fluxul luminos este compus in principal din unde mai lungi, astfel incat soarele apare galben, portocaliu si, in anumite cazuri, in functie de puritatea atmosferei, chiar rosu. Cand aerul este incarcat de praf, fum, picaturi de apa in suspensie, difuzia isi pierde caracterul selectiv si, actionand asupra tuturor radiatiilor continute in lumina solara, este difuzata lumina alba, ceea ce face ca cerul sa capete un aspect alb, laptos. In absenta totala a atmosferei si deci a difuziei luminii solare, cerul ar parea negru, ca in spatiile intersiderale iar stelele ar fi vizibile la orice ora din zi si din noapte.

Interferenta pe straturi transparente subtiri este rezultatul interactiunii dintre radiatiile reflectate pe ambele fete ale acestora, avand ca efect diminuarea, intensificarea sau anularea reflexiei in functie de faza in care acestea se intalnesc. In lumina alba interferenta are ca rezultat atenuarea selectiva a unor radiatii in functie de raportul dintre lungimile lor de unda si grosimea stratului. Din acest motiv baloanele de sapun si petele de ulei de pe suprafata apei, care reprezinta variante ale straturilor transparente subtiri, prezinta un aspect multicolor.

Dispersia. Formarea culorilor poate proveni, de asemenea, din diferentele de refractie suferite de radiatiile avand lungimi de unda diferite. Lumina alba este astfel dispersata in elementele sale componente, etalate sub forma unui spectru colorat. Exemplele bine cunoscute sunt:

curcubeul (produs prin refractia selectiva a componentelor luminii albe solare la trecerea prin picaturile de apa aflate dupa ploaie in atmosfera) ;

spectrul obtinut la trecerea unui fascicol de lumina alba printr-o prisma triunghiulara transparenta;

,,apele' policrome etalate de fatetele slefuite ale diamantului la iluminarea sa cu o sursa puternica de lumina.

Fluorescenta. Radiatiile ultraviolete, deci invizibile, care, absorbite de anumite substante, sunt transformate in radiatii de diferite lungimi de unda din domeniul vizibil, avand culori stralucitoare vizibile in plina obscuritate provoaca fenomenul de fluorescenta. Imaginea color de televiziune, dar si, foarte important pentru procesarea de imagini de teledetectie, cea obtinuta pe ecranul monitoarelor calculatoarelor, se reconstituie cu ajutorul unor luminofori a caror excitare este produsa nu de radiatii electromagnetice ci de fascicole de electroni.

Evaluarea culorilor

Desi culoarea este o calitate, nu o cantitate a fost necesar in vederea identificarii, compararii si reproducerii culorilor, sa se stabileasca o serie de parametrii de evaluare a acestora. In plus, deoarece culoarea este o senzatie (fenomen psihic, subiectiv) provocata de o radiatie electromagnetica (fenomen fizic, obiectiv), pentru evaluarea sa se utilizeaza atat parametrii subiectivi cat si obiectivi.

1. Parametrii subiectivi de evaluare a culorii

Ochiul identifica o culoare dupa stralucire, nuanta si saturatie :

stralucirea este atributul senzatiei vizuale potrivit caruia o sursa luminoasa directa sau indirecta , pare ca emite mai multa sau mai putina lumina.

nuanta (tonalitatea cromatica) este atributul senzatiei vizuale care permite sa se dea o denumire unei culori, prin asociere cu o anumita regiune a spectrului vizibil. Culorile principale provenite din dispersia luminii albe sunt, in ordinea descrescanda a lungimilor de unda: rosu, portocaliu (oranj), galben, verde, albastru, indigo si violet, ale caror initiale formeaza cuvantul ROGVAIV, util pentru retinerea denumirilor culorilor spectrale si a ordinii lor in spectru.

saturatia este atributul senzatiei vizuale care permite sa se aprecieze senzatia vizuala totala si se caracterizeaza prin amestecul de lumina alba in culoarea data.

Parametrii subiectivi se folosesc in limbaj curent pentru aprecierea reproducerilor fotografice, a culorilor obiectelor uzuale. Pentru a se ajunge insa la performantele actuale in domeniul reproducerii culorilor in fotografie, film, televiziune, in domeniul tipografic si, in cazul de fata, in teledetectie, a fost necesara stabilirea unor parametrii obiectivi, masurabili.

Parametrii obiectivi de evaluare a culorilor

In practica culoarea este evaluata facand apel la urmatorii parametrii :

Luminanta caracterizeaza intensitatea radiatiei luminoase a unei surse de radiatii directe sau indirecte intr-o anumita directie, raportata la aria suprafetei aparente a sursei vazute din respectiva directie.

Lungimea de unda dominanta exprima lungimea de unda a radiatiei monocromatice care genereaza, prin comparatie, culoarea pura cea mai apropiata de culoarea considerata.

Puritatea exprima gradul de diluare a culorii pure definite de lungimea de unda, prin amestec cu lumina alba, diluare care trebuie facuta pentru reconstituirea culorii obiectului. Exemple de culori pure sunt cele spectrale.

Intre parametrii obiectivi si subiectivi exista urmatoarea corespondenta:

luminanta Û stralucire,

lungime de unda dominanta Ûnuanta

puritateÛ saturatie.

In legatura cu parametrii enumerati, trebuie aratat ca marimile lungime de unda dominanta si puritate, se recunosc sub numele de cromaticitate, iar nuanta si saturatia, sub denumirea de cromie.

3. Reproducerea culorilor

Teoria tricromatica a vederii este confirmata de faptul ca orice culoare poate fi reprodusa (sintetizata) prin amestecul judicios a trei fascicole de lumina colorate in albastru, verde si respectiv rosu, numite culori primare, reprezentand, fiecare, aproximativ cat o treime din spectrul vizibil.

3.1. Sinteza aditiva a culorilor (amestecul aditiv)

Atunci cand amestecul a trei fascicule de lumina colorata se obtine prin adunare spunem ca au fost sintetizate culorile prin aditivare. Procedeul se poate realiza intr-o camera obscura, proiectand pe un ecran alb fascicolele de lumina provenind de la trei surse coerente de lumina, prevazute fiecare cu cate un filtru avand culorile rosu, verde, respectiv albastru. Suprapunand in diferitele moduri cele trei proiectii, se obtin urmatoarele rezultate:

la intersectia fascicolului rosu cu cel verde se obtine o suprafata galbena

Þ (R+V=G);

fascicolul rosu combinat cu cel albastru genereaza culoarea magenta (purpuriu)

Þ (A+R=M);

fascicolul albastru combinat cu cu cel verde genereaza prin suprapunere culoarea cyan (azurie)

Þ (V+A=C).

La intersectia celor trei fascicole colorate, se obtine o suprafata alba:

(R+V+A Þ alb)

Trecand in aceasta egalitate pe rand, fiecare culoare in dreapta, putem scrie:

(R+V = alb-A) ; R+A = alb-V si V+A = alb-R

Dar R+V, R+A si V+A reprezinta culorile galben, magenta si respectiv cyan.

Rezulta ca : galbenul si albastrul, verdele si magenta, respectiv cyanul cu rosul, alcatuiesc, in amestec de cantitati egale, culoarea alba. Din acest motiv, culorile galben, magenta si cyan se numesc complementarele culorilor albastru, verde si respectiv rosu deoarece amestecate in proportii corespunzatoare dau o culoare neutra (alb sau cenusiu). De exemplu, culoarea complementara pentru galben este violet, pentru rosu este verde-albastrui, iar pentru albastru este portocaliu. Asezate alaturi aceste culori au proprietatea de a se intari reciproc. In legatura cu culorile complementare, trebuie facute doua remarci interesante:

culoarea magenta nu se gaseste in spectrul vizibil; ea rezulta prin  amestecul culorilor spectrale rosu si albastru;

daca in culorile cyan (albastru+verde), magenta (rosu+albastru) simtim intr-o oarecare masura prezenta componentelor, in galben (rosu+verde) componentele amestecului isi pierd complet individualitatea.

3. Sinteza substractiva a culorilor

In sinteza aditiva s-a pornit de la intuneric iar culorile au fost generate pe rand, adaugand succesiv radiatii diferit colorate pana la obtinerea senzatiei de alb. Exista si o alta metoda, in care punctul de pornire este lumina alba din care se extrag pe rand radiatiile componente. Aceasta metoda poarta denumirea de sinteza substractiva si se bazeaza pe extragerea treptata a componentelor unui amestec de radiatii. Termenul amestec substractiv, folosit uneori, trebuie inteles ca un amestec al efectelor, nu al radiatiilor, ca in cazul sintezei aditive.

Acest mod de obtinere a culorilor se poate realiza experimental amplasand pe o suprafata translucida, iluminata din spate cu lumina alba, filtre avand culorile complementare: galben, magenta si cyan. Se constata urmatoarele: la suprapunerea filtrelor cyan si galben apare culoarea verde, filtrele galben si magenta produc culoarea rosie iar cele purpuriu si cyan culoarea albastra. Zona care corespunde suprapunerii tuturor celor trei filtre apare neagra sau gri.

Explicatia aparitiei culorilor noi prin suprapunerea filtrelor se bazeaza pe principiul cunoscut al actiunii filtrelor colorate: un filtru de o anumita culoare retine radiatiile avand culoarea complementara si permite trecerea acelor radiatii care au culoarea sa.

Filtrul galben permite trecerea radiatiilor avand culoarea galbena, care sunt compuse din radiatii verzi si rosii. Aceste radiatii intalnesc apoi, spre exemplu, filtrul magenta, care permite trecerea radiatiilor rosii si albastre. Singura radiatie care poate strabate ambele filtre este cea rosie, regasindu-se ca o componenta atat in magenta cat si in galben. In sfarsit, cand radiatia rosie trecuta prin primele doua filtre ajunge la filtrul cyan, este oprita complet, fiind complementara acestuia.

Sinteza pe cale aditiva a culorilor se afla la baza formarii imaginii de televiziune in culori. Reproducerea fotografica si tipografica a culorilor se bazeaza pe sinteza substractiva. Filtrele fotografice isi indeplinesc diferitele lor functiuni actionand substractiv asupra luminii.

4. Alte notiuni importante in practica procesarii de imagini

Procesarea de imagini de teledetectie, in special atunci cand scopul final este unul cartografic, are in vedere multe din conceptele de utilizare a culorii in arta. Traim intr-un univers cromatic in care, teoretic, am putea intalni aproape 30000 de nuante de culori desi in mod obisnuit ochiul nostru poate distinge numai opt - noua nuante din fiecare culoare.

Reprezentarea adecvata, a realitatii din natura este intotdeauna legata de alegerea judicioasa a culorilor asa incat harta sa fie expresiva si sa ofere, in acelasi timp, un confort vizual optim, fara a neglija un aspect : cu ajutorul culorilor putem crea senzatia de marire sau micsorare a spatiului. Pentru aceasta vom enumera cateva notiuni foarte importante in practica reprezentarii :

Culori cromatice: culori care reflecta lumina (solara sau artificiala) neselectiv, adica reflecta in mod egal toate lungimile de unde electromagnetice vizibile pentru ochiul omenesc (intre 375 si 760 milimicroni). In aceasta categorie intra culorile alb, negru, si toate nuantele dintre alb si negru (gri). Aceste culori se deosebesc intre ele prin stralucire si luminozitate.

Culori acromatice: culori care reflecta lumina (solara sau artificiala) neselectiv, adica reflecta in mod egal toate lungimile de unda electromagnetice vizibile pentru ochiul omenesc (intre 375 - 760 milimicroni). In aceasta categorie intra culorile alb, negru si toate nuantele dintre alb si negru (cenusiu). Aceste culori se deosebesc intre ele printr-o singura insusire: stralucirea sau luminozitatea.

Culori calde : rosu, rosu - galbui, galben, galben-verzui sunt culori care dau impresia de caldura datorita valentelor calorifice (termice) ale lungimilor de unda ce le corespund si care prezinta o intensitate ridicata a energiei radiante.

Culori adanci: culori care avand puritatea mare si luminozitatea mica dau senzatia de profunzime, de spatialitate si indepartare. Exemplu: albastru si verde.

Luminozitatea sau stralucirea: reprezinta gradul de intensitate sau incarcatura energetica a razelor de lumina, respectiv a umbrelor electromagnetice, reflectate de o anumita culoare. Este determinata de amplitudinea undei luminoase. Culorile deschise (luminoase) sau stralucitoare reflecta mai multa lumina decat cele inchise. Culoarea cea mai luminoasa este culoarea alba, iar cea mai putin luminoasa, culoarea neagra. Culorile de la marginea spectrului vizual (albastru, violet) au o stralucire mai mica decat cele de la mijloc (galben). O culoare cromatica este cu atat mai luminoasa cu cat este mai indepartata de negru.

Saturatia: reprezinta puritatea sau gradul de amestec al unei culori cu albul (amestecul lungimilor de unda). Este insusirea culorii de a fi mai concentrata, mai saturata sau mai pala si este data de distanta la care se situeaza o culoare cromatica data de culoarea acromatica - alb. Depinde de uniformitatea lungimilor de unda percepute concomitent. O culoare este cu atat mai pura cu cat undele electromagnetice care ne dau culoarea respectiva sunt mai omogene. Ca lungime de unda  sunt de acelasi fel. O culoare teoretic pura este aceea determinata de o singura lungime de unda.

Daca percepem concomitent toate lungimile de unda, vedem culoarea alba. Saturatia unei culori scade daca adaugam cenusiu sau daca facem sa creasca sau sa scada luminozitatea. Corpurile care absorb toate lungimile de unda sunt percepute ca fiind negre iar cele care reflecta toate lungimile de unda sunt percepute ca fiind albe. Absorbtia si reflexia in diferite proportii a tuturor lungimilor de unda determina nuante cromatice aflate intre alb si negru, respectiv tonurile de gri.

5. Rolul filtrelor in teledetectie

La ora actuala specialistii considera ca filtrul este unul dintre cele patru elemente fundamentale ale captarii imaginii si inregistrarii ei, alaturi de lumina, sistemul optic si materialul fotosensibil, sau, in cazurile fotogrammetriei digitale si a teledetectiei, senzorul digital. De aceea, orice discutie in legatura cu captarea, inregistrarea si redarea imaginii ajunge mai devreme sau mai tarziu la problema filtrelor. Astfel, un filtru optic permite, in functie de caracteristicile sale, reproducerea optima a realitatii, fie redarea acesteia potrivit intentiilor analistului, de unde si necesitatea utilizarii in teledetectie.

In prezent, la dispozitia celor care capteaza imaginea exista o mare diversitate de filtre. Alegerea aceluia care produce modificarea potrivita si exacta a iluminarii, pentru a furniza catre elementul fotosensibil informatii optime, presupune stapanirea unor cunostinte strict necesare din domeniul opticii fizice si fiziologiei din partea utilizatorului imaginii. Notiunea de filtru exprima in mod nemijlocit ideea de selectivitate, ideea de divizare a unui amestec intr-o parte retinuta si o parte careia i se permite trecerea, criteriul de selectivitate fiind de obicei o proprietate fizica a componentelor amestecului.

Cu alte cuvinte, filtrul este un element care transmite partial radiatiile electromagnetice incidente, fie reducand in aceeasi proportie componentele sale, fie reducand diferit radiatiile, in functie de lungimea lor de unda. Majoritatea filtrelor folosite absorb in mod preferential unele radiatii, fiind numai selective si avand de obicei un aspect colorat. In fotografie se folosesc si filtre care au o actiune uniforma asupra diferitelor radiatii, indiferent de lungimea lor de unda. Acestea se numesc neselective si au un aspect gri.

Principiul actiunii unui filtru colorat este urmatorul: el transmite radiatiile avand aceeasi culoare cu a sa si le retine prin absorbtie pe cele de culoare complementara. O exceptie o reprezinta filtrele interferentiale, la care o parte din radiatia incidenta este reflectata, datorita fenomenului de interferenta pe straturi subtiri, si o alta parte, de culoare complementara este transmisa. Trebuie precizat ca, de fapt, filtrul are o anumita culoare, tocmai datorita faptului ca din lumina alba incidenta, permite trecerea doar a radiatiilor care ii confera acea culoare. Principiul actiunii filtrelor este identic, indiferent de tipul materialului.