Warna dari sebuah obyek dipengaruhi oleh interaksi antara cahaya dan material obyek, serta sistem penglihatan manusia. Beberapa faktor yang mempengaruhi warna antara lain pemantulan, penyerapan, dan pembelokan cahaya oleh material obyek, serta sensitivitas reseptor mata manusia terhadap panjang gelombang cahaya. Representasi warna dalam ruang warna seperti RGB dan CIE XYZ memungkinkan standarisasi persepsi warna.

1. Machine Vision
LECTURE NOTES
Machine Vision
Session 03
Light and Color

2. Machine Vision
LEARNING OUTCOMES
1. Peserta diharapkan memahami sistem indera penglihatan manusia khususnya yang terkait
dengan persepsi warna.
OUTLINE MATERI (Sub-Topic):
1. The Physics of Color
2. Human Color Perception
3. Representing Color
4. A Model of Image Color

3. Machine Vision
ISI MATERI
The Physics of Color
Warna adalah sifat psikologis dari pengalaman visual kita saat memandang suatu obyek
atau sumber cahaya, warna bukanlah sifat fisik dari obyek atau sumber cahaya tersebut (S.
Palmer). Menurut Palmer, warna adalah hasil interaksi antara cahaya pada lingkungan tempat
kita berada dengan sistem indera penglihatan kita. Untuk dapat melihat suatu warna, harus
terdapat sumber cahaya. Saat sumber cahaya mengenai sebuah obyek, sebagian panjang
gelombang dari cahaya akan dipantulkan dan sebagian lainnya diserap oleh obyek tersebut.
Mata manusia hanya melihat warna dari cahaya yang dipantulkan oleh obyek tersebut. Sinar
matahari mengandung seluruh warna pada panjang gelombang cahaya tampak (warna
pelangi, mulai panjang gelombang warna merah hingga ungu). Saat sumber cahaya berwarna
putih mengenai selembar kertas warna putih, maka warna yang tampak adalah putih karena
kertas tersebut tidak menyerap warna apapun dan memantulkan semua warna dari sumber
cahaya (putih). Sedangkan jika cahaya yang sama mengenai selembar kertas berwarna hitam,
mata manusia akan melihat warna hitam karena kertas tersebut menyerap semua warna dan
tidak memantulkan warna apa pun.
Semua cahaya mengandung warna. Cahaya terbentuk dari gelombang elektromagnetik.
Gelombang ini menyebar dari semua sumber cahaya, misalnya matahari. Setiap warna
memiliki panjang gelombang yang berbeda. Panjang gelombang terpanjang yang dapat
dilihat oleh mata manusia terdapat pada warna merah, sedangkan panjang gelombang
terpendeknya adalah pada warna ungu. Rentang panjang gelombang ini disebut juga sebagai
cahaya tampak (visible light). Gambar berikut mengilustrasikan rentang panjang gelombang
spektrum elektromagnetik mulai dari panjang gelombang yang terpendek yaitu sinar Gamma,
hingga yang terpanjang yaitu gelombang radio. Visible light hanya menempati rentang yang
sangat sempit dari keseluruhan rentang panjang gelombang spektrum elektromagnetik.

4. Machine Vision
Setiap sumber cahaya memiliki distribusi spektrum panjang gelombang yang berbeda, hal
tersebut yang mengakibatkan perbedaan warna. Sebagai contoh cahaya matahari tampak
memiliki warna yang berbeda dengan cahaya dari bola lampu, lampu neon, atau lampu led.
Gambar berikut memperlihatkan spektrum dari keempat sumber cahaya tersebut, berdasarkan
bentuk spektrumnya dapat dimengerti mengapa warna yang tampak dari masing-masing
sumber cahaya berbeda.
Selain faktor penyerapan dan pemantulan, warna suatu obyek juga sangat dipengaruhi
oleh faktor lainnya. Berikut faktor-faktor yang mempengaruhi perbedaan warna dari suatu
obyek:
a. Reflection
Reflection atau pemantulan terjadi saat suatu gelombang cahaya mengenai antarmuka
dari dua media yang berbeda, sehingga semua atau sebagian dari gelombang berubah
arahnya. Tergantung dari permukaan yang dikenai oleh gelombang, reflection dapat
dibedakan menjadi dua, yaitu specular dan diffuse. Specular reflection terjadi jika
gelombang mengenai permukaan obyek yang halus, seperti cermin sehingga geometri
dari sumber gelombang tidak berubah. Sebaliknya diffuse reflection terjadi jika
gelombang mengenai permukaan obyek yang kasar sehingga mengakibatkan

5. Machine Vision
perubahan geometri dari gelombang asal. Gambar berikut mengilustrasikan perbedaan
antara specular dan diffuse reflection.
b. Absorption
Saat frekuensi dari gelombang cahaya yang mengenai obyek sama atau hampir sama
dengan frekuensi vibrasi elektron dari material yang membentuk obyek, maka
elektron akan menyerap energi gelombang dan mengubahnya menjadi gerakan
vibrasi. Saat terjadinya gerakan vibrasi, energi dari gerakan tersebut akan diubah
menjadi energi thermal. Akibatnya, gelombang cahaya tersebut tidak akan dilepaskan
kembali dalam bentuk asalnya, yaitu cahaya. Setiap atom dan molekul memiliki
frekuensi vibrasi elektron yang berbeda, sehingga setiap jenis material akan menyerap
panjang gelombang yang berbeda dari cahaya tampak.
c. Refraction
Refraction adalah pembelokan gelombang saat mengenai medium yang memiliki
kecepatan berbeda. Refraction dari gelombang cahaya terjadi saat bergerak dari
medium dengan kecepatan tinggi menuju ke medium dengan kecepatan rendah.
Besarnya pembelokan tergantung dari refraction index dari medium tersebut (hukum
Snell). Gambar berikut mengilustrasikan proses refraction.

6. Machine Vision
d. Diffraction
Gelombang cahaya cenderung membelok atau menyebar pada saat mengenai sisi dari
sebuah obyek, fenomena ini yang disebut sebagai diffraction. Hal ini terjadi saat
gelombang cahaya melalui sisi atau sebuah lubang yang ukurannya sama atau lebih
kecil dari panjang gelombang cahaya tersebut. Gambar berikut mengilustrasikan
fenomena diffraction.

7. Machine Vision
ISI MATERI
Human Color Perception
Pada retina mata terdapat dua jenis reseptor yang fungsinya menangkap informasi
cahaya, yaitu cones yang berbentuk kerucut dan rods yang berbentuk batang. Jumlah cones
pada masing-masing mata berkisar antara 6 hingga 7 juta, mayoritas terletak pada bagian
tengah dari retina, yang disebut fovea, dan sangat sensitif terhadap warna. Setiap reseptor
cones terhubung ke sebuah syaraf yang terhubung ke bagian dari otak manusia yang
bertanggung jawab dalam persepsi visual, yaitu occipital lobe. Reseptor cones berfungsi saat
kita memandang obyek pada ruangan yang terang, atau disebut juga sebagai bright-light
vision atau photopic. Jumlah reseptor rods jauh lebih besar dari cones, yaitu sekitar 75 hingga
150 juta yang tersebar pada permukaan retina. Area yang ditempati oleh reseptor rods juga
jauh lebih luas dibanding cones, oleh karena itu rods lebih peka terhadap cahaya dengan
intensitas rendah atau disebut juga sebagai scotopic (dim-light vision). Rods berfungsi
memberikan pandangan secara umum dari suatu obyek yang dilihat oleh mata, reseptor ini
tidak peka terhadap warna. Gambar berikut memperlihatkan anatomi mikroskopik dari retina
mata manusia.
Tidak seperti reseptor rods yang hanya memiliki satu jenis pigmen warna, cones terdiri
dari tiga jenis pigmen warna yang masing-masing sensitif terhadap panjang gelombang
tertentu yaitu merah, hijau, dan biru. Namun tingkat sensitivitas dari masing-masing reseptor
cones tersebut tidaklah sama, namun lebih sensitif terhadap panjang gelombang hijau,

8. Machine Vision
dilanjutkan dengan panjang gelombang merah, dan biru. Gambar berikut memperlihatkan
sensitifitas dari tiap jenis reseptor cones.
Untuk mendapatkan persepsi warna yang sama dengan mata manusia, para perancang
kamera digital membuat struktur sensor cahaya dengan distribusi pixel yang sensitif terhadap
panjang gelombang merah, hijau, dan biru yang serupa dengan distribusi reseptor cones pada
mata manusia. Gambar berikut memperlihatkan struktur sensor cahaya pada kamera digital
yang diusulkan oleh Bayern. Pada rancangan tersebut sensor yang sensitif terhadap panjang
gelombang hijau jumlahnya dua kali lebih banyak dibanding sensor yang sensitif terhadap
panjang gelombang merah atau biru.

9. Machine Vision
ISI MATERI
Representing Color
Adalah hal yang sangat penting untuk dapat merepresentasikan sebuah warna secara
akurat agar terdapat standarisasi dalam mendefinisikan warna. Dalam bidang komersial
banyak sekali produk yang diasosiasikan dengan suatu warna spesifik, sebagai contoh warna
merah dari mobil Ferarri yang sangat khas. Agar setiap produksi mobil Ferarri berwarna
merah memiliki warna yang tepat sama maka diperlukan suatu standar dalam mendefinisikan
sebuah warna. Deskripsi sederhana mengenai warna, seperti merah menyala, merah muda,
atau merah tua tentu tidak mencukupi untuk keperluan tersebut.
Terdapat dua teori umum yang menjelaskan fenomena warna, yaitu trichromatic yang
dikenal juga sebagai teori Young-Helmhotz sesuai dengan nama penemunya, dan teori
opponent-process. Untuk membuktikan teori trichromatic, Young dan Helmhotz mengadakan
eksperimen dengan peralatan sederhana seperti pada ilustrasi berikut.
Satu bagian dari layar berwarna putih disinari oleh sebuah lampu dengan warna target,
kemudian pada bagian lain dari layar disinari oleh kombinasi dari tiga lampu, masing-masing
menyorotkan warna merah, hijau, dan biru. Subyek (observer) mengatur intensitas dari lampu
warna merah, hijau, dan biru hingga kombinasi warna yang dihasilkan sama dengan warna
target. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa tiga warna cukup untuk merepresentasikan

10. Machine Vision
warna. Berdasarkan hasil eksperimen tersebut, mayoritas subyek dapat mencocokkan warna
target tertentu dengan kombinasi warna merah, hijau, dan biru yang sama.
Terdapat dua pendekatan dalam pencocokkan warna (color matching), yaitu additive dan
subtractive. Pada additive color matching diasumsikan mayoritas warna dapat
direpresentasikan sebagai campuran dari komponen warna A, B, dan C, atau dapat dituliskan
dalam persamaan:
M = a.A + b.B + c.C (1)
Warna yang match (cocok) adalah warna yang memiliki bobot (a, b, c) yang sama. Sebagian
warna ternyata tidak dapat direpresentasikan oleh persamaan (1), namun harus dinyatakan
dalam bentuk persamaan subtractive color matching:
M + a.A = b.B + c.C (2)
Pada subtractive color matching, kecocokan warna dinyatakan dengan bobot (-a, b, c) yang
sama.
Beberapa contoh fungsi color matching (color space) yang umum digunakan antara lain:
a. RGB
Pada color space RGB, sebuah warna dapat direpresentasikan sebagai kombinasi dari
tiga warna primer, yaitu merah, hijau, dan biru (dengan panjang gelombang berturut-
turut 645.16 nm, 526.32 nm, dan 444.44 nm). Sebuah warna dapat direpresentasikan
sebagai kubus warna (RGB cube) yang sisi-sisinya menyatakan bobot dari komponen
warna merah, hijau dan biru, seperti diilustrasikan pada gambar berikut.

11. Machine Vision
Matching function dari color space RGB bernilai negatif untuk panjang gelombang
tertentu, seperti diperlihatkan pada grafik diatas.
b. CIE XYZ
Color space CIE XYZ diusulkan pada tahun 1931 oleh International Commission on
Illumination. Komponen warna primer pada color space CIE XYZ bersifat imajiner,
namun matching function-nya selalu bernilai positif. Persamaan berikut menyatakan
matching function dari color space CIE XYZ.
x = X/(X+Y+Z) (3)
y = Y/(X+Y+Z) (4)
Gambar berikut memperlihatkan visualisasi dari kedua persamaan diatas.
c. Uniform
Color space uniform merupakan penyempurnaan dari color space CIE XYZ yang
diusulkan oleh International Commission on Illumination (CIE) pada tahun 1976. CIE
mengusulkan penyempurnaan ini karena pada color space CIE XYZ terdapat
beberapa kombinasi nilai x,y yang tidak merefleksikan perbedaan warna bagi
mayoritas pengamat. Area dalam elips pada grafik sebelah kiri pada gambar berikut
dipersepsikan sebagai warna yang sama bagi mayoritas pengamat. Color space
uniform merupakan projective transform dari nilai x,y. Persamaan berikut
menyatakan matching function dari color space uniform:
x = 4x/(-2x+12y+3) (5)
y = 9y/(-2x+12y+3) (6)

12. Machine Vision
Color matching function dari color space uniform diperlihatkan oleh grafik sebelah
kanan.
d. HSV
Color space HSV (Hue, Saturation, Value) pertama kali diusulkan oleh Alvy Ray
Smith pada tahun 1978. HSV mencoba mencari relasi antara warna dan
menyempurnakan color space RGB. Color space HSV dapat diilustrasikan sebagai
kerucut seperti pada gambar berikut.
Color space HSV yang merupakan hasil transformasi dari color space RGB, dapat
dihitung berdasarkan persamaan berikut:
R' = R/255
G' = G/255
B' = B/255
Cmax = max(R', G', B')
Cmin = min(R', G', B')
Δ = Cmax – Cmin

13. Machine Vision
V = Cmax
ISI MATERI
A Model of Image Color
Banyak faktor yang turut mempengaruhi warna dari sebuah obyek, diantaranya:
a. Respon kamera terhadap iluminasi
b. Sensor cahaya yang digunakan (film, CCD, atau CMOS)
c. Intensitas cahaya yang mengenai obyek
d. Warna cahaya yang mengenai obyek
e. Berapa banyak cahaya yang dipantulkan
Salah satu model yang sering digunakan untuk menjelaskan fenomena diatas adalah diffuse +
specular model, yang dapat dinyatakan dalam persamaan berikut:
E(x, λ) = [diffuse term] + (specular term)
= [(direct term) + (interreflected term)] + (specular term)
= (ρ(x, λ)(geometric term))[(Sd(x, λ) + Si(x, λ))] + (specular term)
Dari persamaan tersebut dapat dilihat bahwa faktor diffuse dipengaruhi oleh warna
permukaan obyek dan warna dari cahaya yang mengenai obyek.

14. Machine Vision
SIMPULAN
1. Warna dari sebuah obyek tidak hanya dipengaruhi oleh jenis material obyek tersebut,
tetapi dipengaruhi juga oleh cahaya yang mengenai obyek.
2. Pada saat cahaya mengenai permukaan sebuah obyek, maka terjadi akan terjadi salah
satu bentuk interaksi berikut: reflection, absorption, refraction, dan diffraction.
Interaksi tersebut mempengaruhi warna dari sebuah obyek.
3. Reseptor cones pada retina mata berfungsi seperti sensor CCD/CMOS pada kamera.
Reseptor ini peka terhadap warna.
4. Diperlukan standarisasi untuk mendeskripsikan warna. Diantara color matching
function yang populer digunakan saat ini adalah RGB, CIE XYZ, CIE uniform, dan
HSV.

15. Machine Vision
DAFTAR PUSTAKA
1. Forsyth. (2011). Computer Vision a Modern Approach (2nd Edition). Prentice Hall.
New Jersey. ISBN-10: 013608592X. ISBN-13: 978-0136085928.
2. Szeliski. (2010). Computer Vision: Algorithms and Applications. Springer. London.
ISBN-13: 978-1848829343. ISBN-10: 1848829345
3. http://www.physicsclassroom.com/class/light/Lesson-2/Light-Absorption,-
Reflection,-and-Transmission
4. http://www.unistudyguides.com/wiki/Light_as_Waves_and_Particles_-
_Reflection,_Refraction,_Dispersion
5. http://www.alpcentauri.info/waves_versus_particles.html
6. http://www-rohan.sdsu.edu/doc/matlab/toolbox/images/color11.html