I . Системы цветов в компьютерной графике
1. Основные понятия компьютерной графики…………………2 стр.
2. Цвет и цветовые модели ……………………………………...4 стр.
3. Цветовая модель RGB…………………………………………5 стр.
4..Системы цветов HSB и HSL…………………………………..6 стр.
5. Цветовая модель HSB…………………………………………7 стр.
6. Цветовая модель CIE Lab……………………………………..8 стр.
7. Цветовая модель CMYK, цветоделение…………………….. 8 стр.
II . Практическая часть
1.Практический вопрос (создание рисунка в программе CorelDRAW)
Список используемой литературы …………………….............11стр.
Основные понятия компьютерной графики
В компьютерной графике с понятием разрешения обычно происходит больше всего путаницы, поскольку приходится иметь дело сразу с несколькими свойствами разных объектов. Следует четко различать: разрешение экрана, разрешение печатающего устройства и разрешение изображения. Все эти понятия относятся к разным объектам. Друг с другом эти виды разрешения никак не связаны пока не потребуется узнать, какой физический размер будет иметь картинка на экране монитора, отпечаток на бумаге или файл на жестком диске.
Разрешение
экрана - это свойство компьютерной
системы (зависит от монитора и видеокарты)
и операционной системы (зависит от
настроек Windows). Разрешение экрана
измеряется в пикселах (точках) и определяет
размер изображения, которое может
поместиться на экране целиком.
Разрешение
принтера - это свойство принтера,
выражающее количество отдельных точек,
которые могут быть напечатаны на участке
единичной длины. Оно измеряется в
единицах dpi (точки на дюйм) и определяет
размер изображения при заданном качестве
или, наоборот, качество изображения при
заданном размере.
Разрешение изображения - это свойство самого изображения. Оно тоже измеряется в точках на дюйм - dpi и задается при создании изображения в графическом редакторе или с помощью сканера. Так, для просмотра изображения на экране достаточно, чтобы оно имело разрешение 72 dpi, а для печати на принтере - не меньше как 300 dpi. Значение разрешения изображения хранится в файле изображения.
Физический
размер изображения определяет размер
рисунка по вертикали (высота) и горизонтали
(ширина) может измеряться как в пикселах,
так и в единицах длины (миллиметрах,
сантиметрах, дюймах). Он задается при
создании изображения и хранится вместе
с файлом. Если изображение
готовят для демонстрации на экране, то
его ширину и высоту задают в пикселах,
чтобы знать, какую часть экрана оно
занимает. Если изображение
готовят для печати, то его размер задают
в единицах длины, чтобы знать, какую
часть листа бумаги оно займет.
Физический
размер и разрешение изображения
неразрывно связаны друг с другом. При
изменении разрешения автоматически
меняется физический размер.
При работе
с цветом используются понятия: глубина
цвета (его еще называют цветовое
разрешение) и цветовая модель.
Для
кодирования цвета пиксела изображения
может быть выделено разное количество
бит. От этого зависит то, сколько цветов
на экране может отображаться одновременно.
Чем больше длина двоичного кода цвета,
тем больше цветов можно использовать
в рисунке.
Глубина цвета - это количество бит, которое используют для кодирования цвета одного пиксела. Для кодирования двухцветного (черно-белого) изображения достаточно выделить по одному биту на представление цвета каждого пиксела. Выделение одного байта позволяет закодировать 256 различных цветовых оттенков. Два байта (16 битов) позволяют определить 65536 различных цветов. Этот режим называется High Color. Если для кодирования цвета используются три байта (24 бита), возможно одновременное отображение 16,5 млн цветов. Этот режим называется True Color. От глубины цвета зависит размер файла, в котором сохранено изображение.
Цвета в природе редко являются простыми. Большинство цветовых оттенков образуется смешением основных цветов. Способ разделения цветового оттенка на составляющие компоненты называется цветовой моделью . Существует много различных типов цветовых моделей, но в компьютерной графике, как правило, применяется не более трех. Эти модели известны под названиями: RGB, CMYK, НSB.
Цвет и цветовые модели.
Цвет аддитивный и субтрактивный.
Аддитивный цвет получается при соединении света разных цветов. В этой схеме отсутствие всех цветов представляет собой чёрный цвет, а присутствие всех цветов - белый. Схема аддитивных цветов работает с излучаемым светом, например, монитор компьютера.
В схеме субтрактивных цветов происходит обратный процесс. Здесь получается какой-либо цвет при вычитании других цветов из общего луча света. В этой схеме белый цвет появляется в результате отсутствия всех цветов, тогда как их присутствие даёт чёрный цвет. Схема субтрактивных цветов работает с отражённым светом.
В компьютерной графике применяют понятие цветового разрешения (другое название – глубина цвета). Оно определяет метод кодирования цветовой информации для ее воспроизведения на экране монитора. Для отображения черно- белого изображения достаточно двух бит (белый и черный цвета). Восьмиразрядное кодирование позволяет отобразить 256 градаций цветового тона. Два байта (16 бит) определяют 65 536 оттенков (такой режим называют High Color). При 24-разрядном способе кодирования возможно определить более 16,5 миллионов цветов (режим называют С практической точки зрения цветовому разрешению монитора близко понятие цветового охвата. Под ним подразумевается диапазон цветов, который можно воспроизвести с помощью того или иного устройства вывода (монитор, принтер, печатная машина и прочие). В соответствии с принципами формирования изображения аддитивным или субтрактивным методами разработаны способы разделения цветового оттенка на составляющие компоненты, называемые цветовыми моделями. В компьютерной графике в основном применяют модели RGB и HSB (для создания и обработки аддитивных изображений) и CMYK (для печати копии изображения на полиграфическом оборудовании). Цветовые модели расположены в трехмерной системе координат, образующей цветовое пространство, так как из законов Гроссмана следует, что цвет можно выразить точкой в трехмерном пространстве.
Первый закон Грассмана (закон трехмерности). Любой цвет однозначно выражается тремя составляющими, если они линейно независимы. Линейная независимость заключается в невозможности получить любой из этих трех цветов сложением двух остальных.
Второй закон Грассмана (закон непрерывности). При непрерывном изменении излучения цвет смеси также меняется непрерывно. Не существует такого цвета, к которому нельзя было бы подобрать бесконечно близкий.
Третий закон Грассмана (закон аддитивности). Цвет смеси излучений зависит только от их цвета, но не спектрального состава. То есть цвет (С) смеси выражается суммой цветовых уравнений излучений:
Cсумм=(R1+R2+…+Rn)R+(G1+G2+…+Gn)G+ (B1+B2+…+Bn)B.
Цветовая модель RGB
Монитор компьютера создает цвет непосредственно излучением света и, использует схему цветов RGB.
Цветовая модель RGB является аддитивной, то есть любой цвет представляет собой сочетание в различной пропорции трех основных цветов – красного (Red), зеленого (Green), синего (Blue). Она служит основой при создании и обработке компьютерной графики, предназначенной для электронного воспроизведения (на мониторе, телевизоре). Если с близкого расстояния посмотреть на экран монитора, то можно заметить, что он состоит из мельчайших точек красного, зелёного и синего цветов. Компьютер может управлять количеством света, излучаемого через любую окрашенную точку и, комбинируя различные сочетания любых цветов, может создать любой цвет. При наложении одного компонента основного цвета на другой яркость суммарного излучения увеличивается. Совмещение трех компонентов дает ахроматический серый цвет, который при увеличении яркости приближается к белому цвету. При 256 градационных уровнях тона черному цвету соответствуют нулевые значения RGB, а белому – максимальные, с координатами (255,255,255).
Будучи определена природой компьютерных мониторов, схема RGB является самой популярной и распространённой, но у неё есть недостаток: компьютерные рисунки не всегда должны присутствовать только на мониторе, иногда их приходится распечатывать, тогда необходимо использовать другую систему цветов - CMYK.
Системы цветов HSB и HSL
Системы цветов HSB и HSL базируется на ограничениях, накладываемых аппаратным обеспечением. В системе HSB описание цвета представляется в виде тона, насыщенности и яркости. В другой системе HSL задаётся тон, насыщенность и освещённость. Тон представляет собой конкретный оттенок цвета. Насыщенность цвета характеризует его относительную интенсивность или частоту. Яркость или освещённость показывают величину чёрного оттенка добавленного к цвету, что делает его более тёмным. Система HSB хорошо согласовывается с моделью восприятия цвета человеком, то есть он является эквивалентом длины волны света. Насыщенность - интенсивность волны, а яркость - общее количество света. Недостатком этой системы является то, что для работы на мониторах компьютера её необходимо преобразовать в систему RGB, а для четырехцветной печати в систему CMYK.
Цветовая модель HSB
Цветовая модель HSB разработана с максимальным учетом особенностей восприятия цвета человеком. Она построена на основе цветового круга Манселла. Цвет описывается тремя компонентами: оттенком (Hue), насыщенностью (Saturation) и яркостью (Brigfitness). Значение цвета выбирается как вектор, исходящий из центра окружности. Точка в центре соответствует белому цвету, а точки по периметру окружности – чистым спектральным цветам. Направление вектора задается в градусах и определяет цветовой оттенок. Длина вектора определяет насыщенность цвета. На отдельной оси, называемой ахроматической, задается яркость, при этом нулевая точка соответствует черному цвету. Цветовой охват модели HSB перекрывает все известные значения реальных цветов.
Модель HSB принято использовать при создании изображений на компьютере с имитацией приемов работы и инструментария художников. Существуют специальные программы, имитирующие кисти, перья, карандаши. Обеспечивается имитация работы с красками и различными полотнами. После создания изображения его рекомендуется преобразовать в другую цветовую модель, в зависимости от предполагаемого способа публикации.
Цветовая модель CIE Lab
В 1920 году была разработана цветовая пространственная модель CIE Lab (Communication Internationale de I"Eclairage – международная комиссия по совещанию. L, a, b – обозначения осей координат в этой системе). Система является аппаратно независимой и потому часто применяется для переноса данных между устройствами. В модели CIE Lab любой цвет определяется светлотой (L) и хроматическими компонентами: параметром а, изменяющимся в диапазоне от зеленого до красного, и параметром b, изменяющимся в диапазоне от синего до желтого. Цветовой охват модели CIE Lab значительно превосходит возможности мониторов и печатных устройств, поэтому перед выводом изображения, представленного в этой модели, его приходится преобразовывать. Данная модель была разработана для согласования цветных фотохимических процессов с полиграфическими. Сегодня она является принятым по умолчанию стандартом для программы Adobe Photoshop.
Цветовая модель CMYK, цветоделение
Данная система была широко известна задолго до того, как компьютеры стали использоваться для создания графических изображений. Для разделения цветов изображения на цвета CMYK применяют компьютеры, а для полиграфии разработаны их специальные модели. Преобразование цветов из системы RGB в систему CMYK сталкивается с рядом проблем. Основная сложность заключается в том, что в разных системах цвета могут меняться. У этих систем различна сама природа получения цветов и то, что мы видим на экране мониторов никогда нельзя точно повторить при печати. В настоящее время существуют программы, которые позволяет работать непосредственно в цветах CMYK. Программы векторной графики уже надёжно обладают этой способностью, а программы растровой графики лишь в последнее время стали предоставлять пользователям средства работы с цветами CMYK и точного управления тем, как рисунок будет выглядеть при печати.
Цветовая модель CMYK относится к субтрактивным, и ее используют при подготовке публикаций к печати. Цветовыми компонентами CMY служат цвета, полученные вычитанием основных из белого:
голубой (cyan) = белый - красный = зеленый + синий;
пурпурный (magenta) = белый - зеленый = красный + синий;
желтый (yellow) = белый - синий = красный + зеленый.
Такой метод соответствует физической сущности восприятия отраженных от печатных оригиналов лучей. Голубой, пурпурный и желтый цвета называются дополнительными, потому что они дополняют основные цвета до белого. Отсюда вытекает и главная проблема цветовой модели CMY – наложение друг на друга дополнительных цветов на практике не дает чистого черного цвета. Поэтому в цветовую модель был включен компонент чистого черного цвета. Так появилась четвертая буква в аббревиатуре цветовой модели CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, blacK). Для печати на полиграфическом оборудовании цветное компьютерное изображение необходимо разделить на составляющие, соответствующие компонентам цветовой модели CMYK. Этот процесс называют цветоделением. В итоге получают четыре отдельных изображения, содержащих одноцветное содержимое каждого компонента в оригинале. Затем в типографии с форм, созданных на основе цветоделенных пленок, печатают многоцветное изображение, получаемое наложением цветов CMYK.
Индексированный цвет, работа с палитрой
Все описанные ранее системы цветов имели дело со всем спектром цветов. Индексированные палитры цветов - это наборы цветов, из которых можно выбрать необходимый цвет. Преимуществом ограниченных палитр является то, они что занимают гораздо меньше памяти, чем полные системы RGB и CMYK. Компьютер создаёт палитру цветов и присваивает каждому цвету номер от 1 до 256. Затем при сохранении цвета отдельного пиксела или объекта компьютер просто запоминает номер, который имел этот цвет в палитре. Для запоминания числа от 1 до 256 компьютеру необходимо всего 8 бит. Для сравнения полный цвет в системе RGB занимает 24 бита, а в системе CMYK - 32.
Список используемой литературы:
1.Компьютерная графика. Порев В.Н,
2.Основы компьютерной графики. Сергеев А. П., Кущенко С.В
3. Компьютерная графика. Динамика, реалистические изображения. Е.В.Шикин, А.В.Боресков
Компьютерная графика (11)Реферат >> Информатика
2 ВИДЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ Различают три вида компьютерной графики . Это растровая графика , векторная графика и фрактальная графика . Они отличаются... трехмерной системы координат. Каждая координата отражает вклад каждой составляющей в результирующий цвет в...
У практики отображения информации в графическом виде много синонимов, но в последнее время чаще всего используются два - визуализация данных и инфографика. Визуализация данных - это отображение больших массивов числовой и семантической информации в виде графических объектов. Продукты визуализации данных предназначены для дальнейшей интеграции в информационные системы и системы поддержки принятия решений.
Визуализация данных находит применение в самых разных сферах человеческой деятельности. Для примера назовем медицину (компьютерная томография), научные исследования (визуализация строения вещества, векторных полей и других данных), моделирование тканей и одежды, опытно-конструкторские разработки, статистика и отчеты и др.
КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА
Существует специальная область информатики, изучающая методы и средства создания и обработки изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов, – компьютерная графика, получившая развитие в середине 50-х годов для больших ЭВМ, применявшихся в научных и военных исследованиях. С тех пор графический способ отображения данных стал неотъемлемой принадлежностью подавляющего числа компьютерных систем, в особенности персональных. Графический интерфейс пользователя сегодня является стандартом для программного обеспечения разных классов, начиная с операционных систем.
Графический редактор - программа (или пакет программ), позволяющая создавать и редактировать двух- и трёхмерные изображения с помощью компьютера. Современные графические редакторы изображений используются как программы для рисования с нуля, и как программы для редактирования фотографий.
В зависимости от способа формирования изображений компьютерную графику принято подразделять на растровую, векторную и фрактальную.
Рис. 1. Различные виды графики.
Отдельным предметом считается трехмерная (3 D ) графика , изучающая приёмы и методы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве. Как правило, в ней сочетаются векторный и растровый способы формирования изображений.
Особенности цветового охвата характеризуют такие понятия, как чёрно-белая и цветная графика. На специализацию в отдельных областях указывают названия некоторых разделов: инженерная графика, научная графика, Web -графика, компьютерная полиграфия и прочие.
На стыке компьютерных, телевизионных и кинотехнологий зародилась и стремительно развивается новая область компьютерной графики и анимации.
Компьютерная графика является одной из наиболее бурно развивающихся отраслей информатики и во многих случаях выступает «локомотивом», тянущим за собой всю компьютерную индустрию.
Передача цвета
Для передачи и хранения цвета в компьютерной графике используются различные формы его представления. В общем случае цвет представляет собой набор чисел, координат в некоторой цветовой системе.
Стандартные способы хранения и обработки цвета в компьютере обусловлены свойствами человеческого зрения. Наиболее распространены системы RGB (Red -красный, Green - зеленый, Blue - синий) для дисплеев и CMYK для работы в типографском деле. Иногда используется система с большим, чем три, числом компонент. Кодируется спектр отражения или испускания источника, что позволяет более точно описать физические свойства цвета. Такие схемы используются в фотореалистичном трёхмерном рендеринге.
|
|
Рис. 2. Система цветопередачи RGB . Рис. 3. Схема субтрактивного синтеза в CMYK
Растровая графика
Растровая графика - прямоугольная матрица, состоящая из множества очень мелких неделимых точек (пикселей ). Каждый такой пиксель может быть окрашен в какой-нибудь один цвет. Например, монитор, с разрешением 1024х768 пикселей имеет матрицу, содержащую 786432 пикселей, каждый из которых (в зависимости от глубины цвета) может иметь свой цвет. Т.к. пиксели имеют очень маленький размер, то такая мозаика сливается в единое целое и при хорошем качестве изображения (высокой разрешающей способности) человеческий глаз не видит «пикселизацию» изображения.
При уменьшении изображения происходит обратный процесс - компьютер просто "выбрасывает" лишние пиксели. Отсюда главный минус растровой графики - зависимость качества изображение от его размеров.
Растровую графику следует применять для изображений с фотографическим качеством, на котором присутствует множество цветовых переходов. Размер файла, хранящего растровое изображение зависит от двух факторов: размера изображения; от глубины цвета изображения (чем больше цветов представлено на картинке, тем больше размер файла).
Рис. 3 . Изменение растровой картинки при увеличении.
Для растровых изображений, состоящих из точек, особую важность имеет понятие разрешения, выражающее количество точек, приходящихся на единицу длины. При этом следует различать: разрешение оригинала; разрешение экранного изображения; разрешение печатного изображения.
Разрешение оригинала. Разрешение оригинала при печати измеряется в точках на дюйм (dots per inch – dpi ) и зависит от требований к качеству изображения и размеру файла, способу оцифровки и создания исходной иллюстрации, избранному формату файла и другим параметрам. Чем выше требование к качеству, тем выше должно быть разрешение оригинала.
Разрешение экранного изображения . Для экранных копий изображения элементарная точка растра называется пикселом. Размер пиксела варьируется в зависимости от выбранного экранного разрешения (из диапазона стандартных значений), разрешение оригинала и масштаб отображения. Мониторы для обработки изображений с диагональю 20–21 дюйм обеспечивают стандартные экранные разрешения 640х480, 800х600, 1024х768,1280х1024,1600х1200,1600х1280, 1920х1200, 1920х1600 точек. Расстояние между соседними точками люминофора у качественного монитора составляет 0,22–0,25 мм. Для экранной копии достаточно разрешения 72 dpi , для распечатки на цветном или лазерном принтере 150–200 dpi , для вывода на фотоэкспонирующем устройстве 200–300 dpi . Обычно при распечатке величина разрешения оригинала должна быть в 1,5 раза больше, чем линиатура растра устройства вывода.
Интенсивность тона (так называемую светлоту) принято подразделять на 256 уровней. Большее число градаций не воспринимается зрением человека и является избыточным. Меньшее число ухудшает восприятие изображения (минимально допустимым для качественной полутоновой иллюстрации принято значение 150 уровней). Нетрудно подсчитать, что для воспроизведения 256 уровней тона достаточно иметь размер ячейки растра 256=16х16 точек.
Связь между параметрами изображения и размером файла . Средствами растровой графики принято иллюстрировать работы, требующие высокой точности в передаче цветов и полутонов. Однако размеры файлов растровых иллюстраций стремительно растут с увеличением разрешения. Фотоснимок, предназначенный для домашнего просмотра (стандартный размер 10х15 см, оцифрованный с разрешением 200-300 dpi , цветовое разрешение 24 бита), занимает в формате TIFF с включенным режимом сжатия около 4 Мбайт. Оцифрованный с высоким разрешением слайд занимает 45-50 Мбайт. Цветоделенное цветное изображение формата А4 занимает 120-150 Мбайт.
Масштабирование растровых изображений . Одним из недостатков растровой графики является так называемая пикселизация изображений при их увеличении (если не приняты специальные меры). Раз в оригинале присутствует определенное количество точек, то при большем масштабе увеличивается и их размер, становятся заметны элементы растра, что искажает саму иллюстрацию. Для противодействия пикселизации принято заранее оцифровывать оригинал с разрешением, достаточным для качественной визуализации при масштабировании. Другой приём состоит в применении стохастического растра, позволяющего уменьшить эффект пикселизации в определенных пределах. Наконец, при масштабировании используют метод интерполяции, когда увеличение размера иллюстрации происходит не за счет масштабирования точек, а путем добавления необходимого числа промежуточных точек.
Некоторый класс растровых графических редакторов предназначен не для создания изображений «с нуля», а для обработки готовых рисунков с целью улучшения их качества и реализации творческих идей. К таким программам, в частности, относятся Adobe Photoshop , Photostyler, Picture Publisher и др. Исходная информация для обработки на компьютере может быть получена разными путями: сканированием 1т цветной иллюстрации, загрузкой изображения, созданного в другом редакторе, или вводом изображения от цифровой фото- или видеокамеры.
Усиления зрительного впечатления и повышения информационной насыщенности изображения. Ощущение цвета формируется человеческим мозгом в результате анализа светового потока, попадающего на сетчатку глаза от излучающих или отражающих объектов. Восприятие цвета зависит от физических свойств света, т. е. электромагнитной энергии, от его взаимодействия с физическими веществами, а также от их интерпретации зрительной системой человека. Зрительная система человека воспринимает электромагнитную энергию с длинами волн от 400 до 700 нм как видимый свет (1 нм = 10 -9 м). Свет принимается либо непосредственно от источника, например электрической лампочки, либо косвенно при отражении от поверхности объекта или преломлении в нем. Источник или объект является ахроматическим, если наблюдаемый свет содержит все видимые длины волн в приблизительно равных количествах. Ахроматический источник кажется белым, а отраженный или преломленный ахроматический свет - белым, черным или серым . Белыми выглядят объекты, ахроматически отражающие более 80% света белого источника, а черными - менее 3%. Промежуточные значения дают различные оттенки серого. Хотя трудно определить различие между светлотой и яркостью, светлота обычно считается свойством несветящихся или отражающих объектов и изменяется от черного до белого, а яркость является свойством самосветящихся или излучающих объектов и изменяется в диапазоне от низкой до высокой . Если воспринимаемый свет содержит длины волн в произвольных неравных количествах, то он называется хроматическим. Если длины волн сконцентрированы у верхнего края видимого спектра, то свет кажется красным или красноватым, т. е. доминирующая длина волны лежит в красной области видимого спектра. Если длины волн сконцентрированы в нижней части видимого спектра, то свет кажется синим или голубоватым, т. е. доминирующая длина волны лежит в синей части спектра. Однако сама по себе электромагнитная энергия определенной длины волны не имеет никакого цвета. Ощущение цвета возникает в результате преобразования физических явлений в глазу и мозге человека. Цвет объекта зависит от распределения длин волн источника света и от физических свойств объекта. Объект кажется цветным, если он отражает или пропускает свет лишь в узком диапазоне длин волн и поглощает все остальные .
В машинной графике применяются две системы смешения основных цветов: аддитивная - красный, зеленый, синий (RGB) и субтрактивная - голубой, пурпурный, желтый (CMY). Цвета одной системы являются дополнительными к другой: голубой - к красному, пурпурный - к зеленому, желтый - к синему. Дополнительный цвет - это разность белого и данного цвета: голубой это белый минус красный, пурпурный - белый минус зеленый, желтый - белый минуc синий. Хотя красный можно считать дополнительным к голубому, по традиции красный, зеленый и синий считаются основными цветами, а голубой, пурпурный, желтый - их дополнениями. Интересно, что в спектре радуги или призмы пурпурного цвета нет, т. е. он порождается зрительной системой человека. Для отражающих поверхностей , например типографских красок, пленок и несветящихся экранов применяется субтрактивная система CMY. В субтрактивных системах из спектра белого цвета вычитаются длины волны дополнительного цвета. Например, при отражении или пропускании света сквозь пурпурный объект поглощается зеленая часть спектра. Если получившийся свет отражается или преломляется в желтом объекте, то поглощается синяя часть спектра и остается только красный цвет. После его отражения или преломления в голубом объекте цвет становится черным, так как при этом исключается весь видимый спектр. По такому принципу работают фотофильтры. Аддитивная цветовая система RGB удобна для светящихся поверхностей, например экранов ЭЛТ или цветных ламп.
Способы описания цвета
В компьютерной графике применяют понятие цветового разрешения (другое название - глубина цвета ). Оно определяет метод кодирования цветовой информации для ее воспроизведения на экране монитора. Для отображения черно-белого изображения достаточно одного бита (белый и черный цвета). Восьмиразрядное кодирование позволяет отобразить 256 градаций цветового тона. Два байта (16 бит) определяют 65 536 оттенков. При 24-разрядном способе кодирования возможно определить более 16,5 миллионов цветов
С практической точки зрения цветовому разрешению близко понятие цветового охвата, имеется в виду диапазон цветов, который можно воспроизвести на устройствах вывода. Цветовые модели расположены в трехмерной системе координат, которая образует цветовое пространство. При этом исходят из законов Грассмана о том, что цвет можно выразить точкой в трехмерном пространстве.
Цветовая модель CIE Lab
В1920 году была разработана цветовая пространственная модель CIE Lab
L,a,b - обозначения осей координат в этой системе). Система является аппаратно независимой и потому часто применяется для переноса данных между устройствами. В модели CIE Lab любой цвет определяется светлотой (I) и хроматическими компонентами: параметром а, изменяющимся в диапазоне от зеленого до красного, и параметром b, изменяющимся в диапазоне от синего до желтого . Цветовой охват модели CIE Lab значительно превосходит возможности мониторов и печатных устройств, поэтому перед выводом изображения, представленного в этой модели, его приходится преобразовывать. Данная модель была разработана для согласования цветных фотохимических процессов с полиграфическими. Сегодня она является принятым по умолчанию стандартом для программы Adobe Photoshop.
Цветовая модель RGB
Рис.. Аддитивная цветовая модель RGB
Цветовая модель RGB является аддитивной, то есть любой цвет представляет собой сочетание в различной пропорции трех основных цветов - красного, зеленого, синего. Она служит основой при создании и обработке компьютерной графики, предназначенной для электронного воспроизведения (на мониторе, телевизоре). При наложении одного компонента основного цвета на другой яркость суммарного излучения увеличивается. Совмещение трех компонентов дает ахроматический серый цвет, который при увеличении яркости приближается к белому цвету. При 256 градационных уровнях тона черному цвету соответствуют нулевые значения RGB, а белому - максимальные, с координатами (255,255,255).
RGB с Альфа - каналом
Альфа-канал позволяет объединять изображение с его фоном. Каждое значение пикселя содержит дополнительное Альфа-значение, размер которого в битах равен глубине цвета изображения. Цветовая модель RGB с Альфа - каналом может использоваться только при глубине цвета равной 8 и 16 битам.
Нулевое значение Альфа - канала означает, что пиксель полностью прозрачен, и в этом случае фон полностью виден через изображение.
Значение Альфа – канала равному 2 глубина цвета изображения -1
соответствует полностью непрозрачному пикселю; это означает, что фон полностью закрыт изображением. Когда значение Альфа - канала равно промежуточной величине, цвет пикселя сливается с фоном посредством некоторого алгоритма.
Цветовая модель HSB
Рис. Цветовая модель HSB
Цветовая модель HSB разработана с максимальным учетом особенностей восприятия цвета человеком. Она построена на основе цветового круга Манселла. Цвет описывается тремя компонентами: оттенком (Hue
), насыщенностью (Saturation
) и яркостью (Brightness
).
Значение цвета выбирается как вектор, исходящий из центра окружности. Точка в центре соответствует белому цвету, а точки по периметру окружности - чистым спектральным цветам. Направление вектора задается в градусах и определяет цветовой оттенок. Длина вектора определяет насыщенность цвета. На отдельной оси, называемой ахроматической
, задается яркость, при этом нулевая точка соответствует черному цвету. Цветовой охват модели HSB перекрывает все известные значения реальных цветов.
Модель HSB принято использовать при создании изображений на компьютере с имитацией приемов работы и инструментария художников. Существуют специальные программы, имитирующие кисти, перья, карандаши. Обеспечивается имитация работы с красками и различными полотнами. После создания изображения его рекомендуется преобразовать в другую цветовую модель, в зависимости от предполагаемого способа публикации. В настоящее время эта цветовая модель используется только в некоторых программах обработки изображения.
Цветовая модель YCbCr
Изображения в формате JPEG почти всегда сохраняются с использованием трехкомпонентного цветового пространства YCbCr. Компонент Y или яркость представляет яркость изображения. Компоненты Cb и Cr определяют цветность. Значение Cb задает синеву изображения, а значение Cr задает его красноту.
Соотношение между цветовыми моделями YCbCr и RGB находят по соответствующим формулам.
Рис. Цветовая модель CMYK
Цветовая модель относится к субтрактивным, и ее используют при подготовке публикаций к печати. Цветовыми компонентами CMY служат цвета, полученные вычитанием основных из белого:
голубой (cyan) = белый - красный = зеленый + синий;
пурпурный (magenta) = белый - зеленый = красный + синий;
желтый (yellow) = белый - синий = красный + зеленый.
Такой метод соответствует физической сущности восприятия отраженных от печатных оригиналов лучей. Голубой, пурпурный и желтый цвета называются дополнительными , потому что они дополняют основные цвета до белого. Отсюда вытекает и главная проблема цветовой модели CMY - наложение друг на друга дополнительных цветов на практике не дает чистого черного цвета. В модели CMYK большие значения компонентов представляют цвета, более близкие к черному. При комбинации голубой, пурпурной и желтой красок поглощается весь цвет, что теоретически должно приводить к черному цвету, но на практике чистый черный цвет не создается. Поэтому в цветовую модель был включен компонент чистого черного цвета. Так появилась четвертая буква в аббревиатуре цветовой модели CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, blacK ). Между моделью и RGB нет однозначного соответствия. На одно и то же значение RGB отображается множество значений CMYK.
Для печати на полиграфическом оборудовании цветное компьютерное изображение необходимо разделить на составляющие, соответствующие компонентам цветовой модели CMYK. Этот процесс называют цветоделением . В итоге получают четыре отдельных изображения, содержащих одноцветное содержимое каждого компонента в оригинале. Затем в типографии с форм, созданных на основе цветоделенных пленок, печатают многоцветное изображение, получаемое наложением цветов CMYK.
Цветовые модели, используемые для представления изображений, основываются на предположении, что между значением цветового компонента и цветом, видимым на экране, существует линейная связь. В действительности применяемые устройства отображения не реагируют линейно на поступающий входной сигнал. Гамма приближение описывает нелинейные характеристики этих устройств. С математической точки зрения, Гамма - степенная функция:
Настройка Гаммы изображения может выполняться как совместно с преобразованием в цветовое пространство XYZ, так и отдельно. Регулировка Гаммы оказывает большее воздействие на вид изображения на компьютерном мониторе, чем преобразование в цветовое пространство XYZ и обратно.
Эффект воздействия Гаммы на изображение состоит в при дании компоненту более темного или более светлого оттенка.
Системы координат
Для создания сложного реалистического компьютерного изображения необходимо математическую модель изображаемого объекта или процесса достоверно повторить на экране в пространстве и во времени. При этом необходимо задавать положение точек, линий и поверхностей в различных системах координат. Положение точки в Евклидовом пространстве задается радиус-вектором, который имеет n координат и разложение по n линейно-независимым базисным векторам. Совокупность базисных векторов и единиц измерения расстояний вдоль этих векторов составляет систему координат . Для описания формы графических объектов, задания расположения объектов в пространстве и их проекций на экране дисплея используют различные СК, наиболее удобные в каждом конкретном случае. Положение точек в пространстве удобно описывается с помощью декартовой системы координат. Декартова система координат имеет три направленные прямые линии, которые не лежат в одной плоскости – оси координат, оси пересекаются в одной точке – начале координат . На осях выбирается единица измерения. Положение любой точки в пространстве описывается через координаты этой точки, которые представляют собой расстояния от начала координат до проекций точки на соответствующие оси координат. Для практических расчетов удобнее , чтобы оси координат были расположены взаимно перпендикулярно. Такая система координат называется ортогональной . Взаимное расположение осей в ортогональной системе координат может быть двух видов. Ось 0 z может проходить в направлении от наблюдателя в плоскость листа – это левосторонняя система координат. Если ось 0 z проходит от плоскости листа к наблюдателю – это правосторонняя система координат.
Системы координат наиболее часто применяемые в компьютерной графике
Мировая система координат является основной системой координат, в ней заданы все объекты сцены. Одной из распространенных задач компьютерной графики является изображение двумерных графиков в некоторой системе координат. Эти графики предназначены для отображения зависимости между переменными, заданными с помощью функций. Например, графики, характеризующих восприятие света глазом человека. Чтобы получить такой график, прикладная программа должна описать различные выходные примитивы (точки, линии, цепочки символов), указав их местоположение и размеры в прямоугольной системе координат. Единицы измерения, в которых задаются эти объекты, зависят от их природы: изменение температуры, например, можно отображать в градусах за час, перемещение тела в пространстве - в километрах в секунду, и т. д. Эти прикладные (или ориентированные на пользователя) координаты позволяют задавать объекты в двумерном или трехмерном мире пользователя, и их принято называть мировыми координатами .
Неподвижная мировая система координат (МСК) x, y, z, содержит точку отсчета (начало координат) и линейно независимый базис (совокупность базисных векторов – осей координат), благодаря этому возможно цифровое описание геометрических свойств любого графического объекта в абсолютных величинах . Мировую систему координат обозначим x м y м z м .
Модельная система координат – система координат, в которой задана внутренняя структура объектов.
Экранная система координат - в ней задается положение проекций геометрических объектов на экране дисплея. Проекция точки в ЭСК имеет координату z э =0. Однако не следует отбрасывать эту координату, т. к. МСК и ЭСК часто выбираются совпадающими, а также вектор проекции [ x э y э 0] может участвовать в преобразованиях, к которых нужны не две, а три координаты.
Выбор точки и направления зрения можно описать математически, введя декартову систему координат наблюдателя , начало которой находится в точке обзора, а одна из осей совпадает с направлением зрения
Система координат сцены (СКС) x с y с z с , в которой описывается положение всех объектов сцены – некоторой части мирового пространства с собственными началом отсчета и базисом, которые используются для описания положения объектов независимо от МСК.
Объектная система координат
(ОСК) x
о
y
о
z
о
, связанная с конкретным объектом и совершающая с ним все движения в СКС или МСК.
Изображение трехмерных объектов сопряжено с целым рядом задач. Прежде всего надо помнить, что изображение является плоским, поэтому надо добиться адекватной передачи визуальных свойств предметов, дать достаточно наглядное представление о глубине. В дальнейшем группы трехмерных объектов, предназначенных для изображения, будем называть пространственной сценой
, а ее двумерное изображение - образом
.
Рис. 4.3.
Объектная система координат и система координат наблюдателя
Видимый образ формируется на некоторой плоскости, которую в дальнейшем будем называть картинной плоскостью
. Способы преобразования трехмерного объекта в двумерный образ (проекции
) могут быть различными. Так или иначе, но полученный образ также должен быть описан в некоторой двумерной системе координат. В зависимости от способа его получения реальные размеры образа также могут быть различны. Различные виды проецирования будут подробно рассмотрены позднее.
Рис. 4.4. Картинная плоскость и экран
Поскольку нашей конечной целью является получение изображения на экране, то перенесение образа сопровождается изменением масштаба в соответствии с размерами экрана. Обычно началом координат в системе координат образа считается левый нижний угол листа с изображением. На экране дисплея начало координат традиционно находится в левом верхнем углу. Отображение рисунка с картинной плоскости на экран должно производиться с минимальным искажением пропорций, что само по себе вносит ограничение на область экрана, занимаемую рисунком. Изменение масштаба должно осуществляться с сохранением пропорций области (рис. 4.4).
Объекты в системе координат картинной плоскости задаются в каких- либо единицах измерения, причем масштаб одинаков по обеим осям координат. На экране единицей измерения является пиксель, который следует рассматривать как прямоугольный, поэтому масштабы по горизонтальной и вертикальной осям могут быть различны, что необходимо учитывать при задании коэффициентов масштабирования
Пример преобразований в системах координат
Для того, чтобы управлять изображением на экране, вносить изменения в его положение, ориентацию и размер производят геометрические преобразования. Они позволяют изменять характеристики объектов в пространстве. Допустим необходимо создать на компьютере изображение движения солнца по небу и автомобиля по земле. Данную картину наблюдатель видит из определенной точки в пространстве в определенном направлении. Чтобы описать эти сложные преобразования математически сначала следует выбрать системы координат.
Первая система координат – мировая, зададим ее осями x м y м z м , она размещается в некоторой точке и остается всегда неподвижной.
Вторая система координат определяет положение наблюдателя в пространстве и задает направление взгляда – система координат наблюдателя x n y n z n .
Третья система – система координат объекта, их будет две: система координат солнца и система координат автомобиля. Эти системы могут перемещаться и изменять свое положение в пространстве относительно мировой системы координат. Координаты точек объектов задаются в системах координат объектов, каждая из них привязана к мировой системе координат. Система координат наблюдателя тоже перемещается относительно мировой системы координат. Чтобы увидеть трехмерный объект на дисплее нужно выполнить:
Этапы построения изображений
Как было сказано ранее, компьютерная графика изучает методы построения изображений различных геометрических объектов и сцен. Главными этапами построения изображений являются:
Геометрические преобразования
Цель изучения геометрических преобразований – научиться описывать движение объектов и визуализировать объекты математически. Геометрическое преобразование – это отображение образа точки, принадлежащей n -мерному Евклидову пространству в точку n ’ -мерного прообраза. К геометрическим преобразованиям относятся проективные преобразования и аффинные преобразования.
Для того чтобы синтезировать изображение на экране ПК, необходимо предложить способ математического описания объектов в трехмерном пространстве или на плоскости. Проективные преобразования изображают сцену в желаемом ракурсе. Проекцией называется способ перехода трехмерных объектов к их изображению на плоскости. Проецирование – это отображение трехмерного пространства на двухмерную картинную плоскость (КП). Получение проекции основывается на методе трассировки лучей. Из центра проецирования (проектора) проводятся лучи через каждую точку объекта до пересечения с КП. Фигура на плоскости, которая образуется точками пересечения лучей с картинной плоскостью, является проекцией объекта. Важным свойством любого метода проецирования является достоверность восприятия объекта по его проекции. Проекции, одинаково хорошо подходящей для любых задач не существует. Плоская геометрическая проекция – это тип проецирования на плоскую поверхность прямыми линиями. Плоские геометрические проекции бывают центральные и параллельные. Если центр проекции находится на конечном расстоянии от проекционной плоскости, то это центральная проекция. Если центр проекции удален на бесконечность, то такая проекция является параллельной. Центральные проекции имеют от одной до трех точек схода. Точкой схода называется точка пересечения центральных проекций всех параллельных прямых, которые не параллельны проекционной плоскости.
Цвет в системах мультимедиа может использоваться как код, или как средство дизайна. Цветовой код используется для разделения различных видов информации, выводимой на экран. Например, аварийные сообщения операционной системы обычно выводятся на красном фоне.
Как средство дизайна цвет применяют для привлечения внимания, для психологического воздействия на пользователя: создания определенного настроения, возбуждения нужных эмоций, для уравновешивания экрана и просто для украшения.
При работе с цветом дизайнеры используют специальный инструмент - цветовой круг , который показывает взаимоотношения между различными цветами и иллюстрирует их связь друг с другом. С помощью цветового круга можно подбирать цвета, хорошо сочетающиеся между собой, обеспечивать стилистическое единство создаваемого документа. Цвета на цветовом круге располагаются следующим образом: красный 0 градусов; желтый - 60; зеленый - 120; cyan - 180; синий - 240; magenta - 360.
Природу цвета раскрыли И. Ньютон и М.В. Ломоносов. Их опыты происходили в затемненной комнате, в стене которой была прорезана щель, через которую проникал луч солнечного света. На пути этого луча устанавливалась стеклянная призма. Проходя через призму, солнечный луч разлагался на составляющие: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый цвета, которые можно было наблюдать на экране. Отодвинув экран, они на его место поставили вторую стеклянную призму, развернутую навстречу первой,- из нее на экран вышел опять белый луч. Это доказывало, что белый цвет состоит из большого количества других цветов. Помещая между призмами полоски бумаги, исследователи стали перекрывать отдельные цвета, наблюдая за тем, как изменится цвет луча на выходе второй призмы. Таким образом было установлено, что различные цвета по своим возможностям не одинаковы. Были выделены группы основных цветов, смешивание которых позволяло получать другие цвета. Наибольшими возможностями обладала группа, состоящая из красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue) цветов. По первым буквам английских названий этих цветов группа была названа RGB . Смешивание этих цветов в разных пропорциях позволяло получить любые другие оттенки цветов, включая и белый. Эта группа цветов впоследствии стала основной при производстве цветных телевизоров и мониторов электронных вычислительных машин.
Аналогичными возможностями обладает и другая группа основных цветов: CMYK - C yan, M agenta, Y ellow, blacK (голубой или бирюзовый; вишневый или пурпурный, или малиновый; желтый; и черный). Эта группа цветов получила распространение в полиграфии и у художников. Она же является основной и в устройствах вывода информации из ЭВМ - цветных принтерах, например, группа CMYK может быть получена из RGB за счет того, что красный и зеленый при отсутствии синего образуют желтый цвет (yellow), зеленый и синий при отсутствии красного образуют cyan, красный и синий при отсутствии зеленого - magenta, а полное отсутствие всех цветов - черный.
Триада основных печатных цветов: голубой, пурпурный и желтый (CMY , без черного) является, по сути, наследником трех основных цветов живописи (синего, красного и желтого). Изменение оттенка первых двух связано с отличным от художественных химическим составом печатных красок, но принцип смешения тот же самый. И художественные, и печатные краски, несмотря на провозглашаемую самодостаточность, не могут дать очень многих оттенков. Поэтому художники используют дополнительные краски на основе чистых пигментов, а печатники добавляют, как минимум, черную краску (черный цвет в устройствах вывода ЭВМ образуется за счет отсутствия R,G и B или C, M и Y соответственно).
Цвета, полученные при смешении основных, называются производными. Цвета, расположенные на цветовом круге напротив друг друга, называются дополнительными.
Иногда в графическом дизайне используют другие цветовые модели, не основанные на составе основных цветов, например, модель HSB - Hue (оттенок), Saturation (насыщенность), Brightness (яркость), или HSL - Hue, Saturation, Lightness (освещенность). Яркостью принято называть степень близости данного цвета к белому или черному. Она измеряется в % от черного или белого цвета, которые смешиваются с данным цветом. (Скрининг - это операция по смешиванию чистого тона с черным. Например, синий цвет, содержащий 40% черного, имеет вдвое большую яркость, чем тот же синий цвет с 80% черного).
Оттенок (цвет) определяет степень отличия данного цвета от других. Он определяется величиной угла в градусах на цветовом круге.
Насыщенность - это мера интенсивности цвета. Чем выше насыщенность, тем более сочным кажется цвет. При малой насыщенности цвет выглядит темным и тусклым. Измеряется насыщенность (так же, как и яркость, и освещенность) в процентах. Насыщенность 100% определяет чистый цвет. Насыщенность 0% определяет белый, черный или серый цвета.
Составляя комбинации из разных оттенков и изменяя их яркость и насыщенность, можно получать разнообразные эффекты, оперируя всего несколькими цветами.
Система HSB (HSL) имеет перед другими системами важное преимущество: она больше соответствует природе цвета, хорошо согласуется с моделью восприятия цвета человеком. Многие оттенки можно быстро и удобно получить в HSB или HSL, конвертировав затем в RGB или CMYK.
По эмоциональному воздействию большинство цветов может быть отнесено к одной из двух категорий - теплым или холодным цветам.
Теплые тона создают эффект движения в сторону смотрящего, кажутся ближе, привлекают внимание, оказывают возбуждающее действие. К ним относятся красный, оранжевый, желтый цвета.
Холодные тона кажутся удаляющимися, создают ощущение движения в сторону от смотрящего, могут создать ощущение отчужденности и изоляции, но могут и успокоить, и ободрить. К холодным относятся голубой, синий, фиолетовый цвета.
Зеленый цвет является нейтральным.
Эффект движения, создаваемый теплыми и холодными цветами, часто используется дизайнерами, когда для фона выбираются холодные оттенки, а для объектов, расположенных на переднем плане,- теплые. В документах, где преобладают теплые тона, холодные цвета можно использовать для оформления выделений и усиления контраста, и наоборот. Применяя холодные оттенки, можно подчеркнуть легкомысленность, элегантность или строгость публикации. Глубокие теплые цвета действуют возбуждающе или передают ощущение близости.
Нужно учитывать также, что цвет фона может изменять оттенок основного цвета и производимое им впечатление.
Но цвета имеют много различных вариаций: у холодных цветов бывают теплые разновидности, а у теплых - холодные. Поэтому подбор цветов - процесс творческий, в котором однозначных рекомендаций не существует.
При использовании цветовых кодов (так называемых “визуальных направляющих”) необходимо учитывать, что более семи кодов неподготовленный человек запомнить не может. Поэтому увлекаться использованием цветовых кодов не следует. Кроме того, цветовое кодирование должно быть последовательным - в рамках одного документа, одной электронной информационной системы должны применяться одни и те же цветовые коды для обозначения одних и тех же явлений и процессов.
Различные комбинации цветов очень сильно влияют на читаемость текста. Текст и фон должны контрастировать друг с другом. Чем сильнее контраст, тем лучше читается текст. Помимо стандартного черного текста на белом фоне, удачными сочетаниями являются черный текст на желтом фоне и оранжевый текст на белом фоне.
Цвет - это очень мощное средство дизайна, помогающее привлечь внимание, направить взгляд в нужную сторону, поддерживать интерес пользователя. Но цветовое оформление ни в коем случае не должно отвлекать пользователя от основного содержания, вступать с ним в противоречие.
Голливудское качество кинофильмов предусматривает возможность размещения на экране одновременно около 20 млн.различных цветов. Атрибут пиксела, имеющий длину 1 байт, позволяет кодировать 256 различных цветов (стандарт VGA - Video Graphic Array). 15-битный атрибут платы SVGA (Super VGA) позволяет выводить на экран одновременно 32768 цветов (5 бит для кодирования каждого цвета - 32 различных оттенка для красного, синего и зеленого цветов, т.е. 32× 32× 32 = 32768). 24-битный атрибут специальных графических плат (Silicon Graphic, Indy R4000, Targa и др.) позволяет выводить на экран одновременно
256× 256× 256 = 16777216 цветов.
Это возможности, обеспечиваемые адаптерами дисплеев (видеокартами). Но для того чтобы вывести такое количество цветов на экран одновременно, надо иметь на экране хотя бы один пиксел на каждый цвет. А при стандартной разрешающей способности экран монитора содержит 640× 480 = 307200 пиксел. Большего количества цветов на таком экране получить физически невозможно.
Если адаптер позволяет работать с 24-битным кодированием цвета, а экран монитора такого количества цветов воспринять не может, приходится работать с палитрой - ограниченным набором цветов, соответствующим возможностям экрана. Цвета на палитре можно менять. Но при этом нужно помнить, что при воспроизведении на другой ЭВМ цвета могут быть искажены, если в цветовой таблице этой ЭВМ загружена другая палитра.
Проблемы с палитрами возникают при достижении правильной цветопередачи компьютерной графики на разных ЭВМ (например, при использовании создаваемой мультимедийной системы в WWW). Если имеется изображение, содержащее миллионы цветов, то для правильной цветопередачи в условиях WWW необходимо сократить количество цветов до 256.
В Интернете до сих пор применяется цветовая модель Index Color, работающая на принципе 8-битного цвета. Она работает на основе создания палитры цветов. Все оттенки в файле делятся на 256 возможных вариантов, каждому из которых присваивается номер. Далее, на основе получившейся палитры цветов, строится таблица, где каждому номеру ячейки приписывается цветовой оттенок в значениях RGB.
Сокращение цветности выполняется с помощью операции клиширования (dithering). Клиширование цвета представляет собой процесс изменения цветового значения каждого пиксела по определенному алгоритму до ближайшего значения цвета из имеющейся (установленной) палитры.
Ахроматический и хроматический цвет
Так как свет является еще и волной, то, разумеется, он имеет длину волны. Длин волн бесконечное множество, но наш глаз в состоянии регистрировать только их небольшой диапазон, известный под названием видимой части спектра.
Цвет имеет психофизиологическую и психофизическую природу. Цвет предмета зависит не только от самого предмета, но также и от источника света, освещающего предмет и от системы человеческого видения. Некоторые предметы отражают свет (стена), другие его пропускают (стекло). Если поверхность, которая отражает только синий цвет, освещается красным светом, она будет казаться черной. Если источник зеленого света рассматривается через стекло, пропускающее только красный свет, он тоже покажется черным.
Зрительная система человека воспринимает электромагнитную энергию с длинами волн от 400 до 700 нм как видимый свет.
Источник или объект являются ахроматическим, если наблюдаемый свет содержит все видимые длины волн в примерно равных количествах. Ахроматический источник кажется белым, а свет от него - белым, черным или серым. Ахроматический свет - это то, что мы видим на экране черно-белого телевизора. Белыми выглядят объекты, ахроматически отражающие более 80 % света белого источника, а черными - менее 3 %. Промежуточные значения дают различные оттенки серого цвета.
Ахроматический свет характеризуется интенсивностью (яркостью). Свет называется хроматический, если он содержит длины волн в произвольных неравных количествах. Если длины волн сконцентрированы у верхнего края видимого спектра, то свет кажется красным, если у нижнего - то синим.
Но сама по себе эл/м энергия определенной длины волны не имеет никакого цвета. Ощущение цвета возникает в результате преобразования физических явлений в глазу или мозге человека. Объект кажется цветным, если он отражает или пропускает свет лишь в узком диапазоне длин волн и поглощает все остальные.
Психофизиологическое представление света опр-ся:
1) цветовой тон
2) насыщенность
3) светлота
Цветовой тон позволяет различать цвета (к, з, с).
Насыщенность определяет степень ослабления (разбавления) данного цвета белым цветом и позволяет различать розовый цвет от красного, голубой от синего. У чистого цвета насыщенность = 100 % и уменьшается по мере добавления белого. Насыщенность ахроматического цвета = 0 %.
Светлота - это интенсивность, которая не зависит от цветового тона и насыщенности. Ноль - значит черный, более высокие значения характеризуют более яркие значения.
Психофизические определяющие цвета:
1) доминирующая длина волны
2) чистота
3) яркость.
Доминирующая длина волны определяет монохроматический цвет (рис. б ) Þ l = 520 нм ® зеленый.
Чистота характеризует насыщенность цвета и определяется отношением Е 1 и Е 2 . Е 1 - характеризует степень разбавления чистого цвета с l = 520 нм белым. Если Е 1 стремится к 0, то чистота - к 100 %, если Е 1 стремится к Е 2 , то свет - к белому и чистота - к 0.
Яркость пропорциональна энергии света и рассматривается как интенсивность на единицу площади. Для ахроматического света яркость есть интенсивность.
Художники используют другие характеристики цвета:
1) разбелы
2) оттенки
Разбелы получаются при добавлении в чистый цвет белого, оттенки - черного, тона - и черного, и белого.
Обычно встречаются не чистые монохроматические цвета, а их смеси. В основе 3-х компонентной теории света лежит предположение о том, что в сетчатке глаза есть 3 типа чувствительных к свету колбочек, которые воспринимают соответственно зеленый, красный и синий цвета. Относительная чувствительность глаза максимальна для зеленого цвета и минимальна для синего. Если на все 3 типа колбочек воздействует одинаковый уровень энергетической яркости (энергия в единицу t), то свет кажется белым.
Цветовые модели
RGB цвета используются в телевидении и выводе изображений на экран монитора. Эти три цвета дают возможность воспроизвести большинство цветов, которые вы можете видеть. Большинство, но не все. Цвета, производимые монитором, не являются абсолютно чистыми, поэтому и все производимые ими оттенки не могут быть воспроизведены с точностью.
Более того, яркостный диапазон мониторов сильно ограничен. Человеческий глаз в состоянии различать гораздо больше градаций яркости. Максимальная яркость монитора едва ли соответствует и половине максимальной яркости, которую наш глаз способен различить. Это часто может привести к сложностям при отображении сцен из реального мира, которые содержат широкие вариации яркости. Например, фотография пейзажа с фрагментом неба и участками земли находящимися в полной тени.
При моделировании света на компьютере все три цвета обрабатываются отдельно, за исключением каких-либо нестандартных ситуаций, когда цвета не влияют друг на друга. Иногда полноцветные изображения получают путем последовательного просчета красного, зеленого и синего изображений и их дальнейшим комбинированием.
Обычно компьютеры оперируют со светом в виде величин, определяющих количество содержащихся в нем красного, зеленого и синего цветов. Например, белый - это равное количество всех трех, Желтый - равное количество красного и зеленого и полное отсутствие синего. Все цветовые оттенки можно визуально представить в виде куба, где по осям координат будут отложены соответствующие величины трех исходных цветов. Это и есть трехцветная световая модель (RGB Model).
Системы смешивания основных цветов
1. Аддитивная - красный зеленый синий (RGB)
2. Субтрактивная - голубой (cyan, точнее сине-зеленый),
пурпурный (magenta), желтый (yellow)
Цвета одной системы являются дополнением к другой. Дополнительный цвет - это разность белого и данного цвета (Г=Б-К, П=Б-З, Ж=Б-С).
Аддитивная цветовая система удобна для светящихся поверхностей (экраны ЭЛТ, цветовые лампы). Субтрактивная цветовая система используется для отражающих поверхностей (цветные печатные устройства, типографские краски, несветящиеся экраны).
Уравнение монохроматического цвета:
где C - цвет,
R, G, B - 3 потока света,
r, g, b - относительные количества потоков света (от 0 до 1).
Соотношение между двумя цветовыми системами можно выразить математически:
Цветовые пространства RGB и CMY 3-хмерны и условно их можно изобразить в виде куба;
Началом координат в цветном кубе RGB является черный цвет, а в CMY - белый. Ахроматические, т.е. серые цвета, в обеих моделях расположены по диагонали от Б до Ч.
Модели RGB и CMY аппаратно-ориентированы. Модель HVS ориентирована на пользователя. В основе лежат интуитивно принятые художниками понятия разбела, оттенка, тона.
Цветовая модель HSV
Смит предложил построить модель субъективного восприятия в виде объемного тела HVS
(Н - цветовой тон (Hue)
S - насыщенность (Saturation)
V - светлота (Value))
Если цветной куб RGB спроецировать на плоскость вдоль диагонали Б-Ч, получается шестиугольник с основными и дополнительными цветами в вершинах. Интенсивность возрастает от 0 в вершине до 1 на верхней грани. Насыщенность определяется расстоянием от оси, а тон - углом (0° - 360°), отсчитываемым от красного цвета. Насыщенность меняется от 0 на оси до 1 на границе шестиугольника.
Насыщенность зависит от цветового охвата (расстояние от оси до границы). При S=1 цвета полностью насыщены. Ненулевая линейная комбинация трех основных цветов не может быть полностью насыщена. Если S=0, Н неопределен, т.е. лежит на центральной оси и является ахроматическим (серым)
Чистые цвета у художников: V=1, S=1
Разбелы - цвета с увеличенным содержанием белого, т.е. с меньшим S (лежат на плоскости шестиугольника)
Оттенки - цвета с уменьшенным V (ребра от вершины)
Тон - цвета с уменьшенным S и с уменьшенным V.
Модель HLS
В основе цветной модели HLS, применяемой фирмой Textronix, лежит цветная система Оствальда.
Н - цветовой тон (Hue)
L - светлота (Lightness)
S - насыщенность (Saturation)
Модель п.с. двойной шестигранный конус. Цветной тон задается углом поворота вокруг вертикальной оси относительно красного цвета. Цвета следуют по периметру, как и в модели HVS. HLS - результат модификации HSV за счет вытягивания вверх белого цвета. Дополнение каждого цвета отстоит на 180° от этого цветового тона. Насыщенность измеряется в радиальном направлении от 0 до 1. светлота измеряется вертикально по оси от 0 (Ч) до 1 (Б).
Для ахроматических цветов S=0, а максимально насыщенные цветовые тона получаются при S=1, L=0,5.
Цилиндрическая цветовая модель
Используется цветовая система Манселла, основанная на наборе образцов света. Система Манселла - это стандарт восприятия. Цвет определяется:
Цветовым тоном
Насыщенностью
Светлотой
На центральной оси - значение интенсивности меняется от черного к белому. Цветовой тон определяется углом. Главное преимущество - одинаковые приращения насыщенности, тона и интенсивности вызывают ощущения одинаковых изменений при восприятии.
Цветовая гармония
Цветные дисплеи и устройства получения твердых копий позволяют создавать широкий диапазон цветов. Одни цветовые сочетания хорошо гармонируют друг с другом, другие - взаимно несовместимы. Как отбирать цвета, чтобы они гармонировали друг с другом?
Выбор цветов обычно определяется путем проведения гладкой траектории в цветовом пространстве и/или путем ограничения диапазона используемых цветов в цветовой модели плоскостями (или шестигранными конусами) постоянной насыщенности
Использование цветов одного и того же цветового тона
Использование двух дополнительных цветов и их смесей
Использование цветов постоянной светлоты
При выборе цветов случайным образом, они будут выглядеть слишком яркими. Смит провел эксперимент, где сетка 16´16 заполнялась цветами случайным образом и имела мало привлекательный вид.
Если рисунок включает несколько цветов, то в качестве фона надо использовать дополнение к одному из них. Если цветов много, то фон лучше сделать серым.
Если 2 примыкающих друг к другу цвета не гармонизируют, их можно разделить черной линией.
С физиологической точки зрения низкая чувствительность глаза к синему цвету означает, что на черном фоне трудно различить синий цвет. Отсюда следует, что желтый цвет (дополнительный к синему) трудно различить на белом (дополнительный к черному).
СЖАТИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Основные сведения
Стоит начать считывать цветные или полутоновые изображения сканером в ½ формата А4 и 100 Мб-ый диск будет заполнен меньше чем за 1 час (размер графического файла от 400 Кб до нескольких Мб). А сравнимый по качеству с телепередачей компьютерный фильм требует хранения данных объемом около 22 Мб/сек. Поэтому остро встала проблема сжатия и восстановления информации. Но сжатие файла сильно зависит от его структуры.
Принципиально сжатие делят на архивацию и компрессию. Первое - без потери качества, второе - с потерями. Разница между этими способами в том, что второй не подразумевает полного восстановления исходного сохраненного изображения в полном качестве. Но каким бы не был алгоритм компрессии данных, для работы с ним файл нужно проанализировать и распаковать, т. е. вернуть данные в исходный незапакованный вид для их быстрой обработки (обычно это происходит прозрачно для пользователя).
Архивация, или сжатие графических данных, возможно как для растровой, так и для векторной графики. При этом способе уменьшения данных, программа анализирует наличие в сжимаемых данных некоторых одинаковых последовательностей данных, и исключает их, записывая вместо повторяющегося фрагмента ссылку на предыдущий такой же (для последующего восстановления). Такими одинаковыми последовательностями могут быть пикселы одного цвета, повторяющиеся текстовые данные, или некая избыточная информация, которая в рамках данного массива данных повторяется несколько раз. Например, растровый файл, состоящий из подложки строго одного цвета (например, серого), имеет в своей структуре очень много повторяющихся фрагментов.
Компрессия (конвертирование) данных - это способ сохранения данных таким образом, при использовании которого не гарантируется (хотя иногда возможно) полное восстановление исходных графических данных. При таком способе хранения данных обычно графическая информация немного "портится" по сравнению с оригинальной, но этими искажениями можно управлять, и при их небольшом значении ими вполне можно пренебречь. Обычно файлы, сохраненные с использованием этого способа хранения, занимают значительно меньше дискового пространства, чем файлы, сохраненные с использованием простой архивации (сжатия). Суть методов сжатия с потерей качества - ликвидировать те места, которые человеческим глазом не воспринимаются или воспринимаются не очень хорошо, другими словами, практически не заметны. Чем выше степень компрессии, тем больше ущерб качеству. Оптимальное решение выбирается для конкретного случая с учетом применения.
Иногда не стоит прибегать к компрессии: проще уменьшить избыточный размер, цветность или разрешение. Результат тот же - уменьшение размера.
