Принципы отображения цвета в компьютерной графике. Системы цветов в компьютерной графике. Цветовая модель CIE Lab
Цвет в компьютерной графике
Цвет - чрезвычайно сложная проблема как для физики, так и для физиологии, т. к. он имеет как психофизиологическую, так и физическую природу. 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. Другими словами, цвет предмета зависит не только от самого предмета, но также и от источника света, освещающего предмет, и от системы человеческого видения. Более того, одни предметы отражают свет (доска, бумага), а другие его пропускают (стекло, вода). Если поверхность, которая отражает только синий свет, освещается красным светом, она будет казаться черной. Аналогично, если источник зеленого света рассматривать через стекло, пропускающее только красный свет, он тоже покажется черным.
Самым простым является ахроматический цвет, т. е. такой, какой мы видим на экране черно-белого телевизора. При этом белыми выглядят объекты, ахроматически отражающие более 80% света белого источника, а черными - менее 3%. Промежуточные значения дают различные оттенки серого. Единственным атрибутом такого цвета является интенсивность или количество. С интенсивностью можно сопоставить скалярную величину, определяя черное как 0, а белое как 1. Тогда среднесерому цвету будет соответствовать значение 0.5.
Если воспринимаемый свет содержит длины волн в произвольных неравных количествах, то он называется хроматическим. При субъективном описании такого цвета обычно используют три величины: цветовой тон, насыщенность и светлота. Цветовой тон позволяет различать цвета, такие как красный, зеленый, желтый и т. д. Насыщенность характеризует чистоту, т. е. степень ослабления (разбавления) данного цвета белым светом, и позволяет отличать розовый цвет от красного, изумрудный от ярко-зеленого и т. д. Другими словами, по насыщенности судят о том, насколько мягким или резким кажется цвет. Светлота отражает представление об интенсивности, как о факторе, не зависящем от цветового тона и насыщенности.
Обычно встречаются не чистые монохроматические цвета, а их смеси. В основе трехкомпонентной теории света лежит предположение о том, что в центральной части сетчатки глаза находятся три типа чувствительных к цвету колбочек. Первый воспринимает зеленый цвет, второй - красный, а третий - синий цвет. Относительная чувствительность глаза максимальна для зеленого цвета и минимальна для синего. Если на все три типа колбочек воздействует одинаковый уровень энергетической яркости, то свет кажется белым. Ощущение белого цвета можно получить, смешивая любые три цвета, если ни один из них не является линейной комбинацией двух других. Такие цвета называют основными.
Человеческий глаз способен различать около 350 000 различных цветов. Это число получено в результате многочисленных опытов. Четко различимы примерно 128 цветовых тонов. Если меняется только насыщенность, то зрительная система способна выделить уже не так много цветов: мы можем различить от 16 (для желтого) до 23 (для красного и фиолетового) таких цветов. Результаты опытов обобщены в законах Грассмана:
- Глаз реагирует на три различных стимула, что подтверждает трехмерность природы цвета. В качестве стимулов можно рассматривать, например, доминирующую длину волны (цветовой фон), чистоту (насыщенность) и яркость (светлоту) или красный, зеленый и синий цвета.
- Четыре цвета всегда линейно зависимы, т. е. сС = rR + gG + bВ, где с, r, g, b не равны 0. Следовательно, для смеси двух цветов имеет место равенство (cC)1 + (сС)2 = (rR)1 + (rR)2 + (gG)1 + (gG)2 + (bB)1 + (ЬВ)2. Если цвет C1 равен цвету С и цвет С2 равен цвету С, то цвет С1 равен цвету С2 не зависимо от структуры спектров энергии с, С1, С2.
- Если в смеси трех цветов один непрерывно изменяется, а другие остаются постоянными, то цвет смеси будет меняться непрерывно, т. е. трехмерное цветовое пространство непрерывно.
Субтрактивная система цветов CMY применяется для отражающих поверхностей, например, типографских красок, пленок и несветящихся экранов.
Аддитивная цветовая система RGB удобна для светящихся поверхностей, например, экранов ЭЛТ или цветовых ламп.
По материалам книги Ю. Тихомиров "Программирование трехмерной графики"
В этом разделе:
излучаемый и отражённый свет в компьютерной графике;
формирование цветовых оттенков на экране монитора;
формирование цветовых оттенков при печати изображений.
Для описания цветовых оттенков, которые могут быть воспроизведены на экране компьютера и на принтере, разработаны специальные средства - цветовые модели (или системы цветов). Чтобы успешно применять их в компьютерной графике, необходимо:
понимать особенности каждой цветовой модели
уметь определять тот или иной цвет, используя различные цветовые модели
понимать, как различные графические программы решают вопрос кодирования цвета
понимать, почему цветовые оттенки, отображаемые на мониторе, достаточно сложно точно воспроизвести при печати.
Мы видим предметы потому, что они излучают или отражают свет.
Свет - электромагнитное излучение.
Цвет характеризует действие излучения на глаз человека. Таким образом, лучи света, попадая на сетчатку глаза, производят ощущение цвета.
Излучаемый свет - это свет, выходящий из источника, например, Солнца, лампочки или экрана монитора.
Отражённый свет - это свет, «отскочивший» от поверхности объекта. Именно его мы видим, когда смотрим на какой-либо предмет, не являющийся источником света.
Излучаемый свет, идущий непосредственно от источника к глазу, сохраняет в себе все цвета, из которых он создан. Но этот свет может измениться при отражении от объекта (рис. 1).
Рис. 1. Излучение, отражение и поглощение света
Подобно Солнцу и другим источникам освещения, монитор излучает свет. Бумага, на которой печатается изображение, отражает свет. Так как цвет может получиться в процессе излучения и в провесе отражения, то существуют два противоположных метода его описания: системы аддитивных и субтрактивных цветов.
Система аддитивных цветов
Если с близкого расстояния (а ещё лучше с помощью лупы) посмотреть на экран работающего монитора или телевизора, то нетрудноувидеть множество мельчайших точек красного (Red), зелёного (Green) и синего (Blue) цветов. Дело в том, что на поверхности экранaрасположены тысячи фосфоресцирующих цветовых точек, которые бомбардируются электронами с большой скоростью. Цветовые точки излучают свет под воздействием электронного луча. Так как размеры этих точек очень малы (около 0,3 мм в диаметре), соседние разноцветные точки сливаются, формируя все другие цвета и оттенки, например:
красный + зелёный = жёлтый,
красный + синий = пурпурный,
зелёный + синий = голубой,
красный + зеленый + синий = белый.
Компьютер может точно управлять количеством света, излучаемого через каждую точку экрана. Поэтому, изменяя интенсивность свечения цветных точек, можно создать большое многообразие оттенков.
Таким образом, аддитивный (add - присоединять) цвет получается при объединении (суммировании) лучей трёх основных цветов -красного, зелёного и синего. Если интенсивность каждого из них достигает 100%, то получается белый цвет. Отсутствие всех трёх цветов даёт чёрный цвет. Систему аддитивных цветов, используемую в компьютерных мониторах, принято обозначать аббревиатурой RGB.
В большинстве программ для создания и редактирования изображений пользователь имеет возможность сформировать свой собственный цвет (в дополнение к предлагаемым палитрам), используя красную, зелёную и синюю компоненты. Как правило, графические программы позволяют комбинировать требуемый цвет из 256 оттенков красного, 256 оттенков зелёного и 256 оттенков синего. Как нетрудно подсчитать, 256 х 256 х 256 = 16,7 миллионов цветов. Вид диалогового окна для задания произвольного цветового оттенка в разных программах может быть различным.
Таким образом, пользователь может выбрать готовый цвет из встроенной палитры или создать свой собственный оттенок, указав в полях ввода значения яркостей R, G и В для красной, зелёной и синей цветовых составляющих в диапазоне от 0 до 255.
В программе CorelDRAW! цветовая модель RGB дополнительно представляется в виде трёхмерной системы координат, в которой нулевая точка соответствует чёрному цвету. Оси координат соответствуют основным цветам, а каждая из трёх координат в диапазоне от 0 до 255 отражает «вклад» того или иного основного цвета в результирующий оттенок. Перемещение указателей («ползунков») по осям системы координат влияет на изменение значений в полях ввода, и наоборот. На диагонали, соединяющей начало координат и точку, в которой все составляющие имеют максимальный уровень яркости, располагаются оттенки серого цвета - от чёрного до белого (оттенки серого цвета получаются при равных значениях уровней яркости всех трёх составляющих).
Так как бумага не излучает свет, цветовая модель RGB не может быть использована для создания изображения на печатаемой странице.
Система субтрактивных цветов
В процессе печати свет отражается от листа бумаги. Поэтому для печати графических изображений используется система цветов,работающая с отраженным светом - система субтрактивных цветов (subtract - вычитать).
Белый цвет состоит из всех цветов радуги. Если пропустить луч света через простую призму, он разложится в цветной спектр. Красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый цвета образуют видимый спектр света. Белая бумага при освещении отражает все цвета, окрашенная же бумага поглощает часть цветов, а остальные - отражает. Например, листок красной бумаги, освещённый белым светом, выглядит красным именно потому, что такая бумага поглощает все цвета, кроме красного. Та же красная бумага, освещённая синим цветом, будет выглядеть чёрной, так как синий цвет она поглощает.
В системе субтрактивных цветов основными являются голубой (Cyan), пурпурный (Magenta) и жёлтый (Yellow). Каждый из них поглощает (вычитает) определённые цвета из белого света, падающего на печатаемую страницу. Вот как три основных цвета могут быть использованы для получения чёрного, красного, зелёного и синего цветов:
голубой + пурпурный + жёлтый = чёрный,
голубой + пурпурный = синий,
жёлтый + пурпурный = красный,
жёлтый + голубой = зелёный.
Смешивая основные цвета в разных пропорциях на белой бумаге, можно создать большое многообразие оттенков.
Белый цвет получается при отсутствии всех трёх основных цветов. Высокое процентное содержание голубого, пурпурного и жёлтого образует чёрный цвет. Точнее, чёрный цвет должен получиться теоретически, в действительности же из-за некоторых особенностей типографских красок смесь всех трёх основных цветов даёт грязно-коричневый тон, поэтому при печати изображения добавляется ещё чёрная краска (Black ).
Систему субтрактивных цветов обозначают аббревиатурой CMYK (чтобы не возникла путаница с Blue , для обозначения Black используется символ К).
Процесс четырёхцветной печати можно разделить на два этапа.
1. Создание на базе исходного рисунка четырёх составляющих изображений голубого, пурпурного, жёлтого и чёрного цветов.
2. Печать каждого из этих изображений одного за другим на одном и том же листе бумаги.
Разделение цветного рисунка на четыре компоненты выполняет специальная программа цветоделения. Если бы принтеры использовали систему CMY (без добавления чёрной краски), преобразование изображения из системы RGB в систему CMY было бы очень простым: значения цветов в системе CMY - это просто инвертированные значения системы RGB . На схеме «цветовой круг» (рис. 2) показана взаимосвязь основных цветов моделей RGB и CMY. Смесь красного и зелёного даёт жёлтый, жёлтого и голубого - зелёный, красного и синего - пурпурный и т. д.
Таким образом, цвет каждого треугольника на рис. 2 определяется как сумма цветов смежных к нему треугольников. Но из-за необходимости добавлять чёрную краску, процесс преобразования становится значительно сложнее. Если цвет точки определялся смесью цветовRGB , то в новой системе он может определяться смесью значений CMY плюс ещё включать некоторое количество чёрного цвета. Для преобразования данных системы RGB в систему CMYK программа цветоделения применяет ряд математических операций. Если пиксель в системе RGB имел чистый красный цвет (100% R, 0% G, 0% В), то в системе CMYK он должен иметь равные значения пурпурного и жёлтого (0% С, 100% М, 100% Y, 0% К).
В приведённой здесь таблице для примера представлено описание нескольких цветов с использованием моделей RGB и CMYK (диапазон изменения составляющих цвета - от 0 до 255).
Таблица 1
Важно то, что вместо сплошных цветных областей программа цветоделения создаёт растры из отдельных точек, причём эти точечные растры слегка повёрнуты друг относительно друга так, чтобы точки разных цветов не накладывались одна поверх другой, а располагались рядом.
Маленькие точки различных цветов, близко расположенные друг к другу, кажутся сливающимися вместе. Именно так наши глаза воспринимают результирующий цвет.
Таким образом, система RGB работает с излучаемым светом, а CMYK - с отражённым. Если необходимо распечатать на принтере изображение, полученное на мониторе, специальная программа выполняет преобразование одной системы цветов в другую. Но в системах RGB и CMYK различна природа получения цветов. Поэтому цвет, который мы видим на мониторе, достаточно трудно точно повторить при печати. Обычно на экране цвет выглядит несколько ярче по сравнению с тем же самым цветом, выведенным на печать.
Всё множество цветов, которые могут быть созданы в цветовой модели, называется цветовым диапазоном . Диапазон RGB шире диапазона CMYK . Это означает, что цвета, созданные на экране, не всегда можно воспроизвести при печати. Поэтому в некоторых графических программах предусмотрены диапазонные предостерегающие указатели. Они появляются в том случае, если цвет, созданный в модели RGB, выходит за рамки диапазона CMYK .
Существуют программы (например, CorelDraw ! и Adobe Pho toShop ), которые позволяют создавать на экране рисунки не только в системе RGB, но и в цветах CMYK . Для создания произвольного цвета в системе CMYK необходимо указать процентное содержание каждого основного цвета аналогично тому, как это делается при работе с RGB-моделью. Тогда, глядя на экран, пользователь сможет увидеть, как рисунок будет выглядеть при печати.
Система «Тон - Насыщенность - Яркость»
Системы цветов RGB и CMYK базируются на ограничениях, накладываемых аппаратным обеспечением (мониторами компьютеров и типографскими красками). Более интуитивным способом описания цвета является его представление в виде тона (Hue ), насыщенности(Saturation ) и яркости (Brightness ). Для такой системы цветов используется аббревиатура HSB . Тон - конкретный оттенок цвета: красный, жёлтый, зелёный, пурпурный и т. п. Насыщен ность характеризует «чистоту» цвета: уменьшая насыщенность, мы «разбавляем» его белым цветом. Яркость же зависит от количества чёрной краски, добавленной к данному цвету: чем меньше черноты, тем больше яркость цвета. Для отображения на мониторе компьютера система HSB преобразуется в RGB, а для печати на принтере - в систему CMYK . Можно создать произвольный цвет, указав в полях ввода Н, S и В значения для тона, насыщенности и яркости из диапазона от 0 до 255.
Кроме того, пользователь может выбрать цветовой тон, щёлкнув мышью в соответствующей точке цветового поля.
Цвет и свет в компьютерной графике
Человек является трихроматом - сетчатка глаза имеет 3 вида рецепторов света, ответственных за цветное зрение (колбочки). Каждый вид колбочек реагирует на определенный диапазон видимого спектра. Отклик, вызываемый в колбочках светом определѐнного спектра называется цветовым стимулом , при этом свет с разными спектрами может иметь один и тот же цветовой стимул, и таким образом восприниматься одинаково человеком. Это явление называется метамерией - два излучения с разными спектрами, но одинаковыми цветовыми стимулами будут неразличимы человеком. Можно определить цветовое пространство стимулов как евклидово пространство, если задать координаты x, y, z в качестве значений стимулов, соответствующих отклику
колбочек длинно-волнового (L), средне-волнового (M) и коротко-волнового (S) диапазона оптического спектра. Начало координат (S, M, L) = (0, 0, 0) будет представлять чѐрный цвет.
Цветовая модель - это описание цветовых оттенков для представления на экране монитора и при печати на принтере.
Аддитивная цветовая модель RGB
Аддитивный (от англ. «add - «присоединять») цвет получается при объединении (суммировании) трех основных цветов - красного, зеленого и синего. Если интенсивность каждого из них достигает 100%, то получается белый цвет. Отсутствие всех трех цветов дает черный цвет.
стр. 2 из 15 |
КОМПЬЮТЕРНАЯ ГЕОМЕТРИЯ И ГРАФИКА |
Аддитивную цветовую модель, используемую в компьютерных мониторах, принято обозначать аббревиатурой RGB (Red - красный, Green - зеленый, Blue
Синий). Изменяя интенсивность свечения цветных точек, можно создать большое многообразие оттенков.
красный + зеленый - желтый; красный + синий - пурпурный; зеленый + синий - голубой; красный + зеленый + синий = белый.
На рисунке показаны различные комбинации красного, зеленого и синего.
Формирование собственных цветовых оттенков в модели RGB
Графические редакторы, как правило, позволяют комбинировать требуемый цвет из 256 оттенков красного, 256 оттенков зеленого и 256 оттенков синего.
Таким образом, на экране компьютера можно получить 16 777 216 цветовых оттенков.
Диалоговое окно для формирования цветов в модели RGB программы
стр. 3 из 15 |
КОМПЬЮТЕРНАЯ ГЕОМЕТРИЯ И ГРАФИКА |
Субтрактивная цветовая модель
В субтрактивной цветовой модели основными цветами являются голубой, пурпурный и желтый. Каждый из них поглощает (вычитает) определенные цвета из белого света, падающего на печатаемую страницу. Отсюда и название модели
Субтрактивная (от англ. « subtract* - «вычитать»). Вот как три основных цвета могут быть использованы для получения черного, красного, зеленого и синего цветов:
голубой + пурпурный + желтый = черный; голубой + пурпурный = синий; желтый + пурпурный = красный; желтый + голубой = зеленый.
Субтрактивное смешение цветов
Субтрактивная цветовая модель CMYK
Субтрактивную цветовую модель обозначают аббревиатурой CMYK (Cyan
Голубой, Magenta - пурпурный, Yellow - желтый, Black - черный. Чтобы не возникла путаница с «Вlue», для обозначения "Black" используется символ «К»).
Взаимосвязь аддитивной и субтрактивной цветовых моделей
Модель RGB работает с излучаемым светом, a CMYK - с отраженным. Если необходимо распечатать на принтере изображение, полученное на мониторе, специальная программа выполняет преобразование одной цветовой модели в другую.
CIE XYZ - линейная 3-компонентная цветовая модель, основанная на результатах измерения характеристик человеческого глаза. Построена на основе зрительных возможностей так называемого «стандартного наблюдателя», то есть гипотетического зрителя, возможности которого были тщательно изучены и
x = X/(X + Y + Z), y = Y/(X + Y + Z).
Обычно диаграмма Yxy используется для иллюстрации характеристик гамутов различных устройств воспроизведения цвета - дисплеев и принтеров.
Свойства диаграммы тональности
Свойства:
– На диаграмме представлены все цвета, видимые среднестатистическому человеку
– Все цвета, которые могут быть получены смешением любых двух, лежат на прямой между ними
– Все цвета, которые могут быть получены смешением трех цветов,
лежат внутри треугольника Смешивая три данных реальных источника света, невозможно получить все цвета, видимые человеком
Трехмерное пространство
L* - яркость (lightness)
– L* =0 черный
– L* = 100 белый
а* - положение между фиолетовым и зеленым
– а* < 0 фиолетовый
– а* > 0 зеленый
b* - положение между желтым и синим
– b* < 0 желтый
– b* > 0 синий
стр. 6 из 15 |
КОМПЬЮТЕРНАЯ ГЕОМЕТРИЯ И ГРАФИКА |
HSV (англ. Hue, Saturation, Value - тон, насыщенность, значение) или HSB (англ. Hue, Saturation, Brightness - оттенок, насыщенность, яркость) - цветовая модель, в которой координатами цвета являются:
Шкала оттенков - Hue
Hue - цветовой тон, (например, красный, зелѐный или сине-голубой). Варьируется в пределах 0-360°, однако иногда приводится к диапазону 0-100 или 0-1.
Saturation - насыщенность. Варьируется в пределах 0-100 или 0-1. Чем больше этот параметр, тем «чище» цвет, поэтому этот параметр иногда называют чистотой цвета. А чем ближе этот параметр к нулю, тем ближе цвет к нейтральному серому.
Value (значение цвета) или Brightness - яркость. Также задаѐтся в пределах
Модель была создана Элви Реем Смитом, одним из основателей Pixar, в 1978 году. Она является нелинейным преобразованием модели RGB.
Следует отметить, что HSV (HSB) и HSL - две разные цветовые модели.
Трѐхмерные визуализации пространства HSV
Простейший способ отобразить HSV в трѐхмерное пространство - воспользоваться цилиндрической системой координат. Здесь координата H определяется полярным углом, S - радиус-вектором, а V - Z-координатой. То есть, оттенок изменяется при движении вдоль окружности цилиндра, насыщенность - вдоль радиуса, а яркость - вдоль высоты. Несмотря на «математическую» точность, у такой модели есть существенный недостаток: на практике количество различимых глазом уровней насыщенности и оттенков уменьшается при приближении яркости (V) к нулю (то есть, на оттенках, близких к чѐрному). Также на малых S и V появляются существенные ошибки округления при переводе RGB в HSV и наоборот.
стр. 7 из 15 |
КОМПЬЮТЕРНАЯ ГЕОМЕТРИЯ И ГРАФИКА |
Другой способ визуализации цветового пространства - конус. Как и в цилиндре, оттенок изменяется по окружности конуса. Насыщенность цвета возрастает с отдалением от оси конуса, а яркость - с приближением к его основанию. Иногда вместо конуса используется шестиугольная правильная пирамида.
Визуализация HSV в прикладном ПО
Цветовой круг
Эта визуализация состоит из цветового круга (то есть, поперечного сечения цилиндра) и движка яркости (высоты цилиндра). Эта визуализация получила широкую известность по первым версиям ПО компании Corel. На данный момент применяется чрезвычайно редко, чаще используют кольцевую модель
стр. 8 из 15 |
КОМПЬЮТЕРНАЯ ГЕОМЕТРИЯ И ГРАФИКА |
Модель HSV часто используется в программах компьютерной графики, так как удобна для человека. Следовательно необходимо развернуть трѐхмерное пространства HSV на двухмерный экран компьютера
Цветовое кольцо
Оттенок представляется в виде радужного кольца, а насыщенность и значение цвета выбираются при помощи вписанного в это кольцо треугольника. Его вертикальная ось, как правило, регулирует насыщенность, а горизонтальная позволяет изменять значение цвета. Таким образом, для выбора цвета нужно сначала указать оттенок, а потом выбрать нужный цвет из треугольника.
Цветовые пространства
Исходные (reference) цветовые пространства:
– CIE XYZ
– CIE L*a*b
стр. 9 из 15 |
КОМПЬЮТЕРНАЯ ГЕОМЕТРИЯ И ГРАФИКА |
– CIE RGB (не используется)
Цветовые модели:
– RGB
– CMYK
– HSV
Производные цветовые пространства:
– sRGB (RGB)
– Adobe RGB (RGB)
Пространство sRGB
Создано Microsoft, Hewlett-Packard
Стандартизировано в 1996г.
На данный момент широко используется:
– Мониторы
– Фотоаппараты
Если для изображения не указано цветовое пространство, можно считать, что это sRGB
Недостатки: исходные цвета сильно внутри видимой человеком области
Пространство Adobe RGB
Разработано Adobe в 1998
Цель – иметь возможность работать на мониторе с большинством цветов, доступных в модели CMYK на принтерах
Более широкий диапазон передаваемых цветов (gamut)
Проблема: 8 бит на цвет может не хватать
стр. 10 из 15 |
КОМПЬЮТЕРНАЯ ГЕОМЕТРИЯ И ГРАФИКА |
Цветовая температура
Цветовая температура (Тс) - характеристика хода интенсивности излучения источника света как функция длины волны в оптическом диапазоне.
Единицы измерения
Цветовая температура источника света:
характеризует спектральный состав излучения источника света;
является основой объективности впечатления от цвета отражающих объектов и источников света.
Шкала цветовых температур распространѐнных источников света
800 К - начало видимого темно-красного свечения раскалѐнных тел 2000 К - свет пламени свечи, 2360 К - лампа накаливания, вакуумная,
2800-2854 К - газонаполненные (газополные) лампы накаливания с вольфрамовой спиралью, 3200-3250 К - типичные киносъѐмочные лампы,
5500 К - дневной свет, прямой солнечный, 6500 К - стандартный источник дневного белого света, он близок к полуденному солнечному свету,
7500 К - дневной свет, с большой долей рассеянного от чистого голубого неба, 100000 К - цвет источника с «бесконечной температурой»
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.
поток электромагнитных волн различной длины и амплитуды. Глаз человека, будучи сложной оптической системой, воспринимает эти волны в диапазоне длин приблизительно от 350 до 780 нм. Свет воспринимается либо непосредственно от источника, например, от осветительных приборов, либо как отраженный от поверхностей объектов или преломленный при прохождении сквозь прозрачные и полупрозрачные объекты. Цвет - это характеристика восприятия глазом электромагнитных волн разной длины, поскольку именно длина волны определяет для глаза видимый цвет. Амплитуда, определяющая энергию волны (пропорциональную квадрату амплитуды), отвечает за яркость цвета. Таким образом, само понятие цвета является особенностью человеческого "видения" окружающей среды.
Рис.
2.1.
На рис. 2.1 схематически изображен глаз человека. Фоторецепторы, расположенные на поверхности сетчатки, играют роль приемников света. Хрусталик - это своеобразная линза, формирующая изображение, а радужная оболочка исполняет роль диафрагмы, регулируя количество света, пропускаемого внутрь глаза. Чувствительные клетки глаза неодинаково реагируют на волны различной длины. Интенсивность света есть мера энергии света, воздействующего на глаз, а яркость - это мера восприятия глазом этого воздействия. Интегральная кривая спектральной чувствительности глаза приведена на рис. 2.2 ; это стандартная кривая Международной комиссии по освещению (МКО, или CIE - Comission International de l"Eclairage) .
Фоторецепторы подразделяются на два вида: палочки и колбочки. Палочки являются высокочувствительными элементами и работают в условиях слабого освещения. Они нечувствительны к длине волны и поэтому не "различают" цвета. Колбочки же, наоборот, обладают узкой спектральной кривой и "различают" цвета. Палочек существует только один тип, а колбочки подразделяются на три вида, каждый из которых чувствителен к определенному диапазону длин волн (длинные, средние или короткие.) Чувствительность их также различна.
На рис. 2.3 представлены кривые чувствительности колбочек для всех трех видов. Видно, что наибольшей чувствительностью обладают колбочки, воспринимающие цвета зеленого спектра, немного слабее - "красные" колбочки и существенно слабее - "синие".
Рис. 2.2.
Рис. 2.3.
Таким образом, если функция характеризует спектральное разложение светового излучения от некоторого источника (рис. 2.4), т. е. распределение интенсивности по длинам волн, то три типа колбочек будут посылать в мозг сигналы (красный, зеленый, синий), мощность которых определяется интегральными соотношениями
где
- функции чувствительности соответствующих типов колбочек.
Рис. 2.4.
Если воспринимаемый свет содержит все видимые длины волн в приблизительно равных количествах, то он называется ахроматическим и при максимальной интенсивности воспринимается как белый, а при более низких интенсивностях - как оттенки серого цвета. Интенсивность отраженного света удобно рассматривать в диапазоне от 0 до 1, и тогда нулевое значение будет соответствовать черному цвету. Если же свет содержит длины волн в неравных пропорциях, то он является хроматическим . Объект , отражающий свет, воспринимается как цветной, если он отражает или пропускает свет в узком диапазоне длин волн. Точно так же и источник света воспринимается как цветной, если он испускает волны в узком диапазоне длин. При освещении цветной поверхности цветным источником света могут получаться довольно разнообразные цветовые эффекты.
