Лекции по курсу «Программирование компьютерной графики» для студентов всех форм обучения направления 230100 Информатика и вычислительная техника




Дата канвертавання21.04.2016
Памер128.89 Kb.






Государственное образовательное учреждение высшего, профессионального образования



УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ – УПИ



Кафедра
Автоматизированных
систем
управления



Формирование цветного изображения
Конспект лекции по курсу «Программирование компьютерной графики» для студентов всех форм обучения направления 230100 – Информатика и вычислительная техника

Составитель: Папуловская Наталья Владимировна



Екатеринбург 2007
Содержание лекции

Человеческое восприятие цвета 3

Цветовые модели 7

Цветовое пространство RGB 8

Цветовые модели CMY и CMYK  10

Перцепционные световые модели 12

Цветовые модели HLS и HSB (HSV) 14

Полноцветные и индексированные изображения 17




Человеческое восприятие цвета


Понятия света и цвета в компьютерной графике являются основополагающими. Свет можно рассматривать двояко: либо как поток частиц различной энергии, либо как поток электромагнитных волн.

Понятие цвета тесно связано с тем, как человек воспринимает свет. Можно сказать, что ощущение света формируется человеческим мозгом в результате анализа светового потока, попадающего на сетчатку глаз. Цвет имеет как психофизиологическую, так и психофизическую природу. Человеческий глаз воспринимает (регистрирует) световой поток с помощью чувствительных рецепторов, называемых колбочками. Каждый тип колбочек имеет особую спектральную чувствительность; одни максимально чувствительны в области длинных, другие - в области средних, третьи - в области коротких волн видимого диапазона. Зрительная система человека воспринимает электромагнитную энергию с длинами волн приблизительно в пределах 400-700 нм. При этом кривые спектральной чувствительности глаза заметно перекрываются рис.2. Ощущение цвета возникает в результате преобразования физических явлений в глазу и мозге человека.

Свет принимается либо непосредственно от источника, например электрическая лампочка, солнце, экрана монитора (излучаемый) либо косвенно при отражении от поверхности объекта (отражённый свет). Именно отражённый свет мы видим, когда смотрим на какой-либо предмет, не излучающий своего собственного света.

Таким образом, некоторые предметы мы видим потому, что они излучают свет, а другие – потому что они его отражают. Когда предметы излучают свет. Они приобретают тот цвет, который мы видим. Когда предметы отражают свет, их цвет определяется цветом падающего на них света и цветом, который эти объекты отражают. Если осветить красную бумагу синим светом, бумага будет выглядеть чёрной, потому что синий цвет, падающий на неё, она не отражает.

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 от низкой до высокой.

Светлота и яркость объекта зависит от относительной чувствительности глаза к разным длинам волн. Яркость пропорциональна энергии света, и рассматривается как интенсивность на единицу площади.

Источник или объект называется ахроматическим, если наблюдаемый свет содержит все видимые длины волн в приблизительно равных количествах. Ахроматический источник кажется белым. Если объект ахроматически отражает более 80% света он выглядит белым, менее 3% – чёрным, промежуточные значения дают различные оттенки серого. Интенсивность отражённого света удобно рассматривать в диапазоне от 0 до 1, где 0 соответствует чёрному, 1 – белому, а промежуточные значения серому цвету.

Если воспринимаемый свет содержит длины волн в произвольных неравных количествах, то он называется хроматическим. В зависимости от того, в какой зоне видимого спектра сконцентрированы длины волн, таким мы воспринимаем свет. Однако сама по себе электромагнитная энергия определённой длины волны не имеет никакого цвета. 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.

Электромагнитная энергия одной длины волны в видимом спектре даёт монохроматический цвет.

Считается, что в глазе человека существует три группы цветовых рецепторов (колбочек), каждая из которых чувствительна к определенной длине световой  волны. Каждая группа формирует один из трех основных цветов: красный, зеленый, синий.

 

 
Рис. 3.1. Кривые реакции глаза

Если длины волн светового потока сконцентрированы у верхнего края видимого спектра (около 700 Нм), то свет воспринимается как красный. Если длины волн сконцентрированы у нижнего края видимого спектра (около 400 Нм), то свет воспринимается как синий. Если длины волн сконцентрированы в середине видимого спектра (около 550 Нм), то свет воспринимается как зеленый.

С помощью экспериментов, построенных на этой гипотезе, были получены кривые реакции глаза, показанные на рис.3.1.

Физические характеристики светового потока определяются параметрами мощности, яркости и освещенности. Визуальные параметры ощущения цвета характеризуются светлотой, насыщенностью и цветовым тоном.



Светлота – это различимость участков, сильнее или слабее отражающих свет. Минимальную разницу между яркостью различимых по светлоте объектов называют порогом.

Насыщенность цвета показывает, насколько данный цвет отличается от монохроматического («чистого») излучения того же светового тона. Насыщенность характеризует степень ослабления (разбавления) данного цвета белым и позволяет отличать розовый от красного, голубой от синего.

Цветовой тон позволяет различать основные цвета, такие, как красный, зеленый, синий.

Цветовые модели


Описание цвета может опираться на составление любого цвета на основе основных цветов или на такие понятия, как светлота, насыщенность, цветовой тон. Применительно к компьютерной графике описание цвета также должно учитывать специфику аппаратуры для ввода/вывода изображений. В связи с необходимостью описания различных физических процессов воспроизведения цвета были разработаны различные цветовые модели. Цветовые модели позволяют с помощью математического аппарата описать определенные цветовые области спектра. Цветовые модели описывают цветовые оттенки с помощью смешивания нескольких основных цветов.

Цветовые пространства или цветовые модели, являются средствами концептуального и количественного описания цвета.

Основные цвета разбиваются на оттенки по яркости (от темного к светлому), и каждой градации яркости присваивается цифровое значение (например, самой темной – 0, самой светлой – 255). Считается, что в среднем человек способен воспринимать около 256 оттенков одного цвета. Таким образом, любой цвет можно разложить на оттенки основных цветов и обозначить его набором цифр – цветовых координат.

Таким образом, при выборе цветовой модели можно определять трехмерное цветовое координатное пространство, внутри которого каждый цвет представляется точкой. Такое пространство называется пространством цветовой модели.

Профессиональные графические программы обычно позволяют оперировать с несколькими цветовыми моделями, большинство из которых создано для специальных целей или особых типов красок: CMY, CMYK, CMYK256, RGB, HSB, HLS, L*a*b, YIQ, Grayscale (Оттенки серого) и Registration color. Некоторые из них используются редко, диапазоны других перекрываются.

Цветовое пространство RGB


Цвет может получиться и в процессе излучения, и в процессе отражения, следовательно существуют два противоположных метода его описания: система аддитивных и субтрактивных цветов.

Так как человеческий глаз содержит три типа колбочек, то ощущение белого света можно получить, смешивая любые три цвета, если ни один из них не является линейной комбинацией двух других. Такие три цвета называются основными. Другие цвета отличные от трех базовых представляют собой линейную выпуклую их оболочку наложением световых пятен трех лучей (рис.3)



, где
Функцию можно представить в виде двухмерного симплекса (равностороннего треугольника ). Он называется треугольником Максвелла, названный в честь шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла (1831-1879), который использовал его в своей основополагающей работе по цвету. Три базовых цвета обозначаются точками в углах треугольника (рис. 3.2).

Рис. 3.2. График цветностей, или треугольник Максвелла

Цвета на экране компьютера, получаются смешением ярко светящихся красного, зелёного и синего люминофоров монитора. Это основа RGB (красный, зелёный, синий) модели. Такая цветовая модель называется аддитивной (additive), потому что цвета в ней генерируются суммированием световых потоков. Сумма равных значений красного зеленого и синего максимальной интенсивности даёт белый цвет. Каждый канал - R, G или B имеется свой отдельный параметр, указывающий на количество соответствующей компоненты в конечном цвете. Например: (255, 64, 23) – цвет, содержащий сильный красный компонент, немного зелёного и совсем немного синего. Естественно, что этот режим наиболее подходит для передачи богатства красок окружающей природы. Но он требует и больших расходов, так как глубина цвета тут наибольшая – 3 канала по 8 бит на каждый, что  дает в общей сложности 24 бита.

Аддитивная цветовая модель удобна для светящихся поверхностей, таких как мониторы компьютеров, сканеры и цифровые камеры.

Цветовым пространством RGB модели является единичный куб. Трёхмерная природа света позволяет отобразить значение каждого из компонентов на оси ортогональной системы. При этом получается трёхкомпонентное цветовое пространство. Трёхмерное цветовое пространство изображено на рис. 3.3.

 

 



Рис.3.3 Цветовое пространство RGB модели

Любой цвет С можно представить как вектор с составляющими rR, gG и bB. Пересечение вектора С с единичной плоскостью даёт относительные веса его красной, зелёной и синеё компонент. Они называются значениями цветности.

, ,
Следовательно , Проецируя единичную плоскость, получает цветовой график, который явно отражает функциональную связь двух цветов и неявно – связь с третьим. .

Цветовые модели CMY и CMYK 


Для отражающих поверхностей, например типографских красок, плёнок и несветящихся экранов применяется субтрактивная система CMY(голубой, пурпурный, жёлтый). Эти цвета получаются разностью белого и соответствующего света RGB модели: голубой это белый минус красный, пурпурный – белый минус зелёный, жёлтый – белый минус синий. Цвета одной системы являются дополнением к другой. В субтрактивной цветовой модели, при смешивании двух или более основных цветов дополнительные цвета получаются посредством поглощения одних световых волн и отражением других. Так голубая краска поглощает красный цвет и отражает зелёный и синий, пурпурная поглощает зелёный цвет и отражает красный и синий, а жёлтая краска поглощает синий цвет и отражает красный и зелёный.

Такая модель наиболее точно описывает цвета при выводе изображения на печать, т. е. в полиграфии.

Итак, модель CMY использует также три основных цвета: Cyan (голубой), Magenta (пурпурный, или малиновый) и Yellow (желтый).  Эти цвета описывают отраженный от белой бумаги свет трех основных цветов RGB модели. Поэтому можно описать соотношения между RGB и CMY моделями следующим образом:

С = 1 – R;

M = 1 – G;

Y = 1 – B.

 Теоретически смесь равных количеств голубого, пурпурного и жёлтого при максимальной яркости цветов должна давать чётный свет. Так и происходит на экране монитора, но при печати дело обстоит иначе. Смесь максимально ярких основных цветов даёт не чёрный свет, а грязно-коричневый, и связано это с наличием примесей в красках. В результате полутоновое серое изображение, непосредственно преобразованное из RGB в CMY, после печати приобретает красный или пурпурный оттенок. Поэтому к модели CMY добавили чёрный цвет и получилась модель CMYK, которая является основой полиграфии. Черный цвет является ключевым цветом, который принтеры добавляют к основным цветам для получения более чётких, глубоких чёрных тонов и оттенков. Конечно, добавление четвёртого цвета искажает уравнение преобразования RGB в CMYK, усложняя процесс достижения цветового соответствия. Вот почему напечатанная картинка никогда не получается такой как на экране. Для пользователей, которые озабочены качествам цвета, существуют программы, позволяющие работать непосредственно в цветах CMYK, а не RGB.

Для перехода из модели CMY в модель CMYK иногда используют следующее соотношение:

 K = min(C, M, Y);

C = CK;

M = MK;

Y  = YK.

 Соотношения преобразования RGB в CMY и CMY в CMYK-модель верны лишь в том случае, когда спектральные кривые отражения для базовых цветов не пересекаются. Поэтому в общем случае можно сказать, что существуют цвета, описываемые в RGB-модели, но не описываемые в  CMYK-модели.


Перцепционные световые модели


В 1931г. в Англии состоялось заседание Международной комиссии по освещени (Commission International de 1’Eclairege(CIE)) на которой обсуждались международные стандарты определения и изменения света. Цветовое пространство CIE описывает весь диапазон цветов, воспринимаемый человеческим глазом. Наши глаза могут воспринимать свет только в узком диапазоне длин электромагнитных волн, но даже в этом случае в видимый спектр попадают миллионы цветов – намного больше, чем могут воспроизводить сканеры и принтеры.

Перцепционная цветовая модель, описывает любой воспринимаемый цвет координатами трёхмерного пространства. Одно значение описывает яркость, а два других относятся к фактическим количественным характеристикам цвета – цветности. Гамма цветовой модели CIE шире, чем гамма моделей RGB и CMY и содержит их в себе.

В качестве стандарта был выбран двумерный цветовой график. Контур напоминает крыло – геометрическое место точек всех видимых длин волн (рис.3.4).


Рис.3.4. Цветовое пространство CIE XYZ

Развитием CIE модели явились цветовые модели YCC (применяемая для Photo CD) и LAB (Adobe PhotoShop). В модели YCC значение канала Y представляет собой яркость, в то время как два значения канала С представляют собой диапазон цветов от пурпурного до зелёного и от жёлтого до синего соответственно. В цветовой модели LAB канал L управляет яркостью и контрастностью, а каналы A и B управляют теми же диапазонами цветов, что и С в YCC. Перцепционными цветовыми моделями пользуются профессионалы дизайнеры и художники.


Цветовые модели HLS и HSB (HSV)


Системы цветов RGB и CMYK базируются на ограничениях, накладываемых аппаратным обеспечением. Более интуитивным способом описания цвета является представление его в виде тона, насыщения и яркости (HSB) или тон, освещённость, насыщенность (HLS). Этими моделями традиционно пользуются художники.

Тон представляет собой конкретный оттенок цвета: красный, зелёный, голубой и т.д. Насыщенность цвета характеризует его относительную интенсивность или чистоту. Уменьшая насыщенность, например, красного цвета мы делаем его более блёклым и размытым. Яркость или освещенность цвета показывает величину чёрного оттенка, добавленного к цвету, что делает его более тёмным.

Система HSB хорошо согласуется с моделью восприятия цвета человеком. Тон является эквивалентом длины волны света, насыщенность – интенсивности волны, а яркость – общее количество света.

В цветовом пространстве модели HSV (Hue, Saturation, Value), иногда называемой HSB (Hue, Saturation, Brightness), используется цилиндрическая система координат, а множество допустимых цветов представляет собой шестигранный конус, поставленный на вершину.

Основание конуса представляет яркие цвета и соответствует V = 1. Однако цвета основания V = 1 не имеют одинаковой воспринимаемой интенсивности. Тон (H) измеряется углом, отсчитываемым вокруг вертикальной оси OV. При этом красному цвету соответствует угол 0, зелёному – угол 120 и т. д. Цвета, взаимно дополняющие друг друга до белого, находятся напротив один другого, т. е. их тона отличаются на 180. Величина S изменяется от 0 на оси OV до 1 на гранях конуса.

Конус имеет единичную высоту (V = 1) и основание, расположенное в начале координат. В основании конуса величины H и S смысла не имеют. Белому цвету соответствует пара S = 1, V = 1. Ось OV (S = 0) соответствует ахроматическим цветам (серым тонам).

Процесс добавления белого цвета к заданному можно представить как уменьшение насыщенности S, а процесс добавления чёрного цвета – как уменьшение яркости V. Основанию шестигранного конуса соответствует проекция RGB куба вдоль его главной диагонали.

 

Рис. 3.5. Цветовое пространство HSV модели

 

Еще одним примером системы, построенной на интуитивных понятиях тона насыщенности и яркости, является система HLS (Hue, Lightness, Saturation). Здесь множество всех цветов представляет собой два шестигранных конуса, поставленных друг на друга (основание к основанию).



 

Рис. 3.6. Цветовое пространство HLS-модели

 

Полноцветные и индексированные изображения


Некоторые работы с цветными изображениями вовсе не требуют использования бесчисленного множества цветов. Например, если вам необходимо демонстрировать изображения на множестве разных компьютеров, возможно, будет необходимо ограничить цветовую палитру до 256 цветов, т.е. минимальным для многих компьютерных систем качеством.

Как мы увидели, цвета пикселов можно определять, явно задавая несколько параметров цвета. Например, в RGB-модели конечный цвет определяется тремя слагаемыми для трех основных цветов. Такой подход позволяет формировать так называемые полноцветные изображения.

Второй подход заключается в том, что в первой части файла, хранящего изображение, хранится «палитра», в которой с помощью одной из цветовых моделей кодируются цвета, присутствующие на изображении. А вторая часть, которая непосредственно описывает пикселы изображения, фактически состоит из индексов в палитре. Изображения, формируемые таким способом, называются изображениями с индексированной палитрой.

Частным случаем индексированного изображения является черно-белое изображение. В подобном изображении могут быть только 2 цвета - чёрный и белый, кодируемые соответственно 0 и 1. Глубина изображения составляет в данном случае 1 бит. Эта глубина очень плохо подходит к представлению фотореалистичных образов и применяется лишь для специализированных изображений.

Достоинством палитры является возможность существенно сократить размер файла с изображением. Недостатком является возможность потери цветов при ограниченном размере  палитры. Обычно размер палитры составляет до 256-ти цветов.
 

Когда компьютер использует только 256 цветов, он часто изображает их в виде цветовой таблице, называемой таблицей кодировки цвета (color lookup table)). Таблица кодировки цвета служит своего рода индексатором цвета для компьютерной системы.



Индексированный цвет (index color) плохо поддерживается при печати, такие изображения, могут использоваться только для вывода на экран. Для печати, необходимо преобразование изображения в режим CMYK, или в RGB для дальнейшего редактирования.






База данных защищена авторским правом ©shkola.of.by 2016
звярнуцца да адміністрацыі

    Галоўная старонка