Понятия света и цвета в компьютерной графике являются основополагающими. Обычно свет представляет собой непрерывный поток волн с различными длинами и различными амплитудами. Такой свет можно характеризовать энергетической спектральной кривой (рис. 2.2), где само значение функции представляет собой вклад волн с длиной волны  в общий волновой поток.

Рис. 2.2. Спектральная кривая света

Ощущение цвета возникает в мозге при возбуждении и торможении цветочувствительных клеток - рецепторов глазной сетчатки человека, колбочках. У человека существует три вида колбочек - «красные», «зелёные» и «синие», соответственно. Светочувствительность колбочек невысока, поэтому для хорошего восприятия цвета необходима достаточная освещённость или яркость. Каждое цветовое ощущение у человека может быть представлено в виде суммы ощущений этих трех цветов.

Основными характеристиками цвета являются цветовой тон, насыщенность, яркость.

Определение 2.6. Цветовой тон – атрибут визуального восприятия, согласно которому область кажется обладающей одним из воспринимаемых цветов (красного(R ) , зелёного(G ) или синего(В )). Является основной цветовой характеристикой.

Определение 2.7. Насыщенность – характеристика, выражаемая долей присутствия белого цвета. В идеально чистом цвете примесь белого отсутствует. Если, например, к чистому красному цвету добавить в определенной пропорции белый цвет, то получится светлый бледно-красный цвет.

Определение 2.8. Яркость – характеристика, определяемая энергией, интенсивностью светового излучения. Выражает количество воспринимаемого света.

Обыкновенный цвет (солнца, лампочки) состоит из всех цветов радуги. Если пропустить его через призму, то он разложится в цветной спектр радуги. Эти цвета представляют частоты электромагнитных колебаний, которые представляются невооруженным глазом.

Различают излучаемый и отраженный свет. Излучаемый свет - свет, выходящий из активного источника, содержит в себе все цвета. Отраженный свет может содержать все цвета, их комбинацию или только один цвет. Так как цвет может получиться в процессе излучения и поглощения, то существуют два противоположных метода его описания:

Система аддитивных цветов;

Система субтрактивных цветов.

Цветовая модель RGB. Аддитивный цвет получается при соединении лучей света разных цветов. Отсутствие всех цветов в этой системе есть черный цвет. Присутствие всех цветов – белый цвет. Эта система работает с излучаемым цветом, например, от монитора компьютера. В этой системе используется три основных цвета: красный, зеленый, синий (RGB). Система цветов RGB. Наиболее распространена и популярна. Используется в мониторах.

Цветовая модель CMY. В системе субтрактивных цветов происходит обратный процесс. Определенный цвет получается вычитанием других цветов из общего луча света. Белый цвет появляется в результате отсутствия всех цветов, тогда как их присутствие дает черный цвет. Эта система работает с отраженным цветом.

В системе субтрактивных цветов основными являются голубой, пурпурный, желтый (CMY – Cyan, Magenta, Yellow). При их смешении предполагается, что должен получиться черный цвет. В действительности типографские краски поглощают свет не полностью, и поэтому комбинация трех основных цветов выглядит темно-коричневой. Эта система используется в основном в полиграфии. Преобразование рисунков из системы RGB в систему CMYK сталкивается с рядом проблем. Основная сложность в том, что в разных системах цвета могут меняться. В этих системах различна природа получения цветов, и поэтому то, что отображается на экране монитора никогда нельзя в точности повторить при печати. Процесс преобразования усложняется необходимостью корректировать несовершенство типографских красок.

Цветовая модель HSV. Рассмотренные выше цветовые модели так или иначе используют смешение некоторых основных цветов. Цветовую модель HSV, можно отнести к альтернативному типу.

Рис. 2.3. Цветовая модель HSV

В модели HSV (рис. 2.3) цвет описывается следующими параметрами: цветовой тон H (Hue), насыщенность S (Saturation), яркость, светлота V(Value). Значение H измеряется в градусах от 0 до 360, поскольку здесь цвета радуги располагаются по кругу в таком порядке: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Значения S и V находятся в диапазоне (0…1).

Примеры кодирования цветов для модели HSV. При S=0 (т.е. на оси V) - серые тона. Значение V=0 соответствует черному цвету. Белый цвет кодируется как S=0, V=1. Цвета, расположенные по кругу напротив друг друга, т.е. отличающиеся по H на 180 º, являются дополнительными. Задание цвета с помощью параметров HSV достаточно часто используется в графических системах, причем обычно показывается развертка конуса.

Цветовая модель HSV удобна для применения в тех графических редакторах, которые ориентированы не на обработку готовых изображений, а на их создание своими руками. Существуют такие программы, которые позволяют имитировать различные инструменты художника (кисти, перья, фломастеры, карандаши), материалы красок (акварель, гуашь, масло, тушь, уголь, пастель) и материалы полотна (холст, картон, рисовая бумага и пр.).

Существуют и другие цветовые модели, построенные аналогично HSV, например модели HLS (Hue, Lighting, Saturation) и HSB также использует цветовой конус. В модели HSB тоже три компонента: оттенок цвета (Hue), насыщенность цвета (Saturation) и яркость цвета (Brightness). Регулируя их, можно получить столь же много произвольных цветов, как и при работе с другими моделями.

Цветовая модель Lab. Все вышеперечисленные модели описывают цвет тремя параметрами и в достаточно широком диапазоне. Теперь рассмотрим цветовую модель, в которой цвет задается одним числом, но уже для ограниченного диапазона цветов (оттенков).

На практике часто используются черно-белые (серые) полутоновые изображения. Серые цвета в модели RGB описываются одинаковыми значениями компонентов, т.е. r i = g i = b i . Таким образом, для серых изображений нет необходимости использовать тройки чисел - достаточно и одного числа. Это позволяет упростить цветовую модель. Каждая градация определяется яркостью Y. Значение Y=0 соответствует черному цвету, максимальное значение Y – белому.

Для преобразования цветных изображений, представленных в системе RGB, в градации серого используют соотношение

Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B,

где коэффициенты при R, G и B учитывают различную чувствительность зрения к соответствующим цветам и, кроме того, их сумма равна единице.

Очевидно, что обратное преобразование R =Y, G =Y, B =Y не даст никаких других цветов, кроме градаций серого.

Разнообразие моделей обусловлено различными областями их использования. Каждая из цветовых моделей была разработана для эффективного выполнения отдельных операций: ввода изображений, визуализаций на экране, печати на бумаге, обработки изображений, сохранения в файлах, колориметрических расчетов и измерений. Преобразование из одной модели в другую может привести к искажению цветов изображения.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие виды представления видеоинформации Вы знаете?

2. Что представляет собой битовая глубина?

3. Что такое разрешающая способность растра?

4. Какие характеристики влияют на размер изображения?

5. В чем особенность масштабирования растровых и векторных изображений?

6. Назовите основные характеристики цвета?

7. Какие цветовые системы Вы знаете?

8. Дайте определение аддитивной системе цветов. В каких устройствах она используется?

9. Что представляет собой система субтрактивных цветов?

10. Перечислите альтернативные цветовые системы.

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.

- частота RAMDAC 250 - 350 МГц;

- глубина цвета - 24/32 бит/пиксель;

Глубина Z-буфера 16-32 разрядов;

Интерфейс AGP 2X/4X;

- API - DirectX 6, DirectX 7, DirectX 8.

- наряду с универсальными API-интерфейсами, фирмами-разработчиками видеоадаптеров, разрабатываются специализированные API, которые позволяют расширить возможности формирования графического изображения.

Цвет в компьютерной графике

Цвет – прежде всего, характеризуется яркостью изображения, а значит светом. Свет может быть излучаемым т.е. выходящим из некоторого источника (солнце, электрический светильник или экран дисплея), и отраженным от поверхности объекта. Излучаемый свет может содержать все цвета (белый свет), любую их комбинацию или только один цвет. Свет может изменить свой цвет при отражении от объекта. Таким образом, цвет объекта определяется цветом падающего на него света и цветом, который объект отражает, т.е. отражающими свойствами объекта.

Цвет может формироваться в процессе излучения света и в процессе его отражения. Как следствие, существуют ряд методов описания и формирования цвета (так называемые системы цветов или цветовое пространство).

Наиболее часто в компьютерной графике и смежных областях применя-

ется система аддитивных цветов и система субтрактивных цветов .

Аддитивный цвет получается при сложении лучей света разных цветов. В этой системе отсутствие всех цветов соответствует черному цвету, а присутствие всех цветов – белому. Система аддитивных цветов (система RGB) применяется для описания излучаемого света, например, от экрана монитора. Как из-

вестно из физики, в данном случае используются три основных цвета: красный, зеленый, синий (R, G, B). Если смешать их в равной пропорции, они образуют белый цвет, а при смешивании в разных пропорциях – любой другой.

В системе субтрактивных цветов происходит обратный процесс. Какойлибо цвет получается путем вычитания некоторого цвета из общего светового потока. В этой системе белый цвет появляется в результате отсутствия всех цветов, а их присутствие дает черный цвет. Система субтрактивных цветов применяется при работе с отраженным светом, например, от бумаги (издательское дело, полиграфия, многоцветная печать). Белый фон отражает все цвета, фон произвольного цвета – некоторые поглощает, остальные отражает. В этой системе основными являются голубой (cyan), пурпурный (magenta) и желтый (yellow) цвета (CMY). Эти цвета противоположны красному, зеленому, синему (RGB). Когда эти цвета смешиваются на белом фоне в равной пропорции, теоретически получается черный цвет. В действительности, типографские краски и другие материалы поглощают цвет не полностью, что приводит к искажению цветопередачи. Поэтому к этим трем цветам добавляется немного черной (Black) краски. Система цветов, основанная на таком четырехцветном процессе, обозначается CMYK .

Форматы графических файлов

Формат – это способ организации данных в памяти компьютера, на внешнем носителе, в базе данных и т.д. Количество применяемых в настоящее время типов форматов очень велико; они обычно делятся на группы – текстовые, графические, баз данных, электронных таблиц, Windows, Unix. Множество форматов существует для хранения графической информации. Практически любое программное обеспечение для работы с компьютерной графикой, использует свой собственный формат файлов, хотя в последние годы многие раз-

работчики стараются поддерживать некоторые форматы, ставшие почти уни-

версальными (TIFF, PCX, BMP, JPEG и др.).

Графический формат – это формат, в котором данные, описывающие графическое изображение записаны в файле. Такие форматы используются для того, чтобы логично и эффективно организовывать, сохранять и восстанавливать графические данные. В соответствии с видами компьютерной графики, наиболее распространены в настоящее время растровые, векторные и метафайловый графические форматы. Существуют и другие типы форматов - форматы сцены, анимации, мультимедиа, гипертекстовые и гипермедиа, объемные (трехмерные), аудиоформаты, форматы шрифтов и др.

Растровые форматы используются для хранения растровых данных. Файлы этого типа содержат точную пиксельную карту изображения и хорошо подходят для хранения реальных изображений, например, фотографического. Программа визуализации воссоздает это изображение на отображающей поверхности устройства вывода. Растровое изображение легко обрабатывается и упаковывается, однако при растяжении и сжатии таких изображений возникают искажения. Печать растровых изображений может выполняться только на устройствах, которые поддерживают точечный вывод; в частности, плоттеры не поддерживают растровые форматы файлов. Перенос изображения на различные устройства вывода может создавать проблемы, связанные со сменой разрешения графического изображения.

Наиболее распространенные растровые форматы – это Microsoft BMP, PCX, TIFF, TGA, GIF, JPEG и др.

Векторные файлы содержат не пиксельные значения, а математические описания элементов изображения – линий, кривых, многоугольников, сплайнов, а также элементов, которые можно разложить на простые геометрические объекты. По математическим описаниям графических форм программа визуализации строит изображение. Векторные форматы получили широкое распространение в программах для САПР, так как позволяют легко манипулировать фраг-

ментами изображения, масштабировать их и т.п. Однако такие форматы не годятся для обработки фотографий или сканирования изображений.

Векторные файлы структурно более просты, чем большинство растровых файлов. Наиболее распространенными векторными форматами являются

AutoCAD DXF, Microsoft SYLK, WMF, EPS и др.

Метафайлы могут хранить и растровые, и векторные данные. Они напоминают файлы векторного формата, так как содержат средства для определения элементов векторных данных, но могут включать и растровое представление изображения. Метафайлы часто используются для транспортировки растровых и векторных данных и изображений между аппаратными и программными платформами. Наиболее распространенны метафайловые форматы COM, WPG, PICT.

Файлы формата сцены (файлы описания сцены) разработаны для хранения сжатого представления всего изображения (или сцены). Они близки к векторным файлам, однако в отличие от них содержат не описания частей изображения, а состоят из инструкций, позволяющих программе визуализации восстановить изображение целиком.

Форматы анимации появились сравнительно недавно. Простейшие из них хранят изображения целиком, позволяя быстро отображать их в цикле одно за другим. Более сложные форматы анимации хранят только различия между двумя последовательно отображаемыми изображениями (фреймами) и изменяют только те пиксели, которые меняются при отображении очередного фрейма. При видеоанимации для создания иллюзии плавного движения необходимо отображать не менее 25 фреймов в секунду. Примерами форматов анимации могут служить TDDD и TTDDD.

Мультимедиа-форматы предназначены для хранения данных различных типов в одном файле. Они обычно позволяют объединять графическую, звуковую и видеоинформацию. Примерами могут служить форматы RIFF фирмы

Microsoft, MPEG и FLI фирмы Autodesk.

Гипертекст – это система, обеспечивающая нелинейный доступ к информации, обычно текстовой. Термин гипермедиа обозначает синтез гипертекста и мультимедиа. Современные гипертекстовые языки и сетевые протоколы поддерживают самые разнообразные средства, включая текст и шрифты, неподвижную и динамическую графику, аудио- и видеоданные. Гипертекст обеспечивает создание структуры, которая позволяет организовывать мультимедиаданные, отображать их и интерактивно перемещаться по ним. Гипертекстовые и гипермедийные системы, например WWW, хранят информационные ресурсы в виде файлов GIF, JPEG, MPEG, AVI, PostScript и др.

Трехмерные форматы . В файлах такого формата хранится описание формы и цвета объемных моделей воображаемых и реальных объектов. Объемные модели обычно конструируются из многоугольников и гладких поверхностей с учетом описаний соответствующих элементов: цвет, текстура, оптические эффекты и т.п. На этой основе программа визуализации реконструирует объект. Модели помещаются в сцены с источниками света и камерами (т.е. указываются точки наблюдения), поэтому объекты в трехмерных файлах часто на-

зываются элементами сцены .

Визуализация трехмерных моделей осуществляется программами моделирования и анимации (например, 3DStudio фирмы Autodesk). Они позволяют корректировать внешний вид изображения, изменяя и дополняя систему освещения, текстуру элементов сцены и их относительное расположение, и обеспечивают моделирование движения. Трехмерные данные сейчас поддерживаются рядом форматов, которые ранее служили только для хранения двухмерных векторных данных, например, форматом DXF. Форматы такого типа иногда называют расширенными векторными форматами.

Цвет в компьютерной графике.

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.

1. Цветовая модель RGB.

Наиболее проста для понимания и очевидна модель RGB. В этой модели работают мониторы и бытовые телевизоры. Любой цвет считается состоящим из трех основных компонентов: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue) . Эти цвета называются основными.

Считается также, что при наложении одного компонента на другой яркость суммарного цвета увеличивается. Совмещение трех компонентов дает нейтральный цвет (серый), который при большой яркости стремится к белому цвету. Это соответствует тому, что мы наблюдаем на экране монитора, поэтому данную модель применяют всегда, когда готовится изображение, предназначенное для воспроизведения на экране. Если изображение проходит компьютерную обработку в графическом редакторе, то его тоже следует представить в этой модели.
Метод получения нового оттенка суммированием яркостей составляющих компонентов называют аддитивным методом . Он применяется всюду, где цветное изображение рассматривается в проходящем свете («на просвет»): в мониторах, слайд-проекторах и т.п. Нетрудно догадаться, что чем меньше яркость, тем темнее оттенок. Поэтому в аддитивной модели центральная точка, имеющая нулевые значения компонентов (0,0,0), имеет черный цвет (отсутствие свечения экрана монитора). Белому цвету соответствуют максимальные значения составляющих (255, 255, 255). Модель RGB является аддитивной, а ее компоненты: красный (255,0,0), зеленый (0,255,0) и синий (0,0,255) - называют основными цветами .

2. Цветовая модель CMYK.

Эту модель используют для подготовки не экранных, а печатных изображений. Они отличаются тем, что их видят не в проходящем, а в отраженном свете. Чем больше краски положено на бумагу, тем больше света она поглощает и меньше отражает. Совмещение трех основных красок поглощает почти весь падающий свет, и со стороны изображение выглядит почти черным. В отличие от модели RGB увеличение количества краски приводит не к увеличению визуальной яркости, а наоборот к ее уменьшению.

Поэтому для подготовки печатных изображений используется не аддитивная (суммирующая) модель, а субтрактивная (вычитающая) модель . Цветовыми компонентами этой модели являются не основные цвета, а те, которые получаются в результате вычитания основных цветов из белого:
голубой (Cyan) = Белый - красный = зелёный + синий (0,255,255)
пурпурный (сиреневый) (Magenta) = Белый - зелёный = красный + синий (255,0,255)
жёлтый (Yellow) = Белый - синий = красный + зелёный (255,255,0)
Эти три цвета называются дополнительными , потому что они дополняют основные цвета до белого.
Существенную трудность в полиграфии представляет черный цвет. Теоретически его можно получить совмещением трех основных или дополнительных красок, но на практике результат оказывается негодным. Поэтому в цветовую модель CMYK добавлен четвертый компонент - черный . Ему эта система обязана буквой К в названии (blacK).

В типографиях цветные изображения печатают в несколько приемов. Накладывая на бумагу по очереди голубой, пурпурный, желтый и черный отпечатки, получают полноцветную иллюстрацию. Поэтому готовое изображение, полученое на компьютере, перед печатью разделяют на четыре составляющих одноцветных изображения. Этот процесс называется цветоделением. Современные графические редакторы имеют средства для выполнения этой операции.
В отличие от модели RGB, центральная точка имеет белый цвет (отсутствие красителей на белой бумаге). К трем цветовым координатам добавлена четвертая - интенсивность черной краски. Ось черного цвета выглядит обособленной, но в этом есть смысл: при сложении цветных составляющих с черным цветом все равно получится черный цвет. Сложение цветов в модели CMYK каждый может проверить, взяв в руки голубой, серневый и желтый карандаши или фломастеры. Смесь голубого и желтого на бумаге дает зеленый цвет, сереневого с желтым - красный и т.д. При смешении всех трех цветов получается неопределенный темный цвет. Поэтому в этой модели черный цвет и понадобился дополнительно.

3. Цветовая модель НSB.

Некоторые графические редакторы позволяют работать с цветовой моделью HSB. Если модель RGB наиболее удобна для компьютера, а модель CMYK - для типографий, то модель HSB наиболее удобна для человека. Она проста и интуитивно понятна. В модели HSB тоже три компонента: оттенок цвета (Hue) , насыщенность цвета (Saturation) и яркость цвета (Brightness) . Регулируя эти три компонента, можно получить столь же много произвольных цветов, как и при работе с другими моделями. Оттенок цвета указывает номер цвета в спектральной палитре. Насыщенность цвета характеризует его интенсивность - чем она выше, тем "чище" цвет. Яркость цвета зависит от добавления чёрного цвета к данному - чем её больше, тем яркость цвета меньше. Цветовая модель HSB удобна для применения в тех графических редакторах, которые ориентированы не на обработку готовых изображений, а на их создание своими руками. Существуют такие программы, которые позволяют имитировать различные инструменты художника (кисти, перья, фломастеры, карандаши), материалы красок (акварель, гуашь, масло, тушь, уголь, пастель) и материалы полотна (холст, картон, рисовая бумага и пр.). Создавая собственное художественное произведение, удобно работать в модели HSB, а по окончании работы его можно преобразовать в модель RGB или CMYK, в зависимости от того, будет ли оно использоваться как экранная или печатная иллюстрация. Значение цвета выбирается как вектор, выходящий из центра окружности. Точка в центре соответствует белому (нейтральному) цвету, а точки по периметру - чистым цветам. Направление вектора определяет цветовой оттенок и задается в модели HSB в угловых градусах. Длина вектора определяет насыщенность цвета. Яркость цвета задают на отдельной оси, нулевая точка которой имеет черный цвет.

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.

Все рассмотренные выше модели относятся к аддитивным. Это означает, что компоненты добавляют цвет в изображение. Чем выше значение компонента, тем ближе цвет к белому.
Цветовая модель CMYK, цветоделение

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.

Гамма

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:

• 
  Преобразовать координаты объекта, заданные в собственной системе координат, в мировые координаты;
• 
  Преобразовать координаты объекта из мировой системы в систему координат наблюдателя;

Спроецировать полученные координаты на плоскость в с системе координат наблюдателя, при этом мы будем иметь положение всех объектов сцены в координатах сцены.

Этапы построения изображений
Как было сказано ранее, компьютерная графика изучает методы построения изображений различных геометрических объектов и сцен. Главными этапами построения изображений являются:

• 
  Моделирование, которое использует методы математического описания объектов и сцен самой разной природы в двух- и трехмерном пространстве.
• 
  Визуализация – методы построения реалистических изображений объемного мира на плоском экране дисплея ЭВМ, при этом модели объектов и сцен преобразуются в статическое изображение или фильм (последовательность статических кадров).

Все графические объекты приводятся к алгоритмическому виду, это отличает компьютерную графику от обычной.

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.

Проективные преобразования. Проекции

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.

2012 -> Стерлитамакский филиал
2012 -> Питання про виникнення людини хвилює людство здавна. У XIX ст
2012 -> Методические рекомендации по проведению занятий с применением интерактивных форм обучения
2012 -> Тема опыта
2012 -> Вопросы к экзамену Планирование и организация работы кадровой службы Современные концепции управления персоналом