Представление цвета в компьютерной графике. Понятие цвета в компьютерной графике Системы цветов HSB и HSL
3.1. Аддитивная цветовая модель
3.2. Формирование собственных цветовых оттенков в модели RGB
3. Цвет в компьютерной графике
Те, кто занимается компьютерной графикой, должны четко различать не только цвета, но и тончайшие оттенки. Это очень важно, так как именно цвет несет большое количество информации, которая не менее важна, чем форма, масса и другие параметры каждого физического объекта.
Правильно подобранные цвета могут, как привлечь внимание к изображению, так и оттолкнуть от него. В зависимости от того, какой цвет видит человек, у него возникают различные эмоции, формирующие первое впечатление от объекта. Существует даже целая наука, изучающая влияние цвета на человека.
Итак, для чего же все-таки нужен цвет в компьютерной графике?
- Цвет несет в себе определенную информацию об объектах. Например, летом деревья зеленые, осенью - желтые. На черно-белой фотографии определить пору года практически невозможно, если на это не указывают какие-либо другие дополнительные факты.
- Цвет необходим для того, чтобы различать объекты.
- С его помощью можно одни части изображения выдвинуть на передний план, другие - увести в фон, акцентировав таким образом внимание на самом важном - композиционном центре.
- Без увеличения размера при помощи цвета можно передать некоторые детали изображения.
- В двухмерной графике (такую мы видим на мониторе, так как он не обладает третьим измерением) именно при помощи цвета, точнее оттенков, имитируется объем.
- И наконец, цвет используется для привлечения внимания зрителя, создания красочного и интересного изображения.
- Конечно, можно создавать и великолепные черно-белые творения, но так как мы живем в цветном мире, намного привычнее видеть цветные предметы.
Цвет - это субъективная характеристика объекта. Цвет существует только при наличии наблюдателя. Реальный свет (например, дневной) представляет собой электромагнитное излучение, смесь различных световых волн, то есть имеет различный спектр. Человеческий глаз улавливает световые волны в определенном интервале длин и интенсивностей (видимый спектр излучения). Затем мозг обрабатывает поступающие сигналы, воспринимая предметы различным образом окрашенными в зависимости от сочетания длин волн и их интенсивности. Таким образом, реально цвет относится не только к самому предмету, но и к особенностям физиологического восприятия конкретного наблюдателя. Аналогично вкусу, обонянию, слуху и другим органам чувств восприятие цвета так же изменяется от человека к человеку. Мы можем воспринимать цвет как теплый, холодный, тяжелый, легкий, мягкий, сильный, возбуждающий, расслабляющий, блестящий или тусклый. Однако, в каждом конкретном случае восприятие зависит от культуры человека, языка, возраста, пола, условий жизни и предыдущего опыта. Два человека никогда не будут одинаково воспринимать один и тот же физический цвет. Люди отличаются друг от друга даже по чувствительности к диапазону видимого света. На восприятие влияют и размеры объекта.
Мир, окружающий нас, полон всевозможных цветов и цветовых оттенков. С развитием многих отраслей производства, в том числе, полиграфии, компьютерных технологий, появилась необходимость объективных способов описания и обработки цвета.
Цвета в природе редко являются простыми. Большинство цветов получаются смешением каких-либо других. Например, сочетание красного и синего даёт пурпурный цвет, синего и зелёного - голубой. Таким образом, путём смешения, из небольшого количества простых цветов, можно получить множество (и при чём довольно большое) сложных (составных). Поэтому для описания цвета вводится понятие цветовой модели - как способа представления большого количества цветов посредством разложения его на простые составляющие.
В каждой модели определенный диапазон цветов представляют в виде 3D пространства. В этом пространстве каждый цвет существует в виде набора числовых координат. Этот метод дает возможность передавать цветовую информацию между компьютерами, программами и периферийными устройствами.
Возникает естественный вопрос: а зачем всё это надо? Не проще ли было взять и представить в цветовой модели не основные, а все возможные цвета? Конечно, нет! Дать описание каждого цвета в отдельности очень сложно, особенно сейчас, когда на экране монитора мы имеем возможность видеть не сотни, не тысячи, а 4 миллиарда цветов (точнее, цветов и цветовых оттенков)! Попробуйте описать каждый цвет в отдельности. Таким образом, цветовые модели - это почти совершенный способ для описания цветов особенно в компьютерных технологиях и полиграфии. Почему же почти? Дело в том, что не любой цвет можно представить в виде комбинации основных. Это является основной проблемой цветовых моделей.
3.1. Аддитивная цветовая модель
Излучаемый цвет – это свет, выходящий из источника, например, солнца, лампочки или экрана монитора. Излучаемый цвет, идущий непосредственно от источника к глазу, сохраняет в себе все цвета, из которых он создан. При отражении от объекта свет может измениться. Любой предмет, не являющийся источником света, частично отражает и частично поглощает падающий на него свет.
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 процессе отражения, то существует два противоположных метода его описания: аддитивная и субтрактивная цветовые модели.
Излучаемый свет описывается с помощью аддитивной цветовой модели.
Если с близкого расстояния (а еще лучше - с помощью лупы) посмотреть на экран работающего монитора или телевизора, то нетрудно увидеть множество мельчайших точек красного, зеленого и синего цветов, так называемых основных, базовых или первичных цветов. Дело в том, что каждый видеопиксель на цветном экране – это совокупность трех точек разного цвета: красного, зеленого и синего. Так как они очень малы, наши глаза смешивают три цвета в один. Таким образом, соседние разноцветные точки сливаются, формируя другие цвета. Примером этого может служить вращающийся диск, половина которого покрашена в желтый цвет, а другая в синий. При быстром вращении диска, мы видим зеленый цвет, но синий и желтый не видим.
Красный + зеленый = желтый
красный + синий = пурпурный
зеленый +синий = голубой
красный + зеленый + синий = белый
Изменяя интенсивность свечения цветных точек, можно создать большое многообразие оттенков.
Таким образом, аддитивный (от английского 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.
Аддитивную цветовую модель, используемую в компьютерных мониторах, принято обозначать аббревиатурой RGB (ргб ИЛИ ржб) (Red (ред) – красный, Green (Грин) – зеленый, Blue (блу) – синий).
3.2. Формирование собственных цветовых оттенков в модели RGB
Модель RGB описывает излучаемые цвета. Базовыми компонентами модели являются три цвета лучей - красный, зеленый, синий. При восприятии цвета человеком именно они воспринимаются глазом. Остальные цвета представляют собой смешение трех базовых в разных соотношениях. При сложении (смешении) двух лучей основных цветов результат - светлее составляющих. Цвета этого типа называются аддитивными. RGB - трехканальная цветовая модель. В модели RGB кодирует изображение сканер и отображает экран монитора.
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.
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 .
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).
DIV_ADBLOCK586">
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 процессе отражения, то существуют два противоположных метода его описания: системы аддитивных и субтрактивны х цветов.
Система аддитивных цветов
Если с близкого расстояния (а ещё лучше с помощью лупы) посмотреть на экран работающего монитора или телевизора, то нетрудно увидеть множество мельчайших точек красного (Red), зелёного (Green) и синего (Blue) цветов. Дело в том, что на поверхности экрана расположены 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 + зеленый = желтый,
красный + синий = пурпурный,
зеленый + 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 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. Систему аддитивных цветов, используемую в компьютерных мониторах, принято обозначать аббревиатурой RGB .
https://pandia.ru/text/78/172/images/image003_201.jpg" width="567" height="445 src=">
Рис. 3. Диалоговое окно для выбора цвета в программе Adobe Photoshop
В большинстве программ для создания и редактирования изображений пользователь имеет возможность сформировать свой собственный цвет (в дополнение к предлагаемым палитрам), используя красную, зеленую и синюю компоненты. Как правило, графические программы позволяют комбинировать требуемый цвет из 256 оттенков красного, 256 оттенков зеленого 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 (рис. 2,3,4).
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, зеленой и синей цветовых составляющих в диапазоне от 0 до 255 (рис. 2,3,4).
DIV_ADBLOCK587">
Так как бумага не излучает свет, цветовая модель RGB не может быть использована для создания изображения на печатаемой странице.
Система субтрактивны х 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 субтрактивн ы х 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. 5) 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.
100%" style="width:100.0%">
Важно то, что вместо сплошных цветных областей программа цветоделения создаёт растры из отдельных точек (рис. 6), 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.
https://pandia.ru/text/78/172/images/image007_146.jpg" width="464" height="429 src=">
Рис. 7. Диалоговое окно программы CorelDraw для формирования цвета в системе HSB
Кроме того, пользователь может выбрать цветовой тон, щёлкнув мышью в соответствующей точке цветового поля (рис. 3, 4, 7).
В результате перемещения метки в виде маленького квадратика (рис. 7) по внутренней части цветового прямоугольника изменяются насыщенность и яркость выбранного тона. В левом верхнем углу прямоугольника цвет становится максимально размытым (почти белым). В правом нижнем углу яркость его цвета минимальна. В Adobe PhotoShop (рис. 3) изменение насыщенности и яркости выполняется в результате перемещения метки в виде окружности внутри цветового поля. В графическом редакторе Paint цветовое поле позволяет выбирать тон и насыщенность (контраст), а яркость устанавливается с помощью специального регулятора (рис. 4).
Контрольные вопросы
1. В чём состоит отличие излучаемого и отражённого света?
2. Какие методы описания цвета вам известны?
3. Как формируется цвет в системе цветов RGB?
4. Как сформировать свой собственный цвет при работе в каком-нибудь графическом пакете?
5. Почему система цветов RGB не может быть использована для создания изображений на печатаемой странице?
6. Какие базовые цвета используются для формирования цвета в системе цветов CMYK?
7. В чём заключается процесс четырёхцветной печати?
8. Почему цвета, созданные на экране, не всегда можно воспроизвести при печати?
9. Как описывается цвет в системе цветов HSB?
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.
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.
