Физическая и физиологическая природа света

В данной главе рассматриваются вопросы моделирования цвета,

которые играет существенную роль в процессе построения реалистичных изображений, а также в системах виртуальной реальности.Цвет является комплексной характеристикой потока электромагнитной энергии. Однако, с другой стороны, необходимо учитывать,

что само понятие цвета формируется человеческим мозгом. Поэтому при использовании цвета в компьютерной графике, базируясь на физических основах цвета, необходимо обязательно учитывать физиологические аспекты его восприятия. Зрительная система человека воспринимает цветовую энергию посредством рецепторов, расположенных на глазном дне (колбочки 1 и палочки 2). Колбочки бывают трех видов, каждый из которых воспринимает цветовую энергию в одном из диапазонов: красном, зеленом или синем. Палочки реагируют на общий световой фон (на интенсивность света). Восприятие световой энергии зрительной системы человека описывается функцией спектральной чувствительности глаза

1 Колбочки (колбочковые клетки) - фоторецепторы сетчатки глаза человека (и позвоночных животных), обеспечивающие дневное цветовое зрение.Утолщенный наружный отросток, направленный в сторону пигментного слоя сетчатки, придает клетке форму колбы. Колбочки обладают высокой скоростью реакции, но малой световой чувствительностью. Наружный сегмент

колбочек, состоящий из мембранных дисков, содержит зрительные пигменты

(родопсинов), которые реагируют на свет различных длин волн. У человека пигменты колбочек трех типов – красного, синего и зеленого.

2 Палочки (палочковые клетки) - фоторецепторы сетчатки глаза, обеспечивающие сумеречное зрение. Наружный отросток рецептора придает клетке форму палочки. Несколько палочек связаны с одной биполярной клеткой, которые также группируются и имеют общий выход на зрительный нерв.

У человека палочки на периферии сетчатки численно преобладают над колбочками, что объясняет ориентацию зрительной системы человека на дневное освещение.

Наименьшее воздействие на зрительную систему оказывает синий цвет,

а пик энергии приходится на область желто-зеленого цвета. Немалую роль играет и красный цвет, так как его составляющая в общей сумме энергии максимальна. Поэтому при разработке графического интерфейса прикладных программ и систем в качестве фонового цвета рекомендуется выбирать синий, а в качестве цвета переднего плана (цвета символов) – желтый цвет (вспомните стандартную установку цветов в ста-

ром Norton Commander).

Цвет формируется, с одной стороны, источником, а с другой, - отражающей поверхностью. Источники света могут быть либо цветными, либо ахроматическими. Ахроматический источник (от гр. а – отрицание, сhroma - цвет) содержит все видимые длинны волн в равных количествах. Цвет ахроматического источника видим как белый. Любое отклонение от этого равновесия приводит к появлению цвета. Белыми,

кроме того, выглядят поверхности, отражающие более 80% света ароматического источника. Для описания свойств источников (светящихся объектов) используется понятие яркости (англ. brightness), а для описания свойств несветящихся объектов (отражающих поверхностей) –понятие светлоты (англ. lightness).

В компьютерной графике традиционным является представление

цвета в одной из двух системах смешения цветов: в аддитивной (RGB –

Red, Green, Blue), либо в субтрактивной (CMY – Cyan, Magenta, Yellow).

RGB -модель называют аддитивной (от англ. add - складывать) моделью,

поскольку при соединении цветов происходит сложение световых потоков, а максимальная сумма в итоге дает белый цвет (рис.5.2а). CMY –модель называют субстрактивной (от англ. subtract - вычитать) моделью, т.к. присоединение световых потоков приводит к вычитанию энергии (рис.5.2б). Обе системы образуют цветовые пары. При этом основные цвета RGB- и CMY- моделей составляет взаимодополняющие пары

цветов:

Конец 43 вопроса.
44.Колориметрия. Законы Грассмана.

Изучением цветовых пространств и преобразованием в них зани-

мается наука, называемая колориметрия (от лат. color – цвет и гр.

metrio - измеряю). Основные положения этой науки зафиксированы в

трех законах Грассмана.

Первый закон Грассмана. Зрительная система человека воспри-

нимает цвет, как трехмерный объект.

В качестве системы координат трехмерной цветовой модели мо-

гут выступать различные величины, например:

- красный, синий и зеленый цвета (в системе RGB),

- голубой, малиновый и желтый цвета (в системе CMY),

- длина волны, чистота цветового потока и его энергия (физическая модель – см. ниже),

- цветовой тон, насыщенность, яркость (художественная модель)

Учитывая трехмерную природу цвета, воспринимаемую зритель

ной системой человека, следует помнить о его более сложной организации. Цветовой поток состоит из белого цвета (равномерное распределение равно и доминирующего цвета (длина волны λ д), определяющего, в конечном счете, результат воздействия на зрительную систему человека.

При этом λ д соответствует пик энергии eд. Чистота (насыщенность) цветового потока зависит от соотношения двух величин e0 и eд, ее можно вычислить как:

Яркость цветового потока V соответствует полной энергии этого

потока и определяется интегрированием спектральной кривой, что соответствует площади между кривой и осью абсцисс.

Второй закон Грассмана. Четыре цвета всегда линейно зависи-

мы, то есть:

cC = rR + gG + bB,

где c, r, g, b ≠ 0.

Следствием этого закона является следующие положения:

1) Если складываются два цвета, то результат суммирования будет выглядеть светлее:

C0 = C1 + C2 = (r1+r2)R + (g1+g2)G + (b1+b2)B

2) Если два цвета равны одному и тому же цвету:

C1 = C и C2 = C,

то они равны между собой

C1 = C2,

независимо от структур спектров цветов C1, C2 и C,

Третий закон Грассмана. Трехмерное пространство цвета непрерывно.

Если в смеси трех цветов один непрерывно изменяется, а другие

остаются постоянными, то цвет смеси будет меняться непрерывно.

Зрительная система человека способна различать 350 000 цветов

одновременно, причем чувствительность зрения в различных частях

спектра, различна. В середине спектра, в районе пика энергии, человек

различает цвета, у которых доминирующая волна отличается на 1нм, а

на краях видимого диапазона различимы цвета в разницей длин волн в

10 нм. Если изменять только насыщенность цвета, то человек способен

выделить гораздо меньше цветов. В центре спектральной полосы (область желтого цвета) различают до шестнадцати уровней насыщенности.

На краях спектра - в области фиолетового и красного различают до два

Конец 44 вопроса.
45.Табличные и библиотечные форматы представления цвета.

Цветовой формат – это способ представления цветов, используемый при обработке, хранении, передаче и отображении графической информации. Различают три вида цветовых форматов:

• табличный;

• библиотечный;

• пространственный.

Каждый из этих форматов имеет свою сферу применения.

Табличный формат

Основой табличного формата является введение ограничения на

количество цветов, используемых в изображении. При описании графической информации в данном формате, вместе с графическим образом

растровых данных указывается таблица цветов или палитра (ColorMap, Color Index или Palette). Каждый элемент данной таблицы определяет цвет в формате RGB. Данные растра представляют собой ссылки наэлементы таблицы. Использование табличных, или индексированныхцветов, позволяет существенно уменьшить объем потока растровых графических данных.

По количеству цветов различают палитры следующих видов:

• монохромная: 1 бит/пиксель, или 1 bpp (bit per pixel);

• четырехцветная: 2 bpp;

• 16-цветная: 4 bpp;

• ахроматическая, или палитра в градациях серого цвета (grayscale):

8 bpp (256 цветов);

• цветная (8 bpp – 256 цветов);

На практике в цветовых таблицах больше 256 цветов не используется,

так как при значении счетчика цветов более 255 для его хранения

требуется уже не менее двух байт и вопрос о минимизации объема

графических данных снимается.

 

Библиотечные форматы

Данная группа форматов построена на основе принципа соответствия цветов, базирующегося на использовании методов каталогизации и нумерации цветов.

Библиотечные форматы предполагают наличие специализированных каталогов цветов. Эти каталоги должны поддерживаться

производителями красящих расходных материалов. Наибольшей известностью пользуются каталоги PANTONE и TRUEMACH.

Среди библиотечных цветов различают стандартные, или плашечные, цвета, которым соответствуют краски, а также составные, или

полиграфические, цвета, которые образуются путем смешивания

стандартных цветов в определенных пропорциях. В библиотечных форматах цвет идентифицируется номером в одном из каталогов цветов.

 

 

Конец 45 вопроса.
46. Базовые цветовые модели, ориентированные на аппаратуру.

Среди аппаратно-ориентированных моделей наибольшее распространение получили:

• базовые модели: RGB, CMY/CMYK;

• телевизионные модели: YIQ, YUV;

• модели цифровой фотографии: Kodak PhotoCD, YCC;

• составные (полиграфические) модели: Pantone Hexachrome,Eder MCS.

Базовые модели

Аддитивная, или RGB–модель. RGB -модель представляет собой

подпространство трехмерного Евклидова пространства, ограниченное

кубом, расположенным в начале системы координат (рис.5.4).

Начало системы координат соответствует черному цвету (Black).

Точка, имеющая все максимальные значения координат (единицы – при использовании нормированных координат) – белому (White). На диагонали Black-White располагаются ахроматические цвета - оттенки серого.

Данная цветовая модель используется в устройствах отображения излучающего типа:

в телевизионных приемниках, мониторах компьютеров.

Субстрактивная, или CMY–модель.

Эта модель полностью аналогична RGB -модели, за исключением того, что в качестве

базовых цветов выбраны голубой,малиновый и желтый (рис.5.5). Кроме того, при соединении CMY -цветов происходит их вычитание.

Переход между CMY - и RGB -

моделями осуществляется по следующей схеме:

C = W – R;

M = W – G;

Y = W – B.

На практике смешение CMY -цветов не позволяет получить насыщенный черный цвет, поэтому в систему CMY приходится вводить поправку в виде коэффициентов:

k = min(C, M, Y).

Вычитание из координат C, M, Y величины k (от англ. black) позволяетполучить чистый черный цвет:

C ′ = C – k;

M ′ = M – k;

Y ′ = Y – k.

Получившаяся четырехмерная система координат носит название

CMYK.

Цветовые модели CMY и CMYK ориентированны на устройства,

использующие отраженный свет: различные типы принтеров и плоттеров.

 

 

Конец 46 вопроса.
47.Телевизионные цветовые модели.(YIQ и YUV)

Первый стандарт на цветное телевидение был принят в 1953 году

в США на основании предложений Комитета по телевизионным системам (NTSC – National Television Systems Committee). В этом стандарте использовалась цветовая модель YIQ, призванная совместить в одном телевизионном сигнале передачу цветных и черно-былых изображений.

 

При построении модели пространства YIQ учитывалась особенность человеческого зрения: глаз человека в большей степени реагирует на яркостную составляющую и в меньшей степени на цветовые характеристики. При этом человеческий глаз по-разному воспринимает разные части спектра

Для передачи данного сигнала используется полоса в 6,1 МГц. Из них яркостной канал Y занимает 4 МГц, синфазный канал I – 1,5 МГц (по нему передаются цвета от оранжевого до голубого), интегрированный канал Q – 0,6 МГц (по нему передаются цвета от пурпурного до зеленого).

За пределами территории США применяются альтернативные телевизионные стандарты - PAL и SECAM, которые используют иной принцип кодирования и несколько иную цветовую модель – YUV:

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B;

U = (B - Y)/2.03;

V = (R – Y)/1.44.

Обратный пересчет из YUV в RGB осуществляется по формулам:

R = Y + 1,44V;

G = Y – 0,37 – 0,73V;

B = Y + 2,03U.

В телевизионном стандарте VHS используется единый канал, по

которому передается вся информация о цвете и синхронизации. Такой

канал называется композитным. В настоящее время получает распространение новый стандарт S-VHS (Super VHS) – компонентный сигнал, в котором сигналы яркости (Y) и цветности (V+U) разнесены по разным каналам. Благодаря этому появилась возможность раздельной обработки и сжатия цветовых данных.

В профессиональных студийных системах Betacam запись цветового преобразованияведется в формате RGB, при этом каждый цвет передается по своему каналу.

 

Конец 47 вопроса.
48.Модели цифровой фотографии

Цветовая модель YCC. Модель YCC определена стандартом

CCIR 601 и используется в формате представления цифровых изображений фотографического качества JPEG1, а также в формате хранения

цифрового видео MPEG2. Пересчет в систему YCC из RGB-системы

осуществляется по следующим формулам (аналогичным формулам

YIQ):

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B;

Cb = -0.1687R – 0.3313G + 0.5B + 128;

Cr = -0.5R – 0.4187G - 0.0813B + 128.

Kodak Photo CD. Данная модель разработана для конкретного

применения и используется в аппаратуре и программных средствах

фирмы Kodak для записи компакт-дисков, содержащих коллекции фотографии

изображений. Теоретической основой для построения данного про-

странства послужила телевизионная модель цвета YIQ. Механизмы

сжатия, заложенные в программные средства Kodak, используют осо-

бенности кодировки цветов.

Цветовое пространство Kodak Photo CD, по своей структуре, ана-

логично пространству YIQ, но имеет больший цветовой охват. Часть

этого пространства не воспринимается человеческим зрением, однако,

сделано в расчете на современные передовые технологии цветопередачи и цветоделения.

 

Пересчет из пространства RGB в пространство PhotoCD осуществляется в три этапа:

1) γ-коррекция;

2) пересчет из RGB в вещественную систему координат LC1C2;

3) пересчет в целочисленную систему координат LC1C2.

Операция γ -коррекции ориентирована на устранение нелинейности цветовых характеристик мониторов (на основании учета профиля монитора). Для каждого из цветов R,G, B (C=R, C=G, C=B):

Пересчет полученных координат R ′, G ′ и B ′ в цветовую систему

LC1C2 (Luma - Chroma1 -Chroma2 от лат. Luma – свет и гр. Chroma -цвет):

Персчет из LC1C2 в целочисленную систему. При этом на яркостную составляющую отводится 8 бит, на первый цветовой канал 18бит, на второй цветовой канал – 28 бит:

Несимметричность цифровых каналов отражает статистические обработки экспериментов, проведенных фирмой Kodak, отражающих особенности восприятия цвета человеком. Обратный пересчет из пространства PhotoCD в модель RGB необходим при просмотре компакт-дисков фирмы Kodak и осуществляется также в три этапа:

1) восстановление вещественных значений цветовых координат;

2) переход в пространство R ′ G ′ B ′;

3) восстановление 8-битных цветовых каналов.

Следует отметить, что значения цветовых координат в системе R ′

G ′ B ′ изменяется от 0 до 346, что соответствует гораздо большему цветовому охвату, чем в стандартных моделях RGB и CMY/CMYK. Восстановление 8-битных цветовых каналов, используемых при описании цвета на устройствах отображения, осуществляется по следующим формулам:

Если характеристики монитора отличаются от требований стандарта CCIR 709, то пересчет в RGB -модель необходимо выполнить через какое-нибудь промежуточное пространство (например, CIE XYZ или CIEL*a*b*)

Достоинствами данной цветовой модели является больший цве-

товой охват и простота пересчета в другие цветовые пространства.

Недостатком то, что данная цветовая модель поддерживается только фирмой Kodak и является составной частью запатентованного формата Kodak Photo CD.

Конец 48 вопроса.
49. Художественные цветовые модели, или