Цвет природа цвета в компьютерной графике
Цвет — чрезвычайно сложная проблема как для физики, так и для физиологии, т. к. он имеет как психофизиологическую, так и физическую природу. Восприятие цвета зависит от физических свойств света, т. е. электромагнитной энергии, от его взаимодействия с физическими веществами, а также от их интерпретации зрительной системой человека. Другими словами, цвет предмета зависит не только от самого предмета, но также и от источника света, освещающего предмет, и от системы человеческого видения. Более того, одни предметы отражают свет (доска, бумага), а другие его пропускают (стекло, вода). Если поверхность, которая отражает только синий свет, освещается красным светом, она будет казаться черной. Аналогично, если источник зеленого света рассматривать через стекло, пропускающее только красный свет, он тоже покажется черным.
Самым простым является ахроматический цвет, т. е. такой, какой мы видим на экране черно-белого телевизора. При этом белыми выглядят объекты, ахроматически отражающие более 80% света белого источника, а черными — менее 3%. Промежуточные значения дают различные оттенки серого. Единственным атрибутом такого цвета является интенсивность или количество. С интенсивностью можно сопоставить скалярную величину, определяя черное как 0, а белое как 1. Тогда среднесерому цвету будет соответствовать значение 0.5.
Если воспринимаемый свет содержит длины волн в произвольных неравных количествах, то он называется хроматическим. При субъективном описании такого цвета обычно используют три величины: цветовой тон, насыщенность и светлота. Цветовой тон позволяет различать цвета, такие как красный, зеленый, желтый и т. д. Насыщенность характеризует чистоту, т. е. степень ослабления (разбавления) данного цвета белым светом, и позволяет отличать розовый цвет от красного, изумрудный от ярко-зеленого и т. д. Другими словами, по насыщенности судят о том, насколько мягким или резким кажется цвет. Светлота отражает представление об интенсивности, как о факторе, не зависящем от цветового тона и насыщенности.
Обычно встречаются не чистые монохроматические цвета, а их смеси. В основе трехкомпонентной теории света лежит предположение о том, что в центральной части сетчатки глаза находятся три типа чувствительных к цвету колбочек. Первый воспринимает зеленый цвет, второй — красный, а третий — синий цвет. Относительная чувствительность глаза максимальна для зеленого цвета и минимальна для синего. Если на все три типа колбочек воздействует одинаковый уровень энергетической яркости, то свет кажется белым. Ощущение белого цвета можно получить, смешивая любые три цвета, если ни один из них не является линейной комбинацией двух других. Такие цвета называют основными.
- Глаз реагирует на три различных стимула, что подтверждает трехмерность природы цвета. В качестве стимулов можно рассматривать, например, доминирующую длину волны (цветовой фон), чистоту (насыщенность) и яркость (светлоту) или красный, зеленый и синий цвета.
- Четыре цвета всегда линейно зависимы, т. е. сС = rR + gG + bВ, где с, r, g, b не равны 0. Следовательно, для смеси двух цветов имеет место равенство (cC)1 + (сС)2 = (rR)1 + (rR)2 + (gG)1 + (gG)2 + (bB)1 + (ЬВ)2. Если цвет C1 равен цвету С и цвет С2 равен цвету С, то цвет С1 равен цвету С2 не зависимо от структуры спектров энергии с, С1, С2.
- Если в смеси трех цветов один непрерывно изменяется, а другие остаются постоянными, то цвет смеси будет меняться непрерывно, т. е. трехмерное цветовое пространство непрерывно.
Субтрактивная система цветов CMY применяется для отражающих поверхностей, например, типографских красок, пленок и несветящихся экранов.
Аддитивная цветовая система RGB удобна для светящихся поверхностей, например, экранов ЭЛТ или цветовых ламп.
По материалам книги Ю. Тихомиров «Программирование трехмерной графики»
Источник
Цвет в компьютерной графике Природа цвета
Мы видим предметы потому, что они излучают или отражают свет.
Свет – это электромагнитное излучение. Понятие цвета формируется человеческим мозгом. Цвет характеризует действие излучения на глаз человека. Лучи света, попадая на сетчатку глаза, производят ощущение цвета.
Излучаемый свет — это свет, выходящий из источника, например, Солнца, лампочки или экрана монитора.
Отраженный свет — это свет, «отскочивший» от поверхности объекта. Именно его мы видим, когда смотрим на какой-либо предмет, не являющийся источником света.
Излучаемый свет, идущий непосредственно от источника к глазу, сохраняет в себе все цвета, из которых он создан. Но этот свет может измениться при отражении от объекта (рис.1). (Например, поверхность может быть диффузной).
Рис. 1. Излучение, отражение и поглощение света
При использовании цвета в компьютерной графике, необходимо учитывать физическую природу цвета и физиологические основы его восприятия.
Зрительная система человека воспринимает цвет посредством чувствительных рецепторов, расположенных на глазном дне – колбочек и палочек.
Колбочки – это фоторецепторы сетчатки глаза человека, обеспечивают дневное цветовое зрение. Обладают высокой скоростью реакции, но малой световой чувствительностью. Колбочки человека имеют три вида, каждый из которых воспринимает цветовую энергию в одном из диапазонов – красном, зеленом или синем.
Палочки — это фоторецепторы сетчатки глаза, отвечающие за сумеречное зрение. Палочки реагируют на интенсивность света. Палочки на периферии сетчатки численно преобладают над колбочками, в то время, как на остальных участках численно преобладают колбочки. Поэтому глаз человека ориентирован на дневное зрение.
Кстати. Каждый из трёх видов колбочек имеет свой тип цветочувствительного пигмента белкового происхождения. Один тип пигмента чувствителен к красному цвету с максимумом 552—557 нм, другой — к зелёному (максимум около 530 нм), третий — к синему (426 нм). Люди с нормальным цветным зрением имеют в колбочках все три пигмента (красный, зелёный и синий) в необходимом количестве. Их называют трихроматами. Проблемы с цветовосприятием появляются например тогда, когда один или более из пигментов полностью отсутствуют. Дихроматы – люди, у которых отсутствует или является нерабочим один их трех типов колбочек. Пронатопы не отличают красный цвет, Дейтеранопы не отличают зеленый цвет, Тританопы не отличают синий цвет. Очень редко встречаются случаи полного отсутствия цветового црения.
Восприятие световой энергии зрительной системой человека описывается функцией спектральной чувствительности глаза (рис. 2). По оси ординат откладывается относительная спектральная чувствительности глаза.
Из представленного рисунка видно, что при дневном свете чувствительность глаза максимальна при длине волны порядка 550 нм, а на краях видимого диапазона спектра она резко падает. Глаз человека воспринимает длины волн в диапазоне 400 — 500 нм., как синий цвет, в диапазоне 500 — 600 нм., как зеленый цвет и в диапазоне 600 — 700 нм., как красный цвет. В компьютерной графике эти цвета называются тремя первичными цветами. Для их обозначения используется аббревиатура RGB. Наименьшее воздействие на зрительную систему оказывает синий цвет, а наибольшее приходится на желто-зеленую область (редактор языка программирования C или Паскаль не зря имеет специфическое цветовое оформление).
Цвет формируется источником света и отражающей поверхностью. Источник света может быть цветным или ахроматическим. Ахроматический источник света содержит все видимые длины волн в равном количестве, и его цвет видим как белый, серый или черный. Белыми выглядят объекты, ахроматически отражающие более 80% света белого источника, а черными — менее 3%. Промежуточные значения дают различные оттенки серого. Если воспринимаемый свет содержит длины волн в произвольных неравных количествах, то он называется хроматическим.
Так как цвет может получиться в процессе излучения и в процессе отражения, то существуют два противоположных метода его описания: системы аддитивных (RGB – red, green, blue) и субтрактивных (CMY – cyan, magenta, yellow) цветов.
Источник
9. Понятие цвета в компьютерной графике.
Цвет чрезвычайно важен в компьютерной графике как средство усиления зрительного впечатления и повышения информационной насыщенности изображения. Это один из факторов нашего восприятия светового излучения. Ощущение цвета формируется человеческим мозгом в результате анализа светового потока, попадающего на сетчатку глаза от излучающих или отражающих объектов. Считается, что цветовые рецепторы глаза (колбочки) подразделяются на три группы, каждая из которых воспринимает только единственный цвет — красный, зеленый или синий. Нарушения в работе любой из групп приводит к явлению дальтонизма – искаженного восприятия цвета.
Светом и цветом исследователи интересовались давно. Одним из первых достижений в этой области являются опыты Исаака Ньютона в 1666 году по разложению белого света на составляющие. Ранее считалось, что белый цвет – простейший. Ньютон опроверг это и доказал, что белый цвет – это смесь разных цветов, плавно переходящих друг в друга и образующих спектр или радугу (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый).
Последующие исследования в области света и цвета выполняли Томас Юнг, Джеймс Максвелл и другие ученые. В настоящее время физики полагают, что свет имеет двойственный характер. С одной стороны, свет представляется в виде потока частиц, а с другой – ему присущи волновые свойства. С помощью волновой теории, выдвинутой Христианом Гюйгенсом еще в 1678 году, были объяснены многие свойства света, в частности, законы отражения и преломления.
Как показал Ньютон, белый цвет можно представить смесью всех цветов радуги. Другими словами, спектр белого является бесконечным, сплошным – в нем присутствуют излучения всех длин волн видимого диапазона.
Для характеристики цвета используются следующие атрибуты.
- Цветовой тон. Его можно определить преобладающей длиной волны в спектре излучения. Цветовой тон позволяет отличать один цвет от другого (например, зеленый от красного, желтого и других).
- Яркость. Определяется энергией, интенсивностью светового излучения. Выражает количество воспринимаемого света.
- Насыщенностьили чистота тона. Выражается долей присутствия белого цвета. В идеально чистом цвете примесь белого отсутствует.
Указанные три атрибута позволяют описать все цвета и оттенки. То, что атрибутов именно три, является одним из проявлений трехмерных свойств цвета. Наука, которая изучает цвет и его измерения, называется колориметрией. Она описывает общие закономерности цветового восприятия света человеком. Одними из основных законов колориметрии являются законы смешения цветов, которые были сформулированы в 1853 году немецким математиком Германом Гроссманом.
Первый закон Грассмана (закон трехмерности). Любой цвет однозначно выражается тремя составляющими, если они линейно независимы. Линейная независимость заключается в невозможности получить любой из этих трех цветов сложением двух остальных.
Второй закон Грассмана (закон непрерывности). При непрерывном изменении излучения цвет смеси также меняется непрерывно. Не существует такого цвета, к которому нельзя было бы подобрать бесконечно близкий.
Третий закон Грассмана (закон аддитивности). Цвет смеси излучений зависит только от их цвета, но не спектрального состава. То есть цвет смеси выражается суммой цветовых уравнений излучений.
Из законов Гроссмана следует, что цвет можно выразить точкой в трехмерном пространстве. Для обеспечения одинакового воспроизведения одного и того же цвета различными видеосистемами необходимо однозначное определение цветовых координат. Эта задача, в частности, решается за счет выбора цветовых моделей, осуществляющих манипуляции с цветом.
Цветовые модели нужны для математического описания спектра цветов доступного человеческому глазу на экране монитора, сканирующих и печатающих устройств. Цвета представляются моделью как результат смешения нескольких составляющих – базовых цветов. Каждый базовый цвет имеет свой диапазон интенсивности. При сложении всех базовых цветов с различной интенсивностью образуются цвета, доступные для данной модели. Цветовые диапазоны моделей могут различаться. Ни одна из существующих моделей не может представить все цвета доступные глазу, каждая из них лишь служит определённым целям.
Любая цветовая модель должна удовлетворять следующим требованиям:
– реализовывать определенные цвета стандартным способом, не зависящим от возможностей конкретного видеоустройства;
– точно задавать диапазон цветов поскольку ни одно множество цветов не является бесконечным;
– учитывать механизм восприятия цветов.
Практически все модели реализованы на использовании трех цветов (красный, зеленый, синий). Из этого следует, что каждый основной цвет имеет свое числовое описание, все остальные цвета результат цифровой генерации основных. Все цветовые модели различны по типу и у каждого есть своя сфера применения. Далее, все модели делятся на группы по их принципу работы. Так аддитивный класс использует результат сложения цветов, субтрактивный класс противоположен первому и воплощается через вычитание цветов, перцепционный класс основываются на восприятии цвета человеком.
Источник