Формирование цветного изображения

ИННОВАЦИОНАЯ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ
ПРОГРАММА
Екатеринбург 2007
Инновационная образовательная программа
ПРОГРАММИРОВАНИЕ
КОМПЬЮТЕРНОЙ
ГРАФИКИ
Автор курса лекций:
Папуловская Наталья Владимировна
Формирование
цветного изображения
Цветовые модели
Цели изучения
• Сформулировать основные понятия
цветопередачи
• Дать определение цветовой модели
• Определить разницу между моделями для
излучающих и поглощающих объектов
• Дать математическое описание моделей: RGB и
CMYK
• Рассмотреть историю возникновения моделей CIE
XYZ и CHL
• Дать математическое описание моделей: HSB и
HLS
Лекция 3. Формирование цветного изображения
Человеческое восприятие цвета
• Понятия света и цвета в компьютерной графике
являются основополагающими.
• Свет можно рассматривать как поток
электромагнитных волн.
• Цвет светового потока будет определяться длиной
волны.
• Электромагнитная волна характеризуется:
•
•
•
•
амплитудой A , (E  A2)
длиной волны , (350 – 780нм)
фазой
поляризацией.
А
Лекция 3. Формирование цветного изображения
Спектральная кривая
• Свет какой-то определённой длины волны
излучает только лазер.
• Обычно свет представляет собой непрерывный поток волн
с различными длинами волн и различными амплитудами.
• Такой свет можно характеризовать энергитической
спектральной кривой I().
Значение функции I()
представляет собой
мощностной вклад с длиной
волны  в общий волновой
поток.
Лекция 3. Формирование цветного изображения
Цветовосприятие
• Цвет имеет как психофизиологическую, так и
психофизическую природу.
• Человеческий глаз воспринимает (регистрирует)
световой поток с помощью чувствительных рецепторов.
• Сетчатка глаза человека содержит два принципиально
различных, типа фоторецепторов: палочки и колбочки.
Палочки обладают широкой спектральной
кривой чувствительности, поэтому они не
различают длин волн и работают в плохой
освещённости.
Колбочки характеризуются узкими
спектральными кривыми. Бывают трёх
типов: одни максимально чувствительны в
области длинных, другие - в области
средних, третьи - в области коротких волн
видимого диапазона.
Лекция 3. Формирование цветного изображения

Выдаваемое колбочкой значение является результатом
интегрирования спектральной функции с весовой
функцией чувствительности.
 R  I ( ) PR ( )d


G   I ( ) PG ( )d

 B   I ( ) PB ( )d
Каждый тип колбочек отвечает за восприятие трёх
цветов:
Короткие волны – синий цвет
Средние волны- жёлто-зелёный цвет
Длинные - красный
Каждой спектральной кривой ставится в соответствие
тройка чисел (R,G,B).
Это соответствие не является взаимно однозначным, т.е.
одному и тому же набору чисел соответствует бесконечное
множество различных спектральных кривых.
Лекция 3. Формирование цветного изображения
Светлота или яркость?
• Некоторые предметы мы видим потому, что они излучают
свет, а другие – потому что они его отражают.
• Когда предметы отражают свет, их цвет определяется цветом
падающего на них света и цветом, который эти объекты
отражают.
• Если осветить красную бумагу синим светом, бумага будет
выглядеть чёрной, потому что синий цвет, падающий на неё,
она не отражает.
• Светлота считается свойством несветящихся или
отражающих объектов и изменяется от черного до белого.
• Яркость является свойством самосветящихся или
излучающих объектов и изменяется от низкой до высокой.
Лекция 3. Формирование цветного изображения
Цветовые пространства
Цветовые пространства (модели описания цвета)
являются средствами количественного описания цвета
и различия между оттенками цвета.
•
Существует много различных моделей описания
цвета, но все они принадлежат к одному из трех
типов:
1. Психологические (основанные на восприятие цвета
человеком и связанные с особенностями его зрительной
системы);
2. Аддитивные (основанные на сложении излучений
отдельных зон спектра света и связанные с источниками
света);
3. Субтрактивные (основанные на вычитании отдельных зон
спектра света при отражении или пропускании света и
связанные окрашенными поверхностями и средами –
чернилами, красками, пигментами и красителями
Лекция 3. Формирование цветного изображения
Требования к модели
•
Независимо от того, что лежит в основе создания
модели, любая цветовая модель, ее пространство
цвета должны удовлетворять трем требованиям:
1.
Цвет в модели должен быть определен способом,
не зависящим от возможностей какого-то
конкретного устройства;
Модель должна точно и однозначно определять
гамму (диапазон, цветовой охват) задаваемых
цветов;
В модели должно учитываться, что эта гамма
определяется особенностями восприятия,
пропускания или отражения света.
2.
3.
Лекция 3. Формирование цветного изображения
Модель RGB
Цветовая модель RGB является «естественным языком»
цвета для электронных устройств ввода,
преобразования и воспроизведения изображения,
таких как сканеры, цифровые камеры и мониторы
компьютеров, в которых синтез цвета при создании
изображения основан на излучении или пропускании
света.
Лекция 3. Формирование цветного изображения
Треугольник Максвелла
Так как человеческий глаз содержит три типа колбочек, то
ощущение белого света можно получить, смешивая любые три
цвета, если ни один из них не является линейной комбинацией
двух других.
Такие три цвета называются основными.
Другие цвета отличные от трех базовых представляют собой
линейную выпуклую их оболочку наложением световых пятен
трех лучей
f   g fg   b fb   r fr
Функцию можно представить в виде двухмерного
симплекса (равностороннего треугольника ).
Он называется треугольником Максвелла,
названный в честь шотландского физика Джеймса
Клерка Максвелла (1831-1879), который
использовал его в своей основополагающей работе
по цвету.
Аддитивная модель
• Цветовая модель RGB называется аддитивной моделью
цвета, потому что цвета в ней генерируются суммированием
световых потоков.
• Таким образом, вторичные цвета всегда имеют большую
яркость, чем использованные для их получения основные
цвета RGB — красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue),
так как энергия отдельных зон спектра суммируется.
• В модели RGB сумма красного, зеленого и синего цветов
максимальной одинаковой интенсивности дает белый цвет.
• Сумма одинаковых значений красного, зеленого и синего
дает нейтральные оттенки серого цвета, причем малые
яркости основных цветов дают более темные серые тона
цвета, а большие — более светлые
Трёхмерная модель
Трёхмерная природа света позволяет отобразить значение
каждого из компонентов на оси ортогональной системы.
При этом получается трёхкомпонентное цветовое
пространство.
Любой цвет С можно представить как вектор с
составляющими R, G и B. Пересечение вектора С с
единичной плоскостью даёт относительные веса его
красной, зелёной и синего компонент.
Они называются значениями цветности.
r
r
r  g b
g
g
r  g b
r
r
r  g b
Модель CMYK
• Если вычесть один из основных цветов RGB из белого, то
получится цвет, дополнительный к красному, зеленому или
синему.
• Если вычесть красный, то зеленый и синий дадут голубой
цвет (Cyan);
• Если вычесть зеленый, то красный и синий дадут пурпур
(Maqenta),
• Если вычесть синий, то красный и зеленый дадут желтый
цвет (Yellow).
• Мы получили модель CMY, три из четырех компонентов
модели CMYK
Модель предназначена для отражающих поверхностей,
например типографских красок, плёнок и несветящихся
экранов
Субтрактивная модель
• В субтрактивной модели цвета при смешивании двух или
более базовых печатных красок дополнительные цвета
на оттиске получаются посредством поглощения одних
световых волн спектра белого света и отражения других.
• Так, голубая краска поглощает красный цвет и пропускают
(отражает) зеленый и синий;
• Пурпурная краска поглощает зеленый цвет и пропускает
(отражает) красный и синий;
• Желтая краска поглощает синий цвет и пропускает
(отражает) красный и зеленый.
• Световые потоки вычитаются, генерируя более
темные цвета (в максимуме — черный).
• Если учесть светонепроницаемость бумаги, которая скорее
отражает свет, чем пропускает его, то становится понятно,
почему такие яркие цвета в изображении на мониторе
становятся темными и тусклыми в отпечатанной
иллюстрации на полиграфическом оттиске.
Модели RGB и CMYK
• Являются дополнительными друг к другу,
 С  1  R 
 M   1  G 
    
 Y  1  B 
• Добавление четвёртого цвета искажает уравнение
преобразования RGB в CMYK , усложняя процесс достижения
цветового соответствия. Вот почему напечатанная картинка
никогда не получается такой как на экране.
• Черный цвет является ключевым цветом (К), который добавляют
к голубому, пурпурному и желтому для получения более четких,
глубоких черных тонов и оттенков. Отсюда и буква «К»
в аббревиатуре CMYK от английского слова «Key»
Лекция 3. Формирование цветного изображения
Аппаратная зависимость RGB и CMYK
• При преобразовании реального цвета из модели RGB
в модель CMYK следует учитывать, то , что цветовое
пространство является зависимым от индивидуальных
особенностей устройства, в котором оно воспроизведено
и в котором синтезируется цвет — RGB от монитора как
устройства и от материалов (люминофоров), создающий
цвет и CMYK от печатной машины, красок
и запечатываемого материала.
• Как каждый монитор и сканер воспроизводит цвет RGB посвоему, точно так каждый тип цветного принтера, станка
для печати пробных оттисков или печатной машины,
печатающей тираж издания, воспроизводит цвет, немного
отличающийся от других аналогичных устройств,
работающих в модели CMYK.
• Аппаратная зависимость для устройств, работающих
на основе моделей RGB и CMYK, отчасти объясняет и то,
почему калибровка и управление цветом столь важны для
профессионалов в области полиграфических технологий,
работающих с цветными изображениями.
Лекция 3. Формирование цветного изображения
Значение RGB для волн различной длины из видимой части
спектра могут быть и меньше нуля. Это означает, что не все цвета
могут быть представлены в RGB модели. Таким образом цветовые
мониторы не могут воспроизводить всех возможных цветов.
Это привело к необходимости введения другой цветовой модели,
которая описывала все цвета неотрицательными коэффициентами
Лекция 3. Формирование цветного изображения
CIE
• В 1931 г. Международная комиссия по освещению - CIE
(Commission Internationale de L`Eclairage) предложила
математически рассчитанное цветовое пространство XYZ, в
котором весь видимый человеческим глазом спектр лежал
внутри.
• В качестве базовых была выбрана система реальных цветов
(красного, зеленого и синего), а свободный пересчет одних
координат в другие позволял проводить различного рода
измерения.
• CIE XYZ построено на основе зрительных возможностей так
называемого “Стандартного Наблюдателя”, то есть
гипотетического зрителя, возможности которого были
тщательно изучены и зафиксированы в ходе проведенных
комитетом CIE длительных исследований человеческого
зрения.
CIE XYZ
RGB
CMY
x
x
Красные компоненты цвета вытянуты вдоль
оси Х координатной плоскости
(горизонтально),
Зеленые компоненты цвета вытянуты вдоль
оси Y (вертикально).
При таком способе представления каждому
цвету соответствует определенная точка на
координатной плоскости.
X
X Y  Z
X
X Y  Z
y
Y
X Y  Z
 X  I (  ) x (  ) d


 Y   I (  ) y (  ) d

 Z   I ( ) z ( )d
При изменении длины волны  вдоль видимого диапазона (x,y)
описывает кривую на плоскости. Если концы этой кривой
соединить отрезками, то внутри получившейся области будут
находиться все видимые цвета.
• Комитет CIE провел множество экспериментов с огромным
количеством людей, предлагая им сравнивать различные цвета,
а затем с помощью совокупных данных этих экспериментов
построил так называемые функции соответствия цветов (color
matching functions) и универсальное цветовое пространство
(universal color space), в котором был представлен диапазон
видимых цветов, характерный для среднестатистического
человека.
• Функции соответствия цветов — это значения каждой первичной
составляющей света, которые должны присутствовать, чтобы
человек со средним зрением мог воспринимать все цвета
видимого спектра
Модель CMYK
• Данная модель аппаратно независима, поддерживает
намного больше цветов, чем способны различать
современные устройства (сканеры, мониторы, принтеры)
Усовершенствованная XYZ
• Конечной целью комитета CIE была разработка системы
стандартов цветопередачи для производителей красок,
чернил, пигментов и других красителей.
• Самая важная функция этих стандартов — предоставить
универсальную схему, в рамках которой можно было бы
устанавливать соответствие цветов.
• Несбалансированная природа пространства XYZ, вызванная
тем, что человек различает разницу между оттенками
зелёного и жёлтого гораздо лучше, чем между оттенками
красного и пурпурного, сделала этот стандарт трудным для
четкой реализации.
• В результате CIE разработал более однородные цветовые
шкалы – CIE Lab и CIE Luv.
Лекция 3. Формирование цветного изображения
Модель CIE Lab
В этой модели любой цвет определяется
светлотой (Luminance) и двумя
хроматическими компонентами:
параметром а, который изменяется
в диапазоне от зеленого до красного,
и параметром в, изменяющимся
в диапазоне от синего до желтого.
Геометрический образ модели CIE Lab —
шар.
Лекция 3. Формирование цветного изображения
СIE Lab
Яркость
Насыщенность
Жёлтый
Зелёный
Красный
Синий
•
Координаты цвета обозначены буквами:
L (Lightness) - яркость цвета измеряется от 0 до 100%;
a - диапазон цвета по цветовому кругу от зеленого -120 до красного
значения +120;
b - диапазон цвета от синего -120 до желтого +120.
Модель CHL
• В настольно-издательских системах, в
частности, на стадии сканирования и
обработки изображения, принято работать
с цветовыми координатами LCH, которые
получаются из Lab следующим образом:
C (Chroma) = (a2+b2)1/2 - насыщенность
цвета;
H (Hue) = arctg(b/a) - цветовой тон;
L - координата яркости.
Лекция 3. Формирование цветного изображения
Модель HLS и HSB
HLS (Hue, Lightness, Space) - оттенок, яркость, насыщенность.
HSB (Hue, Space, Brightness) – оттенок, светлота, насыщенность.
Цветовые модели являются коническими.
Эти модели наиболее близки к восприятию цвета человеком.
Наиболее удобны для оптических и фотометрических расчетов:
оттенок является эквивалентом длины волны света,
яркость - количеству света,
насыщенность - характеризует его относительную интенсивность.
Уменьшая насыщенность, например, красного цвета мы делаем его более
блёклым и размытым. Яркость или освещенность цвета показывает величину
чёрного оттенка, добавленного к цвету, что делает его более тёмным.
Система HSB хорошо согласуется с моделью восприятия цвета человеком.
Вопросы по лекции










Инновационная
образовательная
программа
Какая характеристика определяет цвет светового потока?
Что характеризует энергетическая спектральная кривая?
В чём разница между светлотой и яркостью?
Что такое цветовая модель? Перечислите типы моделей.
Для каких устройств предназначена цветовая модель RGB и
почему?
Как получаются значения цветности в трёхмерной модели?
Какие поверхности описываются с помощью модели CMYK?
Расшифруйте аббревиатуру CMYK.
Опишите предпосылки создания модели CIE XYZ.
Какие характеристики света описывает модель CHL?
Чем отличаются модели HSB и HLS?
Лекция 3. Формирование
цветного изображения
Дополнительная литература



Инновационная
образовательная
программа
Порев В.Н. Компьютерная графика. СПб:БХВ–
Петербург, 2002. – 432с.:ил.
Джон Корриган. Компьютерная графика:
Секреты и решения: Пер. с англ. М.:Энтроп,
1995.–352 с.,ил.
Эйнджел Эдвард. Интерактивная компьютерная
графика. Вводный курс на базе OpenGL,
2изд.:Пер.с англ.М.: Издательский дом
«Вильямс», 2001. –592 с.
Лекция 3. Формирование
цветного изображения