Страница:
• Автоматическое построение векторной модели изображения представляет собой очень сложную задачу. Программы трассировки позволяют преобразовать пиксельное изображение в векторное представление, но они не могут автоматически структурировать получившуюся совокупность векторных объектов, из-за чего утрачивается основное достоинство векторной информационной модели. Поэтому большая часть векторных информационных моделей составляется пользователями вручную (см. разд. 2.9.4–2.9.6).
• Техника работы с этой моделью плохо приспособлена для создания фотореалистичных изображений. Векторные изображения, как правило, слишком резкие, плоскостные, "мультяшные". Чтобы добиться реалистичности векторного изображения, необходима сложная информационная модель и большой опыт работы с графическим редактором.
1.2.4. Пиксельная информационная модель
Список новых терминов
Контрольные вопросы
Темы для обсуждения
1.3. Информационные модели цвета
1.3.1. Природа цвета и физиологические основы его восприятия
Функции цвета в изображении
Свет
Спектральное распределение
1.3.2. Излученный и отраженный свет
• Техника работы с этой моделью плохо приспособлена для создания фотореалистичных изображений. Векторные изображения, как правило, слишком резкие, плоскостные, "мультяшные". Чтобы добиться реалистичности векторного изображения, необходима сложная информационная модель и большой опыт работы с графическим редактором.
1.2.4. Пиксельная информационная модель
В этом разделе рассматриваются устройство и основные свойства базовой информационной модели пиксельного изображения, на основе которой разработаны все форматы пиксельных графических документов.
Исходное изображение до преобразования его в пиксельную информационную модель может быть представлено в виде плоского отпечатка, объемной сцены реального или виртуального мира, ранее построенной векторной или пиксельной информационной модели. Для формирования пиксельной информационной модели изображения выполняется его растрирование.
Как в случае с векторной моделью, предельно упростим ситуацию. В простейшем варианте пиксельная модель описывает изображения, в которых присутствуют только два цвета – штриховые (см. разд. 1.1.3). Дескриптор пиксела штриховой модели может принимать только два значения, которые обозначают единицей (цвет штриха) или нулем (цвет фона). На рис. 1.2.6 показаны этапы построения информационной модели штрихового изображения.
Рис. 1.2.6. Построение пиксельной информационной модели изображения: а – тесселяция изображения; б – усреднение цветовых характеристик пикселов; в – массив дескрипторов штрихового пиксельного изображения
По рис. 1.2.6 можно сделать несколько выводов о природе пиксельной информационной модели изображения.
• При построении пиксельной информационной модели изображения в процессе усреднения цветовых характеристик пикселов неизбежно утрачивается часть визуальной информации – мелкие детали (например, бесследно исчез знак "минус", изображавший рот человечка). Это происходит при любой величине пикселов, – их размер влияет только на количество утрачиваемой информации.
• Размер пиксельной информационной модели изображения не зависит от его сложности, а определяется только его размерами, числом пикселов в растре и размером дескриптора пиксела (который определяется выбором модели цвета).
Вопросы, связанные с выбором оптимальных параметров растра, позволяющих минимизировать утрату визуальной информации, рассматриваются подробнее в разд. 3.1.1–3.1.6. Цветовые модели и их влияние на размер пиксельной информационной модели описаны в главе 1.3. Здесь ограничимся перечислением основных достоинств и недостатков пиксельной информационной модели. Начнем с достоинств.
• Процедура построения пиксельной информационной модели легко автоматизируется. Сканирование позволяет строить пиксельную информационную модель плоского отпечатка, фотографирование цифровой камерой – реальной сцены или объекта, трехмерное моделирование с последующим рендерингом – сцены или объекта виртуального мира.
• Однородная структура данных пиксельной модели позволяет редактировать изображение на любом уровне глобальности. Одним и тем же способом можно, например, изменить цветовую характеристику как всего изображения, так и единственного пиксела. Это позволяет выполнять очень тонкую корректировку изображений.
• При малых размерах пикселов изображение может быть очень реалистичным, передавая все мелкие детали и цветовые нюансы.
• Алгоритм рендеринга базовой пиксельной информационной модели достаточно прост и не требует большой вычислительной мощности и продолжительного времени. Вывод контрольного изображения на экран и на печать осуществляется сравнительно быстро.
Впрочем, пиксельная информационная модель имеет и существенные недостатки.
• Число пикселов в растре жестко фиксируется в момент построения модели. При необходимости увеличить размеры изображения приходится либо менять размеры пикселов, либо повторять процедуру построения растра – выполнять повторное растрирование. В главе 3.1 показано, что и то, и другое приводит к нежелательным последствиям, выражающимся в резком снижении качества изображения и появлении артефактов. На рис. 1.2.7 показан пример увеличения размеров пиксельного изображения: отчетливо видны зазубривание кромок и появление вдоль них размытой зоны.
Рис. 1.2.7. Увеличение размера изображения при работе с пиксельной информационной моделью
• При необходимости уменьшить размеры изображения при сохранении параметров растра (числа пикселов) устройство печати не сможет воспроизвести пикселы слишком малого размера, и часть визуальной информации утрачивается в процессе рендеринга. При сохранении размеров пикселов приходится выполнять повторное растрирование, что приводит к тем же результатам.
• Базовая пиксельная модель слабо структурирована. В отличие от векторной модели, в ней невозможно связать структурные части модели со структурными компонентами изображаемых объектов или сцен. Это приводит к значительным затруднениям при выделении таких компонентов для последующего редактирования. Из-за этого при работе с пиксельным графическим редактором много времени уходит на выполнение вспомогательных операций выделения части изображения.
• Если графический проект требует отпечатков крупного размера и большой четкости при высокой точности воспроизведения цвета, пиксельная информационная модель становится слишком громоздкой. Время обработки такой модели резко возрастает, и с ней приходится работать по частям.
Исходное изображение до преобразования его в пиксельную информационную модель может быть представлено в виде плоского отпечатка, объемной сцены реального или виртуального мира, ранее построенной векторной или пиксельной информационной модели. Для формирования пиксельной информационной модели изображения выполняется его растрирование.
ПримечаниеЗатем в пределах каждого из элементов растра выполняется усреднение цветовой характеристики. Если вся площадь элемента окрашена одним цветом, цветовая характеристика остается неизменной. Если в пределах элемента имеются области различных цветов, выводится усредненное значение в соответствии с алгоритмом усреднения. После выполнения усреднения элемент растра становится пикселом – элементарным объектом пиксельного изображения. Итак, пиксел (в некоторых публикациях пиксель) – это элемент растра изображения с усредненной цветовой характеристикой. Совокупность всех пикселов, составляющих изображение, также называется растром.
Растрированием называется разбиение плоскости на одинаковые по форме выпуклые области, прилегающие друг к другу без зазоров – элементы растра. Простейшие варианты растрирования выполняются с помощью квадратных, прямоугольных и правильных шестиугольных элементов. Растрирование представляет собой частный случай тесселяции – процедуры, при которой на форму получающихся элементов не накладывается требование выпуклости. Растрирование в компьютерной графике может выполняться аппаратно (при сканировании или съемке) и программно (в процессе рендеринга).
Примечание
В принципе, элементы тесселяции могут быть весьма причудливой формы, но на практике в информационной модели пиксельного изображения встречаются только растры с прямоугольными (чаще всего – квадратными) элементами.
ПримечаниеВ базовом варианте область данных пиксельной информационной модели изображения состоит из последовательности дескрипторов, каждый из которых описывает один пиксел изображения. Координаты пиксела не указываются в дескрипторе, поскольку его место в растре можно однозначно определить по порядковому номеру дескриптора и размеру растра. Следовательно, в дескрипторе достаточно указать только характеристику цвета. Способ представления характеристики цвета в дескрипторе зависит от выбранной цветовой модели.
К сожалению, в литературе по компьютерной графике широко распространен другой термин для обозначения пиксельной информационной модели – точечная информационная модель. Его следует считать неточным и устаревшим; в главе 3.1 показано, что пиксел и точка – термины, обозначающие различные объекты.
Как в случае с векторной моделью, предельно упростим ситуацию. В простейшем варианте пиксельная модель описывает изображения, в которых присутствуют только два цвета – штриховые (см. разд. 1.1.3). Дескриптор пиксела штриховой модели может принимать только два значения, которые обозначают единицей (цвет штриха) или нулем (цвет фона). На рис. 1.2.6 показаны этапы построения информационной модели штрихового изображения.
По рис. 1.2.6 можно сделать несколько выводов о природе пиксельной информационной модели изображения.
• При построении пиксельной информационной модели изображения в процессе усреднения цветовых характеристик пикселов неизбежно утрачивается часть визуальной информации – мелкие детали (например, бесследно исчез знак "минус", изображавший рот человечка). Это происходит при любой величине пикселов, – их размер влияет только на количество утрачиваемой информации.
• Размер пиксельной информационной модели изображения не зависит от его сложности, а определяется только его размерами, числом пикселов в растре и размером дескриптора пиксела (который определяется выбором модели цвета).
Вопросы, связанные с выбором оптимальных параметров растра, позволяющих минимизировать утрату визуальной информации, рассматриваются подробнее в разд. 3.1.1–3.1.6. Цветовые модели и их влияние на размер пиксельной информационной модели описаны в главе 1.3. Здесь ограничимся перечислением основных достоинств и недостатков пиксельной информационной модели. Начнем с достоинств.
• Процедура построения пиксельной информационной модели легко автоматизируется. Сканирование позволяет строить пиксельную информационную модель плоского отпечатка, фотографирование цифровой камерой – реальной сцены или объекта, трехмерное моделирование с последующим рендерингом – сцены или объекта виртуального мира.
• Однородная структура данных пиксельной модели позволяет редактировать изображение на любом уровне глобальности. Одним и тем же способом можно, например, изменить цветовую характеристику как всего изображения, так и единственного пиксела. Это позволяет выполнять очень тонкую корректировку изображений.
• При малых размерах пикселов изображение может быть очень реалистичным, передавая все мелкие детали и цветовые нюансы.
• Алгоритм рендеринга базовой пиксельной информационной модели достаточно прост и не требует большой вычислительной мощности и продолжительного времени. Вывод контрольного изображения на экран и на печать осуществляется сравнительно быстро.
Впрочем, пиксельная информационная модель имеет и существенные недостатки.
• Число пикселов в растре жестко фиксируется в момент построения модели. При необходимости увеличить размеры изображения приходится либо менять размеры пикселов, либо повторять процедуру построения растра – выполнять повторное растрирование. В главе 3.1 показано, что и то, и другое приводит к нежелательным последствиям, выражающимся в резком снижении качества изображения и появлении артефактов. На рис. 1.2.7 показан пример увеличения размеров пиксельного изображения: отчетливо видны зазубривание кромок и появление вдоль них размытой зоны.
• При необходимости уменьшить размеры изображения при сохранении параметров растра (числа пикселов) устройство печати не сможет воспроизвести пикселы слишком малого размера, и часть визуальной информации утрачивается в процессе рендеринга. При сохранении размеров пикселов приходится выполнять повторное растрирование, что приводит к тем же результатам.
• Базовая пиксельная модель слабо структурирована. В отличие от векторной модели, в ней невозможно связать структурные части модели со структурными компонентами изображаемых объектов или сцен. Это приводит к значительным затруднениям при выделении таких компонентов для последующего редактирования. Из-за этого при работе с пиксельным графическим редактором много времени уходит на выполнение вспомогательных операций выделения части изображения.
• Если графический проект требует отпечатков крупного размера и большой четкости при высокой точности воспроизведения цвета, пиксельная информационная модель становится слишком громоздкой. Время обработки такой модели резко возрастает, и с ней приходится работать по частям.
Список новых терминов
• Артефакт
• Графический документ
• Графический проект
• Дескриптор
• Импорт
• Интерфейс пользователя
• Информационная модель изображения
• Метод информационной модели
• Пиксел
• Растр
• Растрирование
• Рендеринг
• Сканирование
• Сохранение
• Тесселяция
• Формат графического файла
• Экспорт
• Графический документ
• Графический проект
• Дескриптор
• Импорт
• Интерфейс пользователя
• Информационная модель изображения
• Метод информационной модели
• Пиксел
• Растр
• Растрирование
• Рендеринг
• Сканирование
• Сохранение
• Тесселяция
• Формат графического файла
• Экспорт
Контрольные вопросы
1. Чем определяются структура и размер дескриптора информационной модели изображения?
2. Какие роли играют данные и методы информационной модели изображения?
3. Каким образом реализуются методы информационной модели изображения?
4. В каком соотношении находятся информационные модели изображения и графического документа?
5. Чем обусловлено совместное существование нескольких форматов графических файлов?
6. Каковы основные этапы графического проекта?
7. Какова роль информационной модели изображения в работе над графическим проектом?
8. Что понимается под "пустой" информационной моделью для векторного и пиксельного изображений?
9. Для чего и на каких этапах в графических проектах используется клипарт?
10. Почему при работе над графическим проектом сканер и фотокамеру можно считать однотипными устройствами?
11. Какие операции могут выполняться над информационной моделью в процессе редактирования?
12. Какова роль графического редактора в работе над графическим проектом?
13. Из чего состоит графический интерфейс пользователя?
14. Почему пользовательские интерфейсы различных графических редакторов, предназначенных для работы с одной и той же информационной моделью изображения, отличаются друг от друга?
15. Для чего необходимо контрольное изображение?
16. Какова роль процедуры рендеринга?
17. Почему в процессе построения контрольного изображения рендеринг выполняется упрощенно?
18. Из-за чего контрольное изображение, построенное по информационной модели, не может быть точной копией отпечатка, полученного по той же модели?
19. Что происходит в процессе сохранения информационной модели изображения?
20. Каково назначение процедур импорта и экспорта?
21. Чему соответствуют в изображении дескрипторы векторной информационной модели изображения?
22. Почему структура дескрипторов векторной информационной модели изображения меняется от объекта к объекту?
23. Что представляют собой составные графические объекты векторной информационной модели изображения?
24. С какой целью графическим объектам векторной информационной модели изображения даются уникальные имена?
25. Что происходит при рендеринге векторной информационной модели изображения?
26. Почему выделение части изображения при работе с векторной информационной моделью выполняется проще, чем с пиксельной?
27. Вследствие каких операций в составе информационной модели изображения появляются артефакты и визуальный шум?
28. От чего зависит объем векторной информационной модели изображения?
29. По каким причинам интерфейсы пользователя графических редакторов для работы с векторными изображениями различаются сильнее, чем аналогичные интерфейсы редакторов для работы с пиксельными изображениями?
30. Какова основная причина, осложняющая автоматическую трассировку пиксельных изображений?
31. Каково содержание процедуры растрирования изображения?
32. Чем пиксел отличается от элемента растра изображения?
33. Каким образом выполняется растрирование изображения при построении пиксельной информационной модели? Что служит источником изображения?
34. Что такое "усреднение цветовой характеристики"?
35. Почему в дескрипторе пиксельной информационной модели нет необходимости указывать координаты соответствующего ему пиксела?
36. Почему в процессе построения пиксельной информационной модели и ее повторного растрирования неизбежно утрачивается часть визуальной информации?
37. Почему сложность изображения не оказывает влияния на размер соответствующей ему пиксельной информационной модели?
38. При каких условиях пиксельное изображение может быть реалистичным?
39. Почему масштабирование пиксельного изображения приводит к его искажениям?
40. Из-за чего значительная часть времени при работе с пиксельным графическим редактором уходит на выполнение вспомогательных операций выделения части изображения?
2. Какие роли играют данные и методы информационной модели изображения?
3. Каким образом реализуются методы информационной модели изображения?
4. В каком соотношении находятся информационные модели изображения и графического документа?
5. Чем обусловлено совместное существование нескольких форматов графических файлов?
6. Каковы основные этапы графического проекта?
7. Какова роль информационной модели изображения в работе над графическим проектом?
8. Что понимается под "пустой" информационной моделью для векторного и пиксельного изображений?
9. Для чего и на каких этапах в графических проектах используется клипарт?
10. Почему при работе над графическим проектом сканер и фотокамеру можно считать однотипными устройствами?
11. Какие операции могут выполняться над информационной моделью в процессе редактирования?
12. Какова роль графического редактора в работе над графическим проектом?
13. Из чего состоит графический интерфейс пользователя?
14. Почему пользовательские интерфейсы различных графических редакторов, предназначенных для работы с одной и той же информационной моделью изображения, отличаются друг от друга?
15. Для чего необходимо контрольное изображение?
16. Какова роль процедуры рендеринга?
17. Почему в процессе построения контрольного изображения рендеринг выполняется упрощенно?
18. Из-за чего контрольное изображение, построенное по информационной модели, не может быть точной копией отпечатка, полученного по той же модели?
19. Что происходит в процессе сохранения информационной модели изображения?
20. Каково назначение процедур импорта и экспорта?
21. Чему соответствуют в изображении дескрипторы векторной информационной модели изображения?
22. Почему структура дескрипторов векторной информационной модели изображения меняется от объекта к объекту?
23. Что представляют собой составные графические объекты векторной информационной модели изображения?
24. С какой целью графическим объектам векторной информационной модели изображения даются уникальные имена?
25. Что происходит при рендеринге векторной информационной модели изображения?
26. Почему выделение части изображения при работе с векторной информационной моделью выполняется проще, чем с пиксельной?
27. Вследствие каких операций в составе информационной модели изображения появляются артефакты и визуальный шум?
28. От чего зависит объем векторной информационной модели изображения?
29. По каким причинам интерфейсы пользователя графических редакторов для работы с векторными изображениями различаются сильнее, чем аналогичные интерфейсы редакторов для работы с пиксельными изображениями?
30. Какова основная причина, осложняющая автоматическую трассировку пиксельных изображений?
31. Каково содержание процедуры растрирования изображения?
32. Чем пиксел отличается от элемента растра изображения?
33. Каким образом выполняется растрирование изображения при построении пиксельной информационной модели? Что служит источником изображения?
34. Что такое "усреднение цветовой характеристики"?
35. Почему в дескрипторе пиксельной информационной модели нет необходимости указывать координаты соответствующего ему пиксела?
36. Почему в процессе построения пиксельной информационной модели и ее повторного растрирования неизбежно утрачивается часть визуальной информации?
37. Почему сложность изображения не оказывает влияния на размер соответствующей ему пиксельной информационной модели?
38. При каких условиях пиксельное изображение может быть реалистичным?
39. Почему масштабирование пиксельного изображения приводит к его искажениям?
40. Из-за чего значительная часть времени при работе с пиксельным графическим редактором уходит на выполнение вспомогательных операций выделения части изображения?
Темы для обсуждения
1. Задачи дизайна, в которых целесообразно преимущественное применение векторной информационной модели изображения.
2. Задачи дизайна, в которых целесообразно преимущественное применение пиксельной информационной модели изображения.
3. Автоматическое построение информационной модели изображения в художественном творчестве – "за" и "против".
4. Приемы работы над графическим проектом, позволяющие избежать масштабирования пиксельных изображений.
5. Какие дополнительные элементы следует ввести в пиксельный графический документ, чтобы скомпенсировать основные недостатки пиксельной модели изображения?
6. Какие дополнительные элементы следует ввести в векторный графический документ, чтобы скомпенсировать основные недостатки векторной модели изображения?
7. Графические проекты, в которых целесообразно совместное применение пиксельной и векторной моделей изображения.
8. Прикладные области компьютерной графики, в которых целесообразно применение той или иной информационной модели изображения.
2. Задачи дизайна, в которых целесообразно преимущественное применение пиксельной информационной модели изображения.
3. Автоматическое построение информационной модели изображения в художественном творчестве – "за" и "против".
4. Приемы работы над графическим проектом, позволяющие избежать масштабирования пиксельных изображений.
5. Какие дополнительные элементы следует ввести в пиксельный графический документ, чтобы скомпенсировать основные недостатки пиксельной модели изображения?
6. Какие дополнительные элементы следует ввести в векторный графический документ, чтобы скомпенсировать основные недостатки векторной модели изображения?
7. Графические проекты, в которых целесообразно совместное применение пиксельной и векторной моделей изображения.
8. Прикладные области компьютерной графики, в которых целесообразно применение той или иной информационной модели изображения.
1.3. Информационные модели цвета
В этой главе кратко рассматриваются феномен цвета, механизмы его образования и восприятия, а также устройство информационных моделей цвета, использующихся в компьютерной графике. Поскольку большинство вопросов, связанных с применением цвета в дизайнерских проектах и психологией его восприятия зрителем, рассматриваются в курсах цветоведения и основ визуальной коммуникации, здесь они практически не затрагиваются. Заключительные разделы главы посвящены вопросам, относящимся к точности воспроизведения цвета в компьютерной графике.
1.3.1. Природа цвета и физиологические основы его восприятия
Термин «цвет», являясь весьма привычным, при пристальном рассмотрении оказывается связанным с очень сложными понятиями физики, физиологии и психологии, и дать его точное определение достаточно трудно. Для целей, преследуемых в компьютерной графике, цвет можно определить как характеристику визуального образа, возникающего в результате взаимодействия источника (источников) света, рассматриваемого объекта и наблюдателя.
Примечание
Отметим, что рассматриваемый объект может совпадать с источником света (например, экран монитора), а в качестве наблюдателя может выступать не только человек, но и прибор (например, колориметр, применяемый в процессе калибровки монитора). Тем не менее можно считать, что в отсутствие источника света, объекта или наблюдателя говорить о цвете не имеет смысла.
Функции цвета в изображении
Как составная часть изображения, цвет играет две важные роли. Во-первых, в информационной модели изображения цвет, представленный с помощью цветовых моделей, несет информацию об изображенных предметах. Во-вторых, в процессе визуального восприятия изображения цвет воздействует на ассоциативную память зрителя и вызывает у него определенные эмоции, слабо связанные с самим изображением, но сильно влияющие на процесс его восприятия. Представим себе монохромную фотографию колибри. Рассматривая ее, можно получить представление о форме этой птицы, но о том, как она в действительности выглядит, такое изображение судить не позволяет, поскольку в нем отсутствует информация о цвете. На монохромных изображениях разные предметы можно принять за одинаковые – это пример информационной функции цвета.
Цвет стен комнаты, в которой находится наблюдатель, влияет на его настроение и ощущения. Жарким летом в комнате с голубыми стенами кажется прохладнее, чем в соседнем помещении с красными стенами – это пример эмоциональной функции цвета.
Даже оставляя в стороне психологию восприятия цвета, можно утверждать, что цветоощущение – сугубо субъективный процесс. Характеристики видимого цвета сильно зависят от индивидуальных качеств наблюдателя. Даже у людей, у которых врачи не находят отклонений от нормального зрения, границы цветовых диапазонов заметно различаются. Если попросить несколько человек воспроизвести с помощью комплекта акварельных красок один и тот же образец цвета, полученные результаты всегда будут разными.
Цвет стен комнаты, в которой находится наблюдатель, влияет на его настроение и ощущения. Жарким летом в комнате с голубыми стенами кажется прохладнее, чем в соседнем помещении с красными стенами – это пример эмоциональной функции цвета.
Даже оставляя в стороне психологию восприятия цвета, можно утверждать, что цветоощущение – сугубо субъективный процесс. Характеристики видимого цвета сильно зависят от индивидуальных качеств наблюдателя. Даже у людей, у которых врачи не находят отклонений от нормального зрения, границы цветовых диапазонов заметно различаются. Если попросить несколько человек воспроизвести с помощью комплекта акварельных красок один и тот же образец цвета, полученные результаты всегда будут разными.
Свет
Свет представляет собой электромагнитные колебания высокой частоты, которые занимают лишь небольшую часть полного диапазона частот электромагнитных колебаний и физиологически воспринимаются зрением – одним из органов чувств человека. Длины волн видимой части спектра электромагнитных колебаний лежат в диапазоне примерно от 700 до 400 нм.
Экспериментально доказано, что фиксация колбочками присутствия равномерной смеси волн сразу всех длин видимого спектра воспринимается мозгом как белый свет. Отсутствие волн из всех частей видимого спектра будет интерпретировано как черный цвет (отсутствие света).
Поскольку свет с различными длинами волн неодинаково преломляется прозрачной средой, то при пропускании белого света (равномерной смеси волн видимого спектра) через призму он разделяется на световые потоки, соответствующие различным цветам (длинам волн), как показано на рис. 1.3.1.
Рис. 1.3.1. Разложение белого света на световые потоки с различными длинами волн
Этот эксперимент, впервые выполненный Исааком Ньютоном, наглядно показал, что световые волны с различной длиной интерпретируются системой «глаз – мозг» как разные цвета. В видимой области спектра электромагнитных колебаний условно принято выделять следующие диапазоны: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. У этих диапазонов нет четких границ, цвета плавно переходят один в другой.
Таким образом, когда колбочки фиксируют наличие световых волн длиной примерно 700 нм, мозг реагирует на это как на красный цвет. Если длина волны находится в диапазоне 450–500 нм, – виден голубой, а длина волны 400 нм соответствует фиолетовому. Это явление лежит в основе цветоощущения в целом.
Однако описанная ситуация встречается крайне редко. Дело в том, что со световыми потоками, состоящими из волн только одной длины, как и со световыми потоками, энергия которых равномерно распределена по волнам всех возможных длин, на практике почти не приходится иметь дела.
ПримечаниеВ сетчатке глаза имеются светочувствительные клетки двух видов – палочки и колбочки. При попадании на них света в этих клетках начинаются химические реакции, в которых разлагаются светочувствительные пигменты (родопсин в палочках и йодопсин в колбочках). Изменение химического баланса вызывает появление импульсов в зрительном нерве, кодирующих информацию об интенсивности падающего света (его энергии). Когда эта информация поступает в мозг, она интерпретируется как яркость и цвет. Какой цвет получится в результате интерпретации, зависит от спектрального состава света, попавшего на сетчатку.
Нанометр (нм) представляет собой одну миллионную часть миллиметра. Электромагнитные колебания с длинами волн > 700 нм называются инфракрасными, а < 400 нм – ультрафиолетовыми.
ПримечаниеПалочки реагируют примерно одинаково на все частоты видимого света. Их чувствительность к свету очень высока – человек, находившийся достаточно продолжительное время в темноте, видит даже очень слабые источники света. Колбочки содержат в себе три видоизменения йодопсина, по-разному реагирующие на частоты различных диапазонов. Чувствительность колбочек к свету много ниже, чем палочек.
Чаще всего свет состоит из смеси электромагнитных колебаний различных частот. Спектральный состав – это информация о том, как распределяется суммарная энергия, переносимая светом, по отдельным частотам. График, показывающий распределение энергии света по частотам, называется спектральной диаграммой.
Экспериментально доказано, что фиксация колбочками присутствия равномерной смеси волн сразу всех длин видимого спектра воспринимается мозгом как белый свет. Отсутствие волн из всех частей видимого спектра будет интерпретировано как черный цвет (отсутствие света).
Поскольку свет с различными длинами волн неодинаково преломляется прозрачной средой, то при пропускании белого света (равномерной смеси волн видимого спектра) через призму он разделяется на световые потоки, соответствующие различным цветам (длинам волн), как показано на рис. 1.3.1.
Этот эксперимент, впервые выполненный Исааком Ньютоном, наглядно показал, что световые волны с различной длиной интерпретируются системой «глаз – мозг» как разные цвета. В видимой области спектра электромагнитных колебаний условно принято выделять следующие диапазоны: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. У этих диапазонов нет четких границ, цвета плавно переходят один в другой.
Таким образом, когда колбочки фиксируют наличие световых волн длиной примерно 700 нм, мозг реагирует на это как на красный цвет. Если длина волны находится в диапазоне 450–500 нм, – виден голубой, а длина волны 400 нм соответствует фиолетовому. Это явление лежит в основе цветоощущения в целом.
Однако описанная ситуация встречается крайне редко. Дело в том, что со световыми потоками, состоящими из волн только одной длины, как и со световыми потоками, энергия которых равномерно распределена по волнам всех возможных длин, на практике почти не приходится иметь дела.
Примечание
Исключение составляет свет лазера – чаще всего он содержит в себе волны только одной длины.
Спектральное распределение
Реальные световые потоки представляют собой сочетание волн различных длин, причем разные диапазоны представлены в этом сочетании в различных пропорциях. Такая смесь описывается спектральным распределением, графическим представлением которого является уже упоминавшаяся спектральная диаграмма. На этой диаграмме показывается, каким образом световая энергия распределяется по частотам спектра. Световой поток, соответствующий заданному спектральному распределению, всегда будет восприниматься наблюдателем как один и тот же цвет, независимо от того, каким образом он был создан. Спектральное распределение – самое полное, точное и надежное описание цвета из всех возможных. На рис. 1.3.2 представлены спектральные диаграммы для двух цветов.
Рис. 1.3.2. Спектральные диаграммы для двух различных цветов
• изменение свойств источника света, излучающего этот световой поток;
• прохождение светового потока через среду, по-разному поглощающую световые волны различной длины;
• отражение светового потока от поверхности, по-разному отражающей световые волны различной длины.
Способы управляемого изменения спектрального распределения и задания значения параметров, совместно обеспечивающие воспроизведение средствами компьютерной графики желаемого цвета, составляют цветовую модель. Но перед тем как перейти к рассмотрению конкретных цветовых моделей, необходимо ознакомиться с двумя основными способами формирования цвета и особенностями, связанными с их применением.
ПримечаниеИз того, что световые потоки, имеющие одинаковое спектральное распределение, воспринимаются как один цвет, не следует, что каждому цвету соответствует только одно спектральное распределение. Напротив, достаточно часто световые потоки, имеющие отчетливо различные спектральные распределения, воспринимаются как одинаковый цвет. Это явление получило название метамерии.
Приведенные на рис. 1.3.2 спектральные диаграммы были получены с помощью спектрофотометра – специального прибора, позволяющего построить спектр по образцу цвета. В качестве образцов были взяты спелая слива (сплошная линия) и строительный кирпич (точечная линия). Как можно видеть из спектральной диаграммы, цвет сливы образуется совместным воздействием волн фиолетово-синего и красного диапазонов видимого спектра, а цвет кирпича – волнами желтого и красного диапазонов.
ПримечаниеВажный вывод: цвет определяется спектральным распределением светового потока, попадающего в глаз наблюдателя, следовательно, изменение спектрального распределения может привести (и чаще всего приводит) к изменению воспринимаемого цвета. Причиной изменения спектрального распределения в световом потоке может стать:
Метамерия может проявляться в том, что два образца цвета воспринимаются одинаково под одним освещением, но по-разному под другим, имеющим иное спектральное распределение.
• изменение свойств источника света, излучающего этот световой поток;
• прохождение светового потока через среду, по-разному поглощающую световые волны различной длины;
• отражение светового потока от поверхности, по-разному отражающей световые волны различной длины.
Способы управляемого изменения спектрального распределения и задания значения параметров, совместно обеспечивающие воспроизведение средствами компьютерной графики желаемого цвета, составляют цветовую модель. Но перед тем как перейти к рассмотрению конкретных цветовых моделей, необходимо ознакомиться с двумя основными способами формирования цвета и особенностями, связанными с их применением.
1.3.2. Излученный и отраженный свет
Излученный и отраженный потоки света при полной физической идентичности, тем не менее, приходится рассматривать по-разному. Например, в слабо освещенной или совсем темной комнате фотография в альбоме почти незаметна, но она прекрасно видна при отображении на экране монитора. Причина проста – монитор преобразует электрическую энергию источника питания в световое излучение, являясь, таким образом, источником света. Бумажный или картонный лист, чистый или с изображением таким источником не является. Он только отражает световой поток, образованный отдельным источником света (например, настольной лампой).
Механизмы, которые используются в компьютерной графике и полиграфии при работе с излученными и отраженными потоками света, неодинаковы, поскольку различными оказываются способы управления спектральным распределением этих потоков.
Механизмы, которые используются в компьютерной графике и полиграфии при работе с излученными и отраженными потоками света, неодинаковы, поскольку различными оказываются способы управления спектральным распределением этих потоков.