Область применения компьютерной графики



страница3/5
Дата19.05.2016
Размер1.35 Mb.
1   2   3   4   5

Понятие цвета

Цвет чрезвычайно важен в компьютерной графике как средство усиления зритель­ного впечатления и повышения информационной насыщенности изображения. Ощущение цвета формируется человеческим мозгом в результате анализа светового потока, попадающего на сетчатку глаза от излучающих или отражающих объектов. 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. Зрительная система человека воспринимает электромагнитную энергию с длинами волн от 400 до 700 нм как видимый свет (1 нм = 10-9м). Свет принимается либо непосредственно от источника, например электрической лампочки, либо косвенно при отражении от поверхности объекта или преломлении в нем. Источник или объект является ахроматическим, если наблюдаемый свет содержит все видимые длины волн в приблизительно равных количествах. Ахроматический источник кажется белым, а отраженный или преломленный ахроматический свет - белым, черным или серым. Белыми выглядят объекты, ахроматически отражающие более 80% света белого источника, а черными - менее 3%. Промежуточные значения дают различные оттенки серого. Хотя трудно определить различие между светлотой и яркостью, светлота обычно считается свойством несветящихся или отражающих объектов и изменяется от черного до белого, а яркость является свойством самосветящихся или излучающих объектов и изменяется в диапазоне от низкой до высокой. Если воспринимаемый свет содержит длины волн в произвольных неравных количествах, то он называется хроматическим. Если длины волн сконцентрированы у верхнего края видимого спектра, то свет кажется красным или красноватым, т. е. доминирующая длина волны лежит в красной области видимого спектра. Если длины волн сконцентрированы в нижней части видимого спектра, то свет кажется синим или голубоватым, т. е. доминирующая длина волны лежит в синей части спектра. Однако сама по себе электромагнитная энергия определенной длины волны не имеет никакого цвета. Ощущение цвета возникает в результате преобразования физических явлений в глазу и мозге человека. Цвет объекта зависит от распределения длин волн источника света и от физических свойств объекта. Объект кажется цветным, если он отражает или пропускает свет лишь в узком диапазоне длин волн и поглощает все остальные.

В машинной графике применяются две системы смешения основных цветов: аддитивная - красный, зеленый, синий (RGB) и субтрактивная - голубой, пурпурный, желтый (CMY). Цвета одной системы являются дополнительными к другой: голубой - к красному, пурпурный - к зеленому, желтый - к синему. Дополнительный цвет - это разность белого и данного цвета: голубой это белый минус красный, пурпурный - белый минус зеленый, желтый - белый минуc синий. Хотя красный можно считать дополнительным к голубому, по традиции красный, зеленый и синий считаются основными цветами, а голубой, пурпурный, желтый - их дополнениями. Интересно, что в спектре радуги или призмы пурпурного цвета нет, т. е. он порождается зрительной системой человека. Для отражающих поверхностей, например типографских красок, пленок и несветящихся экранов применяется субтрактивная система CMY. В субтрактивных системах из спектра белого цвета вычитаются длины волны дополнительного цвета. Например, при отражении или пропускании света сквозь пурпурный объект поглощается зеленая часть спектра. Если получившийся свет отражается или преломляется в желтом объекте, то поглощается синяя часть спектра и остается только красный цвет. После его отражения или преломления в голубом объекте цвет становится черным, так как при этом исключается весь видимый спектр. По такому принципу работают фотофильтры. Аддитивная цветовая система RGB удобна для светящихся поверхностей, например экранов ЭЛТ или цветных ламп.



Способы описания цвета

В компьютерной графике применяют понятие цветового разрешения (другое назва­ние — глубина цвета). Оно определяет метод кодирования цветовой информации для ее воспроизведения на экране монитора. Для отображения черно-белого изобра­жения достаточно одного бита (белый и черный цвета). Восьмиразрядное кодирование позволяет отобразить 256 градаций цветового тона. Два байта (16 бит) определяют 65 536 оттенков. При 24-разрядном способе кодирования возможно определить более 16,5 миллионов цветов

С практической точки зрения цветовому разрешению близко понятие цветового охвата, имеется в виду диапазон цветов, который можно воспроизвести на устройствах вывода. Цветовые модели расположены в трехмерной системе координат, которая образует цветовое пространство. При этом исходят из законов Грассмана о том, что цвет можно выразить точкой в трехмерном пространстве.

Цветовая модель CIE Lab

В1920 году была разработана цветовая пространственная модель CIE Lab

L,a,b — обозначения осей координат в этой системе). Система является аппаратно независи­мой и потому часто применяется для переноса данных между устройствами. В модели CIE Lab любой цвет определяется светлотой (I) и хроматическими компонентами: параметром а, изменяющимся в диапазоне от зеленого до красного, и параметром b, изменяющимся в диапазоне от синего до желтого. Цветовой охват модели CIE Lab значительно превосходит возможности мониторов и печатных устройств, поэтому перед выводом изображения, представленного в этой модели, его приходится пре­образовывать. Данная модель была разработана для согласования цветных фото­химических процессов с полиграфическими. Сегодня она является принятым по умолчанию стандартом для программы Adobe Photoshop.

Цветовая модель RGB



Рис.. Аддитивная цветовая модель RGB

Цветовая модель RGB является аддитивной, то есть любой цвет представляет собой сочетание в различной пропорции трех основных цветов — красного, зеле­ного, синего. Она служит основой при создании и обработке компью­терной графики, предназначенной для электронного воспроизведения (на мони­торе, телевизоре). При наложении одного компонента основного цвета на другой яркость суммарного излучения увеличивается. Совмещение трех компонентов дает ахроматический серый цвет, который при увеличении яркости приближается к белому цвету. При 256 градационных уровнях тона черному цвету соответствуют нулевые значения RGB, а белому — максимальные, с координатами (255,255,255).



RGB с Альфа - каналом

Альфа-канал позволяет объединять изображение с его фоном. Каж­дое значение пикселя содержит дополнительное Альфа-значение, размер которого в битах равен глуби­не цвета изображения. Цветовая модель RGB с Альфа - каналом может использоваться только при глубине цвета равной 8 и 16 битам.

Нулевое значение Альфа - канала означает, что пиксель полностью прозрачен, и в этом случае фон полностью виден через изображение.

Значение Альфа – канала равному 2глубина цвета изображения-1

соответствует полностью непрозрачному пикселю; это означает, что фон полностью закрыт изо­бражением. Когда значение Альфа - канала равно промежу­точной величине, цвет пикселя сливается с фоном посредством некоторого алгоритма.

Цветовая модель HSB

Рис. Цветовая модель HSB
Цветовая модель HSB разработана с максимальным учетом особенностей восприя­тия цвета человеком. Она построена на основе цветового круга Манселла. Цвет описывается тремя компонентами: оттенком (Hue), насыщенностью (Saturation) и яркостью (Brightness). Значение цвета выбирается как вектор, исходящий из центра окружности. Точка в центре соответствует белому цвету, а точки по периметру окружности — чистым спектральным цветам. Направление вектора задается в градусах и определяет цветовой оттенок. Длина вектора определяет насыщенность цвета. На отдельной оси, называемой ахроматической, задается яркость, при этом нулевая точка соответствует черному цвету. Цветовой охват модели HSB перекры­вает все известные значения реальных цветов.

Модель HSB принято использовать при создании изображений на компьютере с имитацией приемов работы и инструментария художников. Существуют специ­альные программы, имитирующие кисти, перья, карандаши. Обеспечивается ими­тация работы с красками и различными полотнами. После создания изображения его рекомендуется преобразовать в другую цветовую модель, в зависимости от предполагаемого способа публикации. В настоящее время эта цветовая модель используется только в некоторых программах обработки изображения.

Цветовая модель YCbCr

Изображения в формате JPEG почти всегда сохраняются с использованием трехкомпонентного цветового пространства YCbCr. Компонент Y или яркость представляет яркость изображения. Компоненты Cb и Cr определяют цветность. Значение Cb задает синеву изображения, а значение Cr задает его красноту.

Соотношение между цветовыми моделями YCbCr и RGB находят по соответствующим формулам.


Все рассмотренные выше модели относятся к аддитивным. Это означает, что компоненты добавляют цвет в изображение. Чем выше значение компонента, тем ближе цвет к белому.
Цветовая модель CMYK, цветоделение



Рис. Цветовая модель CMYK
Цветовая модель относится к субтрактивным, и ее используют при подго­товке публикаций к печати. Цветовыми компонентами CMY служат цвета, полу­ченные вычитанием основных из белого:

голубой (cyan) = белый - красный = зеленый + синий;

пурпурный (magenta) = белый - зеленый = красный + синий;

желтый (yellow) = белый - синий = красный + зеленый.

Такой метод соответствует физической сущности восприятия отраженных от печат­ных оригиналов лучей. Голубой, пурпурный и желтый цвета называются дополнительными, потому что они дополняют основные цвета до белого. Отсюда вытекает и главная проблема цветовой модели CMY — наложение друг на друга дополни­тельных цветов на практике не дает чистого черного цвета. В модели CMYK большие значения компонентов представляют цвета, более близкие к черному. При комбинации голубой, пурпурной и желтой красок поглощается весь цвет, что теоретически должно приводить к черному цвету, но на практике чистый черный цвет не создается. Поэтому в цветовую модель был включен компонент чистого черного цвета. Так появилась четвертая буква в аббревиатуре цветовой модели CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, blacK). Между моделью и RGB нет однозначного соответствия. На одно и то же значение RGB отображается множество значений CMYK.

Для печати на полиграфическом оборудовании цветное компьютерное изображение необходимо разделить на составляющие, соответствующие компонентам цветовой модели CMYK. Этот процесс называют цветоделением. В итоге получают четыре отдельных изображения, содержащих одноцветное содержимое каждого компонента в оригинале. Затем в типографии с форм, созданных на основе цветоделенных пленок, печатают многоцветное изображение, получаемое наложением цветов CMYK.


Гамма

Цветовые модели, используемые для представления изобра­жений, основываются на предположении, что между значе­нием цветового компонента и цветом, видимым на экране, существует линейная связь. В действительности применяе­мые устройства отображения не реагируют линейно на по­ступающий входной сигнал. Гамма приближение описывает нелинейные характеристики этих устройств. С ма­тематической точки зрения, Гамма - степенная функция:



Настройка Гаммы изображения может выполняться как со­вместно с преобразованием в цветовое пространство XYZ, так и отдельно. Регулировка Гаммы оказывает большее воздей­ствие на вид изображения на компьютерном мониторе, чем преобразование в цветовое пространство XYZ и обратно.

Эффект воздействия Гаммы на изображение состоит в при­дании компоненту более темного или более светлого оттенка.

Системы координат

Для создания сложного реалистического компьютерного изображения необходимо математическую модель изображаемого объекта или процесса достоверно повторить на экране в пространстве и во времени. При этом необходимо задавать положение точек, линий и поверхностей в различных системах координат. Положение точки в Евклидовом пространстве задается радиус-вектором, который имеет n координат и разложение по n линейно-независимым базисным векторам. Совокупность базисных векторов и единиц измерения расстояний вдоль этих векторов составляет систему координат. Для описания формы графических объектов, задания расположения объектов в пространстве и их проекций на экране дисплея используют различные СК, наиболее удобные в каждом конкретном случае. Положение точек в пространстве удобно описывается с помощью декартовой системы координат. Декартова система координат имеет три направленные прямые линии, которые не лежат в одной плоскости – оси координат, оси пересекаются в одной точке – начале координат. На осях выбирается единица измерения. Положение любой точки в пространстве описывается через координаты этой точки, которые представляют собой расстояния от начала координат до проекций точки на соответствующие оси координат. Для практических расчетов удобнее, чтобы оси координат были расположены взаимно перпендикулярно. Такая система координат называется ортогональной. Взаимное расположение осей в ортогональной системе координат может быть двух видов. Ось 0z может проходить в направлении от наблюдателя в плоскость листа – это левосторонняя система координат. Если ось 0z проходит от плоскости листа к наблюдателю – это правосторонняя система координат.

Системы координат наиболее часто применяемые в компьютерной графике

Мировая система координат является основной системой координат, в ней заданы все объекты сцены. Одной из распространенных задач компьютерной графики является изображение двумерных графиков в некоторой системе координат. Эти графики предназначены для отображения зависимости между переменными, заданными с помощью функций. Например, графики, характеризующих восприятие света глазом человека. Чтобы получить такой график, прикладная программа должна описать различные выходные примитивы (точки, линии, цепочки символов), указав их местоположение и размеры в прямоугольной системе координат. Единицы измерения, в которых задаются эти объекты, зависят от их природы: изменение температуры, например, можно отображать в градусах за час, перемещение тела в пространстве - в километрах в секунду, и т. д. Эти прикладные (или ориентированные на пользователя) координаты позволяют задавать объекты в двумерном или трехмерном мире пользователя, и их принято называть мировыми координатами.

Неподвижная мировая система координат (МСК) x, y, z, содержит точку отсчета (начало координат) и линейно независимый базис (совокупность базисных векторов – осей координат), благодаря этому возможно цифровое описание геометрических свойств любого графического объекта в абсолютных величинах. Мировую систему координат обозначим xмyмzм.



Модельная система координат – система координат, в которой задана внутренняя структура объектов.

Экранная система координат - в ней задается положение проекций геометрических объектов на экране дисплея. Проекция точки в ЭСК имеет координату zэ=0. Однако не следует отбрасывать эту координату, т. к. МСК и ЭСК часто выбираются совпадающими, а также вектор проекции [xэ yэ 0] может участвовать в преобразованиях, к которых нужны не две, а три координаты.

Выбор точки и направления зрения можно описать математически, введя декартову систему координат наблюдателя, начало которой находится в точке обзора, а одна из осей совпадает с направлением зрения



Система координат сцены (СКС) xсyсzс, в которой описывается положение всех объектов сцены – некоторой части мирового пространства с собственными началом отсчета и базисом, которые используются для описания положения объектов независимо от МСК.

Объектная система координат (ОСК) xоyоzо, связанная с конкретным объектом и совершающая с ним все движения в СКС или МСК.
Изображение трехмерных объектов сопряжено с целым рядом задач. Прежде всего надо помнить, что изображение является плоским, поэтому надо добиться адекватной передачи визуальных свойств предметов, дать достаточно наглядное представление о глубине. В дальнейшем группы трехмерных объектов, предназначенных для изображения, будем называть пространственной сценой, а ее двумерное изображение - образом.




Рис. 4.3.  Объектная система координат и система координат наблюдателя
Видимый образ формируется на некоторой плоскости, которую в дальнейшем будем называть картинной плоскостью. Способы преобразования трехмерного объекта в двумерный образ (проекции) могут быть различными. Так или иначе, но полученный образ также должен быть описан в некоторой двумерной системе координат . В зависимости от способа его получения реальные размеры образа также могут быть различны. Различные виды проецирования будут подробно рассмотрены позднее.




Рис. 4.4.  Картинная плоскость и экран

Поскольку нашей конечной целью является получение изображения на экране, то перенесение образа сопровождается изменением масштаба в соответствии с размерами экрана. Обычно началом координат в системе координат образа считается левый нижний угол листа с изображением. На экране дисплея начало координат традиционно находится в левом верхнем углу. Отображение рисунка с картинной плоскости на экран должно производиться с минимальным искажением пропорций, что само по себе вносит ограничение на область экрана, занимаемую рисунком. Изменение масштаба должно осуществляться с сохранением пропорций области (рис. 4.4).

Объекты в системе координат картинной плоскости задаются в каких- либо единицах измерения, причем масштаб одинаков по обеим осям координат. На экране единицей измерения является пиксель, который следует рассматривать как прямоугольный, поэтому масштабы по горизонтальной и вертикальной осям могут быть различны, что необходимо учитывать при задании коэффициентов масштабирования

Пример преобразований в системах координат

Для того, чтобы управлять изображением на экране, вносить изменения в его положение, ориентацию и размер производят геометрические преобразования. Они позволяют изменять характеристики объектов в пространстве. Допустим необходимо создать на компьютере изображение движения солнца по небу и автомобиля по земле. Данную картину наблюдатель видит из определенной точки в пространстве в определенном направлении. Чтобы описать эти сложные преобразования математически сначала следует выбрать системы координат.

Первая система координат – мировая, зададим ее осями xмyмzм, она размещается в некоторой точке и остается всегда неподвижной.

Вторая система координат определяет положение наблюдателя в пространстве и задает направление взгляда – система координат наблюдателя xnynzn.

Третья система – система координат объекта, их будет две: система координат солнца и система координат автомобиля. Эти системы могут перемещаться и изменять свое положение в пространстве относительно мировой системы координат. Координаты точек объектов задаются в системах координат объектов, каждая из них привязана к мировой системе координат. Система координат наблюдателя тоже перемещается относительно мировой системы координат. Чтобы увидеть трехмерный объект на дисплее нужно выполнить:



  • Преобразовать координаты объекта, заданные в собственной системе координат, в мировые координаты;

  • Преобразовать координаты объекта из мировой системы в систему координат наблюдателя;

Спроецировать полученные координаты на плоскость в с системе координат наблюдателя, при этом мы будем иметь положение всех объектов сцены в координатах сцены.

Этапы построения изображений
Как было сказано ранее, компьютерная графика изучает методы построения изображений различных геометрических объектов и сцен. Главными этапами построения изображений являются:

  • Моделирование, которое использует методы математического описания объектов и сцен самой разной природы в двух- и трехмерном пространстве.

  • Визуализация – методы построения реалистических изображений объемного мира на плоском экране дисплея ЭВМ, при этом модели объектов и сцен преобразуются в статическое изображение или фильм (последовательность статических кадров).

Все графические объекты приводятся к алгоритмическому виду, это отличает компьютерную графику от обычной.

Геометрические преобразования

Цель изучения геометрических преобразований – научиться описывать движение объектов и визуализировать объекты математически. Геометрическое преобразование – это отображение образа точки, принадлежащей n -мерному Евклидову пространству в точку n -мерного прообраза. К геометрическим преобразованиям относятся проективные преобразования и аффинные преобразования.


Проективные преобразования. Проекции

Для того чтобы синтезировать изображение на экране ПК, необходимо предложить способ математического описания объектов в трехмерном пространстве или на плоскости. Проективные преобразования изображают сцену в желаемом ракурсе. Проекцией называется способ перехода трехмерных объектов к их изображению на плоскости. Проецирование – это отображение трехмерного пространства на двухмерную картинную плоскость (КП). Получение проекции основывается на методе трассировки лучей. Из центра проецирования (проектора) проводятся лучи через каждую точку объекта до пересечения с КП. Фигура на плоскости, которая образуется точками пересечения лучей с картинной плоскостью, является проекцией объекта. Важным свойством любого метода проецирования является достоверность восприятия объекта по его проекции. Проекции, одинаково хорошо подходящей для любых задач не существует. Плоская геометрическая проекция – это тип проецирования на плоскую поверхность прямыми линиями. Плоские геометрические проекции бывают центральные и параллельные. Если центр проекции находится на конечном расстоянии от проекционной плоскости, то это центральная проекция. Если центр проекции удален на бесконечность, то такая проекция является параллельной. Центральные проекции имеют от одной до трех точек схода. Точкой схода называется точка пересечения центральных проекций всех параллельных прямых, которые не параллельны проекционной плоскости.

Итак, центральные проекции бывают с разным количеством точек схода. Параллельные проекции имеют много типов, но основными можно считать ортогональные и косоугольные.

Простейшей проекцией является параллельная прямоугольная проекция. В ней совместно изображаются виды сверху, спереди и сбоку.





Основные виды проекций

Каталог: wp-content -> uploads -> 2012
2012 -> Система социальной помощи семье, воспитывающей ребенка с ограниченными возможностями здоровья, в учреждениях социального обслуживания семьи и детей
2012 -> Коалиция организаций ветеранов боевых действий Дальневосточного Федерального округа «Боевое братство дв»
2012 -> Стерлитамакский филиал
2012 -> Питання про виникнення людини хвилює людство здавна. У XIX ст
2012 -> Методические рекомендации по проведению занятий с применением интерактивных форм обучения
2012 -> Тема опыта
2012 -> Вопросы к экзамену Планирование и организация работы кадровой службы Современные концепции управления персоналом
2012 -> Танцевально двигательная
2012 -> Современной


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5


База данных защищена авторским правом ©dogmon.org 2019
обратиться к администрации

    Главная страница