Лекция №2

Лекция №2 Модели изображений.

План

1. Информационные модели изображений.
   1. Пиксельная модель
   2. Векторная модель
   3. Сетчатая модель
2. Цветовые модели.
   1. RGB
   2. CMYK
   3. HSB и HSL
   4. Lab
3. Цветовой охват.
4. Типы пиксельных изображений.

П.1 Информационные модели изображений.

У пиксельной и векторной моделей имеется общая черта. Обе они предназначе­ны для представления в памяти компьютера плоского (двухмерного) изображе­ния. Это позволяет собирательно называть их моделями двухмерной графики

Модели двумерной графики

1.a Пиксельная модель

Пиксельная модель ориентируется на описание с помощью структур данных собственно изображения, а не отдельных объектов реального или виртуального мира, рассматривание которых формирует в оптической системе глаз зрителя это изображение. В пиксельной модели изображение рассматривается как растр — регулярная сетка, покрывающая собой всю плоскость изображения. Регулярность растра означает, что все его ячейки имеют одинаковые форму и размеры.

При том, что в принципе ячейки растра могут быть треугольными, шестиугольными и даже неправильной формы (важно только, чтобы они без зазоров покрывали собой плоскость), на практике работают только с прямоугольными растрами.

В большинстве случаев форма ячейки представляет собой частный слу­чай прямоугольника — квадрат.

Часть изображения, размещенная в пределах одной ячейки растра, называется пикселом (от английских picture (картина) и element (элемент)). Довольно часто пиксел называют точкой.

В простейшем варианте точечная модель представляет собой последовательность описаний всех пикселов изображения — дескрипторов. Обычно дескрипторы располагаются в памяти компьютера, имеющей линейную структуру, в порядке следования пикселов по строкам (как в телевизионном изображении) или столб­цам растра. В зависимости от степени детальности описания пиксела в памяти компьютера каждому дескриптору отводится то или иное место. В свою очередь, различные пикселы изображения отличаются друг от друга только цветом, со­держание дескриптора и его размеры целиком определяются способом представ­ления информации о цвете, принятом в используемой информационной модели (о цветовых моделях далее).

С точечными изображениями приходится иметь дело довольно часто, при­чем не только специалистам по компьютерной графике. Это объясняется од­ной особенностью физиологии человеческого зрения — смыканием. Она состоит в том, что при рассматривании двух довольно сильно удаленных мелких объектов они сливаются в один.

Границы проявления смыкания зависят от остроты зрения и лежат в пределах от 0,7 до 1,5 секунды углового расстояния между предметами.

ПРИМЕЧАНИЕ

При желании проверить этот феномен проделайте простой эксперимент. На белом листе бумаги остро отточенным простым карандашом поставьте две точки на рас­стоянии 0,5 мм друг от друга. Затем, держа бумагу перпендикулярно оси зрения, удаляйте ее от глаз. Вы убедитесь, что довольно быстро точки сольются — значи­тельно раньше, чем вы перестанете их видеть. Если зафиксировать расстояние от листа до глаза в момент слияния точек и точно измерить расстояние между точка­ми, несложно вычислить вашу личную границу смыкания.

Благодаря смыканию вполне слитными изображениями воспринимаются мозаи­ки, картины импрессионистов, фотографии в газетах и телевизионные кадры. Но с более близкого расстояния или через увеличительное стекло, видно, что все это — точечные изображения, составленные из пикселов. Смыкание помогает с помо­щью черного тонера, заправленного в картридж лазерного принтера, получать большое число оттенков серого цвета.

В компьютерной графике с пиксельной моделью приходится работать очень часто, поэтому необходимо знать ее достоинства и недостатки.

Достоинства пиксельной модели:

Недостатки пиксельной модели:

* простота оцифровки (сканирования или фотосъемки с возможным последую­щим сканированием отпечатка (слайда)). возможность очень тонкой корректировки изображений (на любом уровне глобально­сти — от одновременного изменения характеристик всех его пикселов (на­пример, при коррекции яркости) до воздействия на любой отдельно взятый пиксел)). Простота процедуры преобразования пиксельной модели в изображение при выводе на экран или печать, т.к. устройство монитора и большинст­ва печатающих устройств ориентировано именно на этот класс моделей изо­бражения (все мониторы, струйные и большая часть лазерных принтеров, ризографы). Поэтому такая процедура не требует больших затрат времени и вычислительной мощности и

* жестко фиксированное количество пикселов в рас­тре. При увеличении размеров изображения приходится увеличи­вать размеры каждого из пикселов. При достаточно большом увеличении ис­чезает эффект смыкания и изображение превращается в скопление пятен (мозаику). При уменьшении размеров пиксельного изобра­жения и при сохранении числа пикселов устройство воспроизведения информации оказывается неспособным отобразить слиш­ком маленькие пикселы и часть графической информации утрачивается. При сохранении размеров пикселов уменьшить изображение можно толь­ко выбрасыванием из него некоторых пикселов, что приводит к тому же эффекту. После сканирования ранее воспроизведенного полиграфическими методами точечного изображения на нем может появиться муар — полосы, точки или клетки. Это явление вызывается интерференцией, возникающей при наложении друг на друга двух растров. Избавиться от муара, не снижая четкости изображения, непросто. Отсутствие внутренней структуры, соответствующей структуре изображенных объектов. Понятное человеку изображение после перевода в точечную модель превращается в сово­купность цветных пикселов. При необходимости высокой четкости и точной передачи цвета точечная модель требует для своего хранения и обработки большого объема памяти и длительного времени обработки.

Для частичного преодоления существенных недостатков пиксельной модели в ее состав вводятся дополнительные структурные элементы, такие как слои и альфа-каналы. Кроме того, в качестве дополнитель­ных структурных элементов расширенной точечной модели часто используются объекты векторной графики (например, контуры и векторные тексты).

Увеличение пиксельного изображения

[[Image:]][[Image:]]

П. 1.b Векторная модель

В отличие от пиксельной модели, в векторной модели структуры данных соответ­ствуют не пикселам, а более крупным и семантически нагруженным объектам изображения или виртуального мира. Cтруктуры данных векторной модели изображения соответствуют ра­зомкнутым линиям или замкнутым контурам, из которых составляется изо­бражение. Каждая такая структура соответствует независимому объекту. Кроме имени, которое можно сопоставить векторному графическому объекту, и типа объекта, который определяет его «устройство», у каждого объекта имеется несколь­ко атрибутов — параметров, задающих его геометрические и цветовые характе­ристики. Любой из объектов векторного изображения можно преобразовывать (перемещать, масштабировать, изменять значения атрибутов) как совместно с дру­гими объектами, так и независимо от них.

Для сопоставления цвета объектам векторной модели исполь­зуются те же модели представления цвета, что и для пиксельной модели.

Достоинства векторной модели:

Недостатки векторной модели:

* Для размещения векторной модели изображения в памяти компьютера и в фай­ле не требуется много места, поскольку хранятся сведения не о каждом пикселе изображения, а лишь о типах и значениях аргументов объектов. Компьютер работает с этой компактной моделью, выполняя преобразование в пиксельное изображение только перед выводом на экран монитора или на печать. Цвето­вые характеристики изображения практически не оказывают влияния на раз­меры его векторной модели. Векторное изображение может быть структурировано с произвольной степе­нью детализации, поскольку любому элементу изображения при желании можно сопоставить отдельный объект (или группу объектов) векторной мо­дели. Объекты векторной модели изображения легко преобразовываются, их мас­штабирование не влечет за собой ни искажения изображения, ни утраты ви­зуальной информации (рис. 3.2). Поэтому качество полученного векторного изображения всегда будет зависеть только от возможностей устройства вывода. В векторной модели текст, представляется отдельной категорией объектов. Это обеспечивает возможность гибкой настройки соответствия текста изображе­нию в процессе работы над произведением и возможность быстрой корректи­ровки как самого текста, так и параметров, управляющих его форматировани­ем, на любой стадии работы.

* Включение в состав векторной модели множества типов объектов затрудняет изучение ее устройства — на освоение приемов работы с программой вектор­ной компьютерной графики требуется несколько больше времени, чем на ос­воение программы точечной графики Построение векторной модели изображения представляет собой задачу, пло­хо поддающуюся автоматизации. Хотя программы трассировки предоставля­ют принципиальную возможность построения векторной модели по точечному изображению, на практике большая часть векторных моделей составляется непосредственно пользователями из-за принципиальных ограничений авто­матической трассировки Векторная модель изображения не дает пользователю инструментов, соответ­ствующих традиционной технике живописи. Для создания векторной мо­дели реалистического изображения требуются немалые навыки работы с про­граммами векторной графики и огромное количество объектов, составляющих такую модель. Процесс эволюции программ векторной графики наиболее быстро движется именно в направлении повышения реалистичности векторных изображений, и новые объекты векторной модели (сетчатые заливки, тени, гради­ентная прозрачность) в значительной степени расширяют изобразительные воз­можности векторной графики.

В современных графических программах четко прослеживается тенденция к совместному использованию векторной и пиксельной моделей. Практически все современные про­граммы для работы с векторной графикой позволяют не только вводить в состав векторной модели объекты, соответствующие импортированным пиксельным изображениям, но и предусматривают довольно обширные наборы инструмен­тов для редактирования таких изображений.

Увеличение векторного изображения

[[Image:]][[Image:]][[Image:]]

Модель трехмерной графики

П. 1.c Сетчатая модель (полигональная)

Сетчатая модель предназначена для представления в памяти компьютера не изо­бражения, а трехмерных геометрических объектов, при проецировании которых на ту или иную картинную плоскость это изображение можно получить автома­тически. В рамках сетчатой модели трехмерные объекты представляются в виде пустотелых, не имеющих физической толщины оболочек, составленных из мно­гоугольных (в предельном случае — треугольных) плоских граней. На рис. 3.3 представлено несколько таких оболочек.

[[Image:]]

Если два или более треугольника сетки лежат в одной плоскости, они образуют многоугольник, или полигон. Последний термин дал другое название сетчатой мо­дели трехмерных объектов — полигональная модель. У каждой треугольной гра­ни имеются три вершины и три ребра, соединяющие эти вершины. В качестве физической аналогии сетчатой модели можно представить себе каркас, образо­ванный сваркой концов прямолинейных отрезков проволоки.

Таким образом, основными структурными единицами сетчатой модели являют­ся вершины, ребра, треугольные грани и полигоны. В простейшем варианте сет­чатая модель представляет собой совокупность дескрипторов, содержащих зна­чения пространственных координат вершин каждой из граней всех оболочек, моделирующих предметы, входящие в сцену. Граням сетчатой модели могут со­поставляться дополнительные параметры, управляющие, например, цветом. При этом используются стандартные цветовые модели, единые для всех систем ком­пьютерной графики.

В силу фундаментальных свойств трехмерного пространства любую трехмер­ную поверхность можно с любой наперед заданной точностью представить сеткой, составленной из треугольных граней, поэтому сетчатая модель универсальна. В виде сетки можно представить сколь угодно сложные объекты. Но чтобы точность аппроксимации сложной поверхности была достаточно высо­кой, может потребоваться огромное число граней. Программы трех­мерного моделирования предоставляют множество инструментов и приемов, позволяющих автоматизировать разбиение поверхностей моделируемых объ­ектов на грани.

Для построения изображения моделируемой сцены или ее части по сетчатой мо­дели выполняется операция рендеринга (или визуализации). В геометрическом плане она сводится к проецированию граней сетчатой модели на заданную кар­тинную плоскость с удалением невидимых граней (заслоненных другими граня­ми). Поскольку операция рендеринга не оказывает влияния на сетчатую модель, а параметры проецирования задаются отдельно, однажды построенная модель сцены может использоваться для создания изображений сцены во множестве ра­курсов (рис. 3.4).

[[Image:]]

Достоинства сетчатой модели:

Недостатки сетчатой модели:

* Сетчатая модель соответствует не изображению, а форме объектов и несет в себе больше информации о них, чем любая модель двухмерной графики (в этом плане она относится скорее не к графике и живописи, а к скульптуре). Сетчатая модель дает возможность автоматически решать задачи построения иллюзии перспективы, теней и бликов при различном освещении, что позво­ляет, например, создавать вполне реалистические пейзажи никогда и нигде не существовавших ландшафтов Сетчатая модель дает возможность с минимальными затратами труда строить изображение смоделированной сцены в любом ракурсе. Это может очень при­годиться, например, при съемках фильма, когда вместо дорогостоящих деко­раций в кадр монтируется изображение, построенное по сетчатой модели. Сетчатая модель очень удобна для анимации, изображающей движение объ­ектов в некоторой сцене. Сетчатая модель, будучи по своей природе векторной, сохраняет многие дос­тоинства, присущие векторной модели изображения (например, удобство масштабирования без потери качества изображения).

* Художественные возможности сетчатой модели менее широки, чем векторной и пиксельной моделей изображения. При построении сложных моделей число граней растет с поражающей стреми­тельностью, что не только делает сетчатую модель не слишком компактной, но и требует колоссальной вычислительной мощности (построение высокока­чественного изображения больших размеров по сложной модели может по­требовать многих часов работы даже очень мощного компьютера). Программы трехмерной графики, ориентированные на работу с сетчатой моде­лью, предъявляют повышенные требования и к пользователю (наличие разви­того пространственного воображения).

П. 2 Цветовые модели. Цветовой охват

Цвет — важнейший изобразительный инструмент.

Цвет как составная часть изо­бражения выполняет сразу две важные функции: он является средством кодиро­вания информации об изображаемом предмете и средством эмоционального воздействия. В самом деле, монохромная фотография попугая дает весьма ограниченное пред­ставление о том, как выглядит эта птица (изъята информация, кодируемая цве­том). С другой стороны, известно, что цвет обоев, которыми оклеена комната, активно влияет на ощущения человека, находящегося в этой комнате (например, в комнате с голубыми обоями летом кажется прохладнее, чем в соседней комнате с желтыми обоями). Это пример эмоционального воздействия цвета.

Физически в основе цвета лежит волновая природа электромагнитных коле­баний высокой частоты — света. Световые волны разной длины по-разному воздействуют на сетчатку человеческого глаза. Весь видимый человеком спектр волн воздействует на колбочки (цветочувствительные рецепторы) сетчатки гла­за таким образом, что человек воспринимает тот или иной цвет. Инфракрасные волны (колебания с длиной волны больше, чем у красного цвета) и ультрафио­летовые волны (колебания с длиной волны меньше, чем у фиолетового цвета) сетчаткой не воспринимаются.

ПРИМЕЧАНИЕ

Видимому спектру цветов соответствуют электромагнитные колебания оптическо­го диапазона с длиной волны от 3,4х10-3м (красный) до 10-8м (фиолетовый).

Дневной свет, субъективно воспринимающийся как лишенный цветовой состав­ляющей, в физическом смысле представляет собой смесь колебаний всех.

В силу физиологии органов зрения цветовосприятие — субъективный процесс, и его характеристики во многом определяются индивидуальными особенностя­ми человека.

Даже у людей с нормальным цветовосприятием диапазоны волн, соответствующие цветам, немного различаются, не говоря уже о цветоаномалах (людях с существенными смещениями таких диапазонов) и дальтониках (людях, страдающих цветовой слепотой).

Несмотря на это, во многих областях челове­ческой деятельности необходимы способы объективного описания цвета, не зависящего от индивидуальных особенностей цветовосприятия (в частности, в полиграфии и компьютерной графике). Такие способы описания цвета в виде совокупности числовых параметров были независимо разработаны несколькими организациями и фирмами, и некоторые из них активно используются в компь­ютерной графике. Чаще всего эти способы называются цветовыми моделями.

Однако перед тем как перейти к рассмотрению собственно цветовых моделей, необходимо изучить два способа, которыми свет может попадать на сетчатку гла­за зрителя, и то влияние, которое эти способы оказывают на природу образова­ния цвета.

Излученный и отраженный свет

В темной комнате прекрасно видно все, что отобра­жается на экране монитора, но не видно ничего, что отпечатано принтером на листе бумаги. Причина очевидна: монитор является источником света, он излу­чает электромагнитные волны оптического диапазона, преобразуя в них элек­трическую энергию, взятую из сети. Лист бумаги, с изображением или без него, света не излучает. Он лишь отражает электромагнитные волны оптического диа­пазона, излученные внешним источником света (например, лампочками люстры).

Механизмы образования цвета при попадании в глаз зрителя излученного света и отраженного света сильно отличаются друг от друга.

Когда зритель смотрит на источник света, на сетчатку его глаз попадают волны оптического диапазона всех частот, излучаемых источником, и в тех пропорциях, в которых он их излучает.

ПРИМЕЧАНИЕ

В физике присутствие в излучении различных частот (в том числе оптического диапазона) и вклад каждой из них в общую энергию излучения описывается спек­тральной диаграммой. При восприятии зрителем излученного света спектральная диаграмма воздействующего на сетчатку его глаз излучения не отличается от спек­тральной диаграммы источника света. Конечно, предполагается, что свет идет от источника до глаз зрителя в прозрачной среде, не поглощающей никаких спек­тральных компонентов света.

*

Формулируя кратко: глядя на источник света, зритель видит тот цвет, который этот источник излучает.

Другое дело, когда зритель смотрит на объект, не излучающий света. Если на та­кой объект не падает свет внешнего источника, зритель его просто не видит. Если на объект попадает свет, то часть его, отражаясь от объекта, попадает в гла­за зрителя. В процессе отражения часть волн падающего на объект света может поглощаться им, поэтому до глаза зрителя доходят не все волны, излученные ис­точником. Изменение состава света при отражении вызывает изменение цвето­вого восприятия. Субъективно это выглядит как наличие того или иного цвета у отражающего объекта.

Если лист писчей бумаги осветить источником белого света, он будет выглядеть белым потому, что отражает все спектральные компоненты белого света и ни один не поглощает. Если осветить тот же лист синим светом, бумага будет вы­глядеть синей. Если осветить белым светом листок красной бумаги, бумага будет выглядеть красной, так как ее поверхность поглощает все спектральные компо­ненты белого света за исключением волн, соответствующих красному цвету. Что произойдет, если осветить красную бумагу синим светом? Бумага будет выгля­деть черной, поскольку синий цвет, падающий на нее, она не отражает.

Фундаментальные различия механизмов образования цвета излученным и отра­женным светом приводят к необходимости применения различных цветовых мо­делей. Преобразование представления цветов изображения при переходе от од­ной цветовой модели к другой может привести к искажению цветов. Чтобы этого не происходило, необходимо четко представлять устройство цветовых моделей, использующихся в программах компьютерной графики.

Суммарное количество двоичных разрядов, которые отводятся в памяти компь­ютера для представления информации о цвете одного пиксела информационной модели, принято называть цветовой разрешающей способностью, или битовой глубиной цвета. Цветовая разрешающая способность измеряется в битах на пик­сел (bit per pixel, bpp)

Цветовое разрешение определяет метод кодирования цветовой информации, и от него зависит то, сколько цветов на экране может отображаться одновременно. Для кодирования двухцветного изображения (черно-белого) достаточно выделить по одному биту на представление цвета каждого пиксела. Выделение одного байта позволяет закодировать 256 различных цветовых оттенков (8-битные изображения). Два байта (16 бит) позволяют определить 65536 различных цветов, три байта (24бит) – 16,5 млн. цветов.

Способ разделения цветового оттенка на составляющие компоненты называется цветовой моделью.

П. 2.a Модель RGB

Название модели RGB представляет собой аббревиатуру, составленную из на­чальных букв английских слов Red (Красный), Green (Зеленый) и Blue (Синий). Эти слова соответствуют трем базовым цветам наиболее распространенной моде­ли излучаемого цвета.

Выбор именно этих базовых цветов обусловлен физиологи­ей человеческого зрения, непосредственно воспринимающего только эти цвета. Все остальные цвета в этой модели образуются за счет смешения базовых цветов в различных пропорциях. Это смешение при рассматривании происходит в ре­зультате смыкания в глазу зрителя изображений близко расположенных друг к другу источников света, имеющих небольшие поперечные размеры. Тройки смежных источников излучают свет базовых цветов модели. Регулировка про­порций, в которых смешиваются базовые цвета, выполняется за счет изменения интенсивности излучения источников.

ПРИМЕЧАНИЕ

Именно так работает цветная электронно-лучевая трубка, лежащая в основе компь­ютерных мониторов. В этом легко убедиться, рассматривая экран монитора с близ­кого расстояния через сравнительно сильную лупу.

Другое название модели RGB (и ее базовых цветов) — аддитивная, от англий­ского add (складывать). В самом деле, при сложении (смешении) базовых цветов модели получившийся цвет становится более светлым (чем интенсивней свет, тем светлее) и за счет смыкания образует новый цветовой оттенок, отличный от базовых. Смешение красного и зеленого в равных пропорциях дает оттенки мо­нохроматической шкалы с желтым и белым базовыми цветами, зеленого и сине­го — оттенки голубого, синего и красного — оттенки пурпурного. Смешение трех базовых цветов в равных пропорциях дает оттенки монохроматической шкалы серого цвета, в неравных пропорциях — хроматические оттенки.

Три параметра аддитивной цветовой модели, описывающие интенсивность излу­чения базовых цветов модели, могут принимать значения от 0 до 256. Следова­тельно, для их хранения в памяти достаточно 3 байт, или 24 бит. Поэтому цвето­вая разрешающая способность аддитивной модели составляет 24 bрр.

Цветовое пространство (совокупность всех цветов) модели RGB может быть представлено в виде куба, на гранях которого и внутри него расположены все цвета, которые можно воспроизвести в рамках этой цветовой модели (рис. 4.3).

[[Image:]]

Дополнительные цвета аддитивной мо­дели образованы попарным смешением базовых цветов этой модели в равных пропорциях.

Проекция вершин куба аддитивной цветовой модели на плоскость в направ­лении линии, соответствующей монохромной шкале оттенков серого цвета, образует очень часто используемую в литературе по компьютерной графике и цветоведению абстракцию — так называемый цветовой круг. Он представ­лен на рис. 4.4.

[[Image:]]

Важность аддитивной цветовой модели в художественной компьютерной графи­ке невозможно переоценить. Достаточно отметить, что именно с применением этой модели кодируется цвет в сканированных изображениях, и эта же модель используется при воспроизведении изображений на экране монитора.

П. 2.b Модель CMYK

Название модели CMYK дала аббревиатура, составленная из начальных букв анг­лийских слов Cyan (Голубой), Magenta (Пурпурный), Yellow (Желтый) и конеч­ной буквы слова Black (Черный). Модель CMYK — основная цветовая модель для всех случаев, когда мы имеем дело с отраженным светом. Как уже отмеча­лось ранее, в этих случаях наложенные на лист бумаги полупрозрачные краски при прохождении через них света вычитают из него отдельные спектральные компоненты. Эта особенность определила другое название модели — субтрактивная, от английского subtract (вычитать). Базовые цвета цветовой модели CMYK часто называют также субтрактивными, или триадными (цветами поли­графической триады).

Выбор хроматических базовых цветов субтрактивной модели объясняется при­родой цветообразования отраженным светом.

Краски этих цветов поглощают, соответственно, красную, зеленую и синюю спектральные составляющие отра­женного света, позволяя тем самым репродуцировать на бумаге большую часть цветового спектра. Каждый из трех хроматических параметров субтрактив­ной цветовой модели соответствует процентному содержанию в пикселе напе­чатанного на бумаге точечного изображения соответствующей ему базовой краски.

При увеличении процентного содержания базовых цветовых компонентов изо­бражение на бумаге становится темнее (чем больше на лист положено краски, тем больше ею поглощается света). Теоретически при смешении максимальных допустимых моделью количеств всех трех хроматических компонентов должен получаться черный цвет, а при отсутствии хроматических красок — белый цвет (чистый лист бумаги). Смешение хроматических компонентов в равных пропорци­ях соответствует оттенкам серого цвета (монохромная шкала с базовым черным цветом). При схематическом изображении цветового пространства субтрактив­ной модели получается схема, похожая на схему аддитивной цветовой модели — меняется только система координат (рис. 4.5).

На практике не удается добиться даже удовлетворительного воспро­изведения черного цвета только с помощью хроматических компонентов субтрак­тивной модели. Реальные полиграфические краски содержат примеси, зерна пигмента в них имеют разные размеры, и все это приводит к тому, что при сме­шении 100 % желтой, 100 % пурпурной и 100 % голубой краски вместо черного цвета получается грязноватый темный оттенок коричневого цвета. Наблюдается также хроматическая «засоренность» оттенков серого цвета на протяжении всей монохромной шкалы серого.

[[Image:]]

Чтобы компенсировать этот недостаток субтрактивной модели, в нее был до­бавлен еще один базовый цвет — черный. В полиграфическом процессе черная краска используется для воспроизведения ахроматических частей изображения. Это привело к добавлению еще одного параметра в состав дескрипторов цве­товой модели — в отличие от аддитивной цветовой модели в субтрактивной модели их четыре.

Четыре параметра субтрактивной цветовой модели, описывающие количество краски базовых цветов модели в пикселе изображения, могут принимать значе­ния от 0 до 100. Для их хранения в памяти достаточно 28 бит. Поэтому цветовая разрешающая способность аддитивной модели составляет 28 bрр. Однако на практике для хранения каждого числа отводится не 7 бит, а целый байт (8 бит), поэтому принято считать, что у субтрактивной цветовой модели цветовая разре­шающая способность равна 32 bрр.

Субтрактивная цветовой модель используется практически во всех случаях, когда результаты графиче­ского проекта, представляющие собой полноцветные изображения, предполага­ется выводить на печать.

Системы цветосовмещения

В некоторых случаях неизбежные погрешности цветовоспроизведения, связанные с применением описанных цветовых моделей, нежелательны или даже недопус­тимы (например, заказчик проекта настаивает на абсолютно точном воспроизве­дении цветов его фирменного логотипа). Если количество цветов, к точности воспроизведения которых предъявляются повышенные требования, невелико, в полиграфии пользуются плашечными цветами. Технология плашечного цвета означает нанесение на отпечаток сплошного пятна непрозрачной краски. Крас­ки для плашечной печати выпускаются либо готовыми к употреблению в виде комплектов, либо смешиваются из базовых красок непосредственно в типогра­фии перед заправкой в печатные машины. За счет того, что цветовой тон опреде­ляется заранее подготовленной, а не смешивающейся в процессе печати краской, применение плашечных цветов позволяет добиться довольно высокой точности воспроизведения цвета.

Наборы стандартных красок и рецептур смешивания базовых красок для полу­чения плашечных цветов стандартизованы. Наиболее широко распространенные стандарты принято называть системами цветосовмещения. Как правило, система цветосовмещения включает в себя следующие компоненты:

- Набор стандартных красок всех цветов, включенных в систему, или набор ба­зовых красок и рецептуры их смешивания в процентах для получения всех стандартных цветов.

- Каталог образцов всех цветов, включенных в систему, в виде образцов каждо­го цвета, напечатанных на глянцевой и матовой бумаге, с обозначением закре­пленного за этим цветом названия.

П. 2.c Модели HSB и HSL

Модели HSB и HSL построены с использованием рассмотренной ранее абстракции цветового круга (см. рис, 4.4).

[[Image:]]

Управляющие параметры модели HSB соответст­вуют цветовому тону (hue), насыщенности (saturation) и яркости (brightness), а название модели представляет собой аббревиатуру, составленную из началь­ных букв соответствующих английских слов.

Геометрическим аналогом пространства цветов модели HSB может служить цилиндр, в основании которого лежит черный круг, а верхнее основание пред­ставляет собой круг, по кромке которого расположены все цвета цветового круга с максимальной насыщенностью 100 %. По мере смещения к центру верхнего основания цветовой тон заменяется белым цветом, и в центре получается чистый белый цвет. Любой точке верхнего основания цилиндра соответствует макси­мальная яркость — 100 %. По мере смещения вниз вдоль оси цилиндра яркость уменьшается, и в любой точке нижнего основания она равна нулю. Эта схема представлена на рис. 4.6.

Цветовой тон определяется угловой координатой, меняющейся от 0 до 360°. 0° — красный цвет, 60° — желтый, 180° — голубой.

Под насыщенностью понимается величина, обратно пропорциональная количе­ству белой краски, добавленной к чистому цветовому тону. Если белой краски не добавляется, насыщенность цвета равна 100 %. При насыщенности 50 % поло­вина цветового тона заменяется белым цветом, а при 0 % получается чистый бе­лый цвет. Таким образом, изменение насыщенности при неизменной величине цветового тона дает все возможные оттенки монохромной шкалы. Уменьшение насыщенности соответствует «разбеливанию» цвета.

Под яркостью понимается величина, обратно пропорциональная количеству черной краски, добавленной к цветовому тону, Цвета цветового круга обладают максимальной яркостью 100 %. Яркость 50 % означает, что половина цветового тона (с учетом «разбеливания») замещается черным цветом. Яркость 0 % означа­ет черный цвет.

При относительной простоте и естественности модели HSB для художника ее широкому распространению в компьютерной графике препятствует существенный недостаток. Это необходимость преобразования в модель RGB для отображения на экране и в модель CMYK для вывода на печать, а любое преобразование изобра­жения из одной модели в другую приводит к снижению точности воспроизведе­ния цвета. Тем не менее многие программы компьютерной графики позволяют работать с моделью HSB.

Еще один недостаток модели HSB состоит в неудобстве визуального восприятия ее третьего компонента — яркости. Оттенки различных хроматических цветов, имеющие равные значения параметра В (например, желтый и красный), визу­ально воспринимаются существенно разными по яркости. Для устранения этого недостатка было введено понятие светлоты. Под светлотой (lightness) понимает­ся параметр цветовой модели, позволяющий визуально сравнивать степень ярко­сти цветового тона. Оттенки с равным значением этого параметра выглядят оди­наково яркими.

Модификация цветовой модели HSB, в которой яркость в качестве третьего параметра заменена светлотой, получила название HSL и довольно широко ис­пользуется в программах компьютерной графики.

П. 2.d Модель L*a*b

Цветовая модель L*a*b так же, как предыдущая, имеет три параметра для описа­ния цвета, но, в отличие от нее, разрабатывалась специально как аппаратно-неза­висимая, то есть определяющая цвета без учета особенностей технологии цвето­воспроизведения (на мониторе, на принтере, на печатном станке).

В этой модели состав цвета определяется светлотой (luminosity) и двумя хромати­ческими параметрами. Первый из них (условно обозначенный латинской буквой а) определяет соотношение зеленой и красной составляющих цвета, второй (обо­значенный буквой 6) — соотношение синей и желтой составляющих (рис. 4.7).

[[Image:]]

Модель L*a*b довольно широко используется в программах компьютерной графи­ки в качестве промежуточной цветовой модели при взаимном преобразовании других цветовых моделей.

П.3. Цветовой охват

Цветовым охватом (gamut) принято называть всю совокупность цветов, кото­рые могут быть воспроизведены с использованием той или иной цветовой моде­ли. Можно говорить также о цветовом охвате устройств, способных воспроизво­дить или воспринимать цвет: цветного принтера, сканера, человеческого глаза.

В окружающем нас мире цветовой охват практически безграничен, и то, какие цвета мы видим, а какие — нет, зависит только от физиологии человеческого зре­ния. Иное дело — графические устройства. Только часть цветов, встречающихся в природных объектах и воспринимающихся человеческим зрением, можно вос­произвести, например, на экране монитора. Эта часть и составляет цветовой охват пары, составленной из монитора конкретной марки и цветовой модели RGB. По мере совершенствования технологии изготовления мониторов конкретные марки практически перестали сокращать цветовой охват модели RGB.

Цветовой охват полиграфического процесса уже, чем цветовой охват монитора. Кроме принципиальных ограничений цветовой модели CMYK на его состав су­щественное влияние оказывают сорта используемой бумаги, качество полигра­фического оборудования и красок. Но и одни принципиальные ограничения цветовой модели CMYK приводят к тому, что цветовой охват полиграфического процесса не совпадает с цветовым охватом монитора. В частности, на печати практически невозможно воспроизвести цвета, хроматические составляющие ко­торых имеют малую плотность (оттенки менее 5 %).

Наиболее широк цветовой охват у человеческого зрения, примерно совпадает с ним цветовой охват аппаратно-независимой цветовой модели L*a*b.

[[Image:]]

Рисунок проясняет, в чем состоит основная трудность точной передачи цветов при печати: больше половины цветов, которые видит человек, и почти 20 % цве­тов, которые можно отобразить на экране монитора, не входят в цветовой охват основной полиграфической цветовой модели CMYK. При работе с большинст­вом современных графических программ выбор одного из таких цветов сопрово­ждается выдачей предупреждения о выходе за границы полиграфического цвето­вого охвата.

[[Image:]]

Системы управления цветом

При преобразовании цветовых моделей, неиз­бежны искажения цвета. Основными причинами этих искажений являются не­совпадения цветовых охватов различных графических устройств: сканера, мони­тора, принтера, полиграфических машин.

Чтобы свести искажения к минимуму, в современных программах художествен­ной компьютерной графики широко используются системы управления цветом (color management systems). Системой управления цветом называется программ­ное средство, предназначенное для преобразования цветовых моделей с мини­мальными искажениями за счет точных описаний цветовых охватов различных устройств. Системы управления цветом могут представлять собой программные модули, встраиваемые в графические программы (как встроенный модуль управ­ления цветом Adobe Photoshop), автономные программные продукты (например, Kodak Digital Science Color Management System®) или часть операционной сис­темы (Apple ColorSync или Microsoft ICM).

Большинство систем управления цветом пользуются для формального описания цветового охвата так называемыми файлами профиля (profiles) устройств. Файлом профиля называется точное представление цветового охвата устройства в форме характеристик цвета, независимых от особенностей конкретных устройств. В каче­стве стандарта де-факто формата файлов профиля используется формат, предло­женный международным комитетом по цвету (ICC).

Файлы профиля получаются в результате выполнения специальной процедуры — калибровки устройства. Наиболее точные результаты дает калибровка с применением специальных аппа­ратно-программных комплексов, но иногда она делается с помощью одних программных средств калибровки на основе только субъективных оценок. Во мно­гих случаях файлы профиля предоставляются пользователям разработчиками графических устройств.

Большинство современных графических программ не только позволяют вы­полнять преобразования цветовых моделей с помощью профилей формата ICC, но и встраивать эти профили в формируемые графические документы для пере­дачи заказчикам, что значительно упрощает процесс управления цветами.

П. 4 Типы пиксельных изображений

1. Штриховое изображение

Штриховым называется точечное изображение, каждый из пикселов которого может быть только одного из двух цветов, которые называются фоновым (чаще всего белый) и переднего плана (чаще всего черный). Промежуточные варианты исключены. В традиционной графике таким изображениям соответствуют рисун­ки пером, гравюры, офорты. Для описания цвета каждого из пикселов штрихово­го изображения достаточно сопоставить ему дескриптор цветовой модели, состоя­щий всего из одного бита. Значение такого дескриптора может равняться единице или нулю. Штриховая модель изображения наиболее компактна — при одинако­вых размерах изображения в пикселах и размерах самих пикселов она занимает наименьший объем памяти по сравнению с другими моделями. Часто штриховые изображения называют «черно-белыми». Это не совсем правильно. Дело в том, что и фоновый цвет (обычно белый), и цвет переднего плана (обычно черный) в этой модели могут быть с успехом заменены любыми другими (на этом основаны многие приемы компьютерной графики). При этом ни сущность модели, ни приемы ра­боты с ней не меняются.

2. Монохромное изображение

Монохромное изображение отличается от штрихового тем, что составляющие его пикселы могут быть любого из оттенков, составленных смешиванием двух базо­вых цветов. Оттенком называется смесь базовых цветов модели в фиксирован­ной пропорции. Оттенки отличаются друг от друга процентным содержанием в них базового цвета. Например, в 20-процентном оттенке монохроматической модели с красным и белым базовыми цветами содержится 20 % красного и 80 % белого цвета. Если в качестве базовых цветов используются черный и белый, принято говорить о шкале градаций серого цвета.

Монохромное изображение	Штриховое изображение
[[Image:]]	[[Image:]]

Ахроматические фотографии, которые традиционно называются черно-белыми, фактически являются монохромными.

Если речь идет о монохромном изображении, дескриптор пиксела которой содержит 8 бит информации о цвете, то цветовая разрешающая способность такой модели равна 8 bpp. Возведя 2 (компьютер использует двоичную систему счисления) в степень битовой глубины (2 в степени 8), получим 256 оттен­ков, доступных для 8-битовой цветовой разрешающей способности модели.

ПРИМЕЧАНИЕ

Отметим, что цветовая разрешающая способность имеет смысл даже для штрихово­го изображения. При использовании этой цветовой модели она равна 1 bpp.

[[Image:]]К монохромным изображениям вплотную примыкают дуплексы. В самом общем плане дуплексом называется комбинация двух монохромных изображений, совме­щенных при выводе. Однако в подавляющем большинстве графических программ этот термин несколько уже — под дуплексом подразумевается монохромное изо­бражение, в котором часть оттенков базового цвета заменяется оттенками другого базового цвета или даже несколькими другими цветами. В зависимости от обще­го числа цветов, использующихся при воспроизведении изображения, различают следующие разновидности дуплексов: двухкрасочный (duotone), трехкрасочный (tritone) и четырехкрасочный (quadrotone). В отдельных графических програм­мах предусмотрены и однокрасочные дуплексы (monotone), которые фактиче­ски представляют собой исходное монохромное изображение с заменой базового цвета.

Штриховые и монохромные изображения называются ахроматическими

3. Полноцветное изображение

Цветное изображение.

RGB,

CMYK.

4. Индексированное изображение

Цветное изображение, но палитра сокращена. Палитрой называется цветовая таблица, сопоставляющая фиксированным образцам цвета порядковые номера в виде натуральных чисел.

В использующихся сегодня моделях индексирован­ного цвета цветовой таблицы (размер палитры) не превышает 256 цветов, следова­тельно, цветовая разрешающая способность такой информационной модели равна 8 bpp.

Существует три метода сокращения палитры:

[[Image:]]

1. Перцепционный (цвета, которые наиболее восприимчивы человеком)	# Адаптивный (лес: зеленый, коричневый)	# Селективный (1+2)
[[Image:]]	[[Image:]]	[[Image:]]

Модели с индексированными цветами используются в Интернете, в экранных приложениях (мультимедийных презентаций, компьютерных игр, тренажеров).

[[Image:]]Adobe Photoshop позволяет изменять цветовую модель изображения

Список терминов - пиксельная модель изображения;

- растр;

- пиксел;

- дескриптор пиксела;

- смыкание;

- векторная модель изображения;

- сетчатая модель объекта;

- грани и полигоны;

- вершины и ребра в сетчатой модели.

- цветовая модель;

- свет излученный и отраженный;

- аддитивная цветовая модель;

- цветовой круг;

- субтрактивная цветовая модель;

- триадные цвета;

- плашечные цвета;

- цветовой тон;

- цветовая насыщенность;

- яркость цвета;

- аппаратно-независимая цветовая модель;

- цветовой охват;

- система управления цветом;

- файл профиля;

- калибровка графического устройства.

- ахроматические цветовые модели;

- штриховое изображение;

- монохромное изображение;

- цветовая разрешающая способность модели;

- дуплексы;

- модель индексированного цвета;

- палитра;Контрольные вопросы

1. Что представляет собой пиксельная модель изображения?
2. Каковы главные достоинства и недостатки пиксельной модели?
3. В чем состоит явление смыкания?
4. Что представляет собой векторная модель изображения?
5. Каковы главные достоинства и недостатки векторной модели?
6. Чем сетчатая модель принципиально отличается от пиксельной и векторноймоделей?
7. Каковы основные структурные элементы сетчатой модели?
8. Что такое цветовая модель?
9. В чем состоят принципиальные отличия восприятия цвета в излученном и от­раженном свете?
10. Для каких целей применяется аддитивная цветовая модель?
11. Что представляет собой цветовой круг?
12. В чем сходства и различия аддитивной и субтрактивной цветовых моделей?
13. Почему в субтрактивной цветовой модели базовых цветов больше, чем в адди­тивной?
14. Для чего используют печать плашечными цветами?
15. Для чего нужна аппаратно-независимая цветовая модель?
16. Как соотносятся цветовые охваты основных цветовых моделей?
17. Что входит в функции системы управления цветом и для чего в ней исполь­зуются профили графических устройств?
18. Что представляют собой штриховые и монохромные изображения, в чем состоят их сходства и различия?
19. Что такое дуплекс и для чего он применяется?
20. Что представляет собой палитра модели индексированного цвета?
21. В чем состоит прием имитации цвета при использовании индексированных цветов?