Текст книги "Компьютерная графика в дизайне"

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.

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.

Примечание

Нанометр (нм) представляет собой одну миллионную часть миллиметра. Электромагнитные колебания с длинами волн > 700 нм называются инфракрасными, а < 400 нм – ультрафиолетовыми.

В 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.

Примечание

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.

Палочки 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.

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.

Примечание

Исключение составляет свет лазера – чаще всего он содержит в себе волны только одной длины.

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

Примечание

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.

Из 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.

Примечание

Метамерия может проявляться в том, что два образца цвета воспринимаются одинаково под одним освещением, но по-разному под другим, имеющим иное спектральное распределение.

Важный 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:

• 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.

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.

При работе с излученным светом (например, при выводе изображения на монитор или проектор) цвет можно образовать, только варьируя свойства этого источника, заставляя его изменить спектральное распределение излучаемого света.

Примечание

Предполагается, что среда, в которой распространяется световой поток на пути от источника к наблюдателю, прозрачна, т. е. не ослабляет этот поток или ослабляет его равномерно во всем диапазоне частот. Это условие не всегда соблюдается. Например, морская вода поглощает волны красного диапазона значительно сильнее, чем зеленого и синего.

Однако эта задача в общем трудноосуществима. Спектральное распределение достаточно сложно представить в виде информационной модели, а его произвольное изменение для конкретного источника света в широком диапазоне – до сих пор техническая проблема, не имеющая удовлетворительного решения. К счастью, в компьютерной графике достаточно более простого решения – получить не световой поток с заданными спектральными характеристиками, а цвет, который этот поток вызывает при визуальном восприятии. Эта задача решается путем сложения световых потоков, создаваемых несколькими источниками с фиксированным спектральным распределением, в разных пропорциях. В основе синтеза цвета лежит ранее рассмотренное явление метамерии и законы Грассмана.

Примечание

Герман Гюнтер Грассман (Hermann Günther Grassmann, 1809–1877) – немецкий физик, математик и филолог, занимавшийся экспериментальным исследованием цветного зрения.

Эти три закона, сформулированные в середине XIX века, чрезвычайно важны для компьютерной графики.

1. Любые четыре цвета находятся в линейной зависимости. Это означает, что любой цвет может быть получен в виде пропорциональной смеси трех линейно независимых базовых цветов. В качестве базовых можно выбрать, например, красный, зеленый и синий или желтый, бирюзовый и пурпурный. Выбрать базовые цвета можно бесконечным числом способов.

2. Если в смеси трех базовых цветов один из них изменять непрерывно, то итоговый цвет будет меняться тоже непрерывно.

3. Цвет смеси определяется только цветами смешиваемых компонентов и не зависит от их спектрального распределения.

Из первого закона вытекает, что цвет можно описать с помощью трех числовых параметров, определяющих пропорции базовых цветов при смешивании. Из второго закона следует, что цвет непрерывен, – любой цвет можно получить из любого другого, плавно меняя пропорцию смеси базовых цветов, и при этом всем промежуточным состояниям смеси будут соответствовать свои цвета.

Два первых закона Грассмана позволяют ввести очень важное понятие компьютерной графики – цветовое пространство. Цветовое пространство — это геометрическое место точек, каждая из которых соответствует определенному цвету.

Примечание

По смыслу к цветовому пространству близок цветовой охват (gamut) – термин, обозначающий всю совокупность цветов, которую можно воспроизвести в рамках одной цветовой модели или на конкретном устройстве вывода.

Положение этих точек определяется в трехмерной системе цветовых координат. В различных цветовых моделях цветовые координаты могут иметь разный физический смысл. Например, каждая из координат цветового пространства может соответствовать одному базовому цвету. В этом случае значения координат равны долям базовых цветов в смеси, соответствующей сопоставленному точке цветового пространства цвету. Независимо от выбранной цветовой модели цветовое пространство всегда трехмерно – это вытекает из первого закона Грассмана.

Из третьего закона Грассмана следует, что если есть два визуально одинаковых цвета с различным спектральным составом, то результат их смешения с третьим цветом в обоих случаях будет одинаков. Это значит, что при формировании смеси цветов на цвет результата влияют не спектральные распределения источников света, а их цвет.

Смешивание световых потоков, соответствующих базовым цветам, выполняется, как правило, не в источнике света, а в глазу наблюдателя за счет подробно описанного в разд. 3.1.1 явления визуального смыкания. Так что технически задача синтеза цвета сводится к выполнению следующих этапов:

• выбору базовых цветов;

• созданию источников с необходимым спектральным распределением, формирующих световые потоки, образующие эти цвета;

• реализации механизма управления мощностью световых потоков, излучаемых этими источниками.

Эта техническая задача имеет множество вполне приемлемых решений.

При работе с отраженным светом источник света и рассматриваемый объект не совпадают. Наблюдатель видит объект, не излучающий света, за счет светового потока, отраженного от его поверхности. Если на объект не будет падать свет от отдельного источника (или нескольких источников), от его поверхности ничего не будет отражаться, и наблюдатель его не увидит.

При падении светового потока на поверхность объекта параллельно протекают два процесса: отражение и преломление, которые на рис. 1.3.3 условно представлены в виде стрелок.

Рис. 1.3.3. Отражение и преломление светового потока, падающего на поверхность объекта

Одна часть падающего света отражается от поверхности объекта, образуя отраженный световой поток (именно он и воспринимается наблюдателем визуально), другая – преломленный световой поток, направленный внутрь объекта. В зависимости от физических свойств поверхности объекта расщепление падающего на нее светового потока происходит в различных пропорциях для разных длин световых волн. Отсюда следует важный вывод: при отражении светового потока от поверхности объекта его спектральное распределение может измениться. Как следствие, это ведет к изменению цвета светового потока при отражении. Если на поверхность падает световой поток с равномерным спектральным распределением, он имеет белый цвет. Но после поглощения части световых волн объектом белый цвет изменяется, превращаясь в хроматический (имеющий цветовую составляющую). Субъективно это воспринимается наблюдателем как присутствие того или иного цвета у отражающего объекта.

Следовательно, механизм образования цвета неизлучающего объекта состоит в управлении спектральным распределением отраженного от внешнего источника светового потока. Это проявляется в виде ослабления или подавления в отраженном световом потоке отдельных волновых диапазонов за счет изменения физических свойств отражающей поверхности (в простейшем случае – нанесением на объект краски).

Технически задача синтеза цвета при отражении света сводится к следующему:

• выбору краски, ослабляющей интенсивность светового потока в отдельных волновых диапазонах;

• формированию необходимого для создания желаемого цвета спектрального распределения отраженного светового потока за счет нанесения этой краски на поверхность объекта.

Эта задача успешно решается с помощью полиграфических производственных процессов и применения печатающих устройств.

Однако в отличие от излучения света, когда на создаваемый цвет почти не влияют внешние условия, при отражении огромную роль играет спектральное распределение внешнего источника света. Если лист белой бумаги освещен источником с равномерным спектральным распределением, он будет выглядеть белым, поскольку примерно одинаково отражает все падающие на него световые волны. Но если тот же лист поместить под синюю лампу, он будет выглядеть синим. Лист по-прежнему отражает все падающие на него световые волны, только теперь в их составе практически нет ни красного, ни зеленого, ни других цветовых диапазонов (отличных от синего).

Изменим условия эксперимента, поместив под источник белого света красный лист бумаги. Поскольку цвет этого листа воспринимается как красный, можно сделать вывод, что при отражении от его поверхности световой поток в значительной степени утратил все волновые диапазоны, кроме красного – поверхность листа поглотила их. Если тот же лист поместить под синюю лампу, он будет выглядеть черным. Это объясняется тем, что синий волновой диапазон поглощается поверхностью бумаги, а других составляющих в падающем световом потоке просто нет. От листа ничего не отражается, и он воспринимается как черный.

Важный вывод: восприятие цвета в отраженном свете сильно зависит от спектрального распределения внешнего источника освещения. Поэтому при измерении цвета (колориметрии) и построении точных цветовых моделей необходимо учитывать характеристики источников света (см. табл. 1.3.1).

Принципиальные различия в механизмах образования цвета при излучении и отражении света требуют применения для этих случаев различных цветовых моделей. Некоторые такие модели рассматриваются в последующих разделах.

Из материала, приведенного в предыдущем разделе, следует, что белый цвет воспринимается наблюдателем в том случае, когда световой поток в равных пропорциях содержит в себе излучения всех длин волн видимой части спектра. Черный цвет соответствует отсутствию светового потока или (что то же самое) световому потоку, в котором интенсивность всех световых волн равна нулю. Если же интенсивность световых волн в пределах видимого диапазона остается равной, но отличается от нуля и меньше 100 %, то наблюдатель видит серый цвет. Поскольку спектральное распределение светового потока для любого оттенка серого цвета остается равномерным (спектральные диаграммы совпадают с точностью до постоянного множителя), принято считать серый, черный и белый оттенками одного и того же цвета, называемого ахроматическим (не содержащим цветовой составляющей). Для описания изображений, содержащих только ахроматические цвета, используются две информационные модели – штриховая и монохромная.

Штриховым называется изображение, в информационной модели которого дескриптор цвета может принимать только одно из двух фиксированных значений. Это означает, что в пиксельном изображении пикселы могут быть лишь одного из двух цветов, а в векторном изображении все объекты могут иметь заливку и обводку только одного цвета.

Цветовое пространство штриховой модели включает в себя только две точки, соответствующие двум базовым цветам штриховой модели. Эти цвета принято называть цветом переднего плана и фоновым цветом. Штриховая цветовая модель не предусматривает возможности смешивания базовых цветов, они всегда присутствуют в изображении только в чистом виде. Поэтому для описания цвета в такой информационной модели достаточно единственного логического значения. Следовательно, в памяти компьютера дескриптор цвета штриховой модели изображения занимает 1 бит, и может принимать значения ноль или единица. Этим обусловлено главное достоинство штриховой модели – ее компактность.

Штриховая модель подходит для представления таких изображений, как офорты, гравюры, рисунки пером и шариковой ручкой. Несмотря на кажущуюся ограниченность и простоту, данная модель очень часто применяется при решении задач компьютерной графики.

Как вытекает из изложенного ранее, цвет переднего плана должен быть черным, а фоновый цвет – белым. Из-за этого штриховую модель довольно часто называют моделью черно-белого изображения. Этот термин представляется не очень удачным по нескольким причинам:

• аналогичным термином иногда обозначают монохромные изображения с белым и черным базовыми цветами;

• от перемены мест черного и белого ничего не меняется – любой из этих цветов может быть как фоновым, так и цветом переднего плана;

• вместо черного и белого возможны любые другие фиксированные цвета, и при этом ни суть модели, ни методы для работы с ней не изменяются.

Основные приемы работы со штриховыми изображениями описаны в разд. 3.6.1.