Текст книги "Компьютерная графика в дизайне"

Монохромная модель цвета представляет собой расширение штриховой модели, достигаемое за счет введения в цветовое пространство цветов, полученных смешиванием базовых цветов модели. Монохромным называется изображение, в котором используются цвета, полученные смешиванием в различных пропорциях двух фиксированных базовых цветов. Цвета, промежуточные по отношению к базовым цветам монохромной цветовой модели, называются оттенками. Оттенки отличаются друг от друга процентным содержанием базовых цветов. Как правило, в названии оттенка указывают содержание только одного базового цвета. Например, если в качестве цвета переднего плана выбран синий, а в качестве фонового – белый, то оттенки определяются следующим образом: «20 %-ный оттенок сине-белой монохромной модели цвета».

Примечание

В подавляющем большинстве случаев как минимум один из базовых цветов монохромной модели – ахроматический. Тогда хроматика (цветность) всех оттенков такой модели имеет одинаковое значение, т. е. оттенки монохромны. При использовании в качестве базовых двух различных цветов, получившиеся оттенки модели уже не будут монохромными, их хроматика меняется от оттенка к оттенку. Однако в рамках курса компьютерной графики такую цветовую модель тоже целесообразно считать монохромной, поскольку она устроена точно так же, как истинно монохромная цветовая модель, и работают с ней теми же методами.

Чаще всего в качестве базовых цветов монохромной модели выбирают черный и белый. В этом случае в названии монохромной модели базовые цвета не указываются. Если упоминается 40 %-ный оттенок без дополнительных замечаний, речь идет о цвете, полученном смешиванием 40 % черного и 60 % белого цвета.

Цветовое пространство монохромной модели непрерывно и содержит в себе бесконечное число цветов. В компьютерной графике их принято упорядочивать по возрастанию доли базового цвета переднего плана. Упорядоченная совокупность всех цветов монохромной модели цвета называется монохромной шкалой или шкалой градаций базового цвета. Шкала градаций черного цвета представлена на рис. 1.3.4.

Рис. 1.3.4. Шкала градаций черного цвета

Примечание

Когда употребляется термин "шкала градаций цвета", предполагается, что второй базовый цвет монохромной шкалы – ахроматический, т. е. черный или белый. Шкалу градаций черного цвета часто называют шкалой градаций серого. Поскольку серый цвет – это промежуточный оттенок монохромной модели с черным и белым базовыми цветами, данный термин не совсем точен.

На рис. 1.3.5 представлены штриховое и монохромное изображения одного и того же предмета.

Рис. 1.3.5. Штриховое и монохромное изображения манипулятора «мышь»

Монохромная модель цвета очень широко применяется в компьютерной графике и полиграфии. Подавляющее большинство иллюстраций в этом учебнике подготовлены именно в виде монохромных изображений. Эта модель удобна для представления монохромных фотографий, деловой и художественной ахроматической графики, иллюстраций и схем.

Примечание

Нецветные фотографии принято называть черно-белыми. На самом деле они являются ахроматическими монохромными изображениями. Оттенки черного цвета в таких фотографиях образуются за счет различной степени потемнения мелко размолотых частиц светочувствительного препарата серебра, содержащегося в верхнем слое фотографической бумаги. Применение специальных окрашивающих препаратов (вирирование) позволяет переходить от ахроматической шкалы к хроматической, при этом черный цвет серебра заменяется равным ему по оттенку хроматическим цветом соли металла. Таким способом получают отпечатки с коричневым (сепия), синим и красным цветом переднего плана.

Ранее уже отмечалось, что монохромная модель включает в себя бесконечное число цветов. На практике в этом нет необходимости, поэтому непрерывную монохромную шкалу заменяют на дискретную, разбитую на конечное число участков, внутри каждого из которых цвет не меняется. В полиграфии монохромную шкалу принято разделять на 100 участков и обозначать оттенки целыми процентами. В компьютерной графике монохромную шкалу чаще разбивают на 256 участков, обозначая оттенок номером соответствующего ему участка (0 соответствует черному цвету, а 255 – белому).

Примечание

Выбор числа 256 обусловлен спецификой представления дескриптора цвета монохромной модели в памяти компьютера. 256 = 2⁸, следовательно, для хранения в памяти одного числа, меняющегося в диапазоне от 0 до 255, требуется 8 битов (один байт).

Число двоичных разрядов, которые отводятся в информационной модели цвета для хранения информации о цвете одного элемента изображения, называют глубиной цвета или цветовой разрешающей способностью модели. Глубина цвета измеряется в битах на элемент (в пиксельной модели изображения – в битах на пиксел, сокращенно bpp). Чтобы определить, какое количество цветов содержит цветовое пространство модели, достаточно возвести двойку в степень, равную глубине цвета. Следовательно, глубина цвета монохромной модели, в которой шкала разбита на 256 участков, равна восьми.

Примечание

Для штриховой модели с двумя базовыми цветами глубина цвета равна единице.

Помимо основного назначения (представления монохромных изображений), монохромная модель в компьютерной графике обеспечивает выполнение множества технологических операций. В виде монохромного изображения хранятся маски и альфа-каналы (см. разд. 3.5.4), каналы цвета (см. разд. 3.4.4) и деленные формы, получающиеся в процессе цветоделения (см. разд. 3.11.4). Рассмотренные в разд. 3.9.5 дуплексы представляют собой совокупность совмещенных при выводе монохромных изображений. Это обеспечивает исключительную важность монохромной модели цвета и монохромных изображений.

В модели индексированного цвета цветовое пространство не является непрерывным. Так же, как в штриховой модели, число цветов здесь ограничено. Индексированной моделью цвета называется нумерованная совокупность цветов, составляющих палитру. Палитрой называется таблица образцов цвета, устанавливающая соответствие номера ячейки палитры (индекса) тому или иному цвету. Определение цвета каждого из образцов в палитре выполняется средствами аддитивной цветовой модели (см. разд. 1.3.5). Дескриптор цвета индексированной модели содержит в себе только номер цвета в палитре.

Число цветов в модели индексированного цвета может выбираться при составлении палитры. Как правило, размер палитры представляет собой целую степень двойки (4, 8, 16, 32, 64, 128 или 256 цветов). В палитру всегда включают черный и белый цвета. Одна из ячеек палитры резервируется под "прозрачный" цвет.

Примечание

При рендеринге изображения, в информационной модели которого используется индексированная модель цвета, элементы изображения, которым назначен прозрачный цвет, не обрабатываются – на их месте остается фоновое изображение.

В зависимости от размера палитры меняется глубина цвета индексированной модели. Она может составлять от двух до восьми битов на элемент изображения. При глубине цвета, равной единице, индексированная модель цвета превращается в штриховую.

Палитра индексированного изображения может быть стандартной или локальной. Стандартные палитры составляются заранее. Имеются стандартные палитры для наиболее распространенных операционных систем, обозревателей Web, шкалы градаций черного цвета и др. При работе со стандартными палитрами нет необходимости включать их в информационную модель изображения, поскольку они входят в состав прикладного и системного программного обеспечения.

Локальные палитры строятся на основе анализа конкретного изображения. Эта процедура может проводиться вручную, но чаще средствами графических редакторов. При автоматическом построении палитры выбирается ее размер и алгоритм выбора образцов цвета. На рис. 1.3.6 представлено одно и то же изображение, преобразованное в индексированную модель с различной глубиной цвета.

Рис. 1.3.6. Индексированная модель цвета: а – глубина цвета 6 битов; б – глубина цвета 5 битов; в – глубина цвета 4 бита

В компьютерной графике индексированная модель цвета применяется довольно давно. Первые цветные мониторы позволяли работать только с изображениями, представленными с помощью этой модели, причем глубина цвета была очень невелика, всего 4 бита, и существовали только фиксированные палитры. Сегодня изображения с индексированной моделью цвета еще остаются в анимации и WWW, но для экранных приложений (компьютерных игр, тренажеров, мультимедийных презентаций) разработаны более совершенные цветовые модели.

Размер палитры ограничивает число цветов, которые могут одновременно присутствовать в изображении на основе индексированной модели цвета. Однако при работе с пиксельными изображениями и достаточно малом размере пикселов визуально может восприниматься значительно больше цветов, чем имеется в палитре. Это достигается за счет имитации цвета (dithering) – приема, основанного на явлении визуального смыкания, описанном в разд. 3.1.1. При имитации цвета смежные пикселы изображения, окрашенные цветами, выбранными из палитры, визуально воспринимаются в виде более крупного пятна, причем его цвет, образованный за счет смешивания цветов нескольких пикселов, в палитре не присутствует. На рис. 1.3.7 в методических целях этот прием представлен для изображения со сравнительно большим размером пикселов.

Рис. 1.3.7. Имитация цвета для монохромного индексированного изображения: а – имитация отсутствует; б – имитация цвета по методу диффузии

Имитация цвета – важный прием, использующийся не только совместно с индексированной моделью, но и с описанными в последующих разделах полноцветными моделями.

Аддитивными моделями цвета (от англ. add – складывать) называются цветовые модели, в которых световой поток со спектральным распределением, визуально воспринимающимся как нужный цвет, создается на основе операции пропорционального смешивания света, излучаемого тремя источниками. Схемы смешивания могут быть различными, одна из них представлена на рис. 1.3.8.

Рис. 1.3.8. Схема смешивания световых потоков в аддитивной модели цвета

Аддитивная модель цвета предполагает, что каждый из источников света имеет свое постоянное спектральное распределение, а его интенсивность регулируется.

Существуют две разновидности аддитивной модели цвета: аппаратно-зависимая и перцептивная. В аппаратно-зависимой модели цветовое пространство зависит от характеристик устройства вывода изображения (монитора, проектора). Из-за этого одно и то же изображение, представленное на основе такой модели, при воспроизведении на различных устройствах будет восприниматься визуально немного по-разному. Перцептивная модель построена с учетом особенностей зрения наблюдателя, а не технических характеристик устройства.

Название этой модели происходит от аббревиатуры, состоящей из первых букв английских названий ее базовых цветов (см. разд. 1.3.2). Красный, зеленый и синий цвета были выбраны в качестве базовых потому, что эти волновые диапазоны видимой части спектра максимально удалены друг от друга. Кроме того, они близки к диапазонам, на которые избирательно реагируют колбочки сетчатки.

Цветовое пространство модели RGB непрерывно, но принято разбивать диапазоны интенсивности свечения источников на 256 интервалов. Нулевое значение соответствует отсутствию свечения, 255 – максимальной интенсивности, которую обеспечивает источник света. На рис. 1.3.9 цветовое пространство RGB представлено в виде куба в декартовой системе координат, в которой каждая из осей соответствует интенсивности свечения одного из источников базового цвета.

Рис. 1.3.9. Цветовое пространство модели RGB

На гранях куба, определяющего цветовое пространство, и внутри него каждой точке соответствует свой цвет. При разбиении каждой из осей цветовых координат на 256 интервалов глубина цвета модели составляет 24 бита. Это означает, что в ней имеется 2²⁴ цветов, т. е. 16 777 216.

Примечание

В задачах, требующих высокой точности воспроизведения цвета, может устанавливаться удвоенная глубина цвета 48 битов и даже учетверенная – 96 битов. Конечно, при этом соответственно вдвое или вчетверо увеличивается объем памяти, необходимый для размещения информационной модели изображения.

Местоположение любой точки (а значит, и любого цвета) в цветовом пространстве задается тремя числами, соответствующими значениям цветовых координат. Запись этих чисел в виде RxGyBz (где x, y и z – целые числа от 0 до 255) называется формулой цвета RGB.

В цветовом пространстве RGB имеются характерные точки и линии. Формуле цвета R0G0B0 соответствует точка в начале цветовых координат и черный цвет (интенсивность излучения всех трех источников света равна нулю). Формуле цвета R255G255B255 соответствует "белая" точка, в ней интенсивность свечения всех источников максимальна. Эти две точки соединяет диагональ куба, вдоль которой расположены цвета монохроматической шкалы – оттенки черного цвета. Эти точки соответствуют ахроматическим цветам. На пересечении диагоналей куба расположена "серая" точка R127G127B127, определяющая цвет, который в компьютерной графике называется нейтральным серым.

Линии, проведенные через "черную" точку и произвольно выбранную точку куба, представляют собой монохроматические шкалы, в которых в качестве фонового цвета выступает черный, а цветом переднего плана является цвет, соответствующий выбранной точке. Линии, проведенные через "белую" точку и произвольно выбранную точку куба, представляют собой монохроматические шкалы, в которых в качестве фонового цвета выступает белый, а цветом переднего плана является цвет, соответствующий выбранной точке.

Точки, лежащие на осях цветовых координат, соответствуют оттенкам базовых цветов модели RGB. Наиболее удалены от начала координат "красная" R255G0B0, "зеленая" R0G255B0 и "синяя" R0G0B255 точки. В остальных вершинах куба располагаются точки, соответствующие дополнительным цветам модели RGB:

• бирюзовому, R0G255B255 (обозначается латинской буквой C);

• пурпурному, R255G0B255 (обозначается латинской буквой М);

• желтому, R255G255B0 (обозначается латинской буквой Y).

Отметим важный факт – дополнительные цвета цветовой модели RGB получаются при смешивании попарно в равной пропорции ее базовых цветов.

Большое значение имеет изображенный на рис. 1.3.9 треугольник цветности, представляющий собой лежащую в пределах цветового пространства часть плоскости, проходящей через «красную», «синюю» и «зеленую» точки. Принадлежащие ему точки называются точками единичного цвета. Цветностью или хроматикой цвета в компьютерной графике называется характеристика, имеющая одинаковое значение для всех оттенков одного цвета и различные значения для любой пары оттенков разных цветов.

Примечание

Напомним, что оттенки получаются из спектрально чистого цвета смешиванием его с черным или белым.

Цветность определяет, в каком месте спектра располагается цвет.

Ранее уже отмечалось, что линиям, проходящим через "черную" или "белую" точку, соответствуют шкалы оттенков одного цвета. Проведем две прямые через любую точку цветового пространства RGB (заданную точку) так, чтобы одна из них прошла через "черную" точку, а другая – через "белую". Одна из этих прямых обязательно пройдет через какую-нибудь точку треугольника цветности. Причем цвета, соответствующие этой точке единичного цвета и заданной точке, будут принадлежать одной монохромной шкале и будут являться оттенками одного и того же цвета, различающимися только яркостью и насыщенностью (содержанием черного или белого). Таким образом, в треугольнике цветности "представлены" все цвета цветовой модели, хотя и оттенками различной яркости. Это позволяет использовать треугольник цветности в качестве графического представления цветового охвата модели.

В середине треугольника цветности лежит ахроматическая точка, соответствующая нейтральному серому (оттенку черного цвета). Если соединить ее с любой из точек, лежащих на сторонах треугольника цветности, то снова получится монохромная шкала. В ней в качестве базового цвета фона будет выступать нейтральный серый, а переднего плана – цвет, соответствующий заданной точке. И все точки этой шкалы будут соответствовать оттенкам одного цвета. Следовательно, чтобы задать цветность (хроматику), достаточно указать направление, в котором необходимо двигаться от серой точки к краю треугольника цветности.

Понятие цветности лежит в основе очень широко распространенной в компьютерной графике абстракции – цветового круга. Цветовым кругом называется диаграмма, в которой по окружности расположены спектральные цвета, в центре – ахроматическая точка, а радиусам соответствуют монохромные шкалы. На рис. 1.3.10 приведены два варианта цветового круга, отличающиеся цветом ахроматической точки.

Рис. 1.3.10. Цветовой круг: а – с белым цветом в центре; б – с черным цветом

Красный цвет условно принято изображать сверху цветового круга, а соответствующему радиусу присваивать нулевое направление. На цветовом круге цветность любого цвета выражается величиной угла, который составляет соответствующий ему радиус с нулевым направлением. Таким образом, цветность желтого цвета составляет 60°, зеленого – 120°, красного – 0°.

Цветовой круг тесно связан с цветовой моделью RGB. Если куб цветового пространства RGB спроецировать на плоскость в направлении, совпадающем с монохромной диагональю, получится шестиугольник, углы которого в точности совпадут с расположением цветов на цветовом круге.

Главные достоинства модели цвета RGB состоят в ее простоте, наглядности и в том, что любой точке ее цветового пространства соответствует визуально воспринимаемый цвет. Благодаря простоте этой модели она легко реализуется аппаратно. В частности, в мониторах управляемыми источниками света с различным спектральным распределением служат микроскопические частицы люминофора трех видов. Они хорошо заметны через увеличительное стекло, но при рассматривании монитора невооруженным глазом из-за явления визуального смыкания (см. разд. 3.1.1) видно непрерывное изображение. Интенсивность светового излучения в мониторах на основе электроннолучевых трубок регулируется с помощью трех электронных пушек, возбуждающих свечение люминофоров.

Но у модели цвета RGB есть два принципиальных недостатка. Первый – недостаточность цветового охвата. Независимо от размера цветового пространства модели цвета RGB, в ней невозможно воспроизвести много воспринимаемых глазом цветов (например, спектрально чистые голубой и оранжевый). У таких цветов в формуле цвета RGB имеются отрицательные значения интенсивностей базового цвета, а реализовать не сложение, а вычитание базовых цветов при технической реализации аддитивной модели очень сложно. Этот недостаток устранен в перцептивной аддитивной модели (см. далее).

Второй недостаток модели цвета RGB состоит в невозможности единообразного воспроизведения цвета на различных устройствах из-за того, что базовые цвета этой модели зависят от технических параметров устройств вывода изображений. Поэтому, строго говоря, единого цветового пространства RGB не существует, области воспроизводимых цветов различны для каждого устройства вывода. Более того, даже сравнивать эти пространства численно можно только с помощью других моделей цвета.

Чтобы цветовое пространство RGB можно было использовать на различных устройствах, получая при этом одинаковые визуальные результаты, достаточно однозначно зафиксировать его базовые цвета в цветовых координатах перцептивной модели цвета. Многие программы компьютерной графики позволяют сегодня работать со стандартными цветовыми пространствами RGB, из которых наиболее часто применяются:

• sRGB – так называемое стандартное пространство RGB. Характеристики базовых цветов этого цветового пространства выбраны так, чтобы его можно было без искажений цвета воспроизводить на любых мониторах, даже невысокого класса. Широко применяется в графике для Web, любительской цифровой фотографии, печати на недорогих цветных принтерах. В профессиональной фотографии и полиграфии практически не применяется из-за сравнительно узкого цветового охвата – за границами этого цветового пространства лежит более половины видимых глазом цветов.

• Adobe RGB (1998) – расширенное цветовое пространство RGB. Первоначально это цветовое пространство разрабатывалось в рамках стандарта телевидения высокой четкости, затем получило распространение в профессиональной фотографии и сканировании изображений на сканерах высокого качества. Цветовой охват этого пространства почти на треть шире, чем у sRGB, и за счет этого на устройствах низшего класса (недорогих сканерах, мониторах, фотокамерах) многие цвета этого пространства воспроизводятся неточно.

• Wide Gamut RGB – цветовое пространство с теоретически максимальным цветовым охватом для модели RGB. В качестве базовых цветов выбраны чистые спектральные цвета. При стандартной глубине цвета слишком много цветов из цветового охвата этого пространства становятся недоступными, поэтому для работы необходима глубина цвета 48 бит и выше.

Для определения и проверки эталонных базовых цветов стандартизированных цветовых пространств RGB применяют перцептивные цветовые модели XYZ или Lab.