Виды компьютерной графики. Теория цвета. Цветовые модели

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский Федеральный Университет»

ИАиД СФУ

Кафедра геометрического моделирования и компьютерной графики

Реферат

по основам компьютерных технологий

Виды компьютерной графики. Теория цвета. Цветовые модели

Преподаватель:

Л.А. Устюгова

Студент:

Д.А. Ягутьева

Красноярск 2013



Содержание

Введение

1. Виды компьютерной графики

1.1 Двумерная графика

1.1.1 Растровая графика

1.1.2 Векторная графика

1.1.3 Фрактальная графика

1.2 Трехмерная графика

2. Теория цвета

3. Цветовые модели

3.1 Аддитивные цветовые модели

3.2 Субтрактивные цветовые модели

3.3 Перцепционные цветовые модели

Заключение

Список терминов

Список использованных источников



Введение

Компьютерная графика - это область информатики, занимающаяся проблемами получения различных изображений (рисунков, чертежей, мультипликации) на компьютере.

Работа с компьютерной графикой - одно из самых популярных направлений использования персонального компьютера, причем занимаются этой работой не только профессиональные художники и дизайнеры. На любом предприятии время от времени возникает необходимость в подаче рекламных объявлений в газеты и журналы, в выпуске рекламной листовки или буклета. Иногда предприятия заказывают такую работу специальным дизайнерским бюро или рекламным агентствам, но часто обходятся собственными силами и доступными программными средствами.

Без компьютерной графики не обходится ни одна современная программа. Работа над графикой занимает до 90% рабочего времени программистских коллективов, выпускающих программы массового применения.

Основные трудозатраты в работе редакций и издательств тоже составляют художественные и оформительские работы с графическими программами.

Необходимость широкого использования графических программных средств стала особенно ощутимой в связи с развитием Интернета и, в первую очередь, благодаря службе World Wide Web, связавшей в единую "паутину" миллионы "домашних страниц". У страницы, оформленной без компьютерной графики, мало шансов привлечь к себе массовое внимание.



1. Виды компьютерной графики

По способам задания изображений графику можно разделить на категории:

- Двухмерная графика - (2D -- от англ. two dimensions -- «два измерения») - оперирует с объектами в двумерном пространстве. Делится на векторную, растровую и фрактальную.

- Трёхмерная графика - (3D -- от англ. three dimensions -- «три измерения») оперирует с объектами в трёхмерном пространстве. Обычно результаты представляют собой плоскую картинку, проекцию.

1.1 Двумерная графика

1.1.1 Растровая графика

Растровое изображение -- изображение, представляющее собой сетку пикселей или цветных точек (обычно прямоугольную) на компьютерном мониторе, бумаге и других отображающих устройствах и материалах. Растровую графику редактируют с помощью растровых графических редакторов. Создается растровая графика фотоаппаратами, сканерами, непосредственно в растровом редакторе, также путем экспорта из векторного редактора или в виде снимков экрана.

Важными характеристиками изображения являются:

- количество пикселей -- может указываться отдельно количество пикселей по ширине и высоте (1024Ч768, 640Ч480 и т. п.) или же общее количество пикселей;

- количество используемых цветов или глубина цвета;

- цветовое пространство (цветовая модель) -- RGB, CMYK, XYZ, YCbCr и др.;

- разрешение -- величина, определяющая количество точек (элементов растрового изображения) на единицу площади (или единицу длины);

Преимущества:

- позволяет создать практически любой рисунок, вне зависимости от сложности, в отличие, например, от векторной, где невозможно точно передать эффект перехода от одного цвета к другому без потерь в размере файла.

- Распространённость -- растровая графика используется сейчас практически везде: от маленьких значков до плакатов.

- Высокая скорость обработки сложных изображений, если не нужно масштабирование.

- Растровое представление изображения естественно для большинства устройств ввода-вывода графической информации, таких как мониторы (за исключением векторных устройств вывода), матричные и струйные принтеры, цифровые фотоаппараты, сканеры, а также сотовые телефоны.

Недостатки:

- Большой размер файлов у простых изображений.

- Невозможность идеального масштабирования (рис. 1).

- Невозможность вывода на печать на графопостроитель.

Из-за этих недостатков для хранения простых рисунков рекомендуют вместо даже сжатой растровой графики использовать векторную графику.

Рис. 1. Растровая графика

Форматы

Растровые изображения обычно хранятся в сжатом виде. В зависимости от типа сжатия может быть возможно или невозможно восстановить изображение в точности таким, каким оно было до сжатия (сжатие без потерь или сжатие с потерями соответственно). Так же в графическом файле может храниться дополнительная информация: об авторе файла, фотокамере и её настройках, количестве точек на дюйм при печати и др.

Сжатие без потерь

- BMP или Windows Bitmap -- обычно используется без сжатия, хотя возможно использование алгоритма RLE.

- GIF (Graphics Interchange Format) -- устаревающий формат, поддерживающий не более 256 цветов одновременно. Он всё ещё популярен из-за поддержки анимации, которая отсутствует в чистом PNG, хотя ПО начинает поддерживать APNG.

- PCX - устаревший формат, позволявший хорошо сжимать простые рисованные изображения (при сжатии группы подряд идущих пикселов одинакового цвета заменяются на запись о количестве таких пикселов и их цвете).

- PNG (Portable Network Graphics)

Сжатие с потерями

Основано на отбрасывании части информации (как правило, наименее воспринимаемой глазом).

- JPEG - очень широко используемый формат изображений. Сжатие основано на усреднении цвета соседних пикселей (информация о яркости при этом не усредняется) и отбрасывании высокочастотных составляющих в пространственном спектре фрагмента изображения. При детальном рассмотрении сильно сжатого изображения заметно размытие резких границ и характерный муар вблизи них.

Разное:

- TIFF - поддерживает большой диапазон изменения глубины цвета, разные цветовые пространства, разные настройки сжатия (как с потерями, так и без) и др.

- Raw - хранит информацию, непосредственно получаемую с матрицы цифрового фотоаппарата или аналогичного устройства без применения к ней каких-либо преобразований, а также хранит настройки фотокамеры. Позволяет избежать потери информации при применении к изображению различных преобразований (потеря информации происходит в результате округления и выхода цвета пиксела за пределы допустимых значений). Используется при съёмке в сложных условиях (недостаточная освещённость, невозможность выставить баланс белого и т. п.) для последующей обработки на компьютере (обычно в ручном режиме). Практически все полупрофессиональные и профессиональные цифровые фотоаппараты позволяют сохранять RAW изображения. Формат файла зависит от модели фотоаппарата, единого стандарта не существует.

- EPS (Encapsulated PostScript)

Благодаря своей надежности, совместимости со многими программами и платформами и куче настраиваемых параметров, формат eps является выбором большинства профессионалов в области полиграфии. Он предназначен сугубо для переноса готовых изображений в программы верстки, поддерживает цветовые модели CMYK. RGB, дуплексы и содержит готовые команды устройству вывода. В eps можно сохранить информацию о треппинге, типографском растре, внедренных шрифтах и обтравочных контурах. Данные хранятся тремя способами: ASCII (медленный, но наиболее совместимый), Binary (быстрый и компактный), JPEG (быстрый, но с потерями качества и плохой совместимостью). При сохранении в eps можно указать формат и глубину цвета эскиза, который для ускорения работы будет выводиться на экран в программах верстки вместо большого оригинала.

1.1.2 Векторная графика

Векторная графика представляет изображение как набор геометрических примитивов. Обычно в качестве них выбираются точки, прямые, окружности, прямоугольники, а также как общий случай, сплайны некоторого порядка. Объектам присваиваются некоторые атрибуты, например, толщина линий, цвет заполнения. Рисунок хранится как набор координат, векторов и других чисел, характеризующих набор примитивов. При воспроизведении перекрывающихся объектов имеет значение их порядок.

Изображение в векторном формате даёт простор для редактирования. Изображение может без потерь масштабироваться (рис. 2), поворачиваться, деформироваться, также имитация трёхмерности в векторной графике проще, чем в растровой.

Рис. 2. Сравнение растровой и векторной графики

Таблица 1. Сравнение растровой и векторной графики

Критерий сравнения	Растровая графика	Векторная графика
Способ представления изображения	Растровое изображение строится из множества пикселей.	Векторное изображение описывается в виде последовательности команд.
Представление объектов реального мира	Растровые рисунки эффективно используются для представления реальных образов.	Векторная графика не позволяет получать изображения фотографического качества.
Качество редактирования изображения	При масштабировании и вращении растровых картинок возникают искажения.	Векторные изображения могут быть легко преобразованы без потери качества.
Особенности печати изображения	Растровые рисунки могут быть легко напечатаны на принтерах.	Векторные рисунки иногда не печатаются или выглядят на бумаге не так, как хотелось бы.

Вместе с тем, не всякое изображение можно представить как набор из примитивов. Такой способ представления хорош для схем, используется для масштабируемых шрифтов, деловой графики, очень широко используется для создания мультфильмов и просто роликов разного содержания.

Таким образом, выбор растрового или векторного формата зависит от целей и задач работы с изображением. Если нужна фотографическая точность цветопередачи, то предпочтительнее растр. Логотипы, схемы, элементы оформления удобнее представлять в векторном формате.

1.1.3 Фрактальная графика

Фрактальная графика основана на математических вычислениях. Базовым элементом фрактальной графики является сама математическая формула, то есть никаких объектов в памяти компьютера не хранится, и изображение строится исключительно по уравнениям. Таким способом строят как простейшие регулярные структуры, так и сложные иллюстрации, имитирующие природные ландшафты и трехмерные объекты (рис. 3).

Рис. 3. Фрактальная графика

Фрактал -- объект, отдельные элементы которого наследуют свойства родительских структур. Поскольку более детальное описание элементов меньшего масштаба происходит по простому алгоритму, описать такой объект можно всего лишь несколькими математическими уравнениями.

Фракталы позволяют описывать целые классы изображений, для детального описания которых требуется относительно мало памяти. С другой стороны, фракталы слабо применимы к изображениям вне этих классов.

1.2 Трёхмерная графика

Трёхмерная графика оперирует с объектами в трёхмерном пространстве. Обычно результаты представляют собой плоскую картинку, проекцию (рис. 4). Трёхмерная компьютерная графика широко используется в кино, компьютерных играх.

Рис. 4. Трехмерная графика

Моделирование

- Моделирование сцены (виртуального пространства моделирования) включает в себя несколько категорий объектов:

- Геометрия (построенная с помощью различных техник (напр., создание полигональной сетки) модель, например здание);

- Материалы (информация о визуальных свойствах модели, например цвет стен и отражающая/преломляющая способность окон);

- Источники света (настройки направления, мощности, спектра освещения);

- Виртуальные камеры (выбор точки и угла построения проекции) (рис. 5);

- Силы и воздействия (настройки динамических искажений объектов, применяется в основном в анимации);

- Дополнительные эффекты (объекты, имитирующие атмосферные явления: свет в тумане, облака, пламя и пр.)

Рис. 5. Схема проецирования сцены на экран компьютера

Задача трёхмерного моделирования -- описать эти объекты и разместить их в сцене с помощью геометрических преобразований в соответствии с требованиями к будущему изображению.

Назначение материалов: для сенсора реальной фотокамеры материалы объектов реального мира отличаются по признаку того, как они отражают, пропускают и рассеивают свет; виртуальным материалам задается соответствие свойств реальных материалов -- прозрачность, отражения, рассеивания света, шероховатость, рельеф и пр.

Программные пакеты, позволяющие создавать трёхмерную графику:

- Autodesk 3ds Max

- Autodesk Maya

- Autodesk Softimage

- Cinema 4D

- Houdini

- Modo

- LightWave 3D

- Caligari Truespace



2. Теория цвета

Цвет это достаточно сложное понятие, которое имеет отношение не столько к физике, сколько к физиологии человека и способам его восприятия. Одно и то же изображение, раскрашенное в разной цветовой гамме, может в одном случае притягивать, а в другом - отталкивать. Поэтому при создании изображений надо руководствоваться не только техникой создания и редактирования рисунка, но и знанием того, как образуются и воспринимаются цвета и оттенки.

У цвета есть следующие атрибуты: цветовой тон, яркость, насыщенность, цветовая температура.

Цветовой тон является таким атрибутом, который позволяет различать цвета как красный, желтый, зеленый, синий или как промежуточный между двумя соседними парами этих цветов. Разница в цветовых тонах в первую очередь зависит от длины волны света, попадающего в глаз.

Яркость относится к относительной светлости или темноте цвета. Она определяется степенью отражения от физической поверхности, на которую падает свет. Чем выше яркость, тем светлее цвет.

Насыщенность относится к тому, насколько живым выглядит цвет. Она измеряется в терминах отличия данного цвета от бесцветного (нейтрального) серого цвета с той же самой степенью яркости. Чем ниже насыщенность, тем более серым выглядит цвет. При нулевой насыщенности цвет становится серым.

Цветовая температура характеризует спектральный состав источника света, выражается в градусах по шкале Кельвина и базируется на воображаемом объекте, называемом черным телом.

Цветовая температура - это такая температура черного тела, при которой его энергетическая светимость равна энергетической светимости данного источника (например, лампы).

Чем ниже цветовая температура, тем цвет ближе к красному; чем выше цветовая температура, тем цвет ближе к синему. Это объясняет, почему один и тот же красный элемент одежды будет выглядеть по-разному на улице и внутри при люминесцентном освещении.



3. Цветовые модели

Цветовые модели используются для математического описания определенных цветовых областей спектра. Большинство компьютерных цветовых моделей основано на использовании трех основных цветов, что соответствует восприятию цвета человеческим глазом.

Каждому основному цвету присваивается определенное значение цифрового кода, после чего все остальные цвета определяются как комбинация основных цветов.

Независимо от того, что лежит в ее основе, любая модель должна удовлетворять трем требованиям:

1. реализовывать определения цвета некоторым стандартным способом, не зависящим от возможностей какого-либо конкретного устройства;

2. точно воссоздавать диапазон воспроизводимых цветов, поскольку ни одно множество цветов не является бесконечным;

3. учитывать механизм восприятия цвета - излучение или отражение.

Большинство графических пакетов позволяет оперировать широким кругом цветовых моделей, часть из которых создана для специальных целей, а другая для особых типов красок. По принципу действия цветовые модели можно условно разбить на три класса:

1. аддитивные (RGB), основанные на сложении цветов;

2. субтрактивные (CMY, CMYK), основу которых составляет операция вычитания цветов (субтрактивный синтез);

3. перцепционные (HSB, HLS, Lab, YCC), базирующиеся на восприятии.3.1 Аддитивные цветовые модели

Аддитивный цвет получается путем соединения лучей света разных цветов. В основе этого явления лежит тот факт, что большинство цветов видимого спектра могут быть получены путем смешивания в различных пропорциях трех основных цветовых компонент. Этими компонентами, которые в теории цвета называются первичными, являются красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue). При попарном смешивании первичных цветов образуются вторичные цвета: голубой (Cyan), пурпурный (Magenta) и желтый (Yellow) (рис. 6).

Для получения новых цветов с помощью аддитивного синтеза можно использовать и различные комбинации из двух основных цветов, варьирование состава которых приводит к изменению результирующего цвета.

В графических пакетах цветовая модель RGB используется для создания цветов изображения на экране монитора, основными элементами которого являются три электронных прожектора и экран с нанесенными на него тремя разными люминофорами, имеющими различные спектральные характеристики. Один люминофор под действием падающего на него электронного луча излучает красный цвет, другой - зеленый, третий - синий.

Рис. 6. Аддитивные цветовые модели

3.2 Субтрактивные цветовые модели

Для описания печатных цветов используется модель CMY, базирующаяся на субтрактивный цветах. Субтрактивные цвета получаются вычитанием вторичных цветов из общего луча света. В этой системе белый цвет появляется как результата отсутствия всех цветов, тогда как их присутствие дает черный цвет.

Существуют две наиболее распространенные версии субтрактивной модели CMY и CMYK. Первая из них используется в том случае, когда изображение будет выводиться на черно-белом принтере. В ее основе лежит использование трех вторичных цветов: голубого, пурпурного и желтого (рис. 7). Теоретически при смешивании трех этих цветов в равной пропорции на белой бумаге получается черный цвет. Однако в реальном технологическом процессе получение черного цвета путем смешения трех основных цветов для бумаги неэффективно. Поэтому при печати чистого черного цвета используется добавка дополнительной черной компоненты цвета. Что приводит к изменению названия цветовой модели: от CMY к CMYK.

Рис. 7. Субтрактивные цветовые модели

3.3 Перпеционные цветовые модели

Для устранения аппаратной зависимости был разработан ряд так называемых перцепционных (иначе ? интуитивных) цветовых моделей. В их основу заложено раздельное определение яркости и цветности. Такой подход обеспечивает ряд преимуществ:

- позволяет обращаться с цветом на интуитивно понятном уровне;

- значительно упрощает проблему согласования цветов, поскольку после установки значения яркости можно заняться настройкой цвета.

Существует несколько цветовых моделей, использующих концепцию разделения яркости и цветности:

- HSV,

- HIS,

- HSB,

- HSL,

- YUV.

Общим для них является то, что цвет задается не в виде смеси трех основных цветов: красного, синего и зеленого, ? а определяется путем указания двух компонентов: цветности (цветового тона и насыщенности) и яркости.

Цветовая модель HSB

Эта цветовая модель является наиболее простой для понимания. Кроме того, она равно применима и для аддитивных, и для субтрактивных цветов.

HSB -- это трехканальная модель цвета. Она получила название по первым буквам английских слов: цветовой тон (hue), насыщенность (saturation), яркость (brightness) (рис. 8).

Характеризующие параметры цвета:

1. Цветовой тон (собственно цвет). Цветовые тона или спектральные цвета располагаются на цветовом круге. Цветовой тон характеризуется положением на цветовом круге и определяется величиной угла в диапазоне от 0 до 360 градусов. Эти цвета обладают максимальной насыщенностью и максимальной яркостью.

2. Насыщенность (процент добавления к цвету белой краски) -- это параметр цвета, определяющий его чистоту. Если по краю цветового круга располагаются максимально насыщенные цвета (100%), то остается только уменьшать их насыщенность до минимума (0%). Цвет с уменьшением насыщенности осветляется, как будто к нему прибавляют белую краску. При значении насыщенности 0% любой цвет становится белым.

3. Яркость (процент добавления черной краски) -- это параметр цвета, определяющий освещенность или затемненность цвета. Все цвета рассмотренного выше цветового круга имеют максимальную яркость (100%) и ярче уже быть не могут. Яркость можно уменьшить до минимума (0%). Уменьшение яркости цвета означает его зачернение. Работу с яркостью можно характеризовать как добавление в спектральный цвет определенного процента черной краски.

В общем случае, любой цвет получается из спектрального цвета добавлением определенного процента белой и черной красок, то есть фактически серой краски.

Рис. 8. Графическое представление HSB

При работе в графических программах с ее помощью очень удобно подбирать цвет, так как представление в этой модели цвета согласуется с его восприятием человеком.

Заключение

Область применения компьютерной графики не ограничивается одними художественными эффектами. Во всех отраслях науки, техники, медицины, в коммерческой и управленческой деятельности используются построенные с помощью компьютера схемы, графики, диаграммы, предназначенные для наглядного отображения разнообразной информации. Конструкторы, разрабатывая новые модели автомобилей и самолетов, используют трехмерные графические объекты, чтобы представить окончательный вид изделия. Архитекторы создают на экране монитора объемное изображение здания, и это позволяет им увидеть, как оно впишется в ландшафт.



Список терминов

1. Растровое изображение -- изображение, представляющее собой сетку пикселей или цветных точек (обычно прямоугольную) на компьютерном мониторе, бумаге и других отображающих устройствах и материалах.

2. Разрешение -- величина, определяющая количество точек (элементов растрового изображения) на единицу площади (или единицу длины);

3. Векторная графика -- способ представления объектов и изображений в компьютерной графике, основанный на использовании элементарных геометрических объектов, таких как: точки, линии, сплайны и многоугольники. Объекты векторной графики являются графическими изображениями математических функций.

4. Треппинг -- применяемый на допечатной стадии полиграфического процесса (при изготовлении макета) приём маскировки дефектов приводки. Заключается в утолщения контуров плашек на определенную величину для предотвращения образования зазоров на стыке двух областей разного цвета из-за несовмещения цветов при многокрасочной типографской печати.

5. Фрактал -- объект, отдельные элементы которого наследуют свойства родительских структур.

6. Трёхмерная графика -- раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов.

7. Полигональная сетка (жарг. меш от англ. polygon mesh) -- это совокупность вершин, рёбер и граней, которые определяют форму многогранного объекта в трехмерной компьютерной графике и объёмном моделировании. Гранями обычно являются треугольники, четырехугольники или другие простые выпуклые многоугольники (полигоны), так как это упрощает рендеринг, но сетки могут также состоять и из наиболее общих вогнутых многоугольников, или многоугольников с дырками.

8. Ремндеринг (англ. rendering -- «визуализация») -- термин в компьютерной графике, обозначающий процесс получения изображения по модели с помощью компьютерной программы.

9. Модель -- это описание любых объектов или явлений на строго определённом языке или в виде структуры данных. Такое описание может содержать геометрические данные, положение точки наблюдателя, информацию об освещении, степени наличия какого-то вещества, напряжённость физического поля и пр.

10. Цвет -- качественная субъективная характеристика электромагнитного излучения оптического диапазона, определяемая на основании возникающего физиологического зрительного ощущения и зависящая от ряда физических, физиологических и психологических факторов.

11. Светлота (яркость) - степень близости цвета к белому.

12. Насыщенность - степень отличия хроматического цвета от равного ему по светлоте ахроматического, «глубина» цвета.

13. Ахроматические цвета (в буквальном переводе с греческого - бесцветные) цвета - это черный, белый и вся шкала серых между ними. Все оттенки ахроматической группы не имеют цветового тона и отличаются друг от друга только светлотой. Белый - самый светлый цвет, черный - самый темный. Светло-серый, средне-серый, темно-серый (и другие градации серого) занимают промежуточные ступени светлоты между белым и черным.

14. Хроматические цвета (англ. chromatic colors) - все цвета, за исключением белого, черного и всех оттенков серого. Наряду со светлотой эти цвета характеризуются также цветовым тоном и насыщенностью.

15. Цветовой тон - качество, обозначаемое названием цвета. Воспринимаемый цветовой тон зависит от спектрального состава действующего на глаз света. В наилучших условиях наблюдения человек может различать более 500 различных цветовых тонов.

16. Насыщенность - это степень выраженности данного цветового тона, т. е. степень его отличия от серого, одинакового с ним по светлоте.

17. Люминофомр (от лат. lumen -- свет и др.-греч. цпсьт -- несущий) -- вещество, способное преобразовывать поглощаемую им энергию в световое излучение (люминесцировать).

18. Аддитивное смешение цветов -- метод синтеза цвета, основанный на сложении аддитивных цветов.

19. Аддитивный цвет (от англ. add -- добавлять, складывать) получается при соединении лучей света разных цветов. В этой системе отсутствие всех цветов представляет собой черный цвет, а присутствие всех цветов -- белый.

20. Смешением субтрактивного типа (или вычитательным смешением) называется образование новых цветов путем последовательного поглощения различных цветовых лучей падающего света.



Список использованных источников

1. Основные сведения о компьютерной графике. URL:http://project68.narod.ru (дата обращения:19.11.2013).

2. Википедия -- свободная энциклопедия: Компьютерная графика URL:http://www. wikipedia.org (дата обращения: 19.11.2013).

3. Теория цвета. Цветовые модели. URL:http://daxnow.narod.ru (дата обращения: 19.11.2013).

4. Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов: Анализ цветовых моделей, получивших широкое распространение, и причин их появления. URL http://jurnal.org (дата обращения: 19.11.2013).

5. Колледж автоматизации и информационных технологий №20. URL: http://www.junior.ru/students/sumerkina/HSB.htm (дата обращения: 24.11.2013).

Размещено на Allbest.ru

...