Компьютерная графика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Компьютерная графика



1. Введение

изображение графика цвет векторный

Компьютерная графика - область информатики, изучающая методы и средства создания и обработки изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов. При этом, если пользователь может управлять характеристиками объектов, то говорят об интерактивной компьютерной графике.

Представление данных на мониторе компьютера в графическом виде впервые было реализовано в середине 1950-х годов для большинства ЭВМ, применявшихся в научных и военных исследованиях. В настоящее время коммерческим приложениям, использующим современные технологии обработки изображений, не более десятка лет. Андриес ван Дам считается одним из отцов компьютерной графики, а его книги - фундаментальными учебниками по всему спектру технологий, положенных в основу машинной графики (автоматизированное обучение с тренажерами, моделированием и мультипликацией, создание учебных пособий на основе компьютерной верстки и использования произведений науки и искусства, выполнение исследовательских работ и др.).

При обработке информации, связанной с изображением на мониторе, принято выделять три основных направления (см. рис. 1.1):

распознавание образов;

обработка изображений;

машинная графика.

Основная задача распознавания образов - преобразование уже имеющегося изображения на формально понятный язык символов. Распознавание образов или система технического зрения (computer vision) - совокупность методов, позволяющих получить описание изображения, поданного на вход, либо отнести заданное изображение к некоторому классу. Одной из задач технического зрения является так называемая склетизация объектов, при которой восстанавливается некая основа объекта, его «скелет».

Обработка изображений (image processing) рассматривает задачи, в которых входные и выходные данные являются изображениями. Например, передача изображения с устранением шумов и сжатием данных, переход от одного вида изображения к другому (от цветного к черно белому) и т.д.

Компьютерная (машинная) графика (computer graphics) воспроизводит изображение в случае, когда исходной является информация неизобразительной природы. Например, визуализация экспериментальных данных в виде графиков, гистограмм или диаграмм, вывод информации на экран компьютерных играх, синтез сцен на тренажерах.

Существует несколько классов приложений компьютерной графики. Основными из них являются деловая графика, иллюстративная, инженерная (конструкторская) и научная.

Системы деловой графики предназначены для иллюстрации данных, значения которых чаще всего извлекаются из баз данных и электронных таблиц. Большинство таких пакетов позволяет оперативно представлять данные непосредственно после ввода их в компьютер и выбора типа представления. Работа с ними проста, оперативна и не требует больших затрат на подготовку. Отображаемые данные чаще всего представляют двухмерный массив.

Наиболее распространенными формами графического отображения данных являются гистограммы, круговые диаграммы и линейные графики. Большинство пакетов позволяет совмещать различные формы представления данных, снабжать изображение дополнительными декоративными элементами, применять различные трансформации отдельных элементов изображения (получение зеркального отражения, вытягивание вдоль одной из осей, вращение, вырезание отдельных частей), накладывать изображения одно на другое.

Иллюстративная графика предназначена для создания машинных изображений, которые играют роль иллюстративного материала (изображения в виде схем, эскизов, исторических карт, рисунков и т. д.).

Пакеты снабжаются широким набором средств создания графических изображений на основе регулярных структур (графических примитивов: окружностей, прямоугольников, эллипсов, линий и т. п.) и средств манипулирования ими. Фигуры можно перемещать, масштабировать, изменять их раскраску, вращать, накладывать одну на другую, деформировать (сжимать, растягивать и т. п.). Такой тип изображения относится к так называемой векторной или координатной графике, поскольку каждый объект задается координатами опорных точек и некоторыми параметрами.

Другой разновидностью графики являются изображения на основе нерегулярных структур. Для построения таких изображений в пакетах имеются средства свободного рисования, которые моделируют работу с карандашом, кистями и красками. В них включены также средства вырезания, стирания и склеивания фрагментов изображения, компоновки их отдельных заготовок, взятых из базы фрагментов. Некоторые редакторы располагают средствами «оживления рисунков» (мультипликации). Как правило, в таких редакторах имеется набор собственных масштабируемых шрифтов.

Пакеты и системы инженерной (конструкторской) графики ориентируются главным образом на автоматизацию чертежных и конструкторских работ, применяются в так называемых системах автоматизации проектирования (САПР) при конструировании механических, электрических, электронных устройств и выполнении подобных работ в строительстве и архитектуре.

Пакеты инженерной графики служат для создания как эскизов, так и точных чертежей. Они содержат собственные базы стандартизованных графических изображений по автоматизируемым направлениям деятельности, средства масштабирования, редактирования и выполнения расчетов, программные системы компоновки и оптимизации.

Научная графика - это направление, которое начало развиваться позже по сравнению с выше рассмотренными видами графики и интегрирует возможности деловой и инженерной графики.

Графические пакеты научной графики манипулируют со значительным количеством классов отображаемых объектов. Изображения могут быть представлены в виде линейных графиков, карт, изолиний, трехмерных каркасных, полутоновых и цветных диаграмм, векторных полей, линий тока и т. д. Системы научной графики компонуются пакетами математической поддержки и моделирования или входят в состав таких пакетов и систем.

Для представления графической информации на плоскости (например, экране монитора, и т.п.) в вычислительной технике применяются два основных подхода: растровый и векторный.

При векторном подходе графическая информация описывается как совокупность геометрических объектов (точек, отрезков прямых, кривых, полигонов), заданных координатами своих опорных точек (вершин).

Растровая графика же оперирует изображениями в виде растров.

Растровая компьютерная графика подразделяется:

Двумерная (растровая графика) - основной объект дискретная плоскость (прямоугольная область дискретной плоскости);

Трехмерная (объемная графика) - основной объект трехмерное дискретное пространство, элементы которого (обычно кубической формы) называются вокселами.

Векторная графика так же делится на двумерную и трехмерную. Эти разделы имеют дело с плоскими или объемными геометрическими моделями, соответственно.

Про алгоритмы, работающие с растровой графикой, говорят, что они работают в пространстве изображения (англ. image space), а про алгоритмы, работающие с векторной графикой, - что они работают в объектном пространстве (англ. object space).



2. Растровая графика

В компьютерной графике термином пиксел обозначают несколько разных понятий:

отдельная точка экрана;

отдельная точка на печати;

отдельный элемент растрового изображения.

Растровый рисунок имеет определенное количество пикселов в горизонтальных и вертикальных рядах - коэффициент прямоугольности. Для экранов коэффициенты прямоугольности или размер изображения бывают 320х200, 320х240, 600х400, 640х480, 800х600 и др. - размер изображения.

Понятие коэффициента прямоугольности пикселов в отличие от коэффициента прямоугольности изображения относится к реальным размерам видео пиксела и является отношением реальной ширины к реальной высоте. Данный коэффициент зависит от размера дисплея и текущего разрешения, и поэтому на разных компьютерных системах принимает различные значения.

Пикселы не имеют своих собственных размеров, они приобретают их только при выводе на некоторые виды устройств, такие как монитор или принтер. Для того чтобы помнить действительные размеры растрового рисунка, файлы растровой графики иногда хранят разрешающую способность растра. Разрешающая способность это просто число элементов заданной области. Когда мы говорим о растровой графике, то минимальным элементом обычно является пиксел, а заданной областью дюйм. Поэтому разрешающую способность файлов растровой графики принято задавать в пикселах на дюйм. Файлы растровой графики занимают большое количество памяти компьютера. Некоторые картинки занимают большой объем памяти из-за большого количества пикселов, любой из которых занимает некоторую часть памяти. Наибольшее влияние на количество памяти занимаемой растровым изображением оказывают три факта:

размер изображения;

битовая глубина цвета;

формат файла, используемого для хранения изображения.

Многие файлы изображений обладают собственными схемами сжатия, также могут содержать дополнительные данные краткого описания изображения для предварительного просмотра.

Растровая графика обладает как достоинствами, так и недостатками.

Данный вид графики эффективно представляет реальные образы. Реальный мир состоит из миллиардов мельчайших объектов и человеческий глаз как раз приспособлен для восприятия огромного набора дискретных элементов, образующих предметы. На своем высшем уровне качества -- изображение выглядят вполне реально подобно тому, как выглядят фотографии в сравнении с рисунками. Это верно только для очень детализированных изображений, обычно получаемых сканированием фотографий. Помимо естественного вида растровые изображения имеют другие преимущества. Устройства вывода, такие как лазерные принтеры, для создания изображений используют наборы точек. Растровые изображения могут быть очень легко распечатаны на таких принтерах, потому что компьютерам легко управлять устройством вывода для представления отдельных пикселов с помощью точек.

К недостаткам растровой графики относят большое количество занимаемой памяти. Существует так же проблема редактирования растровых изображений, так как большие растровые изображения занимают значительные массивы памяти, то для обеспечения работы функций редактирования таких изображений потребляются так же значительные массивы памяти и другие ресурсы компьютера.

Цифровое изображение - набор точек (пикселей) изображения; каждая точка изображения характеризуется координатами x и y и яркостью V(x,y), это дискретные величины, обычно целые. В случае цветного изображения, каждый пиксель характеризуется координатами x и y, и тремя яркостями: яркостью красного, яркостью синего и яркостью зеленого (V_R , V_B , V_G).

Рисунок 2.1 - Цифровое (точечное) изображение

Под градацию яркости обычно отводится 1 байт, причем 0 - черный цвет, а 255 - белый (максимальная интенсивность). В случае цветного изображения отводится по байту на градации яркостей всех трех цветов. Возможно кодирование градаций яркости другим количеством битов (4 или 12), но человеческий глаз способен различать только 8 бит градаций на каждый цвет, хотя специальная аппаратура может потребовать и более точную передачу цветов.

Цветовое пространство, образуемое интенсивностями красного, зеленого и синего, представляют в виде цветового куба.

Рисунок 2.2 - «Цветовой Куб»

Вершины куба размещающиеся на осях Оx, Oy и Oz являются максимальными интенсивностями зеленого, синего и красного соответственно, а треугольник которые они образуют называется треугольником Паскаля периметр этого треугольника соответствует максимально насыщенным цветам. На отрезке OD находятся оттенки серого, причем тока O соответствует черному, а точка D белому цвету.

Растр - это порядок расположения точек (растровых элементов). На рисунке 2.1 изображен растр, элементами которого являются квадратами. Такой растр называется квадратным, именно такие растры наиболее часто используются. Хотя возможно использование в качестве растрового элемента фигуры другой формы, соответствующего следующим требованиям:

1.Все фигуры должны быть одинаковые;

2.Должны полностью покрывать плоскость.

В качестве растрового элемента возможно использование равностороннего треугольника (рис. 2.3), правильного шестиугольника (гексаэдра)(рис.2.4).

Рисунок 2.3 - Треугольный растр Рисунок 2.4 - Гексагональный растр

Форматы файлов

Одним из первых форматов BMP, был разработан компанией Microsoft и широко используется для представления растровых изображений. Может сохранять изображения с количеством бит на пиксел: 1, 4, 8 и 24. Для сжатия используется метод группового кодирования (RLE), при этом можно получить довольно высокую степень сжатия однородных картинок с небольшим количеством цветов. Однако многие прикладные программы сжатие BMP-файлов не поддерживают. Сжатые BMP-файлы могут иметь расширение *.rle.

Формат GIF разработан фирмой CompuServe как независящий от платформы растровый формат. Предназначен для хранения растровых изображений с компрессией. Для сжатия используется метод LZW. Благодаря компактности файлов он быстро вытеснил ряд других форматов типа PCX и в настоящее время этот формат -- самый популярный формат в сети Интернет. Недостатки:

- поддерживает не более 256 цветов, поэтому не подходит для полиграфии и передачи изображений высокого качества;

- не поддерживал альфа-каналы (прозрачность);

- медленность каналов передачи и много времени на загрузку изображения

В 1989 г. был разработан новый стандарт «GIF89a». Особенности:

- поддержка чересстрочной развертки. В новом формате можно было сохранять строки изображения не только последовательно одна за другой, но и в другом порядке -- сначала каждую восьмую строку, затем каждую етвертую, затем каждую вторую и, наконец, -- все оставшиеся. Это давало возможность пользователям, загрузив только одну восьмую часть изображения уже представить его и решить, стоит ли его загружать дальше.

- поддержка прозрачного цвета (только одного).

Формат JPEG. Формат поддерживает полноцветные фотореалистичные изображения и обеспечивает очень высокую компрессию файлов, но он не решает всех проблем графики в Сети - не очень подходит для общего дизайна web-страниц, в которых есть четкие линии, рамки, непрямоугольные изображения

3. Векторная графика

В векторной графике изображение строится с помощью математических описаний объектов, окружностей и линий. Для некоторых видов изображений использование математических описаний является более простым способом представления, чем использование растровых массивов. Векторную графику часто называют объектно-ориентированной графикой или чертежной графикой.

Благодаря математическому описанию компьютерные устройства вычисляют и помещают в нужном месте реальные точки при рисовании объектов.

Основным логическим элементом векторной графики является геометрический объект. Простые объекты (окружности, линии, сферы, кубы и т.п.) называются примитивами, и используются при создании более сложных объектов, которые создаются путем комбинации различных примитивов. В трехмерной компьютерной графике для создания сложных рисунков могут использоваться такие элементы как сферы, кубы.

Важным объектом векторной графики является сплайн. Сплайн - это кривая, посредством которой описывается та или иная геометрическая игура. На сплайнах построены такие современные шрифты как TrueType и PostScript.

Простейшие форматы используют цвет по умолчанию тех устройств, на которые они выводятся, другие форматы способны сохранять данные о полном тридцати двух битном цвете. Какую бы цветовую модель не применял бы векторный формат, на размер файла он не влияет, кроме тех случаев, когда файл содержит растровые образы. В обычных векторных объектах значение цвета относится ко всему объекту в целом. Цвет объекта хранится в виде части его векторного описания.

Некоторые векторные файлы могут создать растровый эскиз изображений хранящихся в них, что полезно в ситуациях, когда нет необходимости открывать файл (например, при поиске) или когда вы не можете видеть векторный рисунок во время его использования (например при помещении на страницу в издательском пакете).

За эскизы изображения приходится расплачиваться памятью, т. к. эскизы -- это растровая версия рисунков, а растровые данные используют много памяти компьютера.

Достоинства векторной графики.

экономия дискового пространства, это связано с тем, что сохраняется не само изображение, а только некоторые основные данные, используя которые, программа всякий раз воссоздает изображение заново.

описание цветовых характеристик почти не увеличивает размер файла.

Объекты векторной графики легко трансформируются и модифицируются, что не оказывает практически никакого влияния на качество изображения.

4)Масштабирование, поворот, искривление могут быть сведены к нескольким элементарным преобразованиям над векторами.

В тех областях графики, где важное значение имеет сохранение ясных и четких контуров, например, в шрифтовых композициях, в создании логотипов и прочее, векторные программы незаменимы.

4. Фрактальная графика

Фрактальная графика, как и векторная - вычисляемая, но отличается от неё тем, что в памяти компьютера хранятся формулы, а не объекты.

Изображение строится по уравнению или по системе уравнений. Если изменить коэффициенты в уравнении, то получается совершенно другое изображение. Способность фрактальной графики моделировать образы живой природы вычислительным путем часто используют для автоматической генерации необычных иллюстраций.

Основное свойство фракталов -- самоподобие. Любой микроскопический фрагмент фрактала в том или ином отношении воспроизводит его глобальную структуру. В простейшем случае часть фрактала представляет собой просто уменьшенный целый фрактал.

С помощью фрактальной графики создаются как простейшие регулярные структуры, так и сложные иллюстрации, имитирующие природные ландшафты и трехмерные объекты.

Файлы фрактальных изображений имеют расширение .fif. Обычно файлы в формате .fif получаются несколько меньше файлов в формате .jpg, но бывает и наоборот. Файлы в формате .jpg почти сразу демонстрируют свою дискретную природу: при изменении размера, появляется «лесенка» .fif файлы, с увеличением показывают все новую степень детализации структуры, сохраняя эстетику изображения.

5. Программное обеспечение для работы с графикой

Потребность ввода графиков, схем, рисунков в текст вызвала потребность создания такого вида программного обеспечения как графические процессоры.

Графический процессор - инструментальное средство, позволяющее создавать и модифицировать графические образы с использованием иллюстративной, коммерческой, научной или другой графики.

Большинство графических процессоров удовлетворяют стандарту пользовательского интерфейса WIMP (Windows Image Menu Pointer), который основывается на следующем:

- панель включает меню действий, линейку инструментов и палитру цветов;

- на линейке инструментов расположены графические символы, которые необходимы для построения изображения любой степени сложности;

- палитра цветов содержит цветовую гамму монитора ПК.

Графические процессоры делятся на пакеты растровой, векторной и фрактальной графики. Пакеты первого типа предназначены для работы с рисунками и фотографиями и включают в себя набор средств по кодированию изображения (Adobe PhotoShop, Picture Publisher, Photo Works Plus, Aldus Photo Styler). Например, с помощью Adobe PhotoShop возможно проводить масштабирование, трансформацию и фильтрацию, фокусирование и контрастирование изображения, удаление скрытых и явных дефектов, изменение цвета, работу с деталями и фрагментами.

Пакеты векторной графики предназначены для профессиональной работы, связанной с художественной и технической иллюстрацией. Они занимают промежуточное положение меду системами автоматизированного проектирования и настольными издательскими системами (CorelDraw, Adobe Illustrator, Aldus Free Hand, Professional Draw).

Программное обеспечение фрактальной графики (Fractint, Manpwin, Mkokh, 3D Studio Max) предназначено для автоматической генерации изображений путем математических расчетов. Создание фрактальной художественной композиции состоит не в рисовании или оформлении, а в программировании.

6 Физические принципы формирования цвета и оттенков

Понятие цвета возникает при описании восприятия глазами человека электромагнитных волн в диапазоне длина волн л от 400 нм до 700 нм (см. рис. 1.3)). Самым общим описанием светового потока может служить его спектральная функция I(л). Свет называется монохроматическим, если его спектр состоит из одного значения.

Как глаз человека воспринимает свет. На сетчатке глаза находятся два типа рецепторов: палочки и колбочки. Цвет воспринимается только колбочками. Колбочки бывают трех видов (их часто обозначают S, M и L по длине волны - от англ. Small, Middle, Large), и кривые их относительной чувствительности представлены на рис.6.1.



	Суммарные по каждому из 3 диапазонов интенсивности и воспринимаются человеком как разные цвета (красный - R, зеленый - G, синий - B): где I() - зависимость интенсивности света
Рис.1.3. Чувствительность трех типов колбочек к разным участкам спектра	от длины волны.

	Восприимчивость к синему цвету значительно ниже, чем к двум другим. Сумма чувствительностей трех типов колбочек определяет чувствительность глаза к интенсивности света в данном диапазоне л: Y(л)= I(л)P(л)dл ,
Рис.6.2.Суммарная чувствительность колбочек	где P(л)= PR(л)+ PG(л)+ PB(л) .

Еще одним существенным аспектом в понимании цвета является учет различий в моделировании цвета, который порожден излучающими источниками, и цвета, порожденного в результате отражения неизлучающими объектами. Оказалось, что эти два случая описываются различными моделями.

Основные цвета («чистый» пигмент) - цвета, которые смешиваются с другими цветами в определенной цветовой системе.

Вторичные цвета - соответствуют равным смесям двух основных цветов.

Третичные цвета - соответствуют неравным смесям двух или более основных цветов.



Рисунок 6.1. - Цветовой круг

В компьютерной графике имеется два типа цветных объектов:

самосветящиеся, излучающие объекты, такие как экраны, плазменные панели, матрицы светодиодов и т.п.

и несамосветящиеся объекты, отражающие или преломляющие падающий на них свет, такие как, например, оттиски на бумаге, светофильтры и т.п.

Для самосветящихся объектов используется аддитивное формирование оттенков, когда требуемый цвет формируется за счет смешения трех основных оттенков цветов. В этом случае удобно использование модели смешения RGB (Red, Green, Blue - красный, зеленый, синий)(см. рис. 6.2).

Рисунок 6.2 - Схема аддитивного формирования цветов

Для несамосветящихся объектов используется субтрактивное формирование оттенков, основанное на вычитании из падающего света определенных длин волн. В этом случае удобно использование модели смешения CMY (Cyan, Magenta, Yellow - голубой, пурпурный, желтый)(см. рис. 6.3).

Рисунок 6.3 - Схема субтрактивного формирования цветов

Цвета одной модели являются дополнительными к цветам другой модели. Дополнительный цвет - цвет, дополняющий данный до белого:

- для красного - голубой (зеленый+синий);

- для зеленого - пурпурный (красный+синий);

- для синего - желтый (красный+зеленый) и т.д.

Пример субтрактивного формирования оттенков приведен на рисунке 6.4. При освещении падающим белым светом в слое голубой краски из спектра белого цвета поглощается красная часть, затем из оставшегося света в слое пурпурной краски поглощается зеленая часть спектра, отраженный от поверхности бумаги свет еще раз подвергается поглощению и в результате мы видим синий цвет.

Рисунок 6.4 - Схема отражения цветов



7. Цветовые модели

Назначение цветовой модели - дать средства описания цвета в пределах некоторого цветового охвата, в том числе и для выполнения интерполяции цветов. Наиболее часто в компьютерной графике используются модели RGB, CMY, YIQ, HSV и HLS.

Модель RGB

RGB (Red, Green, Blue - красный, зеленый, синий) - аппаратно-ориентированная модель, используемая в дисплеях для аддитивного формирования оттенков самосветящихся объектов (пикселов экрана).

Для большинства приложений значения координат r, g и b можно считать принадлежащими отрезку [0,1], что представляет пространство RGB в видекуба 1Ч1Ч1 (см. рис. 7.1).

Рисунок 7.1 - Цветовой куб модели RGB

В компьютерах для представления каждой из координат представляются в виде одного октета, значения которого обозначаются для удобства целыми числами от 0 до 255 включительно, где 0 - минимальная, а 255 - максимальная интенсивность. В этом случае чаще используется гамма-компенсированое цветовое пространство sRGB, обычно с показателем 1,8 (Mac) или 2,2 (PC).

Вместе с тем, используются также 16 битный цвет (с диапазонами 0 - 65535 или 0 - 32768, в зависимости от конкретной реализации), а для изображений HDR - 32 битный цвет (в целых значения или в числах с плавающей запятой). В последнем случае возможны яркости «белее белого» и даже «отрицательные яркости», которые не выводятся на экран, но хранятся в памяти и учитываются при различной фильтрации.

В HTML используется #RrGgBb-запись, называемая также шестнадцатеричной: каждая координата записывается в виде двух шестнадцатеричных цифр, без пробелов. Например, #RrGgBb-запись белого цвета - #FFFFFF.

Модель CMY

CMY (Cyan, Magenta, Yellow - голубой, пурпурный, желтый) - аппаратно-ориентированная модель, используемая в полиграфии для субтрактивного формирования оттенков, основанного на вычитании слоем краски части падающего светового потока. Цвета модели CMY являются дополнительными к цветам модели RGB, т.е. дополняющими их до белого. Таким образом, система координат CMY - тот же куб, что и для RGB, но с началом отсчета в точке с RGB координатами (1,1,1), соответствующей белому цвету. Цветовой куб модели CMY показан на рис. 7.2.

Алгоритм перевода из модели RGB в модель CMY очень прост:



Рисунок 7.2 - Цветовой куб модели CMY

Преобразования между пространствами RGB и CMY определяются следующим образом:

[ R G B ] = [ 1 1 1 ] - [ C M Y ]

Причем единичный вектор-строка в модели RGB - представление белого цвета, а в модели CMY - черного.

Модель HSV

HSV (HLI) (Hue, Saturation, Value (Intensity)- цветовой тон, насыщенность, количество света (светлота или интенсивность)) - модель, ориентированная на человека и обеспечивающая возможность явного задания требуемого оттенка цвета (см. рис. 7.3). Подпространство, определяемое данной моделью - перевернутый шестигранный конус.

По вертикальной оси конуса задается V - светлота, меняющаяся от 0 до 1. Значению V = 0 соответствует вершина конуса, значению V = 1 - основание конуса; цвета при этом наиболее интенсивны.

Цветовой тон H задается углом, отсчитываемым вокруг вертикальной оси. В частности, 0^° - красный, 60^° - желтый, 120^° - зеленый, 180^° - голубой, 240^° - синий, 300^° - пурпурный, т.е. дополнительные цвета расположены друг против друга (отличаются на 180^°).

Насыщенность S определяет насколько близок цвет к «чистому» пигменту и меняется от 0 на вертикальной оси V до 1 на боковых гранях шестигранного конуса.

Точка V = 0, в которой находится вершина конуса, соответствует черному цвету. Значение S при этом может быть любым в диапазоне 0-1. Точка с координатами V = 1, S = 0 - центр основания конуса соответствует белому цвету. Промежуточные значения координаты V при S=0, т.е. на оси конуса, соответствуют серым цветам. Если S = 0, то значение оттенка H считается неопределенным.

Рисунок 7.3 - Цветовая модель HSV (HSI)

Алгоритм перевода из RGB в HSV (HSI) можно выполнить, воспользовавшись следующими формулами:



Алгоритмы преобразования из RGB в HSV и обратно приведены ниже:

{ // H - в градусах

maxVal = maximum(R,G,B); minVal = minimum(R,G,B); V = maxVal;

if( maxVal = = 0 ) S = 0;

else S = ( maxVal - minVal )/maxVal;

if( S = = 0 ) H = UNDEFINED;

else

{ if( R == maxVal ) H = (G-B)/( maxVal - minVal );

else if( G == maxVal ) H = 2 + (B-R)/( maxVal - minVal );

else if( B == maxVal ) H = 4 + (R-G)/( maxVal - minVal );

H = H * 60;

if( H < 0 )

H = H + 360; }

}

Листинг 7.1. Переход от RGB к HSV

{ // H - в градусах

if( S = = 0 ) { // находимся на оси симметрии - оттенки серого

R = V; G = V; B = V; }

else { // floor(x) возвращает наибольшее целое <= x

sector = floor( H / 60 ); frac = H / 60 - sector; // дробная часть H/60

T = V * ( 1 - S ); P = V * ( 1 - S*frac ); Q = V * ( 1 - S*(1 - frac) );

switch( sector )

{ case 0: R = V; G = Q; B = T; break;

case 1: R = P; G = V; B = T; break;

case 2: R = T; G = V; B = Q; break;

case 3: R = T; G = P; B = V; break;

case 4: R = Q; G = T; B = V; break;

case 5: R = V; G = T; B = P; break; }

}

}

Листинг 7.2. Переход от HSV к RGB

Цветовая модель HSI популярна среди дизайнеров и художников, т.к. в этой системе обеспечивается непосредственный контроль тона, насыщенности и яркости. Эти свойства делают модель популярной в системах машинного зрения. На рисунке 7.4 показано изменение изображения при увеличении и уменьшении интенсивности, тона (выполняется поворот на ±50°) и насыщенности.

Рисунок 7.4 - Изменение параметров модели

Модель HLS

HLS (Hue, Lightness, Saturation (Intensity) - цветовой тон, светлота, насыщенность) - модель ориентированная на человека и обеспечивающая возможность явного задания требуемого оттенка цвета (см. рис. 7.5). Эта модель образует подпространство, представляющее собой двойной конус, в котором черный цвет задается вершиной нижнего конуса и соответствует значению L = 0, белый цвет максимальной интенсивности задается вершиной верхнего конуса и соответствует значению L = 1. Максимально интенсивные цветовые тона соответствуют основанию конусов с L = 0.5, что не совсем удобно.

Цветовой тон H, аналогично системе HSV, задается углом поворота.

Насыщенность S меняется в пределах от 0 до 1 и задается расстоянием от вертикальной оси L до боковой поверхности конуса. Т.е. максимально насыщенные цветовые цвета располагаются при L=0.5, S=1.

В общем, систему HLS можно представить как полученную из HSV «вытягиванием» точки V=1, S=0, задающей белый цвет, вверх для образования верхнего конуса.

Рисунок 7.5 - Цветовая модель HLS

Конвертация цвета из RGB в HLS проводится по следующим формулам:



, ,

или, в общем случае

,

где: R, G, B - значения цвета в цветовой модели RGB, значения в диапазоне [0; 1] (R - красный, G - зелёный, B - синий).

MAX - максимум из трёх значений (R, G, B);

MIN - минимум из трёх значений (R, G, B);

H - тон [0; 360]

S - насыщенность [0; 1]

L - светлота [0; 1]

Телевизионные цветоразностные цветовые системы

В цветовых системах YIQ и YUV информация о цвете представляется в виде сигнала яркости (Y) и двух цветоразностных сигналов (IQ и UV соответственно).

Популярность этих цветовых систем обусловлена в первую очередь появлением цветного телевидения. Т.к. компонента Y по сути содержит исходное изображение в градациях серого, сигнал в системе YIQ мог быть принят и корректно отображён как на старых чёрно-белых телевизорах, так и на новых цветных.

Вторым, возможно более важным плюсом, этих пространств является разделение информации о цвете и яркости изображения. Дело в том, что человеческий глаз весьма чувствителен к изменению яркости, и значительно менее чувствителен к изменению цветности. Это позволяет передавать и хранить информацию о цветности с пониженной глубиной. Именно на этой особенности человеческого глаза построены самые популярные на сегодняшний день алгоритмы сжатия изображений (в том числе jpeg). Для перевода из пространства RGB в YIQ можно воспользоваться следующими формулами:

Y = 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B;

I = 0.596 * R - 0.274 * G - 0.322 * B;

Q = 0.211 * R - 0.522 * G + 0.311 * B;

Обратные преобразования производятся по формулам:

R = Y + 0.956 * I + 0.623 * Q;

G = Y - 0.272 * I - 0.648 * Q;

B = Y - 1.105 * I + 1.705 * Q;

Задание цветов

Растровые дисплеи, как правило, используют аппаратно-ориентированную модель цветов RGB.

В наиболее распространенных растровых дисплеях - дисплеях с таблицей цветности значения кодов пикселов, заносимые в видеопамять, представляют собой индексы элементов таблицы цветности. При необходимости отображения некоторого пиксела на экран по его значению выбирается элемент таблицы цветности, содержащий тройку значений - RGB. Эта тройка и передается на монитор для задания цвета пиксела на экране.

В полноцветных дисплеях для каждого пиксела в видеопамять заносится тройка значений RGB. В этом случае при необходимости отображения пиксела из видеопамяти непосредственно выбирается тройка значений RGB, которая и передается на монитор (но может и передаваться в таблицу цветности).

Рисунок 6.5 - Люминисцентные триады растровых графических дисплеев

В модели RGB легко задавать яркости для одного из основных цветов, но по крайней мере затруднительно задать оттенок с требуемым цветовым тоном и насыщенностью. В различного рода графических редакторах эта задача обычно решается с помощью интерактивного выбора из палитры цветов и формированием цветов в палитре путем подбора значений RGB до получения требуемого визуального результата. Более удобно в этом случае использовать модели HVS или HLS, позволяющие непосредственно задать требуемый оттенок. Конечно, при занесении данных в таблицу цветности или для полноцветных дисплеев - в видеопамять требуется перевод в значений в систему RGB.

Интерполяция цветов

Интерполяция цветов требуется во многих случаях для создания эффектов реалистичности изображения, например, при наложении цветов в технике акварели, т.е. при наложении одного прозрачного цвета на другой, при создании эффектов постепенного изменения цвета в последовательности картин, при построчном заполнении многоугольника методом Гуро и т.д.

Если требуется интерполировать между двумя цветами обладающими одним и тем же цветовым тоном (насыщенностью), так чтобы получаемые цвета имели тот же самый цветовой тон (насыщенность), то необходимо использовать модель или HVS или HLS.

В остальных случаях более удобно пользоваться аппаратно-ориентированной моделью RGB.

Размещено на Allbest.ru

...