Цели и задачи компьютерной графики. Цветовые модели. Компьютерная графика. Лекция 1. - презентация

1 Цели и задачи компьютерной графики. Цветовые модели. Компьютерная графика. Лекция 1.

2 Компьютерная графика - это область информатики, в сферу интересов которой входят все аспекты формирования и обработки изображений с помощью компьютеров. Компьютерная графика. Лекция 1. Задачи компьютерной графики Основные задачи: представление изображения в компьютерной графике; подготовка изображения к визуализации; создание изображения; осуществление действий с изображением.

3 Компьютерная графика. Лекция 1. Обработка изображений Image Processing (IP) Изображение Компьютерное зрение Computer Vision (CV) Изображение Модель Компьютерная графика Computer Graphics (CG) Модель Изображение Обработка изображений на компьютере

4 Компьютерная графика. Лекция 1. Обработка изображений Image Processing Обработка изображений Image Processing Изображение Захват кадра из видеопотока Выделение области для распознавания Контрастирование области распознавания Замена цвета для усиления контраста между номером и подложкой

5 Компьютерная графика. Лекция 1. Компьютерное зрение Computer Vision 5/16 Захват движения и анимация персонажа Компьютерное зрение Computer Vision Изображение Модель (Описание)

6 Компьютерная графика. Лекция 1. Компьютерная графика Computer Graphics Компьютерная графика Computer Graphics Модель (Описание) Изображение Графический конвейер Render: 3dsmax

7 Компьютерная графика. Лекция 1. Visualization \ Visual Computing Вычисления / Computing Модель Изображение From Ron Fetkiw siteRon Fetkiw

8 Компьютерная графика. Лекция 1. Область электромагнитного спектра, видимая человеческим глазом, занимает диапазон примерно от 400 до 700 нанометров (10-9м). A: роговая оболочка глаза B: хрусталик C: стекловидное тело D: сетчатка E: оптический нерв Палочки (rods): млн Колбочки (cones): 6-7 млн - воспринимают цвет. К каждой - свой нерв.

9 Компьютерная графика. Лекция 1. Интегральная чувствительность глаза к свету: Чувствительность трех типов колбочек к разным участкам спектра:

10 Компьютерная графика. Лекция 1. - зависимость интенсивности света от длины волны Характерная спектральная кривая

11 Опыт Томаса Юнга

12 Компьютерная графика. Лекция 1. Аддитивная модель Законы Германа Грассмана (аддитивного синтеза света): 1. Закон трехмерности: Любой цвет однозначно выражается тремя, если они линейно независимы. Линейная независимость заключается в том, что ни один из этих трех цветов нельзя получить сложением двух остальных. 2. Закон непрерывности : При непрерывном изменении излучения цвет смеси также меняется непрерывно. Не существует такого цвета, к которому нельзя было бы подобрать бесконечно близкий. 3. Закон аддитивности: Цвет смеси излучений зависит только от компонентов их цвета, а не от спектрального состава. Как следствие - аддитивность цветовых уравнений: для смеси двух цветов С 1 и С 2 имеет место равенство: С = С 1 + С 2 = (r 1 +r 2 )R + (g 1 +g 2 )G + (b 1 +b 2 )B

13 Компьютерная графика. Лекция 1. Аддитивная модель RGB

14 Компьютерная графика. Лекция 1.

15 Цветовая модель CMYK Это субтрактивная цветовая модель, используемая в цветной полиграфии Цветовая модель основана на смешивании пигментов следующих цветов: C – C yan (голубой) M – M agenta (пурпурный) Y – Y ellow (желтый) K – Key, blac K (черный) Субстрактивное формирование оттенков

16 Компьютерная графика. Лекция 1. Схема смешения цветов для моделей RGB и CMY

17 Компьютерная графика. Лекция 1. Цветовой куб Цветовые модели RGB и CMYK образуют так называемый цветовой куб

18 Компьютерная графика. Лекция 1. Сравнение цветовых моделей RGB и CMYK Цвета, получаемые на мониторе зачастую отличаются от цветов, используемых при печати Невозможно получить чистый синий цвет модели RGB (0, 0, 100%) в цветовом пространстве CMYK – его ближайший эквивалент – оттенок пурпурного цвета Цвет, получаемый на мониторе – комбинация разноцветных цветовых источников, которая при печати не может быть воспроизведена. Поэтому перед печатью RGB-изображения необходимо конвертировать его в CMYK-эквивалент

19 Компьютерная графика. Лекция 1. Сравнение цветовых пространств RGB и CMYK

20 Компьютерная графика. Лекция 1. Разложение монохромного цвета Некоторые монохромные цвета раскладываются по RGB с отрицательными коэффициентами -> не все возможные цвета представимы в рамках модели RGB. В 1931 году длины волн, соответствующие R,G и B, определены стандартом CIE (Commission International de lEclairage - Межд. комиссия по стандартам освещенности, МКО):

21 Компьютерная графика. Лекция 1. Трехмерное цветовое пространство Поскольку эти координаты в сумме всегда составляют единицу, а каждая из координат лежит в диапазоне от 0 до 1, то все представленные таким образом точки пространства будут лежать в одной плоскости, причем только в треугольнике, отсекаемом от нее положительным октантом системы координат

22 Компьютерная графика. Лекция 1. Модели CIE. Модель XYZ В стандарте CIE в качестве основы были выбраны три перенасыщенных цвета XYZ, не соответствующих никаким реальным, но все реальные могут быть представлены их комбинациями с положительными коэффициентами. Введено понятие «стандартного наблюдателя». Y – выражает интенсивность света [Вт/м 2 ] с учетом спектральной чувствительности глаза стандартного наблюдателя и называется люминантностью (CIE luminance).

23 Компьютерная графика. Лекция 1. Модели CIE. Модель XYZ Обратное преобразование: Введены также нормированные координаты x,y,z :

24 Компьютерная графика. Лекция 1. Цветовая CIE-диаграмма Комиссия ориентировала треугольник xy таким образом, что равные количества перенасыщенных основных цветов XYZ давали в сумме белый. Диаграмма представляет собой видимое множество цветов. В центре области находится опорный белый цвет - точка равных энергий, с координатами x=y=0.33(3). Система (x, y, Y) подчиняется законам Грассмана. Наибольшую площадь занимают цвета с преобладанием зеленого.

25 Компьютерная графика. Лекция 1. Некоторые стандартные источники CIE НазваниеТемператураxy Лампа с вольфрамовой нитью накаливания 2856К Солнечный свет в полдень5600К Полуденное освещение при сплошной облачности 6300К Опорный белый стандарт для мониторов и NTSC 6400К

26 Компьютерная графика. Лекция 1. Цветовая CIE-диаграмма и цветовой охват

27 Компьютерная графика. Лекция 1. Цветовая CIE-диаграмма и цветовой охват На цветовом графике CIE удобно демонстрировать цветовой охват различных систем и оборудования: телевидения, типографской печати, фотопленок и т.п. Цветовой охват для аддитивных систем - треугольник с вершинами, соответствующими основным цветам RGB. Цвет, который можно получить в данной цветовой модели лежит внутри треугольника; цвета, лежащие вне - получить невозможно. Для цветной пленки, охват есть криволинейный треугольник. Причина этого заключается в нелинейном (в данном случае логарифмическом) законе создания цветного изображения с помощью цветной пленки.

28 Компьютерная графика. Лекция 1. XYZ как основа аппаратно-независимого преобразования моделей Координаты цветности CIE представляют точный стандарт определения цвета. Их необходимо знать для преобразования координат CIE в другие цветовые модели и обратно. Например, преобразование RGB - CIE XYZ задается следующей формулой: где - цвета для получения координат единичного основного цвета R, аналогично и для G и B.

29 Компьютерная графика. Лекция 1. XYZ как основа аппаратно-независимого преобразования моделей Если известны координаты цветности CIE x и y для основных цветов RGB, то: где

30 Компьютерная графика. Лекция 1. Преобразования XYZ - RGB Матрица преобразования зависит от стандарта, определяющего хроматические координаты x, y для цветов r, g, b. Ниже даны матрицы преобразования для рекомендации CIE 709: RedGreenBlueWhite x y

31 Компьютерная графика. Лекция 1. Преобразования XYZ - RGB Если какой-либо цвет не может быть представлен в RGB, то у него хотя бы одна из координат будет меньше 0 или больше 1. RGB в XYZ Y CIE =0.213R+0.715G+0.072B

32 Компьютерная графика. Лекция 1. Модель L*a*b* (Lab) L*a*b* – линеаризованная и приведенная модель XYZ. Ось а проходит от зеленого (- а ) до красного (+ а ), а ось b - от синего (- b ) до желтого (+ b ). Яркость ( L ) возрастает снизу вверх вдоль диагонали RGB-куба. В модели CIE L*a*b* яркость (L), цветовой тон и насыщенность (a, b) могут рассматриваться раздельно. В результате цвет изображения можно изменять без изменения самого изображения или его яркости. Поскольку CIE L*a*b* не зависит от устройства, то, при переходе от RGB к CMYK или от CMYK к RGB, полезно во избежание потерь использовать модель CIE L*a*b* в качестве промежуточной.

33 Компьютерная графика. Лекция 1. Модель L*a*b* (Lab) где X n,Y n,Z n - координаты белого цвета

34 Компьютерная графика. Лекция 1. Цветовая модель HSV Данная цветовая модель задает цветовое пространство в терминах следующих составных компонент: Hue – оттенок цвета (красный, синий, зеленый) Диапазон 0-360° (0-100% в некоторых реализациях) Saturation – насыщенность цвета (цветовая чистота) Диапазон от 0 до 100%. Меньшие значения насыщенности делают цвет серым, в то время как бОльшие значения – более «цветным» Value (Brightness) – яркость цвета

35 Компьютерная графика. Лекция 1. S V H

36 Цветовая модель HLS Данная цветовая модель задает цветовое пространство с терминах следующих компонент: Hue – цветность Saturation – насыщенность Lightness (Luminosity, Luminance, Intensity) - освещенность

37 Компьютерная графика. Лекция 1. S H L

38 Сравнение моделей HSL и HSV Модель HSL более интуитивно отражает понятие насыщенности и освещенности Насыщенность в модели HSL всегда изменяется от полностью насыщенного цвета к эквивалентному серому цвету, в то время как в модели HSV при V=1 полностью насыщенный цвет переходит к белому Освещенность в модели HSL изменяется от черного через выбранное значение цветности – к белому, а в модели HSV – проходит лишь половину пути – от черного к выбранному цветному.

39 Компьютерная графика. Лекция 1. Другие цветовые модели При передаче телевизионных аналоговых сигналов используются следующие цветовые модели: YUV (используется в телевизионном сигнале PAL) YDbDr (используется при передаче SECAM- сигнала) YIQ (NTSC-сигнал) В этих моделях Y-составляющая несет яркостную составляющую изображения, а остальные – информацию о цвете Этот подход позволил перейти на передачу цветного телевизионного сигнала, сохранив совместимость с черно-белым телевидением

40 Компьютерная графика. Лекция 1. Цветовые модели описывают способы передачи цветовой информации в числовом виде Идеальных цветовых моделей не существует. В различных ситуациях наиболее удобной может оказаться та или иная модель

41 Г РАФИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Компьютерная графика. Лекция 1.

42 Система компьютерной графики является прежде всего вычислительной системой и, как таковая, включает все компоненты вычислительной системы общего назначения: процессор; память; буфер кадра; устройства вывода; устройства ввода. Компьютерная графика. Лекция 1.

43 Структура графической системы Компьютерная графика. Лекция 1.

44 Устройства ввода В большинстве графических систем в качестве хотя бы одного из возможных устройств ввода используется обычная алфавитно-цифровая клавиатура. Но более специфическими устройствами, предназначенными для ввода именно графической информации, являются мышь, джойстик и планшет. Компьютерная графика. Лекция 1.

45 Устройства вывода изображений Компьютерная графика. Лекция 1. микрофотографии дисплея

46 Принцип работы ЖКД Работа ЖКД основана на явлении поляризации светового потока. Известно, что так называемые кристаллы поляроиды способны пропускать только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом поляроид как бы "просеивает" свет, данный эффект называется поляризацией света. Компьютерная графика. Лекция 1.

47 Принцип работы ЖКД

48 Компьютерная графика. Лекция 1. Структура видеоадаптера

49 Буфер кадра Все современные видеоадаптеры формируют растровое изображение, для хранения которой используется двухмерный массив пикселей, который располагается в видеопамяти Этот участок памяти называется буфером кадра (Frame buffer) Компьютерная графика. Лекция 1.

50 Растровое изображение Изображение, представляющее собой сетку пикселей или точек цветов (обычно прямоугольную) на компьютерном мониторе, бумаге и других отображающих устройствах и материалах.

51 Пиксель (англ. Pixel – PICtureS Element) Это мельчайшая единица изображения в растровой графике Представляет собой неделимый объект прямоугольной (квадратной) формы, обладающий определенным цветом, градацией серого или прозрачностью От количества пикселей в изображении зависит его детализация Компьютерная графика. Лекция 1.

52 Важные характеристики изображения Количество пикселов - разрешение. Может указываться отдельно количество пикселов по ширине и высоте (1024*768, 640*480,...) или же, редко, общее количество пикселей (часто измеряется в мегапикселах) Количество используемых цветов или глубина цвета (эти характеристики имеют следующую зависимость: N = 2 I, где N - количество цветов, а I - глубина цвета); Цветовое пространство (цветовая модель) RGB, CMYK, XYZ, YCbCr и др.

53 Компьютерная графика. Лекция 1. Глубина цвета Глубина цвета (англ. color depth) - количество информации для представления одного цвета. Измеряется в bpp - bits per pixel (англ. бит на пиксель). Типичные значения: 1 (монохромное изображение), 8, 16, 24, 32. Глубина цвета в bpp НазваниеПримечания 1 МонохромноеПредставимы 2 цвета - черный и белый 8 ПалитровоеБайт является индексом в таблице палитры, с помощью этой палитры представимо любое 256-элементное подмножество всех True Color цветов 8 Полутоновое (Оттенки серого)Содержит только один канал интенсивности без цветовой информации с точностью 8 бит. Можно рассматривать как подвид палитрового, где элементы палитры соответствуют оттенкам серого 16 High ColorПолноцветное, количество бит на каждую компоненту R- G-B: (т.е. на самом деле 15 бит, один не используется) или True ColorПолноцветное, на каждую из RGB компонент по 8 бит 32 True ColorТо же самое, что и предыдущее, только добавляется еще один байт для выравнивания информации по машинному слову. Этот байт может также использоваться как альфа-канал, т.е. задавать степень прозрачности

54 Компьютерная графика. Лекция 1. Графические форматы

55 Компьютерная графика. Лекция 1. С ИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЦВЕТОМ (I MAGE C OLOR M ANAGEMENT, ICM 2.0) Цифр.камера Сканер Профиль устр.ввода Монитор Принтер Профиль монитора PCS (Profile Connection Space) аппаратно-независимая модель Профиль принтера Color Management System for ICM 2.0 Color Management Module CMM Профиль монитора – колориметр (спектрофотометр), снимающий образцы цветов. sRGB – усредненный профиль. Профиль сканера – стандартный эталон IT-8 Профиль принтера Печатается эталон IT-873. Цвета на нем измеряются, для данного режима печати и бумаги, с помо- щью прибора денситометра и передаются в программу вычисля- ющую цветовой профиль. Image Color Management, ICM 2.0 ICC Profile Format Specification, available from the International Color Consortium (1993) Понятия калибровки, идентификации, профиля. Значение в полиграфии. Расширение возможностей многоцветной печати.