Представление цвета в машинной графике

Понятие цвета возникает при описании восприятия глазами человека электромагнитных волн в определенном диапазоне частот (длина волны λ от 400 нм (фиолетовый) до 700 нм (красный)). Таким образом, самым общим описанием светового потока может служить его спектральная функция I(λ). Свет называется монохроматическим (не путать с монохромными дисплеями, рассматриваемыми в следующей лекции), если его спектр состоит из одного значения ; математически ), где c - яркость. Понятно, что описание цвета путем описания функции в большинстве случаев слишком громоздко, хотя иногда и применяется. К тому же, оно является избыточным, если подробнее рассмотреть, как глаз человека воспринимает свет. На сетчатке глаза находятся два типа рецепторов: палочки и колбочки. Так как области восприятия для разных типов колбочек перекрываются, то возникают метамеры, - потоки волн с разными спектральными характеристиками, но воспринимаемые как имеющие один и тот же цвет.

Зрительная система человека

Интерес к практическому применению методов обработки изображений вызван тем, что подавляющая часть информации об окружающем мире поступает в мозг по зрительному каналу. Человек старается использовать выработанный эволюцией аппарат анализа изображений и распознавания образов, что делает представление информации в виде изображений наиболее естественным и эффективным.

Видимый свет, есть форма электромагнитного измерения, лежащего в узкой области спектра от 350 до 780 нм.

Радужная оболочка, в центре которой находится круглое отверстие - зрачок играет роль диафрагмы, её диаметр определяется освещенностью объекта и расстоянием до него. Радужная оболочка изменяет количество света, проходящего в глаз. Диаметр зрачка меняется от ~ 2 мм (при ярком свете) до ~ 8 мм (при малой освещенности).

Прозрачный хрусталик выполняет роль объектива с переменным фокусным расстоянием, изменяющимся под воздействием кольцевой мышцы. Это явление носит название аккомодации. Так как деформация хрусталика может происходить только в определенных пределах, то существуют границы в пределах которых глаз может отчетливо видеть предметы. В ненапряженном состоянии глаз настроен на рассмотрение бесконечно удаленных предметов, т.е. он собирает параллельные пучки в точках на поверхности сетчатки. Приближая рассматриваемый объект к глазу, мы увеличиваем угол зрения, тем самым увеличивая размер изображения на сетчатке. Это позволяет рассмотреть более мелкие детали. Однако при максимально возможном приближении усиливается напряжение мышцы, деформирующей хрусталик. Ближняя зона, которую глаз может видеть при максимальном напряжении, меняется с возрастом. До десяти лет ближняя зона - 7-8 см от глаза, к 30 годам это расстояние увеличивается до 15 см, к 40-45 годам - до 25 см.

На сетчатке образуется перевёрнутое изображение объектов. Сетчатка состоит из светочувствительных элементов двух типов: палочек (25-130 млн) и колбочек (4-7 млн). Цвет воспринимается колбочками. При низкой освещённости, колбочки теряют чувствительность и работают только палочки, и предметы кажутся черно-белыми. (В темноте все кошки серые). При освещенности менее 0.01 лк зрительные ощущения вызываются только палочками, цветное зрение начинается с освещенностей ~1 лк, при освещенности выше 10²-10³ лк зрение осуществляется почти исключительно колбочкаи.

Имеется три типа колбочек. Они имеют разные спектральные характеристики поглощения света с максимумом в красной, зелёной и синей областях оптического спектра.

На основе исследований антропологов выяснилось, что цветное зрение отсутствует приблизительно только у 8% мужчин и 0,5% женщин.

Колбочек существует три типа отличающихся фоточувствительным пигментом..

Следует отметить две особенности спектральных кривых:

относительно низкую чувствительность колбочек типа х, воспринимающих в основном синий цвет;

значительное перекрытие кривых.

Механизм распространения нервных импульсов в зрительной системе, в настоящее время, не ясен. Известно, что зрительный нерв содержит около 800 000 (900 x 900) нервных волокон, а сетчатка более 100 млн. (10 000 х 10 000) рецепторов.

Глаз человека различает около 10 миллионов цветовых оттенков.

В силу того, что коэффициент преломления в радужке и хрусталике растет с увеличением частоты света, глаз не избавлен от хроматической аберрации. Т.е. если изображение сфокусировано для одной из частот, то на других частотах изображение расфокусировано. Хрусталик оптимально фокусирует на сетчатке свет с длиной волны около 555 нм..

Если света чрезмерно много, то возможно повреждение сетчатки. Нельзя, например, смотреть на солнце, свет ультрафиолетовой лампы или газовую сварку. Особенно опасны ультрафиолетовые и в значительной мере синие лучи солнечного света.

В машинной графике применяются две системы смешения основных цветов: аддитивная - красный, зеленый, синий (RGB) и субтрактивная - голубой, пурпурный, желтый (CMY). Они изображены на рис. 5.1. Цвета одной системы являются дополнительными к другой: голубой - к красному, пурпурный - к зеленому, желтый - к синему. Дополнительный цвет - это разность белого и данного цвета: голубой это белый минус красный, пурпурный - белый минус зеленый, желтый - белый минуc синий. Хотя красный можно считать дополнительным к голубому, по традиции красный, зеленый и синий считаются основными цветами, а голубой, пурпурный, желтый - их дополнениями. Интересно, что в спектре радуги или призмы пурпурного цвета нет, т. е. он порождается зрительной системой человека.

Для отражающих поверхностей, например типографских красок, пленок и несветящихся экранов применяется субтрактивная система CMY. В субтрактивных системах из спектра белого цвета вычитаются длины волны дополнительного цвета. Например, при отражении или пропускании света сквозь пурпурный объект поглощается зеленая часть спектра. Если получившийся свет отражается или преломляется в желтом объекте, то поглощается синяя часть спектра и остается только красный цвет. После его отражения или преломления в голубом объекте цвет становится черным, так как при этом исключается весь видимый спектр. По такому принципу работают фотофильтры.

Аддитивная цветовая система RGB удобна для светящихся поверхностей, например экранов ЭЛТ или цветных ламп.

Обычно свет представляет собой непрерывный поток волн с различными длинами волн и различными амплитудами. Такой свет можно характеризовать так называемой энергетической (мощностной) спектральной кривой (рис. 1), где само значение функции представляет собой вклад волн с длиной волны  в общий волновой поток.

С амо понятие цвета тесно связано с тем, как человек (человеческий взгляд) воспринимает свет; можно сказать, что цвет зарождается в глазу.

Субхарактеристики цвета:

Цветовой тон – ярковыраженность красного(R) , зелёного(G) или синего(В) –это основная цветовая характеристика.

Насыщенность – степень разбеленности, степень осветления цветового фона.

Светлота - интенсивность (мощность) цвета.

 _домин. – характеризует цветовой тон

Цвет, который может быть заменен _домин. называется спектральным.

 - насыщенность

Ахроматическое изображение – это черно-белое изображение.

Сетчатка глаза содержит два принципиально различных типа фоторецепторов – палочки, обладающие широкой спектральной кривой чувствительности, вследствие чего они не различают д лин волн и, следовательно, цвета, и колбочки, характеризующиеся узкими спектральными кривыми и поэтому обладающие цветовой чувствительностью.

Колбочки бывают трех типов, отвечающих за чувствительность к длинным, средним и коротким волнам. Выдаваемое колбочкой значение является результатом интегрирования спектральной функции с весовой функцией чувствительности.

На рисунке представлены графики функций чувствительности для всех трех типов колбочек. Видно, что у одной из них пик чувствительности приходится на волны с короткой длиной волны (синий цвет), у другой – на волны средней длины волны (желто-зеленый цвет), а у третьей – на волны с большой длиной волны (красный цвет).

Существует трёхкомпонентная гипотеза : любой цвет (оттенок) можно получить из 3-х компонентов R,G,B.