Компьютерная графика

новые графические редакторы, рационально и быстро применять известные приемы обработки иллюстраций. Без знания и изучения конкретных приемов создания и обработки компьютерных иллюстраций знание теории оказывается бесполезным.

Таким образом, требуется системный подход, сочетающий обу- чение теоретическим основам современной графики и практиче- ское использование графических редакторов. Требованиям такого подхода, к сожалению, отвечает достаточно малое число пособий, поскольку большинство книг содержит информацию по прикладному использованию конкретного программного обеспечения. Среди источников, отличающихся системным подходом к изучению дисциплины, можно выделить, например, работы [1, 3], в которых лаконично изложена теория и представлен многообразный материал, касающийся прикладного прграммного обеспечения. Издание подобной учебно-методической литературы является актуальной задачей кафедр машиностроительного профиля.

Настоящее учебное пособие представляет собой еще один опыт системного представления теоретических основ и прикладных аспектов изучения и применения компьютерной графики в деятелности инженера-машиностроителя. Данная разработка дополняет курс лабораторного практикума [11] и рекомендуется к совместному использованию с подобными курсами практических занятий.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКЕ

1.1. Основные понятия и определения

Графика — в традиционном представлении — результат визуального представления реального или воображаемого объекта, получаемый традиционными методами, рисованием или печатанием художественных образов.

Компьютерная графика — графика, включающая любые данные, предназначенные для отображения на устройстве вывода. Это специальная область информатики, изучающая методы и средства создания и обработки изображений с помощью программно-аппа- ратных вычислительных комплексов.

Изображением считается визуальное представление реального объекта, зафиксированного человеком с помощью некоторого механического, электронного, фотографического процесса.

Интерактивная компьютерная графика — это создание графики и ведение диалога с пользователем одновременно. Все современные программы, работающие с компьютерной графикой, являются интерактивными.

В компьютерной графике выполнение работы иногда отделено от ее графического представления, поэтому различают понятия «создание» и «визуализация» изображения. Одним из способов завершения компьютерно-графического процесса является виртуальный вывод, т. е. вывод файла на запоминающее устройство.

Графические файлы — это файлы, в которых хранятся любые типы графических данных, предназначенных для последующей визуализации. После записи в файл изображение перестает быть изображением, оно превращается в данные, формат которых может быть изменен.

Графический формат — это способ записи данных, описывающих графическое изображение. Графический формат разработан для эффективной и логичной организации и сохранения графических данных в файле. Почти каждая прикладная программа создает и сохраняет некоторые виды графических данных. При этом не все фор-

12

маты, поддерживающие графику, можно назвать графическими. Например, файлы MS Office содержат графические данные (диаграммы, векторные рисунки, выполненные с помощью встроенного инструментария), но сами графическими не являются.

Условно выделяют четыре направления компьютерной использования графики:

1)Изобразительная графика — обработка и анализ растровых изображений, полученных с помощью фотоаппаратов, сканеров и т. д., а также векторных иллюстраций, предназначенных для создания рекламных и художественных изображений.

2)Деловая графика — графические представления расчетных

èстатистических данных, представленных в виде схем, диаграмм, гистограмм и графиков. Также к этому виду графики можно отнести создание печатей, штампов и других графических объектов, используемых для формирования деловых (юридических и техниче- ских) документов.

3)Инженерная графика — компьютеризация чертежных

èконструкторских работ различными системами автоматизированного проектирования (САПР).

4)Научная графика — графика, используемая для научных исследований. Выступает как средство формирования научной документации с применением специальных возможностей компьютерных программ для получения графиков, отображающих числовые данные. К этому же виду графики относится имитационное моделирование на компьютере, позволяющее воссоздать в видимой форме то, что иногда в принципе нельзя увидеть глазами: распределение поля температур на поверхности другой планеты, напряжений внутри слитка металла, строение сложной органической молекулы и т. д.

Âнастоящее время существует три типа компьютерной графики: растровая, векторная è фрактальная.

Для всех видов компьютерной графики очень важным является понимание принципов синтеза и воспроизведения цветов.

1.2. Теория цвета

Ñâåò представляет собой электромагнитное излучение, связанное с флуктуацией электрического и магнитного полей. Иными словами, свет представляет собой энергию, а öâåò есть продукт взаимо-

13

действия этой энергии с веществом. Излученный свет — это свет, испускаемый активным источником. Отраженный свет возникает при отражении некоторым предметом (вернее, его поверхностью) световых волн, падающих на него от источника света. Механизм отражения света зависит от цветового типа поверхности, все цвета можно условно разделить на две группы: ахроматические и хроматические.

Первую группу составляют ахроматические (иначе — «бесцветные») цвета: черный, белый и все серые (от самого темного до самого светлого). Их часто называют нейтральными. В предельном случае такие поверхности либо отражают все падающие на них лучи, ничего не поглощая (идеально белая поверхность), либо полностью лучи поглощают, ничего не отражая (идеальная черная поверхность). Все остальные варианты (серые поверхности) равномерно поглощают световые волны разной длины. Отраженный от них цвет не меняет своего спектрального состава, изменяется только его интенсивность.

Вторую группу образуют хроматические цвета, при окраске в которые поверхности по-разному отражают свет с разной длиной волны [1, 3].

Яркостная и цветовая информация. Излучаемый источником цвет, как правило, представляет собой смесь световых волн различной длины. В теории цвета, живописи, телевидении и компьютерной графике наибольшее распространение получили следующие характеристики света: яркость и цветность.

Яркость (или интенсивность) пропорциональна сумме энергий всех составляющих цветового спектра света. Цветность, наоборот, связана с доминирующими длинами волн в этом спектре.

Ахроматические цвета, то есть белые, серые и черные, характеризуются только яркостью: одни цвета темнее, а другие светлее. В отличие от них, хроматические цвета для своего описания требуют задания и яркости и цветности.

Распространенность указанных параметров обусловлена физиологическими особенностями нашего зрения, связанными с нали- чием в сетчатке глаза двух типов нервных клеток: палочек, реагирующих на яркостную составляющую света, и колбочек, воспринимающих цветовую информацию.

Цвет и окраска. Для правильной интерпретации восприятия цвета необходимо различать понятия цвета и окраски предмета.

14

Окраска — это способность предмета отражать излучение в том или ином диапазоне длин волн. Öâåò является более широким понятием, включающим понятия окраски и условий освещения. Чтобы представить имеющееся между ними различие, вспомните, как, например, выглядит снег при различных условиях освещения (зимний, мартовский или в сумерках). Несмотря на то что чистый снег всегда имеет белую окраску, его цвет в зависимости от освещения может быть не только белым, но иметь голубой, розовый и даже желтый оттенки. Эту разницу очень важно понимать при использовании цвета в прикладных целях.

Цвета воспринимаются различными людьми по-разному. Подобно запахам или звукам, они подключают индивидуальные для каждого человека рецепторы. В подтверждение поговорки «На вкус и цвет товарища нет» можно сказать, что не существует двух людей, одинаково воспринимающих один и тот же цвет, поскольку восприятие сигналов внешнего мира человеческими рецепторами носит относительный характер и человек не может воспринимать величины каких-либо раздражителей в абсолютном виде.

В технике, особенно при обработке изображений, субъективность в высшей степени нежелательна. Только при наличии объективных измерительных систем, позволяющих установить однозначное определение цветности, можно обеспечить одинаковое воспроизведение одного и того же цвета видеомониторами и телевизорами разных фирм-изготовителей.

Именно для этой цели были разработаны точные математиче- ские методы описания цвета, каждый из которых создавался для определенной области применения. Знание этих методов, которые называются «цветовые модели», необходимо как для понимания работы устройств оцифровки, мониторов и видеоадаптеров компьютеров, так и для профессионального освоения программ обработки изображений.

Цветовой и динамический диапазоны. Для эффективной организации передачи информации между различными устройствами, входящими в состав издательских систем, важно понимать разницу между цветовым и динамическим диапазонами.

Цветовой диапазон — диапазон цветов, которые могут восприниматься или воспроизводиться наблюдателем или приемным устройством.

15

Динамический диапазон характеризует различие между наиболее светлым и наиболее темным элементами в изображении или в поле зрения.

Человеческое зрение имеет широчайший цветовой и динамиче- ский диапазон. Глаз человека способен различать градации миллионных долей яркости. Компьютерные устройства имеют сравнительно узкие цветовой и динамический диапазоны. Кроме того, имеются различия в характеристиках разных устройств. Например, цветовые

èдинамические диапазоны сканеров и мониторов шире, чем соответствующие диапазоны принтеров. В совокупности цветовой и динамический диапазоны определяют область воспринимаемых нами цветов и области цветов (цветовое пространство), в которых работают устройства ввода, вывода и обработки изображений. Для представления этих областей используются два способа:

–цветовые модели;

–наборы цветов (палитры), доступные в системах соответствия цветов. Для каждой из таких систем — DIG, DuPont, FOCOLTONE, PANTONE, TOYO и TRUMATCH — определены специальные цвета, которые можно выбирать по каталогам образцов. За исключением плашечных цветов палитры PANTONE, эти системы подстановки цветов связываются с цветовыми моделями. Системы DIC и TOYO базируются на совместном использовании основных цветов

èспециальных красителей.

1.3.Цветовые модели

1.3.1. Общая информация о цветовых моделях

Как уже указывалось, субъективность в восприятии цвета при обработке изображений крайне нежелательна. Для обеспечения одинакового воспроизведения одного и того же цвета видеомониторами, принтерами и сканерами разных фирм-изготовителей необходимо наличие объективных измерительных систем, позволяющих установить однозначное определение цветовых координат. Для этих целей разработаны специальные средства, включающие цветовые модели и цветовые режимы.

Цветовые модели (color model, цветовые пространства) предоставляют средства для концептуального и количественного описания цвета.

16

В основе создания цветовых моделей лежит использование универсальных языков, позволяющих реализовать способы точного описания цвета с помощью стандартных математических выражений. Без их помощи было бы невозможно выполнить ни один из этапов обработки цифровых изображений, включая сканирование, редактирование и печать.

Цветовой режим — это способ реализации определенной цветовой модели в рамках конкретной графической программы.

Итак, цветовые модели используются для математического описания определенных цветовых областей спектра. Это математи- ческие модели, позволяющие давать объективную количественную оценку цвету. 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 комбинации основных цветов. Именно такой подход используют художники при создании картины на базе ограниченной палитры цветов.

Несмотря на то что цветовые модели позволяют представить цвет математически, такое представление всегда будет казаться несовершенным, в силу совершенно иной природы человеческого восприятия. Однако они удобны при использовании в компьютерных программах для однозначного определения выводимого цвета.

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 задавать диапазон воспроизводимых цветов, поскольку ни одно множество цветов не является бесконечным.

3.Учитывать механизм восприятия цветов — излучение или отражение.

Современные графические пакеты располагают развитым интерфейсом для выбора нужной цветовой модели и цвета внутри нее. Далее нами будет подробно рассмотрено большинство цветовых моделей, используемых в современных графических пакетах, что позволит вам эффективно применять их в собственных разработках.

17

1.3.2. Типы цветовых моделей и законы Грассмана

Большинство графических пакетов позволяет оперировать широким кругом цветовых моделей, часть из которых создана для специальных целей, а другая — для особых типов красок. Пере- числим их:

–CMY;

–CMYK;

–RGB;

–HSB;

–HLS;

–Lab;

–YIQ;

–YCC.

По принципу действия перечисленные цветовые модели можно условно разбить на три класса:

–аддитивные (RGB), основанные на сложении цветов;

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

–перцепционные (HSB, HLS, Lab, YCC), базирующиеся на восприятии.

Перед тем как перейти к непосредственному рассмотрению конкретных цветовых моделей, уделим немного внимания общим физи- ческим закономерностям, свойственным природе цвета [1, 2, 3, 4].

В большинстве цветовых моделей для описания цвета используется трехмерная система координат. Она образует цветовое пространство, в котором цвет можно представить в виде точки с тремя координатами. Для оперирования цветом в трехмерном пространстве Г. Грассман вывел три закона.

Первый закон Грассмана (закон трехмерности). Любой цвет однозначно выражается тремя составляющими, если они линейно независимы. Линейная независимость заключается в невозможности получить любой из этих трех цветов сложением двух остальных.

Второй закон Грассмана (закон непрерывности). При непрерывном изменении излучения цвет смеси также меняется непрерывно. Не существует такого цвета, к которому нельзя было бы подобрать бесконечно близкий.

18

Третий закон Грассмана (закон аддитивности). Цвет смеси излучений зависит только от их цвета, но не спектрального состава. Цвет смеси С выражается суммой цветовых уравнений излучений:

Ñ = R R + G G + B Â,

Ñ = R R + G G + B Â,

Ñ = R R + G G + B Â,

Ñ= (R + R + … + R )R + (G + G + … + G )G +

Следовательно, если цвет С1 равен цвету С и цвет С2 тоже равен цвету С, то цвет С1 равен цвету С2 независимо от структуры спектров цветов С, С1 è Ñ2.

Таким образом, прямоугольная трехмерная координатная система цветового пространства для аддитивного способа формирования изображения имеет точку начала координат, соответствующую абсолютно черному цвету (цветовое излучение отсутствует), и три оси координат, соответствующих основным цветам.

1.3.3. Аддитивные цветовые модели

Аддитивный цвет получается на основе законов Грассмана 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 иногда называются первичными цветами, являются красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue) цвета. При попарном смешивании первичных цветов образуются вторичные цвета: голубой (Cyan), пурпурный (Magenta) и желтый (Yellow). Первичные и вторичные цвета относятся к базовым цветам.

Базовыми цветами называют цвета, с помощью которых можно получить практически весь спектр видимых цветов.

Для получения новых цветов с помощью аддитивного синтеза можно использовать и различные комбинации двух основных цветов, варьирование состава которых приводит к изменению резуль-

19

тирующего цвета. На рис. 1 приведена схема взаимодействия базовых цветов.

Рис. 1. Схема получения цветового пространства RGB модели

Аддитивные цвета нашли широкое применение в системах освещения, видеосистемах, цифровых фотоаппаратах, мониторах, сканерах и цифровых камерах. Используемые для построения RGB-модели первичные, или аддитивные, цвета имеют еще одно название. Иногда, чтобы подчеркнуть тот факт, что при добавлении света интенсивность цвета увеличивается, эту модель называют добавляющей. Такое обилие терминов, используемых для описания RGB-модели, связано с тем, что она возникла задолго до появления компьютера и каждая область ее применения внесла свой вклад в терминологию.

Математически цветовую модель RGB удобнее всего представлять в виде куба (рис. 2). В этом случае каждая его пространственная точка однозначно определяется значениями координат X, Y è Z. Åñëè ïî îñè X откладывать красную составляющую, по оси Y — зеленую, а по оси Z — синюю, то каждому цвету можно поставить в соответствие точку внутри куба.

Сначала рассмотрим образование плоскости единичных цветов. Плоскость единичных цветов (Q) (см. рис. 2) проходит через отложенные на осях координат единичные значения яркости выбранных основных цветов.

20