9. Понятие цвета в компьютерной графике.

Цвет чрезвычайно важен в компьютерной графике как средство усиления зрительного впечатления и повышения информационной насыщенности изображения. Это один из факторов нашего восприятия светового излучения. Ощущение цвета формируется человеческим мозгом в результате анализа светового потока, попадающего на сетчатку глаза от излучающих или отражающих объектов. Считается, что цветовые рецепторы глаза (колбочки) подразделяются на три группы, каждая из которых воспринимает только единственный цвет - красный, зеленый или синий. Нарушения в работе любой из групп приводит к явлению дальтонизма – искаженного восприятия цвета.

Светом и цветом исследователи интересовались давно. Одним из первых достижений в этой области являются опыты Исаака Ньютона в 1666 году по разложению белого света на составляющие. Ранее считалось, что белый цвет – простейший. Ньютон опроверг это и доказал, что белый цвет – это смесь разных цветов, плавно переходящих друг в друга и образующих спектр или радугу (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый).

Последующие исследования в области света и цвета выполняли Томас Юнг, Джеймс Максвелл и другие ученые. В настоящее время физики полагают, что свет имеет двойственный характер. С одной стороны, свет представляется в виде потока частиц, а с другой – ему присущи волновые свойства. С помощью волновой теории, выдвинутой Христианом Гюйгенсом еще в 1678 году, были объяснены многие свойства света, в частности, законы отражения и преломления.

Как показал Ньютон, белый цвет можно представить смесью всех цветов радуги. Другими словами, спектр белого является бесконечным, сплошным – в нем присутствуют излучения всех длин волн видимого диапазона.

Для характеристики цвета используются следующие атрибуты.

1. Цветовой тон. Его можно определить преобладающей длиной волны в спектре излучения. Цветовой тон позволяет отличать один цвет от другого (например, зеленый от красного, желтого и других).

2. Яркость. Определяется энергией, интенсивностью светового излучения. Выражает количество воспринимаемого света.

3. Насыщенность или чистота тона. Выражается долей присутствия белого цвета. В идеально чистом цвете примесь белого отсутствует.

Указанные три атрибута позволяют описать все цвета и оттенки. То, что атрибутов именно три, является одним из проявлений трехмерных свойств цвета. Наука, которая изучает цвет и его измерения, называется колориметрией. Она описывает общие закономерности цветового восприятия света человеком. Одними из основных законов колориметрии являются законы смешения цветов, которые были сформулированы в 1853 году немецким математиком Германом Гроссманом.

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.

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

Из законов Гроссмана следует, что цвет можно выразить точкой в трехмерном пространстве. Для обеспечения одинакового воспроизведения одного и того же цвета различными видеосистемами необходимо однозначное определение цветовых координат. Эта задача, в частности, решается за счет выбора цветовых моделей, осуществляющих манипуляции с цветом.

Цветовые модели нужны для математического описания спектра цветов доступного человеческому глазу на экране монитора, сканирующих и печатающих устройств. Цвета представляются моделью как результат смешения нескольких составляющих – базовых цветов. Каждый базовый цвет имеет свой диапазон интенсивности. При сложении всех базовых цветов с различной интенсивностью образуются цвета, доступные для данной модели. Цветовые диапазоны моделей могут различаться. Ни одна из существующих моделей не может представить все цвета доступные глазу, каждая из них лишь служит определённым целям.

Любая цветовая модель должна удовлетворять следующим требованиям:

– реализовывать определенные цвета стандартным способом, не зависящим от возможностей конкретного видеоустройства;

– точно задавать диапазон цветов поскольку ни одно множество цветов не является бесконечным;

– учитывать механизм восприятия цветов.

Практически все модели реализованы на использовании трех цветов (красный, зеленый, синий). Из этого следует, что каждый основной цвет имеет свое числовое описание, все остальные цвета результат цифровой генерации основных. Все цветовые модели различны по типу и у каждого есть своя сфера применения. Далее, все модели делятся на группы по их принципу работы. Так аддитивный класс использует результат сложения цветов, субтрактивный класс противоположен первому и воплощается через вычитание цветов, перцепционный класс основываются на восприятии цвета человеком.