Основные понятия. Представление цвета в машинной графике

1.2. Представление цвета в машинной графике

Понятие цвета возникает при описании восприятия глазами человека электромагнитных волн в определенном диапазоне частот (длина волны от 400 нм (фиолетовый) до 700 нм (красный) (см. рис. 1.3)). Таким образом, самым общим описанием светового потока может служить его спектральная функция . 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. Палочки реагируют на степень яркости (или интенсивность) падающего света (см. рис. 1.4), а колбочки отвечают за различение цветов; при этом колбочки резко теряют свою чувствительность в темноте (в отличие от палочек), поэтому все объекты начинают казаться серыми. Колбочки бывают трех видов (их часто обозначают S, M и L )^{2по длине волны - от англ. Small, Middle, Large - малая, средняя и длинная} , и их кривые относительной чувствительности представлены на рис. 1.3. Пики на кривых чувствительности отвечают красному, зеленому и синему цветам. При этом следует заметить, что восприимчивость к синему цвету значительно ниже, чем к двум другим. Также важным свойством восприятия света человеком является его линейность: при освещении двумя источниками света (со спектральными функциями , ) человек воспринимает их как один со спектральной функцией, равной сумме . Этот факт называется законом Грассмана. Благодаря ему можно строить сравнительно простую теорию цветовосприятия.

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.

Цветовая модель RGB

Из рассмотренной выше модели человеческого зрения вытекает, что достаточно обоснованной является цветовая модель RGB (от англ. Red, Green, Blue - красный, зеленый, голубой), в которой спектральная функция представляется как сумма кривых чувствительности для каждого типа колбочек с неотрицательными весовыми коэффициентами (обычно их нормируют от 0 до 1 ), которые так и обозначаются - R, G и B. Эта модель характеризуется свойством аддитивности (мы складываем цвета для получения новых). К примеру, спектральные функции:

• черного цвета: f_black = 0, (R,G,B) = (0,0,0) ;
• фиолетового цвета f_violet = f_red + f_blue, (R,G,B) = (1,0,1) ;
• белого цвета f_white = f_red + f_green + f_blue, (R,G,B) = (1,1,1).

Рис. 1.3. Относительная чувствительность колбочек.

Рис. 1.4. Относительное восприятие интенсивности света палочками.

Если представить эти коэффициенты как координаты в трехмерном евклидовом пространстве и каждой точке сопоставить соответствующий цвет, получим наглядное изображение пространства RGB (см. рис. 1.5).

Рис. 1.5. Цветовая модель RGB.

Эта модель является в настоящее время самой распространенной. В то же время ей присущ важный недостаток: не все цвета, видимые человеком, представимы в этой модели. В конце 1920-х годов В.Д. Райтом [53] и Дж. Гилдом [33] были проведены эксперименты, в которых наблюдателю предлагалось каждому монохроматическому цвету^{3Естественно, образцы брались с определенным шагом по спектру, равным 2 нм.} фиксированной яркости в видимом диапазоне сопоставить цвет, составленный из смеси основных цветов R, G и B с некоторыми весами, регулируемыми наблюдателем. Оказалось, что для некоторых цветов необходимо было добавить отдельно яркости испытуемого света и одного из базисных цветов (был выбран R ), с тем чтобы получить одинаковое восприятие. Это соответствует отрицательному весу R -компоненты (см. рис. 1.6). Такой эффект связан с тем, что волны из видимого диапазона воздействуют сразу на все типы колбочек и не всегда возможно ограничиться положительными коэффициентами (более подробно см. [24]) для представления некоторых цветов из видимого спектра. К счастью, доля воспроизводимых цветов значительно больше, чем доля не представимых в этой модели цветов. Модель, с помощью которой можно представить все цвета из спектра, ограничиваясь неотрицательными коэффициентами, представлена в следующем подразделе.

Рис. 1.6. Функции представления цвета для RGB.