Компьютерная графика Computer Graphics

Компьютерная графика. Лекция 1.
Цели и задачи компьютерной графики.
Цветовые модели.
Компьютерная графика. Лекция 1.
Задачи компьютерной графики
Компьютерная
графика
это
область
информатики, в сферу интересов которой входят
все аспекты формирования и обработки
изображений с помощью компьютеров.
Основные задачи:
• представление изображения в компьютерной
графике;
• подготовка изображения к визуализации;
• создание изображения;
• осуществление действий с изображением.
Компьютерная графика. Лекция 1.
Обработка изображений на компьютере
Изображение
Компьютерное зрение
Computer Vision (CV)
Изображение
Обработка изображений
Image Processing (IP)
Изображение
Модель
Компьютерная графика
Computer Graphics (CG)
Изображение
Модель
Компьютерная графика. Лекция 1.
Обработка изображений
Image Processing
Изображение
Захват кадра из
видеопотока
Обработка изображений
Image Processing
Выделение области
для распознавания
Контрастирование
области
распознавания
Изображение
Замена цвета для
усиления контраста
между номером и
подложкой
Компьютерная графика. Лекция 1.
Компьютерное зрение
Computer Vision
Изображение
Компьютерное зрение
Computer Vision
Захват движения и
5/16
анимация персонажа
Модель
(Описание)
Компьютерная графика. Лекция 1.
Компьютерная графика
Computer Graphics
Модель
(Описание)
Компьютерная графика
Computer Graphics
Изображение
Графический
конвейер
Render:
3dsmax
Компьютерная графика. Лекция 1.
Visualization \ Visual Computing
Модель
Вычисления / Computing
Изображение
From Ron Fetkiw site
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):
75-150 млн
Колбочки (cones):
6-7 млн - воспринимают
цвет. К каждой - свой нерв.
Компьютерная графика. Лекция 1.
Чувствительность трех типов
колбочек к разным участкам
спектра:

Интегральная чувствительность
глаза к свету:
Компьютерная графика. Лекция 1.
Характерная спектральная кривая
R   I ( )  PR ( ) d
G   I ( )  PG ( ) d
B   I ( )  PB ( ) d
I ( )
- зависимость интенсивности
света от длины волны
Опыт Томаса Юнга
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 С1 и С2 имеет место равенство:
С = С1 + С2 = (r1+r2)R + (g1+g2)G + (b1+b2)B
Компьютерная графика. Лекция 1.
Аддитивная модель RGB
r
r  g b
g
g
r  g b
b
b
r  g b
r
r  g b 1
Компьютерная графика. Лекция 1.
Компьютерная графика. Лекция 1.
Цветовая модель CMYK
Это субтрактивная цветовая модель,
используемая в цветной полиграфии
Цветовая модель основана на
смешивании пигментов следующих
цветов:
C – Cyan (голубой)
M – Magenta (пурпурный)
Y – Yellow (желтый)
K – Key, blacK (черный)
Субстрактивное формирование оттенков
Компьютерная графика. Лекция 1.
Схема смешения цветов для моделей
RGB и CMY
Компьютерная графика. Лекция 1.
Цветовой куб
Цветовые модели RGB и CMYK образуют
так называемый цветовой куб
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
Компьютерная графика. Лекция 1.
Сравнение цветовых пространств RGB и
CMYK
Компьютерная графика. Лекция 1.
Разложение монохромного цвета
mono( )  r ( ) R  g ( )G  b( ) B
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 l’Eclairage - Межд.
комиссия
по
стандартам
освещенности, МКО):
R  700нм
G  546.1нм
B  435.8нм
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
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/м2] с учетом спектральной
чувствительности глаза стандартного наблюдателя и называется
люминантностью (CIE luminance).
X   I ( )  x ( )d
Y   I ( )  y ( )d
Z   I ( )  z ( )d
Компьютерная графика. Лекция 1.
Модели CIE. Модель XYZ
Введены также нормированные координаты x,y,z:
X
x
X Y  Z
Обратное
преобразование:
Y
y
X Y  Z
Z
z
X Y  Z
Y
X  x ; Y  Y;
y
Y
Z  (1  x  y ) .
y
x yz 1
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.
Компьютерная графика. Лекция 1.
Некоторые стандартные источники CIE
Название
Температура
x
y
Лампа с вольфрамовой
нитью накаливания
2856К
0.448
0.408
Солнечный свет в полдень
5600К
0.349
0.352
Полуденное освещение
при сплошной облачности
6300К
0.310
0.316
Опорный белый стандарт
для мониторов и NTSC
6400К
0.313
0.329
Компьютерная графика. Лекция 1.
Цветовая CIE-диаграмма и цветовой охват
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.
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:
X  Xr
Y    Y
   r
 Z   Z r
Xg
Yg
Zg
X b R

Yb  G ,
Z b   B 
где X r , Yr , Z r - цвета для получения координат
единичного основного цвета R, аналогично и для G и B.
Компьютерная графика. Лекция 1.
XYZ как основа аппаратно-независимого
преобразования моделей
Если известны координаты цветности CIE x и y для
основных цветов RGB, то:
xr C r
X  
Y   
yr Cr
  
 Z  (1  xr  yr )Cr
где
xg C g
yg Cg
(1  x g  y g )C g
R
xbCb
 
y b Cb
 G ,
(1  xb  yb )Cb   B 
Cg  X g  Yg  Z g , Cb  X b  Yb  Zb , Cr  X r  Yr  Z r
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:
Red
Green Blue White
x
0.640 0.300 0.150 0.3127
y
0.330 0.600 0.060 0.3290
 R   3.240479  1.537156  0.498536  X 
G    0.969256 1.875992
Y 
0
.
041556
  
 
 B   0.055648  0.204043 1.057311   Z 
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.
 X  0.412453 0.357580 0.180423  R 
 Y    0.212671 0.715160 0.072169 G 
  
 
 Z  0.019334 0.119193 0.950227  B 
RGB в XYZ
YCIE =0.213R+0.715G+0.072B
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.
Компьютерная графика. Лекция 1.
Модель L*a*b* (Lab)
116(Y / Yn )1/ 3  16,
L 
 903.3(Y / Yn ),
*

 200(Y / Y )
Y / Yn  0.008856
Y / Yn  0.008856
a*  500 ( X / X n )1/ 3  (Y / Yn )1/ 3
b*
1/ 3
n


 ( Z / Z n )1/ 3 ,
где Xn,Yn,Zn - координаты белого цвета
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
Компьютерная графика. Лекция 1.
V
S
H
Компьютерная графика. Лекция 1.
Цветовая модель HLS
Данная цветовая модель задает
цветовое
пространство
с
терминах следующих компонент:
Hue – цветность
Saturation – насыщенность
Lightness (Luminosity,
Luminance, Intensity) освещенность
Компьютерная графика. Лекция 1.
LH
S
Компьютерная графика. Лекция 1.
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.
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 SECAMсигнала)
 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
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
Компьютерная графика. Лекция 1.
ГРАФИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Компьютерная графика. Лекция 1.
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.
Структура графической системы
Компьютерная графика. Лекция 1.
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.
Устройства вывода изображений
микрофотографии дисплея
Компьютерная графика. Лекция 1.
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.
Принцип работы ЖКД
Компьютерная графика. Лекция 1.
Структура видеоадаптера
Компьютерная графика. Лекция 1.
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.
Растровое изображение
Изображение,
представляющее собой
сетку пикселей или точек
цветов (обычно
прямоугольную) на
компьютерном мониторе,
бумаге и других
отображающих устройствах
и материалах.
Компьютерная графика. Лекция 1.
Пиксель (англ. Pixel – PICture’S 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.
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 = 2I, где N - количество цветов,
а I - глубина цвета);
• Цветовое пространство (цветовая модель) RGB,
CMYK, XYZ, YCbCr и др.
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
Название
в bpp
1
Монохромное
8
Палитровое
8
16
24
32
Примечания
Представимы 2 цвета - черный и белый
Байт является индексом в таблице палитры, с помощью
этой палитры представимо любое 256-элементное
подмножество всех True Color цветов
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
High Color
Полноцветное, количество бит на каждую компоненту RG-B: 5-5-5 (т.е. на самом деле 15 бит, один не
используется) или 5-6-5
True Color
Полноцветное, на каждую из RGB компонент по 8 бит
True Color
То 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
Компьютерная графика. Лекция 1.
Графические форматы
Компьютерная графика. Лекция 1.
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЦВЕТОМ
(IMAGE COLOR MANAGEMENT, ICM 2.0)
Сканер
Монитор
Принтер
Цифр.камера
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 помощью прибора денситометра и
передаются
в
программу
вычисляющую цветовой профиль.
Профиль
устр.ввода
CMM
Профиль монитора
CMM
PCS (Profile Connection Space)
аппаратно-независимая модель
Color Management System for ICM 2.0
Профиль
принтера
Color
Management
Module
Image Color Management, ICM 2.0
ICC Profile Format Specification, available from the
International Color Consortium (1993) http://www.color.org.
Понятия калибровки, идентификации, профиля.
Значение в полиграфии.
Расширение возможностей многоцветной печати.