Рефераты. Цифровая обработка графики
Цифровая обработка графики
Кодирование изображений.
Садыков М.Р.
27 июля
1997 года.
Человеческий
глаз состоит примерно из 7 млн. колбочек
и 120 млн. палочек. Функция палочек заключается в «ночном зрении» - светочувствительности и приспособлении
к окружающей яркости. Функция колбочек - «дневное зрение» - восприятие цвета, формы и деталей предмета.
В них заложены три типа воспринимающих элементов, каждое из которых воспринимает световое излучение только определенной
длины волн, соответствующих одному из трех основных цветов:
красному, зеленому и синему. Остальные цвета и оттенки получаются смешением этих трех.
Человеческий
глаз воспринимает цветовую информацию в диапазоне волн примерно от 380 нм (синий цвет) до 770 нм (красный
цвет). Причем наилучшую чувствительность имеет в районе
520 нм (зеленый цвет).
На
рисунке показана чувствительность глаза в зависимости от длины принимаемой
волны. Область частот, левее синей - ультрафиолетовые волны, правее красной - инфракрасные волны.
Грассман
привел законы природы цвета:
1.Трехмерность природы цвета. Глаз реагирует на три различных цветовых
составляющих. Примеры: красный, зеленый и синий цвета; цветовой тон (доминирующая длина волны),
насыщенность (чистоту) и яркость (светлость).
2.Четыре цвета всегда линейно зависимы, то есть , где . Для
смеси двух цветов и имеет место равенство: .Если цвет равен цвету и цвет тоже равен цвету , то цвет равен цвету независимо от структуры спектров энергии .
3.Цветовое пространство непрерывно. Если в смеси трех цветов один непрерывно
изменяется, а другие остаются постоянными, то цвет смеси будет меняться непрерывно.
Рассмотрим
основные цветовые модели:
Данная модель
построена на основе строения глаза. Она идеально удобна
для светящихся поверхностей (мониторы, телевизоры, цветные лампы и т.п.). В основе ее лежат три цвета: Red- красный, Green- зеленый и Blue- синий. Еще Ломоносов заметил, что с помощью этих трех основных цветов можно
получить почти весь видимый спектр. Например, желтый цвет- это сложение красного и зеленого.
Поэтому RGB называют аддитивной системой смешения цветов.
Чаще всего данную
модель представляют в виде единичного куба с ортами: (1;0;0)- красный, (0;1;0)- зеленый,
(0;0;1)- синий и началом (0;0;0)- черный.
На рисунке показан куб и также распределение цветов вдоль
указанных векторов.
Данная модель
применяется для отражающих поверхностей (типографских и
принтерных красок, пленок и т.п.). Ее
основные цвета: Cyan- голубой, Magenta- пурпурный и Yellow- желтый являются
дополнительными к основным цветам RGB. Дополнительный цвет
- разность между белым и данным, например, желтый = белый - синий.
Поэтому CMY называют субтрактивной системой смешения цветов. Например,
при пропускании света пурпурный объект поглощается зеленая часть спектра,
если далее пропустить через желтый объект, то
поглотится синяя часть спектра и останется лишь красный цвет. Данный принцип используют светофильтры. На
верхнем рисунке в кругах - основные цвета системы RGB, на пересечениях - их смешения. Аналогичным образом работают с красками художники,
формируя необходимую палитру. На нижнем рисунке в кругах -
основные цвета CMY, на пересечениях - смешения. Связь между RGB и CMY можно
выразить через следующую формулу:
Наряду
с системой CMY также часто применяют и ее расширение CMYK.
Дополнительный канал K (от английского blacK ) - черный. Он применяется
для получения более «чистых» оттенков
черного. В цветных принтерах чаще всего используется
четыре красителя. Данная система широко применяется в
полиграфии.
Если имеется один
контрольный цвет, то с помощью него можно получить некоторые
цвета, варьируя данный контрольный по светлоте (при
условии, что не используется цветовой тон и насыщенность).
Данная процедура называется фотометрией и используется при
создании монохроматических репродукций цветных изображений.
С
помощью двух контрольных цветов можно получить гораздо больше цветов, но не все.
Для получения видимого набора цветов используют три контрольных
цвета, соблюдая условие, что они
находятся в разных областях спектра. Рассмотрим следующий
базис цветов:
1.R ed- красный; лежит в
области длинных видимых волн (`700 нм).
2.G reen- зеленый; лежит в области средних видимых волн (`546 нм).
3.B lue- синий; лежит в
области средних коротких волн (`436нм).
Рассмотрим цвет C:
,
r, g, b- относительные
количества потоков базовых цветов, входящие в интервал [0; 1]. Но данным сложением
можно уравнять не все цвета. Например, для получения сине-зеленого цвета объединяем синий и зеленый потоки
цвета, но их сумма выглядит светлее, чем необходимый. Если
попытаться сделать его темнее с помощью красного, то получим еще более светлый
результирующий цвет, так как световые энергии складываются. То есть мы можем добавлять красный, для получения
более светлого образца. Математически добавление красного цвета к поучаемому
цвету соответствует вычитанию его из двух оставшихся базовых потоков (физически
это невозможно, так как отрицательной интенсивности света
не существует). Запишем уравнение следующим образом:
.
На рисунке показаны
функции r, g, b уравнения по цвету для монохроматических
потоков цвета с длинами волн 436, 546, 770 нм. С их помощью можно уравнять все
длины волн видимого спектра. На графике присутствует
отрицательная область. Значения в данной области
соответствуют «добавлению»
инструментального цвета к синтезируемому. Изучением данных функций занимается
колориметрия. Замечено, что один и тот же цвет можно
получить разными наборами базисных цветов (r1, g1, b1) и (r2, g2, b2). То есть цвет
можно уравнять различными составными источниками с неодинаковым спектральным
распределением. (r1, g1, b1) и (r2, g2, b2)- метамеры.
Представим
цвет С как вектор с составляющими rR, gG, bB. Пересечение
вектора C с единичной плоскостью R+G+B=1 дает относительные веса его красной, зеленой и синей составляющих. Их
также называют значениями или координатами цветности:
Заметим, . Рассмотрим связь: . Если
функции уравнивания по цвету перенести в трехмерное пространство, то результат
не будет целиком лежать в положительном октанте.
В
1931 был принят стандарт CIE (Commission
International de l’Eclairage - Международная комиссия по освещению),
в качестве основы которого был выбран двумерный цветовой график и
набор из трех функций реакции глаза, исключающий отрицательной области и
удобный для обработки. Гипотетические цвета CIE - X, Y и Z. Треугольник XYZ задан так,
что в него входит видимый спектр. Координаты цветности CIE (x, y, z) задаются следующим образом:
,
и . При проецировании треугольника XYZ на плоскость (x,
y) получаем цветовой график CIE. Координаты x
и y - относительные количества трех основных
цветов XYZ, требуемых для составления нужного цвета.
Яркость определяется величиной Y, а X
и Y подбираются в соответствующем масштабе.
Таким образом, триада (x, y, Y) задает цвет. Обратное преобразование имеет вид:
Комиссия решила
ориентировать треугольник XYZ таким образом, что равные количества гипотетических основных цветов XYZ давали в сумме белый. На рисунке изображен
цветовой график. Область на графике - видимое множество
цветов. На контуре проставлены значения соответствующих
длин волн в нм, соответствующие чистым, не разбавленным
цветам. В центре области находится опорный белый цвет -
точка равных энергий, с координатами x=y=0.33(3). Часто применяют следующие 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