Počítačová grafika
Elektromagnetické spektrum
Barva a barevné modely Jana Dannhoferová (
[email protected])
Ústav informatiky, PEF MZLU Zdroj: Svět barev, Albatros
Elektromagnetické spektrum
Zdroj: Svět barev, Albatros
Lidské oko
3
Tyčinky a čípky
Zdroj: Doc. Ing. Jiří Sochor, Ph.D.
2
Zdroj: Svět barev, Albatros
4
Lidské oko
5
Zdroj: Doc. Ing. Jiří Sochor, Ph.D.
6
1
Lidské oko
Lidské oko
• akomodace oka (oko nedovede současně stejně ostře zobrazit na sítnici předměty nacházející se v různých vzdálenostech)
• Otázka: Proč je nevhodné zobrazovat důležitou informaci střídavě barvami z opačných okrajů viditelného spektra?
• adaptace oka (přizpůsobení oka různým hladinám intenzity osvětlení) • adaptační doba na světlo trvá několik sekun • adaptační doba na tmu může trvat až 50 minut
• pro vidění každé barvy musí lidské oko přeostřit • barvy, které jsou si blízké může vidět pohromadě bez přeostřování (např.červená, oranžová, žlutá, zelená) • jiné barevné kombinace je obtížné vnímat, oko musí přeostřit (červená x modrá) 7
8
Charakteristika barevného vidění
Lidské oko
• různá citlivost na červenou, zelenou a modrou
Zkuste současně zaostřit na červenou a modrou barvu. Podařilo se vám to? A jak dlouho to vydržíte?
• přeostřování na barvy vzdálené ve spektru • oko zaostřuje podle jasové složky Y = R + G • integrační schopnost sítnice • setrvačnost (tzv. paobraz)
Zkuste současně zaostřit na červenou a modrou barvu. Podařilo se vám to? A jak dlouho to vydržíte?
• čočka a sklivec se časem zbarvují do žluta • vliv okolí
9
Vidění vs. technika
10
Optické klamy
• schopnosti oka a mozku zdravého člověka: • dynamický rozsah vidění • schopnost vyvážení bílé • ostření • noční vidění • atd. • převaha techniky: • makrofotografie • infrafotografie • RTG • teleobjektivy • atd. 11
• lidské oko může v jistých případech interpretovat pozorované jevy chybně • při zpracování daného vjemu mozkem pak dochází k závěrům, které neodpovídají skutečnosti • podle příčiny vzniku rozlišujeme: • klamy objektivní (jsou vyvolány lomem a odrazem světla v atmosféře) • klamy fyziologické • iradiace • trvání vjemu • jev kontrastu • klamy psychologické • klamy odhadu vzdálenosti • klamy velikosti úhlů 12
2
Iradiace (barevný vjem)
Iradiace (Whitova iluze)
• světlé plochy na tmavém pozadí se zdají být větší než stejně velké tmavé plochy na světlém pozadí
13
14
Trvání vjemu (barevný paobraz)
Iradiace
Pozorujte zhruba 30 sekund upřeně černý bod uprostřed srdce, nepohybujte přitom očima. Pak rychle pohlédněte na čistý list bílého nebo šedého papíru. Uvidíte krásné červené srdce.
15
Rekombinace barevných stimulů
16
Jev kontrastu (barevná indukce)
• z původních kanálů R, G, B vznikají 3 odlišné kanály: • červená – zelená • žlutá – modrá • Y=R+G
• lidé nejsou schopni vnímat některé barevné kombinace současně
•
hrany a tvary nejsou téměř rozlišitelné v odstínech modré (oko zaostřuje hrany podle výrazných změn jasu) Zdroj: Doc. Ing. Jiří Sochor, CSc.
Šedá se tónuje barvou doplňkovou k barvě pozadí.
17
18
3
Hermanova mřížka
Hermanova mřížka
19
20
Barevný vjem
Jasová adaptace oka
• Machovy proužky • oko je citlivé na výskyt hran • náhlý skok barev způsobuje ztrátu informace (tzv. kvantizační chyba)
22
21
Poggendorfova iluze
Lichoběžníková iluze
Která úsečka je delší, červená, nebo modrá? Která z barevných čar je pokračováním bílé čáry?
Naše zrakové orgány jsou neuvěřitelně neschopné, pokud jde o interpretaci dráhy úhlopříčných čar, ale nikdo zatím neví, proč tomu tak je.
23
Červená úsečka je zdánlivě o kousek delší než modrá, přestože jsou obě stejně dlouhé. Úhly menší než 90 stupňů způsobují, že čára ležící poblíž nich se zdá být kratší, úhly větší než 90 stupňů ji naopak prodlužují.
24
4
Ebbinghousova iluze
Ošidné obrazce
Je červený čtverec větší než modrý čtverec, nebo to jen tak vypadá? Jsou vodorovné čáry zakřivené, nebo jsou ve skutečnosti rovné?
Jsou vnitřní kruhy různě veliké? Vnitřní kruhy jsou stejně velké. Když kruh uprostřed obklopují větší kruhy, vypadá menší než kruh, který je obklopený tečkami.
25
Vady barevného vidění
26
Vady barevného vidění
• výraznější poruchu barevného vidění má přibližně každý dvanáctý člověk • nejčastější porucha: snížená citlivost na zelenou • nejméně častá: snížená citlivost na modrou • splynutí červeného a zeleného pigmentu • absence jednoho z pigmentů • absence čípků (tzv. monochromatismus) • úplná barvoslepost • cca 0,005 % populace
27
Išiharova tabulka
28
Obecné zásady • barvy používat střízlivě • nepoužívat modrou barvu u malých objektů nebo tenkých čar • na pozadí nepoužívat červenou a zelenou barvu • nekreslit vedle sebe syté barvy vzdálené ve spektru
29
30
5
Standardizace kolorimetrických měření
Kolorimetrie • vychází ze spektrálních vlastností světla a fyziologických vlastností zraku
• 1931 – CIE (Commission Internationale de l’Éclairage) – norma Mezinárodní osvětlovací komise, která vznikla na základě měření velkého počtu pozorovatelů
• světlo určitého spektrálního složení vyvolá po dopadu na sítnici oka v mozku subjektivní barevný vjem
• předpokládá se, že oko vnímá třemi základními fyziologickými orgány, jejichž citlivost k barvám je vyjádřena barevnými podněty (trichromatickými činiteli)
• v praxi existují různé zdroje světla s různým spektrálním složením
• diagram chromatičnosti (kolorimetrický trojúhelník) • křivka spektrálních světel (barev) s vyznačenými vlnovými délkami v nm • přímka čistých purpurů • čára teplotních zářičů se stupnicí v kelvinech (K) • dvě barvy ležící v tomto diagramu proti sobě přes barvu bílou se nazývají doplňkové
• určení barvy světla nebo předmětu se provádí v tzv. trichromatické kolorimetrické soustavě
31
32
Teplota chromatičnosti (barevná teplota)
Diagram chromatičnosti
• barva světla je závislá na spektrálním složení světla • chromatičnost – barevná jakost světla • kolorita –barevná jakost povrchů • barva předmětů závisí na: • intenzitě světla vyzařovaného tělesem • na spektrálním složení světla, kterým je předmět ozařován • barva světla se v praxi určuje teplotou chromatičnosti • udává se ve stupních kelvina (K) • světlo určité barevné teploty má barvu tepelného záření vydávané černým zářičem zahřátým na tuto teplotu
Zdroj: Wikipedie a www.paladix.cz
33
Teplota chromatičnosti (barevná teplota)
Proč kolorimetrie?
• existují rozdíly v teplotě chromatičnosti různých světel: Světelný zdroj
• doporučené hodnoty osvětlení • vytvoření optimálních pracovních podmínek • zajištění bezpečnosti práce • přispět ke zrakové pohodě člověka
Teplota barvy (K)
Svíčka
1200-1500
Žárovka
2500-3200
Východ/západ slunce
3000-4000
Denní světlo, zářivka
5000
Blesky, výbojky
5500
Oblačno, mlhavo
6000-8000
Modré nebe
8000-11000
34
• na produktivitu i bezpečnost práce má vliv i barevné řešení prostředí (viz harmonie a psychologie barev na další přednášce) • rušivé osvětlení: • zvyšuje únavu • snižuje výkon • narušuje podmínky pracovní pohody
35
36
6
Barva v počítačové grafice • • • • • • • •
Aditivní barevný model RGB
reprezentace barvy je obecně různorodá reprezentace v PG: vlastnost nějakého objektu jsou tvořeny kombinací několika základních barev lidské oko rozlišuje více než 4x105 různých barev reprezentace barvy může být různorodá tzv. High Color tzv. True Color (nejběžnější) Barevné modely • aditivní • subtraktivní
Red – červená Green – zelená Blue – modrá
37
Zdroj: www.fotografovani.cz
Model RGB
38
Model RGB
• odpovídá fyziologii vnímání barev lidským okem • 256 odstínů pro každou základní barvu • 2563 = 16 777 216 barev ve 3 bytech • barvy jsou uváděny v celočíselném rozsahu 0–255 • model můžeme vyjádřit jednotkovou krychlí • [0,0,0] počátek souřadnic – černá • [1,1,1] – bílá • použití: přístroje, které přímo vyzařují světlo (monitory, projektory, skenery, digit. fotoaparáty) • nepotřebuje žádné vnější světlo! 39
40
Model RGB
Model RGBA • přesněji RGBα • dodatečná informace o průhlednosti (0–1) • alfa kanál (α-channel) je základem tzv. alfa míchání (alpha blending) • uložení průhlednosti • konstantní alfa pro celý obraz – nejjednodušší • přednásobená alfa (premultiplied alpha) – nejčastější • prosté uložení hodnot (unmultiplied alpha) – méně časté
Zdroj: www.fotografovani.cz
41
42
7
Odvozené RGB prostory
Model sRGB
• model RGB (mateřský prostor většiny zařízení) nemá přesnou specifikaci svých základních barev a tak vzniklo více RGB modelů
• 1996 – standard periférií (navržen firmami HP a Microsoft) • podporován Epsonem, Mitsubishi a dalšími • podporován W3C (standardní paleta barev pro HTML)
• nejznámější a nejrozšířenější jsou: • sRGB (standard Windows) • Adobe RGB (Adobe, 1998)
• odpovídá reálným možnostem zobrazení většiny monitorů • vylepšení RGB (zejména v přepočtu odstínů) • řeší problém zachování věrnosti a autentičnosti barev (vlastnosti periférií jsou mnohdy příčinou řady deformací) • modeluje barevný prostor průměrného monitoru PC pod Windows (reprezentuje typické barvy) • stejné zobrazení barev na různých perifériích počítače
• další nástupci RGB modelu: • Apple RGB • Color Match RGB • Wide Gamut RGB • a další
43
Adobe RGB
• použití: multimédia, Internet, fotoaparáty • nevýhody: nehodí se k DTP (má problémy s převody do CMYK )
44
Srovnání sRGB a Adobe RGB
• 1998 – vytvořen firmou Adobe • používá mírně odlišné základní barvy (větší rozsah barev než model sRGB) • nevýhody: • většina běžných monitorů ho již nedokáže zobrazit • při převodu do jiných modelů mohou být větší odchylky • použití: předtisková příprava (DTP)
45
Subtraktivní barevný model CMY
46
Model CMY • odpovídá 3 základním barvám (tonerům) používaným při tisku (DTP a příprava na osvit)
Cyan – tyrkysová Magenta – purpurová Yellow – žlutá
• barvy nabývají hodnot 0 – 100 (v %) • model můžeme vyjádřit jednotkovou krychlí • [0,0,0] počátek souřadnic – bílá • použití: výhradně pro tisk
Zdroj: www.fotografovani.cz
47
48
8
Model CMY
Model CMY
49
Model CMY(K)
Zdroj: www.fotografovani.cz
50
Převod mezi CMY a RGB
• ke složkám CMY se často přidává K (blacK)
• barvy CMY jsou doplňkové k barvám RGB • C=1–R • M=1–G • Y=1–B
• požadavek: barevné pigmenty nesmí být v praxi dokonale krycí • černá barva se tiskne samostatně • lepší vizuální dojem • zvýraznění kontrastu • není efektivní tisknout černou mícháním barev CMY (černý inkoust je mnohem levnější) • pro záznam jednoho obrazového bodu v True Color je potřeba 32 bitů
51
Modely HSB a HSL
52
Model HSB
• orientace na uživatele
• v literatuře se tento prostor často označuje jako HSV (Value)
• nejvíce se přibližují tomu, jak míchají barvy malíři
• barevný tón (H – Hue) • základní spektrální (čistá) barva • rozsah 0O až 360O (zobrazení do kruhu)
• definují barvy pro člověka přirozeným způsobem (nové barvy vznikají přidáváním bílé barvy (nádechy) a černé barvy (odstíny) k základním spektrálním barvám) • barva je definována trojicí složek, které však nepředstavují základní barvy
• sytost (S – Saturation) • poměr čisté barvy a bílé • hodnoty 0–1, procenta • jas (B – Brightness) • poměr čisté barvy a černé • hotnody 0–1
53
54
9
Model HSB
Model HSL • L vyjadřuje: světlost (L – Lightness)
• šestiboký jehlan • vrchol = černá (počátek souřadnic)
• nejvíce barev vnímáme při průměrné světlosti (oblast podstav) • schopnost rozlišit barvy zaniká při velkém ztmavení či přesvětlení
• použití: • editaci fotografií a grafických návrhů
• míchání barev: analogické HSV • zvýšená světlost, neměnná sytost (přidání bílé, odebrání stejného množství černé)
• nedostatky: • jehlovitý tvar • nesymetrie jasu
Zdroj: Moderní počítačová grafika
• zvýšená sytost (odebrání stejného množství bílých a černých pigmentů) 55
Model HSL
56
Model HSL
• dvojice kuželů • světlost se mění od 0 (černá) do 1 (bílá) • sytost klesá od 1 (povrch kuželů) k 0 (osy) • jasné a čisté barvy leží na obvodu podstav a mají s = 1, l = 0.5 • pokud se sytost nastaví na 0, obrázek přejde do černobílé podoby
Zdroj: Moderní počítačová grafika
57
Model Lab
Zdroj: www.fotografovani.cz
58
Model Lab • výhody: • nezávislost na zařízení • nejširší rozsah zaznamenatelných barev (gamut) • oddělení jasové složky od barevných složek
• nebo též L*a*b (podle definice CIE, 1976) • popisuje všechny barvy, které dokáže lidské oko zachytit • pro popis barvy používá 3 složky: • Světlost (L – Lightness) • 0 znamená černý bod, 100 znamená bílý bod) • Složka barvy a • popisuje barvu od červené (+a) k zelené (-a) • Složka barvy b • popisuje barvu bodu od žluté (+b) k modré (-b)
59
Zdroj: www.fotografovani.cz
60
10
Srovnání gamutů barevných prostorů prostor Lab (TIFF)
velikost (objem) 2,381,085
pokrytí barev (%) 97.0
Zadávání barev v počítači
efektivnost kódování (%) 35.1
Adobe RGB (1998)
1,208,631
50.6
100.0
Apple RGB
798,403
33.5
100.0
CIE RGB
1,725,261
64.3
96.1
ColorMatch RGB
836,975
35.2
100.0
Ekta Space PS5
1,623,899
65.7
99.5
Pro Photo RGB
2,879,568
91.2
87.3
sRGB
832,870
35.0
100.0
Wide Gamut RGB
2,164,221
77.6
91.9
Zdroj: www.paladix.cz
61
Barevné prostory pro televizi a videotechniku
Zdroj: www.fotografovani.cz
62
Color management
• prostory na rozmezí počítačové grafiky a televizní techniky (tj. oblast animací, multimédií apod.)
• cíl: snaha o co nejvěrnější barevnou reprodukci obrazu • obraz je zaznamenáván a zpracováván na různých zařízeních
• YUV, YIQ, YCBCR (prostory pro přenos barevných televizních signálů)
• problémy reprodukčního řetězce: • zařízení nepopisují a nemanipulují s barvou stejným způsobem • nezobrazují stejný rozsah barev a barevnou škálu (gamut) • výsledné zobrazení barev ovlivňují technické parametry konkrétního zařízení • zařízení využívající prostor RGB a CMY jsou přístrojově závislé
• diagram CIE (mezinárodní standard základních barev) • prostory CIE 1931, CIE 1976 Luv • nebudeme se jimi podrobněji zabývat
• barevný reprodukční řetězec se vyznačuje otevřenou architekturou, koordinace jednotlivých zařízení zabezpečuje tzv. Color Management Systém (CMS) 63
Barevné gamuty periférií
64
Color management • 1931 – CIE (Commission Internationale de l’Éclairage) • standardní barevné prostory • chromatické diagramy • definice vlastností zdrojů světla • 1993 – ICC (International Color Consorcium) • sjednocení přístupu různých výrobců při výrobě zařízení pro záznam a zpracování obrazu • definice tzv. systému správy barev (CMS) • vlastnost každého zařízení popisuje tzv. ICC profil • definován formát souboru profilu (Specification ICC.1:2001-12, File Format for Color Profiles, Version 4.0.0)
Zdroj: Barevné prostory a správa barev
65
66
11
Color management
Použité zdroje
• umožňuje převádět obrazy vytvořené na konkrétním zařízení do nezávislého barevného prostoru a výstup takto zaznamenaných obrazů do barevných prostorů zobrazovacích nebo výstupních zařízení • kontrola nad tím, jakým způsobem jsou zaznamenávány, zpracovávány a následně zobrazovány barvy
• Beneš, B., Felkel, P., Sochor, J., Žářa, J.: Moderní počítačová grafika. Computer Press: Brno • Sochor, J.: Základy počítačové grafiky. FI MU: Brno. • Skala, V.: Světlo, barvy a barevné systémy v počítačové grafice. ACADEMIA: Praha. • Pleskotová, P.: Svět barev. Albatros: Praha. • Fraser, B., Murphy, C., Bunting, F.: Color Management. Peachpit Press.
• více o CMS a tvorbě ICC profilů například na portálech: • Grafika.cz • Paladix.cz • Interval.cz
• Habel, J.: Základy nauky o barvě. ČVUT: Praha. • Zmeškal, O., Čeppan, M., Dzik, P.: Barevné prostory a správa barev. VUT: Brno. • www.fotografovani.cz • www.wikipedia.cz 67
• www.paladix.cz
68
12
