Wykorzystanie barwy w grafice komputerowej

Barwę wykorzystujemy z różnych powodów: w celu uzyskania wrażeń estetycznych, w celu uzyskania tonalności albo nastroju, w celu uzyskania wrażenia realizmu, w celu identyfikacji powiązanych ze sobą obszarów i w celu kodowania. Przy zachowaniu odpowiedniej ostrożności barwa może być efektywnie wykorzystana do każdego z tych celów. Ponadto użytkownicy mają tendencję do wykorzystywania barwy nawet wówczas, gdy nie ma jakościowych przesłanek, że dzięki temu uzyska się jakąś poprawę.

Przy niestarannym użyciu barwy obraz może stać się mniej użyteczny albo mniej atrakcyjny niż w przypadku odpowiedniej prezentacji monochromatycznej. W pewnym eksperymencie wprowadzenie nieistotnej barwy zredukowało wydajność użytkownika do około jednej trzeciej tego, co było przed zastosowaniem barwy. Barwa powinna być stosowana ostrożnie. Każde dekoracyjne użycie barwy powinno być podporządkowane celom funkcjonalnym, tak żeby barwa nie powodowała zmiany interpretacji pierwotnego znaczenia. Dlatego użycie barwy, podobnie jak i wszystkie inne aspekty interfejsu użytkownik-komputer, musi być testowane przez rzeczywistych użytkowników, tak żeby można było zidentyfikować problem i zaradzić mu. Oczywiście ludzie mogą mieć różne preferencje i w praktyce często korzysta się z wartości domniemanych wybranych na zasadzie reguł używania barwy z możliwością zmiany barwy przez użytkownika. Ostrożne podejście do wyboru barwy polega na zaprojektowaniu najpierw obrazu monochromatycznego po to, żeby mieć pewność, że użycie barwy jest czysto redundancyjne. Ta opcja umożliwia uniknięcie problemów dla użytkowników, z wadami widzenia barw, a także oznacza, że program użytkowy może być wykorzystywany na monitorze monochromatycznym. W systemach zarządzania okien barwy są wybierane bardzo ostrożnie. Barwa nie jest używana jako unikatowy kod stanu przycisku, wybranej pozycji menu itd.

Napisano wiele książek na temat stosowania barwy w celach estetycznych; podane zostanie jedynie kilka prostych reguł, które umożliwią uzyskanie harmonii barw. Podstawową regułą dla estetyki barw jest wybieranie barw zgodnie z jakąś metodą, na ogół wzdłuż gładkiej ścieżki w modelu barw, albo ograniczanie się do barw leżących na płaszczyznach lub ostrosłupach sześciokątnych w przestrzeni barw. Ta wskazówka mogłaby oznaczać stosowanie barw o stałej jasności albo wartości. Powinny być wybierane barwy znajdujące się w percepcyjnie równych odległościach, co nie jest tym samym co jednakowe przyrosty współrzędnej i może być trudne do implementacji. Przypomnijmy, że dwie liniowe interpolacje (takie jak cieniowanie) między dwiema barwami dają różne wyniki w różnych przestrzeniach barw.

Jeżeli wykres zawiera tylko kilka barw, to jako tło powinna być użyta jedna z barw dopełniających. W obrazie wykorzystującym wiele różnych barw jako tło powinna być używana barwa neutralna (szara), ponieważ dobrze harmonizuje i nie rzuca się w oczy. Jeżeli dwie sąsiednie barwy niezbyt harmonizują ze sobą, to można użyć cienkiej czarnej linii separującej je. Takie użycie obrzeży jest również bardzo efektywne dla achromatycznego kanału wzrokowego, ponieważ czarna obwódka ułatwia wykrywanie kształtów. Niektóre z tych reguł są zakodowane w systemie ACE (A Color Expert); jest to system ekspertowy dla wyboru barw dla interfejsów użytkownika. Na ogół dobrze jest minimalizować liczbę używanych różnych barw (z wyjątkiem cieniowania obrazów realistycznych). Barwa może być wykorzystana do kodowania informacji. Trzeba jednak pamiętać o pewnych przestrogach. Po pierwsze, barwa może wnieść niezamierzone znaczenie. Wyświetlanie dochodów firmy A na czerwono, a dochodów firmy B na zielono może sugerować, że firma A jest w kłopotach finansowych, ze względu na nasze skojarzenia czerwieni z deficytem finansowym. Jasne nasycone barwy rzucają się bardziej w oczy niż przyciemnione, blade barwy mogą niepotrzebnie coś uwypuklać. Dwa elementy obrazu, które mają tę samą barwę, mogą być widziane jako powiązane przez tę samą barwę, nawet jeżeli nie są. Ten ostatni problem powstaje często wówczas, gdy barwa jest używana zarówno do grupowania pozycji menu, jak i do rozróżniania elementów obrazu, takich jak różne warstwy układów drukowanych albo struktury VLSI; na przykład użytkownicy mają tendencję do łączenia elementów wyświetlonych na zielono z pozycjami menu o takiej samej barwie. Ta tendencja jest jednym z powodów, dla których korzystanie z barwy w elementach interfejsu użytkownika - takich jak menu, pola dialogowe i granice okien - powinno być ograniczone. (Inna przyczyna jest związana z dążeniem do pozostawienia samemu programowi użytkowemu możliwie największej liczby barw.)

Różne reguły stosowania barw wynikają raczej z psychologicznych niż estetycznych względów. Na przykład, ponieważ oko jest bardziej czułe na przestrzenne zmiany natężenia niż na zmiany barwy, linie, tekst i inne drobne szczegóły powinny odróżniać się od tła nie tyle barwą co jasnością (postrzeganym natężeniem) - zwłaszcza dla barw zawierających niebieski, ponieważ stosunkowo mało czopków jest czułych na barwę niebieską. Dlatego krawędź między dwoma barwnymi obszarami o jednakowej jasności, które różnią się tylko ilością barwy niebieskiej, będzie rozmyta. Czopki czułe na barwę niebieską są rozmieszczone na większej powierzchni siatkówki niż czopki czułe na barwy czerwoną i zieloną i peryferyjne widzenie barw jest bardziej ostre w odniesieniu do barwy niebieskiej - dlatego wiele „sygnałów" na samochodach policyjnych jest teraz niebieskich, a nie czerwonych. Barwy niebieska i czarna niewiele różnią się jasnością i dlatego stanowią wyjątkowo złą kombinację. Podobnie barwy żółta i biała są dość trudne do rozróżnienia, ponieważ obie są jasne. Barwa żółta dobrze kontrastuje z czarnym tekstem i dlatego jest dobrze widoczna. Ponadto uwypuklenie za pomocą barwy żółtej nie jest tak przytłaczające jak uwypuklenie za pomocą czarnego z białym tekstem, z czym się często można spotkać w monitorach monochromatycznych.

Biały tekst na niebieskim tle daje dobry kontrast, który jest mniej nieprzyjemny niż biały na czarnym. Najlepiej jest unikać barw czerwonej i zielonej o małym nasyceniu i luminancji, ponieważ są to barwy mylnie interpretowane przez daltonistów - nie rozróżniających barwy czerwonej od zielonej; jest to najczęstsza postać upośledzenia ze względu na percepcję barwy.

Ludzkie oko nie jest w stanie rozróżnić barwy bardzo małych obiektów, a więc barwy nie powinny być wykorzystywane do małych obiektów. W szczególności rozpoznawanie barw obiektów mniejszych niż 20 do 40 minut kątowych jest związane z dużym ryzykiem błędu. Obiekt o wysokości 0,25 cm widziany z odległości 60 cm (typowa odległość widzenia) odpowiada prawie takiemu łukowi i około 7 pikselom wysokości na monitorze o 1024 liniach o pionowej wysokości 36 cm. Jest oczywiste, że barwę jednego piksela jest trudno rozpoznać.

Postrzegana barwa obszaru zależy od barwy otaczającego obszaru; ten efekt jest szczególnie problematyczny, jeżeli barwy są używane do kodowania informacji. Efekt zmniejsza się, jeżeli otaczająca powierzchnia ma barwę szarą albo względnie nienasyconą. Barwa obszaru może wpływać na jego postrzeganą wielkość. Odkryto, że czerwony kwadrat jest postrzegany jako większy niż zielony kwadrat o tej samej wielkości. Ten efekt może równie dobrze spowodować zwracanie przez użytkownika większej uwagi na obszar czerwony niż na zielony.

Jeżeli użytkownik przez kilka sekund wpatruje się w duży obszar o wysoce nasyconej barwie, a potem popatrzy gdzie indziej, to będzie w dalszym ciągu widział obraz tego dużego obszaru. Ten efekt wprawia w zakłopotanie i powoduje napięcie oka. Dlatego stosowanie dużych obszarów o nasyconych barwach jest nierozsądne. Ponadto, duże obszary o różnych barwach mogą sprawiać wrażenie, że znajdują się w różnych odległościach od obserwatora, ponieważ współczynnik załamania światła zależy od długości fali. Oko zmienia swoją ogniskowa, gdy kierunek patrzenia zmienia się z jednego obszaru barwnego na drugi, a ta zmiana ogniskowej daje wrażenie zmiany odległości. Barwy czerwona i niebieska, które są na przeciwnych krańcach widma, mają najsilniejszy efekt różnicy odległości, przy czym czerwony obszar wydaje się być bliżej, a niebieski dalej. A więc równoczesne wykorzystywanie barwy niebieskiej dla bliskich obiektów i czerwonej dla dalekich nie jest racjonalne; odwrotna sytuacja jest poprawna.

Przy tych wszystkich niebezpieczeństwach i pułapkach nie można się dziwić temu, że jedna z naszych pierwszych reguł mówiła o ostrożności przy korzystaniu z barw. Znaczenie barwy w grafice komputerowej jest bardzo istotne, ponieważ monitory kolorowe i kolorowe urządzenia drukujące stały się normą w wielu zastosowaniach. Omówiono tylko te koncepcje związane z barwą, które są najistotniejsze dla grafiki komputerowej.