Grafika komputerowa
Grafika komputerowa
Zadaniem grafiki komputerowej jest przedstawienie
za pomocą komputera obrazów barwnych, które
będą postrzegane przez człowieka tak samo jak
odpowiadajÄ…ce im obrazy naturalne.
Barwa
Wrażenia człowieka związane z odbiorem barwy
zależą od otoczenia obserwowanego obiektu, jego
oświetlenia i widoczności. Są one subiektywne,
dlatego też jest stosowana obiektywna, ilościowa
metoda określania barw  kolorymetria.
Wrażenia barwne
Wrażenia barwne

Wrażenia barwne powstają w wyniku
obserwacji światła.

Wyróżniamy:

jedną cechę ilościową  jasność.
Jasność jest związana z natężeniem oświetlenia E
dla oka zaadaptowanego do warunków oświetlenia.

dwie cechy jakościowe określają barwę.
Opis fizyczny
Opis fizyczny

Światło jest promieniowaniem
elektromagnetycznym leżącym w
zakresie fal 380  780nm.
Õ()
Õ()
[W/nm
]
400 700  [nm]
400 700 [nm
]
Fizyczny opis barwy
Fizyczny opis barwy

Odcień barwy  zależy od dominującej
długości fali.

Nasycenie  długość przedziału, w jakim
występuje obserwowane
promieniowanie (krótszy przedział
DominujÄ…ca
długość fali
większe nasycenie.
Õ()
Czystość

Jasność  odnosi pobudzenia
siÄ™ do strumienia
światła.
400 700  [nm]
Fizyczny opis barwy
Fizyczny opis barwy

Oko ma różną czułość, która zależy od
długości fali.

Największa czułość występuje dla długości
fali ok. 555nm (barwa żółtozielona).

Barwy achromatyczne
Õ()
(od czerni do bieli)
- różnią się jasnością.

Biel równoenerge-
tyczna E, światło
dzienne o temperaturze
400 555 700  [nm
6500K - biel D6500.
]
Opis psychofizjologiczny
Opis psychofizjologiczny
postrzegania barwy
postrzegania barwy
Trójskładnikowa teoria widzenia barw
Younga-Helmholtza.

Wszystkie barwy można
otrzymać poprzez
mieszanie trzech barw
podstawowych: czerwonej,
zielonej i niebieskiej.

Trzy rodzaje receptorów
światłoczułych (czopków)
najbardziej wrażliwych na
określone długości fal (RGB).
Postrzeganie barw przez
Postrzeganie barw przez
człowieka
człowieka

Oko człowieka posiada 2 typy receptorów(czopki)
umożliwiające dostrzeganie barw oraz receptory
(pręciki) umożliwiają dostrzeganie tylko
poziomów szarości. Pręciki działają przy słabym
oświetleniu.

Człowiek potrafi rozróżnić tylko około 30
poziomów szarości znajdujących się w bliskim
sÄ…siedztwie. Natomiast w przypadku odcieni
koloru rozróżnia ich setki tysięcy (różne z
ródła
podają 400 000  8mln)  ok. 128 w pełni
nasyconych barw.
Czynniki wpływające na
Czynniki wpływające na
postrzeganie barw
postrzeganie barw

Właściwości fizyczne obiektu odbijania
i/lub absorpcji światła

Właściwości z
ródła światła

Właściwości ośrodka, przez który biegną
promieni światła

Odległości z
ródła światła od obiektu

Właściwości otaczających obiektów

System wzrokowy człowieka

Poprzednie doświadczenie przy
obserwacji podobnych obiektów
Światło achromatyczne
Światło achromatyczne

Światło białe.

Ma tylko cechę ilościową  wielkość
strumienia światła.

Oko jest bardziej czułe na zmianę
stosunku wartości strumienia niż na
zmianę wartości bezwzględnych.

Jak powinna się zmieniać wartość
natężenia, aby mieć wrażenie ciągłości
gradacji szarości?
Ustalenie wartości natężenia
Ustalenie wartości natężenia

I0  najmniejsze możliwe natężenie,

n  liczba wartości (najczęściej 256),

In  największe natężenie równe 1,

r  krotność każdego kolejnego natężenia,
I0 = I0, I1 = rI0, I2 = r2I0, ..., In = rnI0 = 1
stąd r = (1/I0)1/n dla n + 1 natężeń

Dla standardowego monitora kineskopowego
0.005 < I0 < 0.025

dla r = 1.01 mamy wrażenie ciągłości przejścia od
czerni do bieli, n = lg1,01 (1/I0) i dla typowego
monitora kineskopowego jest z zakresu 400-530
Tinty, cienie i tony
Tinty, cienie i tony

Tinta powstaje przez
dodanie białego barwnika
Biel Barwa czysta
Tinty
do czystego barwnika
(zmniejsza nasycenie)

Cień powstaje w wyniku
Tony
dodania czarnego
barwnika do czystego
Poziomy Cienie
barwnika (zmniejsza
szarości
jasność)

Tony powstajÄ… przez
dodanie zarówno białego
jak i czarnego barwnika
Czerń
do czystego pigmentu.
Opis barwy
Opis barwy
Do opisu barwy używa się trzech pojęć:

Odcień  określa kolor (czerwony, zielony itp.)

Nasycenie  określa, jak daleko
dana barwa jest od poziomu
szarości o tym samym
poziomie natężenia.
(Rozcieńczenie czystej
barwy bielÄ…).

Jasność  achromatyczny opis
jasności dla obiektów
odbijających światło
(rozcieńczenie czystej
barwy czerniÄ…).

Czwarte określenie jaskrawość jest używane zamiast jasności
dla obiektów emitujących światło (np. żarówka, słońce).
Psychofizyka
Psychofizyka
Określenia percepcyjne Kolorymetria

Odcień barwy Dominująca długość fali

Nasycenie Czystość pobudzenia

Jasność Luminancja
Światło widzialne jest energią elektromagnetyczną
o długości fal z przedziału od 380 do 780nm, która
jest postrzegana jako barwy od fioletu poprzez
indygo, niebieski, zielony, żółty, pomarańczowy do
czerwonego.
Model barw
Model barw
Model barw jest to określony trójwymiarowy
system współrzędnych barw wraz z
widzialnym podzbiorem, w którym leżą
wszystkie barwy z określonej gamy barw
Przykłady modeli związanych ze
sprzętem
" RGB  wykorzystywany w monitorach
kineskopowych.
" YIQ (ntsc), YUV (pal)  wykorzystywany w
systemach telewizji kolorowej.
" CMY  stosowany w urzÄ…dzeniach drukujÄ…cych.
Model barw RGB
Model barw RGB

Barwy podstawowe Red (czerwony) Green (zielony) Blue
(niebieski) sÄ… mieszane addytywnie

Stosowany w monitorach kolorowych

Główna przekątna sześcianu reprezentuje poziomy szarości
(taki sam udział każdej barwy podstawowej)
Cyjan (0, 1, 1)
Niebieska (0, 0, 1)
Magenta (1, 0, 1)
Biała (1, 1, 1)
Poziomy szarości
Czarna (0, 0, 0)
Zielona (0, 1, 0)
Czerwona (1, 0, 0) Żółta (1, 1, 0)
Barwy addytywne
Barwy addytywne
Stosowane np. w modelu RGB

Czerwona plus zielona
daje żółtą

Czerwona plus
niebieska daje
magentÄ™

Zielona plus niebieska
daje cyjan
Barwy subtrakcyjne
Barwy subtrakcyjne
Stosowane np. w modelu CMY
" Żółta i magenta odjęte
od bieli dają czerwień
" Żółta i cyjan odjęte od
bieli dają zieleń
" Cyjan i magenta odjęte
od bieli dajÄ… niebieski
Model CMY
Model CMY

Barwami dopełniającymi odpowiednio dla barwy czerwonej,
zielonej i niebieskiej są barwy: cyjan, magenta i żółta.

Barwy są określone przez to, co zostało odjęte od światła
białego.

Model barw jest taki sam jak RGB z wyjątkiem tego, że barwa
biała znajduje się w początku układu współrzędnych

Konwersje z układu RGB do CMY:
C 1 R
= -
M 1 G
[ ] [ ] [ ]
Y 1 B

Konwersje z układu CMY do RGB:
R 1 C
= -
G 1 M
[ ] [ ] [ ]
b 1 Y

Model barw CMYK używa jako czwartej barwy barwy czarnej (K
) i jest stosowany w urzÄ…dzeniach drukarskich.
Model HSV
Model HSV

Model Hue (odcień)
Saturation (nasycenie)Value
(wartość) jest
ukierunkowany na
użytkownika.

Układ współrzędnych jest
cylindryczny, model barw
reprezentuje ostrosłup
sześciokątny
Algorytm konwersji kolorów
Algorytm konwersji kolorów
z RGB na HSV
z RGB na HSV
void RGB2HSV(double &h, double &s, double &v, double r, double g, double b) {
double max = maxRGB(r, g, b); // r, g, b z przedziału [0, 1]
double min = minRGB(r, g, b);
v = max; s = 0;
if (max != 0.0) s = (max - min) / max;
else s = 0.0;
if (s == 0.0) {
h = UNDEFINED; return;
}
double delta = max - min;
if (r == max) h = (g - b) / delta;
else if (g == max) h = 2.0 + (b - r) / delta;
else h = 4.0 + (r - g) / delta;
h *= 60.0;
if (h < 0.0) h += 360;
};
Algorytm konwersji kolorów
Algorytm konwersji kolorów
z HSV na RGB
z HSV na RGB
switch (i) {
void HSV2RGB(double h, double s,
case 0: r = v, g = t; b = p; break;
double v, int &r, int &g, int &b){
case 1: r = q; g = v; p = p; break;
// wartości r, g, b przeskalowane do
case 2: r = p; g = v; b = t; break;
// przedziału [0, 1, ..., 255]
case 3: r = p; g = q; b = v; break;
if (s == 0.0) {
case 4: r = t; g = p; b = v; break;
if (h != UNDEFINED) return;
case 5: r = v; g = p; b = q; break;
r = g = b = v * 255;
}
return;
}
}
if (h == 360.0) h = 0.0;
h /= 60.0;
long i = long(h);
double f = h - i;
int p = v * (1.0 - s) * 255 + 0.5;
int q = v * (1.0 - s * f) * 255 + 0.5;
int t = v * (1.0 - s * (1.0 - f)) * 255 + 0.5;
v = v * 255 + 0.5;
Model HSI
Model HSI

Model Hue Saturation Intensity jest opisany przy
pomocy współrzędnych cylindrycznych. Jest on
reprezentowany przez dwa stożki złączone
podstawami.
- Kolor określa punkt leżący wewnątrz lub na
powierzchni stożka,
- Wysokość punktu odpowiada jasności.
- Jeżeli zdefiniujemy wektor leżący w płaszczyz
nie
poziomej i zaczepiony na osi stożka to jego długość
odpowiada nasyceniu, natomiast kierunek barwie.
Model HSI
Model HSI

KonwersjÄ™ z modelu RGB do HSI do wykonuje siÄ™
przy pomocy następujących przekształceń:
0 d" R,G, B d" 1
1
îÅ‚ Å‚Å‚
[(R - G) + (R - B)]
2
śł
H = cos-1 ïÅ‚
2
ïÅ‚ śł
(R - G) + (R - B)(G - B)
ðÅ‚ ûÅ‚
R + G + B
I =
3
3
S = 1- min(R,G, B)
R + G + B
System barw Munsella
System barw Munsella

Zawiera próbki standardowych barw zorganizowane
w przestrzeni parametrów:

Odcień barwy,

Jasność (wartość),

Chromy (nasycenie).

Każda barwa jest
nazwana i tak
umieszczona
w przestrzeni,
aby znajdowała się
w jednakowej odległości
percepcyjnej od sÄ…siadujÄ…cych z niÄ… barw.
Barwa niebieska w tabeli
Barwa niebieska w tabeli
barw systemu Munsella
barw systemu Munsella
czarny ciemnoszary szary jasnoszary Biały
Ciemny szaroniebieski Szaroniebieski Jasny szaroniebieski
Bardzo
ciemny nie- Ciemny nie- Jasnonie- Bardzo jasny
bieski bieski Niebieski bieski niebieski
Głęboki niebieski Mocno niebieski Jaskrawy niebieski
żywy niebieski
Układ CIE RGB
Układ CIE RGB

Doświadczalnie określono wartości
składowych trójchromatycznych
dla świateł o barwach
r śąÁąźą , g śąÁąźą ,bśąÁąźą
widmowych i tej samej wartości
strumienia energety-
cznego.

Dla niektórych barw
widmowych składowa
przyjmuje wartości
r śąÁąźą
ujemne
Układ CIE RGB
Układ CIE RGB

Współrzędne trójchromatyczne (opisują
wyłącznie barwę):
r ' g ' b'
r= , g= , b=
r 'ƒÄ…g ' ƒÄ…b ' r 'ƒÄ…g ' ƒÄ…b ' r 'ƒÄ…g 'ƒÄ…b '
gdzie
ÉÄ…Rśą F źą ÉÄ…Gśą F źą ÉÄ…Bśą F źą
r '= , g ' = ,b '=
ÉÄ…RśąW źą ÉÄ…GśąW źą ÉÄ…BśąW źą
gdzie

F  badane światło,

W  wzorcowe światło białe,

ÉÄ…RśąF źą ,ÉÄ…Gśą F źą ,ÉÄ…Bśą F źą
wielkości przysłon dla świateł RGB
System CIE XYZ
System CIE XYZ

Opracowany w 1931r. przez Międzyna-
rodową Komisję Oświetleniowa (CIE).

Stanowi rozwinięcie systemu CIE RGB.

Używa trzech składowych x', y', z':

y' opisuje strumień światła,

x' i z' opisujÄ… barwÄ™.

x to przeskalowane
śąÁąźą , yśąÁąźą , z śąÁąźą
składowe
r śąÁąźą , g śąÁąźą , bśąÁąźą

Wartości x'y'z' dla światła o znanym
ÔąśąÁąźą
rozkładzie :
100
k=
dla
x ' =k ÔąśąÁąźąr śąÁąźą d ÁÄ…
+"
ÔÄ…wśąÁąźą yśąÁąźąd ÁÄ…
+"
y ' =k ÔąśąÁąźą yśąÁąźąd ÁÄ…
+"
z ' =k ÔąśąÁąźą z śąÁąźąd ÁÄ…
+"
gdzie gęstość widmowego rozkładu energii dla światła białego (odniesienia).
ÔÄ…wśąÁąźą
Wykres chromatyczności
Wykres chromatyczności
CIE XYZ 1931
CIE XYZ 1931

Współrzędne trójchromatyczne x, y, z:z '
x ' y'
x= , y= , z= ,
x ' ƒÄ… y 'ƒÄ…z ' x'ƒÄ… y 'ƒÄ…z ' x 'ƒÄ… y 'ƒÄ…z '

zależą od dominującej
długości fali i nasycenia,

nie zależą od strumienia
światła.

Wykres chromatyczności
x' + y' + z' = 1
E

Biel (światło słoneczne):
x = 0,310, y = 0,316, z = 0,374

Biel równoenergetyczna:
x = y = z = 1/3
Układ CIE LUV
Układ CIE LUV

Problem jednorodności percepcji.

Teoria barw przeciwstawnych  oko
i mózg człowieka koduje barwy jako
sygnały ciemny-jasny, czerwony-zielony,
żółty-niebieski.
v*

Układ LUV jest przekształceniem
niebiesko-zółta
liniowym układu XYZ:
L*
4x ' 9y'
u= ,u' '= ,
x 'ƒÄ…15y'ƒÄ…3z ' x 'ƒÄ…15y 'ƒÄ…3z'
4x 'n 9x 'n
u*
un= ,u' 'n=
zielona-czerwona
x 'nƒÄ…15y'nƒÄ…3z 'n x 'nƒÄ…15y 'nƒÄ…3z 'n
gdzie x'n, y'n, z'n oznacza biel odniesienia
Układ CIE LUV
Układ CIE LUV

Transformacja CIE XYZ - CIE LUV:

Transformacja
CIE LUV - CIE XYZ:
Układ CIE LAB

CIE LAB  przeznaczony do
przedstawiania barw i jasności
przedmiotów odbijających i
rozpraszających światło. Nieliniowe
przekształcenie CIE XYZ.
Obliczenia w przestrzeni
Obliczenia w przestrzeni
barw
barw

Obliczenia w przestrzeni barw  modele
liniowe RGB, CMY, CIE XYZ, YQV.
aC = [a*R, a * G, a * B]
C1 + C2 = [R1 + R2, G1 + G2, B1 + B2]

Interpolacja barwy:
C = C1 * a + C2 * (1 - a)

Tabele barw  LUT.
Dobór barw
Dobór barw

Rola barwy, np. informacyjna,
ostrzegawcza itp. Powinna zwiększać
czytelność, ułatwić zapamiętanie,
uwypukla element.

Barwy wzdłuż gładkiej ścieżki w modelu
barw (stała jasność).

Element najważniejszy na obrazie
powinien być w barwie kontrastującej z
tłem  przy małej ilości barw.

Dla dużej ilości barw tło w kolorze
neutralnym.