Компьютерная Графика

Введение

Цвет

Литература

� Роджерс Д. Алгоритмические основы машинной графики: Пер. с агл. – М.: Мир, 1989. – 512 с.

� Роджерс Д., Адамс Дж. Математические основы машинной графики: Пер. с англ. – М.: Мир, 2001. – 604 с.

� Порев В.Н. Компьютерная графика. – СПб.: БХВ-Петербург, 2004. – 432 с.

� Херн Дональд, Бейкер М. Паулин Компьютерная графика и стандарт OpenGL, 3-е издание . – М.: Издательский дом «Вильямс». 2005. – 1168 с.

Введение

� 1930 - электронно-лучевая трубка (Владимир Зворыкин, Westinghouse, США)

� 1951 - первый дисплей для компьютера «Вихрь» (Джей Форрестер, Массачусеттский технологический институт)

� 1962 - программа компьютерной графики «Sketchpad» (Айвен Сазерленд, МТИ)

� 1965 - первый коммерческий графический терминал IBM-2250 (фирма IBM)

� конец 70-х годов - летные тренажеры для космических кораблей «Шаттл»

� 1979 - Джордж Лукас («Lucasfilm») организовал отдел, который занимался внедрением последних достижений компьютерной графики в кинопроизводство.

� 1982 - на экраны кинотеатров вышел фильм «Трон», в котором впервые использовались кадры, синтезированные на компьютере.

Определение

� Компьютерная графика — наука об аппаратном и программном обеспечении для разнообразных изображений от простых чертежей до реалистичных образов естественных объектов.

IP -> CV -> CGИзображение

Обработка изображенийImage Processing

Изображение

Компьютерное(машинное) зрениеComputer (Machine) Vision

Модель(Описание)

Компьютерная(машинная) графикаComputer Graphics

Изображение

Электромагнитный спектр

� Видимым диапазонДиапазон частоты электромагнитного излучения, на который реагирует чувствительная система глазаОбычно в видимый диапазон включают частоты от 380 до 780 нанометров (1 нм = 10-9м)

Спектр излучения� Видимый свет испускается источниками света, которыми служит все, что не является абсолютно черным - солнце, лампы, отражения от объектов

� Каждый источник света характеризуется спектральным составом излучения

� Спектральный состав характеризуется функцией спектрального распределения C(λ), еще называемой просто спектром.

� Аргументом функции является длина волны λ, а значением функции – мощность излучения соответствующей частоты

� Практически все источники света излучают колебания в достаточно широком диапазоне частот. Исключение составляют источники когерентных колебаний –лазеры

Структура и оптика глазаКак мы видим свет:� Световые лучи входят в глаз через роговицу (фокусировка)

� Проходят через зрачок, окруженный радужкой (изменение количества света)

� Проходят через хрусталик (дальнейшая фокусировка)

� Проходят через стекловидное тело� Попадают на сетчатку

Изображение уменьшенное и перевернутое

Рецепторный аппарат

В каждом глазу 6 млн колбочек и 120 млн палочек

Поле зрения глаза составляет 125° по вертикали и 150° по горизонтали

Спектральное восприятие цвета: палочки� Фоточувствительные сенсоры глаза не одинаково чувствительны во всех областях видимого диапазона

� Вещество палочек – родопсин (зрительный пигмент)

� Пик чувствительности в области 500нм (сине-зеленый цвет)

� Это согласуется с чувствительностью зрительной системы в ночное время (света не хватает для работы колбочек, и палочки становятся доминирующим сенсором)

� Высокая чувствительность к свету, но низкое разрешение! (Комбинируется сигнал с большого количества палочек)

Спектральное восприятие цвета: колбочки� Три вида колбочек

� Колбочки каждого вида содержат свой особый пигмент

� Три типа колбочек называют либо как B, G и R, либо как S, M и L (от Small, Medium, Long)

� Пики их чувствительности приходятся примерно на 440 нм, 545 нм и 580 нм (для "усредненного" наблюдателя).

Визуальные явления

Известно очень много особенностей (явлений) человеческого зрения по сравнению с идеальной оптической системой

Некоторые из них можно и нужно учитывать в задачах синтеза изображений� Чувствительность к контрасту� Восприятие цвета

Визуальные явления: полосы Маха

«Полосы Маха» - иллюзия границ на стыке участков разной интенсивности или плавного градиента

Визуальные явления: яркостный контраст

� Яркость цвета зависит от контекста� Невозможно выбрать два цвета и ожидать предсказуемого поведения в разных частях изображения

Яркостный контраст: пример

Яркостный контраст: пример

Монокулярная глубина: размер

� Большие объекты кажутся ближе� «Знакомый размер» - любой объект, размер которого известен, влияет на воспринимаемый размер соседних объектов

Перспектива: линейная

Перспектива: форсированная перспектива

Ames room

(Адельберт Амес, 1946)

Перспектива: текстурная

Изменение в размере, цвете, расстояниях

Машинное представление цвета� Проблема 1: Как однозначно описать цвет?

� Цвет – это не энергетический спектр!� Очень сложный механизм восприятия!

� Проблема 2: Цифровое представление цвета в компьютере

Машинное представление цвета: квантованный спектр

� Можно взять видимый спектр (380-780нм) и квантовать его с небольшим шагом (обычно 5-10нм)

� 40 float на точку =160b на пиксель

� Изображение 1Мп = 160 мегабайт!

Соответствие цветов� Не нужно моделировать произвольный спектр

� Трех чисел достаточно (для тех цветов, которые различает человек)

� Нужно разработать принцип численного (количественного) представления цвета

� Воспринимаемое соответствие цветов (perceptual color matching)

Эксперименты по соответствию цветов� 1920е-1930е� Экран размером 2 градуса

� Три источника света –основные цвета R, G, B (монохроматические)

� Наблюдатель может менять интенсивность каждого источника

� Хотя можно найти соответствие любого цвета, исходный цвет был монохроматический (чтобы ограничить число цветов)

Цветовые модели� Аддитивная (RGB) � Субтрактивная (CMYK)

Система координат RGB� С=r R + g G + b B

R

G

B

Y

M

C

W hit e

Black

Эксперименты по соответствию цветов� Большую часть цветов можно задать как сумму: С = rR + gG + bB (аддитивное соответствие)

� Некоторые цвета нельзя задать таким способом, вместо этого:C + rR = gG + bB (субстрактивное соответствие)

� Создает проблемы для устройств вывода – нельзя создать лампу, которая забирает энергию

� Позволяет использовать любые разные базовые света

Цветовая модель XYZ� Международный стандарт представления цвета CIE XYZ был принят в 1931 году Международной комиссией по освещению (CIE - фр. Commission Internationale de l'Eclairage)

� Координаты цветности

� Обратные преобразования

ZYX

Zz

ZYX

Yy

ZYX

Xx

++=

++=

++= ,,

y

YyxZYY

y

YxX )1(,, −−===

RGB -> XYZ

Цветовой график МКО

Цветовой график МКО

Цветовой охват

Пространство sRGB

� Создано Microsoft, Hewlett-Packard

� Стандартизировано в 1996г.� На данный момент широко используется:� Мониторы

� Фотоаппараты

� Если для изображения не указано цветовое пространство, можно считать, что это sRGB

� Недостатки: исходные цвета сильно внутри видимой человеком области

Пространство Adobe RGB

� Разработано Adobe в 1998� Цель – иметь возможность работать на мониторе с большинством цветов, доступных в модели CMYK на принтерах

� Более широкий диапазон передаваемых цветов

� Проблема: 8 бит на цвет может не хватать

R

G

B

Y

M

C

W hi t e

Black

Цветовой куб модели CMY

C = 1 - R;M = 1 - G;Y = 1 - B;

�Преобразование RGB <=>CMY[ R G B ] = [ 1 1 1 ] – [ C M Y ]

).1/()(),1/()(

),1/()(),1,,,min(

KKYKKM

KKCK

−−=−−=−−==

YM

CYMC

KKYKKMKKC +−⋅=+−⋅=+−⋅= )1(,)1(,)1( YMC

�Преобразование CMY =>CMYK

�Преобразование CMYK =>CMY

Цветовая модель HSV

Цветовая модель HLS

Разделение в системе RGB

Разделение в системе HSV

Разделение в системе Lab

Другие цветовые модели� Исходные (reference) цветовые пространства:

� CIE XYZ� CIE L*a*b� CIE RGB (не используется)

� Цветовые модели:� RGB� CMYK� YIQ� HSV� HSL� YUV� YCbCr� Lab

� Производные цветовые пространства:� sRGB (RGB)� Adobe RGB (RGB)� Apple RGB (RGB)