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)