Компьютерная графика в дизайне - Дмитрий Миронов

При падении светового потока на поверхность объекта параллельно протекают два процесса: отражение и преломление, которые на рис. 1.3.3 условно представлены в виде стрелок.

Рис. 1.3.3. Отражение и преломление светового потока, падающего на поверхность объекта

Одна часть падающего света отражается от поверхности объекта, образуя отраженный световой поток (именно он и воспринимается наблюдателем визуально), другая – преломленный световой поток, направленный внутрь объекта. В зависимости от физических свойств поверхности объекта расщепление падающего на нее светового потока происходит в различных пропорциях для разных длин световых волн. Отсюда следует важный вывод: при отражении светового потока от поверхности объекта его спектральное распределение может измениться. Как следствие, это ведет к изменению цвета светового потока при отражении. Если на поверхность падает световой поток с равномерным спектральным распределением, он имеет белый цвет. Но после поглощения части световых волн объектом белый цвет изменяется, превращаясь в хроматический (имеющий цветовую составляющую). Субъективно это воспринимается наблюдателем как присутствие того или иного цвета у отражающего объекта.

Следовательно, механизм образования цвета неизлучающего объекта состоит в управлении спектральным распределением отраженного от внешнего источника светового потока. Это проявляется в виде ослабления или подавления в отраженном световом потоке отдельных волновых диапазонов за счет изменения физических свойств отражающей поверхности (в простейшем случае – нанесением на объект краски).

Технически задача синтеза цвета при отражении света сводится к следующему:

• выбору краски, ослабляющей интенсивность светового потока в отдельных волновых диапазонах;

• формированию необходимого для создания желаемого цвета спектрального распределения отраженного светового потока за счет нанесения этой краски на поверхность объекта.

Эта задача успешно решается с помощью полиграфических производственных процессов и применения печатающих устройств.

Роль внешнего источника света

Однако в отличие от излучения света, когда на создаваемый цвет почти не влияют внешние условия, при отражении огромную роль играет спектральное распределение внешнего источника света. Если лист белой бумаги освещен источником с равномерным спектральным распределением, он будет выглядеть белым, поскольку примерно одинаково отражает все падающие на него световые волны. Но если тот же лист поместить под синюю лампу, он будет выглядеть синим. Лист по-прежнему отражает все падающие на него световые волны, только теперь в их составе практически нет ни красного, ни зеленого, ни других цветовых диапазонов (отличных от синего).

Изменим условия эксперимента, поместив под источник белого света красный лист бумаги. Поскольку цвет этого листа воспринимается как красный, можно сделать вывод, что при отражении от его поверхности световой поток в значительной степени утратил все волновые диапазоны, кроме красного – поверхность листа поглотила их. Если тот же лист поместить под синюю лампу, он будет выглядеть черным. Это объясняется тем, что синий волновой диапазон поглощается поверхностью бумаги, а других составляющих в падающем световом потоке просто нет. От листа ничего не отражается, и он воспринимается как черный.

Важный вывод: восприятие цвета в отраженном свете сильно зависит от спектрального распределения внешнего источника освещения. Поэтому при измерении цвета (колориметрии) и построении точных цветовых моделей необходимо учитывать характеристики источников света (см. табл. 1.3.1).

Принципиальные различия в механизмах образования цвета при излучении и отражении света требуют применения для этих случаев различных цветовых моделей. Некоторые такие модели рассматриваются в последующих разделах.

1.3.3. Ахроматические модели

Из материала, приведенного в предыдущем разделе, следует, что белый цвет воспринимается наблюдателем в том случае, когда световой поток в равных пропорциях содержит в себе излучения всех длин волн видимой части спектра. Черный цвет соответствует отсутствию светового потока или (что то же самое) световому потоку, в котором интенсивность всех световых волн равна нулю. Если же интенсивность световых волн в пределах видимого диапазона остается равной, но отличается от нуля и меньше 100 %, то наблюдатель видит серый цвет. Поскольку спектральное распределение светового потока для любого оттенка серого цвета остается равномерным (спектральные диаграммы совпадают с точностью до постоянного множителя), принято считать серый, черный и белый оттенками одного и того же цвета, называемого ахроматическим (не содержащим цветовой составляющей). Для описания изображений, содержащих только ахроматические цвета, используются две информационные модели – штриховая и монохромная.

Штриховая модель

Штриховым называется изображение, в информационной модели которого дескриптор цвета может принимать только одно из двух фиксированных значений. Это означает, что в пиксельном изображении пикселы могут быть лишь одного из двух цветов, а в векторном изображении все объекты могут иметь заливку и обводку только одного цвета.

Цветовое пространство штриховой модели включает в себя только две точки, соответствующие двум базовым цветам штриховой модели. Эти цвета принято называть цветом переднего плана и фоновым цветом. Штриховая цветовая модель не предусматривает возможности смешивания базовых цветов, они всегда присутствуют в изображении только в чистом виде. Поэтому для описания цвета в такой информационной модели достаточно единственного логического значения. Следовательно, в памяти компьютера дескриптор цвета штриховой модели изображения занимает 1 бит, и может принимать значения ноль или единица. Этим обусловлено главное достоинство штриховой модели – ее компактность.

Штриховая модель подходит для представления таких изображений, как офорты, гравюры, рисунки пером и шариковой ручкой. Несмотря на кажущуюся ограниченность и простоту, данная модель очень часто применяется при решении задач компьютерной графики.

Как вытекает из изложенного ранее, цвет переднего плана должен быть черным, а фоновый цвет – белым. Из-за этого штриховую модель довольно часто называют моделью черно-белого изображения. Этот термин представляется не очень удачным по нескольким причинам:

• аналогичным термином иногда обозначают монохромные изображения с белым и черным базовыми цветами;

• от перемены мест черного и белого ничего не меняется – любой из этих цветов может быть как фоновым, так и цветом переднего плана;

• вместо черного и белого возможны любые другие фиксированные цвета, и при этом ни суть модели, ни методы для работы с ней не изменяются.

Основные приемы работы со штриховыми изображениями описаны в разд. 3.6.1.

Монохромная модель

Монохромная модель цвета представляет собой расширение штриховой модели, достигаемое за счет введения в цветовое пространство цветов, полученных смешиванием базовых цветов модели. Монохромным называется изображение, в котором используются цвета, полученные смешиванием в различных пропорциях двух фиксированных базовых цветов. Цвета, промежуточные по отношению к базовым цветам монохромной цветовой модели, называются оттенками. Оттенки отличаются друг от друга процентным содержанием базовых цветов. Как правило, в названии оттенка указывают содержание только одного базового цвета. Например, если в качестве цвета переднего плана выбран синий, а в качестве фонового – белый, то оттенки определяются следующим образом: «20 %-ный оттенок сине-белой монохромной модели цвета».

Примечание

В подавляющем большинстве случаев как минимум один из базовых цветов монохромной модели – ахроматический. Тогда хроматика (цветность) всех оттенков такой модели имеет одинаковое значение, т. е. оттенки монохромны. При использовании в качестве базовых двух различных цветов, получившиеся оттенки модели уже не будут монохромными, их хроматика меняется от оттенка к оттенку. Однако в рамках курса компьютерной графики такую цветовую модель тоже целесообразно считать монохромной, поскольку она устроена точно так же, как истинно монохромная цветовая модель, и работают с ней теми же методами.

Чаще всего в качестве базовых цветов монохромной модели выбирают черный и белый. В этом случае в названии монохромной модели базовые цвета не указываются. Если упоминается 40 %-ный оттенок без дополнительных замечаний, речь идет о цвете, полученном смешиванием 40 % черного и 60 % белого цвета.

Цветовое пространство монохромной модели непрерывно и содержит в себе бесконечное число цветов. В компьютерной графике их принято упорядочивать по возрастанию доли базового цвета переднего плана. Упорядоченная совокупность всех цветов монохромной модели цвета называется монохромной шкалой или шкалой градаций базового цвета. Шкала градаций черного цвета представлена на рис. 1.3.4.