Перед воспроизведением происходит пересчёт пространственной модели в плоское растровое экранное изображение. Этот процесс называется визуализацией. В ходе визуализации компьютер рассчитывает:

порядок расположения элементов по оси, направленной к наблюдателю (элементы, скрытые от наблюдателя другими элементами, не должны воспроизводиться на экране);

какой стороной (лицевой или обратной) элементарные треугольники обращены к наблюдателю (у разных сторон могут быть разные свойства поверхностей);

как поверхности элементарных треугольников взаимодействуют с лучами света, исходящими от источников освещения. Свет может поглощаться, отражаться, рассеиваться и преломляться. Характер взаимодействия зависит от физико-оптических свойств поверхности.

Характеристика графических моделей

Растровую модель удобно использовать в тех случаях, когда точность воспроизведения цветовых оттенков важнее точности передачи формы. Каждая точка растра способна иметь собственный цвет, и потому композиция точек может передавать весьма сложные механизмы образования оттенков. Растровую модель используют в цифровой фотографии, а также в полиграфии. В этой модели работают компьютерные мониторы и мультимедийное проекторы.

Вместе с тем, разбиение изображения на точки (пикселы) при водит к искажению геометрических форм, что заметно при увеличении изображения. Этот дефект называется пикселизацией. Поэтому в тех случаях, когда форма объекта важнее, чем его цвет, используют векторные модели. Характерные примеры: чертежи, схемы, выкройки. Поскольку в векторной дели компьютер хранит не само изображение, а коэффициенты алгебраического уравнения, качество изображения зависит от масштаба его увеличения.

Трёхмерные модели позволяют передать не только сведения о цвете и форме объектов, но и об их взаимодействии в пространстве сцены. Полностью достоинства трехмерных моделей раскрываются, когда изображение динамически меняется и зритель может управлять воспроизведением. Поэтому трёхмерные изображения либо просматривают с помощью специальных программ, позволяющих управлять углом зрения, их динамическое изменение предварительно записывают в видеоряд. Первый подход применяют в виртуальном моделировании, а второй — в кинематографии.

Кодирование растровых изображений

Изображение может храниться и обрабатываться в любой модели, но перед воспроизведением оно всегда преобразуется в растровое. Это связано с конструкцией и принципом действия большинства экранных и печатных устройств. Поэтому в автоматизированном информационном обмене растровые изображения играют особую роль.

Схема кодирования растровых изображений — табличная. Кодирование выполняется в два этапа: сначала прямоугольное изображение представляется прямоугольной матрицей цветных точек, потом цвет каждой точки записывается числом или группой чисел.

Оптическое разрешение изображения

Кодирование растрового изображения начинают с представления его в виде прямоугольной матрицы точек. Параметр, характеризующий частоту следования точек, называется разрешающей

82

способностью изображения или оптическим разрешением. Оно измеряется количеством элементов изображения (в данном случае — пикселов), приходящимся на единицу длины изображения.

Системной единицей измерения длины является, как известно метр (сантиметр, миллиметр). Однако в вычислительной техник традиционно используется внесистемная единица — дюйм, и оптическое разрешение измеряется количеством точек, приходящихся на один дюйм длины изображения — dpi, (dot per inch, англ.). Это грубое отступление от международных стандартов имеет столь прочные корни, что в большинстве случаев целесообразнее принять его к сведению, чем преодолевать. Так, например, максимальное оптическое разрешение технических устройств, выраженное в единицах dpi, является их стандартной технической характеристикой.

Глубина цвета

Субъективная оценка изображения зависит не только от его количества точек, но и от количества различимых цветов. Монохромное изображение имеет два различимых цвета: цвет фона и цвет красителя. Если краситель — чёрный, а бумага — белая, то изображение — чёрно-белое.

При записи чёрно-белых изображений цвет точки регистрируется одним битом:

1 — чёрный цвет;

0 — белый цвет.

Чем больше двоичных разрядов выделено для записи каждого цвета, тем большее количество различимых цветов можно записать. В частности, одним байтом можно закодировать любой цветовой оттенок из 256-цветной палитры.

Глаз человека способен различить свыше 30000 цветовых оттенков. Теоретически, это означает, что 16-разрядной палитры (65536 различимых цветов) должно быть достаточно, чтобы описать всё богатство различимых красок. Однако на самом деле это не так. Дело в том, что в разных цветовых диапазонах различимость цветовых оттенков — разная. Самая высокая различимость — в зелёных тонах, а самая низкая — в синих. Чтобы гарантированно выразить все различимые оттенки во всех тоновых диапазонах, нужна более представительная палитра. Обычно применяют 24-разрядное кодирование, что позволяет представить более 16,5 миллионов цветов. Этого вполне достаточно для адекватного кодирования цвета во всех диапазонах. При этом на запись цвета каждой точки расходуется 3 байта данных.

Количество различимых цветов, содержащихся в палитре изображения, называется глубиной цвета или цветовым разрешением изображения. Удобной мерой цветового разрешения служит двоичная разрядность числовой записи цвета.

Кодирование цвета

Цвет — это ощущение, которое испытывает человек при воздействии на его органы зрения электромагнитных волн определенной длины (от 375 нм до 780 нм). Характер этого ощущения таков, что каждой длине электромагнитной волны соответствует условное представление об определённом цвете: (400 нм — фиолетовый; 500 нм — зелёный; 700 нм — красный и т.п.). Электромагнитные излучения с длиной волны короче 375 нм или длиннее 780 нм не воспринимаются органами зрения, то есть невидимы. В первом случае их называют ультрафиолетовыми, а во втором случае — инфра-

красными.

83

Опытным путём была установлена неравномерность чувствительности здорового глаза к лучам света разной длины волны. В диапазоне видимого света были выявлены три максимума, соответствующие синему, зелёному и красному цветам. Это объясняется тем, что глаз имеет рецепторы (они называются «колбочками»), проявляющие повышенную чувствительность к электромагнитным излучениям с длинами волн 450 нм, 550 нм и 600 нм.

Кроме колбочек в образовании ощущения цвета важную роль играет центральная нервная система. Поэтому принято говорить не о физиологическом, а о психофизиологическом механизме формирования цвета. Этот механизм имеет важную особенность, которая заключается в трёхцветности зрения. Благодаря свойству трёхцветности любой цвет можно представить в виде суммы трёх независимых цветов и записать тремя числами, выражающими интенсивности трёх составляющих световых потоков, например красного, зелёного и синего. Трёхцветность зрения является основой кодирования информации о цвете.

Красный, синий и зеленый цвета играют особую роль. Их называют основными и обозначают первыми буквами английских названий: (Red — красный), (Green — зелёный) и (Blue— синий). Сумма трёх лучей основных цветов, взятых в равной пропорции, даёт луч нейтрального цвета.

Из этого соотношения нетрудно вывести обратные зависимости.

Эти зависимости надо понимать так, что если из потока нейтрального света вычесть любой основной цвет, то в результате останется поток, окрашенный в цвет, равный сумме двух других основных цветов. Этот «остаточный» цвет тоже имеет важное значение и называется дополнительным. Он получил такое название, потому что дополняет основной цвет до белого (нейтрального). Дополнительными для красного, зелёного и синего цветов являются, соответственно: голубой ( , Cyan), пурпурный ( , Magenta) и жёлтый ( , Yellow) цвета.

Сумма трёх лучей дополнительных цветов точно так же даёт луч нейтрального (белого, серого) цвета, как и сумма трёх лучей основных цветов. Соответственно, триаду дополнительных цветов тоже можно использовать для описания произвольного цвета аналогично триаде основных цветов.

Цветовое колесо — удобная модель, позволяющая наглядно представить хотя и не сложные, но весьма многочисленные соотношения между основными и дополнительными цветами. В колесе шесть секторов. Начиная с красного ( ), записываем в них основные и дополнительные цвета в порядке следования цветов радуги: жёлтый ( ), зелёный ( ), голубой ( ), синий ( ) и пурпурный ( ).

84

Уцветового колеса есть два легко запоминающихся свойства.

1.Каждый цвет модели можно получить сложением его соседних цветов.

2.Каждый цвет модели можно получить вычитанием противолежащего цвета из белого.

Механизмы образования цвета

С помощью модели цветового колеса мы продемонстрировали два механизма получения любого цвета. Механизм, основанный на сложении лучей, называется аддитивным, а механизм, основанный на вычитании цвета из белого, — субтрактивным. Оба механизма равноправны. В повседневной жизни мы пользуемся как тем, так и другим.

Аддитивный механизм имеет место, когда изображение формируется сложением световых лучей. В частности, именно так работают телевизоры, мониторы и проекторы. При детальном рассмотрении на поверхности экрана монитора можно увидеть точки, покрытые люминофором трёх цветов: красного, зелёного и синего. Микропятна люминофора испускают цветные лучи, а наша система зрения суммирует их интенсивности и восстанавливает закодированный цвет.

Характерная особенность аддитивного механизма заключается в том, что при взаимодействии лучей их суммарная яркость усиливается. Потому сложение трёх достаточно интенсивных составляющих способно дать яркий белый цвет.

Субтрактивный механизм имеет место, когда изображение формируется вычитанием цвета из нейтрального светового потока. Именно так образуется графический образ при просмотре иллюстраций, напечатанных на бумаге. Нейтральный световой поток (условно белый) падает на страницу книг после чего отражается от неё как окрашенный, потому что часть потока захватывается веществом красителя.

Характерная особенность субтрактивного механизма заключается в том, что при взаимодействии нескольких цветных красителей итоговая яркость отражённого луча уменьшается. Соответственно, наложение на бумагу трёх насыщенных красок способно дать в итоге черный цвет.

Теоретические модели RGB и CMY

Трёхцветность зрения позволяет выразить любой цвет тремя числовыми значениями, которые можно рассматривать как координаты в воображаемом цветовом пространстве. Заметим, что при этом совершенно всё равно, использовать ли пространство основных цветов или дополнительных цветов , поскольку обе триады линейно связаны друг с другом через соотношения цветового колеса.

Абсолютно все равно, какую триаду считать основной, а какую — дополнительной, потому что они взаимодополнительны. Но какая-то определённость все-таки необходима. Поэтому на практике руководствуются следующими соглашениями:

если изображение получено аддитивным механизмом (например, цифровой фотокамерой)

или предназначено для воспроизведения аддитивным механизмом (например, монитором), его кодируют и записывают в пространстве основных цветов: , и ;

если изображение предназначено для воспроизведения субтрактивным механизмом (предполагается его печать и просмотр в отражённом свете), его кодируют в пространстве допол-

нительных цветов: , и ;

85