Počítačová grafika Elektromagnetické spektrum Barva a barevné modely Jana Dannhoferová (jana.dannhoferova@mendelu.cz) Ústav informatiky, PEF MZLU Zdroj: Svět barev, Albatros 2 Elektromagnetické spektrum Lidské oko Zdroj: Svět barev, Albatros 3 Zdroj: Svět barev, Albatros 4 Tyčinky a čípky Lidské oko Zdroj: Doc. Ing. Jiří Sochor, Ph.D. 5 Zdroj: Doc. Ing. Jiří Sochor, Ph.D. 6 1
Lidské oko Lidské oko akomodace oka (oko nedovede současně stejně ostře zobrazit na sítnici předměty nacházející se v různých vzdálenostech) adaptace oka (přizpůsobení oka různým hladinám intenzity osvětlení) adaptační doba na světlo trvá několik sekun adaptační doba na tmu může trvat až 50 minut Otázka: Proč je nevhodné zobrazovat důležitou informaci střídavě barvami z opačných okrajů viditelného spektra? pro vidění každé barvy musí lidské oko přeostřit barvy, které jsou si blízké může vidět pohromadě bez přeostřování (např.červená, oranžová, žlutá, zelená) jiné barevné kombinace je obtížné vnímat, oko musí přeostřit (červená x modrá) 7 8 Lidské oko Zkuste současně zaostřit na červenou a modrou barvu. Podařilo se vám to? A jak dlouho to vydržíte? Zkuste současně zaostřit na červenou a modrou barvu. Podařilo se vám to? A jak dlouho to vydržíte? Charakteristika barevného vidění různá citlivost na červenou, zelenou a modrou přeostřování na barvy vzdálené ve spektru oko zaostřuje podle jasové složky Y = R + G integrační schopnost sítnice setrvačnost (tzv. paobraz) čočka a sklivec se časem zbarvují do žluta vliv okolí 9 10 Vidění vs. technika Optické klamy schopnosti oka a mozku zdravého člověka: dynamický rozsah vidění schopnost vyvážení bílé ostření noční vidění atd. převaha techniky: makrofotografie infrafotografie RTG teleobjektivy atd. 11 lidské oko může v jistých případech interpretovat pozorované jevy chybně při zpracování daného vjemu mozkem pak dochází k závěrům, které neodpovídají skutečnosti podle příčiny vzniku rozlišujeme: klamy objektivní (jsou vyvolány lomem a odrazem světla v atmosféře) klamy fyziologické iradiace trvání vjemu jev kontrastu klamy psychologické klamy odhadu vzdálenosti klamy velikosti úhlů 12 2
Iradiace (barevný vjem) Iradiace (Whitova iluze) světlé plochy na tmavém pozadí se zdají být větší než stejně velké tmavé plochy na světlém pozadí 13 14 Iradiace Trvání vjemu (barevný paobraz) Pozorujte zhruba 30 sekund upřeně černý bod uprostřed srdce, nepohybujte přitom očima. Pak rychle pohlédněte na čistý list bílého nebo šedého papíru. Uvidíte krásné červené srdce. 15 16 Rekombinace barevných stimulů Jev kontrastu (barevná indukce) z původních kanálů R, G, B vznikají 3 odlišné kanály: červená zelená žlutá modrá Y = R + G lidé nejsou schopni vnímat některé barevné kombinace současně hrany a tvary nejsou téměř rozlišitelné v odstínech modré (oko zaostřuje hrany podle výrazných změn jasu) Šedá se tónuje barvou doplňkovou k barvě pozadí. Zdroj: Doc. Ing. Jiří Sochor, CSc. 17 18 3
Hermanova mřížka Hermanova mřížka 19 20 Jasová adaptace oka Barevný vjem Machovy proužky oko je citlivé na výskyt hran náhlý skok barev způsobuje ztrátu informace (tzv. kvantizační chyba) 21 22 Poggendorfova iluze Lichoběžníková iluze Která úsečka je delší, červená, nebo modrá? Která z barevných čar je pokračováním bílé čáry? Naše zrakové orgány jsou neuvěřitelně neschopné, pokud jde o interpretaci dráhy úhlopříčných čar, ale nikdo zatím neví, proč tomu tak je. Červená úsečka je zdánlivě o kousek delší než modrá, přestože jsou obě stejně dlouhé. Úhly menší než 90 stupňů způsobují, že čára ležící poblíž nich se zdá být kratší, úhly větší než 90 stupňů ji naopak prodlužují. 23 24 4
Ebbinghousova iluze Ošidné obrazce Je červený čtverec větší než modrý čtverec, nebo to jen tak vypadá? Jsou vodorovné čáry zakřivené, nebo jsou ve skutečnosti rovné? Jsou vnitřní kruhy různě veliké? Vnitřní kruhy jsou stejně velké. Když kruh uprostřed obklopují větší kruhy, vypadá menší než kruh, který je obklopený tečkami. 25 26 Vady barevného vidění Vady barevného vidění výraznější poruchu barevného vidění má přibližně každý dvanáctý člověk nejčastější porucha: snížená citlivost na zelenou nejméně častá: snížená citlivost na modrou splynutí červeného a zeleného pigmentu absence jednoho z pigmentů absence čípků (tzv. monochromatismus) úplná barvoslepost cca 0,005 % populace 27 28 Išiharova tabulka Obecné zásady barvy používat střízlivě nepoužívat modrou barvu u malých objektů nebo tenkých čar na pozadí nepoužívat červenou a zelenou barvu nekreslit vedle sebe syté barvy vzdálené ve spektru 29 30 5
Kolorimetrie vychází ze spektrálních vlastností světla a fyziologických vlastností zraku světlo určitého spektrálního složení vyvolá po dopadu na sítnici oka v mozku subjektivní barevný vjem v praxi existují různé zdroje světla s různým spektrálním složením určení barvy světla nebo předmětu se provádí v tzv. trichromatické kolorimetrické soustavě 31 Standardizace kolorimetrických měření 1931 CIE (Commission Internationale de l Éclairage) norma Mezinárodní osvětlovací komise, která vznikla na základě měření velkého počtu pozorovatelů předpokládá se, že oko vnímá třemi základními fyziologickými orgány, jejichž citlivost k barvám je vyjádřena barevnými podněty (trichromatickými činiteli) diagram chromatičnosti (kolorimetrický trojúhelník) křivka spektrálních světel (barev) s vyznačenými vlnovými délkami v nm přímka čistých purpurů čára teplotních zářičů se stupnicí v kelvinech (K) dvě barvy ležící v tomto diagramu proti sobě přes barvu bílou se nazývají doplňkové 32 Diagram chromatičnosti Teplota chromatičnosti (barevná teplota) barva světla je závislá na spektrálním složení světla chromatičnost barevná jakost světla kolorita barevná jakost povrchů barva předmětů závisí na: intenzitě světla vyzařovaného tělesem na spektrálním složení světla, kterým je předmět ozařován barva světla se v praxi určuje teplotou chromatičnosti udává se ve stupních kelvina (K) světlo určité barevné teploty má barvu tepelného záření vydávané černým zářičem zahřátým na tuto teplotu Zdroj: Wikipedie a www.paladix.cz 33 34 Teplota chromatičnosti (barevná teplota) existují rozdíly v teplotě chromatičnosti různých světel: Světelný zdroj Teplota barvy (K) Svíčka 1200-1500 Žárovka 2500-3200 Východ/západ slunce 3000-4000 Denní světlo, zářivka 5000 Blesky, výbojky 5500 Oblačno, mlhavo 6000-8000 Modré nebe 8000-11000 Proč kolorimetrie? doporučené hodnoty osvětlení vytvoření optimálních pracovních podmínek zajištění bezpečnosti práce přispět ke zrakové pohodě člověka na produktivitu i bezpečnost práce má vliv i barevné řešení prostředí (viz harmonie a psychologie barev na další přednášce) rušivé osvětlení: zvyšuje únavu snižuje výkon narušuje podmínky pracovní pohody 35 36 6
Barva v počítačové grafice Aditivní barevný model RGB reprezentace barvy je obecně různorodá reprezentace v PG: vlastnost nějakého objektu jsou tvořeny kombinací několika základních barev lidské oko rozlišuje více než 4x10 5 různých barev reprezentace barvy může být různorodá tzv. High Color tzv. True Color (nejběžnější) Barevné modely aditivní subtraktivní Red červená Green zelená Blue modrá 37 Zdroj: www.fotografovani.cz 38 Model RGB Model RGB odpovídá fyziologii vnímání barev lidským okem 256 odstínů pro každou základní barvu 256 3 = 16 777 216 barev ve 3 bytech barvy jsou uváděny v celočíselném rozsahu 0 255 model můžeme vyjádřit jednotkovou krychlí [0,0,0] počátek souřadnic černá [1,1,1] bílá použití: přístroje, které přímo vyzařují světlo (monitory, projektory, skenery, digit. fotoaparáty) nepotřebuje žádné vnější světlo! 39 40 Model RGB Model RGBA přesněji RGBα dodatečná informace o průhlednosti (0 1) alfa kanál (α-channel) je základem tzv. alfa míchání (alpha blending) uložení průhlednosti konstantní alfa pro celý obraz nejjednodušší přednásobená alfa (premultiplied alpha) nejčastější prosté uložení hodnot (unmultiplied alpha) méně časté Zdroj: www.fotografovani.cz 41 42 7
Odvozené RGB prostory Model srgb model RGB (mateřský prostor většiny zařízení) nemá přesnou specifikaci svých základních barev a tak vzniklo více RGB modelů nejznámější a nejrozšířenější jsou: srgb (standard Windows) Adobe RGB (Adobe, 1998) další nástupci RGB modelu: Apple RGB Color Match RGB Wide Gamut RGB a další 43 1996 standard periférií (navržen firmami HP a Microsoft) podporován Epsonem, Mitsubishi a dalšími podporován W3C (standardní paleta barev pro HTML) odpovídá reálným možnostem zobrazení většiny monitorů vylepšení RGB (zejména v přepočtu odstínů) řeší problém zachování věrnosti a autentičnosti barev (vlastnosti periférií jsou mnohdy příčinou řady deformací) modeluje barevný prostor průměrného monitoru PC pod Windows (reprezentuje typické barvy) stejné zobrazení barev na různých perifériích počítače použití: multimédia, Internet, fotoaparáty nevýhody: nehodí se k DTP (má problémy s převody do CMYK ) 44 Adobe RGB Srovnání srgb a Adobe RGB 1998 vytvořen firmou Adobe používá mírně odlišné základní barvy (větší rozsah barev než model srgb) nevýhody: většina běžných monitorů ho již nedokáže zobrazit při převodu do jiných modelů mohou být větší odchylky použití: předtisková příprava (DTP) 45 46 Subtraktivní barevný model CMY Cyan tyrkysová Magenta purpurová Yellow žlutá Model CMY odpovídá 3 základním barvám (tonerům) používaným při tisku (DTP a příprava na osvit) barvy nabývají hodnot 0 100 (v %) model můžeme vyjádřit jednotkovou krychlí [0,0,0] počátek souřadnic bílá použití: výhradně pro tisk Zdroj: www.fotografovani.cz 47 48 8
Model CMY Model CMY 49 Zdroj: www.fotografovani.cz 50 Model CMY(K) Převod mezi CMY a RGB ke složkám CMY se často přidává K (black) požadavek: barevné pigmenty nesmí být v praxi dokonale krycí černá barva se tiskne samostatně lepší vizuální dojem zvýraznění kontrastu není efektivní tisknout černou mícháním barev CMY (černý inkoust je mnohem levnější) pro záznam jednoho obrazového bodu v True Color je potřeba 32 bitů barvy CMY jsou doplňkové k barvám RGB C = 1 R M = 1 G Y = 1 B 51 52 Modely HSB a HSL Model HSB orientace na uživatele nejvíce se přibližují tomu, jak míchají barvy malíři definují barvy pro člověka přirozeným způsobem (nové barvy vznikají přidáváním bílé barvy (nádechy) a černé barvy (odstíny) k základním spektrálním barvám) barva je definována trojicí složek, které však nepředstavují základní barvy v literatuře se tento prostor často označuje jako HSV (Value) barevný tón (H Hue) základní spektrální (čistá) barva rozsah 0 O až 360 O (zobrazení do kruhu) sytost (S Saturation) poměr čisté barvy a bílé hodnoty 0 1, procenta jas (B Brightness) poměr čisté barvy a černé hotnody 0 1 53 54 9
Model HSB Model HSL šestiboký jehlan vrchol = černá (počátek souřadnic) použití: editaci fotografií a grafických návrhů nedostatky: jehlovitý tvar nesymetrie jasu L vyjadřuje: světlost (L Lightness) nejvíce barev vnímáme při průměrné světlosti (oblast podstav) schopnost rozlišit barvy zaniká při velkém ztmavení či přesvětlení míchání barev: analogické HSV zvýšená světlost, neměnná sytost (přidání bílé, odebrání stejného množství černé) zvýšená sytost (odebrání stejného množství bílých a černých pigmentů) Zdroj: Moderní počítačová grafika 55 56 Model HSL Model HSL dvojice kuželů světlost se mění od 0 (černá) do 1 (bílá) sytost klesá od 1 (povrch kuželů) k 0 (osy) jasné a čisté barvy leží na obvodu podstav a mají s = 1, l = 0.5 pokud se sytost nastaví na 0, obrázek přejde do černobílé podoby Zdroj: Moderní počítačová grafika 57 Zdroj: www.fotografovani.cz 58 Model Lab Model Lab nebo též L*a*b (podle definice CIE, 1976) popisuje všechny barvy, které dokáže lidské oko zachytit pro popis barvy používá 3 složky: Světlost (L Lightness) 0 znamená černý bod, 100 znamená bílý bod) Složka barvy a popisuje barvu od červené (+a) k zelené (-a) Složka barvy b popisuje barvu bodu od žluté (+b) k modré (-b) výhody: nezávislost na zařízení nejširší rozsah zaznamenatelných barev (gamut) oddělení jasové složky od barevných složek 59 Zdroj: www.fotografovani.cz 60 10
Srovnání gamutů barevných prostorů Zadávání barev v počítači prostor velikost (objem) pokrytí barev (%) efektivnost kódování (%) Lab (TIFF) 2,381,085 97.0 35.1 Adobe RGB (1998) 1,208,631 50.6 100.0 Apple RGB 798,403 33.5 100.0 CIE RGB 1,725,261 64.3 96.1 ColorMatch RGB 836,975 35.2 100.0 Ekta Space PS5 1,623,899 65.7 99.5 Pro Photo RGB 2,879,568 91.2 87.3 srgb 832,870 35.0 100.0 Wide Gamut RGB 2,164,221 77.6 91.9 Zdroj: www.paladix.cz 61 Zdroj: www.fotografovani.cz 62 Barevné prostory pro televizi a videotechniku Color management prostory na rozmezí počítačové grafiky a televizní techniky (tj. oblast animací, multimédií apod.) YUV, YIQ, YCBCR (prostory pro přenos barevných televizních signálů) diagram CIE (mezinárodní standard základních barev) prostory CIE 1931, CIE 1976 Luv nebudeme se jimi podrobněji zabývat 63 cíl: snaha o co nejvěrnější barevnou reprodukci obrazu obraz je zaznamenáván a zpracováván na různých zařízeních problémy reprodukčního řetězce: zařízení nepopisují a nemanipulují s barvou stejným způsobem nezobrazují stejný rozsah barev a barevnou škálu (gamut) výsledné zobrazení barev ovlivňují technické parametry konkrétního zařízení zařízení využívající prostor RGB a CMY jsou přístrojově závislé barevný reprodukční řetězec se vyznačuje otevřenou architekturou, koordinace jednotlivých zařízení zabezpečuje tzv. Color Management Systém (CMS) 64 Barevné gamuty periférií Color management 1931 CIE (Commission Internationale de l Éclairage) standardní barevné prostory chromatické diagramy definice vlastností zdrojů světla 1993 ICC (International Color Consorcium) sjednocení přístupu různých výrobců při výrobě zařízení pro záznam a zpracování obrazu definice tzv. systému správy barev (CMS) vlastnost každého zařízení popisuje tzv. ICC profil definován formát souboru profilu (Specification ICC.1:2001-12, File Format for Color Profiles, Version 4.0.0) Zdroj: Barevné prostory a správa barev 65 66 11
Color management Použité zdroje umožňuje převádět obrazy vytvořené na konkrétním zařízení do nezávislého barevného prostoru a výstup takto zaznamenaných obrazů do barevných prostorů zobrazovacích nebo výstupních zařízení kontrola nad tím, jakým způsobem jsou zaznamenávány, zpracovávány a následně zobrazovány barvy více o CMS a tvorbě ICC profilů například na portálech: Grafika.cz Paladix.cz Interval.cz 67 Beneš, B., Felkel, P., Sochor, J., Žářa, J.: Moderní počítačová grafika. Computer Press: Brno Sochor, J.: Základy počítačové grafiky. FI MU: Brno. Skala, V.: Světlo, barvy a barevné systémy v počítačové grafice. ACADEMIA: Praha. Pleskotová, P.: Svět barev. Albatros: Praha. Fraser, B., Murphy, C., Bunting, F.: Color Management. Peachpit Press. Habel, J.: Základy nauky o barvě. ČVUT: Praha. Zmeškal, O., Čeppan, M., Dzik, P.: Barevné prostory a správa barev. VUT: Brno. www.fotografovani.cz www.wikipedia.cz www.paladix.cz 68 12