Цвет в компьютерной графике

Цвет - чрезвычайно сложная проблема как для физики, так и для физиологии, т. к. он имеет как психофизиологическую, так и физическую природу. Восприятие цвета зависит от физических свойств света, т. е. электромагнитной энергии, от его взаимодействия с физическими веществами, а также от их интерпретации зрительной системой человека. Другими словами, цвет предмета зависит не только от самого предмета, но также и от источника света, освещающего предмет, и от системы человеческого видения. Более того, одни предметы отражают свет (доска, бумага), а другие его пропускают (стекло, вода). Если поверхность, которая отражает только синий свет, освещается красным светом, она будет казаться черной. Аналогично, если источник зеленого света рассматривать через стекло, пропускающее только красный свет, он тоже покажется черным.

Самым простым является ахроматический цвет, т. е. такой, какой мы видим на экране черно-белого телевизора. При этом белыми выглядят объекты, ахроматически отражающие более 80% света белого источника, а черными - менее 3%. Промежуточные значения дают различные оттенки серого. Единственным атрибутом такого цвета является интенсивность или количество. С интенсивностью можно сопоставить скалярную величину, определяя черное как 0, а белое как 1. Тогда среднесерому цвету будет соответствовать значение 0.5.

Если воспринимаемый свет содержит длины волн в произвольных неравных количествах, то он называется хроматическим. При субъективном описании такого цвета обычно используют три величины: цветовой тон, насыщенность и светлота. Цветовой тон позволяет различать цвета, такие как красный, зеленый, желтый и т. д. Насыщенность характеризует чистоту, т. е. степень ослабления (разбавления) данного цвета белым светом, и позволяет отличать розовый цвет от красного, изумрудный от ярко-зеленого и т. д. Другими словами, по насыщенности судят о том, насколько мягким или резким кажется цвет. Светлота отражает представление об интенсивности, как о факторе, не зависящем от цветового тона и насыщенности.

Обычно встречаются не чистые монохроматические цвета, а их смеси. В основе трехкомпонентной теории света лежит предположение о том, что в центральной части сетчатки глаза находятся три типа чувствительных к цвету колбочек. Первый воспринимает зеленый цвет, второй - красный, а третий - синий цвет. Относительная чувствительность глаза максимальна для зеленого цвета и минимальна для синего. Если на все три типа колбочек воздействует одинаковый уровень энергетической яркости, то свет кажется белым. Ощущение белого цвета можно получить, смешивая любые три цвета, если ни один из них не является линейной комбинацией двух других. Такие цвета называют основными.

Человеческий глаз способен различать около 350 000 различных цветов. Это число получено в результате многочисленных опытов. Четко различимы примерно 128 цветовых тонов. Если меняется только насыщенность, то зрительная система способна выделить уже не так много цветов: мы можем различить от 16 (для желтого) до 23 (для красного и фиолетового) таких цветов. Результаты опытов обобщены в законах Грассмана:

* Глаз реагирует на три различных стимула, что подтверждает трехмерность природы цвета. В качестве стимулов можно рассматривать, например, доминирующую длину волны (цветовой фон), чистоту (насыщенность) и яркость (светлоту) или красный, зеленый и синий цвета.
* Четыре цвета всегда линейно зависимы, т. е. сС = rR + gG + bВ, где с, r, g, b не равны 0. Следовательно, для смеси двух цветов имеет место равенство (cC)1 + (сС)2 = (rR)1 + (rR)2 + (gG)1 + (gG)2 + (bB)1 + (ЬВ)2. Если цвет C1 равен цвету С и цвет С2 равен цвету С, то цвет С1 равен цвету С2 не зависимо от структуры спектров энергии с, С1, С2.
* Если в смеси трех цветов один непрерывно изменяется, а другие остаются постоянными, то цвет смеси будет меняться непрерывно, т. е. трехмерное цветовое пространство непрерывно.


В компьютерной графике применяются две системы смешивания основных цветов: аддитивная - красный, зеленый, синий (RGB) и субтрактивная - голубой, пурпурный, желтый (CMY). Цвета одной системы являются дополнительными к цветам другой: голубой - к красному, пурпурный - к зеленому, а желтый - к синему. Дополнительный цвет - это разность белого и данного цветов.

Субтрактивная система цветов CMY применяется для отражающих поверхностей, например, типографских красок, пленок и несветящихся экранов.

Аддитивная цветовая система RGB удобна для светящихся поверхностей, например, экранов ЭЛТ или цветовых ламп.

По материалам книги Ю. Тихомиров "Программирование трехмерной графики"