Lekce 2 - Úvod do počítačové grafiky - Základy optiky, barevné modely

V minulém dílu seriálu o počítačové grafice jsme si udělali jednoduchý úvod do této oblasti a hovořili o bitmapové a vektorové grafice. V dnešním dílu se budeme věnovat optice, což je oblast fyziky, zabývající se světlem a jeho šířením. V této úvodní části bych si chtěl popovídat o tom, jak lidské oko vlastně světlo (barvy) vnímá a jak to souvisí s počítačovou grafikou. V druhé části článku si uvedeme nejpoužívanější barevné modely, tedy RGB(A), CMY(K), HSV (HSB) a HSL.

Vizuální vnímání

I když se seriál jmenuje Úvod do počítačové grafiky, je nutno si také něco říci o optice a vizuálním vnímání. Jak chceme tvořit grafiku, když nevíme, jak na ni člověk bude reagovat? Jak již jsem naznačil, optika se zabývá šířením světelných paprsků. Z historického hlediska lze optiku rozlišovat na tři druhy:

• geometrická
• vlnová
• kvantová

Geometrická optika znamená, že světlo putuje z bodu A do bodu B po takové dráze, která světelnému paprsku umožní překonat danou vzdálenost co v možná nejkratším čase.

Vlnová optika zkoumá světlo jako elektromagnetické vlnění (to si vysvětlíme za chvíli).

A konečně kvantová optika se zabývá mikrostrukturou světelných polí.

Zrakové vnímání je velice komplexní proces, při němž rozhodují zejména tři proměnné. Optická soustava oka, biochemické reakce na sítnici a elektrofyziologické pochody ve zrakové dráze a v nervových centech mozku.

Okolní svět tedy nevidíme přímo, ale spíše jako dvourozměrný odraz (díky světlu) na sítnici našich očí. Mohl bych ještě říci, proč má jaký předmět barvu, to bych ale už odběhl, takže se raději vrátíme k tématu.

Lidské oko

Lidské oko je smyslový orgán, jehož hlavní činností je zrak. Jak to ale všechno funguje? Jak to, že vidíme to, co máme před sebou? Hlavní roli hraje samozřejmě světlo.

Schématický diagram lidského oka, Rhcastilhos derivative work: Tchoř, public domain

Na obrázku vidíme lidské oko. Světlo projde přes rohovku a skrze panenku dopadne na čočku. Je důležité vědět, že se čočka pomocí svalů roztahuje a smršťuje, čímž reguluje množství světla dopadající na sítnici. To samé dělají i digitální fotoaparáty, to si ale povíme jindy. Na sítnici dopadá převrácený obraz.

Čočka umožňuje také ostré vidění předmětů a to jak blízkých, tak vzdálených. Přizpůsobování ohniskové vzdálenosti se nazývá akomodace. Tato schopnost s přibývajícím věkem slábne.

Světelné receptory

Samo světlo na sítnici ale nemůže dokázat nic. Dostali jsme výsledný obraz, nemůžeme ho ale vidět. Ke zpracování slouží složité chemické reakce na světelných receptorech. Světelné receptory jsou buňky a dělíme je na dva druhy:

• tyčinky
• čípky

Čípků je v lidském oku kolem 7,5 milionu a jsou základem barevného vidění. Tyčinek je asi 120 milionů a především nám umožňují vidět ve tmě. Jsou totiž 10x citlivější než čípky. Reagují i na velmi malé změny osvětlení.

Čípků jsou tři druhy. S velkou rezervou: jeden je modrý, druhý zelený, třetí červený (všimněte si modelu RGB, k tomu se dostaneme později). Tyčinky jsou barvoslepé.

Vlnové délky

Definice světla (dle vlnové optiky) je „elektromagnetické záření o viditelné vlnové délce“. Světlo, na které je lidské oko citlivé, má vlnovou délku 400-800 nm (nanometrů). Bílé světlo je směsice všech vlnových délek viditelného spektra. Zajímavostí je, že sníh doopravdy není bílý. Dokážete do komentářů uhodnout proč?

Plocha odrážející méně než 10% světla se nám jeví jako černá. Většina z vás to jistě bude vědět, ale pro ty z vás, kdo ne: viditelné světlo není jediné světlo (dokonce není ani většina)! Rozlišujeme také radiové vlny, mikrovlnné záření, infračervené světlo, viditelné světlo, ultrafialové světlo, paprsky X a gamma záření.

Obrázek: Army1987 (Wikipedia), CC-BY-SA-3.0

Vnímání barvy

Ačkoli si to většina lidí neuvědomuje, barva není vlastností samotných objektů. Celé se to děje pouze v lidském mozku. Dokážete si představit, jak tedy vypadá svět doopravdy? To, jakou barvu vidíme, závisí na několika proměnných: objekt samotný, kvalita světla, stav adaptace našeho zrakového aparátu, dokonce i znalost vnímaného předmětu.

Závěrem (část první)

Proč je tato znalost důležitá pro tvorbu počítačové grafiky? Například v otázce rozlišení při tisku billboardu. Nebo vyvážení bílé při fotografování. Nebo barevná reprodukce v knize. Důvodů je spousta a myslím, že přečtením ani ne tisíce slov grafik nic neztratí.

Ještě dodám, že z vnímání světla lidským okem vychází také třídění barev, používané v počítačové grafice, ale o tom až příště.

Percepční vlastnosti světla

V dějinách lidstva se lidé snažili barvy utřídit do různých barevných modelů. Navrhovali je podle faktorů: odstínu, jasu a sytosti.

Odstín (hue) je vlastnost světla, díky níž dokážeme rozlišit jednu barvu od druhé. Mohou se mísit, čímž vytvářejí takzvané přechody.

Jas (brightness), nebo také světelnost (lightness) je obyčejná škála barev od černé po bílou. Černá a bílá jsou brány jako neutrální barvy.

Sytost (saturation, popř. chroma) je škála od šedé do čistého odstínu při stálé hodnotě jasu.

Munsellův barevný systém, © 2007, Jacob Rus, CC-BY-SA 3.0

Na Munsellově barevném kruhu je celkem deset barevných sektorů. Je stanoveno pět základních barev (červená, žlutá, zelená, modrá a fialová), mezi nimiž je ještě pět složených barev. Červená se třeba označuje R, fialová P. Mezi nimi se nachází barva RP.

Barevné modely

Barvy jsou v počítačové grafice tvořeny kombinací několika základních barev a faktorů, které jsem popsal výše (odstínu, jasu a sytosti). Tyto kombinace se nazývají barevné modely.

Základní barvy jsou neměnné, každý barevný model je ale může mít odlišné.

Barevný model tedy slouží k popisování způsobu namíchání základních barev tak, aby se dosáhlo co největší podoby k realitě.

V současné praxi se používá několik modelů:

• RGB(A)
• CMY(K)
• HSV (HSB)
• HSL

Nejvíce se ale setkáte právě s RGB(A), popřípadě CMY(K).

Model RGB(A)

Model RGB(A) je v počítačové grafice asi nejrozšířenějším modelem. Jeho základní barvy jsou červená (red – R), zelená (green – G) a modrá (blue – B).

Hlavní vlastností modelu RGB(A) (a čím se odlišuje od modelu CMYK) je to, že se barvy při míchání navzájem sčítají (je tedy aditivní). Díky tomu vytvářejí světlo čím dál tím větší intenzity. Proto je výsledný součet všech barev bílá.

Tento barevný model využívají zařízení, které světlo vyzařují. Například monitory, dataprojektory, atp.

Podíváte-li se blíže k LCD monitoru, uvidíte „kostičky“ složené z červených, zelených a modrých obdélníků. Tyto kostičky jsou právě pixely, jejich pravá podoba.

Obrázek: Ravedave, CC-BY-SA-3.0

Barvy v modelu RGB(A) se dají vyjádřit v desítkové soustavě jako čísla od nuly do 255 nebo v šestnáctkové soustavě jako čísla od nuly do FF (tedy stále do 255). V CSS souborech můžete tedy běžně vidět třeba rgb(0,255,255) nebo #00FFFF.

Uvádím tu ale za název modelu také písmeno A v závorce. Co znamená? To je alfa-kanál, tedy průhlednost. V CSS jej můžeme zapsat takto: rgba(0, 255, 255, 0.5), tedy jako čtvrtý parametr. Obvykle ale mívá stejně hodnotu 0-255. RGBA není samostatný model!

Model CMY(K)

Jak již jsem zmínil výše, model CMY(K) je opakem RGB, který je aditivní (barvy se sčítají). CMY(K) je subtraktivní, barvy se tedy odčítají. V konečném důsledku je smíchanina všech barev černá. Model se využívá zejména při tisku.

Jako základní barvy CMYK využívá azurovou (cyan – C), purpurovou (magenta – M) a žlutou (yellow – Y). Pro úspory toneru (a pro hezky černou barvu) se ještě přimíchává černá (klíčová, key – K).

Modely HSV (HSB) a HSL

Jsou asi nejbližší našemu intuitivnímu vnímání barev. Umožňují měnit jednotlivé charakteristiky barvy, aniž by ovlivnily jiné. Písmena v názvu znamenají odstín (hue – H), sytost (saturation – S) a hodnotu (value – V), což je vlastně jas. Občas se setkáváme s písmenem B (brightness).

Obrázek: (3ucky(3all (Wikipedia), CC-BY-SA-3.0

V modelu HSL to je odstín (hue – H), sytost (saturation – S) a světelnost (lightness – L). Model počítá s tím, že naše intuitivní vnímání barev nedokáže rozlišit jednotlivé barvy, pokud je příliš tmavá, nebo příliš světlá.

Závěr (část druhá)

Existují i další barevné modely, o kterých je dobré vědět, ovšem toto má být jen úvod do počítačové grafiky a proto si myslím, že do běžné praxe tyto informace bohatě stačí. Nicméně pojďme si ještě mimo soutěž říci o CIE Lab modelu, který je nezávislý na konkrétním zařízení.

Slovem gamut se rozumí nejvyšší dosažitelná oblast barev v určitém barevném prostoru. Příště si objasníme několik dalších termínů a budeme se bavit o rozlišení.

Další informace a zdroje

• Učební materiály SPŠSOU Pelhřimov
• Počítačová grafika a multimédia, Pavel Navrátil, ISBN 80-86686-77-9
• Počítačová grafika, Pavel Ryška, ISBN 978-80-254-0182-8
• Wikipedie, otevřená encyklopedie, http://wikipedia.org/