2. diel - Úvod do počítačovej grafiky - Základy optiky, farebné modely

V minulom dieli seriálu o počítačovej grafike sme si urobili jednoduchý úvod do tejto oblasti a hovorili o bitmapovej a vektorovej grafike. V dnešnom dieli sa budeme venovať optike, čo je oblasť fyziky, zaoberajúca sa svetlom a jeho šírením. V tejto úvodnej časti by som si chcel porozprávať o tom, ako ľudské oko vlastne svetlo (farby) vníma a ako to súvisí s počítačovou grafikou. V druhej časti článku si uvedieme najpoužívanejšie farebné modely, teda RGB (A), CMY (K), HSV (HSB) a HSL.

Vizuálne vnímanie

Aj keď sa seriál volá Úvod do počítačovej grafiky, je nutné si tiež niečo povedať o optike a vizuálnom vnímaní. Ako chceme tvoriť grafiku, keď nevieme, ako na ňu človek bude reagovať? Ako už som naznačil, optika sa zaoberá šírením svetelných lúčov. Z historického hľadiska možno optiku rozlišovať na tri druhy:

• geometrická
• vlnová
• kvantová

Geometrická optika znamená, že svetlo putuje z A do B po takej dráhe, ktorá svetelnému lúču umožní prekonať danú vzdialenosť čo v možno najkratšom čase.

Vlnová optika skúma svetlo ako elektromagnetické vlnenie (to si vysvetlíme za chvíľu).

A konečne kvantová optika sa zaoberá mikroštruktúrou svetelných polí.

Zrakové vnímanie je veľmi komplexný proces, pri ktorom rozhodujú najmä tri premenné. Optická sústava oka, biochemické reakcie na sietnici a elektrofyziologické pochody v zrakovej dráhe a v nervových centoch mozgu.

Okolitý svet teda nevidíme priamo, ale skôr ako dvojrozmerný odraz (vďaka svetlu) na sietnici našich očí. Mohol by som ešte povedať, prečo má aký predmet farbu, to by som ale už odbehol, takže sa radšej vrátime k téme.

Ľudské oko

Ľudské oko je zmyslový orgán, ktorého hlavnou činnosťou je zrak. Ako to ale všetko funguje? Ako to, že vidíme to, čo máme pred sebou? Hlavnú úlohu hrá samozrejme svetlo.

Schematický diagram ľudského oka, Rhcastilhos derivative work: Tchor, public domain

Na obrázku vidíme ľudské oko. Svetlo prejde cez rohovku a skrze bábiku dopadne na šošovku. Je dôležité vedieť, že sa šošovka pomocou svalov rozťahuje a zmršťuje, čím reguluje množstvo svetla dopadajúce na sietnicu. To isté robia aj digitálne fotoaparáty, to si ale povieme inokedy. Na sietnici dopadá prevrátený obraz.

Šošovka umožňuje tiež ostré videnie predmetov a to ako blízkych, tak vzdialených. Prispôsobovanie ohniskovej vzdialenosti sa nazýva akomodácie. Táto schopnosť s pribúdajúcim vekom slabne.

Svetelné receptory

Samo svetlo na sietnici ale nemôže dokázať nič. Dostali sme výsledný obraz, nemôžeme ho ale vidieť. Na spracovanie slúži zložité chemické reakcie na svetelných receptoroch. Svetelné receptory sú bunky a delíme ich na dva druhy:

• tyčinky
• čapíky

Čapíkov je v ľudskom oku okolo 7,5 milióna a sú základom farebného videnia. Tyčiniek je asi 120 miliónov a predovšetkým nám umožňujú vidieť v tme. Sú totiž 10x citlivejšie ako čapíky. Reagujú aj na veľmi malé zmeny osvetlenia.

Čapíkov sú tri druhy. S veľkou rezervou: jeden je modrý, druhý zelený, tretí červený (všimnite si modelu RGB, k tomu sa dostaneme neskôr). Tyčinky sú farboslepí.

Vlnovej dĺžky

Definícia svetla (podľa vlnovej optiky) je "elektromagnetické žiarenie s viditeľnej vlnovej dĺžke". Svetlo, na ktoré je ľudské oko citlivé, má vlnovú dĺžku 400-800 nm (nanometrov). Biele svetlo je zmes všetkých vlnových dĺžok viditeľného spektra. Zaujímavosťou je, že sneh naozaj nie je biely. Dokážete do komentárov uhádnuť prečo?

Plocha odrážajúce menej ako 10% svetla sa nám javí ako čierna. Väčšina z vás to určite bude vedieť, ale pre tých z vás, kto nie: viditeľné svetlo nie je jediné svetlo (dokonca nie je ani väčšina)! Rozlišujeme tiež rádiové vlny, mikrovlnné žiarenie, infračervené svetlo, viditeľné svetlo, ultrafialové svetlo, lúče X a gamma žiarenia.

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

Vnímanie farby

Hoci si to väčšina ľudí neuvedomuje, farba nie je vlastnosťou samotných objektov. Celé sa to deje iba v ľudskom mozgu. Dokážete si predstaviť, ako teda vyzerá svet naozaj? To, akú farbu vidíme, závisí od viacerých premenných: objekt samotný, kvalita svetla, stav adaptácie nášho zrakového aparátu, dokonca aj znalosť vnímaného predmetu.

Záverom (časť prvá)

Prečo je táto znalosť dôležitá pre tvorbu počítačovej grafiky? Napríklad v otázke rozlíšenie pri tlači billboardu. Alebo vyváženia bielej pri fotografovaní. Alebo farebná reprodukcia v knihe. Dôvodov je veľa a myslím, že prečítaním ani nie tisíce slov grafik nič nestratí.

Ešte dodám, že z vnímania svetla ľudským okom vychádza tiež triedenie farieb, používané v počítačovej grafike, ale o tom až nabudúce.

Percepčné vlastnosti svetla

V dejinách ľudstva sa ľudia snažili farby utriediť do rôznych farebných modelov. Navrhovali je podľa faktorov: odtieňa, jasu a sýtosti.

Odtieň (hue) je vlastnosť svetla, vďaka ktorej dokážeme rozlíšiť jednu farbu od druhej. Môžu sa miešať, čím vytvárajú takzvané prechody.

Jas (Brightness), alebo tiež svetelnosť (Lightness) je obyčajná škála farieb od čiernej po bielu. Čierna a biela sú brané ako neutrálne farby.

Sýtosť (saturation, popr. Chróma) je škála od šedej do čistého odtieňa pri stálej hodnote jasu.

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

Na Munsellově farebnom kruhu je celkom desať farebných sektorov. Je stanovené päť základných farieb (červená, žltá, zelená, modrá a fialová), medzi ktorými je ešte päť zložených farieb. Červená sa napríklad označuje R, fialová P. Medzi nimi sa nachádza farba RP.

Farebné modely

Farby sú v počítačovej grafike tvorené kombináciou niekoľkých základných farieb a faktorov, ktoré som opísal vyššie (odtieňa, jasu a sýtosti). Tieto kombinácie sa nazývajú farebné modely.

Základné farby sú nemenné, každý farebný model je ale môže mať odlišné.

Farebný model teda slúžia na popisovanie spôsobu namiešanie základných farieb tak, aby sa dosiahla čo najväčšia podoby k realite.

V súčasnej praxi sa používa niekoľko modelov:

• RGB (A)
• CMY (K)
• HSV (HSB)
• HSL

Najviac sa ale stretnete práve s RGB (A), poprípade CMY (K).

Model RGB (A)

Model RGB (A) je v počítačovej grafike asi najrozšírenejším modelom. Jeho základné farby sú červená (red - R), zelená (green - G) a modrá (blue - B).

Hlavné vlastností modelu RGB (A) (a čím sa odlišuje od modelu CMYK) je to, že sa farby pri miešaní navzájom sčítajú (je teda aditívne). Vďaka tomu vytvárajú svetlo čím ďalej tým väčšie intenzity. Preto je výsledný súčet všetkých farieb biela.

Tento farebný model využívajú zariadenie, ktoré svetlo vyžarujú. Napríklad monitory, dataprojektory, atp.

Ak sa pozriete bližšie k LCD monitoru, uvidíte "kocky" zložené z červených, zelených a modrých obdĺžnikov. Tieto kocky sú práve pixely, ich pravá podoba.

Obrázok: Ravedave, CC-BY-SA-3.0

Farby v modeli RGB (A) sa dajú vyjadriť v desiatkovej sústave ako čísla od nuly do 255 alebo v šestnástkovej sústave ako čísla od nuly do FF (teda stále do 255). V CSS súboroch môžete teda bežne vidieť napríklad rgb (0,255,255) alebo zadajte hodnotu # 00FFFF.

Uvádzam tu ale za názov modelu aj písmeno A v zátvorke. Čo znamená? To je alfa-kanál, teda transparentnosť. V CSS ho môžeme zapísať takto: RGBA (0, 255, 255, 0.5), teda ako štvrtý parameter. Obvykle ale máva rovnako hodnotu 0-255. RGBA nie je samostatný model!

Model CMY (K)

Ako už som spomenul vyššie, model CMY (K) je opakom RGB, ktorý je aditívne (farby sa sčítajú). CMY (K) je subtraktívnu, farby sa teda odčítajú. V konečnom dôsledku je smíchanina všetkých farieb čierna. Model sa využíva najmä pri tlači.

Ako základné farby CMYK využíva azúrovú (cyan - C), purpurovú (magenta - M) a žltou (yellow - Y). Pre úspory tonera (a pre pekne čiernu farbu) sa ešte primiešava čierna (kľúčová, key - K).

Modely HSV (HSB) a HSL

Sú asi najbližší nášmu intuitívnemu vnímanie farieb. Umožňujú meniť jednotlivé charakteristiky farby, bez toho aby ovplyvnili iné. Písmená v názve znamenajú odtieň (hue - H), sýtosť (saturation - S) a hodnotu (value - V), čo je vlastne jas. Občas sa stretávame s písmenom B (brightness).

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

V modeli HSL to je odtieň (hue - H), sýtosť (saturation - S) a svetelnosť (Lightness - L). Model počíta s tým, že naše intuitívne vnímanie farieb nedokáže rozlíšiť jednotlivé farby, ak je príliš tmavá, alebo príliš svetlá.

Záver (časť druhá)

Existujú aj ďalšie farebné modely, o ktorých je dobré vedieť, avšak toto má byť len úvod do počítačovej grafiky a preto si myslím, že do bežnej praxe tieto informácie bohato stačí. Avšak poďme si ešte mimo súťaž povedať o CIE L a b modelu, ktorý je nezávislý na konkrétnom zariadení.

Slovom gamut je najvyššia dosiahnuteľná oblasť farieb v určitom farebnom priestore. Nabudúce si objasníme niekoľko ďalších termínov a budeme sa baviť o rozlíšení.

Ďalšie informácie a zdroje

• Učebné materiály SPSS Pelhřimov
• Počítačová grafika a multimédiá, Pavol Navrátil, ISBN 80-86686-77-9
• Počítačová grafika, Pavel Ryška, ISBN 978-80-254-0182-8
• Wikipédia, http://wikipedia.org/