Мультимедиа
Мультимедиа – область компьютерной графики, связанная с созданием интерактивных энциклопедий, справочных систем, обучающих программ и интерфейсов к ним. Основными требованиями к мультимедийным программам являются требования к минимизации размеров файла и оптимальное разрешение экрана. Для работы в этой области служат программы создания мультимедиа – MS PowerPoint и Macromedia Director.
3D-графика и компьютерная анимация
3D-графика – класс программных продуктов для имитации реальных предметов и интерьеров. Кроме двух- и трехмерных объектов, в них можно создавать камеры и источники освещения, подбирать материалы и текстуры, моделировать движущиеся объекты.
Сферами применения 3D-графики являются компьютерные игры, телереклама и оформление телевизионных каналов, моделирование в строительстве и архитектуре зданий, скульптур и т.д.
Основные программы для создания и обработки трехмерной графики и анимации:
3D Studio MAX фирмы Kinetix – позволяет работать даже на компьютерах среднего уровня; поддерживает аппаратные ускорители трехмерной графики; имеет большое число дополнений от других фирм.
MS SoftImage 3D – имеет богатые возможности моделирования, большое количество регулируемых физических и кинематографических параметров, однако требует мощных аппаратных ресурсов.
Maya (разработана совместно фирмами Alias, Wavefront, TDI) – наиболее передовой пакет в классе средств создания и обработки трехмерной графики; включает в себя модули, отвечающие за анимацию, моделирование, физическое моделирование и визуализацию.
Xara 3D – небольшой пакет для создания трехмерных объектов.
Truespase – для создания фотореалистических трехмерных объектов.
Видеомонтаж
Видеомонтаж можно условно разделить на два вида: спецэффекты в кино и подготовка телевизионных передач.
Видеомонтаж отличается от других направлений компьютерной графики тем, что манипулирует «живыми» картинками и использует свою технологию работы. Наиболее популярная программа, используемая в этой области, Adobe Premier.
САПР и деловая графика
Программы САПР (или CAD – computer-aided design) представляют собой векторные программные пакеты. Основными областями их применения являются различные области инженерного конструирования от проектирования микросхем до создания самолетов; архитектура; медицина (например, проектирование имплантантов) и др.
Среди программ этого класса лидером является AutoCAD фирмы AutoDesk. Это мощная система машинного проектирования, позволяющая синтезировать 2D- и 3D-модели, автоматизировать большое количество проектных задач, адаптировать и настраивать систему на конкретные приложения. Это программа широкого профиля. Другие программы этого класса имеют конкретную предметную направленность и довольно сложны в освоении.
1.2. Системы цветов в компьютерной графике
Видимый человеком свет – это электромагнитная волна, с определенной длиной волны. Цвет характеризует действие излучения на глаз человека. Понятие цвета очень важно в компьютерной графике как средство усиления зрительного впечатления и повышения информационной насыщенности изображения.
За цветовое и яркостное восприятие человеческого глаза отвечают два типа нервных клеток (рецепторов): колбочки и палочки. Человеческий глаз состоит примерно из 7 млн. колбочек и 120 млн. палочек. Палочки отвечают за черно-белое зрение. Функция палочек заключается в «ночном зрении» - светочувствительности и приспособлении к окружающей яркости. Колбочки предназначены для распознавания цветовой информации. Функция колбочек - «дневное зрение» - восприятие цвета, формы и деталей предмета. В них заложены три типа воспринимающих элементов, каждый из которых воспринимает световое излучение только определенной длины волны, соответствующей одному из трех основных цветов: красному, зеленому и синему. Остальные цвета и оттенки получаются смешением этих трех.
Человеческий глаз воспринимает цветовую информацию в диапазоне волн примерно от 380 нм до 770 нм: 400-500 нм - синий цвет; зеленый цвет – 500-600 нм; 600-700 нм - красный цвет. Наилучшую чувствительность глаз имеет в районе 520 нм (зеленый цвет).
Грассман вывел следующие законы природы цвета:
Закон трехмерности. Цвет по природе трехмерен. Глаз реагирует на три различные цветовые составляющие. Примеры: красный, зеленый и синий цвета; цветовой тон (доминирующая длина волны), насыщенность (чистоту) и яркость (светлость).
Закон непрерывности. Цветовое пространство непрерывно. Если в смеси трех цветов один непрерывно изменяется, а другие остаются постоянными, то цвет смеси будет меняться непрерывно.
Закон аддитивности. Цвет смеси излучений зависит только от их цвета, а не от спектрального состава. Четыре цвета всегда линейно зависимы.
Свет может быть излучаемым и отраженным. Излучаемый свет идет непосредственно от источника, например, от Солнца, от монитора. Он сохраняет в себе все цвета, из которых создан. Для излучающих объектов характерно аддитивное цветовоспроизведение, световые излучения суммируются.
Отраженный свет возникает при отражении от некоторого предмета, например, от бумаги, фотографии. Отражающие объекты характеризуются субтрактивным цветовоспроизведением, световые излучения вычитаются. При таком способе цветопередача может измениться по сравнению с источником.
В компьютерной графике созданы специальные способы разделения цветового оттенка на составляющие компоненты. Они называются цветовыми моделями и используются для математического описания определенных цветовых областей спектра. По принципу действия цветовые модели можно условно разбить на три класса:
аддитивные, основанные на сложении цветов (например, RGB),
субтрактивные, основанные на вычитании цветов (CMY, CMYK),
перцепционные, базирующиеся непосредственно на восприятии человека (HSB, HLS, YCC).
Рассмотрим основные цветовые модели:
Аддитивная цветовая модель RGB. В основе этой модели лежит тот факт, что цвета видимого спектра можно получить путем смешивания в различных пропорциях трех основных компонент, которые называются первичными или добавляющими цветами. К ним относятся красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue) цвета. При попарном смешивании первичных цветов образуются вторичные цвета:
К
расный
+ зеленый = желтый (Yellow)
Красный + синий = пурпурный (Magenta)
Зеленый + синий = голубой (Cyan).
Первичные и вторичные цвета относятся к базовым цветам.
Таким образом, аддитивный цвет получается при объединении лучей трех основных цветов. Как правило, графические программы позволяют комбинировать требуемый цвет из 256 оттенков красного, зеленого и синего (256*256*256=16,7 млн. цветов). Если интенсивность каждого из них 100%, то получится белый цвет (биты 256,256,256). Отсутствие всех трех цветов дает черный цвет (биты 0,0,0). Совмещение трех компонентов в равных количествах дает разные оттенки серого цвета (например, биты 50,50,50 дают более темный оттенок серого, чем 100,100,100).
Данная модель используется для работы с электронными изображениями (мониторы, телевизоры, цветные лампы и т.п.) и не используется для создания изображения на бумаге.
Несмотря на достаточную простоту и наглядность модель RGB имеет ряд недостатков. Среди них, аппаратная зависимость и ограничение цветового охвата. Первая проблема связана с тем, что цвет, возникающий в результате смешения цветовых составляющих, зависит от типа люминофора. Поэтому для однозначного определения цвета нужно знать спектральную характеристику люминофора. Вторая проблема – ограниченность цветового охвата, объясняется тем, что невозможно получить все цвета видимого спектра. Например, чисто голубой или желтый цвета не могут быть воссозданы на экране.
Субтрактивные цветовые модели CMY и CMYK. Субтрактивные модели применяются для отражающих поверхностей (например, бумаги) с использованием типографских и принтерных красок. В их основе лежит использование трех субтрактивных (вторичных) цветов: Cyan – голубого, Magenta – пурпурного и Yellow – желтого (модель CMY). Каждый из них поглощает (вычитает) определенные цвета из белого света, падающего на печатную страницу:
Голубой (Cyan) = белый – красный = зеленый +синий
Пурпурный (Magenta) = белый – зеленый = красный +синий
Желтый (Yellow) = белый – синий = красный+зеленый
Цвета голубой, пурпурный и желтый называются дополнительными, так как они дополняют основные цвета до белого. В этой системе белый цвет проявляется как результат отсутствия всех цветов. Присутствие всех цветов дает черный цвет. Однако реально наложение этих цветов не дает чистого черного цвета. Поэтому в расширенной модели CMYK был введен четвертый компонент – черный (blacK). Он применяется для получения более «чистых» оттенков черного.
В цветных принтерах чаще всего используется четыре красителя. Данная система широко применяется в полиграфии. Поэтому при печати цвет в модели CMYK определяется качеством бумаги. Мелованная бумага обеспечивает воспроизведение более широкого спектра цветов. На обычной бумаге цвета получаются более темными и приглушенными, так как она более шероховата и сильнее рассеивает свет.
CMYK-модель имеет те же ограничения, что и RGB-модель: аппаратная зависимость и ограниченный цветовой диапазон. Из-за того, что цветные красители имеют худшие характеристики, чем люминофоры, модель CMYK имеет более узкий цветовой диапазон, чем модель RGB. Например, она не может воспроизводить яркие насыщенные цвета, а также ряд специфических цветов, таких как металлический или золотистый. Об экранных цветах, которые невозможно воссоздать при печати, говорят, что они лежат вне цветового охвата модели CMYK. Несоответствие цветовых диапазонов RGB- и CMYK-моделей представляет серьезную проблему, для разрешения которой существует комплекс специальных средств:
1. Наиболее простые основаны на выявлении и коррекции несоответствующих цветов непосредственно в процессе редактирования. При этом возможно
редактирование изображения в формате CMYK-модели, чтобы полученное изображение соответствовало наблюдаемому на мониторе;
использование CMYK-ориентированных палитр, таких как PANTONE или TRUMATCH (содержащиеся в них цвета описываются в компонентах CMYK-модели, поэтому адекватно отображаются при печати);
использование имеющихся в программах средств индикации. В ряде графических пакетов заложены возможности получения на экране информации, говорящей о наличии в изображении цветов, не поддерживаемых CMYK-моделью.
Более кардинальные средства предназначены для расширения цветового пространства CMYK-модели.
Самым современным средством является использование систем управления цветом (CMS – color management system).
Используется технология HiFi Color, основой которой является расширение используемой цветовой гаммы за счет добавления новых цветов к четырем базовым цветам CMYK. Например, фирмой Pantone введена палитра PANTONE HEXACHROME Color, в которой к базовым цветам CMYK добавлены два новых цвета: зеленый и оранжевый. Это позволило расширить диапазон цветов и улучшить качество цветопередачи.
Перцепционные цветовые модели. Системы цветов RGB и CMYК базируются на ограничениях, накладываемых аппаратным обеспечением (мониторами компьютеров и типографскими красками). Для устранения аппаратной зависимости был разработан ряд перцепционных (интуитивных) цветовых моделей. В их основу положено раздельное определение яркости и цветности. Это значительно упрощает проблему согласования цветов, т.к. после установки значения яркости можно заняться настройкой цвета.
Такими моделями являются модель HSB и ее ближайший аналог HSL. Например, HSB построена на основе трех компонентов – оттенка или цветового тона (Hue), насыщенности (Saturation) и яркости (Brightness). Эта модель наиболее точно соответствует способу восприятия цветов человеческим глазом, т.к. описывает цвета интуитивно ясным способом.
Рассмотрим смысл основных компонентов этой модели. Под цветовым тоном понимается конкретный оттенок цвета: красный, желтый, зеленый. В данной модели значение цвета выбирается как вектор, исходящий из центра окружности, направление которого определяет цветовой оттенок. Точка в центре соответствует белому цвету, а точки по периметру окружности – чистым спектральным цветам. Каждый цвет занимает определенное положение на цветовом круге, которое характеризуется величиной угла. Обычно для красного берется угол 0о, для чистого зеленого – 120о, для чисто синего 240о и т.д. На цветовом круге первичные цвета расположены на равном расстоянии друг от друга. Вторичные цвета находятся между первичными. Каждый цвет расположен напротив дополняющего его (комплиментарного) цвета и между цветов, с помощью которых он получен.
Цветовой тон не единственный атрибут цвета, различаемый людьми. Другой компонент – насыщенность – характеризует чистоту цвета. Значение этого параметра изменяется от 0% (серый) до 100% (полностью насыщенный). По другому определению, насыщенность отражает, насколько далеко стоит данный цвет от равного с ним по яркости белого цвета. На круге это длина вектора от центра. Чем выше насыщенность, тем сильнее ощущается цветовой тон. Уменьшая насыщенность, мы «разбавляем» его белым цветом. Например, если взять цветную фотографию и понизить насыщенность до 0%, то получим черно-белую фотографию.
Цветами с максимальной насыщенностью являются спектральные цвета, например, желтый цвет, полученный в спектре натрия. Тот же желтый цвет, полученный сложением красного с зеленым, имеет пониженную насыщенность. И совсем низкую насыщенность имеет желтый цвет солнечного диска, содержащий практически полный спектр видимых цветов.
Примерами полностью нейтральных (ахроматических) цветов являются серый, белый и черный цвета. По мере приближения к центру круга цвет приближается к серому, т.к. при этом все базовые цвета смешиваются в равной пропорции. Естественные цвета имеют низкую насыщенность, поэтому слишком насыщенные цвета выглядят ненатуральными.
Перемещение поперек цветового круга приводит к уменьшению доли цвета, от которого удаляемся, и возрастанию доли цвета, к которому приближаемся. Это приводит к понижению насыщенности, которая имеет максимальное значение (100%) на поверхности окружности и минимальное (0%) – в центре круга.
Еще одна характеристика – яркость – характеризует интенсивность, с которой энергия света воздействует на глаз. Под ней подразумевают также относительную освещенность или затемненность цвета. Величина яркости измеряется в процентах от 0% (черный) до 100% (белый). По мере снижения процентного содержания яркости цвет становится темнее, стремясь к черному. Величина яркости в модели HSB задается отдельной осью вне круга, где нулевая точка соответствует черному цвету.
Модель HSB в отличие от RGB и CMYK носит абстрактный характер. Это связано с тем, что цветовой тон и насыщенность цвета нельзя измерить непосредственно. В результате эта модель имеет то же ограниченное цветовое пространство, что и RGB. Однако основными преимуществами HSB-модели является ее аппаратная независимость и более простой и понятный механизм управления цветом. Эта модель используется при создании изображений на компьютере с имитацией приемов работы художника.
Иногда в полиграфии используются плашечные цвета. Так называются цвета, которые воспроизводятся не триадными красками, а смесовыми. Для них создается отдельная печатная форма. Смесовые краски применяют в том случае, когда требуется точное воспроизведение цвета (например, фирменный цвет на бланках, визитках, приглашениях). Некоторые плашечные цвета входят в цветовой охват CMYK. А некоторые, например, металлизированные или флуоресцентные краски, в принципе не воспроизводятся в компьютерных цветовых моделях. Смесовые краски собраны в цветовые библиотеки DIC, DuPoint, FOCOLTONE, PANTONE, Toyo, TRUMATCH.