WSTĘP DO GRAFIKI KOMPUTEROWEJ

Transkrypt

1 WSTĘP DO GRAFIKI KOMPUTEROWEJ Miłosz Michalski Institute of Physics Nicolaus Copernicus University Październik / 44

2 Plan wykładu Światło, kolor, zmysł wzroku Obraz: fotgrafia, poligrafia, grafika cyfrowa Grafika rastrowa: typowe narzędzia i techniki Grafika wektorowa: elementy i techniki Elementy grafiki 3D 2 / 44

3 Spektrum promieniowania elektromagnetycznego Increasing frequency visible spectrum Increasing wavelength mm wavelenght in nm 3 / 44

4 Spektrum wpływ atmosfery ziemskiej 4 / 44

5 Energia fali elektromagnetycznej E = hν wysokie częstotliwości = wysokie energie niskie częstotliwosci = niskie energie 5 / 44

6 Zjawiska falowe 6 / 44

7 Zjawiska falowe Odbicie 6 / 44

8 Zjawiska falowe Odbicie Dyfrakcja (ugięcie), interferencja, polaryzacja 6 / 44

9 Zjawiska falowe Odbicie Dyfrakcja (ugięcie), interferencja, polaryzacja Refrakcja (załamanie) i dyspersja 6 / 44

10 Zjawiska falowe załamanie 7 / 44

11 Zjawiska falowe załamanie 8 / 44

12 Zjawiska falowe załamanie Zależność wsp. załamania od gęstości optycznej materiału n mat = c v mat = sin α sin β n water = 1.33, n glass = 1.52, n diamond = / 44

13 Zjawiska falowe dyspersja 9 / 44

14 Zjawiska falowe dyspersja Zależność od częstotliwości padającej fali n ν 9 / 44

15 Zastosowanie spektroskopia 10 / 44

16 Charakterystyka źródeł światła 11 / 44

17 Percepcja wzrokowa 12 / 44

18 Teoria trójchromatyczności budowa siatkówki Rods and Cones T. Young & H. Helmholz teoretyczny model / 44

19 Teoria trójchromatyczności budowa siatkówki Rods and Cones T. Young & H. Helmholz teoretyczny model G. Svaetichin doświadczalne potwierdzenie / 44

20 Teoria trójchromatyczności krzywa odpowiedzi pręcików Rode response to incident wavelength 14 / 44

21 Teoria trójchromatyczności krzywe odpowiedzi czopków Cone response curves 15 / 44

22 Teoria trójchromatyczności idealizacja S M L Cone response curves - idealized 16 / 44

23 Teoria trójchromatyczności schemat działania czopków 17 / 44

24 Kilka faktów anatomicznych 18 / 44

25 Kilka faktów anatomicznych Czopki stanowią ok. 5% komórek światłoczułych 18 / 44

26 Kilka faktów anatomicznych Czopki stanowią ok. 5% komórek światłoczułych Naczelne są trójchromatyczne, liczne ssaki dwuchromatyczne, drapieżniki nocne monochromtyczne z reakcją na podczerwień 18 / 44

27 Kilka faktów anatomicznych Czopki stanowią ok. 5% komórek światłoczułych Naczelne są trójchromatyczne, liczne ssaki dwuchromatyczne, drapieżniki nocne monochromtyczne z reakcją na podczerwień Inne kręgowce (ptaki, ryby) mogą być cztero- lub pięciochromatyczne 18 / 44

28 Kilka faktów anatomicznych Czopki stanowią ok. 5% komórek światłoczułych Naczelne są trójchromatyczne, liczne ssaki dwuchromatyczne, drapieżniki nocne monochromtyczne z reakcją na podczerwień Inne kręgowce (ptaki, ryby) mogą być cztero- lub pięciochromatyczne Rekordzistą są morskie skorupiaki z rodziny ustonogich 12 rodzajów czopków! 18 / 44

29 Kilka faktów anatomicznych Czopki stanowią ok. 5% komórek światłoczułych Naczelne są trójchromatyczne, liczne ssaki dwuchromatyczne, drapieżniki nocne monochromtyczne z reakcją na podczerwień Inne kręgowce (ptaki, ryby) mogą być cztero- lub pięciochromatyczne Rekordzistą są morskie skorupiaki z rodziny ustonogich 12 rodzajów czopków! W chromosomach 50% kobiet zapisana jest potencjalna możliwośc wykształcenia czterochromatycznej siatkówki. 18 / 44

30 Kilka faktów anatomicznych cd. 19 / 44

31 Kilka faktów anatomicznych cd. W siatkówce człowieka jest ok. 130 mln. fotoreceptorów: 120 mln. pręcików i 6 mln. czopków 19 / 44

32 Kilka faktów anatomicznych cd. W siatkówce człowieka jest ok. 130 mln. fotoreceptorów: 120 mln. pręcików i 6 mln. czopków W centrum dołka środkowego (2 ) znajduje się 150 tys. czopków na mm 2. Średnia odległość czopków 2.5 µm 19 / 44

33 Kilka faktów anatomicznych cd. W siatkówce człowieka jest ok. 130 mln. fotoreceptorów: 120 mln. pręcików i 6 mln. czopków W centrum dołka środkowego (2 ) znajduje się 150 tys. czopków na mm 2. Średnia odległość czopków 2.5 µm Dołek środkowy ma średnicę ok. 1,5 mm (5 ) i leży w centrum plamki żółtej o rozmiarze ok / 44

34 Kilka faktów anatomicznych cd. W siatkówce człowieka jest ok. 130 mln. fotoreceptorów: 120 mln. pręcików i 6 mln. czopków W centrum dołka środkowego (2 ) znajduje się 150 tys. czopków na mm 2. Średnia odległość czopków 2.5 µm Dołek środkowy ma średnicę ok. 1,5 mm (5 ) i leży w centrum plamki żółtej o rozmiarze ok. 10. Gęstość czopków spada wraz z odległością od osi oka 19 / 44

35 Model XYZ reprezentacji koloru Z X Y X Y Z 20 / 44

36 Model XYZ reprezentacji koloru X Y Z 20 / 44

37 Psychologia percepcji koloru Teoria barw przeciwstawnych (K.E. Hering 1892) 21 / 44

38 Psychologia percepcji koloru Teoria barw przeciwstawnych (K.E. Hering 1892) Niektóre pary barw łączą się w naturalny sposób... + = + = 21 / 44

39 Psychologia percepcji koloru Teoria barw przeciwstawnych (K.E. Hering 1892) Niektóre pary barw łączą się w naturalny sposób... + = + =... podczas gdy inne nie: / 44

40 Psychologia percepcji koloru Teoria barw przeciwstawnych (K.E. Hering 1892) Niektóre pary barw łączą się w naturalny sposób... + = + =... podczas gdy inne nie: WNIOSEK: mózg analizuje także różnice odpowiedzi czopków 21 / 44

41 Złudzenia wzrokowe / 44

42 Złudzenia wzrokowe 22 / 44

43 Przetwarzanie sygnałów z siatkówki 23 / 44

44 Przetwarzanie sygnałów z siatkówki 24 / 44

45 Przetwarzanie sygnałów z siatkówki Komórki zbiorcze w głębszych warstwach siatkówki integrują sygnały z sąsiednich fotoreceptorów 24 / 44

46 Przetwarzanie sygnałów z siatkówki Komórki zbiorcze w głębszych warstwach siatkówki integrują sygnały z sąsiednich fotoreceptorów Komórki poziome, dwubiegunowe, amakrynowe, zwojowe sygnał do nerwu wzrokowego 24 / 44

47 Przetwarzanie sygnałów z siatkówki Komórki zbiorcze w głębszych warstwach siatkówki integrują sygnały z sąsiednich fotoreceptorów Komórki poziome, dwubiegunowe, amakrynowe, zwojowe sygnał do nerwu wzrokowego Wzmacnianie kontrastu sąsiednich obszarów poprawa ostrości widzenia 24 / 44

48 Psychologia percepcji koloru G C Y B R M 25 / 44

49 Psychologia percepcji koloru G C Y B R M Powidoki są wynikiem zmęczenia czopków określonego typu i czasowego osłabienia ich odpowiedzi 25 / 44

50 Psychologia percepcji koloru G C Y B R M Powidoki są wynikiem zmęczenia czopków określonego typu i czasowego osłabienia ich odpowiedzi Zastosowania: czerwone oswietlenie przyrządów w kokpitach samolotów, czerwone tylne światła samochodów 25 / 44

51 Władysław Strzemiński ( ) 26 / 44

52 Władysław Strzemiński ( ) 26 / 44

53 Władysław Strzemiński ( ) 26 / 44

54 Kolor przedmiotów 27 / 44

55 Kolor przedmiotów Pigmenty zmieniają kolor odbitego światła przez selektywną absorpcję fal określonej długości 27 / 44

56 Kolor przedmiotów Pigmenty zmieniają kolor odbitego światła przez selektywną absorpcję fal określonej długości kolor przedmiotu = kolor światła odbitego = biały - kolor absorbowany 27 / 44

57 Kolor przedmiotów Pigmenty zmieniają kolor odbitego światła przez selektywną absorpcję fal określonej długości kolor przedmiotu = kolor światła odbitego = biały - kolor absorbowany Obserwowany kolor przedmiotu zależy od koloru oświetlenia 27 / 44

58 Kolor przedmiotów Pigmenty zmieniają kolor odbitego światła przez selektywną absorpcję fal określonej długości kolor przedmiotu = kolor światła odbitego = biały - kolor absorbowany Obserwowany kolor przedmiotu zależy od koloru oświetlenia 27 / 44

59 Modele i przestrzenie koloru Modele koloru parametryczne reprezentacje koloru w układach współrzędnych: RGB, HSV, Lab, CMYK, / 44

60 Modele i przestrzenie koloru Modele koloru parametryczne reprezentacje koloru w układach współrzędnych: RGB, HSV, Lab, CMYK,... (226,189,15) = (0, 0.164, 0.934, 0.114) = (49,93,89) RGB CMYK HSB 28 / 44

61 Modele i przestrzenie koloru Modele koloru parametryczne reprezentacje koloru w układach współrzędnych: RGB, HSV, Lab, CMYK,... (226,189,15) = (0, 0.164, 0.934, 0.114) = (49,93,89) RGB CMYK HSB Przestrzeń kolorów ustalenie punktów odniesienia przez specyfikację czystych barw, np. R, G i B 28 / 44

62 Modele i przestrzenie koloru Modele koloru parametryczne reprezentacje koloru w układach współrzędnych: RGB, HSV, Lab, CMYK,... (226,189,15) = (0, 0.164, 0.934, 0.114) = (49,93,89) RGB CMYK HSB Przestrzeń kolorów ustalenie punktów odniesienia przez specyfikację czystych barw, np. R, G i B 28 / 44

63 Modele i przestrzenie koloru Modele koloru parametryczne reprezentacje koloru w układach współrzędnych: RGB, HSV, Lab, CMYK,... (226,189,15) = (0, 0.164, 0.934, 0.114) = (49,93,89) RGB CMYK HSB Przestrzeń kolorów ustalenie punktów odniesienia przez specyfikację czystych barw, np. R, G i B Gamut zbiór barw danej przestrzeni 28 / 44

64 RGB model addytywny 29 / 44

65 RGB model addytywny 0,0,0 0,0, ,0, 255 0,255, ,128, ,0,0 255, 255,0 255,255, / 44

66 Kostka RGB 30 / 44

67 Kostka RGB R = G = B odcienie szarości 30 / 44

68 CMY(K) model subtraktywny C = biały R, M = biały G, Y = biały B 31 / 44

69 CMY(K) model subtraktywny C = biały R, M = biały G, Y = biały B 31 / 44

70 CMYK C M Y K 32 / 44

71 CMYK 32 / 44

72 Konwersja RGB CMYK C = biały R, M = biały G, Y = biały B 33 / 44

73 Konwersja RGB CMYK C = biały R, M = biały G, Y = biały B Normalizacja: r = R 255, g = G 255, b = B / 44

74 Konwersja RGB CMYK C = biały R, M = biały G, Y = biały B Normalizacja: r = R 255, g = G 255, b = B 255 Poziom czerni: K = 1 max{r, g, b} 33 / 44

75 Konwersja RGB CMYK C = biały R, M = biały G, Y = biały B Normalizacja: r = R 255, g = G 255, b = B 255 Poziom czerni: K = 1 max{r, g, b} C = 1 K r 1 K, M = 1 K g 1 K, Y = 1 K b 1 K 33 / 44

76 Konwersja RGB CMYK C = biały R, M = biały G, Y = biały B Normalizacja: r = R 255, g = G 255, b = B 255 Poziom czerni: K = 1 max{r, g, b} C = 1 K r 1 K, M = 1 K g 1 K, Y = 1 K b 1 K Są to uproszczone formuły konwersji między modelami RGB i CMYK. 33 / 44

77 RGB CMYK Gamut CMYK jest uboższy od RGB i zależy w dużym stopniu od użytej techniki druku. 34 / 44

78 RGB CMYK Gamut CMYK jest uboższy od RGB i zależy w dużym stopniu od użytej techniki druku. 34 / 44

79 RGB CMYK Gamut CMYK jest uboższy od RGB i zależy w dużym stopniu od użytej techniki druku. 34 / 44

80 HSV H = 0,..., 360, S, V = 0,..., 100% 35 / 44

81 HSV G C Y B R M H = 0,..., 360, S, V = 0,..., 100% 35 / 44

82 HSV, HSB, HSL, HSI Przy pomocy parametrów RGB trudno jest uzyskać np. podobny kolor o połowę mniejszej jaskrawości, (-31, +14, +59) 217, 118, , 132, / 44

83 HSV, HSB, HSL, HSI Przy pomocy parametrów RGB trudno jest uzyskać np. podobny kolor o połowę mniejszej jaskrawości, (-31, +14, +59) 217, 118, , 132, 92 Modele cylindryczne rozwiazują ten problem: H indeks barwy, S nasycenie, trzeci parametr opisuje jasność 36 / 44

84 HSV, HSB, HSL, HSI Przy pomocy parametrów RGB trudno jest uzyskać np. podobny kolor o połowę mniejszej jaskrawości, (-31, +14, +59) 217, 118, , 132, 92 Modele cylindryczne rozwiazują ten problem: H indeks barwy, S nasycenie, trzeci parametr opisuje jasność Precyzyjne określenie S zależy od przyjętej miary jasności 36 / 44

85 Miary jasności Value: V = max{r, G, B } 37 / 44

86 Miary jasności Value: V = max{r, G, B } Lightness: L = 1 2 (max{r, G, B} + min{r, G, B}) 37 / 44

87 Miary jasności Value: V = max{r, G, B } Lightness: L = 1 2 (max{r, G, B} + min{r, G, B}) Brightness: B = 1 3 (R + G + B) (także I intensity) 37 / 44

88 Miary jasności Value: V = max{r, G, B } Lightness: L = 1 2 (max{r, G, B} + min{r, G, B}) Brightness: B = 1 3 (R + G + B) (także I intensity) Luma: Y = 0.3R G B (standard dla analogowego video) 37 / 44

89 Miary jasności Value: V = max{r, G, B } Lightness: L = 1 2 (max{r, G, B} + min{r, G, B}) Brightness: B = 1 3 (R + G + B) (także I intensity) Luma: Y = 0.3R G B (standard dla analogowego video) Luma: YY = 0.21R G B (dla telewizji HD, srgb) 37 / 44

90 Miary jasności Value: V = max{r, G, B } Lightness: L = 1 2 (max{r, G, B} + min{r, G, B}) Brightness: B = 1 3 (R + G + B) (także I intensity) Luma: Y = 0.3R G B (standard dla analogowego video) Luma: YY = 0.21R G B (dla telewizji HD, srgb) Lightness L w przestrzeni CIE Lab konwersja pośrednia (zależna od standardu RGB) na XYZ oraz L = { Y /Y 0 16 Y /Y Y /Y 0 w przeciwnym razie gdzie Y 0 punkt bieli. 37 / 44

91 Miary jasności V = max{r,g,b} L = max{r,g,b}+min{r,g,b} 2 B = R+G+B 3 Y = 0.3R+0.59G+0.11B YY = 0.21R+0.72G+0.07B V L B Y YY Lab 38 / 44

92 RGB HSB 39 / 44

93 RGB HSB 40 / 44

94 RGB HSB 41 / 44

95 Commission Internationale de l Eclairage Lab Standard CIE Lab zbliżony do ludzkiej percepcji koloru. 42 / 44

96 Commission Internationale de l Eclairage Lab Standard CIE Lab zbliżony do ludzkiej percepcji koloru. CIE Lab jest matematyczną transformacją udoskonalonej przestrzeni XYZ (odnoszącej się do wrażliwości oka na różne długości światła). 42 / 44

97 Commission Internationale de l Eclairage Lab Standard CIE Lab zbliżony do ludzkiej percepcji koloru. CIE Lab jest matematyczną transformacją udoskonalonej przestrzeni XYZ (odnoszącej się do wrażliwości oka na różne długości światła). ( Y L = , a = 500 Y 0 3 X X 0 3 gdzie X 0, Y 0, Z 0 są współrzędnymi bieli. Y Y 0 ) ( ) 3 Y Z, b = Y 0 Z 0 42 / 44

98 Commission Internationale de l Eclairage Lab Standard CIE Lab zbliżony do ludzkiej percepcji koloru. CIE Lab jest matematyczną transformacją udoskonalonej przestrzeni XYZ (odnoszącej się do wrażliwości oka na różne długości światła). ( Y L = , a = 500 Y 0 3 X X 0 3 Y Y 0 ) ( ) 3 Y Z, b = Y 0 gdzie X 0, Y 0, Z 0 są współrzędnymi bieli. Zwykła odległość Euklidesowa ( L) 2 + ( a) 2 + ( b) 2 dobrze oddaje różnicowanie barw przez ludzkie oko (Lab pomyślana jest tak, by niwelować nieliniowe efekty XYZ) Z 0 42 / 44

99 Commission Internationale de l Eclairage Lab Standard CIE Lab zbliżony do ludzkiej percepcji koloru. CIE Lab jest matematyczną transformacją udoskonalonej przestrzeni XYZ (odnoszącej się do wrażliwości oka na różne długości światła). ( Y L = , a = 500 Y 0 3 X X 0 3 Y Y 0 ) ( ) 3 Y Z, b = Y 0 gdzie X 0, Y 0, Z 0 są współrzędnymi bieli. Zwykła odległość Euklidesowa ( L) 2 + ( a) 2 + ( b) 2 dobrze oddaje różnicowanie barw przez ludzkie oko (Lab pomyślana jest tak, by niwelować nieliniowe efekty XYZ) Ponieważ Lab jest w założeniu najwierniejszym modelem ludzkiej percepcji koloru, system ten jest stale doskonalony wraz z postępami neurofizjologii. Z 0 42 / 44

100 Przestrzeń Lab 43 / 44

101 Przestrzeń Lab Gamut Lab jest większy niż zakres percepcji ludzkiego oka 43 / 44

102 Przestrzeń Lab Gamut Lab jest większy niż zakres percepcji ludzkiego oka Przestrzeń Lab jest uniwersalna, RGB i CMYK są sprzętowo zależne 43 / 44

103 Przestrzeń Lab Gamut Lab jest większy niż zakres percepcji ludzkiego oka Przestrzeń Lab jest uniwersalna, RGB i CMYK są sprzętowo zależne Profile ICC urządzeń: Φ : P u Lab monitor RGB Φ Lab Ψ drukarka CMYK Konwersja danych graficznych przez Ψ 1 Φ 43 / 44

104 Standardy: Pantone Pantone międzynarodowy standard identyfikacji kolorów do celów przemysłowych (w tym poligraficznych) opracowany i aktualizowany przez amerykańską firmę Pantone Inc. 44 / 44

105 Standardy: Pantone Pantone międzynarodowy standard identyfikacji kolorów do celów przemysłowych (w tym poligraficznych) opracowany i aktualizowany przez amerykańską firmę Pantone Inc. System Pantone standaryzuje kolory bazowe procesów CMYK 44 / 44

106 Standardy: Pantone Pantone międzynarodowy standard identyfikacji kolorów do celów przemysłowych (w tym poligraficznych) opracowany i aktualizowany przez amerykańską firmę Pantone Inc. System Pantone standaryzuje kolory bazowe procesów CMYK Większość z 1114 podstawowych barw Pantone nie daje się wiernie reprezentować w procesie CMYK. Wymagają one użycia do 14 bazowych pigmentów. 44 / 44

107 Standardy: Pantone Pantone międzynarodowy standard identyfikacji kolorów do celów przemysłowych (w tym poligraficznych) opracowany i aktualizowany przez amerykańską firmę Pantone Inc. System Pantone standaryzuje kolory bazowe procesów CMYK Większość z 1114 podstawowych barw Pantone nie daje się wiernie reprezentować w procesie CMYK. Wymagają one użycia do 14 bazowych pigmentów. Wiele krajów używa standardu Pantone do precyzyjnego określania barw swoich flag narodowych. 44 / 44