Тема_01_Вступ до компютерної графіки_02

1

Тема 1. Вступ до комп’ютерної графіки. Основні поняття теорії кольору

1.1.Поняття про комп’ютерну графіку

1.2.Напрями використання комп’ютерної графіки.

1.3.Колір як галузь науки.

1.4.Фізична природа світла та кольору

1.1. Поняття про комп’ютерну графіку

Якщо подивіться навколо – обкладинки журналів, рекламна друкарська продукція, газети, рекламні ролики по телебаченню, фільми, корпоративні презентації, компакт-диски, Інтернет – це все галузі застосування комп’ютерної графіки, основу якої становить робота з цифровими зображеннями. Велика частина цих зображень була створена, відретушована, виправлена, збільшена та розфарбована на комп’ютері.

Часто більш ефективно і економічно вигідно створювати зображення на комп’ютері, ніж з використанням традиційних методів. Це пов’язано з тим, що цифрові зображення простіше зберігати, тиражувати та редагувати. Сучасний світ немислимий без комп’ютерної обробки графічної інформації. Це необхідно не тільки професіоналам, що створюють мультфільми та спецефекти, комп’ютерні ігри та книжкові ілюстрації. Ділова графіка в офісі також стає все більш звичною. Комп’ютерна графіка широко використовується для створення презентаційних матеріалів, що використовуються на лекціях в університетах, шкільних уроках та різних нарадах.

Сучасна комп’ютерна графіка становить ряд напрямків та галузі використання. Для одних із них основою є автоматизація креслення, технічної документації, для інших – проблеми оперативної взаємодії людини й комп’ютера, задачі числової обробки, розшифрування та передачі зображень, а також створення динамічних, віртуальних, мультимедійних комп’ютерних середовищ та тривимірних твердотільних моделей.

Комп’ютерна графіка – це спеціальна галузь інформатики, яка займається методами і засобами створення й обробки зображень за допомогою програмно-апаратних обчислювальних комплексів. Вона охоплює усі види і форми представлення зображень, доступних для сприйняття людиною або на екрані монітора, або у вигляді копії на зовнішньому носії (папір, кінострічка, тканина тощо).

Структура і методи комп’ютерної графіки засновані на передових досягненнях фундаментальних і прикладних наук: математики, фізики, хімії, біології, статистики, програмування та безлічі інших. Це стосується як програмних, так і апаратних засобів створення й обробки зображень на комп’ютері. Тому комп’ютерна графіка є однією з тих галузей інформатики, які найбільш бурхливо розвиваються.

Як створюються цифрові зображення. Цифровим може бути названо зображення, створене з використанням комп’ютерної програми – графічного редактора. Це може бути слайд, малюнок, текстура, тривимірна сцена, малюнок або щось подібне в електронному вигляді.

Цифрове зображення створюється, наприклад, сканером або цифровим фотоапаратом, а потім редагується в програмі для обробки зображень, наприклад Adobe Photoshop або Corel PHOTO-PAINT або якихось інших, більш зручних для вас програмах. Після виведення зображення на екрані комп’ютера ви можете змінювати його колір, ретушувати, повертати, згинати, спотворювати тощо.

Існують також спеціальні програми, такі як Corel Painter, що мають можливості створення малюнків з нуля, вибравши для цього потрібні електронні кисті і фарбу. Електронне перо в руці (або миша) малює в програмі Painter так само, як кольорові олівці на звичайному папері. Електронна технологія дозволяє імітувати кольорову крейду та змішувати різні кольори фарб. Коли зображення буде створено, його можна зберегти на диску або роздрукувати.

2

1.2. Напрями використання комп’ютерної графіки

Поширення комп’ютерної графіки почалося з поліграфії. Але незабаром вона вирвалася з тісних приміщень друкарень на простір широкого використання. Величезну популярність завоювали комп’ютерні ігри, наукова графіка і фільми. Зараз без розвиненої і витонченої графіки не обходиться жоден фантастичний фільм, жодна комп’ютерна гра. Створені зображення настільки реальні, що важко повірити в те, що все це створено на комп’ютері. Найталановитіші команди математиків, програмістів і дизайнерів працюють над цим на найпотужніших машинах. Жодна пристойна доповідь у сфері бізнесу не обходиться зараз без комп’ютерної презентації.

З простого перерахування галузей використання видно, що поняття комп’ютерної графіки досить широке – від алгоритмів, які малюють на екрані химерні візерунки, до потужних пакетів 3D-графіки і програм, що імітують класичні інструменти художника. Іншими словами, комп’ютерна графіка не є простим малюванням за допомогою комп’ютера, а являє собою досить складний комплекс, який умовно можна розділити на декілька напрямів:

1.Двовимірна графіка.

2.Поліграфія.

3.Web-дизайн.

4.Мультимедіа.

5.3D-графіка та комп’ютерна анімація.

6.Відеомонтаж.

7.САПР і ділова графіка.

Сфери застосування комп’ютерної графіки надзвичайно різноманітні. Кожен її напрям має свої відмінні особливості і тонкощі "технологічного виробництва". Для кожного з них створено своє програмне забезпечення, що включає різноманітні спеціальні програми (графічні редактори). Незалежно від галузі використання кожен графічний редактор, як правило, повинен включати:

–інструменти для створення зображення на комп’ютері;

–бібліотеки готових зображень;

–набір шрифтів;

–набір спецефектів.

Крім того, він повинен бути сумісним з іншими графічними програмами.

Зупинимося на деяких характерних рисах, що притаманні окремим галузям комп’ютерної графіки та програмного забезпечення для цих галузей.

1. Двовимірна графіка. Багато користувачів ПК пов’язують поняття комп’ютерної графіки з програмами, призначеними для редагування двовимірних цифрових зображень. Це програмне забезпечення за принципом дії і функціональному призначенню можна розділити на три групи:

–растрова графіка (bitmap, або raster);

–векторна графіка (vector, або draw);

–фрактальна графіка (fractal).

Найбільш широко в комп’ютерній графіці представлені перші два типи програм: растрові і векторні. Важливо розуміти принципові відмінності між двома цими типами програм, кожна з них має свої сильні та слабкі сторони.

Про фрактальну графіку розмова особлива. Вона, як і векторна, – обчислюється і займає проміжне положення між растровими і векторними програмами. Крім того, фрактальні візерунки часто використовують заливок або текстур в редакторах растрової та векторної графіки.

Двомірна, або 2D-графіка, – це основа всієї комп’ютерної графіки. Жоден комп’ютерний художник-дизайнер не може плідно працювати над своїми проектами без розуміння базових положень двомірної графіки.

1.1. Растрові програми. Більшість програм для редагування зображень – Adobe Photoshop, Corel PHOTO-PAINT або MS Paint – є растровими програмами. У них зображення формується з решітки крихітних квадратиків, іменованих пікселями. Оскільки кожен піксель

3

на екрані комп’ютера відображено в спеціальному місці екрана, то програми, які створюють зображення таким способом, називаються побітовим, або програмами з побітовим відображенням (bitmap). Решітка (або матриця), що утворена пікселями, називають растром. Тому програми з побітовим відображенням також називаються растровими програмами.

Багато програм для обробки зображень дозволяють користувачеві вибирати потрібну електронні кисть, колір та фарбу. Іноді кінцевий результат відрізняється від традиційного живопису, але, загалом, можливості комп’ютера набагато ширше. Більшість цифрових зображень спочатку надходять в комп’ютер за допомогою сканера або цифрового фотоапарата. За допомогою сканера можна оцифрувати слайд, діапозитив, фотографію шляхом перетворення зображення в цифрові дані. Методика сканування зображення з подальшими операціями цветокоррекции і ретушування найбільш часто використовується в друкованій комп’ютерної продукції, в першу чергу при створенні рекламних оголошень та обкладинок журналів. Графічні редактори дозволяють поміняти колір вашої зачіски або очей, змінити колір або фон вашої фотографії, а також прибрати всі недоліки та дефекти. Для залучення уваги глядачів комп’ютерні художники часто додають до фотографій в журналах і рекламним оголошенням спеціальні ефекти, створюючи складні колажі.

Процес оцифровування зображення за допомогою цифрового фотоапарата нескладний

–людина просто спрямовує апарат на об’єкт зйомки і натискає спуск. Зображення миттєво оцифровується і записується в запам’ятовуючий пристрій всередині фотоапарата. Растрові програми призначені в основному для редагування зображень, забезпечуючи можливість корекції, ретуші і створення спеціальних ефектів на базі цифрових зображень. Користуючись програмними продуктами для формування зображень, такими як Adobe Photoshop або Corel PHOTO-PAINT, ви можете створювати колажі, фотомонтажі та готувати кольорові зображення для друку. На сьогоднішній день програми редагування зображень використовуються при виробництві практично всіх друкованих зображень, де необхідна фотографія. Вони також широко використовуються виробниками мультимедіа для створення текстових і фонових ефектів та для зміни кількості кольорів зображення.

1.2.Векторні програми. Зображення, створене у векторних програмах, грунтується на математичних формулах, а не на координатах пікселів. Складові основу таких зображень криві та прямі лінії називаються векторами. Так як при завданні об’єктів на екрані використовуються математичні формули, то окремі елементи зображення, створювані у векторних програмах, – наприклад Adobe Illustrator, CorelDRAW і XARA Xtreme – можна легко переміщати, збільшувати або зменшувати без прояву "ефекту сходинок". Так, для переміщення об’єкта досить перетягнути його мишею. Комп’ютер автоматично перераховує його розмір і нове місце розташування.

Оскільки в цьому випадку зображення створюється математично, векторні програми зазвичай використовуються тоді, коли потрібні чіткі лінії. Вони часто застосовуються при створенні логотипів, шрифтів наукових ілюстрацій, технічних діаграм і різних креслень.

Коли ви виводите зображення, створене у векторній програмі, його якість залежить не від вихідного дозволу зображення, а від роздільної здатності пристрою виводу (монітора, принтера, плоттера). Оскільки якість зображення не залежить від роздільної здатності, то зображення, створене у векторних програмах, як правило, має менший обсяг файлів, ніж побудована в програмах побітового відображення. У векторних програмах немає проблем і з шрифтами – великі шрифтові масиви не утворюють файлів величезного розміру.

2. Поліграфія. Комп’ютерна графіка почала своє поширення з поліграфії. Поліграфія

–досить складний напрямок, що вимагає від працюючого в цій галузі найбільшою широти знань. Навіть на поверхневий погляд робота в поліграфії досить різноманітна: створення візиток, бланків, рекламних листівок, буклетів і плакатів; робота в періодичних виданнях (часто мають свою специфіку). Для реалізації цих задач призначені програми верстки.

Програми верстки сторінок дають можливість з’єднувати разом текстову і графічну інформацію для созданця інформаційних бюлетенів, журналів, брошур та рекламної продукції. Серед найбільш популярних програм можна виділити Adobe PageMaker, Adobe InDesign та QuarkXPress. Більшість програм верстки сторінок використовується для компонування різних елементів на сторінці, а не для того щоб з нуля створювати в них

4

текстові або графічні файли. Тексти об’ємних документів, як правило, пишуться (набираються) в системах обробки текстів (текстових редакторах типу MS Word), а потім імпортуються в програми верстки. Графіка часто створюється в програмах креслення (ділової графіки) та редагування зображень, а потім імпортується в програму верстки сторінок. Хоча всі основні програми верстки сторінок мають приблизно одними й тими ж можливостями, свою популярність вони завоювали з різних причин. Пакети комп’ютерної графіки для поліграфії дозволяють доповнювати текст ілюстраціями різного походження, створювати дизайн сторінок і виводити поліграфічну продукцію на друк з високою якістю.

Крім обов’язкового знання програм верстки і графічних редакторів, фахівець в області поліграфії повинен також знати основи друку, розбиратися в додрукарських процесах (сканування, кольороподіл, цветокалибровка моніторів, фотоскладальні автомати тощо) та контролі якості (кольоропроба).

3.World Wide Web (WWW). Особливу значимість зображення набули з розвитком глобальних комп’ютерних мережевих технологій. У даний час ця галузь дуже інтенсивно розвивається. Вимоги до створення зображень для WWW дуже суперечливі. З одного боку, жорсткі обмеження щодо зниження розмірів файлів для мінімізації часу їх передачі по мережі, з іншого – необхідність збереження якості переданого по мережі зображення. Кожен формат графічних зображень, що використовується в Інтернеті, має свої особливості: JPEG, наприклад, гарний для фотографій, a GIF – для векторних зображень.

4.Мультимедіа. Мультимедіа – це галузь комп’ютерної графіки, яка пов’язана зі створенням інтерактивних енциклопедій, довідкових систем, навчальних програм та інтерфейсів до них.

На відміну від поліграфії, де дизайнер-поліграфіст співпрацює з друкарем, дизайнермультімедійщік співпрацює з програмістом. Тут вимоги до графіки вже інші. Так, в поліграфії, наприклад, файли повинні мати достатньо великий дозвіл. У результаті розміри файлів можуть становити десятки і навіть сотні мегабайтів. У мультимедіа ж обмеженням є дозвіл екрана монітора і вимога мінімізації розмірів файлів. Тут контроль за якістю простіше, ніж в поліграфії, для нього достатньо наявність хорошого монітора.

Для роботи в цій області поряд з графічними редакторами необхідно знати програми створення мультимедіа – наприклад Adobe (Macromedia) Director або MS Power Point. У

створенні нових версій презентаційних пакетів можна відзначити тенденцію все більш повного використання мультимедіа-можливостей та Інтернету. Ці програми допускають зручний імпорт відео-і звукових файлів, в них передбачені кошти анімації діаграм.

5.3D-графіка та комп’ютерна анімація. 3D-графіка – це створення штучних предметів і персонажів, їх анімація і суміщення з реальними предметами та інтер’єрами. На сьогоднішній день визначилося кілька перспективних напрямків її використання.

5.1.Індустрія комп’ютерних ігор. Анімаційні заставки, інтерфейси та персонажі комп’ютерних ігор, що створюються в програмах 3D-графіки.

5.2.Телевізійна реклама та оформлення телевізійних каналів.

5.3.Кіномистецтво – створення як повністю анімаційних фільмів, так і додавання спецефектів до художніх фільмів.

5.4.Створення керованих "віртуальних світів" для різних навчальних цілей.

5.5.Багато архітекторів і дизайнери використовують 3D-графіку для побудови макетів

ітривимірних моделей архітектурних пам’яток і будівель, яких ще не існує в природі. Засвоєння 3D-графіки вимагає чимало часу і потужних системних ресурсів. Щоб

результат виглядав фотореалістично, необхідно освоїти не тільки 3D-моделювання, а й уміти правильно освітити сцену, знайти хороший ракурс камери, підібрати матеріал та текстури. Все це істотно впливає на якість графіки.

6. Відеомонтаж. Відеомонтаж можна умовно розділити на два види:

6.1.Спецефекти в кіно, це те, що ми бачимо чи не бачимо на екрані, починаючи з простого "стирання", страховок і інших допоміжних елементів у трюкових кадрах і закінчуючи суміщенням віртуальних пейзажів і персонажів з живими акторами.

6.2.Підготовка телевізійних передач. Це галузь, що швидко розвивається, вона схожа

зстворенням спецефектів у кіно, але обмежена більш стислими часовими рамками. Як

5

приклад можна взяти будь-який молодіжний музичний канал.

Відеомонтаж відрізняється від інших напрямків комп’ютерної графіки тим, що маніпулює "живими" картинками і використовує свою технологію роботи. На сьогоднішній день однією з найбільш популярних програм, що використовуються в цій галузі комп’ютерної графіки, є Adobe Premier Pro, Sony Vegas та Liquid Edition-Pinnacle Studio.

7. САПР (системи автоматизованого проектування) та ділова графіка. Програми САПР (або CAD – computer-aided design) є векторні програмні засоби, які знайшли широке застосування в різних сферах людської діяльності.

Одне з головних застосувань складає їх використання в різних галузях інженерної конструкторської діяльності – від проектування мікросхем до створення літаків.

Іншою важливою сферою застосування САПР є архітектура. Так, фірма McDonald’s вже з 1987 року використовує машинну графіку для архітектурного дизайну, розміщення посадкових місць, планування приміщень та проектування кухонного устаткування. Використання машинної графіки дозволяє візуально відтворювати двомірні зображення і тривимірні моделі.

САПР використовується і в медицині. Наприклад, автоматизоване проектування імплантантів, особливо для кісток і суглобів, дозволяє мінімізувати необхідність внесення змін в ході операції, що скорочує час перебування на операційному столі (результат позитивний як з точки зору пацієнта, так і з точки зору лікаря).

Прикладами таких програм є AutoCAD фірми Autodesk, Компас 3D та інші. Такі програми дозволяють:

–реалізувати основні операції зі створення і редагування ліній, дуг та тексту;

–синтезувати 2D та 3D-моделі;

–автоматизувати вирішення багатьох задач, що виникають у процесі проектування;

–адаптувати та налаштувати систему на конкретні додатки, створюючи власні сценарії та макрокоманди.

Особливістю комп’ютерних програм даного типу є їх предметна спрямованість. Тому їх використання передбачає знання не тільки основ комп’ютерної графіки, а й самого предмета проектування. Тому програми класу CAD досить складні в засвоєнні та використанні.

1.3. Колір як галузь науки

Зовсім недавно в питаннях кольору в комп’ютерній графіці розбиралися тільки професіонали. Сьогодні кольорова графіка активно використовується багатьма рядовими користувачами для підвищення інформативності і наочності повсякденних документів: публікацій, слайдів, презентацій та повідомлень електронної пошти. Але, незважаючи на це, колір залишається одним з найбільш важких для реалізації елементів дизайну.

Для розуміння принципів відтворення та синтезу кольорів за допомогою палітр та вікон діалогу графічних редакторів у першу чергу необхідно познайомитися з теорією кольору і пов’язаної з нею термінологією. Це дозволить уникнути багатьох помилок і невдач.

Колір у природі. Світ – це колір і все, що ми бачимо – ми бачимо за допомогою кольору і завдяки кольору. Нас оточує природа зі своєю пишністю фарб. Навколо – зелена трава та синє небо. Світ повний яскравих квітів, комах та птахів.

Людське око – дуже тонкий інструмент, але, на жаль, сприйняття кольору для нього суб’єктивно. Дуже важко переказати іншій людині своє відчуття кольору. Колір можна тільки бачити. Всі ми, хоч один раз в житті бачили, милувалися і відчували особливі почуття і хвилювання перед таким явищем природи, як веселка. Ці почуття, які ми відчуваємо, не можна ні переказати, ні передати іншій людині. Всі ми визначаємо їх одним словом: "Дивись!"

Наукою доведено, що, на відміну від більшості представників тваринного світу, людина має найбільш розвинений кольоровий зір. І оскільки зір виконує функції одного з основних каналів сприйняття інформації про зовнішній світ, то саме колір відіграє найважливішу роль в процесі його інтерпретації.

6

Вплив кольору на людину багатогранний. У повсякденному житті він визначає наш настрій і самопочуття, впливає на працездатність і психологічний стан. Не існує, мабуть, жодної сфери діяльності людини, жодної професії, де б людині не доводилося вирішувати питання, пов’язані з кольором.

Унашому житті колір такий же природний компонент, як повітря, яким ми дихаємо. І все ж в окремі моменти, звернувши увагу на цікаве поєднання кольорів, ми дивуємося і задаємо собі питання – що ж, власне, являє собою колір?

Незважаючи на, здавалося б, простоту і відчутність цього поняття, дати визначення кольору не таке просте. Ось декілька варіантів ексклюзивних відповідей на дане питання людьми, знайомими зі шкільним курсом фізики:

– колір – це довжина хвилі;

– колір – це властивість поверхні;

– колір – це спектральний склад електромагнітного випромінювання. Проте всі ці відповіді неточні або, як мінімум, неповні.

Почнемо з першого, що ставить у центральне місце довжину хвилі. Однак електромагнітне випромінювання з однією і тією ж довжиною хвилі, але різної інтенсивності сприймається як різні кольори (так, випромінювання з довжиною хвилі 675 нм може сприйматися і як червоно-коричневий, і як червоний колір).

Другий варіант також не дає однозначного визначення кольору. Контраргументом для нього може служити той факт, що сірі стіни будинків, освітлені західним сонцем, здаються нам помаранчевими.

Найбільш, здавалося б, близький до правильного визначення кольору третій варіант, проте, також не однозначний. Як буде показано далі, електромагнітне випромінювання різного спектрального складу може сприйматися людським оком як один і той же колір (так зване явище метамерии).

Неповнота наведених варіантів визначення кольору пов’язана з акцентом на його фізичну природу. Насправді в сприйнятті кольору необхідно приймати до уваги наявність не тільки "фізичних", а й суб’єктивних факторів, які є предметом дослідження інших наук.

Колір як предмет науки. Проблемами кольору з глибокої давнини і до наших днів займається цілий ряд наукових дисциплін, кожна з яких вивчає колір зі свого боку. Фізику насамперед цікавить енергетична природа кольору, фізіологію – процес сприйняття світла людиною і перетворення його в колір, психологію – проблема сприйняття кольору і впливу його на психіку, здатність викликати різні емоції, біологію – значення і роль кольору в життєдіяльності живих організмів і рослин.

Усучасній науці про колір важлива роль належить і математиці, за допомогою якої розробляються методи описи та вимірювання відтінків кольору. Існує ще ряд наукових дисциплін, що вивчають роль кольору в більш вузьких сферах людської діяльності, наприклад, такі як поліграфія, хімія лаків і фарб, криміналістика тощо. Сукупність усіх цих наук, що вивчають колір, визначають як галузь науки про колір, або кольорознавство.

Елементи кольору. Уявіть собі, що перед вами лежить аркуш білого паперу з намальованим на ньому зеленим квадратом. Ви не замислювалися, чому цей колір зелений? Відповідь на це питання криється в фізичних, фізіологічних і психологічних уявленнях про природу кольору.

Для того щоб "побачити" колір, необхідні три речі (рис. 1.1):

Рис. 1.1. Основні учасники процесу сприйняття кольору

7

– джерело світла – те, що створює випромінювання (світлове) і допомагає нам бачити

колір;

–об’єкт;

–наше око (приймач випромінювання) – те, що реєструє світло і дозволяє відчути

колір.

Тепер можна перейти до оцінки ролі фізичних, фізіологічних, психологічних і біологічних аспектів процесу сприйняття кольору. Спрощено цей процес можна представити

внаступному вигляді.

–Перший аспект – фізика. Світло потрапляє на квадрат і відбивається.

–Другий аспект – фізіологія. Відбите світло потрапляє в око людини і впливає на світлочутливі клітини ока, які містять два типи рецепторів: палички (cones) і колбочки (staves). Палички активні тільки в темряві або в сутінках. При нормальному освітленні ми сприймаємо колір виключно за допомогою трьох різновидів колб, кожна з яких чутлива до певного діапазону видимого спектру. В даному випадку відбите від об’єкту світло впливає на колбочки, чутливі до зеленого кольору.

–Третій аспект – психологія. Колбочки передають відповідні імпульси в мозок, який після обробки та подальшої інтерпретації видає повідомлення: квадратний, зелений.

Світло і колір. Як вже було зазначено в розглянутому вище прикладі, наявність світла – обов’язкова умова візуального сприйняття всього колірного багатства навколишнього нас світу. У той же час з курсу елементарної фізики відомо, що біле світло незалежно від його джерела – сонце, лампочка або екран монітора – в дійсності представляє собою суміш кольорів. Якщо пропустити промінь білого світла через просту призму, він розкладеться на кольоровий спектр. Кольори цього спектра умовно класифікують як червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій та фіолетовий. Будь-який з них,

всвою чергу, являє собою електромагнітне випромінювання, що перекриває досить широкий діапазон довжин хвиль видимого спектру (рис. 1.2). Для нашого ока кожен фрагмент цього видимого спектру володіє унікальними характеристиками, які і називаються кольором. Оскільки у видимому спектрі містяться мільйони кольорів, то відмінність між двома сусідніми кольорами практично невідчутна.

Спектральний склад кольору можна представити у вигляді графіка розподілу енергії випромінювання за різними довжинами хвиль

Рис. 1.2. Спектральний склад білого світла

1.4. Фізична природа світла та кольору

Нагадаємо, що світло являє собою електромагнітне випромінювання, яке пов’язане з флуктуацією електричного та магнітного полів. Іншими словами, світло – це енергія, а колір

– результат взаємодії цієї енергії з речовиною. Проте для розуміння природи кольору необхідно зробити невеликий екскурс в фізику світлових явищ і познайомитися з природою джерел кольору.

Світло має двоїсту природу, володіючи властивостями хвилі і частинки. Корпускули світла, що називають фотонами, випромінюються джерелом світла у вигляді хвиль, що

8

поширюються з постійною швидкістю близько 300 000 км/с. Аналогічно морських хвилях світлові хвилі мають гребень та впадину (рис. 1.3). Тому в якості характеристики світлових хвиль використовують довжину хвилі – відстань між двома гребенями (одиниця виміру – метри або ангстреми, яка рівна 10-8 м), і амплітуду, яка визначається як відстань між гребенем та впадиною. Довжина хвилі і амплітуда відповідають фізичним величинам – енергії та інтенсивності.

Різні довжини хвиль сприймаються нами як різні кольори: світло з великою довжиною хвилі буде червоним, а з маленькою – синім або фіолетовим. У разі якщо світло складається з хвиль різної довжини (наприклад, білий колір містить всі довжини хвиль), то наше око змішує різні довжини хвиль, отримуючи таким чином один результуючий колір.

Рис. 1.3. Характеристики світлової хвилі

Альтернативними характеристиками довжини хвилі є частота (вимірюється в герцах або циклах / с) і енергія (вимірюється в електронвольтах). Чим коротше довжина хвилі, тим більше її частота і вище енергія. І навпаки, чим більше довжина хвилі, тим менше частота і нижче енергія.

Випромінене та відбите світло. Все, що ми бачимо в оточуючому нас просторі, або випромінює світло, або його відбиває. Випромінене світло – це світло, що випускається активним джерелом. Прикладами таких джерел можуть служити сонце, лампочка або екран монітора. В основі їх дії зазвичай лежить нагрівання металевих тіл або хімічні або термоядерні реакції. Колір будь-якого випромінювача залежить від спектрального складу випромінювання. Якщо джерело випромінює світлові хвилі у всьому видимому діапазоні, то його колір буде сприйматися людським оком як білий. Переважання в його спектральному складі довжин хвиль певного діапазону (наприклад, 400-450 нм) дає відчуття домінуючого в ньому кольору (в даному випадку синьо-фіолетового). І нарешті, завдяки присутності в випромінюваному світлі світлових компонент з різних областей видимого спектру (наприклад, червоною і зеленою) ми сприймаємо результуючий колір (в даному випадку жовтий). Але при цьому в будь-якому випадку випромінюване світло, яке потрапляє в людське око зберігає в собі всі кольори, з яких він був створений.

Відбите світло виникає при відображенні деяких предметом (вірніше, його поверхнею) світлових хвиль, що падають на нього від джерела світла. Механізм відображення світла залежить від колірного типу поверхні, які можна умовно розділити на дві групи:

–ахроматичні;

–хроматичні.

Першу групу складають ахроматичні (інакше безбарвні) кольори: чорний, білий і всі сірі (від самого темного до самого світлого). Їх часто називають нейтральними. У граничному випадку такі поверхні або відбивають всі падаючі на них промені, нічого не поглинаючи (ідеально біла поверхня), або повністю поглинають промені, нічого не відбиваючи (ідеально чорна поверхня). Всі інші варіанти (сірі поверхні) рівномірно поглинають світлові хвилі різної довжини (рис. 1.4). Відбитий від них колір не міняє свого спектрального складу, змінюється тільки його інтенсивність.

Другу групу утворюють поверхні, пофарбовані в хроматичні кольори, по-різному відбивають світло з різною довжиною хвилі. Так, якщо освітити білим світлом листок зеленого паперу, то папір буде виглядати зеленим, тому що його поверхня поглинає всі світлові хвилі, крім зеленої складової білого кольору. Що ж відбудеться, якщо освітити зелену папір червоним або синім кольором? Папір буде сприйматися чорним, тому що

9

падаючі на неї червоний та синій кольори вона не відображає. Якщо ж висвітлити зелений предмет зеленим світлом, це дозволить виділити його на тлі навколишні предмети іншого кольору.

Рис. 1.4. Механізми відображення червоного, зеленого і синього компонентів світла ахроматичними поверхнями: білої, сірої і чорної (зліва направо)

Спектр як характеристика кольору. У природі випромінювання від різних джерел світла рідко є монохроматичному (у вигляді однієї певної довжини хвилі, як показано на рис. 1.5,2). Воно має досить складний спектральний склад, в якому присутні складові різних довжин хвиль (рис. 1.5,1). Тому у фізиці для визначення колірності джерел випромінювання використовується спеціальна характеристика, так званий колірний спектр випромінювання, або спектральною характеристикою випромінювання. Вона являє собою графік, по осі ординат якого відкладена довжина хвилі, а по осі абсцис – інтенсивність. Математично залежність інтенсивності випромінювання від довжини хвилі представляється виразом. Та довжина хвилі, на яку припадає максимальна інтенсивність випромінювання, називається домінуючою. Саме вона значною мірою визначає забарвлення кольору, хоча основні параметри сприйманого нашим оком кольору визначаються результатом впливу на нього всього спектрального складу кольору.

Рис. 1.5. Спектральні характеристики джерел світла: 1 – у вигляді суміші довжин хвиль, що сприймається як блакитний колір відповідно до кольору домінуючої довжини хвилі, 2 – монохроматичний червоний колір

Яскравісна та колірна інформація. Форма спектральної кривої надає повну інформацію про кольоровість випромінювання джерела, що само світиться. Чим ближче вона до прямої лінії, паралельної осі довжин хвиль, тим нейтральнішим буде здаватися світло джерела випромінювання. Чим менша або більша буде амплітуда спектра, тим колір випромінювання предмета буде менш або більш яскравим. Якщо спектр випромінювання дорівнює нулю на всьому діапазоні за винятком певної вузької його частини, ми будемо спостерігати так званий чистий спектральний колір, відповідний монохроматичному випромінювання, що випускається в дуже вузькому діапазоні довжин хвиль (рис. 1.5, 2). Прикладами таких джерел можуть служити різні типи лазерів і широко поширені натрієві лампи. Останні випромінюють світло тільки однієї довжини хвилі у помаранчевій області спектра.

Як вже зазначалося, з фізичної точки зору світло можна охарактеризувати двома параметрами: інтенсивністю і довжиною хвилі (енергією). Однак у теорії кольору, живопису,

10

телебаченні та комп’ютерній графіці найбільшого поширення набули похідні від них психологічні параметри: яскравість та кольоровість.

Яскравість пропорційна сумі інтенсивностей всіх складових колірного спектру світла. Кольоровість навпаки, пов’язана з домінуючими довжинами хвиль в цьому спектрі і

формується двома параметрами: колірним тоном і насиченістю (табл. 1.1).

Таблиця 1.1.

Зв’язок між фізичними та психологічними параметрами кольору

Фізичний параметр	Психологічний параметр
Довжина хвилі	Колірний тон
Інтенсивність	Яскравість
Спектральна чистота	Насиченість

Ахроматичні кольори, тобто білі, сірі та чорні, характеризуються тільки яскравістю. Це проявляється в тому, що одні кольори темніші, а інші світліше. На відміну від них для опису хроматичних кольорів необхідно задати і яскравість, і кольоровість. Поширеність зазначених параметрів обумовлена фізіологічними особливостями нашого зору, що пов’язано з наявністю в сітківці ока вже згадуваних раніше двох типів нервових клітин: паличок, що реагують на яскравісну складову світла, і колб, що сприймають колірну інформацію.

Відчуття кольоровості можна наближено виразити об’єктивними характеристиками випромінювань. Так, колірний тон виражається довжиною хвилі монохроматичного випромінювання, який в суміші з білим світлом дає таке ж зорове відчуття кольору, як і об’єкт, що характеризується. Довжина хвилі цього монохроматичного випромінювання називається домінуючою довжиною хвилі. Насиченість при цьому кількісно виражається чистотою кольору, яка представляє собою частку монохроматичного потоку в суміші його з білим світлом. Коротше кажучи, чистоту кольору визначають відношенням потужності монохроматичного випромінювання до потужності сумарних випромінювань видимого спектру, які створюють заданий колір. Чим більше потужність монохроматичного випромінювання в суміші і чим менше потужність білого світла, тим вище чистота кольору. Спектральні кольори мають максимальну чистоту, рівну одиниці. У спектральних кольорах потужність білого світла дорівнює нулю.

Яскравість є кількісною характеристикою кольору. За її допомогою можна порівнювати інтенсивність випромінювання різних джерел між собою. На відміну від неї кольоровість має якісний характер. Тому для того, щоб порівняти два кольори по кольоровості, бажано відокремити їх від яскравості. Практично це неможливо, але теоретично цілком доступно за допомогою наявної у всіх графічних пакетах колірної моделі Lab. Присутні в ній абстрактні колірні компоненти (власне кольоровості) а і b мають нульовий яскравістю, а канал L містить тільки яркостную інформацію.

Джерела світла і освітлювачі. Джерела світла є об’єктами, що випромінюють велику кількість енергії у видимій області спектра

Як випливає з рис. 1.1, колір предмета в значній мірі визначається умовами освітлення. Зазвичай в якості джерела освітлення використовується білий світ. Однак ще в 1766 р. Ісак Ньютон виявив, що білий сонячне світло складається з різних кольорів веселки. Тому термін "білий світ" не зовсім коректний, оскільки його джерело має спектр кольорів в діапазоні від червоного до фіолетового (див. рис. 1.2).

Джерела світла характеризуються власним спектральним складом (спектральної кривої). Знаючи це, легко зрозуміти, що спектральний склад джерела світла буде впливати на сприймалася нами колір об’єкта (рис. 1.6).

У техніці спектральний склад джерела освітлення часто асоціюється з поняттям колірної температури, вираженої в Кельвінах. Колірна температура (яку іноді називають відтінком кольору) визначає чистоту кольору. Оскільки це дуже важливий термін, розглянемо його природу і призначення детальніше.

Колірна температура. З формальної точки зору термін колірна температура