Конспект лекций по компьютерной графике. Конспект лекций по дисциплине Компьютерная графика
 Скачать 16.3 Mb.
|
6.2 Характеристики источника света
Для имитации различного освещения измерительные устройства используют стандартизованные источники излучения - D50, D65, D93, А, В, С, а также F2 или F8 (флюоресцентные лампы). Эти источники имеют определенные стандартизованные спектральные характеристики, установленные в 1931 г. международной комиссией по освещению (CIE): • источник А — норма среднего искусственного света эквивалентна цветовой температуре 2854°К, что соответствует излучению лампы накаливания; • источник В — норма прямого солнечного света с цветовой температурой, близкой к 4800°К; • источник С - норма рассеянного дневного света с температурой около 6500°К; • источник D65 имеет температуру, почти равную 6500°К (применяется во всем мире, кроме Германии, где стандартным считается D50 с цветовой температурой 5000°К). Источники В и С в действительности получают из источника А путем изменения спектральной характеристики последнего с помощью соответствующего фильтра. 6.2.2 Особенности восприятия цвета человекомСветовые волны, излучаемые или отражаемые объектом, собираются хрусталиком и через стекловидное тело проецируются на сетчатку (рис. 6.8). Там они возбуждают определенные нервные клетки, физиологическое назначение которых состоит в распознавании световых волн. В результате возбуждения в нервных клетках возникает электрический сигнал, который по зрительному нерву поступает в зрительный центр мозга, где с помощью пока еще до конца не понятных механизмов и возникает зрительное восприятие цвета.  Рис. 6.8. Схема функционирования человеческого глаза На самой сетчатке можно выделить две области, которые называют желтым пятном и слепым пятном. На слепом пятне нервные пути сетчатки переходят в зрительный нерв. Поскольку в атом месте нервных клеток нет, то свет, попадающий на слепое пятно, не обнаруживается. На желтом пятне имеет место обратная картина. Оно расположено по центру зрительной оси и содержит много зрительных клеток, чувствительных к цвету (колбочек; см. ниже). При хорошем освещении глаз обычно фокусирует падающий свет на желтом пятне. Наоборот, ночью сильной фокусировки приходится избегать, поскольку из-за низкой чувствительности колбочек зрительное восприятие значительно ослабляется. Колбочки и палочкиЗа цветовое и яркостное восприятие человеческого глаза отвечают два различных типа нервных клеток (рецепторов), называемых соответственно колбочками и палочками. Процесс функционирования палочек и колбочек не имеет принципиальных отличий. В обоих случаях происходит поглощение световых волн и по достижении определенного порога вырабатывается нервный импульс. При этом оба вида нервных клеток реагируют на интенсивность падающего света. В чем же тогда проявляется их различие? Палочки «отвечают» за черно-белое зрение, поскольку способны регистрировать только суммарную энергию света. Этот тип рецепторов равномерно распределен по сетчатке глаза и обладает очень высокой чувствительностью, примерно в 1000 раз превышающей чувствительность колбочек. Именно благодаря им обеспечивается возможность распознавания предметов в условиях плохой освещенности («ночью все кошки серы»). Колбочки предназначены для распознавания цветовой информации. В отличие от палочек имеются три сорта колбочек, каждая из которых реагирует на определенный диапазон длин волн. Из экспериментальных данных видно, что первый тип воспринимает световые волны с длинами волн в диапазоне 400-500 нм («синяя» составляющая спектра), второй — от 500 до 600 нм («зеленая» составляющая спектра) и третий — от 600 до 700 («красная» составляющая спектра). В зависимости от того, световые волны какой длины и интенсивности присутствуют в спектре, те или иные группы колбочек возбуждаются сильнее или слабее. Полученная с помощью зрительных рецепторов информация поступает в виде сигналов в мозг, который определяет, в каких соотношения возбуждены три вида колбочек, создавая на базе этого цветовое восприятие. Таким образом, исходя из особенностей строения человеческого глаза можно сделать вывод, что цвет трехмерен по своей природе.  Рис. 6.9. Спектральная чувствительность различных типов колбочек Принцип действия большинства технических устройств, предназначенных для обработки содержащейся в свете цветовой информации, также базируется на раздельном распознавании красной, зеленой и синей составляющих света. Настало время разобраться с тем, как свойства палочек и колбочек влияют на чувствительность зрения к яркости света. Спектральная чувствительность глаза к яркостиКак можно увидеть из рис. 6.9, области чувствительности различных типов колбочек значительно перекрываются. Поэтому, как правило, в процессе восприятия глазом падающего на него света возбуждаются все три сорта колбочек. А поскольку чувствительности разных типов колбочек отличаются очень сильно, то глаз человека имеет неодинаковую чувствительность к разным длинам волн. Особенно хорошо воспринимается зеленый цвет, красный — несколько слабее, а чувствительность к синему цвету чрезвычайно низка. В результате отдельные цветовые составляющие цветного изображения вносят разный вклад в ощущение яркости. На практике в качестве яркостной характеристики чувствительности глаза обычно используют кривую спектральной чувствительности (рис. 6.10). Для дневного освещения ее можно получить путем суммирования приведенных на рис.6.10 спектральных составляющих трех типов колбочек с последующим нормированием полученной кривой (путем деления всех ее составляющих на максимальное значение яркости). По существу этот график представляет собой не что иное, как КПД человеческого глаза. По графику можно легко оценить, какая часть попавшего в глаз света вносит наибольший вклад в формирование ощущения цвета. Так, для получения с помощью синего цвета такого же ощущения яркости, как от зеленого цвета, его реальная энергия должна быть в несколько раз выше.  Рис. 6.10. Кривые спектральной чувствительности глаза при различных условиях внешнего освещения: 1- в сумерках, 2 - при дневном освещении При получении кривой спектральной чувствительности в качестве нормирующего коэффициента используется принятая за единицу спектральная эффективность желто-зеленого излучения с длиной волны 555 нм. Для отображения интенсивности составляющей спектра используется обозначение Vג. При оценке яркостной чувствительности цвета следует учитывать, что свой вклад в ощущение яркости вносят как колбочки, так и палочки (рис. 6.11). А поскольку максимальная чувствительность палочек по сравнению с колбочками лежит в более коротковолновой области спектра (соответственно 500 нм против 555 нм), то именно этим фактором объясняется зависимость спектральной чувствительности от внешней освещенности. Вклад палочек и колбочек в результирующее значение яркости определяется условиями освещенности. Так, в темноте работают только палочки. В сумерках в формировании яркостного восприятия участвуют и палочки, и колбочки, а при повышении уровня освещенности начинают доминировать палочки.  Рис. 6.11. Спектральная чувствительность палочек и колбочек Этолегко проверить на практике. Если вам приходилось встречать рассвет за рыбалкой на реке или озере, то вы можете вспомнить, что поначалу серый окружающий фон с восходом солнца понемногу расцвечивается в цветовые тона. В результате проведения многочисленных психологических тестов наряду с теоретическими исследованиями было установлено, что для большинства людей ощущение яркости при восприятии цветных изображений определяется на 71,5% зеленой составляющей, 21 % — красной и 7,2% — синей. Таким образом, если известны зеленая, синяя и красная составляющие источника цвета, то воспринимаемая нашим глазом результирующая яркость такого источника может быть определена по формуле: Яркость = 0,715160 × зеленый + 0,212671 × красный + 0,072169 × синий. Существуют и другие выражения для определения яркости. Для стандарта в области NTSC телевидения: Яркость = 0,59 × зеленый + О J×красный + 0,11 ×синий. Спектральная чувствительность наблюдателяСпектральная чувствительность определяет диапазон принимаемых наблюдателем или приемником цветов. На рис. 6.12 представлена спектральная чувствительность глаза. Левее синей области частот — ультрафиолетовые волны, правее красной — инфракрасные волны. Наилучшую чувствительность глаз имеет в районе 555 нм (зеленый цвет). На спектральную чувствительность влияют качество источника света, а также различия в цветах фона и в углах обзора.  Рис. 6.12. Спектральная чувчтвительность глаза Роль фона легко понять, так как его цвет воспринимается теми же чувствительными органами, что и цвет объекта. От углов обзора (углов, под которыми наблюдается данный объект) зависит интенсивность отражаемого света (для отражающих поверхностей), а также появление теней и различие в интенсивности излучения (для излучающих поверхностей). Прямое излучение является более сильным, чем излучение под углами. Путем измерения спектральной чувствительности наблюдателя (или принимающего устройства) мы регистрируем его способность воспринимать свет с различными длинами волн. |