Barva a světlo

Fyzikální podstata
Viditelné světlo je elektromagnetické vlnění s vlnovými délkami mezi 380 až 720 nanometrů. Ze světelného zdroje po odrazu světla nebo po jeho rozptýlení v atmosféře či na částečkách prachu (aerosolů) v atmosféře dopadne do lidského oka vždy určitá část vlnění, v němž jsou jednotlivé složky spektra zastoupeny s různou intenzitou. Různé intenzity způsobují to, co člověk vnímá jako barvu. V dopadajícím spektru obyčejně nad ostatními převládá nějaká, tzv. dominantní frekvence. Tato frekvence je rozhodující pro to, co člověk vnímá jako barvu světla. Čím více tato frekvence převládá nad ostatními, tím větší má intenzitu (jas, hue) a čím užší je toto frekvenční pásmo, tím je barva čistší - říkáme, že má větší sytost (saturation).

Viditelné spectrum světla

Světlo někdy bývá klasifikováno do dvou tříd, na světlo achromatické neboli nebarevné a chromatické nesoucí barevnou informaci. V achromatickém světle jsou všechny intenzity zastoupeny rovnoměmě, výsledná barva je vnímána jako různě jasný odstín od černé přes různé stupně šedé až po barvu bílou.

Mezinárodní komisí zabývající se problematikou světla, jeho měření, kalibrace přístrojů a zařízení je “Commission Internationale de l'Éclairage”, zkráceně označovaná jako CIE. Tato komise již v roce 1931 stanovila tři zakladní složky (virtuální barvy) označované jako X,Y,Z. Kombinací těchto složek lze vytvořit libovoulnou barvu spektra. Složek X,Y,Z jsou definovány pomocí svých tří spektralních charakteristik x, y, z (tabelovaných po 1 nm).

Prostřednictvím složek x, y a z je také vyjádřen tzv. “chromatický diagram”, který je součástí mezinárodního standardu barev.

CIE - xy chromatický diagram

Vezmeme-li ideálně bílý povrch nějakého tělesa a budeme na něj svítit několika barevnými světly, bude výsledná barva tělesa vnímána jako součet těchto složek. Tomuto způsobu kombinace barev říkáme aditivní skládání barev. Na tomto principu pracuje například monitor.

Druhý způsob skládání barev je charakteristický například pro tiskány a říká se mu skládání subtraktivní neboli rozdílové. V tomto modelu dojde přidáním další barvy k jejímu odečtení, a tak, pokud aplikujeme všechny barvy celého spektra najednou, získáme barvu černou.

aditivní (součtové) míchání barev

substraktní (rozdílové) míchání barev

Barevné modely
RBG
Je modelem určeným pro použití v počítači. Jeho princip je založen na práci katodové trubice monitoru nebo televizoru. Jaho parametry jsou tři základní barvy aditivního (součtového) míchaní barev: Red (červená), Green (zelená), Blue (modrá). Z těchto tří primárních barev se vytváří většinu barev viditelného spektra.

Nesvítí-li žádná primárních bareva, je výsledná barva černá. Svítí-li všechny maximální intenzitou je výslednou barvou bílá. Odstíny šedi vznikají tak, že jsou všechny tři primárních barev mají stejné hodnoty.

Goemetrické zobrazení RGB modelu

Barevný model RGB je v počítači reprezentován 3 Byty (24 bitů). Každá složka představuje jeden byte. Každá ze tří složek může nabývat hodnotu od 0 (tma) do 255 (max. intenzita). Prostřednictvím modelu RGB lze tak zobrazit až 2563 barev.

Ukázka “gamutu” RGB monitoru v chromatickém diagramu

RGBA
V počítačové grafice se můžete setkat se zkratkou RGBA. Tato zkratka představuje obraz zapsanz ve formátu RGB doplněný informací o průhlednosti. Průhlednost se označuje písmenem A (nebo též alfa-kanál) a může nabývat hodnot od 0 do 100 procent.

CMY, CMYK
Představují barevné modely používané především při tisku. Záklním modelem je model CMY (Cyan (azurová), Magenta (fialová), Yellow (žlutá)) založený na substraktní (rozdílové) míchání barev. Model CMYK (Black (černá)) je modelem odvozeným a byl vytvořen na základě potřeb praxe. V praxi je totiž obtížné namíchat se skutečných barev opravdovou černou a když se to nějak podaří, tak pouze za cenu velké spotřeby jednotlivých barev. Proto jsou především inkoustové tiskárny doplněny ještě o barvu černou.

Barevný model CMY je v počítači reprezentován prostřednictvím tří složek jejichž hodnoty jsou nejčastěji udávaný v procentech od 0 do 100. Model CMYK má navíc ještě složku čtvrtou, která má hodnoty také v procentech od 0 do 100.

Mezi barevnými modely CMY a RGB existuje přesný převod, který lze vyjádřit prostřednictvím vzorce.

Velikost černé složky K v modelu CMYK získáme jako minimální hodnotu složek C,M a Y, které snížíme o K.

HSB, HLS
Představují modely "lidského vnímání". Fyzika popisuje barvu třemi vlastnostmi: vlnovou délkou, jasem a intenzitou. Zkratky těchto modelů znamenají: Hue Saturation Brightness a Hue Lightness Saturation.

A - sytost, B, D - odstín, C - jas

Hue (odstín) - představuje parametr odpovídající vlnovové délce. Hodnota parametru Hue představuje odstín barvy ze škály viditelného spektra barev a proto se neodkazuje ani na bílou ani na černou barvu. Změna tohoto parametru představuje pohyb kolem barevného kruhu (viz. obrázek parametr B). Parametr Hue je proto definován jako celočíselná hodnota od 0 do 360 a vyjadřuje úhel na barevném kruhu ve stupních.

Lightness, Brightness (jas) - udává zářivost (svítivost) dané barvy. Jako příkladem změny jasu si můžeme uvést zelené sklíčko před lampičkou s bílým světlem. Změnou intenzitu bílého světla měníme i jas oné zelené barvy. Jas je udáván jako celé číslo od 0 do 100 a vyjadřuje procenta světlosti (viz. obrázek parametr C).

Saturation (sytost) - udává zastoupení dané barvy, nebo-li poměr jejího smíchání se šedou stejné intenzity. Málo nasycená barva je vlastně šedá se slabým nádechem například červené. Sytost se udává jako celočíselná hodnota od 0 do 100 a vyjadřuje procenta nasycení. Vzhledem k barevnému kruhu se jedná o pohyb do jeho středu (viz. obrázek parametr A).

Převod barvy mezi HSB a HSL do RGB nelye vyjádřit jednpduchým vzorcem, protože má charakter algoritmu.

CIE L*a*b
Je barevný model vytvořený mezinárodní komisí pro světlo "Commission Internationale de l'Éclairage (CIE)" v roce 1931 a opětovné revidovaný v roce 1976. Tento model je navržen jako na zařízení nezávislý barevný model a je vhodný jak pro monitory, počítačové zpracování tak i pro tiskárny.

A-D - jas, B - zeleno-červená složka, C - modro-žlutá složka

Model se skládá ze tří složek: Luminance (jasu) - nabývájící celočíselných hodnot od 0 do 100, zeleno-červené (a) složky a modro-žluté (b) složky, které jsou definovány v rozsahu od +127 do -128.

Modely pro televizní a video techniku
YUV
Základní model YUV se používá pro přenos televizních signálů v normě PAL. Obdobně existují i modely YIQ pro americkou normu NTSC a model YCBCR pro normu SECAM. Jejich společným rysem je oddělení jasové složky Y od barevných informací tak, aby mohly být používany na černobilých i barevných televizorech.

Převod barvy do YUV z RGB je možno získat jednoduchým maticovým násobením.

YCBCR
Představuje barevný model, který se mimo jiné používá při zápisu rastrového obrázků ve formátu JPEG. Podle standardu CCIR-601 má hodnota Y být v rozsahu <0.0, 1.0> a hodnoty CB, CR v intervalu <-0.5, 0.5>. Převod z RGB lze opět zapsat jako násobení matic.

Barevné módy

B/W mód
B/W mód představuje rastrový obrázek kde na jeden bod je kdispozici pouze jeden bit reprezentující černou nebo bílou barvu.

Grayscale mód
Obrázek v grazscale módu představuje černobílý obrazek ve 256 odstínech šedi uložených v 8 bitech

Indexcolor mód
Obrázek v Indexcolor módu je zobrazen přostřednictvím informace uložené až v 8 bitech na jeden bod. Tato hodnota přitom neudává přímo barvu, ale index do tabulky barev, které je součásti obrázku.

TrueColor mód
Obrázek v TrueColor módu je uložen pomocí tří základních barev RGB umožňujících zobrazit více než 16 miliónu barev. Informace o jednom bodu je uložena v 24 (8×3) bitech.

HighColor mód
Představuje modifikované uložení RGB informace založené na schopnostech vnímaní barev lidským okem. Je ověřeno, že lidské oko běžně nerozená více než 64 odstínu jedné barvy (vyjímku tvoří pouze barva zelená). Proto byl vytvořen režim uložení RGB informace v 16 (5-6-5) bitech. V HighColor módu lze potom zobrazit až 65 536 barev.

CMYK mód
Obrázek v CMYK módu představuje specialní uložení rastrových dat připravených pro ofsetový tisk. Barevná informace o každem bodu je uložena v 32 (8×4) bitech.

Literatura
[ŽAR92] Jiří ŽÁRA a kol.: Počítačová grafika - principy a algoritmy, Grada 1992
[ŽAR98] Jiří ŽÁRA a kol.: Moderní počítačová grafika, Computer Press 1998
[PEL] Josef PELIKÁN: Barevné sýstémy - html, KSVI MSS UK Praha 1995