Priestor, svetlo a farby (otázky 1 - 13)¶

[Zdroj: PG_2021_Otazky_z_predmetu.pdf, skuska2023.pdf, prednasky.pdf]

1. Používanie a spracovanie farieb v rámci počítačovej grafiky, základné atribúty svetla, farebný priestor, gamut¶

Prečo sú farby dôležité¶

Svetelný priestor je „bázický“; v podkladoch sa uvádza, že približne 80 % informácií vnímame zrakom.

Svetlo – reprezentácie a typy¶

Dve reprezentácie svetla: - Vlnová: elektromagnetické vlnenie (v podkladoch: oblasť ~10^8 Hz). - Časticová: prúd častíc – fotónov.

Typy svetla: - Achromatické: zložené z viacerých zložiek spektra (typicky „biele svetlo“). - Monochromatické: jedna zložka prevláda (v praxi nie je ideálne 100 % „jednofrekvenčné“).

Základné atribúty svetla (podľa podkladov)¶

Farba: závisí od frekvencie (resp. vlnovej dĺžky).
Jas: zodpovedá intenzite svetla (amplitúde).
Sýtosť: „čistota“ svetla; vyššia sýtosť = užšie spektrum obsiahnutých frekvencií.
Svetlosť: veľkosť achromatickej zložky vo svetle s určitou dominantnou zložkou.

Farebné modely, farebný priestor, farebná hĺbka, gamut¶

Farebný model je definovaný:
množinou základných farieb,
spôsobom ich miešania,
pravidlami menenia farebných charakteristík.
Farebný priestor (color space): oblasť farieb pokrytá možnosťami príslušného farebného modelu.
Farebná hĺbka: počet zobraziteľných farieb; udáva sa v bitoch.
Príklady režimov z podkladov: HighColor (16 bitov), TrueColor (24/32 bitov).
Gamut: dosiahnuteľná oblasť farieb v danom farebnom priestore.
Farby mimo gamutu sa dajú zobraziť iba približne.

2. Chromatický diagram, typy, odtieň a saturácia¶

Chromatický diagram (CIE)¶

Chromatický diagram je farebný model vyvinutý na základe štandardného pozorovateľa.
Používa sa trojzložkový (tristimulus) systém:
farba je určená trojicou (X, Y, Z),
Y udáva jas objektu,
primárne zložky sú zvolené tak, aby boli farby definované ako pozitívne hodnoty.

Typy chromatického diagramu (podľa podkladov)¶

CIELAB: absorbované svetlo (atramenty, farbivá, pigmenty); subtraktívne miešanie (tlač).
CIELUV: emitované svetlo (fosfor, farebné svetelné zdroje); aditívne miešanie (monitor).

Poznámka z podkladov: - škála svetlosti (jasnosti) je pre oba modely rovnaká a je založená na tretej odmocnine svietivosti.

Odtieň a saturácia¶

Odtieň (farebný tón): spôsob vnímania farby; popis prechodu medzi farbami (často kruh).
Saturácia: živosť/nevýraznosť; blízkosť k sivej alebo k čistému odtieňu.
Podklady: farby v strede sú sivé (matné), sýtejšie smerom k obvodu.

Aditívne vs. subtraktívne miešanie (zhrnutie z podkladov)¶

Aditívne: základ čierna; pridaním všetkých zložiek → biela.
Subtraktívne: základ biela; pridaním všetkých zložiek → čierna.

3. Farebné modely RGB a RGBA¶

RGB¶

Zložky: R, G, B.
Miešanie: aditívne.
Zmena zložky: lineárna.

RGBA¶

RGB + A (alfa – priesvitnosť).
Miešanie: aditívne.
Zmena zložky: lineárna.

4. Farebné modely CMY a CMYK¶

CMY¶

Zložky: C, M, Y (Cyan – tyrkysová/azúrová, Magenta – purpurová, Yellow – žltá).
Miešanie: subtraktívne.
Zmena zložky: lineárna.

CMYK¶

CMY + K (blacK – technologická čierna).
Miešanie: subtraktívne.
Zmena zložky: lineárna.

Poznámka z podkladov: - RGB vs. CMY pokrývajú inú časť farebného priestoru; nie všetky farby sú dosiahnuteľné oboma modelmi.

5. Farebný model HSB¶

Označovaný aj ako HSB (HSV).
Zložky: Hue, Saturation, Brightness (v podkladoch aj „value“).
Miešanie: aditívne.
Zmena zložky: uhlová a lineárna.

6. Farebný model HLS¶

V podkladoch: „najlepší pre ľudské oko“.
Zložky: Hue, Lightness, Saturation.
Miešanie: aditívne.
Zmena zložky: uhlová a lineárna.

7. Gama korekcia a alfa-miešanie¶

Gama (γ) a gama korekcia¶

Gama určuje vzťah medzi číselnou hodnotou bodu a jeho skutočnou svietivosťou.
Podklady uvádzajú potrebu korekcie, lebo ľudské oko nie je „lineárny senzor“ (citlivosť v tme/tieni vs. v jase) a technické zariadenia často pracujú lineárne.
Uvádza sa aj technická stránka: „ideál vs realita“, kalibrácia monitorov (napätie).

Alfa-miešanie¶

Založené na alfa hodnote (priesvitnosti).
Pri prekrytí objektov sa podľa alfa vrchnej vrstvy určí výsledné správanie farieb.

8. Problematika ľudského vizuálneho vnemu a jeho spracovania v relácii s počítačovou grafikou¶

Orgán príjmu: oko.
Orgán spracovania: mozog.
Receptory: tyčinky a čapíky.

Čapíky a tyčinky (podľa podkladov)¶

Čapíky (cones):
cca 6–7 mil., stred sietnice,
citlivé na farby,
skupiny: červená–zelená (RG-cones) (dominantné) a modrá–žltá (BY-cones).
Tyčinky (rods):
cca 75–150 mil., rovnomerne po sietnici,
vnem obrysov a jasu (všeobecné obrazové informácie).

9. Miešania a rozptyľovania farieb (prevod do šedej škály, halftoning, dithering) v rámci počítačovej grafiky¶

Prevod do šedej škály¶

I = 0.299 · R + 0.587 · G + 0.114 · B

Halftoning¶

Simulácia plynulého prechodu medzi odtieňmi pomocou bodov a medzier rôznych veľkostí.
Pri dostatočnej vzdialenosti oko nevníma body jednotlivo.
Podklady: 1 pixel nahradený množinou pixelov binárnou maskou (2 farby); zmienka o monochromatickej laserovej tlači (potreba vyššieho rozlíšenia).

Dithering¶

Používa vzory z pixelov singulárnych farieb; oko vo vzdialenosti vníma výslednú farbu/tón.

Určenie farby (pravidlá uvedené v podkladoch)¶

náhodne,
spriemernením bodov oblasti alebo mediánovou funkciou,
podľa najčastejšieho výskytu farby v oblasti,
podľa najmenej častého výskytu,
podľa farby ľavého horného bodu oblasti.

10. Ergonómia a symbolika farieb, použitie farieb v počítačovej grafike¶

V dodaných podkladoch k tomuto okruhu nie sú konkrétne body (je uvedený len názov otázky).
Aby sa dodržalo „nevymýšľanie“ mimo materiálov, táto časť ostáva bez doplnených tvrdení.

11. Dimenzia priestoru a dimenzia objektu, štruktúra dimenzie¶

Dimenzia (rozmer) priestoru¶

Minimálne množstvo parametrov definujúcich ľubovoľný bod v priestore.

Typy/druhy dimenzií (podľa podkladov)¶

Číselná: celočíselná (topologická) aj neceločíselná.
Nečíselná: napr. informačná, dimenzia sebepodobnosti; uvádzajú sa aj topologická, Hausdorffova, farebná, fraktálna, kapacitná, dimenzia rotácií a pod.

Štruktúra dimenzie¶

3 = 3 + 0 (geometria + čas) – homogénna štruktúra,
3 = 2 + 1 (geometria + čas) – nehomogénna štruktúra.

Rozmer objektov¶

0D bod, 1D priamka/úsečka, 2D plocha, 3D teleso.

Poznámka z podkladov: - geometrické objekty sa dajú spojitou transformáciou previesť na vyššie uvedené objekty, ak majú rovnakú topologickú dimenziu.

12. Priestor a jeho súradnicová sústava, stupeň voľnosti¶

Koordinačný systém parametrizuje priestor (počiatočný bod, smery).
Súradnice jednoznačne definujú polohu.

Stupeň voľnosti (DoF)¶

Počet nezávislých parametrov konfigurácie/stavu; translačné a rotačné smery.
Príklady z podkladov:
častica v 3D: 3 DoF (x, y, z),
teleso v 3D: 6 DoF (3 translačné + 3 rotačné).

13. Vrstvy vizualizačného procesu¶

Pojmy (z podkladov)¶

Vision: analýza obrazov na tvorbu počítačových modelov sveta.
Rendering: syntéza obrazu z modelov sveta.
Vizualizácia: transformácia popisu modelu virtuálneho sveta do výstupného obrazu na zobrazovači.

Vrstvy (1 – 7)¶

Definovanie/spracovanie modelu (reprezentácia, súradnicové systémy)
Transformácie nad objektami (geometrické)
Riešenie viditeľnosti
Tieňovanie
Osvetľovanie
Realistické zobrazovanie
Kompozícia a vykresľovanie

Rýchle skúškové zhrnutie (čo vedieť povedať)¶

Svetlo: vlnová a časticová reprezentácia; achromatické vs monochromatické; atribúty farba/jas/sýtosť/svetlosť.
Farebný priestor = oblasť farieb modelu; farebná hĺbka v bitoch (HighColor, TrueColor); gamut = dosiahnuteľné farby.
CIE chromatický diagram: tristimulus (X,Y,Z), Y = jas; typy CIELAB (subtraktívne – tlač) a CIELUV (aditívne – monitor); odtieň a saturácia.
RGB/RGBA: aditívne, lineárne; A = priesvitnosť. CMY/CMYK: subtraktívne, K = technologická čierna.
HSB(HSV) a HLS: Hue + (S,B) alebo (L,S); zmena uhlová/lineárna.
Gama korekcia: vzťah číslo ↔ svietivosť; ideál vs realita a kalibrácia; alfa-miešanie podľa alfa.
Vizuálny vnem: čapíky (RG, BY) a tyčinky; oko prijíma, mozog spracúva.
Šedá škála: I = 0.299R + 0.587G + 0.114B; halftoning a dithering ako miešanie/rozptyľovanie farieb.
Dimenzie: číselné/nečíselné; štruktúra 3=3+0 vs 3=2+1; rozmer objektov 0D–3D.
Súradnicová sústava a DoF: 3 DoF pre bod/časticu v 3D, 6 DoF pre teleso.
Vrstvy vizualizácie: model → transformácie → viditeľnosť → tieňovanie → osvetľovanie → realistické → kompozícia/rendering.