Barevný model CMYK

CMYK je barevný model založený na subtraktivním míchání barev (mícháním od sebe barvy odčítáme, tedy omezujeme barevné spektrum, které se odráží od povrchu). CMYK se používá především u reprodukčních zařízení, která barvy tvoří mícháním pigmentů (např. inkoustová tiskárna). Model obsahuje čtyři základní barvy:

• azurovou (Cyan);
• purpurovou (Magenta);
• žlutou (anglicky Yellow);
• černou (Key), tato barva je správně označována jako Key, nikoliv blacK, jak věrohodně, avšak nesprávně uvádějí některé mnemotechnické pomůcky. Je tomu tak proto, že se při soutisku CMYK barev typicky barvy zarovnávají na klíčovací značky, které jsou tištěny klasickou černou barvou.

V ideálním případě by byly postačující pouze první tři barvy (model CMY), jejichž subtraktivním složením dohromady by měla vzniknout černá barva. Ve skutečnosti však při použití reálných barviv vznikne barva tmavě hnědo-šedivá. Zároveň je samostatná černá barva oproti míchání všech jednotlivých barev výrazně ekonomičtější, proto většina tiskových technik používá ještě čtvrtou černou barvu.

Motivace pro model CMYK
Například každý pixel digitální fotografie je vyjádřen třemi hodnotami barevného modelu RGB (červená, zelená, modrá), tj. množstvím jednotlivých barevných složek světla dopadajícího na senzory přístroje (ať už scanneru nebo fotoaparátu). Fotoaparát tedy vytváří obraz na základě metody aditivního míchání světel – smícháme-li světla dvou barev, nová barva vznikne na základě sloučení jejich spektra (smícháním všech barev pak vznikne bílá).

Tisk však probíhá metodou subtraktivního míchání barviv, která pracuje opačně – smícháním dvou pigmentů omezíme barevné spektrum odráženého světla jen na tu část, která se nevyskytuje ve spektru žádného pigmentu (po smíchání všech pigmentů se tedy nebude odrážet nic a vznikne černá). Přitom protiklady červeného, zeleného a modrého světla je právě azurové, purpurové a žluté barvivo. Např. žluté světlo vznikne kombinací červené a zelené, tedy mu chybí modrá část spektra; žlutý pigment proto právě modrou pohlcuje a při dopadu bílého světla tak odrazí zpět pouze kombinaci červené a zelené složky – tedy žlutou.

Převod z RGB do CMYK
Před tiskem RGB obrázku je tedy nutné ho převést do barevného prostoru (režimu) CMYK. 

O tento proces se stará buď ovladač tiskárny, v profesionálním tisku pak tzv. RIP (Raster Image Processor). Ovšem jako není dokonalý model RGB, ani CMYK nepokrývá celou část barevného spektra, určitou část barevného spektra tedy zařízení pracující ve CMYKu není schopno zobrazit. To je patrné z následujícího srovnání barevného spektra RGB a CMYK:

Proč černý inkoust?
Černá (black), generovaná smícháním azurové, purpurové a žluté je nedostačující, tudíž čtyřbarevný tisk využívá černého inkoustu k doplnění substraktivního základu. Běžné důvody používání černého inkoustu:

• Text je ve většině případů tištěn černě a obsahuje drobné detaily (např. serifové písmo), proto by reprodukce textu nebo jemných kontur s využitím pouhých tří barev vyžadovala precizní soutisk.
• Kombinace 100% azurového, purpurového a žlutého inkoustu prosakuje papír tak, že schnutí je pomalejší a někdy také nepraktické.
• Kombinování 100% azurového, purpurového a žlutého inkoustu má často výsledek nečisté hnědé barvy, která se zcela nejeví jako černá. Přimícháním černého inkoustu se absorbuje více světla a docílíme „černější“ černé.
• Černý inkoust je méně nákladný než příslušné množství barevných inkoustů.

Pokud vyžadujeme velmi tmavou plochu, je dobré nejprve nanášet barevné nebo šedé CMY „navrstvení“ a poté nahoru vrstvu černé. Tuhle metodu nazýváme bohatá černá. Černá tvořená z CMY inkoustů je někdy nazývaná jako kombinovaná černá.

Množství černé, která se užívá k nahrazení množství ostatních barev je různé a výběr záleží na samotné technologii tisku, potiskovaném materiálu (papíru) a tiskové barvě. Procesy nazývané odstranění nižší barevnosti, přidávání barevnosti a nahrazení šedé komponenty se využívají v závislosti na různorodých návodech CMYK a výsledným požadavkem tisku.

Barevný model RGB

Barevný model RGB neboli červená-zelená-modrá je aditivní způsob míchání barev používaný ve všech monitorech a projektorech (jde o míchání vyzařovaného světla), tudíž nepotřebuje vnější světlo (monitor zobrazuje i v naprosté tmě) na rozdíl např. od CMYK modelu. 

 Zastoupení a míchání aditivních barev. Promítání základních barev světla na obrazovku ukazuje aditivní barvy kdy se dvě překrývají; kombinace všech tří - červené, zelené a modré v odpovídající intenzitě vytváří bílou. RGB barevný model je aditivní barevný model, ve kterém je smícháno společně červené, zelené a modré světlo různými cestami k reprodukci obsáhlého pole barev. Název modelu pochází z počátečních písmen tří aditivních primárních barev – červené, zelené a modré. Název RGBA je použit k označení červené, zelené, modré a Alpha kanálu. Toto není rozdílový barevný model, ale reprezentativní. Alpha kanál je použit pro průhlednost. RGB model sám o sobě nedefinuje co je míněno červenou, modrou a zelenou kolorometricky, a tak výsledek smíchaní složek není přesný, ale relativní. Když bude přesně definována chromatičnost barevných složek, potom se barevný model stává absolutním barevným prostorem, takovým jako sRGB nebo Adobe RGB, viz RGB barevný prostor. Tento článek diskutuje o společném systému všech rozdílových barevných prostorů, které používají RGB barevný model užitý v nějaké metodě nebo nějaké historické, v barevné podobě produkované, elektronické technologii.

 Každá barva je udána mohutností tří základních barev – komponent (červené - red, zelené – green a modré – blue, odtud RGB). Základní barvy mají vlnové délky 630, 530 a 450 nm. Mohutnost se udává buď v procentech (dekadický způsob) nebo podle použité barevné hloubky jako určitý počet bitů vyhrazených pro barevnou komponentu (pro 8 bitů na komponentu je rozsah hodnot 0 – 255, pro 16 bitů na komponentu je rozsah hodnot 0 – 65535), přičemž čím větší je mohutnost, tím s vyšší intenzitou se barva komponenty zobrazuje.

 Model RGB je možné zobrazit jako krychli, ve které každá z kolmých hran udává škálu mohutností barevných složek. Potom libovolný bod se souřadnicemi (r,g,b) v této krychli udává hodnotu výsledné barvy.

Aditivní barvy
Výběr ze základních barev souvisí s fyziologií lidského oka; dobré primární částice jsou podněty, které zvětšují rozdíl mezi reakcemi kuželových buněk lidské sítnice na světlo o různých vlnových délkách, a tím tvoří rozsáhlý barevný trojúhelník.

Běžné tři druhy světlo-citlivosti fotoreceptoru (citlivá nervová zakončení reagující na světlo) na lidské oko (kuželová buňka) odpovídá často žluté (dlouhým vlnám nebo L), zelené (středně nebo M) a fialové (krátké nebo S) světlo (a to vrchol vlnové délky blížící se 570 nm, 540 nm a 440 nm). 

Rozdíly tří druhů přijímaných signálů dovolují mozku rozlišit široké škály různých barev, ačkoli bývají většinou velmi citlivé na žlutozelené světlo a na rozdíly mezi hodnotou posunu v zelenooranžovém poli. Jako příklad, lze předpokládat že světlo v rozsahu oranžové barvy o vlnové délce (577 nm do 597 nm) vstupuje do oka a dopadá na sítnici. Světlo těchto vlnových délek může aktivovat čípky sítnice, které jsou citlivé na střední a dlouhé vlnové délky, ale ne rovnoměrně – buňky reagující na dlouhé vlny odpovídají více. Rozdíly v odpovědích mohou být detekovány mozkem a spojeny s tím, že světlo je „oranžové“. V tomto smyslu oranžový vjem objektu je jednoduchý výsledek vstupu světla objektu do našich očí který stimuluje důležité druhy čípků současně, ale v různých stupních.
Použití tří primárních barev není dostatečné k tomu, aby reprodukovalo všechny barvy, pouze barvy uvnitř trojúhelníku definovaného souřadnicemi primárních částic mohou byt reprodukovány aditivním mícháním nezáporného množství tohoto barevného světla.

Míchání barev

3D grafika - animace a rendering

Animace
Pod pojmem „animace“ se ve 3D grafice nerozumí pouze samotný pohyb objektů, ale i definice zdrojů světla, úhlu pohledu kamery, barev a dalších prvků, které se mohou měnit v čase. Nejjednodušší metoda animace zvaná keyframing je založená na stejném principu jako klasická 2D počítačová animace. Spočívá v definování klíčových „mezních“ pozic, mezi kterými potom počítač vytvoří plynulý přechod.
Animace postav a mechanických zařízení je ve 3D grafice často založena na animaci kostry modelu. Stejně jako skutečný živý organismus i 3D model má kostru a jednotlivým částem modelu se určí, ke které kosti náleží. Pokročilé 3D grafické nástroje usnadňují animaci kostry díky technice zvané inverzní kinematika^[4]. Na rozdíl od klasické animace kostry, kdy animátor určuje úhly všech kloubů, stačí při použití inverzní kinematiky určit pozici několika klíčových částí kostry a polohy kloubů jsou dopočítány algoritmicky.
Existuje mnoho dalších technik animace, které se využívají ve 3D grafice. Některé programy umožňují animaci na základě simulace fyzikálních jevů jako je gravitace, pohyb vodní hladiny a podobně. Pro velmi realistickou animaci postav se zase využívá technologie motion capture, kdy je pomocí speciálního zařízení zachycen pohyb živého herce a nahraná data jsou potom aplikována na 3D model postavy.

Rendering
Rendering je vykreslení dvourozměrného obrazu na základě modelu scény a dalších informací (polohy pozorovatele, textur, osvětlení a stínování). Simulují se zejména tyto vlastnosti obrazu:

• Stínování – kolísání barvy a jasu povrchu v závislosti na osvětlení
• Texturování – dodání realistického vzhledu povrchu modelu
• Bump mapping – metoda napodobující drobné nerovnosti povrchu
• Mlha – tlumení světla při průchodu atmosférou
• Stíny – důsledek zakrytí zdroje světla jiným objektem
• Měkké stíny – různé úrovně osvětlení způsobené částečně zakrytými světelnými zdroji
• Odraz světla – zrcadlové nebo velmi lesklé reflexe
• Průhlednost – šíření světla skrze objekty bez zkreslení
• Průsvitnost – šíření světla skrze objekty se zkreslením
• Refrakce – ohyb světla spojený se šířením světla skrze objekty
• Difrakce – ohyb, šíření a interference paprsků na hranách objektů
• Nepřímé osvětlení – plochy, které jsou osvětleny odrazy z jiných ploch, nikoli přímo od zdroje světla
• Kaustika – forma nepřímého osvětlení, světelné paprsky odražené nebo lomené nějakým objektem
• Hloubka ostrosti – objekty vzdálené od objektu v centru pozornosti se jeví nezaostřené
• Pohybové rozostření – rychle pohybující se objekty se jeví rozmazané
• Nefotorealistické zobrazování – vykreslování scény v uměleckém stylu, který má připomínat malování nebo kreslení

Pro realistický vzhled scény je potřeba simulovat především šíření a rozptyl světla v celé scéně (globální osvětlení). Dva nejznámější algoritmy jsou sledování paprsku a radiozita.

• Sledování paprsku je metoda založená na zpětném sledování paprsku vycházejícího z oka pozorovatele a jeho kolizí s tělesy ve scéně. Dobře simuluje ostré stíny, zrcadlové odrazy (i vícenásobné) a průhledné objekty. Algoritmus neposkytuje fotorealistický výstup a příliš se nehodí pro simulaci v reálném čase.

• Radiozita je metoda využívající fyzikální zákony o šíření energie v prostoru. Je vhodná k simulování nepřímého (odraženého) osvětlení ve scéně s matnými povrchy. Nedokáže pracovat s průhlednými objekty a zrcadly. Scéna musí být reprezentována polygonálním modelem.

Součástí fáze renderování je projekce ze tří do dvou rozměrů.

3D Grafika - Modelování a texturace

Modelování
Pojmem 3D modelování se rozumí proces tvarování a vytváření 3D modelu, který může být reprezentován několika způsoby. Modely mohou být vytvořeny na počítači člověkem pomocí modelovacího nástroje, podle dat získaných měřicím přístrojem z reálného světa nebo na základě počítačové simulace.

Reprezentace těles

Asi nejobvyklejší reprezentace tvaru tělesa je tzv. hraniční reprezentace. Těleso je popsáno jako mnohostěn zcela určený svými hranicemi (stěnami, hranami a vrcholy). Téměř všechny počítačové modely, které se používají ve hrách a filmech, jsou hraniční modely.
V projektování a CAD se používá metoda CSG (konstruktivní geometrie pevných těles). Modely se konstruují z primitivních geometrických těles (koule, kvádr, válec, kužel, toroid) operacemi sjednocení, průniku a rozdílu. Pro zobrazování se tento model většinou převádí do hraniční reprezentace.
V objemové reprezentaci jsou tělesa definována jako množina bodových vzorků získaných např. lékařským tomografem nebo 3D scannerem. Pro zobrazování se používá metoda sledování paprsku, speciální algoritmy (které zviditelňují buď objem nebo povrch) nebo se tělesa převádějí do hraniční reprezentace.

Texturování
Jednou z významných činností při tvorbě 3D grafiky je vytváření a mapování textur. Textura je obrázek, kterým je „obaleno“ těleso; v nejjednodušší formě jsou textury používány pro obarvení modelu, ale na tělese může být více vrstev textur, které určují například i průhlednost či lesklost v daném bodě na povrchu. Pomocí textur je možné dosáhnout velmi dobrých výsledků a vysoké úrovně detailu při použití relativně jednoduchého modelu.
Každý bod na povrchu tělesa má potom kromě souřadnic X, Y, Z (které určují polohu bodu v prostoru) ještě 2 souřadnice označované většinou jako U a V, které určují umístění textury na daném místě. Proces umísťování textury na povrch tělesa se proto často nazývá „UV mapování“.

Vektorová grafika

Vektorová grafika je jeden ze dvou základních způsobů reprezentace obrazových informací v počítačové grafice. Zatímco v rastrové grafice je celý obrázek popsán pomocí hodnot jednotlivých barevných bodů (pixelů) uspořádaných do pravoúhlé mřížky, vektorový obrázek je složen ze základních, přesně definovaných útvarů, jako jsou body, přímky, křivky a mnohoúhelníky.

Beziérova křivka
Teoretickým základem vektorové grafiky je analytická geometrie. Obrázek není složen z jednotlivých bodů, ale z křivek – vektorů. Křivky spojují jednotlivé kotevní body a mohou mít definovanou výplň (barevná plocha nebo barevný přechod). Tyto čáry se nazývají Bézierovy křivky.
Francouzský matematik Pierre Bézier vyvinul metodu, díky které je schopen popsat pomocí čtyř bodů libovolný úsek křivky. Křivka je popsána pomocí dvou krajních bodů (tzv. kotevní body) a dvou bodů, které určují tvar křivky (tzv. kontrolní body). Spojnice mezi kontrolním bodem a kotevním bodem je tečnou k výsledné křivce.


Výhody
     Je v ní možné libovolné zmenšování nebo zvětšování obrázku beze ztráty kvality (viz ukázka v úvodu článku).
     Je možné pracovat s každým objektem v obrázku odděleně.
     Výsledná paměťová náročnost obrázku je u jednolitých barevných obrázků menší, než při použití rastrového zápisu (Např. černé kolečko se zapíše jako kruh o daném poloměru vyplněný černou barvou - tedy 3 informace, zatímco u bitmapy by bylo zapotřebí definovat každý pixel zvlášť, přitom pořád dokola téměř stejnou informací - pixel barvy #FFFFFF o souřadnici [x,y], pixel barvy #FFFFFF o souřadnici [x+1,y], pixel barvy #FFFFFF o souřadnici [x+2,y]...atd.)

Nevýhody  
     Oproti rastrové grafice zpravidla složitější pořízení obrázku. V rastrové grafice lze obrázek snadno pořídit pomocí fotoaparátu nebo skeneru.
     Překročí-li složitost grafického objektu určitou mez, začne být vektorová grafika náročnější na operační paměť a procesor než grafika bitmapová.
     Nehodí se na zápis složitých barevných ploch - například fotografie

Rastrová grafika

Bitmapová grafika (rastrová grafika) je jeden ze dvou základních způsobů, jakým počítače ukládají a zpracovávají obrazové informace. Spolu s vektorovou grafikou představují dva základní způsoby ukládání obrázků.
V bitmapové grafice je celý obrázek popsán pomocí jednotlivých barevných bodů (pixelů). Body jsou uspořádány do mřížky. Každý bod má určen svou přesnou polohu a barvu v nějakém barevném modelu (např. RGB). Tento způsob popisu obrázků používá např. televize nebo digitální fotoaparát. Kvalitu záznamu obrázku ovlivňuje především rozlišení a barevná hloubka.
Rozmístění a počet barevných bodů obvykle odpovídají zařízení, na kterém se obrázek zobrazuje (monitor, papír). Pokud se obrázek zobrazuje na monitoru, stačí rozlišení 72 DPI, pro tisk na tiskárně 300 DPI.
Pro převod obrazových předloh (klasické fotografie, kreseb a dalších) do bitmapové grafiky slouží zařízení nazývané skener nebo digitální fotoaparát.

Další možností pro ukládání a zpracování obrazů je vektorová grafika, kde se obrázek popisuje pomocí geometrických objektů - křivek a mnohoúhelníků.

Výhody
     pořízení obrázku je velmi snadné například pomocí fotoaparátu nebo pomocí skeneru.

Nevýhody
     velké nároky na paměťové zdroje (při vysokém rozlišení a barevné hloubce velikost obrázku dosahuje i jednotek megabytů, v profesionální grafice se běžně operuje i s podklady o desítkách megabytů)

     změna velikosti (zvětšování nebo zmenšování) vede ke zhoršení obrazové kvality obrázku
 
     zvětšování obrázku je možné jen v omezené míře, neboť při větším zvětšení je na výsledném obrázku patrný rastr

Historie PC Grafiky

Již v roce 1960 byl poprvé použit termín „Počítačová Grafika“ a to Williamam Fetterem, Fetter tímto spojením popsal svou práci pro firmu Boeing

Nicméně vůbec prvním komerčně dostupný grafický terminál přinesla až firma IBM v roce 1965.

Na konci 60. let se konaly první konference a vznikly první obecně přijímané standardy, především díky organizaci SIGGRAPH (A Special Interest Group in Graphics), která vznikla v roce 1969 z iniciativy ACM (Association for Computing Machinery). Od roku 1973 se konají pravidelné výroční konference SIGGRAPH, které se staly jakýmsi veletrhem novinek v oblasti počítačové grafiky, ať už jde o software či hardware.

Na konci 70. let se začaly rozšiřovat možnosti osobních počítačů a s nimi i způsoby praktického využití počítačové grafiky. Na konci 80. let se 3D grafika stala skutečností na SGI, počítačích, které byly později použity při tvorbě prvních počítačem tvořených krátkých filmů v Pixaru. Od 80. let se v počítačových systémech využívají symboly, ikony, obrázky a další grafické prvky (souhrnně označované jako grafické uživatelské rozhraní) pro usnadnění a zpříjemnění komunikace mezi uživatelem a počítačem.

V 90. letech nastal růst popularity 3D grafiky díky počítačovým hrám aanimovaným filmům. V roce 1995 byl uveden film Toy Story, první celovečerní 3D-animovaný film. V roce 1996 byla vydána hra Quake, jedna z prvních her probíhajících výhradně ve 3D prostředí.