Отображение цвета
Интерактивная компьютерная графика отображается на цветном мониторе. Сигналы для управления монитором генерируются видео схемой графического терминала. Внимательное рассмотрение процессов помогает объяснить ограничения, с которыми встречаются при воспроизведении цвета, и как минимизировать их или работать с этими ограничениями.
5.1.1 Цветные мониторы
Большая часть цветных мониторов, применяемых сегодня в компьютерной графике, использует электронную лучевую трубку (ЭЛT), подобную той, которая применяется в телевидении, чтобы генерировать изображение. Другие технологии, типа активных матричных цветных жидкокристаллических экранов (LCD), в настоящее время не дают высокого качества цвета, необходимого для компьютерной графики, хотя они широко используются для менее требовательных переносных компьютеров.
Принцип действия ЭЛT заключается в том, что один или большее количество электронных прожекторов испускают различное число электронов в зависимости от прикладываемого напряжения. Электроны ускоряются к лицевой стороне трубки под действием большого положительного напряжения на сетке.
 |
Рисунок 40: Анатомия ЭЛT
Лицевая сторона цветной трубки покрыта тремя типами люминофора, которые испускают красный, зеленый и синий свет под ударами электронов. Черно-белый (монохромный) и в градациях серого мониторы имеют только один цвет люминофора. Электронные лучи из прожекторов охвачены сверху донизу и слева направо отклоняющими пластинами, чтобы попадать в область экрана, а
напряжения прикладываемые к трем прожекторам, меняются, чтобы регулировать
интенсивность электронного луча и,
следовательно, яркость испускаемого света. Маска используется, чтобы гарантировать, что электронный луч из каждого прожектора попадет только на соответствующий тип люминофора
5.1.2 Гамма монитора
Создание различных цветов изменяющейся смесью света от трех цветных люминофоров, очень похоже на эксперименты цветового согласования, описанные в разделе 3.1 за исключением того, что свет из люминофоров не такой насыщенный, поскольку отрицательные значения чистых спектральных цветов не могут быть приложены к прожекторам.
Эти различия означают, что некоторые видимые цвета не могут быть воспроизведены на ЭЛT. Диапазон отображаемого цвета назван гаммой и изменяется для разных сборок и моделей монитора. Это описано в документах стандарта МКО 1976 в виде UCS диаграммы, на которой отражен треугольник основных цветов монитора. Каждая составляющая располагается на линии, соединяющей соответствующие основные цвета, потому что цвета аддитивные. Белая точка должна соответствовать равной максимальной мощности от трех прожекторов. Пример ниже (рисунок 41) показывает гамму монитора на VAXstation 3540 рабочей станции.
 |
Выбор основных цветов монитора является компромиссом между получением большой гаммы и созданием достаточно яркого изображения. Как показывает функция светоотдачи ISO (рисунок 7), экстремумы видимых длин волн смотрятся как очень тусклые. Поэтому основной цвет в длинноволновой области имеет тенденцию быть ярким, оранжевато-красным, а не тусклым, глубоко-красным; аналогично, основной цвет в коротковолновой области имеет тенденцию быть довольно ярко-синим, а не очень тускло-фиолетовым.
Гамма монитора сокращается с увеличением уровня отраженного света; факт, который будет знаком любому, кто пробовал использовать монитор при ярком солнечном свете. Окружающий свет отражается обратно от монитора, добавляя белый ко всем цветам. Это означает, что черный становится темно-серым. Все цвета перемещаются к белой точке, самые темные цвета перемещаются в наибольшей степени. Так как уровень отраженного света увеличивается, то обычно сначала теряются глубокие синие, и только самые светлые цвета типа желтого и белого могут все еще быть замечены при высоких уровнях отраженного света.
Приложение B описывает в деталях, как калибровать цветной монитор в соответствии с цветами МКО.
5.1.3 Факторы, влияющие на качество монитора
Точность передачи цветов и эргономические характеристики цветного монитора могут быть неприятно нарушены рядом факторов:
· Нарушение сходимости: электронный луч не выбивает правильный пиксел. Это приводит к нечеткости форм граней и ухудшает цветовой баланс; если например зеленый прожектор также зажигает красные пикселы, то все зеленые будут с оттенком желтого (вторичный цвет, получающийся в результате смеси зеленого и красного). Гамма будет уменьшена, причем позиция зеленого угла треугольника гаммы перемещается к красному углу в этом примере. Нарушение сходимости имеет тенденцию более проявляться на краях изображения экрана и в более старых мониторах. Решение:
многие из мониторов имеют внутренние регуляторы, чтобы улучшить сходимость. Отрегулировать их сможет компетентный инженер. Регулярно используйте кнопку размагничивания, если такая кнопка имеется. Не располагайте мониторы рядом с излучателями магнитных полей, типа силового кабеля или громкоговорителей.
· Мерцание: вызвано низкой частотой обновления экрана или использованием чересстрочной развертки изображения (где электронный луч прослеживает все четные линии, затем все нечетные линии). Решение: не используйте видео режим более высокого разрешения чем тот, с которым монитор может справиться. Не используйте режимы чересстрочной развертки.
· Старение люминофора: в течение года, или около этого, яркость люминофоров может падать. Синий поражается быстрее, чем красный или зеленый. Решение: не полагайтесь на данные изготовителей для старых мониторов; пользуйтесь измеренными значениями. Для точной работы используйте автокалибратор монитора.
· Взаимодействие прожектора: интенсивность электронного луча зависит от мощности двух других прожекторов. Также интенсивность белого пиксела будет различна, если остальная часть экрана вся белая или вся черная, из-за нехватки мощности. Решение:
избегайте дешевых мониторов с маломощными источниками питания.
5.1.4 Видео-плата
Изображение, представленное на компьютерном
графическом мониторе,
составлено из двухмерного массива
точек, называемых пикселами. Это минимальные
адресуемые области на экране, чей цвет может быть отдельно изменен. Видео изображение задается областью памяти в компьютере, видео ОЗУ (запоминающее устройство с произвольным порядком выборки), в которое в большинстве терминалов может быть введена информация одновременно с чтением
из него. Графические терминалы обычно вводят информацию в
эту память, используя
программное обеспечение
и специализированные аппаратные средства, которые решают стандартные задачи (такие как рисование
многоугольников). Видео ОЗУ
читается непрерывно видео-платой, которая просматривает каждый пиксел по очереди и посылает значения,
как последовательный поток, который будет преобразован в сигналы монитора.
Принимая во внимание, что видео ОЗУ является двухмерной таблицей, дисплеи отличаются, и по размеру этой таблицы и по цветовому разрешению (число битов на пиксел). Вместе с физическим размером монитора, это определяет пространственную разрешающую способность (в пикселах на дюйм) и общее число одновременно отображаемых цветов. Черно-белые (монохромные) устройства используют один бит на пиксел, так что каждый пиксел может быть вкл. или выкл., белый или черный. Устройства с градациями серого используют большее количество битов на пиксел, общее число отображаемых серых - 2n, где n - число битов на пиксел, обычно 8. Двоичное число, хранимое в видео ОЗУ для каждого пиксела, по очереди выбирается видео картой и преобразуется в аналоговое напряжение, используя быстродействующий аналоговый преобразователь (ЦАП) как показано на рисунке 42. Полученное значение напряжения используется, чтобы модулировать интенсивность электронного луча в мониторе и, таким образом получать различные яркости.
 |
Цветные устройства, используемые в компьютерной графике, обычно используют 24 бита, чтобы представить каждый пиксел. Они организованы как три группы из восьми, дающие 28=256 уровней интенсивности для каждого из прожекторов: красного, зеленого и синего; 16.7 миллионов цветов всего.
Имеются таким образом три ЦАП. Это, плюс стоимость дополнительной памяти и цветного монитора, как раз то, почему цветные дисплеи более дороги, чем черно-белые или дисплеи с градацией серого. Чертеж 24 разрядного цветного дисплея показан на рисунке 43.
 |
Некоторые дисплеи, используемые для менее требовательных приложений компьютерной графики, используют только восемь бит, чтобы представить каждый пиксел. Очень мало устройств организуют это в три группы, подобно 24 разрядным дисплеям; это дало бы в дальнейшем слишком мало цветов для большинства приложений. Вместо этого каждая ячейка в видео ОЗУ хранит 8 разрядное значение, которое используется для индексации по таблице из 256 цветов. Эти цвета определяются с большей точностью, чем 8 битовые; 18 или 24 бит обычно. Общее число цветов названо палитрой; таблица выборки из этой палитры называется поисковой таблицей цветов, или CLUT. Имеются микросхемы которые содержат CLUT и три DACs, называются RAMDAC.
Хотя общее число цветов в палитре может быть большим, также как общее число цветов в 24 разрядном дисплее, только 256 из них могут использоваться в каком-то одном конкретном отображении. Эта структура - пример индексируемого цвета, в то время как 24 разрядный дисплей, описанный выше - пример прямой цветовой системы. Чертеж 8 разрядного индексируемого дисплея показан на рисунке 44.
 |
индексируемый дисплей
Значительно быстрее перезаписать данные в поисковой таблице цветов (256 входов, 3*8 битов, таким образом 768 байтов), чем изменить цвет каждого пиксела в видео RAM (обычно 1280*1024 входа, 8 битов, так около 1.3 миллиона байтов). Перезапись CLUT может использоваться, чтобы обеспечить быструю анимацию изображения с очень небольшим количеством цветов.
Улучшенные 24 разрядные дисплеи используют этот метод индексации для каждой группы по 8 бит, чтобы сформировать индекс в таблице (обычно 12 бит) значений цветов. Имеются таким образом три таких таблицы, по одной для каждого прожектора, и используются три 12 разрядных ЦАП.
В то время как входы в CLUT 8 разрядного индексируемого дисплея не зависят друга от друга, входы в этой системе обычно назначаются, чтобы формировать диапазон цвета. Это позволяет изменить предельное значение и динамическую характеристику каждого ЦАП, чтобы при калибровке монитора компенсировать отклонение или старение.
5.1.5 Гамма-коррекция
Одним из допущений, сделанных при преобразовании между XYZ и RGB, является то, что цвета являются линейно аддитивными. Это допущение недействительно по ряду причин, прежде всего потому, что линейные увеличения напряжения, прикладываемые к прожекторам, не производят линейного увеличения яркости. Свет, произведенный люминофором, пропорционален мощности электронного луча, а не напряжению прожектора.
Мощность = напряжение умноженное на ток
Ток пропорционален напряжению на сетке 1.5
Поэтому Яркость пропорциональна напряжению 2.5
Практически, яркость пропорциональна напряжениюg на ЦАП, где g находится в диапазоне от 1.5 до 3.0. Таким образом значения в видео ОЗУ или в CLUT должны быть отрегулированы, чтобы компенсировать это. В некоторые дисплеи эта коррекция встроена. Поскольку интервал значений имеет тот же самый минимум (0) и максимум (255) значений, но не линеен, единственным результатом гамма-корректируемых значений в видео ОЗУ является уменьшение числа доступных цветов. Вот почему некоторые системы используют 24 бита, чтобы представить каждый пиксел, но затем используют три 12 разрядные поисковые таблицы, чтобы производить гамма-коррекцию и управлять ЦАП, сохраняя полную амплитуду цветов. Пример гамма-коррекции дан в Приложении A.
5.1.6 Представление не RGB моделей
Некоторому программному обеспечению для дисплеев необходимо, чтобы цвет был определен в стандарте приборо-независимого формата, как например формат стандарта МКО. Например, PHIGS, GKS 9x, и ODA требуют дисплеи, которые бы обеспечивали эту возможность. Текущая версия (X11R5) X Window System дает способ, чтобы выполнить это, поскольку она признает цветовые требования МКО XYZ, CIELUV, CIELAB и TekHVC среди других; преобразование к RGB обрабатывается очевидно.Это позволяет приложениям точно определять одинаковые цвета на различных мониторах.
Проблема с использованием не-RGB модели заключается в том, что не показываемые, находящиеся вне гаммы цвета, могут быть определены. С ними нужно решать проблему в зависимости от устройства. Для этого может использоваться система управления цветом. Задача отображения гаммы и обработки цветов, находящихся вне гаммы, рассмотрена в главе 5.7
