Работа с цветом ¶

Содержание

Работа с цветом

Общее описание ¶

Сущность гамма-коррекции заключается в упаковке яркости канала изображения в 8 битах информации.

Стандартные (не HDR) изображения всегда сохраняются в нелинейном пространстве, где тёмные компоненты кодируются большим числом битов чем светлые. Это означает, что значению 0.5 от реальной интенсивности света (физической величины, называемой освещённость) будет соответствовать большее значение, содержащееся в каналах RGB (в самом простом случае \(0.5^{1/2.2} = 0.73)\).

В противном случае 8 бит информации не достаточно для кодирования интенсивности света, что приведёт к тому, что тёмные тона будут отображаться некорректно (например, тёмный градиент будет иметь ступенчатый характер переходов между соседними цветами).

Таким образом, веб-браузеры, как и многие другие программы для просмотра и обработки изображений, работают в нелинейном цветовом пространстве. Однако трёхмерные движки и рендереры работают в линейном пространстве, поскольку только оно может адекватно представлять поведение света в реальном мире. Например, освещённость от двух одинаковых ламп будет ровно в два раза превышать освещённость только от одной.

Безусловно, в таком случае 8 бит информации не будет достаточно, что наглядно иллюстрирует таблица, в которой приведены примерные значения величин освещённости от реальных источников.

Описание	Освещённость, лк
Летом в полдень	17 000
Зимой в полдень	5 000
В пасмурный день	1 000
В светлой комнате	100
Ночью в полнолуние	0.2
В безлунную ночь	0.001

Blender при настройке сцены Color Management > Display Device > sRGB работает в линейном пространстве. Значения цветов материалов и настройки источников света соответствует физическим величинам. При работе с текстурами, за исключением карт нормалей необходимо выставить настройку изображения Image > Input Color Space > sRGB. В этом случае при рендеринге будет производится автоматическая распаковка изображения: sRGB->Linear.

Человеческое зрение и мониторы ¶

Человеческое восприятие света нелинейно (человек лучше различает градации тусклого света чем яркого), однако свет, поступающий в глаз, по-прежнему должен подчиняться физическим законам (см. пример с лампочками).

Мониторы с электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ) имеют нелинейную характеристику яркости от приложенного к их входу электрического напряжения, которое, в свою очередь, определяется значением канала цветности в видеопамяти. Подобную же характеристику копируют жидкокристаллические мониторы. Тем не менее свет, излучаемый такими мониторами, по-прежнему должен подчиняться физическим законам. Например, в идеальном случае при добавлении второго источника света на сцену в виртуальном мире, яркость пикселей на экране монитора должна увеличиваться в два раза.

Таким образом, особенности восприятия человеческого глаза являются причиной, по которой стало возможным осуществлять упаковку каналов цветности, в то время как технические характеристики мониторов имеют вторичное значение по отношению к гамма-коррекции.

Гамма ¶

Используется в следующей упрощенной формуле:

V_out = V_in^γ

γ < 1 - упаковывающая гамма, γ > 1 - распаковывающая гамма. В наиболее простом случае используются значения 1/2.2 и 2.2 соответственно. Далее вместо термина “гамма-коррекция” будут использованы термины “упаковка” (Linear -> sRGB) и “распаковка” (sRGB -> Linear).

Коррекция в нодовых материалах ¶

Ноды для окраски ¶

При использовании текстур и вертексных цветов для окраски (не в качестве масок), необходима распаковка (sRGB -> Linear). Выход Vertex Color ноды Geometry и нода текстуры реализуют распаковку автоматически.

Отметим, что альфа-канал ноды текстуры коррекции не подвергается, его значения находятся в линейном пространстве.

Ноды для масок ¶

Текстуры и вертексные цвета могут использоваться в качестве масок, т.е. для смешения цветов или других математических операций. В таком случае необходима упаковка (Linear -> sRGB).

Следует обратить внимание, что выход Vertex Color ноды Geometry и нода текстуры реализуют распаковку автоматически. Это приводит к необходимости дополнительного преобразования обратно в нелинейное пространство, для чего используется специальная нода LINEAR_TO_SRGB или нода GAMMA со значением γ = 1/2.2.

Примечание

Нода LINEAR_TO_SRGB считается устаревшей, следует использовать ноду GAMMA.

Карты нормалей ¶

При использовании карт нормалей никакие преобразования не производятся.

Сводная таблица коррекции в нодовых материалах ¶

Случай использования	Коррекция
Текстура для окраски	реализуется автоматически в ноде текстуры (альфа-канал коррекции не подвергается)
Текстура для маски	GAMMA со значением γ = 0.45
Вертексный цвет для окраски	реализуется автоматически
Вертексный цвет для маски	GAMMA со значением γ = 0.45
Карта нормалей	не требуется

Альфа-композитинг ¶

Общие сведения ¶

Физически корректный альфа-композитинг осуществляется по формуле [источник]:

\(C_o = C_a \alpha_a + C_b \alpha_b (1 - \alpha_a)\).

Формула отличается от классической операции смешивания (mix, выпуклая комбинация) наличием множителя \(\alpha_b\) во втором слагаемом. Таким образом, для осуществления альфа-композитинга должно быть известно не только значение \(\alpha_a\) пикселя-источника, но и значение \(\alpha_b\) пикселя, поверх которого осуществляется рендеринг.

В случае предварительного умножения значений \(\alpha\) на цветовые каналы (т.н. premultiplied alpha) формула принимает вид:

\(C_o = C_a + C_b (1 - \alpha_a)\).

Последняя формула используется также для расчёта результирующего значения \(\alpha_o\):

\(\alpha_o = \alpha_a + \alpha_b (1 - \alpha_a)\).

Предварительное умножение цветовых каналов на значения \(\alpha\) позволяет сэкономить две операции умножения. Еще более существенным является тот факт, что полученная формула может использоваться многократно, без необходимости деления цвета \(C_o\) на значение \(\alpha_o\) на каждой последующей итерации.

Реализация ¶

Функция смешивания в движке Blend4Web имеет вид:

gl.blendFunc(gl.ONE, gl.ONE_MINUS_SRC_ALPHA);

Инициализация контекста WebGL производится с параметром premultipliedAlpha = true (что является значением по умолчанию). Кроме того, на выходе шейдеров производится умножение всех каналов цветности на значение \(\alpha\).

Brightness: Яркость. Значение по умолчанию 0.0.
Contrast: Яркость. Значение по умолчанию 0.0.
Exposure: Экспозиция. Значение по умолчанию 1.0.
Saturation: Экспозиция. Значение по умолчанию 1.0.