Aihearkisto: Teoria

Valo ja väri

Valo on sähkömagneettista säteilyä, joka jaetaan aallonpituuksien mukaan eri alueisiin. Näitä eri aallonpituuksia kutsutaan mm. radioaalloiksi, mikroaalloiksi, infrapunasäteilyksi, valoksi, ultraviolettisäteilyksi sekä gammasäteilyksi. Ihmissilmä pystyy havaitsemaan vain pienen osan tästä sähkömagneettisesta säteilystä. Tämä osa, jonka ihminen näkee, sähkömagneettisen säteilyn spektistä on aallonpituutena mitattuna noin 400 – 700 nanometriä.

On huomioitavaa, että ns. valkoinen valo pitää sisällään kaikkia näkyvän valon aallonpituuksia, mutta ne ovat siinä vain sekoitettuina. Valkoisen valo saadaan jaettua osiin (ja näin erotettua kaikki eri värisävyt) suuntaamalla valkoinen valo prismaan, joka hajoittaa valon ja näin syntyy hajotettua valoa.

Väriympyrä

Kuva 1: Väriympyrä

Erilaiset värisävyt voidaan ilmaista monella eri tavalla. Yksi käytetyimpiä tapoja on ilmaista värisävyt ns. väriympyrän avulla (Kts. kuva 1). Väriympyrä pitää sisällään kaikki valon allonpituudet kiedottuna ympyrän kehälle. Väriympyrästä löytää tietyn väriarvon asteiden avulla, jolla eri värit ilmaistaan väri ympyrässä. Asteluvun 0 kohdalla väriympyrästä löytyy punainen, aseen 120 kohdalta vihreä ja asteen 240 kohdalta sininen väri. Näitä kolmea väriä (punainen, vihreä ja sininen) kutsutaan pääväreiksi.

Väriympyrästä nähdään hyvin tietotekniikassa noudatettavia pääväri ja vastaväri suhteita. Päävärejä vastapäätä näkyy väriympyrästä sen vastaväri. Esimerkiksi keltainen sijaitsee sinisen vastakkaisella puolella, joten se on sinisen vastaväri. Perinteisessä kuvataiteessa vastavärit käsitetään hieman eritavalla. Tästä asiasta löytyy lisätietoa täältä.

Värijärjestelmät: additiivinen ja substraktiivinen

Näkyvä valo voidaan siis jakaa pääväreihin, väliväreihin ja vastaväreihin. Päävärit oliva punainen, vihreä ja sininen. Kun päävärejä sekoitetaan keskenään tasaisessa suhteessa, saadaan lopputulokseksi valkoista valoa. Yleisestikin värejä voidaan valmistaa yhdistelemällä eri päävärejä halutoissa suhteissa. Kun yhdistellään punaista ja vihreää väriä saadaan keltaista, kun taas sinistä ja vihreää yhdistämällä saadaan aikaiseksi syaania.

Additiivinen värijärjestelmä
Kuva 2: Valojen projisoimiseen perustuvaa värijärjesetlmää kutsutaan additiiviseksi värijärjestelmäksi.

Valon päävärien yhdistelemiseen perustuvaa värijärjestelmää kutsutaan additiiviseksi eli lisääväksi värijärjestelmäksi. Additiivinen värijärjestelmä tunnetaan myös nimellä RGB-värijärjestelmä, josta alla enemmän tietoa. Additiivinen värijärjestelmä perustuu päävärien projisoimiseen valona kuvapinnalle. Eli heijastetaan päävärien värisiä valospotteja johonkin tasaiselle pinnalle ja sekoitetaan niitä siinä (Kts. kuva 2).

Tietokonenäytöt, televisiot, videoprojektorit sekä digitaalikamerat käyttävät additiivista värijärjestelmää värien esittämiseen. Nämä laitteeet käyttävät siis RGB-värijärjestelmää. Monitorin kuvapinta koostuu tiheästi vierekkäin olevista punaisista, vihreistä ja sinisistä pisteistä, jotka ryhmässä muodostavat yhden väripisteen (Kts. kuva 3). Koska näitä pisteitä on niin paljon pisteeet ovat kooltaan todella pieniä, ei ihmissilmä pysty näitä pisteitä monitorissa erottamaan, vaan kuva näyttää yhdeltä kokonaisuudelta, jossa on tasaisia värisävyjä, eikä mitään yksittäisiä pisteitä. Tämä tietenkin, kun näyttöä tai televisiota katsellaan normaalietäisyydeltä ja ettei kuvaa ole suurennettu normaalia isommaksi. Mikäli kuvaa suurennetaan, myös nämä pisteet erottuvat silloin selkeämmin.

Tietokoneen näytön toimintaperiaate
Kuva 3: Näytön kuvapinta koostuu tiheästi vierekkäin sijoitetuista punaisista, vihreistä ja sinisistä kuvapisteistä.

Kun valon projisoimiseen kuvapinnalle käytetään additiivistä värijärjestelmää niin kuvien tulostamiseen paperille käytetään substraktiivista värijärjestelmää (Kts. kuva 4). Näitä kahta tarkoitusta varten tarvitaan oma värijärjestelmä, koska esitystapa on erilainen. Kun kuvaa esitetään näytöllä tai videotykin kautta, valo vaalentaa kuvassa esiintyviä värisävyjä. Kun taas samainen kuva painetaan / tulostetaan paperille värisävyt tummuvat. Jotta tulostettu että näytöllä / videotykin kautta katseltava kuva olisi samanlainen tarvitaan kaksi eri värijärjestelmää.

Substratiivinen värijärjestelmä
Kuva 4: Substraktiivinen värijärjesjestelmä perustuu musteiden painamiseen paperille.

Substraktiivinen värijärjestelmä toimiii additiiviseen värijärjestelmään verrattuna käänteisesti. Tämä tarkoittaa seuraavaa: additiivisessa värijärjestelmässä käytetään päävärejä, kun taas substraktiivisessa värijärjestelmässä värin luomiseen käytetään välivärejä eli syaania, magentaa ja keltaista.

Värijärjestelmät – RGB ja CMYK

RGB (Red, Green, Blue) on additiivinen eli lisäävä värijärjestelmä. Tämä tarkoittaa sitä, että osavärien punainen, vihreä ja sininen summa on valkoinen. RGB värit ovat valkoisen valon osia, aallonpituuksia. RGB on saapuvan valon värijärjestelmä, jossa voidaan luoda eri väriyhdistelmiä sekoittamalla valoja keskenään. Mustana näemme ne kohdat, joista mitään näkyvää säteilyä eli valoa ei saavu. Lisäävää värijärjestelmää käyttävät kaikki valonlähteet: aurinko, tähdet, valaisimet kuten myös televisio ja tietokoneen näyttö.

Kaikki käytännössä tarvittavat värit voidaan määritellä kolmen päävärin intensiteetin lukuarvoilla. Eri värisävyt saadaan aikaan sekoittamalla kolmea pääväriä erilaisissa suhteissa ja kirkkauksissa. Päävärien kirkkaudet määritellään 24-bitin värisyvyyttä käytettäessä asteikolla 0-255. Harmaat sävyt syntyvät yhdistämällä yhtä paljon punaista, vihreää ja sinistä pääväriä. Täysin mustan kuvapisteen arvot ovat 0,0,0 (Eli R:n arvoksi nolla, G:n arvoksi nolla ja B:n arvoksi nolla) ja valkoisen taas 255,255,255.

Painotöissä käytettävä CMYK -värijärjestelmä (Cyan, Magenta, Yellow, Black) on subtraktiivinen, eli vähentävä värijärjestelmä. Se perustuu heijastuvaan valoon ja CMY-osavärien, syaani, magenta ja keltainen, summa on valkoisen sijasta musta. Koska CMY-yhdistelmä ei kuitenkaan tuota täysin puhdasta mustaa osavärien epäpuhtauksien takia, käytetään painotyössä lisäksi erillistä mustaa (K) väriä. Myös painettavat kuvat käsitellään ensin RGB-muotoisina, ja muunnetaan lopuksi painoprosessia varten väriavaruudeltaan suppeampaan CMYK-tilaan.

Rasterointi

Kuten edellä jo todettiin, niin näytöllä kuva muodostuu kuvapisteistä, joista jokaisella voi olla oma muista kuvapisteistä riippumaton väriasrvonsa. Näin ollen näytön kuva on ns. jatkuvasävyinen. Painettaessa kuvia paperille, niin painotekniikoissa ei ole mahdollista painaa erisävyisiä kuvapisteitä, vaan jokainen piste on joko päällä tai pois. Sävyjen luomiseen käytetään rasterointia (Kts. kuva 5), joss kuva muodostetaan tiheästi vierekkäin sijoitetuista pienistä ja suurista mustepisteistä. Mitä suurempia nämä mustepisteet ovat, sitä tummemmalta kuva näyttää, vastaavasti pienemmät pisteet tuottavat vaaleamman pinnan.

Nelivärijärjestelmässä musteet on painettu päällekkäin omiin rasterikulmiinsa.

Rasteroitu
Kuva 5: Liioiteltu esimerkki rasteroinnista.

Bittikarttagrafiikka vs. vektorigrafiikka

Bittikarttagrafiikkaa käytetään valokuvien ja muiden skannattujen kuvien esittämiseen tietokoneella. Siinä kuva muodostuu kuvapisteista eli pikseleistä. Kaikki skannereiden, digitaalikameroiden ja kuvankäsittelyohjelmien tuottamat kuvat ovat bittikarttakuvia.

Bittikarttagrafiikan huono puoli on se, että sillä tuotetut kuvat eivät ole kovinkaan skaalautuvia. Pystymme kyllä pienentämään kuvia mielinmäärin laadun siitä heikentymättä, mutta kuvakoon kasvattaminen onkin hankalampaa. Mitä enemmän kasvatamme kuvaa sitä huonommaksi (rakeisemmaksi) se tulee. Tämä ilmiö johtuu siitä, että interpoloitaessa (kuvakokoa kasvattaessa) tietokone joutuu keksimään (laskemaan) uusia pikseleitä puuttuvien tilalle. Katso tarkempaa informaatiota bittikarttagrafiikasta osoitteesta http://fi.wikipedia.org/wiki/Bittikarttagrafiikka. Alla on kuvattuna kyseistä ilmiötä muutamalla esimerkki kuvalla.

suurennos
Esimerkki bittikarttagrafiikan toiminnasta

Bittikartta kuva rakentuu kuvapisteistä eli pikseleistä, joista jokaisella on oma väriarvonsa. Pikselit ovat toisistaan riippumattomia. Bittikarttakuvan koko ilmoitetaan pikseleiden lukumääränä vaaka- ja pystysuunnissa. Tätä määrää kutsutaan kuvan pikselikooksi. Pikselikoko kertoo kuvan sisältämän informaation määrän. Esim. jos kuva on 150 pikseliä leveä ja 150 pikseliä korkea kuva käsittää yhteensä 100 x 100 pikseliä eli yhteensä 10 000 pikseliä. Vastaavasti 200 x 200 pikselin kokoinen kuva käsittää yhteensä 40 000 pikseliä. Koska 200 x 200 pikselin kokoinen kuva pitää sisällään enemmän pikseleitä kuin 150 x 150 pikselin kokoinen, niin tällöin 400 x 400 pikelin kokoisessa kuvassa voi olla neljä (4) kertaa enemmän yksityiskohtia. Miinus puolena tässä on se, että mitä isompi kuva on pikselikooltaan, sitä enemmän se vie myös fyysisesti tilaa kovalevyltä. Esimerkki kuvamme 100 x 100 ja 400 x 400 pikseliä, niin 400 x 400 pikselin kokoinen kuva vie tallennuspaikassa noin neljä kertaa enemmän tilaa kuin 100 x 100 pikselin kokoinen kuva.

Bittikarttagrafiikka
Esimerkki bittikarttagrafiikan suurennoksesta

Kuvan pikselikoko määrittelee tietokoneen muistissa olevan bittikarttakuvan koon pikseleinä. Pikselit ovat vain tietokoneen muistissa olevia elementtejä, joilla ei itsessään ole fyysisiä mittoja, ja tämä on ongelmallista siinä vaiheessa, kun kuvat halutaan tulostaa paperille. Tällöin meidän tulee määritellä kuvaan kuvapisteiden koko. Tämä kuvapisteiden koko määritellään resoluution avulla. Mitä tiheämmin paperille sijoitetaan kuvapisteitä, sitä pienempi kuvasta tulee ja vastaavasti samalla kuva näyttää tarkemmalta. Kun kuvapisteitä sijoitetaan harvemmin, kuva suurenee ja kuva näyttää epätarkalta. Tämä johtuu siitä, että yksittäiset kuvapisteet suurenevat.

Resoluution yksikkönä käytetään ppi:tä (pixels per inch, pikseliä tuumalle), jolla ilmaistaa kuinka monta kuvapistettä sijoitetaan yhdelle tuumalle. Kun resoluutio arvoa suurennetaan, kuvapisteitä sijoitetaan tiheämmin, vastaavasti kun resoluution arvoa pienennetään, kuvapisteitä sijoitetaan harvemmalle. Painomaailmassa käytetään ppi:n tilalta termiä dpi (dots per inch, pistettä tuumalle). Kuvan pistekoko vaikuttaa myös siihen, kuinka ison ja tarkan tulosteen kuvasta saa. Seuraava laskukaava selventänee tätä asiaa.

Pikselikoko = tulostuskoko (tuumaa)
resoluutio (ppi)

Jos esim. pikselimitoiltaan 400 x 1 0000 pikselin kokoiselle kuvalle annetaan resoluutioksi 200ppi, tulostuvaiheessa sen mitoiksi paperille tulisi maksimissaan 2 x 5 tuumaa (n. 5 x 13 cm). Jos taasen samalle kuvalle annetaan resoluutioksi 100ppi, tulee sen mitoiksi paperille maksimissaan 4 x 10 tuumaa (n. 10 x 26cm).

Tuumakoko voidaan muuttaa senttimetreiksi kertomalla se luvulla 2,54.

Toinen grafiikka tyyppi on vektorigrafiikka, joka koostuu vektoreista. Vektorigrafiikan hyöty bittikarttagrafiikkaan nähden on se, että vektorigrafiikalla tehty piirros on hyvin skaalautuva. Siinä missä bittikarttagrafiikka muodostuu pikseleistä, niin vektorigrafiikka muodostuu matemaattisista funktioista. Vektorigrafiikka tiedosto pitää sisällään vektoreiden alkupisteen, suunnan, loppupisteen sekä värin. Jokainen viiva vektorigrafiikka kuvassa on oma itsenäinen vektori. Katso tarkemmin vektorigrafiikasta osoitteesta http://fi.wikipedia.org/wiki/Vektorigrafiikka.

Osoitteesta http://www.digicamera.net/armi/w3kurs/bitvekt.htm löytyy lyhyt opastus vektori- sekä bittikarttagrafiikan maailmaan.

”Esimerkki