5. Средства растровой графики

Средства растровой графики представлены очень широким набором разнообразных инструментов. Основными растровыми инструментами являются:

1. Инструменты выделения. Выделение (Selection) это область, ограниченная замкнутой рамкой (на жаргоне программистов – "марширующие муравьи"). Выделение указывает на область, доступную для различных типов преобразований. Инструменты выделения на примере Adobe Photoshop представлены ниже:

- геометрические выделения (прямоугольники, эллипсы, звезды);

- выделения "от руки" (лассо),

- выделения контуров (векторные выделения) – представляют собой векторные формы (перо). Имеют ряд важных преимуществ – занимают меньший объем памяти, легко импортируются в векторные программы, масштабируют без потери качества, легко редактируются с помощью векторных инструментов;

- цветочувствительные инструменты, в которых область выделения определяется цветом изображения (магнитное лассо, "волшебная палочка", цветовой диапазон).

2. Маски – тесно связаны с выделением, но понятие маски несколько шире. Маски включают в себя два типа областей – непрозрачные и прозрачные. Непрозрачные маски защищают, закрываемую область от нежелательных изменений. Прозрачные маски используются для выделения. В процессе работы существует возможность изменять соотношение выделенной и маскированной частями маски.

3. Цветовые каналы – число цветовых каналов жестко определено цветовой моделью данного изображения (более подробно о цветовых каналах будет рассказано позже). В любом растровом редакторе цветовые каналы создаются автоматически. Канал представляет полутоновую копию изображения, в котором с помощью градаций яркости показана интенсивность одного из компонентов цветовой модели.

4. Альфа-каналы – они предназначены для ретуширования изображений, компоновки и локальной коррекции. Альфа-каналы тесно связаны с масками – создание маски, автоматически приводит к созданию альфа-канала.

5. Инструменты ретуширования – предназначены для восстановления поврежденных изображений. Используются инструменты ретуширования (клонирование, размытие, резкость, осветлитель и др.) и фильтры ретуширования (смягчение, шум и др.).

6. Гистограммы – кроме коррекции изображений позволяют осуществлять его анализ.

7. Уровни – используются для тоновой коррекции изображений. В их основе лежит использование гистограмм.

8. Кривые – используются также для тоновой коррекции изображений, но в основе лежит тоновая кривая.

9. Инструменты цветовой коррекции. К ним относятся инструменты – цветовой баланс, насыщенность.

10. Фильтры – предназначены для различных эффектов. Представляют собой набольшие программы. Различают встроенные и подключаемые (plug-ins) фильтры.

11. Слои – дополнительный уровень для рисования. Слои можно сделать невидимыми, удалить, заблокировать, поменять местами.

12. Инструменты рисования – кисть, карандаш, ластик, заливка и т.п.

3. Цвет

3.1. Основные понятия теории цвета

Цвет чрезвычайно важен в КГ как средство зрительного впечатления и повышения информационной насыщенности изображения. При восприятии цвета человеческим глазом присутствуют два аспекта: физический и биологический, т.е. цвет имеет не только информационную, но и эмоциональную составляющую.

Для физики нет различия между понятиями "свет" и "цвет". Все, что относится к свету, равным образом характеризует и цвет. Свет представляет собой электромагнитное (волновое) излучение. В качестве характеристики световых волн используется длина волны. Свет представлен в определенном диапазоне длин волн от 375 Нм до 780 Нм. Разные длины воспринимаются как разные цвета. Свет с большей длиной волны воспринимается как красный, с меньшей длиной – как фиолетовый.

Как известно белый свет является составным. Если пропустить его через призму он разложится на цветной спектр, называемый видимым спектром света. Спектральный состав можно представить в виде графика (рисунок 23).

Видимый нами цвет складывается из двух составляющих. Излученный цвет – свет, испускаемый активным источником (в КГ используется понятие фон). Большинство источников испускают хроматические цвета, т.е. смесь цветов. В этом случае цвет представлен доминирующей длиной волны (рисунок 24а). Цвет может быть монохроматическим, представленным только одной длиной волны (лазеры, рисунок 24б).

Рисунок 23

Отраженный цвет – отражение световых волн поверхностью предмета. В КГ для моделирования цвета и освещения используют еще два параметра. Самосвечение объекта – свет, испускаемый объектом под действием внешнего воздействия. Зеркальность – учитывает отражение на поверхности объекта соседних объектов.

Итак, с физической точки зрения цвет характеризуется двумя параметрами – длиной волны и энергией (интенсивностью). Но на практике цвет используют производные от этих параметров: яркость и цветность.

а б

Рисунок 24

Яркость - параметр, пропорциональный сумме энергий всех составляющих цветового спектра цвета;

Цветность – связана с доминирующей длиной волны.

Ахроматические цвета (бесцветные – представленные только оттенками серого цвета) характеризуются только яркостью. Яркость это количественная характеристика цвета, позволяет сравнивать интенсивность различных источников света. Цветность носит качественный характер, поэтому при сравнении двух цветов, их надо отделить от яркости.

3.2. Восприятие цвета человеком

Фундамент органов зрения - сетка чувствительных рецепторов, которые реагируют на разные длины волн и посылают в мозг комбинации электрических сигналов. Эти сигналы и формируют то ощущение, которое мы называем "цветом" - зрительное восприятие света и цвета. На биологическом уровне цвет воспринимается человеком тремя типами колбочек и палочками. Три типа рецепторов - колбочек - отвечают за цветовое восприятие. Каждый тип реагирует только на определенный компонент длины волны (длинноволновой, средневолновой и коротковолновой). Принято называть их по первым буквам, соответствующих частей спектра – Red (R), Green (G), Blue (B).

Рецепторы, которые называются "палочками", ориентированы только на восприятие яркостных характеристик. Палочки отвечают за ночное зрение, т.к. способны реагировать на суммарную энергию света. Таким образом, они отвечают за яркостное восприятие цвета. Палочки обладают более высокой светочувствительностью, чем колбочки.

Следует отметить, что цвет воспринимается человеком субъективно. Спектральная чувствительность у каждого человека своя. Она изменяется с возрастом, зависит от настроения, освещенности, окружай среды и т.д. но это относится к тонким оттенкам цвета. Насыщенные цвета, воспринимаются большинством одинаково. Человек воспринимает мир цветным, однако цвет - не только физическое, но в значительной степени психофизиологическое явление, поскольку физика оперирует отдельными волнами, а физиология - совокупностями волн, воспринимаемых человеком субъективно, в форме сложных цветовых ощущений. Длительное исследование проблем, связанных с областью цвета, привело к парадоксальным выводам: цвет - это не субстанция материи, а скорее особенность человеческого восприятия.

Не­которые устройства, к которым можно отнести и человеческие гла­за, способны воспринимать цвета. Другие устройства способны воспроизводить цвета. Однако делают они это по-разному. Челове­ческий глаз не способен воспринять цвета ультрафиолетового и инфракрасного диапазона, однако то, что он воспринимает, все равно гораздо больше, чем может передать экран монитора, офсетная печать или фотоснимок. Их цветовой охват (спектральная чувствительность, цветовое пространство) - диапазон цветов, которые могут быть воспроизведены, зафиксиро­ваны или описаны каким-либо образом, - меньше, чем цветовой охват человеческого глаза (рисунок 25).

Не существует устройств, которые бы регистрировали цвет так, как его воспринимает человек. Устройства способны регистрировать только уровни яркости, поэтому первым этапом работы с цветом является анализ цвета — исключение собственно цветовой информации в результате пропускания цветового потока через цветные фильтры (красный, зеленый и синий). Яркостная информация за каждым фильтром фиксирует вклад каждой составляющей в цветное изображение.

Для восстановления цветовой информации яркостные данные используют в процессе синтеза для управления степенью свечения источники излучения основных цветов (например, на экране монитора, хотя это не единственный способ синтеза цвета).

Цветовой охват различных устройств зависит от двух параметров: цветовой диапазон и динамический диапазон.

Цветовой диапазон – непосредственно воспринимаемый устройством (в том числе и глаз человека) диапазон.

Динамический диапазон характеризует различие между более светлыми и темными частями изображения.

В КГ используются такие понятия, связанные с цветами:

• цветовые модели - используются для описания цветовых пространств (более подробно будут рассмотрены ниже);

Рисунок 25

• цветовые палитры - набор цветов, для описания цветового пространства, доступных в системах соответствия цветов (DIC, DuPont, PANTONE и др.);

• системы соответствия цветов - включает в себя определенный набор компонентов (электронные таблицы цветов, содержащихся в одноименных электронных палитрах, программные и аппаратные средства калибровки цветов);

• система управления цветом - набор программных средств, предназначенных для согласования цветовых пространств различных устройств.

В результате проведения множества опытов были сформулированы три закона Гроссмана. Исходя из законов Гроссмана, цвет в трехмерном пространстве может быть представлен точкой.

1-й закон Гроссмана (закон трехмерности) – любой цвет однозначно выражается тремя составляющими, если они линейно независимы. Т.е. глаз реагирует на три различных стимула. Линейная независимость заключается в невозможности получить любой из этих трех цветов сложением двух других. Это могут быть триадные составляющие R,G,B.

При субъективном описании цвета используют другие три параметра: цветовой тон, насыщенность и светлота (яркость).

Цветовой тон (Hue) позволяет различать цвета, представлен доминирующей длиной волны.

Насыщенность (чистота) (Saturation) характеризует чистоту, т.е. степень разбавления данного цвета белым цветом. Позволяет отличать розовый цвет от красного, изумрудный от зеленого и т.п.

Яркость (светлота) (Brightness/Lightness) позволяет судить об интенсивности, как о факторе, не зависящем от цветового тона и насыщенности. Т.е. интенсивность, с которой энергия света воздействует на рецепторы глаза. Ахроматические цвета (черный, белый, серый) характеризуются только понятием яркость.

2-й закон Гроссмана (закон непрерывности) – при непрерывном изменении излучения цвет смеси также меняется непрерывно. Не существует такого цвета, к которому нельзя было бы подобрать бесконечно близкий цвет, т.е. трехмерное цветовое пространство непрерывно.

3-й закон Гроссмана (закон аддитивности) – цвет смеси излучений зависит только от их цвета, но не спектрального состава, т.е. четыре цвета всегда линейно зависимы.

С₁ = R₁R + G₁G + B₁B

С₂ = R₂R + G₂G + B₂B

С_n = R_nR + G_nG + B_nB

R_n G_n B_n – весовые коэффициенты.

C = (R₁ + R₂ + … + R_n)R + (G₁ + G₂ + … + G_n)G + (B₁ + B₂ + … + B_n)B

Таким образом, любой цвет в трехмерном пространстве может быть выражен вектором

C_n = R_nR + G_nG + B_nB

В этом векторе направление вектора характеризует цветность, а модуль выражает яркость.

Итак, можно сделать следующие выводы:

1. Цвет - субъективная субстанция, суть которой в том, что восприятие цвета строится на ощущении того, чего в природе возможно и не существует.

2. Цвет - объективная субстанция, поскольку физические причины, вызывающие ощущение цвета, существуют вне человека. И даже если они вызывают неодинаковые ощущения, то все равно световое излучение при всей необходимости активного поведения органов зрения воздействует извне.

3. Сначала на этапе анализа цветовая информация с помощью фильтров преобразуется в яркостную информацию (техническая система избавляется от цвета как такового, иначе нет возможности его зафиксировать). Полученная яркостная информация реализуется в виде так называемых цветовых каналов (на самом деле - полутоновых) в пиксельных изображениях.

4. Визуализация цвета происходит на этапе синтеза, когда фиксированная яркостная картина используется как регулятор степени вклада каждой цветовой составляющей в общем цветном изображении. Очень важно отметить, что синтез цвета осуществляется совсем другими средствами, например свечением капель люминофора или отражением цветных пятен на бумаге. Это делает принципиально невозможным абсолютно точное воспроизведение исходной цветовой информации.

3.3. Цветовые палитры

Цветовая палитра - это таблица данных с информацией о коде закодированного цвета. Эта таблица создается и хранится вместе с графическим файлом.

Самый удобный для компьютера и самый распространенный способ кодирования цвета - 24-разрядный, True Color. В этом режиме на кодирование каждой цветовой составляющей R (красной), G (зеленой) и В (синей) отводится по одному байту (8 битов). Яркость каждой составляющей выражается числом от 0 до 255, и любой цвет из 16,5 миллионов компьютер может воспроизвести по трем кодам. В этом случае цветовая палитра не нужна, поскольку в трех байтах и так достаточно информации о цвете конкретного пикселя.

Сложнее обстоит дело, когда изображение имеет только 256 цветов, кодируемых одним байтом (индексированные цвета). В этом случае каждый цветовой оттенок представлен одним числом, причем это число выражает не цвет пикселя, а индекс цвета (его номер). Сам же цвет разыскивается по этому номеру в сопроводительной цветовой палитре, приложенной к файлу. Разные изображения могут иметь разные цветовые палитры.

В тех случаях, когда цвет изображения закодирован двумя байтами (режим High Color), на экране возможно изображение 65 тысяч цветов. В таком изображении каждый двухбайтный код тоже выражает какой-то цвет из общего спектра. Но в данном случае нельзя приложить к файлу индексную палитру, в которой было бы записано, какой код, какому цвету соответствует, поскольку в этой таблице было бы 65 тысяч записей, и ее размер составил бы сотни тысяч байтов. Нет смысла прикладывать к файлу таблицу, которая может быть по размеру больше самого файла. В этом случае используют понятие фиксированной палитры. Ее не надо прикладывать к файлу, поскольку в любом графическом файле, имеющем шестнадцатиразрядное кодирование цвета, один и тот же код всегда выражает один и тот же цвет.

Термин "безопасная палитра" используют в Web-графике. Скорость передачи данных в Интернете пока оставляет желать лучшего, для оформления Web-страниц не применяют графику, имеющую кодирование цвета выше 8-разрядного. При этом возникает проблема, связанная с тем, что создатель Web-страницы не имеет ни малейшего понятия о том, на какой модели компьютера и под управлением каких программ будет просматриваться его произведение. Он не уверен, не превратится ли его "зеленая елка" в красную или оранжевую на экранах пользователей. Поэтому все наиболее популярные программы для просмотра Web-страниц (браузеры) заранее настроены на некоторую одну фиксированную палитру. В этой палитре не 256 цветов, как можно было бы предположить, а лишь 216. Это связано с тем, что в Интернете работают люди с разными компьютерами, а не только с IBM PC, и не все компьютеры могут воспроизводить 256 цветов. Такая фиксированная палитра, жестко определяющая индексы для кодирования 216 цветов, называется безопасной палитрой.

В большинстве программ используются стандартные палитры. Но существует возможность создания пользовательских палитр.

4. Цветовые модели

4.1. Аддитивные цветовые модели

Цветовая модель (или цветовое пространство) - это способ описания цвета с помощью количественных характеристик. В этом случае не только легко сравнивать отдельные цвета и их оттенки между собой, но и использовать их в цифровых технологиях. Цветовые модели предоставляют средства для концептуального и количественного описания цвета.

В цветовой модели каждому цвету можно поставить в соответствие строго определенную точку. В этом случае цветовая модель - это просто упрощенное геометрическое представление, основанное на системе координатных осей и принятого масштаба.

Из-за разницы в цветовых охватах различных устройств, для пе­редачи и получения изображений были созданы несколько цвето­вых моделей. Многообразие было предусмотрено вследствие того, что ни одна из цветовых моделей не является идеальной. На экране монитора нельзя точно передать чистый голубой и чистый желтый цвета, а при печати совсем не передаются цвета, составляющие ко­торых, имеют очень низкую плотность. Существующие цветовые модели используются для взаимосвязи между устройствами с раз­личными цветовыми охватами.

Любая цветовая модель должна отвечать трем требованиям:

1. Однозначно определять цвет, независимо от используемого устройства.

2. Точно задавать диапазон, воспроизводимых цветов, т.к. никакое множество цветов не является бесконечным.

3. Учитывать механизм восприятия цветов – излучение или отражение.

Все цветовые модели можно разделить на три группы:

Аддитивные – основанные на сложении цветов (излучаемые цвета). К ним относится модель RGB.

Субтрактивные - основаны на вычитании цветов (отраженные цвета). Это модели CMY и CMYK.

Перцепционные, базируются на человеческом восприятии цвета – модели HSB, HLS, Lab, YCC, XYZ.

RGB – сокращение английских слов Красный (Red), Зеленый (Green), Синий (Blue). Модель RGB предназначена для описания из­лучаемых цветов. Базовые компоненты модели основаны на трех лучах - красном, синем и зеленом, т.к. человеческое восприятие цвета основано именно на них. Вся остальная палитра создается путем смешения трех основных цветов в различных соотношениях.

Следует отметить, что при сложении двух основных цветов полу­ченный цвет будет светлее, чем базовые составляющие. С другой стороны, белый цвет и оттенки серого создаются путем смешения трех базовых цветов в равной степени, но с различной насыщенно­стью. Цвета такой модели называют аддитивными. Изображения на экране монитора, а также получаемые методом сканирования, кодируются в модели RGB.

Следует иметь в виду следующие соотношения цветов:

R + G = Y C + M = B

R + B = M C + Y = G

G + B = C M + Y = R , здесь С – Cyan (голубой), M – Magenta (пурпурный), Y – Yellow (желтый).

Цветовое пространство модели иногда представляют в виде цветового куба (рисунок 26).

По осям откладываются значения цветовых каналов, каждый из которых может принимать значения от нуля (свет отсутству­ет) до 255 (наибольшая яркость света). Внутри куба содержатся все цвета модели. В точке начала отсчета координатных осей все значения каналов равны нулю (черный цвет), а в противополож­ной точке максимальные значения каналов при смешении обра­зуют белый цвет. Если две эти точки соединить отрезком, то на этом отрезке будет располагаться шкала оттенков от черного цвета к белому - серая шкала.

Три вершины куба дают три чистых исход­ных цвета. В свою очередь, каждая из трех других вершин между ними дает чистый, смешанный из двух основных, цвет. Каждый цветовой канал, и серая шкала, имеет 256 градаций серого цвета.

Любой цвет в цветовом кубе легко представить в виде вектора, описываемого третьим законом Гроссмана.

Рисунок 26

Модель RGB имеет два серьезных недостатка.

Аппаратная зависимость – цвет зависит от типа люминофора монитора, матрицы жидкокристаллического экрана и т.д. На качество влияет также старение люминофора.

Ограниченность цветового пространства – цветовой охват RGB модели значительно меньше человеческого, что не мешает использовать ее для описания фотореалистичных изображений.

Для устранения этих недостатков были созданы стандартизированные RGB-пространства. На сегодняшний день их создано очень много (например, Adobe Photoshop поддерживает несколько десятков цветовых пространств RGB). Приведем лишь некоторые из них, рисунок 27 .

• sRGB – стандартное RGB – основано на цветовом диапазоне типичного монитора VGA низшего класса.

• Adobe RGB – основано на стандартах телевидения высокой четкости (High Definition TV – HDTV).

• Wide-Gamut RGB (RGB с расширенным диапазоном) – основано на чистых значениях цветов в 48-разрядных файлах.

Рисунок 27

Путем сложения триадных цветов получается изображение, например, на экране монитора. Несколько сложнее дело обстоит со светочувствительной матрицей цифрового фотоаппарата. Каждый светочувствительный элемент матрицы способен воспринимать только яркость – т.е. накапливает информацию о количестве попавших на него фотонов. Для регистрации цвета перед матрицей устанавливают систему цветных фильтров модели RGB. Но человеческий глаз наиболее чувствителен к зеленому цвету, поэтому число зеленых элементов удвоено. Таким образом, комплект фильтров выглядит как RGBG (фильтр Байера). Некоторые фирмы ставят вместо второго зеленого фильтра особый фильтр, подчеркивающий определенный оттенок. Например, компания Sony использует фильтр Emerald (изумрудный).

4.2. Субтрактивные цветовые модели

При печати изображений цвет воспринимается как результат взаимодействия цветового потока с поверхностью тела (бумаги). Эти цвета являются отраженными.

Модель CMY предназначена для описания отраженных цветов. Цвета этой модели основаны на вычитании части спектра падаю­щего света (белого) и называются субтрактивными. Например, при пропускании света через пурпурный объект поглощается зеленая часть спектра, если далее пропустить через желтый объект, то поглотится синяя часть спектра и останется лишь красный цвет. Данный принцип используют светофильтры.

При смешении двух основных цветов, результат всегда оказывается темнее любого из исход­ных, поскольку каждый из цветов поглощает свою часть спектра. Эти цвета составляют так называемую полиграфическую триаду. Каналы CMY представляют собой остаток вычитания основных RGB-компонентов из белого цвета (как известно, белый цвет состоит из полного спектра цветов). При этом остаются сле­дующие цвета: Cyan - голубой (белый цвет минус красный), Ma­genta - пурпурный (белый минус зеленый), Yellow - желтый (бе­лый минус синий).

W – R = C

W – G = M

W – B = Y

В качестве усовершенствования этой модели появилась модель CMYK, которая была создана для описания процесса полноцветной печати, к примеру, на цветном принтере. Пурпурная, голубая и желтая краски последовательно наносятся на бумагу в различных пропорциях. Головка принтера устроена таким образом, что позволяет использовать эти цвета одновременно и за один проход по бумаге. Нанесенные на одно место ос­новные цвета смешиваются, образуя требуемые оттенки. Однако черный цвет получить методом смешения трех основных цветов не удастся, т.к. вместо черного цвета получится скорее серо-коричневый цвет. Для получения чистого черного и оттенков серого в модель CMY был добавлен новый компонент - черный цвет. В цветовой модели CMYK - это и есть буква К (BlacK). Таким образом, CMYK - четырехканальная цветовая модель.

Модель CMYK предназначена для описания печатных изобра­жений. Ее цветовой охват значительно ниже, чем у RGB, так как модель CMYK описывает отраженные цвета, интенсивность кото­рых всегда меньше, чем у излучающих. Рассматривать CMYK можно как производную модели CMY. Пространство этой модели аналогично пространству модели RGB, только со смещением начала координат, рисунок 26.

Смешение всех трех компонентов при максимальных значениях дает черный цвет. С другой стороны, при полном отсутствии крас­ки и, соответственно, нулевых значениях основных компонентов получится белый цвет. Применительно к CMYK, белый цвет следу­ет воспринимать как белую бумагу. При смешивании основных компонентов с равными значениями получаются оттенки серого цвета, и образуется серая шкала. Эта цветовая модель имеет несколько особенностей, из-за ко­торых переход в нее может создать некоторые проблемы. Дело в том, что цветовой охват CMYK недостаточно велик, и перевод в эту модель из модели RGB может привести к некоторым иска­жениям цветопередачи. Часть цветов из охвата модели RGB не может быть передана на бумаге, вследствие чего не входит в охват модели CMYK. Эта модель имеет проблемы с передачей ярко-голубых, синих, зеленых и оранжевых цветов. При конвер­тировании эти цвета приводятся к наиболее близким к ним цветам в мо­дели CMYK. В современных принтерах часто добавляют дополнительные чернильницы для возмещения этого недостатка.

Хотя в CMYK и не редактируют изображение, однако, если оно готовится к печати, то часто возникает необходимость просмотреть соответствие цветов изображения цветовому охвату модели. Каж­дый раз, когда возникает такая необходимость, перевод изображе­ния в CMYK и обратно в RGB с большой долей вероятности при­ведет к ухудшению качества изображения. Поэтому, если есть та­кая возможность, нужно прибегать к дополнительным средствам, как, например, в Photoshop - функция просмотра изображения в модели CMYK без действительного перевода в эту модель.

Как и модель RGB, модель CMYK является аппаратно-зависимой. Это означает, что при работе с различными устройства­ми вывода и печати изображения (например, мониторами и цвет­ными принтерами) одно и то же графическое изображение будет выглядеть по-разному. Следует также иметь в виду, что получае­мый цвет зависит не только от значений базовых составляющих, но и от параметров устройств: свойств используемой бумаги, особен­ностей принтеров, свойств люминофора у мониторов от различных фирм-производителей, наличия аппаратного цветового контроля монитора, а также свойств видеокарты.

В процессе работы по подготовке и выводу на печать изображе­ния участвуют устройства, работающие как в модели RGB, так и CMYK. К первым можно отнести мониторы, сканеры и цифровые камеры, а ко вторым - цветные принтеры и фотонаборные автома­ты. Поскольку цветовые охваты этих устройств различаются, необ­ходимые преобразования из одной модели в другую сопряжены с неизбежными искажениями цветов и оттенков. Поэтому для дости­жения предсказуемого цвета была создана специальная система цветокоррекции - программа, цель которой заключается в дости­жении одинаковых цветов для всех этапов работы с изображения­ми, начиная сканированием и заканчивая выводом на печать.

4.3. Аппаратно-независимые перцепционные модели

4.3.1. Перцепционные цветовые модели

Так как описанные ранее модели являются аппратно-зависимыми, определяемый ими цвет зависит и от конкретных устройств ввода, вывода и обработки изображений. Для устранения аппаратной зависимости были созданы аппратно-независимые перцепционные (интуитивные) модели. К таким моделям относятся HSV (прототип всех остальных моделей), HIS, HSL, YUV и HSB. Основной особенностью их является разделение цвета и яркости. Эти модели обращаются с цветом на интуитивно понятном уровне и упрощают проблему согласования цветов, т.к. сначала настраивается яркость изображения, а затем осуществляется настройка цветов. Наибольшее распространение получила модель HSB.

Модель HSB разработана с максимальным учетом особенностей восприятия цвета человеческим глазом. Человеку гораздо проще не синтезировать цвет из составляющих, а выбирать его, ориентируясь на более естественные параметры, такие как, тон, насыщенность и яркость. Модель HSB построена на основе цветового круга Манселла, рисунок 28 . Цвет описывается тремя компонентами: оттенком (Hue), насыщенностью (Saturation), яркостью (Brightness).

Значение цвета определяется как вектор, исходящий из центра круга (белый цвет). Точки по периметру окружности соответствуют чистым спектральным цветам (0 – 360^о). Чистый красный цвет – 0^о, зеленый 120^о, синий – 240^о. Длина вектора определяет насыщенность(0 – 100 %), направление – цветовой оттенок. На отдельной шкале (ахроматической) задается яркость (0 – 100 %).

Модель HSB применяется при имитации приемов художников на компьютере. После создания изображения требуется перевод в другую цветовую модель. Основной недостаток модели – ограниченный цветовой охват, т.к. она использует то же цветовое пространство. Что и модель RGB.

4.3.2. Цветовая модель XYZ

Разработчики модели XYZ обратились к человеческому глазу, как к универсальному инструменту восприятия цвета. Они исходили из того, что цвет является скорее физиологической характеристикой, а не физической. Т.е. характеристикой восприятия цвета человеком.

В результате экспериментов по измерению цветовой реакции "стандартного" человека были получены три спектральные кривые – X, Y, Z (рисунок 29).

Виртуальные X, Y, Z цвета не существуют в природе. Но они охватывают все цвета, воспринимаемые человеческим глазом. Основным недостатком модели является сложность учета яркости. Поэтому данная модель была усовершенствована в модель Lab.

4.3.3. Цветовая модель Lab

Цветовая модель Lab была создана в 1976 году Международной комиссией по освещению (С1Е) с целью преодоления существенных недостатков вышеизложенных моделей. Цветовая модель Lab, являющаяся аппаратно-независимой мо­делью, основана на человеческом восприятии цвета. При одинако­вой интенсивности глаз человека воспринимает наиболее ярким красный цвет, и еще более темным — синий. Необходимо иметь в виду, что яркость яв­ляется характеристикой восприятия, а не самого цвета.

Рисунок 28

Любой цвет в модели Lab определяется яркостью (Lightness) и двумя хроматическими компонентами — параметром а, изме­няющимся в пределах от зеленого до красного, и параметром b, изменяющимся от синего до желтого. Яркость в модели Lab полностью отделена от цвета, что делает модель удобной для регулировки контраста, резкости и других тоновых характери­стик изображения.

Модель Lab является трехканальной. Ее цве­товой охват соответствует цветовому охвату обычного челове­ческого глаза, а также включает охваты всех других цветовых моделей. Цвета соответствующие предельным значениям параметров а и b не воспроизводятся ни на бумаге, ни на экране монитора.

Этот факт позволяет переводить изображение в формат Lab из, например, модели RGB и обратно, без изменения цвета и потери качества изображения, что является несомненным преимущест­вом данной цветовой модели (рисунок 30). Именно поэтому этой моделью охотно пользуются профессионалы - дизайнеры, фотографы и др.

Рисунок 29

Модель Lab хорошо согласуется с биологическим механизмом восприятия цвета человеком. Американские ученые Дэвид Хьюбл и Торстен Вайзел в 1981 году получили Нобелевскую премию за исследования цвета. Они выяснили, что человеческий мозг воспринимает не информацию о красном, зеленом и синем, а мозг получает информацию о:

• разнице между светлым и темным;

• разнице между зеленым и красным;

• разнице между синим и желтым.

Т.е. очень похоже на модель Lab, хотя следует отметить, что модель стала использоваться раньше, чем были сделаны открытия этих ученых.

4.3.4. Ахроматические изображения.

Изображения, содержащие только оттенки серого цвета, называются ахроматическими. Самый примитивный тип изображения - монохромное изобра­жение, каждая точка которого может быть окрашена либо только черным, либо только белым цветом. Монохромные изображения требуют очень мало памяти для хранения и вывода информации. Конвертировать в черно-белое изображение можно любой полуто­новый рисунок. Однако таким образом можно сохранять не все ти­пы изображений. Рисунок тушью, сохраненный в виде монохром­ного изображения, при высоких разрешениях будет выглядеть очень реалистично, поскольку тушь имеет очень однородный чер­ный цвет.

Рисунок 30

С другой стороны, портрет или карандашный рисунок дадут не­удовлетворительные результаты. Человеческий глаз очень чувстви­тельный к деталям лица. Поэтому, перевод портрета в монохромное изображение, который удаляет большую часть мелких деталей, может в результате изменить лицо на порт­рете до неузнаваемости.

Полутоновое изображение получило свое название из-за того, что представлено в виде полутонов - 256 оттенков серого: от черного (0) до белого (255). Это так называемая серая шкала. Она имеет 256 градаций яркости, которых вполне достаточно, чтобы корректно отобразить в виде полутонового изображения черно-белую фотографию или карандашный рисунок.

Необхо­димо заметить, что карандашный рисунок является не черным, а серым, причем, градации серого зависят от нажима. Таким обра­зом, это типичный представитель полутонового изображения, поэтому сохранить его в виде монохромного изображения было бы неправильно.

Как монохромное, так и полутоновое изображение, в отличие от остальных типов изображения, имеют один канал, редактируя этот канал, можно редактировать все изображение. Для полноцветного изображения каждый цветовой канал является полутоновым изображением, только вместо от­тенков серого отображается распределение базового цвета. При наложении таких каналов с базовыми цветами создается изо­бражение, состоящее из смешанных цветов.

4.4. Основные программы растровой графики

Программы растровой графики предназначены для работы с изображениями. В английской терминологии такие программы идут под рубрикой Image Application.

Программное обеспечение для работы с растровыми изображениями условно можно разбить на несколько классов;

- Средства создания растровых изображений: MS Paint, Corel Painter (ранее Fractal Design Painter) и др.

- Средства обработки изображений: Adobe Photoshop, Corel Photo Paint, Paint Shop Pro, Photoimpact и др.

- Средства захвата изображений с экрана. Использование стандартной процедуры фотографирования экрана кнопкой Print Screen. Применяются специальные программы грабберы – Corel Capture, Snaglt и др.

- Средства каталогизации и визуализации изображений – ACD See, MS Imaging и др.

Простейшим графическим редактором является MS Paint, стандартная программа ОС Windows. Программа содержит минимальный набор инструментов, достаточный для первого знакомства с растровой графикой. MS Paint не является профессиональным графическим редактором. Это скорей всего обучающая программа. В ней отсутствуют важные для растровой графики инструменты: слои, средства коррекции и ретуши изображения, фильтры, печать и многое другое.

В области обработки пиксельной графики несомненным лидером является программа Adobe Photoshop, которая используется повсеместно. Разумеется, каждому дизайнеру, художнику, фотографу необходимо владеть этим редактором. Спектр ее применения очень широк – от сканирования и обработки фотографий до подготовки профессиональных изображений для книг и журналов. Photoshop прекрасно работает со слоями, масками и выделенными областями. Имеет мощные средства цветокоррекции и ретуши, поддерживает большинство форматов графических файлов. В последних версиях Photoshop появилась возможность работы с векторными объектами. Практически Adobe Photoshop является эталоном для оценки растровых редакторов.

Основные особенности Adobe Photoshop – стабильность, универсальность, надежность, отличная цветопередача. Программа может использовать большинство цветовых моделей. Причем, основной внутренней моделью является модель Lab. Умеет открывать и сохранять любые графические форматы. В том числе имеется редкая для других программ возможность "Открыть файл как…".

Основной недостаток Adobe Photoshop – занимает много дискового пространства и оперативной памяти. Это связано:

- с использованием собственного графического формата PSD, который хранит большое количество информации об изображении;

• использованием слоев.

Вместе с универсальной программой Photoshop распространяется специализированная программа ImageReady, которая ориентирована на подготовку изображений для Web-страниц.

Фирма Corel распространяет две программы пиксельной графики: собственный редактор CorelPHOTO-PAINTи недавно приобретенное приложение Painter, которое ориентировано на лиц, предпочитающих рисование обработке готовых фотографий.

Ее основной формат CPTподдерживает слои, альфа-каналы, т.е. практически все, что Adobe Photoshop. Программа входит в состав интегрированного пакетаCorelDRAW, основным назначением которого является разработка графического дизайна.

Инструментов рисования в редакторе даже больше чем в Adobe Photoshop. Для работы требуется меньше ресурсов ПК. Имеется также возможность анимации изображений в формате GIF и создание видеороликов в форматах AVI, MOV и MPEG.

Основные недостатки Corel Photo Paint присущи всем редакторам растровой графики – большой объем файла, высокие требования к аппаратным ресурсам. Сильно обедняет возможности редактора отсутствие эффектов слоев.

Фирма Macromedia продвигает программу Fireworks, которая ориентирована на подготовку изобразительных материалов для Web-страниц. Paint Shop Pro – простой, удобный и компактный растровый редактор. Пакет поддерживает слои, в т.ч. векторные и текстовые, цветовые модели RGB и CMYK, множество растровых форматов.

PhotoDraw 2000 – продукт фирмы Microsoft. По заявлениям производителя ни в чем не уступает Adobe Photoshop. Поддерживает форматы CDR и PSD, что дает возможность использовать их обширные библиотеки. Есть GIF аниматор.

Список подобных программ создания и редактирования растровой графики может быть продолжен.

5. Сжатие данных

5.1. Групповое кодирование (сжатие методом RLE)

Для уменьшения размеров графических файлов многие форматы используют алгоритмы сжатия данных. Объем файла растрового изображения весьма значительно возрастает при увеличении параметров пиксельного изображения. При этом также очевидно, что существует громадная избыточность данных, которая никак не улучшает качество, но требует большого расхода дисковой памяти. Выбор формата, использующего алгоритмы сжатия может сэкономить место на жестком диске или носителе для пере­дачи файла на другой компьютер.

В связи с этим были разработаны способы, позволяющие сжимать графическую информацию и уменьшать объемы хотя бы на этапе ее передачи и хранения. Ведь эмпирический закон гласит, что дискового пространства всегда не хватает (сколько бы его ни было).

В этой области компьютерной теории разработаны два основных способа уменьшения объема хранения:

сжатие без потерь (lossless), когда информация полностью восстанавливается;

сжатие с потерями (lossy), когда информация до сжатия и после сжатия отличается в определенной и регулируемой степени.

Когда говорят, что сжатие "без потерь", имеют в виду отсутствие информационных потерь, а именно: такие алгоритмы гарантируют, что после декомпрессии информация совпадет "бит в бит" с исходной.

И совсем другое дело, отсутствие потерь восприятия, когда зрителю кажется, что изображение совсем не отличается от исходного. На этом допущении основаны алгоритмы сжатия с потерями, т. е. файл после декомпрессии фактически не идентичен исходному, хотя при определенных условиях это и не слишком заметно.

Среди многочисленных существующих форматов хранения графических изображений невозможно выбрать самый лучший, что объясняется существенными различиями в их назначении. Таким образом, при выборе того или иного формата необходимо ориенти­роваться только на его соответствие выполняемой работе. В част­ности, форматы, предназначенные для подготовки изображений к печати, не подходят для размещения в Internet, и наоборот.

Растровые форматы устроены проще, чем векторные. Компьютер считывает информацию, хранящуюся в файле в следующей последовательности:

1. Определяется размер изображения.

2. Определяется размер пикселя, т.е. пространственное разрешение изображения.

3. Определяется глубина цвета (битовая глубина).

Теперь давайте подумаем как же и на чем можно экономить место при сжатии файлов. В некоторых файлах встречаются довольно длинные подцепочки одинаковых байтов. Представьте себе такой файл:

Aaaaabbbccccccccccccccadddddddddddddddd

Файл занимает на диске 39 Byte. Очевидно, что информация в файле несколько избыточна и хранение файла в таком виде не оправдано. Совсем другое дело, если файл будет выглядеть так:

5a3b14ca16d

В таком случае файл будет занимать всего 11 byte. В итоге файл можно записать экономичнее в 39/11=3,5 раза. На этом же примере можно описать еще один способ экономии дискового пространства. Как видно файл состоит всего из четырех символов. Если сопоставить каждому из них пару битов, то получим:

a - "00", b - "01", c - "10", d - "11".

Иными словами файл можно закодировать таким образом, что каждый из символов будет кодироваться не восемью, а двумя битами. И тогда экономия будет четырехкратной (8/2=4). Следует заметить, что этот вариант алгоритма более общий, и одинаково эффективен, даже если в файле нет ни одной однородной подцепочки. Итак, если вы вникли в суть приведенных примеров, то вам в общих чертах должны быть понятны идеи, согласно которым происходит сжатие файлов. Заметьте, что, зная, каким именно правилом руководствовались при сжатии, архивы можно будет распаковать и получить исходные файлы. Это варианты архивации без потери качества (они обратимы).

Сжатие RLE (Run Length Encoding) хорошо работает с изображениями, содержащими ограниченное число цветов и большие области однотонной закраски. Алгоритм рассчитан на деловую или декоративную графику. Плохо сжимает "фотореалистичные" изображения.

Достоинством такого алгоритма является простота (что очень важно, т. к. позволяет выполнять процедуры компрессии и декомпрессии достаточно быстро). Недостатками являются - необходимость различать собственно данные и числа повторений, а также возможное увеличение объема файла, если в документе мало повторений (например, серия АВСАВС не уменьшит, а увеличит объем документа, поскольку будет иметь следующий вид: 1А1В1С1А1В1С, т. е. вместо 6 символов получится вдвое больше).