Особенности кодирования тона

Как правило, мы используем не монохромные (одноцветные) изображения, а изображения, имеющие множество оттенков.  Например, множество серых оттенков – в черно-белой фотографии. Если при кодировке такого изображения использовать всего лишь один бит (0), вместо фотографии мы получим гравюру или  штамп. Следовательно, каждый пиксель должен передавать больше двух уровней яркости, или одного бита, то есть для хранения информации об одном пикселе изображения потребуется не один, а несколько битов. Вспомним, что в двоичной системе n-разрядное двоичное число, состоящее из n бит, может передать 2n различных состояний. Таким образом, если выделить на каждый пиксель n бит памяти, то он сможет передать один из 2n уровней тона.

Таким образом, изображение может быть закодировано разным числом битов на один пиксель: а) 2 бита

на пиксель (22 = 4 уровня тона), б) 3 бита на пиксель (23 = 8 уровней тона), в) 4 бита на пиксель (24 = 16 уровней тона), г) 5 бит на пиксель (25 = 32 уровня тона). Чем больше битов описывает каждый пиксель, тем более гладкие тоновые переходы можно получить на цифровом изображении, тем больше оно похоже на исходное. Сколько же уровней тона (яркости) необходимо иметь, чтобы качественно передать все видимые оттенки серого: от абсолютно черного до абсолютно белого? Исследования показывают, что человек не различает границу между двумя участками изображения, если их тон отличается менее чем на 0,5 %. Таким образом, чтобы шкала яркостей выглядела гладкой, без резких тоновых переходов, необходимо наличие не менее 200 участков (уровней тона) от черного до белого (0,5 % = 1/200). Поскольку компьютер работает в двоичной системе счисления, берется ближайшее большее двоичное число 25= 256. То есть, чтобы получить качественное изображение, в котором будут присутствовать все оттенки серого, необходимо выделить для кодирования тона не менее 8 бит (1 байт) на каждый пиксель. Значит, чтобы его хранить, потребуется в 8 раз больше памяти, чем для изображения с двумя уровнями яркости. Итак, для качественной передачи, хранения и визуализации одного пикселя полутонового изображения потребуется 1 байт.

Формирование цвета в модели изображения

В компьютерной графике используют два принципиально разных подхода к формированию цвета в модели изображения: индексирование и суммирование цветовых составляющих. При индексировании цвета вместе с изображением хранят специальную таблицу цветов (color table), или цветовую палитру, а каждый пиксель содержит номер (индекс) цвета из этой таблицы. От размера палитры зависит не только объем графического файла, но и качество передачи цвета, а значит – качество изображения. Из-за недостаточного количества цветов на изображении появляются зоны «пропадания» цвета. Качество цветового представления модели при данном способе отличается от исходного изображения. Способ формирования видимого цвета путем суммирования цветовых составляющих известен со времен Ньютона (XVII в.). Его опыты со стеклянной призмой по разложению солнечного света на спектральные составляющие, а также обратному их суммированию описаны в школьном учебнике по физике. Чтобы запомнить цвета спектра (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый), используется фраза «каждый охотник желает знать, где сидит фазан». В XIX в. Гельмгольц выяснил, что белый цвет (White) также можно получить, сложив три базовых цвета, а именно красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue), при максимальной интенсивности их излучения. Отсутствие всех составляющих образует черный цвет (BlacK). Попарное суммирование позволяет получить промежуточные цвета: R + G = Y – красный и зеленый дают желтый (Yellow); G + В = С – зеленый и синий дают голубой (Cyan); В + R = М – синий и красный дают пурпурный (Margenta).