Кодирование графической информации _часть 1_

КОДИРОВАНИЕ ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Существует два способа кодирования графической информации двоичным кодом: растровый и векторный.

РАСТРОВАЯ ГРАФИКА

Растровое кодирование — это представление изображения в виде прямоугольной матрицы точек (пикселов).

Пример изображения в виде прямоугольной матрицы точек:

Основным элементом растровой графики является точка (пик-

сел).

Основными характеристиками растрового изображения являют-

ся:

пространственное разрешение

цветовое разрешение.

Пространственное разрешение характеризует количество пикселов, составляющих изображение. Оно показывает количество пикселов по горизонтали и вертикали, например 1280 1024 точек, или может показывать количество точек на единицу длину, например 300 dpi (dots per inch — точек на дюйм).

Цветовое разрешение (другое название, глубина цвета) показывает количество бит, выделенное на кодирование цвета одного пиксела.

Цвет каждой точки можно выразить целыми неотрицательными числами. Если речь идёт о чёрно-белом изображении, то целое неотрицательное число выражает яркость точки: от 0 (чёрный цвет) до Max (белый цвет). Максимальное значение пиксела Max зависит от цветового разрешения. Пусть цветовое разрешение составляет x бит на пиксел. Тогда число различных цветов (или значений яркости для чёрно-белого изображения) составляет 2x , а Max 2x 1.

3

Если в изображении использованы только чёрный и белый цвета, то для кодирования одного пиксела достаточно выделить 1 бит памяти (глубина цвета: 1 бит на пиксел, возможные значения каждого пиксела: 0 и 1, Max 1).

Общепринятым на сегодняшний день считается представление чёрно-белых иллюстраций с 256 градациями серого цвета (глубина цвета: 8 бит на пиксел, возможные значения каждого пиксела: 0..255,

Max 255).

Для кодирования цветных изображений произвольный цвет раскладывается на цветовые составляющие. Способ разделения цветового оттенка на составляющие компоненты называется цветовой моделью. Существует несколько цветовых моделей. В качестве основных можно выделить две: RGB и CMYK.

Цветовая модель RGB применяется во всех устройствах, где изображение рассматривается в проходящем свете («на просвет»): мониторах, телевизорах, слайд-проекторах и т.д.

Согласно данной модели произвольный цвет раскладывается на так называемые основные (первичные1) цвета:

красный (Red),

зелёный (Green),

синий (Blue).

Эта модель является аддитивной (суммирующей). Считается, что при наложении цветовых составляющих друг на друга происходит складывание яркостей, т.е. яркость суммарного цвета увеличивается. Иначе говоря, чем больше интенсивности компонентов, тем более светлым получается оттенок цвета. При наиболее удобном для компьютера способе кодирования для задания интенсивности каждого из основных цветов выделяется 1 байт (режим кодирования True Color). В этом случае интенсивность каждого компонента можно выразить числом от 0 до 255. Примеры кодирования цветов по модели RGB приведены в таблице 1.

1 Такое название эти цвета получили потому, что они взяты из видимого спектра света. Если разделить видимый спектр света на 3 равные части, то их можно условно классифицировать как красную, зелёную и синию.

4

Цветовыми составляющими модели CMYK являются так называемые дополнительные (вторичные2) цвета, а также чёрный цвет.

Дополнительные цвета:

Cyan (голубой3) = белый – Red = Green + Blue; Magenta (пурпурный4) = белый – Green = Red + Blue; Yellow (жёлтый) = белый – Blue = Red + Green.

Зная эти соотношения, можно понять, как получить RGB-коды дополнительных цветов (см. таблицу 2).

Таблица 2

Теоретически смешением трёх основных или трёх дополнительных цветов в равных долях и при максимуме интенсивностей образуется чёрный цвет. Однако на практике результат оказывается неприемлимым — получается неопределённый тёмный цвет с оттенком коричневого5. Поэтому в рассматриваемую модель добавлен четвёртый компонент — чёрный цвет (blacK6).

Если бы не проблемы со спектральной частотой красителей, то для печатающих устройств можно было бы использовать модель CMY (без четвёртого компонента — чёрного цвета). Получить CMYкод цвета по известному RGB-коду очень легко: достаточно просто вычесть значения интенсивностей основных цветов из максимального значения интенсивности (в режиме True Color из 255). Получить же CMYK-код цвета очень трудно, для этого применяются сложные ма-

2Дополнительными эти цвета называются потому, что дополняют основные цвета до белого. А поскольку они образуются из первичных, их называют вторичными.

3Иногда этот цвет называют бирюзовым.

4Иногда этот цвет называют лиловым.

5Это связано с тем, что компоненты модели CMYK описывают реальные красители, которые всегда содержат примеси, т.е. не обладают спектральной частотой.

6Кроме версии, что буква «K» в названии модели CMYK это последняя буква слова «black» (чёрный), в связи с тем, что первая буква «b» уже «занята» в модели RGB как первая буква слова «blue» (синий), существует и другая версия. Чёрный цвет играет в полиграфии очень важную, ключевую роль, поэтому иногда объясняют букву «K» в названии модели как первую букву слова «key» (ключ).

6

тематические алгоритмы. Поэтому понимать (и запоминать) CMYKкоды от студентов, изучающих базовый курс информатики, не требуется. Несколько таких кодов приведены в таблице 3 просто для иллюстрации.

Таблица 3

Простейшим графическим редактором растровой графики является стандартная программа Windows MS Paint.

Широкое распространение получил профессиональный растровый графический редактор Adobe Photoshop.

Многие функции Adobe Photoshop реализованы в свободно распространяемом программном продукте Artweaver.

Достоинства растровой графики:

1. Возможность относительно простого представления фотореалистичных изображений Фотография или картина художника — это сложное изображе-

ние с большим количеством цветов. При использовании растрового способа кодирования изображение просто разбивается на отдельные

7

точки и сохраняется цвет каждой точки. Векторным способом описать такие изображения трудно и часто невозможно. Если же такую задачу удаётся решить, то объём памяти, требуемый для такого векторного изображения будет больше, чем у растрового.

2. Возможность автоматического ввода информации в растровый формат.

Относительная простота растрового представления изображений позволила сконструировать устройства для автоматического ввода графической информации в компьютер (сканеры, цифровые фото- и видеокамеры). При этом исходное изображение разбивается на маленькие области (дискреты), и каждая область представляется в памяти компьютера одной точкой с одним цветом.

Недостатки растровой графики:

1. Большие объёмы требуемой памяти.

Чем больше пространственное разрешение, тем больше деталей сохранено в цифровом изображении, т.е. компьютерное изображение будет более качественным, но тем больше памяти требуется для хранения изображения.

Чем больше цветовое разрешение, тем больше различных цветов может содержать изображение, но тем больше требуется памяти.

Если взять одно и то же не слишком сложное изображение (образованное простыми геометрическими фигурами, однородными заливками, возможно, содержащее текст) и закодировать его двумя способами: растровым и векторным, то окажется, что растровый вариант занимает гораздо больше памяти (в десятки, а иногда и в сотни раз больше). Рассмотрим, например, отрезок прямой линии. Чем длиннее и толще растровая линия, тем больше точек она содержит, и тем больше памяти для её хранения потребуется.

2. Трудности редактирования.

При увеличении растрового изображения происходит ухудшение качества, поскольку увеличиваются и элементы растра, составляющие изображение. Наклонные линии при этом выглядят как ступеньки лестницы. Такой эффект называется пикселизацией. Этот эффект можно наблюдать при увеличении изображений в MS Paint. В развитых растровых редакторах, таких как Adobe Photoshop, применяются специальные алгоритмы интерполяции для противодействия пикселизации. Эти алгоритмы при увеличении изображения добав-

8

ляют в него новые пикселы, значения которых (яркость для чёрнобелого изображения или цвет для цветного) рассчитываются по специальным формулам.

Рассмотрим другую проблему, связанную с редактированием. Пусть изображение содержит несколько простых геометрических объектов, перекрывающих друг друга. При растровом способе представления невозможно изменить относительное положение таких фигур, не «повредив» их. Это связано с тем, что растровое изображение для компьютера это набор точек, и не сохраняется сведений о том, какая точка принадлежит какой фигуре, составляющей изображение. В некоторых случаях повысить гибкость работы с отдельными фрагментами, составляющими изображение, удаётся за счёт использования нескольких слоёв. Такую возможность предоставляют развитые растровые редакторы, такие как Adobe Photoshop. Но за это приходится расплачиваться значительными дополнительными затратами памяти.

9