3.4. Технологии статических изображений

С 80-х гг. бурно развивается технология обработки на компьютере графической информации. Компьютерная графика широко используется в компьютерном моделировании в научных исследованиях, компьютерных тренажерах, компьютерной анимации, деловой графике, играх и т. д.

3.4.1.Растровая и векторная информация

Существуют два основных принципа формирования изображения. Первый – путем нанесения на поверхность рисунка совокупности точек разного цвета, плотности, яркости (как это и происходит в цветной или черно-белой полиграфии), второй – путем вычерчивания и заштриховывания (графика или гравюра).

Оба эти подхода сохранились и в компьютерную эру, только точечное изображение получило наименование растрового (впрочем, как это и было у печатников – рис 3.7, а), рисованное – векторного (рис. 3.8, б). Кроме того, компьютериза­ция сама предложила ряд новых подходов к графике, например, фрактальный.

Фрактал – это объект, отдельные элементы которого наследуют свойства родительских структур. Фракталы позволяют детально описывать крупные классы изображений с расходованием относительно малого количества памяти, однако к изображениям вне этих классов фракталы плохо применимы.

Векторное представление легко масштабируется (рис. 3.7, б), что и используется в форматах документов PostScript, PDF и пр. Поэтому перед разработчиками информационных систем стоит важная проблема – векторизация растрового изображения (рис. 3.7, в). Этот процесс называется трассировкой.

а)
б)	г)

Рис. 3.7. Эффект масштабирования растрового изображения (число пикселей не изменяется, форматы типа jpeg, gif, png) (а); масштабирование векторного изображения (формат svg) (б); векторизация растрового изображения (в)

3.4.2. Схемы цветообразования

Цвета одних объектов человек ощущает потому, что они излучают свет, а других – потому, что они его отражают. Когда предметы излучают свет, они приобретают тот цвет, который мы видим. Когда они отражают свет (бумага, например), их цвет определяется цветом падающего на них света и цветом, который эти объекты отражают.

Противоположные способы генерации цвета мониторов и принтеров часто являются причиной искажения экранных цветов при печати (и наоборот). Для того чтобы получать предсказуемые результаты на экране и печати, следует хорошо представлять структуру двух систем представления цветов в компьютере – аддитивной и субтрактивной.

Аддитивные и субтрактивные цвета. Аддитивный цвет (от англ. add – суммировать, складывать) образуется при соединении лучей света разных цветов. В этой системе (модели RGB) используются три основных цвета – красный, зеленый и синий (RGB – Red, Green, Blue). Если их смешать друг с другом в равной пропорции, они образуют белый цвет, а при смешивании в разных пропорциях – любой другой, отсутствие же всех основных цветов представляет черный цвет. Система аддитивных цветов работает с излучаемым светом, например от монитора компьютера.

Комбинируя различные значения основных цветов, можно создать любой оттенок из более 16 млн цветов, доступных в RGB.

Лампа сканера светит на поверхность захватываемого изображения (или сквозь слайд), затем отраженный или прошедший через слайд свет с помощью системы зеркал попадает на чувствительные датчики, которые передают данные в компьютер также в системе RGB. Система RGB адекватна цветовому восприятию человеческого глаза, рецепторы которого тоже настроены на красный, зеленый и синий цвета.

В системе субтрактивных цветов (от англ. subtract – вычитать) происходит обратный процесс – вы получаете какой-либо цвет, вычитая другие цвета из общего луча отраженного света. В этой системе белый цвет появляется в результате отсутствия всех цветов, тогда как их присутствие дает черный цвет. Система субтрактивных цветов работает с отраженным светом, например от листа бумаги. Белая бумага отражает все цвета, ок­рашенная – некоторые поглощает, а остальные отражает.

В этом случае основными являются голубой, пурпурный и желтый цвета (CMY), противоположные красному, зеленому и синему. Когда эти цвета смешиваются на белой бумаге в равной пропорции, получается черный цвет. Вернее, предполагается, что должен получиться черный цвет. В действительности типографские краски поглощают свет не полностью и поэтому комбинация трех основных цветов выглядит темно-коричневой. Чтобы исправить возникающую неточность, для представления тонов черного цвета принтеры добавляют немного черной краски. Систему цветов, основанную на таком процессе четырехцветной печати, принято обозначать аббревиатурой CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, Black).

Цвет в CMYK может быть описан совокупностью четырех чисел (или цветовыми координатами), каждое из которых представляет собой процент краски основных цветов, составляющий цветовую комбинацию. Например, для получения темно-оранжевого цвета следует смешать 30 % краски cyan, 45 % magenta, 80 % yellow и 5 % black, тогда этот цвет можно закодировать следующим образом – (30, 45, 80, 5), ИЛИ же C30M45Y80K5.

Схема YUV. Исследования показали, что глаз человека более восприимчив к яркости, чем к цветам. Это использовано в телевизионном методе YUV для кодирования изображений, при котором интенсивность обрабатывается независимо от цвета. Сигнал Y предназначен для передачи интенсивности и измеряется в максимальном разрешении, в то время как U и V – для цветовых сигналов различия.

При YUV-представлении видеосигнала цветоразностные компоненты U и V передаются с вдвое меньшим разрешением (частота дискретизации у сигнала яркости в 4 раза больше основ­ной частоты в 3 МГц, а у цветоразностных – в 2 раза). Обычно при характеристике устройств ввода такую оцифровку называют половинным разрешением (или YUV 4:2:2). Запись 4:1:1 (разрешение одной четверти YUV 4:1:1) означает в 4 раза меньшую частоту выборки, что приводит к потере качества изображения. Запись 8:8:8 означает представление и оцифровку видеосигнала как RGB-составляющих с наилучшим качеством.

Перевод в цифровую форму сигнала YUY вместо RGB требует 16 битов (2 байта) вместо 24 битов (3 байта), чтобы представить точный цвет, так что одна секунда видеоформата PAL требует приблизительно 22 Мбайта.

Цветовые модели HSB и HSL. Системы цветов RGB и CMYK базируются на ограничениях, накладываемых аппаратным обеспечением (мониторами и сканерами в случае с RGB и типографскими красками в случае со CMYK). Более логичным способом описания цвета является представление его в виде тона, насыщенности и яркости – система HSB. Она же известна как систе­ма HSL (тон, насыщенность, освещенность).

HSB имеет перед другими системами важное преимущество: она больше соответствует природе цвета, хорошо согласуется с моделью восприятия цвета человеком. Многие оттенки можно быстро и удобно получить в HSB, конвертировав затем в RGB или CMYK, доработав в последнем случае, если цвет был искажен.

Цветовая модель Grayscale. Цветовая модель Grayscale представляет собой ту же индексированную палитру, где вместо цвета пикселям назначена одна из 256 градаций серого.