Какое изображение представляется в виде матрицы каждая ячейка которой является пикселем

Обновлено: 03.07.2024

Компьютерное растровое изображение представляется в виде прямоугольной матрицы, каждая ячейка которой представлена цветной точкой.

Основой растрового представления графики является пиксель (точка) с указанием ее цвета. При описании, например, красного эллипса на белом фоне необходимо указать цвет каждой точки эллипса и фона. Изображение представляется в виде большого количества точек - чем их больше, тем визуально качественнее изображение и больше размер файла. Т. е. одна и даже картинка может быть представлена с лучшим или худшим качеством в соответствии с количеством точек на единицу длины - разрешением (обычно, точек на дюйм - dpi или пикселей на дюйм - ppi).

Растровые изображения напоминают лист клетчатой бумаги, на котором любая клетка закрашена либо черным, либо белым цветом, образуя в совокупности рисунок. Пиксел - основной элемент растровых изображений. Именно из таких элементов состоит растровое изображение, т. е. растровая графика описывает изображения с использованием цветных точек (пиксели), расположенных на сетке.

При редактировании растровой графики Вы редактируете пиксели, а не линии. Растровая графика зависит от разрешения, поскольку информация, описывающая изображение, прикреплена к сетке определенного размера. При редактировании растровой графики, качество ее представления может измениться. В частности, изменение размеров растровой графики может привести к «разлохмачиванию» краев изображения, поскольку пиксели будут перераспределяться на сетке. Вывод растровой графики на устройствах с более низким разрешением, чем разрешение самого изображения, понизит его качество.

Кроме того, качество характеризуется еще и количеством цветов и оттенков, которые может принимать каждая точка изображения. Чем большим количеством оттенков характеризуется изображения, тем большее количество разрядов требуется для их описания. Красный может быть цветом номер 001, а может и - 00000001. Таким образом, чем качественнее изображение, тем больше размер файла.

Растровое представление обычно используют для изображений фотографического типа с большим количеством деталей или оттенков. К сожалению, масштабирование таких картинок в любую сторону обычно ухудшает качество. При уменьшении количества точек теряются мелкие детали и деформируются надписи (правда, это может быть не так заметно при уменьшении визуальных размеров самой картинки - т. е. сохранении разрешения). Добавление пикселей приводит к ухудшению резкости и яркости изображения, т. к. новым точкам приходится давать оттенки, средние между двумя и более граничащими цветами.

С помощью растровой графики можно отразить и передать всю гамму оттенков и тонких эффектов, присущих реальному изображению. Растровое изображение ближе к фотографии, оно позволяет более точно воспроизводить основные характеристики фотографии: освещенность, прозрачность и глубину резкости.

Чаще всего растровые изображения получают с помощью сканирования фотографий и других изображений, с помощью цифро вой фотокамеры или путем «захвата» кадра видеосъемки. Растровые изображения можно получить и непосредственно в программах растровой или векторной графики путем преобразовании векторных изображений.

Распространены форматы .tif, .jpg, .jpg, .jpg, .bmp, .pcx и др.

Растровые представления изображений

Пиксел - основной элемент растровых изображений. Именно из таких элементов состоит растровое изображение.

Цифровое изображение - это совокупность пикселей. Каждый пиксел растрового изображения характеризуется координатами хиу и яркостью V(x,y) (для черно-белых изображений). Поскольку пикселы имеют дискретный характер, то их координаты - это дискретные величины, обычно целые или рациональные числа. В случае цветного изображения, каждый пиксел характеризуется координатами х и у, и тремя яркостями: яркостью красного, яркостью синего и яркостью зеленого цветов (VjR, VB, VG). Комбинируя данные три цвета можно получить большое количество различных оттенков.

Заметим, что в случае, если хотя бы одна из характеристик изображения не является числом, то изображение относится к виду аналоговых. Примерами аналоговых изображений могут служить га-лограмы и фотографии. Для работы с такими изображениями существуют специальные методы, в частности, оптические преобразования. В ряде случаев аналоговые изображения переводят в цифровой вид. Эту задачу осуществляет Image Processing.

Цвет любого пиксела растрового изображения запоминается с помощью комбинации битов. Чем больше битов для этого используется, тем больше оттенков цветов можно получить. Под градацию яркости обычно отводится 1 байт (256 градаций), причем 0 - черный цвет, а 255 - белый (максимальная интенсивность). В случае цветного изображения отводится по байту на градации яркостей всех трех цветов. Возможно кодирование градаций яркости другим количеством битов (4 или 12), но человеческий глаз способен различать только 8 бит градаций на каждый цвет, хотя специальная аппаратура может потребовать и более точную передачу цветов. Цвета, описываемые 24 битами, обеспечивают более 16 миллионов доступных цветов и их часто называют естественными цветами.

В цветовых палитрах каждый пиксел описан кодом. Поддерживается связь этого кода с таблицей цветов, состоящей из 256 ячеек. Разрядность каждой ячейки- 24 разряда. На выходе каждой ячейки по 8 разрядов для красного, зеленого и синего цветов.

Цветовое пространство, образуемое интенсивностями красного, зеленого и синего, представляют в виде цветового куба (рис. 21).

Рис. 21. Цветовой Куб

Вершины куба А, В, С являются максимальными интенсивностями зеленого, синего и красного соответственно, а треугольник, которые они образуют, называется треугольником Паскаля. Периметр этого треугольника соответствует максимально насыщенным цветам. Цвет максимальной насыщенности содержит всегда только две компоненты. На отрезке OD находятся оттенки серого, причем тока О соответствует черному, а точка D белому цвету.

Виды растров

Растр - это порядок расположения точек (растровых элементов). На рис. 22 изображен растр, элементами которого являются квадраты, такой растр называется прямоугольным, именно такие растры наиболее часто используются.

Рис. 22. Растр, элементами которого являются квадраты

Хотя возможно использование в качестве растрового элемента фигуры другой формы: треугольника, шестиугольника; соответствующего следующим требованиям:

- все фигуры должны быть одинаковые;
- должны полностью покрывать плоскость без наезжания и дырок.

Так в качестве растрового элемента возможно использование равностороннего треугольника (рис. 23), правильного шестиугольника (гексаэдра) - рис. 24. Можно строить растры, используя неправильные многоугольники, но практический смысл в подобных растрах отсутствует.

Рис. 23. Треугольный растр

Рис. 24. Гексагональный растр

Рассмотрим способы построения линий в прямоугольном и гексагональном растре.

В прямоугольном растре построение линии осуществляется двумя способами:

1) результат - восьмисвязная линия. Соседние пиксели линии могут находится в одном из восьми возможных (рис. 25 а) положениях. Недостаток - слишком тонкая линия при угле 45 градусов;
2) результат - четырехсвязная линия. Соседние пиксели линии могут находится в одном из четырех возможных (рис. 25 б) положениях. Недостаток - избыточно толстая линия при угле 45 градусов.

Рис. 25. Построение линии в прямоугольном растре

В гексагональном растре линии шестисвязные (рис. 26) такие линии более стабильны по ширине, т. е. дисперсия ширины линии

меньше, чем в квадратном растре.

Рис. 26. Построение линии в гексагональном растре

Одним из способов оценки растра является передача по каналу связи кодированного, с учетом используемого растра, изображения с последующим восстановлением и визуальным анализом достигнутого качества. Экспериментально и математически доказано, что гексагональный растр лучше, т.к. обеспечивает наименьшее отклонение от оригинала. Но разница не велика.

Моделирование гексагонального растра. Возможно построение гексагонального растра на основе квадратного. Для этого гексаугольник представляют в виде прямоугольника.

Достоинства и недостатки растровой графики

Достоинства. Растровая графика эффективно представляет реальные образы. Реальный мир состоит из миллиардов мельчайших объектов и человеческий глаз как раз приспособлен для восприятия огромного набора дискретных элементов, образующих предметы. На своем высшем уровне качества - изображение выглядят вполне реально подобно тому, как выглядят фотографии в сравнении с рисунками. Это верно только для очень детализированных изображений, обычно получаемых сканированием фотографий. Помимо естественного вида растровые изображения имеют другие преимущества. Устройства вывода, такие как лазерные принтеры, для создания изображений используют наборы точек. Растровые изображения могут быть очень легко распечатаны на таких принтерах, потому что компьютерам легко управлять устройством вывода для представления отдельных пикселов с помощью точек.

Недостатки. Растровые изображения занимают большое количество памяти. Существует так же проблема редактирования растровых изображений, так как большие растровые изображения занимают значительные массивы памяти, то для обеспечения работы функций редактирования таких изображений потребляются так же значительные массивы памяти и другие ресурсы компьютера.

О сжатии растровой графики

Иногда характеристики растрового изображения записывают в такой форме: 1024 х 768 х 24. Это означает, что ширина изображения равна 1024 пикселям, высота - 768 и глубина цвета равна 24. 1024 х 768 - рабочее разрешение для 15-17-дюймовых мониторов. Несложно догадаться, что размер несжатого изображения с такими параметрами будет равен 1024 х 768 х 24 = 18 874 368 байт. Это более 18 мегабайт - слишком много для одной картинки, особенно если требуется хранить несколько тысяч таких картинок - это не так уж много по компьютерным меркам. Вот почему компьютерную графику используют почти всегда в сжатом виде.

RLE (Run Length Encoding) - метод сжатия, заключающийся в поиске последовательностей одинаковых пикселей в сточках растрового изображения («красный, красный, . красный» записывается как «N красных»).

LZW (Lempel-Ziv-Welch) - более сложный метод, ищет повторяющиеся фразы - одинаковые последовательности пикселей разного цвета. Каждой фразе ставится в соответствие некоторый код, при расшифровке файла код замещается исходной фразой.

При сжатии файлов формата JPEG (с потерей качества) изображение разбивается на участки 8x8 пикселей, и в каждом участке их значение усредняется. Усреднённое значение располагается в левом верхнем углу блока, остальное место занимается меньшими по яркости пикселями. Затем большинство пикселей обнуляются. При расшифровке нулевые пиксели получают одинаковый цвет. Затем к изображению применяется алгоритм Хаффмана.

Алгоритм Хаффмана основан на теории вероятности. Сначала элементы изображения (пиксели) сортируются по частоте встречаемости. Затем из них строится кодовое дерево Хаффмана. Каждому элементу сопоставляется кодовое слово. При стремлении размера изображения к бесконечности достигается максимальность сжатия. Этот алгоритм также используется в архиваторах.

Сжатие применяется и для векторной графики, но здесь уже нет таких простых закономерностей, так как форматы векторных файлов достаточно сильно различаются по содержанию.

Форматы растровых графических файлов

GIF - формат, использующий алгоритм сжатия без потерь информации LZW. Максимальная глубина цвета - 8 бит (256 цветов). В нём также есть возможность записи анимации. Поддерживает прозрачность пикселей (двухуровневая - полная прозрачность, либо полная непрозрачность). Данный формат широко применяется при создании Web-страниц. GIF-формат позволяет записывать изображение «через строчку», благодаря чему, имея только часть файла, можно увидеть изображение целиком, но с меньшим разрешением. Его выгодно применять для изображений с малым количеством цветов и резкими границами (например, для текстовых изображений).

JPEG (JPG) - формат, использующий алгоритм сжатия с потерями информации, который позволяет уменьшить размер файла в сотни раз. Глубина цвета - 24 бит. Не поддерживается прозрачность пикселей. При сильном сжатии в области резких границ появляются дефекты. Формат JPEG хорошо применять для сжатия полноцветных фотографий. Учитывая то, что при повторном сжатии происходит дальнейшее ухудшение качества, рекомендуется сохранять в JPEG только конечный результат работы. JPEG широко применяется при создании Web-страниц, а также для хранения больших коллекций фотографий.

Сравнение GIF и JPEG:

- GIF - формат удобен при работе с рисованными картинками;
- JPEG - формат лучше использовать для хранения фотографий и изображений с большим количеством цветов;
- для создания анимации и изображений с прозрачным фоном применяется GIF-формат.

BMP - это формат графического редактора Paint. В нём не применяется сжатие. Он хорошо подходит для хранения очень маленьких изображений - таких как иконки на рабочем столе. Большие же файлы в этом формате занимают слишком много места.

PNG - разработан с целью заменить формат GIF. Использует алгоритм сжатия Deflate без потерь информации (усовершенствованный LZW). Максимальная глубина цвета - 48 бит. Поддерживает каналы градиентных масок прозрачности (256 уровней прозрачно сти). PNG - относительно новый формат, и поэтому ещё не очень распространён. В основном используется в Web-дизайне. К сожалению, даже в некоторых современных браузерах (таких, как Internet Explorer 6) отсутствует поддержка прозрачности PNG и поэтому не рекомендуется использовать прозрачные PNG изображения на Web-страницах.

TIFF - формат, специально разработанный для сканированных изображений. Может использовать алгоритм сжатия без потерь информации LZW. Позволяет сохранять информацию о слоях, цветовых профилях(1СС-профилях) и каналах масок. Поддерживает все цветовые модели. Аппаратно независим. Используется в издательских системах, а также для переноса графической информации между различными платформами.

PSD - формат графического редактора Adobe Photoshop. Использует алгоритм сжатия без потерь информации RLE. Позволяет сохранять всю информацию, создаваемую в этой программе. Кроме этого, в связи с популярностью Photoshop, данный формат поддерживается практически всеми современными редакторами компьютерной графики. Его удобно использовать для сохранения промежуточного результата при работе в Photoshop и других растровых редакторах.

RIFF - формат графического редактора Corel Painter. Позволяет сохранять всю информацию, создаваемую в этой программе. Его следует использовать для сохранения промежуточного результата при работе в Painter.

Компьютерная графика – это совокупность методов и приемов для преобразования при помощи ЭВМ данных в графическое представление или графического представления в данные.

Конечным продуктом компьютерной графики является изображение (графическая информация). Изображение можно разделить на:

Рисунок – графическая форма изображения, в основе которой лежит линия.

Чертеж – это контурное изображение проекции некоторых реально существующих или воображаемых объектов.

Картина – тоновое черно-белое или цветное изображение.

Разрешение изображения – свойство самого изображения. Оно измеряется в точках на дюйм (dpi) и задается при создании изображения в графическом редакторе или с помощью сканера. Значение разрешения изображения хранится в файле изображения и неразрывно связано с другим свойством изображения – его физическим размером.

Физический размер изображения . Может измеряться как в пикселях, так и в единицах длины (миллиметрах, сантиметрах, дюймах). Он задается при создании изображения и хранится вместе с файлом.

ВИДЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ

Различают три вида компьютерной графики. Это растровая графика , векторная графика и фрактальная графика . Они отличаются принципами формирования изображения при отображении на экране монитора или при печати на бумаге.

Растровая графика

Растровый метод – изображение представляется в виде прямоугольной матрицы, каждая ячейка которой представлена цветной точкой.

Растровые изображения состоят из прямоугольных точек – растр. Растровые изображения обеспечивают максимальную реалистичность, поскольку в цифровую форму переводится каждый мельчайший фрагмент оригинала. В цифровом изображении каждая точка растра (пиксель) предоставлена единственным параметром – цветом. Такие изображения сохраняются в файлах гораздо большего объема, чем векторные, поскольку в них запоминается информация о каждом пикселе изображения, т.е. качество растровых изображений зависит от их размера.

Растровую графику применяют при разработке электронных (мультимедийных) и полиграфических изданий.

Достоинства растровой графики:

программная независимость (форматы файлов, предназначенные для сохранения точечных изображений, являются стандартными, поэтому не имеют решающего значения, в каком графическом редакторе создано то или иное изображение);

Недостатки растровой графики:

значительный объем файлов (определяется произведением площади изображения на разрешение и на глубину цвета (если они приведены к единой размерности);

принципиальные сложности трансформирования пиксельных изображений;

эффект пикселизации – связан с невозможностью увеличения изображения для рассмотрения деталей. Поскольку изображение состоит из точек, то увеличение приводит к тому, что точки становятся крупнее. Никаких дополнительных деталей при увеличении растрового изображения рассмотреть не удается, а увеличение точек растра визуально искажает иллюстрацию и делает ее грубой;

Векторная графика

Векторный метод – это метод представления изображения в виде совокупности отрезков и дуг и т. д. В данном случае вектор – это набор данных, характеризующих какой–либо объект.

Векторные изображения состоят из контуров. Контуры состоят из одного или нескольких смежных сегментов ограниченных узлами.

Сегменты могут иметь прямолинейную или криволинейную форму.

Замкнутые контуры могут иметь залив. Заливка может быть сплошная, градиентная, узорная, текстурная.

Любые контуры могут иметь обводку. Контур – понятие математическое и толщины он не имеет. Чтобы контур сделать видимым ему придают обводку – линию заданной толщины и цвета проведенную строго по контуру.

Векторные изображения строятся вручную, однако они могут быть также получены из растровых изображений с помощью трассировки.

Программные средства для работы с векторной графикой предназначены в первую очередь для создания иллюстраций и в меньшей степени для их обработки.

Такие средства широко используют в рекламных агентствах, дизайнерских бюро, редакциях и издательствах. Оформительские работы, основанные на применении шрифтов и простейших геометрических элементов, решаются средствами векторной графики много проще.

Достоинства векторной графики

полная свобода трансформации (изменение масштаба без потери качества и практически без увеличения размеров исходного файла);

небольшой размер файла по сравнению с растровым изображением;

прекрасное качество печати;

отсутствие проблем с экспортом векторного изображения в растровое;

объектно-ориентированный характер векторной графики (возможность редактирования каждого элемента изображения в отдельности);

Недостатки векторной графики

практически невозможно экспортировать из растрового формата в векторный (можно, конечно, трассировать изображение, хотя получить хорошую векторную картинку нелегко);

невозможно применение обширной библиотеки эффектов, используемых при работе с растровыми изображениями.

Сравнительная характеристика растровой и векторной графики

Критерий сравнения

Растровая графика

Векторная графика

Способ представления изображения

Растровое изображение строится из множества пикселей

Векторное изображение описывается в виде последовательности команд

Представление объектов реального мира

Растровые рисунки эффективно используются для представления реальных образов

Векторная графика не позволяет получать изображения фотографического качества

Качество редактирования изображения

При масштабировании и вращении растровых картинок возникают искажения

Векторные изображения могут быть легко преобразованы без потери качества

Особенности печати изображения

Растровые рисунки могут быть легко напечатаны на принтерах

Векторные рисунки иногда не печатаются или выглядят на бумаге не так, как хотелось бы

Фрактальная графика

Программные средства для работы с фрактальной графикой предназначены для автоматической генерации изображений путем математических расчетов. Создание фрактальной художественной композиции состоит не в рисовании или оформлении, а в программировании. Фрактальная графика , как и векторная – вычисляемая, но отличается от неё тем, что никакие объекты в памяти компьютера не хранятся. Изображение строится по уравнению (или по системе уравнений), поэтому ничего, кроме формулы, хранить не надо. Изменив коэффициенты в уравнении, можно получить совершенно другую картину. Способность фрактальной графики моделировать образы живой природы вычислительным путем часто используют для автоматической генерации необычных иллюстраций.

Фрактал – это геометрическая фигура, состоящая из частей и которая может быть поделена на части, каждая из которых будет представлять уменьшенную копию целого (по крайней мере, приблизительно)

Основное свойство фракталов — самоподобие. Любой микроскопический фрагмент фрактала в том или ином отношении воспроизводит его глобальную структуру. В простейшем случае часть фрактала представляет собой просто уменьшенный целый фрактал.

КЛАССЫ ПРОГРАММ ДЛЯ РАБОТЫ С РАСТРОВОЙ ГРАФИКОЙ

Средства создания изображений :

● графический редактор Paint , входящий в состав ОС Windows ;

Эти программы ориентированы непосредственно на процесс рисования. В них акцент сделан на использование удобных инструментов рисования и на создание новых художественных инструментов и материалов.

Средства обработки изображений :

Эти растровые графические редакторы предназначены не для создания изображений "с нуля", а для обработки готовых рисунков с целью улучшения их качества и реализации творческих идей. Исходный материал для обработки на компьютере может быть получен разными путями: сканирование иллюстрации, загрузка изображения, созданного в другом редакторе, ввод изображения от цифровой фото- или видеокамеры, использование фрагментов изображений из библиотек клипартов, экспортирование векторных изображений.

Средства каталогизации изображений :

Программы-каталогизаторы позволяют просматривать графические файлы множества различных форматов, создавать на жестком диске удобные альбомы, перемещать и переименовывать файлы, документировать и комментировать иллюстрации.

Средства создания и обработки векторных изображений

В тех случаях, когда основным требованием к изображению является высокая точность формы, применяют специальные графические редакторы, предназначенные для работы с векторной графикой. Такая задача возникает при разработке логотипов компаний, при художественном оформлении текста (например, журнальных заголовков или рекламных объявлений), а также во всех случаях, когда иллюстрация является чертежом, схемой или диаграммой, а не рисунком. Наиболее распространены следующие программы:

Особую группу программных средств, основанных на принципах векторной графики, составляют системы трехмерной графики: 3 D Studio Max , Adobe Dimension , LightWave 3 D , Maya , Corel Bryce , Blender .

Средства создания фрактальных изображений

Основным производителем программ фрактальной графики является компания Meta Creations . Наиболее известны программы, позволяющие создавать фрактальные объекты или использовать их в художественных композициях (для фона, заливок и текстур каких-либо объектов):

● Fractal Design Painter (Corel Painter);

● Fractal Design Expression;

● Fractal Design Detailer;

НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫЕ ФОРМАТЫ ГРАФИЧЕСКИХ ФАЙЛОВ

Формат хранения – это способ кодировки графического изображения.

Форматы хранения растровых изображений:

BMP (Windows Device Independent Bitmap). Наиболее распространенный формат файлов для растровых изображений в системе Windows . В файле этого формата сначала записывается палитра, если она есть, а затем растр в виде битового (а точнее, байтового) массива. В битовом массиве последовательно записываются байты строк растра. Число байтов в строке должно быть кратно четырем, поэтому если количество пикселов по горизонтали не соответствует такому условию, то справа в каждую строку дописывается некоторое число битов (выравнивание строк на границу двойного слова).

Формат служит для обмена растровыми изображениями между приложениями ОС Windows . Формат поддерживает большинство цветовых моделей, вплоть до 24-битного пространства RGB . Полиграфический стандарт CMYK не поддерживается. Сфера применения - электронные публикации.

Файлы в данном формате занимают значительный объем, для них характерно низкое качество изображений, выводимых на печать.

GIF ( CompuServeGraphics Interchange Format ). Формат поддерживает функции прозрачности цветов и некоторые виды анимации. Запись изображения происходит через строку, т.е. полукадрами, аналогично телевизионной системе развертки. Благодаря этому на экране сначала появляется картинка в низком разрешении, позволяющая представить общий образ, а затем загружаются остальные строки. Этот формат поддерживает 256 цветов. Один из цветов может получить свойство прозрачности благодаря наличию дополнительного двухбитового альфа-канала. Допускается включение в файл нескольких растровых изображений, воспроизводимых с заданной периодичностью, что обеспечивает демонстрацию на экране простейшей анимации.

Все данные в файле сжимаются методом Lempel - Ziv - Welch ( LZW ) без потери качества, что дает наилучшие результаты на участках с однородной заливкой.

Абсолютно новой функцией стала запись в файл информации о гамма-коррекции, т.е. поддержания одинакового уровня яркости изображения независимо от особенностей представления цвета в различных операционных системах и приложениях.

Применен усовершенствованный метод сжатия без потери информации Deflate . Новый метод сжатия позволил сократить объем файлов.

JPEG (Joint Photographic Expert Group). По существу является методом сжатия изображений с потерей части информации. Преобразование данных при записи происходит в несколько этапов. Независимо от исходной цветовой модели изображения все пикселы переводятся в цветовое пространство CIE LAB . Затем отбрасывается не менее половины информации о цвете, спектр сужается до палитры, ориентированной на особенности человеческого зрения. Далее изображение разбивается на блоки размером 8х8 пикселов. В каждом блоке сначала кодируется информация о "среднем" цвете пикселов, а затем описывается разница между "средним" цветом блока и цветом конкретного пиксела.

Применение компрессии JPEG позволяет до 500 раз уменьшить объем файла по сравнению с обычным bitmap . Вместе с тем искажение цветовой модели и деградация деталей не позволяют использовать этот формат для хранения изображений высокого качества.

PCD ( PhotoCD - Image Pac ). Разработан фирмой Kodak для хранения цифровых растровых изображений высокого качества. Файл имеет внутреннюю структуру, обеспечивающую хранение изображения с фиксированными величинами разрешений, и поэтому размеры любых файлов лишь незначительно отличаются друг от друга и находятся в диапазоне 4-5 Мбайт. Обеспечивает высокое качество полутоновых изображений.

PCX (PC Paintbrush File Format). Растровый формат. Впервые появился в программе PC Paintbrush для MS - DOS . После лицензирования программы Paintbrush для Windows стал использоваться рядом приложений Windows .

TIFF (Tagged Image File Format). Считается лучшим форматом для записи полутоновых изображений.

Формат распознается практически всеми графическими программами и позволяет хранить изображения высочайшего качества. Последние версии формата поддерживают несколько способов сжатия изображений: LZW (без потери информации), ZIP (без потери информации), JPEG (с потерей части информации). Универсальным считают метод сжатия LZW .

Эффективная работа с графикой подразумевает не только хорошее владение определенными графическими программами, средствами для создания и обработки изображений, но и требует конкретных знаний в области представления и хранения графической информации.

Если вы хотите создать рисунок, подготовить чертеж или, например, откорректировать фотографию, то наверняка столкнетесь с проблемой выбора правильного средства для достижения поставленной задачи и попытаетесь использовать имеющиеся возможности современных графических редакторов таким образом, чтобы достичь наиболее качественного результата.

Как кодируется и хранится в ЭВМ графическая иформация, что такое графический формат изображения и как он влиет на его качество и размер? На эти и многие другие вопросы вы найдете ответ в этом разделе учебного пособия.

Особенности графических форматов

Как вы уже знаете, любая информация , хранящаяся в файле, - это последовательность байт . Каждый байт может принимать значение от 0 до 255 (2 8 -1). Способ записи информации с помощью последовательности байт и называют форматом файла. То есть, графический формат - это способ записи графической информации.

Способ представления изображения оказывает влияние на возможности его редактирования, печати, на объем занимаемой памяти.

Векторный формат

Существуют два основных способа кодирования графической информации: векторный и растровый. При векторном, на котором мы сейчас не будем подробно останавливаться, рисунок представляется в виде комбинации простых геометрических фигур - точек, отрезков прямых и кривых, окружностей, прямоугольников и т. п. При этом для полного описания рисунка необходимо знать вид и базовые координаты каждой фигуры, например, координаты двух концов отрезка, координаты центра и диаметр окружности и т. д. Этот способ кодирования идеально подходит для рисунков, которые легко представить в виде комбинации простейших фигур, например, для технических чертежей.

Растровый формат

Растровый формат, с которым мы познакомимся подробнее, характеризуется тем, что все изображение по вертикали и горизонтали разбивается на достаточно мелкие прямоугольники - так называемые элементы изображения, или пикселы (от английского pixel - picture element ).

В файле, содержащем растровую графику , хранится информация о цвете каждого пиксела данного изображения. Чем меньше прямоугольники, на которые разбивается изображение, тем больше разрешение ( resolution ), то есть, тем более мелкие детали можно закодировать в таком графическом файле.

Размер ( size ) изображения, хранящегося в файле, задается в виде числа пикселов по горизонтали ( width ) и вертикали ( height ). Для примера, оптимальное разрешение 15-дюймового монитора, как правило, составляет 1024x768.

Глубина цвета

Кроме размера изображения, важной является информация о количестве цветов, закодированных в файле. Цвет каждого пиксела кодируется определенным числом бит ( bit ), то есть элементарных единиц информации, с которыми может иметь дело компьютер. Каждый бит может принимать два значения - 1 или 0. В зависимости от того, сколько бит отведено для цвета каждого пиксела, возможно кодирование различного числа цветов. Нетрудно сообразить, что если для кодировки отвести лишь один бит, то каждый пиксел может быть либо белым (значение 1), либо черным (значение 0). Такое изображение называют монохромным monochrome ).

Далее, если для кодировки отвести четыре бита, то можно закодировать 2 4 =16 различных цветов, отвечающих комбинациям бит от 0000 до 1111. Если отвести 8 бит - то такой рисунок может содержать 2 8 =256 различных цветов (от 00000000 до 11111111), 16 бит - 2 16 =65 536 различных цветов (так называемый High Color ). И, наконец, если отвести 24 бита, то потенциально рисунок может содержать 2 24 =16 777 216 различных цветов и оттенков - вполне достаточно даже для самого взыскательного художника! В последнем случае кодировка называется 24-bit True Color. Следует обратить внимание на слово "потенциально": даже если в файле и отводится 24 бита на каждый пиксел, это еще не означает, что вы действительно сможете насладиться такой богатой палитрой - ведь технические возможности мониторов ограничены.

RGB-модель

Способ разделения цвета на составляющие компоненты называется Цветовой моделью. В компьютерной графике применяются три цветовые модели: RGB, CMYK и HSB.

Наиболее распространенным способом кодирования цвета является модель RGB. При этом способе кодирования любой цвет представляется в виде комбинации трех цветов: красного ( Red ), зеленого ( Green ) и синего ( Blue ), взятых с разной интенсивностью. Интенсивность каждого из трех цветов - это один байт (т. е. число в диапазоне от 0 до 255), который хорошо представляется двумя 16-ричными цифрами (числом от 00 до FF). Таким образом, цвет удобно записывать тремя парами 16-ричных цифр, как это принято, например, в HTML-документах.

В языке гипертекстовой разметки документов HTML цвета можно задавать так: черный - 000000, белый - FFFFFF, желтый - FFFF00 и т. д.; чтобы получить более темный желтый цвет, надо одинаково уменьшить интенсивности красного и зеленого - A7A700.

Чем больше значение байта цветовой составляющей, тем ярче этот цвет. При наложении одной составляющей на другую яркость суммарного цвета также увеличивается.

Цветовая модель CMYK

Цветовая модель CMYK соответствует рисованию красками на бумажном листе и используется при работе с отраженным цветом, т. е. для подготовки печатных документов.

Цветовыми составляющими этой модели являются цвета: голубой ( Cyan ), лиловый ( Magenta ), желтый ( Yellow ) и черный ( Black ). Эти цвета получаются в результате вычитания основных цветов модели RGB из белого цвета. Черный цвет задается отдельно. Увеличение количества краски приводит к уменьшению яркости цвета.

Цветовая модель HSB

Системы цветов RGB и CMYK связаны с ограничениями, накладываемыми аппаратным обеспечением (монитор компьютера в случае RGB и типографские краски в случае CMYK ).

Цветовая модель HSB наиболее удобна для человека, т. к. она хорошо согласуется с моделью восприятия цвета человеком. Компонентами модели HSB являются:

тон ( Hue );
насыщенность ( Saturation );
яркость цвета ( Brightness )

Тон - это конкретный оттенок цвета. Насыщенность характеризует его интенсивность или чистоту. Яркость же зависит от примеси черной краски, добавленной к данному цвету.

Значение цвета выбирается как вектор, выходящий из центра окружности. Точка в центре соответствует белому цвету, а точки по границе окружности - чистым цветам. Направление вектора определяет цветовой оттенок и задается в угловых градусах. Длина вектора определяет насыщенность цвета. Яркость цвета задают на отдельной оси.

Особенности растровой графики

При оцифровке изображения оно делится на такие крошечные ячейки, что глаз человека их не видит, воспринимая все изображение как целое. Сама сетка получила название растровой карты, а ее единичный элемент называется пикселом.

Пикселы подобны зернам фотографии и при значительном увеличении они становятся заметными. Растровая карта представляет собой набор ( массив ) троек чисел: две координаты пиксела на плоскости и его цвет.

В отличие от векторных изображений, при создании объектов растровой графики математические формулы не используются, поэтому для синтеза растровых изображений необходимо задавать разрешение и размеры изображения.

Чаще всего растровые изображения получают с помощью сканирования фотографий и других изображений, с помощью цифровой фотокамеры или путем "захвата" кадра видеосъемки. Растровые изображения можно получить и непосредственно в программах растровой или векторной графики путем преобразовании векторных изображений.

Существует множество форматов файлов растровой графики , и каждый из них предусматривает собственный способ кодирования информации об изображении. Перечислим особенности лишь наиболее распространенных форматов.

Из большого числа форматов графических файлов в Интернете сейчас широко используются только два - GIF и JPEG . О них и поговорим подробнее.

GIF - формат

Популярный формат GIF разработан фирмой CompuServe , как не зависящий от аппаратного обеспечения. Он предназначен для хранения растровых изображений с сжатием. В одном файле этого формата может храниться несколько изображений. Обычно эта возможность используется для хранения анимированных изображений (как набор кадров).

GIF-формат позволяет записывать изображение "через строчку" ( Interlaced ), благодаря чему, имея только часть файла, можно увидеть изображение целиком, но с меньшим разрешением. Эта возможность широко применяется в Интернет. Сначала вы видите картинку с грубым разрешением, а по мере поступления новых данных ее качество улучшается. Основное ограничение формата GIF состоит в том, что цветное изображение может содержать не более 256 цветов. Для полиграфии этого явно недостаточно.

JPEG - формат

Формат файла JPEG ( Joint Photographic Experts Group - Объединенная экспертная группа по фотографии ) был разработан компанией C- Cube Microsystems, как эффективный метод хранения изображений с большой глубиной цвета, например, получаемых при сканировании фотографий с многочисленными едва уловимыми (а иногда и неуловимыми) оттенками цвета.

Самое большое отличие формата JPEG от других форматов состоит в том, что в JPEG используется алгоритм сжатия с потерями (а не алгоритм без потерь).

Алгоритм сжатия без потерь так сохраняет информацию об изображении, что распакованное изображение в точности соответствует оригиналу. При сжатии с потерями приносится в жертву часть информации об изображении, чтобы достичь большего коэффициента сжатия.

Сжатие, используемое в формате JPEG, необратимо искажает изображение. Это не заметно при его простом просмотре, но становится явным при последующих манипуляциях. Зато размер файла получается от 10 до 500 раз меньше, чем BMP! Если вы решили записать изображение в формате JPEG, то лучше выполнить все необходимые операции перед первой записью файла.

Основным элементом растрового изображения является точка. Точка на экране монитора называется пикселом.

Изображение, сформированное растровым методом, представляется в виде прямоугольной (в общем случае) матрицы, каждая ячейка которой представлена окрашенной точкой.

Таким образом, растровое изображение — это массив данных или структура, представляющая собой сетку (не всегда прямоугольную) пикселов или точек различного цвета на мониторе компьютера, бумаге и других отображающих устройствах и материалах.

Обработку растровых изображений на компьютере осуществляют с помощью специальных прикладных программ, называемых растровыми графическими редакторами.

Растровая графика создается с использованием цифровых фотокамер, сканеров, непосредственно в растровых графических редакторах, также путем экспорта из векторного графического редактора.

Характеристики растрового изображения. Основной характеристикой растрового изображения является разрешение. При этом различают:

• разрешение оригинала;
• разрешение экранного изображения;
• разрешение печатного изображения.

Разрешение оригинала. Разрешение оригинала измеряется в точках на дюйм (dots per inch — dpi) и зависит от требований к качеству изображения и размеру файла, способу оцифровки или методу создания исходной иллюстрации, избранному формату файла и другим параметрам. В общем случае действует правило: чем выше требования к качеству, тем выше должно быть разрешение оригинала. Это в конечном счете определяет требования к разрешению устройств, формирующих исходное растровое изображение (разрешению оцифровки), таких, как цифровая камера, сканер и т.п.

Например, для распечатки стандартного фотоснимка размером 10x15 см с разрешением, близким к качеству фотографии, полученной с помощью фотоэкспонирующего устройства (200—300 dpi), оригинал должен содержать 1000 X 1500 = = 1,5 млн точек (пикселов).

Учет указанного обстоятельства позволяет избежать нерационального использования памяти цифровой камеры за счет выбора требуемого разрешения при съемке.

Разрешение экранного изображения. Для экранных копий изображения элементарную точку растра, как отмечалось выше, принято называть пикселом. Размер пиксела варьируется в зависимости от выбранного экранного разрешения (из диапазона стандартных значений), разрешения оригинала и масштаба отображения.

Мониторы для обработки изображений с диагональю 20—21" (профессионального класса), как правило, обеспечивают стандартные экранные разрешения 640x480, 800x600, 1024 х 768,1280 х1024,1600 х 1200,1600 х1280,1920 х1200, 1920 х 1600 пикселов. Иногда для характеристики указывают общее количество пикселов, выраженное в мегапикселах. При этом разрешение экранного изображения также может быть различным.

У монитора с диагональю 15" размер изображения на экране составляет 210 х 280 мм. Зная, что в 1 дюйме 25,4 мм, можно рассчитать, что при работе монитора в режиме 800X600 разрешение экранного изображения составляет 75 ppi (пикселов на дюйм).

Для монитора современного ноутбука с диагональю 15,5" размер изображения составляет 195x345 мм. В этом случае при рабочем разрешении 1366x768 разрешение экранного изображения составляет 100 ppi.

В общем случае для воспроизведения экранной копии оригинала достаточно разрешения 75 dpi, для распечатки па цветном или лазерном принтере — 150—200 dpi, для вывода на фотоэкспонирующем устройстве — 200—300 dpi.

Разрешение печатного изображения. При распечатке растрового изображения размер точки изменяется и зависит от применяемого метода растрирования. Растрирование заключается в наложении на исходное изображение сетки, ячейки которой образуют элементы растра. При этом частота сетки определяет разрешение печатного изображения и выражается числом линий на дюйм (lines per inch — Ipi). Указанный параметр называется линиатурой.

Опытным путем установлено правило, что при распечатке твердой копии экранного изображения величина разрешения оригинала должна быть в 1,5 раза больше, чем линиа- тура растра устройства вывода. Если твердая копия должна быть увеличена по сравнению с оригиналом, то значение разрешения оригинала (разрешение сканирования) следует умножить на коэффициент масштабирования, рассчитанный как отношение соответствующих геометрических размеров оригинала и печатной копии.

Размер точки определяется для каждого элемента растра и зависит от интенсивности тона изображения, приходящегося па данный элемент. При этом большей интенсивности соответствует больший размер точки (более полное заполнение элемента растра). В случае абсолютно черного цвета ячейка растра заполняется практически полностью (на 98%). Белому цвету на практике соответствует 3%-ное заполнение.

Для формирования переходных тонов изображения применяются различные методы модуляции. Различают амплитудную, частотную и стохастическую модуляцию.

При использовании амплитудной модуляции изменение интенсивности тона достигается за счет изменения размера точки в каждом элементе растра при неизменном расстоянии между центрами точек (элементов растра).

Достоинством такого метода является простота реализации. Однако в этом случае в большей мере проявляется эффект пиксилизации при масштабировании (становятся видимыми элементы растра при увеличении изображения).

При частотной модуляции, напротив, неизменным является размер точек, а расстояние между точками и их количество в каждом элементе растра варьируется в зависимости от тона изображения.

Изображения, растрированные ЧМ-методом, выглядят более качественно, так как размер точек существенно меньше, чем средний размер точки при AM-растрировании (рис. 7.1).

Для получения более качественного изображения применяют метод стохастической модуляции. Однако указанный метод растрирования требует больших вычислительных за-

Рис. 7.1. Ячейка растра (а); 25%-ная амплитудная модуляция (б);

25%-ная частотная модуляция (в); 6,25%-ная амплитудная модуляция (г); 6,25%-ная частотная модуляция (б)

трат и предъявляет повышенные требования к полиграфическому оборудованию. В силу этого стохастическая модуляция применяется в основном для художественных работ при печати с числом красок более четырех.

При стохастическом растрировании в зависимости от требуемого тона изображения рассчитывается число точек, необходимое для его отображения. Расстояние и местоположение точек внутри ячейки растра определяются квази- случайным методом. При этом разрушается регулярная структура изображения и теряет смысл такая характеристика, как линиатура. В этом случае имеет смысл говорить лишь о разрешающей способности устройства вывода, выражающейся в количестве точек на дюйм.

Исходя из особенностей человеческого зрения, интенсивность тона принято подразделять на 256 уровней (большее число градаций человеческий глаз не воспринимает). Нижняя граница, обеспечивающая качественное полутоновое изображение, составляет 150 уровней градации тона. Очевидно, что для воспроизведения 256 уровней тона необходимо иметь размер ячейки растра 16x16 точек.

Число градаций уровней тона, линиатура растра и разрешение оригинала связаны между собой соотношением

где N — число градаций уровней тона; dpi — разрешение оригинала; Ipi — линиатура растра. Единица в формуле соответствует абсолютно белому цвету (рис. 7.2).

При распечатке изображений линиатура растра выбирается исходя из требуемого качества, возможностей оборудования и назначения печатного материала. При этом линиатура лазерных принтеров составляет 65—100 Ipi. Для газетного производства линиатура составляет 65—85 Ipi, для книжно- журнального — 85—133 Ipi, для художественных и рекламных работ — 133—300 Ipi.

При печати цветных изображений, как правило, используют наложения растров различного цвета друг на друга. При этом каждый последующий растр поворачивается на определенный угол (голубая печатная форма — на 105°, пурпурная — на 75°, желтая — на 90°, черная — на 45°). Вследствие этого ячейка растра становится косоугольной. Для учета косоугольное™ растра при вычислении требуемого разрешения оригинала применяют поправочный коэффициент, численно равный 1,06.

Для воспроизведения изображения, имеющего 256 градаций тона с линиатурой 150 Ipi, устройство печати должно обладать разрешением 16 х 150 = 2400 dpi. Однако, учитывая введенный поправочный коэффициент, получаем минимальное разрешение, равное 2400 х 1,06 = 2544 dpi.

Динамический диапазон. Для оценки качества воспроизведения тоновых изображений принято использовать ха-

Рис. 7.2. Связь числа градаций уровней тона, линиатуры растра и разрешения оригинала рактеристику, называемую динамическим диапазоном. Численно динамический диапазон определяется соотношениями:

— для оригиналов, просматриваемых «на просвет» (например слайдов);

— для оригиналов, просматриваемых в отраженном свете (фотографии, полиграфические отпечатки и т.п.).

Здесь тир — коэффициенты пропускания и отражения соответственно, определяемые выражениями:

где F₀ — падающий световой поток; 1 — пропущенный световой поток; F_p — отраженный световой поток.

Более высокому значению динамического диапазона соответствует большее числа полутонов в изображении, а значит, и лучше качество его восприятия.

Связь между параметрами изображения и размером файла. Средствами растровой графики принято иллюстрировать работы, требующие высокой точности в передаче цветов и полутонов. Однако размеры файлов растровых иллюстраций растут с увеличением разрешения. Фотоснимок, предназначенный для домашнего просмотра (стандартный размер 10 X 15 см, оцифрованный с разрешением 200—300 dpi, цветовое разрешение 24 бита), занимает в формате TIFF с включенным режимом сжатия около 4 Мбайт. Оцифрованный с высоким разрешением слайд занимает 45—50 Мбайт. Цветоделснное цветное изображение формата А4 занимает 120-150 Мбайт.

Масштабирование растровых изображений. Одним из недостатков растровой графики является пикселизация изображений при их увеличении. Пикселизация проявляется в том, что при увеличении масштаба становятся заметными элементы растра, что искажает иллюстрацию в целом (рис. 7.3).

Снижение проявления пикселизации достигается за счет принятия специальных мер. Среди таких мер обычно выделяют следующие:

Рис. 73. Пикселизация изображения при масштабировании

Читайте также: