17

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТАДЖИКИСТАНА

КАФЕДРА ПРОГРАММИРОВАНИЯ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Самадов М.

КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА

Для студентов специальности 281300

(электронная копия находится на компьютере М.Ч. Юсупова и М. Самадова))

Душанбе 2002

Основы цифровой графики и цвета

Греческие философы-пифагорейцы утверждали, что весь мир — число. И если в отношении всего мира, возможно, философы и преувеличивали значение числа, то в отношении компьютерных технологий они оказались безусловно правы: весь компьютерный мир — число.

В настоящее время разработаны и успешно применяются два основных принципа представления изображений — точечная графика и векторная графика.

В основе того и другого способов лежат математические модели, для точечной графики — это массив (матрица) чисел, описывающих цветовые параметры каждой точки, а для векторной графики — это математическая формула, используя которую векторная программа всякий раз пересчитывает все точки контура, исходя из новых значений.

DOTS PER INCH (dpi) точек на дюйм. Единица измерения разрешающей способности устройств ввода-вывода, применяемых для работы с растрированными изображениями. См. также lines per inch.

LINES PER INCH (Ipi) линий на дюйм (лин/дюйм) Линиатура растра, с которой печатается полутоновое изображение, обычно от 55 до 200 Ipi.

Растровая (точечная) графика

Растровая графика подобна мозаике, состоящей из мельчайших частичек. Эти частички называются пикселами (от англ. «picture element» — «элемент изображения»). Линии создаются соединением пикселов, а контур и заполнение формы осуществляется пикселами.

Принцип кодирования графической информации в точечной (растровой, битовой) графике сильно отличается от векторной.

Он был изобретен и использовался людьми за много веков до компьютеров, мониторов и сканеров. Это и рисование «по клеточкам» — продуктивный способ переноса изображения с подготовительного картона на стену, предназначенную для фрески. Это и такие направления монументального и прикладного искусства, как мозаика, витраж, вышивка: в любой из этих техник изображение строится из дискретных элементов.

Достоинств у точечной графики, как ни странно, не слишком много.

Основным достоинством является простота и, как следствие, техническая реализуемость автоматизации ввода (оцифровки) изобразительной информации. Существует развитая система внешних устройств для ввода фотографий, слайдов, рисунков, акварелей и прочих изобразительных оригиналов — сканеров, видеокамер, цифровых фотокамер, графических планшетов. Эти внешние устройства непрерывно совершенствуются, предоставляя возможность все более адекватного преобразования изображений на материальных носителях (бумаге, пленке и так далее) в цифровую форму.

Не менее важным достоинством точечной графики является фотореалистичность. Можно получать живописные эффекты, например, туман или дымку, добиваться тончайшей нюансировки цвета, создавать перспективную глубину и нерезкость, размытость, акварельность и так далее.

Однако точечной графике присущи и существенные недостатки.

Мозаичная природа растровой графики может привести к нежелательным результатам при перемещении, увеличении или повороте изображения. На пример, при увеличении растрового изображения оно выглядит так, как будто маленькие частички заменены большими, то есть выглядит состоящим из блоков, зубчатым.

Недостаток, который обнаруживается при первой же попытке что-нибудь нарисовать в программе точечной графики, заключается в том, что до начала рисования она потребует введения конкретных значений разрешения (количества точек на единицу длины) и глубины цвета (количества цветовых бит на пиксел).

Конечно, потом эти значения можно изменить, но, как правило, это приводит к тем или иным погрешностям, да и нельзя это делать многократно и в широком диапазоне.

Второй недостаток не замедлит проявиться при попытке отсканировать не очень большую фотографию с максимальными разрешением и глубиной цвета.

Объем файла для хранения точечного изображения определяется произведением его площади на разрешение и на глубину цвета (если они приведены к единой размерности). Поэтому программное обеспечение любого сканера в состоянии сосчитать эту величину и предсказать объем для сохранения изображения. При этом совершенно не важно, что отображено на фотографии: белый снежный пейзаж с одинокой фигуркой вдалеке, или сцена рок-концерта с обилием цвета и форм. Если три параметра одинаковы — размер файла (без сжатия) будет практически одинаков.

Третий недостаток всплывет при попытке слегка повернуть изображение, например с четкими тонкими вертикальными линиями, на небольшой угол. Сразу обнаруживается, что четкие линии превращаются в «ступеньки». Это означает, что при любых трансформациях (поворотах, масштабировании, наклонах и так далее) в точечной графике невозможно обойтись без искажений (это продиктовано дискретной природой изображения).

Можно даже сказать, что точечную графику легче деформировать, чем трансформировать.

Поэтому в программах точечной графики большинство фильтров (всевозможные шумы, размытия, волны, ряби) если к ним приглядеться, не что иное, как сознательное искажение, то есть искажение, возведенное в принцип, а художественный эффект — это просто прием отвлечения внимания. Например, в программу Adobe Photoshop 5.0 включено около ста фильтров.

При печати растровой графики принтер воспроизводит изображение в точности так, как оно хранится, то есть в виде матрицы точек. Эффективное разрешение напечатанного изображения напрямую зависит от разрешения растрового изображения. Шероховатое растровое изображение будет выглядеть одинаково шероховато и зубчато при печати на принтере с разрешением 300 dpi и на фотонаборном автомате с разрешением 2 540 dpi. Хорошие растровые изображения выглядят хорошо и на принтере с разрешением 300 dpi, и на фотонаборном автомате с разрешением 2 540 dpi.

При увеличении растрового изображения пикселы становятся больше, что приводит к ухудшению качества изображения.

Ниже приведен перечень расширений файлов наиболее часто используемых растровых форматов

TIF*, PCX*, BMP*, GIF*, PCD*, JPG*, PSD*, IMG*, ICO, CUR.

.BMP - bitmap битовая карта. Цифровое изображение, представленное в виде решетки из пикселов. Цвет каждого пиксела определяется числом бит.

JPEG - Joint Photographic Experts Group Объединенная экспертная группа по фотографии. Комитет SO и ITU, разработавший одноименные алгоритм сжатия неподвижного изображения и формат хранения данных, сжатых с помощью него. Каждый кадр изображения упаковывается и передается отдельно. Величина сжатия определяется настраиваемым коэффициентом качества, который изменяется в пределах от 1 (максимальное сжатие) до 100 (минимальное сжатие). Обеспечивать компрессию с потерей качества изображения. Сжатое изображение не является столь же четким, как оригинал. JPEG может иметь как аппаратную, так и программную реализацию. Алгоритм заключается в следующем: изображение делится на матрицу мелких точек, каждая другая точка, не попавшая в матрицу, игнорируется. Сетка делится на блоки 8х8 точек. Алгоритм рассчитывает среднее по блоку, после чего блок может быть удален. При восстановлении этот процесс идет в обратном порядке. JPG - сохpаняет с потеpями, очень удобен для фотогpафий. Пpи сохpанении в этот фоpмат вам нужно будет выбpать соотношение между наименьшим pазмеpом файла и допустимыми потеpями качества. Свойства этого фоpмата таковы, что потеpи сильнее всего пpоявляются на мелких контpастных деталях (вокpуг них появляется оpеол). Каpтинки в этом фоpмате всегда 16млн цветов - TrueColor. Из-за потеpь качества, совеpшенно недопустимо использовать JPG как пpомежуточный фоpмат - когда вы сохpаняете в JPG, качество каpтинки всегда падает. Формат JPEG Позволяет сохранять полноцветные изображения с количеством цветов 16,7 млн. цветов (или 24bpp), причем, если в рисунке меньше цветов, то перед сохранением файла он все равно преобразуется в полноцветное изображение;

Использует сжатие с потерями информации, за счет чего достигает диких степеней сжатия файлов;

Поддерживает прогрессивную развертку, т.е. изображение появляется вначале с плохим качеством, и в процессе загрузки постепенно улучшается. Пожалуй, это все преимущества формата JPG, и основное его предназначение - хранение изображений фотографического качества.

.TIFF (Tagged Image File Format) формат файлов, используемый для представления цветных и черно-белых изображений.

.TIF - также хpанит TrueColor каpтинки без потеpи качества, однако имеет несколько ваpиантов - PC, Mac, со сжатием и без, а также множество их модификаций.

GIF - graphics interchange format формат обмена графическими данными. Формат файлов растровой цветной графики. Использует эффективный алгоритм сжатия LZW для графики высокого разрешения, например отсканированных изображений. Является форматом обмена графическими файлами службы CompuServe, позволяя получать рисунки через BBS. Поддерживается различными платформами. Широко используется также для обмена мультимедиа-данных. GIF - удобен для сохpанения pисунков с малым количеством цветов и контpастными pезкими деталями. Hапpимеp надписи, чеpтежи, схемы, гpафики. Пpи сохpанении вам надо будет выбpать оптимальное количество цветов (4..256), палитpу (выбиpайте palette: optimized) и dither (обычно лучший ваpиант - none). Важно что GIF может содеpжать "пpозpачные" (transparent) участки. Чеpез участки цвет котоpых помечен как пpозpачный будет виден фон стpанички. Этот цвет можно выбpать пpи сохpанении каpтинки с помощью Ulead SmartSaver. GIF также поддеpживает анимацию. Используя GIF Animator можно создавать пpостенькие мультипликационные эффекты.

.PSD - собственный фоpмат PhotoShop в котоpый он сохpаняет pабочую каpтинку. Тpебует много места, поэтому если слои не имеют значения, лучше сохpанять pисунок в PNG.

.PNG - довольно нейтpальный фоpмат подобный GIF'y, однако позволяющий сохpанять TrueColor каpтинки без потеpи качества.