Глава 1

Основные понятия

1.1. Визуализация изображений

Наиболее известны два способа визуализации; растровый и векторный. Первый способ ассоциируется с такими графическими устройствами, как дисплей, телевизор, принтер. Второй используется в векторных дисплеях, плоттерах.

Наиболее удобно, когда способ описания графического изображения соот­ветствует способу визуализации. Иначе нужна конвертация. Например, изо­бражение может храниться в растровом виде, а его необходимо вывести (ви­зуализировать) на векторном устройстве. Для этого нужна предварительная векторизация — преобразование из растрового в векторное описание. Или наоборот, описание изображения может быть в векторном виде, а нужно ви­зуализировать на растровом устройстве — необходима растеризация.

Растровая визуализация основывается на представлении изображения на эк­ране или бумаге $ виде совокупности отдельных точек (пикселов). Вместе пикселы образуют растр.

Векторная визуализация основывается на формировании изображения на эк­ране или бумаге рисованием линий (векторов) — прямых или кривых. Сово­купность типов линий (графических примитивов), которые используются как базовые для векторной визуализации, зависит от определенного устройства. Типичная последовательность действий при векторной визуализации для плоттера или векторного дисплея такова: переместить перо в начальную точ­ку (для дисплея — отклонить пучок электронов); опустить перо (увеличить яркость луча); переместить перо в конечную точку; поднять перо (уменьшить яркость луча).

Качество векторной визуализации для векторных устройств обуславливается точностью вывода и номенклатурой базовых графических примитивов — ли­ний, дуг, кругов, эллипсов и других.

Доминирующим сейчас является растровый способ визуализации. Это обу­словлено большей распространенностью растровых дисплеев и принтеров, Недостаток растровых устройств — дискретность изображения. Недостатки векторных устройств — проблемы при сплошном заполнении фигур, мень­шее количество цветов, меньшая скорость (в сравнении с растровыми уст­ройствами).

1.2. Растровые изображения и их основные характеристики

Растр— это матрица ячеек (пикселов). Каждый пиксел может иметь свой цвет. Совокупность пикселов различного цвета образует изображение. В за­висимости от расположения пикселов в пространстве различают квадратный, прямоугольный, гексагональный или иные типы растра. Для описания распо­ложения пикселов используют разнообразные системы координат. Общим для всех таких систем является то, что координаты пикселов образуют дис­кретный ряд значений (необязательно целые числа). Часто используется сис­тема целых координат — номеров пикселов с (0,0) в левом верхнем уголку. Такую систему мы будем использовать и в дальнейшем, ибо она удобна для рассмотрения алгоритмов графического вывода. Какие основные характеристики растровых изображений?

Геометрические характеристики растра

Разрешающая способность. Она характеризует расстояние между соседни­ми пикселами (рис. 1.1). Разрешающую способность измеряют количеством пикселов на единицу длины. Наиболее популярной единицей измерения яв­ляется dpi (dots per inch)— количество пикселов в одном дюйме длины (2.54 см). Не следует отождествлять шаг с размерами пикселов — размер пикселов может быть равен шагу, а может быть как меньше, так и больше, чем шаг.

Размер растра обычно измеряется количеством пикселов по горизонтали и вертикали. Можно сказать, что для компьютерной графики зачастую наибо­лее удобен растр с одинаковым шагом для обеих осей, то есть dpiX = dpiY. Это удобно для многих алгоритмов вывода графических объектов. Иначе — проблемы. Например, при рисовании окружности на экране дисплея EGA (устаревшая модель компьютерной видеосистемы, ее растр— прямоуголь­ный, пикселы растянуты по высоте, поэтому для изображения окружности необходимо генерировать эллипс).

Рис. 1.1. Растр

Форма пикселов растра определяется особенностями устройства графиче­ского вывода (рис. 1.2). Например, пикселы могут иметь форму прямоуголь­ника или квадрата, которые по размерам равны шагу растра (дисплей на жидких кристаллах); пикселы круглой формы, которые по размерам могут и не равняться шагу растра (принтеры).

Рис. 1.2. Примеры показа одного и того же изображения на различных растрах

Количество цветов

Количество цветов (глубина цвета) — также одна из важнейших характери­стик растра. Количество цветов является важной характеристикой для любо­го изображения, а не только растрового. Согласно психофизиологическим исследованиям глаз человека способен различать 350 000 цветов [28].

Классифицируем изображения следующим образом:

• Двухцветные (бинарные)— 1 бит на пиксел. Среди двухцветных чаще всего встречаются черно-белые изображения.

• Полутоновые — градации серого или иного цвета. Например, 256 града­ций (1 байт на пиксел).

• Цветные изображения. От 2 бит на пиксел и выше. Глубина цвета 16 бит на пиксел (65 536 цветов) получила название High Color, 24 бит на пиксел (16,7 млн цветов)— True Color. В компьютерных графических системах используют и большую глубину цвета — 32, 48 и более бит на пиксел.

В качестве примера рассмотрим растровый рисунок (рис. 1.3). Количество цветов— 256 градаций серого, разрешающая способность— примерно 100 dpi. Отметим, что в книге вы видите печатное изображение, поэтому о количестве цветов и разрешающей способности можно говорить лишь условно.

Рис. 1.3. 256 градаций серого, разрешающая способность 100 dpi

Изображения тех же объектов, но для иных параметров растра даны на рис. 1.4 и 1.5.

Рис. 1.4. Количество цветов (градаций серого) равно 8

Недостаточное количество цветов приводит к появлению лишних контуров на гладких поверхностях цилиндра и шара.

Рис. 1.5. Количество цветов здесь сохранено (256 градаций), а разрешающая способность уменьшена в 8 раз

Оценка разрешающей способности растра

Глаз человека с нормальным зрением мо­жет различать объекты с угловым разме­ром около одной минуты. Если расстояние до объекта равно R, то можно приблизи­тельно оценить этот размер (dP) как длину дуги, равную R-a (рис. 1.6). Можно пред­положить, что человек различает дискрет­ность растра (шаг) также соответственно этому минимально различимому размеру.

Иначе говоря, отдельные точки (пикселы), смещенные менее чем на dP, уже не воспринимаются смещенными. Тогда можно оценить разрешающую спо­собность растра, который не воспринимается как растр, следующей вели­чиной:

dpi = 25.4/dP [мм].

Приведем несколько значений dpi для различных R (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Расстояние R, мм	Размер dP, мм	Разрешающая способность dpi
500	0.14	181
300	0.09	282

Если считать расстояние, с которого человек обычно разглядывает бумажные документы, равным 300 мм, то можно оценить минимальную разрешающую способность, при которой уже не заметны отдельные пикселы, как приблизи­тельно 300 dpi (примерно 0,085 мм). Лазерные черно-белые принтеры пол­ностью удовлетворяют такому требованию.

Дисплеи обычно рекомендуется разглядывать с расстояния не ближе 0.5 м. В соответствии с приведенной выше оценкой минимальной разрешающей способности расстоянию 0,5 м соответствует около 200 dpi. В современных дисплеях минимальный размер пикселов (пятна) примерно 0,25 мм, что дает 100 dpi — это плохо, например, дисплей 15" по диагонали должен обеспечи­вать не 1024 на 768 пикселов, а вдвое больше. Но на современном уровне техники это пока что невозможно.

Примеры изображений

для некоторых растровых устройств

Для иллюстрации работы реальных растровых устройств рассмотрим резуль-1 таты вывода одной и той же картинки. Поскольку в этой книге невозможно показать цветные изображения, то в качестве тестового образца выбран черно-белый рисунок, состоящий из текста и простейшей графики. Образец изо­бражен на рис. 1.7 в натуральную величину. Текст ("Строчка текста") набран шрифтом TrueType Times New Roman, размер 8 пунктов. Графика — вектор­ный рисунок из линий минимально возможной толщины. Тестовый образец | изготовлен и выводился на устройства с помощью редактора Word 97.

Почему именно такой образец? Для того чтобы оценить погрешности вывода, тест следует подобрать так, чтобы устройства работали в режиме, близкому к предельно возможному. Тогда и можно оценить их возможности. Однако за­дача усложняется тем, что проверяются устройства различного класса. Ока­залось, что некоторые устройства почти не в состоянии удовлетворительно отобразить даже такой простой образец, а некоторые устройства продемонстрировали значительный запас точности — для них нужны другие тесты.

После вывода образца на графическом устройстве соответствующее растро­вое изображение оцифровывалось сканером с оптическим разрешением 600x600 dpi (2400x2400 в режиме интерполяции). Отсканированные изобра­жения в увеличенном масштабе приведены ниже. Безусловно, погрешность сканера существенна для изображений, полученных устройствами, обладаю­щих соизмеримым, а также более высоким разрешением. Однако полученные здесь результаты не следует рассматривать как точные измерения. Здесь ста­вилась иная цель— проиллюстрировать геометрические свойства растров (расположение, форму и размеры отдельных пикселов) для устройств раз­личного типа, показать наиболее характерные особенности отображения.

Для сравнения были выбраны графические устройства, которые можно встретить практически в любом современном офисе, — это дисплеи и прин­теры.

Торговые марки устройств не приводятся. Приведенные образцы не следует рассматривать как тестирование или рекламу.

Изображение, полученное на экране, было сфотографировано и оцифровано. Картинка имеет множество градаций серого цвета, которые здесь, к сожале­нию, не могут быть точно воспроизведены. Для печати иллюстраций на бу­маге (в том числе и для этой книги) используется дизеринг — имитация от­тенков серого цвета многими близко расположенными черными точками. Поэтому при просмотре с помощью лупы данная картинка "рассыпается" на отдельные мелкие точки. На рис. 1.9 показано увеличенное изображение фрагмента рис. 1.8. Здесь уже отчетливо видна шестиугольная структура растра, характерная для цветного кинескопа.

Растровый характер изображения монитора на жидких кристаллах (рис. 1.10) выражен значительно четче, нежели монитора на электронно-лучевой трубке. Четкость отдельных пикселов обуславливает заметный лестничный эффект наклонных линий (рис. 1.11).

Качество печати для матричных принтеров определяется погрешностями ме­ханики и износом красящей ленты. Здесь красящая лента выработала свой ресурс наполовину, поэтому изображение получилось как бы "в градациях серого цвета". Кроме того, полутоновый характер изображение имеет и из-за того, что чернота уменьшается на краях впадин оттиска игл (рис. 1.13). Во­обще говоря, матричные принтеры могут печатать и намного лучше. Даже испытуемый принтер может печатать с разрешением 240x216 dpi. Однако драйвер для Windows позволяет установить только 240x144 dpi, а качество практически не улучшается по сравнению с 120x144 dpi (вероятно из-за из­носа механики).

Лазерные принтеры, как правило, безупречно отрабатывают свое паспортное разрешение. Немаловажным является то, что качество печати стабильно и практически не зависит от качества бумаги. Принтеры данного типа вне кон­куренции (по крайней мере, в настоящее время) по быстродействию и каче­ству черно-белой печати среди других типов принтеров. Более дорогие моде­ли лазерных принтеров обладают в несколько раз большим разрешением, при этом качество печати, как правило, возрастает соответственно паспортному разрешению. Оптического разрешения сканера в 600 dpi (2400 dpi интерпо­ляция) уже не достаточно, чтобы точно отобразить фрагмент растра в мель­чайших деталях (рис. 1.15).

Струйные принтеры достаточно редко соответствуют заявляемой паспортной разрешающей способности. Данная модель, возможно, исключение из обще­го правила. В черно-белом режиме здесь фактически продемонстрирована точность печати на уровне 600 dpi лазерного принтера (рис. 1.17). Многие другие струйные принтеры с рекламируемым разрешением более тысячи dpi работают еще хуже. И это при печати на специальной бумаге.

Достоинством струйных принтеров является то, что это относительно недо­рогое устройство для цветной печати. С приемлемым качеством для фотографии работают струйные фотопринтёры. Технология струйной печати также используется и в достаточно популярных крупноформатных (АЗ-А1) цветных растровых принтерах.