45. Графические форматы. Сжатие графической информации.

Под графической информацией понимаем всю совокупность информации, которая нанесена на различные виды носителей.

Компьютерная графика – область информатики, изучающая методы и свойства обработки изображений с помощью программно-аппаратных средств.

Под видами компьютерной графики подразумевается способ хранения изображения на плоскости монитора.

В зав. от способа формирования изображений компьютерную графику подразделяют на:

• растровую графику;

• векторную графику;

• трехмерную графику;

• фрактальную графику.

Растровое изображение – изображение, представляющее собой сетку пикселей или цветных точек (обычно прямоугольную) на компьютерном мониторе, бумаге и других отображающих устройствах и материалах (растр).

Растровую графику редактируют с помощью растровых графических редакторов. Создается растровая графика фотоаппаратами, сканерами, непосредственно в растровом редакторе, также путем экспорта из векторного редактора или в виде снимков экрана.

Векторная графика – способ представления объектов и изображений в компьютерной графике, основанный на использовании элементарных геометрических объектов, таких как точки, линии, сплайны и многоугольники. Объекты векторной графики являются графическими изображениями мат. функций.

К устройствам, ориентированным исключительно на отображение векторных данных относятся мониторы с векторной развёрткой, графопостроители, а также некоторые типы лазерных проекторов.

Трёхмерная графика – раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов.

Трёхмерное изображение на плоскости отличается от двумерного тем, что включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость (например, экран компьютера) с помощью специализированных программ. При этом модель может, как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).

3D моделирование – это процесс создания трехмерной модели объекта.

Фрактал – объект, отдельные элементы которого наследуют свойства родительских структур. Поскольку более детальное описание элементов меньшего масштаба происходит по простому алгоритму, описать такой объект можно всего лишь несколькими математическими уравнениями.

Фракталы позволяют описывать целые классы изображений, для детального описания которых требуется относительно мало памяти.

В математике под фракталами понимают множества точек, имеющие дробную метрическую размерность.

Графический редактор – программа (или пакет программ), позволяющая создавать и редактировать двумерные изображения с помощью компьютера.

Типы графических редакторов:

• Растровые графические редакторы (Adobe Photoshop, GIMP);

• Векторные графические редакторы (Adobe Illustrator, Corel Draw, Macromedia Free Hand, Inkscape);

• Редакторы трехмерной графики(3D Studio Max, Softimage-3D, программа Maya).

Создание и хранение графической информации. Векторные графические форматы (wmf, ps, eps, svg).

С проблемой сохранения изображений для последующей их обработки сталкиваются пользователи любых графических систем. Изображение может быть обработано несколькими графическими программами прежде, чем примет свой окончательный вид.

Формат графического файла – способ представления и расположения графических данных на внешнем носителе.

Большинство векторных форматов могут содержать внедренные в файл растровые объекты или ссылку на растровый файл. Сложность при передаче данных из одного векторного формата в другой заключается в использовании программами различных алгоритмов, разной математики при построении векторных и описании растровых объектов.

Файлы векторного формата содержат описания рисунков в виде набора команд для построения простейших графических объектов (линий, окружностей, прямоугольников, дуг и т. д.). В этих файлах хранится некоторая дополнительная информация. Различные векторные форматы отличаются набором команд и способом их кодирования.

Растровые графические форматы (bmp, gif, png, tiff, jpeg).

В файлах растровых форматов запоминаются:

• размер изображения – количество видеопикселей в рисунке по горизонтали и вертикали;

• битовая глубина – число битов, используемых для хранения цвета одного

• видеопикселя;

• данные, описывающие рисунок (цвет каждого видеопикселя рисунка), а также некоторая дополнительная информация.

Алгоритмы сжатия графической информации (RLE, LZW, Хаффмана, JPEG)

При сжатии методом RLE (Run – Length Encoding) последовательность повторяющихся величин (в нашем случае – набор бит для представления видеопикселя) заменяется парой – повторяющейся величиной и числом ее повторений.

Сжатие методом RLE наиболее эффективно для изображений, которые содержат большие области однотонной закраски, и наименее эффективно – для отсканированных фотографий, так как в них нет длинных последовательностей одинаковых видеопикселей.

Метод сжатия LZW основан на поиске повторяющихся узоров в изображении. Сжимает данные путем поиска одинаковых последовательностей (они называются фразы) во всем файле. Выявленные последовательности сохраняются в таблице, им присваиваются более короткие маркеры (ключи). Так, если в изображении имеются наборы из розового, оранжевого и зеленого пикселов, повторяющиеся 50 раз, LZW выявляет это, присваивает данному набору отдельное число (например, 7) и затем сохраняет эти данные 50 раз в виде числа 7. Метод LZW, так же, как и RLE, лучше действует на участках однородных, свободных от шума цветов, он действует гораздо лучше, чем RLE, при сжатии произвольных графических данных, но процесс кодирования и распаковки происходит медленнее.

Метод сжатия JPEG обеспечивает высокий коэффициент сжатия для рисунков фотографического качества. Сжатие по методу JPEG сильно уменьшает размер файла с растровым рисунком (возможен коэффициент сжатия 100 : 1). Высокий коэффициент сжатия достигается за счет сжатия с потерями, при котором в результирующем файле теряется часть исходной информации. Метод JPEG использует тот факт, что человеческий глаз очень чувствителен к изменению яркости, но изменения цвета он замечает хуже. Поэтому при сжатии этим методом запоминается больше информации о разнице между яркостями видеопикселей и меньше – о разнице между их цветами.

Метод сжатия Хаффмана (Huffman) используется как составная часть в ряде других схем сжатия, таких как LZW, Дефляция, JPEG. В методе Хаффмана берется набор символов, который анализируется, чтобы определить частоту каждого символа. Затем для наиболее часто встречающихся символов используется представление в виде минимально возможного количества битов.

Преобразование файлов из растрового формата в векторный

Существуют два способа преобразования файлов из растрового формата в векторный:

1. преобразование растрового файла в растровый объект векторного изображения;

2. трассировка растрового изображения для создания векторного объекта.

Первый способ используется в программе CorelDRAW, которая, как правило, успешно импортирует файлы различных растровых форматов. В файлах растровых форматов информация хранится достаточно эффективно, так как часто используются методы сжатия. Векторные форматы такой способностью не обладают.

Поэтому растровый объект, хранящийся в векторном файле, может значительно превосходить по размерам исходный растровый файл.

Особенность второго способа преобразования растрового изображения в векторное - программа трассировки растровых изображений (например, CorelTRACE) ищет группы пикселей с одинаковым цветом, а затем создает соответствующие им векторные объекты. После трассировки векторизованные рисунки можно редактировать как угодно. Дело в том, что растровые рисунки, имеющие четко выраженные границы между группами пикселей одинакового цвета, хорошо переводятся в векторные. В то же время результат трассировки растрового изображения фотографического качества со сложными цветовыми переходами выглядит хуже оригинала.

Преобразование файлов одного векторного формата в другой

Векторные форматы содержат описания линий, дуг, закрашенных полей, текста и т. д. В различных векторных форматах эти объекты описываются по-разному. Когда программа пытается преобразовать один векторный формат в другой, она действует подобно обычному переводчику, а именно:

• считывает описания объектов на одном векторном языке;

• пытается перевести их на язык нового формата.

Если программа-переводчик считает описание объекта, для которого в новом формате нет точного соответствия, этот объект может быть либо описан похожими командами нового языка, либо не описан вообще. Т. о., некоторые части рисунка могут исказиться или исчезнуть. Все зависит от сложности исходного изображения.

Преобразование файлов из векторного формата в растровый

Каждый раз, когда векторный рисунок направляется на устройство вывода, он подвергается растрированию – преобразованию в набор видеопикселей или точек.

При экспорте векторных файлов в растровый формат может быть потеряна информация, связанная с цветом исходного изображения. Это объясняется тем, что в ряде растровых форматов количество цветов ограничено.

Преобразование файлов одного растрового формата в другой

Этот вид преобразования обычно самый простой и заключается в чтении информации из исходного файла и записи ее в новом файле, где данные о размере изображения, битовой глубине и цвете каждого видеопикселя хранятся другим способом. Если старый формат использует больше цветов, чем новый, то возможна потеря информации.

Для преобразования файлов из одного формата в другой используются специальные программы – преобразователи (конверторы) форматов. Однако большинство графических программ (CorelDRAW, Adobe Illustrator, Adobe PhotoShop и др.) могут читать и создавать файлы различных форматов, т. е. являются преобразователями форматов.