2.12.2. Растровая и векторная графика
Создавать и хранить изображение в компьютере можно в двух форматах: растровом и векторном. Для каждого из этих форматов используется свой способ кодирования.
Векторное изображение представляет собой набор графических примитивов: точек, линий, прямоугольников, окружностей, эллипсов. Эти примитивы (объекты) имеют атрибуты, например, толщину линий, цвет заливки. Сам рисунок хранится как набор координат объектов и чисел, определяющих их атрибуты. Если отображаются пересекающиеся объекты, то очень важен порядок их отображения (наложения).
Векторное изображение просто редактировать и можно масштабировать без потери качества изображения. Действительно, при изменении размера изображения фактически старое изображение стирается и заново перерисовывается в соответствии с математическим описанием. Повороты, сжатие и увеличение размера рисунка отличают его от старого только некоторыми коэффициентами.
Растровое изображение – это совокупность точек, которые отображаются на экране монитора. Объем растрового изображения можно вычислить по следующей формуле: количество точек ? информационный объем одной точки. Информационный объем одной точки зависит от количества используемых цветов. Если изображение черно-белое, то любую точку этого изображения можно записать в памяти 1 битом (черная или белая, 0 или 1). Если будет использоваться 8 различных цветов, то для кодирования каждой точки потребуется 3 бита информации, для 16 цветов – 4 бита, для 256 цветов – 8 бит или 1 байт информации.
При обработке растрового изображения без потери качества его можно только уменьшить, при этом некоторые участки изображения исчезнут навсегда. Если же растровое изображение увеличить, то отдельные пиксели преобразуются в блоки пикселей одного и того же цвета, что, как правило, ухудшает качество изображения.
Любое изображение, в том числе фотографическое, можно представить в растровом виде, это преимущество такого графического формата. Однако такой способ хранения имеет свои недостатки: большой объем памяти при хранении, потеря качества при редактировании.
Сравним векторные и растровые форматы представления графики. Плюсы векторных изображений:
достаточно небольшой информационный объем изображения;
удобство форматирования изображения;
возможность форматировать изображение без потери информации (например, сжимать и растягивать изображение);
эффективность для представления схем, чертежей, шрифтов, деловой графики, для рисованных изображений в мультфильмах.
Однако есть плюсы и в растровом представлении изображений:
любое изображение можно сохранить в растровом формате, а вот в векторном формате можно представить не любое изображение;
растровые изображения более реалистичны.
2.12.3. Представление цветов в компьютере
Ученые долго не могли объяснить процесс цветовосприятия человеком. Первые шаги в этом направлении были сделаны Ньютоном, он сумел описать составную природу белого света. Ньютон установил, что спектральные цвета являются неразложимыми и что путем смешения спектральных цветов можно синтезировать белый цвет и всевозможные оттенки других цветов.
В 1756 году М.В. Ломоносов сформулировал так называемую трехкомпонентную теорию цвета, в соответствии с которой любой оттенок можно получить смешивая в определенных пропорциях три базовых цвета. Спустя почти сто лет выдающийся немецкий ученый Герман Грассман ввел математический аппарат в трехкомпонентную теорию цвета. Он сформулировал следующие законы:
Закон трехмерности. С помощью трех линейно независимых цветов можно выразить любой цвет. Цвета считаются независимыми, если никакой из них нельзя получить путем смешивания остальных.
Закон непрерывности. При непрерывном изменении состава цветовой смеси результирующий цвет также меняется непрерывно. К любому цвету можно подобрать бесконечно близкий цвет.
Для представления цвета в компьютере используют трехмерные цветовые модели RGB, CMYK и HSB.
RGB-модель
В компьютере для хранения изображений и вывода их на монитор используется цветовая RGB-модель (Red – Green – Blue; красный – зеленый – синий). Как известно из курса физики, смешением красного, зеленого и синего можно синтезировать все остальные цвета, поэтому эти три цвета принимаются в качестве базисных. Пространство цветовой модели RGB можно представить единичным кубом, где интенсивности (яркости) базовых цветов образуют оси координат и их значения – это вещественные числа в диапазоне от 0 до 1.
Характерные особенности распределения цветов RGB-модели
Любая точка куба (r, g, b) определяет какой-то цвет.
Точка (0, 0, 0) соответствует черному цвету, точка (1, 1, 1) — белому, а линия (0, 0, 0)–(1, 1, 1) описывает все градации серого цвета: от черного до белого.
При движении по прямой от (0, 0, 0) через точку (r, g, b) получаем все градации яркости цвета (r, g, b) , от самой темной до самой яркой. Например, (1, 1, 0) — желтый цвет, (3/4, 3/4, 0) — желто-коричневый, (1/2, 1/2, 0) — коричневый, (1/4, 1/4, 0) — темно-коричневый.
На гранях куба (r = 0), (g = 0) и (b = 0) расположены самые насыщенные цвета.
Чем ближе точка к главной диагонали (0, 0, 0)–(1, 1, 1), тем менее насыщен соответствующий цвет.
Если все три координаты точки (r, g, b) ненулевые, то цвет — ненасыщенный, причем наименьшее значение определяет долю серого оттенка в этом цвете, а разность значений — тон и долю насыщенного цветового оттенка.
В действительности в компьютере интенсивность цвета определяется не вещественным, а целым числом. Диапазон значений интенсивности разбивается на несколько поддиапазонов. При измерении определяется поддиапазон, в который попадает значение интенсивности, и в компьютере сохраняется только номер поддиапазона. В зависимости от того, сколько поддиапазонов накладывается на диапазон интенсивности от 0 до 1, зависит и качество цветопередачи. Количество поддиапазонов, которые отводятся на диапазон каждой интенсивности, обычно соответствует степеням двойки. Например, Nкр = 2mr , Nзел = 2mg , Nсин = 2mb. Величина mr + mg + mb называется глубиной цвета или глубиной цветности.
Видеорежим |
Глубина цвета |
Количество отображаемых цветов |
256 цветов |
8 |
28 = 256 |
High Color |
16 |
216 = 65 536 |
True Color |
24 |
224 = 16 777 216 |
Самым реалистичным является видеорежим True Color. Однако сохраненные в таком режиме графические файлы занимают очень большой объем памяти, так как для хранения каждого пикселя отводится три байта. В действительности же чувствительность человеческого глаза вполне позволяет работать не чувствуя дискомфорта в режиме High Color.
CMYK-модель
Базовыми цветами CMYK-модели (Cyan – Magenta – Yellow – blacK) являются голубой, пурпурный и желтый. Такая модель применяется в цветных принтерах и офсетной печати среднего и низкого качества. Если под микроскопом рассмотреть цветные иллюстрации в книге, то можно увидеть, что они напечатаны очень маленькими, частично перекрывающимися точками – офсетами. Офсеты хорошо видны на границах цветной печати и в местах с бледной краской.
Главной причиной появления CMYK-модели является различие в принципах формирования цвета при его воспроизведении на мониторах и при печати. Если вы возьмете краски и смешаете красную и зеленую краску, то в действительности получите темно-коричневую краску, а не желтую, как ожидалось (и как это предполагается в RGB-модели). Все дело в том, что когда мы смотрим на изображение на экране монитора, то видим излучаемый свет, а вот когда рассматриваем картинки на бумаге, то видим свет отраженный.
Основные цвета CMYK-модели подобраны так, чтобы соответствующие краски поглощали свет в достаточно узкой области спектра: голубая краска сильно поглощает красный цвет, пурпурная – зеленый, а желтая – синий.
В идеальном случае голубого, пурпурного и желтого цветов было бы достаточно для формирования на бумаге любого цвета. Однако реально существующие краски не идеальны, они не могут поглотить цветовые компоненты полностью. Если нанести все три краски на бумагу, то вместо чисто-черного получится темно-серый цвет. Поэтому, чтобы скорректировать цветовую гамму, используют четвертую краску – черную .
Пространство цветовой модели CMYK также можно представить единичным кубом, где плотность закраски (или яркость базовых цветов) – это вещественные числа в диапазоне от 0 до 1.
Характерные особенности CMYK-модели
Любая точка куба (c, m, y) определяет некоторый цвет.
Точка (0, 0, 0) соответствует белому цвету, точка (1, 1, 1) – черному, а линия (0, 0, 0) – (1, 1, 1) описывает все оттенки серого цвета: от белого до черного.
При движении по прямой от (0, 0, 0) через точку (c, m, y) получаем все градации яркости цвета (c, m, y): от самого яркого до самого темного.
Чем ближе точка к главной диагонали (0, 0, 0) – (1, 1, 1), тем менее насыщен соответствующий цвет.
Если все три координаты точки (c, m, y) ненулевые, то цвет ненасыщенный.
В CMYK-модели оттенки серого цвета могут воспроизводиться путем добавления черной краски к основному набору цветов.
Так как мониторы используют для воспроизведения изображения RGB-модель, то и хранятся изображения в компьютере в RGB-представлении. Когда графическая информация выводится на принтер, то компьютеру приходится выполнить преобразование данных из RGB-представления в CMYK-представление. Обычно это выполняется средствами операционной системы, так как формулы пересчета из RGB в CMYK очень просты.
Цветовая модель HSB
Модель HSB (Hue – Saturation – Brightness) описывает цветовое пространство через такие характеристики цвета, как цветовой оттенок, насыщенность и яркость.
Определение. Чистый цветовой фон – один из цветов спектрального разложения света. Цветовой оттенок – смесь чистого тона с серым цветом. Насыщенность цвета, или степень чистоты цвета, – доля чистого тона в цветовой смеси (чем больше серого, тем меньше насыщенность). Яркость характеризуется общей светлостью смешиваемых цветов (чем больше черного, тем меньше яркость). |
В модели HSB цвет описывается тройкой чисел (цветовой оттенок, яркость, насыщенность). Рассмотрим ряд цветов: красный, темно-красный, красновато-черный, алый, розовый, бледно-розовый. В модели HSB эти цвета – производные от красного цвета и отличаются друг от друга только яркостью и насыщенностью красного оттенка. Такое описание цвета (в отличие от моделей RGB и CMYK) очень точно передают субъективное восприятие цвета человеком, а не технические особенности воспроизведения цветов.
Чтобы использовать математическую модель HSB для компьютерного представления графической информации, надо, как и для моделей RGB и CMYK, непрерывно изменяемые значения компонент цвета представить в дискретной форме. В операционной системе Windows каждая из HBS-характеристик описывается одним байтом, то есть шкала значений разделена на 256 уровней.
