Лабораторный практикум по курсу «Компьютерная графика и обработка изображений». GIMP

рые действия используют очень мало памяти, поэтому можно выполнять десятки таких действий перед тем, как самое раннее из них будет удалено из истории; другие типы действий занимают много памяти. Объем памяти, используемый для истории действий, можно изменить, но как минимум два-три последних действия всегда можно отменить. Самое главное действие, которое невозможно отменить, – закрытие изображения. Именно поэтому GIMP просит подтвердить намерение закрыть изображение, изменения в котором еще не сохранили.

Каналы. В GIMP каналы являются небольшими подразделениями в стеке слоев, из которых строится изображение. Каждый канал в слое имеет точно такой же размер, как слой, которому он принадлежит, и, следовательно, состоит из тех же пикселей. Каждый пиксель можно рассматривать как контейнер, который может быть заполнен значением в диапазоне от 0 до 255. Точное значение этой величины зависит от типа канала, например, в модели RGB Color значение в R-канале означает количество красного, который добавляется к цвету различных точек.

Слои. Если изображение подобно книге, то слой можно сравнить со страницей этой книги. Простейшее изображение содержит только один слой, и, продолжая аналогию, является «листом бумаги». Однако опытные пользователи GIMP часто работают с многослойными изображениями. Слои могут быть прозрачными и покрывать не все пространство изображения, поэтому глядя в монитор можно видеть не только верхний слой, но и часть остальных. Один из способов создания слоев: создать изображение, а затем его

Открыть как слои.

Пункт меню Слой: этот диалог отображает структуру слоев активного изображения и позволяет выполнять операции и управлять ими. Конечно, некоторые простые операции можно выполнять и без него. Но даже не очень опытные пользователи считают необходимым постоянно иметь доступ к диалогу слоев.

Изображение со слоями в GIMP можно представить как пачку прозрачных листов: в терминологии GIMP каждый прозрачный лист носит название слой. Не существует в принципе никаких ограничений на количество слоев кроме объема памяти, доступного в системе. Структура слоев в изображении показана в диалоге «Слой», который является вторым наиболее важным видом диало-

11

гового окна после панели инструментов. Каждое открытое изображение всегда содержит один активный слой – «Фон». Фон представляет собой концепцию GIMP, которая включает в себя слои, а также некоторые другие типы данных, такие как каналы, маски слоев и маску выделения. Если слой в данный момент активен, он выделен в диалоге слоев, и его имя отображается в строке состояния окна изображения. Если нет, то можно активировать его, нажав на него.

В строке меню «Основного окна» можно найти меню Слой, содержащее набор команд, применяемых к активному слою изображения. Такое же меню доступно с помощью щелчка правой кнопкой мыши по диалогу слоев. Возможности манипулирования слоями в GIMP достаточно велики. Поэтому на начальном этапе изучения пакета предлагается пользоваться главным меню. Например, при создании изображения необходимо выполнить простую последовательность действий: в главном меню выбрать Слой – задать его параметры – будет создан слой, например, с белым фоном для рисования инструментами. По существу, Фон это то, что можно сделать на нем с инструментами рисования.

Свойства слоя. Каждый слой изображения имеет ряд важных атрибутов.

Имя. Каждый слой имеет собственное название. Оно назначается автоматически при создании слоя, но его можно изменить. Имя слоя изменяется с помощью двойного щелчка на нем в диалоге слоев или с помощью щелчка правой кнопкой мыши там же, и затем выбрав пункт Правка атрибутов слоя в появившемся меню.

Присутствие или отсутствие альфа-канала. Альфа-канал кодирует информацию о том, насколько прозрачен слой в каждой точке. Это видно в диалоге каналов: белый – это полностью непрозрачный, черный – полностью прозрачный, и оттенки серого отображают частичную прозрачность.

Слой фона отличается от других. При создании нового изображения, оно состоит только из одного слоя «Фон». Если изображение было создано с непрозрачным типом заполнения, то у этого слоя нет альфа-канала.

Непрозрачность. Прозрачность слоя определяется степенью доступных цветов из нижних отображаемых слоев списка. Непро-

12

зрачность определяется диапазоном от 0 до 100, где 0 означает полную прозрачность, а 100 – полную непрозрачность.

Панель Инструментов. Панель, обычно расположенная слева от главного окна, показывает диалоги управления кистями, текстурами, и градиентами и другими инструментами для рисования. С помощью этого диалога можно выбрать кисть, которая будет использоваться инструментами рисования. Кроме этого удобно пользоваться в главном меню опцией Инструменты-Рисование, в которой можно найти основные инструменты и операции, используемые при рисовании.

Кроме того, этот диалог предоставляет доступ к некоторым функциям управления кистями. Чтобы выбрать функции кисти, можно нажать на ее изображение левой кнопкой мыши.

Простые кисти. Большинство устанавливаемых с GIMP кистей попадает в эту категорию. Они отображаются в диалоге выбора кисти как черно-белые пиксельные изображения. Когда ими рисуют, цвет кисти равен активному цвету переднего плана (он указан в области цвета на панели инструментов), а форма кисти соответствует пиксельному изображению, которое можно видеть в диалоге кисти.

Задание

1.Загрузить GIMP.

2.Познакомиться и изучить главное меню, а также меню основных окон GIMP.

3.Изучить функциональный состав Панели инструментов. Для этого необходимо создать новое изображение и попробовать каждый из инструментов при пробном рисовании, изучив при этом режимы работы каждого инструмента. Изучить работу и свойства следующих инструментов:

 Перемещение.

 Прямоугольное и свободное выделение.  Кадрирование.

 3D-преобразование (группа операций).  Искажения.

 Градиент.

 Кисть (группа операций).

13

Ластик.

Размазывание.

Контуры.

Текст.

Измеритель.

Цвет фона.

Лупа.

4.Изучить технологию создания кистей произвольного типа и создать собственную кисть.

5.Используя возможности Панели инструментов, нарисовать какой-либо рисунок. К художественному качеству рисунка не предъявляется никаких требований, главное – попробовать и использовать максимальное число возможностей Панели инструментов. Покажите результат преподавателю. Можно использовать этот рисунок при выполнении пункта 7 данного задания.

6.Освоить работу со слоями. Создать два различных слоя изображений одного размера. Объединить их в одно изображение. Изучить режим прозрачности слоев. Сделать то же самое, но в слоях разместить текстуру и информацию, представленную файлом в растровом формате.

7.Создать в среде GIMP, используя главное меню и панель инструментов, личную визитку, размеры которой 90х50 мм, с информацией о самом себе («любимом!»). В качестве фона визитки необходимо использовать свою "рукотворную" графическую "картинку". В различных слоях визитки (не менее 5 слоев) следует разместить следующие данные:

 Фамилия, Имя, Отчество;  название университета полное или сокращенное;

 свой статус (группа или должность в организации);  название и номер кафедры;  свой номер телефона и электронной почты;  свое «хобби»;

 какое-то изображение, представленное файлом в растровом формате.

Замечание. Необходимо учесть, что сильно перегружать информацией визитку не стоит. Кроме этого, следует обратить внимание на хорошую «читаемость» визитки. Под этим подразумевается прежде всего правильный выбор размеров элементов визитки, тек-

14

стовых характеристик, а также общую ее цветовую интенсивность.

8.Разместить на отдельном изображении (файле) четыре созданные визитки. Осуществить экспорт этого графического файла в форматы *.bmp, *.jpeg, *.tiff и *.png, с одинаковыми параметрами графического представления для корректности их сравнения. Сравнить размеры полученных файлов, построив в Exel диаграмму размеров этого файла, сохраненного в указанных выше форматах.

9.Продемонстрировать преподавателю практические навыки работы с редактором GIMP и ответить на заданные контрольные вопросы.

Примечание. По указанию или согласованию с преподавателем,

вслучае проведения занятия в on-line режиме следует прислать по электронной почте на адрес преподавателя все основные результаты, а именно: файл с одной визиткой в формате GIMP для проверки содержимого слоев и диаграмму размеров файла, состоящего из четырех визиток, в Exel (столбчатого типа), для различных форматов.

Вопросы для контроля

1.В чем состоит настройка начального интерфейса пользователя?

2.Для чего служит окно «Инструменты»?

3.Как создать свою кисть?

4.Как поместить в свой рисунок «готовое» изображение из графического файла

5.Для чего служит окно «Слои»? Что такое слой?

6.Покажите слои, созданные при рисовании визитки.

7.Покажите операцию изменения прозрачности любого слоя для визитки.

8.Что такое совмещение слоев?

9.Покажите операцию открытия и сохранения изображения в различных форматах.

10.Какие параметры следует контролировать для корректного сравнения размеров графических файлов при их экспорте в различные форматы?

15

Список литературы

1.Инструкция по работе в GNU GIMP (Программа для обработки изображений). Руководство пользователя, например, docs.gimp.org.

2.Как пользоваться GIMP – Бесплатный редактор изображений. – Информация по КГ.

3.Учебник GIMP для начинающих и профи (uroki-gimp.ru) – Информация по КГ.

4.Лапшин А. GIMP 2.10. Ключ к миру творчества. 2020. Бесплатный видеокурс. https://www.gimpart.org/catalog/kniga-po-gimp

5.Графический редактор GIMP: первые шаги / И. А. Хахаев – М.: ALT Linux; Издательский дом ДМК-пресс, 2009. – 232 с.: ил. – (Библиоте-

ка ALT Linux). altlibrary-gimp-20091012.pdf (altlinux.org)

6.(18) GIMP ГИМП Урок 39 Инструменты цветокоррекции Уровни и кривые – YouTube – пример видеоурока.

7.GIMP 2.10 УЧЕБНИКИ ДЛЯ НАЧИНАЮЩИХ. Майкл Дэвис, Август 27, 2018, GIMP Новости, Учебники по GIMP. 20 GIMP 2.10 Учебники для начинающих | Дэвис Медиа Дизайн (daviesmediadesign.com)

16

Лабораторная работа № 3

«КГиОИ: МЕТОДЫ и ТЕХНОЛОГИИ ПРЕДОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ В СРЕДЕ GIMP»

Цель – изучение основных возможностей по выполнению алгоритмов предобработки изображений в среде GIMP, которая является свободным программным продуктом и служит, в частности, для обработки растровых изображений в соответствии с наиболее известными классическими алгоритмами. Продолжительность лабораторной работы № 3 два академических часа.

Важное замечание. Следует обратить особое внимание на то обстоятельство, что используемые разработчиками GIMP термины в документации и меню пакета почти полностью не соответствуют общепринятой классической терминологии в теории ОИ. Это приводит к необходимости изучения соответствия двух систем терминологии. Это необходимо для того, чтобы понимать, какой теоретический метод или алгоритм лежит в основе каждой операции. Это важно для квалифицированного пользователя и/или программиста. В тексте лабораторных работ № 3 и № 5 приведены основные соответствия этих терминов.

В дистанционном режиме (он-лайн) каждый студент предварительно выполняет работу в соответствии с заданием, затем по расписанию сдает результаты выполнения в персональном режиме диалога с преподавателем, демонстрируя результаты и давая пояснения на вопросы преподавателя.

Введение

Программный продукт GIMP – одна из наиболее распространенных и достаточно мощных программных сред для обработки растровых изображений. Однако, разработчики GIMP сделали явный крен в сторону применения алгоритмов и методов КГ для растровых изображений в ущерб ОИ для инженерных приложений.

Ниже приводится краткое перечисление возможностей и функций GIMP [1, 2], которые будут полезны при выполнении алгоритмов предобработки изображений в лабораторной работе № 3.

17

Визуализация и хранение растровых изображений, представленных в различных графических форматах.

Функция преобразования цветного изображения в многоградационное черно-белое (ахроматическое) находится в Цвет-

Обесцвечивание.

Алгоритм бинаризации ахроматического изображения находится в меню Цвет – Порог.

Диалог построения гистограммы находится в меню Цвет-

уровни.

Алгоритм изменения гистограммы изображения находится в меню Цвет – Постеризация.

Алгоритм гамма-коррекции (изменение яркости-интенсив- ности) находится в меню Цвет – Кривые.

Алгоритмы математической морфологии находятся для операций дилатация (расширение) и эрозия (сужение) в Фильтры-

Общие.

Немного теории

Ниже коротко рассмотрены самые простые, но полезные на практике, классические алгоритмы ОИ, которые можно отнести к большой группе так называемых «алгоритмов предобработки». Кроме материалов лекций, а также большого числа учебной и научной литературы, например [3–5], для краткого ознакомления с методами предобработки изображений в GIMP рекомендую пользоваться документацией разработчиков [1], в которой иногда применяется классическая терминология.

Негативное изображение, позитивное изображение

При диапазоне яркостей [0, J – 1]:

Fвых. негатив = J – 1 – Fвх .

Можно найти в меню в Цвет-инвертировать яркость.

Гистограмма

H ( j) N ( j) / Q,

где Q – общее число пикселов; N (j) – число пикселов с интенсивностью = 0; H (j) – оценка плотности вероятности p (j).

18

Гамма-коррекция

«Гамма» – это коэффициент, используемый для коррекции нелинейной зависимости между входной интенсивностью и яркостью цвета на выходном изображении. При вводе изображения происходит нелинейное преобразование, нарушающее идеальную прямопропорциональную зависимость. В корректирующем выражении для гаммы эта нелинейность описывается показательной функцией:

I ~ V ,

где I – яркость пиксела на экране дисплея (или яркости составляющих цвета, красной, зеленой и синей по отдельности); V – численное значение цвета; γ – показатель гамма-коррекции.

а б

Рис. 3.1. Идеальный (а) и реальный (б) вид функции яркости при вводе изображения

Одно из наиболее стандартных и рапространенных использований этого выражения – это изменение интенсивности (яркости) «картинки» на экране.

Математическая морфология

Основные алгоритмы математической морфологии для бинарных и полутоновых изображений, которые позволяют извлекать

19

полезную информацию, такую как границы, некоторые структуры и т.д. Перечислим эти фильтры: эрозия (erode), расширение

(dilation), закрытие (close), открытие (open), градиент (gradient),

лапласиан (laplacian), морфологическое размытие (smooth) и морфологическая резкость (sharpness). Все эти функции в GIMP следует искать в меню Фильтр. Предварительно следует изучить общие сведения о функциональности соответствующих операций, используя материал лекций, монографий, интернета.

Замечание 1. В документации по GIMP и меню операций пакета отсутствуют термины классической теории ОИ, а именно: «гаммакоррекция», «свертка», «ядро свертки», «морфология» и ряд других. Однако некоторое представление об этих классических понятиях и терминах в трактовке разработчиков GIMP, можно получить из [1]. Поэтому необходимо иметь начальное представление о базовых операциях теории ОИ с тем, чтобы находить соответствующие операции в GIMP и понимать их функциональность.

Замечание 2. Для выполнения лабораторной работы подготовлены несколько тестовых монохромных изображений в формате BMP, которые доступны при ее выполнении и расположены в папке «Образцы_изображений для_лаб_ОИ». Аналогичные по виду файлы можно подготовить самостоятельно средствами GIMP или скачать из Интернета.

Лабораторная работа выполняется фронтально, в соответствии с заданием, приведенным ниже.

Задание

1.Открыть одно из изображений. Найдите инструкцию Восстановить, которая позволяет восстановить начальное изображение. Эта операция будет полезна во время выполнения всей лабораторной работы.

2.Изучить работу алгоритма построения гистограммы для чер- но-белого и цветного изображений, которое можно создать, используя инструменты GIMP, а можно использовать готовые.

3.Практически изучить выполнение операций предобработки на различных типах изображений, оценить их качественное влияние и степень регулирования для следующих операций:

20