Теоретичний матеріал Властивості зорового сприйняття
Людське око може сприймати світлове випромінювання в діапазоні довжин хвиль від 380 до 770 нм – одночасно близько 10 тисяч різних кольорів. Хвилі різної довжини сприймаються оком неоднаково. Найбільш відчутним є зелений колір, потім йде червоний, а за ним – синій. Краще розрізняються кольори ближче розміщених об’єктів, ніж віддалених. Погано сприймається колір дуже маленьких об’єктів. Можливість розрізняти кольори є індивідуальною. На сприйняття кольору впливає також спосіб його відтворення: одні і ті ж зображення, візуалізовані на різних пристроях, мають різний вигляд. Задача точного відображення кольору є досить складною і до кінця ще не вирішена. Колір є важливим засобом підсилення враження при сприйнятті зображень і підвищення їх інформаційної насиченості. Відчуття кольору формується людським мозком в результаті аналізу світлового потоку, що попадає на сітківку ока від об’єктів, які випромінюють або відбивають світло.
Типи зображень
Зображення можна поділити на аналогові та цифрові.
До аналогових зображень відносяться ті, які несуть у собі інформацію неперервного характеру. Це зображення на звичайних рентгенограмах, сцінтиграмах, термограмах.
Цифрове зображення подається у вигляді цифрової матриці, тобто у вигляді числових рядків і колонок, що зберігається в пам’яті комп’ютера. На відміну від аналогового зображення, в якому є несистематизоване поєднання графічних крапок, цифрове зображення аналізується, відтворюється і зберігається після проведення його математичного кодування. Це кодування засноване на бінарній (двійковій) системі, в якій інформація виражається у зміні послідовності двох цифр, — 1 і 0. Цифрові зображення на відміну від аналогових мають дискретний характер. Матричне зображення формується шляхом сканування електронним променем по рядках. Тим самим створюється можливість для сприйняття зображення в реальному часі.
Усі цифрові технології і методики на початковому етапі є аналоговими. Інтенсивність світла на флюоресцентному екрані, електричний струм, що індукується рентгенівськими променями в КТ-детекторі або ехосигнали в ультразвуковому давачі, або магнетизм в приймальній магнітно-резонансній котушці – все це аналогова, неперервна реакція. Три останні методики – комп'ютерна томографія (КТ), ультрасонографія і магнітно-резонансна томографія (МРТ) вважаються цифровими технологіями, оскільки в них аналогова відповідь - реакція (електричний струм) перетворюється в цифрову форму.
Оцифровування первинного зображення полягає в його розбитті на мінімальні (елементарні) квадратики – пікселі. За допомогою системи бінарного аналізу проводиться цифрова оцінка забарвлення і насиченості кожного пікселя. Збережені в пам'яті пристроїв (комп'ютер, сканер, цифрові фотоапарати і відеокамери, принтери) зображення можуть бути відтворені на екрані або виведені на друк.
Цифрові зображення мають ряд переваг порівняно з аналоговими:
Основним недоліком аналогових зображень є втрата їх якості з часом. Цифрове ж зображення може зберігатися на дискетах, компакт-дисках або оптичних дисках протягом багатьох років.
Цифрові зображення, що зберігаються, можуть бути легко відшукані, відтворені і передані за призначенням. Вони легко можуть вноситися до історії хвороби, амбулаторної карти, виписки з історії хвороби і так далі.
Зображення, збережене в цифровій формі, можна обробити математично за допомогою різних програм, його зручно архівувати і передавати без втрат на будь-які відстані.
В залежності від способу формування зображень цифрові зображення поділяються на векторні і растрові.
Перший спосіб асоціюється з векторними дисплеями, плотерами. Другий - з такими графічними пристроями, як дисплей, телевізор, принтер.
Векторне зображення складається з набору відрізків, багатокутників, кривих, що задані в деякій системі координат і описані математично. З векторними даними пов‘язана інформація про їхні атрибути (наприклад, колір, товщина, тощо). Тому, наприклад, при масштабуванні малюнок у векторному редакторові не втрачає якості: комп’ютер обчислює необхідні параметри, проводячи певні математичні операції.
Для того щоб намалювати векторний об’єкт, художник за допомогою миші визначає його опорні точки і напрямок керувальних ліній. Опорні точки автоматично з’єднуються кривими, форму яких визначають керувальні лінії. Ці криві називаються кривими Без’є (рис.1). Точки, в яких з’єднуються криві Без’є і керувальні лінії не роздруковуються. Це робочі елементи, які використовують для створення й редагування зображення.
Рис. 1. Криві Без’є
Комбінуючи векторні об’єкти і зафарбовуючи їх у різні кольори, можна отримати дуже цікаві зображення з чітко окресленими контурами (рис. 2).
Рис. 2. Векторне зображення
Растрові зображення є двовимірним масивом, елементи якого (пікселі) містять інформацію про колір.
Пі́ксель (pixel, скорочено від англ. PICture's ELement — елемент зображення) — найдрібніша одиниця цифрового зображення в растровій графіці. Він є неподільним об'єктом прямокутної (зазвичай квадратної) форми, що має певний колір. Кожен піксель має певні колірні характеристики. Колір пікселя кодується числами. У чорно-білому зображенні він задається за допомогою числа 1 (чорний колір) або 0 (білий колір). Сукупність пікселів різного кольору утворює зображення. Зазвичай пікселі такі малі, що зливаються на екрані, через що зображення видається цілісним, хоча в разі його збільшення добре видно зернисту структуру (рис. 3).
Рис. 3. Растрове зображення
Растрові зображення характеризуються такими характеристиками:
Роздільна здатність - характеризує відстань між сусідніми пікселями - крок дискретної сітки растру. Вимірюють роздільну здатність в dpi (dot per inch - точках на дюйм) або ppi (pixel per inch - пікселах на дюйм) Не слід ототожнювати крок сітки з розмірами пікселів - розмір пікселів може дорівнювати кроку, а може бути як меншим, так і більшим. Крім того, растр характеризується формою пікселів. Чим більше пікселів на 1 дюйм, тим більша роздільна здатність. Як правило, зображення з вищою роздільною здатністю забезпечує кращу якість друку (рис. 4).
Рис.4. Те саме зображення з 72 ppi та 300 ppi
Розмір растру - кількість пікселів по горизонталі та вертикалі (128 128, 256 256, 512 512, 1024 1024, 10241280).
Кількість кольорів або глибина кольору – кількість біт на піксель.
Растрові зображення за глибиною кольору можна поділити на бінарні, півтонові, палітрові, повнокольорові.
Елементи бінарного (двоколірного) зображення можуть приймати тільки два значення - 0 або 1. При цьому використовується 1 біт на піксель. Природа походження таких зображень може бути найрізноманітнішою. Але в більшості випадків, вони отримуються в результаті обробки півтонових, палітрових або повноколірних зображень. Найчастіше зустрічаються чорно-білі зображення (0- чорний колір, 1- білий) (рис. 5.а). Бінарні зображення мають ту перевагу, що вони дуже зручні при передачі даних.
Півтонове зображення складається з елементів, які можуть приймати одне із значень інтенсивності якого-небудь одного кольору, наприклад, градації сірого(рис. 5.б). Це один з найбільш поширених типів зображень, який застосовується у дослідженнях різного роду. У більшості випадків використовується 1 байт на піксель. Піксель може приймати 256 різних значень - від білого (255) до чорного (0 яскравості).
а) б)
Рис. 5. Бінарне (а) та півтонове (б) зображення
У палітрових зображеннях значення пікселів є посиланням на комірку карти кольорів (палітру). Палітра є двовимірним масивом, в стовпчиках якого розміщені інтенсивності кольорових складових одного кольору.
Повноколірні зображення на відміну від вище розглянутих є багатоканальними і залежать від колірної моделі (RGB, CMY, CMYK, Lab, HBS), які відрізняються за глибиною кольорів і способом математичного опису кольорів. Колірні складові організовуються у вигляді каналів, спільне зображення каналів визначає колір зображення. Використовується 2 біт на піксель і більше. Глибина кольору 16 біт на піксель (65536 кольорів) отримала назву Ніgh Color, 24 біт на піксель (16,7 млн. кольорів) -Тrue Соlоr.
Одиниця виміру вздовж кожної осі визначається колірною моделлю. Колірною моделлю називають систему кодування кольорів, яка використовується для зберігання, відображення на екрані і друку зображення.
Модель RGB (Red-Green-Blue – червоний-зелений-синій) базується на використанні трьох основних кольорів. Інші кольори та відтінки отримуються змішуванням визначеної кількості кожного з основних кольорів (рис.6.а). Вона є основою для електронного відтворення зображень на екрані монітору.
Повноколірні зображення в моделі RGB здебільшого кодуються або трьома байтовими масивами R[m,n], G[m,n], B[m,n], кожен з яких містить значення відповідної колірної складової, або одним масивом, елементи якого трибайтові колірні коди кожного пікселя. При цьому колір описується трьома цифровими значеннями з діапазону від 0 до 255. Відтак кожен базовий колір може мати 256 відтінків. Цифрові значення записуються у порядку згадування базових кольорів у назві моделі: червоний, зелений і синій. Наприклад, чистий червоний колір у моделі RGB подається як [255, 0, 0] (червона складова є максимальною, зелена і синя — відсутні), чистий зелений — як [0, 255, 0], а синій — як [0, 0, 255].
Модель RGB є адитивною, тобто такою, що описує випромінювані кольори. Чистий чорний колір подається як [0, 0, 0] (жоден із кольорів не випромінюється, частка всіх складових дорівнює нулю). Білий колір відповідає максимуму випромінювання — рівень кожної складової максимальний; у цифровому вигляді записується так: [255, 255, 255]. Модель RGB дає змогу закодувати понад 16 млн (2563) кольорів. Інші кольори можна отримати, змінюючи частку кожної складової з кроком в одиницю. Так, задавши максимальні рівні червоної та зеленої складових, отримаємо жовтий колір (255, 255, 0).
У тривимірній системі координат колірна модель має вигляд куба (рис. 6.б)
а) б)
Рис.6. Подання колірної моделі RGB
Точка початку координат відповідає чорному кольору (Black) У найближчій до нас вершині куба знаходиться точка максимального випромінювання, яка є точкою білого кольору (White). Діагональ, яка з’єднує ці дві точки, утворює шкалу відтінків сірого (Grayscale) кольору (256 значень). Вершини куба, що розташовані на осях координат, відповідають червоному, зеленому і синьому кольорам. Нарешті, три інші вершини відповідають кольорам, які утворені внаслідок змішування пар основних кольорів: червоного із зеленим, червоного із синім, зеленого із синім. Це жовтий (Yellow), пурпуровий (Margenta) і блакитний (Cyan). Колірна модель RGB описує колірний діапазон таких пристроїв, як монітор і сканер.
Модель CMY (Cyan-Magenta-Yellow – голубий-пурпуровий-жовтий) є субтрактивною і описує кольори, отримані в результаті відбивання світла об'єктами. Блакитний, пурпуровий і жовтий кольори називають доповнювальними, тому що вони доповнюють основні кольори до білого. Головною проблемою моделі CMY є те, що накладання один на одного доповнювальних кольорів на практиці не дає чистого чорного кольору. Тому в модель включають четвертий компонент чистого чорного кольору (blacK – чорний). Такий різновид моделі має абревіатуру CMYK (рис.7.а).
У колірній моделі CMY рівень складових кольору задається значеннями із діапазону від 0 до 100 % (величина 100 % у цій моделі відповідає 255 одиницям моделі RGB). Колірна модель CMY є оберненою до моделі RGB. У випадку змішування двох субтрактивних кольорів результуючий колір буде темніший, ніж вихідні. Білий колір — це повна відсутність кольору (значення всіх колірних складових дорівнюють 0). Колірну модель CMY у тривимірній системі координат також можна подати у вигляді куба (рис. 7.б).
У точці початку координат рівні всіх складових дорівнюють 0, що відповідає білому кольору (White). Найближча до вас вершина куба — точка чорного кольору (Black). У ній всі три складові мають максимальні значення. Діагональ, що з'єднує білу і чорну точки, — шкала сірого. У будь-якій її точці головні кольори змішані в рівній пропорції. Те саме можна було сказати й про RGB модель. Вершини куба, розташовані на осях, відповідають блакитному (Cyan), пурпуровому (Magenta) та жовтому (Yellow) кольорам. На інших трьох вершинах подано кольори, які утворюються в результаті змішування пар базових кольорів: блакитного і пурпурового, блакитного і жовтого, пурпурового і жовтого. Це синій (Blue), зелений (Green) і червоний (Red).
а) б)
Рис.7. Подання колірної моделі CMYK
Основна сфера застосування колірної моделі CMYK — повноколірний друк, оскільки ми бачимо колір, відбитий від поверхні.
Відповідно до моделі HSB колір визначається трьома компонентами: відтінком (Hue), насиченістю (Saturation) і яскравістю (Brightness). При моделюванні кольорів тут не змішують основні кольори, а змінюють їх властивості.
Відтінок (колірний тон) – це є власне колір в загальноприйнятому розумінні. Значення колірного тону залежить від позиції кольору в колірному крузі (рис. 8) і може змінюватися від 0 до 360°. Кут 0° відповідає червоному кольору, 60° - жовтому, 120° - зеленому, 240 - синьому, 300° - пурпуровому.
Насиченість визначається кількістю білого в відтінку і може змінюватися в діапазоні від 0 до 100%. У повністю насиченому відтінку не міститься білого – він вважається чистим; частково насичений відтінок світліший.
Яскравість визначає інтенсивність світіння кольору – відтінки з високою інтенсивністю дуже яскраві, а з низькою – темні. Цей параметр може змінюватися в діапазоні від 0 до 100%.
Точки на обмежуючому колі відповідають чистим (максимально насиченим) кольорам. Точка в центрі відповідає нейтральному кольору мінімальної насиченості (білий, сірий, чорний – це залежить від яскравості). Тому можна говорити, що кут нахилу визначає відтінок, довжина вектора – насиченість кольору. Яскравість кольору задається на окремій осі, нижня точка якої має мінімальну яскравість, а верхня – максимальну.
Рис.8. Подання колірної моделі HSB
У моделі CIE Lab будь-який колір визначається інтенсивністю тону (освітленістю) (L Lightness) і хроматичними компонентами: параметром а, що змінюється в діапазоні від зеленого до червоного, і параметром b, що змінюється в діапазоні від синього до жовтого. Освітленість змінюється від 0 до 100%. Діапазон кольору змінюється від -128 до 127 (рис.9). Колірна модель Lab має найбільший порівняно з рештою моделей колірний діапазон.
Рис. 9. Подання колірної моделі Lab
Колірна модель Lab розроблялася Міжнародною комісією з освітлення (СІЕ) з урахуванням недоліків описаних вище моделей. Зокрема, вона створювалась як апаратно незалежна. Це означає, що кольори в моделі Lab визначаються незалежно від того, який пристрій виведення (монітор, принтер і т.д.) використовується, оскільки модель базується на сприйнятті кольору людським оком. Ця модель часто використовується для перенесення даних між різними пристроями. Сьогодні вона є прийнятим за замовчуванням стандартом для програми Adobe Photoshop.
Найважливіша перевага векторної графіки полягає в тому, що створювані на її основі зображення не залежать від власної роздільної здатності. Вони будуються автоматично, з урахуванням роздільної здатності пристрою, на який виводяться (екрана або принтера). Розміри, форма та інші властивості векторних об'єктів визначаються математичними формулами. Тому векторне зображення легко масштабувати, повертати, нахиляти. Воно не залежить від пристрою відображення – чи це монітор з роздільною здатністю 72 dpi, чи принтер з роздільною здатністю 600 dpi. Принтер отримує формули з комп'ютера у вигляді команд і самостійно формує друковані об'єкти, точніше, їх растрові подання (надруковане зображення складається з точок, тобто є растровим). Завдяки цьому зображення розміром з поштову марку можна збільшити, зберігши його якість, і надрукувати на плакаті.
Розмір файлу векторного зображення залежить не від його фізичних розмірів, а від складності; векторні зображення, переважно, займають на диску набагато менше місця, ніж растрові такого ж розміру.
Основний недолік векторної графіки полягає в тому, що вона не дає можливості отримувати зображення фотографічної якості. Оскільки фотографія — це мозаїка з дуже складним розподілом кольорів та яскравостей пікселів, реалізувати її у вигляді векторних об'єктів дуже складно. Файли векторного формату корисні для збереження лінійних елементів (наприклад, ліній та прямокутників), а також елементів, які можна розкласти на прості геометричні об‘єкти (наприклад, текст).
Використання растрової графіки дає змогу забезпечити високу якість зображень, однак якість растрового зображення, зокрема надрукованого, залежить від загальної кількості його пікселів або роздільної здатності. Файли растрових зображень зазвичай досить великі порівняно з файлами документів інших типів, тому що в них зберігається інформація про кожен піксель зображення. Якість растрових зображень після їх масштабування, обертання чи інших перетворень погіршується.