4.4. Кодирование графической информации

Под графической информацией можно понимать рисунок, чертеж, фотографию, картинку в книге, изображения на экране телевизора или в кинозале и т. д. Рассмотрим принципы кодирования графической информации на примере изображе­ния на экране телевизора. Это изображение состоит из го­ризонтальных линий — строк, каждая из которых в свою очередь состоит из элемен­тарных мельчайших единиц изображения — точек, которые принято называть пикселями (picsel — PICture'S ELement — элемент картинки). Весь массив элемен­тарных единиц изображения называют растром.

Степень четкости изображения зависит от количества строк на весь экран и количества точек в строке, которые представляют разрешающую способность экрана или просто разрешение. Чем больше строк и точек, тем четче и лучше изображение.

Если мы посмотрим на показатели разрешения современных плазменных и жидкокристаллических телевизоров, то мы обнаружим, что наиболее распространенные разрешения – 640x480 (ЖК-телевизоры с соотношением сторон 4:3); 852x480 (плазменные панели с соотношением сторон 16:9), 1024x768 (ЖК и «плазма» как 4:3, так и 16:9); 1366x768 (HD Ready); 1920x1080 (Full HD) пикселей. Встречаются, но редко, и некоторые другие значения разрешения, например 800x600 или 1024x1024 пикселей.

Обозначение разрешения, например 640x480, означает, что используется 480 горизонтальных строк по 640 пикселей в каждой. Таким образом, изображение на экране представляет собой последовательность из 640*480=307200 пикселей.

Изображения могут быть монохромными и цветными.

Монохромное изображение состоит из любых двух контрастных цветов - черного и белого, зеленого и белого, коричневого и белого и т. д. Для простоты обсуждения будем считать, что один из цветов — черный, а второй — белый. Тогда каждый пик­сел изображения может иметь либо черный, либо белый цвет. Поставив в соответ­ствие черному цвету двоичный код «0», а белому — код «1» (либо наоборот), мы сможем закодировать в одном бите состояние одного пиксела монохромного изо­бражения. Однако полученное таким образом изображение будет чрезмерно контрастным.

Общепринятым на сегодняшний день, дающим достаточно реалистичные мо­нохромные изображения, считается кодирование состояния одного пиксела с по­мощью одного байта, которое позволяет передавать 256 различных оттенков серо­го цвета от полностью белого, до полностью черного. В этом случае для передачи всего растра из 640х480 пикселов потребуется 307200 байтов.

Цветное изображениеможет формироваться на основе различных моделей.Наиболее распространёнными цветовыми моделями являются:

• RGB чаще всего используется в информатике;

• CMYK - основная цветовая модель в полиграфии;

• в телевидении для стандарта PAL применяется цветовая модель YUV, для SÉCAM модель YDbDr, а для NTSC модель YIQ;

• эталонная модель XYZ основана на замерах характеристик человеческого глаза.

Модель RGB (от слов Red, Green, Blue — красный, зеленый, синий) наиболее точно подходит к принципам вывода изображения на экран монитора – три числа задают яркость свечения зерен красного, зеленого и синего люминофора в заданной точке экрана. Поэтому данная модель получила наиболее широкое распространение в области компьютерной графики, ориентированной на просмотр изображений на экране монитора.

Модель RGB опирается на то, что глаз человека воспринимает все цвета как сумму трех основ­ных цветов — красного, зеленого и синего (рис.4.1). Так как цвет формируется в результате сложения трех цветов, эту модель часто называют аддитивной (суммирующей).

Например, для задания белого цвета необходимо указать для всех трех компонентов максимальные значения яркости, а для задания черного – полностью погасить все источники (например, точки люминофора), задающие цвет в нужной точке изображения, – указать для них нулевую яркость.

Если каждый из цветов кодировать с по­мощью одного байта (яркость каждого компонента задается числами от 0 до 255), как это принято для реалистического монохромного изобра­жения, появится возможность передавать по 256 оттенков каждого из основных цветов. А всего в этом случае обеспечивается передача 256 х 256 х 256 = 16 777 216 различных цветов, что достаточно близко к реальной чувствительности челове­ческого глаза. Таким образом, при данной схеме кодирования цвета на изображе­ние одного пиксела требуется 3 байта или 24 бита памяти. Этот способ представле­ния цветной графики принято называть режимом True Color (true color — истинный цвет) или полноцветным режимом.

Существуют профессиональные устройства (например, сканеры), позволяющие получать изображения, в которых каждый пиксел описывается не тремя, а шестью (16 бит на каждую цветовую составляющую) или даже восемью байтами. Подобные режимы используются для наилучшей передачи оттенков и, что самое главное, яркости точек изображения. Это позволяет наиболее достоверно воспроизводить изображения таких сложных с технической точки зрения сюжетов, как, например, вечерние или рассветные пейзажи.

Пример 4.7. В Win32 стандартный тип для представления цветов – COLORREF. Для определения цвета в RGB использует 4 байта в виде:

0x00BBGGRR

RR, GG, BB — значение интенсивности соответственно красной, зеленой и синей составляющих цвета. Максимальное их значение — 0xFF.

Тогда определить переменную типа COLORREF можно следующим образом:

COLORREF C = (b,g,r);

b, g и r — интенсивность (в диапазоне от 0 до 255) соответственно синей, зеленой и красной составляющих определяемого цвета C. То есть ярко-красный цвет может быть определён как (255,0,0), ярко-фиолетовый — (255,0,255), чёрный — (0,0,0), а белый — (255,255,255)

Полноцветный режим требует много памяти. В целях экономии памяти разрабатываются различные режимы и графичес­кие форматы, которые немного хуже передают цвет, но требуют гораздо меньше памяти. В частности, можно упомянуть режим High Color (high color — богатый цвет), в котором для передачи цвета одного пиксела используется 16 битов, и, сле­довательно, можно передать 65 535 цветовых оттенков, а также индексный режим, который базируется на заранее созданной для данного рисунка таблице использу­емых в нем цветовых оттенков. Затем нужный цвет пиксела выбирается из этой таблицы с помощью номера — индекса, который занимает всего один байт памяти. При записи изображения в память компьютера, кроме цвета отдельных точек, необходимо фиксировать много дополнительной информации — размеры рисун­ка, разрешение, яркость точек и т. д. Конкретный способ кодирования всей требу­емой при записи изображения в память компьютера информации образует графи­ческий формат. Форматы кодирования графической информации, основанные на передаче цвета каждого отдельного пиксела, из которого состоит изображение, относят к группе растровых или BMP (Bit MaP — битовая карта) форматов [2].

Модель CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, blacK) субтрактивная схема формирования цвета, используемая прежде всего в полиграфии для стандартной триадной печати. Схема CMYK, как правило, обладает сравнительно небольшим цветовым охватом [3].

По-русски эти цвета часто называют так: голубой, пурпурный, жёлтый. Цвет в такой схеме зависит не только от спектральных характеристик красителей и от способа их нанесения, но и их количества, характеристик бумаги и других факторов. Например, есть американский, европейский и японский стандарты для мелованной и немелованной бумаг.

Хотя теоретически черный цвет можно получать смешением в равной пропорции пурпурного, голубого и жёлтого, на практике смешение реальных пурпурного, голубого и жёлтого цветов дает скорее грязно-коричневый или грязно-серый цвет. Так как чистота и насыщенность чёрного цвета является чрезвычайно важной в печатном процессе, в модель был введен ещё один цвет - черный.

Объяснения первых трех букв в аббревиатуре CMYK были объяснены выше, а по поводу четвертой одна из версий утверждает, что K - сокращение от англ. blacK (если бы взяли B, то возникла бы путаница с моделью RGB, где B – это синий цвет). Согласно этой версии, при выводе полиграфических плёнок на них одной буквой указывался цвет, которому они принадлежат. Согласно другому варианту, K является сокращением от слова англ. Key: в англоязычных странах термином key plate обозначается печатная форма для чёрной краски.

CMYK называют субтрактивной моделью, потому что модель CMYK применяют в основном в полиграфии при цветной печати, а бумага и прочие печатные материалы являются поверхностями, отражающими свет, удобнее считать какое количество света (и цвета) отразилось от той или иной поверхности, нежели сколько поглотилось. Таким образом, если вычесть из белого три первичных цвета, RGB, мы получим тройку дополнительных цветов CMY. "Субтрактивный" означает "вычитаемый" - мы вычитаем первичные цвета из белого.

Каждое из чисел, определяющее цвет в CMYK, представляет собой процент краски данного цвета, составляющей цветовую комбинацию, Например, для получения тёмно-оранжевого цвета следует смешать 30 % голубой краски, 45 % пурпурной краски, 80 % желтой краски и 5 % черной краски. Это можно обозначить следующим образом: (30,45,80,5). Иногда пользуются таким обозначением: C30M45Y80K5.