5. Форматы хранения изображений в стз

После первых этапов преобразования информации в СТЗ изображение представляет собой дискретный массив точек (пикселей), расположенный либо в памяти устройства ввода, либо непосредственно в памяти СТЗ. В случае полутонового изображения каждый пиксель кодируется 1 … 2 байтами, в зависимости от разрядности АЦП. При формировании цветных изображений первоначальный объем информации, обычно раза в 3 больше. Что же касается записи движущихся объектов, то в большинстве случаев удается сохранить лишь несколько десятков секунд изображения. В СТЗ различают 4 типа изображений - монохромные, полутоновые, а также изображения в естественных цветах и палитровые.

Монохромные или двухградационные (в том числе черно-белые) изображения применяются в простых промышленных СТЗ, системах контроля и т.д., где требуется определить наличие объекта в поле зрения. Монохромное изображение является самым компактным - каждый пиксель кодируется одним битом. Однако хранить и обрабатывать изображения в таком виде неудобно и поэтому битовое представление пикселя преобразуется в байтовое. Наибольшее распространение на практике получили полутоновые изображения. Здесь пиксель также кодируется одним байтом, и его яркость может принимать значения от 0 до 255. В последнее время все чаще приходится работать с цветными изображениями, особенно в таких областях как металлургия, медицина, криминалистика. При сохранении цветного изображения в естественных цветах каждый пиксель представляется в виде RGB-тройки. Для запоминания одного элемента такого изображения требуется 3 байта, что позволяет закодировать в изображении  16,8 10⁶ цветов и оттенков. Этот режим, получивший название True Color, применяется в системах обработки фотографий, репродукций и др. Очевидным недостатком режима True Color является значительный размер массива изображения. Для более компактного хранения цветного изображения разработано палитровое представление. В этом случае, изображению априорно придается цветовая палитра, состоящая из 16 или 256 RGB-троек, с помощью которых косвенно определяются цвета изображения. Один пиксель кодируется 4 или 8 битами, причем числовое значение не прямо определяет цвет элемента, а дает ссылку на цветовую палитру. Подобное упрощение приводит к 3 … 6 кратному уменьшению размера массива, однако в ряде операций обработки изображений возникают цвета, которых не было в исходном изображении. (Поэтому, палитровые изображения также часто приходится преобразовывать в полутоно­вые или естественные цвета). Палитровое представление используется в компьютерной графике. Что же касается промышленных СТЗ, то большинство из них имеют дело с полутоновым растровым изображением.

Во всех случаях изображения должны быть представлены в максимально компактной и стандартной форме - в виде графического файла. До недавнего времени многие компьютерные фирмы занимались разработкой собственных пакетов обработки изображений, и, соответственно, собственных графических форматов файлов. Сейчас в различных областях компьютерной графики применяются более сотни таких форматов. Тем не менее, несмотря на такое разнообразие форматов все они по способу представления изображений могут быть отнесены к одному из двух типов:

• растровые (точечные);

• векторные.

Растровое изображение представляет собой совокупность отдельных пикселей (расположенных на правильной сетке) записанную в ячейки памяти в виде таблицы (или битовой карты - bit­map). Физический размер ячей­ки выражается через разрешение (количество пикселей или точек на дюйм - dpi). При представлении изображения на экране монитора разрешение обычно составляет около 100 dpi, для принтера  600, для фотонаборного аппарата более 3500. Главное достоинство растрового представления изображения - простота, приведшая к тому, что практически все устройства ввода изображений поддерживают точечную графику (сканеры, видеокамеры, цифровые фотоаппараты). Существенно и то, что эти графические форматы позволяют получать реалистичные изображения (туман, дымку и т.д.). В то же время растровое представление требует значительных объемов памяти для хранения изображений. Эффективность сжатия файла зависит от сложности изображения. Так, изображение в естественных цветах и большого разрешения сжимается плохо. К недостаткам так­же относится невозможность трансформации изображений (поворота, масштабирования и т.д.). Поэтому рас­тровые файлы при печати обычно не масштабируются

Исторически термин  «растр» (raster) ассоциировался с ЭЛТ и указывал на то, что устройство при воспроизведении изображения на ЭЛТ создает образы строк. Изображения в растровом формате являлись набором пиксе­лей, организованных в виде последовательностей строк развертки.

В векторной графике все изображения описываются в виде совокупности математических объектов - контуров, каждый из которых рассматривается как независимый объект, который можно перемещать и масштабировать до бесконечности. С векторными данными всегда связаны информация об атрибутах (цвете и толщине линии) и набор соглашений (или правил), позволяющий програм­ме начертить требуемые объ­­екты. Эти соглашения могут быть заданы как явно, так и в неявном виде. Они программно-за­висимы, несмотря на то, что используются для одних и тех же целей. Векторная графика является объектно-ори­ентированной. К ее достоинствам относится компактность (т.к. сохраняется не все изображение, а некоторые основные данные). Кроме того, описание цветных характеристик почти не увеличивает размера файла. Однако векторному представлению изображений свойственны и недостатки. Важнейший из них связан с тем, что изображение объекта нереалистично. Кроме того, различные векторные форматы значительно отличаются друг от друга (во всяком случае, в большей степени, чем растровые), т.к. каждый из них проектировался для конкретных целей.

В 70-х годах ХХ века, когда компьютерная графика делала первые шаги, обработка изображений базировалась преимущественно на векторных данных. Векторные экраны и перьевые плоттеры были еди­н­ственными легкодоступными устройствами вывода. Сегодня изображения чаще всего хранятся и отображаются в растровом виде. Это стало возможным вследствие использования высокоскоростных процессоров, недорогой оперативной и внешней памяти, а также устройств вывода-ввода с высокой разрешающей способностью. Кроме того, изображения, формируемые стандартными видеодатчиками имеют растровую форму.

Большинство существующих графических форматов, строятся на основе растрового или векторного представления изображений, а также на основе их комбинаций. Приведем некоторые примеры.

Наиболее распространенные растровые форматы - PCX, Micro­soft BMP, TIFF и TGA; векторные - AutoCAD DXF и Micro­soft SYLK. Форматы, содержащие векторные и растровые данные одновременно получили название метафайлов. Самым известным примером является формат Micro­soft WMF.

Форматы видеоданных и анимации хранят последовательности изображений - фреймы, каждый из которых может быть как растровым, так и векторным. Самые примитивные из форматов хранят все изображения целиком, более сложные хранят только одно изображение и несколько  цветовых таблиц  для данного изображения. (После загрузки новой цветовой таблицы цвет изображения меняется и создается иллюзия движения объектов). Еще более сложные форматы анимации хранят только различия между дву­мя фрей­мами и изменяют только те пиксели, которые меняются при отображении данного фрейма. Иллюзия плавного движения достигается отобра­жением 20 и более фреймов в секунду. Примерами форматов ани­мации могут служить TDDD и TTDDD.

Развитием принципов анимации явилось появление мультимедиа-форматов, позволяющих объединять в одном файле графическую, звуковую и видеоинформацию. Примерами служат известные форматы RIFF фирмы Mic­ro­soft, QuickTime фирмы Ap­ple, MPEG и FLI фирмы Autodesk.

В формате трехмерного файла хранятся описание формы и цвета объемных моделей во­ображаемых и реальных объектов. Объем­ные модели обычно конструируются на основе векторного представления из многоугольников и гладких поверхностей, объединенных с описаниями соответствующих элементов цвета, текстуры, отражений и т.д. Программы визуализации, которые пользуются трехмерными данными - это, как правило, программы моделирования и анимации (на­пример, Light­wave фирмы NewNek и 3D Studio фирмы Autodesk).