3.3. Технологии статических изображений

Источниками статических изображений традиционно явля­лись растровые сканеры, а в последнее время широко использу­ются цифровые фотокамеры [25]. Рассмотрим основные характе­ристики изображений, процессов их создания и обработки.

Оптическое разрешение

Оптическое разрешение измеряется в пикселях на дюйм (ppi — pixels per inch), иногда dpi — точки на дюйм, однако по­нятие точка означает элемент, не имеющий конкретной формы, ими меряется разрешение печатающих устройств. Сканеры и растровые графические файлы оперируют пикселями, имею­щими форму квадрата.

Сканеры. Оптическое разрешение показывает, сколько пик­селей сканер может считать на квадратный дюйм. Его значение записывается так: 300 х 300, 300 х 600, 600 ж 1200 и т. п. Первое число говорит о количестве считывающих информацию датчи­ков, именно на него стоит обращать внимание, хотя часто про­изводители и продавцы любят указывать, в качестве разрешения, что-нибудь вроде 4000. 4500 dpi. Это интерполированное разрешение, которое является свойством не сканера, а его поддерживающей программы. Качество изображений, получен­ных таким образом зависит не только от сканера, но и от качест­ва функций интерполяции, реатизованных в программе [25].

Йнтерполяция — способ увеличения (уменьшения) раз­мера или резолюции файла посредством программы. При умень­шении данные отбрасываются, при увеличении — программа их вычисляет. Таким образом, сильно увеличенные картинки вы­глядят размытыми или зубчатыми (в зависимости от способа ин­терполяции).

Известны три основных способа интерполяции:

. Nearest Neighbor — для добавляемого пикселя берется зна­чение соседнего с ним;

• Bilinear — выбирается среднее цветовое значение пикселей с каждой стороны от создаваемого;

• Bicubic — усредняется значение группы не только непо­средственно граничащих, но и всех соседних пикселей. Ка­кой именно диапазон пикселей выбирается для усреднения и по какому алгоритму это усреднение происходит — этим отличаются способы бикубической интерполяции в разных программах.

Наконец, важным свойством относительно новых образцов сканеров является сканирование в 32-битном (и более) режиме. Здесь цвет одного пикселя описывается не в 24 битах стандарт­ного RGB — один из 16 700 000 оттенков, а большим количест­вом информации, что позволяет передать большее количество уникальных оттенков. Затем Photoshop, или другая программа в соответствии с установками генерации 24-битного RGB. произ­водит цветовую интерполяцию — усредняет оттенки. Результат получается лучше, хотя это видно только на катиброванных мо­ниторах и на качественных распечатках.

Цифровые камеры. Качество цифровой камеры зависит от не­скольких факторов, включая оптическое качество линзы, матри­цы съемки изображения, атгоритмов сжатия и других компонен­тов. Однако, самый важный детерминант качества изображе­ния _ разрешающая способность матрицы ПЗС: чем больше элементов, тем выше разрешающая способность, и таким обра­зом, больше подробностей может быть зафиксировано.

В 1997 г. типичная разрешающая способность цифровых ка­мер была 640 х 480 пикселей, год спустя появились «камеры ме­гапикселя», что подразумевало, что за те же деньги можно было приобрести модель на 1024 х 768 или даже 1280 х 960. К началу 1999 г. разрешающие способности дошли до 1536 х 1024 и к се­редине этого же года был преодолен барьер 2 мегапикселей с по­явлением разрешающей способности 1800 х 1200 = 2.16 млн пик­селей. Год спустя — барьер 3 мегапикселей (2048 x 1536 = = 3,15 млн пикселей). Первая камера с 4 мегапикселями появи­лась в середине 2001 г., обеспечивая 2240 х I860 = 4,16 млн пик­селей.

Однако даже датчик Foveon ХЗ (4096 х 4096 = 16,8 млн пик­селей) [25] все еще не перекрывает возможностей обычной фо­топленки. Поскольку высококачественные линзы объективов обеспечивают разрешение по крайней мере 200 точек на 1 мм, негативная пленка стандарта 100ASA шириной 35 мм и размером кадра 24 х 36 мм обеспечит разрешение 24 х 200 х 36 х 200 = = 34,56 млн пикселей, что все еще недостижимо для цифровых камер.

Разрядная глубина

Разрядная (битовая, цветовая) глубина сканера характеризует количество информации, содержащейся в одном пикселе выход­ного образа. Битовую глубину изображения часто называют цве­товой разрешающей способностью. Она измеряется в битах на пиксел (bit per pixel, bpp). Так, если речь идет об иллюстрации, имеющей в каждом пикселе по 8 бит цветовой информации, то ее цветовая разрешающая способность будет 8 bpp, что дает 2⁸ = 256 доступных для 8-битового изображения цветов.

Самый простой сканер (черно-белый сканер на 1 бит) ис­пользует для представления каждого пикселя «1» или «0». Чтобы воспроизвести полутона между черным и белым, сканер должен иметь хотя бы 4 бита (для 16 = 2⁴ полутонов) или 8 бит (для 256 = 2⁸ полутонов) на каждый пиксель.

Самые современные цветовые сканеры поддерживают не ме­нее 24 бит, что означает фиксацию 8 бит информации по каждому из первичных цветов (красный, синий, зеленый). Устройство на 24 бита может теоретически фиксировать более чем 16 млн раз­личных цветов, хотя практически это число намного меньше. Это почти фотографическое качество, и упоминается поэтому обычно как «полноцветное» сканирование («true colour» scanning).

На принципе 8-битного цвета основана широко использо­вавшаяся в первой половине 90-х и применяемая в Internet даже сегодня цветовая модель Index Color. Она работает на основе создания палитры цветов. Все оттенки в файле делятся на 256 возможных вариантов, каждому из которых присваивается номер. Далее, на основе получившейся палитры цветов строится таблица, где каждому номеру ячейки приписывается цветовой оттенок в значениях RGB.

К форматам файлов, использующим только индексирован­ные палитры относятся распространенный в прошлом на PC формат программы Paint — PCX. а также не потерявший и в наши дни своей актуальности GIF. Некоторые форматы как, на­пример, тот же GIF или PNG. позволяют делать патитры на ос­нове произвольного количества цветов (до 256).

До появления 8-битового цвета из-за малых мощностей пер­сональных компьютеров тех времен использовались палитры из 16 цветов (4 bpp), 4 цветов (2 bpp) и самая первая компьютерная графика была однобитовая — 2 цвета. Однобитовые изображе­ния, называемые Bitmap или. иногда. Lineart, используются и сегодня там, где не требуются цвето-тоновые переходы. Равный по размеру Bitmap-файл в 24 раза меньше, чем файл RGB, и кроме того, очень хорошо сжимается.

Динамический диапазон

Динамически;' диапазон по своей сути подобен разрядной глубине, которая описывает цветовой диапазон сканера, и опре­деляется как функционированием АЦП сканера, так и чистотой света, качеством цветных фильтров и уровнем любых помех в системе.

Динамический диапазон измеряется в шкале от 0,0 (абсо­лютно белый) до 4,0 (абсолютно черный), и единственное число, данное для конкретного сканера, говорит, сколько оттенков мо­дуль может различить. Большинство цветных планшетных ска­неров с трудом воспринимает тонкие различия между темными и светлыми цветами на обоих концах диапазона и имеет дина­мический диапазон около 2,4. Это. конечно, немного, но обыч­но достаточно для проектов, где идеальный цвет не самоцель. Для получения большего динамического диапазона следует ис­пользовать цветовой планшетный сканер высшего качества с увеличенной разрядной глубиной и улучшенной оптикой. Эти высокопроизводительные модули обычно обеспечивают динами­ческий диапазон между 2.8 и 3.2 и хорошо подходят для боль­шинства приложений, требующих высококачественный цвет (например, офсетная печать). Наиболее близко к пределу дина­мического диапазона позволяют подойти барабанные сканеры, часто обеспечивающие значения от 3.0 до 3.8.

Теоретически сканер на 24 бита предлагает диапазон 8 бит (256 уровней) для каждого первичного цвета, и различие между двумя из 256 уровней обычно не воспринимается человеческим глазом. К сожалению, наименьшие из значащих битов теряются в шуме, в то время как любые тонатьные исправления после сканирования еще более сужают диапазон. Именно поэтому луч­ше всего предварительно устанавливать любые исправления яр­кости и цвета на уровне драйвера сканера перед заключитель­ным сканированием. Более дорогие сканеры с глубиной в 30 или 36 битов имеют намного более широкий диапазон, предлагая бо­лее детализированные оттенки, и разрешают пользователю де­лать тональные исправления, заканчивающиеся приличным 24-битовым изображением. Сканер на 30 битов принимает 10 битов данных на каждый цвет, в то время как сканеры на 36 би­тов — по 12 битов. Драйвер сканера позволяет пользователю вы­брать, какие именно 24 бита из исходных 30 или 36 битов сохра­нить, а какие — нет. Эта настройка делается путем изменения «кривой цветовой гаммы» (Gamma Curve)» и доступна при обра­щении к настройке тонов (Tonal .-.djustrr.er.t control) драй­вера TWAIN.

Режимы сканирования

Среди разнообразия методов представления изображений в ЭВМ наиболее распространенными являются:

• штриховая графика (line art);

• полутоновое изображение (greyscale):

• цветное изображение (colour).

Штриховая графика — наиболее простой формат. Так как сохраняется только черно-белая информация (в компьютере представлен черный цвет как «1» и белый как «О»), требуется только 1 бит данных, чтобы сохранить каждую точку сканиро­ванного изображения. Штриховая графика наиболее подходит при сканировании чертежей или текста.

Полутоновое изображение. В то время как компью­теры могут сохранять и выдавать изображения в полутонах, большинство принтеров не способно печатать различные оттен­ки серых цветов. Они применяют метод, названный обработкой полутонов, используя точечный растр, имитирующий полутоно­вую информацию.

Изображения в оттенках серого — наиболее простой метод сохранения графики в компьютере. Человек может различить не более 255 различных оттенков серого, что требует единственного байта данных со значением от 0 до 255. Данный тип изображе­ния составляет эквивалент черно-белой фотографии.

Полноцветные изображения — наиболее объемные и самые сложные, сохраняемые и обрабатываемые в ПК, ис­пользуют 24 бита (по 8 на каждый из основных цветов), чтобы представить полный цветовой спектр.

Схемы цветообразования

Цвета одних предметов человек видит потому, что они излу­чают свет, а других — потому, что они его отражают. Когда предметы излучают свет, они приобретают тот цвет, который мы видим. Когда они отражают свет (бумага, например), их цвет оп­ределяется цветом падающего на них света и цветом, который эти объекты отражают.

Сегодня диаметрально противоположные способы генерации цвета мониторов и принтеров являются основной причиной ис­кажения экранных цветов при печати. Для того чтобы получать предсказуемые результаты на экране и печати, нужно хорошо представлять работу двух противоположных систем описания цвета в компьютере: аддитивной и еубтрактивной.

Аддитивные и субтрактивные цвета. Аддитивный цвет (от англ. add — добавлять, сктадывать) получается при соедине­нии лучей света разных цветов. В этой системе отсутствие всех цветов представляет собой черный цвет, а присутствие всех цве­тов — белый. Система аддитивных цветов работает с излучаемым светом, например от монитора компьютера.

В этой системе используются три основных цвета: красный, зеленый и синий (RGB — red. green, blue). Если их смешать друг с другом в равной пропорции, они образуют белый цвет, а при смешивании в разных пропорциях — любой другой.

В системе с у б т р а кт и в н ы х цветов (от англ. subtract — вычитать) происходит обратный процесс: вы получаете ка­кой-либо цвет, вычитая другие цвета из общего луча отраженно­го света. В этой системе белый цвет появляется в результате от­сутствия всех цветов, тогда как их присутствие дает черный цвет. Система субтрактивных цветов работает с отраженным светом, например от листа бумаги. Белая бумага отражает все цвета, ок­рашенная — некоторые поглощает, а остальные отражает.

В системе субтрактивных цветов основными являются голу­бой, пурпурный и желтый цвета (CMY). противоположные крас­ному, зеленому и синему. Когда эти цвета смешиваются на бе­лой бумаге в равной пропорции, получается черный цвет. Вер­нее, предполагается, что должен получиться черный цвет. В действительности типографские краски поглощают свет не полностью и поэтому комбинация трех основных цветов выгля­дит темно-коричневой. Чтобы исправить возникающую неточ­ность, для представления тонов черного цвета принтеры добав­ляют немного черной краски. Систему цветов, основанную на таком процессе четырехцветной печати, принято обозначать аб­бревиатурой CMYK (cyan, magenta, yellow, black).

Цветовая модель RGB. Монитор компьютера создает цвет непосредственно излучением света и использует, таким образом, систему цветов RGB. Поверхность монитора состоит из мель­чайших точек (пикселей) красного, зеленого и синего цветов, форма точек варьируется в зависимости от типа электронно-лу­чевой трубки (ЭЛТ). Пушка ЭЛТ подает сигнал различной мощ­ности на экранные пиксели. Каждая точка имеет один из трех цветов, при попадании на нее луча из пушки она окрашивается в определенный оттенок своего цвета в зависимости от силы сигнала. Поскольку точки маленькие, уже с небольшого расстоя­ния они визуально смешиваются друг с другом и перестают быть различимы. Комбинируя различные значения основных цветов, можно создать любой оттенок из более 16 млн цветов, доступ­ных в RGB.

Лампа сканера светит на поверхность захватываемого изо­бражения (или сквозь слайд); отраженный или прошедший через слайд свет с помощью системы зеркал, попадает на чувствитель­ные датчики, которые передают данные в компьютер также в системе RGB. Система RGB адекватна цветовому восприятию человеческого глаза, рецепторы которого тоже настроены на красный, зеленый и синий цвета.

Цветовая модель CMYK. Система цветов CMYK была широ­ко известна задолго до того, как компьютеры стати использо­ваться для создания графических изображений. Триада основ­ных печатных цветов: голубой, пурпурный и желтый (CMY, без черного) является, по сути, наследником трех основных цветов живописи (синего, красного и желтого). Изменение оттенка пер­вых двух связано с отличным от художественных химическим составом печатных красок, но принцип смешения тот же самый. И художественные, и печатные краски, несмотря на провозгла­шаемую самодостаточность, не могут дать очень многих оттен­ков. Поэтому художники используют дополнительные краски на основе чистых пигментов, а печатники добавляют, как мини­мум, черную краску.

Система CMYK создана и используется для печати. Все файлы, предназначенные для вывода в типографии, должны быть конвертированы в CMYK. Этот процесс называется цвето­делением.

Цветовые модели HSB и HSL. Системы цветов RGB и CMYK

базируются на ограничениях, накладываемых аппаратным обес­печением (мониторами и сканерами в случае с RGB и типограф­скими красками в случае с CMYK). Более логичным способом описания цвета является представление его в виде тона, насы­щенности и яркости — система HSB. Она же известна как систе­ма HSL (тон, насыщенность, освещенность).

Тон представляет собой конкретный оттенок цвета на цвето­вом круге, отличный от других: красный, зеленый, голубой и т. п. Насыщенность цвета характеризует его относительную ин­тенсивность (или чистоту). Уменьшая насыщенность, например, красного, мы делаем его более пастельным, приближаем к серо­му. Яркость (или освещенность) цвета показывает величи­ну затемнения или осветления исходного оттенка.

HSB имеет перед другими системами важное преимущест­во: она больше соответствует природе цвета, хорошо согласует­ся с моделью восприятия цвета человеком. Многие оттенки можно быстро и удобно получить в HSB. конвертировав затем в RGB или CMYK, доработав в последнем случае, если цвет был искажен.

Цветовая модель Grayscale. Цветовая модель Grayscale пред­ставляет собой ту же индексированную палитру, где вместо цве­та пикселям назначена одна из 256 градаций серого. На основе Grayscale легко можно понять строение RGB- и CMYK-файлов.

В RGB для описания цвета используются 24 бита, которые делятся на три группы по 8 бит. Одна группа используется для хранения в пикселе красного цвета, две другие — зеленого и си­него. Они могут дать до 16 700 тыс. комбинаций оттенков. Ана­логичным образом в CMYK существуют четыре группы, для описания цвета используются 32 Ьрр. Если RGB имеет стандарт­ные 256 градаций яркости, то в CMYK яркость измеряется в процентах (т. е. до 100). Несмотря на большую, чем в RGB, цве­товую глубину в 32 бита на пиксел, диапазон оттенков CMYK значительно меньше, чем в RGB. так как CMYK является не бо­лее чем имитацией на экране печатных цветов.