Теоретические основы

Как известно, любая информация, хранящаяся в файле, - это последовательность байтов. Каждый байт может принимать значение от 0 до 255 (2⁸-1). Способ записи информации с помощью последовательности байтов и называют форматом файла, т.е. графический формат - это способ записи графической информации. Способ представления изображения оказывает влияние на возможности его редактирования, печати, на объем занимаемой памяти.

Все графические данные в компьютере можно разделить на две большие части: растровую и векторную.

Растровый формат характеризуется тем, что все изображение по вертикали и горизонтали разбивается на достаточно мелкие прямоугольники - так называемые элементы изображения, или пиксели (от английского pixel - picture element). Растровый файл представляет собой прямоугольную матрицу (bitmap).

В файле, содержащем растровую графику, хранится информация о цвете каждого пикселя данного изображения. Чем меньше прямоугольники, на которые разбивается изображение, тем больше разрешение (resolution), т. е. тем более мелкие детали можно закодировать в таком графическом файле. Размер (size) изображения, хранящегося в файле, задается в виде числа пикселей по горизонтали (width) и вертикали (height). Для примера, оптимальное разрешение 15-дюймового монитора, как правило, составляет 1024x768.

Кроме размера изображения, важной является информация о количестве цветов, закодированных в файле. Цвет каждого пикселя кодируется определенным числом бит. В зависимости от того, сколько бит отведено для цвета каждого пикселя, возможно кодирование различного числа цветов. Если для кодировки отвести лишь один бит, то каждый пиксель может быть либо белым (значение 1), либо черным (значение 0). Такое изображение называют монохромным (monochrome).

Далее, если для кодировки отвести четыре бита, то можно закодировать 2⁴=16 различных цветов, отвечающих комбинациям бит от 0000 до 1111. Если отвести 8 бит - то такой рисунок может содержать 2⁸=256 различных цветов (от 00000000 до 11111111), 16 бит - 2¹⁶=65 536 различных цветов (High Color). И, наконец, если отвести 24 бита, то потенциально рисунок может содержать 2²⁴= 16 777 216 различных цветов и оттенков.

Компьютерное растровое изображение представляется в виде прямоугольной матрицы, каждая ячейка которой представлена цветной точкой. При оцифровке изображения оно делится на такие крошечные ячейки, что глаз человека их не видит, воспринимая все изображение как целое. Сама сетка получила название растровой карты или матрицы (bitmap), а ее единичный элемент называется пикселем.

Пиксели подобны зернам фотографии и при значительном увеличении они становятся заметными. Растровая карта представляет собой набор (массив) троек чисел: две координаты пикселя на плоскости и его цвет. В отличие от векторных изображений, при создании объектов растровой графики математические формулы не используются, поэтому для синтеза растровых изображений необходимо задавать разрешение и размеры изображения.

С помощью растровой графики можно отразить и передать всю гамму оттенков и тонких эффектов, присущих реальному изображению. Растровое изображение ближе к фотографии, оно позволяет более точно воспроизводить основные характеристики фотографии: освещенность, прозрачность и глубину резкости. Чаще всего растровые изображения получают с помощью сканирования фотографий и других изображений цифровой фотокамерой или путем «захватом» кадра видеосъемки.

Векторы - это математическое описание объектов относительно точки начала координат; рисунок имеет вид комбинации простых геометрических фигур: точек, отрезков прямых и кривых, окружностей, прямоугольников и т. п. При этом для полного описания рисунка необходимо знать вид и базовые координаты каждой фигуры, например, координаты двух концов отрезка, координаты центра и диаметр окружности и т. д.

Иначе говоря, чтобы компьютер нарисовал прямую, нужны координаты двух точек, которые связываются по кратчайшей прямой, для дуги задается радиус и т.д. Таким образом, векторная иллюстрация это набор геометрических фигур.

Основным логическим элементом векторной графики является геометрический объект. В качестве объекта принимаются простые геометрические фигуры (так называемые примитивы - прямоугольник, окружность, эллипс, линия), составные фигуры или фигуры, построенные из примитивов, цветовые заливки, в том числе градиенты:

Преимущество векторной графики заключается в том, что форму, цвет и пространственное положение составляющих ее объектов можно описывать математическими формулами.

Важным объектом векторной графики является сплайн - это кривая, посредством которой описывается та или иная геометрическая фигура. На сплайнах построены современные шрифты TryeType и PostScript.

У векторной графики много достоинств. Она экономна в плане дискового пространства, необходимого для хранения изображений: это связано с тем, что сохраняется не само изображение, а только некоторые основные данные, используя которые, программа всякий раз воссоздает изображение заново. Кроме того, описание цветовых характеристик почти не увеличивает размер файла.

Объекты векторной графики легко трансформируются и модифицируются, что не оказывает практически никакого влияния на качество изображения. Масштабирование, поворот, искривление могут быть сведены к элементарным преобразованиям векторов.

Таким образом, достоинством растровой графики является возможность воспроизведения изображения любого типа и сложности. К основным недостаткам можно отнести значительный размер таких файлов (применение форматов со сжатием частично устраняет этот недостаток) и потери качества изображения при увеличении картинки.

Достоинства векторной графики заключаются в небольших размерах файла изображения, возможности изменения размера рисунка без потери качества и редактирования отдельных частей рисунка, не оказывая влияния на остальные. Однако эти достоинства проявляются только для некоторого класса изображений (например, для чертежей, где много прямых линий, которые легко описываются математически).

Изображение типа фотографии с плавными переходами от одного цвета к другому могут оказаться по размеру в десятки раз больше, чем в одном из растровых форматов.

BMP (Windows Device Independent Bitmap) - родной формат Windows, поддерживаемый всеми графическими редакторами, работающими под управлением этой операционной системы. Применяется для хранения растровых изображений, предназначенных для использования в Windows. Содержит информацию о каждом пикселе, что приводит к значительному размеру файла. Имеется возможность использования сжатия по алгоритму Run Length Encoding (RLE) - один из самых старых и самых простых алгоритмов архивации графики.

Архивация изображение в нем происходитза счет того, что в исходном изображении встречаются цепочки одинаковых байт. Замена их на пары <счетчик повторений, значение> уменьшает избыточность данных. Алгоритм рассчитан на деловую графику: изображения с большими областями повторяющегося цвета.

Ситуация, когда файл увеличивается, для этого простого алгоритма не так уж редка, поэтому использование сжатия для этого формата возможно только для некоторых классов изображений, в которых много длинных серий одинаковых цветов. В формате BMP можно сохранять изображения с глубиной цвета (числом битов, описывающих один пиксель изображения) 1, 4, 8 и 24 бита, что соответствует максимальному числу используемых цветов 2, 16, 256 и 16 777 216 соответственно.

Популярный формат GIF (CompuServe Graphics Interchange Format) разработан фирмой CompuServe как не зависящий от аппаратного обеспечения. Этот формат сочетает в себе редкий набор достоинств, неоценимых при той роли, которую он играет в WWW. Формат содержит достаточно хорошо упакованные графические данные.

Как и у программ-архиваторов, степень сжатия графической информации в GIF сильно зависит от уровня ее повторяемости и предсказуемости, а иногда еще и от ориентации картинки. GIF сканирует изображение по строкам, поэтому, например, плавный переход цветов (градиент), направленный сверху вниз, сожмется куда лучше, чем тех же размеров градиент, ориентированный слева направо, а последний - лучше, чем градиент по диагонали.

GIF может иметь любое количество цветов от двух до 256, и если в изображении используется, скажем, 64 цвета (2⁶), то для хранения каждого пикселя будет использовано ровно шесть бит и ни битом больше.

Изменив порядок следования данных в файле, создатели GIF заставили картинку рисоваться не только сверху вниз, но и, если можно так выразиться, «с глубины к поверхности», т. е. становиться все четче и детальнее по мере подхода из сети новых данных. Для этого файл с изображением тасуется при записи так, чтобы сначала шли все строки пикселей с номерами, кратными 8 (первый проход), затем 4 (второй проход), потом 2 и, наконец, последний проход - все оставшиеся строки с нечетными номерами.

Во время приема и декодирования такого файла каждый следующий проход заполняет «дыры» в предыдущих, постепенно приближая изображение к исходному состоянию, поэтому такие изображения были названы чересстрочными (interlaced).

Другой полезной возможностью формата является использование прозрачности. Формат может быть использован для создания анимационных изображений. GIF позволяет записывать изображение «через строчку» (interlaced), благодаря чему, имея только часть файла, можно увидеть изображение целиком, но с меньшим разрешением. Это достигается за счет записи, сначала 1-й, 5-й 10-й и т. д. строчек пикселей и растягивания данных между ними, вторым проходом следуют 2-я, 6-я, 11-я строчки, при этом разрешение изображения в интернет-браузере увеличивается. Таким образом, задолго до окончания загрузки файла пользователь может понять, что внутри, и решить, стоит ли ждать, когда файл поступит весь. Чересстрочная запись незначительно увеличивает размер файла, но это, как правило, оправдывается приобретаемым свойством.

В GIF можно назначить один или более цветов прозрачными, они станут невидимыми в интернет-браузерах и некоторых других программах. Прозрачность обеспечивается за счет дополнительного Alpha-канала, сохраняемого вместе с файлом. Кроме того, файл GIF может содержать не одну, а несколько растровых картинок, которые браузеры могут подгружать одну за другой с указанной в файле частотой. Так достигается иллюзия движения (GIF-анимация).

Основное ограничение формата GIF состоит в том, что цветное изображение может быть записано только в режиме 256 оттенков цветов, но для полиграфии этого явно недостаточно.

Формат JPEG (Joint Photographic Experts Group) отличается от других графических форматов, прежде всего тем, что он использует сжатие с «потерями» за счет отбрасывания той графической информации, которую обычно не замечает человеческий глаз в реальных изображениях. Однако при сжатии с помощью JPEG изображений с четкими контурами линии начинают заметно «дрожать». Так, например, если изображение содержит какие-либо подписи, то подобный эффект может возникнуть вокруг символов. Этот эффект может быть сведен к минимуму заданием очень высоких значений параметра качества, однако при этом нельзя достичь приемлемых показателей сжатия.

Так как JPEG - это сжатие с потерями, при создании файлов JPEG необходимо быть внимательным. Большинство программ, создающих такие файлы, позволяют задавать значение параметра качества (quality) изображения. Нижние значения позволяют при сжатии JPEG отбрасывать больше информации, в результате чего получаются файлы меньшего размера. В свою очередь, высокие значения ограничивают количество информации, которой можно пренебречь во время сжатия.

При просмотре изображения нужно обращать внимание на следующие моменты:

-на четкие очертания и углы, например, вокруг текста или на контурах деталей изображения, выделяющихся на общем фоне; часто заметно, что контур «смазан» или представляет собой «дрожащую» линию;

-для сжатия JPEG использует мозаику размером 8 на 8 пикселей. При задании слишком низких значений качества могут стать заметными ее границы.