Геометрические характеристики растра

Разрешающая способность. Она характеризует расстояние между соседни­ми пикселами (рис. 1). Разрешающую способность измеряют количеством пикселов на единицу длины. Наиболее популярной единицей измерения яв­ляется dpi (dots per inch)— количество пикселов в одном дюйме длины (2.54 см). Не следует отождествлять шаг с размерами пикселов— размер пикселов может быть равен шагу, а может быть как меньше, так и больше, чем шаг.

Рис. 2.1

Размер растра обычно измеряется количеством пикселов по горизонтали и вертикали. Можно сказать, что для компьютерной графики зачастую наибо­лее удобен растр с одинаковым шагом для обеих осей, то есть dpiX = dpiY. Это удобно для многих алгоритмов вывода графических объектов.

Форма пикселов растра определяется особенностями устройства графиче­ского вывода (рис. 2). Например, пикселы могут иметь форму прямоуголь­ника или квадрата, которые по размерам равны шагу растра (дисплей на жидких кристаллах); пикселы круглой формы, которые по размерам могут и не равняться шагу растра (принтеры).

Рис. 2.2

2.4 Количество цветов

Количество цветов (глубина цвета) — также одна из важнейших характери­стик растра. Количество цветов является важной характеристикой для любо­го изображения, а не только растрового. Согласно психофизиологическим исследованиям глаз человека способен различать 350000 цветов.

Классифицируем изображения следующим образом:

Двухцветные (бинарные)— 1 бит на пиксел. Среди двухцветных чаще всего встречаются черно-белые изображения.

Полутоновые— градации серого или иного цвета. Например, 256 града­ций (1 байт на пиксел).

Цветные изображения. От 2 бит на пиксел и выше. Глубина цвета 16 бит на пиксел (65 536 цветов) получила название High Color, 24 бит на пиксел (16,7 млн цветов) –True Color. В компьютерных графических системах используют и большую глубину цвета — 32, 48 и более бит на пиксел.

Кодирование цвета. Палитра

Для того чтобы компьютер имел возможность работать с цветными изобра­жениями, необходимо представлять цвета в виде чисел– кодировать цвет. Способ кодирования зависит от цветовой модели и формата числовых дан­ных в компьютере.

Чтобы оцифровать цвет, его необходимо измерить. Наука, которая изучает цвет и его измерения, называется колориметрией. Она описывает общие закономерности цветового восприятия света челове­ком. Одними из основных законов колориметрии являются законы смешивания цветов. Эти законы в наиболее полном виде были сформулированы в 1855 году немецким математиком Германом Грассманом:

закон трехмерности – любой цвет может быть представлен ком­бинацией трех основных цветов;

закон непрерывности – к любому цвету можно подобрать беско­нечно близкий;

закон аддитивности –цвет смеси зависит только от цвета состав­ляющих.

Первый закон означает, что для любого заданного цвета (Color) можно записать такое цве­товое уравнение, выражающее линейную зависимость цветов:

Color=k₁Color1+ k₂Color2+ k₃Color3,

где Color1, Color2, Color3 – некоторые базисные, линейно независимые цвета, коэффи­циенты k₁, k₂ , k₃ указывают количество соответствующего смешиваемого цвета. Линейная независимость цветов означает, что ни один из них не может быть выражен взвешенной суммой (линейной комбинацией) двух других.

Цветовая модель RGB. За основные три цвета приняты красный (Red), зеленый (Green), синий (Blue). В модели RGB любой цвет (Color) получается в результате сло­жения основных цветов.

Для модели RGB каждая из компонент может представляться числами, огра­ниченными некоторым диапазоном — например, дробными числами от 0 до 1 либо целыми числами от 0 до некоторого максимального значения. В настоящее время достаточно распространенным является формат True Color, в котором каждая компонента представлена в виде байта, что дает 256 градаций для каждой компоненты: R=0…255, G = 0…255, В = 0…255. Ко­личество цветов составляет 256*256*256 = 16.7 млн (2²⁴).

Такой способ кодирования цветов можно назвать компонентным. В компьютере коды изображений True Color представляются в виде троек байтов либо упаковываются в длинное целое (четырехбайтное) — 32 бита (так, на­пример, сделано в API Windows):

C= 00000000 bbbbbbbb gggggggg rrrrrrrr.

Цветовая модель RGB применяется для создания графических образов в устройствах, излучающих свет, - мониторах, телевизорах.

Цветовая модель CMYK. В полиграфических системах напечатанный на бумаге графический объект сам не излучает световых волн. Изобра­жение формируется на основе отраженной волны от окрашенных поверхностей. Окрашенные поверхности, на которые падает белый свет (т.е. сумма всех цветов), должны поглотить (т.е. вычесть) все составляющие цвета, кроме того, цвет которой мы видим. Цвет по­верхности можно получить красителями, которые поглощают, а не излучают. Например, если мы видим зеленое дерево, то это означа­ет, что из падающего белого цвета, т.е. суммы красного, зеленого, синего, поглощены красный и синий, а зеленый отражен. Цвета кра­сителей должны быть дополняющими:

голубой (Cyan = В + G), дополняющий красного;

пурпурный (Magenta = R + В), дополняющий зеленого;

желтый (Yellow = R + G), дополняющий синего.

Но так как цветные красители по отражающим свойствам не одинаковы, то для повышения контрастности применяется еще чер­ный (Black). Модель CMYK названа по первым буквам слов Cyan, Magenta, Yellow и последней букве слова Black. Так как цвета вычи­таются, модель называется субстрактивной.

При работе с изображениями в системах компьютерной графики часто при­ходится искать компромисс между качеством изображения (требуется как можно больше цветов) и ресурсами, необходимыми для хранения и воспро­изведения изображения, исчисляемыми, например, объемом памяти (надо уменьшать количество бит на пиксел).

Кроме того, некоторое изображение само по себе может использовать огра­ниченное количество цветов. Например, для черчения может быть достаточ­но двух цветов, для человеческого лица важны оттенки розового, желтого, пурпурного, красного, зеленого; а для неба— оттенки голубого и серого. В этих случаях использование полноцветного кодирования цвета является избыточным.

При ограничении количества цветов используют палитру, представляющую набор цветов, важных для данного изображения. Палитру можно восприни­мать как таблицу цветов. Палитра устанавливает взаимосвязь между кодом цвета и его компонентами в выбранной цветовой модели.

2.6 Графический формат

Графическим форматом называют порядок (структуру), согласно которому данные, описывающие изображение, записаны в файле.

Типы форматов графических файлов определяются способом хранения и типом графических данных. Наиболее широко используются растровый (битовый), векторный и метафайловый форматы.

Векторный формат наиболее удобен для хранения изображений, которые можно разложить на простые геометрические фигуры (например, чертежи или текст). Векторные файлы содержат математические описания элементов изображения. Наиболее распространенные векторные форматы: AutoCAD DXF и Microsoft SYLK.

Растровый формат используется для хранения растровых данных. Файлы такого типа особенно хорошо подходят для хранения изображений реаль­ного мира, например оцифрованных фотографий. Растровые файлы содер­жат битовую карту изображения и се спецификацию. Наиболее распростра­ненные растровые форматы: BMP, TIFF, GIF, PCX, JPEG.

Каждый из этих форматов имеет свои преимущества и свои недостатки.

Битовые изображения, как правило, выводятся на экран быстрее, так как их внутренняя структура аналогична (до некоторой степени) структуре видеопамяти. Изображения, получаемые при помощи сканеров и цифровых видеокамер получаются именно как битовые изображения.

К недостаткам битовых изображений можно отнести большой объем памяти, требующийся для их хранения (около 1 Мбайт в режиме True Color), невозможность масштабирования без потери качества изображения, а также сложность выделения и изменения отдельных объектов изображения.

Векторные изображения состоят из описаний отдельных элементов, поэтому они легко масштабируются. Однако вывод векторных изображений выполняется, как правило, медленнее, чем битовых.

Следует отметить, что некоторые устройства вывода, такие как плоттер (графопостроитель), способен работать только с векторными изображениями, так как с помощью пера можно рисовать только линии.

Существует множество форматов файлов, предназначенных для хранения битовых и векторных изображений.

Метафайловый формат позволяет хранить в одном файле и векторные, и растровые данные. Примером такого формата являются файлы CorelDRAW – CDR.

Кроме того, существуют файловые форматы для хранения мультипликации (видеоинформации), мультимедиа-форматы (одновременно хранят звуко­вую, видео- и графическую информацию), гипертекстовые (позволяют хра­нить не только текст, но и связи-переходы внутри него) и гипермедиа (ги­пертекст плюс графическая и видеоинформация) форматы, форматы трехмерных сцен, форматы шрифтов и т. д.