Представление графической информации в ПК
Все известные форматы представления изображений (как неподвижных, так и движущихся) можно разделить на растровые и векторные.
В векторном формате изображение разделяется на примитивы - прямые линии, многоугольники, окружности и сегменты окружностей , параметрические кривые, залитые определенным или шаблоном, связные области, набранные определенным шрифтом отрывки текста и т. д. Для пересекающихся примитивов введен порядок, в котором один из них перекрывает другой. Некоторые форматы, например PostScript, позволяют задавать собственные примитивы аналогично тому, как в языках программирования можно описывать подпрограммы. Такие форматы часто имеют переменные и условные операторы и представляют собой полнофункциональный (хотя и специализированный) язык программирования.
Каждый примитив описывается своими геометрическими координатами. Точность описания в разных форматах различна, нередко используются числа с плавающей точкой двойной точности или с фиксированной точкой и точностью до 16-го двоичного знака. Координаты примитивов бывают как двух-, так и трехмерными. Для трехмерных изображений, естественно, набор примитивов расширяется, в него включаются и различные поверхности - сферы, эллипсоиды и их сегменты, параметрические многообразия и др.
Двухмерные векторные форматы используются для представления чертежей, диаграмм, шрифтов (отдельных букв шрифта) и отформатированных текстов. Такие изображения удобно редактировать, изображения и их отдельные элементы легко поддаются масштабированию и другим преобразованиям. Примером векторного представления движущихся изображений является Macromedia Flash. Трехмерные векторные форматы широко используются в системах автоматизированного проектирования и для генерации фотореалистичных изображений методами трассировки лучей и т. д. Однако преобразование реальной сцены (например, полученной оцифровкой видеоизображения или сканированием фотографии) в векторный формат представляет собой сложную и в общем случае неразрешимую задачу. Программы - векторизаторы существуют, но потребляют очень много ресурсов, а качество изображения во многих случаях получается низким. Самое же главное - создание фотоpeaлистичных (фотографических или имитирующих фотографию) изображений в векторном формате, хотя теоретически и, возможно, на практике требует большого числа очень сложных примитивов. Гораздо более практичным для этих целей оказался другой подход к оцифровке изображений, который использует большинство современных устройств визуализации: растровые дисплеи и многие печатающие устройства.
В растровом формате изображение разбивается на прямоугольную матрицу элементов, называемых пикселями. Матрица называется растром. Для каждого пикселя определяется его яркость и, если изображение цветное, цвет. Если, как это часто бывает при оцифровке реальных сцен или преобразовании в растровый формат (растеризации) векторных изображений, в один пиксель попали несколько элементов, их яркость и цвет усредняются с учетом занимаемой площади. При оцифровке усреднение выполняется аналоговыми контурами аналого-цифрового преобразователя.
Растровое изображение представляет собой совокупность точек, используемых для его отображения на экране монитора. Объем растрового изображения определяется как произведение количества точек и информационного объема одной точки, который зависит от количества возможных цветов. Для черно-белого изображения информационный объем одной точки равен 1 биту, так как точка может быть либо черной, либо белой, что можно закодировать двумя цифрами — 0 или 1.
Для кодирования 8 цветов необходимо 3 бита; для 16 цветов — 4 бита; для 6 цветов — 8 битов (1 байт) и т.д.
Создавать и хранить графические объекты в компьютере можно двумя способами — как растровое или как векторное изображение. Для каждого типа изображения используется свой способ кодирования.
Размер матрицы называется разрешением растрового изображения. Дня печатающих устройств обычно задается неполный размер матрицы, соответствующей всему печатному листу, а количество пикселей, приходящихся на вертикальный или горизонтальный отрезок, длиной 1 дюйм; соответствующая единица так и называется - точки на дюйм (dpi). Для черно-белой печати обычно достаточно 300 или 600 dpi. Однако принтеры в отличие от растровых терминалов, не умеют манипулировать яркостью отдельной точки, поэтому изменения яркости приходится имитировать, разбивая изображение на квадратные участки и регулируя яркость относительным количеством черных и белых (или цветных и белых при цветной печати) точек в этом участке. Для получения таким способом приемлемого качества фотореалистичных изображений 300 dpi заведомо недостаточно, и даже бытовым принтерам приходится использовать гораздо более высокие разрешения, вплоть до 2400 dpi.
Вторым параметром растрового изображения является разрядность одного пикселя, которую называют цветовой глубиной. Для черно-белых изображений достаточно одного бита на пиксель, для градаций яркости серого или цветовых составляющих изображения, необходимо несколько битов. В цветных изображениях пиксель разбивается на три или четыре составляющие, соответствующие разным цветам спектра. В промежуточных данных, используемых при оцифровке и редактировании растровых изображений, цветовая глубина достигает 48 или 64 бит (16 бит на цветовую составляющую). Диапазон современных мониторов, впрочем, позволяет ограничиться восемью битами, то есть 256 градациями на одну цветовую составляющую: большее количество градаций просто незаметно глазу.
Наиболее широко используемые цветовые модели - это RGB (Red, Green, Blue, что означает красный, зеленый, синий, соответствующие максимумам частотной характеристики светочувствительных пигментов человеческого глаза), CMY (Cyan, Magenta, Yellow - голубой, пурпурный, желтый, дополнительные к RGB) и CMYK, использующий те же цвета, что и предыдущая модель, но с добавлением градаций серого. Цветовая модель RGB используется в цветных кинескопах и видеоадаптерах, CMYK в основном в цветной полиграфии.
При использовании RGB-модели красный, зеленый и синий цвета называют первичными, поскольку путем определенного комбинирования можно получить любой цвет, вплоть до белого. Человеческий глаз различает свыше 16 миллионов цветов и оттенков. RGB-модель используется во всех мониторах и телевизорах и называется аддитивной.
В различных графических форматах используется разный способ хранения пикселей. Различают два основных подхода, когда сохраняются числа, соответствующие пикселям, последовательно друг за другом, в другом случае изображение разбивается на битовые плоскости, первоначально хранятся младшие биты всех пикселей, потом - вторые и т. д. Обычно растровое изображение снабжается заголовком, в котором указаны его разрешение, глубина пикселя и нередко используемая цветовая модель.
Чтобы рисунок буквы был виден на экране, его цвет должен отличаться от цвета фона, на котором он изображается. Поэтому рассмотренные коды символов (порядковые номера в таблице кодирования) дополняются кодами цвета фона и цвета рисунков. Для этих кодов цветов специально отведена часть памяти, равная 1 байту памяти, поделенной пополам - младшую (левую) половину из 4 битов, которая используется для кодирования цвета рисунка, старшую для кодирования цвета фона. Этот байт называется байтом атрибутов символа, и он всегда присутствует вместе с кодом самого символа в 2-байтовых кодах символов, передаваемых в видеопамять для отображения на экране.
В 4 битах можно закодировать 16 цветов, а при необходимости кодирования большего количества цветов применяют многоступенчатую систему кодирования. Содержимое байта атрибутов удобно записывать в шестнадцатеричном формате, у которого первая 16-ричная цифра в этом случае обозначает цвет фона, а вторая - цвет рисунка символа. Например, шестнадцатеричное число 4Е кодирует желтые (код желтого цвета Е или 14 в 10-й системе) буквы на красном (код красного цвета равен 4) фоне.
Дисплейный адаптер содержит 2-байтовые кодовые группы каждой буквы текста, содержащие код символа и код атрибутов его изображения для вывода на экран, записывающиеся в память устройства управления, а саму память называют видеопамятью, видеобуфером или буфером регенерации. Для постоянного обновления изображения на экране из этого буфера с частотой примерно 25 (или более) раз в секунду считываются коды символов и преобразуются в рисунки букв на экране. Чтобы такое преобразование стало возможным, в памяти компьютера размещаются и сами рисунки букв. Для изображения символов обычно отводится в зависимости от типа видеосистемы от 8 до 16 строк по 8 пикселей в строке. О каждом пикселе в изображении символа дисплейный адаптер должен знать – относится он к фону или рисунку, то есть достаточно одного бита с двумя состояниями. По договоренности, если бит содержит 0, то это пиксель фона, а если 1 – то это пиксель рисунка.
Наиболее распространенные графические форматы:
• GIF (Graphics Interchange Format) — это популярный формат растровых графических редакторов, предусматривающий сжатие изображения без потерь информации. Рекомендуется для хранения изображений, создаваемых программным путем (диаграмм, графиков, рисунков с ограниченным количеством цветов до 256). Используется для размещения графических изображений на Web – страницах в Интернете.
• JPEG (Joint Photographic Experts Group) — формат, использующий алгоритм сжатия с потерями. Изображение хранится в специальном формате сжатия (коэффициент сжатия обычно от 1:2 до 1:10). При воспроизведении изображений потери качества незначительны и практически незаметны.
• PCD (Photo-CD) — формат для фотографий. Изображение хранится в специальном формате Photo CD фирмы Kodak. Доступ к картинкам осуществляется через специальные программы фирмы Kodak либо через программы, поддерживающие этот стандарт.
• BMP (Bit MaP image) — не предусматривает сжатия изображения. Его большое достоинство — универсальность. Поддерживается почти всеми программами просмотра и редактирования графических файлов. Используется в операционной системе Windows во многих графических редакторах, в том числе в Paint. В последнее время появляются программы, которые преобразуют файл этого формата в формат BMP RLE Compressed, способный хранить изображение в специальном формате сжатия.
• TIFF (Tagged Image File Format) — формат, который широко используется в различных программах, например, в программе PageMaker и в программах работы с графическими изображениями. Форматы TIFF и BMP поддерживаются популярным редактором Microsoft Word, позволяющим вставлять рисунки в различные документы. Рекомендуется для использования при работе с издательскими системами.
• PNG (Portable Network Graphic) – формат растровых графических файлов, используемый для размещения графических изображений на Web – страницах в Интернете.
• WMF (Windows MetaFile) – универсальный формат векторных графических файлов для Windows – приложений. Используется для хранения коллекции графических изображений Microsoft Clip Gallery.
• CDR (CorelDRaw files) – оригинальный формат векторных графических файлов, используемый в системе обработки векторной графики CorelDraw.
Видеоуроки
Посмотрите видеофайлы для лучшего усвоения материала.
1) Виды компьютерной графики
2) Растровая и векторная графика
3) Применение компьютерной графики
4) Различия векторной и растровой графики
-