Введение
Представление данных на мониторе компьютера в графическом виде впервые было реализовано в середине 50-х годов для больших ЭВМ, применявшихся в научных и военных исследованиях. С тех пор графический способ отображения данных стал неотъемлемой принадлежностью подавляющего числа компьютерных систем, в особенности персональных. Графический интерфейс пользователя сегодня является стандартом “де-факто” для программного обеспечения разных классов, начиная с операционных систем.
Существует специальная область информатики, изучающая методы и средства создания и обработки изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов, – компьютерная графика. Она охватывает все виды и формы представления изображений, доступных для восприятия человеком либо на экране монитора, либо в виде копии на внешнем носителе (бумага, кинопленка, ткань и прочее). Без компьютерной графики невозможно представить себе не только компьютерный, но и обычный, вполне материальный мир. Визуализация данных находит применение в самых разных сферах человеческой деятельности. Для примера назовем медицину (компьютерная томография), научные исследования (визуализация строения вещества, векторных полей и других данных), моделирование тканей и одежды, опытно-конструкторские разработки.
В зависимости от способа формирования изображений компьютерную графику принято подразделять на растровую, векторную и фрактальную.
Рисунок 1 Рисунок 2 Рисунок 3
Отдельным предметом считается трехмерная (3D) графика, изучающая приемы и методы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве. Как правило, в ней сочетаются векторный и растровый способы формирования изображений.
Особенности цветового охвата характеризуют такие понятия, как черно-белая и цветная графика. На специализацию в отдельных областях указывают названия некоторых разделов: инженерная графика, научная графика, Web-графика, компьютерная полиграфия и прочие.
На стыке компьютерных, телевизионных и кинотехнологий зародилась и стремительно развивается сравнительно новая область компьютерной графики и анимации.
Заметное место в компьютерной графике отведено развлечениям. Появилось даже такое понятие, как механизм графического представления данных (Graphics Engine). Рынок игровых программ имеет оборот в десятки миллиардов долларов и часто инициализирует очередной этап совершенствования графики и анимации.
Хотя компьютерная графика служит всего лишь инструментом, ее структура и методы основаны на передовых достижениях фундаментальных и прикладных наук: математики, физики, химии, биологии, статистики, программирования и множества других. Это замечание справедливо как для программных, так и для аппаратных средств создания и обработки изображений на компьютере. Поэтому компьютерная графика является одной из наиболее бурно развивающихся отраслей информатики и во многих случаях выступает “локомотивом”, тянущим за собой всю компьютерную индустрию.
1.Компьютерная графика
Компьютерная графика – это наука, предметом изучения которой является создание, хранение и обработка моделей и их изображений с помощью ЭВМ, т.е. это раздел информатики, который занимается проблемами получения различных изображений (рисунков, чертежей, мультипликации) на компьютере.
Под компьютерной графикой обычно понимают автоматизацию процессов подготовки, преобразования, хранения и воспроизведения графической информации с помощью компьютера. Под графической информацией понимаются модели объектов и их изображения.
Компьютерная
графика
- это область
информатики, занимающаяся проблемами
получения различных изображений
(рисунков,чертежей, мультипликации)
накомпьютере.Работа с компьютерной
графикой - одно из самых популярных
направлений использования персонального
компьютера, причем занимаются этой
работой не только профессиональные
художники и дизайнеры. На любом предприятии
время от времени возникает необходимость
в подаче рекламных объявлений в газеты
и журналы, в выпуске рекламной листовки
или буклета. Иногда предприятия заказывают
такую работу специальным дизайнерским
бюро или рекламным агенствам, но часто
обходятся собственными силами и
доступными программными средствами.
Без
компьютерной графики не обходится ни
одна современная программа. Работа над
графикой занимает до 90% рабочего времени
программистких коллективов, выпускающих
программы массового применения.
Основные
трудозатраты в работе редакций и
издательств тоже составляют художественные
и оформительские работы с графическими
прораммами.
Необходимость широкого
использования графических программных
средств стала особенно ощутимой в связи
с развитием Интернета и, в первую очередь,
благодаря службе World Wide Web, связавшей в
единую "паутину" миллионы "домашних
страниц". У страницы, оформленной
без компьютерной графики мало шансов
привлечь к себе массовое внимание.
Область применения компьютерной графики не ограничивается одними художественными эффектами. Во всех отраслях науки, техники, медицины, в коммерческой и управленческой деятельности используются построенные с помощью компьютера схемы, графики, диаграммы, предназначенные для наглядного отображения разнообразной информации. Конструкторы, разрабатывая новые модели автомобилей и самолетов, используют трехмерные графические объекты, чтобы представить окончательный вид изделия. Архитекторы создают на экране монитора объемное изображение здания, и это позволяет им увидеть, как оно впишется в ландшафт.
2.Виды компьютерной графики
Существует три вида компьютерной графики:
Растровая графика
Векторная графика
Фрактальная графика
Растровое изображение , цифровое изображение - это файл данных или структура, представляющая прямоугольную сетку пикселей или точек цветов на компьютерном мониторе, бумаге и других отображающих устройствах и материалах. То есть, растровая графика - это формат изображения, который содержит информацию о расположении, количестве и цвете пикселей.
Главным достоинством растровой графики является создание (воспроизведение) практически любого рисунка, вне зависимости от сложности, в отличие, например, от векторной, где невозможно точно передать эффект перехода от одного цвета к другому (в теории, конечно, возможно, но файл размером 1 МБ в формате BMP будет иметь размер 200 МБ в векторном формате).
Векторная графика (другое название - геометрическое моделирование ) - это использование геометрических примитивов, таких как точки, линии, сплайны и многоугольники, для представления изображений в компьютерной графике. Термин используется в противоположность к растровой графике, которая представляет изображения как матрицу пикселей (точек).
Изначально человеческий глаз воспринимает изображение подобно растровому образу. Картинка проецируется на сетчатку, состоящую из отдельных, реагирующих на свет клеток. Далее система глаз-мозг распознаёт в изображении отдельные объекты, геометрические фигуры, которые уже легче обрабатывать и запоминать.
Фрактальная графика основана на математических вычислениях. Базовым элементом фрактальной графики является сама математическая формула, то есть никаких объектов в памяти компьютера не хранится и изображение строится исключительно по уравнениям. Таким способом строят как простейшие регулярные структуры, так и сложные иллюстрации, имитирующие природные ландшафты и трехмерные объекты.
3.Графические системы . С истемы растровой и векторной графики .
Растровая графика
Для растровых изображений, состоящих из точек, особую важность имеет понятие разрешения, выражающее количество точек, приходящихся на единицу длины. При этом следует различать:
разрешение оригинала;
разрешение экранного изображения;
разрешение печатного изображения.
Разрешение оригинала. Разрешение оригинала измеряется в точках на дюйм (dots per inch – dpi ) и зависит от требований к качеству изображения и размеру файла, способу оцифровки и создания исходной иллюстрации, избранному формату файла и другим параметрам. В общем случае действует правило: чем выше требование к качеству, тем выше должно быть разрешение оригинала.
Разрешение экранного изображения. Для экранных копий изображения элементарную точку растра принято называть пикселом. Размер пиксела варьируется в зависимости от выбранного экранного разрешения (из диапазона стандартных значений),разрешение оригинала и масштаб отображения.
Мониторы для обработки изображений с диагональю 20–21 дюйм (профессионального класса),как правило, обеспечивают стандартные экранные разрешения 640х480, 800х600, 1024х768,1280х1024,1600х1200,1600х1280,1920х1200, 1920х1600 точек.
Расстояние между соседними точками люминофора у качественного монитора составляет 0,22–0,25 мм.
Для экранной копии достаточно разрешения 72 dpi, для распечатки на цветном или лазерном принтере 150–200 dpi, для вывода на фотоэкспонирующем устройстве 200–300 dpi. Установлено эмпирическое правило, что при распечатке величина разрешения оригинала должна быть в 1,5 раза больше, чем линиатура растра устройства вывода. В случае, если твердая копия будет увеличена по сравнению с оригиналом, эти величины следует умножить на коэффициент масштабирования.
Разрешение печатного изображения и понятие линиатуры. Размер точки растрового изображения как на твердой копии (бумага, пленка и т. д.), так и на экране зависит от примененного метода и параметров растрирования оригинала. При растрировании на оригинал как бы накладывается сетка линий, ячейки которой образуют элемент растра. Частота сетки растра измеряется числом линий на дюйм (lines per inch – Ipi) и называется линиатурой.
Размер точки растра рассчитывается для каждого элемента и зависит от интенсивности тона в данной ячейке. Чем больше интенсивность, тем плотнее заполняется элемент растра. То есть, если в ячейку попал абсолютно черный цвет, размер точки растра совпадет с размером элемента растра. В этом случае говорят о 100% заполняемости. Для абсолютно белого цвета значение заполняемости составит 0%. На практике заполняемость элемента на отпечатке обычно составляет от 3 до 98%. При этом все точки растра имеют одинаковую оптическую плотность, в идеале приближающуюся к абсолютно черному цвету. Иллюзия более темного тона создается за счет увеличения размеров точек и, как следствие, сокращения пробельного поля между ними при одинаковом расстоянии между центрами элементов растра. Такой метод называют растрированием с амплитудной модуляцией (AM).
Интенсивность тона (так называемую светлоту) принято подразделять на 256 уровней. Большее число градаций не воспринимается зрением человека и является избыточным. Меньшее число ухудшает восприятие изображения (минимально допустимым для качественной полутоновой иллюстрации принято значение 150 уровней). Нетрудно подсчитать, что для воспроизведения 256 уровней тона достаточно иметь размер ячейки растра 256 = 16 х 16 точек.
При выводе копии изображения на принтере или полиграфическом оборудовании линиатуру растра выбирают, исходя из компромисса между требуемым качеством, возможностями аппаратуры и параметрами печатных материалов. Для лазерных принтеров рекомендуемая линиатура составляет 65-100 Ipi, для газетного производства – 65-85 lpi, для книжно-журнального – 85-133 lpi, для художественных и рекламных работ – 133-300 lpi.
При печати изображений с наложением растров друг на друга, например многоцветных, каждый последующий растр поворачивается на определенный угол. Традиционными для цветной печати считаются углы поворота: 105 градусов для голубой печатной формы, 75 градусов для пурпурной, 90 градусов для желтой и 45 градусов для черной. При этом ячейка растра становится косоугольной, и для воспроизведения 256 градаций тона с линиатурой 150 lpi уже недостаточно разрешения 16х150=2400 dpi. Поэтому для фотоэкспонирующих устройств профессионального класса принято минимальное стандартное разрешение 2540 dpi, обеспечивающее качественное растрирование при разных углах поворота растра. Таким образом, коэффициент, учитывающий поправку на угол поворота растра, для цветных изображений составляет 1,06.
Динамический диапазон. Качество воспроизведения тоновых изображений принято оценивать динамическим диапазоном (D). Это оптическая плотность, численно равная десятичному логарифму величины, обратной коэффициенту пропускания (для оригиналов, рассматриваемых “на просвет”, например слайдов) или коэффициенту отражения (для прочих оригиналов, например полиграфических отпечатков).
Для оптических сред, пропускающих свет, динамический диапазон лежит в пределах от 0 до 4. Для поверхностей, отражающих свет, значение динамического диапазона составляет от 0 до 2. Чем выше динамический диапазон, тем большее число полутонов присутствует в изображении и тем лучше качество его восприятия.
Связь между параметрами изображения и размером файла. Средствами растровой графики принято иллюстрировать работы, требующие высокой точности в передаче цветов и полутонов. Однако размеры файлов растровых иллюстраций стремительно растут с увеличением разрешения. Фотоснимок, предназначенный для домашнего промотра (стандартный размер 10х15 см, оцифрованный с разрешением 200-300 dpi, цветовое разрешение 24 бита), занимает в формате TIFF с включенным режимом сжатия около 4 Мбайт. Оцифрованный с высоким разрешением слайд занимает 45-50 Мбайт. Цветоделенное цветное изображение формата А4 занимает 120-150 Мбайт.
Масштабирование растровых изображений. Одним из недостатков растровой графики является так называемая пикселизация изображений при их увеличении (если не приняты специальные меры). Раз в оригинале присутствует определенное количество точек, то при большем масштабе увеличивается и их размер, становятся заметны элементы растра, что искажает саму иллюстрацию (рис.4). Для противодействия пикселизации принято заранее оцифровывать оригинал с разрешением, достаточным для качественной визуализации при масштабировании. Другой прием состоит в применении стохастического растра, позволяющего уменьшить эффект пикселизации в определенных пределах. Наконец, при масштабировании используют метод интерполяции, когда увеличение размера иллюстрации происходит не за счет масштабирования точек, а путем добавления необходимого числа промежуточных точек.
Понятие
72. Разрешение: 800*600, 1024*768. 1280*1024. 4. Векторная и растровая графика : суть, отличия, области применения. Принципы... , где и как хранится/отображается рисунок. 6. Понятие графического примитива. Наиболее распространенные графические...
Растровая графика, общие сведения
Компьютерное растровое изображение представляется в виде прямоугольной матрицы, каждая ячейка которой представлена цветной точкой.
Основой растрового представления графики является пиксель (точка) с указанием ее цвета. При описании, например, красного эллипса на белом фоне необходимо указать цвет каждой точки эллипса и фона. Изображение представляется в виде большого количества точек - чем их больше, тем визуально качественнее изображение и больше размер файла. Т.е. одна и даже картинка может быть представлена с лучшим или худшим качеством в соответствии с количеством точек на единицу длины - разрешением (обычно, точек на дюйм - dpi или пикселей на дюйм - ppi).
Растровые изображения напоминают лист клетчатой бумаги, на котором любая клетка закрашена либо черным, либо белым цветом, образуя в совокупности рисунок. Пиксел - основной элемент растровых изображений. Именно из таких элементов состоит растровое изображение, т.е. растровая графика описывает изображения с использованием цветных точек (пиксели) , расположенных на сетке.
При редактировании растровой графики Вы редактируете пиксели , а не линии . Растровая графика зависит от разрешения, поскольку информация, описывающая изображение, прикреплена к сетке определенного размера. При редактировании растровой графики, качество ее представления может измениться. В частности, изменение размеров растровой графики может привести к «разлохмачиванию» краев изображения, поскольку пиксели будут перераспределяться на сетке. Вывод растровой графики на устройства с более низким разрешением, чем разрешение самого изображения, понизит его качество.
Кроме того, качество характеризуется еще и количеством цветов и оттенков, которые может принимать каждая точка изображения. Чем большим количеством оттенков характеризуется изображения, тем большее количество разрядов требуется для их описания. Красный может быть цветом номер 001, а может и - 00000001. Таким образом, чем качественнее изображение, тем больше размер файла.
Растровое представление обычно используют для изображений фотографического типа с большим количеством деталей или оттенков. К сожалению, масштабирование таких картинок в любую сторону обычно ухудшает качество. При уменьшении количества точек теряются мелкие детали и деформируются надписи (правда, это может быть не так заметно при уменьшении визуальных размеров самой картинки - т.е. сохранении разрешения). Добавление пикселей приводит к ухудшению резкости и яркости изображения, т.к. новым точкам приходится давать оттенки, средние между двумя и более граничащими цветами.
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, с помощью цифровой фотокамеры или путем "захвата" кадра видеосъемки. Растровые изображения можно получить и непосредственно в программах растровой или векторной графики путем преобразовании векторных изображений.
Распространены форматы .tif, .gif, .jpg, .png, .bmp, .pcx и др.
Растровые представления изображений
Пиксел - основной элемент растровых изображений. Именно из таких элементов состоит растровое изображение.
Цифровое изображение - это совокупность пикселей. Каждый пиксел растрового изображения характеризуется координатами x и y и яркостью V(x,y) (для черно-белых изображений). Поскольку пикселы имеют дискретный характер, то их координаты - это дискретные величины, обычно целые или рациональные числа. В случае цветного изображения, каждый пиксел характеризуется координатами x и y, и тремя яркостями: яркостью красного, яркостью синего и яркостью зеленого цветов (V R , V B , V G). Комбинируя данные три цвета можно получить большое количество различных оттенков.
Заметим, что в случае, если хотя бы одна из характеристик изображения не является числом, то изображение относится к виду аналоговых . Примерами аналоговых изображений могут служить галограмы и фотографии. Для работы с такими изображениями существуют специальные методы, в частности, оптические преобразования. В ряде случаев аналоговые изображения переводят в цифровой вид. Эту задачу осуществляет Image Processing.
Цвет любого пиксела растрового изображения запоминается с помощью комбинации битов. Чем больше битов для этого используется, тем больше оттенков цветов можно получить. Под градацию яркости обычно отводится 1 байт (256 градаций), причем 0 - черный цвет, а 255 - белый (максимальная интенсивность). В случае цветного изображения отводится по байту на градации яркостей всех трех цветов. Возможно кодирование градаций яркости другим количеством битов (4 или 12), но человеческий глаз способен различать только 8 бит градаций на каждый цвет, хотя специальная аппаратура может потребовать и более точную передачу цветов. Цвета, описываемые 24 битами, обеспечивают более 16 миллионов доступных цветов и их часто называют естественными цветами.
В цветовых палитрах каждый пиксел описан кодом. Поддерживается связь этого кода с таблицей цветов, состоящей из 256 ячеек. Разрядность каждой ячейки- 24 разряда. На выходе каждой ячейки по 8 разрядов для красного, зеленого и синего цветов.
Цветовое пространство, образуемое интенсивностями красного, зеленого и синего, представляют в виде цветового куба
Вершины куба A, B, C являются максимальными интенсивностями зеленого, синего и красного соответственно, а треугольник, которые они образуют, называется треугольником Паскаля. Периметр этого треугольника соответствует максимально насыщенным цветам. Цвет максимальной насыщенности содержит всегда только две компоненты. На отрезке OD находятся оттенки серого, причем тока O соответствует черному, а точка D белому цвету.
Виды растров
Растр - это порядок расположения точек (растровых элементов). На рис. 2. изображен растр, элементами которого являются квадраты, такой растр называется прямоугольным , именно такие растры наиболее часто используются.
Хотя возможно использование в качестве растрового элемента фигуры другой формы: треугольника, шестиугольника; соответствующего следующим требованиям:
− все фигуры должны быть одинаковые;
− должны полностью покрывать плоскость без наезжания и дырок.
Так в качестве растрового элемента возможно использование равностороннего треугольника, правильного шестиугольника (гексаэдра) Можно строить растры, используя неправильные многоугольники, но практический смысл в подобных растрах отсутствует.
Рассмотрим способы построения линий в прямоугольном и гексагональном растре.
В прямоугольном растре построение линии осуществляется двумя способами:
1) Результат - восьмисвязная линия. Соседние пиксели линии могут находится в одном из восьми возможных положениях. Недостаток - слишком тонкая линия при угле 45°.
2) Результат - четырехсвязная линия. Соседние пиксели линии могут находится в одном из четырех возможных положениях. Недостаток - избыточно толстая линия при угле 45°.
В гексагональном растре линии шестисвязные (см. рис. 6) такие линии более стабильны по ширине, т.е. дисперсия ширины линии меньше, чем в квадратном растре.
Одним из способов оценки растра является передача по каналу связи кодированного, с учетом используемого растра, изображения с последующим восстановлением и визуальным анализом достигнутого качества. Экспериментально и математически доказано, что гексагональный растр лучше, т.к. обеспечивает наименьшее отклонение от оригинала. Но разница не велика.
Моделирование гексагонального растра. Возможно построение гексагонального растра на основе квадратного. Для этого гексаугольник представляют в виде прямоугольника.
Факторы, влияющие на количество памяти, занимаемой растровым изображением
Файлы растровой графики занимают большое количество памяти компьютера. Некоторые картинки занимают большой объем памяти из-за большого количества пикселов, любой из которых занимает некоторую часть памяти. Наибольшее влияние на количество памяти занимаемой растровым изображением оказывают три факта:
− размер изображения;
− битовая глубина цвета;
− формат файла, используемого для хранения изображения.
Существует прямая зависимость размера файла растрового изображения. Чем больше в изображении пикселов, тем больше размер файла. Разрешающая способность изображения на величину файла никак не влияет. Разрешающая способность оказывает эффект на размер файла только при сканировании или редактировании изображений.
Связь между битовой глубиной и размером файла непосредственная. Чем больше битов используется в пикселе, тем больше будет файл. Размер файла растровой графики сильно зависит от формата выбранного для хранения изображения. При прочих равных условиях, таких как размеры изображения и битовая глубина существенное значение имеет схема сжатия изображения. Например, BMP файл имеет, как правило, большие размеры, по сравнению с файлами PCX и GIF, которые в свою очередь больше JPEG файла.
Многие файлы изображений обладают собственными схемами сжатия, также могут содержать дополнительные данные краткого описания изображения для предварительного просмотра.
Достоинства и недостатки растровой графики
Достоинства:
Растровая графика эффективно представляет реальные образы. Реальный мир состоит из миллиардов мельчайших объектов и человеческий глаз как раз приспособлен для восприятия огромного набора дискретных элементов, образующих предметы. На своем высшем уровне качества - изображение выглядят вполне реально подобно тому, как выглядят фотографии в сравнении с рисунками. Это верно только для очень детализированных изображений, обычно получаемых сканированием фотографий. Помимо естественного вида растровые изображения имеют другие преимущества. Устройства вывода, такие как лазерные принтеры, для создания изображений используют наборы точек. Растровые изображения могут быть очень легко распечатаны на таких принтерах, потому что компьютерам легко управлять устройством вывода для представления отдельных пикселов с помощью точек.
Основные понятия растровой графики
Чем отличается растровая графика от векторной
Всю двумерную компьютерную графику можно разделить на 2 больших класса – векторную и растровую.
Векторная графика – совокупность разнообразных геометрических форм и более сложных объектов, состоящих из прямых, дуг окружностей и кривых Безье. Главная отличительная черта – масштабируемость векторных изображений без потери качества. Однако ее возможности ограничены, в частности, создать фотографическое изображение средствами векторной графики невозможно.
Растровая – двумерный массив "квадратиков" (пикселей) различных цветов, малых настолько, что при взгляде на растровое изображение мы видим не набор пикселей, а целостную картину.
Параметры растрового изображения
Растровое изображение характеризуется двумя важными параметрами – размер и разрешение.
Размер – это размерность массива, количество пикселей по горизонтали и вертикали.
Разрешение – количество пикселей, приходящихся на дюйм (или другую единицу измерения) распечатанного изображения. Таким образом, разрешение связывает между собой размер растрового изображения в пикселях с физическим размером в дюймах или сантиметрах изображения, выведенного на печать. В то же время на отображение на экране монитора разрешение никоим образом не влияет.
Системы представления цвета
Существуют две основные системы представления цвета – RGB и CMYK . Первая применяется в компьютерных мониторах, вторая – при печати на бумаге. Главное их отличие – на экране отсутствие цвета представлено черным цветом, на бумаге – белым. Соответственно, смешению максимального количества цветов на экране соответствет белый, на бумаге – черный. Таким образом, системы противоположны друг другу. В RGB в качестве основных используются красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue) цвета, в CMYK – противоположные им голубой (Cyan), пурпурный (Magenta) и желтый (Yellow). Однако на бумаге из-за несовершенства печатных устройств не удается создать идеально черный цвет путем смешения, поэтому в системе CMYK добавляется еще один базовый цвет – черный (black).
Глубиной цвета называется количество бит, хранящих информацию о цвете, приходящихся на один пиксел изображения. От этого параметра зависит количество используемых в изображении цветов. Скажем, 8-битная глубина цвета – это 2^8 = 256 цветов. Уровень качества, при котором человеческий глаз неспособен отличить компьютерное фотографическое изображение от настоящего – 24 бита, т.е. около 16 миллионов цветов.
Форматы растровой графики для веба
Разумеется, от объема информации о цвете напрямую зависит объем графического файла в байтах. Поэтому необходим компромисс между качеством воспроизведения и объемом графического файла, что достигается, в частности, путем оптимизации графики. В вебе используются 2 основных формата растровой графики – GIF и JPG.
GIF способен хранить информацию о любом количестве цветов от 2 до 256, за счет сокращения количества цветов достигается резкое уменьшение объема файла.
В формате JPG изображение упрощается за счет дробления на прямоугольные участки различного размера, залитые одним цветом или двухцветным градиентом.
Пиксел
Растровое изображение – сетка или растр, ячейки которой называются пикселами. Другими словами, можно представить, что изображение состоит из конечного числа квадратиков определенного цвета. Эти квадратики называют pixel (от PICture ELement) - пиксел или пиксель
Каждый пиксел в растровом изображении имеет строго определенное положение и цвет. Любой объект интерпретируется как набор окрашенных пикселов. При обработке растровых изображений редактируются не конкретные объекты и контуры, а составляющие их группы пикселов. Растровые изображения обеспечивают высокую точность градации цветов и полутонов и хороши для отображения фотографий. Качество растровых изображений зависит от разрешающей способности оборудования, так как любой рисунок – это определенное количество пикселов. Некорректная обработка текста, например, изменение размера, может привести к тому, что границы рисунков получатся неровными, а мелкие детали могут быть потеряны.
Размер и разрешение
Основные характеристики растрового изображения: размер и разрешение.
Размер растрового изображения определяется в пикселах. Как было сказано, пикселы - это условные квадратики, на которые разбивается реальное изображение. В этом случае указывается количество пикселов в горизонтальной линии и вертикальной. Например "растр 2048 на 1536 пикселов" означает, что изображение представляет из себя матрицу 2048 пикселов шириной и 1536 высотой.
Число пикселов на единицу длины называется разрешением изображения и измеряется в пикселах на дюйм ppi (pixels per inch) или в точках на дюйм, а dpi (dots per inch) – для монитора, принтера, сканера Она определяет, во сколько пикселов превратиться линия длиной 1 дюйм.
Изображение с большим разрешением содержит больше пикселов, имеющих меньший размер. Величина разрешения в значительной степени определяет качество изображения.
Если иметь ввиду устройства ввода/вывода, как правило, используются единицы от 100 dpi до 2400 dpi. 100 dpi - это весьма посредственное качество, абсолютно непригодное для любой профессиональной деятельности. Лазерные принтеры обычно имеют от 300 до 600 dpi
Размер изображения на экране определяет количество пикселов в изображении, размер монитора и его параметры. Большой монитор с экранной матрицей 640х480 имеет более крупные пикселы, чем маленький с той же размерностью. Разрешающая способность PC монитра 96 dpi. При размещении изображении надо это учитывать. Например, изображение с 144 ppi на экране с разрешающей способностью 72 dpi вдвое превышает реальный размер.
Если на мониторе представлено сканированное изображение, то качество закладывается во время сканирования в зависимости от установленного разрешения. Последующее увеличение разрешения в графическом редакторе не приводит к улучшению изображения, т. к. происходит перераспределение данных на большее количество пикселов.
Изображение состоит из конечного числа пиксел. Каждый пиксел на рисунке имеет определенный цвет, обозначенный цифрой.
Например, можно просмотреть изображение по порядку слева направо и сверху вниз и выписывать номера цветов встречающихся пикселов. Получится строка примерно соедующего вида:
212= 45= 67= 45= 127= 4= 78= 245= 34 ...
Вот эта строка и есть наши оцифрованные данные. Теперь мы можем сжать их (так как несжатые графические данные обычно имеют достаточно большой размер) и сохранить в файл. Кроме того, этими данными графический редактор может манипулировать, реализовывая все самые смелые замыслы Вашей фантазии.
Кодирование цвета
Все пикселы имеют цвет, определенным образом указанный цифрой. А как определить, какая цифра необходима? Есть ряд способов кодирования цвета, которые разделяются на 2 основные группы: индексированные (с палитрой) и полноцветные.
Идея индексированных растров в том, что номер цвета на самом деле является номером "краски", которой закрашен данный пиксел. Поэтому кроме самих цветов пикселов программе необходимо также знать и "палитру" из которой эти цвета выбираются. Этот способ похож на методы настоящего художника, но не очень хорошо подходит для обработки на компьютере, так как программе кроме самих пикселов приходится мучаться еще и с палитрой, подбирая наиболее подходящие цвета.
Второй метод состоит в том, что по номеру цвета мы можем непосредственно определить сам цвет.
При кодировании цвета определяется Глубина цвета - количество бит (байт), которые использует пиксел для представления цвета.
Установка этого параметра определяет следующие типы изображений.
Черно-белое изображение содержит только 2 цвета - черный и белый, кодируемые соответственно 0 и 1. Глубина цвета составляет в данном случае 1 бит.
Индексированное изображение, в отличие от черно-белого режима, имеет палитру побогаче. Насколько? Определять Вам. Как правило, графические редакторы поддерживают палитру от 2 (необязательно черного и белого) до 256 цветов. Количество цветов в палитре определяет два взаимнопротивоположных параметра - качество изображения и его размер.
При улучшении качества увеличивается и размер - 9, 13 и 32 Кб соответственно. Например, для 6 цветов - 3 бита, для 8 - тоже 3 бита, для 16 - 4 бита и для 256 - 8 бит.
Полутоновый (в градациях серого, Grayscale). Тут мы берем черный цвет за 0, белый за 255, а промежуточные оттенки обозначаются соответствующими цифрами. Например - 68 этот цвет, более близкий к черному (темно серый, скажем так...). При этом уже намного удобнее проводить математические операции над изображением, так как по цвету можно напрямую определить его номер. Глубина цвета - 8 бит.
Полноцветный. Как известно, любой цвет можно представить в виде смешения основных трех цветов - красного, синего и зеленого в различных пропорциях. Этим и пользуются при использовании полноцветных изображений. На каждый канал - R, G или B (Red, Green, Blue - Красный, Зеленый или Синий) имеется свой отдельный параметр, указывающий на количество соответствующей компоненты в конечном цвете. Например - (255,64, 23) - цвет содержащий сильный красный компонент, немного зеленого и совсем немного синего. Естествено, что этот режим наиболее подходит для передачи богатства красок окружающей природы: Но он требует и больших расходов, так как глубина цвета тут наибольшая - 3 канала по 8 бит на каждый дают 24 бита.
Или цветных точек (обычно прямоугольную) на мониторе, бумаге и других отображающих устройствах и материалах (растр).
Важными характеристиками изображения являются:
Растровую графику редактируют с помощью растровых графических редакторов. Создается растровая графика фотоаппаратами, сканерами, непосредственно в растровом редакторе, также путем экспорта из векторного редактора или в виде снимков экрана.
Преимущества
- Растровая графика позволяет создать практически любой рисунок, вне зависимости от сложности, в отличие, например, от векторной , где невозможно точно передать эффект перехода от одного цвета к другому без потерь в размере файла.
- Распространённость - растровая графика используется сейчас практически везде: от маленьких значков до плакатов.
- Высокая скорость обработки сложных изображений, если не нужно масштабирование.
- Растровое представление изображения естественно для большинства устройств ввода-вывода графической информации, таких как мониторы (за исключением векторных устройств вывода), матричные и струйные принтеры, цифровые фотоаппараты, сканеры, а также сотовые телефоны.
Недостатки
- Большой размер файлов у простых изображений.
- Невозможность идеального масштабирования.
- Невозможность вывода на печать на векторный графопостроитель.
Из‑за этих недостатков для хранения простых рисунков рекомендуют вместо даже сжатой растровой графики использовать векторную графику .
Форматы
Растровые изображения обычно хранятся в сжатом виде. В зависимости от типа сжатия может быть возможно или невозможно восстановить изображение в точности таким, каким оно было до сжатия (сжатие без потерь или сжатие с потерями соответственно). Так же в графическом файле может храниться дополнительная информация: об авторе файла, фотокамере и её настройках, количестве точек на дюйм при печати и др.
Сжатие без потерь
Использует алгоритмы сжатия, основанные на уменьшении избыточности информации.
- BMP или Windows Bitmap - обычно используется без сжатия, хотя возможно использование алгоритма RLE.
- GIF (Graphics Interchange Format) - устаревающий формат, поддерживающий не более 256 цветов одновременно. Всё ещё популярен из‑за поддержки анимации, которая отсутствует в чистом PNG, хотя ПО начинает поддерживать APNG.
- PCX - устаревший формат, позволявший хорошо сжимать простые рисованые изображения (при сжатии группы подряд идущих пикселов одинакового цвета заменяются на запись о количестве таких пикселов и их цвете).
- PNG (Portable Network Graphics)
Сжатие с потерями
Основано на отбрасывании части информации, как правило наименее воспринимаемой глазом.
- JPEG очень широко используемый формат изображений. Сжатие основано на усреднении цвета соседних пикселей(информация о яркости при этом не усредняется) и отбрасывании высокочастотных составляющих в пространственном спектре фрагмента изображения. При детальном рассмотрении сильно сжатого изображения заметно размытие резких границ и характерный муар вблизи них.
Разное
- TIFF поддерживает большой диапазон изменения глубины цвета, разные цветовые пространства, разные настройки сжатия (как с потерями, так и без) и др.
- Raw хранит информацию, непосредственно получаемую с матрицы цифрового фотоаппарата или аналогичного устройства без применения к ней каких-либо преобразований, а также хранит настройки фотокамеры. Позволяет избежать потери информации при применении к изображению различных преобразований (потеря информации происходит в результате округления и выхода цвета пиксела за пределы допустимых значений). Используется при съёмке в сложных условиях (недостаточная освещённость, невозможность выставить баланс белого и т. п.) для последующей обработки на компьютере (обычно в ручном режиме). Практически все полупрофессиональные и профессиональные цифровые фотоаппараты позволяют сохранять RAW изображения. Формат файла зависит от модели фотоаппарата, единого стандарта не существует.
Начнём знакомиться с растровой компьютерной графикой . Программный инструментарий ее наиболее развит и прост для усвоения. Способ выполнения изображения позволяет имитировать привычную работу с помощью графических инструментов, таких как карандаш, уголь, сангина, ластик, кисть и многих других, а также позволяет передать фактуру бумаги или холста, ткани или металла. С помощью средств растровой графики можно выполнять учебные и творческие задания по композиции и рисунку. Кроме того, широкие графические, цветовые и колористические возможности программного инструментария растровой графики позволяют легко изменять цветовые и тоновые отношения, что ценно для решения живописных задач.
Растровая графика - вам уже известно, что растровые изображения напоминают лист клетчатой бумаги или шахматную доску, на которой любая клетка закрашена определенным цветом, образуя в совокупности рисунок. Пиксель
- основной элемент растровых изображений, это одна клеточка. Именно из совокупности пикселей и состоит растровое изображение.
Растровые изображения обладают множеством характеристик, которые должны быть фиксированы компьютером. Размеры изображения и расположение пикселей в нем - это две основные характеристики, которые файл растровых изображений должен сохранить, чтобы создать картинку. Еще одна – цвет . Например, изображение описывается конкретным расположением и цветом каждой точки сетки, что создает изображение примерно так как в мозаике.
Растровая графика зависит от разрешения , поскольку информация, описывающая изображение, прикреплена к сетке определенного размера. Разрешение - это количество пикселей на единицу длины, чаще всего на дюйм – dpi , причем, чем выше разрешение, тем больше пикселей помещается в дюйме и тем качественней изображение. Глубина цвета определяет то количество оттенков, в диапазоне которых точка может изменять свой цвет.
Глубина кодируется 24 bit на точку – это примерно 16 500 000 цветов. Этот режим называют «Настоящий цвет» . Кодирование в 16 bit на точку позволяет различать 65 536 оттенков цвета. Этот режим получил название «Качественный цвет» . Кодирование в 8 bit на точку позволяет различить всего 256 оттенков цвета. Этот режим известен как «Фиксированные цвета» . Эти понятия непосредственно связаны со второй группой понятий «Цветовые форматы» , о которых мы будем говорить на следующих уроках.
При редактировании растровой графики качество ее представления может измениться, ведь меняются сами пиксели. В частности, изменение размеров растровой графики может привести к «разлохмачиванию» краев изображения, поскольку пиксели будут перераспределяться на сетке. К сожалению, масштабирование таких картинок в любую сторону также обычно ухудшает качество. При уменьшении количества точек теряются мелкие детали и деформируются надписи (правда, это может быть не так заметно при уменьшении визуальных размеров самой картинки – т.е. сохранении разрешения).
Добавление пикселей приводит к ухудшению резкости и яркости изображения, т.к. новым точкам приходится давать оттенки, средние между двумя и более граничащими цветами. Вывод растровой графики на устройства с более низким разрешением, чем разрешение самого изображения, тоже понизит его качество. Несмотря на эти недостатки, только растровая графика эффектно представляет реальные образы. Реальный мир состоит из миллиардов мельчайших объектов, и человеческий глаз как раз приспособлен для восприятия огромного набора дискретных элементов, образующих предметы, поэтому растровые изображения выглядят реально, конечно, если они были получены с высоким разрешением.
Помимо естественного вида растровые изображения имеют другие преимущества. Устройства вывода, такие как принтеры, для создания изображений используют наборы точек, поэтому растровые изображения могут быть очень легко распечатаны.
Таким образом, растровое представление обычно используют при сканировании и обработке графических изображений с большим количеством деталей и оттенков, например, фотографий, при создании изображений для использования в других программах, в частности для передачи другим пользователям по сети Internet , при создании различных художественных эффектов, которые возможны благодаря специальным программным фильтрам. Самые известные программы растровой графики — Adobe Photoshop и Corel PHOTO-PAINT .
В каких случаях лучше использовать растровую графику?
Во-первых, как уже говорилось, способ выполнения изображений в этом виде графики позволяет имитировать привычную работу с помощью графических инструментов: карандаша, угля, сангины, ластика, кисти. В растровом изображении можно передать фактуру бумаги или холста, ткани или металла. Во-вторых, широкие графические, цветовые и колористические возможности растровой графики позволяют легко изменить цветовые или тоновые отношения изображения - обычно при сканировании и обработке графических изображений с большим количеством деталей и оттенков. Например, фотографий.
Заметим, что этот вид графики часто используют при создании изображений для других программ. Например, для передачи другим пользователям по сети Internet . В третьих, растровая графика незаменима при создании самых различных художественных эффектов, которые возможны только благодаря специальным программным фильтрам. Каждый объект растрового изображения находится в одном из слоев, имеющих прямоугольную форму. Слой можно представить в виде набора небольших квадратных ячеек, одинаковых по размеру, в которых можно сформировать некоторое изображение (растровый объект), состоящее из мозаичных элементов (пикселей).
Пиксель характеризуется не только цветом, но и прозрачностью при наложении элементов друг на друга. В случае, когда растровое изображение состоит из одного слоя, его можно сравнить с витражом, состоящим из небольших квадратных цветных стекол, или же с узором, вышитым крестиком. Растровые форматы файлов предназначены исключительно для сохранения растровых изображений. К числу наиболее популярных относятся следующие: BMP , PCX , TIFF , CPT , PSD , GIF и JPEG .
Форматы СРТ и PSD используют для сохранения многослойных изображений, а форматы GIF и JPEG применяют главным образом при работе в Internet , (они обеспечивают приемлемое качество изображений при небольших размерах файлов). В зависимости от того, какую обработку изображения планируется выполнить, может возникнуть потребность представления его в том или ином виде (растровом или векторном). Для преобразования растровых изображений в векторные и наоборот используются соответствующие функции программ векторной графики, а также специализированные программы трассировки Adobe Streamline 4.0 , CorelTRACE 9 . Операция трассировки заключается в формировании в автоматическом или ручном режиме векторного изображения, являющегося копией исходного растрового. Создаваемое изображение состоит из отдельных векторных объектов, раскрашенных определенными цветами и расположенных определенным образом друг относительно друга. Операция преобразования векторного изображения в растровое называется растрированием.