Компьютерная графика. История появления и области её применения

Важными характеристиками изображения являются:

1. Растровое изображение количество пикселей — количество цветов. Может указываться отдельно количество пикселей по ширине и высоте (1024×768, 640×480, …) или же, редко, общее количество пикселей (часто измеряется в мегапикселях);
2. количество используемых цветов или глубина цвета
3. цветовое пространство (цветовая модель) RGB, CMYK, XYZ, YCbCr и др.
4. разрешение — справочная величина, говорящая о рекомендуемом размере пикселя изображения.

      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 Снимок экрана.

Достоинства:

- растровая графика позволяет создать (воспроизвести) 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), матричные и струйные принтеры, цифровые фотоаппараты, сканеры, а также сотовые телефоны.

Недостатки:

- большой размер файлов с простыми изображениями.

- невозможность идеального масштабирования.

- невозможность вывода на печать на плоттер.

Из‑за этих недостатков для хранения простых рисунков рекомендуют вместо даже сжатой растровой графики использовать векторную графику.

Форматы графических данных. 

     Форматы графических файлов определяют способ хранения информации в файле (растровый, векторный), а также форму хранения информации (используемый алгоритм сжатия).

 Сжатие применяется  для растровых графических файлов, т.к. они имеют достаточно большой  объем. Существуют различные алгоритмы  сжатия, причем для различных  типов изображения целесообразно  применять подходящие типы алгоритмов  сжатия.

 В компьютерной  графике применяют, по меньшей  мере, три десятка форматов файлов  для хранения изображений. Но  в данной статье мы рассмотрим  только два основных формата,  которые распознаются достаточно большим числом Web-браузеров: 

Формат GIF

Формат GIF (Graphics Interchange Format) был введен компанией CompuServe в качестве первого формата для  передачи и демонстрации графики  через модем. Цвет каждого пикселя  кодируется восьмью битами, поэтому GIF-файл может содержать до 256 цветов. Цвета, которые используются в GIF-изображении, хранятся внутри самого файла в специальной  таблице цветов, называемой индексированной  палитрой. Файлы GIF могут также содержать  различные оттенки серого цвета. Существуют две основные версии формата GIF:  GIF87 и  GIF89a - они названы так  по году стандартизации. Обе версии поддерживают способ представления  графического файла с чередованием строк. Более поздний вариант GIF89a допускает задание одного цвета  в качестве прозрачного. Прозрачность подразумевает, что один цвет изображения (обычно это цвет фона) может быть объявлен прозрачным. Это ведет к тому, что вместо фона изображения виден просвечивающий сквозь него фон самой Web-страницы. Благодаря этому изображение на странице выглядит более естественным.

       Чередование строк означает, что во время приема изображения из Интернета его детали прорисовываются постепенно. Эффект похож на то, что происходит, когда на нерезкую картинку постепенно наводят фокус. Благодаря чередованию строк пользователи с медленными модемами могут обычно еще в самом начале приема картинки оценить ее содержание и время, необходимое на полную передачу, и тем самым принять решение, стоит ли продолжать прием или можно от него отказаться. GIF-файлы можно также использовать для создания на экране несложной анимации.

       Основным ограничением GIF-файлов является их неспособность хранить и демонстрировать неиндексированные изображения, подготовленные в режиме True Color (16,8 миллиона оттенков) или High Color (32-64 тысячи оттенков). Иными словами, GIF-изображения должны состоять из 256 или меньшего числа цветов.

       Сжатие файлов в формате GIF является сжатием без потерь. Это означает, что упаковка изображения никоим образом не сказывается на его качестве. При этом сжатие оказывается наиболее эффективным в тех случаях, когда в составе изображения имеются большие области однородной окраски с четко очерченными границами. И наоборот, сжатие по алгоритму GIF крайне неэффективно при наличии областей с градиентной окраской или случайным распределением цветовых оттенков, что имеет место при использовании различных методов настройки растра или сглаживания краев области изображения. 

Формат JPEG

Формат JPEG (Joint Photographic Experts Group) был разработан для того, чтобы эффективно хранить и передавать цветные фотографии с полным набором  цветовых оттенков. Изначально формат JPEG применялся для того, чтобы фотожурналисты, специализирующиеся на опубликовании  новостей, имели возможность сжать  файлы своих цифровых фотоснимков  до размера, пригодного для передачи с места событий в издательство через модем.Формат JPEG приспособлен для хранения неиндексированных  по цвету изображений, сформированных в режиме RGB с глубиной цвета True Color. Цвет кодируется 24-мя битами на пиксель, и тем самым одновременно может  воспринимать более 16 миллионов цветов. Степень сжатия файлов может меняться по решению пользователя. С учетом практического предела использования Web-графики в 72 dpi обычно можно выбирать очень высокую степень сжатия (до 100:1) без сколько-нибудь заметного  ухудшения качества изображения. Формат JPEG имеет возможность представления  графического файла аналогично "чересстрочной  развертке" формата GIF. Это называется в терминах формата JPEG - "прогрессивной  разверткой". Оба метода позволяют броузеру вначале прорисовывать изображение с низким разрешением, а затем повышать его качество по мере подкачки файла, тем самым существенно сокращая кажущееся время загрузки графики.

 Формат JPEG имеет  два существенных  недостатка:

- многократное сохранение файла в этом формате ведет к ухудшению качества изображения. Поэтому не стоит архивировать изображение в формате JPEG, если только речь не идет о носителях информации, доступной только для чтения. Кроме того, искажения будут проявляться и в случае, если фото формата JPEG будет скомбинировано с изображением другого формата, а затем записано со сжатием.

 - изображения, сохраненные в формате JPEG, не могут иметь прозрачных областей. 

Цветовые  модели.

      Мир, окружающий нас, полон всевозможных цветов и цветовых оттенков. С физической точки зрения цвет - это набор определённых длин волн, отражённых от предмета или пропущенных сквозь прозрачный предмет. Однако сейчас нас интересует вопрос не о том, что такое цвет, какова его физическая природа, а то, как вообще на практике можно получит тот или иной цвет. С развитием многих отраслей производства, в том числе, полиграфии, компьютерных технологий, появилась необходимость объективных способов описания и обработки цвета. Цвета в природе редко являются простыми. Большинство цветов получаются смешанием каких-либо других. Например, сочетание красного и синего даёт пурпурный цвет, синего и зелёного - голубой. Таким образом путём смешания из небольшого количества простых цветов, можно получить множество (и при чём довольно большое) сложных (составных). Поэтому для описания цвета вводится понятие цветовой модели - как способа представления большого количества цветов посредством разложения его на простые составляющие.

        Дать описание каждого цвета в отдельности очень сложно, особенно сейчас, когда на экране монитора мы имеем возможность видеть не сотни, не тысячи, а 4 миллиарда цветов (точнее, цветов и цветовых оттенков). Попробуйте описать каждый цвет в отдельности. Таким образом цветовые модели - это почти совершенный способ для описания цветов особенно в компьютерных технологиях и полиграфии. Дело в том, что не любой цвет можно представить в виде комбинации основных. Это является основной проблемой цветовых моделей. Кроме того, излучаемый и поглощаемый цвет описывается по-разному.

Перед тем как  перейти к рассмотрению цветовых моделей в отдельности, рассмотрим сначала понятие цветового охвата, который даст нам представление  о том, насколько та или иная цветовая модель хорошо представляет цвета. Цветовым охватом называется диапазон цветов, который может быть воспроизведён, зафиксирован или описан каким-либо образом. Определённым цветовым охватом  обладают электронно-лучевая трубка монитора или телевизора, цветовые модели, полиграфические краски и, конечно  же, глаз человека.

     Итак, цвет в компьютерных технологиях, в типографии, во многих других отраслях производства, связанных с обработкой изображения, представляется в виде комбинации небольшого количества трёх составных. Такое представление называется цветовой моделью. Различные виды моделей имеют различные цветовые охваты. В этом и заключается их основные преимущества или недостатки. Отражённый и поглащаемый цвет описывается по-разному. Несмотря на довольно большое количество цветовых моделей, я остановлюсь лишь на тех, которые наиболее часто используются в графических пакетах. 

Цветовая  модель RGB.

Эта модель описывает  излучаемые цвета. Она основана на трёх основных (базовых) цветах: красный (Red), зелёный (Green) и синий (Blue). Остальные  цвета получаются сочетанием базовых. Цвета такого типа называются аддитивными.

Сочетание зелёного и красного дают жёлтый цвет, сочетание зелёного и синего - голубой, а сочетание всех трёх цветов - белый. Из этого можно сделать вывод о том, что цвета в RGB складываются субтрактивно. Теперь стоит немного отвлечься от основной темы и сказать пару слов вообще о кодировании цвета. В программах для ПК канал изображения кодируется одним байтом. Чтобы понять, что такое канал изображения, скажу на примере, что в RGB - три канала: красный, синий и зелёный, т.е. RGB - трёхканальная цветовая модель. Каждый канал может принимать значения от 0 до 255 в десятичной или, что ближе к реальности, от 0 до FF в шестнадцатиричной системах счисления. Это объясняется тем, что байт, которым кодируется канал, да и вообще любой байт состоит из восьми битов, а бит может принимать 2 значения, итого 28=256. В RGB, например, красный цвет может принимать 256 градаций: от чисто красного (FF) до чёрного (00).              Таким образом несложно подсчитать, что в модели RGB содержится всего 2563 или 16777216 цветов. Теперь, когда мы разобрались с кодированием цветов, рассмотрим модель RGB в пространстве. На рис. 3 изображено пространственное представление модели RGB. В трёх углах куба расположены чистые цвета: красный, зелёный и синий. В других трёх углах их полные сочетания: жёлтый, голубой и пурпурный. Между чёрным и белым цветами провдена диагональ, изображающая градацию серого.

       Мы уже знаем, что в RGB три канала, и каждый кодируется 8-ю битами. Максимальное,т.е. FF (или 255) значение даёт чистый цвет. Мы знаем также, что белый цвет получается путём сочетания всех цветов, точнее, их предельных градаций. Теперь мы можем записать код белого цвета: FF(красный) FF(зелёный) FF(синий). Код чёрного, соответственно: 000000. Код жёлтого: FFFF00, пурпурного: FF00FF, голубого: 00FFFF. 

Цветовая  модель CMYK.

      Цветовая модель CMYK в отличие от RGB описывает поглащаемые цвета. Цвета, которые используют белый свет, вычитая из него определённые участки спектра, называются субтрактивными (вычитательными). Именно такие цвета и используются в модели CMYK. Они получаются путём вычитания из белого аддитивных цветов модели RGB. Основными цветами в CMYK явлются голубой (Cyan), пурпурный (Magenta) и жёлтый (Yellow). Голубой цвет получается путём вычитания из белого красного цвета, пурпурный - зелёного, жёлтый - синего.

         Цветовая модель CMYK является основной в полиграфии. В цветных принтерах также применяется данная модель. Получается, что для того, чтобы распечатать чёрный цвет, необходимо большое количество краски. Кроме того смешание всех цветов модели CMYK на самом деле даёт не чёрный, а грязно-коричневый цвет. Поэтому, для усовершенствования модели CMYK, в неё был введён один дополнительный цвет - чёрный. Он является ключевым цветом при печати, поэтому последняя буква в названии модели - K (Key), а не B. Таким образом, модель CMYK является четырёхканальной. В этом заключается ещё одно отличие её от RGB.

        В заключение рассмотрим вопрос о конвертации (переводе) RGB в CMYK и наоборот. Дело в том, что у CMYK цветовой охват более узкий, чем у RGB. Поэтому, при конвертации из RGB в CMYK часть цветов теряется. Это необходимо учитывать, если Вы работаете в графических редакторах. С другой стороны Вы можете использовать конвертацию для того, чтобы посмотреть, какой приблизительно вид будет иметь RGB-рисунок распечатанный на принтере.

      Подводя итоги по поводу цветовых моделей RGB и CMYK, надо сказать, что они являются аппаратно-зависимыми. Если речь идёт об RGB, то в зависимости от применённого в Вашем мониторе люминофора будут разниться значения базовых цветов. Ещё хуже обстоит дело с CMYK. Здесь идёт речь о типографских красках, особенностях печатного процесса и носителя. Таким образом одинаковое изображение может по-разному выглядеть на разной аппаратуре. Поэтому основной задачей при работе с цветными изображениями стало получение предсказуемого цвета. То что получилось в результате является новой цветовой моделью Lab. О ней речь пойдёт в следующей главе.