ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ 6.1. Виды компьютерной графики 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 стал 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 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 пр.). 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. Отдельным предметом считается трехмерная (3D) графика, изучающая приемы и методы построения объемных моделей 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, веб-графика, компьютерная полиграфия и пр. 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 бурно развивающихся отраслей информатики и во многих случаях выступает «локомотивом», тянущим за собой всю компьютерную индустрию. 6.2. Растровая графика Для растровых изображений, состоящих из точек, особую важность имеет понятие разрешение, выражающее количество точек, приходящихся на единицу длины. При этом следует различать: разрешение оригинала; 2 разрешение экранного изображения; разрешение печатного изображения. Рассмотрим только первых два. 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 или методу создания исходной иллюстрации, избранному формату файла и другим параметрам. В общем случае действует правило: чем выше требования 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), разрешения оригинала и масштаба изображения. Мониторы для обработки изображений с диагональю 19-24 дюйма (профессионального класса), как правило, обеспечивают стандартные экранные разрешения 640 х 480, 800 х 600, 1024 х 768, 1280 х 1024, 1600 х 1200, 1600 х 1280, 1920 х 1440, 1920 х 1600, 2048 х 1536 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 (то есть число линий сетки печатного изображения на дюйм) устройства вывода. В случае, если твердая копия будет увеличена по сравнению с оригиналом, эти величины следует умножить на коэффициент масштабирования. Связь между параметрами изображения и размерами 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 прочтения (стандартный размер 10 х 15 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 при их увеличении если не приняты специальные меры (этот эффект еще называют «лестничным» эффектом). Раз в оригинале присутствует определенное количество точек, то при большом масштабе увеличивается и их размер, становятся заметны элементы растра, что искажает саму иллюстрацию. 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. 3 6.3. Векторная графика Если в растровой графике базовым элементом изображения является точка, то в векторной графике – линия. Линия описывается математически как единый объект, и потому объем данных для отображения объекта средствами векторной графики существенно меньше, чем в растровой графике. Линия – элементарный объект векторной графики. Как и любой объект, линия обладает свойствами: формой (прямая, кривая), толщиной, цветом, начертанием (сплошная, пунктирная). Замкнутые линии приобретают свойства заполнения. Охватываемое ими пространство может быть заполнено другими объектами (текстуры, карты) или выбранным цветом. Простейшая незамкнутая линия ограничена двумя точками, именуемыми узлами. Узлы также имеют свойства, параметры которых влияют на форму конца линии и характер сопряжения с другими объектами. Все прочие объекты векторной графики составляются из линий. Например, куб можно составить из шести связанных прямоугольников, каждый из которых, в свою очередь, образован четырьмя связанными линиями. Возможно представить куб и как двенадцать связанных линий, образующих ребра. К объектам векторной графики относятся точка, прямая линия, отрезок прямой, кривая второго порядка, кривая третьего порядка, кривые Безье. 6.4. Фрактальная графика Фрактальная графика, как и векторная, основана на математических вычислениях. Однако базовым элементом фрактальной графики является сама математическая формула, то есть никаких объектов в памяти компьютера не хранится, и изображение строится исключительно по уравнениям. Таким образом строят как простейшие регулярные структуры, так и сложные иллюстрации, имитирующие природные ландшафты и природные объекты. 6.5. Представление графических данных 6.5.1. Форматы графических данных В компьютерной графике применяют по меньшей мере три десятка форматов файлов для хранения изображений. Но лишь часть из них стала стандартом «дефакто» и применяется в подавляющем большинстве программ. Как правило, несовместимые форматы имеют файлы растровых, векторных, трехмерных изображений, хотя существуют форматы, позволяющие хранить данные разных классов. Многие приложения ориентированы на собственные «специфические» форматы, перенос их файлов в другие программы вынуждает использовать специальные фильтры или экспортировать изображения в «стандартный» формат. 4 Аббревиатура TIFF PSD JPEG GIF PNG WMF EPS PDF Расшифровка аббревиатуры Tagged Image File Format Расширение Применение файла .TIF Для хранения растровых изображений высокого качества PhotoShop Document .PSD Собственный формат программы Adobe PhotoShop Windows Bitmap .BMP Для хранения растровых изображений в операционной системе Windows Joint Photographic Experts .JPG Для хранения растроGroup вых изображений с возможностью регулирования между степенью сжатия файла и качеством изображения Graphics Interchange Format .GIF Средство хранения сжатых изображений с фиксированным (256) количеством цветов Portable Network Graphics .PNG Формат хранения изображений для публикаций в Интернете как замена форматов GIF и JPEG Windows MetaFile .WMF Формат хранения векторных изображений операционной системы Windows Encapsulated PostScript .EPS Формат описания как векторных, так и растровых изображений на языке PostScript фирмы Adobe Portable Document Format .PDF Формат описания документов, разработанный фирмой Adobe 6.5.2. Понятие цвета Цвет чрезвычайно важен в компьютерной графике как средство усиления впечатления и повышения информационной насыщенности изображения. Ощущение цвета формируется человеческим мозгом в результате анализа светового потока, попадающего на сетчатку глаза от излучающих или отражающих объектов. 5 Считается, что цветовые рецепторы (колбочки) подразделяются на три группы, каждая из которых воспринимает только единственный цвет – красный, зеленый или синий. Нарушение в работе любой из групп приводит к явлению дальтонизма – искаженного восприятия цвета. Световой поток формируется излучениями, представляющими собой комбинацию трех «чистых» спектральных цветов (красный, зеленый, синий – КЗС) и их производных (в англоязычной литературе используют аббревиатуру RGB – Red, Green, Blue). Для излучающих объектов характерно аддитивное цветовоспроизведение (световые излучения суммируются), для отражающих объектов – субтрактивное цветовоспроизведение (световые излучения вычитаются). Примером объекта первого типа является электронно-лучевая трубка, второго типа – полиграфический отпечаток. Физические характеристики светового потока определяются параметрами мощности, яркости и освещенности. Визуальные параметры ощущения цвета характеризуются светлотой, то есть различимостью участков, сильнее или слабее отражающих свет. Минимальную разницу между яркостью различимых по светлоте объектов называют порогом. Величина порога пропорциональна логарифму отношения яркостей. Последовательность оптических характеристик объекта (расположенных по возрастанию или убыванию), выраженная в оптических плотностях или логарифмах яркостей, составляет градацию и является важнейшим инструментом для анализа и обработки информации. Насыщенность цвета показывает, насколько данный цвет отличается от монохроматического («чистого») излучения того же цветового тона. В компьютерной графике за единицу принимается насыщенность цветов спектральных излучений. Ахроматические цвета (белый, серый, черный) характеризуются только светлотой. Хроматические цвета имеют параметры насыщенности, светлоты и цветового тона. 6.5.3. Способы описания цвета В компьютерной графике применяют понятие цветового разрешения (другое название – глубина цвета). Оно определяет метод кодирования цветовой информации для ее воспроизведения на экране монитора. Для отображения черно-белого изображения достаточно двух бит (белый и черный цвета). Восьмиразрядное кодирование позволяет отобразить 28=256 градаций цветового тона. Два байта (16 бит) определяют 216=65536 оттенков (такой режим называют High Color)/ При 24разрядном способе кодирования возможно определить 224 или более 16,5 миллионов цветов (режим называют True Color). С практической точки зрения цветовому разрешению монитора близко понятие цветового охвата. Под ним подразумевается диапазон цветов, который можно воспроизвести с помощью того или иного устройства (монитор, принтер, печатная машина и пр.). В соответствии с принципами формирования изображения аддитивным или субтрактивным методами разработаны способы разделения цветового оттенка на составляющие компоненты, называемые цветовыми моделями. В компьютерной графике в основном применяют модели RGB и HSB (цвет описывается тремя ком- 6 понентами: оттенком Hue, насыщенностью Saturation и яркостью Brightness) – для создания и обработки аддитивных изображений и CMYK ( бирюзовый Cyan, пурпурный или малиновый Magenta, желтый Yellow) – для печати копий изображения на полиграфическом оборудовании. Цветовые модели расположены в трехмерной системе координат, образующий цветовое пространство, так как из законов Грассмана следует, что цвет можно выразить точкой в трехмерном пространстве. 1-й закон Грассмана (закон трехмерности). Любой цвет однозначно выражается тремя составляющими, если они линейно независимы. Линейная независимость заключается в невозможности получить любой из этих трех цветов путем сложения двух остальных. 2-й закон Грассмана (закон непрерывности). При непрерывном изменении цвет смеси также меняется непрерывно. Не существует такого цвета, к которому нельзя было бы подобрать бесконечно близкий. 3-й закон Грассмана (закон аддитивности). Цвет смеси излучений зависит только от их цвета, но не спектрального состава. 6.5.4. Цветовая палитра Электронная цветовая палитра в компьютерной графике по предназначению подобна палитре художника, но включает гораздо большее число цветов. Электронная палитра состоит из определенного числа ячеек, каждая из которых содержит отдельный цветовой тон. Конкретная цветовая палитра соотносится с определенной цветовой моделью, так как ее цвета созданы на основе цветового пространства этой модели. Но если в цветовой модели возможно воспроизвести любой из описываемых ею цветов, цветовая палитра содержит ограниченный набор цветов, называемых стандартными. Программы создания и обработки компьютерной графики, как правило, предоставляют на выбор несколько цветовых палитр в цветовых моделях RGB, HSB, CMYK. В Интернете с целью снижения размеров файлов изображений в веб-графике до минимальной величины принята единая фиксированная палитра цветов, названная «безопасной». Она обеспечивает правильное отображение цветов на любых устройствах (программах), поддерживающих единую палитру. Безопасная палитра содержит всего 216 цветов, что связано с ограничениями, накладываемыми требованиями совместимости с компьютерами, не относящимися к классу IBM PC. 6.5.5. Системы управления цветом Для согласования цветов на всех стадиях обработки компьютерной графики применяют системы управления цветом (Color Management System – CMS). Такие системы содержат набор объективных параметров, обязательных для всех устройств при обмене цветовыми данными. Универсальность CMS достигается введением трех типов переменных, каждая из которых управляет представлением цвета на своем уровне. Цветовая гамма. Каждый тип устройства имеет свою цветовую гамму, область которой всегда меньше, чем цветовой охват практически любой цветовой мо- 7 дели. CMS управляет преобразованием цвета между различными цветовыми моделями с учетом цветовой гаммы конкретных устройств. Профиль. Каждое устройство воспроизводит цвета особенным образом, что зависит от технических и программных решений, принятых изготовителем. Для согласования отображения цветов на различных устройствах они должны иметь собственный профиль, описывающий различия в представлении цвета между устройством и определенной цветовой моделью. Международным консорциумом по цвету (International Color Consortium – ICC) установлен промышленный стандарт на параметры описания характеристик воспроизведения цвета. Устройства, имеющие профиль ICC, напрямую управляются CMS. В противном случае возможна генерация профиля в некоторых системах CMS. Калибровка. Даже устройства одной модели от одного производителя имеют отличия в реализации профиля ICC, обусловленные допусками при изготовлении компонентов, условиями эксплуатации, внешними помехами. Поэтому CMS, как правило, имеют средства калибровки, то есть настройки конкретного экземпляра в соответствии с требованиями профиля ICC и фиксации неустранимых отклонений (с целью их программной компенсации). Средства калибровки могут быть аппаратно-программными и чисто программными. Сам процесс калибровки выполняется с периодичностью, установленной изготовителем, или автоматически, при выходе параметров ICC за границы допусков. Из известных систем управления цветом укажем две: Agfa Foto Tune, работающую на платформах Windows и Apple, и Kodak DayStar ColorMatch, предназначенную для пользователей пакетов Adobe Photoshop и QuarkXPress. 6.6. Средства обработки изображений Растровые Наименование Фирма-разработчик Adobe Photoshop Adobe Photo-Paint Corel Векторные Наименование Фирма-разработчик Adobe Illustrator Adobe CorelDraw Corel
