Курс лекций Информационные технологии в ИТСС

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

менты с четкими границами, состоящие из набора гладких кривых линий, заполнены одним цветом.

На рисунках 3.12 и 3.13 разница между этими двумя форматами показана иным способом. В случае векторного представления можно легко выбирать отдельные элементы — лепестки, стебель, тычинки — и независимо перемещать их, разворачивать или выполнять другие преобразования. Каждый элемент рисунка остается самим собой, и его можно редактировать, как отдельный объект. Для растрового изображения, которое является всего лишь массивом пикселей это невозможно.

С другой стороны, к растровым изображениям можно применять такие эффекты, как искажение и размывание.

Рис. 3.12

Рис. 3.13

Еще одно существенное различие между векторной и растровой графикой заключается в их поведении при масштабировании или изменении размеров рисунков. При увеличении растрового изображения качество снижается довольно ощутимо.

Рис. 3.14

Рис. 3.15

Поскольку векторное изображение состоит из описаний геометрических фигур, составляющих рисунок, а не из значений пикселей, масштабирование можно легко осуществить с помощью несложных математических операций. В результате этого кривые будут оставаться гладкими, независимо от того, насколько увеличивается вектор-

41

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

ное изображение, тогда как при изменении масштаба растрового изображения они будут зубчатыми или размытыми. Этот эффект показан на рисунке 3.14 и рисунке 3.15, на которых элементы двух изображений различных цветков увеличены в 8 раз.

3.4 Файловые форматы

Чтобы сохранять изображения и перемещать их из одной программы в другую, необходимо иметь возможность записи информации об изображении в файл.

Для растровых изображений одним из основных отличий между файловыми форматами является способ сжатия информации об изображении. Растровые изображения могут состоять из большого количества пикселей, поэтому для них нужны большие файлы, часто занимающие несколько мегабайтов памяти для каждого изображения. Чтобы уменьшить необходимый для таких изображений объем памяти, к ним часто применяют технологию сжатия данных. Алгоритмы сжатия без потерь позволяют точно восстановить исходные данные по сжатой версии файла. При выполнении алгоритмов сжатия с потерями часть информации отбрасывается для достижения большей степени сжатия.

Полное описание цвета мы отложим на потом. Здесь же отметим, что один из способов уменьшения размера растрового изображения состоит в ограничении количества цветов, которые могут содержаться в изображении. Если для воспроизведения изображения необходимо максимум 256 цветов, то для записи каждого пикселя нужен всего один байт. Если же нужно открыть для работы полный диапазон, состоящий из миллионов цветов,

Рис. 3.16 что способны передавать очень многие мониторы, то для описания каждого пикселя понадобится по три байта.

Первым появился формат GIF. В файлах GIF используется технология сжатия без потерь, а цветовая палитра ограничивается 256 цветами. Самая полезная особенность данного формата заключается в том, что один цвет можно обозначить как прозрачный, т.е. если изображение GIF выводить на экран на цветном фоне или на фоне другого изображения, то сквозь прозрачные области будет виден этот фон (Рис. 3.16).

Для отсканированных изображений или фотографий более предпочтителен формат JPEG. Строго говоря, JPEG — это технология сжатия, а изображения, которые были сжаты с ее помощью, можно записывать в любом файловом формате, данные JPEG могут входить в состав других файлов, в том числе формата TIFF.

Третий, самый новый, файловый формат, широко поддерживаемый сетью Интернет,

— это PNG, который был создан вместо GIF. С форматом GIF связан следующий неприятный момент: используемые в нем алгоритмы сжатия запатентованы компанией Unisys, и эта компания требует оплаты права использования любой программы, в которой реализуются процессы сжатия или распаковки файлов GIF. С другой стороны, в формате PNG применяются различные методики сжатия без потерь, для доступа к которым подобных препятствий не существует, и поэтому ими свободно могут пользоваться все. Кроме того, формат PNG не ограничен 256 цветами, и в нем предлагается более сложная форма прозрачности, чем в формате GIF. Формат PNG был разработан в 1996 году, но поддержка PNG разрабатывается очень медленно, поэтому более популярными остаются форматы GIF и JPEG.

42

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

К числу других наиболее распространенных файловых форматов для растровой графики относятся TIFF и ВМР. ТIFF представляет собой детально разработанный открытый файловый формат, в котором можно записывать полноцветные растровые изображения, используя для этого несколько разных схем сжатия, в том числе JPEG. Формат ВМР правильнее было бы назвать растровым форматом Микрософт. ВМР поддерживает только простую форму сжатия без потерь, и файлы ВМР, как правило, записываются в несжатом виде.

Ситуация с векторной графикой несколько иная.

Формат EPS — расширенный PostScript – это один из самых распространенных форматов векторной графики. Формат EPS был создан компанией Adobe на основе языка PostScript и послужил базой для создания ранних версий формата Adobe Illustrator. Формат используется в профессиональной полиграфии, и может содержать растровые изображения, векторные изображения, а также их комбинации. Программы для работы с EPS QuarkXPress и Adobe InDesign.

Формат PDF - кроссплатформенный формат электронных документов, созданный фирмой Adobe Systems с использованием ряда возможностей языка PostScript. В первую очередь предназначен для представления в электронном виде полиграфической продукции, — значительное количество современного профессионального печатного оборудования может обрабатывать PDF непосредственно. Для просмотра можно использовать официальную бесплатную программу Adobe Reader, а также программы сторонних разработчиков. Традиционным способом создания PDF-документов является виртуальный принтер, то есть документ, как таковой, готовится в своей специализированной программе — графическом или текстовом редакторе, САПР и т. д., а затем экспортируется в формат PDF для распространения в электронном виде, передачи в типографию и т. п.

PDF с 1 июля 2008 года является открытым стандартом ISO 32000.

Формат PDF позволяет внедрять необходимые шрифты (построчный текст), векторные и растровые изображения, формы и мультимедиа-вставки.

Postscript был разработан Джоном Уорноком и Чаком Гешке из Adobe Systems в начале 80-х гг. Исходно Postscript использовался как ядро механизма печати компьютеров Apple, но вскоре стал широко распространенным стандартом для большинства компьютерных систем. Каждый документ Postscript включает в себя программу, которая печатает на принтере (или отображает на экране монитора) следующие друг за другом страницы.

PostScript соединил в себе лучшие возможности принтеров и плоттеров. Подобно плоттерам, PostScript предоставляет возможность вывода высококачественной векторной графики и единый язык управления, который может быть использован любым производителем принтеров. Подобно матричным принтерам, PostScript предлагает удобные возможности по печати растровой графики и текста. В отличие от тех и других, PostScript может совмещать все эти типы вывода на одной странице, давая намного больше гибкости, чем до этого имел любой принтер или плоттер.

PostScript — больше, чем типичный язык управления принтером, он является полнофункциональным языком программирования. Многие прикладные программы могут преобразовать документ в PostScript-программу, при выполнении которой будет по-

43

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

лучен начальный документ. Эта программа может быть послана непосредственно на принтер с поддержкой PostScript или преобразована интерпретатором PostScript в другой формат (для принтеров без поддержки PostScript), или результат её выполнения интерпретатором может быть показан на экране. Так как исходная PostScriptпрограмма одна и та же, PostScript называется независимым от устройства.

Большинство высокопроизводительных принтеров и плоттеров имеют встроенный интерпретатор языка PostScript. В то же время, простые принтеры домашнего класса поддерживают только элементарные графические операции, поэтому задача создания растрового изображения возлагается на центральный процессор. Существуют интерпретаторы языка PostScript для различных операционных систем, наиболее известный из них — свободная программа Ghostscript.

Формат SVG язык разметки масштабируемой векторной графики, созданный Консорциумом Всемирной паутины (W3C) и входящий в подмножество расширяемого языка разметки XML, предназначен для описания двухмерной векторной и смешанной векторно/растровой графики в формате XML. Поддерживает как неподвижную, так анимированную и интерактивную графику.

SVG - текстовый формат — файлы SVG можно читать и редактировать при помощи обычных текстовых редакторов. При просмотре документов, содержащих SVG графику, имеется доступ к просмотру кода просматриваемого файла и возможность сохранения всего документа. Кроме того, SVG файлы обычно получаются меньше по размеру, чем сравнимые по качеству изображения в форматах JPEG или GIF, а также хорошо поддаются сжатию.

Широко доступно использование растровой графики в SVG документах. Имеется возможность вставлять элементы с изображениями в форматах PNG, GIF или JPG.

Редакторы SVG:

•Inkscape — свободный векторный графический пакет для работы с SVG.

•OpenOffice.org Draw умеет экспортировать графику в файлы формата SVG.

•Adobe Illustrator версии от CS2.

•Adobe GoLive версии от CS2.

•CorelDRAW векторный графический редактор.

Формат WMF — универсальный формат векторных графических файлов для Windows приложений. Используется для хранения коллекции графических изображений Microsoft Clip Gallery. Формат разработан Microsoft и является неотъемлемой частью Windows. Очень часто WMF неявно используется для сохранения образа окна вывода программы и его последующего восстановления, а также при переносе информации через буфер обмена (clipboard).

Формат SWF – Adobe Flash (ранее известный как Macromedia Flash), или просто

Flash— мультимедийная платформа, используемая для создания векторной анимации и интерактивных приложений (в том числе, игр), а также для интеграции видеороликов в веб-страницы.

Flash-контент воспроизводится с помощью целого ряда программных средств, но доминирующее положение на рынке занимает официальный Adobe Flash Player, распространяемый в качестве бесплатного плагина для большинства современных браузе-

44

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

ров. Также SWF-файлы можно просматривать с помощью различных свободных плееров.

Так же, как и файловые форматы общего назначения, широко используются определенные запатентованные форматы, связанные с популярными программами. В частности, файлы PhotoShop и CorelDraw традиционно используются в качестве форматов для обмена информацией с растровой и векторной графикой соответственно в допечатных и издательских процессах.

3.5 Вопросы для самоконтроля

1.Что подразумевается под понятием "компьютерная графика"?

2.Как проводится оцифровка изображения или звука?

3.Приведите примеры оцифрованных и не оцифрованных звуков и изображений.

4.В чем различие между квантованием и дискретизацией?

5.Для чего нужно дискретизировать и квантовать данные, например изображения?

6.В чем различие векторной и растровой графики?

7.Почему векторные рисунки не искажаются при масштабировании?

8.Почему в цифровых фотоаппаратах используется растровая графика, а не векторная?

9.Для чего существуют различные файловые форматы графических изображений?

10.В чем преимущества формата PNG по сравнению с GIF?

11.В каких растровых форматах используется сжатие без потерь, а в каких – с потерями?

12.В чем состоит отличие формата EPS от PostScript?

13.Для чего предназначен формат PDF?

14.Какие форматы предназначены для векторной анимации?

15.Какие растровые форматы поддерживают прозрачные цвета?

16.В чем отличие компьютерных программ для черчения и рисования?

17.Какой вид сигнала более стоек к искажениям и помехам: цифровой или аналоговый, и почему?

45

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

ЛЕКЦИЯ 4

4 Представление цвета в мультимедиа

В этой главе вы найдете ответы на следующие вопросы:

■Каков физический смысл цвета?

■Что такое аддитивные и субтрактивные основные цвета?

■Какие существуют модели цвета?

■Как определяется глубина цвета?

■Для чего применяется индексирование цвета?

■Как можно использовать каналы для цветокоррекции?

Цвет может использоваться и в векторной графике, и в растровых изображениях. Для большинства людей цвет - это настолько банальное, само собой разумеющееся понятие, что иногда удивительно открывать, насколько оно на самом деле сложное в объективном и субъективном плане. Исходя из этого, представление цвета в цифровых изображениях и точное его воспроизведение на устройствах вывода далеко не так прямолинейно, как может показаться на первый взгляд.

4.1 Цвет и наука

Цвет - это субъективное ощущение, формируемое мозгом. Для электронного вос-

произведения цвета нужна модель цвета, связывающая наши ощущения с физически-

ми явлениями. Как показала практика, это весьма сложная задача.

Поскольку свет - это разновидность электромагнитного излучения, можно измерить его длину волны и интенсивность. На рисунке 4.1 показано спектральное распределение энергии дневного света, нашего Солнца. По сути, спектральное распределение энергии строится путем разложения света на составляющие длины волн и измерения интенсивности каждого компонента. Субъективные эксперименты показывают: спектральное распределение энергии почти точно соответствует тому, что мы называем "цветом". Но распределения спектральной плотности слишком громоздки, чтобы с ними можно было работать в компьютерной графике, к тому, же очень сложно создать источник света, который бы излучал свет произвольной длины волны, поэтому используется другой подход.

Рис. 4.1

Известно, что человеческий глаз содержит рецепторы двух типов: палочки, которые обеспечивают ночное зрение и не различают цвета, и колбочки, которые, в свою очередь, бывают трех типов и чувствительны к различным длинам световых волн. Тот факт, что наше восприятие цвета зависит от реакции глаза на три различные группы длин волн, привел к возникновению теории о том, что любой цвет можно задать тремя значениями, определяющими доли трех компонентов.

46

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

Иначе говоря, колбочки воспринимают свет красного, зеленого и синего цвета. То есть, восприятие нашим мозгом любого цвета можно сымитировать, смешивая соответствующие доли красного, синего и зеленого цветов (рис.4.2). Поэтому красный, синий и зеленый цвета называются аддитивными основными цветами. Говоря ина-

че, конкретный цвет можно определить, указав доли составляющих его красного, синего и зеленого света. Таким образом, телеэкраны и компьютерные мониторы строятся с использованием пикселей, составленных из трех точек - различных люминофоров, излучающих красный, синий и зеленый свет, - которые возбуждаются с помощью электронных лучей. Чтобы получить любой искомый цвет, нужно всего лишь подобрать интенсивность всех электронных лучей, а, следовательно, интенсивность света, излучаемого соответствующими люминофорами. Оптическое смешивание света, излучаемого тремя точками (компонентами пикселя) создаст видимость одного пик-

селя искомого цвета.

Рис. 4.2

Хочу подчеркнуть, что речь идет не о смешивании 3-х красок: красной, зеленой и синей, а о смешивании 3-х лучей света - красного, зеленого и синего.

Поскольку по такому принципу строятся мониторы, упрощенная трехцветная теория, очевидно, более или менее верна, и большую часть времени можно работать в ее рамках.

4.2 Цвет RGB

Идея, что цвет можно "собрать" из красного, зеленого и синего света, привела к возникновению модели цвета RGB, в которой цвет представляется тремя значениями. В модели указываются пропорции красного

(Red - R), зеленого (Green - G) и синего

(Blue - В) светов, смешивание которых дает свет искомого цвета.

Рис. 4.3

Важно помнить, что все видимые цвета невозможно представить комбинацией красного, зеленого и синего компонентов. На этом рисунке показана так называемая цветовая гамма RGB и все видимые цвета. Плавникоподобная область является пространственным представлением всех возможных цветов. Оттенки зеленого располагаются ближе к вершине "плавника", оттенки красного - ближе к нижнему правому, оттенки синего - к нижнему левому краю. Треугольная область цветовой гаммы RGB полностью лежит внутри "плавника", что свидетельствует о существовании цветов, которые невозможно отобразить, смешивая лучи красного, зеленого и синего цветов.

47

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

На практике подавляющее большинство цветов, различаемых людьми, входит в цветовую гамму RGB, поэтому модель RGB предлагает полезный, простой и эффективный способ представления цветов. Цвет можно представить тремя значениями, и это представление можно записать в следующем виде (r, g, b), где r, g и b - величины красного, зеленого и синего света, составляющие искомый цвет. Под "величиной" мы понимаем долю чистого ("насыщенного") света этого основного цвета. Например, если выразить доли в процентах, (100%, 0%, 0%) будет представлять чистый насыщенный основной красный цвет, (50%,0%,0%) - более темный красный, (100%, 50%, 100%) - яркий оттенок розовато-лилового цвета. Поскольку черный цвет - это отсутствие света, соответствующее RGB-значение записывается как (0%, 0%, 0%). Белый свет получается при смешивании в равных пропорциях насыщенного света всех трех основных цветов, так что соответствующее RGВ-значение записывается как (100%, 100%, 100%). Подчеркну, что указанные три значения представляют величины света трех основных цветов, которые можно смешать, чтобы получить свет заданного цвета. Не путайте это аддитивное смешивание цветов со смешиванием красок, которое является субтрактивным смешиванием, поскольку краски поглощают свет. Компьютерные мониторы излучают свет, поэтому получение цветов, должно опираться на аддитивную модель. Работа сканеров заключается в детектировании света, отраженного от сканируемого документа, поэтому здесь также применяются аддитивныецвета.

Числа r, g и b не являются абсолютными - значение имеют только их относительные пропорции, поэтому можно выбирать любой удобный масштаб, позволяющий задать достаточное количество значений. На вопрос, "Какого диапазона достаточно?" можно ответить только субъективно. В различных культурах существуют различные мнения относительно того, когда два цвета отличаются; также сами люди по разному различают цвета, хотя мало кто может различить более 16,8 млн комбинаций, которые получаются при использовании 256 значений для каждого компонента - красного, зеленого и синего.

4.3 Глубина цвета (насыщенность цвета)

Рис. 4.4 Фотографии с глубиной цвета: 4, 8 и 24 бит

Очевидно, 256 - это очень удобное число для цифрового представления, поскольку с помощью одного байта можно записать именно столько различных значений, которые обычно представляются числами от 0 до 255. Следовательно, RGВ-цвет можно пред-

48

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

ставить тремя байтами или с помощью 24 бит. При использовании 24 бит упоминавшийся ранее яркий оттенок розовато-лилового цвета записывается как (255, 127, 255),

черный - как (0, 0, 0), белый - как (255, 255, 255).

Разумеется, можно предположить, что 24 бит - это не единственная возможная глубина цвета. Другой альтернативой является однобитовый (двухуровневый) цвет. Один бит позволяет различать два цвета. Обычно это черный и белый. Глубина цвета 4 бит позволяет использовать 16 цветов, чего, очевидно, достаточно только для вывода самых простых цветных изображений; 16 оттенков серого (уровней яркости) могут давать полутоновые изображения приемлемого качества. На рисунке 4.4 показаны три версии одной фотографии при различных значениях глубины цвета; обратите внимание на огрубление фотографии при уменьшении количества цветов.

Некоторые компьютерные системы для записи кодов цвета используют 16 бит. 16 не делится на 3, поэтому, когда RGВ-коды записываются в 16-битовом формате, либо один бит не используется, либо трем компонентам ставится в соответствие разное количество битов. Обычно для записи красного и синего цветов выделяется по 5 бит, а для записи зеленого - 6 бит, что позволяет задавать вдвое больше значений зеленого. Такая схема распределения битов основана на наблюдении, что человеческий глаз более чувствителен к свету зеленого цвета, чем кдвумдругим основным цветам.

Хотя 24 бит достаточно для представления большего количества цветов, чем может различить человеческий глаз, все чаще и чаще (особенно в сканерах) используются значения глубины 30, 36 и даже 48 бит. Поддержка 48 бит включена в спецификацию файлового формата PNG. Такие большие величины используются по двум причинам. Во-первых, дополнительная информация, записываемая в дополнительных битах, позволяет более точно воспроизводить цвет при отображении на экран. Во-вторых, можно получить крайне точное разграничение цветов, что позволяет очень точно применять, например, эффекты хроматической манипуляции.

Глубина цвета является важнейшим фактором, определяющим размер растрового изображения: каждый логический пиксель требует24 битпризаписивформате24-- битового цвета, втроеменьше - при записи в формате 8-битового и всего 1 бит - при записи в формате однобитового цвета. Следовательно, если глубину цвета изображения можно сократить с 24 до 8 бит, размер файла изображения уменьшитсявтрое.

Р

Рис. 4.5

49

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

4.4 Индексирование цвета

Чтобы представить, что такое индексирование цветов, нужно помечать области изображения числами, которые определяют пятна краски определенного цвета. Как палитра каждой картины содержит только те краски, которые нужны для рисования, так и цифровая палитра вмещает только те RGВ-коды, которые используются на изображении. При отображении изображения на экран графическая система выбирает цвет из палитры, и использует найденные значения как цвета соответствующих пикселей.

На рисунке 4.5 показаны два изображения с различными цветовыми характеристиками, а также палитры, использованные при записи изображений с применением схемы индексированного цвета.

Из файловых форматов палитру цветов позволяют использовать PNG, ВМР, TGA,

ТIFF и GIF.

Для созданных изображений часто достаточно палитры из 256 цветов, и, поскольку вы управляете цветами, которые используете, при работе стоит помнить об этом ограничении, хотя могут теряться некоторые едва уловимые детали.

Возможные варианты представления цветовых палитр:

•1-битный цвет (21 = 2 цвета) монохромный цвет, чаще всего представляется чёрным и белым цветами (или черный и зелёный)

•2-битный цвет (2² = 4 цвета) CGA, градации серого цвета NeXTstation

•3-битный цвет (2³ = 8 цветов) множество устаревших персональных компьютеров с TV-выходом

•4-битный цвет (24 = 16 цветов) известен как EGA и в меньшей степени как VGAстандарт с высоким разрешением

•5-битный цвет (25 = 32 цвета) Original Amiga chipset

•6-битный цвет (26 = 64 цвета) Original Amiga chipset

•8-битный цвет (28 = 256 цветов) устаревшие Unix-рабочие станции, VGA низкого разрешения, SuperVGA, AGA

•12-битный цвет (212 = 4,096 цветов) некоторые Silicon Graphics-системы, цветные

NeXTstation-системы, и Amiga-системы HAM-режима.

Модель цвета RGB является наиболее важным средством представления цветов, используемым на мультимедийных изображениях, поскольку она соответствует воспроизведению цветов на компьютерных мониторах и детектированию цветов сканерами. Используется еще несколько моделей цвета, о которых речь пойдет далее.

4.5 Модель CMYK

Вы, возможно, знаете об эксперименте, проведенном Томасом Янгом в 1801 году и проиллюстрированном на рисунке 4.7. Лучи трех основных цветов (красного, зеленого и синего) направляются на белую поверхность, которая отражает весь падающий на нее свет, причем лучи перекрываются. Если посветить только одним светом, виден один соответствующий цвет. Когда накладываются все три луча, виден белый цвет,

50