6.4. Основные характеристики цифрового изображения

Разрешение. Изображение состоит из окрашенных пикселей, складывающихся в картины. Если увеличить пиксели, то они выглядят как несвязный набор цветных квадратов. Уменьшаясь в размере, пиксели вместе создают изображение.

Размер изображения означает физические размеры изображения. Разрешение – это количество пикселей на единице длины изображения. Единица измерения разрешения – ppi (пикселей на дюйм). Если разрешение изображения 72 пикселя на дюйм, то получаем 72 пикселя×72 пикселя = 5184 пикселя на квадратный дюйм.

При фиксированном количестве пикселей в изображении увеличение его размеров уменьшает разрешение и наоборот. Поэтому если изображение хорошо смотрится на почтовой марке, то оно будет выглядеть «зубчатым» на большом плакате.

При этом следует различать:

• Разрешение оригинала;

• Разрешение экранного изображения;

• Разрешение печатного изображения.

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. Чем выше требования к качеству, тем выше должно быть разрешение оригинала.

Для экранного изображения элементарную точку изображения принято называть пикселом. Размер пиксела варьируется в зависимости от выбранного экранного разрешения, разрешения оригинала и масштаба изображения.

Разрешение печатного изображения зависит главным образом от размера физической точки, создаваемой матричным (игольчатым), струйным или лазерным печатающим устройством.

Глаз человека различает отдельные изображения на расстоянии 20 – 30 см величиной не менее 0,08 мм поэтому изображения, состоящие из отдельных точек менее 0,08 мм выглядят имеющими сплошную закраску, а в противном случае состоящими из отдельных точек.

Пиксел в компьютерном файле не имеет определенного размера, так как хранит лишь информацию о своем цвете. Физический размер пиксел приобретает при отображении на конкретном устройстве вывода, например, на мониторе или принтере.

Разрешающая способность технических устройств по-разному влияет на вывод векторной и растровой графики. Так при выводе векторного рисунка используется максимальное разрешение устройства вывода. Значительно большее влияние разрешающая способность устройства вывода оказывает на вывод растрового рисунка. Если в файле растрового изображения не определено, сколько пикселов на дюйм должно создавать устройство вывода, то по умолчанию для каждого пиксела используется минимальный размер.

Так как устройства вывода отличаются размерами минимального элемента, который может ими создан, то размер растрового изображения при выводе на различных устройствах также будет не одинаков. Для удовлетворительного воспроизведения изображения на экране монитора бывает достаточно разрешения 72 dpi, для распечатки на цветном или лазерном принтере 150 – 200 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.

Размер точки растрового изображения на твердой копии и на экране зависит от применоенного метода и параметров растрирования оригинала. При растрировании на оригинал как бы накладывается сетка линий, ячейка которой образует элемент растра. Частота сетки растра измеряется числом линий на дюйм (lines per inch – lpi) и называется линеатурой.

Размер точки растра рассчитывается для каждого элемента и зависит от интенсивности тона в данной точке. Чем больше интенсивность, тем плотнее заполняется элемент растра. То есть, для абсолютно черного цвета заполнение будет 100 %, а для абсолютно белого цвета – 0 %. При этом все точки растра имеют одинаковую оптическую плотность, а иллюзия более темного тона создается либо за счет размеров точки в элементе растра, либо за счет изменения количества точек одинакового размера в элементе растра.

Свет и цвет в компьютерной графике. Дневной свет, субъективно воспринимаемый как лишенный цветовой составляющей, в физическом смысле представляет собой смесь колебаний всех частот, называемой цветовым спектром. Спектр – последовательность монохроматических излучений, каждому из которых соответствуе определенная длина волны электромагнитного колебания. Различают три зоны излучения: сине-фиолетовая с длинами волн 400 – 490 нм; зеленая – 490 – 570 нм и красная – 580 – 720 нм. Эти зоны спектра являются также зонами преимущественной чувствительности приемников глаза.

Световой поток характеризуется рядом физических и визуальных параметров.

Световой поток (Ф) – мощность лучистой энергии, оцениваемая по световому ощущению, которое она производит на глаз. Измеряется в люменах (лм).

Сила света – пространственная плотность светового потока, определяемая отношением светового потока к телесному углу в пределах которого он распространяется. Измеряется в канделах (кд).

Освещенность – отношение светового потока (Ф) к площади поверхности S, на которой он распространяется

.

Единица освещенности люкс (лк). 1 лк – освещенность поверхности в 1 м², на которую равномерно падает световой поток в 1 лм.

Яркость поверхности – отношение силы света, излучаемого в данном направлении, к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную к данному направлению. Дл равномерно яркой поверхности

,

где B – яркость поверхности; I_ - сила света в данном направлении;  - угол между перпендикуляром к поверхности и данным направлением; S – площадь светящейся поверхности.

Единица измерения яркости – кандела с квадратного метра (кд/м²).

Светлота – параметр, позволяющий визуально сравнивать степень яркости цветового тона, т. е. различать участки сильнее или слабее отражающие свет. Ахроматические цвета различают только по светлоте.

Минимальную разницу между яркостью различимых по светлоте объектов называют порогом. Величина порога пропорциональна логарифму отношения яркостей. Последовательность оптических характеристик объекта, расположенная по возрастанию и убыванию, выраженная в оптических плотностях и логарифмах яркостей, составляет градацию и является важнейшим инструментом для анализа и обработки изображения.

Для точного цветовоспроизведения на экране монитора важным является понятие цветовой температуры. Цветовой температурой называется температура, при которой абсолютно черное тело излучает свет такого же спектрального состава, как рассматриваемый свет. Она указывает только на спектральное распределение энергии излучения, а не на температуру источника. Стандартные значения цветовых температур используют в качестве всеобщего эталона, обеспечивающего одинаковое цветовоспроизведение на разных излучающих устройствах.

Световые излучения, воздействующие на глаз и вызывающие ощущение цвета, подразделяются на простые и сложные. Простые (монохроматические) излучения не могут быть разложены ни на какие другие цвета.

Все цвета принято делить на хроматические и ахроматические. К хроматическим относятся цвета, характеризуемые цветностью и светлотой. Визуально воспринимаемые различия этих цветов оцениваются различиями трех параметров: цветового тона, насыщенности (вместе дают цветность) и светлоты. Цветность определяет цвет с качественной стороны. Количественные изменения цвета передаются различиями в его светлоте. Насыщенность цвета показывает, насколько данный цвет отличается от монохроматического («чистого») излучения того же цветового тона. В компьютерной графике за единицу принмается насыщенность цветов спектральных излучений.

Цвета, не обладающие цветностью, называются ахроматическими. К ним относятся черный, белый и все промежуточные между этими двумя крайними значениями оттенки серого. Для ахроматических цветов возможны только количественные сравнения цветов по одному параметру – светлоте.

Основными называют те три цвета, с помощью которых могут быть получены любые другие цвета. Процесс получения других цветов – цветовой синтез основан на сложении основных цветов (аддитивный синтез) или на вычитании основных цветов из белого (субтрактивный синтез).

Дополнительными называют цвета излучений, которые при смешении (сложении) создают излучение белого цвета. К дополнительным относятся цвета аддитивного и субтрактивного синтеза:

Синий + Желтый = Белый

Зеленый + Пурпурный = Белый

Красный + Голубой = Белый,

А также пара промежуточных цветов:

Сине-голубой + Желто-красный = Белый.

Основные цвета субтрактивного синтеза можно представить как цвета, получающиеся вычитанием из белого цвета трех основных цветов:

Белый – Синий = Желтый

Белый – Зеленый = Пурпурный

Белый – Красный = Голубой

Один и тот же цвет может быть получен смешением различных излучений. Цвета излучений, которые имея различный спектральный состав визуально воспринимаются одинаковыми, называются метамерными.

В силу физиологии органов зрения цветовосприятие – субъективный процесс, и его характеристики во многом определяются индивидуальными особенностями человека. Для объективного описания цвета, не зависящего от индивидульных особенностей человека, в виде совокупности числовых параметров были разработаны цветовые модели. Эти цветовые модели основаны на некоторых основополагающих физических принципах и понятиях.

Различают излученный и отраженный свет. Например, монитор, пламя костра или раскаленный металл являются источниками излученного света, а белая бумага, ткань, поверхность воды – отраженного. Механизмы образования цвета при попадании в глаз зрителя излученного и отраженного света отличаются между собой.

Когда зритель смотрит на источник света, на сетчатку его глаз попадают волны оптического диапазона всех частот, излучаемых источником, и в тех пропорциях, в которых он излучает. Если зритель смотрит на предмет не излучающий свет, то если этот предмет не освещен зритель его не видит. При попадании света на такой предмет, часть света отражаясь от него попадает в глаз зрителя. В процессе отражения часть волн падающего на предмет света может поглощаться им и не доходить до глаза наблюдателя. Изменение состава света при отражении вызывает изменение цветового восприятия. Субъективно это выглядит как наличие того или иного цвета у отражающего предмета.

Различия механизмов образования цвета излученным и отраженным светом приводят к необходимости применения различных цветовых моделей. Преобразование представления цветов изображения при переходе от одной цветовой модели к другой может привести к искажению цветов. Во избежание этого необходимо четко представлять устройство цветовых моделей, используемых в программах компьютерной графики.

Исходя из природы света следует, что белый свет соответствует равномерной смеси частот электромагнитных колебаний оптического диапазона, а черный – отсутствию света. Для описания изображений только двух цветов – черного и белого, а также промежуточных оттенков серого цвета – используются две ахроматические модели – штриховая и монохромная.

Штриховым называется точечное изображение, каждый из пикселов которого может быть только двух цветов, которые называются фоновым и переднего плана. Промежуточные варианты исключены. В традиционной графике таким изображениям соответствуют рисунки пером, гравюры, офорты.

Монохромное изображение отличается от штрихового тем, что составляющие его пикселы могут быть любого из оттенков, составленных смешиванием двух базовых цветов. Оттенком называется смесь базовых цветов модели в фиксированной пропорции. Оттенки отличаются друг от друга процентным содержанием в них базового цвета. Если в качестве базовых цветов используются черный и белый принято говорить о шкале градаций серого цвета.

Существуют два метода описания цвета описания цвета: система аддитивных цветов и система субтрактивных цветов (рис. 1.). Эти системы принято также называть цветовыми моделями.

Рис. 1. Схемы образования цветов: а) аддитивный цвет, б) субтрактивный цвет.

Модель аддитивных цветов работает с излучаемым цветом. Аддитивный цвет получается при объединении разноцветных лучей света. В этой модели используют три основных цвета: красный, зеленый и синий (Red, Green, Blue – RGB). При смешивании их в разных пропорциях получается соответствующий цвет. Отсутствие этих цветов представляет в модели черный цвет. Смешение красного и зеленого в равных пропорциях дает оттенки монохроматической шкалы с желтым и белым базовыми цветами; зеленого и синего – оттенки голубого; синего и красного – оттенки пурпурного. Смешение трех базовых цветов в равных пропорциях дает оттенки монохроматической шкалы серого цвета, в неравных пропорциях – хроматические оттенки.

В модели субтрактивных цветов происходит обратный процесс: какой-либо цвет получается вычитанием из общего луча света. При этом белый цвет получается в результате отсутствия всех цветов, а присутствие всех цветов дает черный цвет. Модель субтрактивных цветов работает с отраженным цветом, например белая бумага. Белая бумага отражает все цвета, окрашенная - некоторые поглощает, остальные отражает. В модели субтрактивных цветов основными являются голубой, пурпурный и желтый цвета (Cyan, Magenta, Yellow – CMY) – дополнительные красному, зеленому и синему. В связи с тем, что типографские краски не полностью поглощают свет, комбинация трех основных цветов выглядит темно-коричневой. Поэтому для корректировки тонов и получения истинно черного цвета в принтеры добавляют немного черной краски. Модель цветов, основанная на таком принципе четырехцветной печати, обозначают аббревиатурой CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, BlacK).

Существуют и другие модели кодирования цветов, например представление его в виде тона, насыщенности и яркости (Hue, Saturation, Brightness – HSB). Тон представляет собой конкретный оттенок цвета: красный , голубой, зеленый и т. д. Насыщенность характеризует относительную интенсивность цвета. При уменьшении, например, насыщенности красного цвета, он делается более пастельным или блеклым. Яркость (или освещенность) цвета показывает величину черного оттенка, добавляемого к цвету, что делает его более темным. Модель HSB хорошо согласуется с особенностями восприятия цвета человеком. Тон является эквивалентом длины волны света, насыщенность – интенсивности волны, а яркость – количества света. Недостатком этой модели является необходимость преобразования ее в другие модели: RGB – при выводе изображения на монитор; CMYK – при выводе на четырехцветный принтер.

Другое обозначение модели HSB – HSL (Hue, Saturation, Light – тон, насыщенность и освещенность).

Модель L*a*b. Цветовая модель L*a*b разработана как аппаратно независимая, т. е. определяющая цвета без учета технологии цветовоспроизведения (на мониторе, на принтере, на печатном станке). В этой модели состав цвета определяется светлотой (Luminosity) и двумя хроматическими параметрами. Первый из них, условно обозначенный латинской буквой «a», определяет соотношение зеленой и красной составляющих цвета, второй, обозначенный буквой «b» - соотношение синей и желтой составляющих. Модель L*a*b применяется в программах компьютерной графики в качестве промежуточной цветовой модели при взаимном преобразовании других цветовых моделей. Эта модель является принятым по умолчанию стандартом для программы Adobe Photoshop.

Рассмотренные модели работают со всем спектром цветов – миллионами возможных оттенков. Однако пользователю часто достаточно не более нескольких сотен цветов. В этом случае удобно использовать индексированные палитры – наборы цветов, содержащих фиксированное количество цветов, например 16 или 256, из которых можно выбрать необходимый цвет. Преимуществом таких палитр является то, что они занимают гораздо меньше памяти, чем полные модели RGB и CMYK.

Модель индексированного цвета применяется в тех случаях, когда заранее известны все возможные цвета, которые могут встретиться в изображении. Основным элементом этой цветовой модели является палитра. Палитрой называется цветовая таблица, сопоставляющая фиксированным образцам цвета порядковые номера в виде натуральных чисел. Сопоставление номеров цветам выполняется с помощью цветовой модели RGB. Как правило в палитру включают черный и белый цвета, а одну из строк таблицы цветов резервируют для прозрачности. Прозрачность пиксела при выводе реализуется показом на его месте цвета фонового изображения.

При работе с изображением компьютер создает палитру и присваивает каждому цвету номер, затем при указании цвета отдельного пиксела или объекта просто запоминается номер, который имеет данный цвет в палитре. Для заполнения числа от 1 до 16 необходимо 4 бита памяти, а от 1 до 256 – 8 битов, поэтому изображения, имеющие 16 цветов называют 4-битовыми, а 256 цветов – 8-битовыми. При сравнении с 24 битами, необходимыми для хранения полного цвета в модели RGB, или с 32 битами в модели CMYK, экономия памяти очевидна.

При работе с палитрой можно применять любые цвета, например модели RGB, но ограниченное их количество. Так при использовании 256-цветовой палитры в процессе ее создания и нумерации каждый цвет в палитре описывается как обычный 24-битовый цвет системы RGB. А при ссылке на какой-либо цвет уже указывается его номер, а не конкретные данные модели RGB, описывающие этот цвет.

Способы описания и управления цветом. 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 256 градаций цветового тона. Два байта (16 бит) определяет 65536 оттенков (такой режим называется High Color). При 24-разрядном способе кодирования возможно определить более 16,5 миллионов цветов (режим называется 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 и т. д.).

Доказано, что цвет можно выразить точкой в трехмерном пространстве. Исходя из этого рассмотренные цветовые модели можно представить в системе координат XYZ.

Рис. 2. Схема цветового охвата различных цветовых моделей

Наиболее широк цветовой охват у человеческого зрения, примерно совпадает с ним цветовой охват аппаратно-независимой модели L*a*b. Рисунок показывает, в чем состоит основная трудность точной передачи цветов при печати: больше половины цветов, которые видит человек, и почти 20 % цветов, которые можно отобразить на экране монитора, не входят в цветовой охват основной полиграфической цветовой модели CMYK. Вследствие этого преобразования цветовых моделей при переходе от одного устройства к другому возникают искажения.

Для преобразования цветовых моделей используются системы управления цветом. Эти системы пользуются для формального описания цветового охвата файлами профиля устройств. В качестве стандарта формата файлов профиля используется формат ICC (International Color Consortium – международный консорциум по цветопередаче). Эти профили позволяют идентифицировать источник изображения и на основе этой информации передавть изображения от одного монитора к другому.

Файлы профиля получаются в результате специальной процедуры – калибровки устройства. Наиболее точные результаты дает калибровка с применением специальных аппаратно-программных комплексов, но иногда она делается с помощью одних программных средств калибровки на основе только субъективных оценок. Часто файлы профиля предоставляются пользователям разработчиками графических устройств.