ИТ: 5. Графические ИТ, их классификация и применение. ИТ иллюстративной графики. Представление объектов векторной графики. Представление объектов растровой графики. Разрешающая способность. Представление цвета, цветовые схемы. Масштабирование изображений. Сжатие изображений. Алгоритмы сжатия. Форматы графических файлов.

Компьютерная графика представляет собой одну из современных технологий создания различных изображений с помощью аппаратных и программных средств компьютера, ото­бражения их на экране монитора и затем сохранения в файле или печати на принтере.

Существует два способа представления графических изображений: растровый и векторный. Соответственно различают растровый и векторный форматы графичес­ких файлов, содержащих информацию графического изображения. Растровые фор­маты хорошо подходят для изображений со сложными гаммами цветов, оттенков и форм. Это такие изображения, как фотографии, рисунки, отсканированные данные. Векторные форматы хорошо применимы для чертежей и изображений с простыми формами, тенями и окраской.

Растровая графика

Растр, или растровый массив (bitmap), представляет совокупность битов, расположенных на сет­чатом поле-канве. Бит может быть включен (единичное состояние) или выключен (ну­левое состояние). Состояния битов можно использовать для представления черного или белого цветов, так что, соединив на канве несколько битов, можно создать изображение из черных и белых точек.

Основным элементом растрового изображения является пиксел (pixel). Под этим тер­мином часто понимают несколько различных понятий:

· пиксел — отдельный элемент растрового изображения;

• видеопиксел — элемент изображения на экране монитора;

• точка — отдельная точка, создаваемая принтером или фотонаборным автоматом. Цвет каждого пиксела растрового изображения — черный, белый, серый или любой

Наиболее простой тип растрового изображения состоит из пикселов, имеющих два возможных цвета — черный и белый. Для хранения такого типа пикселов требуется один бит в памяти компьютера, поэтому такие изображения, называются 1-битовыми изображениями. Для отображения большего количества цве­тов используется больше битов информации. Число возможных и доступных цветов или градаций серого цвета каждого пиксела равно двум в степени, равной количеству битов, отводимых для каждого пиксела. 24 бита обеспечивают более 16 миллионов цве­тов. О 24-битовых изображениях часто говорят как об изображениях с естественными цветами, так как такого количества цветов более чем достаточно, чтобы отобразить все­возможные цвета, которые способен различать человеческий глаз.

Недостатки:

• каждое изображение для своего хранения требует большое количество памяти.
• снижение ка­чества изображений при масштабировании.

Векторная графика

Векторное представление определяет описание изображения в виде линий и фигур, возможно, с закрашенными областями, заполняе­мыми сплошным или градиентным цветом.

В векторной графике для описания объектов используются комбинации компью­терных команд и математических формул для описания объектов. Это позволяет раз­личным устройствам компьютера, таким как монитор и принтер, при рисовании этих объектов вычислять, где необходимо помещать реальные точки.

Векторную графику часто называют объектно-ориентированной или чертежной гра­фикой. Имеется ряд простейших объектов, или примитивов, например: эллипс, прямоу­гольник, линия.

Описание объекта является простым и занимает мало памяти. Простота масштабирования изображения без ухудшения его качества. Независимость объема памяти, требуемой для хранения изображения, от выбран­ной цветовой модели.

Недостаток: искусственность, зак­лючающаяся в том, что любое изображение необходимо разбить на конечное множество составляющих его примитивов.

Преобразование векторных изображений в растровые. Не всегда осуществимо преобразова­ние растровой графики в векторную, так как для этого растровая картинка должна содер­жать линии, которые могут быть идентифицированы программой конвертации как векторные примитивы (фото).

Разрешающая способность

Разрешающая способность — это количество элементов в заданной области. Этот  термин применим ко многим понятиям:

• разрешающая способность графического изображения;

• разрешающая способность принтера как устройства вывода;

• разрешающая способность мыши как устройства ввода.

Например, разрешающая способность лазерного принтера может быть задана 300 dpi 1 (dot per inche — точек на дюйм), что означает способность принтера напечатать на от­резке в один дюйм 300 отдельных точек. В этом случае элементами изображения явля­ются лазерные точки, а размер изображения измеряется в дюймах.

Разрешающая способность графического изображения измеряется в пикселах на дюйм. Отметим, что 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.

При выводе векторного рисунка используется макс 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.

Цвета

Некоторые предметы видимы потому, что излучают свет, а другие — потому, что его отражают. Когда предметы излучают свет, они приобретают в нашем восприятии тот цвет, который видит глаз человека. Когда предметы отражают свет, то их цвет определя­ется цветом падающего на них света и цветом, который эти объекты отражают.

Существуют два метода описания цвета: система аддитивных и субтрактивных цветов.

Система аддитивных цветов работает с излучаемым светом. Аддитивный цвет по­лучается при объединении разноцветных лучей света. В системе используются 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 системе черный цвет.

Для работы в графических редакторах с полноцветным изображением используется 24-битовая модель RGB. Битовый объем каждого пиксела распределяется по 8 бит (1 байт) на цветовую составляющую – красную, зеленую, синюю.

Цветовые составляющие организуются в виде каналов, каждый из которых представляет собой изображение в градациях серого со значениями яркости от 0 до 255.

В системе субтрактивных цветов происходит обратный процесс: какой-либо цвет по­лучается вычитанием других цветов из общего луча света. При этом белый цвет получается в результате отсутствия всех цветов, а присутствие всех цветов дает черный цвет

В системе субтрактивных цветов основными являются голубой, пурпурный и жел­тый цвета (Cyan, Magenta, Yellow — CMY) — дополнительные красному, зеленому и синему Когда эти цвета смешивают на бумаге в равной пропорции, получается черный цвет

Существуют и другие системы кодирования цветов, например, пред став л ерше его в виде тона, насыщенности и яркости (Hue, Saturation, Brightness — HSB).

Масштабирование изображений

Масштабирование заключается в изменении вертикального и горизонтального раз­меров изображения. Масштабирование может быть пропорциональным — в этом слу­чае соотношение между высотой и шириной рисунка не изменяется, а меняется общий размер, и непропорциональным — в этом случае оба измерения изменяются по-разному.

Масштабирование векторных рисунков выполняется просто и без потери качества. Так как объекты векторной графики создаются по их описаниям, то для изменения масштаба векторного объекта, достаточно изменить его описание. Например, чтобы увеличить в два раза векторный объект, следует удвоить значение, описывающее его размер.

Масштабирование растровых рисунков является намного более сложным процес­сом, чем для векторной графики, и часто сопровождается потерей качества. При изме­нении размеров растрового изображения выполняется одно из следующих действий:

• одновременное изменение размеров всех пикселов (в большую или меньшую сто­рону);

• добавление или убавление пикселов из рисунка для отражения производимых в нем изменений, называемое выборкой пикселов в изображении.

Простейший способ изменения масштаба растрового рисунка состоит в изменении размера всех его пикселов. Так как внутри самого рисунка пикселы не имеют размера и приобретают его уже при выводе на внешнее устройство, то изменение размера пиксе­лов растра в сильной степени похоже на масштабирование векторных объектов — необ­ходимо сменить только описание пиксела, а остальное выполнит устройство вывода.

Сжатие изображений

Как и многая информация, графика может быть сжата. Это выгодно с точки зрения экономии памяти компьютера, так как, например, высококачественные изображения, как уже говорилось, имеют размеры до нескольких десятков мегабайтов. Для файлов графических изображений разработаны множество схем и алгоритмов сжатия, основ­ными из которых являются следующие: '

• групповое сжатие;

• кодирование методом Хаффмана;

• сжатие по схеме LZW;

• арифметическое сжатие;

• сжатие с потерями,

• преобразование цветов RGB в цвета YUV.

Групповое сжатие

Групповое сжатие представляет собой одну самых простых схем сжатия файлов. Суть его заключается в том, что серия повторяющихся величин заменяется единственной ве­личиной, и ее количеством. На примере можно заметить выгоду в длине между «aabbbbbbbcdddeeeeaaa» и «2а7Ь1 c3d4e3a». Данный алгоритм прост в реализации и хо­рошо сжимает графические файлы с большими однотонными областями. Групповое коди­рование используется во многих форматах растровых файлов, таких как TIFF; PCX и т. д.

Кодирование методом Хаффмана

Смысл метода Хаффмана заключается в замене данных более эффективными кода­ми. Более короткие коды используются для замены более часто появляющихся вели­чин.

Данное кодирование нуждается в точной статистике, выражающейся в том, как часто каждая величина появляется в фай­ле. Следовательно, для работы но схеме Хаффмана необходимо два этапа: на первом этапе создается статистическая модель, на втором кодируются данные. Следует отме­тить, что компрессия и декомпрессия, по Хаффману — достаточно медленный процесс.

Форматы графических файлов