Поняття векторної та растрової графіки. Кольорові моделі. Роздільна здатність

На цій сторінці наведена теорія до першого уроку 17-годинного спецкурсу з інформатики “Основи комп’ютерної графіки”, який був проведений у 9 класі в 2010-2011 н.р.

…..

Яка різниця між векторною та растровою графікою?

Існує поділ на кілька типів комп’ютерної графіки.



Ми розглянемо докладно два з них:

  • векторні зображення
  • растрові (або піксельні, або бітові)
Векторна графіка
Векторна графіка
Растрова графіка
Растрова графіка

Рис. 1.1. Растрові та векторні графічні зображення відносяться до різних типів комп’ютерної графіки

Векторна графіка

Векторні графічні зображення створюються з об’єктів, які описуються за допомогою так званих параметричних рівнянь. Об’єкти складаються з контуру і заливки (в окремому випадку – з відсутніми (прозорими)). Оскільки елементи таких зображень описуються формулами, векторні зображення не втрачають якості при масштабуванні і мають невеликий об’єм файлу.

Векторні зображення застосовують при створенні креслень, графіків, схем, карт; за допомогою векторної графіки створюються листівки, обкладинки книг і журналів, навіть малюється мультиплікація.

Такі зображення створюються в спеціальних програмах – векторних редакторах, наприклад Adobe Illustrator, Adobe Flash, Corel Draw, Autodesk Autocad і інших. Оскільки векторні зображення описуються рівняннями, ми не можемо побачити їх у “справжньому” вигляді.

Рівняння нічого не значать, якщо не можна побачити їх результат, тому векторні зображення ми бачимо у вигляді растрових зображень на екрані або на друкарській сторінці (тобто складаються з дрібних елементів – точок).

Створення векторних зображень можна порівняти із збіркою фігур з конструктора Lego або зі створенням аплікацій.

Растрова графіка

Побутові графічні зображення, звані також растровими, “зобов’язані своїм існуванням” дрібним дискретним елементам, які створюють зображення.

Приклад мозаїки з каменю

Рис. 1.2. Приклад мозаїки з каменю

Яскравим прикладом зображень з дискретних елементів є мозаїка, що виникла як елемент прикраси будівель (рис. 1.2.). Для неї використовуються камені (смальта, плитки) самих різних форм і розмірів. Художник-мозаїст вибирає камінь, виходячи з необхідного кольору, розміру та змісту. Творча манера викладання мозаїки у кожного художника своя.

У комп’ютерному зображенні немає сенсу вибирати особливі елементи, а досить “нав’язати” примусову дискретизацію на елементи простої геометричної форми – квадратної.

Яскравим зразком растрового зображення є цифрова фотографія.

Як і векторні, растрові зображення створюються і редагуються в програмах – растрових редакторах, таких, як Adobe Photoshop, Corel Photopaint, Microsoft Paint та інших.

Розглянемо основні поняття піксельної (растрової) графіки докладніше

Піксель

Піксель (pixel), що є скороченням від picture element (елемент картинки) – найменший єдиний елемент растрової графіки.

(У живій мові слово вживається в двох варіантах – “піксел” і “піксель”. У літературі частіше зустрічається “піксел”.)

Піксели найчастіше мають квадратну форму (за винятком деяких телевізійних стандартів). Розмір піксела є відносною величиною. Щоб охарактеризувати місце і розмір піксела в растровому зображенні, застосовують поняття роздільної здатності зображення.

Роздільна здатність

Для визначення поняття роздільної здатності необхідно вибрати одиницю довжини; найчастіше використовують британську – дюйм (inch), рівний 2,54 cм. Можна розглядати і метричну систему, але ця система не прижилася серед фахівців, тому фактично не використовується.

Кількість пікселів на одиницю довжини називається роздільною здатністю зображення (image resolution), і його кількісною одиницею вважається ppi (pixels per inch – піксели на дюйм).

Зображення з великою роздільною здатністю містить більше пікселів (і меншого розміру), ніж у зображення з меншою роздільністю (і більшого розміру).

Роздільність показує, скільки пікселів міститься в одному лінійному дюймі, і, якщо відомі розміри зображення, можна точно сказати, скільки пікселів в ньому міститься. Наприклад, якщо зображення має розмір 1 дюйм на 1 дюйм, а роздільна здатність зображення дорівнює 8 ppi, можна зробити висновок, що всі зображення містить 64 піксела. Якщо роздільність – 16 ppi, зображення цього ж розміру повинно містити 256 пікселів. При цьому розмір пікселя зменшується в 4 рази.

Ні 8, ні 16 пікселів на дюйм не можуть забезпечити якісне зображення. Така роздільність занадто мала для людського зору.  На (рис. 1.3.) показані лінійки  в один дюйм і узгодження числа пікселів з роздільною здатністю зображення. Зверніть увагу, що крайнє праве зображення було створене з роздільною здатністю 72 ppi – роздільністю моніторів – і виглядає чудово. Це найменша роздільна здатність, при якій наше око розрізняє “картинку” як єдине ціле, а не “набір квадратиків”.

Рис. 1.3. Роздільна здатність растрового зображення, виражена у кількості пікселів на дюйм (ррi)

Роздільна здатність зображення визначається користувачем, коли зображення оцифровується з використанням сканера або цифрового фотоапарата, чи створюється в програмі обробки і редагування зображень. Розберемося в практичному застосуванні поняття роздільності при створенні та редагуванні растрової графіки.

Яка ж роздільна здатність зображення буде оптимальною?
Роздільна здатність екрану

Зображення на екрані відноситься до піксельної (растрової) графіки, тому що будується з елементів, які також називаються пікселями.

Екран телевізора чи монітора – це велика матриця, кожен осередок якої незалежно від інших випромінює певну яскравість, а всі осередки разом відображають один кадр зображення.

Екранна матриця монітора може бути різної розмірності (в пікселях): 640х480, 800х600, 1024х768, 1600х1200… Оскільки сам екран фізично не змінюється, то при використанні відеокарти з великою роздільною здатністю розмір комірки буде меншим, а детальність зображення – вищою.

Зверніть увагу: поняття роздільності екрану, до якого ми вже звикли при роботі з комп’ютером, означає розмір екрану в пікселах. Це поняття не збігається з поняттям роздільної здатності зображення.

Програми піксельної графіки та Web-браузери відображають піксельні зображення за допомогою пікселів екрану: якщо роздільність документа збігається з роздільною здатністю екрану, то зображення на екрані буде відображатися “піксел в піксел”.

Якщо у документа роздільність перевищує екранну, то при масштабі 100% відображення документу буде в кілька разів збільшеним. Наприклад, зображення з роздільною здатністю 144 ppi на екрані монітора буде в два рази більше, ніж зображення з роздільною здатністю 72 ppi, навіть якщо їх геометричний розмір буде однаковим.

Вважається правильним готувати зображення для показу на екрані монітора (презентації, web-сторінки, анімація і відео) із роздільною здатністю 72 ppi або 96 ppi.

Більша роздільність, в цьому випадку, не дасть поліпшення якості картинки, а лише збільшить її розмір та об’єм файлу.

Роздільність принтера

Роздільна здатність принтера пов’язана з кількістю крапок на дюйм (dots per inch – dpi), які він може відтворювати при друкуванні.

Лазерні та струменеві принтери мають технічну роздільність від 600 до 1200 dpi і підходять для друкування тонових зображень з роздільною здатністю від 150 до 300ppi.

Залежність між технічною роздільністю принтера та роздільною здатністю зображення відрізняється в 4 рази.

Якщо ви точно знаєте, що ваш струменевий кольоровий принтер має роздільність 800 dpi, значить зображення для друку на цьому принтері повинно мати роздільну здатність 200 ppi.

Поліграфічний друк

Поліграфічний друк півтонових або кольорових зображень можливий тільки з використанням технології растрування, яка перетворює рівні тону зображення в сукупність растрових точок різної площі. Темнішим ділянкам зображення відповідають більші растрові точки, світлішим — дрібніші. Частота растрових точок в одному зображенні підтримується незмінною і вимірюється числом ліній на дюйм (lines per inch – lpi). Частота растра інакше називається лініатурою растру.

Якість поліграфічного відбитка залежить від багатьох чинників, але значною мірою – від роздільності зображення та лініатури растру. Співвідношення між цими двома параметрами можна визначити наступною формулою: для друку зображення використовується роздільна здатність, що перевищує лініатуру вивідного пристрою в 1,5-2 рази.

У переважній більшості випадків, для якісного друку в друкарні буде потрібно зображення з роздільною здатністю 300 ppi.

У будь-якому випадку, необхідна консультація фахівців саме того сервісного бюро або тієї друкарні, які будуть зайняті підготовкою до друку або безпосередньо друкуванням зображення.

Оскільки ми збираємося працювати з цифровими зображеннями, то кількість пікселів в зображенні стає надзвичайно важливою. Розмір файлу в растровому зображенні ґрунтується на кількості пікселів у зображенні. Чим більше пікселів містить зображення, тим більше за розміром його файл. Для того щоб ефективно працювати з растровими зображеннями, ми зовсім не зобов’язані прагнути до величезних зображенням з немислимою кількістю пікселів на дюйм. Навіть якщо ви маєте потужну комп’ютерну систему, робота з великими зображеннями з високою роздільністю може виявитися досить обтяжливою.

Таким чином, всі комп’ютерні зображення можна розділити за цілями використання та виділити пріоритетні розміри роздільності залежно від цих цілей (рис. 1.4.).

Зображення для монітора – 72 ppi, 96 ppi Зображення для друку на принтері – 150-300 ppi Поліграфічний друк – 300 ppi

Рис. 1.4. Всі растрові зображення можна умовно розділити за цільовим використанням

Глибина кольору (бітова глибина)

Піксель володіє двома відмінними характеристиками:
  • позицією та розміром стосовно решти пікселів растрового зображення – роздільністю
  • колірними можливостями, вимірюваними в бітах, – глибиною кольору (бітова глибина)

Існує кілька значень бітової глибини, що використовуються в зображеннях. З колірною глибиною тісно пов’язані назви для організації цих колірних даних (в Photoshop вони називаються кольоровими режимами).

Поняття глибини кольору – це чиста метафора. Фахівці, які ввели в обіг це поняття, представили подумки, як додаткові бітові матриці інформації розташовуються “як би в глибину”.

Глибина кольору вимірюється числом двійкових розрядів (біт), відведених для кожного пікселя. Одиниця глибини кольору – b / p (біт на піксель).

Типи зображень за глибиною кольору

Встановлення глибини кольору необхідне на початку роботи із зображенням і визначає його тип та кількість можливих відтінків тону (кольори).

Розглянемо можливості перенесення кольорів і поняття глибини кольору, використовуючи поняття Photoshop.

Комп’ютерна палітра Глибина кольору Кольоровий режим в Photoshop, пояснення Приклад
Чорно – біле (2 кольори) 1 b / p Штриховий малюнок (BITMAP)
Глибина кольору у чорно-білій штриховій графіці дорівнює 1 біту, тому таку графіку іноді називають “однобітною”.
Єдиний біт інформації може вказувати стан “включено” або “відключено”. Це означає, що існує два можливих кольори – білий (струм включений) або чорний (струм відключений)
 

16 кол.

256 кол.

4 b/p

8 b/p

Максимальне число кольорів для індексованого зображення дорівнює 256.
Такі кольори кодуються у вигляді колірних таблиць (індексів). У цій таблиці кольори визначені, як крейда в коробці пастелі.
Цей режим досить часто використовується, наприклад, в зображеннях для Web-сторінок. Подібна організація робить розмір файлу невеликим.
Існує спосіб імітації тонових рівнів за допомогою змішування пікселів (так званий “dithering”), коли кілька пікселів покликані викликати у глядача відчуття будь-якого тону. Таким чином отримують цілком фотореалістичне зображення з малою глибиною кольору
 

Чорно-білий напівтон 8 b/p Якщо використовується тонове зображення, то глибина кольору такого зображення традиційно дорівнює 8 бітам. Таке зображення називають “grayscale” (“сіра шкала”).
Якщо кожен піксел кодувати вісьмома бітами, то можна отримати 256 відтінків сірого.
Інформація про напівтонове зображення організується в одноколірний канал, який називається Black (Чорний)
 

RGB True Color (Істинний колір) 24 b/p (8 b/p, 3 канали) Таке зображення називається за іменем колірної моделі-RGB-image або TrueColor (Істинний колір).
Для того щоб зберегти колірну інформацію, технічні системи використовують кольорові фільтри (червоний, зелений і синій). У результаті створюються три зображення в градаціях сірого до значень яскравості від 0 до 255. У них кожен піксел описується вісьмома бітами, в сумі 24 біта, що дає можливість закодувати близько 16,7 мільйона відтінків
 

32 b/p (4 канали по 8 b/p) 1.       Режим CMYK. Створюються чотири канали зображення в градаціях сірого
2.       Або зображення в режимі RGB з додатковим альфа-каналом

Таким чином, розрізняють такі основні типи зображень за глибиною кольору: чорно-білі штрихові зображення, зображення в градаціях сірого та повнокольорові зображення.

Обсяг піксельного файлу

Обсяг піксельного файлу – це кількість інформації, для зберігання якої потрібно дисковий простір.

Можна розрахувати обсяг зображення ще до того, як воно буде створене.

Обсяг файлу в піксельній графіці жодним чином не залежить від змісту.

З цього факту випливають такі правила:
  • Необхідність кадрування, що означає “обрізання” зайвого зображення і видалення зайвої площі. Це корисно і по етичним нормам.
  • Якщо необхідно зменшувати обсяг файлу, то впливати можна тільки на геометричні розміри, роздільність та глибину кольору.

Роздільна здатність визначає величину піксела геометрично. Глибина кольору визначає кількість бітів, за допомогою яких складаються коди тону (кольори).  Хоча роздільність та глибина кольору існують нерозривно (не буває зображень з роздільною здатністю, але без глибини кольору, і навпаки), але фактично вони ніяк не пов’язані.

(Штрихова графіка для виведення на фотоскладальному автоматі володіє високою роздільністю з мінімальною глибиною кольору (1 bit).У плакатах можливі зображення з дуже низькою роздільною здатністю (5 ppi), але великою глибиною кольору (24 b / p).)

Роздільна здатність – це розмір мінімального елемента, а глибина кольору – це якість мінімального елемента (тоновий і колірної рівні).

Коротко розглянемо поняття кольорових моделей

Кольорова модель – це спосіб опису кольору за допомогою кількісних характеристик.

У цьому випадку не тільки легко порівнювати окремі кольори і їх відтінки між собою, але і використовувати їх у цифрових технологіях.

Кольорова модель RGB

(за першими літерами слів Red (Червоний), Green (Зелений) та Blue (Синій))

Безліч відтінків кольорів ми розрізняємо тому, що випромінюється світло певних довжин хвиль.

До випромінюваних кольорів можна віднести, наприклад, білий колір, кольори на екрані телевізора, монітора і так далі. Основними вважаються три: червоний, зелений і синій.

Колірна модель RGB представляється у вигляді тривимірного графіка: куба, у якого нульова точка – чорний колір (випромінювання відсутнє) – (0, 0, 0). Кожна координата відображає внесок кожної складової в результуючий колір в діапазоні від 0 до 255 (рівень сірого в кожному колірному каналі). Крапка з максимальними значеннями (255, 255, 255) представляє білий колір. По діагоналі, що з’єднує ці точки, розташовуються сірі відтінки, тому що значення трьох складових однакові (23, 23, 23), (130, 130, 130) і т. д.). Цей діапазон називають сірою шкалою (grayscale). Три вершини куба дають чисті вихідні кольори (255, 0, 0), (0, 255, 0), (0, 0, 255), інші три відображають подвійні змішання вихідних кольорів: з червоного і зеленого виходить жовтий (255, 255, 0), із зеленого і синього – блакитний (0, 255, 255), а з червоного і синього – пурпурний (255, 0, 255).

Рис. 1.6. Основні кольори моделі RGB

Повернемося до 16,7 мільйона відтінків кольору в однойменній палітрі: для нашого ока відтінки кольору, описувані координатами (0, 0, 1), (0, 1, 0) і навіть (3, 6, 4), будуть невиразні; але комп’ютер їх сприймає як різні. Сукупність всіх значень координат дає понад 16 млн відтінків (224 = 16 777 216).

Дана кольорова модель застосовується в якості основної в усіх комп’ютерних системах.

Відповідно, в цій моделі доступні максимальні можливості редагування зображення.

Кольорова  модель CMYK

(Сyan (блакитний), Magenta (пурпурний), Yelloy (жовтий), Key (“ключовий”))

Дана модель описує реальні поліграфічні фарби. Основних фарб три: Сyan (блакитний), Magenta (пурпурний), Yelloy (жовтий). Вони складають поліграфічну тріаду (process colors). Кожному пікселю в CMYK-зображенні присвоюються значення, що визначають процентний вміст тріадних фарб. Нульові значення складових дають білий колір (папір), максимальні значення повинні давати чорний, їх рівні значення – відтінки сірого.

Рис. 1.7. Тріада основних кольорів моделі CMYK

Поліграфічні фарби не так ідеальні, як промінь світла. Змішання трьох основних фарб не синтезує чистий чорний колір, тому в число основних поліграфічних фарб була внесена чорна фарба: буква K – це скорочення від слова “Key” (“основний”, “ключовий”). Від чорного кольору значною мірою залежить загальна різкість відбитків.

Модель CMYK застосовується тільки в поліграфічному виробництві, тому перехід до неї завжди здійснюється на останніх етапах обробки зображення. Моделі RGB і CMYK, хоча й пов’язані між собою, проте їх взаємні переходи ніколи не відбуваються без втрат.

Колірна модель HSB

(Колірний відтінок (Hue), Насиченість (Saturation), Яскравість (Brightness))

Модель HSB узгоджується зі сприйняттям кольору людиною: колірний тон – еквівалент довжини хвилі, насиченість – інтенсивність хвилі, а яскравість – кількість світла. Ця модель вважається найзручнішою в підборі кольору для користувача (при виборі ми в будь-якій програмі фактично користуємося цією моделлю, а не вводимо цифрові характеристики кольору – (рис. 1.8.).

Рис. 1.8. Модель HSB дає користувачеві зручність вибору колірного тону

Однак ця модель є абстрактною, оскільки не існує технічних засобів для безпосереднього вимірювання колірного тону і насиченості. Вона не утворює колірних каналів у документі (зберегти документ в цій колірній моделі не можна).

Колір може бути представлений в природі, на екрані монітора, на папері. У всіх випадках можливий діапазон кольорів, або колірне охоплення (gamut), буде різним. Найширше охоплення – в природі, воно обмежується тільки можливостями людського зору. Частина з того, що існує в природі, може передати монітор. Частина з того, що передає монітор, можна надрукувати (наприклад, при поліграфічному виконанні погано передаються кольори з дуже низькою щільністю).

130 Просмотров