На этой странице опубликована теория к первому уроку 17-часового спецкурса по информатике «Основы компьютерной графики«, который был проведен в 9 классе в 2010-2011 учебном году.
…..
Какая разница между векторной и растровой графикой?
Существует разделение на несколько типов компьютерной графики.
Мы рассмотрим подробно два из них:
- векторные изображения
- растровые (или пиксельные, или битные)
Рис. 1.1. Растровые и векторные графические изображения относятся к разным типам компьютерной графики
Векторная графика
Векторные графические изображения создаются из объектов, которые описываются с помощью так называемых параметрических уравнений. Объекты состоят из контура и заливки (в частном случае — с отсутствующими (прозрачными)). Поскольку элементы таких изображений описываются формулами, векторные изображения не теряют качества при масштабировании и имеют небольшой объем файла.
Векторные изображения применяют при создании чертежей, графиков, схем, карт; с помощью векторной графики создаются открытки, обложки книг и журналов, даже рисуется мультипликация.
Такие изображения создаются в специальных программах — векторных редакторах, например Adobe Illustrator, Adobe Flash, Corel Draw, Autodesk Autocad и других. Поскольку векторные изображения описываются уравнениями, мы не можем увидеть их в «настоящем» виде.
Уравнение ничего не значат, если нельзя увидеть их результат, поэтому векторные изображения мы видим в виде растровых изображений на экране или на печатной странице (то есть состоят из мелких элементов — точек).
Создание векторных изображений можно сравнить со сборкой фигур из конструктора Lego или с созданием аппликаций.
Растровая графика
Бытовые графические изображения, называемые также растровыми, «обязаны своим существованием» мелким дискретным элементам, которые создают изображения.
Рис. 1.2. Пример мозаики из камня
Ярким примером изображений из дискретных элементов является мозаика, которая возникла как элемент украшения зданий (рис. 1.2.). Для нее используются камни (смальта, плитки) самых разных форм и размеров. Художник-мозаичист выбирает камень, исходя из необходимого цвета, размера и содержания. Творческая манера выкладывания мозаики у каждого художника своя.
В компьютерном изображении нет смысла выбирать особые элементы, а достаточно «навязать» принудительную дискретизацию на элементы простой геометрической формы — квадратной.
Ярким образцом растрового изображения является цифровая фотография.
Как и векторные, растровые изображения создаются и редактируются в программах — растровых редакторах, таких как Adobe Photoshop, Corel Photopaint, Microsoft Paint и другие.
Рассмотрим основные понятия пиксельной (растровой) графики подробнее
Пиксель
Пиксель (pixel), что является сокращением от picture element (элемент картинки) — самый маленький единственный элемент растровой графики.
(В живом языке слово употребляется в двух вариантах — «пиксел» и «пиксель». В литературе чаще встречается «пиксель»)
Пикселы чаще всего имеют квадратную форму (за исключением некоторых телевизионных стандартов). Размер пиксела является относительной величиной. Чтобы охарактеризовать место и размер пиксела в растровом изображении, применяют понятие разрешения изображения.
Разрешение изображения
Для определения понятия разрешения необходимо выбрать единицу длины; чаще всего используют британскую — дюйм (inch), равный 2,54 см. Можно рассматривать и метрическую систему, но эта система не прижилась среди специалистов, поэтому фактически не используется.
Количество точек на единицу длины называется разрешением изображения (image resolution), и его количественной единицей считается ppi (pixels per inch — пикселей на дюйм).
Изображения с большим разрешением содержит больше пикселей (и меньшего размера), чем в изображение с меньшим разрешением (и большего размера).
Разрешение показывает, сколько пикселей содержится в одном линейном дюйме, и, если известны размеры изображения, можно точно сказать, сколько пикселей в нем содержится. Например, если изображение имеет размер 1 дюйм на 1 дюйм, а разрешение изображения равно 8 ppi, можно сделать вывод, что все изображения содержит 64 пиксела. Если разрешение — 16 ppi, изображение этого же размера должно содержать 256 пикселей. При этом размер пикселя уменьшается в 4 раза.
Ни 8, ни 16 пикселей на дюйм не могут обеспечить качественное изображение. Такое разрешение слишком мало для человеческого зрения. На (рис. 1.3.) показаны линейки в один дюйм и соотношение числа пикселей с разрешением изображения. Обратите внимание, что крайнее правое изображение было создано с разрешением 72 ppi — разрешением мониторов — и выглядит замечательно. Это то самое разрешение, при котором наш глаз различает «картинку» как единое целое, а не «набор квадратиков».
Рис. 1.3. Разрешение растрового изображения, выраженное в количестве пикселей на дюйм (ррi)
Разрешение изображения определяется пользователем, когда изображение оцифровывается с использованием сканера или цифрового фотоаппарата, создается в программе обработки и редактирования изображений. Разберемся в практическом применении понятия разрешения при создании и редактировании растровой графики.
Какое разрешение изображения будет оптимальным?
Разрешение экрана
Изображение на экране относится к пиксельной (растровой) графике, потому что строится из элементов, которые также называются пикселями.
Экран телевизора или монитора — это большая матрица, каждая ячейка которой независимо от других излучает определенную яркость, а все ячейки вместе отражают один кадр изображения.
Экранная матрица монитора может быть разной размерности (в пикселях): 640х480, 800х600, 1024х768, 1600х1200 … Поскольку сам экран физически не меняется, то при использовании видеокарты с большим разрешением размер ячейки будет меньше, а детальность изображения — выше.
Обратите внимание: понятие разрешения экрана, к которому мы уже привыкли при работе с компьютером, означает размер экрана в пикселях. Это понятие не совпадает с понятием разрешения изображения.
Программы пиксельной графики и Web-браузеры отображают пиксельные изображения с помощью пикселей экрана — если разрешение документа совпадает с разрешением экрана, то изображение на экране будет отображаться «пиксел в пиксел».
Если разрешение документа превышает экранное, то при масштабе 100% отражение документа будет в несколько раз увеличенным. Например, изображение с разрешением 144 ppi на экране монитора будет в два раза больше, чем изображения с разрешением 72 ppi, даже если их геометрический размер будет одинаковым.
Считается правильным готовить изображения для показа на экране монитора (презентации, web-страницы, анимация и видео) с разрешением 72 ppi или 96 ppi.
Большее разрешение, в этом случае, не даст улучшения качества картинки, а только увеличит ее размер и объем файла.
Разрешение принтера
Разрешение принтера связано с количеством точек на дюйм (dots per inch — dpi), которые он может воспроизводить при печати.
Лазерные и струйные принтеры имеют техническое разрешение от 600 до 1200 dpi и подходят для печати тоновых изображений с разрешением от 150 до 300ppi.
Зависимость между технической разрешением принтера и разрешением изображения отличается в 4 раза.
Если вы точно знаете, что ваш струйный цветной принтер имеет разрешение 800 dpi, значит изображение для печати на этом принтере должно иметь разрешение 200 ppi.
Полиграфическая печать
Полиграфическая печать полутоновых или цветных изображений возможна только с использованием технологии растрирования, которая превращает уровни тона изображения в совокупность растровых точек различной площади. Более темным участкам изображения соответствуют большие растровые точки, более светлым — мелкие. Частота растровых точек в одном изображении поддерживается неизменной и измеряется числом линий на дюйм (lines per inch — lpi). Частота растра иначе называется линиатурой растра.
Качество полиграфического оттиска зависит от многих факторов, но в значительной степени — от разрешения изображения и линиатуры растра. Соотношение между этими двумя параметрами можно определить следующей формулой: для печати изображения используется разрешение, превышающее линиатуру выводного устройства в 1,5-2 раза.
В подавляющем большинстве случаев, для качественной печати в типографии потребуется изображение с разрешением 300 ppi.
В любом случае, необходима консультация специалистов именно того сервисного бюро или той типографии, которые будут заняты подготовкой к печати или непосредственно печатью изображения.
Поскольку мы собираемся работать с цифровыми изображениями, то количество пикселей в изображении становится чрезвычайно важным. Размер файла растрового изображения основывается на количестве пикселей в изображении. Чем больше пикселей содержит изображение, тем больше по размеру его файл. Для того чтобы эффективно работать с растровыми изображениями, мы вовсе не обязаны стремиться к огромным изображениям с немыслимым количеством пикселей на дюйм. Даже если вы имеете мощную компьютерную систему, работа с большими изображениями с высоким разрешением может оказаться достаточно обременительной.
Таким образом, все компьютерные изображения можно разделить по целям использования и выделить приоритетные размеры разрешения в зависимости от этих целей (рис. 1.4.).
 |
 |
 |
| Изображения для монитора — 72 ppi, 96 ppi | Изображения для печати на принтере — 150-300 ppi | Полиграфическая печать — 300 ppi |
Рис. 1.4. Все растровые изображения можно условно разделить по целям использования
Глубина цвета (качество цветопередачи, битность изображения)
Пиксель обладает двумя отличительными характеристиками:
- разрешением — позицией и размером по отношению к другим пикселей растрового изображения
- глубиной цвета (качество цветопередачи, битность изображения) — цветовыми возможностями, измеряемыми в битах
Существует несколько значений глубины цвета, используемых в изображениях. С качеством цетопердачи тесно связаны названия для организации этих цветовых данных (в Photoshop они называются цветовыми режимами).
Понятие глубины цвета — это чистая метафора. Специалисты, которые ввели в оборот это понятие, представили мысленно, как дополнительные битовые матрицы информации располагаются «как бы в глубину».
Глубина цвета измеряется числом двоичных разрядов (бит), отведенных для каждого пикселя. Единица глубины цвета — b / p (бит на пиксель).
Типы изображений с различной глубиной цвета
Настройка глубины цвета необходимо в начале работы с изображением, и определяет его тип и количество возможных оттенков тона (цвета)..
Рассмотрим возможности цветопередачи и понятие глубины цвета, используя термины Photoshop
| Компьютерная палитра | Глубина цвета | Цветовой режим в Photoshop, объяснение | Пример |
| Черно — белое (2 цвета) | 1 b / p | Штриховой рисунок (BITMAP) Глубина цвета в черно-белой штриховой графике равна 1 биту, поэтому такую графику иногда называют «однобитная». Единственный бит информации может указывать состояние «включено» или «отключено». Это означает, что существует два возможных цвета — белый (ток включен) или черный (ток отключен) |
|
| 16 цв.
256 цв. |
4 b/p
8 b/p |
Максимальное число цветов для индексированного изображения равно 256. Такие цвета кодируются в виде цветовых таблиц (индексов). В этой таблице цвета определены, как мел в коробке пастели. Этот режим достаточно часто используется, например, в изображениях для Web-страниц. Подобная организация делает размер файла небольшим. Существует способ имитации тоновых уровней с помощью смешивания пикселей (так называемый «dithering»), когда несколько точек призваны вызвать у зрителя ощущение любого тона. Таким образом получают вполне фотореалистичное изображение с малой глубиной цвета |
|
| Черно-белый полутон | 8 b/p | Если используется тоновое изображение, то глубина цвета такого изображения традиционно равна 8 битам. Такое изображение называют «grayscale» («серая шкала»). Если каждый пиксел кодировать восемью битами, то можно получить 256 оттенков серого. Информация о полутоновом изображении организуется в одноцветный канал, который называется Black (Черный) |
|
| RGB True Color (Истинный цвет) | 24 b/p (8 b/p, 3 канала) | Такое изображение называется по имени цветовой модели-RGB-image или TrueColor (Истинный цвет). Для того чтобы сохранить цветовую информацию, технические системы используют цветные фильтры (красный, зеленый и синий). В результате создаются три изображения в градациях серого до значений яркости от 0 до 255. В них каждый пиксел описывается восемью битами, в сумме 24 бита, что позволяет закодировать около 16,7 миллиона оттенков. |
|
| 32 b/p (4 канала по 8 b/p) | 1. Режим CMYK. Создаются четыре канала изображения в градациях серого 2. Или изображение в режиме RGB с дополнительным альфа-каналом |
Таким образом, различают следующие основные типы изображений по глубине цвета: черно-белые штриховые изображения, изображения в градациях серого и полноцветные изображения.
Объем пиксельного файла
Объем пиксельного файла — это количество информации, для хранения которой нужно дисковое пространство.
Можно рассчитать объем изображения еще до того, как оно будет создано.
Объем файла в пиксельной графике никоим образом не зависит от содержания.
Из этого факта вытекают следующие правила уменьшения объема:
- Необходимость кадрирования, что означает «обрезание» лишнего изображения и удаления лишней площади. Это полезно и по эстетическим нормам.
- Если необходимо уменьшать объем файла, то влиять можно только на геометрические размеры, разрешение и глубину цвета.
Разрешение определяет величину пиксела геометрически. Глубина цвета определяет количество битов, с помощью которых состоят коды тона (цвета). Хотя разрешение и глубина цвета существуют неразрывно (не бывает изображений с разрешением, но без глубины цвета, и наоборот), но фактически они никак не связаны.
(Штриховая графика для вывода на фотонаборные автоматы обладает высоким разрешением с минимальной глубиной цвета (1 bit). В плакатах возможные изображения с очень низким разрешением (5 ppi), но большой глубиной цвета (24 b / p).)
Разрешение — это размер минимального элемента, а глубина цвета — это качество минимального элемента (на тоновом и цветовом уровне).
Кратко рассмотрим понятие цветовой модели
Цветовая модель — это способ описания цвета с помощью количественных характеристик.
В этом случае не только легко сравнивать отдельные цвета и их оттенки между собой, но и использовать их в цифровых технологиях.
Цветовая модель RGB
(По первым буквам слов Red (Красный), Green (Зеленый) и Blue (Синий))
Множество оттенков цвета мы различаем потому, что излучается свет определенных длин волн.
К излучаемым цветам можно отнести, например, белый цвет, цвета на экране телевизора, монитора и так далее. Основными считаются три: красный, зеленый и синий.
Цветовая модель RGB представляется в виде трехмерного графика: куба, у которого нулевая точка — черный цвет (излучение отсутствует) — (0, 0, 0). Каждая координата отражает вклад каждой составляющей в результирующий цвет в диапазоне от 0 до 255 (уровень серого в каждом цветовом канале). Точка с максимальными значениями (255, 255, 255) представляет белый цвет. По диагонали, соединяющей эти точки, располагаются серые оттенки, так как значения трех составляющих одинаковые (23, 23, 23), (130, 130, 130) и т. д.). Этот диапазон называют серой шкале (grayscale). Три вершины куба дают чистые исходные цвета (255, 0, 0), (0, 255, 0), (0, 0, 255), остальные три отражают двойные смешения исходных цветов: из красного и зеленого получается желтый (255, 255, 0), из зеленого и синего — голубой (0, 255, 255), а из красного и синего — пурпурный (255, 0, 255).
Рис. 1.6. Основные цвета модели RGB
Вернемся к 16,7 миллионам оттенков цвета в одноименной палитре: для нашего глаза оттенки цвета, описываемые координатами (0, 0, 1), (0, 1, 0) и даже (3, 6, 4), будут неразличимы; но компьютер их воспринимает как разные. Совокупность всех значений координат дает более 16 млн оттенков (224 = 16777216).
Данная цветовая модель RGB применяется в качестве основной во всех компьютерных системах.
Соответственно, в этой модели доступны максимальные возможности редактирования изображений.
Цветовая модель CMYK
(Сyan (голубой), Magenta (пурпурный), Yelloy (желтый), Key («ключевой»))
Данная цветовая модель CMYK описывает реальные полиграфические краски. Основных красок три: Сyan (голубой), Magenta (пурпурный), Yelloy (желтый). Они составляют полиграфическую триаду (process colors). Каждому пикселю в CMYK-изображении присваиваются значения, определяющие процентное содержание триадных красок. Нулевые значения составляющих дают белый цвет (бумага), максимальные значения должны давать черный, их равные значения — оттенки серого.
Рис. 1.7. Триада основных цветов модели CMYK
Полиграфические краски не так идеальны, как луч света. Смешения трех основных красок не синтезирует чистый черный цвет, поэтому в число основных полиграфических красок была внесена черная краска: буква K — это сокращение от слова «Key» («основной», «ключевой»). От черного цвета во многом зависит общая резкость отпечатков.
Модель CMYK применяется только в полиграфическом производстве, поэтому переход к ней всегда осуществляется на последних этапах обработки изображения. Модели RGB и CMYK, хотя и связаны между собой, однако их взаимные переходы никогда не происходят без потерь.
Цветовая модель HSB
(Цветовой оттенок (Hue), Насыщенность (Saturation), Яркость (Brightness))
Модель HSB согласуется с восприятием цвета человеком: цветовой тон — эквивалент длины волны, насыщенность — интенсивность волны, а яркость — количество света. Эта модель считается самой удобной в подборе цвета для пользователя (при выборе, мы в любой программе фактически пользуемся этой моделью, а не вводим цифровые характеристики цвета — рис. 1.8.).
Рис. 1.8. Модель HSB дает пользователю удобство выбора цветового тона
Однако эта цветовая модель HSB является абстрактной, поскольку не существует технических средств для непосредственного измерения цветового тона и насыщенности. Она не образует цветовых каналов в документе (сохранить документ в этой цветовой модели нельзя).
Цвет может быть представлен в природе, на экране монитора, на бумаге. Во всех случаях возможный диапазон цветов, или цветовой охват (gamut), будет разным. Наиболее широкий охват — в природе, он ограничивается только возможностями человеческого зрения. Часть из того, что существует в природе, может передать монитор. Часть из того, что передает монитор, можно напечатать (например, при полиграфическом исполнении плохо передаются цвета с очень низкой плотностью)
