Компьютерная графика

PCX. Формат появился как  формат хранения растровых данных  программы PC PaintBrush фирмы Z-Soft и  является одним из наиболее  распространенных (расширение имени  файла .PCX). Отсутствие возможности  хранить цветоделенные изображения,  недостаточность цветовых моделей  и другие ограничения привели  к утрате популярности формата.  В настоящее время считается  устаревшим.

JPEG (Joint Photographic Experts Group). Формат  предназначен для хранения растровых  изображений (расширение имени  файла .JPG). Позволяет регулировать  соотношение между степенью сжатия файла и качеством изображения. Применяемые методы сжатия основаны на удалении “избыточной” информации, поэтому формат рекомендуют использовать только для электронных публикаций.

GIF (Graphics Interchange Format). Стандартизирован  в 1987 году как средство хранения  сжатых изображений с фиксированным  (256) количеством цветов (расширение  имени файла .GIF). Получил популярность  в Интернете благодаря высокой  степени сжатия. Последняя версия  формата GIF89a позволяет выполнять  чересстрочную загрузку изображений  и создавать рисунки с прозрачным  фоном. Ограниченные возможности  по количеству цветов обусловливают  его применение исключительно  в электронных публикациях.

PNG (Portable Network Graphics). Сравнительно  новый (1995 год) формат хранения  изображений для их публикации  в Интернете (расширение имени  файла .PNG). Поддерживаются три  типа изображений – цветные  с глубиной 8 или 24 бита и черно-белое  с градацией 256 оттенков серого. Сжатие информации происходит  практически без потерь, предусмотрены  254 уровня альфа-канала, чересстрочная  развертка.

WMF (Windows MetaFile). Формат хранения  векторных изображений операционной  системы Windows (расширение имени  файла .WMF). По определению поддерживается  всеми приложениями этой системы.  Однако отсутствие средств для  работы со стандартизированными  цветовыми палитрами, принятыми  в полиграфии, и другие недостатки  ограничивают его применение.

EPS (Encapsulated PostScript). Формат  описания как векторных, так  и растровых изображений на  языке PostScript фирмы Adobe, фактическом  стандарте в области допечатных  процессов и полиграфии (расширение  имени файла .EPS). Так как язык PostScript является универсальным, в  файле могут одновременно храниться  векторная и растровая графика,  шрифты, контуры обтравки (маски), параметры  калибровки оборудования, цветовые  профили. Для отображения на  экране векторного содержимого  используется формат WMF, а растрового  – TIFF. Но экранная копия лишь  в общих чертах отображает  реальное изображение, что является  существенным недостатком EPS. Действительное  изображение можно увидеть лишь  на выходе выводного устройства, с помощью специальных программ  просмотра или после преобразования  файла в формат PDF в приложениях  Acrobat Reader, Acrobat Exchange.

PDF (Portable Document Format). Формат  описания документов, разработанный  фирмой Adobe (расширение имени файла  .PDF). Хотя этот формат в основном  предназначен для хранения документа  целиком, его впечатляющие возможности  позволяют обеспечить эффективное  представление изображений. Формат  является аппаратно-независимьм,  поэтому вывод изображений допустим на любых устройствах – от экрана монитора до фотоэкспонирующего устройства. Мощный алгоритм сжатия со средствами управления итоговым разрешением изображения обеспечивает компактность файлов при высоком качестве иллюстраций. [6]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

глава 3. Цвет и цветовые модели

 

 

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) определяют 65 536 оттенков (такой  режим называют High Color). При 24-разрядном  способе кодирования возможно определить более 16,5 миллионов цветов (режим  называют

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 вывода (монитор, принтер, печатная машина и прочие). В соответствии с принципами формирования изображения аддитивным или субтрактивным методами разработаны  способы разделения цветового оттенка  на составляющие компоненты, называемые цветовыми моделями. В компьютерной графике в основном применяют  модели RGB и HSB(для создания и обработки  аддитивных изображений) и CMYK (для печати копии изображения на полиграфическом  оборудовании).  Цветовые модели расположены в трехмерной системе координат, образующей цветовое пространство, так как из законов Гроссмана следует, что цвет можно выразить точкой в трехмерном пространстве.

Первый закон Грассмана (закон трехмерности). Любой цвет однозначно выражается тремя составляющими, если они линейно независимы. Линейная независимость заключается в  невозможности получить любой из этих трех цветов сложением двух остальных.

Второй закон Грассмана (закон непрерывности). При непрерывном  изменении излучения цвет смеси  также меняется непрерывно. Не существует такого цвета, к которому нельзя было бы подобрать бесконечно близкий.

Третий закон Грассмана (закон аддитивности). Цвет смеси  излучений зависит только от их цвета, но не спектрального состава. То есть цвет (С) смеси выражается суммой цветовых уравнений излучений:

C1=R1R+G1G+B1B;

C2=R2R+G2G+B2B;

Cn=RnR+GnG+BnB;

Cсумм=(R1+R2+…+Rn)R+(G1+G2+…+Gn)G+ (B1+B2+…+Bn)B.

Цветовая модель CIE Lab.

В 1920 году была разработана  цветовая пространственная модель CIE Lab (Communication Internationale de I'Eclairage – международная  комиссия по совещанию. L, a, b – обозначения  осей координат в этой системе). Система  является аппаратно независимой  и потому часто применяется для  переноса данных между устройствами. В модели CIE Lab любой цвет определяется светлотой (L) и хроматическими компонентами: параметром а, изменяющимся в диапазоне  от зеленого до красного, и параметром b, изменяющимся в диапазоне от синего до желтого. Цветовой охват модели CIE Lab значительно превосходит возможности  мониторов и печатных устройств, поэтому перед выводом изображения, представленного в этой модели, его  приходится преобразовывать. Данная модель была разработана для согласования цветных фотохимических процессов  с полиграфическими. Сегодня она  является принятым по умолчанию стандартом для программы Adobe Photoshop.

Цветовая модель RGB.

Цветовая модель RGB является аддитивной, то есть любой цвет представляет собой сочетание в различной  пропорции трех основных цветов –  красного (Red), зеленого (Green), синего (Blue). Она служит основой при создании и обработке компьютерной графики, предназначенной для электронного воспроизведения (на мониторе, телевизоре). При наложении одного компонента основного цвета на другой яркость  суммарного излучения увеличивается. Совмещение трех компонентов дает ахроматический серый цвет, который при увеличении яркости приближается к белому цвету. При 256 градационных уровнях тона черному  цвету соответствуют нулевые  значения RGB, а белому – максимальные, с координатами (255,255,255).

Цветовая модель HSB.

Цветовая модель HSB разработана  с максимальным учетом особенностей восприятия цвета человеком. Она  построена на основе цветового круга  Манселла. Цвет описывается тремя  компонентами: оттенком (Hue),насыщенностью (Saturation) и яркостью (Brigfitness). Значение цвета выбирается как вектор, исходящий  из центра окружности. Точка в центре соответствует белому цвету, а точки  по периметру окружности – чистым спектральным цветам. Направление вектора  задается в градусах и определяет цветовой оттенок. Длина вектора  определяет насыщенность цвета. На отдельной  оси, называемой ахроматической, задается яркость, при этом нулевая точка  соответствует черному цвету. Цветовой охват модели HSB перекрывает все  известные значения реальных цветов.

Модель HSB принято использовать при создании изображений на компьютере с имитацией приемов работы и  инструментария художников. Существуют специальные программы, имитирующие  кисти, перья, карандаши. Обеспечивается имитация работы с красками и различными полотнами. После создания изображения его рекомендуется преобразовать в другую цветовую модель, в зависимости от предполагаемого способа публикации.

Цветовая модель CMYK, цветоделение.

Цветовая модель CMYK относится  к субтрактивным, и ее используют при подготовке публикаций к печати. Цветовыми компонентами CMY служат цвета, полученные вычитанием основных из белого:

голубой (cyan) = белый - красный = зеленый + синий;

пурпурный (magenta) = белый - зеленый = красный + синий;

желтый (yellow) = белый - синий = красный + зеленый.

Такой метод соответствует  физической сущности восприятия отраженных от печатных оригиналов лучей. Голубой, пурпурный и желтый цвета называются дополнительными, потому что они  дополняют основные цвета до белого. Отсюда вытекает и главная проблема цветовой модели CMY – наложение друг на друга дополнительных цветов на практике не дает чистого черного  цвета. Поэтому в цветовую модель был включен компонент чистого  черного цвета. Так появилась  четвертая буква в аббревиатуре цветовой модели CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, blacK). Для  печати на полиграфическом оборудовании цветное компьютерное изображение  необходимо разделить на составляющие, соответствующие компонентам цветовой модели CMYK. Этот процесс называют цветоделением. В итоге получают четыре отдельных  изображения, содержащих одноцветное  содержимое каждого компонента в  оригинале. Затем в типографии с  форм, созданных на основе цветоделенных  пленок, печатают многоцветное изображение, получаемое наложением цветов CMY. [6]

 

Глава 4. Общая схема цифровой обработки изображений

 

 

Рассмотрим процесс обработки  изображений в виде следующей  последовательности:

• Получение исходного, «сырого» изображения.
• Фильтрация изображения.
• Перевод изображения в необходимую цветовую модель.
• Форматирование и индексирование изображения.
• Разбивка на блоки.
• Обработка графической информации, содержащейся в блоках.
• Последовательное сжатие.

Энтропийное сжатие.

 Получение исходного, «сырого» изображения.

Изображения для обработки  условно можно разбить на четыре класса:

Естественные, полученные путем  сканирования, захвата теле или видео  кадра, съемкой цифровой аппаратурой.

Изображения, нарисованные с использованием графического редактора  на компьютере, назовем их компьютерными  рисунками.

Трехмерные сцены, синтезированные  с помощью специальных программ, таких как: CAD’ы (AutoCAD, ArchiCAD ...), 3D генераторы (3D Studio, LightWave ...) и т.п.

Изображения -  визуализация данных, полученных как результат  некоторого эксперимента, опыта, измерения (энцефалограмма, сейсмографическая  карта ...).

Естественные изображения  имеют некомпьютерное происхождение. В них почти нет резких цветовых переходов. Компьютерные рисунки, как  в прочем и любые другие, подразделяются на два типа: растровые и векторные. В первом изображение хранится как  прямоугольная матрица с элементами, характеризующими цветовые составляющие. В векторных изображение - последовательность команд для его построения. Пример команды - круг с центром в точке (100,100) и радиусом 50, текстурированный материалом под дерево. Преимущество растровых - простота воспроизведения  и реалистичность, недостаток - большой  занимаемый объем, проблемы с масштабированием. У векторных наоборот, преимущество - небольшой занимаемый объем, легкость масштабирования, недостаток - необходимость  предварительной обработки перед  воспроизведением и трудность создания реалистичных изображений. Трехмерные сцены вынесены в отдельный класс, так как в процессе их создания (например, прямой или обратной трассировкой луча, методом излучательности) можно получить дополнительные данные (характеристики прямого и диффузного отражения света, преломления ... объектов сцены) и использовать их при дальнейшей обработке. Изображения, как результат опыта и т.п. необходимо обработать, с целью выявить его особые характеристики, например, выделить часть изображения лежащую в заданном спектре и т.п. В дальнейшем мы будем рассматривать в основном растровые изображения.

Форматирование и индексирование изображения.

В данном разделе будем  рассматривать изображение как  прямоугольную матрицу A={a_i,j} с N столбцами и M строками, где N - ширина изображения в пикселях, M - высота изображения в пикселях. Рассмотрим основные форматы, применяемые в компьютерной обработке изображений:

Черно-белый. Каждый элемент  матрицы представлен одним битом. Если он равен единице, то он отождествляется  с черным цветом, если равен нулю - с белым. Это самый простой  формат, он применяется при печати газет, распознавании текстов и  подписей.