1.2.1. Методы представления графических изображений
Для хранения и отображения картографической информации в цифровом виде могут использоваться два принципиально различных метода представления графических изображений: растровый (точечный) и векторный.
Растровое изображение представляет собой матрицу элементов - пикселов. Каждый пиксел характеризуется размером, тоновым значением, глубиной цвета и позицией. Редактирование растровых изображений заключается в изменении цвета определенной группы пикселов, тем самым достигается изменение формы объектов (рис. 7, а).
Наиболее часто растровые изображения получаются путем сканирования оригиналов (фотографий, слайдов, рисунков) и используются затем в оформлении картографических произведений. Основными достоинствами растровой графики является легкость автоматизации ввода изобразительной информации и фотореалистичность. Недостатками - большие объемы файлов, невозможность увеличения размеров изображения без потери информации.
В картографии широко используются растровые копии картографических материалов (отсканированные бумажные карты), такие изображения служат картографической основой для ведения составительско-оформительских работ, являющихся по сути своей преобразованием растровых данных в векторные - векторизацией.
В векторном представлении изображения строятся с помощью математических описаний объектов (так называемых примитивов), в качестве которых могут выступать линии, дуги, окружности, кривые Безье, текст и т.п. Векторную графику называют также "объектно-ориентированной", так как файл изображения формируется из дискретных, не связанных между собой элементов изображения, размеры, форма и цвет которых могут быть независимо друг от друга изменены быстро и без потери качества (рис. 7, б).
Практическими преимуществами векторного представления являются сравнительно небольшой объем файлов, независимость от разрешения устройства вывода и удобство редактирования.
Следует отметить, что каждый векторный редактор сохраняет данные в своем внутреннем формате, поэтому изображение, созданное в одном векторном редакторе, как правило, неконвертируется в формат другой программы без погрешностей.
В структуре компьютерных карт преобладает векторная форма представления изображений, на основе векторных объектов создаются все элементы карты (за исключением полутоновых иллюстраций и отмывки рельефа).
Рис. 7. Методы представления графических изображений.
а- растровое представление; б - векторное представление
1.2.2. Разрешение изображения
Растровое представление изображений существует не только в цифровом виде. Экран монитора или телевизора, отпечатанная иллюстрация также состоят из отдельных элементов - пикселов или точек.
При работе с растровыми изображениями следует учитывать четыре вида разрешения. Это разрешение сканера, монитора, печатающего устройства, а также непосредственно изображения, сохраненного в виде файла (графическое разрешение). Первые три величины являются техническими характеристиками конкретных устройств, и их максимальные значения ограничены.
Графическое разрешение. Разрешение изображения, сохраненного в виде файла, называют графическим разрешением. Оно измеряется в PPI (pixels per inch) - пикселах на дюйм и определяет, из какого количества пикселов на единицу измерения состоит изображение. Теоретически величина графического разрешения не ограничена, поскольку не увязана с техническими средствами (сканер, принтер, фотонаборный автомат и др.)
Разрешение сканера. Сканирование изображение является преобразованием его из аналогового в цифровой вид и передачей в компьютер посредством специального устройства - сканера. Частота, с которой сканер считывает информацию на единице длины, называется разрешающей способностью, или разрешением сканера. Обычно разрешение сканера измеряется в SPI (samples per inch) - выборках на дюйм, или в PPI, хотя зачастую в документации используется термин DPI (dots per inch) - точки на дюйм, который является в данном случае технически неверным.
Разрешение монитора. Экран монитора покрыт мельчайшими люминофорными точками красного, синего и зеленого цветов, образующих так называемый пиксел монитора. Пучок электронов попадает на эти точки, вызывая их свечение. Управляя мощностью пучка для каждой люминофорной точки, можно изменять яркость и цвет изображения на экране. Разрешение монитора измеряется в пикселах на дюйм и зависит от конкретного монитора и видеокарты.
Разрешение печатающего устройства. Определяет его способность раздельно напечатать число точек на единицу длины. Измеряется в точках на дюйм. Чем выше разрешение печатающего устройства, тем выше качество изображения, которое можно получить на нем.
1.2.3. Цветовые модели
При выводе цветных компьютерных карт на печать тем или иным способом, неизбежно возникает проблема обеспечения точности при передаче исходных цветов оригинала. Эта проблема возникает по целому ряду причин.
Во-первых, сканеры и мониторы работают в аддитивной цветовой модели RGB, основанной на правилах сложения цветов, а печать осуществляется в субтрактивной модели CMYK, в которой действуют правила вычитания цветов.
Во-вторых, способы передачи изображения на мониторе компьютера и на бумаге различны.
В-третьих, процесс репродуцирования происходит поэтапно и осуществляется на нескольких устройствах, таких как сканер, монитор, фотонаборный автомат, что требует их настройки в целях минимизации искажений цвета на протяжении всего технологического цикла - процесс калибровки.
Модель RGB. Цветовая модель RGB (рис. 8) (R - Red - красный, G - Green - зеленый, B - Blue - синий) используется для описания цветов, видимых в проходящем или прямом свете. Она адекватна цветовому восприятию человеческого глаза. Поэтому построение изображения на экранах мониторов, в сканерах, цифровых камерах и других оптических приборах соответствует модели RGB. В компьютерной RGB-модели каждый основной цвет может иметь 256 градаций яркости, что соответствует 8-битовому режиму.
Модель CMY (CMYK). Цветовая модель CMY (рис. 9) C - Cyan - голубой, M - Magenta - пурпурный, Y - Yellow - желтый, используется для описания цветов, видимых в отраженном свете (например, для цвета краски, нанесенной на бумагу). Теоретически сумма цветов CMY максимальной интенсивности должна давать чистый черный цвет. В реальной же практике из-за несовершенства красящих пигментов краски и изначальной неустойчивости к голубому цвету при цветоделении, сумма голубой, пурпурной и желтой красок дают грязно-коричневый цвет. Поэтому в печати используется еще и четвертый краситель - черный - blacK, который дает насыщенный, однородный черный цвет. Его применяют для печати текста и оформления других важных деталей, а также для корректировки общего тонального диапазона изображений. Насыщенность цвета в модели CMYK измеряется в процентах, так что каждый цвет имеет 100 градаций яркости.
Основной задачей процесса репродуцирования - является конвертация изображения из модели RGB в модель CMYK. Данное преобразование осуществляется при помощи специальных программных фильтров с учетом всех будущих установок печати: системы триадных красок, коэффициента растискивания растровой точки, способа генерации черного цвета, баланса красок и других. Таким образом, цветоделение является сложным процессом, от которого во многом зависит качество итогового изображения. Но даже при оптимальной конвертации из RGB в CMYK неизбежно происходит потеря некоторых оттенков. Это связано с разной природой данных цветовых моделей. Следует отметить также, что модели RGB и CMYK не могут передать всего спектра цветов, видимых человеческим глазом.
Рис. 8. Цветовая модель RGB
Рис. 9. Цветовая модель СMY
Модель HSB. Характеризовать цвет можно с использованием других визуальных компонентов. Так, в модели HSB базовое цветовое пространство строится по трем координатам: цветовому тону (Hue); насыщенности (Saturation); яркости (Brightness). Эти параметры можно представить в виде трех координат, с помощью которых можно графически определять положение видимого цвета в цветовом пространстве.
Рис.10. Цветовая модель HSB
На центральной вертикальной оси откладывается яркость (рис. 10), а на горизонтальной - насыщенность. Цветовому тону соответствует угол, под которым ось насыщенности отходит от оси яркости. В районе внешнего радиуса находятся насыщенные, яркие цветовые тона, которые по мере приближения к центру смешиваются и становятся менее насыщенными. При перемещении по вертикальной оси цвета различных тонов и насыщенности становятся либо светлее, либо темнее.
В центре, где все цветовые тона смешиваются, образуется нейтральный серый цвет.
Данная цветовая модель хорошо согласуется с восприятием человека: цветовой тон является эквивалентом длины волны света, насыщенность - интенсивности волны, а яркость характеризует количество света.
Система CIE. Цветовое пространство можно использовать для описания диапазона тех цветов, которые воспринимаются наблюдателем или воспроизводятся устройством. Этот диапазон называется гаммой. Данный трехмерный формат также очень удобен для сравнения двух или нескольких цветов. Трехмерные цветовые модели и трехзначные цветовые системы, такие как RGB, CMY и HSB, называются трехкоординатными колориметрическими данными.
Для любой системы измерения требуется повторяемый набор стандартных шкал. Для колориметрических измерений цветовую модель RGB в качестве стандартной использовать нельзя, потому что она неповторяема - это пространство зависит от конкретного устройства. Поэтому возникла необходимость создания универсальной цветовой системы. Такой системой является CIE. Для получения набора стандартных колориметрических шкал, в 1931 году Международная комиссия по освещению - Commission Internationale de l'Eclairage (CIE) - утвердила несколько стандартных цветовых пространств, описывающих видимый спектр. При помощи этих систем можно сравнивать между собой цветовые пространства отдельных наблюдателей и устройств на основе повторяемых стандартов.
Цветовые системы СIЕ подобны другим трехмерным моделям, рассмотренным выше, поскольку, для того, чтобы определить положение цвета в цветовом пространстве, в них тоже используется три координаты. Однако в отличие от описанных выше пространства CIE - то есть CIE XYZ, CIE L*a*b* и CIE L*u*v* - не зависят от устройства, то есть диапазон цветов, которые можно определить в этих пространствах, не ограничивается изобразительными возможностями того или иного конкретного устройства или визуальным опытом определенного наблюдателя.
CIE XYZ. Главное цветовое пространство CIE - это пространство CIE XYZ. Оно построено на основе зрительных возможностей так называемого стандартного наблюдателя, то есть гипотетического зрителя, возможности которого были тщательно изучены и зафиксированы в ходе проведенных комиссией CIE длительных исследований человеческого зрения. В этой системе три основных цвета (красный, зеленый и синий) стандартизированы по длине волны и имеют фиксированные координаты в координатной плоскости xy.
| R | G | B | |
| X | 0.72 | 0.28 | 0.18 |
| Y | 0.27 | 0.72 | 0.08 |
| l,mm | 700.0 | 564.1 | 435.1 |
По полученным в результате исследований данным была построена диаграмма цветности xyY - хроматическая диаграмма (рис. 11).
Все оттенки, видимые человеческим глазом, расположены внутри замкнутой кривой. Основные цвета модели RGB образуют вершины треугольника. В данном треугольнике заключены цвета, отображаемые на мониторе. Цвета модели CMYK, которые могут быть воспроизведены при печати, заключены в многоугольник. Третья координата Y, перпендикулярна к любой точке кривой и отображает градации яркости того или иного цвета.
Модель CIE Lab. Данная модель создана как усовершенствованная модель CIE и также является аппаратно-независимой. Идея, лежащая в основе модели Lab, состоит в том, что каждый шаг в увеличении числового значения одного канала соответствует одному и тому же визуальному восприятию, что и другие шаги. В модели Lab величина L характеризует светлоту (Lightness) и может изменяться от 0 до 100%. Индекс а определяет диапазон цвета по цветовому колесу от зеленого до красного и имеет значение от - 120 (зеленый) до +120 (красный), индекс b определяет диапазон от синего (- 120) до желтого (+120). В центре колеса насыщенность цветов равна 0.
Цветовой охват Lab полностью включает цветовые охваты всех других цветовых моделей и человеческого глаза. Издательские программы используют модель Lab как промежуточную при конвертации RGB CMYK.
1.2.4. Типы растровых изображений
В компьютерной графике можно выделить несколько типов растровых изображений с точки зрения описания характеристик цвета.
Черно-белые изображения. Изображение может характеризоваться максимальным числом цветов, которые могут быть в нем использованы. Самый простой тип изображения - монохромное изображение (bitmap). На каждый пиксел такого изображения отводится 1 бит информации (черный или белый цвет). В черно-белое монохромное изображение можно преобразовать любой полутоновый рисунок с различной степенью визуальной погрешности, в зависимости от типа оригинала.
Полутоновые изображения. Такие изображения часто обозначают термином grayscale (градации серого), так как они могут содержать 256 градаций серого цвета, каждая из которых характеризуется значением яркости от 0 (черный цвет) до 255 (белый цвет). Этого вполне достаточно, для корректного отображения черно-белого полутонового изображения, например фотографии или карандашного рисунка. Глубина цвета данного изображения, таким образом, составляет 8 бит. Любое цветное изображение можно преобразовать в полутоновое.
Цветные изображения. К цветным относятся изображения, с глубиной цвета не менее 24 бит на пиксел, что позволяет отобразить 16,7 миллионов оттенков. Цветные изображения являются многоканальными. Каждый канал такого изображения является полутоновым, где по аналогии с оттенками серого отображается распределение базового цвета, при наложении каналов создается полноцветное изображение. К цветным относятся изображения RGB, CMYK, Lab и другие. Они отличаются по глубине цвета и по способу математического описания цвета, то есть по цветовой модели.
Индексированные цвета. В данном формате вместо трех цветовых каналов используется один, в котором информация о компонентах цвета (красном, зеленом и синем) каждого пикселя записывается в цветовую таблицу в виде фиксированных значений. Глубина индексированного цвета может составлять 2-8 бит.
В картосоставлении обычно индексируют цветные изображения, предназначенные для использования в качестве картографических основ. Этим достигают экономии дискового пространства и более высокой скорости обмена информацией при работе с растровой картографической основой.
При обратном преобразовании битового изображения с индексированными цветами в RGB-файл, увеличится размер файла, но качество изображения не повысится, так как в нем останутся те же 256 цветов.
1.2.5. Простые цвета и оттенки
Как уже отмечалось, при печати триадными красками могут воспроизводиться не все оттенки цвета. Поэтому для более точной передачи какого-либо оттенка применяются так называемые простые или плашечные цвета.
Простые цвета воспроизводятся на печатной машине заранее смешанными красками. Этим способом могут быть получены сотни различных цветовых оттенков. Простые цвета позволяют добиться наиболее точного повторения оригинальных цветов (например, в логотипе). Они также могут использоваться для создания визуальных эффектов в одно-, двух-, или трех-цветном издании при минимальных затратах.
Существует несколько систем простых цветов, наиболее распространенная - система PANTONE, в которой каждая краска имеет свой цифровой код. Подбор нужной краски облегчается при помощи специальных каталогов простых цветов.
1.2.6. Форматы графических файлов
Значение файловых форматов и их возможностей является одним из ключевых факторов в компьютерной графике. Для каждого способа применения изображения (полиграфия, просмотр на мониторе, передача по сети и так далее) существуют свои стандартные форматы.
Выбор конкретного формата для определенного приложения обычно предполагает различные взаимозависимые соображения, включая качество, гибкость, вычисления, хранение или эффективность передачи и возможность поддержки существующими программами.
Все форматы можно условно разделить на растровые и векторные, в соответствии с двумя типами графических изображений.
Растровые форматы
TIFF (Tagged Image Format). Является на сегодняшний день самым распространенным из графических форматов для растровых изображений, фактически - промышленным стандартом. TIFF поддерживается практически всеми программами на платформах PC и Macintosh. Кроме поддержки всех цветовых моделей, может сохранять обтравочные контуры, альфаканалы, установки печати, калибровочную информацию. Включает схемы сжатия для уменьшения размера файла. Применяется для хранения сканированных изображений и размещения их в программах графического дизайна и издательских системах, для обмена растровыми изображениями между платформами.
PSD (PhotoShop Document). Внутренний формат программы Adobe Photoshop. Поддерживает 48-разрядное кодирование цвета и различные цветовые модели. Сохраняет информацию о внутренней структуре файла. Используется для хранения документов, нуждающихся в редактировании. Окончательный вариант изображения перед использованием в других приложениях, необходимо преобразовать в формат TIFF.
JPEG (Joint Photographic Experts Group). Возник как формат сжатия файлов. При каждом сохранении в JPEG происходит потеря качества, т.к. в данном формате применяется алгоритм сжатия изображений с потерей качества. Размер файла может быть уменьшен в десятки раз (степень сжатия задается пользователем). Поддерживает полутоновые и полноцветные изображения в моделях RGB и CMYK, обтравочные контуры, цветовые профили. Используется преимущественно для передачи изображений по сетям. Использование в полиграфии нежелательно. В любом случае, в формате JPEG следует сохранять только конечный вариант работы, поскольку каждое новое сохранение приводит к дополнительным искажениям данных.
Photo CD. Разработан фирмой Kodak для хранения библиотек цифровых растровых изображений высокого качества. Изображения в формате Photo CD записываются на специализированных рабочих станциях Kodak. Файлы данного формата имеют внутреннюю структуру, обеспечивающую хранение изображения с фиксированными величинами разрешений. Формат поддерживает только цветовое пространство Photo YCC, сжимает изображения с минимальными потерями цветовой информации.
Windows Bitmap. Данный формат предназначен для использования в операционной системе Windows. Поддерживает индексированные и RGB модели. Не сохраняет обтравочные контуры, альфаканалы и цветовые профили. В издательской деятельности не применяется.
GIF (Graphics Interchange Format). Разработан специально для передачи растровых изображений по сетям. Поддерживает алгоритм сжатия LZW и индексированные цвета, не поддерживает дополнительные каналы, обтравочные контуры и цветовые профили. Файл GIF может содержать не одну, а несколько растровых изображений, которые демонстрируются поочередно с указанной в файле частотой (GIF-анимация). В издании не применяется.
Векторные форматы
Большинство векторных форматов могут также содержать не только векторную информацию, а также внедренные в файл растровые объекты или ссылку на растровый файл (технология OPI).
Сложность при передаче данных из одного векторного формата в другой заключается в использовании программами различных алгоритмов при построении векторных и описании растровых объектов.
WMF (Windows MetaFile). Является внутренним форматом Windows, служит для передачи векторов через буфер обмена (Сlipboard). Однако данный формат искажает цвета, не сохраняет ряд параметров векторных объектов и плохо поддерживается программными приложениями на платформе Macintosh.
PDF (Portable Document Format). Формат PDF был создан фирмой Adobe в качестве формата электронного документооборота. PDF-файлы сохраняют форматирование документа на разных компьютерных платформах и в различных прикладных программах. Из-за небольших объемов PDF-файлов наилучшим способом их пересылки стали средства электронной почты и Internet. Формат PDF все более приближается к тому, чтобы стать общепринятым редактируемым стандартом, независимым от сред и устройств, позволяющим строить на его основе устойчивый технологический процесс для всей цепочки издательского процесса вывода на экран, печать или CD. PDF является странично-ориентированным, в отличие от PostScript, файлы которого являются исходными текстами, интерпретируемыми устройствами печати или программами. В настоящее время существуют растровые процессоры, которые позволяют использовать в качестве входящего файла файл в формате PDF.
Adobe PostScript. Является языком описания страниц. Файлы этого формата представляют собой программу с командами на выполнение для выводного устройства и создаются с помощью функции Print to file (Печатать в файл) графических программ при использовании драйвера PostScript-принтера. Такие файлы содержат в себе сам документ, все связанные файлы (растровые и векторные), использованные шрифты, информацию о цветоделении и растрировании, управлении цветом и другие данные. Используются графическими программами и издательскими системами.
EPS (Encapsulated PostScript). Формат EPS (Encapsulated PostScript) представляет собой упрощенную версию PostScript: не содержит в одном файле более одной страницы, не сохраняет ряд установок для принтера. Формат позволяет хранить все типы изображения в любой цветовой модели. Поддерживается и редактируется всеми современными графическими и издательскими программами. Применяется как обменный формат в полиграфии.
Существует два варианта данного формата: без экранной версии и с экранной версией изображения с низким разрешением. Если печатающее устройство не поддерживает язык PostScript, то на печать выводится изображение с низким разрешением.
DXF. Формат DXF является форматом обмена чертежными данными в системах автоматизированного проектирования. Данный формат поддерживает большинство CAD-приложений, а также многие графические программы, в том числе CorelDraw, FreeHand. Формат DXF способен передавать информацию о трехмерных формах, включая каркасы и заполненные плоскости. В картоиздании используется преимущественно в качестве обменного формата для преобразований типа ГИС Издательские системы.