Представление изображений

Кодирование графической информации

Способы кодирования графической информации определяются физической природой света, цветовым восприятием света человеческим зрением и внешними устройствами компьютера, в первую очередь монитором и принтером.

Модель RGB

Свет – это непрерывный поток электромагнитных волн. Человек видит волны с длиной от 400 до 700 нм[1]. Образование «картинки» из световой энергии происходит в результате весьма сложного процесса, в котором задействован и глаз и мозг.

Со времен Ньютона известно, что луч белого (солнечного) света, входящий в стеклянную призму, разлагается на составляющие цвета. Выделяют красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый – цвета спектра или радуги.

Вместе с тем, нужны лишь три цветных луча, в сочетании дающие белый свет: это красный (Red), зеленый (Green), синий(Blue). Цветовая модель, позволяющая получить белый свет из лучей красного, зеленого и синего цветов, взятых с соответствующими интенсивностями, называется цветовой моделью RGB. На рисунке представлены вторичные цвета: голубой (Cyan), пурпурный (Magenta), желтый (Yellow), Так как цвета получаются сложением основных цветов, говорят, что RGB - аддитивная модель.

Все широко распространенные мониторы по способу формирования изображения делятся на два типа:

• на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ, или CRT);
• на основе жидких кристаллов (ЖК-панель, или LCD-панель).

В обоих случаях изображение формируется излучаемым светом. Строго говоря, жидкокристаллические ячейки не светятся, и для вывода цветного изображения используется подсветка. В мониторах, будь то ЭЛТ или ЖК, используется цветовая модель RGB, так как имеется источник света. Когда складываются длины волн трех основных цветов с максимальной интенсивностью, получается белый свет. Остается вопрос, почему на экране цветное изображение представлено большим количеством цветов (насколько большим?), а не 8, как на картинке.

Если принять, что интенсивность каждого цвета изменяется от 0 до 1, т.е. 0≤R≤1, 0≤G≤1, 0≤B≤1, то можно говорить о цветовом пространстве, которым является единичный куб:

Модель CMYK

Если поверхность поглощает все цвета (длины волн), попадающие на нее, то она будет выглядеть черной. Если поверхность поглощает все цвета в равных пропорциях, но часть света отражает, то она покажется серой при белом свете. Если поверхность поглощает цвета в разных пропорциях, то она выглядит цветной. В цветной печати используется модель CMY (Cyan, Magenta, Yellow). Желтый цвет отражает красный и зеленый, а поглощает синий. Голубой отражает зеленый и синий, поглощает красный. Пурпурный отражает красный и синий, поглощает зеленый. Если напечатать три варианта одного рисунка голубой, пурпурной и желтой краской на одном и том же месте, то получится полноцветный рисунок. Белый цвет соответствует чистой (неокрашенной) бумаге. Черный получается там, где накладываются все три краски, так как они поглощают (каждый из них) красный, зеленый и синий. Никакой свет не отражается, и эта часть выглядит черной.

Соотношение моделей RGB и CMY можно представить следующей формулой:

, где (1, 1, 1) соответствует белому цвету. Так как вторичные цвета получают из белого вычитанием основных цветов, модель называют субтрактивной.

Конечно, типографские краски не обладают идеальными свойствами отражения и поглощения, поэтому добавляют черную типографскую краску для усиления контрастности. Так получается модель CMYK.

Современные принтеры по способу формирования изображения делятся на лазерные и струйные. В обоих случаях цветное изображение формируется отраженным светом с использованием красок голубого, пурпурного, желтого и черного цвета. Из-за того, что у моделей RGB и CMYK различная природа, то, что мы видим на экране, не будет в точности повторено на бумаге.

Восприятию цвета человеческим глазом наиболее полно соответствует модель HSB (Hue – оттенок, Saturation – насыщенность, Brightness ‑ яркость). Эта модель ориентирована на человека ‑ художника, дизайнера. При выводе изображения на монитор или принтер, переходят соответственно к модели RGB или CMYK. Существует большое количество других моделей, но для аппаратной реализации используются RGB и CMYK.

Представление изображений

Наиболее распространенные из существующих методов представления изображений можно разделить на две категории: растровые методы и векторные методы. При растровом методе изображение представляется как совокупность точек, называемых пикселями (pixel – picture element, элемент изображения). Векторные методы представляют изображение в виде совокупности примитивов – элементарных составляющих, таких как отрезки прямых линий, дуг, задаваемых формулами.

Растровая графика

Растр (bitmap – растровый массив) состоит из пикселей. Понятие это многозначное. Пикселем называют отдельный элемент растрового изображения, отдельную точку экрана (видеопиксель), точку на изображении, напечатанном на принтере. На экране цвет пикселя получается смешением основных цветов в соответствии с моделью RGB. Аппаратура с высокой степенью точности дозирует количество и яркость светящихся частиц, окрашенных в красный, зеленый и синий цвет. На принтере цвет пикселя получают в соответствии с моделью CMYK, как было описано выше.

Изображение, которое мы видим на экране, хранится в видеопамяти в закодированном двоичном виде. Устройство, называемое видеоадаптером, отображает содержимое видеопамяти на мониторе. Способ кодирования зависит от коэффициента прямоугольности изображения, т.е. количества пикселей по горизонтали и вертикали монитора (screen resolution), и от глубины цвета, т.е. количества битов, используемых для представления цвета каждого пикселя (color quality).

В настоящее время обычны разрешения экрана 640´480, 800´600, 1024´768, 1280´1024. Пиксель при таком разрешении практически квадратный. Раньше широко использовались разрешения 320´200, 324´240, 600´400, в которых пиксель имел прямоугольную форму, и для получения реалистичного изображения приходилось вводить специальные поправки.

Битовая глубина в 1 бит позволяет кодировать два цвета (0 – «черный», 1 – «белый»), зато одного байта достаточно для кодирования восьми пикселей. При разрешении экрана 320´200 имеем 64000 пикселей, значит, потребуется всего 8000 байтов для хранения черно-белого изображения. Битовая глубина, равная двум битам позволит представить четыре цвета (00, 01, 10, 11), четырех битовая глубина достаточна для представления шестнадцати цветов, восьми битовая – 28 = 256 цветов. Восьмибитовая глубина вместе с разрешением экрана 320´200 дает самую простую кодировку: каждый байт кодирует один пиксель, всего 64000 пикселей, что составляет один сегмент памяти.

Например, изображение 8´8 пикселей при однобитовой глубине можно закодировать восемью байтами:

Если этот же рисунок представить в восьмибитовой глубине (256 цветов – по одному байту на цвет), то потребуется 64 байта.

Гораздо сложнее кодируется полноцветное изображение согласно модели RGB. Если на значение каждой составляющей выделить один байт, получим три байта на пиксель, т.е. битовая глубина равна двадцати четырем. Всего можно будет представить 2²⁴ цветов. Это составляет примерно 16 миллионов цветов, и о них говорят как о «естественных цветах», так как человеческий глаз не в состоянии различить близкие оттенки в этом конечном наборе цветов. Для представления числа цвета используют 32-х битовую глубину – удобство, связанное со степенями двойки. В этих случаях в памяти по отдельности представляются «плоскости» красного, зеленого и синего цвета, формирующие картинку на экране монитора. Четвёртый байт имеет служебное значение. В нём, например, может храниться информация о палитре. Цвет представляется 32-х битовым числом и обычно записывается шестнадцатеричной константой в виде BBGGRR. Например, 0x00FFFF задаст желтый цвет.