Глава 3. Компоненты мультимедиа: графика

Следующая составляющая мультимедиа – это графика.

Изображения обычно поступают в компьютер следующими основными способами:

1. Вводятся через сканер;

2. Выбираются из файлов, содержащих набор графических вставок и поставляемых специализированными фирмами

3. Создаются заново пользователями с помощью пакетов графических программ.

После этого изображения можно подвергнуть последующей обработке различными способами.

Сканеры воспринимают цветные и черно-белые изображения с различным разрешением и позволяют вводить информацию о цвете. Полученное со сканера изображение (или его часть) можно вставить в нужное приложение или документ в неизменном виде, либо воспользоваться графическими программами для обработки, например для раскрашивания или прорисовки деталей, изменения размеров, контраста, яркости.

Если вам потребуется создать оригинальное изображение, можно использовать любую из распространенных программ, предназначенных для этой цели. В большинстве случаев профессиональные компьютерные художники и дизайнеры, чтобы добиться оптимальных результатов, пользуются не одним пакетом, а несколькими: они прибегают и к программам, ориентированным на растровые изображения, и к объектно-ориентированным программам для работы с векторной графикой.

 

Понятие растровой и векторной графики

Растровая графика (bitmap) - способ сохранения изображения, при котором изображение является матрицей элементов - пиксели (pixels). Пиксель - сокращение от picture element, что в переводе означает «элемент изображения». Размер растровой картинки может быть задан как Х пикселов по ширине и Y пикселов по высоте.

Растровые изображения создаются такими графическими программами, как Adobe Photoshop, Paint и др.

Векторные изображения - способ сохранения изображения, при котором изображение сохраняется в виде геометрического описания объектов, составляющих рисунок. Эти изображения могут также включать в себя данные в формате растровой графики. Рисунки этого типа создаются графическими приложениями, такими как CorelDraw, Adobe Illustrator, FreeHand и др.

Растровые рисунки

Компьютер может обрабатывать только числа, поэтому рисунки должны быть представлены в цифровом виде, или, как принято говорить, закодированы. Для кодирования рисунок разбивают на небольшие одноцветные части. Все цвета, использованные в изображении, нумеруют, и для каждой части записывают номер ее цвета. Запомнив последовательность расположения частей и номер цвета для каждой части, можно однозначно описать любой рисунок. Однако количество цветов в природе бесконечно, и приходится похожие цвета нумеровать одинаковыми числами. В зависимости от количества используемых цветов, можно закодировать более или менее реалистичное изображение. Понятно, что, чем меньше цветов в рисунке, тем меньше номеров приходится использовать, и тем проще закодировать изображение.

В самом простом случае используется только черный и белый цвет. Для кодирования черно-белых рисунков достаточно двух цифр, а так как в вычислительной технике применяется двоичная система счисления, то кодирование монохромных изображений не представляет большой трудности.

Рисунки, закодированные описанным способом, называются растровыми изображениями, растрами или битмапами, от английского слова bitmap - набор бит. Части, на которые разбиваются изображения, и есть пиксели. Пиксели часто называют точками. Рисунок из множества пикселей можно сравнить с мозаикой. Из большого количества разноцветных камешков собирается произвольная картина.

Если для представления каждого пикселя в черно-белом рисунке достаточно одного бита, то для работы с цветом этого явно недостаточно. Однако подход при кодировании цветных изображений остается неизменным. Любой рисунок разбивается на пиксели, то есть небольшие части, каждая из которых имеет свой цвет. Например, рисунок можно разбить более чем на тысячу частей, или пикселей. Так как в рисунке присутствует больше двух цветов, каждая часть изображения будет представлена в памяти компьютера не одним, а несколькими битами. В зависимости от количества бит, отведенных для кодирования каждого пикселя, в изображении может присутствовать от двух до десятков миллионов цветов.

Различные приложения поддерживают разное количество цветов. При выборе формата, в котором будет сохранён файл, необходимо учитывать ограничения на цвета, налагаемые этим форматом и приложением, в котором предполагается использовать этот файл.

Отметим, что формат файла с большим количеством цветов не обязательно «охватывает» все цвета файла с меньшим количеством цветов. Например, в 24-битовом цветном файле могут отсутствовать оттенки серого цвета.

Растровые изображения достаточно широко используются в вычислительной технике. Фотографии и рисунки, введенные в компьютер, хранятся именно в виде растровых изображений. Большинство рисунков во всемирной компьютерной сети Интернет представляют собой растровые файлы. Имеется множество программ, предназначенных для работы с растровыми рисунками. Зная способ кодирования изображения, программа для работы с графикой может воспроизвести его на экране монитора или распечатать на принтере. С помощью специальных программ - графических редакторов - вы можете отредактировать изображение.

Растровые изображения обладают одним очень существенным недостатком: их трудно увеличивать или уменьшать, то есть масштабировать. При уменьшении растрового изображения несколько соседних точек преобразуются в одну, поэтому теряется разборчивость мелких деталей изображения. При увеличении - увеличивается размер каждой точки, поэтому появляется ступенчатый эффект. Кроме того, растровые изображения занимают много места в памяти и на диске.

Чтобы избежать указанных проблем, изобрели так называемый векторный способ кодирования изображений.

Векторные рисунки

В векторном способе кодирования геометрические фигуры, кривые и прямые линии, составляющие рисунок, хранятся в памяти компьютера в виде математических формул геометрических абстракций, таких как круг, квадрат, эллипс и подобных фигур. Например, чтобы закодировать круг, не надо разбивать его на отдельные пиксели, а следует запомнить его радиус, координаты центра и цвет. Для прямоугольника достаточно знать размер сторон, место, где он находится и цвет закраски. С помощью математических формул можно описать самые разные фигуры.

Чтобы нарисовать более сложный рисунок, применяют несколько простых фигур. Любое изображение в векторном формате состоит из множества составляющих частей, которые можно редактировать независимо друг от друга. Эти части называются объектами. Так как с помощью комбинации нескольких объектов можно создавать новый объект, объекты могут иметь достаточно сложный вид.

Размеры, кривизна и местоположение для каждого объекта хранятся в виде числовых коэффициентов. Благодаря этому появляется возможность масштабировать изображения с помощью простых математических операций, в частности, простым умножением параметров графических элементов на коэффициент масштабирования. При этом качество изображения остается без изменений.

Используя векторную графику, можно не задумываться о том, готовите ли вы миниатюрную эмблему или рисуете двухметровый транспарант. Вы работаете над рисунком совершенно одинаково в обоих случаях. В любой момент вы можете преобразовать изображение в любой размер без потерь качества. Важным преимуществом векторного способа кодирования изображений является то, что размеры графических файлов векторной графики имеют значительно меньший размер, чем файлы растровой графики.

Однако есть и недостатки работы с векторной графикой. Прежде всего, некоторая условность получаемых изображений. Так как все рисунки состоят из кривых, описанных формулами, трудно получить реалистичное изображение. Для этого понадобилось бы слишком много элементов, поэтому рисунки векторной графики не могут использоваться для кодирования фотографий. Если попытаться описать фотографию, размер полученного файла окажется больше, чем соответствующего файла растровой графики.

Большинство простых графических программ работает с растровой графикой. Для работы с векторной графикой используются мощные специальные редакторы, с которыми работают профессионалы. Однако некоторые графические редакторы растровой графики позволяют включать в изображение векторные объекты. В свою очередь, редакторы векторной графики могут работать с растровыми рисунками.

 

Цветовые модели

Как уже отмечалось, каждый пиксель растрового изображения содержит информацию о цвете. Любой векторный объект также содержит информацию о цвете его контура и закрашенной области. Информация может занимать от одного до тридцати двух битов, в зависимости от глубины цвета. Если мы работаем с черно-белыми изображениями, то цвет кодируется нулем или единицей. Никаких проблем в этом случае не возникает. Для несложных рисунков, содержащих 256 цветов или столько же градаций серого цвета, нетрудно пронумеровать все используемые цвета.

Но для изображений в истинном цвете, содержащих миллионы разных оттенков, простая нумерация не подходит. Для них разработаны несколько моделей представления цвета, помогающих однозначно определить любой оттенок. Цветовая модель определяет способ создания цветов, используемых в изображении. Всего разработано три основных цветовых модели и множество их модификаций. Коротко рассмотрим основные модели представления цвета.

Цветовые модели (способ образования цветовой палитры):

RGB

 

Рис. 3.1. Цветовая модель RGB

 

Из школьного курса физики мы знаем, что солнечный свет можно разложить на отдельные цветовые составляющие. В то же время, собрав вместе в нужных пропорциях разноцветные лучи, мы получим луч белого цвета. Изменим немного пропорции - и у нас готов источник света заданного цвета. В телевизорах и компьютерных мониторах использует люминофор, который светится красным, зеленым и синим цветом. Смешивая эти три цвета, можно получить разнообразные цвета и их оттенки. На этом и основана модель представления цвета RGB, названная так по начальным буквам входящих в нее цветов: Red - красный, Green - зеленый, Blue - синий. Это - аддитивная (суммирующая) модель. Она адекватна цветовому восприятию человеческого глаза. Поэтому построение изображения на экранах мониторов, в сканерах, цифровых камерах и других оптических приборах соответствует модели RGB (рис. 3.1).

Любой цвет в этой модели представляется тремя числами, описывающими величину каждой цветовой составляющей. В компьютерной технике цвет описывается кодом, состоящим из знака «#» и 6-ти позиций 16-ричных чисел (от 0 до F). Под каждую составляющую отводится по две позиции. Черный цвет образуется, когда интенсивность всех трех составляющих равна нулю (#000000), а белый - когда их интенсивность максимальна (#FFFFFF). Множество компьютерного оборудования работает с использованием модели RGB, кроме того, эта модель очень проста. Этим объясняется ее широкое распространение. К сожалению, в модели RGB теоретически невозможно получить некоторые цвета, например насыщенный сине-зеленый, поэтому работать с моделью цвета RGB не всегда удобно. Кроме того, модель RGB сильно связана с реализацией ее на конкретных устройствах. Поэтому в компьютерной графике используются и другие модели цвета.

Цветовое разрешение растровой графики (число битовых плоскостей) относится к числу битов, используемых для кодирования цвета каждого пикселя. Напомним, что компьютер работает, используя биты (bit - binary digital - двоичное число). Это - наименьшая единица измерения для компьютера. Бит может принимать только два значения: либо нуль, либо единица. Восемь бит составляют один байт данных и могут использоваться для представления любого числа от 0 до 255.

8-битный (256-цветный) графический файл использует 8 бит на пиксель и имеет соответствующую таблицу цветов, называемую палитрой. Каждый пиксель может иметь значение от 0 до 255, и это значение относится к положению цвета в палитре. Каждый цвет в палитре кодируется как комбинация 256 (8 бит) оттенков красного, 256 оттенков зеленого и 256 оттенков синего цветов. Таким образом, в 256-цветном файле используется 256 цветов из 16,7 миллионов возможных комбинаций.

16-битный цветной графический файл не использует палитру, для сохранения красных, зелёных и синих цветовых компонентов каждого пикселя отводиться 16 бит. Имеются две вариации: RGB555 использует 5 бит для красной, 5 бит для зелёной и 5 бит для синей составляющих (32 768 цветов); RGB565 использует 5 бит для красной, 6 бит для зелёной и 5 бит для синей составляющих (65 536 цветов).

24-битный цветной графический файл отводит 8 бит для красной, 8 бит для зелёной и 8 бит для синей составляющих цвета каждого пикселя. Можно использовать 16,7 миллионов возможных цветовых сочетаний, и поэтому самые маленькие отличия между ними могут быть едва замечены глазом.

32-битный цветной графический файл отводит 8 бит для красной, 8 бит для зелёной и 8 бит для синей и 8 бит для альфа-канала для каждого пикселя. Альфа-канал определяет уровень прозрачности каждого пикселя в изображении. Значение 0 означает, что пиксель полностью прозрачен, а 255 - что он совершенно непрозрачен. Альфа-канал используется программным обеспечением для применения масок.

Чёрно-белые полутоновые изображения записываются в 8-битный файл с 256 оттенками серого цвета (от белого до черного). Чем больше битовых плоскостей в файле, тем больше места требуется на диске для его сохранения.

CMYK

Рис. 3.2. Цветовая модель CMYK

 

Большинство цветов, которые мы видим в окружающем нас мире, являются следствием отражения и поглощения света. Например, солнечный свет, падая на зеленую траву, частично поглощается, и отражается только его зеленая составляющая. При печати на принтере на бумагу наносится цветная краска, которая отражает только свет определенного цвета. Все остальные цвета поглощаются, или вычитаются из солнечного света. На эффекте вычитания цветов построена другая модель представления цвета, называемая CMYK (рис. 3.2). Эти буквы также взяты из названий используемых цветов: Cyan - голубой, Magenta - пурпурный, Yellow - желтый, blacK - черный. Строго говоря, Magenta не является пурпурным цветом. Точное название этого цвета - фуксин, но в компьютерной литературе и в программах принято называть этот цвет пурпурным. В разновидности этой модели, называемой CMY, отсутствует черный цвет, но она применяется значительно реже.

Выбор цветов для модели неслучаен, они тесно связаны с цветами модели RGB. Голубой цвет образуется при поглощении красного, пурпурный - при поглощении синего. При нанесении большого количества красок разных цветов поглощается больше цвета и меньше отражается. Таким образом, при смешении максимальных значений этих трех цветов мы должны получить черный цвет, а при полном отсутствии краски должен получиться белый цвет. Однако в действительности при смешении трех красок получается грязно-бурый цвет, так как используемые реальные красители отражают и поглощают цвет не так, как описано в теории. Черный цвет получается только при добавлении черной краски, поэтому в модель CMYK и добавлена черная составляющая.

Система CMYK является субтрактивной (вычитающей), широко применяется в полиграфии. Типографическое оборудование работает исключительно с этой моделью, да и современные принтеры тоже используют красители четырех цветов. При печати на бумагу наносятся несколько слоев прозрачной краски, и в результате мы получаем цветное изображение, содержащее миллионы различных оттенков.

Форматы графических файлов

Мы рассмотрели, как компьютер кодирует графическую информацию. Но для хранения на диске, последовательность бит, представляющая собой закодированный рисунок, должна располагаться в файле. Правила построения файла должны помочь любой программе легко извлечь из него информацию и восстановить закодированное изображение. Многие графические редакторы предлагают для сохранения рисунков использовать свой собственный формат. Если вы всю работу выполняете именно в этом редакторе, то так и следует поступить. Но при этом следует помнить, что другие программы, возможно, не смогут работать с файлами данного формата. Если вы хотите использовать несколько программ для создания и редактирования изображений, или вам требуется передавать изображения кому-либо, следует использовать распространенные графические форматы.

Растровая графика хранится во множестве различных форматов. Некоторые из них сохраняют изображение как необработанные данные, а другие используют методы сжатия для уменьшения места, требуемого для сохранения изображения. Выбор наилучшего формата для сохранения файла зависит от многих причин.

Рассмотрим те форматы, которые используются для мультимедиа, презентации, видео и обработки изображении.

Windows BitMap (.BMP) - формат файлов растровых рисунков, разработанный Microsoft, является основным графическим форматом Windows. Он позволяет хранить черно-белые, серые или цветные изображения с использованием цветовой модели RGB. Хотя формат позволяет применять сжатие информации, большинство программ не поддерживают эту возможность. Главным достоинством данного формата является его простота и, как следствие, поддержка всеми без исключения программами, работающими с графикой в операционной системе Windows. Основным недостатком формата является слишком большой размер файлов, особенно при использовании глубины цвета в 24 бита. Кроме того, в этом формате недоступны некоторые дополнительные возможности, предоставляемые другими форматами. Используется в операционных системах Windows и Windows NT на компьютерах с процессорами Intel и совместимых с ними. Поддерживает 256 цветов, 16-битные (RGB555) или 24-битные цвета. Размер рисунка не ограничен. Поддерживается метод сжатия, который является методом сжатия без потерь. Как мы уже говорили, сжатие без потерь ничего не отбрасывает из имеющейся информации, и поэтому создает файлы больших размеров, чем при других способах сжатия. Мы не рекомендуем применять его в мультимедиа - приложениях. Это - удобный формат для обмена данными между различными приложениями Windows.

Adobe Photoshop (.PSD) - формат файлов растровых рисунков, разработанный для программы Adobe Photoshop. Поддерживается программами для Macintosh и Windows. Максимальный размер изображения составляет 30000 × 30000 пикселей. Поддерживает метод сжатия RLE. Широко используется в коммерческой графике.

Kodak Photo CD (.PCD) - формат файлов растровых рисунков, разработанный Eastamn Kodak. Поддерживается приложениями для всех операционных систем. Позволяет сохранять изображение в 24-битных цветах. Максимальный размер изображения составляет 2048 × 3072 пикселя. Используется для сохранения изображения на компакт-дисках.

Graphics Interchange Format (.GIF) - формат файлов растровых рисунков для обмена графическими данными, разработанный CompuServe Inc. Поддерживается приложениями для операционных систем MS-DOS, Macintosh, UNIX, Amiga и др. Чаще всего он применяется для размещения рисунков в Интернете. К достоинствам формата можно отнести возможность создания рисунков с прозрачным фоном (transparency). Имеется особая разновидность формата, называемая анимационным форматом GIF. В файлах этого формата хранится несколько рисунков, которые, последовательно меняя друг друга при просмотре, создают эффект анимации. Основным недостатком этого формата является слишком малая глубина цвета. Допускается использование не более 256 цветов. Фотографии в этом формате сохранять не рекомендуется, но для простых рисунков, в которых не слишком много цветов, этот формат достаточно удобен. Поддерживает 256 цветов. Максимальный размер изображения 64000 × 64000 пикселей. Предусмотрен метод сжатия без потерь LZW, который имеет превосходный коэффициент сжатия (размер изображения можно уменьшить примерно на 40%) и приемлемое быстродействие при просмотре сжатых файлов. В основном используется как формат обмена данными, однако поддерживается многими приложениями. Этот формат очень популярен в Internet.

Joint Photographic Experts Group JPEG (.JPG) - формат растровых рисунков, разработанный C-Сube Microsystems. Поддерживается приложениями для всех операционных систем. Позволяет хранить изображения в 24-битных цветах. Максимальный размер изображения 64000 × 64000 пикселей. Если надо значительно уменьшить размер рисунка, в котором имеется множество цветов, то сжатием без потерь обойтись не удастся. В этом случае вам следует воспользоваться сжатием с потерей качества. Формат JPEG поддерживает метод сжатия JPEG, его использование позволяет достигать высокого сжатия. При сохранении изображения в этом формате вы можете выбрать степень сжатия в зависимости от требований к качеству изображения. Файлы этого формата характеризуются низкой скоростью просмотра. Используется как формат сохранения и обмена данными для файлов, сжатых с помощью метода JPEG. Можно минимизировать потери, но при этом размер файла получится достаточно большим, хотя и меньшим, чем был до сжатия. При сильном сжатии в рисунке появляются характерные ступеньки, и некоторые тона пропадают из изображения, хотя общие очертания не изменяются, и рисунок не слишком сильно отличается от оригинала. При сравнении качества оригинала и копии, полученной с помощью максимального сжатия с потерей качества, следует учитывать, что размер файла уменьшился в двести пятьдесят раз! Именно благодаря таким мощным возможностям сжатия формат JPEG широко используется в Интернете, и не только в нем. Формат JPEG используется для размещения в Интернете фотографий и других реалистичных изображений, в которых имеется много рисунков и мелких деталей.

Portable Network Graphics (.PNG) - формат растровых рисунков, разработанный для обмена графическими данными. Сохраняет изображение в 256 цветах или в 24-битных цветах. Поддерживается метод сжатия LZW, позволяющий достичь высокой степени сжатия (не хуже GIF). При сжатии метод не очень быстрый, но имеет приемлемое быстродействие при просмотре сжатых файлов. Позволяет создавать графические изображения с прозрачным фоном. Используется как формат обмена данными, в последнее время стал поддерживаться многими приложениями. Приобретает все большую популярность в Internet.

TARGA (.TGA) - формат растровых рисунков, разработанный фирмой Truevision. Он назван по имени серии цветных графических карт истинного разрешения (Truevision series of color graphics cards) и используется для профессиональных графических и видео приложений. Поддерживается приложениями для MS-DOS, Windows, UNIX, Atari, Amiga и др. операционных систем. Позволяет сохранить изображение в 256 цветах, 16-битных цветах (RGB 555), 24-битных цветах или 32-битных цветах (с альфа-каналом). Размер рисунков не ограничен. Поддерживается метод сжатия RLE. Широко используется в приложениях, применяемых для рисования, графики и создания изображения. Используется также для покадрового редактирования видеоизображений. Популярный формат для обмена растровыми файлами между различными платформами.

TIFF (.TIF) - Профессиональные художники используют в работе формат, называемый TIFF. Он позволяет сохранять изображения любой глубины цвета с использованием как модели RGB, так и CMYK. Допускается применение сжатия, которое существенно уменьшает размеры файла без потери качества. Кроме того, в файлах данного формата допускается сохранение дополнительной информации, которую графические редакторы могут интерпретировать по-своему. Это преимущество формата является и его главным недостатком. Каждая программа может записать в файл служебную информацию, понятную только ей самой. При попытке открытия такого файла другая программа выдаст сообщение об ошибке и откажется работать с изображением. Помимо этого, не все программы правильно работают с файлами, в которых использовалась цветовая модель CMYK. Все особенности реализации формата TIFF разными программами хорошо известны профессиональным художникам, поэтому они без труда решают возникающие проблемы. А по возможностям данный формат значительно лучше остальных, поэтому он так и популярен среди профессионалов. Начинающему художнику следует использовать формат TIFF осторожно, пробуя его возможности и беря на заметку ошибки работы с файлами в разных программах. Формат используется при выводе на печать.