Векторная графика. Факторы, влияющие на количество памяти, занимаемой растровым изображением. Достоинства и недостатки растровой графики

Содержание 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

     Представление данных на мониторе компьютера в графическом виде впервые было реализовано в середине 50-х годов для больших ЭВМ, применявшихся в научных и военных исследованиях. С тех пор графический способ отображения данных стал неотъемлемой принадлежностью подавляющего числа компьютерных систем, в особенности персональных. Графический интерфейс пользователя сегодня является стандартом “де-факто” для программного обеспечения разных классов, начиная с операционных систем.

     Существует  специальная область информатики, изучающая методы и средства создания и обработки изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов, – компьютерная графика. Она охватывает все виды и формы представления изображений, доступных для восприятия человеком либо на экране монитора, либо в виде копии на внешнем носителе (бумага, кинопленка, ткань и прочее).

     Без компьютерной графики невозможно представить  себе не только компьютерный, но и обычный, вполне материальный мир. Визуализация данных находит применение в самых  разных сферах человеческой деятельности. Для примера назовем медицину (компьютерная томография), научные исследования (визуализация строения вещества, векторных полей и других данных), моделирование тканей и одежды, опытно-конструкторские разработки.

     В зависимости от способа формирования изображений компьютерную графику принято подразделять на растровую, векторную и фрактальную.

     Растровая графика всегда оперирует двумерным массивом (матрицей) пикселей. Каждому пикселю сопоставляется значение — яркости, цвета, прозрачности — или комбинация этих значений.

     Векторная графика представляет изображение как набор геометрических примитивов. Обычно в качестве них выбираются точки, прямые, окружности, прямоугольники, а также как общий случай, сплайны¹ некоторого порядка.

     Фрактал — объект, отдельные элементы которого наследуют свойства родительских структур. Поскольку более детальное описание элементов меньшего масштаба происходит по простому алгоритму, описать такой объект можно всего лишь несколькими математическими уравнениями.

     Отдельным предметом считается трехмерная (3D) графика, изучающая приемы и методы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве. Как  правило, в ней сочетаются векторный  и растровый способы формирования изображений.

     Рассмотрим  подробнее растровую компьютерную графику. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Растровая графика, общие сведения

     Компьютерное  растровое изображение представляется в виде прямоугольной матрицы, каждая ячейка которой представлена цветной  точкой.

     Основой растрового представления графики является пиксель (точка) с указанием ее цвета. При описании, например, красного эллипса на белом фоне необходимо указать цвет каждой точки эллипса и фона. Изображение представляется в виде большого количества точек – чем их больше, тем визуально качественнее изображение и больше размер файла. Т.е. одна и даже картинка может быть представлена с лучшим или худшим качеством в соответствии с количеством точек на единицу длины – разрешением (обычно, точек на дюйм – dpi или пикселей на дюйм – ppi).

     Растровые изображения напоминают лист клетчатой бумаги, на котором любая клетка закрашена либо черным, либо белым цветом, образуя в совокупности рисунок. Пиксель – основной элемент растровых изображений. Именно из таких элементов состоит растровое изображение, т.е. растровая графика описывает изображения с использованием цветных точек (пиксели), расположенных на сетке.

     При редактировании растровой графики  Вы редактируете пиксели, а не линии. Растровая графика зависит от разрешения, поскольку информация, описывающая изображение, прикреплена к сетке определенного размера. При редактировании растровой графики, качество ее представления может измениться. В частности, изменение размеров растровой графики может привести к «разлохмачиванию» краев изображения, поскольку пиксели будут перераспределяться на сетке. Вывод растровой графики на устройства с более низким разрешением, чем разрешение самого изображения, понизит его качество.

     Кроме того, качество характеризуется еще  и количеством цветов и оттенков, которые может принимать каждая точка изображения. Чем большим количеством оттенков характеризуется изображения, тем большее количество разрядов требуется для их описания. Красный может быть цветом номер 001, а может и – 00000001. Таким образом, чем качественнее изображение, тем больше размер файла.

     Растровое представление обычно используют для  изображений фотографического типа с большим количеством деталей  или оттенков. К сожалению, масштабирование  таких картинок в любую сторону  обычно ухудшает качество. При уменьшении количества точек теряются мелкие детали и деформируются надписи (правда, это может быть не так заметно при уменьшении визуальных размеров самой картинки – т.е. сохранении разрешения). Добавление пикселей приводит к ухудшению резкости и яркости изображения, т.к. новым точкам приходится давать оттенки, средние между двумя и более граничащими цветами.

     С помощью растровой графики можно  отразить и передать всю гамму  оттенков и тонких эффектов, присущих реальному изображению. Растровое  изображение ближе к фотографии, оно позволяет более точно воспроизводить основные характеристики фотографии: освещенность, прозрачность и глубину резкости.

     Чаще  всего растровые изображения  получают с помощью сканирования фотографий и других изображений, с  помощью цифровой фотокамеры или путем "захвата" кадра видеосъемки. Растровые изображения можно получить и непосредственно в программах растровой или векторной графики путем преобразовании векторных изображений.

     Распространены  форматы .tif, .gif, .jpg, .png, .bmp, .pcx и др.  

1. Растровые представления изображений

     Цифровое  изображение – это совокупность пикселей. Каждый пиксел растрового изображения характеризуется координатами x и y и яркостью V(x,y) (для черно–белых изображений). Поскольку пикселы имеют дискретный характер, то их координаты – это дискретные величины, обычно целые или рациональные числа. В случае цветного изображения, каждый пиксел характеризуется координатами x и y, и тремя яркостями: яркостью красного, яркостью синего и яркостью зеленого цветов (V_R, V_B, V_G). Комбинируя данные три цвета можно получить большое количество различных оттенков.

     Заметим, что в случае, если хотя бы одна из характеристик изображения не является числом, то изображение относится  к виду аналоговых. Примерами аналоговых изображений могут служить галограмы и фотографии. Для работы с такими изображениями существуют специальные методы, в частности, оптические преобразования. В ряде случаев аналоговые изображения переводят в цифровой вид. Эту задачу осуществляет Image Processing.

     Цвет  любого пиксела растрового изображения  запоминается  с помощью комбинации битов. Чем больше битов для этого  используется, тем больше оттенков цветов можно получить. Под градацию яркости обычно отводится 1 байт (256 градаций), причем 0 – черный цвет, а 255 – белый (максимальная интенсивность). В случае цветного изображения отводится по байту на градации яркостей всех трех цветов. Возможно кодирование градаций яркости другим количеством битов (4 или 12), но человеческий глаз способен различать только 8 бит градаций на каждый цвет, хотя специальная аппаратура может потребовать и более точную передачу цветов. Цвета, описываемые 24 битами, обеспечивают более 16 миллионов доступных цветов и их часто называют естественными цветами.

     В цветовых палитрах каждый пиксел описан кодом. Поддерживается связь этого кода с таблицей цветов, состоящей из 256 ячеек. Разрядность каждой ячейки– 24 разряда. На выходе каждой ячейки  по 8 разрядов для красного, зеленого и синего цветов.

     Цветовое  пространство, образуемое интенсивностями красного, зеленого и синего,  представляют в виде цветового куба (см. рис. 1.).

Рис. 1. Цветовой Куб

     Вершины куба A, B, C являются максимальными  интенсивностями  зеленого, синего и красного соответственно, а треугольник, которые они образуют, называется треугольником Паскаля. Периметр этого треугольника соответствует максимально насыщенным цветам. Цвет максимальной насыщенности содержит всегда только две компоненты. На отрезке OD находятся оттенки серого, причем тока O соответствует черному, а точка D белому цвету. 

2. Виды  растров

     Растр – это порядок расположения точек (растровых элементов). На рис. 2. изображен растр, элементами которого являются квадраты, такой растр называется прямоугольным, именно такие растры наиболее часто используются.

Рис. 2.

     Хотя  возможно использование в качестве растрового элемента фигуры другой формы: треугольника, шестиугольника; соответствующего следующим требованиям:

• все фигуры должны быть одинаковые;
• должны полностью покрывать плоскость без наезжания и дырок.

     Так в качестве растрового элемента возможно использование равностороннего  треугольника рис. 3, правильного шестиугольника (гексаэдра) рис. 4. Можно строить  растры, используя неправильные многоугольники, но практический смысл в подобных растрах отсутствует.

Рис. 3. Треугольный  растр

     Рассмотрим  способы построения линий в прямоугольном  и гексагональном растре.

Рис. 4. «Гексагональный  растр»

     В прямоугольном растре построение линии  осуществляется двумя способами:

1. Результат – восьмисвязная линия. Соседние пиксели линии могут находится в одном из восьми возможных (см. рис. 5а) положениях. Недостаток –  слишком тонкая линия при угле 45°.
2. Результат – четырехсвязная линия. Соседние пиксели линии могут находится в одном из четырех возможных (см. рис. 5б) положениях. Недостаток – избыточно толстая линия при угле 45°.

Рис. 5. Построение линии в прямоугольном растре

     В гексагональном растре линии шестисвязные (см. рис. 6) такие линии более стабильны  по ширине, т.е. дисперсия ширины линии  меньше, чем в квадратном растре. 

Рис. 6. Построение линии в гексагональном растре

     Одним из способов оценки растра является передача по каналу связи кодированного, с  учетом используемого растра, изображения  с последующим восстановлением  и визуальным анализом достигнутого качества. Экспериментально и математически доказано, что гексагональный растр лучше, т.к. обеспечивает наименьшее отклонение от оригинала. Но разница не велика.

     Моделирование гексагонального  растра. Возможно построение гексагонального растра на основе квадратного. Для этого гексаугольник представляют в виде прямоугольника.  

3. Количество  цветов растрового изображения

     Количество  цветов (глубина цвета) – также одна из важнейших характеристик растра. Количество цветов является важной характеристикой для любого изображения, а не только растрового.

     Классифицируем  изображения следующим образом:

• Двухцветные (бинарные) – 1 бит на пиксел. Среди двухцветных чаще всего встречаются черно–белые изображения.
• Полутоновые – градации серого или иного цвета. Например, 256 градаций (1 байт на пиксел).
• Цветные изображения. От 2 бит на пиксели выше. Глубина цвета 16 бит на пиксел (65 536 цветов) получила название High Со1ог, 24 бит на пиксел (16,7 млн. цветов) – True Со1ог. В компьютерных графических системах используют и большую глубину цвета – 32, 48 и более бит на пиксел.

4. Форматы растровых графических  файлов

     GIF – формат, использующий алгоритм сжатия без потерь информации LZW. Максимальная глубина цвета – 8 бит (256 цветов). В нём также есть возможность записи анимации. Поддерживает прозрачность пикселей (двухуровневая – полная прозрачность, либо полная непрозрачность). Данный формат широко применяется при создании Web–страниц. GIF–формат позволяет записывать изображение «через строчку», благодаря чему, имея только часть файла, можно увидеть изображение целиком, но с меньшим разрешением. Его выгодно применять для изображений с малым количеством цветов и резкими границами (например, для текстовых изображений).

     JPEG (JPG) – формат, использующий алгоритм сжатия с потерями информации, который позволяет уменьшить размер файла в сотни раз. Глубина цвета – 24 бит. Не поддерживается прозрачность пикселей. При сильном сжатии в области резких границ появляются дефекты. Формат JPEG хорошо применять для сжатия полноцветных фотографий. Учитывая то, что при повторном сжатии происходит дальнейшее ухудшение качества, рекомендуется сохранять в JPEG только конечный результат работы. JPEG широко применяется при создании Web–страниц, а также для хранения больших коллекций фотографий.

     Сравнение GIF и JPEG

• GIF – формат удобен при работе с рисованными картинками;
• JPEG – формат лучше использовать для хранения фотографий и изображений с большим количеством цветов;
• для создания анимации и изображений с прозрачным фоном применяется GIF–формат.

     BMP – это  формат графического редактора Paint. В нём не применяется сжатие. Он хорошо подходит для хранения очень маленьких изображений – таких как иконки на рабочем столе. Большие же файлы в этом формате занимают слишком много места.

     PNG – разработан с целью заменить формат GIF. Использует алгоритм сжатия Deflate без потерь информации (усовершенствованный LZW). Максимальная глубина цвета – 48 бит. Поддерживает каналы градиентных масок прозрачности (256 уровней прозрачности). PNG – относительно новый формат, и поэтому ещё не очень распространён. В основном используется в Web–дизайне. К сожалению, даже в некоторых современных браузерах (таких, как Internet Explorer 6) отсутствует поддержка прозрачности PNG и поэтому не рекомендуется использовать прозрачные PNG изображения на Web–страницах.

     TIFF – формат, специально разработанный для сканированных изображений. Может использовать алгоритм сжатия без потерь информации LZW. Позволяет сохранять информацию о слоях, цветовых профилях(ICC–профилях) и каналах масок. Поддерживает все цветовые модели. Аппаратно независим. Используется в издательских системах, а также для переноса графической информации между различными платформами.

     PSD – формат графического редактора Adobe Photoshop. Использует алгоритм сжатия без потерь информации RLE. Позволяет сохранять всю информацию, создаваемую в этой программе. Кроме этого, в связи с популярностью Photoshop, данный формат поддерживается практически всеми современными редакторами компьютерной графики. Его удобно использовать для сохранения промежуточного результата при работе в Photoshop и других растровых редакторах.

     RIFF – формат графического редактора Corel Painter. Позволяет сохранять всю информацию, создаваемую в этой программе. Его следует использовать для сохранения промежуточного результата при работе в Painter. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Факторы, влияющие на количество памяти, занимаемой растровым изображением

     Файлы растровой графики занимают большое  количество памяти компьютера. Некоторые картинки занимают большой объем памяти из-за большого количества пикселов, любой из которых занимает некоторую часть памяти. Наибольшее влияние на количество памяти занимаемой растровым изображением оказывают три факта:

• размер изображения;
• битовая глубина цвета;
• формат файла, используемого для хранения изображения.

     Существует  прямая зависимость размера файла  растрового изображения. Чем больше в изображении пикселов, тем больше размер файла. Разрешающая способность  изображения на величину файла никак  не влияет. Разрешающая способность оказывает эффект на размер файла только при сканировании или редактировании изображений.

     Связь между битовой глубиной и размером файла непосредственная. Чем больше битов используется в пикселе, тем  больше будет файл. Размер файла растровой графики сильно зависит от формата, выбранного для хранения изображения. При прочих равных условиях, таких как размеры изображения и битовая глубина существенное значение имеет схема сжатия изображения. Например, BMP файл имеет, как правило, большие размеры, по сравнению с файлами PCX и GIF, которые в свою очередь больше JPEG файла.

     Многие  файлы изображений обладают собственными схемами сжатия, также могут содержать  дополнительные данные краткого описания изображения для предварительного просмотра. 
 
 

3. Достоинства и недостатки растровой  графики

1. Достоинства растровой графики

     Растровая графика эффективно представляет реальные образы. Реальный мир состоит из миллиардов мельчайших объектов и человеческий глаз как раз приспособлен для  восприятия огромного набора дискретных элементов, образующих предметы. На своем высшем уровне качества – изображение выглядят вполне реально подобно тому, как выглядят фотографии в сравнении с рисунками. Это верно только для очень детализированных изображений, обычно получаемых сканированием фотографий.

     Помимо  естественного вида растровые изображения  имеют другие преимущества. Устройства вывода, такие как лазерные принтеры, для создания изображений используют наборы точек. Растровые изображения  могут быть очень легко распечатаны на таких принтерах, потому что компьютерам легко управлять устройством вывода для представления отдельных пикселов с помощью точек. 

2. Недостатки растровой графики

     1. В файле растрового изображения  запоминается информация о цвете  каждого видеопикселя в виде комбинации битов. Бит — наименьший элемент памяти компьютера, который может принимать одно из двух значений: включено или выключено. Наиболее простой тип изображения имеет только два цвета (например, белый и чёрный). В этом случае каждому видеопикселю соответствует один бит памяти (2¹). Если цвет видеопикселя определяется двумя битами, то мы имеем четыре (2²) возможных комбинаций значений включено/выключено. Используя для значения выключено символ 0, а для включено — 1, эти комбинации можно записать так: 00, 01, 10, 11. Четыре бита памяти позволяют закодировать 16 (2⁴) цветов, восемь бит — 2⁸ или 256 цветов, 24 бита — 2²⁴ или 16777216 различных цветовых оттенков.

     Простые растровые картинки занимают небольшой  объём памяти (несколько десятков или сотен килобайт). Изображения фотографического качества часто требуют несколько мегабайт. Например, если размер графической сетки — 1240 х 1024, а количество используемых цветов — 16777216, то объём растрового файла составляет около 4 Мб, так как информация о цвете видеопикселей в файле занимает

     1240 х 1024 х 24 = 30474240 бит или

     30474240 бит : 8 = 3809280 байт или

     3809280 байт : 1024 = 3720 Кб или

     3720 Кб: 1024 = 3,63 Мб.

     Таким образом, для хранения растровых  изображений требуется большой  объём памяти.

     2. Растровое изображение после масштабирования или вращения может потерять свою привлекательность. Например, области однотонной закраски могут приобрести странный («муаровый») узор; кривые и прямые линии, которые выглядели гладкими, могут неожиданно стать пилообразными. Если уменьшить, а затем снова увеличить до прежнего размера растровый рисунок, то он станет нечётким и ступенчатым, а закрашенные области могут быть искажены.

     Так как графический редактор Paint (стандартная  программа WINDOWS) является растровым, то в нём легко продемонстрировать результаты масштабирования изображений и объяснить причины возникающих искажений.

     Итак, растровые изображения имеют  очень ограниченные возможности  при масштабировании, вращении и  других преобразованиях. 
 
 
 
 

Заключение 

     Таким образом, растровое изображение — это файл данных или структура, представляющая собой сетку пикселов или точек цветов (обычно прямоугольную) на компьютерном мониторе, бумаге и других отображающих устройствах и материалах.

     Важными характеристиками изображения являются:

• Количество пикселов. Может указываться отдельно количество пикселов по ширине и высоте (1024*768, 640*480,...) или же, редко, общее количество пикселов (часто измеряется в мегапикселах).
• Количество используемых цветов или глубина цвета (эти характеристики имеют следующую зависимость: N = 2I, где N - количество цветов, а I - глубина цвета).

     Растровую графику применяют при разработке электронных (мулътимедийных) и полиграфических  изданий.

     Иллюстрации, выполненные средствами растровой  графики, редко создают вручную с помощью компьютерных программ. Чаще для этой цели используют сканированные иллюстрации, подготовленные художником на бумаге, или фотографии. В последнее время для ввода растровых изображений в компьютер нашли широкое применение цифровые фото- и видеокамеры. Соответственно, большинство графических растровых редакторов, предназначенных для работы с растровыми иллюстрациями, ориентированы не столько на создание изображений, сколько на их обработку.

     В Интернете пока применяются только растровые иллюстрации.   

Список литературы 

1. Иванченко Н.М. Компьютерные методы обработки  информации: УМК. – СПб.: Питер, 2004.
2. Информатика: Практикум по технологии работы на компьютере/Под редакцией И.В. Макаровой. – 2-е издание. – М.: «Финансы и статистика», 2004.
3. Каpатыгин С.Н. Информационные технологии в коммерческой деятельности. - М.: ABF, 2004.
4. Майоров С.И. Информационные технологии. - М.: Информатика, 2003.
5. Шафрин Ю. А. Основы компьютерной технологии. - М.: АБФ, 2005.Якутский А. Форматы интернет-графики // Мир Internet. - 2002. -№11-12. - C. 22-25
6. Яхонтов В.Н. Компьютерная графика. – М.: ТИСБИ, 2003.
7. http://flashmaker.8m.com/help/html/02basics2.html
8. http://ru.wikipedia.org/
9. http://www.junior.ru/students/sumerkina/