Кодирование графической информации и средства ее обработки

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.

Хотя компьютерная графика служит всего лишь инструментом, ее структура и методы основаны на передовых достижениях фундаментальных и прикладных наук: математики, физики, химии, биологии, программирования, статистики и множества других. Это замечание справедливо как для программных, так и для аппаратных средств создания и обработки изображений на компьютере. Поэтому компьютерная графика является одной из наиболее бурно развивающихся отраслей информатики и во многих случаях выступает “локомотивом”, тянущим за собой всю компьютерную индустрию.

1. КОДИРОВАНИЕ ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

В середине 50-х  годов для больших ЭВМ, которые  применялись в научных и военных  исследованиях, впервые в графическом  виде было реализовано представление  данных. В настоящее время широко используются технологии обработки графической информации с помощью ПК. Графический интерфейс пользователя стал стандартом "де-факто" для ПО разных классов, начиная с операционных систем. Вероятно, это связано со свойством человеческой психики: наглядность способствует более быстрому пониманию. Широкое применение получила специальная область информатики, которая изучает методы и средства создания и обработки изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов, - компьютерная графика. Без нее трудно представить уже не только компьютерный, но и вполне материальный мир, так как визуализация данных применяется во многих сферах человеческой деятельности. В качестве примера можно привести опытно-конструкторские разработки, медицину (компьютерная томография), научные исследования и др.

Особенно интенсивно технология обработки графической  информации с помощью компьютера стала развиваться в 80-х годах. Графическую информацию можно представлять в двух формах: аналоговой или дискретной. Живописное полотно, цвет которого изменяется непрерывно - это пример аналогового представления, а изображение, напечатанное при помощи струйного принтера и состоящее из отдельных точек разного цвета - это дискретное представление. Путем разбиения графического изображения (дискретизации) происходит преобразование графической информации из аналоговой формы в дискретную. При этом производится кодирование - присвоение каждому элементу конкретного значения в форме кода. При кодировании изображения происходит его пространственная дискретизация. Ее можно сравнить с построением изображения из большого количества маленьких цветных фрагментов (метод мозаики). Все изображение разбивается на отдельные точки, каждому элементу ставится в соответствие код его цвета. При этом качество кодирования будет зависеть от следующих параметров: размера точки и количества используемых цветов. Чем меньше размер точки, а, значит, изображение составляется из большего количества точек, тем выше качество кодирования. Чем большее количество цветов используется (т. е. точка изображения может принимать больше возможных состояний), тем больше информации несет каждая точка, а, значит, увеличивается качество кодирования. Создание и хранение графических объектов возможно в нескольких видах - в виде векторного, фрактального или растрового изображения. Отдельным предметом считается 3D (трехмерная) графика, в которой сочетаются векторный и растровый способы формирования изображений. Она изучает методы и приемы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве. Для каждого вида используется свой способ кодирования графической информации.

1.1 Растровое изображение

При помощи увеличительного  стекла можно увидеть, что черно-белое  графическое изображение, например из газеты, состоит из мельчайших точек, составляющих определенный узор - растр. Во Франции в 19 веке возникло новое направление в живописи - пуантилизм. Его техника заключалась в том, что на холст рисунок наносился кистью в виде разноцветных точек. Также этот метод издавна применяется в полиграфии для кодирования графической информации. Точность передачи рисунка зависит от количества точек и их размера. После разбиения рисунка на точки, начиная с левого угла, двигаясь по строкам слева направо, можно кодировать цвет каждой точки. Далее одну такую точку будем называть пикселем (происхождение этого слова связано с английской аббревиатурой "picture element" - элемент рисунка). Объем растрового изображения определяется умножением количества пикселей (на информационный объем одной точки, который зависит от количества возможных цветов. Качество изображения определяется разрешающей способностью монитора. Чем она выше, то есть больше количество строк растра и точек в строке, тем выше качество изображения. В современных ПК в основном используют следующие разрешающие способности экрана: 640 на 480, 800 на 600, 1024 на 768 и 1280 на 1024 точки. Так как яркость каждой точки и ее линейные координаты можно выразить с помощью целых чисел, то можно сказать, что этот метод кодирования позволяет использовать двоичный код для того чтобы обрабатывать графические данные.

Если говорить о черно-белых иллюстрациях, то, если не использовать полутона, то пиксель  будет принимать одно из двух состояний: светится (белый) и не светится (черный). А так как информация о цвете  пикселя называется кодом пикселя, то для его кодирования достаточно одного бита памяти: 0 - черный, 1 - белый. Если же рассматриваются иллюстрации в виде комбинации точек с 256 градациями серого цвета (а именно такие в настоящее время общеприняты), то достаточно восьмиразрядного двоичного числа для того чтобы закодировать яркость любой точки. В компьютерной графике чрезвычайно важен цвет. Он выступает как средство усиления зрительного впечатления и повышения информационной насыщенности изображения. Как формируется ощущение цвета человеческим мозгом? Это происходит в результате анализа светового потока, попадающего на сетчатку глаза от отражающих или излучающих объектов. Принято считать, что цветовые рецепторы человека, которые еще называют колбочками, подразделяются на три группы, причем каждая может воспринимать всего один цвет - красный, или зеленый, или синий.

1.2 Цветовые модели

Если говорить о кодировании цветных графических  изображений, то нужно рассмотреть  принцип декомпозиции произвольного  цвета на основные составляющие. Применяют несколько систем кодирования: HSB, RGB и CMYK. Первая цветовая модель проста и интуитивно понятна, т. е. удобна для человека, вторая наиболее удобна для компьютера, а последняя модель CMYK-для типографий. Использование этих цветовых моделей связано с тем, что световой поток может формироваться излучениями, представляющими собой комбинацию " чистых" спектральных цветов : красного, зеленого, синего или их производных. Различают аддитивное цветовоспроизведение (характерно для излучающих объектов) и субтрактивное цветовоспроизведение (характерно для отражающих объектов). В качестве примера объекта первого типа можно привести электронно-лучевую трубку монитора, второго типа - полиграфический отпечаток.

1) Модель HSB характеризуется  тремя компонентами: оттенок цвета (Hue), насыщенность цвета (Saturation) и яркость цвета (Brightness). Можно получить большое количество произвольных цветов, регулируя эти компоненты. Эту цветовую модель лучше применять в тех графических редакторах, в которых изображения создают сами, а не обрабатывают уже готовые. Затем созданное свое произведение можно преобразовать в цветовую модель RGB, если ее планируется использовать в качестве экранной иллюстрации, или CMYK, если в качестве печатной, Значение цвета выбирается как вектор, выходящий из центра окружности. Направление вектора задается в угловых градусах и определяет цветовой оттенок. Насыщенность цвета определяется длиной вектора, а яркость цвета задается на отдельной оси, нулевая точка которой имеет черный цвет. Точка в центре соответствует белому (нейтральному) цвету, а точки по периметру - чистым цветам.

2) Принцип метода RGB заключается в следующем: известно, что любой цвет можно представить  в виде комбинации трех цветов: красного (Red, R), зеленого (Green, G), синего (Blue, B). Другие цвета и их оттенки получаются за счет наличия или отсутствия этих составляющих. По первым буквам основных цветов система и получила свое название - RGB. Данная цветовая модель является аддитивной, то есть любой цвет можно получить сочетание основных цветов в различных пропорциях. При наложении одного компонента основного цвета на другой яркость суммарного излучения увеличивается. Если совместить все три компоненты, то получим ахроматический серый цвет, при увеличении яркости которого происходит приближение к белому цвету.

При 256 градациях  тона (каждая точка кодируется 3 байтами) минимальные значения RGB (0,0,0) соответствуют  черному цвету, а белому - максимальные с координатами (255, 255, 255). Чем больше значение байта цветовой составляющей, тем этот цвет ярче. Например, темно-синий кодируется тремя байтами ( 0, 0, 128), а ярко-синий (0, 0, 255).

3) Принцип метода CMYK. Эта цветовая модель используется  при подготовке публикаций к  печати. Каждому из основных цветов  ставится в соответствие дополнительный цвет (дополняющий основной до белого). Получают дополнительный цвет за счет суммирования пары остальных основных цветов. Значит, дополнительными цветами для красного является голубой (Cyan,C) = зеленый + синий = белый - красный, для зеленого - пурпурный (Magenta, M) = красный + синий = белый - зеленый, для синего - желтый (Yellow, Y) = красный + зеленый = белый - синий. Причем принцип декомпозиции произвольного цвета на составляющие можно применять как для основных, так и для дополнительных, то есть любой цвет можно представить или в виде суммы красной, зеленой, синей составляющей или же в виде суммы голубой, пурупурной, желтой составляющей. В основном такой метод принят в полиграфии. Но там еще используют черный цвет (BlacК, так как буква В уже занята синим цветом, то обозначают буквой K). Это связано с тем, что наложение друг на друга дополнительных цветов не дает чистого черного цвета.

Различают несколько  режимов представления цветной  графики:

а) полноцветный (True Color);

б) High Color;

в) индексный.

При полноцветном режиме для кодирования яркости  каждой из составляющих используют по 256 значений (восемь двоичных разрядов), то есть на кодирование цвета одного пикселя (в системе RGB) надо затратить 8*3=24 разряда. Это позволяет однозначно определять 16,5 млн цветов. Это довольно близко к чувствительности человеческого глаза. При кодировании с помощью системы CMYK для представления цветной графики надо иметь 8*4=32 двоичных разряда. Режим High Color - это кодирование при помощи 16-разрядных двоичных чисел, то есть уменьшается количестко двоичных разрядов при кодировании каждой точки. Но при этом значительно уменьшается диапазон кодируемых цветов. При индексном кодировании цвета можно передать всго лишь 256 цветовых оттенков. Каждый цвет кодируется при помощи восьми бит данных. Но так как 256 значений не передают весь диапазон цветов, доступный человеческому глазу, то подразумевается, что к графическим данным прилагается палитра (справочная таблица), без которой воспроизведение будет неадекватным: море может получиться красным, а листья - синими. Сам код точки растра в данном случае означает не сам по себе цвет, а только его номер (индекс) в палитре. Отсюда и название режима - индексный.

Соответствие  между количеством отображаемых цветов (К) и количеством бит для их кодировки (а) находиться по формуле: К = 2а.

Двоичный код  изображения, выводимого на экран, хранится в видеопамяти. Видеопамять - это  электронное энергозависимое запоминающее устройство. Размер видеопамяти зависит от разрешающей способности дисплея и количества цветов. Но ее минимальный объем определяется так, чтобы поместился один кадр (одна страница) изображения, т.е. как результат произведения разрешающей способности на размер кода пикселя.

Vmin = M * N * a.

Двоичный код  восьмицветной палитры

Шестнадцатицветная палитра позволяет увеличить количество используемых цветов. Здесь будет использоваться 4-разрядная кодировка пикселя: 3 бита основных цветов + 1 бит интенсивности. Последний управляет яркостью трех базовых цветов одновременно (интенсивностью трех электронных пучков).

Двоичный код  шестнадцатицветной палитры

При раздельном управлении интенсивностью основных цветов количество получаемых цветов увеличивается. Так для получения палитры  при глубине цвета в 24 бита на каждый цвет выделяется по 8 бит, то есть возможны 256 уровней интенсивности (К = 28).

Двоичный код 256-цветной палитры

1.3 Векторное и фрактальное изображения

Векторное изображение - это графический объект, состоящий  из элементарных отрезков и дуг. Базовым элементом изображения является линия. Как и любой объект, она обладает свойствами: формой (прямая, кривая), толщиной., цветом, начертанием (пунктирная, сплошная). Замкнутые линии имеют свойство заполнения (или другими объектами, или выбранным цветом). Все прочие объекты векторной графики составляются из линий. Так как линия описывается математически как единый объект, то и объем данных для отображения объекта средствами векторной графики значительно меньше, чем в растровой графике. Информация о векторном изображении кодируется как обычная буквенно-цифровая и обрабатывается специальными программами.

К программным  средствам создания и обработки  векторной графики относятся  следующие ГР: CorelDraw, Adobe Illustrator, а  также векторизаторы (трассировщики) - специализированные пакеты преобразования растровых изображений в векторные.

Фрактальная графика  основывается на математических вычислениях, как и векторная. Но в отличии  от векторной ее базовым элементом  является сама математическая формула. Это приводит к тому, что в памяти компьютера не хранится никаких объектов и изображение строится только по уравнениям. При помощи этого способа можно строить простейшие регулярные структуры, а также сложные иллюстрации, которые имитируют ландшафты.

2. Обзор современных программ обработки  и просмотра графических изображений

Существует  большое количество различных программ для просмотра графических файлов. Они обычно называют "Смотрелки" (Viewers). "Смотрелки" нужны всем, хотя бы даже для того, чтобы просматривать фотографии. И именно фотографии, т. к. вы можете создать и хранить в компьютере ваш фотоальбом…

Человек всегда стремился  ко всему красивому, и в своем  стремлении он изобрел целую кучу приспособлений. Вспоминаются: фильмоскопы, диапроекторы и эпидиаскопы… Однако все эти изобретения способен заменить компьютер. Он может хранить в своей памяти огромное количество фотографий, рисунков, графиков и диаграмм - все то, что способно радовать глаз своими линиями, цветом и формой.

2.1 Paint

Основные функции графического редактора Paint: создание и редактирование рисунков.

Запуск программы Paint: Пуск Программы Стандартные Paint

Типы файлов данных: *.bmp – сохраняется рисунок с оформлением.

Для работы в  графическом редакторе используется мышь.

Интерфейс Paint

Заголовок – название программы Paint, системное меню (значок программы) и кнопки управления окном программы. В заголовке Paint отображается также название рисунка.

Строка меню – в меню сгруппированы все команды по редактированию рисунка.

Панель инструментов включаются в меню Вид Набор инструментов.

Палитра цветов включаются в меню Вид Палитра.

Рабочее поле содержит окно документа.

Строка состояния сообщает о режимах работы программы.

Примечание. Кроме Рабочего поля, все элементы окна Paint необязательны, т.е. могут быть убраны с экрана. Основные команды по работе с рисунком.

Создание  нового рисунка

Создание при  открытии Paint. Откройте Paint, при этом сразу же создается новый рисунок.

Создание через  меню Файл. Файл Создать. Открытие рисунка

Открытие из Paint: запустить графический редактор Paint и выполнить команду Файл Открыть.

Открытие из Проводника. В Проводнике открыть диск (папку), где находится рисунок, и сделать двойной щелчок по значку рисунка.

Открытие недавно открывавшегося рисунка: Пуск Документы <щелкнуть по названию рисунка>. Сохранение рисунка

Сохранение нового рисунка. В меню Файл Сохранить как <в поле Имя файла набрать название рисунка> Сохранить.

Сохранение изменений в рисунке. Файл Сохранить.

Сохранение рисунка под другим именем. Файл Сохранить как <ввести новое имя> Сохранить. Параметры страницы рисунка Параметры страницы: Файл ® Параметры страницы. В диалоговом окне Параметры страницы задаются поля страницы, например, верхнее поле 2,5 см, нижнее 2 см, левое 3 см, правое 1,5 см. А также, выбирается размер печатной страницы (А4, А5 или др.) и ориентация страницы (книжная или альбомная).

Область рисунка – это часть страницы, доступная для рисования.

Инструменты графического редактора  Paint

Карандаш рисует тонкую линию

Ластик стирает рисунок

Распылитель наносит капельки краски.

Заливка при помощи этого инструмента можно закрасить цветом ограниченную область рисунка. Границей для «разливающейся» краски будет непрерывная линия или область другого цвета. Если линия границы области имеет разрыв, краска «прольется» дальше.

Прямоугольник - для рисования прямоугольников. Если рисовать инструментом Прямоугольник c нажатой клавишей Shift, то будут получаться квадраты — прямоугольники с равными сторонами.

Эллипс - это сплющенная окружность. Используется для рисования окружностей. Если рисовать инструментом Эллипс c нажатой клавишей Shift, то будут получаться круги.

Инструмент Линия.

Настройка инструментов графического редактора Paint

Цвет фигур  задается левой кнопкой мыши в Палитре цветов. Щелчком правой кнопки мыши выбирается цвет фона.

Меню настройки  инструментов позволяет использовать дополнительные возможности работы с инструментом.

Меню настройки инструментов Линия и Кривая позволяет выбрать необходимую толщину прямых и кривых линии, а также границ замкнутых фигур.

Меню настройки  инструментов Прямоугольник, Эллипс, Скругленный прямоугольник, Многоугольник, с помощью которых рисуются различные замкнутые фигуры, позволяет установить тип закраски:

1. только границы;
2. фигура с границами основного цвета, закрашенная цветом фона;
3. фигура с границами и заливкой основного цвета.

В меню настройки Кисти можно выбрать различные профили линии: круг, прямоугольник, «перо» — разного размера.

Меню настройки Ластика позволяет подобрать его размер.

Работа с фрагментами  рисунка

Инструмент Выделение используется для обозначения границ фрагмента рисунка:

1. для выделения прямоугольной области;
2. для выделения произвольной области.

В меню настройки инструментов можно выбрать выделение с фоном, или без фона.

Команда Отменить возвращает рисунок в то состояние, которое было до того, как вы выполнили неудачное действие (Правка - Отменить)

Отменить можно не более трех последних действий!

Масштаб рисунка

Инструмент Масштаб используют, чтобы увидеть в деталях компьютерный рисунок.

Команду меню Вид  Масштаб Показать сетку. Рабочее поле станет похоже на клеточный лист, где каждая клеточка будет обозначать один пиксель.

Если хотите одновременно видеть и увеличенное, и обычное изображение, используйте команду Вид Масштаб Показать эскиз.

2.2 Adobe Photoshop

Adobe Photoshop - растровый графический  редактор, разработанный и распространяемый  фирмой Adobe Systems. Этот продукт является лидером рынка в области коммерческих средств редактирования растровых изображений, и наиболее известным продуктом фирмы Adobe. Часто эту программу называют просто Photoshop (Фотошоп). В настоящее время Photoshop доступен на платформах Mac OS X/Mac OS и Microsoft Windows. Ранние версии редактора были портированы под SGI IRIX, но официальная поддержка была прекращена начиная с третьей версии продукта. Для версии CS 2 возможен запуск под Linux с помощью альтернативы Windows API - Wine 0.9.54 и выше. Несмотря на то, что изначально программа была разработана для редактирования изображений для печати на бумаге (прежде всего, для полиграфии), в данное время она широко используется в веб-дизайне. В более ранней версии была включена специальная программа для этих целей - Adobe ImageReady, которая была исключена из версии CS3 за счёт интеграции её функций в самом Photoshop.

Photoshop тесно связан  с другими программами для  обработки медиафайлов, анимации и другого творчества. Совместно с такими программами, как Adobe ImageReady (программа упразднена в версии CS3), Adobe Illustrator, Adobe Premiere, Adobe After Effects и Adobe Encore DVD, он может использоваться для создания профессиональных DVD, обеспечивает средства нелинейного монтажа и создания таких спецэффектов, как фоны, текстуры и т. д. для телевидения, кинематографа и всемирной паутины. Основной формат Photoshop, PSD, может быть экспортирован и импортирован во весь ряд этих программных продуктов. Photoshop CS поддерживает создание меню для DVD. Совместно с Adobe Encore DVD, Photoshop позволяет создавать меню или кнопки DVD. Photoshop CS3 в версии Extended поддерживает также работу с трёхмерными слоями.

Из-за высокой популярности Photoshop, поддержка его формата файлов, PSD, была реализована в его основных конкурентах, таких, как Macromedia Fireworks, Corel PhotoPaint, Pixel image editor, WinImages, GIMP, Jasc Paintshop Pro и т. д.

Photoshop поддерживает следующие цветовые модели:

1. RGB
2. LAB
3. CMYK
4. Grayscale
5. BitMap
6. Duotone

Photoshop v.10.0, датируемый  апрелем 2007 года, имеет название «Photoshop CS3». Аббревиатура «CS3» означает, что продукт интегрирован в третью версию пакета программ «Adobe Creative Suite». В предыдущих продуктах - Photoshop CS и CS 2, c целью отличия от прежних версий и укрепления принадлежности к новой линейке продуктов, был изменён символ программы: вместо изображения глаза, которое присутствовало в версиях с 3-й по 7-ю, в стилевом решении использовалось изображение перьев. В Photoshop CS3 в иконке приложения и экране-заставке используются буквы из названия продукта «Ps» на синем градиентном фоне. Список нововведений включает в себя новый интерфейс, увеличенную скорость работы, новый Adobe Bridge, новые фильтры и инструменты, а также приложение Device Central, позволяющее осуществлять предварительный просмотр работы в шаблонах популярных устройств, например мобильных телефонов.

Последние версии включают в себя Adobe Camera RAW - плагин, разработанный Томасом Кноллом, который позволяет читать рядRAW-форматов различных цифровых камер и импортировать их напрямую в Photoshop. Предварительная версия плагина была также доступна для Photoshop 7.0.1 по цене 99 долл. США.

Хотя Photoshop практически  монополизирует профессиональный рынок, его цена (999 долларов США на июль 2009 за полный пакет) привела к появлению  конкурирующих программных продуктов, занимающих среднюю и низшую ценовую нишу рынка, некоторые из которых, к примеру GIMP, совершенно бесплатны. Для завоевания этой части рынка и для противостояния необычайно высоким показателям нелегального использования своих профессиональных продуктов без лицензии, Adobe представил программы среднего и низшего класса Photoshop Elements и Photoshop Album, первая из которых является урезанной версией Photoshop стоимостью менее 100 долл., а вторая распространяется бесплатно и служит для организации и элементарной обработки фотографий. Продукт нацелен на любительский рынок, так как ограниченная функциональность делает Photoshop Elements неподходящим для подготовки изображений к печати. Программа Adobe Photoshop Lightroom (стоимостью около 300 долл.) служит исключительно для «проявки» цифровых негативов, простой ретуши фотоснимков и организации их каталога.

2.3 PowerPoint

С помощью этой программы мы можем подготовить  выступление с использованием слайдов, которые потом можно напечатать на прозрачных пленках, бумаге, 35-миллиметровых слайдах или просто демонстрировать на экране компьютера или проекционного экрана, можно также создать конспект доклада и материал для раздачи слушателям.