Растровая графика (Часть 1. Теоретические основы)

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный социально-экономический университет

Информационно-образовательный центр

«Виртуальный филиал Русского музея»

Растровая Графика

(Часть 1. Теоретические основы)

Саратов,

2007
Составители:

Начальник отдела электронно-образовательных ресурсов

Информационно-образовательного центра

«Виртуальный филиал Русского музея» СГСЭУ

Растровая графика (Часть 1. Теоретические основы). Учебно-методическое пособие для самостоятельной работы студентов / Саратовский государственный социально-экономический университет, Информационно-образовательный центр «Виртуальный филиал Русского музея». Саратов, 2007 - _44_ с.

© Саратовский государственный

социально-экономический

университет, 2007

© Информационно образовательный центр «Виртуальный филиал Русского музея», 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

Раздел 1. Введение в компьютерную графику. 4

1.1. Свет и восприятие изображения. 4

1.2. Яркостная и цветовая информация. 7

1.2.1. Цветовое зрение. 7

1.2.2. Яркостная чувствительность. 9

Раздел 2. Цвет. Свойства цвета. 10

2.1. Цветовая система. 10

2.2. Цветовые модели. 11

2.2.1. Аддитивный цветовой синтез и цветовая система RGB.. 11

2.2.2. Субтрактивный цветовой синтез и цветовая система CMYK.. 16

2.2.3. Цветовая модель HSV.. 21

2.2.4. Цветовая модель Lab. 24

Раздел 3. Способы представления изображения в компьютере. 25

3.1. Виды графики. 25

3.1.1. Графический редактор. 26

3.1.2. Форматы графических файлов. 26

3.2. Растровое представление графической информации. 26

3.3. Графическое разрешение изображения. 29

3.4. Разрешающая способность монитора. 29

3.5. Цветовое разрешение. 30

3.6. Цветовая палитра. 31

Раздел 4. Форматы представления растровой компьютерной графики. 32

4.1. Форматы растровой графики. 32

4.2. Сжатие графических файлов. 33

4.3. Формат GIF. 34

4.3.1. Оптимизация палитры изображения в формате GIF. 34

4.3.2. Характеристики формата GIF. 36

4.3.3. Прозрачность. 36

4.4. Формат JPG.. 36

4.4.1. Характеристики формата JPEG.. 37

4.4.2. Оптимизация с целью уменьшения объема изображений в формате JPG.. 38

4.5. Рекомендации по обработке графики. 38

4.7. Формат PSD.. 41

4.8. Формат BMP. 43

4.9. Формат TIFF. 43

4.10. Конвертирование графических форматов. 44

Раздел 1. Введение в компьютерную графику

Область информатики, занимающуюся методами и средствами создания изображений, называют компьютерной графикой.

Компьютерная графика охватывает все виды и формы представления изображений, доступные для восприятия на экране монитора или в виде копии на внешнем носителе. Визуализация данных находит применение в различных формах человеческой деятельности (педагогика, медицина, наука, игровая индустрия и т. д.) Возможности современного пользователя в области компьютерной графики огромны. Это целый мир, который можно создать собственными руками. В курсе рассматриваются методы и средства создания и обработки изображений в графическом пакете Adobe Photoshop.

1.1. Свет и восприятие изображения

Известно, что человек видит окружающие предметы благодаря воздействию света на сетчатку глаза. Этот свет может быть излученным или отраженным предметами.

Мы можем видеть предметы, которые излучают свет сами по себе (например, звезды, электрические лампочки, костер). Чтобы увидеть не светящиеся сами по себе предметы, необходим источник внешнего света. Предметы, освещенные внешним светом, становятся видимыми благодаря отражению этого света.

Между глазом и предметом существует некоторая среда, через которую распространяется свет, несущий информацию о предмете. Эта среда может оказывать влияние на проходящий через нее свет. Кроме того, предметы могут частично поглощать падающий на них свет, отражая лишь некоторую измененную его часть. Например, краска является веществом, которое поглощает одну часть света, а другую — отражает. Так, падающий на предмет свет может быть белым, а отраженный — красным, зеленым, синим или каким-нибудь другим. Иначе говоря, вещество может отражать, поглощать и пропускать через себя свет. Свет, получаемый в результате взаимодействия с веществом, отличается, в общем случае, от исходного света. Таким образом, информация о предмете, переносимая светом, претерпевает изменения из-за взаимодействия света с веществом на пути его распространения.

С точки зрения физики, свет имеет электромагнитную природу. Это означает, что свет представляет собой композицию (смесь) множества электромагнитных волн. Световые волны, непосредственно излучаемые или отражаемые объектом, собираются хрусталиком и через стекловидное тело проецируются на сетчатку. Там они возбуждают определенные нервные клетки, физиологическая функция которых заключается в распознавании световых волн. В результате возбуждения в нервных клетках возникает электрический сигнал, который по зрительному нерву поступает в зрительный центр мозга, где и возникает зрительное впечатление.

Электромагнитная волна есть распространяющиеся в пространстве колебания электрического и магнитного полей. Колебание (периодическое изменение) характеризуется частотой, а волна — длиной. Для света частота колебаний f и длина волны А связаны простой формулой: f = с/А, где с — скорость света (в вакууме она равна примерно км/с).

Луч белого света, проходя через стеклянную призму, расщепляется на множество лучей различного цвета — от красного до фиолетового (цвета радуги), образуя так называемый спектр цветов. Дело в том, что угол преломления луча света, проходящего через призму, зависит от его длины волны. Поскольку белый свет является смесью электромагнитных волн различной длины, то каждая волна после призмы распространяется по своему направлению. Красный луч испытывает наименьшее отклонение, а фиолетовый — наибольшее. Одноцветные лучи, называемые монохроматическими, проходя через призму, уже не разлагаются на другие цвета.

Рис. 2. Луч белого света, проходя через призму, разлагается на цветные составляющие

Видимый цвет однозначно определяется длиной волны соответствующего излучения. Электромагнитные волны, которые воспринимает наше зрение, лежат в области примерно от 0,75 до 0,4 мкм.

Длина световых волн выражается в нанометрах (нм), которые представляют собой миллиардные доли метра (10-9). Наш глаз устроен таким образом, что мы можем воспринимать световые волны с длинами от 380 нм до 780 нм. Это лишь крошечный участок спектра электромагнитных волн, который охватывает длины волн от 104 до 10-14 м.

Левой границе соответствует красный цвет, левее находится диапазон инфракрасных (тепловых) волн, а еще левее (0,3 мм —м) расположены радиоволны. Правой границе видимого диапазона волн соответствует фиолетовый цвет, правее находятся ультрафиолетовые, рентгеновские, гамма - и космические лучи. Инфракрасные лучи наш глаз не чувствует, но они воздействуют, например, на термометр. Ультрафиолетовые лучи также невидимы, но они способны заставить светиться люминофор — вещество, применяемое в электронно-лучевых трубках мониторов.

Рис. 3. Спектр электромагнитных волн

Итак, обычный белый свет является композицией множества других цветов[1]. Все люди с нормальным зрением уверенно различают семь цветов радуги и множество промежуточных оттенков. В общей сложности человеческий глаз различает несколько миллионов цветов. Если лучи различных цветов с помощью линз и зеркал сфокусировать в один пучок, то вновь получим белый цвет.

Путем смешения лучей различных цветов можно получать другие цвета, даже такие, которых нет в спектре разложения белого цвета. Различные цвета можно получать и смешением красок. Однако цвет, возникающий в результате смешения цветных лучей света, будет отличаться от цвета, полученного смешением аналогичных красок. Например, красный, зеленый и синий лучи света вместе дают белый цвет, а смешение соответствующих красок — грязно-коричневый. Попробуйте зачертить на одном месте бумаги сначала красным карандашом, потом зеленым и синим. Никакого подобия белого цвета вы не получите. Дело в том, что цвета красок мы видим в отраженном свете, который отличается от падающего. Видимый отраженный цвет получается в результате поглощения части падающего света.

Таким образом, чтобы предсказать, какой цвету нас получится, необходимо знать, что мы будем смешивать — лучи света или краски. Все сказанное имеет прямое отношение к компьютерной графике. Мониторы отображают цвета в результате смешения цветных лучей света, испускаемых люминофорами, а печатающие устройства — смешивают краски, т. е. вещества, обладающие способностью поглощать одну часть лучей света и отражать — другую.

Оказалось, что почти все цвета можно получить путем смешения в подходящих пропорциях только трех так называемых базовых цветов. Например, в качестве базовых цветов можно взять красный, зеленый и синий, если смешивать лучи света. Если же смешивать краски, то базовыми будут голубой, пурпурный и желтый цвета. Важно, что количество базовых цветов невелико. Это позволяет довольно компактно представлять информацию о цвете в памяти компьютера. Именно это обстоятельство, обнаруженное физиками несколько столетий назад, открыло перспективу для создания техники воспроизведения и хранения графической информации. Открытие возможности представления практически любого цвета через несколько базовых подобно изобретению азбуки в письменности.

Говоря о цветах, часто используют термины тон и оттенок, а также тени, средние тона и света. Под тоном обычно понимают спектральный цвет или цвет, полученный смешением базовых цветов максимальной яркости. Изменяя (уменьшая яркость) данного цвета, получают его оттенки. Под тенями имеют в виду области изображения низкой яркости (освещенности). Аналогично, средние тона — участки изображения средней яркости, а света — участки высокой яркости. Если смешать лучи трех базовых цветов (красного, зеленого и синего) одинаковой яркости, то получится некий оттенок серого цвета. Сохраняя одинаковость яркостей составляющих, но изменяя величину яркости, можно получить всю шкалу оттенков серого цвета (grayscale), от черного до белого. Изображения, выполненные в оттенках (или градациях) серого цвета, называют полутоновыми.

1.2. Яркостная и цветовая информация

Энергия, переносимая электромагнитной волной, непосредственно зависит от ее длины. Энергия увеличивается с уменьшением длины волны. Поэтому коротковолновые ультрафиолетовые лучи по энергии значительно превосходят более длинноволновые инфракрасные лучи. Какое влияние все это оказывает на характеристики света как переносчика информации?

Выражаясь упрощенно, можно сказать, что общее число всех световых волн в световом луче, которое эквивалентно его общей энергии, обуславливает интенсивность или яркость света, тогда как пропорции, в которых представлены различные световые волны, влияют на его цветность. При этом доминирующие длины волн определяют цветность. Свет как носитель информации содержит только два вида информации — информацию о яркости и информацию о цвете. Поэтому для дальнейшего изучения необходимо хорошо усвоить смысл этих понятий.

1.2.1. Цветовое зрение

Раздельная обработка цветовой и яркостной информации в биологических и технических системах представляет собой в равной мере непростые задачи. За цветовое и яркостное восприятие человеческого газа отвечают два различных вида нервных клеток, которые называют соответственно колбочками и палочками.

Палочки образуют однородную популяцию нервных клеток. Они гораздо более чувствительны к падающему свету, чем колбочки, и при этом способны регистрировать только суммарную энергию света. Поэтому палочки пригодны для восприятия только яркостной информации. Благодаря им обеспечивается возможность распознавать предметы и в условиях плохого освещения — хотя и как серые на сером фоне.

В противоположность палочкам имеется три сорта колбочек. Они различаются по сенсорным молекулам, которые обеспечивают обнаружение световых волн. Чтобы нервная клетка могла различать световые волны, она должна вырабатывать особое химическое вещество — зрительный пигмент, который поглощает энергию световых волн. При этом в клетку поступает энергия, которая, при условии превышения определенного порогового значения, вызывает появление нервного импульса.

В зависимости от вида зрительного пигмента световые волны различной длины улавливаются колбочками с разной эффективностью. В этой связи говорят о спектральной чувствительности сенсорных молекул и соответственно колбочек. Это иллюстрирует рисунок 4.

Зрительные пигменты и соответственно три разных вида колбочек имеют максимумы чувствительности в синей, зеленой и красной областях спектра. Таким образом они оптимизированы на распознавание света длинных, средних и коротких волн, которые соответствуют красному, зеленому и синему свету.

Когда в глаз попадает свет, который состоит в основном из длинноволновых компонентов, он наиболее эффективно улавливается сенсорными молекулами, максимум области поглощения которых приходится именно на длину волны красного света. Это приводит к возбуждению соответствующих колбочек, и такой свет воспринимается нами как красный. Если свет содержит длинноволновые и средневолновые составляющие, то на него реагируют два вида колбочек, которые эффективно воспринимают длинноволновый и средневолновый свет, и мы воспринимаем свет как желтый, который образуется благодаря смешению красного и зеленого. Если же в свете одинаково представлены все длины волн, одновременно возбуждаются все три вида колбочек, и мы воспринимаем свет как белый. Таким образом, наше цветовое зрение основывается на наличии в сетчатке трех различных видов сенсорных клеток, которые оптимизированы на распознавание красного, зеленого и синего цветов.

Процесс функционирования колбочек и палочек не имеет принципиальных отличий. В обоих случаях происходит поглощение световых волн, и по достижении фиксированного порога вырабатывается нервный импульс. При этом оба вида клеток реагируют на интенсивность падающего света. Решающее различие состоит в том, что палочки поглощают световые волны всего видимого спектра, тогда как колбочки эффективно различают определенные длины волн. Затем мозг определяет, в каких соотношениях возбуждены три вида колбочек, и на этой основе создается цветовое восприятие.

Все устройства, которые производят обработку цветовой информации, содержащейся в свете, основаны на раздельном распознавании красной, зеленой и синей цветовых составляющих света. Далее мы будем говорить об аддитивном цветовом синтезе, в основе которого два свойства света: возможность разложить свет на цветовые составляющие и возможность получения цвета путем их смешения.

1.2.2. Яркостная чувствительность

Как видно из рисунка 4, области чувствительности колбочек значительно перекрываются. Поэтому, как правило, в процессе цветового зрения возбуждаются все три вида колбочек. Кроме того, существенно различаются эффективности поглощения световых волн. Особенно хорошо воспринимается зеленый свет, красный свет — уже несколько хуже, а чувствительность к синему свету чрезвычайно низка. Это приводит к тому, что цветовые составляющие цветного изображения вносят разные вклады в ощущение яркости. Наименьший вклад в общую яркость вносит синяя составляющая. Это иллюстрирует рисунок 5, на котором представлена спектральная чувствительность колбочек и палочек. На вертикальной оси этого графика используется логарифмический масштаб.

Как результирующая чувствительность колбочек, так и чувствительность палочек имеет максимум на длине волны около 550 нм, что соответствует желто-зеленому свету, но при этом чувствительность палочек почти в 1000 раз выше, чем у колбочек. Таким образом, максимум чувствительности нашего зрения лежит в желто-зеленой области спектра.

Низкая чувствительность зрения к синим цветовым тонам является также причиной того, что синяя окраска фона особенно хорошо подходит для цветных диапозитивов. Если черный шрифт напечатан на белом фоне, то шрифт и фон воспринимаются одинаково четко. Если же, например, белый шрифт находится на синем фоне, то значение фона как бы теряется, и в ощущении изображения доминирует шрифт или остальные элементы изображения с другой окраской.

Наряду с теоретическими исследованиями проводились также психологические тесты, чтобы выяснить, какую долю в ощущение яркости вносят отдельные цвета. При этом было установлено, что для большинства людей ощущение яркости при восприятии цветных изображений определяется на 59% зеленой составляющей (G), на 30% красной составляющей (R) и на 11% синей составляющей (В). Если известны зеленая, красная и синяя составляющие источника света, воспринимаемую яркость этого источника нельзя вычислить простым суммированием трех цветовых составляющих. Необходимо принять во внимание разную чувствительность зрения каждой из них. При этом общая яркость вычисляется по формуле:

Яркость = 0,59´Зеленый + 0,3´Красный +0,11´Синий.

Раздел 2. Цвет. Свойства цвета

2.1. Цветовая система

Сколь бы фантастичными ни были возможности глаза и мозга человека, существует серьезная проблема — субъективность нашего цветового восприятия. Цвет представляет собой индивидуальное ощущение, и мы не можем составить суждение о спектральном составе света. Поэтому принципиально невозможно определить, насколько по-другому воспринимают цвета другие люди, тем более что даже у одного человека цветовая чувствительность претерпевает изменения. Такие определения цвета, как «вишневый» или «небесно-голубой», довольно расплывчаты, и разные люди сопоставляют их с различными цветами на цветовой шкале. В технике, и особенно при обработке изображений, субъективность в высшей степени нежелательна. Только при наличии объективных измерительных систем, позволяющих установить однозначное определение цветности, можно обеспечить, чтобы видеомониторы и телевизоры разных изготовителей одинаково воспроизводили один и тот же цвет.

Объекты приобретают тот или иной цвет благодаря своей способности отражать, поглощать или пропускать свет. Чувствительность наших глаз позволяет нам различать миллионы всевозможных оттенков, составляющих видимый спектр - в том числе множество таких цветов, которые не могут быть воспроизведены на экране монитора или переданы с помощью печатной машины.

На индивидуальное восприятие одних и тех же цветовых характеристик в определенной мере влияет окружающая обстановка, например, разница в освещенности объектов. Как правило, в повседневной жизни мы не обращаем на это никакого внимания, однако, например, в области полиграфии даже несущественные на первый взгляд различия могут обернуться весьма значительными искажениями при печати. Только поняв механизм влияния тех или иных факторов на визуальное восприятие цветов и на точность цветопередачи при печати, можно получать предсказуемые результаты.

Каждое устройство, задействованное в создании публикации - будь то сканер, цветной монитор, цветной настольный принтер или печатная машина, - характеризуется собственным диапазоном воспроизводимых цветов (цветовым пространством). Даже однотипные устройства, например, два монитора, выпущенные одной фирмой, могут отображать одни и те же цвета по-разному. Как правило, мониторы имеют более широкое цветовое пространство, чем настольные принтеры или печатные машины. В то же время, существует целый ряд специальных полиграфических эффектов (например, создаваемых посредством лаков или металлизированных красок), которые не могут быть получены на экране монитора.

Необходимо также отметить, что сканеры и цветные мониторы используют для описания цветов иную цветовую модель, нежели принтеры и фотоавтоматы. На пути от экрана монитора до печатной машины все цвета преобразуются из одного цветового формата в другой, поэтому результаты печати в большинстве случаев не вполне точно соответствуют тому, что вы видите на экране.

Именно для этой цели были разработаны различные математические методы точного описания цвета, каждый из которых больше подходит для определенной области применения. Важнейшие системы, которые применяются практически во всех программах обработки изображения, будут подробно рассмотрены в последующих разделах.

2.2. Цветовые модели

    Способ разделения цветового оттенка на составляющие компоненты называется цветовой моделью. Почему для описания цветов используются разные цветовые модели? Потому что разные устройства используют разные методы обработки света. Рассмотрим подробнее цветовые модели. В теории цвета существует несколько цветовых систем, основными из которых являются RGB, CMYK и HSВ.

2.2.1. Аддитивный цветовой синтез и цветовая система RGB

Цветовая модель RGB наиболее часто используется при описании цветов, получаемых смешением световых лучей, т. е. для излучаемого цвета. Она подходит для описания цветов, отображаемых видеоустройствами (экран монитора, телевизора), получаемых сканерами и цветовыми фильтрами, но не печатающими устройствами.

В модели RGB все оттенки спектра получаются из сочетания различных соотношений трех основных цветов: красного, синего и зеленого (Red, Green и Blue), которые называются цветовыми составляющими (аддитивными первичными цветами). Имитация различных естественных цветов с помощью модели RGB достигается путем изменения интенсивности ее отдельных компонент.

Кодировка цвета точки изображения компьютером осуществляется с помощью трех байтов (уровень качества при котором глаз не способен отличить компьютерную фотографию от настоящей, достигается только при не менее чем трех байтах на пиксел[2], что дает 224, или около 16 миллионов цветов), первый байт кодирует красную составляющую, второй – зеленую, третий – синюю составляющие. Соответственно, в модели RGB каждый базовый цвет характеризуется его яркостью (интенсивностью), которая может принимать 256 дискретных значений от 0 до 255. Поэтому можно смешивать цвета в различных пропорциях, варьируя яркость каждой составляющей.

Таким образом, можно получить 256x256x256 =различных сочетаний или цветов.

Каждому цвету можно сопоставить код, который содержит значения яркости трех составляющих. Используются десятичное и шестнадцатеричное представления кода. Десятичное представление — это тройка десятичных чисел, разделенных запятыми. Первое число соответствует яркости красной составляющей, второе — зеленой, а третье — синей. Код цвета в шестнадцатеричном представлении имеет вид #ХХХХХХ. Где Х одна из шестнадцатеричных цифр (0, 1, 2,...,9, А, В, С, D, E, F). Первые две цифры — шестнадцатеричное число, представляющее яркость красной составляющей, вторая и третья пары соответствуют яркости зеленой и синей составляющих.

Таким образом, объем памяти, выделенной на каждую точку, делится на три равные части, хранящие яркость красной, зеленой и синей составляющих цвета данной точки. Чем больше значение байта цветовой составляющей, тем ярче этот цвет. При наложении одной составляющей на другую яркость суммарного цвета также увеличивается.

Если все составляющие имеют максимальную яркость (255,255,255 — в десятичном представлении; #FFFFFF — в шестнадцатеричном представлении), то получается белый цвет. Минимальная яркость (0,0,0 или #000000) соответствует черному цвету. Смешение красного, зеленого и синего цветов с различными, но одинаковыми яркостями дает шкалу из 256 оттенков (градаций) серого цвета — от черного до белого. Изображения в оттенках серого еще называют полутоновыми изображениями.

Базовые цвета смешиваются следующим образом:

Красный и зеленый — при максимальной яркости дают желтый цвет. Уменьшение яркости красного изменяет результирующий цвет в сторону зеленоватого, а уменьшение яркости зеленого делает цвет оранжевым. Зеленый и синий — при максимальной яркости дают голубой. Изменяя пропорцию яркостей можно получитьоттенков голубого, от небесного до темно-синего. Красный и синий — при максимальной яркости дают пурпурный или фиолетовый. Уменьшение яркости синего сдвигает цвет в сторону розового, а уменьшение красного — в сторону пурпурного.

Эта система применима для всех изображений, видимых в проходящем или прямом свете. Поэтому построение изображения в оптических приборах соответствует системе RGB.

Поскольку яркость каждой из базовых составляющих цвета может принимать только 256 целочисленных значений, каждое значение можно представить 8-разрядным двоичным числом (последовательностью из 8 нулей и единиц, 256 = 28) или, другими словами, одним байтом. Каждый разряд в байте называется битом (двоичной единицей или нулем). Таким образом, в модели RGB информация о каждом цвете требует 3 байта (по одному байту на каждый базовый цвет) или 24 бита памяти для хранения. Заметим, что поскольку все оттенки серого цвета образуются смешением трех составляющих одинаковой яркости, то для представления любого из 256 оттенков серого требуется лишь 1 байт.

Все ли цвета, различимые человеческим глазом, могут быть представлены моделью RGB? Другими словами, совпадают ли цветовые диапазоны человеческого глаза и модели RGB? Вообще говоря, нет. Однако более 16 млн. цветов, представляемых в RGB, оказываются вполне достаточными для практических нужд. Вместе с тем, следует иметь в виду, что не любой цвет в RGB можно вывести на печать. Другими словами, цвета на экране вашего монитора могут выглядеть иначе при их выводе на печать, причем это отличие может оказаться принципиальным, а не только обусловленным низким качеством принтера или монитора.

Модель RGB еще называют аддитивной, поскольку по мере увеличения яркости составляющих цветов увеличивается яркость результирующего цвета.

Математически удобнее всего представить цветовую систему RGB в виде куба (рис.1). Для куба характерно, что каждая его пространственная точка однозначно определяется координатами X, Y и Z. Если по оси Х откладывать красную, по оси Y синюю, а по оси Z зеленую составляющие цвета, то каждому цвету можно поставить в соответствие определенную точку внутри RGB-куба.

Рис. 6. Представление цветовой системы RGB в виде куба

Значения серого, которые соответствуют точкам, где красная, зеленая и синяя составляющие в каждом случае одинаковы, находятся на диагонали между точками с координатами (RGB) = (0, 0, 0) и (RGB) = (Rmax, Gmax, Bmax).

Если вы будете рассматривать экран цветного телевизора или монитора через лупу, то увидите, что изображение состоит из множества отдельных точек, которые могут быть красными, зелеными или синими. Когда вы рассматриваете изображение с некоторого расстояния, эти цветовые составляющие сливаются, и возникает цельное цветовое впечатление.

Для установления цвета и яркости точек изображения на мониторе нужно лишь задавать интенсивности красной, зеленой и синей составляющих для этих точек. Значения интенсивностей используются для управления мощностью трех электронных лучей, с помощью которых возбуждается световое излучение люминофоров кинескопа. Это будет более подробно объяснено ниже при описании принципа действия цветных кинескопов.

Цветовая система RGB может показаться очень простой, но при ее практическом применении встречаются две серьезные проблемы. Первая — это зависимость от аппаратуры, а вторая связана с тем, что технически невозможно получать все цвета путем аддитивного цветового синтеза.

В диапазоне между синим и зеленым эта методика оказывается неработоспособной. Совершенно независимо от применяемых источников основных цветов имитация таких цветов с помощью аддитивного цветового смешения невозможна. Только если спектральные цвета делали менее насыщенными, удавалось выполнить уравнивание цветов. На рисунке 7 представлена диаграмма смешения цветов, полученная экспериментальным путем.

Как видно из рисунка, для имитации спектрального цвета путем аддитивного цветового синтеза в области между 450 нм и 550 нм требуется отрицательная красная составляющая. Это как раз та область, где данная методика неработоспособна. Хотя характер кривой зависит от вида источников основных цветов, результат всегда один и тот же. Не существует физически реализуемых излучателей основных цветов, которые бы обеспечили возможность получения всех цветов видимого спектра путем аддитивного цветового синтеза.

Отрицательный красный при этом получается математически как результат уравнивания цветов. Для снижения насыщенности спектрального цвета приходится добавлять к нему определенное количество красного цвета. Поясним это с помощью примера. Насыщенные сине-зеленые цвета (называемые также голубыми) теоретически состоят из чистого синего и чистого зеленого. Их не удается имитировать с помощью аддитивного цветового синтеза. Однако поскольку синий, зеленый и красный вместе образуют белый свет, нужно в насыщенный сине-зеленый свет подмешать немного красного света, чтобы создать белую составляющую. Благодаря этому насыщенность цвета может быть снижена так, чтобы обеспечить возможность уравнивания цветов. Это можно выразить в математической форме.

Равенство

Голубой = Синий + Зеленый

не всегда выполняется на практике. Наоборот, равенство

Голубой + Красный = Синий + Зеленый

выполнимо всегда. Когда к чистому голубому свету добавляется немного красного из солнечного света, получается цвет, который также можно получить путем смешения синего и зеленого. Последнее выражение путем простого переноса можно преобразовать следующим образом.

Голубой = Синий + Зеленый – Красный

Оно объясняет появление отрицательной красной составляющей на приведенном рисунке 7.

Какое значение это имеет на практике? Хотя источник света, излучающий отрицательный красный свет, математически вполне допустим, с практической точки зрения, очевидно, не имеет смысла — таких источников света не существует. Отсюда следует, что устройство, на котором цвета получаются путем аддитивного цветового синтеза, позволяет имитировать не все цвета, содержащиеся в световом спектре.

Здесь еще раз подчеркнем, что это не является следствием технического несовершенства. Оказывается, принципиально невозможно с помощью источников трех основных цветов, излучающих свет в диапазоне видимых длин волн, сформировать все остальные видимые цвета. И как часто бывает в физике, это положение легко доказывается математически, но остается сложным для понимания. Придется примириться с тем, что хотя красную, зеленую и синюю составляющие можно измерить для любого цвета, не всегда удается получить цвет из смеси основных. Цвета, которые действительно удается получать, образуют «цветовой охват» устройства отображения.

Что же можно сказать о так называемой аппаратной зависимости? Цвета в системе RGB получают путем смешения света от трех излучателей основных цветов. Понятно, что цвета, получаемые в результате смешения, должны зависеть от вида применяемых излучателей основных цветов. Поначалу это соображение кажется слишком теоретичным, однако имеет огромное значение на практике. Давайте рассмотрим эту проблему на примере цветного кинескопа.

Важными деталями цветного кинескопа являются три электронных прожектора и экран, который содержит три разных люминофора. Точно так же, как и зрительные пигменты колбочек трех видов, эти люминофоры имеют разные спектральные характеристики. Но они не поглощают, а излучают свет. Один люминофор под действием попадающего на него электронного луча излучает красный свет. Соответственно остальные два люминофора излучают зеленый и синий свет. Возбуждение люминофорных точек, светящихся красным, зеленым и синим цветом, осуществляется тремя отдельными электронными прожекторами. Цвет отдельной точки (элемента) изображения, воспроизводимого таким кинескопом, получается в результате смешения красного, зеленого и синего света, от трех смежными люминофорных точек.

Проблема заключается в том, что цвет, возникающий в результате такого смешения, зависит от вида люминофора. Имеется целый ряд различных люминофоров, которые находят применение при создании кинескопов. Если на электронный блок монитора подать определенную тройку значений RGB, скажем, R = 127, G = 67, В = 213, то эти значения не дадут однозначного ответа, как будет выглядеть результат смешения. Эти значения лишь задают интенсивности возбуждения трех люминофоров для одного элемента изображения. Какой цвет получится при этом в итоге, зависит от вида люминофора, а точнее говоря, от спектрального состава излучаемого люминофорами света. Именно это понимают под зависимостью от RGB-цветов конкретного аппарата. Для аддитивного цветового синтеза нельзя однозначно сказать, какой цвет получится в результате аддитивного смешения, если известна только тройка значений RGB. Такое однозначное определение цвета возможно только при учете характера излучателей основных цветов, а в нашем примере — спектрального состава люминофоров.

Рис. 8. Комбинации базовых цветов модели RGB

На рисунке 8 показано, какие цвета получаются при сложении трех базовых. Прежде чем перейти к следующей важнейшей цветовой системе — системе CMYK, приведем еще раз краткую сводку того, что обсуждалось до сих пор.

Итак: цвета источников света можно описывать с помощью цветовой системы RGB. В этой системе цвета рассматриваются как результаты смешения красного, зеленого и синего цветов. Технически возможно без особых трудностей разделить свет на три цветовых составляющих, измерить их интенсивность и на этой основе математически точно описать цвет через тройку значений RGB, задающих относительные интенсивности красной, зеленой и синей цветовых составляющих. Однако этот процесс обратим лишь условно. Используя физически реализуемые источники света, невозможно получить все цвета путем смешения света от красного, зеленого и синего источников цветов. Кроме того, в зависимости от вида применяемых источников основных цветов результаты цветового синтеза меняются. Цветовая система RGB ориентирована на решение практических задач и поэтому неизбежно оказывается зависимой от типа применяемых устройств (по крайней мере, в отношении получения RGB-цветов).

2.2.2. Субтрактивный цветовой синтез и цветовая система CMYK

Рассмотренная в предыдущем разделе модель RGB хорошо описывает цвета, получаемые в результате смешения лучей света различной окраски. Таким образом, она годится для предсказания цветов, видимых на мониторе, а также получающихся при сканировании изображений, но не подходит для печатающих устройств.

До сих пор речь шла почти исключительно об источниках света. Что же получается с объектами, которые освещаются подобными источниками? Здесь цветность возникает благодаря тому, что из-за свойств материала объекта из падающего света отражаются только волны определенной длины. Если цвет предмета оказывается красным, это означает, что его поверхность отражает только более длинные световые волны, тогда как все другие волны поглощаются. Для описания этих явлений используют другую цветовую модель, которая объясняет возникновение цветов как результат субтрактивного цветового синтеза. Обычно ее называют моделью CMYK — по английским названиям цветов Cyan, Magenta, Yellow, Black, т. е. голубой, пурпурный, желтый и черный цвета, которые соответствуют основным цветам, используемым в четырехцветной печати. Модель субтрактивного цветового синтеза служит теоретической основой цветовой печати.

Каждый из трех базовых цветов модели CMYK получается в результате вычитания из белого цвета одного из базовых цветов модели RGB. Так, например, голубой (cyan) получается вычитанием красного из белого, а желтый (yellow) — вычитанием синего. Напомним, что в модели RGB белый цвет представляется как смесь красного, зеленого и синего максимальной яркости. Тогда базовые цвета модели CMYK можно представить с помощью формул вычитания базовых цветов модели RGB следующим образом:

·  Cyan = RGB - R = GB = (0,255,255)

·  Yellow = RGB - В = RG = (255,255,0)

·  Magenta = RGB - G = RB = (255,0,255)

В связи с тем, что базовые цвета CMYK получаются путем вычитания из белого базовых цветов RGB, их называют субтрактивными. Понятно, что вычитание из белого цвета белого любое количество раз дает в результате черный, а сложение белых цветов — белый:

·  RGB - RGB = RGB - RGB - ... - RGB = (0,0,0) - черный цвет

·  RGB + RGB = RGB + RGB + ... + RGB = (255,255,255) - белый цвет

Обратите внимание, что сложение базовых цветов CMYK дает в результате черный:

Cyan + Yellow + Magenta = RGB-R-B-G = (0,0,0)

Вычитание из белого всех базовых цветов CMYK дает белый:

RGB - (RGB - R) - (RGB - В) - (RGB - G) = RGB - RGB + R + В + G = RGB = (255, 255, 255)

Рис. 9. Комбинации базовых цветов модели CMYK

На рисунке 9 показана комбинация базовых цветов CMYK. Вычитание цвета соответствует поглощению его краской. Например, цветной краситель голубого цвета (cyan) поглощает из падающего на нее белого света красный и отражает синий и зеленый. Этот отраженный свет наш глаз и воспринимает как голубой. Белый лист бумаги потому кажется нам белым, что он отражает практически весь падающий на него белый свет. С другой стороны, черные предметы почти ничего не отражают, а почти весь свет поглощают. Пурпурный краситель поглощает зеленый цвет, а желтый краситель поглощает синий цвет. Благодаря рациональной печати (без наложения и с наложением) смежных цветных точек трех основных цветов с учетом избирательного поглощения падающего света можно получить большинство цветов.

Базовые цвета модели CMYK являются довольно яркими цветами и не вполне годятся для воспроизведения темных цветов. Так, при их смешивании на практике получается не чисто черный, а грязно-коричневый цвет. Поэтому в цветовую модель CMYK включен еще и чистый черный цвет, который используется для создания темных оттенков, а также для печати черных элементов изображения. Смешение цветов в модели CMYK противоположно смешению составляющих в модели RGB. Однако краски субтрактивной модели не являются столь чисты ми, как цвета аддитивной модели. Этим и объясняются следующие особенности:

Голубой и пурпурный — при максимальной яркости дает глубокий синий цвет с небольшим фиолетовым оттенком. Уменьшение яркости голубого делает цвет пурпурным, а уменьшение яркости пурпурного — средне-синим (желтой краски нет совсем). Пурпурный и желтый — при максимальной яркости смесь получается ярко-красного цвета. Уменьшение яркости пурпурной составляющей приводит к оранжевому, а уменьшение яркости желтой — к розовому цвету (голубая составляющая отсутствует). Желтый и голубой — ярко-зеленый цвет с небольшим оттенком синего. Уменьшение яркости желтого дает изумрудный цвет, а уменьшение яркости голубого — салатовый цвет (пурпурная составляющая отсутствует).

Основные цвета рассмотренных выше моделей RGB и CMYK находятся в зависимости, которая представлена графически на рисунке 10.

Каждый цвет расположен напротив дополняющего его и между цветами, с помощью которых он получен. Чтобы усилить какой-либо цвет, необходимо ослабить дополняющий цвет, расположенный на противоположной стороне круга. Например, чтобы усилить желтый (Yellow), надо ослабить синий (Blue). На круге цветов желтый расположен между зеленым (Green) и красным (Red). Сложение этих цветов цветов дает желтый (Yellow).

Рис. 10. Взаимосвязь основных цветов RGB и СМYК

Не все цвета модели CMYK могут быть представлены в модели RGB и наоборот. В количественном отношении цветовой диапазон CMYK меньше цветового диапазона RGB. Это обстоятельство имеет принципиальное значение, а не обусловлено только физическими особенностями монитора, печатающего устройства или красок и холста.

Если напечатать в непосредственной близости или с наложением пурпурные и желтые цветные точки, то получится красный цвет, поскольку пурпурный краситель устранит зеленую составляющую, а желтый краситель — синюю составляющую падающего света. Соответственно, при печати с наложением всех трех основных цветов возникает черный цвет. Таким образом, цветовое ощущение возникает не потому, что различные цвета суммируются, а потому, что цветные красители поглощают различные цветовые составляющие падающего света.

Отсюда также следует правило, согласно которому можно корректировать цветовой разбаланс в отпечатанных цветных изображениях. Если изображение имеет излишне синий оттенок, то следует увеличить желтую составляющую, поскольку желтый поглощает синие составляющие. Соответственно, излишне зеленый оттенок можно корректировать увеличением пурпурной составляющей, а излишне синий — увеличением голубой составляющей.

Технически при цветной печати раскладывают изображение на голубую, пурпурную и желтую цветовые составляющие. Затем эти цветоделенные составляющие растрируют. В результате получают три печатных оригинала, с которых печатаемые цвета переносят на бумагу в виде сложного точечного растра. Применяемые на практике цветные красители по своим отражательным и поглощающим характеристикам оказываются далеко не столь идеальными, как этого бы хотелось. Поэтому при цветной печати, как правило, не удовлетворяются черным цветом, который может быть получен с помощью трех основных цветов. Для повышения контрастности применяют еще чисто черный краситель, который обеспечивает лучшее зачернение, чем любой черный, который мог быть получен печатью с наложением основных цветов. Поэтому при обычной четырехцветной печати в качестве печатных цветов применяют голубой, пурпурный, желтый и черный цвета.

Наряду с черным при цветной печати зачастую применяют также и другие чистые цвета, и в частности такие, которые плохо получаются с помощью трех основных цветов. В качестве типичного примера здесь можно было бы назвать золотистый цвет. Такие специальные цвета называют декоративными. Поскольку эти цвета нельзя образовать из отдельных цветных точек, фрагменты изображения, отпечатанные с помощью таких декоративных цветов, представляются особенно насыщенными и резкими. Это нужно хорошо понимать, например, рассматривая в лупу рекламный проспект или глядя с близкого расстояния на рекламный плакат. При этом видно, что большинство фрагментов изображения представляет собой сложную структуру точек, каждая из которых окрашена в один из основных цветов. Наоборот, насыщенно черный шрифт отпечатан сплошным как бы с помощью особой печати.

С учетом принципа получения цветов при цветной печати вполне очевидно, что цветовая система CMYK также является аппаратно-зависимой. И здесь также нельзя предсказать, какой цвет получится в результате, зная только значения CMYK. Проблема даже еще более многогранна, чем при получении смешанных цветов из RGB-составляющих. При аддитивном цветовом синтезе трудности по существу сводятся к определению излучателей основных цветов. Поскольку в качестве источников цвета на практике используют исключительно кинескопы, путем точной стандартизации люминофоров можно относительно легко обеспечить однозначное соответствие между значениями RGB и смешанными цветами. Наоборот, при цветной печати решающее действие оказывают не только цветные красители, используемые для создания печатных цветов. Цветовое ощущение определяется еще и типом применяемой бумаги, способом печати и окружающим освещением. Вспомните о часто применяемых для уличного освещения натриевых лампах. Здесь особенно резко заметно, как сильно цветовое ощущение зависит от освещения. Ведь никакой объект не может отразить цвет, который не излучается источником освещения.

Воспроизведение цветных оригиналов представляет собой сложный процесс, особенно когда необходима очень высокая точность цветопередачи. Не всегда печать выполняется стандартным образом. В частности, при изготовлении простой печатной продукции процесс балансировки цвета часто выполняется в интерактивном режиме. Это означает, что оператор сравнивает результат печати с оригиналом и вносит изменения в цветовой синтез на печатном станке до тех пор, пока цвета не окажутся согласованными. Однако такой путь решения в эпоху цифровой обработки изображений, когда изображения во все большей мере синтезируются на компьютерах и поэтому у них нет оригинала как такового, становится все более трудным.

По этой причине приобретают все большее значение системы управления цветом (Color Management Systems). Эти система представляет собой программы, с помощью которых можно устранять различия при воспроизведении цвета на разных устройствах, включая мониторы, цветные лазерные принтеры, диапроекторы, машины офсетной печати и т. п. Чтобы понять принцип действия системы управления цветом, нужно обратиться к цветовой системе, которая не опирается на реально существующие устройства, а описывает цвет в абстрактной форме.

Итак. В полиграфии приходится иметь дело с красками, которые наносятся на бумагу - то есть видимыми в отраженном свете. Здесь цвета взаимодействуют уже по другим закономерностям. При цветной печати на бумагу наносятся в разных пропорциях полупрозрачные голубая, пурпурная и желтая краски; четвертая, черная краска используется для создания глубоких теней, а также для печати абсолютно черных объектов, таких как текст и линии. Эти краски поглощают и отражают свет на основе субтрактивной модели, причем делают это по-разному, имитируя таким образом все многообразие цветов. Если вы вычтете из белого света красную, зеленую или синюю компоненту, то вы получите соответственно голубой, пурпурный или желтый цвет (CMY). Например, объект будет казаться голубым, если он будет поглощать (вычитать) 100% красной составляющей и при этом отражать зеленую и синюю. Голубой, пурпурный и желтый цвета называются субтрактивными первичными цветами и в совокупности представляют собой основу для репродуцирования составных цветов. Поэтому в системе CMYK в качестве составных или триадных цветов выбраны голубой, пурпурный и желтый. Они поочередно наносятся на бумагу, создавая любой нужный оттенок. Эта система так же называется поглощающей.

На практике, однако, при наложении трех составных цветов получается не черный, а темно-коричневый оттенок. Поэтому к триадным цветам был добавлен четвертый, черный (black), называемый также Key color, а вся система получила название CMYK - Cyan, Magenta, Yellow и Key color. Белым в данном случае является цвет бумаги или того материала, на который наносится краска. Насыщенность цвета в системе CMYK измеряется в процентах, так что каждый цвет имеет 100 градаций яркости. Составные краски, применяемые в разных странах, различаются оттенками. В Европе принята система Euro-standart, в США - SWOP.

2.2.3. Цветовая модель HSV

Существенная особенность описанных выше цветовых систем состоит в том, что цвета определялись как результат смешения. В цветовой системе RGB цвета получались путем смешения красного, зеленого и синего. Эта система особенно удобна для определения цветов, которые образуются с помощью кинескопа. Наоборот, в цветовой системе CMYK из смеси цветов RGB удаляются некоторые цветовые составляющие. Эта система лежит в основе цветной печати. Общей для обеих систем чертой является их аппаратная зависимость. Указания только значений RGB либо CMYK недостаточно, чтобы однозначно определить возникающий в результате смешанный цвет. Это становится возможным, если учесть еще и характеристики аппаратуры, применяемой для получения цвета.

Теперь нужно перейти к аппаратно-независимому определению цвета. Прежде всего следует понять различия между двумя основными свойствами цвета, а именно яркостью и цветностью. Благодаря этому мы выиграем сразу в нескольких отношениях.

Во-первых, с цветом можно будет обращаться на интуитивном уровне. Во-вторых, можно существенно упростить проблему согласования цветов, очень просто определять яркость цвета и обеспечить ее точное воспроизведение на различных аппаратах. Точность воспроизведения цвета является постоянной проблемой. Разделение яркости и цветности позволит сосредоточиться на рассмотрении более важной проблемы.

В качестве прототипа всех цветовых систем, в которых различают яркость и цветность цвета, можно использовать модель HSV. К другим подобным системам относятся системы HSI, HLS и YUV. Общим для них является то, что цвет задается уже не как смесь трех основных цветов — красного, зеленого и синего, а определяется путем указания цветового тона, насыщенности и интенсивности. Например, HSV образуется из слов «hue», «saturation» и «value», которые означают цветовой тон, насыщенность и величину; HSI означает «hue», «saturation» и «intensity» (интенсивность); HLS означает «hue», «lightness» (светлота) и «saturation». Что понимают под цветовым тоном, насыщенностью и величиной цвета? Для определения цветовой системы HSV воспользуемся геометрическим способом. В несколько упрощенном виде эта система представляется в виде круга. На этом круге располагаются цвета видимого спектра. Цветовой тон («hue») цвета определяется углом стрелки, выходящей из центра круга.

Отдельные цветовые оттенки при этом располагаются, как цифры на часах. Их положение определяется углом цветовой стрелки, который может принимать значения от 0° до 360°. Обычно для чисто красного берется угол 0°, для чисто зеленого — 120° и для чистого синего — 240°. Хотя это соглашение выдерживается, по меньшей мере, в большинстве программ обработки знаков и изображений, это вопрос определения. Величина насыщения указывает, насколько тусклым или соответственно насыщенным должен являться цвет. Различные насыщенности цвета возникают, когда чистый цвет разбавляется белым. Чем больше в цвете содержание белого, тем ниже насыщенность цвета и тем более блеклым он выглядит. Естественные цвета имеют низкую насыщенность, поэтому слишком насыщенные цвета выглядят ненатуральными и подчеркнутыми. Это следует учитывать при создании изображений.

В цветовом круге различные насыщенности цвета представляются как радиальные характеристики. Это означает, что насыщенность цвета постоянно возрастает при движении по радиусу от центра круга к его границе. При этом угол цветовой стрелки определяет цветовой тон, а ее длина указывает насыщенность. Поскольку обычно цветовой круг определяется как единичный, насыщенность цвета может принимать значения между 0 и 1, причем 0 соответствует белому цвету, а 1 — полностью насыщенному чистому цвету. Однако практичнее значения насыщенности выражать в процентах между 0 и 100%.

Теперь остается только объяснить значение величины цвета или соответственно интенсивности. По сути дела величина цвета просто указывает яркость цвета. Она также меняется в пределах от 0 до 1 или соответственно от 0% до 100%. В нашем упрощенном примере эта величина является независимой и не связана с цветовым кругом.

Как же теперь перейти к цветовой модели HSV? Вначале следует еще раз напомнить, что система HSV является абстрактной цветовой системой. Это значит, в частности, что цветовой тон и насыщенность цвета нельзя измерить непосредственно. Любая форма ввода цветовой информации всегда начинается с определения красной, зеленой и синей составляющих. Значения HSV получают затем с помощью математического пересчета.

Переход от системы RGB к системе HSV приводит к некоторому усложнению. Поскольку не существует устройств, которые могут непосредственно измерять или определять цвета HSV, каждый раз приходится производить пересчет. Для того чтобы ввести изображение с помощью сканера, затем обработать его в форме данных HSV с помощью соответствующей программы обработки и, наконец, отобразить на мониторе, после сканирования и перед отображением на экране нужно выполнить соответствующие пересчеты. Если изображение нужно вывести на принтер, требуется конвертирование значений HSV в значения CMYK.

Работа в системе HSV имеет два преимущества, а именно, аппаратную независимость и возможность обращения с цветом на интуитивном уровне. Как уже неоднократно говорилось, задавая значения RGB или CMYK, нельзя дать однозначного определения получаемого цвета, пока не будут учтены характеристики устройств ввода и вывода. В системе HSV происходит по-другому. Если указаны цветовой тон, насыщенность и интенсивность цвета, то эти данные являются однозначными. Соответствующие устройства, например электронный блок цветного телевизора, отвечают за пересчет этих данных в значения RGB, обеспечивающие получение правильного цвета.

Если тщательно обдумать это обстоятельство, то можно прийти к выводу, что правильный цвет точно так же можно получать и при передаче значений RGB. Это действительно так. Поскольку значения HSV получаются из значений RGB, последние можно непосредственно передавать на управляющую электронику. Согласование с конкретными цветовыми характеристиками аппарата не вызвало бы затруднений. Однако технически проще работать со значениями HSV. Это особенно заметно для аналоговой телевизионной техники, которая оказала решающее воздействие на разработку цветовой системы. Для цифровой техники это имеет меньшее значение, поэтому компьютерные мониторы управляются непосредственно значениями RGB. Но существуют не только сканеры и мониторы, но также и печатная продукция и фильмы, для которых обработка цветных изображений играет решающую роль. Для того чтобы однозначно определить цветовые характеристики всех этих носителей информации, больше всего подходит аппаратно-независимая цветовая система, основанная на четком разделении яркости и цветности.

Этим отличием обуславливается также второе преимущество данной цветовой системы — существенно лучшие возможности изменения цвета. Цветовой тон, насыщенность и величина цвета представляют собой независимые характеристики цвета. Наоборот, значения RGB очень сильно зависят друг от друга. Если происходит изменение одной из трех цветовых составляющих, то, как правило, это воздействует не только на цветовой тон, но одновременно и на насыщенность и яркость.

Чистый красный расположен в цветовом круге под углом 0°/360°. Если красный тон нужно сместить к оранжевому цвету, то следует лишь несколько увеличить угол, определяющий цветовой тон. Если цвет нужно сделать более бледным, следует лишь уменьшить насыщенность. А если цвет нужно сделать несколько более ярким, следует увеличить интенсивность (value — величину цвета).

Получение таких же эффектов путем изменения составляющих RGB существенно сложнее или вообще невозможно, поскольку с трудом можно предсказать, будет ли изменение одной цветовой составляющей (красной, зеленой или синей) воздействовать на цветовой тон, насыщенность и величину цвета, или даже на все цветовые характеристики одновременно.

Если в качестве значения величины value использовать яркость цвета Brightness, то получим цветовую модель HSB, которая наиболее удобна для человека, т. к. она хорошо согласуется с моделью восприятия цвета человеком.

Компонентами модели HSB являются:

·  тон (Hue)

·  насыщенность (Saturation)  

·  яркость цвета (Brightness)

Цветовой тон - это не что иное, как длина световой волны, отраженной от объекта или пропущенной через него. Цветовой тон определяет название цвета, например: красный, зеленый, синий и т. п. Цветовое значение (которое называют также яркостью или светлотой) характеризует степень яркости цвета - оно является показателем близости оттенков к черному или белому цвету. Насыщенность определяет, будет ли цвет выглядеть тусклым или сочным.

Тон - это конкретный оттенок цвета. Насыщенность характеризует его интенсивность, или чистоту. Яркость же зависит от примеси черной краски, добавленной к данному цвету.

Значение цвета выбирается как вектор, выходящий из центра окружности. Точка в центре соответствует белому цвету, а точки по границе окружности – чистым цветам. Направление вектора определяет цветовой оттенок и задается в угловых градусах. Длина вектора определяет насыщенность цвета. Яркость цвета задают на отдельной оси.  Модель HSB удобно применять при создании собственно изображения, а по окончании работы изображение можно преобразовать в модель RGB или CMYK.

2.2.4. Цветовая модель Lab

Модель RGB и модель CMYK являются аппаратно-зависимыми. Если речь идет об RGB, то значения базовых цветов (а также точка белого) определяются качеством примененного в вашем мониторе люминофора. В результате на разных мониторах одно и то же изображение выглядит неодинаково. Если обратиться к CMYK, то здесь различие еще более очевидно, поскольку речь идет о реальных красках, особенностях печатного процесса и носителя.

Поэтому не удивительно, что в конце концов встала задача описания цветов, не зависящего от аппаратуры, на которой эти цвета получены. К сожалению, дать полностью объективное определение цвета не представляется возможным. Цвет — это воспринимаемая характеристика, зависящая от наблюдателя и окружающих условий. Разные люди видят цвета по-разному (например, художник — иначе, чем непрофессионал. Даже у одного человека зрительная реакция на цвет меняется с возрастом.

Если восприятие цвета зависит от наблюдателя и условий наблюдения, то, по крайней мере, можно стандартизировать эти условия. Именно таким путем пошли ученые из Международной Комиссии по Освещению (CIE). В 1931 г. они стандартизировали условия наблюдения цветов и исследовали восприятие цвета у большой группы людей. В результате были экспериментально определены базовые компоненты новой цветовой модели XYZ. Эта модель аппаратно независима, поскольку описывает цвета так, как они воспринимаются человеком, точнее "стандартным наблюдателем CIE".

Цветовая модель Lab, использующаяся в компьютерной графике, является производной от цветовой модели XYZ. Название она получила от своих базовых компонентов L, a и b. Компонент L несет информацию о яркостях изображения, а компоненты а и b — о его цветах (т. е. а и b — хроматические компоненты). Компонент а изменяется от зеленого до красного, а b — от синего до желтого.

Яркость в модели Lab полностью отделена от цвета. Это делает модель удобной для регулирования контраста, резкости и других тоновых характеристик изображения. Очевидно, что модель Lab трехканальная.

Модель Lab довольно сложна для практического освоения. Нам трудно думать о цвете в ее категориях. Поэтому цветовая коррекция в Lab не распространена достаточно широко. Зато ценность Lab как аппаратно-независимой модели имеет свое практическое применение и в Photoshop. Она служит ядром систем управления цветом и применяется (скрыто от пользователя) при каждом преобразовании цветовых моделей как промежуточная.

Раздел 3. Способы представления изображения в компьютере

3.1. Виды графики

   Понятие компьютерной графики очень обширно, и однозначно нельзя сказать, что оно в себя включает. Для одних это архитектурный дизайн, для других — спецэффекты в играх, для третьих — новые возможности в технике рисования и т. д.

  Процесс создания "компьютерной" графики, рисунка или живописи по своим методологическим и художественным подходом во многом повторяет методы аналогичных традиционных видов прикладного искусства. Как и мастер, воплощающий свои идеи на холсте или бумаге с помощью пера, карандаша, цветных мелков или кисти, художник, работающий с компьютером в процессе работы, решает четыре основных проблемы, а именно:

какой способ передачи конструкции и формы изображаемых объектов наиболее эффективен в данном конкретном случае; каким образом скомпоновать изображенные объекты и персонажи на ограниченном поле (в данном случае - на экране монитора), чтобы получить уравновешенную для зрительного восприятия систему; какая цветовая гамма наиболее полно будет соответствовать настроению и уровню напряженности сюжета; и, наконец, какими средствами передать цвета, одновременно подчеркнув и композиционные, и художественные особенности выполняемой работы.

  Под термином "компьютерная графика" принято пронимать систему и средства ввода, вывода, отображения, преобразования и редактирования графических объектов под управлением компьютера.

3.1.1. Графический редактор

  Графический редактор — это программа, предназначенная для создания и обработки графического изображения.

 Все графические редакторы имеют много общего:

элемент экранного интерфейса; приемы использования графических инструментов; загрузка и сохранение данных.

 Графические редакторы позволяют создавать логотипы, кнопки, надписи, фирменные визитки, бланки, брошюры и многое др.

3.1.2. Форматы графических файлов

Формат графического файла — это способ представления графической информации. Единого формата, пригодного для всех приложений, нет. Некоторые форматы стали стандартными для целого ряда приложений. Умение разбираться в особенностях форматов имеет большое значение для эффективного хранения изображений и организации обмена данными между различными приложениями. Все компьютерные изображения, все форматы для их хранения и все программы для их обработки делятся на два больших класса — векторные и растровые, различающиеся прежде все уровнем абстракции, примененной к изображению. Можно сказать, что если векторная графика пытается имитировать восприятие изображений человеком, то растровый формат хранит графику в том виде, в котором она лучше всего обрабатывается компьютером. Соответственно, векторная графика в большинстве своем создается человеком с нуля прямо в векторном формате, а попытки генерировать ее автоматически (алгоритмы трассировки) редко когда приводят к удовлетворительному результату. И наоборот, основной поставщик растровых изображений - фотографии, т. е. в существенной своей части автоматический процесс с легко оцифровываемыми результатами.

3.2. Растровое представление графической информации

Рассмотрим один из способов представления изображения в компьютере - растровую графику (bitmap).

Рис.12. Растровая сетка

Пиксель

Пиксель — единица измерения разрешения экрана. Соответствует отдельно светящейся точке, цветом и яркостью которой компьютер может управлять. Английское слово "pixel" представляет собой сокращение фразы "picture cell" (элемент изображения).

Битовые (или растровые) изображения формируются на основе равномерной сетки (растра), состоящей из маленьких квадратных ячеек, которые также называются пикселами. (Необходимо различать эти понятия в применении к монитору и изображению).

Каждый пиксел содержит цветовую информацию. Кроме того, эти элементы (pixels) определяют размер картинки — X пикселов по ширине и Y пикселов по высоте. В растре вместо отдельных пикселов мы воспринимаем целостную картину, в которую пикселы складываются уже в нашем сознании.

Рис. 13. а) Изображение в растровом формате б) Увеличенный фрагмент изображения

Главное преимущество растра состоит в его абсолютной свободе: пиксел изображения может быть любым — пусть его изменения ограничены только одной координатой (цветом), он не обязан подчиняться каким-то математическим формулам или "помнить" об очертаниях того объекта в изображении, которому он принадлежит. Bitmap-графика обладает почти неограниченными возможностями изменения цвета и обработки деталей изображения; однако такой подход к формированию изображения имеет и вполне определенные недостатки. Это, во-первых, наличие более или менее явных "ступенек" у кривых и наклонных линий; во-вторых — искажения при масштабировании, связанные с постоянством размера точек при изменении размера изображения.

 Параметры файлов растровых форматов:

размер изображения — количество пикселей в рисунке по горизонтали и вертикали; цветовое разрешение — число битов, используемых для хранения цвета одного пикселя; данные, описывающие рисунок (цвет каждого пикселя рисунка), а также некоторая дополнительная информация.

 Рассмотрим подробнее понятия цветового и графического разрешения.

3.3. Графическое разрешение изображения

Графическое разрешение определяет плотность пикселов в изображении и измеряется в пикселах на дюйм (ppi). Разрешение 72 ppi означает, что каждый квадратный дюйм изображения содержит 5184 пиксела (72 пиксела в ширину х 72 пиксела в высоту = 5184). Чем выше разрешение, тем больше пикселов содержится в изображении. Например, изображение размером 3 х 3 дюйма с разрешением 72 ppi будет содержать 46556 цветовых блоков. То же самое изображение с разрешением 300 ppi будет содержать на той же площади 3 х 3 дюйма 810000 цветовых блоков. Более высокое разрешение позволяет получать в изображении более мелкие детали и более тонкие цветовые переходы. Графическое разрешение и размеры изображения определяют объем файла документа в килобайтах (Кб) или мегабайтах (Мб).

Объем файла, содержащего оцифрованное изображение, пропорционален его графическому разрешению. Более тесное расположение пикселов (то есть более высокое разрешение) позволяет воспроизводить более мелкие детали изображений; в то же время, это ведет к увеличению объема файла. Например, объем файла для изображения размером 4 х 5 дюймов с разрешением 200 ppi будет занимать в четыре раза больше памяти, чем для изображения того же размера с разрешением 100 ppi. Объем файла имеет важное значение при выделении дискового пространства для его хранения; кроме того, он в известной мере определяет скорость редактирования и печати файла. При выборе графического разрешения вы должны находить компромисс между желанием сохранить как можно больше полезной информации и необходимостью минимизировать объем файла. Важно различать графическое разрешение изображения и разрешающую способность монитора.

3.4. Разрешающая способность монитора

Разрешающая способность монитора определяется числом точек (пикселов) на единицу длины. Как правило, она измеряется в точках на дюйм (dpi) или пикселах на дюйм (ppi). IBM-совместимые мониторы могут иметь разную разрешающую способность, но обычно она составляет 96 dpi. Разрешающая способность монитора определяет размер экранного изображения, и ее не следует путать с графическим разрешением, характеризующим расположение пикселов в изображении. Например, размер изображения с разрешением 144 ppi на экране монитора с разрешающей способностью 72 ppi будет вдвое превышать реальный размер (поскольку в каждом дюйме экрана могут быть отображены только 72 из 144 пикселов). При выводе на монитор с разрешающей способностью 120 dpi то же самое изображение будет лишь незначительно больше исходного, так как в этом случае в каждом дюйме экрана смогут уместиться уже 120 из 144 пикселов.

Разрешение изображения является ключевым фактором, определяющим качество получаемой печатной продукции. Разрешение на выходе системы характеризуется количеством точек на дюйм, которое может воспроизвести устройство вывода.

Качество растровых изображений напрямую зависит от разрешающей способности оборудования, поэтому если при сканировании или создании изображения вы зададите низкое разрешение (например, 72 пиксела на дюйм), а при печати высокое, то на оттиске мелкие детали будут потеряны, а границы объектов получатся неровными. Т. е. если разрешающая способность монитора или принтера не будет сопоставима с собственным разрешением изображения, то часть элементов этого изображения может быть искажена или потеряна.

Сканирование изображений для их последующей обработки должно выполняться с максимальным разрешением, доступным для вашего печатающего устройства. При этом необходимо учитывать частоту растра, которая будет использована для вывода изображения.

3.5. Цветовое разрешение

Важной характеристикой растрового изображения является цветовое разрешение растровой графики (битовая глубина, битовое разрешение, цветовая глубина, число битовых плоскостей), определяемое числом битов, используемых для кодирования цвета каждого пиксела.

Битовое разрешение характеризует объем цветовой информации, используемый для описания каждого пиксела файла. Чем больше глубина пиксела, тем шире диапазон доступных цветов (и тем точнее их представление) в оцифрованном изображении.

В системе кодировки 1 битом для каждого пикселя экрана возможны только два варианта цвета (значение бита 0 или 1, черный или белый). Кодирование 1 битом каждого пикселя экрана определяет битовую плоскость. Для получения большого количества цветов одновременно используются несколько битов для кодирования цвета. Так, два бита определяют уже 4 возможных значения цвета на 1 пиксель, 4 и 8 битов соответственно, 16 и 256 значений. Пиксел же с битовой глубиной в 24 единицы имеет 224, или 16 миллионов возможных значений. Как правило, битовое разрешение задается в диапазоне от 1 до 24 бит на пиксел. Максимальное число используемых битов при отображении цветов определяет цветовое разрешение данного изображения.

При кодировании фотографий применяется 16-ти и 24-битное цветовое разрешение, что позволяет использовать соответственно 65536 или 16.7 миллионов возможных цветов.

 Существуют следующие варианты представления цвета в графических файлах:

256-цветный файл использует 8 бит на каждый пиксел и имеет соответствующую таблицу цветов, называемую палитрой. 16-битный цветной файл не использует палитру, а для сохранения красных, зеленых и синих цветовых компонентов каждого пиксела отводится 16 бит. Имеется два варианта: RGBцветов), RGBцветов). 24-битный цветной файл отводит по 8 бит для цветовых компонентов каждого пиксела. Использует 16,7 млн. возможных цветовых сочетаний, и поэтому самые маленькие отличия между ними могут быть едва замечены глазом. 32-битный цветной файл отводит по 8 бит для цветовых компонентов и 8 бит для альфа-канала каждого пиксела. Альфа-канал определяет уровень прозрачности каждого пиксела в изображении. Он используется программным обеспечением для применения масок, чтобы отображать видеоданные или изображения одно за другим.

Черно-белые полутоновые изображения могут быть записаны в 8-битный файл с 256 оттенками серого цвета (градации от белого до черного). Векторные изображения, которые сохраняются в виде геометрического описания объектов, составляющих рисунок, могут также включать в себя данные в формате растровой графики. В векторных форматах число битовых плоскостей заранее не определено.

Чем больше цветовое разрешение в файле, тем больше диапазон представимых цветов, тем больше места требуется на диске для его сохранения. Объем цветовой информации, содержащейся в битовом изображении, определяет размер графического файла. Например, объем 24-битного цветного изображения будет значительно превышать объем того же изображения, сохраненного в 8-битном формате. Редактирование битовых изображений, предполагает обработку групп пикселов. Программа интерпретирует любой объект как набор окрашенных пикселов.

При обработке растровых изображений редактируются не конкретные объекты, а составляющие их группы пикселов. Растровый тип является наилучшим для работы с тоновыми изображениями, например, c фотографиями.

В файлах растровой графики разных форматов характеристики хранятся различными способами.

Простые растровые картинки занимают небольшой объём памяти (несколько десятков или сотен килобайт). Изображения фотографического качества, полученные с помощью сканеров с высокой разрешающей способностью, занимают несколько мегабайт. Решением проблемы хранения растровых изображений является сжатие.

3.6. Цветовая палитра

Как правило, современные графические пакеты уже имеют свои встроенные палитры "по умолчанию", однако пользователь в любой момент может изменять значение цвета в регистрах ПЭВМ. Это выполняется с помощью регуляторов цветовых моделей, предусмотренных работой программы (RGB, HSB (HLS), CMY (CMYK)). Любое изменение цвета в регистрах палитры приводит к изменению соответствующих пикселей на экране монитора. Аналогичные палитры выбора цветов встроены в редактор презентаций Microsoft PowerPoint и практически во все графические редакторы с развитыми возможностями.

RGB модель построена на основе трихроматической компонентной теории восприятия цвета (теории Юнга-Гельмгольца), согласно которой красный, зеленый и синий цвета являются первичными цветами. Смесь первичных цветов образует вторичные. В режиме RGB для создания экранных цветов используются различные комбинации значений яркости красного, зеленого и синего света. Разнообразие цветов видимого спектра достигается за счет изменения интенсивности отдельных составляющих.

При обработке цветных RGB-изображений Adobe Photoshop присваивает каждому пикселу значение интенсивности, которое может изменяться в пределах от 0 (черный) до 255 (белый). Например, яркий красный цвет может характеризоваться значениями R=246, G=20, В=50. В случае равенства всех трех составляющих получается один из оттенков серого. При этом комбинация R=G=В=255 соответствует чистому белому цвету, а комбинация R=G=В=0 черному.

Цветовая модель HSB построена в соответствии с особенностями восприятия цвета мозгом человека. Составной цвет достигается за счет таких параметров, как оттенок (hue), насыщенность (saturation) и яркость (brightness).

Режим CMYK используется для подготовки изображений к четырехкрасочной печати с помощью триадных цветов: голубого, пурпурного, желтого и черного. В результате преобразования RGB-документа в формат CMYK происходит создание цветоделенных фотоформ. Как правило, переход к формату CMYK выполняется на завершающей стадии обработки изображения. Редактирование документов в формате RGB более эффективно, поскольку CMYK-файлы по объему в среднем на треть больше, чем RGB-файлы.

Каждому пикселу в CMYK-изображении присваиваются значения, определяющие процентное содержание триадных цветов. Самые светлые тона характеризуются низким содержанием триадных цветов, а наиболее темные (тени) соответственно более высокими значениями. Например, ярко-красный цвет может содержать 2% голубого, 93% пурпурного, 90% желтого и 0% черного цвета. В CMYK-изображениях чистому белому цвету соответствуют нулевые значения всех четырех составляющих.

Раздел 4. Форматы представления растровой компьютерной графики

4.1. Форматы растровой графики

Растровое представление компьютерной графики потребовало от разработчиков графических пакетов создания соответствующего формата хранения изображений.

Информация о растровом изображении представляется в виде двумерной матрицы, элементами которой являются числа. В простейшем случае эти числа соответствуют яркостям пикселов (в представлениях RGB и CMYK). Однако, могут использоваться так называемые индексированные цвета. В этом случае числа указывают не яркость пикселов, а ячейку в таблице (палитре) цветов, которая также должна храниться в файле. Таким образом, в общем случае мы можем говорить о значениях пикселов, содержание которых может варьироваться в зависимости от способа представления графической информации. Кроме описания собственно изображения, в файле может находиться и другая (служебная) информация. Как конкретно записана информация в файле — это и определяется его форматом (типом).

Тип файла указывается в расширении имени файла (имя файла находится слева от точки, а расширение — справа; например, picture1.bmp: picture1 — это имя файла, a bmp— его расширение). Расширение имени файла для каждого формата выбирается так, чтобы нетрудно было понять, информацию в каком формате содержит файл. Например, расширение jpg указывает, что файл содержит графическую информацию в формате JPEG.

Если говорить точнее, то формат — это некоторое описание (спецификация) того, что именно, где и в каком виде должно быть представлено в файле. Наша задача состоит в том, чтобы научиться их выбирать при сохранении изображений в файлах.

В настоящее время существует более двух десятков форматов графических файлов, например, BMP, GIF, TIFF, JPEG, PCX, WMF и др. Важной характеристикой этих файлов является способность представлять содержащиеся в них данные в сжатом виде. От этого зависит объем получающегося файла.

Таким образом, создав изображение (с помощью сканера, цифрового фотоаппарата, графического редактора), вы должны сохранить его в виде файла. Для этого нужно оптимизировать параметры как самого изображения, так и собственно файла. Главная задача при этом — найти компромисс между качеством изображения и объемом содержащего его файла.

4.2. Сжатие графических файлов

Прежде чем перейти собственно к графическим форматам, рассмотрим принципы сжатия данных. Сжатие (компрессия) имеет очень большое значение при создании файлов с мультимедийной информацией. Без него файлы имели бы неприемлемо большой объем.

Алгоритмы сжатия, используемые при создании файлов, делятся на два класса: обеспечивающие сжатие без потери информации и допускающие некоторую ее потерю. Сжатие без потерь основано на удалении избыточности исходного представления информации. Такое сжатие еще называют обратимым. Сжатие с потерями базируется на удалении некоторой части информации. В ряде случаев эти потери оказываются практически незаметными для зрения или вполне допустимыми. Это относится главным образом к изображениям типа фотографии. Опыт показывает, что довольно часто за счет незначительной потери качества такого изображения можно существенно сократить объем файла. Сжатие с потерями называют также необратимым.

Рассмотрим основные идеи алгоритмов сжатия данных без потерь. Но сначала приведем простой пример. Допустим, исходная информация представлена в виде следующей последовательности букв: ААААББВВВААААААА. Само собой напрашивается более экономное представление этой информации: А4Б2ВЗА7. Здесь число указывает количество повторений буквы, указанной слева от числа. Алгоритм декодирования этой последовательности очевиден: каждую букву необходимо записать столько раз, сколько указано числом справа от нее. В данном случае мы сократили объем данных в 2 раза, причем без потерь, поскольку есть декодирующий алгоритм, полностью восстанавливающий исходные данные. Можно сказать, что исходное представление информации было избыточным. Многие изображения (например, темные линии на белом фоне) содержат большие области одинаковых пикселов. Каждому пикселу соответствует одно число (яркость в оттенках серого или индекс) или несколько чисел (обычно три, по количеству базовых цветов). Для таких картинок описанный выше алгоритм сжатия обычно дает хорошие результаты. Если говорить более общо, то исходное представление информации можно рассматривать как последовательность битов (нулей и единиц) или байтов (блоков из восьми битов). А раз так, то не принципиально, что собственно содержит исходная запись: текст, программу или графическое изображение. Алгоритмы сжатия могут быть универсальны. Однако они могут иметь различную сложность (быстродействие) и обеспечивать разную степень сжатия. Для любого алгоритма можно найти набор данных, для которого этот алгоритм окажется не хуже других. С другой стороны, существуют такие наборы данных, которые не сжимаются никаким алгоритмом. Так, любой набор случайных данных с равномерным законом распределения вероятностей их появления не сжимается. Наличие же каких-то регулярностей (повторений, зависимостей) в исходных данных обеспечивает возможность их более экономного представления, т. е. сжатия.

Простейшие алгоритмы сжатия, называемые также алгоритмами оптимального кодирования, основаны на учете распределения вероятностей элементов исходного сообщения (текста, изображения, файла). На практике обычно в качестве приближения к вероятностям используют частоты встречаемости элементов в исходном сообщении. Вероятность — абстрактное математическое понятие, связанное с бесконечными экспериментальными выборками данных, а частота встречаемости — величина, которую можно вычислить для конечных множеств данных. При достаточно большом количестве элементов в множестве экспериментальных данных можно говорить, что частота встречаемости элемента близка (с некоторой точностью) к его вероятности.

Если вероятности неодинаковы, то имеется возможность наиболее вероятным (часто встречающимся) элементам сопоставить более короткие кодовые слова и, наоборот, маловероятным элементам сопоставить более длинные кодовые слова. Таким способом можно уменьшить среднюю длину кодового слова. Оптимальный алгоритм кодирования делает это так, чтобы средняя длина кодового слова была минимальной, т. е. при меньшей длине кодирование станет необратимым. Такой алгоритм существует, он был разработан Хаффменом и спользуется при сжатии формата JPEG.

4.3. Формат GIF

Формат GIF позволяет сжимать изображения, цветовая палитра которых содержит 256, или меньшее количество цветов. При этом компрессия будет происходить без потери качества — то есть рисунок, полученный после декомпрессии, будет идентичен исходному.

Если же рисунок содержит количество цветов большее, чем 256, их число будет сокращено до предельного значения. При этом необходимо отметить, что на этапе сокращения количества цветов возможно значительное ухудшение качества изображения. При сжатии исходного изображения в GIF уменьшить размер конечного файла можно только за счет сокращения количества цветов в палитре, задав требуемое количество цветов из возможного диапазона от 2 до 256.

4.3.1. Оптимизация палитры изображения в формате GIF

Преобразование полноцветного изображения в индексное (т. е. — с использованием палитры) является важной операцией, и тут нужно сказать несколько слов о том, как это делается современными графическими пакетами.

Палитра конечного изображения может быть либо фиксированной, либо оптимизированной. В первом случае графический редактор просматривает каждую точку изображения и подбирает ей ближайшую по цвету из палитры. Этот способ дает самые худшие результаты с точки зрения верности воспроизведения цветов.

Во втором случае, когда используется оптимизированная палитра, графический редактор вначале анализирует рисунок и составляет список всех используемых в изображении цветов. Далее, на основании частоты появления цветов, составляется палитра, которая называется оптимизированной. После этого, уже обычным способом, просматривается рисунок, и цвет пикселя изменяется на ближайший из палитры. Этот способ дает гораздо лучшие результаты, и именно его следует применять, если нет иных причин для использования фиксированной палитры.

При оптимизации конкретного изображения задача состоит в том, чтобы выбрать наиболее оптимальное количество цветов в палитре.

Таким образом, сам собою напрашивается вывод, что GIF наиболее подходит для сжатия графических файлов, содержащих ограниченное количество цветов, большие области одного цвета и резкие границы при переходе от одного цвета к другому. Этот графический формат идеален для представления изображений логотипов, текстов, диаграмм, графиков и чертежей. Формат GIF существует в двух вариантах — GIF87a и GIF89a.

Он использует метод компрессии LWZ, названный так по первым буквам фамилий разработчиков Lempel, Ziv, Welch. Формат GIF89a полностью поддерживает стандарт формата GIF87a, но, кроме этого, дополнен такими новыми возможностями, как прозрачность цвета (transparency), чересстрочная загрузка (interlaced) и анимация. Возможность задавать прозрачность цвета позволяет создавать рисунки произвольной формы, которые накладываются на любой фон.
Поддержка в GIF89a простой анимации осуществляется цикличным чередованием последовательности изображений через заданный промежуток времени.

Формат Gif является одним из графических форматов, использующихся при создании web-страниц.

Рис 1. а). Изображение в формате Gif с использованием палитры

из 4 цветов (объем файла 6 кб)

б). Изображение в формате Gif с использованием 16 цветов (13 кб)

в). Изображение в формате Gif с использованием 256 цветов (37 кб)

4.3.2. Характеристики формата GIF

Некоторые характеристики формата GIF:

Поддерживает не более 256 цветов; Использует палитру цветов; Использует сжатие без потери информации по методу LZW (который подобен применяемому в архиваторе PKZIP и, следовательно, GIF-файлы практически не сжимаются); Позволяет назначить любому из цветов в палитре атрибут прозрачный, что применяется при создании так называемых прозрачных GIF-изображений; Имеет возможность сохранения в одном файле нескольких изображений, что находит свое применение при изготовлении анимированных GIF-изображений;

Так как GIF поддерживает не больше 256 цветов, а это значит, что все изображения, которые мы сохраняем в GIF-формате, явно или неявно уменьшают количество цветов, чтобы уложиться в этот лимит (разные программы с разным успехом). А отсюда вывод — если у Вас красивая фотография с плавными переходами и едва уловимыми оттенками цвета, то после преобразования все будет гораздо хуже — оттенки перестанут быть неуловимыми, и вся фотография приобретет неестественный, нереалистичный вид. Зато нет никаких проблем с сохранением рисунков и чертежей в этом формате, они, как правило, хорошо сжимаются и не содержат много цветов.

4.3.3. Прозрачность

Формат GIF позволяет сохранять т. н. "прозрачные" изображения. На самом деле, GIF не поддерживает прозрачность в изображениях (т. н. альфа-канал), он лишь позволяет назначить одному любому цвету в палитре атрибут прозрачности.

4.4. Формат JPG

Графический формат JPEG (Joint Photographic Experts Group), сокращенно JPG используется для представления файлов многоцветных изображений. Файлы этого формата имеют расширение jpg, jpe или jpeg. JPEG позволяет сжимать изображения, цветовая палитра которых содержит до 16,7 миллионов (True Color), или меньшее количество цветов.

При этом компрессия будет происходит с потерей качества (lossy compression), так как только таким образом удалось достичь такой необыкновенной силы сжатия, без существенного снижения качества исходного изображения. При сжатии исходного изображения в JPEG силу сжатия можно регулировать в очень широких пределах. Поскольку сжатие у данного формата приводит к потере качества изображения, необходимо помнить, чем больше будет его степень, тем сильнее изображение будет искажено относительно исходного.

Искажения, вносимые в картинку кодировщиком JPEG, часто называют артефактами JPEG.

Формат JPEG наиболее подходит для сжатия графических файлов фотографического качества с большой глубиной цвета, содержащих большое количество цветов, плавные цветовые переходы и мелкие цветовые детали. Этот графический формат в большинстве случаев оказывается наилучшим форматом файла для представления в сети интернет фотографий и иллюстраций фотографического качества с большим количеством мелких деталей.

JPEG не поддерживает прозрачность цвета, что несколько снижает сферу его применения.

4.4.1. Характеристики формата JPEG

Некоторые характеристики формата JPEG:

Позволяет сохранять полноцветные изображения с количеством цветов 16,7 млн. цветов (или 24 bpp), причем, если в рисунке меньше цветов, то перед сохранением файла он все равно преобразуется в полноцветное изображение; Использует сжатие с потерями информации, за счет чего достигает диких степеней сжатия файлов;

В отличие от GIF, в формате JPEG используется алгоритм сжатия с потерями информации, благодаря чему достигается очень большая степень сжатия (от единиц до сотен раз). Применение к JPEG-файлам процедур типовых универсальных архиваторов, таких как ZIP, RAR и ARJ, практически не уменьшает их объем. Поэтому не стоит упаковывать JPEG-файлы обычными архиваторами.

Существуют разновидности формата JPEG:

Baseline Standart (стандартная базовая линия) — основной формат; Baseline Optimized (оптимизированная базовая линия) с немного более эффективным алгоритмом сжатия; Progressive (прогрессивный, постепенный), поддерживающий чересстрочный режим отображения, при котором загрузка в браузер выглядит как постепенное повышение четкости картинки.

Формат JPEG не поддерживает индексированные цвета и прозрачность пикселов (альфа-канал). Во многих случаях потери графической информации, возникающие при сохранении изображений в этом формате, оказываются вполне приемлемыми, незаметными для глаза. Однако в JPEG рекомендуется сохранять лишь окончательный результат обработки изображения.

4.4.2. Оптимизация с целью уменьшения объема изображений в формате JPG

У формата существует один способ оптимизации: выбрать оптимальный коэффициент сжатия.

Для осуществления такой оптимизации нужен графический пакет, который позволяют нам регулировать степень сжатия изображения.

Для определения оптимальной степени сжатия изображения, нужно сохранить фотографию при нескольких значениях коэффициента сжатия, а затем внимательно рассмотреть ее. Критерием потери качества будут так называемые "дрожащие контуры", наиболее заметные в местах контрастных переходов, и появление пятен в областях с плавными переходами. Тот коэффициент сжатия, при котором искажения еще не видны, но с увеличением его (коэффициента) на одну ступеньку становятся заметными, и будет оптимальным. Размер файла при таком разрешении будет минимальным и без потери качества.

При работе с графикой следует использовать JPEG только для сохранения конечных результатов. Если вы, не закончив работу над изображением, сохраните его в этом формате, качество может значительно ухудшиться. Разумеется, это скажется и на конечном результате.

4.5. Рекомендации по обработке графики

Рассмотрим некоторые особенности работы с графикой. Несмотря на то, что мы сохраняем изображения в GIF-файле с поддержкой 256 цветов или в JPG-файле с 16,7 млн. цветов, работать с изображением нужно в каком-нибудь промежуточном формате, который позволяет сохранять картинку без искажений и без потери глубины цвета (например, TIFF и внутренние форматы редакторов типа PSD). Дело в том, что в процессе работы может понадобится многократно изменять или искажать изображение, что, в конце концов, приводит к многократной перезаписи файла. Многократная запись в формате GIF приведет к тому, что потеряются оттенки изображения, а в формате JPG — каждая новая перезапись файла будет вносить новые искажения, и через некоторое время фотография будет выглядеть ужасно. Поэтому вся работу по обработке графики осуществляется в промежуточном формате и только на самом последнем этапе изображение преобразуется в нужный формат (часто — одновременно с оптимизацией размера файла).

При работе с графическими форматами GIF и JPEG важно помнить следующее:

·  Размер результирующего GIF-файла зависит от количества цветов в палитре. Чем меньше цветов в палитре, тем выше можно задать степень сжатия, и тем меньше будет размер конечного файла.

·  Размер результирующего JPEG-файла зависит от насыщенности изображения мелкими деталями. Чем их больше, тем выше можно задать степень сжатия, и тем меньше будет размер конечного файла.

·  Нельзя сохранять промежуточные варианты изображений в JPEG, всегда держите копии в других форматах, не допускающих искажений. При необходимости внесения каких-либо изменений необходимо использовать именно эти копии.

·  Нельзя прибегать к конвертации изображений из GIF в JPEG и наоборот. При таких действиях уменьшается возможность корректной компрессии, появляются искажения изображения и цветопередачи.

·  Изображения, содержащие ограниченное количество цветов, большие области одного цвета и резкие границы при переходе от одного цвета к другому, сжатые по технологии GIF, выглядят лучше, чем JPEG, а результирующие файлы будут меньшего размера. Если подобные изображения преобразовать в формат JPEG, цвета преобретут грязноватый оттенок, около контрастных границ изображения появятся характерные искажения в виде "мушек", а результирующие файлы будут несколько больше.

·  Фотографии с большим количеством мелких цветных деталей и изображения с полутонами, сжатые по технологии JPEG, выглядят лучше, чем GIF, а результирующие файлы будут меньшего размера. Если подобные изображения сжимать GIF'ом, цвета преобретут грязноватый оттенок, появится так называемы "муар" и видимые границы смежных областей близких цветов, которые останутся на месте плавных переходов цвета, а результирующие файлы будут несколько больше.
Для упрощения действий по сжатию графических файлов существуют специальные приложения, которые позволяют значительно уменьшить размеры графических файлов без видимых потерь качества.

Рис 2. а). Изображение в формате JPEG с низкой степенью сжатия

Рис 2. б). Изображение в формате JPEG со средней степенью сжатия

Рис 2. в). Изображение в формате JPEG с высокой степенью сжатия

Рис 2. г). Увеличенный фрагмент изображения, сжатого с помощью формата JPEG

4.6. Собственные форматы

Многие графические редакторы обладают собственными форматами сохраняемых файлов. Например, файлы собственного формата Photoshop имеют расширение psd. Немногие приложения поддерживают формат PSD (PhotoShop Document). Это основной недостаток собственных форматов. Ряд графических программ воспринимают только однослойные PSD-изображения, а многослойные корректно импортируют, например, Adobe Illustrator.

Обычно в файлах собственного формата сохраняют промежуточные результаты работы, чтобы позднее продолжить их редактирование. По окончании работы над изображением его сохраняют в файле какого-нибудь более распространенного формата, доступного многим приложениям.

При подготовке высококачественной графики те или иные виды искажений недопустимы. Если исходное изображение уже содержит те или иные аномалии, то получить качественную картинку при дальнейшем сжатии будет практически невозможно. По этой причине на промежуточных этапах чаще всего используются форматы, не вносящие искажения, а значит, практически не допускающие сжатия без применения внешних архивирующих программ.

4.7. Формат PSD

Так как графический пакет Adobe PhotoShop является одним из наиболее распространенных средств подготовки графики, его внутренний графический формат (PSD) также получил широкое распространение.

Следует отметить, что этот формат наиболее широко применяется для хранения промежуточных результатов работы над оформлением сайта. Для хранения исходных изображений обычно используются другие форматы.

Формат PSD развивается одновременно с программой PhotoShop, что необходимо для хранения элементов, которые вводятся в новых версиях программы. При этом сохраняется полная обратная совместимость форматов. То есть файл, сохраненный, например, в PhotoShop более ранней версии, может быть открыт в PhotoShop более поздней версии без потери каких-либо элементов изображения или его качества. Следует учитывать, что обратная совместимость форматов не поддерживается. Это значит, что некоторые элементы файла не смогут быть прочитанными в более ранних версиях программы.

В настоящее время файл, сохраненный в формате PSD, может содержать различные элементы:

Слои изображений. Для каждого слоя хранится отдельный канал прозрачности (альфа-канал), позволяющий задать прозрачность каждой точки изображения. Прозрачность может изменяться от 0 до 100% (256 градаций). Один из слоев полностью непрозрачен и называется Фоном (Background). Этот слой создается по умолчанию в любом создаваемом файле (за исключением случая создания файла с прозрачным фоном). Для сохранения файлов в форматах, не позволяющих сохранять слои, все существующие слои объединяются в фоновый слой. Слои могут быть сгруппированы или объединены в набор (layer set), после чего многие операции (такие, как перемещение изображения) выполняются над всеми слоями группы или набора одновременно. Кроме того, для слоя могут быть определены стили и эффекты, определяющие вид изображения, но не изменяющие его (например, можно легко установить тень, отбрасываемую слоем, без изменения самого слоя). Дополнительные альфа-каналы[3]. Вы можете определить и сохранить дополнительные альфа-каналы, не связанные с конкретными слоями. Эти каналы могут использоваться для сохранения сложных масок (выделений фрагментов изображений). Цветовые каналы. Изображение в формате PSD может храниться в различных цветовых моделях (RGB, Lab, CMYK, Grayscale и т. д.). Для моделей, предусматривающих наличие нескольких цветовых каналов, эти каналы сохраняются отдельно (например, для изображения в модели Lab отдельно сохраняются каналы L, а и b). Это позволяет конвертировать изображения из одной модели в другую после загрузки из файла. Кроме того, каналы могут быть выделены в отдельные файлы, что используется, например, при подготовке изображения к печати. Кроме основных каналов цветовой модели, могут сохраняться каналы дополнительных цветов (spot channels), хранящие информацию о добавочных красителях, используемых при печати изображения. Цветовые профили (профили ICC). Цветовые профили позволяют скорректировать изображение таким образом, что его цвета выводятся на используемое устройство (монитор или принтер) без искажений. Внедренные в PSD-файл цветовые профили позволяют с легкостью переносить эти файлы с компьютера на компьютер, не боясь искажений оттенков. Благодаря использованию системы цветокоррекции программа PhotoShop удобна для дизайнеров, работающих в полиграфии. Направляющие. Направляющие линии позволяют легко выравнивать объекты, расположенные в разных слоях, точно выделять прямоугольные области изображения, проводить прямые линии. Текстовые слои. Для удобства работы с текстом в PhotoShop были введены текстовые слои. Такие слои сохраняют текст не только в растровой форме (обычная графика), но и в виде собственно текста, что позволяет изменять текст и параметры его отображения. Программы, используемые для просмотра файлов отображают такие слои в виде пикселов, a PhotoShop позволяет получить доступ к таким атрибутам, как гарнитура шрифта, его размер, начертание, расстояние между символами (кернинг) и другим. Изображение для предварительного просмотра (thumbnail). Этот элемент представляет собой уменьшенную копию изображения, хранимого в файле. Многие программы считывают это изображение и отображают до открытия основного содержимого. По этим картинкам можно быстро выбрать нужный файл, особенно если его имя не связано с содержимым.

Кроме перечисленных выше элементов, файл в формате PSD может содержать текстовые комментарии и некоторые другие блоки.

Для уменьшения объема, занимаемого РSD-файлом на диске, в этом формате используется алгоритм сжатия RLE (Run-Length Encoding — кодирование серий). Этот алгоритм обеспечивает сравнительно невысокую степень сжатия, но позволяет повысить скорость обработки данных, кроме того, сжатие производится без потерь информации. PSD-файлы занимают меньше места на диске, чем, скажем, несжатые файлы в формате TIFF. Файлы PSD можно дополнительно сжать при помощи программы-архиватора. Это позволяет уменьшить объем файла еще приблизительно (в зависимости от его содержимого) в два раза.

4.8. Формат BMP

Формат BMP (Windows Bitmap— растровое изображение Windows) является собственным форматом графического редактора Microsoft Paint, поставляемого вместе с операционной системой Windows. Формат BMP допускает применение алгоритма последовательного сжатия без потерь и может представлять до 16 млн цветов. Однако не все графические программы распознают сжатые BMP-файлы. Несжатые BMP-файлы имеют большой объем. Файлы данного формата имеют расширение bmp. Прозрачность BMP-формат не поддерживает.

Photoshop сохраняет изображения в формате BMP в следующих цветовых представлениях: RGB, CMYK и оттенки серого. Формат BMP позволяет сохранять изображения с достаточным качеством и глубиной цвета, но он не позволяет использовать цветокоррекцию, хранить слои и другие элементы изображений. Поэтому он используется редко, в основном как конечный формат при подготовке графики для Windows.

4.9. Формат TIFF

Формат TIFF (Tagged Image File Format — формат файлов изображений, снабженных тегами) является одним из наиболее широко распространенных форматов, используемых при подготовке графики. Этот формат является фактически стандартом для подготовки изображений в полиграфии. Файлы этого формата обычно имеют расширение TIF или TIFF.

TIFF является одним из наиболее сложных по своей внутренней структуре форматов. Файлы TIFF начинаются с заголовка файла изображения (IFH — Image File Header), имеющего длину 8 байтов. Заголовок файла содержит блок, называемый каталогом файла изображения (IFD — Image File, Directory). Этот блок позволяет графическим программам определить внутреннюю структуру файла.

В файле формата TIFF изображение может храниться в цветовых моделях CMYK, RGB, Lab в режиме индексированных цветов, а также в виде оттенков серого (grayscale). Это позволяет использовать формат для хранения самых разных изображений, применяемых как для подготовки интернет-графики, так и в полиграфии. Кроме цветовой модели, сохраняется и разрешение, с которым следует выводить изображение на печать. Задав высокое разрешение, можно получить качественные распечатки, если принтер поддерживает печать с заданными параметрами.

Максимальное число битов, которыми описывается один пиксел изображения в формате TIFF, составляет 24. Это позволяет закодировать доцветов.

Кроме изображения, в TIFF-файле могут сохраняться каналы прозрачности (alpha-каналы), позволяющие сохранять прозрачные области изображения или выделения объектов между сеансами работы.

Важное свойство формата TIFF — использование сжатия данных. Такое сжатие не является обязательным и может быть включено или выключено пользователем. В большинстве случаев используется алгоритм сжатия LZW, но может применяться и сжатие с потерями (например алгоритм JPEG). Сжатие данных позволяет существенно снизить размер файла. Особенно сильно это проявляется на изображениях, содержащих большие однотонные пространства, например, на отсканированных текстах и схемах.

Формат TIFF может применяться для сохранения промежуточных результатов работы, не требующих внедрения специфической информации (векторных объектов, направляющих линий, слоев и других объектов). Распространенность этого формата позволяет легко переносить изображения между программами и аппаратными платформами.

4.10. Конвертирование графических форматов

При формировании графических изображений (особенно включающих в себя шрифтовые надписи, тексты, таблицы) нередко приходится соединять в одном файле результаты работы нескольких программ (в нескольких различных форматах). При этом возникает ряд проблем, связанных, с одной стороны, с различиями между символьным и графическим способами представления информации, а с другой — с различиями форматов, используемых в рамках каждого из этих способов. Так, для графических форматов характерны, например, различие в размере палитры, для символьных — различия стандартов кодировки и таблиц символов.

Ни один графический редактор не понимает всех существующих форматов. Но имеется ряд широко распространенных форматов хранения информации, принятых в качестве фактических стандартов. И, следовательно, один из способов решения данной проблемы состоит в использовании только этих форматов для передачи информации между разными программами. В этом случае используются программы-конверторы.

Большинство прикладных программ используют встроенные конверторы, которые позволяют преобразовывать форматы BMP, PCX и TIFF друг в друга. Имеются и специальные программы-конверторы.

[1] Опыты по разложению белого света на цветные составляющие и сведению их снова в белый луч впервые провел И. Ньютон в XVII веке.

[2] Пиксел - единица измерения разрешения экрана. Соответствует отдельно светящейся точке, цветом и яркостью которой компьютер может управлять. Английское слово "pixel" представляет собой сокращение фразы "picture cell" (элемент изображения).

[3] В компьютерной графике принято называть данные о прозрачности изображения альфа-каналом (alpha-channel). Прозрачность некоторого объекта может обозначаться в программах как «альфа» («alpha»).