Питання по курсу “Системи та технології комп'ютерної графіки” (стр. 4 )

16.  Основні принципи растрової графіки

З растровою формою формування зображень людина знайома з дитинства (згадаємо, як дитина складає зображення з кубиків).

Це метод формування зображень, який використовується у телебаченні, при якому промінь за кадр проходить елемент за елементом повний екран (до речі, у телебаченні растр-робоче поле - прямокутник, а у радіолокації - робоче поле формується радіусом по колу). У телебаченні розгортання растру ведеться через рядок. Спочатку формуються непарні рядки, а потім парні. У комп'ютерних моніторах розгортання ведеться рядок за рядком, а зображення малюється на растр-екрані шляхом підсвічення відповідних елементів зображення. І для цього за стан кожного елемента растру повинен відповідати елемент пам'яті. В ньому зберігається в закодованому вигляді колір (якщо зображення кольорове), напівтон (якщо зображення напівтонове). Таким чином зображенню на екрані (на растрі) може відповідати зображення у растровій пам'яті.

Зліва Ви бачите екран з порядковим розгортанням зображення, а праворуч растрову пам'ять, і як показано на малюнку, в кожній комірці є інформація згідно з якою формується імпульс підсвічення, тобто кожному елементу пам'яті відповідає точка на екрані, а зображення формується шляхом підсвічення точок з відповідною інформацією у пам'яті. Зрозуміло, що якщо сусідні точки ми бачимо окремими, то створюється дискретно-розірване зображення. Але при розгортанні формується не точка, а риска. Тому всі нахиленні лінії мають вигляд сходинок. Тільки вертикальні лінії розірвані, а горизонтальні суцільні. Відстань поміж сходинками тим більша, чим більша відстань між рядками растра. Тому прямий шлях до зменшення відстані між сходинками (підвищення якості зображення) є збільшення дискретності растра на заданому робочому полі. У більшості сучасних систем так і роблять, зараз у системах якісного відображення дискретність може бути до 2048x2048 елементів. Якщо зрозуміло як формується зображення на растрі, то досить просто обчислити деякі параметри та з'ясувати можливості растрового методу формування зображення.

17.  Сходинковий ефект та засоби його зменшення

Побудова зображень на растрі призводить до наявності так званого сходинкового ефекту. Приклад цього ефекту подано на малюнку

Причини появи сходинкового ефекту зрозумілі, але є багато шляхів побудови сходинок. Розроблені алгоритми їхньої побудови. Наприклад, алгоритм може мінімізувати середньоквадратичну відстань від лінії А-р, В-р до елементів сходинок d (це можна бачити на малюнку). Звичайно, оцінює якість цих алгоритмів користувач, який бачить на екрані зображення та оцінює його якість. Сходинковий ефект є на усіх похилих лініях і відсутній на горизонтальних лініях, на вертикальних є розриви ліній. Зменшити цей ефект можливо двома шляхами. Звичайний шлях - це збільшення дискретності растру (при цьому треба вдосконалити якість трубки, збільшити растрову пам'ять, підвищити частотні властивості засобів формування зображення - підсвічення зображення). Другий - невеликий рух променю по напрямку лінії, яка будується (вобуляція променю). Як перший, так і другий шлях досить коштовні. Але другий шлях зараз майже не використовується.

Звичайним шляхом зменшення впливу сходинкового ефекту є малювання сходинок таким чином, щоб відхилення від ліній (яке повинно було б бути) було найменшим. Для цього розроблені відповідні алгоритми, вони різні для різних типів ліній (для векторів, кола, еліпсів). Заповнення інтервалів поміж сходинками часто проводиться напівтоновими елементами.

18.  Роздільча здатність та якість зображень

Базовим елементом растрової графіки є піксель. Логічні пікселі подібні до математичних точок: вони мають місцеположення, але не займають фізичного простору. Фізичні пікселі – це реальні точки, що відображаються пристроєм виводу. Вони є найменшими фізичними елементами поверхні відображення і займають її певну площу. Однією з основних характеристик при відображені та введені зображень є роздільча здатність. Що характерізується кількісттю базових елементів на одиницю довжини. Вища роздільча здатність обумовлює вищу якість зображення. Але треба пам’ятати, що кожний пристрій відображення (як і введення) має свою роздільчу здатність, а те що часто в документації на комп’ютери розглядається як роздільча здатність є дискретність растру відображення і вплив на сприйняття користувачем перевищення дискретності над роздільчою здатністю може бути негативним. Іноді не вдаючись у розроблені у фотографії та оптиці методи оцінки роздільчої здатності кажуть про залежить роздільчої здатності від мінімально припустимої відстані між базовими елементами (пікселями), що забезпечує відповідний пристрій. Якщо задати пристрою відображення надто високу дискретність растру здатність (кількість пікселів на одиницю довжини зображення), то якість зображення знизиться із-за накладення або злиття сусідніх пікселів. При надто низькій роздільчої здатності суттєво знизиться якість зображення.

Розрізняють роздільчу здатність оригіналу (зображення на носії), зображення у пам’яті та екранного зображення. Роздільча здатність часто помилково вимірюється в точках на дюйм (dpi), бо це дискретність, тому в оптиці ще додається рівень модуляції між сусідніми точками. І тому роздільча здатність залежить від багатьох факторів (методу формування зображення, якості та виду носія та інше). Зображення у пам’яті залежить від пристрою введення, від вимог до якості зображення, розміру файла, способу оцифровування, вибраного формату файла та іншого. Підвищення вимог до якості зображення вимагає вищої роздільчої здатності приладу та носія на який виконується виведення. У багатьох випадках для екранної копії достатньо роздільчої здатності 72 dpi, для роздруковування на кольоровому принтері – 150-200 dpi, для виведення на фотопринтер – 200-300 dpi.

Розмір точки растрового зображення залежить від методу і параметрів растрування оригіналу, коли на оригінал як би накладається сітка ліній, комірки якої утворюють елемент растра. Частота сітки растра вимірюється кількістю ліній на дюйм і називається лініатурою (lpi). Розмір точки растра розраховується для кожного елементу і залежить від інтенсивності тону в комірці. Для вищої інтенсивності щільніше заповнюється елемент растра. При раструванні з амплітудною модуляцією ілюзія більш темного тону створюється за рахунок збільшення розмірів точок при однаковій відстані між центрами елементів растра. При раструванні з частотною модуляцією інтенсивність тону регулюється зміною відстані між сусідніми точками однакового (найменшого) розміру. Інтенсивність тону часто прийнято розділяти на 256 рівнів. Для її відтворення достатньо мати розмір комірки растра 16 на 16 точок.

Розміри файлів суттєво збільшуються з ростом роздільчої здатності (одиниці, десятки і сотні Мбайт).

До суттєвих недоліків растрової графіки, окрім великих розмірів файлів, слід віднести пікселізацію зображень при їх збільшенні та деформацію при зменшенні.

19.  Перетворення зображень у растровій формі

Нажаль растрова графіка дає тільки два перетворення, які досить просто виконуються - копіювання та перенесення. Копіювання це перезапис зображення з однієї області пам'яті (де зображення знаходилось) у іншу (де зображення повинно знаходитись). Для перенесення зображення робиться ще вилучення першого зображення. Звичайно у графічних редакторах зона виділення для виконання цих операцій робиться у вигляді прямокутників. Інші перетворення у растровій формі робляться зі значними обмеженнями. Вважається, що основним недоліком растрової форми є не тільки потреба значного обсягу пам'яті, а й відсутність широкого спектру алгоритмів обробки та перетворення лінійчатих зображень, які є при векторному поданні зображень. Тому наступні два перетворення є органічною частиною сучасної комп'ютерної графіки.

По-перше, це копіювання зображень, що зводиться до перезапису змісту пам'яті з одного місця на інше. Звичайно навколо цього зображення позначається прямокутна область ( таким чином виділяється область пам'яті ) і вона переписується у потрібне місце.

По-друге, це перенесення зображень. Ця операція виконується таким же чином як і копіювання, але область пам'яті де було зображення витирається.

У кіно, телебаченні та іграх часто використовуються матричні алгоритми перетворень у яких кількість елементів матриці дорівнює кількості пікселів зображення. Для виконання цих перетворень потрібні досить значні обчислювальні ресурси.

Але основним недоліком растрової форми подання для лінійчатих зображень є по-перше, неможливість детального перегляду інформації, тобто наближення у вікні до об'єкту не призводить до збільшення інформації про нього, та створення ієрархічної моделі складних зображень.

20.  Існування двох форм подання зображень

Для різних галузей використання комп'ютерної графіки питома вага та значення цих двох форм різна. Безумовно є галузі в яких майже немає векторної форми, наприклад, комп'ютерна графіка у видавничих системах, чи майже нема растрової форми - автоматизоване проектування. Але зтверджувати, що зовсім немає буде не вірно. Всі шрифти TrueType зроблено у векторній формі (іншого і бути не може - бо це шрифти з якими виконуються перетворення), а у зв'язку з тим, що векторних моніторів зараз нема, то для відображення векторні зображення перетворюють у растрові. У кіно та телебаченні - робота з твердотільною графікою (при генерації тривимірних образів, які рухаються) та робота зі сценами виконується в векторній формі, а потім перетворюється у растрову ( доречі, при використанні в телебаченні у телевізійну растрову форму). Разом з тим, обробка зображень проводиться в растровій формі. У такій галузі як Image Proccesing обробка, фільтрація та розпізнання виконується у растровій формі, а перетворення у векторній.

Нова цікава галузь - це комп'ютерна графіка в Web-дизайні, а точніше в InterNet. Незважаючи на те, що як і при видавництві робиться графічне оформлення матеріалу, ця галузь не може з нею співпадати за двома основними причинами. По-перше, ця галузь критична до обсягу пам'яті на зображення і, по-друге, зображення при Web-дизайні розглядається на екрані, а зображення у видавничих системах у відбитому світлі і це накладає певні обмеження... Значна частина функцій сучасних графічних систем для створення Web-сторінок використовує векторні перетворення, наприклад, така популярна система для розробки мультімедійних Web-сторінок як Flash.. В InterNet прийнято стандарт xml, що забезпечує передачу зображень в векторній формі.