Компьютерная графика. Лекция...

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ ВКОМПЬЮТЕРЕ

Компьютерная графика. Лекция 2.

Компьютерная графика. Лекция 2

ГРАФИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Система компьютерной графики является преждевсего вычислительной системой и, как таковая,включает все компоненты вычислительной системыобщего назначения:• процессор;• память;• буфер кадра;• устройства вывода;• устройства ввода.


Структура графической системы


Устройства вводаВ большинстве графических систем в качестве

хотя бы одного из возможных устройств вводаиспользуется обычная алфавитно-цифроваяклавиатура. Но более специфическимиустройствами, предназначенными для вводаименно графической информации, являютсямышь, джойстик и планшет, цифровая камера.


Принцип получения цифрового изображения

x – характеристика яркости светаy – яркость пиксела изображения

x )(xfy =


Светочувствительная матрицаВ цифровых фотоаппаратах и видеокамерах изображениеформируется на светочувствительной матрице ПЗС (англ. CCD)или КМОП (англ. CMOS) сенсоров.

ПЗС-ма́трица (сокр. от «прибор с зарядовой связью») или CCD-ма́трица (сокр. от англ. CCD, Charge-Coupled Device)КМОП-матрица (К-МОП; комплементарная логика на транзисторахметалл-оксид-полупроводник; КМДП; (сокр. от англ. CMOS,Complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor)


Так как эти сенсоры чувствительны только к яркости, то для получения цветного изображения применяют светофильтры.

Макросветофильтр

• Первый вариант. Для получения одного изображенияинформация снимается с матрицы сенсора 3 раза подряд, приэтом каждый раз используется светофильтр для одного избазисных цветов RGB.

• Второй вариант. С помощью призмы поступающий световойпоток разлагается на три, соответствующих базисным RGBцветам. Каждый из этих потоков направляется на свою ПЗС-матрицу. Поэтому эта технология получила название 3CCD.


Микросветофильтр (Фильтр Байера)

Каждый элемент ПЗСматрицы имеет свойсветофильтр,соответствующий одному избазисных RGB цветов(маска Байера ).


Устройства вывода изображений


микрофотографии дисплея

Принцип работы ЖКДРабота ЖКД основана на явлении поляризациисветового потока.Кристаллы поляроиды способны пропускать только тусоставляющую света, вектор электромагнитнойиндукции которой лежит в плоскости, параллельнойоптической плоскости поляроида.Для оставшейся части светового потока поляроидбудет непрозрачным. Таким образом поляроид как бы"просеивает" свет, данный эффект называетсяполяризацией света.



Принцип работы ЖКД


Структура видеоадаптера

Буфер кадра

Все современные видеоадаптеры формируютрастровое изображение, для хранениякоторой используется двухмерный массивпикселей, который располагается ввидеопамяти

Этот участок памяти называется буферомкадра (Frame buffer)



СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЦВЕТОМ(IMAGE COLOR MANAGEMENT, ICM 2.0)

Цифр.камера

Сканер

Профиль устр.ввода

Монитор Принтер

Профиль монитора

PCS (Profile Connection Space)аппаратно-независимая модель

Профиль принтера

Color Management System for ICM 2.0

Color ManagementModule

CMM

CMMПрофиль монитора – колориметр(спектрофотометр), снимающийобразцы цветов.sRGB – усредненный профиль.Профиль сканера – стандартныйэталон IT-8Профиль принтераПечатается эталон IT-873. Цветана нем измеряются, для данногорежима печати и бумаги, с помо-щью прибора денситометра ипередаются в программувычисля-ющую цветовой профиль.

Image Color Management, ICM 2.0ICC Profile Format Specification, available from the International Color Consortium (1993) http://www.color.org.

Понятия калибровки, идентификации, профиля.Значение в полиграфии. Расширение возможностей многоцветной печати.

http://www.color.org/


ПРЕДСТАВЛЕНИЕИЗОБРАЖЕНИЙ


Растровое представление изображенийНаложим на изображение прямоугольную сетку иразобьем изображение на прямоугольные элементы.Каждый прямоугольник закрасим цветом,преобладающим в нём.


Изображение сводится к конечному числупрямоугольников определённого цвета. Этипрямоугольники называют pixel (от PIX ELemenX)или пиксель.Теперь каким-либо методом занумеруем цвета.Каждый пиксель на рисунке стал иметьопределенный цвет, обозначенный числом


Теперь пойдём по порядку и выпишем номера цветоввстречающихся пикселей:

1 2 8 3 212 45 67 45 127 4 78 225 34 ...

Эта строка и есть наши оцифрованные данные.Теперь мы можем сжать их (так как несжатыеграфические данные обычно имеют достаточнобольшой размер) и сохранить в файл.

Под растровым (bitmap, raster) понимаютспособ представления изображения в видесовокупности отдельных точек (пикселей) различныхцветов или оттенков. Это наиболее простой способпредставления изображения, ибо таким образомвидит наш глаз.


Достоинство растрового способа представленияизображения• возможность получения фотореалистичного

изображения высокого качества в различномцветовом диапазоне.

Недостатки• высокая точность и широкий цветовой диапазон

требуют увеличения объема файла для храненияизображения и оперативной памяти для егообработки,

• потеря качества изображения при егомасштабировании.


Параметры растровых изображений

Разрешение (resolution) — это степень детализацииизображения, число пикселей (точек), отводимых наединицу площади.Имеет смысл говорить о разрешении изображениятолько применительно к какому-либо устройствуввода или вывода изображения.

Различают:• разрешение оригинала;• разрешение экранного изображения;• разрешение печатного изображения.


Разрешение оригинала.Разрешение оригинала определяется при вводеизображения в компьютер и измеряется в точках надюйм (dots per inch - dpi).

Количество dpi определяет не число точек вквадратном дюйме, а количество точек на одной егостороне.

Например, 300 dpi означает, что в квадратный дюймизображения покрывается растровой сеткой 300x300и после сканирования, изображениесоответствующее, квадратному дюйму будет состоятьиз 90 000 пикселей.

Мегапиксели и кроп-фактор цифровых камер

Разрешение измеряется в мегапикселях (Мп), равное общемуколичеству пикселей на матрице сенсора, деленному на 1024.Разрешение, как размер растра, варьируется от 640×480 (0,29 Мп) до7152х5368 (41 Мп) для фотокамер и от 320×240 (0,07 Мп) до 7680×4320(33 Мп) - для видеокамер.

• Для печати фотографии 15х10 см с разрешением 300 dpi (этохорошее качество, применяемое в полиграфии) хватает разрешениемв 2 Мп.

• Для печати в таком же качестве фотографии формата А4 необходиморазрешение 7-10 Мп.



Установка разрешения оригинала зависит оттребований, предъявляемых к качеству изображенияи размеру файла.• Для получения на экране изображения близкого к

размеру оригинала использует разрешения 72-75dpi.

• Для вывода изображения в дальнейшем на печатьи распознавания текста рекомендуетсяустанавливать разрешении 300-600 dpi.

• Если исходное планируется увеличивать, торазрешение следует устанавливать 600-1200 dpi.

• Сканирование слайдов, негативных фотопленок икачественных материалов для полиграфии требуетустановки величины разрешения 1200 и более dpi.


Разрешение экранного изображения.

Для экранных копий изображения элементарнуюточку растра принято называть пикселем (pixel).

Для измерения разрешения экранного изображения,кроме dpi, используют единица измерения ppi {pixelper inch).

Размер пикселя, а значит и разрешение экранногоизображения, варьируется в зависимости отвыбранного разрешения экрана (из диапазонастандартных значений), разрешения оригинала имасштаба отображения.


Разрешение печатного изображения и понятиелиниатуры.Большинство находящихся в обращении печатающихустройств, от офсетных печатающих машин допростейших струйных принтеров, используютпринципы полутонового растрирования.

Полутоновое растрирование (halftoning) - этоспособ имитации оттенков отдельными точкамикраски или тонера.


Полутоновое растрированиеПечатающее устройство наносит на бумагу точкикраски или тонера и располагает их в узлахрегулярной прямоугольной сетки, называемойфизическим растром. Такие точки такженазываются печатными точками.Соседние точки физической сетки печатающегоустройства объединяются в прямоугольники, которыеназываются полутоновыми ячейками (halftonecells).Из полутоновых ячеек образуется еще одна сетка,именуемая линейным растром (line screen).


Линейный растр – способ логической организациифизического растра.

При выводе на печать пиксели изображенияпредставляются полутоновыми ячейками, а неточками физического растра печатающегоустройства.


Методы растрирования в градациях серогоцвета.

• Метод растрированием с амплитудноймодуляцией (AM), при котором иллюзия тонасоздается за счет формирования в центрахполутоновых ячеек, из печатных точек каких либофигур (кругов, эллипсов, ромбов или квадратов)различного размера.

• Метод растрирования с частотноймодуляцией (ЧМ), когда интенсивность тонарегулируется изменением расстояния междусоседними печатными точками одинаковогоразмера.


Методы растрирования в градациях серогоцвета


Глубина цвета (color depth) — это число бит,используемых для представления каждого пикселяизображения.• Стандарт мониторов VGA поддерживал глубину

цвета 8 бит для цветных изображений.• Стандарт HighColor кодировал цвет с глубиной 16

бит, что позволяло получить 65536 цветов.• Сейчас наиболее используемым является 24-

битный TrueColor, позволяющий кодировать около16,7 млн. цветов.

• Существуют графические системы использующиеглубину цвета более чем 24 бита на пиксель.


Для векторной графики характерно разбиениеизображения на ряд графических примитивов -точки, прямые, ломаные, дуги, полигоны. Такимобразом, появляется возможность хранить не всеточки изображения, а координаты узловпримитивов и их свойства (цвет, связь с другимиузлами и т. д.).

Векторноепредставлениеизображений


При использовании векторного представленияизображение хранится в памяти как база данныхописаний примитивов.

Основные графические примитивы, используемые ввекторных графических редакторах:• точка,• прямая,• кривая Безье,• эллипс (окружность),• полигон (прямоугольник).

Примитив строится вокруг его узлов (nodes).Координаты узлов задаются относительно координатнойсистемы макета.


Достоинства векторного способа представленияизображения:• векторное изображение может быть легко

масштабировано без потери качества, так какэто требует пересчета сравнительно небольшогочисла координат узлов;

• графические файлы, в которых хранятсявекторные изображения, имеют существенноменьший, по сравнению с растровыми, объем(порядка нескольких килобайт)На самом деле размер векторного изображения зависит

от количества объектов на изображении. И чем ближекачество векторного рисунка будет приближаться кфотореалистичному изображению, тем большей размербудет у файла.


Представление изображений с помощью фракталов

Фрактал (лат. fractus — дробленый, сломанный,разбитый) — сложная геометрическая фигура,обладающая свойством самоподобия, то естьсоставленная из нескольких частей, каждая изкоторых подобна всей фигуре целиком. Свойствосамоподобия характерно для многих природныхобъектов.Фрактальная геометрия позволяет описать иполучить изображения природных объектов спомощью математических средств.


Для классификации фракталов часто используютделение на следующие классы:

• геометрические фракталы;• алгебраические фракталы;• стохастические фракталы.

Существуют и другие классификации фракталов,например деление фракталов надетерминированные (алгебраические игеометрические) и недетерминированные(стохастические).


ГРАФИЧЕСКИЕ ФАЙЛОВЫЕФОРМАТЫ


• При хранении растровых изображений, как правило, приходится иметь дело с файлами большого размера

• Память компьютера не безгранична

• Важной задачей является выбор соответствующего формата файла


Классификация графических файловых форматов• Форматов графических файлов существует великое

множество

Рассмотрим классификацию по типу хранимой графической информации:• растровые (TIFF, GIF, BMP, JPEG);• векторные (AI, CDR, FH7, DXF);• смешанные/универсальные (EPS, PDF).


Формат BMP

BMP (от англ. BitMap Picture) — формат хранения растровых изображений.

BMP был создан компанией Microsoft и широко используется в операционных системах семейства Windows.


Характеристики BMP файлов

Глубина цвета может быть 1, 2, 4, 8, 16, 24, 32, 48 бит на пиксель, максимальные размеры изображения 65535×65535 пикселей.

Формат BMP является примером хранения полноцветных изображений, т.е. цвета пикселей можно определять, явно задавая несколько параметров цвета.

Например, в RGB-модели конечный цвет каждого пикселя определяется тремя слагаемыми для трех основных цветов.


Использование сжатия в BMP файлах• В формате BMP есть поддержка сжатия по

алгоритму RLE.• Алгоритм RLE или алгоритм кодирования

повторов оперирует сериями данных, то есть последовательностями, в которых один и тот же символ встречается несколько раз подряд.

• При кодировании строка одинаковых символов заменяется строкой, которая содержит сам повторяющийся символ и количество его повторов.

Исходная строка черно-белого изображения:WWWWBWWWWBBBWWWWBWWWWКодированная строка:4W1B4W3B4W1B4W


Виды BMP файлов. DIB файлыФайлы формата BMP могут иметь расширения .bmp, .dib и .rle. • DIB означает аппаратно-независимый растр

(Device Independent Bitmap).• Данные не используются для непосредственного

управления экраном, так как они всегда хранятся в системной памяти, а не в специализированной видеопамяти.

• Формат пикселя в оперативной памяти может отличаться от того формата, который должен заноситься в видеопамять для индикации точки такого же цвета.


DDB файлы• DDB означает аппаратно-зависимый растр (Device

Dependent Bitmap, DDB).

• Формат всегда содержит цветовые коды, совпадающие с кодами видеобуфера, но храниться он может как в системной, так и в видеопамяти.

• Содержит только коды цвета в том формате, который обеспечит пересылку изображения из ОЗУ в видеопамять при помощи простого копирования.


Достоинства и недостатки BMP формата

• Достоинством формата BMP является простотаобращения к отдельным пикселям на изображении, что может быть использовано при написании демонстрационных программ по компьютерной графике.

• Недостатком является сравнительно большие размеры файлов, хранящих изображения в формате BMP, вследствие не совершенства алгоритма RLE.


Понятие индексированной палитры

BMP может обеспечивать хранения изображений с использованием индексированной палитры.

• В первой части файла, хранящего изображение, хранится «палитра», в которой с помощью одной из цветовых моделей кодируются цвета, присутствующие на изображении.

• Вторая часть, которая непосредственно описывает пиксели изображения, фактически состоит из индексов в палитре.


Особенности использование индексированной палитры• Использование режима индексирования возможно

при значениях глубины цвета: 1 бит (2 цвета), 2 бита (4 цвета), 4 бита (16 цветов), 8 бит (256 цветов).

• Использование палитры позволяет адаптировать изображение к цветам, присутствующим на изображении. При этом изображение ограниченно максимальным количеством одновременно используемых цветов, отсюда• достоинство – возможность существенно сократить размер

файла с изображением• недостаток –возможность потери цветов при

ограниченном размере палитры


Графический формат TIFFTIFF (англ. Tagged Image File Format) — форматхранения растровых графических изображений.

Изначально был разработан компанией Aldus в сотрудничестве с Microsoft.

TIFF был выбран в качестве основного графического формата операционной системы Mac OS X.

В настоящее время авторские права на спецификации формата принадлежат компании Adobe.


Особенности формата TIFF• Принцип хранения данных основан на

использовании специальных маркеров (тэгов) в сочетании с битовыми последовательностями кусков растра.

• TIFF поддерживает глубину цвета: 8, 16, 32 и 64 бит на канал при целочисленном кодировании, а также 32 и 64 бит на канал при представлении значения пикселя числами с плавающей запятой.

• Структура формата позволяет сохранять изображения в режиме цветов с палитрой, а также в различных цветовых пространствах: бинарном (двуцветном), полутоновом, с индексированной палитрой, RGB, CMYK, YCbCr, CIE Lab.


Сжатие в TIFF

Формат TIFF позволяет сохранять растровые изображения с компрессией без потери качества, благодаря поддержке сжатия по алгоритму LZW-компрессии.

Алгоритм Лемпеля — Зива — Велча (Lempel-Ziv-Welch, LZW) — это универсальный алгоритм сжатия данных без потерь данных.


Алгоритм LZW

LZW-сжатие заменяет строки символов некоторыми кодами.

При добавлении каждой новой строки символов просматривается уже существующая таблицастрок. Сжатие происходит, когда код заменяет строку символов.

Коды, генерируемые LZW-алгоритмом, могут быть любой длины, но они должны содержать больше бит, чем единичный символ.


Пример LZW кодирования

Если в изображении имеются наборы из розового,оранжевого и зеленого пикселей, повторяющиеся 50 раз, LZW выявляет это, присваивает данному набору отдельное число (например, 7) и затем сохраняет эти данные 50 раз в виде числа 7.

LZW лучше действует на участках однородных, свободных от шума цветов.При сжатии произвольных графических данных он действует гораздо лучше, чем RLE, но процесс кодирования и распаковки происходит медленнее.


Другие алгоритмы сжатия в TIFF

• RLE;• LZ77;• ZIP;• JBIG;• JPEG;• CCITT Group 3, CCITT Group 4.


GIF

Первая версия формата GIF (Graphics InterchangeFormat, «Формат для обмена графической информацией») была разработана в 1987 г.

Формат сочетает в себе набор достоинств, неоценимых при той роли, которую он играет в WWW.

Сам по себе формат содержит уже достаточно хорошо упакованные графические данные.


Палитра в GIF

GIF использует для хранения изображенийиндексированную палитру, ограничивающую количество цветов 256 значениями.

Размер палитры может быть и меньше.

Если в изображении используется, скажем, 64 цвета (26), то для хранения каждого пикселя будет использовано ровно шесть бит.


Сжатие в GIF

• GIF использует для сжатия LZW алгоритм,поэтому степень сжатия графической информации сильно зависит от уровня ее повторяемости и предсказуемости, а иногда еще и от ориентации картинки.

• Так как LZW метод сканирует изображение по строкам, то, к примеру, плавный переход цветов (градиент), направленный сверху вниз, сожмется куда лучше, чем тех же размеров градиент, ориентированный слева направо, а последний –лучше, чем градиент по диагонали.


Чересстрочные (interlaced) GIFизображения Файл с изображением тасуется при записи так, чтобы сначала шли все строки пикселей с номерами, кратными восьми (первый проход), затем четырем (второй проход), потом двум и, наконец, последний проход – все оставшиеся строки с нечетными номерами. Во время приема и декодирования такого файла каждый следующий проход заполняет «дыры» в предыдущих, и изображение становиться всечетче и детальнее по мере подхода из сети новых данных.


Другие преимущества GIF изображения

Полезной возможностью формата является использование прозрачности и поддержка анимационных изображений.

Для создания анимации используется нескольких статичных кадров, а также информация о том, сколько времени каждый кадр должен быть показан на экране.


PNG

PNG (portable network graphics) - растровыйформат хранения графической информации, использующий сжатие без потерь по алгоритму Deflate.PNG поддерживает три основных типа растровых изображений:• Полутоновое изображение (с глубиной цвета 16

бит);• Цветное индексированное изображение палитра

8 бит для цвета глубиной 24 бит);• Полноцветное изображение (с глубиной цвета 48

бит).


Особенности PNG

• Формат PNG спроектирован для замены устаревшего и более простого формата GIF, а также, в некоторой степени, для замены значительно более сложного формата TIFF.

• Алгоритм сжатия Deflate является свободным в отличие от защищенного патентами и платного LZW, используемого в GIF.

• В отличии от LZW кодирования, которое позволяет эффективно сжимать горизонтальные одноцветные области, с Deflate сжатием можно забыть про эти ограничения.


Преимущества PNG перед GIF

• практически неограниченное количество цветов в изображении (GIF использует в лучшем случае 8-битный цвет);

• двумерная чересстрочная развертка;• возможность расширения формата

пользовательскими блоками.


JPEG

JPEG (Joint Photographic Experts Group, поназванию организации-разработчика) – один из популярных графических форматов, основанный на алгоритме сжатия JPEG и применяемый для хранения фотоизображений и подобных им изображений.

Алгоритм JPEG разработан группой экспертов из Международной организации по стандартизации (ISO) специально для сжатия полноцветных 24-битовых изображений.


Сжатие в JPEG

Процесс сжатия по схеме JPEG состоит из нескольких шагов:• Производится преобразование изображения из

цветовой модели RGB в модель YUV, основанной на характеристиках яркости и цветности.

• Изображение разделяется на квадратные участки размером 8х8 пикселей.

• Над каждым участком производится дискретное косинус-преобразование (ДКП). При этом выполняется анализ каждого блока, разложение его на составляющие цвета и подсчет частоты появления каждого цвета.


Сжатие в JPEG

• Если говорить научным языком, то JPG использует для сохранения ряды Фурье и при больших степенях сжатия просто отбрасывает члены ряда высшего порядка.

• Можно сказать, что JPEG хранит скорость изменения цвета от пикселя к пикселю. Лишнюю с его точки зрения цветовую информацию он отбрасывает, усредняя некоторые значения• чем выше уровень компрессии, тем больше

данных отбрасывается и тем ниже качество


Преимущества и недостатки JPEG

• Преимуществом является большая степень сжатия позволяющая получить файл в 10–500 раз меньше, чем ВМР

• Недостатком является появление на восстановленных изображениях при высоких степенях сжатия характерных артефактов (заметных искажений изображения)


PDF• Формат PDF (Portable Document Format)

предложен фирмой Adobe как независимый от платформы формат, в котором могут быть сохранены и иллюстрации (векторные и растровые), и текст, причем со множеством шрифтов и гипертекстовых ссылок.

• Для достижения продекларированной в названии переносимости размер PDF-файла должен быть малым. Для этого используется компрессия (для каждого вида объектов применяется свой способ).• например, растровые изображения

записываются в формате JPEG.


PostScriptЭто язык описания страниц, предназначенный для формирования изображений произвольной сложности и вывода их на печать. Для этого в языке имеется широкий набор графических операторов, используемых в произвольной комбинации.


Виды графических операторов PostScript• векторная графика, позволяющая рисовать

прямые линии, дуги, кривые произвольного размера, ориентации, ширины, закрашивать площади любого размера, формы, цвета; цвет для линий или заливок может задаваться в любом из цветовых пространств языка; любой описанный на языке контур может быть границей клипирования изображения; контур клипирования задает границы рисуемого изображения;


Виды графических операторов PostScript• работа с текстом – для вывода текста

произвольного размера в различных гарнитурах, размещая его с произвольной ориентацией в произвольном месте страницы; текст полностью интегрирован с графикой – все текстовые символы трактуются как графические фигуры и могут обрабатываться любым из графических операторов;


Виды графических операторов PostScript• растровые изображения позволяют выводить

на листе сканированные рисунки или фотографии с масштабированием и ориентацией, источником растра может быть как текущий файл, содержащий программу на PostScriptе, так и внешний; считывание цветовых слоев может вестись как из одного файла, так и из нескольких сепарированных.


Аппаратная независимость PostScript• Изображение, описываемое на языке PostScript,

никак не зависит от разрешающей способности выходного устройства и его цветовой глубины (числа цветов).

• Приближение к конкретным разрешающим возможностям выходного устройства – это процесс, не связанный с описанием изображения на языке PostScript, и выполняется для каждого выходного устройства по-своему.

• Качество изображения определяется конкретным выходным устройством, его физическими ограничениями.

Компьютерная графика. Лекция...

Documents