Ввод растровых изображений. Растровая графика, общие сведения - лекция

Растровое изображение представляет собой множество цветных точек (обычно прямоугольное) на мониторе, бумаге и других отображающих устройствах и материалах.

Каждая точка растрового изображения мала настолько, что не воспринимается глазом как отдельный объект, но совокупность точек воспринимается как единое изображение. Такая технология построения изображений очень напоминает мозаику.

Пример растрового изображения можно увидеть в газете или журнале: любая фотография в них состоит из массива незаметных на первый взгляд точек разного цвета и размера. Телевизионное изображение и вид на экране монитора – это тоже растр, только, в отличие от печати на бумаге, растровая точка компьютерного изображения имеет квадратную форму (рис. 8.3).

Точка растрового изображения обозначается термином "пиксель".

Рис. 8.3.

Пиксель

Напомним, что термин "пиксель" ("пиксел") (от англ. pixel, pel – сокращение от англ. pix element, picture cell, picture element – элемент изображения) имеет два значения:

• 1) наименьший элемент двумерного цифрового изображения в растровой графике;
• 2) "физический" элемент матрицы дисплеев, формирующих изображение. Пиксель представляет собой неделимый объект прямоугольной или круглой формы, характеризуемый определенным цветом (применительно к плазменным панелям).

Растровое компьютерное изображение состоит из пикселей, расположенных по строкам и столбцам. Чем больше пикселей на единицу площади содержит изображение, тем оно детальней.

Каждый пиксель растрового изображения – объект, характеризуемый определенным цветом, яркостью и, возможно, прозрачностью, или комбинацией этих значений. Один пиксель может хранить информацию только об одном цвете, который и ассоциируется с ним (в некоторых компьютерных системах цвет и пиксели представлены в виде двух раздельных объектов).

Пиксель – это также наименьшая единица растрового изображения, получаемого с помощью графических систем вывода информации (компьютерные мониторы, принтеры и т.д.). Разрешение такого устройства определяется горизонтальным и вертикальным размерами выводимого изображения в пикселях. Цвет пикселей, отображаемых на цветных мониторах, состоит из триад (субпикселей красного, зеленого и синего цветов, расположенных рядом в определенной последовательности).

ГОСТ 27459–87 "Системы обработки информации. Машинная графика. Термины и определения" иод термином "пиксель" понимает "наименьший элемент поверхности визуализации, которому могут быть независимым образом заданы цвет, интенсивность и другие характеристики изображения".

Характеристики растрового изображения

Растровые изображения характеризуются следующими параметрами:

• количество пикселей – может указываться отдельно количество пикселей по ширине и высоте (1024 х 768, 640 х 480 и т.п.) или же общее количество пикселей;
• разрешение – величина, говорящая о возможном размере и детальности изображения;
• количество используемых цветов или глубина цвета;
• цветовой режим – градации серого, индексированный, RGB, CMYK и др.;
• цветовое пространство (цветовая модель ) – RGB, CMYK, LAB, HSV и др.

Рис. 8.4.

Качество растрового изображения зависит от количества растровых точек, из которых оно состоит (рис. 8.4). Основным показателем качества является разрешение изображения, т.е. количество точек на единицу длины (дюйм, мм, см). Чаще всего измеряется количество точек на один дюйм (англ. dpi – dots per inch). Большее количество точек дает большую детализацию изображения, однако при сохранении такого изображения необходимо сохранить информацию о цвете каждой точки, а поскольку точек может быть до нескольких миллионов, то размер сохраненного файла тоже будет большим.

Максимальная детализация растрового изображения задается при его создании и не может быть увеличена. Без особых потерь растровые изображения можно только лишь уменьшать. При увеличении растровых изображений пиксели превращаются в увеличенные квадраты того или иного цвета.

Создается растровая графика фотоаппаратами, сканерами, непосредственно в растровом редакторе, а также путем экспорта из векторного редактора или в виде снимков экрана.

Прежде чем браться за изучение программы фотошоп, следует вначале ознакомиться с самыми начальными базовыми понятиями из мира цифровой графики. К таковым относятся виды графики: растровые и векторные изображения.

Эти два понятия будут постоянно вам встречаться, поэтому давайте разберемся, что это такое и в чем между ними разница.

Растровые изображения

Растровые изображения это основной и самый популярный вид графики. Львиная часть изображений, которые вы встречаете в интернете, это именно растр . Ваш фотоаппарат, смартфон и любой другой гаджет или прибор делают снимки, которые уже относятся к растру. Это технически самый простой и доступный способ отрисовки графики.

Как любой живой организм состоит из мельчайших частиц — клеток, так растровое изображение состоит из пикселей .

Программа фотошоп была создана для работы именно с растровыми изображениями. Все возможности, инструменты и механизмы программы разработаны для редактирования пикселей изображения.

Почему этот вид графики такой популярный?

Дело в том, что в силу своей структуры, растровые изображения могут отображать плавные переходы цвета, градиенты. Края объектов на фотографиях могут быть плавными. Цвет передается четко, близким к реальному, а это именно то, что нужно, чтобы передать наш реальный мир в виде фотографии.

Растровые изображения обычно хранятся в сжатом виде. В зависимости от типа сжатия может быть возможно или невозможно восстановить изображение в точности таким, каким оно было до сжатия (сжатие без потерь или сжатие с потерями). Так же в графическом файле может храниться дополнительная информация: об авторе файла, фотокамере и её настройках, количестве точек на дюйм при печати и др.

Несмотря на преимущества, у растра есть серьезные недостатки:

1. В связи с тем, что каждый пиксель содержит в себе достаточно много информации, то когда мы говорим о миллионах пикселей в одном изображении, становится ясно, какой объем информации будет закодирован в памяти. Это приводит к увеличению размеров файла. Поэтому, чем больше пикселей в фотографии, тем больше она весит.

2. Сложности масштабирования изображения. При увеличении появляется зернистость и пропадает детализация. При уменьшении фотографии, в результате сложных преобразовательных процессов, происходит потеря пикселей. При этом детализация изображения пострадает не так сильно, как при увеличении, но этот процесс уже необратимый, то есть, если потребуется вновь увеличить изображение, оно сильно потеряет в качестве.

Векторные изображения

Векторные изображения состоят из элементарных геометрических объектов, таких как: точки, линии, круги, многоугольники и так далее. В основе их контуров лежат математические уравнения, сообщающие устройствам как рисовать отдельные объекты. Эти объекты составляют фигуры, а уже они, в свою очередь, заполняются цветом.

Векторное изображение — это набор координат вершин, образующих простейшие геометрические фигуры, из которых складывается итоговое изображение.

Такая графика создается непосредственно человеком с помощью специализированных программ, например, Adobe Illustrator и Corel Draw. Нужно обладать специальными навыками пользования этими программами, а также умением рисовать. Понятное дело, это доступно не многим людям, поэтому такой вид графики не так широко распространен.

Векторные изображения преимущественно создаются для индустрии рекламы и дизайна.

Достоинства векторной графики :

1. Возможность изменять масштаб изображений без потери качества до любых размеров, при этом вес изображения не увеличивается. При изменении размеров происходит пересчёт координат и толщины линий, а затем построение объектов в новых размерах.

2. Векторное изображение не хранит в себе тонны информации, поэтому вес такого файла будет в разы меньше растра.

3. Возможность трансформации изображения из вектора в растр без потери качества и каких-либо сложностей. Это может сделать фотошоп в два щелчка мыши.

Недостатки:

Векторная графика не годится для создания реалистичных картин и фотографий. Она сильно ограничена в передаче плавных переходов и градиентов между цветами. В результате этого все цвета и линии сильно контрастируют.

Фотошоп хоть и работает с растровой графикой, но в своем наборе инструментов содержит и векторные элементы. Прежде всего это . При добавлении текста к изображению в фотошопе, создается отдельный текстовый слой. До тех пор пока этот слой живет самостоятельно, он является векторным элементом. Его можно растягивать до любых размеров и текст всегда будет четким.

Фотошопа также представляют из себя простейшие векторные изображения.

Помимо всего этого, хоть фотошоп не может создавать векторную графику, он может открывать ее . Тем самым можно добавлять заранее подготовленные дизайн-объекты и масштабировать их без потери качества.

Таким образом, подведем короткие выводы:

— растровые изображения фотореалистичные, а у векторных изображений всегда видно, что они нарисованы;

— масштабирование изображений очень важная возможность, которой нужно уметь пользоваться при работе с фотошопом. Для этого надо знать как и когда теряется качество графики и стараться не допустить этого. Тогда ваши будущие работы будут из тех, где приятно любоваться самыми мелкими деталями и восхищаться насколько они классно нарисованы.

Заметили ошибку в тексте - выделите ее и нажмите Ctrl + Enter . Спасибо!

Растровая графика - это изображения, составленные из пикселов - маленьких цветных квадратиков, размещенных в прямоугольной сетке. Пиксел - это самая маленькая единица цифрового изображения. Качество растрового изображения напрямую зависит от количества пикселов, из которых оно состоит - чем больше пикселов тем больше деталей можно отобразить. Увеличить растровое изображение путем тупого увеличения масштаба не получится - число пикселов увеличить невозможно, в этом, я думаю, многие убеждались, когда старались разглядеть мелкие детали на маленькой цифровой фотографии, приближая ее на экране; в результате этого действия разглядеть что‑то кроме увеличивающихся квадратиков (это как раз они - пикселы) не удавалось. Такой фокус удается только агентам ЦРУ в голливудских фильмах, когда они с помощью увеличения картинки с камеры внешнего наблюдения распознают номера машины. Если вы не являетесь сотрудником этой структуры и не владеете такой волшебной аппаратурой - ничего у вас не выйдет.

У растрового изображения есть несколько характеристик. Для фотостокера самыми важными являются: разрешение, размер и цветовая модель. Иногда размер также называют разрешением и поэтому происходит путаница, чтобы этого не происходило, нужно четко представлять о чем идет речь и «смотреть по контексту» - размер измеряется в Мп (мегапиксехах), а разрешение - dpi или ppi.

Разрешение - это количество пикселей на дюйм (ppi - pixel per inch) для описания отображения на экране или количество точек на дюйм (dpi - dot per inch) для печати изображений. Существует несколько устоявшихся правил: для публикации изображения в сети Интернет используют разрешение 72ppi, а для печати - 300dpi(ppi). Требования микростоков к изображениям - 300dpi, так как многие работы покупаются именно для печати.

Размер - общее количество пикселов в изображении, обычно измеряется в Мп (мегапикселах), это всего лишь результат умножения количества пикселов по высоте на количество пикселов по ширине изображения. То есть, если величина фотографии 2000х1500, то ее размером будет 2000*1500=3 000 000 пикселов или 3Мп. Для отправки на фотобанки размер изображения не должен быть меньше 4Мп, а в случае иллюстрации - не более 25Мп.

Цветовая модель - характеристика изображения, описывающая его представление на основе цветовых каналов. Мне известно 4 цветовые модели - RGB (красный, зеленый и синий каналы), CMYK (голубой, пурпурный, желтый и черный), LAB («светлота», красно-зеленый и сине-желтый) и Grayscale(оттенки серого). Все микростоки принимают растровую графику в цветовой модели RGB.

Достоинства растровой графики:

1. Возможность воспроизведения изображений любого уровня сложности. Количество деталей, воспроизводимых на изображении во многом зависит от количества пикселов.
2. Точная передача цветовых переходов.
3. Наличие множества программ для отображения и редактирования растровой графики. Абсолютное большинство программ поддерживают одинаковые форматы файлов растровой графики. Растровое представление, пожалуй, самый «старый» способ хранения цифровых изображений.

Недостатки растровой графики

1. Большой размер файла. Фактически для каждого пиксела приходится хранить информацию о его координатах и цвете.
2. Невозможность масштабирования (в часности, увеличения) изображения без потери качества.

Форматы растровой графики

Не смотря на кажущуюся простоту представления растровой графики, ее форматов существует «вагон и маленькая тележка»! И их количество продолжает меняться - какие‑то форматы устаревают, какие‑то только начинают разрабатываться. Описывать все - долго и не интересно, я опишу только те, которые, на мой взгляд, могут быть интересны дизайнерам и фотостокерам.

PNG (Portable Network Graphics) - еще один формат растровой графики, поддерживающий прозрачность, причем не только обычную прозрачность, как GIF, но и полупрозрачность - плавный переход цвета в прозрачную область. Целью создания PNG как раз и была замена GIF, так как компания CompuServe - разработчик формата GIF в 1995 году на 10 лет запатентовала алгоритм сжатия, использованный при создании gif-картинок, что делало невозможным бесплатное использование данного формата в коммерческих проектах.

Преимущества PNG:

1. Возможность создания полноцветного изображения с цветовыми переходами и полутонами.
2. Сохранение графической информации при помощи алгоритма сжатия без потерь.
3. Возможность использования альфа-каналов, то есть, попросту говоря, прозрачности и, более того - полупрозрачности, что позволяет создавать плавные переходы цвета в прозрачную область.

Недостатка у PNG, на мой взгляд, всего 2:

1. Невозможность создания анимированного изображения
2. Неоднозначное «понимание» прозрачности формата PNG интернет-браузерами. Некоторые браузеры, в основном устаревшие версии, отказываются отображать прозрачные области изображения формата PNG и закрашивают их серым цветом. Но этот недостаток, я думаю, скоро перестанет быть актуальным.

TIFF (Tagged Image File Format) - формат для хранения изображений высокого качества, поддерживает любые из существующих цветовые модели, обеспечивает широкий диапазон изменения глубины цвета, поддерживает работу со слоями. Хранение информации в формате TIFF возможно как с потерями, так и без потерь. Фотокамеры, не поддерживающие RAW-формат иногда могут делать снимки в формате TIFF.

На фотобанки, у которых есть возможность загружать дополнительные форматы к основному изображению в формате JPEG (Dreamstime.com, iStock.com) в качестве дополнительного можно загружать TIFF.

Недостатком формата является большой вес файла, гораздо бОльший, нежели файл RAW-формата такого же качества - каждый снимок в TIFF весит от 8 до 20Мб.

RAW (в переводе с английского «raw» - сырой)

Формат RAW появился благодаря цифровым фотоаппаратам. RAW - это по‑сути «отпечаток», который остается на матрице фотоаппарата в момент съемки, а точнее целых 3 отпечатка - в красном, зеленом и синем цветах. Кроме этих отпечатком в RAW-файле хранятся и некоторые другие данные, которые в подобном случае носят скорее справочный характер, диктующие RAW-конвертеру с какой интерсивностью отразить на экране каждый из цветных каналов для разных пикселов - это балланс белого, цветовое пространство и т.д. Изменение этих параметров никак не отразится на исходной информации, вы можете их безболезненно изменить и в любой момент вернуться к первоначальному виду. С полученным в результате экспорта другим растровым форматом работать будет уже гораздо проблематичнее. Расширения у файлов в формате RAW могут быть разные (.cr2,.crw,.nef и т.д.) в зависимости от марки фотоаппарата - у каждого производителя камер свой способ хранения информации. Для редактирования RAW-файлов и преобразования их в другие растровые форматы производители камер поставляют свой собственный софт и при этом RAW-конвертер фирмы Canon будет читать только RAW-файлы снятые фотоаппаратами Canon (.cr2,.crw) и не сможет прочитать RAW-файл снятый фотоаппаратом Nikon (.nef). Существуют RAW-конвертеры сторонних производителей, которые работают с большинством RAW-файлов. В общем, отсутствие единого стандарта создает определенные неудобства при работе с этим форматом.

Недостатками формата являются большой размер файла (хотя и не такой большой, как TIFF) и отсутствие единого стандарта формирования RAW-файлов для всех производителе й фототехники.

RAW как и TIFF можно отправлять на фотобанки в качестве «дополнительного» формата изображения - наличие исходникаможет повлиять на решение дизайнера о покупке изображния.

JPEG (Joint Photographic Experts Group - название разработчика) - самый распространенный формат растровой графики (по крайней мере - в Интернете). JPEG - пример использования алгоритмов сжатия «с потерями» или, по‑другому, «искажающего сжатия», он наиболее подходит для хранения картин, фотографий и других реалистичных изображений с плавными цветовыми переходами, но зато практически не пригоден для чертежей и схем, то есть для изображений с резкими переходами - алгоритм сжатия будет образовывать заметные артефакты в местах резкого контраста.

Не рекомендуется хранить в этом формате промежуточные варианты работы - каждое «пересохранение» будет вести к необратимой потере части информации. Алгоритм сжатия, используемый в этом формате (lossy compress) основан на «усреднении» цвета рядом стоящих пикселов.

JPEG не поддерживает работу с альфа-каналами, то есть не может содержать прозрачные пикселы, но позволяет сохранить в файле обтравочный контур, что в случае работы с фотобанками нужно обязательно отметить в описании, наличие обтравочного контура (если вы его, конечно, сделали и знаете что это такое) - это важная информация для покупателя изображения.

Формат JPEG - так же основной формат, в котором фотобанки принимают растровые изображения(фотографии и иллюстрации) для продажи. Сохранять конечный вариант файла, отправляемый на микросток, нужно в цветовой модели RGB, разрешением 300dpi и, конечно, в 100%-м качестве. Так же можно вписать в файл IPTC-информацию (название, описание, ключевые слова) - формат JPEG позволяет это сделать и это значительно сэкономит вам время при отправке изображений на несколько фотобанков.

Кроме общих форматов растровой графики (GIF, JPEG, TIFF и др.), которые «читаются» всеми графическими редакторами и просмотровщиками изображений, существуют «родные» форматы почти каждого редактора, которые можно открыть только программой, в которой они были сделаны, например, формат.PSD программы Adobe Photoshop. При обработке фотографий, растровых иллюстраций и разработке дизайна, промежуточные варианты следует сохранять в таких форматах и только финальные версии переводить JPEG. Это нужно для того, чтобы можно было сохранять результаты работы без потери информации и в любой момент внести изменения в изображение или проект.

Для того, чтобы вести дискуссию о программах по работе с графикой сначала нужно разобраться в понятиях и различиях между двумя основными типами 2D графики: растровые и векторные изображения. Это очень важный урок, тем более, если вы намереваетесь работать с графикой.

Понятие растрового изображения

Растровые изображения это изображения, которые состоят из крошечных прямоугольных точек индивидуального цвета — пикселей, объединенных воедино. Каждый пиксель имеет свое особое расположение на картинке и свое индивидуальное значение цвета.

Каждое изображение имеет фиксированное количество пикселов. Их вы можете видеть на экране монитора, большинство из которых отображают примерно от 70 до 100 пикселей на 1 дюйм (фактическое количество зависит от вашего монитора и настройки самого экрана).

Чтобы проиллюстрировать это, давайте взглянем на типичный значок на рабочем столе — Мой компьютер, который, как правило, состоит из 32 пикселей по ширине и 32 пикселей по высоте. Другими словами, существует 32 точки цвета в каждом направлении, которые в сочетании формируют изображение такого значка.

Когда вы увеличите этот рисунок, как в примере, вы сможете четко видеть каждый отдельный квадрат определенного цвета. Обратите внимание на то, что белые участки на фоне тоже являются отдельными пикселями, хотя они и отображают один сплошной цвет.

Размер изображения и его разрешение

Растровые изображения зависят от разрешения. Разрешение изображения это число пикселей в изображении на единицу длины. Оно является мерой четкости деталей растрового изображения и обычно обозначается как dpi (точек на дюйм) или ppi (пикселей на дюйм). Эти термины в некотором смысле синонимы, только ppi относится к изображениям, а dpi - к устройствам вывода. Именно поэтому dpi вы можете встретить в описании мониторов, цифровых фотоаппаратов и т. д.

Чем больше разрешение, тем меньше размер пиксела и тем больше их приходится на 1 дюйм, и соответственно тем лучше качество картинки.

Разрешение подбирается для каждого изображения индивидуально и зависит от того, где Вы планируете его использовать:

• если вы планируете использовать его для размещения в Интернете, то разрешение выбирается 72 ppi, поскольку основным критерием для Интернета является скорость загрузки изображений, а не их изумительное качество, именно поэтому выбираются соответствующие форматы сохранения файлов, где качество стоит далеко не на первом месте.
• если вы захотите напечатать изображение, то разрешение должно быть гораздо больше чем 72 ppi. Так, для того чтобы распечатать изображение в хорошем качестве разрешение его должно быть в диапазоне 150-300 ppi. Это основное требование для фототипографий, печатающих журналы, каталоги и малоформатную продукцию (буклеты, флаеры, рекламные листовки).

Как говорилось выше, растровые изображения очень зависят от их разрешения. Именно поэтому при масштабировании, в силу своей пиксельной природы, такие изображения всегда теряют в качестве. Однако, если Вы все таки решились на увеличение размера изображения то лучше всего использовать метод интерполяции, с помощью которого можно добиться весьма неплохих результатов. О данном методе мы поговорим в следующем уроке.

Размер изображения в растровой графике — это физический размер файла, в котором хранится это изображение. Он пропорционален размеру изображения в пикселах.

Программа Photoshop показывает соотношение между размером изображения и его разрешением. Это можно просмотреть, открыв диалоговое окно «Размер изображения», находящееся в меню «Изображение». При внесении изменений в одну из данных величин все остальные автоматически будут приведены в соответствии с измененной.

Подводя итоги можно сказать, что основными характеристиками растровых изображений выступают:

• размер изображения в пикселях
• битовая глубина
• цветовое пространство
• разрешение изображения

Примером растрового изображения может служить любая фотография или картинка, созданная путем сканирования, фотографирования или рисования в растровом редакторе, а также созданная путем преобразования векторного изображения в растровое.

Форматы растровых изображений

К самым распространенным форматам растровых изображений относятся:

• JPEG, JPG

Преобразование между форматами растровых изображений происходит очень легко, при этом используется команда «Сохранить как …», в меню которой после имени файла выбирается формат, в котором Вы хотите сохранить изображение.

Некоторые форматы, а именно GIF и PNG поддерживают прозрачность фона. При этом не стоит забывать о том, что прозрачный фон не будет таковым, если изображение формата GIF или PNG пересохранить в любой другой формат или же скопировать его и вставить в другое изображение.

Программы для работы с растровой графикой

Самые популярные программы для работы с растровой графикой:

• Adobe Photoshop
• Adobe Fireworks
• Corel Photo-Paint
• Corel Paint Shop Pro
• Corel Painter
• Paint

Как по мне, то редактор Adobe Photoshop – является самой лучшей из программ.

По сравнению от этого типа графики, векторная графика также имеет немало достоинств. Давайте их рассмотрим.

Что такое векторные изображения

Векторные это изображения , состоящие из множества отдельных, масштабируемых объектов (линий и кривых), которые определены с помощью математических уравнений.

Объекты могут состоять из линий, кривых и фигур. При этом изменение атрибутов векторного объекта не влияет на сам объект, т.е. Вы можете свободно менять любое количество атрибутов объекта, не разрушая при этом основной объект.

В векторной графике качество изображения не зависит от разрешения. Это все объясняется тем, что векторные объекты описываются математическими уравнениями, поэтому при масштабировании они пересчитываются и соответственно не теряют в качестве. Исходя из этого, Вы можете увеличивать или уменьшать размер до любой степени, и ваше изображение останется таким же четким и резким, это будет видно как на экране монитора, так и при печати. Таким образом, вектор – это лучший выбор для иллюстраций, выводимых на различные носители и размер которых приходится часто изменять, например логотипы.

Еще одно преимущество изображений является то, что они не ограничены прямоугольной формой, как растровые. Такие объекты могут быть размещены на других объектах (размещение на переднем или заднем плане выбирается лично Вами).

Для наглядности мной предоставлен рисунок, на котором нарисован круг в векторном и круг в растровом формате. Оба размещены на белых фонах. Но, когда вы размещаете растровый круг поверх другого такого же круга, то увидите, что этот круг имеет прямоугольную рамку, чего, как Вы видите на рисунке, нету в векторе.

На сегодняшний день векторные изображения становятся все более фотореалистичными, это происходит за счет постоянной разработки и внедрения в программы различных инструментов, например, таких как градиентная сетка.

Векторные изображения, как правило, создаются с помощью специальных программ. Вы не можете отсканировать изображение и сохранить его в виде векторного файла без использования преобразования путем трассировки изображения в программе Adobe Illustrator.

С другой стороны, векторное изображение может быть довольно легко преобразовано в растровое. Этот процесс называется растрированием. Также, при преобразовании Вы можете указать любое разрешение будущего растрового изображения.

Векторные форматы

К самым распространенным форматам вектора относятся:

• AI (Adobe Illustrator);
• CDR (CorelDRAW);
• CMX (Corel валютный);
• SVG (масштабируемая векторная графика);
• CGM Computer Graphics Metafile;
• DXF AutoCAD.

Самые популярные программы для работы с векторами: Adobe Illustrator, CorelDRAW и Inkscape.

Так чем же отличаются векторные и растровые изображения?

Подводя итоги статьи о растровых и векторных изображениях, можно с уверенностью сказать, что векторные изображения имеют очень много преимуществ над растровыми, а именно.

Растры, пиксели, дискретизация, разрешение

Как и все виды информации, изображения в компьютере закодированы в виде двоичных последовательностей. Используют два принципиально разных метода кодирования, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки.

И линия, и область состоят из бесконечного числа точек. Цвет каждой из этих точек нам нужно закодировать. Если их бесконечно много, мы сразу приходим к выводу, что для этого нужно бесконечно много памяти. Поэтому «поточечным» способом изображение закодировать не удастся. Однако, эту все-таки идею можно использовать.

Начнем с черно-белого рисунка. Представим себе, что на изображение ромба наложена сетка, которая разбивает его на квадратики. Такая сетка называется растром. Теперь для каждого квадратика определим цвет (черный или белый). Для тех квадратиков, в которых часть оказалась закрашена черным цветом, а часть белым, выберем цвет в зависимости от того, какая часть (черная или белая) больше.

Рисунок 1.

У нас получился так называемый растровый рисунок, состоящий из квадратиков-пикселей.

Определение 1

Пиксель (англ. pixel = picture element, элемент рисунка) – это наименьший элемент рисунка, для которого можно задать свой цвет. Разбив «обычный» рисунок на квадратики, мы выполнили его дискретизацию – разбили единый объект на отдельные элементы. Действительно, у нас был единый и неделимый рисунок – изображение ромба. В результаты мы получили дискретный объект – набор пикселей.

Двоичный код для черно-белого рисунка, полученного в результате дискретизации можно построить следующим образом:

• заменяем белые пиксели нулями, а черные – единицами;
• выписываем строки полученной таблицы одну за другой.

Пример 1

Покажем это на простом примере:

Рисунок 2.

Ширина этого рисунка – $8$ пикселей, поэтому каждая строчка таблицы состоит из $8$ двоичных разрядов – битов. Чтобы не писать очень длинную цепочку нулей и единиц, удобно использовать шестнадцатеричную систему счисления, закодировав $4$ соседних бита (тетраду) одной шестнадцатеричной цифрой.

Рисунок 3.

Например, для первой строки получаем код $1A_{16}$:

а для всего рисунка: $1A2642FF425A5A7E_{16}$.

Замечание 1

Очень важно понять, что мы приобрели и что потеряли в результате дискретизации. Самое важное – мы смогли закодировать рисунок в двоичном коде. Однако при этом рисунок исказился - вместо ромба мы получили набор квадратиков. Причина искажения в том, что в некоторых квадратиках части исходного рисунка были закрашены разными цветами, а в закодированном изображении каждый пиксель обязательно имеет один цвет. Таким образом, часть исходной информации при кодировании была потеряна. Это проявится, например, при увеличении рисунка - квадратики увеличиваются, и рисунок еще больше искажается. Чтобы уменьшить потери информации, нужно уменьшать размер пикселя, то есть увеличивать разрешение.

Определение 2

Разрешение – это количество пикселей, приходящихся на дюйм размера изображения.

Разрешение обычно измеряется в пикселях на дюйм (используется английское обозначение $ppi$ = pixels per inch). Например, разрешение $254$ $ppi$ означает, что на дюйм ($25,4$ мм) приходится $254$ пикселя, так что каждый пиксель «содержит» квадрат исходного изображения размером $0,1×0,1$ мм. Чем больше разрешение, тем точнее кодируется рисунок (меньше информации теряется), однако одновременно растет и объем файла .

Кодирование цвета

Что делать, если рисунок цветной? В этом случае для кодирования цвета пикселя уже не обойтись одним битом. Например, в показанном на рисунке изображении российского флага $4$ цвета: черный, синий, красный и белый. Для кодирования одного из четырех вариантов нужно $2$ бита, поэтому код каждого цвета (и код каждого пикселя) будет состоять из двух бит. Пусть $00$ обозначает черный цвет, $01$ – красный, $10$ – синий и $11$ – белый. Тогда получаем такую таблицу:

Рисунок 4.

Проблема только в том, что при выводе на экран нужно как-то определить, какой цвет соответствует тому или другому коду. То есть информацию о цвете нужно выразить в виде числа (или набора чисел).

Человек воспринимает свет как множество электромагнитных волн. Определенная длина волны соответствуют некоторому цвету. Например, волны длиной $500-565$ нм – это зеленый цвет. Так называемый «белый» свет на самом деле представляет собой смесь волн, длины которых охватывают весь видимый диапазон.

Согласно современному представлению о цветном зрении (теории Юнга-Гельмгольца), глаз человека содержит чувствительные элементы трех типов. Каждый из них воспринимает весь поток света, но первые наиболее чувствительны в области красного цвета, вторые – области зеленого, а третьи – в области синего цвета. Цвет – это результат возбуждения всех трех типов рецепторов. Поэтому считается, что любой цвет (то есть ощущения человека, воспринимающего волны определенной длины) можно имитировать, используя только три световых луча (красный, зеленый и синий) разной яркости. Следовательно, любой цвет приближенно раскладывается на три составляющих – красную, зеленую и синюю. Меняя силу этих составляющих, можно составить любые цвета. Эта модель цвета получила название RGB по начальным буквам английских слов red (красный), green (зеленый) и blue (синий).

В модели RBG яркость каждой составляющей (или, как говорят, каждого канала) чаще всего кодируется целым числом от $0$ до $255$. При этом код цвета – это тройка чисел (R,G,B), яркости отдельных каналов. Цвет ($0,0,0$) – это черный цвет, а ($255,255,255$) – белый. Если все составляющие имеют равную яркость, получаются оттенки серого цвета, от черного до белого.

Рисунок 5.

Чтобы сделать светло-красный (розовый) цвет, нужно в красном цвете ($255,0,0$) одинаково увеличить яркость зеленого и синего каналов, например, цвет ($255, 150, 150$) – это розовый. Равномерное уменьшение яркости всех каналов делает темный цвет, например, цвет с кодом ($100,0,0$) – тёмно-красный.

Всего есть по $256$ вариантов яркости каждого из трех цветов. Это позволяет закодировать $256^3= 16 777 216$ оттенков, что более чем достаточно для человека. Так как $256 = 2^8$, каждая из трех составляющих занимает в памяти $8$ бит или $1$ байт, а вся информация о каком-то цвете – $24$ бита (или $3$ байта). Эта величина называется глубиной цвета.

Определение 3

Глубина цвета – это количество бит, используемое для кодирования цвета пикселя.

$24$-битное кодирование цвета часто называют режимом истинного цвета (англ. True Color – истинный цвет). Для вычисления объема рисунка в байтах при таком кодировании нужно определить общее количество пикселей (перемножить ширину и высоту) и умножить результат на $3$, так как цвет каждого пикселя кодируется тремя байтами. Например, рисунок размером $20×30$ пикселей, закодированный в режиме истинного цвета, будет занимать $20×30×3 = 1800$ байт.

Кроме режима истинного цвета используется также $16$-битное кодирование (англ. High Color – «высокий» цвет), когда на красную и синюю составляющую отводится по $5$ бит, а на зеленую, к которой человеческий глаз более чувствителен – $6$ бит. В режиме High Color можно закодировать $2^{16} = 65 536$ различных цветов. В мобильных телефонах $12$-битное кодирование цвета ($4$ бита на канал, $4096$ цветов).

Кодирование с палитрой

Как правило, чем меньше цветов используется, тем больше будет искажаться цветное изображение. Таким образом, при кодировании цвета тоже есть неизбежная потеря информации, которая «добавляется» к потерям, вызванным дискретизацией. Очень часто (например, в схемах, диаграммах и чертежах) количество цветов в изображении невелико (не более $256$). В этом случае применяют кодирование с палитрой.

Определение 4

Цветовая палитра – это таблица, в которой каждому цвету, заданному в виде составляющих в модели RGB, сопоставляется числовой код.

Кодирование с палитрой выполняется следующим образом:

• выбираем количество цветов $N$ (как правило, не более $256$);
• из палитры истинного цвета ($16 777 216$ цветов) выбираем любые $N$ цветов и для каждого из них находим составляющие в модели RGB;
• каждому из цветов присваиваем номер (код) от $0$ до $N–1$;
• составляем палитру, записывая сначала RGB-составляющие цвета, имеющего код $0$, затем составляющие цвета с кодом $1$ и т.д.

Цвет каждого пикселя кодируется не в виде значений RGB-составляющих, а как номер цвета в палитре. Например, при кодировании изображения российского флага (см. выше) были выбраны $4$ цвета:

• черный: RGB-код ($0,0,0$); двоичный код $002$;
• красный: RGB-код ($255,0,0$); двоичный код $012$;
• синий: RGB-код ($0,0,255$); двоичный код $102$;
• белый: RGB-код ($255,255,255$); двоичный код $112$.

Поэтому палитра, которая обычно записывается в специальную служебную область в начале файла (ее называют заголовком файла), представляет собой четыре трехбайтных блока:

Рисунок 6.

Код каждого пикселя занимает всего два бита.

Палитры с количеством цветом более $256$ на практике не используются.

Достоинства и недостатки растрового кодирования

Растровое кодирование имеет достоинства :

• универсальный метод (можно закодировать любое изображение);
• единственный метод для кодирования и обработки размытых изображений, не имеющих четких границ, например, фотографий.

И недостатки :

• при дискретизации всегда есть потеря информации;
• при изменении размеров изображения искажается цвет и форма объектов на рисунке, поскольку при увеличении размеров надо как-то восстановить недостающие пиксели, а при уменьшении – заменить несколько пикселей одним;
• размер файла не зависит от сложности изображения, а определяется только разрешением и глубиной цвета.

Как правило, растровые рисунки имеют большой объем.