Кодирование графических данных

Под графической информацией будем понимать изображения объектов с помощью компьютеров. Если рассмотреть графическое изображение на экране монитора, то можно увидеть, что оно состоит из мельчайших точек, образующих характерный узор, называемый растром. Под растровымрисунком (bitmap, raster) понимают способ представления изображения в виде совокупности отдельных точек различных цветов и оттенков.

Основным элементом растрового изображения является пиксель (pixel от PICture ELement). В компьютерной графике термин «пиксель», может обозначать разные понятия:

- наименьший элемент изображения на экране компьютера;

- отдельный элемент растрового изображения;

- точка изображения, напечатанного на принтере.

Поэтому, чтобы избежать путаницы, будем пользоваться следующей терминологией:

- видеопиксель - наименьший элемент изображения на экране;

- пиксель - отдельный элемент растрового изображения;

- точка (dot) - наименьший элемент, создаваемый принтером.

В растровой графике графическая информация – это совокупность данных о цвете каждого пикселя на экране.

Поскольку линейные координаты и индивидуальные свойства каждой точки (яркость) можно выразить с помощью целых чисел, то можно сказать, что растровое кодирование позволяет использовать двоичный код для представления графических данных. Общепринятым на сегодняшний день считается представление одного цвета в виде комбинации точек с 256 градациями оттенков цвета, и, таким образом, для кодирования яркости любой точки обычно достаточно восьмиразрядного двоичного числа. Таким образом, любой цвет можно разложить на оттенки основных цветов и обозначить его набором цифр - цветовых координат.

Таким образом, при выборе цветовой модели можно определять трехмерное цветовое координатное пространство, внутри которого каждый цвет представляется точкой. Такое пространство называется пространством цветовой модели. То, что цветовое пространство трехмерно, является экспериментально установленным фактом, зависящим от наличия в человеческом глазу трех типов рецепторов.

Существует много различных типов цветовых моделей, но в компьютерной графике, как правило, применяется не более трех. Эти модели известны под названиями: RGB, CMYK и HSB.

Цветовая модель RGB. Для кодирования цветных графических изображений применяется принцип декомпозиции произвольного цвета на основные составляющие. В качестве таких составляющих используют три основных цвета: красный (Red, R), зеленый (Green, G) и синий (Blue, В). На практике считается (хотя теоретически это не совсем так), что любой цвет, видимый человеческим глазом, можно получить путем механического смешения этих трех основных цветов. Такая система кодирования называется системой RGB по первым буквам названий основных цветов, а метод получения нового оттенка суммированием яркостей составляющих компонентов называют аддитивным методом.

Если для кодирования яркости каждой из основных составляющих использовать по 256 значений (восемь двоичных разрядов), как это принято для полутоновых черно-белых изображений, то на кодирование цвета одной точки надо затратить 24 разряда. При этом система кодирования обеспечивает однозначное определение 16,5 миллионов различных цветов, что на самом деле близко к чувствительности человеческого глаза. Режим представления цветной графики с использованием 24 двоичных разрядов называется полноцветным (True Color).

Каждому из основных цветов можно поставить в соответствие дополнительный цвет, то есть цвет, дополняющий основной цвет до белого. Нетрудно заметить, что для любого из основных цветов дополнительным будет цвет, образованный суммой пары остальных основных цветов. Соответственно, дополнительными цветами являются: голубой (Cyan, С), пурпурный (Magenta, M) и желтый (Yellow, У). Принцип декомпозиции произвольного цвета на составляющие компоненты можно применять не только для основных цветов, но и для дополнительных, то есть любой цвет можно представить в виде суммы голубой, пурпурной и желтой составляющей. Такой метод кодирования цвета принят в полиграфии, но в полиграфии используется еще и четвертая краска — черная (Black, К). Поэтому данная система кодирования обозначается четырьмя буквами CMYK (черный цвет обозначается буквой К, потому, что буква В уже занята синим цветом), и для представления цветной графики в этой системе надо иметь 32 двоичных разряда. Такой режим тоже называется полноцветным (True Color).

Если уменьшить количество двоичных разрядов, используемых для кодирования цвета каждой точки, то можно сократить объем данных, но при этом диапазон кодируемых цветов заметно сокращается. Кодирование цветной графики 16-разрядными двоичными числами называется High Color.

При кодировании информации о цвете с помощью восьми бит данных можно передать только 256 цветовых оттенков. Такой метод кодирования цвета называется индексным. Смысл названия в том, что, поскольку 256 значений совершенно недостаточно, чтобы передать весь диапазон цветов, доступный человеческому глазу, код каждой точки растра выражает не цвет сам по себе, а только его номер (индекс) в некоей справочной таблице, называемой палитрой. Разумеется, эта палитра должна прикладываться к графическим данным – без нее нельзя воспользоваться методами воспроизведения информации на экране или бумаге (то есть, воспользоваться, конечно, можно, но из-за неполноты данных полученная информация не будет адекватной: листва на деревьях может оказаться красной, а небо – зеленым).

Графическая информация может быть представлена в аналоговой (бесконечным множеством значений, изменяющихся непрерывно) или дискретной (с конечным множеством значений) формах. При кодировании изображения производится его пространственная дискретизация, т.е.преобразование непрерывных форм изображений в набор дискретны значений в форме кодов. Изображение разбивается на отдельны графические точки (пиксели), причем каждому фрагменту присваивается ко цвета. Совокупность используемых в наборе цветов образует палитру цветов. Чаще всего используются следующие цветовые модели:

RGB(кpacный - зеленый - синий);

CMYK (голубой - пурпурный - желтый - черный);

HSR (цветовой оттенок - насыщенность - яркость).

Таким образом, при компьютерном представлении графической информации формируется растровое изображение из определенного количества пикселей. Качество изображения определяется разрешающей способностью монитора (количеством точек) и глубиной цвета. Разрешающая способность может быть, например 800x600, 1024x768 или 1280x1024. Глубина цвета задается количеством бит, используемых для кодирования цвета точки. Наиболее распространенные значениями глубины цвета являются 8, 16 (для модели High Color), 24 и 32 (для True Color). Количество цветов, отображаемых на экране монитора, вычисляется по формуле Хартли , где I - глубина цвета.

Для того чтобы на экране монитора формировалось изображение, информация о каждой его точке (код цвета пикселя) должна храниться, в видеопамяти компьютера. Для вычисления объема видеопамяти для каждого из графических режимов:

V= I • К, где К – количество точек, I – глубина цвета в битах.

Пример 30. Сколько килобайт дискового пространства понадобится для хранения изображения экрана разрешением 1024x768 пикселей с глубиной цвета 8 бит?

I=8 бит

К=1024 768

Необходимый объем видеопамяти:

V = 1024 • 768 • 8 бит= (1024 • 768 • 8)/(1024 • 8) Кбайт= 768 Кбайт