Текст книги "Информационные технологии"

Глава 6
Графические редакторы

6.1. Основные понятия

Цифровое изображение – модель реального или синтезированного изображения, хранящаяся на машинном носителе в виде совокупности цифровых кодов.

Изображение на экране состоит из маленьких ячеек. Каждая из них может иметь определенный цвет. Такая ячейка получила название «пиксель» (pixel). Слово «пиксель» – аббревиатура от английского словосочетания picture element – элемент изображения.

Пиксель – самый малый подсвеченный элемент экрана. В растровой модели это неделимый прямоугольный элемент, параметры которого описывают соответствующий ему участок реального или синтезированного изображения; в характеристиках монитора называется зерном.

Изображение на экране цифрового устройства (телевизора, монитора, информационного табло и т. д.) формируется с помощью цветных точек – пикселей, как правило, в моделях RGB или Bitmap. Пиксели не сплошь покрывают экран, а находятся друг от друга на некотором расстоянии. Более того, они не разбросаны по экрану как попало, а образуют горизонтальные строки.

В зависимости от установленного режима монитора число пикселей в экранной строке и число таких строк на экране может быть различным. Чем больше пикселей на экране, тем качественнее изображение монитора. С числом пикселей на экране связано понятие текущего разрешения монитора компьютера. Разрешающая способность измеряется максимальным количеством пикселей, размещающихся по горизонтали и вертикали на экране, и зависит от характеристик монитора и видеоадаптера. Каждый монитор имеет некоторое ограничение по разрешению экрана сверху, но в пределах допустимых значений может менять пиксельный формат экрана.

Совокупность пикселей составляет матрицу и образует изображение на экране. В зависимости от модели монитора параметры матрицы в пикселях могут изменяться: 640x480; 800x600; 1024x768; 1600x1200. Величина матрицы не влияет на физический размер экрана и не зависит от него. Чем больше матрица на одном и том же экране, тем меньше размер ячейки и тем лучше качество изображения.

Разрешение – количество информации на единицу длины. Измеряется в ppi (pixels per inch – количество пикселей на дюйм), dpi (dots per inch – количество точек на дюйм) и lpi – линеатура (количество линий на дюйм).

Разрешение вывода изображений на экран монитора обозначают как CxL, где С – число пикселей в одной экранной строке, a L – число строк на экране. Размер экрана монитора задается обычно величиной его диагонали в дюймах (табл. 4).

Таблица 4. Стандарты разрешений экрана

Типовое значение линеатуры разрешающей способности большинства мониторов: PC – 72 ppi, MAC – 95 ppi.

Важной характеристикой монитора, определяющей четкость изображения на экране, является размер зерна (точки, dot pitch) люминофора экрана монитора. Чем меньше зерно, тем выше четкость и тем меньше устает глаз. Величина зерна монитора имеет значения от 0,41 мм до 0,15 мм. Следует иметь в виду, что у мониторов с большим зерном не может быть высокой разрешающей способности (например, экран с диагональю 14 дюймов имеет ширину 265 мм; для получения разрешающей способности 1024 точки по горизонтали размер зерна не должен превышать 265: 1024 – 0,22 мм, в противном случае пиксели сольются и изображение не будет четким).

Частота вывода пикселей (ее часто называют полосой пропускания) – определяет скорость вывода пикселей. Очень важная характеристика для многих видов направлений в компьютерном дизайне – от нее зависит скорость обработки и вывода элементов изображения на экран монитора.

Частота строк – определяет количество строк растра, формируемых за одну секунду. Зависит от числа пикселей в строке и равна частному от деления частоты вывода пикселей на число пикселей в строке.

Частота кадров – определяет, сколько кадров за одну секунду выводится на экран монитора. При программировании VGA частота кадров, как и частота строк, не задается непосредственно, а определяется количеством строк в кадре. Для вычисления частоты кадров достаточно разделить частоту строк на размер кадра, заданный в строках растра.

Глубина цвета – количество бит памяти, выделяемых для описания тоновых или цветовых характеристик каждого пикселя в соответствии с моделью: например, 1 бит/ пикселей (Bitmap, Halftone), 8 бит/пикселей (Grayscale, Indexed), 24 бит/пикселей (RGB).

Вся информация в компьютере хранится в файлах определенного формата. Формат – это способ кодирования информации в файле.

Вся графическая информация вводится, обрабатывается и выводится с помощью так называемого компьютерного растра.

Принцип построения растра. Суть принципа точечной графики: если надо закодировать какой-то объект, то на него «накладывают» прямоугольную сетку необходимого размера с шагом линий сетки, равным необходимому разрешению. Если ячейка сетки пуста, ставится «ноль»; если нет, то она кодируется номером оттенка цвета, который в ней преобладает. Процесс наложения сетки называется растризацией.

На этом принципе реализовано подавляющее большинство (более 90 %) систем ввода, вывода и обработки цифровой информации. Как видно, этот принцип далеко не идеален. Случай, когда границы объекта совпадают с направляющими линиями матрицы, реализуется редко. То есть часть информации об объекте будет при этом способе всегда теряться. Поэтому так важна при цифровой обработке совокупность параметров разрешения, размеров и алгоритма этой обработки.

Все, с чем может работать компьютер, в том числе и изображение, должно быть закодировано – превращено в цифровую форму. Цифровая компьютерная графика по способу кодирования может быть разделена на векторную и точечную.

Точечные и векторные изображения. Все изображения, с которыми работают программы машинной графики, разделяют на два класса: точечные и векторные.

В терминологии машинной графики (отрасли практической информатики, занимающейся автоматизацией построения изображений и их обработки с помощью компьютеров) точечным изображением принято называть массив пикселей, то есть одинаковых по размеру и форме плоских геометрических фигур (чаще всего квадратов или кругов), расположенных в узлах регулярной (то есть имеющей одинаковые ячейки) сетки. Для каждой из этих фигур тем или иным способом задается цвет (обычно цвета кодируют числами фиксированной разрядности). Представление точечного изображения в памяти компьютера – это массив сведений о цвете всех пикселей, упорядоченный тем или иным образом (например, по строкам, как в телевизионном изображении).

Наиболее близким аналогом такого явления виртуального мира, как точечное изображение, в реальном мире является мозаика. Как точечное изображение состоит из равномерно расположенных на плоскости элементов одинакового размера и формы – пикселей, так и мозаика состоит из отдельных кусочков цветного стекла, например смальты. При соблюдении определенных условий (главные из них – небольшие размеры фрагментов смальты и достаточно большое удаление зрителя от поверхности изображения) отдельные кусочки смальты, составляющие мозаичное изображение, не видны: глаз зрителя воспринимает изображение как единое целое. Впоследствии эту идею распространили на живопись импрессионисты, разработавшие технику пуантилизма. Побывав в Исаакиевском соборе и Государственном Эрмитаже (Санкт-Петербург), любой может убедиться, что техника работы с точечными изображениями была доведена до совершенства задолго до появления первых компьютеров.

Изображение на экране любого компьютерного монитора – точечное, в чем легко убедиться, рассматривая его в увеличительное стекло. Большинство принтеров воспроизводит на бумаге именно точечные изображения.

При работе с растровой графикой редактируются пиксели, а не линии. Растровая графика зависит от разрешения, поскольку информация, описывающая изображение, прикреплена к сетке определенного размера. При редактировании растровой графики качество ее представления может измениться. В частности, изменение размеров растровой графики может привести к «разлохмачиванию» краев изображения, поскольку пиксели будут перераспределяться на сетке. Вывод растровой графики на устройства с более низким разрешением, чем разрешение самого изображения, понизит его качество.

Многие растровые форматы обладают способностью нести дополнительную информацию: различные цветовые модели изображения, векторы, альфа-каналы (дополнительный канал, с помощью которого можно сохранять выделенные или прозрачные области изображения), слои различных типов, интерлиньяж (возможность чересстрочного показа изображения), анимацию, сжатие и многое другое. Достоинство растровой графики – в ее способности передавать тончайшие нюансы изображения, а также в широчайших возможностях его редактирования благодаря простоте доступа к каждому пикселю изображения, индивидуальному изменению каждого из его параметров. Принципиальный недостаток один – большой объем получаемого файла.

Наиболее популярный графический редактор для создания и обработки растровых изображений – программа Adobe Photoshop.

Векторное изображение представляет собой совокупность отрезков кривых линий, которые описывают математическими выражениями, и цветных заливок. Иначе говоря, чтобы компьютер нарисовал прямую линию, нужны координаты двух точек, которые соединяются по кратчайшему пути; для дуги задаются координаты центра окружности и радиус, и т. д. Таким образом, векторная иллюстрация – это набор геометрических примитивов (простейших объектов, таких, как линии, окружности, многогранники и т. п.) – сплайнов, используемых для создания более сложных изображений. Отсюда и основное достоинство векторных форматов – компактность получаемых файлов и высокое качество изображений, причем независимо от разрешающей способности устройства отображения. Но есть и недостаток подобной технологии – присущее всем векторным изображениям некое стилистическое упрощение графики. Связано это с тем, что области между линиями-векторами в картинке заливает единый цвет, в отличие от растровых изображений, где каждая точка несет свою уникальную в общей картинке информацию.

У векторной графики много достоинств. Файлы, содержащие векторные изображения, невелики по размеру, поскольку хранится не само изображение, а только его основные данные, используя которые программа всякий раз воссоздает изображение заново. Каждый контур в векторном изображении представляет собой независимый объект, который легко трансформируется. Их совокупностью легко манипулировать, не оказывая никакого влияния на качество изображения. Векторная графика использует все преимущества разрешающей способности любого выводного устройства (изображение всегда будет выглядеть настолько качественно, насколько способно данное устройство); она может включать в себя и фрагменты точечной графики, которые становятся такими же объектами, как и все остальные (правда, со значительными ограничениями в обработке).

В программах векторной графики есть развитые средства интеграции изображений и текста, единый подход к ним и, как следствие, возможность создания конечного продукта. Везде, где принципиальное значение имеет сохранение ясных и четких контуров (например, в шрифтовых композициях, в создании логотипов и т. д.), векторные программы незаменимы. Программы технического рисования и моделирования также построены по этому принципу.

Недостатком данной графики можно считать ограниченность в средствах редактирования. Созданные изображения выглядят более грубо по сравнению с высококачественной растровой графикой. Сложные и реалистичные изображения в программах векторной графики создавать трудно, для этого нужно огромное число объектов и хорошие художественные навыки, поскольку базовый принцип описания изображения не позволяет автоматизировать ввод графической информации.

Наиболее популярные графические редакторы для создания и обработки векторных изображений – программы CorelDRAW и Adobe Illustrator.

6.2. Цветовые модели

При работе на компьютере мы воспринимаем цвет посредством монитора. Подавляющая часть мониторов работает в цветовой модели RGB, небольшая часть – монохромные: работают с одним цветом (как правило, зеленым или серым). И лишь несколько мониторов имеют специализированное назначение – позволяют работать, например, либо в полиграфической цветовой модели CMY(K), либо в RGB – с учетом освещения помещения, где стоит монитор, и условий его эксплуатации. Существует несколько цветовых моделей. Большая часть из них реализована в компьютере.

Цветовая модель – способ описания элементов изображения в цифровом виде. Возможности воспроизведения цвета в рамках той или иной модели характеризуются цветовым пространством или гаммой цветов.

Цветовое пространство – это полный набор всех возможных цветов.

Гамма цветов – это все оттенки цвета, которые могут быть представлены в рамках заданной цветовой модели, подмножество цветового пространства.

Основными цветовыми моделями являются Bitmap, Grayscale, Indexed, RGB, HLS (HSB), CIE Lab, CMY(K).

Цветовая модель Bitmap (битовое – черно-белое изображение). Каждая точка изображения в этой цветовой модели может быть либо белой, либо черной. Графические файлы на печати имеют вид гравюры. Для вывода изображения на экран применяют редко.

Цветовая модель Grayscale (256 градаций серого цвета). Одна из трех (две другие – RGB и CMY(K)) самых распространенных цветовых моделей. Для передачи полутонов используется 256 градаций серого цвета. Глаз человека может различить максимум 76 оттенков (градаций) серого цвета. Из них только шесть градаций могут увидеть все: это 0, 20, 40, 60, 80 и 100 % от черного цвета.

Цветовая модель Duotone (Дуплекс). Применяют для подготовки черно-белых фотографий к высококачественной печати. При печати дуплексных изображений используют две, иногда три (триплекс) или четыре (квадруплекс) краски. Это позволяет, сохранив внешний вид черно-белой фотографии, добиться лучшей контрастности и лучшей передачи полутонов.

Цветовая модель Indexed (Индексированные цвета). Упрощенный вариант цветовой модели RGB, в которой каждая точка изображения может иметь только один из 256 цветовых оттенков изображения в индексированных цветах. Indexed Color применяют только для отображения на экране компьютера или мобильного телефона. Графический файл с индексированным цветом невелик по размеру, и его можно быстро передать по сети, например по Internet, поэтому данная цветовая модель стала основной для виртуальной реальности.

Цветовая модель RGB. Трехканальная цветовая модель; является естественной для излучающих устройств (сканеров, мониторов и др.) и наиболее оптимально воспринимается человеком.

Модель RGB описывает излучаемые цвета. Она основана на трех базовых цветах: красный (Red), зеленый (Green), синий (Blue). Остальные цвета складываются из яркостей трех составляющих цветов, поэтому модель называют аддитивной. Если при сложении двух лучей основных цветов результат светлее составляющих, то цвета такого типа называют аддитивными (складываемыми). Базовые цвета называют компонентами или каналами RGB.

RGB – аппаратно-зависимая цветовая модель. Когда цвет в модели RGB отображается на экране монитора, значение компонентов зависит от напряжения, подаваемого на электронно-лучевую трубку. Качество воспроизведения того или иного цвета зависит от характеристик устройства. На цвет, который вы увидите, будут влиять оттенки люминофора, его яркость и пр. Цвета, имеющие одни и те же характеристики, будут выглядеть по-разному на двух разных мониторах.

Достоинства модели RGB:

– «генетическое» родство с электронной аппаратурой (например, сканером или монитором);

– широкий цветовой охват (отображение многообразия цветов, близкое к возможностям человеческого зрения);

– доступность многих процедур обработки изображения (фильтров) в программах растровой графики;

– небольшой (по сравнению с моделью CMY(K)) объем, занимаемый изображением в оперативной памяти компьютера и на диске.

Недостатки модели RGB:

– коррелированность цветовых каналов (при увеличении яркости одного канала другие уменьшают ее);

– возможность ошибки при представлении цветов на экране монитора.

Цветовая модель CMY(K). Четырехканальная цветовая модель; является естественной для отражающих поверхностей: листов бумаги, тканей и других окружающих нас предметов, цвет которых наиболее оптимально воспринимается нашим глазом.

CMY(K) – субтрактивная (вычитаемая) модель. Она описывает поглощаемые цвета, использующие белый свет, вычитая из него определенные участки спектра, которые получаются путем вычитания из белого аддитивных цветов модели RGB.

Основные цвета модели CMY(K) – голубой (Cyan), пурпурный (Magenta), желтый (Yellow), дополнительный черный (ЫасК). Голубой цвет получается путем вычитания из белого цвета красного, пурпурный – зеленого, желтый – синего.

В полиграфии в основном используют цветовую модель CMY(K), применяют ее и в цветных принтерах. Кроме того, смешивание всех цветов модели CMY на самом деле дает не черный, а грязно-коричневый цвет. Поэтому для усовершенствования модели CMY в нее был введен дополнительный цвет – черный – ключевой цвет при печати. Таким образом, модель CMY(K) – четырехканальная.

Модели RGB и CMY(K) конвертируются одна в другую. У CMY(K) цветовой охват более узкий, чем у RGB, она не может адекватно передать оттенки ярко-синего, зеленого, оранжевого. Поэтому при конвертации из RGB в CMY(K) часть цветов теряется. Это необходимо учитывать при работе в графических редакторах.

CMY(K) – аппаратно-зависимая цветовая модель. Цвет здесь зависит от типографских красок, качества бумаги и особенностей печатного процесса. Поэтому основная задача при работе с цветными изображениями – получение предсказуемого цвета. Для этого используют дополнительную краску – черную. Ее задача – усилить поглощение света в темных областях, сделать их максимально черными, т. е. увеличить тоновый диапазон печати. Неидеальная «противоположность» красок приводит к тому, что для получения серых нейтральных оттенков необходимо накладывать триадные краски не в равных пропорциях, как в случае с RGB, а с избытком голубого (Cyan). Обычно голубого (Cyan) требуется на 15–20 % больше, чем пурпурного (Magenta) и желтого (Yellow). Это наглядно видно в графике настройки печатных красок Ink SetUp в Photoshop.

Достоинства модели CMY(K):

– независимость каналов (изменение процента любого из цветов не влияет на остальные);

– это «родная» модель для триадной печати, только ее понимают растровые процессоры – RIP'bi выводных устройств (не деленные RGB изображения на пленках могут выйти серыми и только на черной фотоформе).

Недостатки модели CMY(K):

– узкий цветовой охват обусловлен несовершенством пигментов и отражающими свойствами бумаги;

– неточное отображение цветов CMY(K) на мониторе;

– многие фильтры растровых программ в этой модели не работают;

– требуется на 30 % больший объем памяти по сравнению с моделью RGB.

Цветовая модель Lab Color. CIE Lab – аппаратно-независимая цветовая математическая модель. Это означает, что разработанные в ее рамках цвета будут выглядеть одинаково как на экране, так и при печати вне зависимости от типа устройства воспроизведения. Основная особенность этой модели состоит в том, что информация о цвете и яркости разделена. Для вывода изображений на печать или экран модель Lab применяют редко, зато широко используют как основную цветовую модель в программах обработки графических изображений, например, таких, как Photoshop.

Цветовая модель Lab специально разработана для получения предсказуемых цветов. Благодаря универсальности и точному отображению реальных цветов Lab используют для взаимного преобразования различных моделей воспроизведения цвета. Хотя Lab соответствует особенностям восприятия цвета глазом человека, человек не способен воспринять всю цветовую гамму в этой модели.

Lab – трехканальная модель. Цвет в ней определяется светлотой (яркостью) и двумя хроматическими компонентами: параметром а, изменяющимся в диапазоне от зеленого до красного, и параметром Ь, изменяющимся в диапазоне от синего до желтого. Яркость в Lab полностью отделена от цвета, что делает модель удобной для регулирования контраста, резкости и других тоновых характеристик. Цветовой охват очень широк: включает RGB, CMY(K) и другие цвета, не представленные в этих двух моделях. Очевидно, что при конвертации в Lab все цвета сохраняются.

Цветовая модель Lab очень важна для дизайна. Именно ее применяют при переводе изображения из одной цветовой модели в другую, между устройствами и даже между различными платформами. Кроме того, именно в этой модели удобнее всего проводить некоторые операции по улучшению качества изображения.

Достоинство модели Lab Color – информация о цвете и информация о яркости разделены и являются независимыми, что дает возможность изменять тоновые градационные характеристики изображения, не затрагивая цветовых.

Недостаток модели Lab Color – высокая концентрация цветовой информации в середине осей а и Ь, что затрудняет тонкую коррекцию цвета с помощью градационных кривых.

Цветовая модель HSB. В этой цветовой модели, основанной на физическом восприятии цветовой информации человеческим глазом, цвет задается с помощью трех каналов: Hue – цветовой тон (оттенок); Saturation – насыщенность и Brightness – яркость.

Оттенок. Задает цвет, отражающийся от объекта или излучаемый самим объектом. Конкретный цвет задается в градусах, что определяет его расположение на стандартном цветовом круге. Значение, определяющее положение цвета в спектре, характеризуется положением на цветовом круге и определяется величиной угла – от 0 до 359°. Например, для красного цвета (R) – угол 0°, желтого (Y) – 60°, зеленого (G) – 120°, голубого (С) – 180°, синего (В) – 240° и пурпурного (М) – 300°. В цветовой модели HSB все одинаково насыщенные цвета располагаются на концентрических окружностях, и чем ближе они находятся к центру круга, тем все более «разбеленными» получаются цвета. В самом центре цветового круга любой цвет становится белым.

Насыщенность. Параметр управления цветом; чистота оттенка цвета в диапазоне от серого до хроматичного. Насыщенность определяет активность данного оттенка. Изменяется в пределах от 0 до 100 %. При нулевом значении параметра любой оттенок представляет собой просто серый нейтральный цвет. При 100 % достигается максимальная насыщенность цвета в данной точке.

Яркость. Яркость цвета по шкале от черного до белого на мониторе пользователя. Измеряется в процентах: от 0 до 100. Нулевая яркость – это черный цвет; при 0 % цвет точки будет черным, при 100 % – белым.

HSB – трехканальная цветовая модель. Любой цвет в ней получается добавлением к основному спектру серого цвета. Описание цветов не совсем соответствует цветам, воспринимаемым глазом. Дело в том, что глаз воспринимает цвета как имеющие различную яркость, например спектральный зеленый имеет большую яркость, чем спектральный синий. В HSB же все цвета основного спектра (канала тона) обладают 100 %-й яркостью. Но в издательско-полиграфических процессах, колориметрии и других областях дизайна она является одной из основных, так как позволяет очень точно передать цвета для окраски отражающих поверхностей.

Прямая поддержка этой цветовой модели в подавляющем большинстве графических редакторов отсутствует, т. е. в HSB нельзя редактировать или создавать изображения, но существует ряд фильтров и приемов воздействия на изображение. Например, функция меню Adobe Photoshop Image-Adjust-Hue/'Saturation позволяет удобно изменить тон или оттенок изображения (как всего, так и отдельных цветов) или же повысить насыщенность изображения, просто увеличивая значение параметра Saturation.

HSB – аппаратно-независимая цветовая модель, является базовой для ряда аналогичных моделей, которые отличаются системой координат или имеют ряд других особенностей.

Цветовая модель YCC. Имеет три базовых компонента: яркостный и два хроматических. Поскольку глаз более чувствителен к яркостям, чем к цвету, половина цветовой информации отбрасывается при сканировании: на каждые два пикселя приходится только одно значение хроматических компонентов. Разработана специалистами Kodak и во многом аналогична модели Lab. В основном используют для вывода видеоизображений.