Форматы растровых графических файлов

Тема: «Компьютерная 2D графика»

Цель: получить основные знания по компьютерной 2D графики.

Ход работы

Знакомство с материалом

Компьютерная графика — область деятельности, в которой компьютеры используются в качестве инструмента, как для синтеза (создания)изображений, так и для обработки визуальной информации, полученной из реального мира.

Компьютерная графика является также одной из областей научной деятельности. В области компьютерной графики защищаются диссертации, а также проводятся различные конференции.

По способам задания изображений графику можно разделить на категории:

Двумерная и трёхмерная. На данном уроке будет рассмотрена основы двумерной графики.

Двумерная (2D — от англ. two dimensions — «два измерения») компьютерная графика классифицируется по типу представления графической информации, и следующими из него алгоритмами обработки изображений. Обычно компьютерную графику разделяют на векторную и растровую, хотя обособляют ещё и фрактальный тип представления изображений.

Векторная графика

Векторная графика — это изображения, созданные (а точнее будет сказать — описанные), при помощи математических формул. В отличии от растровой графики, которая является ничем иным, как массивом цветных пикселов и хранит информацию для каждого из них, векторная графика — это набор графических примитивов, описанных математическими формулами. Например, для того, чтобы построить прямую на экране нужно всего лишь знать координаты точек начала и конца прямой и цвет, которым ее нужно нарисовать, а для построения многоугольника — координаты вершин, цвет заливки и, если необходимо, цвет обводки. Изображение может без потерь масштабироваться, поворачиваться, деформироваться, также имитация трёхмерности в векторной графике проще, чем в растровой. Характерными отличительными чертами векторной графики можно назвать следующие:

- основной элемент изображения – линия, которая на экране воспроизводится совокупностью точек, однако строится она по вычисленным координатам (вычисляемая графика), отталкиваясь от координат ее начала и конца.

- изменение размера или угла наклона линии не ведет к изменению занимаемой ею памяти.

Достоинства векторной графики:

- Небольшой размер файла при относительно несложной детализации изображения.

- Возможность неограниченного масштабирования без потери качества.

- Возможность перемещения, вращения, растягивания, группировки и т.д. также без потери качества.

- Возможность позиционирования объектов по оси, перпендикулярной плоскости экрана (по оси z — «выше», «ниже», «выше всех», «ниже всех»).

- Возможность выполнения булевых преобразований над объектами — сложение, вычитание, пересечение, дополнение.

- Управление толщиной линий при любом масштабе изображения.

Недостатки векторной графики:

- Большой размер файла при сложной детализации изображения. (Бывают случаи, что из‑за множества мелких сложных деталей размер векторного изображения гораздо превышает размер его растровой копии)

- Трудность передачи фотореалистичного изображения (следует из 1‑го недостатка)

- Проблемы совместимости программ, работающих с векторной графикой, при этом не все программы открывают (или корректно отображают) даже «общепринятые» форматы (такие как eps), созданные в других редакторах.

Растровая графика

Растровая графика — это изображения, составленные из пикселей — маленьких цветных квадратиков, размещенных в прямоугольной сетке. Пиксель — это самая маленькая единица цифрового изображения. Качество растрового изображения напрямую зависит от количества пикселов, из которых оно состоит — чем больше пикселей, тем больше деталей можно отобразить. Увеличить растровое изображение путем тупого увеличения масштаба не получится — число пикселей увеличить невозможно, в этом, 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 — пиксели) не удавалось.

У растрового изображения есть несколько характеристик. Самыми важными являются: разрешение, размер и цветовая модель.

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.

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.

Цветовая модель — характеристика изображения, описывающая его представление на основе цветовых каналов.

Форматы растровых графических файлов.

GIF – формат, использующий алгоритм сжатия без потерь информации LZW. Максимальная глубина цвета – 8 бит (256 цветов). В нём также есть возможность записи анимации. Поддерживает прозрачность пикселей (двухуровневая – полная прозрачность, либо полная непрозрачность). Данный формат широко применяется при создании Web–страниц. GIF-формат позволяет записывать изображение «через строчку», благодаря чему, имея только часть файла, можно увидеть изображение целиком, но с меньшим разрешением. Его выгодно применять для изображений с малым количеством цветов и резкими границами (например, для текстовых изображений).

JPEG (JPG) – формат, использующий алгоритм сжатия с потерями информации, который позволяет уменьшить размер файла в сотни раз. Глубина цвета – 24 бит. Не поддерживается прозрачность пикселей. При сильном сжатии в области резких границ появляются дефекты. Формат JPEG хорошо применять для сжатия полноцветных фотографий. Учитывая то, что при повторном сжатии происходит дальнейшее ухудшение качества, рекомендуется сохранять в JPEG только конечный результат работы. JPEG широко применяется при создании Web–страниц, а также для хранения больших коллекций фотографий.

BMP – это формат графического редактора Paint. В нём не применяется сжатие. Он хорошо подходит для хранения очень маленьких изображений – таких как иконки на рабочем столе. Большие же файлы в этом формате занимают слишком много места. PNG – разработан с целью заменить формат GIF. Использует алгоритм сжатия Deflate без потерь информации (усовершенствованный LZW). Максимальная глубина цвета – 48 бит. Поддерживает каналы градиентных масок прозрачности (256 уровней прозрачности).

PNG – относительно новый формат, и поэтому ещё не очень распространён. В основном используется в Web–дизайне.

TIFF – формат, специально разработанный для сканированных изображений. Может использовать алгоритм сжатия без потерь информации LZW. Позволяет сохранять информацию о слоях, цветовых профилях(ICC–профилях) и каналах масок. Поддерживает все цветовые модели. Аппаратно независим. Используется в издательских системах, а также для переноса графической информации между различными платформами.

PSD – формат графического редактора Adobe Photoshop. Использует алгоритм сжатия без потерь информации RLE. Позволяет сохранять всю информацию, создаваемую в этой программе. Кроме этого, в связи с популярностью Photoshop, данный формат поддерживается практически всеми современными редакторами компьютерной графики. Его удобно использовать для сохранения промежуточного результата при работе в Photoshop и других растровых редакторах.

Достоинства растровой графики:

- Возможность воспроизведения изображений любого уровня сложности. Количество деталей, воспроизводимых на изображении во многом зависит от количества пикселов.

- Точная передача цветовых переходов.

- 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:

- Большой размер файла. Фактически для каждого пиксела приходится хранить информацию о его координатах и цвете.

- Невозможность масштабирования (в частности, увеличения) изображения без потери качества.

Фрактальная графика

Фрактал — объект, отдельные элементы которого наследуют свойства родительских структур. Поскольку более детальное описание элементов меньшего масштаба происходит по простому алгоритму, описать такой объект можно всего лишь несколькими математическими уравнениями.

Фрактальная графика является одним из перспективных направлений компьютерной графики. Она основана на разделе математики – фрактальной геометрии. Термин фрактал ввел французский математик Бенуа Мандельброт. Этим термином он назвал геометрическую фигуру, которая состоит из частей, подобных целой фигуре.

Таким образом, главное свойство фракталов – это самоподобие. У фракталов увеличенные части фигуры подобны всей фигуре и друг другу. Таким образом, даже если взять небольшую часть фигуры, то по ней можно достроить все изображение исходя из соображений подобия. На рисунке показано последовательное построение известного фрактала «Кривая Коха» по небольшому фрагменту.

Отличительными чертами фрактальной графики можно назвать:

- изображение формируется по уравнениям;

- в памяти хранятся не объекты, а их уравнения;

- позволяет моделировать путем математических вычислений сложные, причудливые и необычные рисунки.

Примеры 2D графики

Рисунок 1 – Растровое изображение, состоящее из пикселей

Рисунок 2 – Растровый код чёрно-белого изображения буквы «К»

Для цветного изображения каждый пиксель должен хранить не просто 1 (чёрный) и 0 (белый), а число, обозначающее цвет. Чем больше памяти отведено для одного пикселя, тем больше вариаций цветов он может принимать. В данном примере один пиксель – это один бит информации. Сейчас, чаще всего, на один пиксель приходится по 4 байта: по одному на цветовые каналы R(ed)G(reen)B(lue) (что даёт 256³ = 16 777 216 оттенков цветов) и ещё один байт для хранения прозрачности пикселя.

В векторном представлении буква «К» — это три линии. Всякая линия описывается указанием координат ее концов в таком виде:

ЛИНИЯ (X1, Y1, X2, Y2)

Изображение буквы «К» на рис. 1 описывается следующим образом:

ЛИНИЯ (4,2,4,8)

ЛИНИЯ (5,5,8,2)

ЛИНИЯ (5,5,8,8)

Для цветного изображения кроме координат указывается еще один параметр — цвет линии.