R(t) = Po(l-t)3 + P1t(l-t)2 + P2t2(l-t) + Р3t3, где 0 < t < 1
Алгоритм LZW (Лемпеля-Зива-Велша)
Аддитивные – основанные на сложении цветов (излучаемые цвета). К ним относится модель RGB.
Рисунок 23
Отраженный цвет – отражение световых волн поверхностью предмета. В КГ для моделирования цвета и освещения используют еще два параметра. Самосвечение объекта – свет, испускаемый объектом под действием внешнего воздействия. Зеркальность – учитывает отражение на поверхности объекта соседних объектов.
Итак, с физической точки зрения цвет характеризуется двумя параметрами – длиной волны и энергией (интенсивностью). Но на практике цвет используют производные от этих параметров: яркость и цветность.
Ахроматические цвета (бесцветные – представленные только оттенками серого цвета) характеризуются только яркостью. Яркость это количественная характеристика цвета, позволяет сравнивать интенсивность различных источников света. Цветность носит качественный характер, поэтому при сравнении двух цветов, их надо отделить от яркости.
3.2. Восприятие цвета человеком
Фундамент органов зрения - сетка чувствительных рецепторов, которые реагируют на разные длины волн и посылают в мозг комбинации электрических сигналов. Эти сигналы и формируют то ощущение, которое мы называем "цветом" - зрительное восприятие света и цвета. На биологическом уровне цвет воспринимается человеком тремя типами колбочек и палочками. Три типа рецепторов - колбочек - отвечают за цветовое восприятие. Каждый тип реагирует только на определенный компонент длины волны (длинноволновой, средневолновой и коротковолновой). Принято называть их по первым буквам, соответствующих частей спектра – Red (R), Green (G), Blue (B).
Рецепторы, которые называются "палочками", ориентированы только на восприятие яркостных характеристик.Палочки отвечают за ночное зрение, т.к. способны реагировать на суммарную энергию света. Таким образом, они отвечают за яркостное восприятие цвета. Палочки обладают более высокой светочувствительностью, чем колбочки.
Следует отметить, что цвет воспринимается человеком субъективно. Спектральная чувствительность у каждого человека своя. Она изменяется с возрастом, зависит от настроения, освещенности, окружай среды и т.д. но это относится к тонким оттенкам цвета. Насыщенные цвета, воспринимаются большинством одинаково. Человек воспринимает мир цветным, однако цвет - не только физическое, но в значительной степени психофизиологическое явление, поскольку физика оперирует отдельными волнами, а физиология - совокупностями волн, воспринимаемых человеком субъективно, в форме сложных цветовых ощущений. Длительное исследование проблем, связанных с областью цвета, привело к парадоксальным выводам: цвет - это не субстанция материи, а скорее особенность человеческого восприятия.
Некоторые устройства, к которым можно отнести и человеческие глаза, способны воспринимать цвета. Другие устройства способны воспроизводить цвета. Однако делают они это по-разному. Человеческий глаз не способен воспринять цвета ультрафиолетового и инфракрасного диапазона, однако то, что он воспринимает, все равно гораздо больше, чем может передать экран монитора, офсетная печать или фотоснимок. Их цветовой охват (спектральная чувствительность, цветовое пространство) - диапазон цветов, которые могут быть воспроизведены, зафиксированы или описаны каким-либо образом, - меньше, чем цветовой охват человеческого глаза (рисунок 25).
Не существует устройств, которые бы регистрировали цвет так, как его воспринимает человек. Устройства способны регистрировать только уровни яркости, поэтому первым этапом работы с цветом является анализ цвета — исключение собственно цветовой информации в результате пропускания цветового потока через цветные фильтры (красный, зеленый и синий). Яркостная информация за каждым фильтром фиксирует вклад каждой составляющей в цветное изображение.
Для восстановления цветовой информации яркостные данные используют в процессе синтеза для управления степенью свечения источники излучения основных цветов (например, на экране монитора, хотя это не единственный способ синтеза цвета).
Цветовой охват различных устройств зависит от двух параметров: цветовой диапазон и динамический диапазон.
Цветовой диапазон – непосредственно воспринимаемый устройством (в том числе и глаз человека) диапазон.
Динамический диапазон характеризует различие между более светлыми и темными частями изображения.
В КГ используются такие понятия, связанные с цветами:
- цветовые модели - используются для описания цветовых пространств (более подробно будут рассмотрены ниже);
Рисунок 25
- цветовые палитры - набор цветов, для описания цветового пространства, доступных в системах соответствия цветов (DIC, DuPont, PANTONE и др.);
- системы соответствия цветов - включает в себя определенный набор компонентов (электронные таблицы цветов, содержащихся в одноименных электронных палитрах, программные и аппаратные средства калибровки цветов);
- система управления цветом - набор программных средств, предназначенных для согласования цветовых пространств различных устройств.
В результате проведения множества опытов были сформулированы три закона Гроссмана. Исходя из законов Гроссмана, цвет в трехмерном пространстве может быть представлен точкой.
1-й закон Гроссмана (закон трехмерности) – любой цвет однозначно выражается тремя составляющими, если они линейно независимы. Т.е. глаз реагирует на три различных стимула. Линейная независимость заключается в невозможности получить любой из этих трех цветов сложением двух других. Это могут быть триадные составляющие R,G,B.
При субъективном описании цвета используют другие три параметра: цветовой тон, насыщенность и светлота (яркость).
Цветовой тон (Hue) позволяет различать цвета, представлен доминирующей длиной волны.
Насыщенность (чистота) (Saturation) характеризует чистоту, т.е. степень разбавления данного цвета белым цветом. Позволяет отличать розовый цвет от красного, изумрудный от зеленого и т.п.
Яркость (светлота) (Brightness/Lightness) позволяет судить об интенсивности, как о факторе, не зависящем от цветового тона и насыщенности. Т.е. интенсивность, с которой энергия света воздействует на рецепторы глаза. Ахроматические цвета (черный, белый, серый) характеризуются только понятием яркость.
2-й закон Гроссмана (закон непрерывности) – при непрерывном изменении излучения цвет смеси также меняется непрерывно. Не существует такого цвета, к которому нельзя было бы подобрать бесконечно близкий цвет, т.е. трехмерное цветовое пространство непрерывно.
3-й закон Гроссмана (закон аддитивности) – цвет смеси излучений зависит только от их цвета, но не спектрального состава, т.е. четыре цвета всегда линейно зависимы.
Таким образом, любой цвет в трехмерном пространстве может быть выражен вектором
Cn = RnR + GnG + BnB
В этом векторе направление вектора характеризует цветность, а модуль выражает яркость.
Итак, можно сделать следующие выводы:
1. Цвет - субъективная субстанция, суть которой в том, что восприятие цвета строится на ощущении того, чего в природе возможно и не существует.
2. Цвет - объективная субстанция, поскольку физические причины, вызывающие ощущение цвета, существуют вне человека. И даже если они вызывают неодинаковые ощущения, то все равно световое излучение при всей необходимости активного поведения органов зрения воздействует извне.
3. Сначала на этапе анализа цветовая информация с помощью фильтров преобразуется в яркостную информацию (техническая система избавляется от цвета как такового, иначе нет возможности его зафиксировать). Полученная яркостная информация реализуется в виде так называемых цветовых каналов (на самом деле - полутоновых) в пиксельных изображениях.
4. Визуализация цвета происходит на этапе синтеза, когда фиксированная яркостная картина используется как регулятор степени вклада каждой цветовой составляющей в общем цветном изображении. Очень важно отметить, что синтез цвета осуществляется совсем другими средствами, например свечением капель люминофора или отражением цветных пятен на бумаге. Это делает принципиально невозможным абсолютно точное воспроизведение исходной цветовой информации.
3.3. Цветовые палитры
Цветовая палитра - это таблица данных с информацией о коде закодированного цвета. Эта таблица создается и хранится вместе с графическим файлом.
Самый удобный для компьютера и самый распространенный способ кодирования цвета - 24-разрядный, True Color. В этом режиме на кодирование каждой цветовой составляющей R (красной), G (зеленой) и В (синей) отводится по одному байту (8 битов). Яркость каждой составляющей выражается числом от 0 до 255, и любой цвет из 16,5 миллионов компьютер может воспроизвести по трем кодам. В этом случае цветовая палитра не нужна, поскольку в трех байтах и так достаточно информации о цвете конкретного пикселя.
Сложнее обстоит дело, когда изображение имеет только 256 цветов, кодируемых одним байтом (индексированные цвета). В этом случае каждый цветовой оттенок представлен одним числом, причем это число выражает не цвет пикселя, а индекс цвета (его номер). Сам же цвет разыскивается по этому номеру в сопроводительной цветовой палитре, приложенной к файлу. Разные изображения могут иметь разные цветовые палитры.
В тех случаях, когда цвет изображения закодирован двумя байтами (режим High Color), на экране возможно изображение 65 тысяч цветов. В таком изображении каждый двухбайтный код тоже выражает какой-то цвет из общего спектра. Но в данном случае нельзя приложить к файлу индексную палитру, в которой было бы записано, какой код, какому цвету соответствует, поскольку в этой таблице было бы 65 тысяч записей, и ее размер составил бы сотни тысяч байтов. Нет смысла прикладывать к файлу таблицу, которая может быть по размеру больше самого файла. В этом случае используют понятие фиксированной палитры. Ее не надо прикладывать к файлу, поскольку в любом графическом файле, имеющем шестнадцатиразрядное кодирование цвета, один и тот же код всегда выражает один и тот же цвет.
Термин "безопасная палитра" используют в Web-графике. Скорость передачи данных в Интернете пока оставляет желать лучшего, для оформления Web-страниц не применяют графику, имеющую кодирование цвета выше 8-разрядного. При этом возникает проблема, связанная с тем, что создатель Web-страницы не имеет ни малейшего понятия о том, на какой модели компьютера и под управлением каких программ будет просматриваться его произведение. Он не уверен, не превратится ли его "зеленая елка" в красную или оранжевую на экранах пользователей. Поэтому все наиболее популярные программы для просмотра Web-страниц (браузеры) заранее настроены на некоторую одну фиксированную палитру. В этой палитре не 256 цветов, как можно было бы предположить, а лишь 216. Это связано с тем, что в Интернете работают люди с разными компьютерами, а не только с IBM PC, и не все компьютеры могут воспроизводить 256 цветов. Такая фиксированная палитра, жестко определяющая индексы для кодирования 216 цветов, называется безопасной палитрой.
В большинстве программ используются стандартные палитры. Но существует возможность создания пользовательских палитр.
4. Цветовые модели
4.1. Аддитивные цветовые модели
Цветовая модель (или цветовое пространство) - это способ описания цвета с помощью количественных характеристик. В этом случае не только легко сравнивать отдельные цвета и их оттенки между собой, но и использовать их в цифровых технологиях.Цветовые модели предоставляют средства для концептуального и количественного описания цвета.
В цветовой модели каждому цвету можно поставить в соответствие строго определенную точку. В этом случае цветовая модель - это просто упрощенное геометрическое представление, основанное на системе координатных осей и принятого масштаба.
Из-за разницы в цветовых охватах различных устройств, для передачи и получения изображений были созданы несколько цветовых моделей. Многообразие было предусмотрено вследствие того, что ни одна из цветовых моделей не является идеальной. На экране монитора нельзя точно передать чистый голубой и чистый желтый цвета, а при печати совсем не передаются цвета, составляющие которых, имеют очень низкую плотность. Существующие цветовые модели используются для взаимосвязи между устройствами с различными цветовыми охватами.
Любая цветовая модель должна отвечать трем требованиям:
1. Однозначно определять цвет, независимо от используемого устройства.
2. Точно задавать диапазон, воспроизводимых цветов, т.к. никакое множество цветов не является бесконечным.
3. Учитывать механизм восприятия цветов – излучение или отражение.
Все цветовые модели можно разделить на три группы:
Субтрактивные - основаны на вычитании цветов (отраженные цвета). Это модели CMY и CMYK.
Перцепционные, базируются на человеческом восприятии цвета – модели HSB, HLS, Lab, YCC, XYZ.
RGB – сокращение английских слов Красный (Red), Зеленый (Green), Синий (Blue). Модель RGB предназначена для описания излучаемых цветов. Базовые компоненты модели основаны на трех лучах - красном, синем и зеленом, т.к. человеческое восприятие цвета основано именно на них. Вся остальная палитра создается путем смешения трех основных цветов в различных соотношениях.
Следует отметить, что при сложении двух основных цветов полученный цвет будет светлее, чем базовые составляющие. С другой стороны, белый цвет и оттенки серого создаются путем смешения трех базовых цветов в равной степени, но с различной насыщенностью. Цвета такой модели называют аддитивными. Изображения на экране монитора, а также получаемые методом сканирования, кодируются в модели RGB.
Следует иметь в виду следующие соотношения цветов:
R + G = Y C + M = B
R + B = M C + Y = G
G + B = C M + Y = R , здесь С – Cyan (голубой), M – Magenta (пурпурный), Y – Yellow (желтый).
Цветовое пространство модели иногда представляют в виде цветового куба (рисунок 26).
По осям откладываются значения цветовых каналов, каждый из которых может принимать значения от нуля (свет отсутствует) до 255 (наибольшая яркость света). Внутри куба содержатся все цвета модели. В точке начала отсчета координатных осей все значения каналов равны нулю (черный цвет), а в противоположной точке максимальные значения каналов при смешении образуют белый цвет. Если две эти точки соединить отрезком, то на этом отрезке будет располагаться шкала оттенков от черного цвета к белому - серая шкала.
Три вершины куба дают три чистых исходных цвета. В свою очередь, каждая из трех других вершин между ними дает чистый, смешанный из двух основных, цвет. Каждый цветовой канал, и серая шкала, имеет 256 градаций серого цвета.
Любой цвет в цветовом кубе легко представить в виде вектора, описываемого третьим законом Гроссмана.
Рисунок 26
Модель RGBимеет два серьезных недостатка.
Аппаратная зависимость – цвет зависит от типа люминофора монитора, матрицы жидкокристаллического экрана и т.д. На качество влияет также старение люминофора.
Ограниченность цветового пространства – цветовой охват RGBмодели значительно меньше человеческого, что не мешает использовать ее для описания фотореалистичных изображений.
Для устранения этих недостатков были созданы стандартизированные RGB-пространства. На сегодняшний день их создано очень много (например, Adobe Photoshop поддерживает несколько десятков цветовых пространств RGB). Приведем лишь некоторые из них, рисунок 27 .
- sRGB – стандартное RGB – основано на цветовом диапазоне типичного монитора VGA низшего класса.
- Adobe RGB – основано на стандартах телевидения высокой четкости (High Definition TV – HDTV).
- Wide-Gamut RGB (RGB с расширенным диапазоном) – основано на чистых значениях цветов в 48-разрядных файлах.
Рисунок 27
Путем сложения триадных цветов получается изображение, например, на экране монитора. Несколько сложнее дело обстоит со светочувствительной матрицей цифрового фотоаппарата. Каждый светочувствительный элемент матрицы способен воспринимать только яркость – т.е. накапливает информацию о количестве попавших на него фотонов. Для регистрации цвета перед матрицей устанавливают систему цветных фильтров модели RGB. Но человеческий глаз наиболее чувствителен к зеленому цвету, поэтому число зеленых элементов удвоено. Таким образом, комплект фильтров выглядит как RGBG (фильтр Байера). Некоторые фирмы ставят вместо второго зеленого фильтра особый фильтр, подчеркивающий определенный оттенок. Например, компания Sony использует фильтр Emerald (изумрудный).
4.2. Субтрактивные цветовые модели
При печати изображений цвет воспринимается как результат взаимодействия цветового потока с поверхностью тела (бумаги). Эти цвета являются отраженными.
Модель CMY предназначена для описания отраженных цветов. Цвета этой модели основаны на вычитании части спектра падающего света (белого) и называются субтрактивными. Например, при пропускании света через пурпурный объект поглощается зеленая часть спектра, если далее пропустить через желтый объект, то поглотится синяя часть спектра и останется лишь красный цвет. Данный принцип используют светофильтры.
При смешении двух основных цветов, результат всегда оказывается темнее любого из исходных, поскольку каждый из цветов поглощает свою часть спектра. Эти цвета составляют так называемую полиграфическую триаду. Каналы CMY представляют собой остаток вычитания основных RGB-компонентов из белого цвета (как известно, белый цвет состоит из полного спектра цветов). При этом остаются следующие цвета: Cyan - голубой (белый цвет минус красный), Magenta - пурпурный (белый минус зеленый), Yellow - желтый (белый минус синий).
W – R = C
W – G = M
W – B = Y
В качестве усовершенствования этой модели появилась модель CMYK, которая была создана для описания процесса полноцветной печати, к примеру, на цветном принтере. Пурпурная, голубая и желтая краски последовательно наносятся на бумагу в различных пропорциях. Головка принтера устроена таким образом, что позволяет использовать эти цвета одновременно и за один проход по бумаге. Нанесенные на одно место основные цвета смешиваются, образуя требуемые оттенки. Однако черный цвет получить методом смешения трех основных цветов не удастся, т.к. вместо черного цвета получится скорее серо-коричневый цвет. Для получения чистого черного и оттенков серого в модель CMYбыл добавлен новый компонент - черный цвет. В цветовой модели CMYK - это и есть буква К (BlacK). Таким образом, CMYK - четырехканальная цветовая модель.
Модель CMYK предназначена для описания печатных изображений. Ее цветовой охват значительно ниже, чем у RGB, так как модель CMYK описывает отраженные цвета, интенсивность которых всегда меньше, чем у излучающих. Рассматривать CMYK можно как производную модели CMY. Пространство этой модели аналогично пространству модели RGB, только со смещением начала координат, рисунок 26.
Смешение всех трех компонентов при максимальных значениях дает черный цвет. С другой стороны, при полном отсутствии краски и, соответственно, нулевых значениях основных компонентов получится белый цвет. Применительно к CMYK, белый цвет следует воспринимать как белую бумагу. При смешивании основных компонентов с равными значениями получаются оттенки серого цвета, и образуется серая шкала. Эта цветовая модель имеет несколько особенностей, из-за которых переход в нее может создать некоторые проблемы. Дело в том, что цветовой охват CMYK недостаточно велик, и перевод в эту модель из модели RGB может привести к некоторым искажениям цветопередачи. Часть цветов из охвата модели RGB не может быть передана на бумаге, вследствие чего не входит в охват модели CMYK. Эта модель имеет проблемы с передачей ярко-голубых, синих, зеленых и оранжевых цветов. При конвертировании эти цвета приводятся к наиболее близким к ним цветам в модели CMYK. В современных принтерах часто добавляют дополнительные чернильницы для возмещения этого недостатка.
Хотя в CMYK и не редактируют изображение, однако, если оно готовится к печати, то часто возникает необходимость просмотреть соответствие цветов изображения цветовому охвату модели. Каждый раз, когда возникает такая необходимость, перевод изображения в CMYK и обратно в RGB с большой долей вероятности приведет к ухудшению качества изображения. Поэтому, если есть такая возможность, нужно прибегать к дополнительным средствам, как, например, в Photoshop - функция просмотра изображения в модели CMYK без действительного перевода в эту модель.
Как и модель RGB, модель CMYK является аппаратно-зависимой. Это означает, что при работе с различными устройствами вывода и печати изображения (например, мониторами и цветными принтерами) одно и то же графическое изображение будет выглядеть по-разному. Следует также иметь в виду, что получаемый цвет зависит не только от значений базовых составляющих, но и от параметров устройств: свойств используемой бумаги, особенностей принтеров, свойств люминофора у мониторов от различных фирм-производителей, наличия аппаратного цветового контроля монитора, а также свойств видеокарты.
В процессе работы по подготовке и выводу на печать изображения участвуют устройства, работающие как в модели RGB, так и CMYK. К первым можно отнести мониторы, сканеры и цифровые камеры, а ко вторым - цветные принтеры и фотонаборные автоматы. Поскольку цветовые охваты этих устройств различаются, необходимые преобразования из одной модели в другую сопряжены с неизбежными искажениями цветов и оттенков. Поэтому для достижения предсказуемого цвета была создана специальная система цветокоррекции - программа, цель которой заключается в достижении одинаковых цветов для всех этапов работы с изображениями, начиная сканированием и заканчивая выводом на печать.
4.3. Аппаратно-независимые перцепционные модели
4.3.1. Перцепционные цветовые модели
Так как описанные ранее модели являются аппратно-зависимыми, определяемый ими цвет зависит и от конкретных устройств ввода, вывода и обработки изображений. Для устранения аппаратной зависимости были созданы аппратно-независимые перцепционные (интуитивные) модели. К таким моделям относятся HSV (прототип всех остальных моделей), HIS, HSL, YUV и HSB. Основной особенностью их является разделение цвета и яркости. Эти модели обращаются с цветом на интуитивно понятном уровне и упрощают проблему согласования цветов, т.к. сначала настраивается яркость изображения, а затем осуществляется настройка цветов. Наибольшее распространение получила модель HSB.
Модель HSB разработана с максимальным учетом особенностей восприятия цвета человеческим глазом. Человеку гораздо проще не синтезировать цвет из составляющих, а выбирать его, ориентируясь на более естественные параметры, такие как, тон, насыщенность и яркость. Модель HSB построена на основе цветового круга Манселла, рисунок 28 . Цвет описывается тремя компонентами: оттенком (Hue), насыщенностью (Saturation), яркостью (Brightness).
Значение цвета определяется как вектор, исходящий из центра круга (белый цвет). Точки по периметру окружности соответствуют чистым спектральным цветам (0 – 360о). Чистый красный цвет – 0о, зеленый 120о, синий – 240о. Длина вектора определяет насыщенность(0 – 100 %), направление – цветовой оттенок. На отдельной шкале (ахроматической) задается яркость (0 – 100 %).
Модель HSB применяется при имитации приемов художников на компьютере. После создания изображения требуется перевод в другую цветовую модель. Основной недостаток модели – ограниченный цветовой охват, т.к. она использует то же цветовое пространство. Что и модель RGB.
4.3.2. Цветовая модель XYZ
Разработчики модели XYZ обратились к человеческому глазу, как к универсальному инструменту восприятия цвета. Они исходили из того, что цвет является скорее физиологической характеристикой, а не физической. Т.е. характеристикой восприятия цвета человеком.
В результате экспериментов по измерению цветовой реакции "стандартного" человека были получены три спектральные кривые – X, Y, Z (рисунок 29).
Виртуальные X, Y, Z цвета не существуют в природе. Но они охватывают все цвета, воспринимаемые человеческим глазом. Основным недостатком модели является сложность учета яркости. Поэтому данная модель была усовершенствована в модель Lab.
4.3.3. Цветовая модель Lab
Цветовая модель Lab была создана в 1976 году Международной комиссией по освещению (С1Е) с целью преодоления существенных недостатков вышеизложенных моделей. Цветовая модель Lab, являющаяся аппаратно-независимоймоделью, основана на человеческом восприятии цвета. При одинаковой интенсивности глаз человека воспринимает наиболее ярким красный цвет, и еще более темным — синий. Необходимо иметь в виду, что яркость является характеристикой восприятия, а не самого цвета.
Рисунок 28
Любой цвет в модели Lab определяется яркостью (Lightness)и двумя хроматическими компонентами — параметром а, изменяющимся в пределах от зеленого до красного, и параметром b, изменяющимся от синего до желтого. Яркость в модели Lab полностью отделена от цвета, что делает модель удобной для регулировки контраста, резкости и других тоновых характеристик изображения.
Модель Lab является трехканальной. Ее цветовой охват соответствует цветовому охвату обычного человеческого глаза, а также включает охваты всех других цветовых моделей. Цвета соответствующие предельным значениям параметров а и b не воспроизводятся ни на бумаге, ни на экране монитора.
Этот факт позволяет переводить изображение в формат Lab из, например, модели RGB и обратно, без изменения цвета и потери качества изображения, что является несомненным преимуществом данной цветовой модели (рисунок 30). Именно поэтому этой моделью охотно пользуются профессионалы - дизайнеры, фотографы и др.
Рисунок 29
Модель Lab хорошо согласуется с биологическим механизмом восприятия цвета человеком. Американские ученые Дэвид Хьюбл и Торстен Вайзел в 1981 году получили Нобелевскую премию за исследования цвета. Они выяснили, что человеческий мозг воспринимает не информацию о красном, зеленом и синем, а мозг получает информацию о:
- разнице между светлым и темным;
- разнице между зеленым и красным;
- разнице между синим и желтым.
Т.е. очень похоже на модель Lab, хотя следует отметить, что модель стала использоваться раньше, чем были сделаны открытия этих ученых.
4.3.4. Ахроматические изображения.
Изображения, содержащие только оттенки серого цвета, называются ахроматическими. Самый примитивный тип изображения - монохромноеизображение, каждая точка которого может быть окрашена либо только черным, либо только белым цветом. Монохромные изображения требуют очень мало памяти для хранения и вывода информации. Конвертировать в черно-белое изображение можно любой полутоновый рисунок. Однако таким образом можно сохранять не все типы изображений. Рисунок тушью, сохраненный в виде монохромного изображения, при высоких разрешениях будет выглядеть очень реалистично, поскольку тушь имеет очень однородный черный цвет.
Рисунок 30
С другой стороны, портрет или карандашный рисунок дадут неудовлетворительные результаты. Человеческий глаз очень чувствительный к деталям лица. Поэтому, перевод портрета в монохромное изображение, который удаляет большую часть мелких деталей, может в результате изменить лицо на портрете до неузнаваемости.
Полутоновое изображение получило свое название из-за того, что представлено в виде полутонов - 256 оттенков серого: от черного (0) до белого (255). Это так называемая серая шкала. Она имеет 256 градаций яркости, которых вполне достаточно, чтобы корректно отобразить в виде полутонового изображения черно-белую фотографию или карандашный рисунок.
Необходимо заметить, что карандашный рисунок является не черным, а серым, причем, градации серого зависят от нажима. Таким образом, это типичный представитель полутонового изображения, поэтому сохранить его в виде монохромного изображения было бы неправильно.
Как монохромное, так и полутоновое изображение, в отличие от остальных типов изображения, имеют один канал, редактируя этот канал, можно редактировать все изображение. Для полноцветного изображения каждый цветовой канал является полутоновым изображением, только вместо оттенков серого отображается распределение базового цвета. При наложении таких каналов с базовыми цветами создается изображение, состоящее из смешанных цветов.
4.4. Основные программы растровой графики
Программы растровой графики предназначены для работы с изображениями. В английской терминологии такие программы идут под рубрикой Image Application.
Программное обеспечение для работы с растровыми изображениями условно можно разбить на несколько классов;
- Средства создания растровых изображений: MS Paint, Corel Painter (ранее Fractal Design Painter) и др.
- Средства обработки изображений: Adobe Photoshop, Corel Photo Paint, Paint Shop Pro, Photoimpact и др.
- Средства захвата изображений с экрана. Использование стандартной процедуры фотографирования экрана кнопкой Print Screen. Применяются специальные программы грабберы – Corel Capture, Snaglt и др.
- Средства каталогизации и визуализации изображений – ACD See, MS Imaging и др.
Простейшим графическим редактором является MS Paint, стандартная программа ОС Windows. Программа содержит минимальный набор инструментов, достаточный для первого знакомства с растровой графикой. MS Paint не является профессиональным графическим редактором. Это скорей всего обучающая программа. В ней отсутствуют важные для растровой графики инструменты: слои, средства коррекции и ретуши изображения, фильтры, печать и многое другое.
В области обработки пиксельной графики несомненным лидером является программа Adobe Photoshop, которая используется повсеместно. Разумеется, каждому дизайнеру, художнику, фотографу необходимо владеть этим редактором. Спектр ее применения очень широк – от сканирования и обработки фотографий до подготовки профессиональных изображений для книг и журналов. Photoshop прекрасно работает со слоями, масками и выделенными областями. Имеет мощные средства цветокоррекции и ретуши, поддерживает большинство форматов графических файлов. В последних версиях Photoshop появилась возможность работы с векторными объектами. Практически Adobe Photoshop является эталоном для оценки растровых редакторов.
Основные особенности Adobe Photoshop – стабильность, универсальность, надежность, отличная цветопередача. Программа может использовать большинство цветовых моделей. Причем, основной внутренней моделью является модель Lab. Умеет открывать и сохранять любые графические форматы. В том числе имеется редкая для других программ возможность "Открыть файл как…".
Основной недостаток Adobe Photoshop – занимает много дискового пространства и оперативной памяти. Это связано:
- с использованием собственного графического формата PSD, который хранит большое количество информации об изображении;
- использованием слоев.
Вместе с универсальной программой Photoshop распространяется специализированная программа ImageReady, которая ориентирована на подготовку изображений для Web-страниц.
Фирма Corel распространяет две программы пиксельной графики: собственный редактор CorelPHOTO-PAINT и недавно приобретенное приложение Painter, которое ориентировано на лиц, предпочитающих рисование обработке готовых фотографий.
Ее основной формат CPT поддерживает слои, альфа-каналы, т.е. практически все, что Adobe Photoshop. Программа входит в состав интегрированного пакета Corel DRAW, основным назначением которого является разработка графического дизайна.
Инструментов рисования в редакторе даже больше чем в Adobe Photoshop. Для работы требуется меньше ресурсов ПК. Имеется также возможность анимации изображений в формате GIF и создание видеороликов в форматах AVI, MOV и MPEG.
Основные недостатки Corel Photo Paint присущи всем редакторам растровой графики – большой объем файла, высокие требования к аппаратным ресурсам. Сильно обедняет возможности редактора отсутствие эффектов слоев.
Фирма Macromedia продвигает программу Fireworks, которая ориентирована на подготовку изобразительных материалов для Web-страниц. Paint Shop Pro – простой, удобный и компактный растровый редактор. Пакет поддерживает слои, в т.ч. векторные и текстовые, цветовые модели RGB и CMYK, множество растровых форматов.
PhotoDraw 2000 – продукт фирмы Microsoft. По заявлениям производителя ни в чем не уступает Adobe Photoshop. Поддерживает форматы CDR и PSD, что дает возможность использовать их обширные библиотеки. Есть GIF аниматор.
Список подобных программ создания и редактирования растровой графики может быть продолжен.
5. Сжатие данных
5.1. Групповое кодирование (сжатие методом RLE)
Для уменьшения размеров графических файлов многие форматы используют алгоритмы сжатия данных. Объем файла растрового изображения весьма значительно возрастает при увеличении параметров пиксельного изображения. При этом также очевидно, что существует громадная избыточность данных, которая никак не улучшает качество, но требует большого расхода дисковой памяти. Выбор формата, использующего алгоритмы сжатия может сэкономить место на жестком диске или носителе для передачи файла на другой компьютер.
В связи с этим были разработаны способы, позволяющие сжимать графическую информацию и уменьшать объемы хотя бы на этапе ее передачи и хранения. Ведь эмпирический закон гласит, что дискового пространства всегда не хватает (сколько бы его ни было).
В этой области компьютерной теории разработаны два основных способа уменьшения объема хранения:
сжатие без потерь (lossless), когда информация полностью восстанавливается;
сжатие с потерями (lossy), когда информация до сжатия и после сжатия отличается в определенной и регулируемой степени.
Когда говорят, что сжатие "без потерь", имеют в виду отсутствие информационных потерь, а именно: такие алгоритмы гарантируют, что после декомпрессии информация совпадет "бит в бит" с исходной.
И совсем другое дело, отсутствие потерь восприятия, когда зрителю кажется, что изображение совсем не отличается от исходного. На этом допущении основаны алгоритмы сжатия с потерями, т. е. файл после декомпрессии фактически не идентичен исходному, хотя при определенных условиях это и не слишком заметно.
Среди многочисленных существующих форматов хранения графических изображений невозможно выбрать самый лучший, что объясняется существенными различиями в их назначении. Таким образом, при выборе того или иного формата необходимо ориентироваться только на его соответствие выполняемой работе. В частности, форматы, предназначенные для подготовки изображений к печати, не подходят для размещения в Internet, и наоборот.
Растровые форматы устроены проще, чем векторные. Компьютер считывает информацию, хранящуюся в файле в следующей последовательности:
1. Определяется размер изображения.
2. Определяется размер пикселя, т.е. пространственное разрешение изображения.
3. Определяется глубина цвета (битовая глубина).
Теперь давайте подумаем как же и на чем можно экономить место при сжатии файлов. В некоторых файлах встречаются довольно длинные подцепочки одинаковых байтов. Представьте себе такой файл:
Aaaaabbbccccccccccccccadddddddddddddddd
Файл занимает на диске 39 Byte. Очевидно, что информация в файле несколько избыточна и хранение файла в таком виде не оправдано. Совсем другое дело, если файл будет выглядеть так:
5a3b14ca16d
В таком случае файл будет занимать всего 11 byte. В итоге файл можно записать экономичнее в 39/11=3,5 раза. На этом же примере можно описать еще один способ экономии дискового пространства. Как видно файл состоит всего из четырех символов. Если сопоставить каждому из них пару битов, то получим:
a - "00", b - "01", c - "10", d - "11".
Иными словами файл можно закодировать таким образом, что каждый из символов будет кодироваться не восемью, а двумя битами. И тогда экономия будет четырехкратной (8/2=4). Следует заметить, что этот вариант алгоритма более общий, и одинаково эффективен, даже если в файле нет ни одной однородной подцепочки. Итак, если вы вникли в суть приведенных примеров, то вам в общих чертах должны быть понятны идеи, согласно которым происходит сжатие файлов. Заметьте, что, зная, каким именно правилом руководствовались при сжатии, архивы можно будет распаковать и получить исходные файлы. Это варианты архивации без потери качества (они обратимы).
Сжатие RLE (Run Length Encoding) хорошо работает с изображениями, содержащими ограниченное число цветов и большие области однотонной закраски. Алгоритм рассчитан на деловую или декоративную графику. Плохо сжимает "фотореалистичные" изображения.
Достоинством такого алгоритма является простота (что очень важно, т. к. позволяет выполнять процедуры компрессии и декомпрессии достаточно быстро). Недостатками являются - необходимость различать собственно данные и числа повторений, а также возможное увеличение объема файла, если в документе мало повторений (например, серия АВСАВС не уменьшит, а увеличит объем документа, поскольку будет иметь следующий вид: 1А1В1С1А1В1С, т. е. вместо 6 символов получится вдвое больше).
Классический алгоритм Лемпеля-Зива – LZW предельно прост. Он формулируется следующим образом: "если в прошедшем ранее выходном потоке уже встречалась подобная последовательность байт, причем запись о ее длине и смещении от текущей позиции короче чем сама эта последовательность, то в выходной файл записывается ссылка (смещение, длина), а не сама последовательность".
Процесс сжатия выглядит следующим образом. Последовательно считываются символы входного потока, и происходит проверка, существует ли в созданной таблице строк такая строка. Если такая строка существует, считывается следующий символ, а если строка не существует, в поток заносится код для предыдущей найденной строки, строка заносится в таблицу, а поиск начинается снова.
Например, если сжимают байтовые данные (текст), то строк в таблице окажется 256 (от "0" до "255"). Для кода очистки и кода конца информации используются коды 256 и 257. Если используется 10-битный код, то под коды для строк остаются значения в диапазоне от 258 до 1023. Новые строки формируют таблицу последовательно, т. е. можно считать индекс строки ее кодом.
Особенностью рассматриваемого алгоритма LZW является то, что для выполнения обратного процесса ("распаковки") нет необходимости сохранять таблицу в документе (алгоритм позволяет восстановить таблицу строк только из сохраненных в документе кодов).
Так фраза "КОЛОКОЛ_ОКОЛО_КОЛОКОЛЬНИ" закодируется как "КОЛО(-4,3)_(-5,4)О_(-14,7)ЬНИ".
Метод сжатия RLE является подклассом данного алгоритма. Рассмотрим, например, последовательность "ААААААА". С помощью алгоритма RLE она будет закодирована как "(А,7)", в то же время ее можно достаточно хорошо сжать и с помощью алгоритма LZW: "А(-1,6)". Действительно, степень сжатия именно такой последовательности им хуже (примерно на 30-40%), но сам по себе алгоритм LZW более универсален, и может намного лучше обрабатывать последовательности вообще несжимаемые методом RLE.
5. 3. Алгоритм Хаффмана
Алгоритм основан на том факте, что некоторые символы из стандартного 256-символьного набора в произвольном тексте могут встречаться чаще среднего периода повтора, а другие, соответственно, – реже. Следовательно, если для записи распространенных символов использовать короткие последовательности бит, длиной меньше 8, а для записи редких символов – длинные, то суммарный объем файла уменьшится. Именно поэтому алгоритм Хаффмана называется также кодированием символами переменной длины (Variable-Lenth Coding). В одних алгоритмах реализации алгоритма Хаффмана используются готовые кодовые таблицы, в других – кодовая таблица строится только на основе статистического анализа имеющейся информации. Кодирование по Хаффману гарантирует возможность полного последующего декодирования. Заменим для простоты значения цвета буквами. Например, в следующей последовательности букв ААСАААВАВАВВАВСАСВСАСААССС заметно, что чаще всего встречается символ А (12 раз), затем символ С (9 раз) и, наконец, символ В (5 раз). Следовательно, символ А можно заменять кодом 0, символ С - кодом 1, а символ В - кодом 00. И так далее, если элементов для кодирования больше. В результате, если считать, что каждый символ в нашем примере кодируется 1 битом, то для передачи строки потребуется 208 битов, а в сжатом виде объем информации составит только 31 бит.
5. 4. Сжатие с потерями
С некоторых пор пользователю стало недостаточно только текстов. И пользователи получили возможность хранить на своих жестких дисках музыку, изображения, видео. Все эти файлы так же хранятся в виде последовательностей байтов. И если в тексте пропажа хотя бы одной буквы или знака пунктуации может иметь фатальные последствия (помните фразу: "Казнить нельзя помиловать" и результат ее неправильного толкования при ошибочной расстановке пунктуации), то в изображении или в видеоклипе информация подчас настолько избыточна, что необратимое удаление части информации никоим образом не повлияет на восприятие человека (вследствие ограничений, накладываемых уровнем чувствительности зрения и слуха). Отсюда и ряд методов сжатия с потерей качества. Исследователями визуального восприятия человека отмечено, что далеко не вся информация требуется для того, чтобы адекватно воспринимать цветное изображение. Для реализации этого закона были разработаны алгоритмы с потерей информации, которые обеспечивают выбор уровня компрессии с уровнем качества изображения. Тем самым достигается компромисс между размером и качеством изображений.
Применение сжатия без потерь неэффективно для растровых изображений фотографического качества, т.к. в них каждый пиксель может отличаться от соседнего. Размер файла уменьшается незначительно, а иногда даже увеличивается.
Изображение, сжатое с потерями, не всегда будет выглядеть хуже оригинала. Отбрасывается избыточная информация, содержащаяся в изображении. Используется тот факт, что человеческий глаз, очень чувствителен к изменению яркости и интенсивности окраски, и значительно менее чувствителен к изменению цвета. Важным моментом является определение приемлемого качества потерь. Все зависит от конкретного изображения и от его использования.
5.5. Сжатие методом JPEG
Сжатие методом JPEG является самым распространенным и эффективным способом сжатия. В 1992 году стал международным стандартом в области ГИ. JPEG – аббревиатура группы экспертов создавших стандарт (Joint Photographic Experts Group).
В основе метода лежит поиск разницы между соседними пикселями. Кодирование осуществляется в несколько этапов.
1. Конвертирование цветовой модели изображения (обычно RGB) в цветовую модель YUV, некоторый аналог модели Lab, где яркостная составляющая отделена от цветовой. В модели RGB изменение любого компонента цвета приводит к изменению яркости пикселя. В модели YUV компонента Y – компонента яркости, а компоненты U, V – хранят информацию о цвете.
Y = 0,299 x R + 0,587 x G + 0,114 x B
U = (B – Y) / 0,433 +128
V = (R – Y) / 0,355 + 128
2. Подвыборка – соседние пиксели группируются попарно в каналах U и V. Разделение яркости и цвета позволяет уделять больше внимание яркости, чем данным о цвете. Этот процесс осуществляется для компонент с различной частотой.
Используется два метода подвыборки 4:1:1 и 4:2:2. Так как каждый цвет кодируется 3 байтами, для передачи цвета 4 пикселей (12 байт в RGB) требуется 6 байт и 8 байт соответственно. Т.е. YUV411 сокращает объем данных в два раза, а YUV422 в 1,5 раз. С точки зрения математики происходит значительная потеря информации, но человеческий глаз ее не воспринимает, ввиду избыточности информации в самом изображении.
3. Группировка пикселей в блоки, обычно размером 8х8. В каждой выборке определяется запись изменений частот (как часто меняются яркость и цвет пикселей), так называемое дискретное косинусное преобразование (DCT). Таким образом, яркость заменяется на частоту появления той или иной яркости. На этом этапе размер файла может увеличиться, но следующие этапы это устраняют.
4. Квантование – удаление малозначительной для глаза информации. Все составляющие делятся на коэффициенты относительной важности и округляются до целого.
Именно на этой стадии происходят основные потери. Высокочастотные составляющие квантуются грубо, низкочастотные – точнее, т.к. наиболее заметны. Для уменьшения потерь в канале яркости используются меньшие коэффициенты, чем в каналах цветности. Величина квантования может изменяться, что позволяет управлять размером сжатия, а соответственно и качества изображения.
5. Этап Zig-Zag. Этап назван так вследствие того, что пиксели собираются в последовательность по размерам (сначала располагаются пиксели, отвечающие за более крупные объекты). Кодировщик движется как бы зигзагом.
6. Сжатие методом RLE.
7. Сжатие методом JPEG.
JPEG лучше сжимает изображения с полутоновыми переходами, с высоким разрешением. Важное замечание – формат следует использовать только как конечный результат, т.к. при каждом открытии файла, и его последующим сжатием сжимается уже исходное изображение. Таким образом, если сжать неоднократно изображение, то через несколько этапов сжатия, его можно не узнать.
6. Печать изображений
6.1. Типы принтеров
Принтеры предназначены для вывода изображений на бумажные носители. Цветная печать обычно производится последовательным наложением четырех базовых красок - голубой, пурпурной, желтой и черной. Если рассматривать иллюстрацию в цветном журнале через лупу, можно увидеть, что она состоит из переплетающегося узора точек разных цветов. Глаз человека воспринимает вместо разноцветных точек реалистичное изображение - происходит своего рода оптический обман. Следует заметить, что реального смешения красок не происходит.
По способу печати принтеры можно разделить на пять основных типов (речь идет только о периферийных принтерах, не касаясь средств, используемых в полиграфии) – матричные, струйные, лазерные, светодиодные, сублимационные.
До недавнего времени основным типом были матричные (игольчатые) принтеры. Печать осуществляется оттиском, создаваемым иголками, через красящую ленту.
В струйных принтерах изображение формируется микроскопическими каплями чернил. Чернила вытесняются из чернильниц за счет электричества. Используются три способа – пузырьковый, термоструйный и пьезоэлектрический.
При пузырьковом способе в жидкости создаются пузырьки воздуха, увеличивая, тем самым, объем. Принцип пузырьково-струйной печати Canon Bubble-Jet, изобретённый в конце 70-х, до гениального прост. В каждой дюзе — тончайшем канале, в котором формируются капельки чернил, — расположен микроскопический нагреватель. Электрические импульсы, подаваемые на него, заставляют чернила вскипать с образованием воздушных пузырьков, и эти пузырьки с каждым импульсом выталкивают равные объёмы чернил из дюзы. Нагрев прекращается — пузырёк исчезает, в дюзу втягивается новая порция чернил — и она готова к новому циклу!
Другой подход представляют Hewlett-Packard и Lexmark. Они, напротив, полностью отказываются связывать судьбу принтера с судьбой головки. Отчасти это объясняется применяемой технологией распыления - термоструйной. Здесь двигателем является нагревательный элемент, в последних моделях даже два элемента. Это микроскопическая «печка» мгновенно нагревает чернила, увеличивая их объем, от чего, по всем законам физики, чернилам становится тесно в канале и они вырываются из дюзы. А для подавления паразитных капель применяются разные способы - в частности, звездообразная форма дюзы.
В пьезоэлектрическом способе используются пьезокристаллы, также, изменяющие объем чернил - вещество, меняющее форму и объем под воздействием электрического тока. Позиция Seiko Epson такова: лучшая на свете технология не просто струйная, а пьезоструйная. Если подать на кристалл импульс тока, он создаст в чернилах волну, которая достигнет дюзы и выплеснется из нее в виде микроскопической капельки. После чего сразу запускают обратный процесс (обратная волна), которая всасывает паразитные брызги, чтобы на бумаге получилась ровная капля, а не клякса. Главная достоинство технологии - повышенная долговечность печатной головки, поэтому ее встраивают в принтер (или совмещают с ним). По заявлениям Epson, ресурс печатающей головки равен ресурсу принтера. И это действительно так, если принтер используется регулярно, головка также регулярно промывается чернилами. Но, если по какой-то причине, принтер долго (больше месяца) не использовался, чернила в каналах засыхают. После чего их приходится долго промывать. В особо запущенных случаях штатные средства принтера не справляются, и тогда приходится менять в сервис-ценре засохшую намертво головку примерно за полцены принтера.
Умный подход к формированию изображения на способе подготовки точек не заканчивается. И здесь, пожалуй, у струйной печати - самый большой резерв развития. Драйверы становятся все более «думающими». Они не просто распыляют чернила по шаблону из файла, но тщательно анализируют исходную картинку. Основной подход Epson к этой проблеме называется PhotoEnhance. При этом человек доверяет драйверу выстраивание цветов, отказывается от точной передачи цвета по какому-либо стандарту цветокоррекции. И надо сказать, что часто PhotoEnhance оправдывает высокое доверие. Есть примеры, когда анализ картинки позволял вытягивать совершенно неожиданные элементы изображения (подобная работа в Photoshop’е требует высокой квалификации).
Hewlett-Packard решает эту задачу по частям. В состав последних принтеров НР входит соответствующий набор утилит: Contrast Enhancement, Digital Flash, SmartFocus, Sharpness и Smoothing (усиление контраста, цифровая вспышка, интеллектуальная фокусировка, резкость и разглаживание). Если выставить в этих утилитах режим "Auto", общая работа будет напоминать то, что делает Epson PhotoEnhance.
Фирма Canon ограничивается вытягиванием оттенков и деталей картинки на особо темных и очень светлых участках с помощью своей Color Image Processing System (CCIPS). Для фотографий можно включить отдельную опцию фото-оптимизатора, где кроме традиционной цветокоррекции с учетом условий освещения и настройки контраста, есть и нетривиальные алгоритмы. Всем знакомы дефекты фотографий, сделанных против света - неестественно белое небо и, хуже того, сам объект съемки на первом плане бледный и неконтрастный. Или - цветовой шум, особенно заметный при съемке цифровой камерой в условиях низкой освещенности, когда однородный в оригинале фон замусоривается лишними точками. Полностью исправить такие дефекты сложно даже вручную, но получить визуально приятные отпечатки можно автоматически.
В лазерных принтерах имеется валик, покрытый полупроводником. В основе технологии лежит принцип сухого электростатического переноса. Суть этого принципа такова: источник света светит на предварительно заряженную поверхность светочувствительного вала (фотобарабана, фотовала). На тех местах, на которые попал свет, меняется заряд и к этим местам, затем притягивается тонер.
Затем этот тонер перетягивается за счёт электростатики на бумагу, на которой попадает в печку, где и закрепляется, под действием высокой температуры и давления. Луч лазера, отражённый от быстро вращающегося многогранного зеркала (призмы), пробегающий строчку за строчкой по всей длине светочувствительного вала, прорисовывает тем самым на нём последовательно, по мере его вращения, электростатическое изображение. На засвеченные участки потом притягивается тонер.
Вращаясь дальше, светочувствительный барабан входит в соприкосновение с бумагой и за счёт напряжения переноса, приводимого к бумаге посредством ролика переноса, тонер переносится на бумагу, оставаясь примагниченным к ней до тех пор, пока бумага с тонером на нём, не попадёт в узел термозакрепления (печку), где тонер будет вплавлен в бумагу, создав тем самым готовый отпечаток (рисунок 31).
В светодиодных принтерах вместо лазера используется светодиодная полоса. Она состоит из множества (от 2.5 до 10 тысяч штук, в зависимости от разрешения линейки) светодиодов, размещённых в ряд (образующих тем самым светодиодную линейку) вдоль всей длины светочувствительного вала. Засветка одной строки в светодиодном принтере происходит одновременно: по команде контроллера, те светодиоды, под которыми на светочувствительном валу должна появиться точка изображения, вспыхивают, остальные - нет. Ряды точек при вращении фотобарабана также формируют на нём электростатическое изображение, которое затем проявляется тонером и переносится на бумагу, где и закрепляется - точно так же, как описано выше для лазерной печати.
Сублимационная печать была впервые применена фирмой Tektronix в принтерах Phaser. При печати используется специальная бумага, верхние слои которой восприимчивы к «пропитке» чернилами.
Сам процесс в упрошённой форме выглядит следующим образом: Внутри принтера находиться рулон прозрачной плёнки, в которой заключены слои твёрдого красителя трёх цветов: бирюзового, малинового и жёлтого.
Рисунок 31
Процесс печати начинается с нагрева головки, проходя вдоль плёнки. Далее испарившись, краситель переходит из твёрдого состояния в газообразное (что собственно и называется процессом сублимации). Под воздействием высоких температур происходит открытие пор на покрытии бумаги, позволяя проникать красителю под поверхность. Работая принтер, наносит слой краски одного цвета, прокатывая лист вперёд- назад, нанося послойно краску.
И, как правило, существует "последний проход", когда наносится защитный слой, для защиты от износа и небольших микроповреждений. Одно из основных преимуществ сублимационной печати является качество изображения, получаемое методом вышеописанным методом. При просмотре даже под микроскопом еле видны границы пикселей, т.к. каждый пиксель имеет плавный переход при печати. Основными техническими параметрами принтеров являются:
разрешающая способность (dpi и lpi);
производительность (страниц в минуту);
формат бумаги;
объем собственной оперативной памяти.
6.2. Растрирование изображений
Процесс печати налагает на обработку изображения определенные требования. Полутоновые изображения должны быть растеризованы, в то время как полноцветные изображения должны быть подвергнуты цветоделению.
Принцип растрирования - разбиение изображения на маленькие ячейки так называемой растровой сеткой, причем каждая ячейка имеет сплошную заливку. Растровая сетка монитора разбивает изображение на пиксели, представляющие собой группу точек люминофора. С другой стороны принтер разбивает изображение на черные точки разного размера. Цветной принтер делает то же самое, однако с несколькими монохромными растрами одновременно. При выводе изображения на эти устройства параметры растрирования имеют решающее значение, так как они непосредственно связаны с их аппаратными возможностями.
При цифровой печати использование отдельных красок для передачи каждого оттенка серого невозможно (256 оттенков), поскольку каждый оттенок требовалось бы наносить отдельно и по очереди, один за другим. На практике для получения градаций серого используют всего одну краску - черную. Полутона при этом передаются за счет растра. Точки располагаются регулярно, на одинаковом расстоянии друг от друга, образуя линейный растр (амплитудно-модулированное растрирование - АМР). Иногда применяется нерегулярное расположение растровых точек. В этом случае растр называется нерегулярным или стохастическим, а способ растрирования называют ЧМ-растрированием (частотно-модулируемым растрированием - ЧМР).
Для передачи оттенков в процессе растрирования формируются растровые точки разных размеров. Точки большего диаметра, соседствуя в ячейках растровой сетки, оставляют между собой мало белого пространства. Чем светлее оттенок, тем меньше размер растровых точек и, соответственно, между ними больше белого пространства.
Цифровое растрирование организовано другим способом. В этом случае процесс растрирования состоит в объединении точек, создаваемых лазерным лучом принтера, в группы, которые образуют растровые точки.
Вспомним, что растр представляет собой совокупность ячеек, на которые разбито изображение. При этом каждой ячейке соответствует одна растровая точка, которая состоит из группы «действительных» точек одинакового размера, создаваемых устройством вывода.
Чем большая часть ячейки заполнена точками принтера, тем больший размер имеет растровая точка и, соответственно, тем более темный оттенок серого она отображает. Существуют различные формы растровых точек, однако наиболее часто используемой является круглая точка. Чтобы приблизить форму растровой точки к кругу, растеризатор пытается наносить "действительные" точки как можно ближе к центру ячейки.
Практически всегда функции растеризатора возлагаются на само устройство вывода, например, принтер. Наилучшим растеризатором является интерпретатор PostScript.
ЧМР основано на квазислучайном размещении точек одинакового размера, в отличие от регулярной структуры растра в АМР.
АМР, которое пока является более распространенным подходом, представляет собой результат традиционного процесса фотографирования оригинала через сетку некоторой пространственной частоты, позволяющего преобразовать оригинал в структуру точек различного размера. Следует определить, что же такое линиатура. Линиатура это частота сетки растра, измеряемая числом линий на дюйм (lpi).
Метод растрирования, использующий для создания тонированных изображений точки равномерно расположенные (т.е. расстояние между центрами точек растра одинаково), но имеющие различные размеры, называется растрированием с амплитудной модуляцией (АМР).
Качество ЧМР значительно выше, т.к. размер точек существенно меньше, чем при АМР.
При использовании в ЧМР квазислучайного метода распределения точек в ячейках растра (на самом деле с использованием специального программного обеспечения) качество еще больше повышается, исчезает само понятие линиатуры. В ЧМР полностью отсутствуют растры регулярной структуры. Существует много реализаций обоих подходов.
Растискивание (dot gain) - это расплывание точек из-за впитывания офсетной краски бумагой. Для получения качественного отпечатка необходимо, чтобы точки растра не накладывались друг на друга. Если же линиатура растра велика, то растискивание приведет именно к этому эффекту, и качество отпечатка не возрастет, а наоборот, ухудшится. Визуально растискивание приведет к тому, что появится «грязь» на иллюстрации в тех местах, где есть локальные уменьшения плотности бумаги - ведь даже самая качественная бумага не является абсолютно однородной.
На качество печати оказывает влияние и такой параметр, как форма точки. Круглые точки часто используются для печати фотоснимков продукции, эллиптические — для сюжетов с людьми, а квадратные - для тех, которые требуют четкого рисунка. Круглые или эллиптические точки обычно лучше всего подходят для черно-белой печати, эллиптические - для цветной печати. Квадратные точки – для сюжетов, требующих четкого рисунка.
Угол поворота растра является чрезвычайно важным фактором полутонового растрирования. Именно углы поворота определяют, останется ли незаметной иллюзия, созданная растровой структурой, или она будет бросаться в глаза. Углы также влияют на объем данных, которые должно содержать изображение для получения высокого качества иллюстрации. При печати оцифрованных полутоновых изображений растровая структура всегда разворачивается на некоторый угол. Для полутоновых изображений, заданный по умолчанию угол - 45°. Для цветных изображений четыре печатные формы системы СМУК поворачиваются на разные углы: на 105° для голубой печатной формы, 75° для пурпурной, 90° или 0° для желтой и 45° для черной.
Одним из следствий неточного совмещения растровых структур является появление муара. Муар – как отмечалось ранее, это раздражающая глаз видимая растровая структура, которая отвлекает зрителя от сюжета изображения.
Как отмечалось ранее квазислучайный метод размещения точек в ЧМР, которое на самом деле производится с использованием математического алгоритма, позволяет устранить распознаваемые глазом растровые структуры и муар. Области изображения с повышенной плотностью точек кажутся более темными, а участки с меньшей плотностью точек - более светлыми.
При ЧМР теряет смысл понятие пространственной частоты растра, потому что для него отсутствует регулярная структура, и в этом случае значение имеет лишь разрешающая способность устройства вывода и минимальный размер точки растра, который может воспроизводить данная печатная машина при сравнимой пространственной частоте растра.
Особенности реализации преимуществ ЧМР заключаются в следующем:
- более чистые цвета - устранена опасность муара, цвета определены более четко и менее подвержены взаимному загрязнению;
- улучшенная резкость края изображения и детальность - небольшие размеры точек, используемых в ЧМР, способствуют формированию четких краев и деталей рисунка во всех тоновых диапазонах, но особенно в наиболее светлых участках и тенях. Превосходная резкость края изображения в ЧМ-подходе делает его идеальным для воспроизведения тонких подробностей в рисунках тканей и драгоценностях;
- гладкие градации между смежными тонами - темы, для которых характерны тонкие, непрерывные градации тонов, часто лучше представляются с помощью ЧМР, чем посредством традиционного цифрового подхода, если в используемом цифровом изображении корректирован шум, который часто наблюдается в слабоконтрастных областях изображения;
- пониженное входное и выходное разрешение - как правило, при установленной номинальной пространственной частоте растра для получения высококачественной иллюстрации с помощью ЧМР требуется меньший объем данных изображения, чем с помощью традиционного цифрового подхода.
При всех потенциальных выгодах в области ЧМ-растрирования существует также ряд проблем.
- увеличение размера растровой точки - описывает тенденцию увеличения размера или размывания точек растра после того, как печатная краска наносится на бумагу в печатной машине. Хотя исходная ЧМ-точка имеет очень малые размеры, с учетом растекания необходимо резервировать вокруг каждой точки довольно большую область.
- зернистость - некоторые конечные пользователи технологий ЧМ-растрирования отмечают наличие зернистости в малоконтрастных областях отпечатанных изображений. Для того чтобы избежать зернистости в ситуации, когда все изображения в документе имеют низкую контрастность, необходимо использовать вместо ЧМР традиционный цифровой подход;
- слишком малые размеры точки - изготовители имиджсеттеров обычно предусматривают только один или два фиксированных размера точки при заданном выходном разрешении, причем эти точки обычно слишком малы для использования на немелованной и газетной бумаге или при трафаретной печати, где увеличением размера точки труднее управлять. Небольшие размеры точек также частично ответственны за шум, наблюдаемый в малоконтрастных изображениях;
- контроль качества - из-за проблемы увеличения размера растровой точки на ЧМР оказывают отрицательное влияние пыльные рабочие помещения.
7. Векторная графика
7.1. Средства создания векторных изображений
Векторные изображения создаются в векторной графике математическими формулами, а не координатами точек, как в растровой графике. Основу изображений в векторной графике создают векторы или контуры. Каждый из контуров можно создавать, редактировать и удалять независимо от других. Поэтому векторную графику называют объектно-ориентированной графикой.
Отсюда формулируется задача - поиск формулы, которая бы позволяла описывать все многообразие линейных контуров. И поскольку дискретизация имеет линейный характер, общий контур разбивается на достаточно мелкие фрагменты - сплайны. При этом необходимо выбрать наиболее простую формулу (функцию) для их описания, представляемую в параметрической форме. Одной из самых важных причин выбора в качестве средств векторной графики кривых Безье и NURBS-кривых является управляемая гладкость, а также то, что их форма определяется расположением множества контрольных точек, которые определяют форму только части кривой, находящейся рядом.
В программах векторной графики единственный способ изменения формы - интерактивное перемещение опорных и управляющих точек.
На базе кривой Безье основывается и язык описания страниц PostScript, развитие которого шло по пути интегрирования новых возможностей выводных устройств (цветной печати, систем управления цветом и шрифта).
В качестве формулы, которая была бы достаточно простой (с точки зрения математика), универсальной (с точки зрения программиста) и геометрически наглядной (с точки зрения пользователя - художника или дизайнера), чаще всего используется упомянутая кривая Безье. Кривые Безье - параметрические кривые третьего порядка.
На самом деле, это целое семейство кривых, из которых используется частный случай с кубической степенью, т. е. кривая третьего порядка, описываемая следующим параметрическим уравнением
Общий вид элементарной кривой Безье представлен на рисунке 32. Такую кривую можно построить, если известны координаты четырех точек, называемых контрольными.
Из четырех контрольных точек кривая проходит только через две, поэтому эти точки называются опорными —anchor points (иначе они называются узлами(nodes), поскольку "связывают" элементарные кривые друг с другом, чтобы образовать сложный единый контур).
Две другие контрольные точки не лежат на кривой, но их расположение определяет кривизну кривой, поэтому эти точки иначе называются управляющими точками, а линии, соединяющие управляющую и опорную точки, управляющей линией (в просторечии именуемых "рычагами").
Кривая Безье является гладкой кривой, т. е. она не имеет разрывов и непрерывно заполняет отрезок между начальной и конечной точками.
Кривая начинается в первой опорной точке, касаясь, отрезка своей управляющей линии, и заканчивается в последней опорной точке, также касаясь, отрезка своей управляющей линии. Это позволяет гладко соединять две кривые Безье друг с другом: управляющие линии располагаются вдоль одной прямой, которая является касательной к получившейся кривой.
Рисунок 32
Кривая лежит в выпуклой оболочке, создаваемой управляющими линиями. Это свидетельствует о стабильности ("благонравном поведении") кривой (рисунок 33).
Рисунок 33
Кривая Безье симметрична, т. е. она сохраняет свою форму, если изменить направление вектора кривой на противоположный ("поменять местами" начальную и конечную опорные точки). Это свойство находит свое применение при создании составных контуров.
Одной из самых важных причин выбора в качестве средств векторной графики кривых Безье и NURBS-кривых является управляемая гладкость. Гладкость означает, что при моделировании на кривой не образуется петель и резких преломлений (тем более разрывов). Но при этом, не исключена возможность создания, как гладкого сопряжения, так и изгибов, например острых углов.
Кривая Безье, используя математический язык, "аффинно - инвариантна", т. е. она сохраняет свою форму при масштабировании (рисунок 34). Это свойство является фундаментом свободы манипулирования объектами векторной графики.
Если существует только две контрольных точки (опорных точки) или управляющие линии коллинеарны (лежат на одной прямой), кривая превращается в прямой отрезок.
Изменение положения хотя бы одной из контрольных точек ведет к изменению формы всей кривой Безье. Это свойство - источник бесконечного разнообразия форм векторных объектов. Из множества таких элементарных кривых составляется контур произвольной формы и произвольной сложности.
Рисунок 34
Термин NURBS, который является аббревиатурой (сокращением) и расшифровывается как Non-Uniform Rational B-spline, где:
"Non-Uniform" (неоднородный) означает, что область влияния контрольной точки на форму кривой может быть различной. Это очень важное свойство для моделирования иррегулярных кривых.
"Rational" (рациональный) означает, что математическое выражение, описывающее форму моделируемой кривой, есть отношение двух полиномов. Эта особенность позволяет точнее моделировать различные кривые, например конические сечения.
"B-spline" (basis spline, базовый сплайн) - способ математического описания кривой интерполяцией между тремя и более контрольными точками.
Заметим что, привычные для плоских векторных художников кривые Безье являются специальным (частным) случаем В-сплайна.
Одной из основополагающих особенностей NURBS-кривой является то, что ее форма определяется расположением множества контрольных точек. Контрольные точки соединены для наглядности прямыми линиями. Эта ломаная линия получила название управляющего многоугольника (control polygon), рисунок 35. Каждая контрольная точка определяет форму только той части кривой, которая находится в ее окрестности, и оказывает меньшее воздействие или вовсе не влияет на форму оставшейся части кривой.
Если веса всех контрольных точек положительны, кривая лежит в области, полученной соединением крайних (внешних) контрольных точек. Такой "габаритный" контейнер получил название "выпуклой оболочки" (convex hull).
Основными объектами ВГ являются: примитивы (линия, круг, эллипс и др.), составные объекты и различные заливки.
Примитив - объект создаваемый, редактируемый и уничтожаемый одной командой.
Рисунок 35
Сегменты могут иметь прямолинейную или криволинейную форму. Форма сегмента определяется типом ограничивающих его узлов, которые могут быть гладкими или угловыми. В гладком узле контур образует плавный перегиб, в то время как в угловом — излом. Если сегмент хотя бы с одной стороны будет ограничен гладким узлом, он будет криволинейным. С другой стороны, чтобы сегмент был прямолинейным, он должен быть ограничен с обеих сторон только угловыми узлами. Различают также еще два типа узлов. Узел Безье – вершина подобная гладкой, но позволяющая управлять кривизной сегментов при входе и выходе из нее. Для этого она снабжается касательными векторами с маркерами (квадратиками) на концах. У вершин Безье касательные вектора всегда лежат на одной прямой, а расстояние маркеров от вершины можно изменять. При этом перемещение одного маркера приводит к центрально-симметричному перемещению другого. Вершина Безье с изломом – отличатся тем, что касательные векторы не связаны друг с другом, и маркеры можно перемещать независимо.
Замкнутыеконтуры (например, многоугольные, эллиптические и т.п.) могут иметь заливку, т.е. их внутреннее пространство может быть заполнено произвольным цветом. Программы иллюстрирования способны поддерживать не только сплошные, но и более сложные типы заливок - градиентные(плавный переход от одного цвета к другому) или узорные(заливка повторяющимся рисунком). Некоторые программы позволяют создавать текстурные заливки, т.е. заливки редактируемыми рисунками, похожими на какие-либо материалы.
Любые контуры могут иметь обводку. Контур - понятие математическое, и толщины он не имеет. Чтобы сделать контур видимым, ему придают обводку — линию заданной толщины и цвета, проведенную строго по контуру. По умолчанию всем новопостроенным линиям задается одинаковая толщина, однако по желанию обводку можно изменить - создать пунктирную, градиентную или художественную.
Соотношение цвета и формы в растровой графике можно определить следующим образом:
- цвет и форма неотделимы;
- цвет первичен;
- форма - производное от цвета;
Процесс создания изображений точечной графики, если не считать компьютерной специфики, практически идентичен работе художника, который за счет расположения на плоскости мазков краски создает иллюзорную действительность — метафору пространства.
При редактировании векторной графики изменяется в первую очередь форма объекта, а цвет играет второстепенную роль. Соотношение цвета и формы в векторной графике можно определить следующим образом:
