На первом этапе вся поверхность реального изображения дискретизируется по площади, то есть на нее как бы наносится прямоугольная сетка, разбивающая изображение на одинаковые по форме и размеру клеточки-дискреты. Дискретизация необходима, чтобы свести бесконечно большой объем визуальной информации реального изображения к конечному множеству элементов модели. В результате вместо бесконечно большого количества точек изображения мы получим ограниченное количество одинаковых участков (дискретов). Затем каждый из дискретов кодируется в соответствии с усредненными по площади в его пределах тоновыми или цветовыми характеристиками участка реального изображения, перекрываемого дискретом. Таким образом, вместо бесконечного количества точек, составляющих реальное непрерывное изображение, мы получим прямоугольную матрицу пикселов, то есть ограниченное количество закодированных дискретов. Эта совокупность кодов и будет называться растровой моделью нашего, теперь уже цифрового, изображения. Давайте представим процесс оцифровки графически.

На рис. 1.2, а показано «особенно ценное» изображение окружности, нарисованное, например, каким-либо величайшим художником на бумаге (иначе, наверное, не имело бы смысла вводить его в компьютер — проще нарисовать в векторном редакторе). Попробуем создать растровую модель, описывающую это изображение, то есть промоделируем ввод изображения окружности в память ПК, например, с помощью сканера.

1. Нанесем на окружность изображение сетки 7 ґ 7. Тогда вместо бесконечно большого количества точек мы получим всего лишь 49 дискретов, перекрывающих область нашего изображения (рис. 1.2, б).

2. Закрасим клеточки, пересекаемые окружностью, черным цветом (рис. 1.2, в). Мы получили дискретную (состоящую из конечного количества одинаковых элементов — дискретов) окружность. Конечно, это творение художников-кубистов весьма отдаленно напоминает исходную (рис. 1.2, а) окружность, но зато оно содержит всего 49 информационных элементов.

3. Нарисуем точно такую же матрицу 7 ґ 7 элементов и впишем в клеточки цифру 1, если соответствующие им по положению дискреты белые, и 0, если они черные. В результате мы получили матрицу чисел (рис. 1.2, г).

а

б

в

г

Рис. 1.2. Дискретизация и кодирование изображения: а — исходное изображение;
б — дискретная сетка; в — дискретная окружность; г — матрица чисел,
кодирующая изображение дискретной окружности

Теперь в памяти ПК вместо реального изображения можно хранить последовательность из 49 чисел:

1000001 0011100 0111110 0111110 011110 0011100 1000001

Это и есть растровая модель нашего цифрового изображения, то есть совокупность пикселов. Для хранения такого цифрового изображения потребуется 49 элементарных ячеек памяти или, по-научному, 49 бит.

При чтении этих цифр из памяти система визуализации выводит на экран (принтер) черные точки, если бит имеет значение 0, и белые точки, если значение равно 1. Конечно, чтобы на основе этой цифровой модели правильно построить изображение окружности, не хватает дополнительных данных. А именно необходимо также знать формат изображения, то есть соотношение его сторон. В нашем случае это квадрат 7 ґ 7. Иначе при визуализации вместо дискретизированной окружности мы получим совершенно другие фигуры формата 49 ґ 1 (строка) или 1 ґ 49 (столбец), в которых будут черные (0) и белые (1) пикселы.

Значит, в графическом файле помимо пикселов изображения необходимо размещать еще и служебную информацию, помогающую программе визуализации правильно его построить.

Что делать, если качество нашей модели нас не устраивает (она слишком грубая)? Как «приблизить» ее к исходному изображению? Самый простой выход — уменьшить размер дискрета. Давайте разделим каждую клеточку нашей сетки на четыре равные части и снова построим дискретную окружность (рис. 1.3). Очевидно, что степень приближения модели к оригиналу в этом случае будет значительно лучше. Однако и количество элементов модели возрастет в 4 раза, и для ее хранения потребуется не 49, а 49 ґ 4 = 196 бит памяти.

Рис. 1.3. Увеличение степени дискретизации ведет к увеличению не только точности,
но и размерности модели

1111000000111111001111110011100111111110011011111111010111111111111
001111111111110 0111111111111001111111111110011111111111100111111111111
0101111111101100111111110011100111111001111110000001111

А у вас? Как и в предыдущем случае, чтобы на основе этих цифровых данных правильно построить дискретную окружность, в файле необходимо хранить служебную информацию, где будет указан формат изображения (14 ґ 14).

Для дальнейшего увеличения качества, очевидно, придется снова увеличить степень дискретизации. Если вам не лень, проделайте это самостоятельно. До какой степени можно или нужно уменьшать дискреты? На этот вопрос есть два ответа:

1. До тех пор пока дальнейшее уменьшение размера дискрета не будет заметно влиять на качество цифрового изображения — ограничение по качеству.

2. До тех пор пока размер модели (размер файла) не превысит разумные пределы — ограничение по размеру.

Особенности кодирования тона

Если вы считаете, что прекрасно разобрались с оцифровкой, то подумайте, как быть, если изображение не монохромное (одноцветное), а имеет множество оттенков серого (старая добрая черно-белая фотография)? Не потеряем ли мы информацию, кодируя всего лишь одним битом каждый дискрет? Разумеется, потеряем и вместо фотографии получим гравюру или, хуже того, штамп (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Исходная фотография (слева) и монохромное двухградационное цифровое изображение (справа)
при кодировании каждого дискрета одним битом
(два уровня яркости)

Причина ясна: каждый пиксел должен передавать больше двух уровней яркости, то есть хранить больше двух значений. Для этого потребуется уже не один, а несколько бит, то есть несколько элементарных ячеек памяти для каждого пиксела. Напомним, что в двоичной системе n-разрядное двоичное число, состоящее из n бит, может передать 2n различных состояний. Таким образом, если выделить на каждый пиксел n бит памяти, то он сможет передать один из 2n уровней яркости (рис. 1.5).

Чем больше бит описывает каждый пиксел, тем более гладкие тоновые переходы можно получить на цифровом изображении, тем больше оно похоже на исходное (рис. 1.4, слева). Сколько же уровней яркости необходимо иметь, чтобы качественно передать все видимые оттенки серого: от абсолютно черного до абсолютно белого? Исследования показывают, что человек не различает границу между двумя участками изображения, если их яркость отличается менее чем на 0,5%. Таким образом, чтобы шкала яркостей выглядела гладкой, без резких тоновых переходов, необходимо наличие не менее 200 участков (уровней яркости) от черного до белого (0,5% = 1/200). Поскольку компьютер работает в двоичной системе счисления, берется ближайшее большее двоичное число 28 = 256. То есть, чтобы получить качественное изображение, в котором будут присутствовать все оттенки серого, необходимо выделить для кодирования яркости не менее 8 бит (1 байт) на каждый пиксел. Значит, чтобы его хранить, потребуется в 8 раз больше памяти, чем для двухградационного изображения.

Итак, с полутоновыми изображениями разобрались. Теперь пора подумать и о цветных. Как же закодировать цвет?

Рис. 1.5. Зависимость качества передачи полутонов от количества бит для кодирования
и соответствующие шкалы яркостей: слева — 2 бита на пиксел (22 = 4 уровня яркости);
справа — 3 бита на пиксел (23 = 8 уровней яркости)

Индексирование цвета

В компьютерной графике используют два принципиально разных подхода. В первом случае вместе с изображением хранят специальную таблицу (Color Table) используемых в нем цветов (цветовая палитра), а каждый пиксел содержит номер (индекс) цвета из этой таблицы. Такое представление цвета называется индексированием, а цветные цифровые изображения, созданные по этому принципу, — индексированными или палитровыми. Этот способ особенно активно применялся на заре развития персональных компьютеров и графических адаптеров. В настоящее время он используется в основном для веб-дизайна при сохранении рисунков с ограниченным количеством используемых цветов. От размера палитры зависит не только объем графического файла, но и качество передачи цвета, а значит — качество изображения (рис. 1.6–1.8). Из-за недостаточного количества цветов на изображении появляются зоны «выпадения» цвета.

Рис. 1.6. Исходное изображение. Размер файла — 2,6 Мбайт

Рис. 1.7. Индексированное изображение, использующее
системную цветовую палитру Windows (256 цветов).
Заметно выпадение (недостаток) цвета. Размер файла составляет 887 Кбайт

Рис. 1.8. Качество индексированного изображения с сокращенной таблицей до 125 цветов
еще ниже. Размер файла уменьшается до 426 Кбайт

Недостаток цветов в индексированных изображениях, получаемых из реальных полноцветных, стараются каким-то образом компенсировать. Для этого отсутствующие в таблице цвета моделируют из уже имеющихся, используя различные алгоритмы сглаживания (dithering). К наиболее распространенным относятся:

Рис. 1.9. Сглаживание изображения с помощью моделирования
отсутствующих цветов диффузией

Примеры использования перечисленных вариантов приведены на рис. 1.9–1.11 для таблицы 125 цветов (см. рис. 1.8). Возможно, качество полиграфии позволит заметить разницу на приведенных рисунках. Если нет — не огорчайтесь. В дальнейшем мы выполним специальное упражнение, которое в полной мере «проявит» особенности сглаживания на экране.

Сравнив индексированное изображение с исходным, имеющим плавные цветовые переходы и богатую колористику, мы сделаем вывод, что даже при использования сглаживания качество оставляет желать лучшего. То есть индексированные изображения мало подходят для качественной цветопередачи фотографий. Для этой цели при кодировании цвета используют другой подход.

Рис. 1.10. Создание ощущения отсутствующих в таблице цветов с помощью регулярного узора

Рис. 1.11. Случайное размещение пикселов (шум) также позволяет получить
более «гладкое» изображение

Суммирование цветовых составляющих

Этот способ формирования видимого цвета известен со времен Ньютона (XVII в.). Его опыты со стеклянной призмой по разложению солнечного света на спектральные составляющие, а также обратному их суммированию описаны в школьном учебнике по физике. Чтобы запомнить цвета спектра, используется фраза «каждый охотник желает знать, где сидит фазан». В XIX в. Гельмгольц выяснил, что белый цвет (White) также можно получить, сложив лишь несколько спектральных составляющих. Вполне достаточно трех базисных цветов, а именно красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue) при максимальной интенсивности их излучения (рис. 1.12). Отсутствие всех составляющих образует черный цвет (BlacK). Попарное суммирование позволяет получить промежуточные цвета:

Рис. 1.12. Суммирование базисных цветов

Если же управлять интенсивностью каждого из основных компонентов, то можно получить множество оттенков почти всех цветов видимого света. При одинаковых значениях интенсивности мы получим оттенки серого. Чтобы получить гладкую шкалу по каждому из составляющих цветов, как и в случае с кодированием тона, необходимо иметь не менее 200 градаций. Отсюда, для оцифровки интенсивности излучения каждого из основных цветов следует выделить не менее 8 бит (1 байт). То есть каждый пиксел кодируется 24 битами (3 байта: красный, зеленый, синий) и может отображать любой из 256 ґ 256 ґ 256 = 16 777 216 (~16,8 млн) цветовых оттенков. Такого огромного набора вполне достаточно для высококачественного представления на экране полноценных цветных фотографий. Кстати, эта триада (RGB) используется в телевидении, в кино и в фотографии (трехслойные цветные пленки).

Цветовые модели

Использование красного, зеленого и синего (RGB) в качестве основных — не единственный способ цифрового описания цвета из составляющих. Принципиально возможно использование и других комбинаций цветов, расположенных через 120° на цветовом круге. Таким образом, мы подошли к новому понятию — цветовым моделям цифровых изображений.

НОВЫЙ ТЕРМИН

Цветовая модель — это способ формального описания цвета на основе составляющих его компонентов.

Цветовые модели в графических программах поддерживаются специальными графическими режимами. Все используемые в настоящее время цветовые модели можно условно классифицировать следующим образом:

Давайте последовательно рассмотрим их основные особенности и области применения.

Монохромные модели

Само название говорит о том, что эти модели предназначены для описания монохромных изображений: гравюр, рисунков тушью или карандашом, чертежей, черно-белых фотографий.

Во многих случаях достаточно всего одного цвета для изображения и одного цвета для фона. Такие изображения описываются специальной разновидностью монохромных моделей — двухградационной. В компьютерном мире их принято называть однобитовыми или просто битовыми. В графических программах режимы, поддерживающие эту модель, обозначают как:

Особенность модели заключается в выделении всего 1 бита на каждый пиксел изображения (есть цвет или нет), то есть вся шкала от фонового цвета до основного разбивается на два участка (см. рис. 1.4). Таким образом, модель является наиболее экономичной с точки зрения затрат памяти (при всем желании меньше памяти на каждый пиксел не выделить!)

Понятно, что передача полутонов (градаций серого) в такой модели непосредственно для каждого пиксела принципиально невозможна. Тем не менее существуют методы, с помощью которых моделируются и полутона, но не для каждого пиксела, а для участков изображения. Подобные методы уже давно хорошо отработаны в полиграфии. Возьмите в руки любую газету и посмотрите на напечатанную в ней черно-белую фотографию. Что вы видите? Оттенки серого! Откуда они взялись, если печатают газету только одной черной краской? Хитрые печатники обманули наше зрение. Они смоделировали оттенки серого с помощью специального приема — типографского растрирования. Смысл этого фокуса в упрощенном виде заключается в том, что все изображение строится на основе типографского растра, представляющего собой регулярную структуру — решетку. В узлах решетки располагаются типографские точки. Интервал между ними выбирается таким образом, чтобы на расстоянии 35 см (нормальное расстояние для чтения) точки сливались бы в общий фон. Изменяя размеры точек, можно создавать ощущения тона: от черного цвета (точки максимального размера, сливаются) до белого (точки отсутствуют). Промежуточные размеры точек передают ощущение различных оттенков серого, так как глаз усредняет значение яркости.

Компьютерщики приняли на вооружение этот прием (режим Halftone screen — полутоновой растр) при преобразовании полутоновых изображений в двухградационные и активно применяют его, в том числе и для экономии памяти. В этом случае каждая растровая точка формируется из множества пикселов, что позволяет варьировать ее размеры и форму.

Кроме типографского растрирования, оттенки серого можно смоделировать и другими способами: узорами (pattern) и диффузией (diffusion). Рисунок 1.13 иллюстрирует использование различных методов для одного и того же изображения. И без лупы видно, что качество моделирования в любом случае весьма невысокое: изображение значительно теряет четкость, а количество воспринимаемых оттенков серого невелико.

Второй разновидностью монохромных моделей является полутоновая модель. Соответствующий ей режим графических программ обычно называется Grayscale (Градации серого). В этом случае, как мы уже говорили выше, каждый пиксел должен передавать яркость соответствующего участка изображения. Для обеспечения непрерывности шкалы от черного до белого (256 уровней) необходимо, чтобы для кодирования яркости каждого пиксела выделялся 1 байт памяти (8 бит). С помощью такой модели на экране прекрасно отображаются черно-белые фотографии, а также монохромная графика. Часто этот режим используется при сканировании текста перед его распознаванием.

К сожалению, прекрасно выглядящее на экране полутоновое изображение, имеющее 256 оттенков, при типографской печати получается весьма посредственным. В большинстве случаев печатные процессы не позволяют передавать более 50 уровней серого (именно поэтому качество фотографий в газетах оставляет желать лучшего). Чтобы расширить тональный диапазон, полиграфисты опять хитрят. Они иногда печатают черно-белые фотографии не одной, а несколькими красками, каждая из которых может передавать до 50 градаций. Таким образом, используя для области теней черную краску, для полутонов и области светов — другие, более светлые краски (например, синюю и голубую), удается значительно улучшить качество печати. Этот прием называется дуплексом. В зависимости от количества используемых красок он подразделяется на:

а, б

в, г

Рис. 1.13. Моделирование полутонов в монохромных изображениях: а — исходное полутоновое
в градациях серого; б — узор (pattern); в — диффузия (diffusion);
г — типографское растрирование (Halftone screen)

Такой подход повышает стоимость печатной продукции, но чего не сделаешь ради повышения качества! В СССР таким способом снимки печатались, как правило, только в праздничных номерах газет (1 мая, 7 ноября). Сейчас такой прием часто используется в фотодизайне, а также для имитаций старых фотографий, придания им желто-зеленого оттенка.

Индексная модель

Первоначально для кодирования цвета на ПК использовалось индексирование, что было связано с ограниченными возможностями графических адаптеров. Первые цветные графические платы — CGA (color graphics adapter — цветной графический адаптер) — могли формировать на мониторе всего 4 цвета, следующее поколение — платы EGA (enhanced graphics adapter — усовершенствованный графический адаптер) — до 16 цветов. MCGA (multicolor graphics adapter — многоцветный графический адаптер) и VGA (video graphics array — видеографический массив), расширили диапазон воспроизводимых цветов до 256. Этим аппаратным средствам вполне хватало табличного цветового набора (цветовая палитра) с индексацией цвета. Только появление адаптеров SVGA (Super VGA) позволило изменить сам подход к моделированию цвета.

Цветовая модель, использующая принцип индексирования цвета, называется индексной или палитровой, а реализующий ее режим в графических программах — Indexed Color (Индксированный цвет) или Palleted Color (Палитровый цвет). Характерная особенность модели — возможность варьирования размеров цветовой таблицы от 2 до 256 цветов. В связи с этим на каждый пиксел может выделяться от 1 до 8 бит памяти для хранения индекса (номера) цвета в таблице. От размера цветовой таблицы зависит не только качество изображения, но и размер файла. Поэтому индексная модель активно используется для хранения рисунков, а иногда и фотографий в Интернете (можно управлять размером файла, следовательно, временем загрузки веб-страницы). Такие файлы не только быстро передаются через Сеть, но и быстро обрабатываются графическими программами. Недостаток модели — невысокое качество при преобразовании в нее полноцветных изображений. Для них используются другие модели.

Полноцветные модели

Как уже говорилось, помимо табличного представления, любой цвет можно получить путем суммирования основных составляющих. Модели, описывающие цвет на основе суммирования излучения, называются аддитивными (от англ. addition — сложение). В первую очередь к этому типу следует отнести модель RGB. Соответствующий ей режим носит название RGB Color (RGB-цвет).

Аддитивная модель RGB

В данной модели на каждый пиксел выделяется 24 бита памяти (по 8 на каждый из суммируемых компонентов), что обеспечивает возможность кодирования около16,8 млн цветовых оттенков.

Эта модель используется во всех излучающих устройствах вывода информации: мониторах, видеопроекторах, газоплазменных панелях и даже в телевизорах. Каждый пиксел изображения формируется тремя (триада) точками или тремя полосками (в зависимости от типа трубки): красной, зеленой и синей. Поскольку точки весьма малы (в современных мониторах на базе электронно-лучевых трубок их диаметр менее 0,15 мм) и расположены близко друг к другу (шаг точек — не более 0,28 мм), мы видим суммарный световой поток от них. (Возьмите увеличительное стекло и посмотрите на экран вашего монитора или телевизора.)

ПРИМЕЧАНИЕ. Шаг точек в масочных ЭЛТ — это расстояние между двумя точками люминофора одного цвета. В кинескопах с апертурной решеткой используется понятие шага полос, то есть горизонтальное расстояние между полосами люминофора одного цвета. Чем меньше шаг точки или шаг полосы, тем лучше: изображение выглядит более четким и резким, контуры и линии предметов получаются более ровными и изящными.

Управляя интенсивностью свечения каждой из этих точек по отдельности, можно создавать ощущение множества цветовых оттенков. Поскольку цвет на экране в значительной степени зависит от настройки монитора и характеристик люминофора, используемого в его электронно-лучевой трубке, то даже одинаковые значения компонентов R, G и B на разных мониторах будут выглядеть различно, то есть формировать разное ощущение цвета. Отсюда — первый недостаток модели RGB: она является аппаратно-зависимой.

Другой недостаток: в данной модели принципиально невозможно получить все видимые цвета с помощью аддитивного синтеза. В частности, невозможно получить такие распространенные в природе цвета, как чистый голубой и чистый желтый. Поэтому говорят, что модель имеет ограниченный цветовой охват.

НОВЫЙ ТЕРМИН. Цветовой охват (Color Gamut) — это множество цветовых оттенков, которое может различать человек или воспроизводить устройство.

Тем не менее эта модель является основной при подготовке и обработке полноцветных изображений в Adobe Photoshop. В режиме RGB Color (RGB-цвет) программа выделяет под каждый из базисных цветов (красный, зеленый и синий) отдельный канал.

НОВЫЙ ТЕРМИН. Цветовой канал (Color Channel) — это изображение в градациях серого, содержащее распределение яркости для какого-либо базисного цвета модели.

Цветовые каналы формируются графическими программами автоматически при вводе или создании изображений и содержат информацию о том, сколько красного, зеленого и синего цвета (в данном случае) образуют каждый пиксел RGB-изображения. Каналы создаются как 8-битовые, поэтому могут передавать 28  = 256 уровней яркости каждого из базисных цветов. При суммировании трех составляющих каналов получается полноцветное RGB-изображение, максимальное количество цветов в котором достигает 2563 = 16,8 млн. Поскольку каналы представляют собой монохромные изображения в градациях серого, с ними можно работать по отдельности как с обычными одноканальными изображениями. Это позволяет эффективно корректировать цветовые составляющие, а также применять различные эффекты. Для выполнения специфических операций над каналами в Adobe Photoshop служит специальная палитра Channels (Каналы) (рис. 1.14).

Палитра помимо миниатюр суммарного канала и каждого в отдельности содержит четыре кнопки и собственное меню команд. Кнопки (слева направо) позволяют выполнять операции:

Рис. 1.14. Палитра Channels содержит миниатюры каждого из каналов базисных цветов
и имеет собственное меню

Меню команд включает в себя следующие варианты:

Рассмотренные команды и кнопки свидетельствуют о том, что в изображениях могут присутствовать не только цветовые каналы, но и специальные альфа-каналы, содержащие изображения масок, а также каналы плашечных цветов.

Работа с палитрой значительно упрощает управление каналами и позволяет решить ряд специфических задач, которые невозможно реализовать с помощью других средств Adobe Photoshop. Вернемся, однако, к цветовым моделям. Следующая аддитивная модель, поддерживаемая соответствующим режимом программы, — Lab.

Аддитивная модель Lab

Эта модель разработана еще в 1931 году международной комиссией по освещению CIE (Commission International de l`Eclairage). Целью разработки стало создание международного стандарта для измерения цвета. В 1976 году ее усовершенствовали и назвали CIE L*a*b.

Модель позволяет описать практически любой цвет, воспринимаемый человеческим глазом. Она, в отличие от RGB, аппаратурно-независимая, так что ее цвета выглядят одинаково и на мониторе, и на принтере. Lab обладает самым широким цветовым охватом, поэтому практически во всех графических программах используется в качестве внутренней модели для пересчета значений цвета из одной модели в другую, а также в качестве эталонной в системах управления цветом.

Каждый цвет в этой модели задается тремя компонентами и, соответственно, реализуется тремя каналами:

Такое независимое задание яркостной и цветовых составляющих позволяет эффективно изменять их без взаимного влияния. То есть можно свободно управлять яркостью изображения, при этом нисколько не меняя его цветовых параметров, или, наоборот, подстраивать цветовые характеристики, не модифицируя яркостные соотношения. Поэтому данная модель часто используется для коррекции изображений, а также конвертирования цветных изображений в полутоновые черно-белые.

Перцепционная модель HSB

Название «перцепционная» как нельзя лучше отражает суть этой модели, описывающей цвет на основе его восприятия человеком (англ. perception — восприятие, ощущение). Мы обычно описываем цвет какого-либо объекта словами, например «красный, яркий, насыщенный» или «синий, ненасыщенный, темный». То есть отнюдь не в терминах модели RGB. Даже опытный человек вряд ли сможет оценить, сколько в цвете баклажана или лимона содержится единиц красного, зеленого и синего цветов. Именно для того, чтобы можно было описывать цвет в терминах, понятных человеку, а не аппаратуре, и разработали перцепционные модели. Одной из наиболее распространенных является модель HSB. Ее компоненты:

Как известно, практически любой источник излучает полихромный свет, то есть в его состав входит множество волн различной длины и амплитуды. В том случае, когда одна из волн доминирует по интенсивности излучения над остальными, свет для человека приобретает специфический оттенок, который мы и называем конкретным цветом (красным, зеленым, голубым и т. п.). В модели HSB каждый цвет, или, как говорят, цветовой тон, цветовой оттенок, занимает определенное место на стандартном цветовом круге и характеризуется величиной угла от 0° до 360°. Обычно красному цвету задают значение 0°, зеленому — 120°, синему — 240°. То есть первичные (базисные) цвета отстоят друг от друга на 120°. Между ними располагаются вторичные цвета (желтый, голубой и пурпурный), которые можно получить попарным сложением соседних первичных, и наоборот — первичные цвета также можно получить попарным сложением соседних вторичных.

Однако для однозначного определения цвета параметра цветового тона (Hue) в реальной жизни явно недостаточно. Каждый может привести множество примеров объектов, имеющих различные по ощущению красные, зеленые или фиолетовые оттенки. Именно поэтому в перцепционной модели используются и другие параметры для более точного задания цвета — его насыщенность и яркость.

Saturation (Насыщенность) характеризует чистоту цвета или, используя термины физики, то, насколько различается интенсивность доминирующей и остальных длин волн излучения. Если различие незначительно, интенсивности примерно одинаковы, то цвет — ненасыщенный, нейтральный, близок к серому. Если доминанта существенно превалирует над остальными составляющими, то цвет выглядит глубоким, сочным, насыщенным. Насыщенность измеряется в процентах: 0% — серый цвет, в котором отсутствуют доминирующие по интенсивности волны, 100% — полностью насыщенный цвет. Следует отметить, что полностью насыщенные цвета практически не встречаются в природе, именно поэтому они воспринимаются человеком как искусственные, ненатуральные.

Следующий параметр, Brightness (Яркость), характеризует общую (суммарную) интенсивность излучения. Чем она больше, тем светлее кажется нам цвет, вплоть до слепящего белого. При нулевой яркости (0%) мы не можем видеть никакого цвета (излучение отсутствует), поэтому, как гласит пословица, «ночью все кошки серы», то есть любой цвет воспринимается как черный. Абсолютную 100-процентную яркость имеет только белый цвет. Серый цвет принимает различные промежуточные значения яркости. Эти три цвета (черный, серый, белый) называются ахроматическими, и для их однозначного описания достаточно указания только яркости.

Хроматические цвета также имеют яркость: светло-голубой, темно-коричневый, ярко-зеленый. К тому же мы сравниваем по яркости различные цвета, например ярко-желтый с голубым, темно-синий с пурпурным. Причем разные цвета вызывают у нас различное ощущение яркости. Это учитывается графическими программами при преобразовании цветных изображений в полутоновые.

Помимо удобства описания цвета, модель HSB удобна и для его регулировки или коррекции, поскольку все ее компоненты независимы друг от друга. То есть, если нужно поменять цветовой тон, то достаточно сместить его по цветовому кругу. Если требуется более сочный цвет, необходимо всего лишь добавить насыщенность. Если хочется, чтобы цвет «заиграл», стал более ярким — сдвиньте регулятор яркости в сторону увеличения. Не правда ли, просто? А попробуйте-ка справиться с компонентами модели RGB, чтобы достичь аналогичных результатов.

Помимо HSB, в графических программах используются и другие варианты перцепционных моделей, такие как HLS, HSI, YUV. Все они построены на общих принципах описания цвета и различаются лишь в деталях. Но в любом случае компоненты этих моделей получаются из значений R, G и B путем пересчета по определенным формулам, поскольку физические устройства ввода работают именно в модели RGB. Поэтому цветовой охват и количество воспроизводимых этими моделями цветов соответствуют модели RGB. В программе Adobe Photoshop 7 нет специального режима, поддерживающего перцепционную модель, однако при выборе основного или фонового цвета предоставляется возможность посмотреть или задать их параметры в модели HSB.

Мы рассмотрели основные аддитивные цветовые модели. Каждая из них имеет свои достоинства и недостатки, свои области применения. Но ни одна из этих моделей не пригодна для описания цвета, получающегося в печатных процессах. Причина в том, что цвет на бумаге формируется совершенно по иным физическим принципам.

Субтрактивная модель CMYK

Как же мы видим цвет объектов, изображенных на бумаге? Ведь они ничего не излучают! Да, сами не излучают, зато отражают падающий на них свет от внешних источников. Если идеально отражающий лист бумаги (таких, конечно, не бывает) осветить белым светом, то он полностью отразится, и мы увидим, что лист «белый». Если на такой лист нанести какой-либо пигмент (краску), то часть падающего света отразится, а часть будет поглощена. В отраженном свете присутствуют уже не все компоненты, и это создаст у нас ощущение цвета пигмента. Значит, цвет на бумаге получается не за счет суммирования интенсивностей излучений различных длин волн, а за счет вычитания отдельных составляющих из белого цвета. Такой процесс получения цвета принципиально невозможно описать с помощью аддитивных моделей. Поэтому разработаны субтрактивные модели (от англ. subtract — вычесть), основанные на так называемых базисных субтрактивных цветах. В качестве таких цветов используют вторичные цвета: голубой (Cyan), пурпурный (Magenta) и желтый (Yellow). Наложение пигментов трех этих цветов с максимальной плотностью должно в теории давать черный цвет (BlacK), полное отсутствие — воспринимается как белый (фактически — цвет бумаги). Попарное наложение базисных цветов с максимальной плотностью позволяет получать цвета, близкие к основным модели RGB (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Наложение базисных красителей максимальной плотностью позволяет
получить черный цвет и основные цвета модели RGB

Наложение красок CMY с различной плотностью позволяет получать множество разнообразных цветовых оттенков. Как и в модели RGB, максимальное количество воспроизводимых цветов определяется произведением 256 ґ 256 ґ 256 » 16,8 млн. Различные оттенки базисных цветов в этой модели, на основе которых формируется все множество воспроизводимых цветов, получаются методом типографского растрирования (изменением размеров печатных точек). Однако следует учитывать, что из-за разного физического принципа получения не все цвета, отображаемые моделью RGB, можно адекватно воспроизвести в CMY. Кроме того, реальные краски, конечно же, не идеальны. Поэтому никогда не удастся получить чистый черный цвет, а также оттенки серого без цветового отлива. Кроме того, на черный цвет приходится тратить утроенное количество краски. Что же делать? Как избавиться от «вопиющих» недостатков? Решение найдено давно — добавить в модель еще один компонент, а именно черную краску. Таким образом, практически все печатные полноцветные машины и подавляющее число цветных принтеров используют четырехкомпонентную модель CMYK. Различные цветовые оттенки в этом случае формируются с помощью базисных цветов CMY, а черный и оттенки серого — с помощью черной краски и типографского растрирования.

ПРИМЕЧАНИЕ. Буква K в обозначении модели указывает на черный цвет (BlacK). Первая буква (B) не используется, чтобы не было путаницы с синим цветом (Blue) из модели RGB.

Недостатком модели CMYK так же, как и RGB, является ее аппаратная зависимость. Алгоритм и качество растрирования, степень чистоты красителей базисных цветов, особенности бумаги — все это напрямую влияет на качество результата. Кроме того, модель CMYK обладает ограниченным цветовым охватом и даже более узким цветовым диапазоном, чем RGB. Цвета, которые прекрасно воспроизводятся на экране монитора, но не могут быть напечатаны, лежат вне зоны цветового охвата модели CMYK. Такая ситуация всегда вызывает недоумение у начинающих заниматься компьютерной графикой: посмотрите, как все ярко и красиво на экране, — почему же мой принтер так плохо печатает? А принтер здесь совершенно ни при чем: ни он, ни типографская машина в принципе не могут напечатать лучше, если цвета вашей картинки не входят в диапазон воспроизводимых моделью CMYK. Особую трудность при полноцветной печати доставляют яркие, насыщенные цвета, а также такие специфические, как различные варианты металлических цветов.

Качество цвета, воспроизводимого в печатном процессе, весьма сильно зависит от качества бумаги. Чем «белее» бумага, чем лучше она отражает, тем сочнее и ярче можно получить цвета. Оттиски на специальной мелованной бумаге всегда смотрятся ярче, чем на обычной, поскольку поверхность обычной бумаги более шероховата и сильнее рассеивает свет. Также цвет оттиска значительно зависит от внешнего освещения — никакой краситель, никакая бумага не могут отразить спектральные составляющие, которых нет в источнике цвета. Поэтому в условиях естественного освещения и под «лампочкой Ильича» один и тот же оттиск выглядит по-разному.

Пересчет цифровых значений цветов из модели RGB в CMYK — достаточно сложная проблема. Необходимо как-то промоделировать цвета вне охвата CMYK, чтобы обеспечить максимальное соответствие между экранным образом и оттиском. Для этого принимаются специальные меры — от расширения цветового охвата модели CMYK до использования специальных систем управления цветом — CMS (Color Management System).

Расширение цветового охвата модели CMYK выполняется введением дополнительных цветов. Чаще всего это светло-голубой (Cyan+) и светло-пурпурный (Magenta+). Именно такой вариант используется в современных шестицветных струйных фотопринтерах. Благодаря дополнительным светлым чернилам гораздо лучше передаются светлые оттенки, которые в обычной CMYK просто выбеливаются, а также прорабатываются детали в светах. В некоторых моделях вводят дополнительный «графический» черный цвет, чтобы придать особенную глубину и насыщенность теням. Но это, конечно, не расширяет диапазон воспроизводимых цветов.

Система управления цветом

Конечно, задачей систем управления цветом (CMS) является не достижение полного соответствия цвета на экране монитора и полученного при печати (это в принципе невозможно), а максимальное приближение этих цветов друг к другу и достижение их повторяемости и предсказуемости. Для ее эффективной работы необходимо наличие трех компонентов:

НОВЫЙ ТЕРМИН. Система управления цветом — это программный комплекс, обеспечивающий согласование цветовых пространств различных устройств (сканеров, мониторов, принтеров, фотонаборных автоматов, печатающих машин), используемых в подготовке, обработке и выводе изображений.

ВНИМАНИЕ. Пожалуйста, не путайте систему управления цветом с коррекцией цвета или тона изображений. Это совершенно разные процессы.

Эталонное пространство необходимо как общая точка отсчета, относительно которой ведется пересчет цветовых координат из одной модели в другую с учетом особенностей цветовых пространств устройств, участвующих в процессе преобразования изображения.

Математические описания цветовых пространств всех устройств получили название ICC-профилей (ICC — International Color Consortium — Международная комиссия по цвету).

НОВЫЙ ТЕРМИН. ICC-профиль — это специальный файл, в котором хранится математическое описание цветового охвата устройства, а также таблица коэффициентов для коррекции вносимых им искажений цвета.

ПРИМЕЧАНИЕ. Файлы ICC-профилей устройств имеют стандартное расширение ICM.

В соответствии с ICC-стандартом определены следующие типы ICC-профилей:

Для построения профилей требуется специальная измерительная аппаратура и соответствующее программное обеспечение. Поэтому обычно профили поставляются фирмами-изготовителями устройств либо разработчиками программного обеспечения. Они также создаются пользователями в процессе калибровки (профилирования) устройств с использованием специальных программ-профилировщиков, например Adobe Gamma; ColorTune фирмы Agfa; CobraMatch фирмы Barco Color Imaging Systems; ColorSynergy фирмы Candela и др. Именно профили дают CMS необходимую информацию о том, как нужно подкорректировать цифровое изображение, полученное от конкретного устройства ввода данных или выводимое на внешнее. Технология создания профилей включает в себя сравнение эталонных и измеренных значений цветов. Например, чтобы профилировать сканер, необходимо сканировать тестовое изображение. Обычно используется стандартный эталон IT8, который содержит 264 цвета плюс 24 оттенка серого. Чтобы построить профиль, программа калибровки преобразует полученные сканером значения цветов в значения, независимые от устройства, и сравнивает их с исходными значениями CIE Lab для каждого образца цвета (эталонные данные). На основе сравнения формируется таблица корректирующих коэффициентов. Профили также могут быть встроены и в файл изображения, что позволяет автоматически корректировать цвет при передаче с одного устройства на другое.

ПРИМЕЧАНИЕ. Photoshop поддерживает механизм встраивания ICC-профилей в файл изображения. Ряд других программ, включая, например, Adobe Illustrator, Macromedia FreeHand, QuarkXPress обеспечивают только применение профилей.

Модуль управления цветом (CMM) декодирует находящуюся в ICC-профилях устройств информацию. Он преобразует аппаратно-зависимое цветовое пространство входного устройства в эталонное. Далее из эталонного пространства выполняется пересчет в аппаратно-зависимые цветовые пространства выходных устройств. В процессе преобразований учитывается не только цветовой охват, но и вносимые устройствами искажения. Монитор не может отобразить все цвета, воспринимаемые человеческим глазом, а принтер не способен воспроизвести все цвета, отображаемые монитором. CMM корректно пересчитывает множество невоспроизводимых оттенков. Этот процесс получил название gamut mapping (сжатие цветовых пространств). CMM корректирует цветовые охваты входных и выходных устройств таким образом, чтобы невоспроизводимые оттенки заменялись наиболее близкими к возможным. Иными словами, более широкое цветовое пространство сжимается до «меньшего».

До относительно недавнего времени CMS не входила в состав операционной системы Windows, поэтому профессионалы предпочитали работать на машинах фирмы Apple, в операционную систему (Mac-OS) которых CMS была встроена изначально. Начиная с Windows 98, модуль CMS под названием ICM 2.0 является законной частью операционной системы, а профили всех устройств размещаются в системной папке WINDOWS\SYSTEM32\COLOR.

Подводя итог, приведем список основных режимов, используемых в программе Adobe Photoshop 7 для работы с цветом (рис. 1.16).

Рис. 1.16. Основные цветовые режимы программы Adobe Photoshop 7

Все режимы, кроме Multichannel, вам уже знакомы. Последний применяется для специализированной печати. Отдельные каналы в этом режиме не образуют композитного изображения, как это происходит в режимах RGB, CMYK или Lab.

ВНИМАНИЕ. Удаление любого канала из RGB- или CMYK-изображения автоматически переводит его в режим Multichannel.

ПРИМЕЧАНИЕ. В результате преобразования RGB-изображения в режим Multichannel создаются каналы Cyan, Magenta и Yellow, а не Red, Green и Blue, так как этот режим ориентирован на печать.

Параметры растровых изображений

Каждое цифровое растровое изображение характеризуется определенным набором параметров, значение которых нужно знать, чтобы грамотно работать с компьютерной графикой. К ним относятся:

ПРИМЕЧАНИЕ. Современные мониторы могут иметь разрешение 96 и даже 120 ppi.

Таким образом, мы ознакомились с основным объектом, с которым работают все, кто занимается компьютерной графикой. Теперь достаточно кратко рассмотрим то, что использует цифровые изображения, то есть виды компьютерной графики и ее классификацию по различным критериям.

Виды компьютерной графики

Впервые (примерно в начале 60-х годов прошлого столетия) о компьютерной графике заговорили с появлением в качестве устройства отображения мониторов на базе электронно-лучевых трубок (ЭЛТ). В настоящее время можно выделить следующие виды компьютерной графики:

Деловая графика

Деловая графика — представление табличной информации в виде диаграмм. Этот вид графики, пожалуй, наиболее знаком всем, поскольку постоянно демонстрируется по телевизору. Итоги выборов, результаты торгов на биржах, изменения курсов валют, рост цен — все это, как правило, отображается в виде различных диаграмм. Такое представление очень наглядно и легко воспринимается человеком (гораздо легче, чем огромные таблицы с десятками или тысячами цифр). Если проанализировать варианты отображения данных, то можно заметить, что все диаграммы, несмотря на их многообразие, можно условно разделить на три группы:

Рис. 1.17. Столбиковая диаграмма

Рис. 1.18. Круговая диаграмма

С помощью первых удобнее всего отображать соотношения данных, то есть когда необходимо выявить наибольшее и наименьшее значения и соотношение остальных показателей (рис. 1.17).

Круговые диаграммы наглядно отображают процентное соотношение отдельных показателей. Существует множество разновидностей таких диаграмм, но в любом случае весь круг составляет 100%, а отдельные сектора позволяют визуально оценить вклад каждого из данных (рис. 1.18).

Линейные диаграммы или графики весьма удобны, когда требуется проследить ход процесса во времени и оценить тенденцию его развития (рис. 1.19).

Рис. 1.19. Линейный график

Инженерная графика

Инженерная графика — создание и корректировка графической документации (чертежей) в электронном виде (рис. 1.20). Используется во всех областях, связанных с проектированием, созданием новой продукции: от простейших утюгов до автомобилей «Формулы 1» и космических ракет, от элементов строительных конструкций до подробнейших трехмерных моделей современных дворцов и производственных комплексов, от простейших деталей станков до огромных прокатных станов и полностью автоматизированных производств, от дискретных транзисторов до сверхбольших интегральных схем, включающих десятки миллионов транзисторов, от выкроек новых платьев до трехмерных моделей, позволяющих «примерить» эти платья на себя, от… впрочем, главы не хватит для перечисления. Современная инженерная графика — это не рабочее место чертежника, не электронный кульман, это сложный программный комплекс, позволяющий вести сквозное проектирование от постановки задачи и математического моделирования до выпуска всей необходимой производственной, технологической и эксплуатационной документации, а также программ для станков с числовым программным управлением. Благодаря использованию таких систем значительно сокращаются сроки проектирования и производства новых изделий, возрастает их качество и надежность.

Рис. 1.20. Рабочее окно программы инженерной графики

Научная графика

Научная графика — представление результатов научных расчетов или экспериментов в графической форме. Такая форма представления значительно упрощает анализ полученных результатов и позволяет взглянуть на них по-новому. Пусть, например, в результате некоего исследовании получена модель процесса (или объекта) в виде выражения:

z = cos (u(x2 + vy2)).

Рис. 1.21. Псевдотрехмерная поверхность модели процесса (объекта)

Как будет изменяться этот процесс при различных значениях параметров u и v? Это достаточно сложно представить. А если на основе этого выражения построить псевдотрехмерную поверхность (рис. 1.21), то специалист сможет легко выявить все особенности процесса и его специфику в пределах заданных ограничений.

Иллюстративная графика

Иллюстративная графика позволяет использовать компьютер в качестве инструмента художника. Можно выделить два основных направления:

Конечно, это разделение весьма условно, но, тем не менее, первое направление — это компьютерная графика для художественного творчества в традиционном понимании этого слова. Специальные программы превращают компьютер в виртуальную мастерскую художника (рис. 1.22).

Рис. 1.22. Виртуальная мастерская художника

Они позволяют моделировать материалы любой фактуры, формы и размера, краски любого типа и цвета (16,8 млн оттенков), разнообразные художественные инструменты произвольного размера и формы. Если используется современный графический планшет, чувствительный к нажиму (1024 градации), скорости ведения (1024 градации) и углу наклона инструмента, то качество моделирования его поведения практически идеально. Таким образом, с помощью программ художественной графики устраняются практически все физические ограничения (остаются только талант и трудолюбие). Результаты своей творческой работы художник может распечатать на цветном струйном или лазерном принтере, разместить на сайте в Интернете, разослать по электронной почте всем друзьям и знакомым, записать на компакт-диск. Таким образом, помимо виртуальной мастерской художник может также организовать собственный всемирный виртуальный выставочный зал (Интернет) или самостоятельно растиражировать ретроспективу своих работ на компакт-дисках. У кого из традиционных художников есть такие возможности?

Оформительская графика — это, скорее, более утилитарное, чем творческое направление. С помощью графических пакетов создаются буклеты и рекламные плакаты, потрясающие спецэффекты в кино и красочные календари, рекламные ролики на телевидении, оформляются веб-страницы, обложки книг и журналов и т. п. Помимо предоставления новых выразительных средств, программы оформительской графики обеспечивают также совместимость результатов работы с современными компьютеризированными технологиями тиражирования продукции.

Классификация компьютерной графики

Классификация компьютерной графики возможна по самым различным критериям. Например, в зависимости от используемой модели цифрового изображения можно выделить следующие разновидности:

В каждом из приведенных вариантов компьютерной графики используется соответствующая модель цифрового изображения или их комбинация (совмещенная). Все они рассматривались ранее в этой главе.

В зависимости от размерности модели выделяют два случая:

С двухмерной графикой мы сталкиваемся постоянно. Все картинки на экране монитора двухмерны, поскольку каждый из элементов изображения описывается двумя координатами на плоскости (x, y). Как бы мы ни старались, какую бы позицию для наблюдения двухмерной картинки не занимали, мы всегда будем видеть неподвижное изображение только в одном ракурсе. Чтобы иметь возможность рассмотреть объект со всех сторон, необходима его трехмерная модель и возможность перемещаться (или перемещать объект) в пространстве. Такие средства предоставляют программы, работающие с 3D-графикой.

Трехмерная графика по сути является векторной. Изображение хранится в памяти компьютера в виде описаний составляющих его объектов. Чтобы объект был трехмерен, его поверхность предварительно строится как каркасная конструкция (mesh — сетка, каркас), состоящая из пространственных узловых точек, задаваемых тремя координатами x, y и z, и ребер, соединяющих эти узлы (рис. 1.23). Далее поверхности назначается обтягивающий ее материал, описание свойств которого помимо цвета и фактуры включает особенности отражения, рассеивания, преломления и поглощения света. Объект помещается в трехмерную сцену, которая может включать задний план (чаще всего растровое изображение), источники освещения, параметры атмосферы (например, дымка или туман), расположение камеры и характеристики ее объектива. Именно через камеру мы и наблюдаем трехмерную сцену. При ее визуализации для каждой точки поверхности объекта рассчитывается: видна ли она из точки наблюдения, в которой расположена камера, или перекрывается другими объектами; как на нее падает свет от всех источников, как он отражается, преломляется, рассеивается, поглощается и какая часть отраженного света попадает в объектив камеры. На основе просчета (этот процесс называется rendering — по-русски так и говорят — «рендеринг») всех точек, составляющих трехмерную сцену, строится двухмерная растровая картинка, которую в данный момент из данной точки видит наблюдатель. При перемещении объекта или точки наблюдения весь расчет повторяется, строится новая двухмерная растровая картинка, а наблюдатель может видеть трехмерную сцену в новом ракурсе. Теперь представьте, сколько требуется произвести сложных расчетов для трехмерной сцены, имеющей множество различных объектов. А если эта сцена динамическая? Именно поэтому программы 3D-графики так требовательны к ресурсам компьютера.

Рис. 1.23. Окно программы 3D-графики

И растровая, и векторная, и 2D-, и 3D-графика бывает:

Динамическая 3D-графика особенно широко применяется в кинематографии (персонажи, спецэффекты, антураж, сложные трюки и т. п.), динамическая 2D-графика — и в кино (мультфильмы), и в оформлении веб-страниц. В частности, на большинстве сайтов встречаются два основных вида анимации: растровая (GIF-анимация) и векторная (Flash-анимация).

Жизненный цикл цифрового изображения

Любое цифровое изображение за время своего существования проходит три стадии, а именно:

1) ввод или создание (синтез);

2) хранение и обработка;

3) визуализация.

Давайте рассмотрим особенности каждого из выделенных этапов жизненного цикла цифровых изображений.

Этап 1. Ввод или создание

Ввод реальных изображений в компьютер, то есть их оцифровка, выполняется различными устройствами. Чаще всего используются сканеры и цифровые фотоаппараты, реже — фреймграбберы (платы захвата телевизионных кадров). Давайте рассмотрим эти устройства, поскольку, занимаясь компьютерной графикой, без знания их особенностей обойтись практически невозможно.

Сканеры

Прежде всего, решим вопрос, как правильно ввести фотоизображение в компьютер, то есть как преобразовать реальное изображение в цифровой эквивалент с минимальными потерями сюжетно важной информации. Для тех читателей, кто «на ты» со сканированием, этот раздел, скорее всего, не представляет интереса. Остальным он будет полезен, поскольку в нем обобщен богатый личный опыт и творчески переосмыслен довольно большой объем специальной литературы. В то же время, при изложении материала автор стремился уйти от наукообразия и перевести все в практическую плоскость. Итак, в путь…

Новый термин

Сканер — устройство для оцифровки изображений, которое последовательно, строка за строкой, просматривает (сканирует) поверхность прозрачного либо непрозрачного объекта, анализируя каждый элемент изображения и преобразуя его в цифровой эквивалент.

В процессе сканирования создается растровая цифровая модель изображения. Для сканирования необходимы два компонента: аппаратный (сканер) и программный, используемый для управления аппаратными средствами, процессом и параметрами сканирования. В настоящее время для ввода плоских прозрачных и непрозрачных объектов наиболее широко используются сканеры следующих типов:

Ручные сканеры, в которых протяжка вдоль сканируемого материала выполняется рукой оператора, используются в основном для ввода текстов, поскольку качественно выполнить равномерную протяжку вручную практически невозможно. Применение их для сканирования фотоматериалов нецелесообразно.

В планшетных сканерах перемещение светочувствительной линейки выполняется специальным прецизионным механизмом, поэтому они наиболее часто используются для сканирования фотографий, рисунков и текстов.

Рулонные сканеры, наоборот, протягивают сканируемый материал относительно неподвижной светочувствительной линейки. Они обладают высокой скоростью сканирования и поэтому применяются в основном для массового ввода документов в компьютер.

Фильм-сканеры (часто их называют слайд-сканерами) используются для ввода изображений с негативных пленок и слайдов. В качестве светочувствительного устройства в них применяется ПЗС-матрица.

Барабанные сканеры применяют только в издательских комплексах, поскольку они имеют наивысшие характеристики и, соответственно, стоимость (до нескольких сотен тысяч долларов).

С точки зрения соотношения «цена–качество» для повседневной практики наиболее подходят планшетные и фильм-сканеры. К тому же цены на них стремительно падают, а качество, наоборот, стремительно растет.

Основой любого сканера является светочувствительное устройство:

Наиболее дешевыми и пока еще наименее качественными являются CIS-линейки. Самый качественный и, соответственно, наиболее дорогой — ФЭУ, который применяется исключительно в барабанных сканерах.

Каждый светочувствительный элемент линейки в процессе сканирования воспринимает световой поток, отраженный от определенного участка оригинала (дискрет), и формирует электрический заряд (в ПЗС-линейке) или потенциал (в CIS-линейке), пропорциональный величине падающего на него света. В сканерах на базе ПЗС-линейки световой поток формируется специальной оптической системой, чтобы проецировать широкую строку изображения на относительно небольшой по размеру датчик. В сканерах на основе CIS-линейки оптическая система отсутствует, и изображение попадает на поверхность сенсора, непосредственно отражаясь от оригинала (контактный датчик). При этом необходимость в сложной оптике отпадает: линейка отделена от оригинала только стеклом. Это позволяет делать сканеры более компактными и легкими. Недостатки: неадекватная цветопередача и малая глубина резкости (даже неплотное прилегание оригинала к предметному стеклу приводит к потере резкости).

Выработанный датчиком заряд, или потенциал, преобразуется в цифровой эквивалент с помощью специального устройства (аналого-цифрового преобразователя) и передается в компьютер. Таким образом выполняется кодирование пикселов.

Зеркало оптической системы и лампа подсветки сканера на основе ПЗС (или лампа и CIS-линейка) с помощью прецизионного механизма и шагового двигателя протягиваются вдоль изображения, анализируя и кодируя построчно всю его поверхность.

Число светочувствительных элементов в ПЗС-линейке или CIS-линейке на единицу длины, а также особенности оптической системы определяют оптическую разрешающую способность сканера (оптическое разрешение) по горизонтальной оси. Качество механизма перемещения каретки сканера определяет количество шагов каретки на единицу длины, а оно, в свою очередь, — разрешающую способность по вертикальной оси (аппаратное разрешение). Достаточно часто оба типа разрешения «объединяют» и называют каким-либо одним термином: либо аппаратное, либо оптическое разрешение. В любом случае разрешение характеризует плотность информации, которую сканер считывает с поверхности сканируемого материала. Обычно разрешение дается в точках на дюйм и обозначается dpi (dots per inch). Многие производители указывают разные значения разрешающей способности сканеров по горизонтали и вертикали, например 300 ґ 600 (300 dpi — по ПЗС-линейке, 600 dpi — по механизму перемещения). Следует учесть, что при сканировании с разрешением 600 dpi драйвер (программа управления) сканера искусственно увеличивает разрешение по горизонтали, математически рассчитывая недостающие точки.

СОВЕТ. При выборе сканера следует учитывать меньшее значение разрешения, которое показывает реальную аппаратную или оптическую разрешающую способность сканера.

В большинстве сканеров программное обеспечение позволяет искусственно увеличить максимальное разрешение сканера до 4800 и даже 9600 dpi при помощи метода интерполяции, то есть добавления и расчета параметров промежуточных (лежащих между дискретами) элементов изображения (программное, или интерполяционное, разрешение). То есть интерполяция искусственно добавляет элементы цифровой модели, но никоим образом не реальные детали изображения.

ПРИМЕЧАНИЕ. Качество цифрового изображения, полученного на сканере методом интерполяции, априорно хуже качества, которое дает сканер, имеющий аналогичное аппаратное разрешение. То есть сканер с аппаратным разрешением 300 dpi при сканировании с интерполяционным увеличением разрешения до 600 dpi принципиально не может создать цифровое изображение того же качества (с той же детализацией и четкостью), что и сканер с аппаратным разрешением 600 dpi.

Важным параметром сканера, помимо его разрешающей способности, является разрядность двоичного представления (глубина) цвета. Современные сканеры работают в различных режимах и имеют шкалу не менее 256 уровней в режиме Grayscale или на каждый цветовой канал в режиме RGB (24-битный цвет — по 8 бит на канал). Более «продвинутые» сканеры имеют глубину цвета 30 (по 10 бит на канал), 36, 42 и даже 48 бит (по 12, 14 и 16 бит на канал, соответственно). Разумеется, они более точно измеряют цветовые оттенки, поскольку количество градаций по каждому каналу в этом случае значительно больше (1024 и 4096 для 30- и 36-битного сканера). То есть сканеры с большей глубиной цвета позволяют более тонко и точно подстроить цветопередачу, а также имеют меньший уровень шумов (случайных помех на цифровом изображении).

Следует учитывать, что большинство стандартных графических пакетов не обрабатывают изображения, имеющие глубину цвета более 8 бит на канал.

ПРИМЕЧАНИЕ. Adobe Photoshop 7 поддерживает в модели RGB глубину цвета 16 бит на канал.

Кроме того, при выборе и сравнении сканеров необходимо учитывать динамический диапазон сканера. Он отражает отношение между самыми светлыми и самыми темными тонами, которые одновременно может считывать сканер, и определяется оптикой устройства и глубиной цвета. Аналогичное понятие, называемое оптической плотностью, применяется к сканируемым оригиналам. Измеряется динамический диапазон в логарифмических единицах оптической плотности (OD — Optical Density). Оптическая плотность современных фотобумаг, как правило, не более 2,4; негативных пленок — не более 2,8; слайдов — не более 3,2; профессиональных диапозитивов — не более 4,0. Если динамический диапазон сканирующего устройства меньше, чем оптическая плотность оригинала, то потери информации неизбежны.

СОВЕТ. Для выполнения конкретного типа работ используйте сканер с динамическим диапазоном не меньше чем диапазон оптической плотности сканируемых материалов.

Подавляющее большинство современных сканеров (даже домашнего класса) имеют OD более 2,5, что вполне достаточно для сканирования фотографий (и, тем более, текстов или журнальных иллюстраций), именно поэтому динамический диапазон чаще всего не указывается в спецификации сканера. У профессиональных моделей стоимостью не менее $500 динамический диапазон обязательно включен в набор характеристик (хороший отличительный признак профессионального сканера!).

Цифровые данные от сканера передаются в компьютер посредством аппаратного интерфейса. В настоящее время наиболее популярным является подключение через USB-порт, который обеспечивает высокую скорость обмена данными, осуществляет электропитание сканера, а также позволяет подключать и отключать сканер, не прерывая работу в графическом редакторе.

Второй распространенный способ передачи данных — SCSI-интерфейс, реализованный с помощью дополнительной платы (SCSI-адаптера), устанавливаемой в свободный слот (разъем) материнской платы. Достоинство — высокая скорость обмена данными, недостаток — более высокая стоимость, необходимость вскрывать системный блок для установки адаптера, невозможность подключать/отключать сканер «на лету».

Популярностью пользуются также модели, подключаемые через параллельный порт (LPT) компьютера. Недостаток — низкая скорость обмена данными, главное достоинство — дешевизна.

Пожалуй, основные моменты, наиболее важные для пользователя, мы уже рассмотрели. Не имеет смысла углубляться в технологические особенности устройства и технические характеристики сканеров, заниматься сравнениями различных моделей: характеристики сканеров постоянно улучшаются, а цена снижается. Поэтому перейдем к практической части и сформулируем основные требования к самому процессу сканирования.

Особенности сканирования

Любая оцифровка изображения всегда связана с потерями некоторых его элементов (из-за дискретизации по площади и кодирования по уровню яркости). Главной целью при вводе изображения в ПК должно стать сохранение максимального объема сюжетно важной информации. В соответствии с этим учитывайте при сканировании следующие рекомендации:

1. В первую очередь оцените параметры сканера. По возможности используйте сканер с характеристиками, которые превышают ваши потребности. В этом случае вы можете рассчитывать на гарантированное качество.

ПРИМЕЧАНИЕ. При выборе параметров сканирования учитывайте конечную цель ввода и обработки фотографии, то есть на каком устройстве и с какими характеристиками выводится оцифрованное и обработанное изображение, а также принимайте во внимание качество и особенности сканируемого оригинала. Учет указанных характеристик позволит выбрать оптимальные режимы сканирования.

2. По возможности сканируйте негатив, а не фотоотпечаток, поскольку любой дополнительный процесс (в данном случае фотопечать) вносит свои искажения. Adobe Photoshop более качественно и, главное, математически точно выполнит преобразование из негатива в позитив. Отдавайте предпочтение слайду, так как слайды имеют больший динамический диапазон плотностей, чем негатив и фотография, то есть большее количество деталей в тенях и светах изображения.

3. Подготовьте фотографию, негатив или слайд для сканирования. Удалите загрязнения, пыль, пятна и т. п. обычными средствами, поскольку в дальнейшем бороться с ними будет сложнее. Не поленитесь протереть также и стекло сканера.

4. Тщательно размещайте сканируемый объект на рабочем поле сканера относительно направляющих линеек, поскольку любые перекосы приведут к искажению изображения. Коррекция изображения с помощью поворота программными средствами ухудшит его качество при пересчете положения пикселов.

5. Сканируйте минимальную сюжетно важную область, а не все изображение, включая обрамление. Это сократит объем файла и позволит вам легче обработать его.

6. Не стремитесь выполнять коррекцию цвета, яркости и контрастности изображения при вводе с помощью программного обеспечения сканера (если, конечно, вы не занимаетесь массовым вводом однотипных фотографий или слайдов), так как в программе Adobe Photoshop это можно сделать более тонко, значительно удобнее, быстрее и эффективнее.

ПРИМЕЧАНИЕ. Несмотря на рекомендации производителей сканеров корректировать изображение при вводе, учтите: во-первых, при любой предварительной коррекции неизбежна потеря исходной информации, во-вторых, результат коррекции можно оценить только после сканирования; и в-третьих, любая ошибка в определении параметров коррекции приведет к необходимости повторного сканирования, а это достаточно длительная процедура.

7. Выбирайте максимально возможное аппаратное разрешение сканера (в пределах разумного, с учетом назначения изображения и ограничений объема памяти). Для черно-белых фотографий разрешение не должно быть меньше разрешающей способности принтера, на котором предполагается печать. При необходимости уменьшения разрешения сканирования используйте значения, кратные аппаратной разрешающей способности сканера (например, если аппаратное разрешение сканера 600 dpi, то рекомендуется использовать режимы 300, 200, 150, 100, но никак не 510, 420, 350 dpi и т. п.).

ВНИМАНИЕ. Помните, что программная интерполяция не добавляет информации, а лишь увеличивает время сканирования и объем результирующего файла за счет вставки промежуточных точек и необходимости расчета всех их параметров.

ПРИМЕЧАНИЕ. Единственным примером, когда программная интерполяция действительно полезна, может быть сканирование черно-белых графических материалов, имеющих тонкие наклонные линии. В этом случае удается избежать их разрывов из-за дискретизации и еще при сканировании устранить лестничный эффект (Aliasing).

8. При сканировании старых черно-белых фотоснимков используйте режим RGB, а не Grayscale. Это обусловлено тем, что при старении фотографий происходят физико-химические процессы, вызывающие их окрашивание чаще всего в желто-коричневый цвет. Если сканировать их в полутоновом режиме (Grayscale), то эта информация будет безвозвратно потеряна (отфильтрована). Кроме того, многие функции по обработке изображения не работают в модели Grayscale. Чтобы облегчить дальнейшую работу (сократить объем файла), можно преобразовать модель изображения из RGB в Grayscale непосредственно в Adobe Photoshop. В этом случае окрашенные части не исчезнут, как при сканировании, а преобразуются в соответствующие им серые полутона.

9. При сканировании цветных фотоматериалов устанавливайте режим RGB. Использование CMYK оправдано лишь в том случае, когда сканированное изображение без предварительной обработки выводится на принтер или помещается в оригинал-макет публикации. Это вызвано технологией сканирования, которое независимо от выбранного режима выполняется в RGB (преобразование в CMYK совершается программным обеспечением сканера). С другой стороны, всегда предпочтительнее работать с файлом меньшего размера (в режиме CMYK добавляется четвертый канал, что увеличивает размер файла примерно на 30%), а преобразование в CMYK выполнить после завершения обработки.

10. Для сохранения результатов сканирования на диске используйте форматы файлов без деструктивного сжатия (TIF, PSD, BMP и т. п.), поскольку это предотвратит потерю информации и, следовательно, качества изображения.

11. Если вы сканируете изображение для веб-сайта, то учтите, что разрешение экранов у большинства пользователей не превышает 96 ppi. Поэтому, зная размеры вашей фотографии и желательный размер ее изображения на экране, правильно рассчитывайте и выбирайте разрешение сканера. Если вы собираетесь предварительно редактировать и обрабатывать фотографию, задайте разрешение сканера в 1,5–2 раза выше расчетного. Это позволит удобно и эффективно работать в увеличенном масштабе, а после выполнения обработки вы легко приведете разрешение и размеры изображения к требуемым значениям с помощью команды Image Size (Размер изображения) из меню Image (Изображение).

Если вы выполните эти рекомендации и «выжмете» из сканера и его программного обеспечения все, на что они способны, то получите приличный исходный материал для дальнейшей увлекательной творческой деятельности.

Цифровые фотоаппараты

За последние годы цифровой фотоаппарат превратился из очень дорогой и редкой игрушки в привычное цифровое устройство, которое даже встраивается в наручные часы и мобильные телефоны. В США в 1999 году количество продаж таких фотоаппаратов превысило продажи традиционных. Почему это произошло? Дело в том, что использование цифровых фотоаппаратов значительно сокращает путь от момента съемки до получения результата: не надо ждать, пока закончится пленка, не надо ее проявлять и печатать, а затем сканировать, чтобы ввести в компьютер. Все эти процессы становятся излишними, поскольку цифровые фотоаппараты прекрасно обходятся вообще без пленки!

Несомненно, главные достоинства и преимущества цифровых фотоаппаратов — оперативность и удобство использования. Снятый кадр буквально через минуту можно поместить в компьютер или отправить через Интернет на другой конец света, что особенно важно для репортажных съемок. Цифровая фотография также более экологична. Она полностью исключает процедуры проявки и печати, связанные с расходом вредных реактивов и дорогостоящих материалов, содержащих серебро.

Еще одно достоинство цифровых камер — наличие жидкокристаллического дисплея, на котором можно просмотреть уже отснятые кадры. Неудачный кадр можно тут же стереть, освободив часть памяти, и сразу переснять сюжет. Кроме того, дисплей используется в качестве видоискателя.

Внешне цифровые фотоаппараты похожи на обычные пленочные: дешевые — на «мыльницы», дорогие — на профессиональные «зеркалки» (рис. 1.24). В отличие от обычного фотоаппарата, в цифровом изображение через объектив проецируется не на фотопленку, а на светочувствительную матрицу датчиков: ПЗС (CCD) или гораздо более дешевые и технологичные КМОП (CMOS). Далее, как и в сканере, выработанные пропорционально попавшему свету на каждый элемент сенсора значения электрических зарядов (потенциалов) оцифровываются, и таким образом формируется матрица пикселов. Качество картинки во многом определяется характеристиками сенсоров. Наиболее простые и дешевые на сегодняшний момент цифровые камеры имеют разрешение 1024 ґ 768 пикселов, более продвинутые — не менее 1920 ґ 1600, наиболее совершенные (CCD-матрицы Kodak KAF-16801CE, CMOS-матрицы фирмы Foveon Inc.) — до 16 мегапикселов. Рекордом на настоящий момент можно считать ПЗС-матрицу (38,8 ґ 50 мм) SinarBack-54 швейцарской фирмы Sinar, имеющую разрешение 22 195 200 (5440 ґ 4080) пикселов.

Рис. 1.24. Цифровые фотоаппараты: любительская «цифровая мыльница», полупрофессиональный, профессиональный

После создания цифрового изображения его необходимо записать в память. Для этого чаще всего используются графические форматы файлов JPEG или TIFF. Указанные форматы — самые распространенные в компьютерном мире, а следовательно, совместимы с большинством программ.

Объем памяти («цифровой фотопленки») в настоящее время может достигать 1 Гбайт. Для нее используются жесткие диски IBM Microdrive (340 Мбайт, 1 Гбайт) или Flash-карты различного типа (CompactFlash type I и II, SmartMedia, MultiMediaCard, MemoryStick и др.) Чем больше «памяти», тем больше количество кадров можно снять и сохранить без перекачивания изображений из камеры в компьютер. Записанное в память цифровое изображение можно загрузить в компьютер для обработки и хранения, минуя компьютер, распечатать на принтере, просмотреть на экране телевизора, передать через Интернет на сайт или отослать по электронной почте. Способы подключения цифровых фотоаппаратов (интерфейс) самые различные: последовательный порт (COM), USB, инфракрасный порт (InRed), высокоскоростной канал IEEE1394 (FireWire), видеокабель для подключения к телевизору в стандартах PAL или NTSC и некоторые другие.

Цифровые фотоаппараты принято подразделять на:

Разделение это весьма условно и основано главным образом на стоимости (в меньшей степени — на технических характеристиках). В связи с развитием технологии, а также увеличением объемов выпуска границы между группами постоянно меняются. Модель, которая год назад относилась к профессиональному уровню по цене и качеству, сейчас соответствует полупрофессиональному, а характеристики полупрофессиональных камер стали типовыми для любительской категории. Тем не менее первая группа по определению обладает наивысшими техническими характеристиками, обеспечивающими качество снимков на уровне профессиональных пленочных фотоаппаратов. Зачастую они представляют собой известные пленочные аппараты с присоединенной вместо задней крышки электронной частью. Как правило, это приставки к профессиональным моделям камер фирм Nikon и Canon. В результате получается цифровая камера, совместимая со всей профессиональной фотосистемой, включая оптику и широкий набор аксессуаров. В качестве примера можно привести некоторые характеристики Canon EOS-1Ds стоимостью порядка $9000 (рис. 1.25):

Рис. 1.25. Профессиональный зеркальный цифровой фотоаппарат Canon EOS-1Ds

Даже краткий список основных характеристик профессиональной цифровой камеры отражает сложность этого творения современных высоких технологий. Однако более простые аппараты по своим параметрам и способам применения весьма похожи на современные автоматические пленочные «мыльницы». И все же: чем отличается съемка цифровым фотоаппаратом от обычной?

Главное — результатом съемки является не негативная или позитивная пленка, а цифровое изображение, имеющее присущие ему характеристики и особенности. Значит, одна из технических целей — получение наилучших характеристик цифрового изображения. Что это за характеристики и как на них можно влиять во время съемки?

1. Прежде всего, это размер изображения. Большинство цифровых фотоаппаратов позволяет задать различные варианты размера. Основная задача — выбрать размер, соответствующий конечной цели (минимизация размера приводит к минимизации занимаемого объема памяти, следовательно — к максимальному количеству фотографий на «электронной пленке»), то есть учесть, для чего конкретно выполняется съемка. Если для размещения на веб-странице, то, как правило, выбираются минимальные значения, если для распечатки на принтере в увеличенном масштабе или для передачи в типографию — то максимальные.

2. На количество хранящихся кадров влияют также формат записи и степень сжатия. Снимки могут храниться в различных форматах (чаще всего JPEG и TIFF) и по-разному сжиматься. Общее правило: чем выше степень сжатия, тем ниже качество. Таким образом, в зависимости от конечной цели приходится выбирать оптимальное соотношение между качеством и степенью сжатия изображения при ограниченном объеме памяти для хранения кадров.

3. Чувствительность и соответствующий уровень шумов (посторонних помех на изображении). Чувствительность матрицы выражается аналогично чувствительности пленки в единицах ISO. Современные ПЗС-матрицы имеют чувствительность от 50 до 1600 единиц. Как и у пленки, чем выше чувствительность, тем меньше требуется экспозиция, но тем выше уровень случайных помех (шумов). Значит, необходимо задавать значение ISO, соответствующее условиям съемки и требованиям к качеству результата. Особенность — необходимую чувствительность можно выбирать для каждого отдельного кадра, что особенно удобно при съемке в различных условиях (попробуйте-ка поменять пленку в обычном фотоаппарате со 100 единиц на 400 и обратно для нескольких соседних кадров).

4. Экспозиция. В современных полупрофессиональных и профессиональных цифровых камерах можно задать экспозицию в различных режимах:

Правильный выбор режима установки экспозиции, как и в традиционной фотографии, во многом определяет техническое качество снимка — его тональный диапазон и цветопередачу.

5. Баланс белого. Большинство цифровых камер позволяет автоматически или вручную устанавливать баланс белого цвета и таким образом компенсировать цветовой отлив. Поэтому при смене типа освещения (например, с дневного света на лампы накаливания или вспышку) рекомендуется проконтролировать установку баланса белого.

Если вы учтете вышеперечисленные особенности цифровых изображений, то качество полученных снимков будет соответствовать вашим ожиданиям, а количество операций по дополнительной коррекции с помощью компьютера сведется к минимуму.

Фреймграбберы

Фреймграбберы (от англ. Framegrabber — «кадрозахватчик») представляют собой устройства, позволяющие захватывать отдельные кадры телевизионных изображений. Они выполняются либо в виде устанавливаемой в компьютер дополнительной платы (внутренний фреймграббер), часто совмещенной с видеоадаптером (рис. 1.26), либо в виде отдельного блока (внешний), подключаемого к компьютеру через LPT- или USB-порт.

Рис. 1.26. Внутренний фреймграббер, вставляемый в слот PCI

На вход устройства подается видеосигнал (с видеовыхода видеомагнитофона, телевизионной или видеокамеры), который оцифровывается и выводится на экран монитора в виде телевизионного изображения. Там же отображается панель управления фреймграббером. В любой момент пользователь может нажать специальную кнопку (обычно Snapshot или Freeze — снимок) и «сфотографировать» текущее изображение (рис. 1.27). Цифровая «фотография» размещается в файле на диске и в дальнейшем продолжает жить жизнью обычного цифрового изображения.

Рис. 1.27. Захваченный с помощью фреймграббера телевизионный кадр

Современные фреймграбберы, как правило, совмещаются с телевизионным тюнером и позволяют просматривать на экране компьютера, а также записывать видеофрагменты телевизионных программ.

Создание цифровых изображений

Цифровые изображения могут не только вводиться в компьютер, но и создаваться с его помощью «из чего-то» или «из ничего». Создать изображения можно двумя основными способами:

В первом случае применяются программы векторной и растровой иллюстративной графики. Художник располагает широким набором моделей различных инструментов и с их помощью рисует картину на экране монитора (рис. 1.28).

Рис. 1.28. Моделирование акварельной живописи

В качестве устройств ввода для интерактивного рисования удобнее всего использовать графический планшет (рис. 1.29), чувствительный к нажатию, скорости ведения и наклону стилуса. Сам планшет подключается к компьютеру через COM- или USB-порт. Современные стилусы — беспроводные и, как правило, не требуют элементов питания.

Рис. 1.29. Графический планшет: обычный (слева), на основе ЖК-индикатора (справа)

Стилусы бывают разных видов и назначения (рис. 1.30), например:

Рис. 1.30. Стилусы и манипуляторы для графических планшетов

Как правило, один конец стилуса используется для рисования, второй — для стирания, что очень удобно. Кроме стилусов планшеты могут комплектоваться специальным манипулятором типа мыши с программируемыми кнопками (до 5 штук), а также электронным курсором, имеющим линзу с перекрестьем для точного позиционирования при оцифровке чертежей.

Во втором случае изображения создаются при минимальном участии человека, поскольку графические образы генерируются программой, чаще всего на основе так называемой фрактальной графики (рис. 1.31).

Рис. 1.31. Сгенерированный программой горный ландшафт

Типичный пример таких программ — World Builder («Строитель миров»), который применяется при моделировании реалистичных трехмерных ландшафтов (на основе процедурного подхода). В простейшем случае пользователь задает программе параметры создаваемого виртуального мира, а программа сама генерирует на их основе изображение. Созданные таким образом искусственные ландшафты широко применяются в компьютерных играх, мультфильмах, трехмерных сценах, при оформлении интерьеров и т. п.

Независимо от способа получения цифровое изображение хранится в памяти компьютера или на внешнем носителе.

Этап 2. Хранение и обработка цифровых изображений

Все цифровые изображения на электронных носителях (гибкие и жесткие магнитные диски, оптические и магнито-оптические диски, USB-диски) хранятся в виде файлов. Этот вид информации имеет определенную специфику, поэтому графические файлы отличаются от других видов по своему формату.

НОВЫЙ ТЕРМИН. Формат файла — способ организации информации на электронных носителях в файле.

Информация в файле должна быть определенным способом организована, чтобы программы обработки могли правильно интерпретировать содержащиеся в файле данные и корректно строить закодированное в нем изображение. Называть форматы принято в соответствии с назначаемым им по умолчанию расширением имени файла (тип файла). Например, файлы формата JPEG имеют расширение jpg, формата TIFF — расширение tif, формата Targa — расширение tga.

Как правило, графический файл любого формата имеет две основные части: заголовок и тело. В заголовке файла размещается вся служебная информация, необходимая для правильного «понимания» содержимого тела файла, а тело содержит закодированные пикселы изображения. Заголовок, в свою очередь, разбивается на части, каждая из которых содержит функционально связанную информацию. В качестве примера приведем структуру BMP-файла.

Часть BMP-файла	Имя	Длина	Смещение	Описание
BitMapFileHeader	Type	2	0	Сигнатура «BM»
	Size	4	2	Размер файла
	Reserved 1	2	6	Зарезервировано
	Reserved 2	2	8	Зарезервировано
	OffsetBits	4	10	Смещение изображения от начала файла
BitMapInfoHeader	Size	4	14	Длина заголовка
	Width	4	18	Ширина изображения, пикс.
	Height	4	22	Высота изображения, пикс.
	Planes	2	26	Число плоскостей
	BitCount	2	28	Глубина цвета, бит на точку
BitMapInfoHeader	Compression	4	30	Тип компрессии
	SizeImage	4	34	Размер изображения, байт
	XpelsPerMeter	4	38	Горизонтальное разрешение
	YpelsPerMeter	4	42	Вертикальное разрешение
	ColorsUsed	4	46	Число используемых цветов
	ColorsImportant	4	50	Число основных цветов
ColorTable	ColorTable	1024	54	256 элементов по 4 байта
BitMapArray	Image	Size	1078	Изображение, записанное по строкам слева направо и снизу вверх

Форматы графических файлов можно разбить на две большие группы:

Форматы первого типа используются для хранения графических данных и обмена ими между различными программами. Они являются общепризнанными стандартами и поддерживаются практически всеми программами для подготовки и обработки изображений.

Форматы второй группы предназначены в основном для хранения изображений. Такие форматы разрабатываются, чтобы максимально эффективно учитывать специфические особенности и возможности конкретной программы, и поэтому не могут корректно распознаваться и обрабатываться другими программами.

Графические данные, как правило, занимают большой объем и требуют много места на дисках. В связи с этим в большинстве графических форматов используются различные методы сжатия информации, которые можно подразделить на деструктивные и недеструктивные.

Методы первой группы сжимают графические данные за счет потери качества изображения. Вторые сжимают файлы значительно меньше, но не вносят в изображение искажений. Каким же образом можно сжимать изображения?

Методы сжатия графической информации

Существует огромное количество методов и алгоритмов сжатия, но чтобы понять суть процесса, достаточно иметь представление о трех основных типах методов, в которых используется:

Методы первого типа наиболее просты в реализации, но не всегда эффективны. Смысл подхода — заменить множество повторяющихся одинаковых пикселов их описанием. Например, на рисунке есть область сплошной заливки каким-то цветом N (номер цвета в таблице индексированного изображения). Пусть она занимает n пикселов. Тогда в файле изображения будет последовательно храниться n одинаковых значений N. Вместо них можно хранить описание этой области в виде nN, где первое число (n) указывает количество пикселов, а второе (N) — их цвет. Таким образом, вместо n одинаковых элементов информации в файле будет храниться только 2 (n и N). Программа визуализации должна дешифровать эту запись и вывести на экран область из n одинаковых пикселов цвета N. Степень сжатия тем больше, чем больше размер сплошной области. Разумеется, данный способ компрессии подходит только для синтезированных картинок, поскольку в реальных изображениях очень редко встречаются области заливки сплошным цветом. Пример такого алгоритма, сохраняющего качество — RLE (Run Length Encoding).

Второй тип (статистическое кодирование) предполагает предварительный анализ изображения и построение его гистограммы (график распределения пикселов по яркости). На основе гистограммы для наиболее часто встречающихся значений цвета пикселов строится таблица перекодировки, в которой эти цвета кодируются малоразрядными двоичными числами (номерами). Это дает возможность хранить в файле значения цвета большого количества пикселов в формате с уменьшенной разрядностью. Например, вместо 24-разрядных чисел (RGB) записывать в файл 4- или 8-разрядные индексы таблицы перекодировки, что позволяет сжимать изображения, в которых нет сплошных областей повторяющихся пикселов. Пример такого алгоритма — метод LZW (Lemple-Zif-Welch), сжимающий изображение, не нарушая его качество.

Последний тип компрессии (аппроксимация) основан на приближенном представлении функций с помощью рядов. В упрощенном виде это означает: вместо большого количества значений некоторой сложной функции f(x) хранится ограниченный список параметров базисных функций j(x), для которых хорошо известен алгоритм вычисления. Значения f(x) получаются суммированием соответствующих значений j(x). Чтобы получить точные значения f(x), необходимо просуммировать бесконечно большое количество значений j(x). Поскольку это нереально, то количество суммируемых значений ограничивается, исходя из требуемой точности приближения (аппроксимации) к f(x). Каким образом все сказанное выше можно отнести к цифровым изображениям? Очень просто: если f(x), например, — изменение яркости пикселов вдоль строки, то эту функцию можно разложить в ряд по более простым j(x). В этом случае вместо того, чтобы хранить все значения f(x), можно хранить только несколько параметров для ограниченного количества функций j(x). Программа визуализации на основе этих параметров и алгоритма вычисления j(x) рассчитает приближенные значения f(x) и таким образом построит изображение. Меняя количество членов ряда (количество функций j(x)), можно регулировать качество аппроксимации и объем записываемой в файле информации. Вот, собственно, и вся премудрость. Подобный подход с использованием модификации рядов Фурье, точнее — DCT (Discrete Cosine Transformation — дискретно-косинусное преобразование), применяется в алгоритме сжатия JPEG.

Типовые форматы файлов

Как уже говорилось, существует множество различных форматов файлов. Некоторые из них стали популярными, другие используются достаточно редко (табл. 1.1).

Таблица 1.1. Характеристики наиболее популярных универсальных растровых
и векторных форматов

Название	Тип	Фирма	Глубина	Сжатие формата	Применениецвета
Microsoft Windows Bitmap	BMP	Microsoft Corporation	1, 2, 4, 8, 24	RLE (для 4 и 8 бит)	Стандарт для растровой графики в Windows
Graphic Interchange Format	GIF	CompuServ	1, 2, 4, 8	LZW	Для хранения рисунков анимации в Интернете
Target Image File Format	TIF	Aldus Corp.	1, 2, 4, 8, 16, 24, 32	LZW	Для обмена графической информацией в полиграфии
TrueVision Targa	TGA	Truevision Inc.	8,16,24,32	RLE	Телевидение,поддержка альфа-каналов
Joint Photographic Experts Group	JPG	C-Cube Microsystems	24	DCT (JPEG)	Для хранения фотографий, в том числе в Интернете
PC Paintbrush Picture	PCX	Zsoft Corp.	1, 2, 4, 8, 24	RLE	Вместо GIF в среде DOS и Windows
Portable Network Graphics	PNG	Group 42 Inc.	1, 2, 4, 8, 16, 24, 32, 48	Deflate	Для рисунков и фотографий в Интернете
Fractal Image Format	FIF	Iterated Systems Inc.	24	FIF	Для хранения фотографий, в том числе в Интернете
ART	ART	Jonson-Grace	24	Неизв.	Для хранения фотографий и рисунков
Kodak Photo CD	PCD	Kodak	24	DCT, RLE	Для хранения фотографий на компакт-диске
Vector Mark-Up Language	VML	Microsoft HP,Autodesk		Нет	Векторный формат для Интернета
Precision Graphics Mark-Up Language	PGML	Adobe, IBM,Netscape, Sun		Нет	Векторный формат для Интернета
Data eXchange Format	DXF			Нет	Универсальный, векторный. Для обмена изображениями
Portable Data Format	PDF	Adobe		LZW	Для совместного представления текста и графики

Помимо универсальных форматов широко применяются и специализированные. Вот лишь некоторые из них:

В заключение приведем список форматов, поддерживаемых Adobe Photoshop 7 (рис. 1.32). С большинством из них мы уже ознакомились, остальные применяются гораздо реже или используются только в специальных целях.

Рис. 1.32. Форматы файлов, поддерживаемые Adobe Photoshop 7

Изображения после ввода, помимо хранения в памяти, чаще всего подвергаются коррекции и/или еще более сложной обработке. Для выполнения этих операций используются специальные программные средства — графические пакеты.

Графические пакеты

Если вы начнете искать графические пакеты в Интернете, то вас наверняка поразит их количество и многообразие.

НОВЫЙ ТЕРМИН. Графические пакеты — прикладные программы, предназначенные для создания и обработки цифровых изображений.

Как же разобраться в этом многообразии информации? Старый проверенный способ — упорядочить их, то есть классифицировать по каким-либо признакам. В зависимости от предназначения мы выделили следующие группы (разделение весьма условно — многие пакеты успешно выполняют функции разных групп) и привели в качестве примера наиболее типичных представителей.

1. Для создания изображений (интерактивная графика и программная генерация):

двухмерная графика:

трехмерная графика (векторные и совмещенные пакеты):

2. Для обработки изображений (растровые, двухмерная графика):

специализированные (ориентированы на конкретный тип изображений и аппаратуру);

универсальные (работают на типовых аппаратных средствах ПК): Adobe Photoshop, Adobe ImageReady, Photo Studio, Corel PHOTO-PAINT, Paint Shop Pro, Photo Finish, Photo Styler, PhotoImpact, PhotoMAX, PhotoLine, Picture Publisher, Kai’s Photo Soap, ImageFolio.

3. Комбинированные для создания и обработки (растровая графика, статика и динамика): Adobe Photoshop, Adobe ImageReady, Corel PHOTO-PAINT, Paint Shop Pro, Photo Finish, Fauve Matisse.

4. Для просмотра и преобразования форматов графических файлов: Sea, Display, QVP, VGIF, ACDSee, View Pro, Picture View, Ice View, Image Eye, PixShow, Graphics WorkShop, FlashView, Image Alchemy, Cortis Image View, Data Junction, EZ-Viewer.

5. Для морфинга (постепенное преобразование одного образа в другой): Adobe Morphing, GR Morph, MorphLib, RMorph, MS Morph, WinMorph.

6. Для преобразования моделей цифровых изображений:

трассировщики (преобразование растровых изображений в векторные): Corel Trace, Adobe StreamLine;

растеризаторы (преобразование векторных изображений в растровые): программы рендеринга, функции в Corel DRAW и в Adobe Illustrator.

7. Для оптимизации веб-графики:

универсальные: Adobe ImageReady, Adobe Photoshop, Macromedia Dreamweaver;

специализированные:

Надеемся, что приведенная классификация позволит вам ориентироваться в многообразии графических пакетов.

Этап 3. Визуализация

Хранение и обработка цифровых изображений не являются самоцелью. В любом случае цифровое изображение должно быть каким-то образом воспроизведено. Этим и занимается подсистема визуализации.

НОВЫЙ ТЕРМИН. Визуализация — преобразование хранящихся в памяти компьютера цифровых изображений в зрительные образы.

За визуализацию отвечают программная и аппаратная части. Первая реализуется с помощью графических пакетов соответствующего назначения (см. предыдущий подраздел). Основная задача — декодирование данных цифрового изображения и запись в соответствующие ячейки видеопамяти кодов яркости каналов RGB для отображения или формирование растровых точек соответствующих цветов для печати.

Аппаратная часть реализуется с помощью специальных устройств вывода, к которым относятся:

Мониторы

Мониторы — основные устройства для визуализации в процессе подготовки изображений, а во многих случаях — и для их демонстрации. Наиболее широко используются два основных типа мониторов:

К сожалению, мониторы второго типа (ЖКИ), имеющие прекрасные характеристики для переносных и портативных компьютеров, пока не достигли показателей, необходимых для компьютерной графики. Причина — малый угол обзора, неудовлетворительное цветовоспроизведение и зернистость изображения. Кроме того, цена на них пока еще не снизилась до приемлемого уровня и значительно превышает цену аналогичных по размеру диагонали мониторов на ЭЛТ.

Мониторы на базе ЭЛТ намного тяжелее, занимают больше места и потребляют больше энергии. Однако их характеристики пока еще лучше подходят для компьютерной графики. Все характеристики мониторов можно разделить на следующие группы:

Испугались? Напрасно: приведенные выше основные категории характеристик — далеко не полный перечень технических параметров мониторов. Разобраться во многих из них под силу только хорошим специалистам в области дизайна, светотехники и радиотехники. Поэтому при выборе монитора необходимо обязательно советоваться с заслуживающими доверия специалистами, понимающими все тонкости технических параметров.

СОВЕТ. При покупке монитора обязательно пользуйтесь специальными программами тестирования (например, Nokia test). Монитор необходимо включить за 20–30 минут до тестирования.

Видеопроекторы

Эти устройства предназначены для демонстрации компьютерных изображений на больших экранах. Основными характеристиками проекторов, определяющими области их применения, являются яркость, разрешающая способность, цена, габариты и вес. Они создаются на основе различных излучающих устройств: ЭЛТ, ЖКИ, матриц микрозеркал, лазеров.

Проекторы на базе проекционных ЭЛТ обеспечивают высокое разрешение, контрастность более 1000:1, отличную цветопередачу. Их недостатки: сложность монтажа и настройки, большой вес (более 30–100 кг) и габариты, относительно небольшая яркость (до 500 ANSI Lm) и высокая цена (более $10 000). Чаще всего они применяются в кинотеатрах и больших концертных залах.

ПРИМЕЧАНИЕ. ANSI Lm (читается АНСИ люмен) — единица усредненного светового потока, специально введенная в 1992 г. для измерения яркостных характеристик проекторов. От ее значения зависит, какой размер изображения можно получить на экране при определенном уровне внешней засветки.

Проекторы на основе ЖКИ строятся по двум принципам: на просвет (LCD-проекторы) и на отражение (D-ILA-проекторы). Главное их достоинство — малые габариты и вес (от 2 до 15 кг). Они также обладают высокой яркостью (LCD — до 2500, D-ILA — до 4000 ANSI Lm) и хорошим разрешением (до 2048 ґ 1536). Недостатки — некачественное воспроизведение черного цвета и полутонов, зернистость изображения. Стоимость — от $2500 до $15 000.

Проекторы, в которых используются матрицы микрозеркал, освещаемые последовательно основными цветами (RGB), работают по принципу отражения (DLP-проекторы). Их достоинства — качественное воспроизведение черного цвета и отсутствие зернистости изображения. Недостатки — пониженная насыщенность и яркость (до 2000 ANSI Lm). Стоимость порядка $2500–$3000.

Проекторы на базе излучающих лазеров (LDT-проекторы) появились на рынке недавно. Они обладают наивысшими техническими параметрами и, соответственно, «заоблачной» ценой (более $100 000).

Естественно, в процессе работы над цифровыми изображениями не имеет смысла использовать проекторы. К тому же это экономически нецелесообразно, хотя цены на них постепенно падают и достигают «разумного» уровня.

Проекционные панели

В отличие от проекторов, панели работают не на излучение, а только на просвет. Создаются они на основе ЖКИ. Панель подключается к компьютеру, ее можно положить на обычный эпидиаскоп и оптическим путем спроецировать компьютерное изображение на экран, как с прозрачной пленки. Технические характеристики панелей близки к характеристикам ЖКИ-мониторов: разрешение от 640 ґ 480 до 1024 ґ 768, количество цветов — до 16,8 млн. Вес порядка 2,5 кг, размеры не превышают 400 ґ 350 ґ 60 мм. Панели стоят дешевле проекторов (как правило, не выше $3000).

Принтеры

Принтеры предназначены для создания «твердых» копий цифровых изображений. Подключаются они к компьютеру через параллельный (LPT) или последовательный порт (USB). Для вывода компьютерной графики применяют в основном струйные, лазерные и светодиодные принтеры.

Основное преимущество струйных принтеров — высокое качество печати при невысокой стоимости принтера и получаемых на нем отпечатков. Один из основных недостатков — зависимость качества печати от типа используемой бумаги. По принципу действия такие принтеры можно разделить на:

Технология термической (или пузырьковой) печати разработана фирмами Canon и Hewlett Packard. Принцип действия: чернила поступают во внутреннюю камеру сопла печатающей головки, на одной из стенок которой имеется нагреватель. В момент печати подается импульс электрического тока, который мгновенно его разогревает. Температура чернил вблизи поверхности нагревателя резко возрастает до 300°С, и часть их переходит из жидкого в газообразное состояние. Происходит микровзрыв, давление возрастает, ударная волна «выстреливает» чернила из сопла печатающей головки со скоростью до 100 км/час. Сразу после этого внутри сопла возникает пониженное давление, и новая порция чернил «втягивается» в камеру из чернильницы. Вылетевшая микрокапля попадает на бумагу и оставляет на ней след. Множество капель создают на бумаге изображение.

Технологию Ink-Jet активно развивает фирма Epson. В ее принтерах в качестве активного «поршня» используется пьезоэлемент. Под воздействием импульса напряжения он выгибается, выталкивая чернила из сопла. Длительность импульса (порядка нескольких микросекунд) значительно короче, чем продолжительность импульса тока, разогревающего нагреватель в термических головках. Поэтому, при прочих равных условиях, такие принтеры могут печатать быстрее, чем принтеры с термоголовками, размер капель у них меньше и может активно регулироваться с помощью амплитуды, формы и длительности импульса.

Одна из наиболее важных характеристик принтера — разрешающая способность. Последние модели струйных принтеров HP Photosmart 7350 и Lexmark Z65 имеют рекордную разрешающую способность — до 4800 dpi, то есть могут печатать до 200 точек на мм2!

Однако качество печати определяется не только разрешением принтера. На него влияют многие факторы: алгоритм цветоделения (разложение каждого пиксела изображения на цвета, соответствующие цветам используемых чернил), особенности растеризации каждого цветового слоя, типы и параметры растров, количество цветов чернил, качество чернил и бумаги. Поэтому производители принтеров помимо технических усовершенствований дополнительно разрабатывают специальные технологии для повышения качества отпечатков.

Например, Hewlett Packard использует нанесение нескольких капель (до 16) разных красок в одну точку, что позволяет получать отпечаток высокого качества на обычной и специальной бумаге при высокоскоростной печати. В результате удается получить множество цветов при печати точки без применения растра (в 30 раз больше по сравнению с обычными струйными принтерами). А с помощью растра, но с использованием более мелких точечных текстур, чем в обычных системах, можно добиться получения еще большего числа цветов.

Фирма Epson разработала собственную технологию, позволившую улучшить цветопередачу, а также усовершенствовать процессы растрирования и формирования капель: новую печатающую головку Micro Piezo, быстросохнущие чернила Quick-Dry, алгоритм растрирования AcuPhoto Halftoning. Благодаря этому расход чернил в процессе формирования микроточки удалось снизить в три раза (до 2 пиколитров), не снизив при этом скорости печати. Чернила Quick-Dry Ink имеют повышенную вязкость, быстрее сохнут и более устойчивы к выцветанию. Быстрое высыхание позволяет получать качественные отпечатки даже на обычной бумаге, поскольку чернила практически не растекаются, бумага не коробится, улучшается цветопередача (чернила различных цветов в соседних точках не смешиваются).

Благодаря своим высочайшим характеристикам современные струйные принтеры стали основными устройствами печати фотоизображений, качество которых при использовании специальной бумаги удовлетворяет даже фотографов-профессионалов.

Лазерные и светодиодные принтеры по принципу действия похожи на фотокопировальные аппараты (в быту — «ксерокс» независимо от фирмы-производителя). Они имеют светочувствительный барабан, на поверхности которого световым лучом лазера или светодиодов создается потенциальный рельеф (освещенные места получают электрический заряд). На заряженные участки налипает мелкодисперсный красящий порошок (тонер), который затем переносится на бумагу и закрепляется на ней термическим путем (вжигается). В цветных принтерах используется 4 цилиндра и, соответственно, 4 цветных тонера (CMYK). Бумага последовательно проходит через все цилиндры, и на нее последовательно наносятся тонеры основных цветов. Как и в струйных принтерах, оттенки создаются благодаря типографскому растрированию изображения.

Достоинства лазерных и светодиодных принтеров — более высокая скорость печати и долговечность отпечатков. Недостатки: высокая стоимость (особенно цветных) и худшее качество печати фотографий по сравнению со струйными. Поэтому они используются для выпуска мелкотиражной продукции и печати цветопроб в издательствах и типографиях. Черно-белые лазерные принтеры широко применяются как офисные.

Плоттеры

Плоттеры, или графопостроители, предназначены для крупноформатной печати. Первоначально они использовались исключительно в инженерной графике для вывода чертежей. Конструкция и применяемые наборы пишущих узлов разрабатывались с учетом их предназначения. В настоящее время область применения плоттеров существенно расширилась. Они стали основным инструментом для создания наружной рекламы, выпуска крупноформатных плакатов, рисунков и другой продукции более широкого применения, чем чертежи.

Плоттеры выполняются в двух основных вариантах:

Планшетные представляют собой плоскую конструкцию порой довольно большого размера (площадь — до нескольких квадратных метров), на которую кладется и неподвижно закрепляется лист бумаги или пленки. Над его поверхностью располагаются две взаимно перпендикулярные направляющие, перемещающие пишущий узел в любую точку поверхности с высокой точностью (до сотых долей миллиметра). На одной из боковых стенок организован «склад» пишущих узлов различного размера и цвета, откуда по команде компьютера берется нужный пишущий узел — специальные фломастеры, грифельные карандаши или рапидографы, реже — специальные фотоголовки для засвечивания фотопленки. После установки в нужную точку пишущий узел опускается на поверхность бумаги, а направляющие перемещают его по требуемой траектории, рисуя таким образом линии чертежа с высокой скоростью (до десятков метров в секунду). Построение полностью управляется программой. Планшетные плоттеры чаще всего подключаются к компьютерам через последовательный порт (COM или USB). Основные достоинства таких плоттеров — высокая скорость и точность, главные недостатки — большие габариты и высокая стоимость. Типичные области применения — высокоточная картография, а также создание чертежей послойных масок в большом масштабе при разработке топологии электронных приборов (транзисторы, микросхемы).

В рулонных плоттерах пишущий узел перемещается только вдоль одной координаты, а бумага или пленка прокручивается барабаном вдоль другой. Благодаря этому рулонные плоттеры занимают в помещении существенно меньшую площадь, имеют более простую конструкцию и дешевле. Наличие рулона бумаги или другой основы позволяет создавать графические материалы практически неограниченного размера. Однако они не могут обеспечить такую же высокую точность позиционирования пишущего узла и скорость черчения, как планшетные. Подключение рулонных плоттеров к компьютерам осуществляется через последовательный (COM или USB) или принтерный порт (LPT).

В зависимости от принципа создания изображения различают плоттеры следующего типа:

В рулонных плоттерах второго типа применяются печатающие головки и чернила, аналогичные устройствам в струйных принтерах. Именно они используются для печати гигантских плакатов с фотографическим качеством.

В отдельную группу выделяют векторные режущие плоттеры — каттеры (от англ. cut — резать). Вместо пишущего узла в них используется нож, вырезающий из специальной пленки аппликации, которые можно наклеивать на различные поверхности. Надписи на вывесках, световые короба, рекламные щиты, объемные буквы — все это создается с помощью каттеров.

На этом мы завершим краткий экскурс в средства визуализации и подведем черту под основами компьютерной графики. Следующий шаг — переход к главному действующему лицу данной книги, великому и могучему Adobe Photoshop.