технології мультимедіа
1 Технології статичних зображень
Растрова і векторна інформація
Існують два основних принципи формування зображені вання. Перший - шляхом нанесення на поверхню малюнка со-сукупності точок різного кольору (така точка називається «піксель»), щільності, яскравості (як це і відбувається в кольоровий або чорно-білу поліграфію), другий - шляхом викреслювання і заштріховиванія (графіка або гравюра) .
Обидва ці підходи збереглися і в комп'ютерну еру, толь-ко точкове зображення отримало найменування растрово-го, рисо-ванне - векторного. Крім того, комп'ютеризація сама запропонувала ряд нових підходів до графіку, наприклад фрактальний. Фрактал - це об'єкт, окремі елементи якого успадковують властивості батьківських структур, фрактали дозволяють детально описувати цілі класи зображені жений з витрачанням щодо малої кількості пам'я-ти, проте до зображень поза цими класів фрактали погано застосовні.
Тому перед розробниками інформаційних систем стоїть важливе проблема - векторизация реєстрового зображені вання. Цей процес називається трасуванням.
Малюнок 1 - Ефект масштабування растрового зображення (число пікселів не змінюється, формати типу jpeg, gif, png) (а); масштабування векторного зображення (формат svg) (б)
Програма трасування відшукує групи пікселів з одинако-вим кольором, а потім створює відповідні їм векторні об'єкти.
Кольори одних предметів людина бачить тому, що вони випромі-ють світло, а інших - тому, що вони його відображають. Коли предмети випромінюють світло, вони набувають той колір, який ми бачимо. Коли вони відбивають світло (папір, наприклад), їх колір визначається кольором падаючого на них світла і кольором, який ці об'єкти відображають.
Сьогодні діаметрально протилежні способи генерації кольору моніторів і принтерів є основною причиною ис-каженія екранних квітів при друку. Для того щоб отримувати передбачувані результати на екрані і друку, потрібно добре уявляти роботу двох протилежних систем опису кольору в комп'ютері: адитивної і субтрактівной.
Адитивні та субтрактівниє кольору. Адитивний колір утворюється при соеди-неніі променів світла різних кольорів. У цій системі використовуються три основні кольори червоний, зелений і синій (RGB - Red, Green, Blue). Якщо їх змішати один з одним в рівній пропорції, вони утворюють білий колір, а при змішуванні в різних пропорціях - будь-який інший, відсутність же всіх ос-новних квітів представляє чорний колір. Система адитивних квітів працює з випромінюваним світлом, наприклад від монітора комп'ютера.
В системі субтрактівних квітів відбувається зворотний процес - ви отримуєте ка-кой-небудь колір, віднімаючи інші кольори із загального променя отраженно-го світла. У цій системі білий колір з'являється в результаті від-присутність всіх кольорів, тоді як їх присутність дає чорний колір. Система субтрактівних квітів працює з відбитим світлом, наприклад від аркуша паперу. Білий папір відбиває всі кольори, ок-рашен - деякі поглинає, а інші відбиває.
В системі субтрактівних квітів основними є голу-бій, пурпурний і жовтий кольори (CMY), протилежні крас-ному, зеленого і синього. Коли ці кольори змішуються на бе-лій папері в рівній пропорції, виходить чорний колір. Вірніше, передбачається, що повинен вийти чорний колір. Насправді друкарські фарби поглинають світло в повному обсязі і тому комбінація трьох основних кольорів вигля-дит темно-коричневої. Щоб виправити виникає неточності-ність, для подання тонів чорного кольору принтери добав-ляють трохи чорної фарби. Систему квітів, засновану на такому процесі чотириколірної друку, прийнято позначати аб-бревіатурой CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, Black).
Колірна модельRGB. Монітор комп'ютера створює колір безпосередньо випромінюванням світла і використовує, таким чином, систему кольорів RGB. Поверхня монітора складається з мілину-чайших точок (пікселів) червоного, зеленого і синього кольорів, форма точок варіюється в залежності від типу електронно-лу-чевой трубки (ЕПТ). Гармата ЕПТ подає сигнал різної потуж-ності на екранні пікселі. Кожна точка має один з трьох кольорів, при попаданні на неї променя з гармати вона забарвлюється в певний відтінок свого кольору в залежності від сили сигналу. Оскільки точки маленькі, вже з невеликого расстоя-ня вони візуально змішуються один з одним і перестають бути помітні. Комбінуючи різні значення основних кольорів, можна створити будь-який відтінок з більш 16 млн квітів, доступ-них в RGB.
Лампа сканера світить на поверхню захоплюваного з-браженія (або крізь слайд), потім відбитий або прошед-ший через слайд світло за допомогою системи дзеркал потрапляє на чутливі датчики, які передають дані в комп'ютер також в системі RGB. Система RGB адекватна колірному вос-прийняттю людського ока, рецептори якого теж настрої-ни на червоний, зелений і синій кольори.
Колірна модельCMYK. Система кольорів CMYK була широ-ко відома задовго до того, як комп'ютери стали вико-тися для створення графічних зображень. Тріада основних друкованих квітів: блакитний, пурпурний і жовтий (CMY, без чорного) є, по суті, спадкоємцем трьох основних кольорів живопису (синього, червоного і жовтого). Зміна відтінку пер-вих двох пов'язано з відмінним від художніх хімічним складом друкарських фарб, але принцип змішання той же самий. І художні, і друковані фарби, незважаючи на провозгла-Шаєм самодостатність, не можуть дати дуже багатьох відтінком-ков. Тому художники використовують додаткові фарби на основі чистих пігментів, а друкарі додають як мінімум чорну фарбу. Система CMYK створена і використовується для пе-чати. Всі файли, призначені для виведення у друкарні, повинні бути конвертовані в CMYK. Цей процес називає-ся квіткоділенням.
Колір в CMYK може бути описаний сукупністю чотирьох чисел (або колірними координатами), кожне з яких перед-ставлять собою відсоток фарби основних кольорів, що становить колірну комбінацію. Наприклад, для отримання темно-оран-жевого кольору слід змішати 30% фарби cyan, 45% magenta, 80% yellow і 5% black, тоді цей колір можна закодувати сле-дмуть чином - (30,45,80,5), або ж C30M45Y80K5.
Колірна модельGrayscale. Колірна модель Grayscale пред-ставлять собою ту ж індексовану палітру, де замість коль-та пикселям призначена одна з 256 градацій сірого.
Формати графічних файлів
Стиснення інформації. Обсяг оброблюваної і переданої інформації швидко зростає. Це пов'язано з виконанням все бо-леї складних прикладних процесів, появою нових інфор-мационного служб, використанням зображень і звуку. Сжа-тя даних (data compression) процес, що забезпечує зменшення обсягу даних. Стиснення дозволяє різко зменшити обсяг пам'яті, необхідної для зберігання даних, скоротити (до прийнятних розмірів) час їх передачі. Особливо ефек-но стиснення зображень. Стиснення даних може здійснюватися як програмним, так і апаратним або комбінованим ме-тодом.
Якщо стиснення текстів відбувається без втрати інформації, то стиснення звуку і зображення майже завжди призводить до її деякої по-тере. Стиснення широко використовується при архівації даних.
Розмір файлу, в якому зберігається зображення, сущест-венно залежить від формату файлу.
Методи стиснення графіки. RLE. При стисненні методом RLE (Run Length Enconding, кодування довжини серій) послідовність повторюваних величин (наприклад, набір біт для представлення пікселя) заме-вується парою - повторюється величиною і числом її повторювали реній. Метод стиснення RLE використовується в деяких графич-ських форматах, наприклад в PCX.
Метод стиснення JPEG забезпечує високий коефі-цієнт стиснення для малюнків фотографічного якості. Формат файлу JPEG, який використовує цей метод стиснення, розроблений об'єднаної групою експертів по фотографії (Joint Photographic Experts Group). Стиснення по JPEG сильно зменшує розмір фай-ла з растровим малюнком (можливий коефіцієнт стиснення 100: 1). Високий коефіцієнт стиснення досягається за рахунок стиснення з втратами, при якому в результуючому файлі втрачається призводить до втрати інформації. Метод JPEG використовує той факт, що в той час як людське око чутливий до зміни яскравості, зміни кольору він зауважує гірше. Тому при сжа-тії цим методом запам'ятовується більше інформації про різницю між яркостямі пікселів і менше - про різницю між їх коль-тами. Рівень стиснення (ступінь втрати даних) може змінювати-ся, але навіть при завданні максимальної якості JPEG втрачає деякі подробиці. Кількість доступних рівнів стиснення залежить від використовуваного для редагування зображень про-граммного забезпечення.
Растровиеформати. Перелічимо основні растрові формати зображень.
BMP (BitMaP - точковий малюнок) - основний формат рас-тров графіки в ОС Windows. Для імені файлу, представлений-ного в BMP-форматі, найчастіше використовується розширення .bmp, хоча деякі файли мають розширення .rle, що зазвичай ука-показують на те, що вироблено стиск растрової інформації файлу одним з двох способів стиснення RLE, які допустимі для файлів BMP-формату.
У файлах BMP інформація про колір кожного пікселя коди-ється 1, 4, 8, 16 або 24 бітами (біт / піксель). Числом біт / пік-сель, званим також колірною глибиною, визначається мак-мально число квітів в зображенні. Зображення при глибині 1 біт / піксель може мати всього два кольори, а при глибині 24 біт / піксель - більш 16 млн (2 24) різних кольорів.
Формат власне даних растрового масиву в файлі BMP залежить від числа біт, що використовуються для кодування даних про колір кожного пікселя. При 256-кольоровому зображенні кожен піксель в тій частині файлу, де містяться власне дані реєстрового масиву, описується одним байтом (8 біт). Це опис пікселя не представляє значний квітів RGB, а слу-жит покажчиком для входу в таблицю кольорів файлу. Таким обра-зом, якщо в якості першого значення кольору RGB в таблиці коль-тов файлу BMP зберігається R / G / B = 255/0/0, то значенням пікселя Про в растровому масиві буде поставлений у відповідність яр-ко-червоний колір. Значення пікселів зберігаються в порядку їх рас-положення зліва направо, починаючи (як правило) з нижнього рядка зображення. Таким чином, в 256-кольоровому BMP-файлі перший байт даних растрового масиву представляє собою ін-декс для кольору пікселя, що знаходиться в нижньому лівому кутку з-браженія; другий байт представляє індекс для кольору сусіднього справа пікселя і т. д.
PCX - перший стандартний формат файлів для растрової графіки в комп'ютерах систем IBM PC. Файли PCX включають три частини - заголовок PCX, дані реєстрового масиву, факультативну таблицю кольорів. Тема (128-байтовий) містить кілька полів даних, в тому числі про розмір зображення і кількості біт для кодування коль-товой інформації кожного пікселя. Інформація реєстрового масиву стискається з використанням методу RLE; факультатив-ва таблиця кольорів в кінці файлу містить 256 значень кольорів RGB, що визначають кольори зображення. Кодування кольору ка-ждого пікселя в сучасних зображеннях PCX може вироб-водитися з глибиною 1, 4, 8 або 24 біт.
TIFF (Tagged Image File Format - формат файлів зображення-ня, забезпечених тегами). Якщо PCX - один з найпростіших для декодування форматів растрової графіки, то TIFF - один з найскладніших. Файли TIFF мають розширення tif. Кожен файл починається 8-байтовий заголовком файлу зображення (IFH), найважливіший елемент якого - каталог файлу зображення (Image File Directory - IFD) - слугує дороговказом до структури даних. IFD є таблицею для іден-тіфікаціі однієї або декількох порцій даних змінної довжини, які називаються тегами, що зберігають інформацію про зображені жении. У специфікації формату файлів TIFF визначено більше 70 різних типів тегів. Наприклад, тег, який зберігає інформа-цію про ширину зображення в пікселях, або про його висоті, або таблиця кольорів (при необхідності), або самі дані Растр-вого масиву. Зображення, закодоване в файлі TIFF, пів-ністю визначається його тегами, і цей формат файлу легко рас-ширяється, оскільки для додання файлу додаткових властивостей досить визначити додаткові типи тегів. Дані реєстрового масиву в файлі TIFF можуть стискатися із використанням користуванням будь-якого з декількох методів, тому в надеж-ної програмою для читання файлів TIFF повинні бути кошти розпакування RLE, LZW і кілька інших.
GIF (Graphics Interchange Format - формат обміну графич-ськими даними, вимовляється «джіф») розроблений компанією CompuServe (розширення - gif). Структура файлу залежить від версії GIF-специфікації (поширені дві версії GIF87a і GIF89a). Незалежно від номера версії файл GIF на-чинается з 13-байтового заголовка, що містить сигнатуру, ко-торая ідентифікує цей файл в якості GIF-файлу, номер версії GIF і іншу інформацію. Якщо файл зберігає тільки одне зображення, слідом за заголовком зазвичай розташовується загальна таблиця кольорів, що визначає палітру зображення. Якщо у файлі зберігається декілька зображень, то замість об-щей таблиці кольорів кожне зображення супроводжується ло-кальной таблицею кольорів.
Основні переваги GIF полягають в широкому поширенням странения цього формату і його компактності. Але йому притаманні два досить серйозні недоліки. Один з них полягає в тому, що в зображеннях, що зберігаються у вигляді GIF-файлу, що не мо-же бути використано більше 256 квітів. Другий, можливо, ще більш серйозний, полягає в тому, що розробники про-грам, що використовують в них формати GIF, повинні мати ли-цензіонное угоду з CompuServe і вносити плату за каж-дий екземпляр програми; така цінова політика була прийня-та CompuServe після того, як Unisys оголосила, що почне добиватися дотримання своїх прав власності і зажадала від тих, хто користується алгоритмом стиснення LZW, вносити запро-Зіон платежі. Виник в результаті цього заплутане юридичне становище гальмує впровадження в свої графич-ські програми коштів для роботи з файлами GIF.
PNG (Portable Network Graphic - стерпний мережевий фор-мат, вимовляється «пінг», розширення - .png) був розроблений для заміни GIF, щоб обійти юридичні перешкоди, стоячи щие на шляху використання GIF-файлів. PNG успадкував мно-Гії можливості GIF і, крім того, дозволяє зберігати зображені вання з істинними квітами. Ще більш важливо, що він стискає інформацію реєстрового масиву відповідно до варіанта користується високою репутацією алгоритму стиснення LZ77 (попередника LZW), яким будь-хто може користуватися безкоштовно.
Таблиця - Порівняльні характеристики різних графічних файлів
Формат обміну графічними даними
JPEG (розширення -. Jpg) був розроблений компанією C-Cube Microsystems як ефективний метод зберігання зображень з великою глибиною кольору, напри-заходів, одержуваних при скануванні фотографій з численний-ними ледь вловимими відтінками кольору. Використовується алгоритм JPEG-стиснення з втратами інформації. Таблиця ілюструє-ет розміри і колірну глибину файлів, які відповідають різним форматам при збереженні вихідного зображення розміром в 1 Мбайт.
Векторні формати. Файли векторного формату містять описи малюнків в наборі команд для побудови найпростіших графічних об'єктивним тов (ліній, кіл, прямокутників, дуг і т. Д.). Крім того, в цих файлах зберігається деяка додаткова інфор-мація. Різні векторні формати відрізняються набором ко-манд і способом їх кодування.
COM (Computer Graphics Metafile) - використовується в програм-мах редагування векторних малюнків, САПР і видавничих системах.
SVG (Scalable Vector Graphics) - розширення мови XML (розроблене Консорціумом Всесвітньої Павутини), призначене для того, щоб описати двовимірну векторну графи-ку як статичну, так і анімовану. SVG допускає три типи графічних об'єктів: 1) векторні графічні форми (наприклад контури, що складаються з прямих і кривих ліній і про-ластей, обмежених ними); 2) растрова графіка, представляю-щая оцифровані образи; 3) текст. Тип файлу - svg, svgz.