Лекція з курсу «Комп’ютерна графіка»

Лекція з курсу «Комп’ютерна графіка»
Автор: доцент кафедри інноваційних та інформаційних технологій в освіті Бойчук В.М.
Лекція: «Збереження графічної інформації»
Технічне й програмне забезпечення лекції:

• 
  персональний комп’ютер;
  
• 
  операційна система Windows XP;
  
• 
  мультимедійний проектор;
  
• 
  інтерактивна дошка;
  
• 
  плакати із зображенням кольорового круга, діаграми кольоровості та колірних моделей.
  

Література:

1. 
   Артамонов И.Д. Иллюзии зрения. – М., 1964. – 104 с.
   
2. 
   Глушаков С.В., Кнабе Г.А. Компьютерная графика: Учебный курс / Шеф-ред. С. В. Глушаков; Худож.-оформ. А.С. Юхтман. – Харьков: Фолио; М.: ООО «Издательство АСТ», 2001. – 500с.
   
3. 
   Горобець С.М. Основи комп’ютерної графіки: Навч. пос. для студ. вищих навч. закл. / За ред. М.В. Левківського. – К.: Центр навчальної літератури, 2006. – 232 с.
   
4. 
   Інженерна та комп’ютерна графіка: Підручник / В.Є. Михайленко, В.М. Найдиш та ін. За ред. В.Є. Михайленка. – 2 вид., перероб. – К.: Вища школа, 2001. – 350 с.
   
5. 
   Порев В.Н. Компьютерная графика. – СПб.: БХВ-Петербург, 2002. – 432 с.: ил.
   
6. 
   Комп’ютерний журнал «Компьютеры+программы»
   
7. 
   Комп’ютерний журнал «Мой компьютер»
   

Алгоритми стискання зображень

Зпочатку 90-х pp. XX ст. у царині комп'ютерної графіки бурхливо розвивається зовсім нова галузь знань — алгоритми стискання (архівації) зображень. Це зумовлено тим, що зобра­ження — це своєрідний тип даних, який має декілька суттєвих особливостей.

По-перше, графічна інформація (як і аудіо) займає великі об'єми в пам'яті комп'ютера. Так, яскрава обкладинка журна­лу формату А4 (розміром 210 х 297 мм) з роздільною здатністю 300 dpi та глибиною кольору 24 bit у нсстисненому вигляді буде займати об'єм комп'ютерної пам'яті, який дорівнює приблизно 8 000 сторінок тексту. Така особливість розмірів зображень спонукає до розробки алгоритмів стискан­ня графічних файлів.

По-друге, існують особливості сприйняття мозком люди­ни графічної інформації. Так, при аналізі зображення свідомість оперує формою (контурами), домінуючими колірними плямами і тенденціями у зміні кольорів (колірни­ми переходами). При цьому свідоме сприйняття практично не реагує на незначні зміни у відтінках кольорів. На цьому прин­ципі базується багато алгоритмів стискання з втратою графічної інформації. Після обробки за таким алгоритмом розмір графічного файла значно зменшується, але дещо змінюється саме зображення, хоча людина може цього не помічати. Подібні алгоритми використовуються з високою ефективністю при стисканні файлів відео- та аудіоінформації.

По-третє, якщо звернути увагу на особливості структури зображення, то часто спостерігається подібність кольорів сусідніх пікселів як по вертикалі, так і по горизонталі. Також при розробці алгоритмів стискання можна використовувати подібність між колірними каналами R, G, В чи С, М, Y та К, що дає більше можливостей у пошуку закономірностей стосовно зміни кольору. Такі закономірності, представлені в матема-

тичній формі, дають можливість значно зменшити об'єм опи­су зображення.

Ще не існує жодного універсального алгоритму стискання, який би задовольняв потреби всіх користувачів при вирішенні різних завдань. Але існує багато алгоритмів, які застосовують­ся для стискання зображень, що мають чітко виражені харак­терні особливості, такі як наявність плавних переходів коль­орів, великих фрагментів однакового кольору та ін.

При виборі конкретного алгоритму важливо знати, відбу­вається втрата якості початкового зображення після стискан­ня за цим алгоритмом чи ні. Якщо так, то, як правило, стискан­ня зображення може призводити до зменшення кількості ко­льорів у палітрі від 2 до 256 замість 16,7 мільйонів або до роз­мивання чітких меж контрастних колірних переходів. Так, на рис. 135 показано залежність об'єму файла від кількості коль-,-,г.і- у --літрі, А на рис. 136 наведено приклад роботи алгорит­му стискання з втратою якості, що призводить до "згладжу­вання" зображення, викривлення кольорів та значного (майже у 20 разів) зменшення об'єму файла зображення.

Кожен алгоритм характеризується коефіцієнтом стискан­ня, який показує, у скільки разів може бути зменшено об'єм початкового зображення. Треба зазначити, що для кожного конкретного зображення він може змінюватись, але не пови­нен перевищувати максимально можливого.

Іншим важливим фактором, який необхідно враховувати при виборі алгоритму стискання, є характерні риси алгоритму і зображень, до яких його застосовують. У таблиці 5 наведено основні критерії для вибору певного алгоритму стискання.

Графічні файли

При збереженні зображень на диску створюються графічні файли. Графічна інформація у файлах кодується не так, як у пам'яті комп'ютера. Крім того, існує багато способів кодуван­ня графічних зображень — форматів. Різноманіття графічних форматів зумовлене тим, що існує велика кількість сфер засто­сування зображень з різними вимогами до файлів, у яких вони зберігаються.

Вибираючи формат файлів, необхідно пам'ятати, що да­ний формат повинен підтримуватися заданою сферою засто-

сування. Наприклад, формат BMP не підтримує зображення в моделі CMYK, яка застосовується в поліграфії, через що не може використовуватися в цій сфері. Варто також враховува­ти можливість наступного перетворення типів і колірних мо­делей, чого потребує обрана сфера застосування.

У процесі редагування зображення найчастіше доводиться використовувати маски. Якщо до редагування ще мають по­вернутися, то використовують формат, в якому, крім зобра­ження, будуть зберігатися і маски.

Для маскування фрагментів зображення в програмах ілю­стрування і видавничих системах використовують обтравочні контури, які створюються засобами самих програм. Якщо зоб­раження готується для верстки, то краще вибирати формати, які підтримують обтравочні контури. Необхідно також пере­конатися, що імпорт обтравочних контурів у видавничу систе­му з обраного формату буде здійснюватися коректно і взагалі буде можливим.

Як зазначалось вище, для зменшення розмірів графічних файлів багато форматів використовують алгоритми стискання даних. Вибір подібного формату може заощадити місце на жорсткому диску чи іншому носієві інформації для перенесен­ня файла на інший комп'ютер.

Серед численних існуючих форматів збереження графічних зображень неможливо вибрати один універсаль­ний. Це пояснюється істотною різницею в їх призначенні. Та­ким чином, при виборі того чи іншого формату необхідно орієнтуватися тільки на його відповідність виконуваній ро­боті. Зокрема, формати, призначені для підготовки зображень до друку, не підходять для розміщення в Internet і навпаки. Нижче подано коротку інформацію про деякі графічні форма­ти, працювати з якими доводиться найчастіше. Ця інформація може знадобиться при виборі формату, виходячи з його мож­ливостей і особливостей вирішуваних завдань.

Формати збереження растрових зображень

Нижче розглянуто деякі найбільш розповсюджені форма­ти збереження графічних растрових зображень.

BMP (BitMap) — растровий формат, створений корпо­рацією Microsoft, орієнтований на застосування в операційній системі Windows. Цей формат використовується для пред­ставлення растрових зображені) у ресурсах програм. У ньому підтримуються тільки зображення в моделі RGB із глибиною кольору до 24 біт і не підтримуються додаткові колірні канали та зони прозорості, контури обтравки та управління кольором (ICÇ Profile). Формат припускає використання найпростішо­го алгоритму стискання RLE без втрати якості, однак цей варіант використовується рідко через проблеми несумісності. Формат BMP існує в двох варіантах — для Microsoft Windows і IBM OS/2.

PCX — один з перших растрових форматів, створених фірмою Zsoft для програми PC Paintbrush. Підтримує моно­хромні, індексовані і повнокольорові RGB-зображення. Фор­мат допускає використання найпростішого алгоритму стис­кання RLE без втрат якості.

TIFF (Tagged Image File Format) створений фірмою Aldus спеціально для збереження сканованих зображень. Незважаю­чи на те, що з моменту створення формату минуло досить ба­гато часу, TIFF є основним форматом для збереження скано­ваних зображень та розміщення їх у програмах ілюстрування і видавничих системах. Його версії існують на всіх комп'ютер­них платформах, що робить цей формат дуже зручним при пе­ренесенні растрових зображень між платформами. TIFF підтримує монохромні, індексовані, напівтонові зображення, а також зображення в моделях RGB і CMYK з каналами в 8 і 16 біт. У форматі можна зберігати обтравочні контури, калібро-вочну інформацію й установки друку. Допускається також ви­користання будь-якої кількості додаткових альфа-каналів

(шарів, які описують рівень прозорості фрагментів зображен­ня), однак не підтримуються додаткові колірні канали. Вели­кою перевагою формату є підтримка практично будь-якого ал­горитму стискання. Дуже високий рівень компресії забезпечує найбільш розповсюджений алгоритм LZW — стискання інформації без втрат. Цей самий алгоритм використовують численні програми стискання загального призначення, що підтримують формат ZIP. Формат TIFF існує в двох варіан­тах: для Macintosh і PC. "Рідна" програма для цього формату Photo-Styler знята з виробництва, але формат продовжує роз­виватися і доповнюватися новими можливостями. Фірма Letraset запровадила скорочену версію TIFF-формату за на­звою RIFF (Raster Image File Format).

PSD — власний формат програми Adobe Photoshop. Фор­мат PSD використовується програмою Photoshop, але його "розуміють" і деякі інші програми. Він дозволяє записувати растрове зображення з багатьма шарами, додатковими колірними каналами й іншою інформацією в доступному для подальшого редагування вигляді. Однак, оскільки цей формат не відомий програмам верстки, для роботи з ними необхідно зробити спрощену копію файла в іншому форматі. Починаючи з версії 3.0, Photoshop записує такі файли з компресією, що ніяк не позначається на якості зображення при помітному зменшенні розміру.

JPEG!*— у даному форматі був уперше реалізований новий принцип стискання із втратою якості. Стискання відбувається за рахунок плавної заміни кольорів у зображенні. Результат заміни кольорів майже не помітний для людського ока. Внаслідок цього змінене зображення займає набагато менше місця, ніж вихідне. Ступінь стискання в цьому форматі за­дається користувачем. Відповідно, чим нижче ступінь стис­кання, тим вища якість зображення. З іншого боку, високий ступінь стискання здатний істотно погіршити якість. Найбільш широке застосування JPEG знайшов у Internet та при створенні електронних презентацій. Крім того, малі

розміри файлів дозволяють передавати їх через капали зв'яз­ку, що робить даний формат незамінним у цій сфері. У поліграфії використовувати даний формат небажано, хоча в ньому можна зберігати контури обтравки і колірні профілі. JPEG підтримує напівтонові і повнокольорові зображення в моделях RGB і CMYK, однак у ньому не підтримуються до­даткові колірні й альфа-канали. Недолік формату полягає в тому, що на малюнках з чіткими обрисами і великими од­норідними поверхнями особливо виявляються дефекти стис­кання. Темні лінії на світлому фоні спотворюються через особ­ливості алгоритму стискання, який обробляє зображення бло­ками 8x8 пікселів. При збереженні файла зазвичай пропо­нується вибрати рівень якості кінцевого зображення. В цьому випадку потрібно шукати компроміс: чим менший рівень якості, тим більший коефіцієнт стискання.

GIF (Graphic Interchange Format) — створений фірмою CompuServe (нинішнім підрозділом America Online) спеціаль­но для передачі растрових зображень у глобальних мережах. Формат орієнтований на компактність і використовує алго­ритм стискання LZW, який не призводить до втрати якості. Найчастіше використовується в Internet, оскільки з самого по­чатку (?ув призначений саме для нього. Підтримує тільки індексовані кольори і не підтримує додаткові канали, обтра-вочні контури і колірні профілі. В одній із версій формату GIF можливе збереження в одному файлі відразу декількох зобра­жень у вигляді, подібному до шарів — одне над іншим. Програ­ми, призначені для перегляду інтернет-сторінок, здатні сприй­мати таке розміщення і демонструвати зображення з файла по черзі, реалізуючи в такий спосіб просту анімацію. GIF-формат дозволяє записувати зображення "через рядок" (Interlaced), завдяки чому, маючи тільки частину файла, можна побачити зображення в цілому, але з меншою роздільною здатністю. Ця можливість широко застосовується в мережі Інтернет. Спо­чатку з'являється картинка з малою роздільною здатністю, а в міру надходження нових даних її якість поліпшується. Основ-

168

не обмеження формату GIF полягає в тому, що кольорове зоб­раження може бути записано тільки в режимі 256 кольорів.

FPX (FlaxPix) створений для Internet і має цікаву влас­тивість. Оскільки зображення, розміщені на Web-сторінках, мають низьку екранну роздільну здатність (72 dpi), їх не мож­на використовувати в поліграфії чи роздруковувати. Формат FPX містить зображення одночасно в декількох значеннях роздільної здатності і це надає користувачу можливість само­му обирати необхідне значення роздільної здатності залежно від потреб. Формат підтримує напівтонові і повнокольорові RGB-зображення, але не підтримує додаткові колірні й альфа-канали, обтравочні контури і колірні профілі.
Формати збереження векторних зображень

У файлі векторного формату можна зберігати, крім век­торних, також і растрові зображення, які були імпортовані в цей файл. Можна сказати, що векторні формати більш універ­сальні, ніж растрові.

Мову опису сторінок PostScript — основу всіх видавничих технологій — по суті теж можна віднести до векторних фор­матів. Вона дозволяє описувати векторні і растрові зображен­ня, шрифти, а також параметри растрування і управління ко­льором. Будь-який сучасний принтер містить апаратний чи програмний інтерпретатор PostScript. Ця мова має багато інтерпретацій, які використовуються програмами для підго­товки ілюстрацій і видавничими системами. Нижче розгляну­то найбільш поширені формати збереження векторних зобра­жень. Усі вони тим чи іншим чином стосуються мови PostScript.

EPS (Encapsulated PostScript) являє собою спрощений варіант PostScript. Файли EPS описують тільки будь-який об'єкт чи групу об'єктів, на відміну від PostScript, що містить код цілої сторінки. Формат дозволяє зберігати зображення

будь-якого типу в будь-якій колірній моделі без альфа-ка­налів. Крім того, цей формат дозволяє записати векторний контур, який окреслює растрове зображення. Наприклад, можна одержати фотографію не прямокутну, а круглу, оваль­ну чи будь-якої довільної форми.

Усі сучасні програми ілюстрування мають можливість відкривати і редагувати файли EPS. На сьогодні відомі вже три версії мови PostScript, які використовуються в цьому фор­маті, тому іноді EPS-файли, створені різними програмами, після відкриття виглядають по-різному.

Особливістю цього формату є те, що зображення у файлі зберігається в двох копіях: основній і додатковій (preview). З цієї причини растрове зображення, записане у форматі EPS, буде мати дещо більший розмір, ніж PCX чи BMP. Основна копія використовується при друкуванні на PostScript-принте­рах та іноді для перегляду на екрані в режимі максимальної якості. Програми верстки, такі як QuarkXPress та Adobe PageMaker, зберігають додаткову копію в своїх документах та використовують її при відображенні на екрані в режимі стан­дартної якості і при друкуванні на принтерах, що не підтриму­ють PostScript. Програми векторної графіки, такі як CorelDraw і FreeHand, імпортуючи EPS-файл, можуть працю­вати тільки з додатковою копією зображення.

"Рідна" програма для формату EPS — Adobe Illustrator, яка випускається відразу для трьох платформ: PC, Macintosh і Silicon Graphics. У цієї програми є ще один формат — AI, однак він не має такої широкої підтримки, як EPS.

DCS (Desktop Color Separations) був створений ком­панією Quark Inc., що розробила всесвітньо відому видавничу систему Xpress. Формат DCS покликаний полегшити збере­ження зображень з поділом кольорів і є варіантом формату EPS. DCS має дві версії. Перша версія — DCS 1.0 '— давала можливість зберігати лише зображення з поділом кольорів у моделі CMYK і для цього використовувала п'яті, файлів. При цьому чотири з них містили основні канали зображення, а

п'ятий файл служив для перегляду композитного зображення в цілому. Друга версія — DCS 2.0 — мала додаткові можли­вості у вигляді підтримки практично необмеженої кількості колірних каналів і одного альфа-каналу. Крім того, все зобра­ження в цій версії зберігається у вигляді одного файла DCS.

PDF (Portable Document Format) — універсальний фор­мат, розроблений фірмою Adobe System для електронного по­ширення документів, в якому можуть бути збережені як ілюст­рації (векторні і растрові), так і текст, причому з безліччю шрифтів і гіпертекстових посилань. Для зменшення розміру файлу використовується компресія: для кожного типу об'єктів застосовується свій спосіб. Наприклад, растрові зображення записуються у форматі JPEG. Багато програм (Adobe PageMaker, CorelDraw, FreeHand) дають можливість експорту­вати свої документи в PDF, а деякі — ще й редагувати графіку, записану в цьому форматі. Зазвичай у цьому форматі зберіга­ють документи, призначені тільки для читання, а не для реда­гування. Файл у форматі PDF містить усі необхідні шрифти. Це зручно і дає можливість не передавати шрифти для виводу (передача шрифтів не є цілком законною з погляду авторсько­го права). Універсальність формату полягає в тому, що ство­рені в різних програмах документи можна зберігати в цьому форматі і переглядати на різних комп'ютерах за допомогою безкоштовно розповсюджуваної програми Acrobat Reader. До появи цього формату перегляд документів, створених за допо­могою різних засобів верстки, вимагав попередньої установки програми, в яких вони створювалась. Власне, в форматі PDF можна зберегти будь-який документ, зроблений за допомогою будь-якої програми. На основі файла друку для будь-якого PostScript-принтера програмою Distiller створюються файли у форматі PDF. Програма Distiller входить до складу пакету Adobe Acrobat, що призначений для створення і редагування файлів PDP. Принтери, оснащені третьою версією інтерпрета­тора PostScript, здатні друкувати PDF-документи безпосеред­ньо, без використання додаткових програм.

CDR є форматом програми векторної графіки CorelDRAW, але з кожною новою версією програми до нього вносяться зміни. Наприклад, CorelDRAW 12 може читати файли CDR, створені тільки програмою версії 3 або ж давнішою. Якщо потрібно прочитати файл даного типу першої або другої версії, варто скористатися програмою CorelDRAW 5 або більш ранньою версією. Іноді внутрішня структура фай­ла типу CDR виявляється ушкодженою, що в більш ранніх версіях формату викликало помилки при спробі його відкрит­тя чи імпорту. Програми останніх версій виявляють в процесі відкриття файла CDR ушкоджені об'єкти і намагаються про­пустити такий об'єкт та продовжити читання файла. У більшості випадків це робить можливим відкрити ушкодже­ний файл, який раніше вважався безнадійно загубленим.

CDX є стислим варіантом формату CDR. У форматі CDX файли зазвичай записуються на компакт-диски ArtShow фірми Corel.

СМХ використовувався для колекції векторних малюнків, для CorelDRAW ранніх версій. При збереженні зображень у цьому форматі втрачається можливість подальшого виправ­лення їх параметрів. Таким чином, частину малюнка, яка була спочатку створена як група переходу, буде надалі важко реда­гувати, оскільки вона перетворюється в звичайну групу незв'язаних об'єктів. Формат СМХ може застосовуватись для файлів, що імпортуються в Corel PhotoPaint або Corel Ventura. Одна з переваг файлів СМХ полягає в збереженні шарів, тоді як в імпортованих CDR-файлах інформація про шари втрачається.

Формат СРХ є різновидом формату СМХ із використан­ням стискання файлів.

AI є форматом відомої програми Adobe Illustrator. Цей формат підтримують практично всі програми, які працюють з векторною графікою. AI є найкращим посередником між плат­формами PC та Macintosh при передачі векторних форм в різні програми. В цілому ілюстративні можливості формату

дещо поступаються форматам CorelDRAW та FreeHand, але AI відрізняється більшою стабільністю та сумісністю з PostScript.

FH7, FH5 — формати програми FreeHand від фірми Macromedia. Як Adobe Illustrator і CorelDraw, FreeHand пра­цює з векторними і растровими зображеннями. Він має свій формат — FH7 (останній символ у розширенні файла вказує на номер версії програми). Щоб передати готове зображення іншій програмі, зазвичай доводиться записувати його в більш сумісному форматі, наприклад EPS.

Формат WMF (Windows Meta-file) використовується для векторних зображень. У нього конвертуються векторні зобра­ження при перенесенні з програми в програму через буфер обміну (clipboard). Цей формат відрізняється найбільшою сумісністю для PC, його "розуміють" і деякі програми цля Macintosh.

На платформі Macintosh аналогічну роль відіграє формат РІСТ. У цьому форматі може бути записана як векторна, так і растрова графіка. Багато програм для PC також "розуміють" цей формат. "Рідною" програмою для формату РІСТ є МАС Pict. Програми, яка була б "рідною" для WMF, не існує, тому такою можна вважати операційну систему Windows.

Не існує універсального формату, який можна було б ре­комендувати для всіх життєвих ситуацій. Якщо відомо, на яко­му комп'ютері будуть читати вашу роботу, краще запитати йо­го власника про властиві для комп'ютера формати. Якщо стоїть завдання забезпечити обмін даними між програмами, то оптимальний формат доводиться підбирати методом спроб.

Запитання для самоконтролю

1. 
   Для чого потрібні алгоритми стискання графічних зобра­жені.?
   
2. 
   Що таке коефіцієнт стискання? Які критерії вибору певногс алгоритму стискання?
   
3. 
   Які алгоритми стискання Ви знаєте? Назвіть їх основні харак терне гики.
   

А. Що таке графічні файли та графічні формати?

5. 
   Назвіть основні формати збереження растрових зображень те дайте їх коротку характеристику.
   
6. 
   Які формати збереження векторних зображень Ви знаєте? На­ведіть їх характеристику та порівняння.