Технологии создания и обработки изображений

параметры объектов и свойства окружающей физической среды. В более  простых

вариантах, например при  обучении вождению наземных транспортных средств,

тренажеры реализуют на персональных компьютерах.

Самые совершенные на сегодняшний  день устройства созданы для обучения

пилотированию космических  кораблей и военных летательных  аппаратов.

Моделированием и визуализацией  объектов в таких тренажерах заняты несколько

специализированных графических  станций, построенных на мощных RISC

-процессорах и скоростных  видеоадаптерах с аппаратными  ускорителями трехмерной

графики. Общее управление системой и просчет сценариев  взаимодействия возложены

на суперкомпьютер, состоящий  из десятков и сотен процессоров. Стоимость таких

комплексов выражается девятизначными цифрами, но их применение окупается

достаточно быстро, так  как обучение на реальных аппаратах  в десятки раз дороже.

    

Растровая графика

 

Для растровых изображений, состоящих из точек, особую важность имеет понятие 

разрешения, выражающее количество точек, приходящихся на единицу длины. При

этом следует различать:

·         разрешение оригинала;

·         разрешение экранного изображения;

·         разрешение печатного изображения.

     Разрешение оригинала. Разрешение оригинала измеряется в точках на

дюйм (dots per inch – dpi) и зависит от требований к качеству изображения и

размеру файла, способу оцифровки  и создания исходной иллюстрации, избранному

формату файла и другим параметрам. В общем случае действует  правило: чем выше

требование к качеству, тем выше должно быть разрешение оригинала.

     Разрешение экранного изображения.  Для экранных копий изображения

элементарную точку растра принято называть пикселом. Размер пиксела

варьируется в зависимости  от выбранного экранного разрешения (из

диапазона стандартных значений), разрешение оригинала и масштаб

отображения.

Мониторы для обработки  изображений с диагональю 20–21 дюйм (профессионального

класса), как правило, обеспечивают стандартные экранные разрешения 640х480,

800х600, 1024х768,1280х1024,1600х1200,1600х1280, 1920х1200, 1920х1600 точек.

Расстояние между соседними  точками люминофора у качественного  монитора

составляет 0,22–0,25 мм.

Для экранной копии достаточно разрешения 72 dpi, для распечатки на цветном или

лазерном принтере 150–200 dpi, для вывода на фотоэкспонирующем устройстве

200–300 dpi. Установлено эмпирическое правило, что при распечатке величина

разрешения оригинала  должна быть в 1,5 раза больше, чем линиатура растра

устройства вывода. В случае, если твердая копия будет увеличена  по сравнению с

оригиналом, эти величины следует умножить на коэффициент  масштабирования.

     Разрешение печатного изображения и понятие линиатуры. Размер точки

растрового изображения  как на твердой копии (бумага, пленка и т. д.), так и на

экране зависит от примененного метода и параметров растрирования

оригинала. При растрировании  на оригинал как бы накладывается  сетка линий,

ячейки которой образуют элемент растра. Частота сетки растра измеряется

числом линий на дюйм (lines per inch – Ipi) и называется

линиатурой.

Размер точки растра рассчитывается для каждого элемента и зависит  от

интенсивности тона в данной ячейке. Чем больше интенсивность, тем  плотнее

заполняется элемент растра. То есть, если в ячейку попал абсолютно  черный цвет,

размер точки растра совпадет с размером элемента растра. В этом случае говорят

о 100% заполняемости. Для абсолютно  белого цвета значение заполняемости

составит 0%. На практике заполняемость  элемента на отпечатке обычно составляет

от 3 до 98%. При этом все  точки растра имеют одинаковую оптическую плотность, в

идеале приближающуюся к  абсолютно черному цвету. Иллюзия  более темного тона

создается за счет увеличения размеров точек и, как следствие, сокращения

пробельного поля между ними при одинаковом расстоянии между  центрами элементов

растра. Такой метод называют растрированием с амплитудной модуляцией (AM).

     Интенсивность  тона (так называемую светлоту) принято подразделять

на 256 уровней. Большее число  градаций не воспринимается зрением  человека и

является избыточным. Меньшее  число ухудшает восприятие изображения (минимально

допустимым для качественной полутоновой иллюстрации принято  значение 150

уровней). Нетрудно подсчитать, что для воспроизведения 256 уровней  тона

достаточно иметь размер ячейки растра 256 = 16 х 16 точек.

При выводе копии изображения  на принтере или полиграфическом  оборудовании

линиатуру растра выбирают, исходя из компромисса между требуемым качеством,

возможностями аппаратуры и  параметрами печатных материалов. Для  лазерных

принтеров рекомендуемая  линиатура составляет 65-100 Ipi, для газетного

производства – 65-85 lpi, для книжно-журнального – 85-133 lpi, для

художественных и рекламных  работ – 133-300 lpi.

При печати изображений с  наложением растров друг на друга, например

многоцветных, каждый последующий  растр поворачивается на определенный угол.

Традиционными для цветной  печати считаются углы поворота: 105 градусов для

голубой печатной формы, 75 градусов для пурпурной, 90 градусов для желтой и

45 градусов для черной. При этом ячейка растра становится  косоугольной, и для

воспроизведения 256 градаций тона с линиатурой 150 lpi уже недостаточно

разрешения 16х150=2400 dpi. Поэтому для фотоэкспонирующих устройств

профессионального класса принято  минимальное стандартное разрешение 2540 dpi,

обеспечивающее качественное растрирование при разных углах  поворота растра.

Таким образом, коэффициент, учитывающий поправку на угол поворота растра, для

цветных изображений составляет 1,06.

     Динамический диапазон. Качество воспроизведения тоновых изображений

принято оценивать динамическим диапазоном (D). Это оптическая

плотность, численно равная десятичному логарифму величины, обратной

коэффициенту  пропускания 

(для оригиналов, рассматриваемых  “на просвет”, например слайдов)  или 

коэффициенту  отражения  (для

прочих оригиналов, например полиграфических отпечатков).

Для оптических сред, пропускающих свет, динамический диапазон лежит  в

пределах от 0 до 4. Для  поверхностей, отражающих свет, значение динамического

диапазона составляет от 0 до 2. Чем выше динамический диапазон, тем  большее

число полутонов присутствует в изображении и тем лучше  качество его

восприятия.

     Связь между параметрами изображения и размером файла. Средствами

растровой графики принято  иллюстрировать работы, требующие высокой  точности в

передаче цветов и полутонов. Однако размеры файлов растровых  иллюстраций

стремительно растут с  увеличением разрешения. Фотоснимок, предназначенный для

домашнего промотра (стандартный размер 10х15 см, оцифрованный с разрешением

200-300 dpi, цветовое разрешение 24 бита), занимает в формате TIFF с

включенным режимом сжатия около 4 Мбайт. Оцифрованный с высоким  разрешением

слайд занимает 45-50 Мбайт. Цветоделенное цветное изображение формата А4

занимает 120-150 Мбайт.

     Масштабирование растровых изображений. Одним из недостатков растровой

графики является так называемая пикселизация изображений при их

увеличении (если не приняты  специальные меры). Раз в оригинале  присутствует

определенное количество точек, то при большем масштабе увеличивается  и их

размер, становятся заметны  элементы растра, что искажает саму иллюстрацию

(рис.4). Для противодействия  пикселизации принято заранее оцифровывать оригинал

с разрешением, достаточным  для качественной визуализации при  масштабировании.

Другой прием состоит  в применении стохастического растра, позволяющего

уменьшить эффект пикселизации в определенных пределах. Наконец, при

масштабировании используют метод интерполяции, когда увеличение размера

иллюстрации происходит не за счет масштабирования точек, а  путем добавления

необходимого числа промежуточных  точек.

                             

    Рисунок 4 Эффект  пикселизации при масштабировании растрового изображения   

    

Векторная графика

 

Если в растровой графике  базовым элементом изображения  является точка, то в

векторной графике – линия. Линия описывается математически как единый

объект, и потому объем  данных для отображения объекта  средствами векторной

графики существенно меньше, чем в растровой графике.

Линия – элементарный объект векторной графики. Как и любой объект, линия

обладает свойствами: формой (прямая, кривая), толщиной, цветом, начертанием

(сплошная, пунктирная). Замкнутые  линии приобретают свойство заполнения.

Охватываемое ими пространство может быть заполнено другими  объектами 

(текстуры, карты) или выбранным цветом. Простейшая незамкнутая линия

ограничена двумя точками, именуемыми узлами. Узлы также имеют свойства,

параметры которых влияют на форму конца линии и характер сопряжения с другими

объектами. Все прочие объекты  векторной графики составляются из линий.

Например, куб можно составить  из шести связанных прямоугольников, каждый из

которых, в свою очередь, образован четырьмя связанными линиями. Возможно,

представить куб и как  двенадцать связанных линий, образующих ребра.

    

Растровая и векторная  графика

 

    

    

Таким образом, выбор растрового или векторного формата зависит от целей

и задач работы с изображением. Если нужна фотографическая точность

цветопередачи, то предпочтительнее растр. Логотипы, схемы, элементы оформления

удобнее представлять в векторном  формате. Понятно, что и в растровом  и в

векторном представлении  графика (как и текст) выводятся  на экран монитора или

печатное устройство в  виде совокупности точек. В Интернете  графика

представляется в одном  из растровых форматов, понимаемых броузерами без

установки дополнительных модулей  – GIF, JPG, PNG.

 

Без дополнительных плагинов (дополнений) наиболее распространенные броузеры

понимают только растровые  форматы – .gif, .jpg и .png (последний пока мало

распространен). На первый взгляд, использование векторных редакторов становится

неактуальным. Однако большинство  таких редакторов обеспечивают экспорт  в .gif

или .jpg с выбираемым Вами разрешением. А рисовать начинающим художникам проще

именно в векторных  средах – если рука дрогнула и линия  пошла не туда,

получившийся элемент  легко редактируется. При рисование  в растровом режиме Вы

рискуете непоправимо  испортить фон.

Из-за описанных выше особенностей представления изображения, для  каждого типа

приходится использовать отдельный графический редактор – растровый или

векторный. Разумеется, у  них есть общие черты – возможность открывать и

сохранять файлы в различных  форматах, использование инструментов с одинаковыми

названиями (карандаш, перо и т.д.) или функциями (выделение, перемещение,

масштабирование и т.д.), выбирать нужный цвет или оттенок... Однако принципы

реализации процессов  рисования и редактирования различны и обусловлены

природой соответствующего формата. Так, если в растровых редакторах говорят о