Графические данные

Урок 14. Информатика 2 класс ФГОС

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Графические данные»

Здравствуйте, мальчики и девочки. А вот и я, ноутбук Самсоша. Мы продолжаем изучать раздел «Информация и данные». На прошлом уроке мы знакомились с текстовыми данными. Давайте вспомним основные моменты.

Текст – это способ представления информации на носителе в виде последовательности знаков: букв и других знаков.

Информация, которую несёт нам текст, называют текстовой.

Текстовая информация – знаковая. Чтобы понять смысл знакового сообщения, надо уметь читать.

Читать – это значит декодировать, то есть расшифровывать информацию.

Ведь с помощью текста мы кодируем информацию для того, чтобы сохранить её или передать кому-нибудь.

Информация, представленная (закодированная) в виде текста – это текстовые данные.

Думаю, что вы запомнили: текст не обладает наглядностью.

А вот рисунки, наоборот, несут образную (наглядную) информацию. Это значит, что увидев рисунок, мы сразу представляем предмет, который изображён, – его размер, цвет, какие-то особенности. Например, глядя на рисунок такого автомобиля, мы сразу можем сказать, что он длинный, красный, без крыши.

А глядя на эту собачку, сразу видим, что она маленькая, гладкошёрстная, с ошейником. Такую образную информацию может получить даже тот, кто вовсе не умеет читать.

Наши главные задачи на сегодня, понять, что такое графическая информация и графические данные. Научиться отличать текстовые данные от графических.

Ребята, вот посмотрите, написано слово «автомобиль». Конечно, мы все можем себе его представить: кузов, четыре колеса, фары, зеркала, сиденья. Но каждый, кто слышит слово «автомобиль», всегда представляет себе какую-то свою машину (возможно, родителей, брата, соседа, из рекламы).

А вот если мы видим рисунок автомобиля, то получаем образную (наглядную) информацию конкретной машины.

Вот написано слово «кошка». Опять, у каждого человека образ кошки свой. Но вот появляется рисунок, который несёт нам образную информацию о конкретной кошке.

Вы, наверное, заметили, что в учебниках и книгах много рисунков. И существуют они не просто для красоты, а для того, чтобы читатель лучше мог понять, о чём сказано в тексте. Такой рисунок называют иллюстрацией к тексту. Очень много иллюстраций в книгах со сказками.

Давайте сейчас прочтём небольшое описание птицы.

Туловище тукана овальной формы, как и его голова. Шея крепкая, сильная. Глаза у этих птиц крупные, округлой формы и очень выразительные. Хвост короткий, но достаточно широкий. Большая часть перьев чёрная, но есть и цветные пятна. Клюв у тукана привлекает внимание, ведь он не только яркий (до пяти различных оттенков), но и большой. Длина клюва почти равняется длине тела птицы.

Ребята, вы по этому тексту представили себе, как выглядит тукан?. Правда, сложновато это сделать? Согласитесь, если это описание проиллюстровать, то есть показать фотографию или рисунок, то нам гораздо проще будет представить себе, как выглядит тукан.

Рисунок – это графические данные, которые несут графическую информацию.

Иллюстрацией к тексту может быть не только рисунок, но и фотография, как вы уже могли убедиться в случаем с туканом.А также картины, схемы, диаграммы, графики, карты. Всё это называют изображениями.

Кстати, есть такое предположение, что графическое представление информации в виде схем, графиков помогает усвоить и понять материал быстрее. Например.

Согласитесь, что информация, представленная графически в виде схемы, воспринимается лучше, чем текстова́я.

Запомните, мальчик и девочки, все изображения: рисунки, карты, диаграммы, схемы, графики, фотографии – это графические данные.

Изображения, как и тексты, в закодированном виде могут храниться в памяти компьютера. И человек с помощью компьютера может их обрабатывать. Для этого существуют специальные программы. Но с ними вы будете знакомиться уже в старших классах.

Ребята, а удивитесь ли вы, если я скажу, что каждый из вас умеет графические данные превращать в текстовые? И делали вы это уже не раз, возможно даже в первом классе. Или ещё раньше – например, в детском саду. Превращать графические данные в текстовые, это значит называть, описывать рисунок, фотографию и так далее в виде текста. А ещё можно текстовые данные преобразовать в графические – в схемы, рисунки и другие изображения.

Пример со схемой мы уже видели.

Текстовые данные – вверху, графические данные – внизу.

Ну а теперь пора закрепить полученные знания, выполнив несколько заданий. Готовы? Итак, задание первое.

Вставьте в предложения пропущенные слова. Необходимые слова выбирайте из предложенных. Обратите внимание на то, что некоторые слова надо изменить так, чтобы в предложении они были связаны с другими словами по смыслу. Приступайте.

Время на выполнение задания закончилось. Проверяем.

Схемы, карты, графики, фотографии – это графические данные.

Человек умеет преобразовывать графические данные в текстовы́е.

Рисунки несут образную информацию.

Изображения в закодированном виде могут храниться в памяти компьютера.

А вот и второе задание.

Преобразуйте графические данные в текстовые, а текстовые – в графические.

У меня получилось вот так.

Графическое изобаржение, картину Ивана Ивановича Шишкина и Константина Аполлоновича Савицкого «Утро в сосновом лесу», я описал вот так:

Главные герои картины – четыре медвежонка. Они играют на поваленном сломанном дереве посреди лесной полянки. А позади них – дремучий лес, окутанный туманом.

А вот предложенные текстовые данные в графические я преобразовал следующим образом:

Ну вот и подходит к концу наша встреча. Уверен, вы теперь знаете, что изображение в виде рисунка, фотографии, диаграммы, схемы, картины, карты, графика – это графические данные, которые несут графическую информацию.

Помните, что часто графические данные несут намного больше информации, чем текстовые. С помощью изображений можно узнать как выглядит тот или иной объект, какого он размера, цвета, его особенности. Например, знаки дорожного движения. Лучше видеть их изображение, чем читать, как они выглядят.

И, как всегда, в конце урока, заполняем наш словарь.

Графические данные. Это различные рисунки, картины, карты, диаграммы, схемы, графики, фотографии, которые несут графическую информацию.

Иллюстрация – рисунок, который помогает понять, о чём говорится в тексте.

Ну а теперь подошла пора сказать мне: «До свидания, мальчики и девочки! До новых встреч!».

Источник

Графическая информация

Графическая информация – это сведения, представленные в виде схем, эскизов, изображений, графиков, диаграмм, символов.

Графическая информация является разновидностью визуальной (зрительной) информации. К ней относятся: рисунки, гравюры, плакаты, схемы, географические карты, развертки, эскизы и т.д. Она состоит из точек, штрихов, линий, которые выполнены карандашом, тушью, мелом, фломастером на бумаге, картоне, классной доске и т.д.

Стоит сказать, что графическая информация сопровождает человека с момента его появления и развивается с ним одновременно. К самой ранней графической информации относятся изображения, нарисованные углем, сажей, или же процарапанные на стенах пещер и камнях. В современном мире для создания графической информации человеку на помощь пришла цифровая техника.

В настоящее время на экране монитора стало возможным получать рисунки, чер­тежи в таком же виде, как на бумаге с помощью каранда­шей, красок, чертежных инструментов. Такого рода графическая информация называется цифровой (цифровая графика). Кроме того, рисунок из памяти компьютера может быть выведен не только на экран, но и на бумагу с помощью принтера. Сегодня су­ществуют принтеры цветной печати, дающие качество ри­сунков на уровне фотографии.

Современную компьютерную графику можно разделить на:

Приложения компьютерной графики очень разнообразны. Для каждого направления создается специальное программ­ное обеспечение, которое называют графическими програм­мами, или графическими пакетами.

В зависимости от способа формирования изображений различают следующие виды компьютерной графики:

К программам для работы с растровой графикой относятся:

Для работы с векторной графикой используются:

Таким образом, в растровой графике кодирование изображения происходит путем деления изображения на маленькие точки или пиксели. Каждому пикселю присваивается код его цвета вместе. Информация о каждой такой точке содержит компьютерная видеопамять.

В создании векторной графики участвуют примитивные объекты – линия, кривая, точка, прямоугольник, треугольник, окружность. Данные элементы и их объемы описываются при помощи математических формул.

Графическая информация может быть представлена по-разному. Способы представления графической информации зависят от назначения данной информации и типа устройств, для которых она предназначена. Представление графической информации осуществляется:

Источник

Графическая информация

Любую работу компьютер выпол­няет по определенным программам, которые обрабатывают определенную информацию. Дисплей — это устройство вы­вода информации, хранящейся в памяти ЭВМ. Значит, и «картинки» на экране — это отображение информации, на­ходящейся в компьютерной памяти.

История компьютерной графики

Результатами расчетов на первых компьютерах являлись длинные колонки чисел, напечатанных на бумаге. Для того чтобы осознать полученные результаты, человек брал бума­гу, карандаши, линейки и другие чертежные инструменты и чертил графики, диаграммы, чертежи рассчитанных конст­рукций. Иначе говоря, человек вручную производил графическую обработку результатов вычислений. В графическом виде такие результаты становятся более наглядными и по­нятными.

Возникла идея поручить графическую обработку самой машине. Первоначально программисты научились получать рисунки в режиме символьной печати. На бумажных листах с помощью символов (звездочек, точек, крестиков, букв) по­лучались рисунки, напоминающие мозаику. Так печатались графики функций, изображения течений жидкостей и газов, электрических и магнитных полей. С помощью символьной печати программисты умудря­лись получать даже художественные изображения(рис. 1). В редком компьютерном центре стены не украшались распечатками с портретами Эйнштейна, репродукциями Джоконды и другой машинной живописью.

Затем появились специальные устройства для графиче­ского вывода на бумагу — графопостроители (другое на­звание — плоттеры). С помощью такого устройства на лист бумаги чернильным пером наносятся графические изображе­ния: графики, диаграммы, технические чертежи и прочее. Для управления работой графопостроителей стали создавать специальное программное обеспечение.

Настоящая революция в компьютерной графике про­изошла с появлением графических дисплеев. На экране гра­фического дисплея стало возможным получать рисунки, чер­тежи в таком же виде, как на бумаге с помощью каранда­шей, красок, чертежных инструментов.

Рисунок из памяти компьютера может быть выведен не только на экран, но и на бумагу с помощью принтера. Су­ществуют принтеры цветной печати, дающие качество ри­сунков на уровне фотографии.

Виды современной компьютерной графики

Приложения компьютерной графики очень разнообразны. Для каждого направления создается специальное программ­ное обеспечение, которое называют графическими програм­мами, или графическими пакетами.

Это направление появилось самым первым. Назначение — визуализация (т. е. наглядное изображение) объектов науч­ных исследований, графическая обработка результатов рас­четов, проведение вычислительных экспериментов с нагляд­ным представлением их результатов (рис. 2).

Эта область компьютерной графики предназначена для со­здания иллюстраций, часто используемых в работе различ­ных учреждений. Плановые показатели, отчетная докумен­тация, статистические сводки — вот объекты, для которых с помощью деловой графики создаются иллюстративные ма­териалы (рис. 3).

Рис. 3. Графики, круговые и столбчатые диаграммы

Программные средства деловой графики обычно включа­ются в состав табличных процессоров (электронных таблиц).

Она используется в работе инженеров-конструкторов, изобретателей новой техники. Этот вид компьютерной гра­фики является обязательным элементом систем автомати­зации проектирования (САПР). Графика в САПР исполь­зуется для подготовки технических чертежей проектируе­мых устройств (рис. 4).

Рис. 4. Графика в САПР

Графика в сочетании с расчетами позволяет проводить в наглядной форме поиск оптимальной конструкции, наибо­лее удачной компоновки деталей, прогнозировать последст­вия, к которым могут привести изменения в конструкции. Средствами конструкторской графики можно получать плос­кие изображения (проекции, сечения) и пространственные, трехмерные, изображения.

Программные средства иллюстративной графики позволя­ют человеку использовать компьютер для произвольного ри­сования, черчения подобно тому, как он это делает на бумаге с помощью карандашей, кисточек, красок, циркулей, лине­ек и других инструментов. Пакеты иллюстративной графики не имеют какой-то производственной направленности. По­этому они относятся к прикладному программному обеспече­нию общего назначения.

Простейшие программные средства иллюстративной гра­фики называются графическими редакторами.

Художественная и рекламная графика

Это сравнительно новая отрасль, но уже ставшая попу­лярной во многом благодаря телевидению. С помощью компьютера создаются рекламные ролики, мультфильмы, компьютерные игры, видеоуроки, видеопрезентации и мно­гое другое.

Графические пакеты для этих целей требуют больших ре­сурсов компьютера по быстродействию и памяти. Отличи­тельной особенностью этого класса графических пакетов яв­ляется возможность создания реалистических (очень близ­ких к естественным) изображений, а также «движущихся картинок» (рис. 5).

Для создания реалистических изображений в графиче­ских пакетах этой категории используется сложный матема­тический аппарат.

Рис. 5 Художественная графика

Получение рисунков трехмерных (пространственных) объектов, их повороты, приближения, удаления, деформа­ции — все это связано с геометрическими расчетами. Пере­дача освещенности объекта в зависимости от положения ис­точников света, от расположения теней, от фактуры поверх­ности (глянцевая, матовая, пористая) требует расчетов, учитывающих законы оптики.

Получение движущихся изображений на дисплее ЭВМ на­зывается компьютерной анимацией. Слово «анимация» означает «оживление».

В недавнем прошлом художники-мультипликаторы со­здавали свои фильмы вручную. Чтобы передать движение, им приходилось делать тысячи рисунков, отличающихся друг от друга небольшими изменениями. Затем эти рисунки переснимались на кинопленку. Система компьютерной ани­мации берет значительную часть рутинной работы на себя. Например, художник может создать на экране рисунки лишь начального и конечного состояний движущегося объ­екта, а все промежуточные состояния рассчитает и изобразит компьютер. Такая работа также связана с расчетами, опира­ющимися на математическое описание данного типа движе­ния. Полученные рисунки, выводимые последовательно на экран с определенной частотой, создают иллюзию движения (рис. 6).

Объекты называются самоподобными, когда увеличенные части объекта походят на сам объект. Небольшая часть фрактала содержит информацию обо всем фрактале.

Рис.7 Фрактальная фигура

Фрактальная графика основана на математических вычислениях. Базовым элементом фрактальной графики является сама математическая формула, то есть никаких объектов в памяти компьютера не хранятся и изображение строится исключительно по уравнениям.

Растровая и векторная графика

В зависимости от способа формирования изображений компьютерную графику подразделяют:

Рассмотрим растровую и векторную графиу.

Растровые файлы имеют сравнительно большой размер, т.к. компьютер хранит параметры всех точек изображения.

Поэтому размер файла зависит от параметров точек и их количества :

– от глубины цвета точек,

– от размера изображения (в большем размере вмещается больше точек),

– от разрешения изображения (при большем разрешении на единицу площади изображения приходится больше точек).

Чтобы увеличить изображение, приходится увеличивать размер пикселей-квадратиков. В итоге изображение получается ступенчатым, зернистым.

Для уменьшения изображения приходится несколько соседних точек преобразовывать в одну или выбрасывать лишние точки. В результате изображение искажается: его мелкие детали становятся неразборчивыми (или могут вообще исчезнуть), картинка теряет четкость.

Исходное изображение Фрагмент увеличенного изображения

Растровое изображение масштабируется с потерей качества.

Растровое изображение нельзя расчленить. Оно «литое», состоит из массива точек. Поэтому в программах для обработки растровой графики предусмотрен ряд инструментов для выделения элементов «вручную».

Оригинал Увеличенный фрагмент

для показа массива точек

Близкими аналогами являются живопись, фотография

Программы для работы с растровой графикой:

Microsoft Photo Editor

Fractal Design Painter

Micrografx Picture Publisher

для обработки изображений, требующей высокой точности передачи оттенков цветов и плавного перетекания полутонов.

O ретуширования, реставрирования фотографий;

O создания и обработки фотомонтажа, коллажей;

O применения к изображениям различных спецэффектов;

O после сканирования изображения получаются в растровом виде

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.

Компьютер хранит элементы изображения (линии, кривые, фигуры) в виде математических формул. При открытии файла программа прорисовывает элементы изображения по их математическим формулам (уравнениям).

Векторное изображение масштабируется без потери качества: масштабирование изображения происходит при помощи математических операций: параметры примитивов просто умножаются на коэффициент масштабирования.

Изображение может быть преобразовано в любой размер
(от логотипа на визитной карточке до стенда на улице) и при этом его качество не изменится.

Векторное изображение можно расчленить на отдельные элементы (линии или фигуры), и каждый редактировать, трансформировать независимо.

Векторные изображения: более схематичны, менее реалистичны, чем растровые изображения, «не фотографичны».

Близкими аналогами являются слайды мультфильмов, представление математических функций на графике.

Программы для работы с векторной графикой:

Fractal Design Expression

O для создания вывесок, этикеток, логотипов, эмблем и пр. символьных изображений;

O для построения чертежей, диаграмм, графиков, схем;

O для рисованных изображений с четкими контурами, не обладающих большим спектром оттенков цветов;

O для моделирования объектов изображения;

O для создания 3-х мерных изображений;

К од и рование изображений:

составляется из мельчайших точек пикселов) – цветных квадратиков одинакового размера.

состоит из контуров элементов (прямых, кривых линий, геометрических фигур), которые могут быть залиты цветом

для обработки изображений, требующей высокой точности передачи оттенков цветов и плавного перетекания полутонов. Например, для:

ретуширования,
реставрирования фотографий;

создания и обработки фотомонтажа, коллажей;

применения к изображениям различных спецэффектов;

после сканирования изображения получаются в растровом виде

для создания вывесок, этикеток, логотипов, эмблем и пр. символьных изображений;

для построения чертежей, диаграмм, графиков, схем;

для рисованных изображений с четкими контурами,
не обладающих большим спектром оттенков цветов;

для моделирования
объектов изображения;

для создания 3-х мерных изображений;

масштабируется с потерей качества

масштабируется без потери качества

реалистичны, обладают высокой точностью передачи градаций цветов и полутонов

более схематичны,
менее реалистичны

Microsoft Photo Editor

Fractal Design Painter

Micrografx Picture Publisher

Fractal Design Expression

близкими аналогами являются живопись, фотография

близкими аналогами являются слайды мультфильмов, представление математических функций на графике

TIF-Tagged Image File Format

TGA-True Vision Targa

PMG-Portable Network Graphics

1. Семакин.И, Залогова Л., Русаков С., Шестакова Л. Информатика. Базовый курс 8 класс. Москва: Бином, 2007г.

2. Залогова Л.А. Компьютерная графика. Учебное пособие. Москва: Бином, 2006г

617700, Пермский край, Куединский район, п. Куеда, ул. Гагарина, 27

Источник

Учитель информатики

Сайт учителя информатики. Технологические карты уроков, Подготовка к ОГЭ и ЕГЭ, полезный материал и многое другое.

Кодирование графической информации

Информатика. 10 класса. Босова Л.Л. Оглавление

§15. Кодирование графической информации

Обработка и хранение графической информации требуют значительных вычислительных ресурсов, которые появились только у компьютеров четвёртого поколения.

15.1. Общие подходы к кодированию графической информации

Пространство непрерывно, а это значит, что в любой его области содержится бесконечное множество точек. Чтобы абсолютно точно сохранить изображение, необходимо запомнить информацию о каждой его точке. Иначе говоря, компьютерное представление некоторого изображения (например, полотна В. И. Сурикова «Боярыня Морозова») должно содержать информацию о бесконечном количестве точек, для сохранения которой потребовалось бы бесконечно много памяти. Но память любого компьютера конечна. Чтобы компьютер мог хранить и обрабатывать изображения, необходимо ограничиться выделением конечного количества объектов пространства (областей или точек), информация о которых будет сохранена. Информация обо всех остальных точках пространства будет утрачена.

Пространственная дискретизация — способ выделения конечного числа пространственных элементов, информация о которых будет сохранена в памяти компьютера.

Цвет и яркость — характеристики, присущие каждому элементу (точке, области) изображения. Их можно измерять, т. е. выражать в числах. И цвет, и яркость — непрерывные величины, результаты измерения которых следует выражать вещественными числами. Но вам известно, что вещественные числа не могут быть представлены в компьютере точно.

Квантование — процедура преобразования непрерывного диапазона всех возможных входных значений измеряемой величины в дискретный набор выходных значений.

При квантовании диапазон возможных значений измеряемой величины разбивается на несколько поддиапазонов. При измерении определяется поддиапазон, в который попадает значение, и в компьютере сохраняется только номер поддиапазона.

Дискретизация и квантование всегда приводят к потере некоторой доли информации.

15.2. Векторная и растровая графика

В зависимости от способа формирования графических изображений выделяют векторный и растровый методы кодирования графических изображений.

Векторное изображение строится из отдельных базовых объектов — графических примитивов: отрезков, многоугольников, кривых, овалов. Способ создания векторных изображений напоминает аппликацию (рис. 3.6).

Графические примитивы характеризуются цветом и толщиной контура, цветом и способом заливки внутренней области, размером и т. д. При сохранении векторного изображения в память компьютера заносится информация о составляющих его графических примитивах.

Например, для построения окружности необходимо сохранить такие исходные данные, как координаты её центра, значение радиуса, цвет и толщину контура, цвет заполнения. При этом и большая, и маленькая окружности будут описаны одним и тем же набором данных, т. е. реальные размеры объекта не оказывают никакого влияния на размер сохраняемых о нём данных.

Фактически векторное представление — это описание, в соответствии с которым происходит построение требуемого изображения. Такого рода описания представляются в компьютере как обычная текстовая информация.

Растровое графическое изображение состоит из отдельных маленьких элементов — пикселей (pixel — аббревиатура от англ. picture element — элемент изображения). Оно похоже на мозаику (рис. 3.7), изготовленную из одинаковых по размеру объектов (разноцветных камешков, кусочков стекла, эмали и др.).

Рис. 3.6. Аппликация из бумаги

Рис. 3.7. Фрагмент мозаичного полотна на станции московского метро «Маяковская»

Растр — организованная специальным образом совокупность пикселей, представляющая изображение. Координаты, форма и размер пикселей задаются при определении растра. Изменяемым атрибутом пикселей является цвет.

В прямоугольном растре пиксели составляют прямоугольную матрицу, её основными параметрами являются количество столбцов и строк, составленных из пикселей.

Главное преимущество прямоугольных растров заключается в том, что положение каждого пикселя на изображении (или на экране) не надо задавать — его легко вычислить, зная размеры растровой матрицы, плотность размещения пикселей, которую обычно указывают в количестве точек на дюйм (dpi, от англ. dots per inch), и правила перечисления пикселей (например, слева направо и сверху вниз: сначала слева направо нумеруются все пиксели в верхней строке, затем нумерация продолжается на следующей строке, лежащей ниже, и т. д.).

Итак, мы выяснили, как происходит пространственная дискретизация, позволяющая выделить конечное число пространственных элементов, информация о которых будет сохранена в памяти компьютера.

Остаётся рассмотреть вопросы кодирования цвета каждого пространственного элемента.

15.3. Кодирование цвета

Учёным долгое время не удавалось объяснить процесс цветовосприятия. Первые серьёзные результаты в этой области были получены Исааком Ньютоном (1643 — 1727), который описал составную природу белого света, выделив в его спектре семь основных (наиболее заметных) цветов — красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый.

Таблица 3.11

Зависимость цвета от длины волны видимого спектра

Позднее, в 1756 году, выдающийся русский учёный М. В. Ломоносов (1711 — 1765), исследуя вопросы окрашивания стёкол, обнаружил, что для придания стеклу любого цветового оттенка достаточно использовать всего три основные краски, смешивая их в определённых пропорциях. Спустя столетие эти факты были теоретически обобщены немецким учёным Германом Грассманом (1809 — 1877), сформулировавшим законы синтеза цвета. Наиболее важными из них для понимания сути цветовоспроизведения и цветового кодирования являются следующие два закона.

Закон трёхмерности: с помощью трёх линейно независимых цветов можно однозначно выразить любой цвет. Цвета считаются линейно независимыми, если никакой из них нельзя получить путём смешения остальных.

Закон непрерывности: при непрерывном изменении пропорции, в которой взяты компоненты цветовой смеси, получаемый цвет также меняется непрерывно.

На основании законов Грассмана можно сделать вывод, что любому цвету однозначно соответствует определённая точка трёхмерного пространства. Действительно, каждая цветовая модель задаёт некоторую систему координат, в которой основные цвета модели играют роль осей, а цвета можно рассматривать как точки или векторы в трёхмерном цветовом пространстве.

В компьютерной технике чаще всего используются следующие цветовые модели:

• RGB (Red — Green — Blue, красный — зелёный — синий);
• HSB (Hue — Saturation — Brightness, цветовой оттенок — насыщенность — яркость);
• CMYK (Cyan — Magenta — Yellow — blacK, голубой — пурпурный — жёлтый — чёрный).

15.4. Цветовая модель RGB

Для синтеза цвета на экранах компьютеров, телевизоров, смартфонов и других устройств отображения графической информации выбраны красный, зелёный и синий цвета. Смешением трёх основных цветов синтезируются все остальные цвета. Такая модель называется аддитивной (аддитивный — получаемый путём сложения, от лат. additio — прибавление).

Выбор этих цветов неслучаен и кроется в физиологии человеческого зрения. Действительно, в сетчатке глаза человека есть три типа колбочек, максимумы чувствительности которых приходятся на красный, зелёный и синий участки спектра (табл. 3.12).

Таблица 3.12

Спектральная чувствительность человеческого глаза

Модель RGB (рис. 3.8) определяет пространство цветов в виде единичного куба с осями R (красная компонента), G (зелёная компонента), В (синяя компонента).

Рассмотрим эту модель подробно.

1. Любая точка куба (r; g; b) определяет некоторый цвет.

2. Точка (0; 0; 0) соответствует чёрному цвету; точка (1; 1; 1) соответствует белому цвету; линия (0; 0; 0)-(1; 1; 1) описывает все градации серого от чёрного до белого.

Рис. 3.8. Цветовой куб для RGB-кодирования

3. При движении по прямой от точки (0; 0; 0) к точке (r; g; b) получаем все градации яркости цвета (r; g; b) — от самого тёмного до самого яркого.

4. На гранях куба (r = 0), (g = 0) и (b = 0) расположены самые насыщенные цвета. Чем ближе точка к главной диагонали (0; 0; 0)—(1; 1; 1), тем менее насыщен соответствующий цвет. Если все три координаты точки (r; g; b) ненулевые, то цвет — ненасыщенный.

Мы уже упоминали о квантовании. Благодаря ему в компьютере интенсивность цветовых компонент определяется не вещественными (из интервала [0; 1]), а целыми числами. Для этого «единичные» отрезки на «красной», «зелёной» и «синей» осях разбивают на несколько поддиапазонов, каждый из которых получает свой номер. Цвет пикселя изображения, которое будет выведено на экран, задаётся тремя целыми неотрицательными числами — номерами поддиапазонов, в которые «попадает» этот цвет. Качество цветопередачи зависит от количества выделяемых поддиапазонов.

В современных компьютерах для сохранения информации о цвете каждой точки цветного изображения в модели RGB обычно отводится 3 (режим True Color) или 2 (режим High Color) байта.

В первом случае на кодирование градаций яркости каждого из основных цветов отводится 1 байт: код 00000000 (00) показывает, что данной составляющей нет вообще, код 11111111 (FF) соответствует наибольшей интенсивности соответствующей цветовой компоненты. Всего можно закодировать 256 (от 0 до 255) градаций яркости каждой цветовой компоненты, что обеспечивает возможность представления 256 • 2256 • 256 = 2 8+8+8 = 2 24 = 16 777 216 цветов. Человеческий глаз не может различить большего разнообразия цветов. Это позволяет считать видеорежим True Color (истинный цвет) абсолютно соответствующим цветам реального мира.

В режиме High Color цвет каждой точки кодируется 16 битами. На кодирование красной и синей составляющих при этом отводится по 5 бит, на кодирование зелёной составляющей — 6 бит. Пять бит позволяют представить по 32 градации яркости красного и синего цветов. Поскольку человеческий глаз наиболее чувствителен к зелёной составляющей цвета, под её шкалу отведено 6 бит, что позволяет сохранить 64 градации яркости этого цвета. Всего в рассматриваемом режиме можно представить 2 5+6+5 = 2 16 = 65 536 цветов. Цвета изображений, сохранённых в режиме High Color также вполне реалистичны и «комфортны» для человеческого глаза. При этом размеры соответствующих файлов в 1,5 раза меньше, чем при использовании режима True Color.

Глубина цвета (i) — количество бит, используемое для хранения и представления цвета при кодировании одного пикселя растровой графики или видеоизображения.

Палитра (N) — количество цветов, которые могут быть использованы для воспроизведения изображения.

Зная палитру — количество цветов, используемых для воспроизведения изображения, вычислим глубину цвета — количество бит для представления цвета одного пикселя.

Размер файла с изображением равен: 800 • 600 • 8 (бит).

Вычислим время передачи данного файла:

15.5. Цветовая модель HSB

Модель RGB проста и понятна. Её применяют всегда, когда изображение подготавливают для воспроизведения на экране. Если изображение (например, цифровая фотография) проходит компьютерную обработку в графическом редакторе, то его тоже следует представить в этой модели.

В тех графических редакторах, которые ориентированы не на обработку готовых изображений, а на их создание своими руками, удобнее применять цветовую модель HSB. Человеку гораздо проще не синтезировать цвет из отдельных составляющих, а выбирать его, ориентируясь на более естественные параметры: цветовой оттенок (Что это за цвет?), насыщенность (Насколько цвет насыщенный?), яркость (Насколько цвет светлый или тёмный?). Именно эти три параметра и стали основой для модели HSB (Hue — Saturation — Brightness).

Цветовой оттенок (Hue) — один из цветов спектра. Конкретный цветовой оттенок кодируется либо величиной угла, либо длиной дуги на цветовом круге (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Круговое расположение цветов

Насыщенность цвета (Saturation) характеризуется степенью разбавления его белым цветом. Например, если ярко-красную (насыщенную) краску разбавить белой, то её цветовой оттенок останется прежним, изменится только насыщенность. Чем больше добавляется белого цвета, тем меньше насыщенность конкретного цветового оттенка, а с увеличением насыщенности цвет становится «сочнее».

Яркость цвета (Brightness) зависит от добавления к нему чёрного цвета — чем больше чёрного цвета, тем меньше яркость.

Пространство цветов модели HSB может быть представлено в форме вложенных концентрических конусов с общей вершиной и общей осью симметрии (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Цветовая модель HSB

По окружности в основании конуса расположены цветовые оттенки. Цвета с одинаковым оттенком расположены в полуплоскости, проходящей через ось симметрии конуса.

Величина угла между осью конуса и образующей определяет насыщенность цвета. Насыщенность цвета возрастает с увеличением этого угла (т. е. с отдалением от оси конуса). Цвета с одинаковой насыщенностью расположены на конической поверхности с определённым углом при основании.

Ось конуса — это ось яркости. Вершина конуса соответствует чёрному цвету. Яркость цвета возрастает — с приближением к его основанию. Цвета с одинаковой яркостью расположены по кругу — сечению конуса плоскостью, перпендикулярной его оси.

15.6. Цветовая модель CMYK

Когда мы смотрим на изображение на экране монитора, мы видим излучаемый свет, а когда рассматриваем картинки на бумаге, то видим свет отражённый. Именно поэтому если смешать краски красного и зелёного цветов, то получится тёмно-коричневая краска, а не жёлтая, как это предполагается в RGB-модели.

Если под микроскопом рассмотреть цветные иллюстрации в книге, то можно увидеть, что они напечатаны очень маленькими, частично перекрывающимися цветными точками — офсетами. Офсеты хорошо видны на границах цветной печати и в местах с бледной краской.

Для подготовки печатных изображений используется цветовая модель CMYK (Cyan — Magenta — Yellow — blacK), базовыми цветами которой являются голубой, пурпурный и жёлтый цвета. Основные цвета этой модели подобраны так, чтобы соответствующие краски поглощали свет в достаточно узкой области спектра: голубая краска сильно поглощает красный цвет, пурпурная — зелёный, а жёлтая — синий.

Можно сказать, что цветовые компоненты модели CMYK получаются в результате вычитания основных цветов из белого:

• голубой = белый — красный = зелёный + синий (0; 255; 255);
• пурпурный = белый — зелёный = красный + синий (255; 0; 255);
• жёлтый = белый — синий = красный + зелёный (255; 255; 0). Эти три цвета называются дополнительными, потому что они дополняют основные цвета до белого. Сама же модель CMYK называется субтрактивной (вычитающей) моделью.

Пространство цветовой модели CMYK также можно представить единичным кубом, где плотность закраски (или яркость базовых цветов) — это вещественные числа в диапазоне от 0 до 1 (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Цветовой куб для CMYK-кодирования

Рассмотрим особенности модели CMYK:

• любая точка куба (с; m; у) определяет некоторый цвет;
• точка (0; 0; 0) соответствует белому цвету, точка (1; 1; 1) — чёрному, а линия (0; 0; 0)—(1; 1; 1) описывает все оттенки серого цвета от белого до чёрного;
• при движении по прямой от (0; 0; 0) к точке (с; тп; у) получаем все градации яркости цвета (с; m; у) — от самой яркой до самой тёмной.

В идеальном случае голубого, пурпурного и жёлтого цветов было бы достаточно для формирования на бумаге любого цвета. Однако реально существующие краски не идеальны, они не могут поглотить цветовые компоненты полностью. Если нанести все три краски на бумагу, то вместо чёрного получится тёмно-серый цвет. Поэтому, чтобы скорректировать цветовую гамму, используют четвёртую краску — чёрную. Именно поэтому в название цветовой модели CMYK добавлена буква К (blacK).

САМОЕ ГЛАВНОЕ

Графическая информация, так же как числовая и текстовая, хранится в памяти компьютера в двоичном коде. Для представления графического изображения в памяти компьютера предварительно его необходимо подвергнуть пространственной дискретизации и квантованию, что неизбежно приведёт к потере некоторой доли информации.

Векторный метод кодирования графической информации основывается на выделении в процессе дискретизации конечного количества областей пространства — графических примитивов (отрезков, многоугольников, кривых, овалов, дуг и др.).

Растровый метод кодирования графической информации основывается на выделении в процессе дискретизации конечного количества точек пространства — пикселей.

Для каждого элемента пространства (области, точки) сохраняется информация о его цвете. Всё многообразие цветов может быть получено с помощью трёх независимых цветов, взятых в некоторой пропорции.

В компьютерной технике чаще всего используются следующие цветовые модели:

• RGB (Red — Green — Blue, красный — зелёный — синий) — для компьютерной обработки имеющихся изображений, при подготовке изображений для воспроизведения на экране;
• HSB (Hue — Saturation — Brightness, цветовой оттенок — насыщенность — яркость) — при создании изображений с помощью инструментов графического редактора;
• CMYK (Cyan — Magenta — Yellow — blacK, голубой — пурпурный — жёлтый — чёрный) — для подготовки печатных изображений.

Для сохранения информации о цвете каждой точки цветного изображения в модели RGB отводится 24 (режим True Color) или 16 бит (режим High Color).

В режиме High Color может быть представлено 65 536 разных цветов, а в режиме True Color — 16 777 216. Такие цветовые палитры вполне реалистичны и «комфортны» для человеческого глаза.

Вопросы и задания

1. Почему при кодировании графических изображений всегда происходит потеря некоторого количества информации?

2. В чём суть векторного кодирования информации?

3. В чём суть растрового кодирования информации?

4. Какова физическая природа света?

5. Сформулируйте законы, наиболее важные для понимания сути цветовоспроизведения и цветового кодирования.

6. В чём состоит суть цветовой модели RGB?

7. Определите требуемый объём видеопамяти при заданных разрешении монитора и глубине цвета.

8. Для хранения растрового изображения размером 128 х 128 пикселей отвели 16 Кбайт памяти. Каково максимально возможное число цветов в палитре изображения?

9. Определите объём видеопамяти компьютера, который необходим для реализации графического режима монитора True Color с разрешающей способностью 1024 х 768 точек.

10. В цветовой модели RGB для кодирования одного пикселя используется 3 байта. Фотографию размером 2048 х 1536 пикселей сохранили в виде несжатого файла с использованием RGB-кодирования. Определите размер файла.

11. Укажите минимальный объём памяти (в килобайтах), достаточный для хранения любого растрового изображения размером 64 х 64 пикселя, если известно, что в изображении используется палитра из 256 цветов. Саму палитру хранить не нужно.

12. Вы хотите работать с разрешением монитора 1920 х 1080 пикселей, используя 16 777 216 цветов. В магазине продаются видеокарты с памятью 512 Кбайт, 2 Мбайта, 4 Мбайта и 64 Мбайта. Какую из них можно купить для вашей работы?

13. В процессе преобразования растрового графического изображения количество цветов уменьшилось с 16 777 216 до 256. Во сколько раз уменьшится объём занимаемой им памяти?

14. Пусть используется режим High Color. Назовите цвет, который задаётся кодом:

1) 1111100000011111; 2) 0111101111101111.

15. Для кодирования цвета фона интернет-страницы используется атрибут bgcolor=“#XXXXXX”, где ХХХХХХ — шестнадцатизначное значение интенсивности цветовых компонент в 24-битной RGB-модели.
Назовите цвет страниц, заданных тегами:

16. Выясните, каким образом распределено количество битов по красной, зелёной и синей составляющим в 8-битной цветовой схеме. С чем связано такое распределение?

17. Назовите факторы, существенные для построения моделей цветопередачи RGB и HSB. Какими характеристиками цвета оперирует модель цветопередачи HSB?

18. Исследуйте окно «Изменение палитры» в графическом редакторе Paint. Какие модели конструирования цвета там представлены?

19. Краски каких цветов используются в цветном принтере? Почему для печати на цветном принтере нельзя использовать краски красного, зелёного и синего цветов?

20. Почему модель RGB считается аддитивной, а модель CMYK — субтрактивной цветовой моделью?

Источник