Цифровое фото в числах

Графическая информация на ПК

Для того, чтобы фотография могла храниться и обрабатываться в компьютере, ее необходимо превратить в цифровой сигнал (оцифровать) с помощью таких устройств, как цифровой фотоаппарат, цифровая видеокамера, графический планшет или сканер.

Цифровая фотокамера работает, как обычный пленочный фотоаппарат, только изображение не попадает на фотопленку, а запоминается в электронной памяти такого фотоаппарата, затем камеру подключают к компьютеру и по кабелю USB сигналы, которыми зашифровано изображение, перекачиваются из памяти фотоаппарата на жесткий диск ПК.

Оцифрованное изображение выглядит примерно так, как это представлено на рис. 2.1.

Как видно из иллюстрации, в компьютере елочка описывается электрическими сигналами вида: 00000000, 00000001, 0011111 и так далее.

Если изображение цветное, то, как уже говорилось в лекции 1, цвет каждой точки изображения в цифровой камере кодируется цветовым кодом в цветовой модели RGB. Например, черная точка - 0, 0, 0; белая точка: 255, 255, 255; красная точка: 255, 0, 0 и так далее. Если каждый цвет передавать тремя байтами, то можно зашифровать более 16 миллионов цветов. Это больше, чем может различить человеческий глаз.

О графике растровой и векторной

Растровые данные и растровые редакторы

Фотографии представляют собой растровые изображения - матрицу из точек (пикселов), которые имеют каждая свой цвет. В этом легко убедиться, если вы взглянете на любое цветное полиграфическое издание через восьмикратную лупу. Вы увидите картину, аналогичную той, что показана на рис. 2.2.

При увеличении части этой фотографии вы видите, что изображение состоит из сотен рядов и колонок (растровой сетки) маленьких элементов, каждый из которых имеет свой собственный цвет. Поскольку каждый такой элемент (пиксел) очень мал, то человеческий глаз не различает отдельные элементы, а видит лишь результирующее изображение.

То, что увеличенное растровое изображение выглядит ненатуральным и начинает разбиваться на отдельные элементы - первый недостаток цифровых растровых изображений. Их второй недостаток - большой размер файла, хранящего такое изображение.

Программы для работы с растровой графикой

В каждую версию операционной системы Windows входит очень простой графический редактор Microsoft Paint. Однако фотографии в нем обрабатывать практически невозможно. Для этой цели больше подходят такие растровые программы как Corel PHOTO-PAINT, Adobe Photoshop, Paint Shop Pro, PhotoDraw. Каждый из них обладает своими достоинствами и недостатками. Кратко поговорим о некоторых из этих программ.

Paint Shop Pro

Paint Shop Pro (производитель: фирма Jasc Software) — простой и удобный растровый графический редактор, сравнительно не требовательный к ресурсам. В программе есть различные инструменты маскирования, кисти, заливки, базовые фигуры, всевозможные регулировки яркости-цветности и т. д. Paint Shop Pro можно рассматривать как альтернативу более дорогому по цене пакету Adobe Photoshop.

Редактор поддерживает несколько видов слоев, в том числе векторные и текстовые, имеет набор штатных фильтров и эффектов, включает возможность конверсии RGB - модели в CMYK - модель. Программа понимает PSD, т.е. файлы "родного" формата Photoshop. Есть многоуровневый откат. Позволяет имитировать натуральные кисти, как в Painter, а также средство для создания разнообразных заливок (как в Painter и Corel PHOTO-PAINT).

Paint Shop Pro работает с TWAIN-устройствами, цифровыми фотокамерами и способен открывать свыше 30 различных растровых форматов. Кроме того, он импортирует некоторые векторные форматы ( *.cdr, *.wmf ), преобразуя их в растровые с заданным разрешением. Пакет открыт для присоединения фильтров в формате Photoshop.

PhotoDraw

Когда было объявлено о создании PhotoDraw (производитель: фирма Microsoft), представители компании Microsoft сообщили, что эта система "ни в чем не уступает Adobe Photoshop, а по некоторым показателям даже опережает его".

Графический редактор PhotoDraw объединяет простые инструментальные средства для создания рисунков и редактирования графики, позволяя сотрудникам коммерческих предприятий создавать профессионально оформленные графические изображения для Web-страниц, печатных документов и презентаций. В пакете есть возможность быстрого создания фонового рисунка Web-страницы или презентации с помощью любой из 500 мозаичных текстур. Совместно с программой поставляется коллекция Microsoft Clip Gallery, которая содержит 20000 высококачественных картинок и готовых фотографий. Редактор обладает большой коллекцией текстур, кистей, шаблонов и т. д., часть которых устанавливается вместе с ним, а остальные догружается по мере необходимости с CD.

В PhotoDraw используется широкая гамма инструментов, предназначенных для исправления дефектов фотографий. Имеются фильтры подавления муара и эффекта зернистости, средства цветовой коррекции изображения, инструменты балансировки яркости, контрастности, резкости. Эти дефекты могут быть исправлены как в ручном, так и в автоматическом режиме (например, устранение эффекта красных глаз).

Программа поддерживает графический формат CDR (формат CorelDRAW) и PSD (формат Adobe Photoshop), позволяя работать с уже имеющимися коллекциями изображений этих фирм. PhotoDraw поддерживает фильтры Photoshop. Кроме того, имеет большой набор своих (штатных) фильтров — около 180.

Наряду со стандартными одноцветной и двухцветной градиентной заливками контуров, можно воспользоваться многоцветной градиентной заливкой нескольких видов, сгенерировать фрактальный узор или просто выбрать в качестве заливки любую картинку. С помощью эффекта выдавливания (как в Word) плоскую фигуру можно превратить в объемную.

У PhotoDraw есть средства для обрезки (кадрирования) изображений по сложному контуру, в том числе и произвольному. В других растровых пакетах предусмотрено кадрирование только прямоугольных фрагментов. PhotoDraw умеет напрямую работать с большим количеством сканеров и цифровых фотокамер.

Недостаток PhotoDraw — высокие (по сравнению с аналогичными программами) требования к аппаратным средствам (компьютерному железу).

Adobe Photoshop CS

Photoshop — главный продукт фирмы Adobe, основной графический растровый редактор, который используют во всем мире. В Photoshop можно редактировать любые растровые изображения.

Photoshop хорошо интегрирован с другими приложениями Adobe: Adobe Illustrator, Adobe InDesign, Adobe Premiere, Adobe After Effects и Adobe Acrobat. Поставляемый совместно с Photoshop пакет ImageReady позволяет создавать профессиональную графику и анимацию для Сети.

Цена полной версии Adobe Photoshop CS - $650, стоимость апгрейда для пользователей предыдущей версии - $170.

Преимущества: Adobe Photoshop — лидер среди всех растровых программ, законодатель моды, эталон растрового редактора.

Недостатки: в целом недостатки этого пакета несущественны и могут быть выявлены лишь относительно родственных программ, которые или дешевле Photoshop, или имеют меньший размер и более низкие системные требования.

Векторная графика

В векторной графике изображения описываются с помощью математических формул. Так, например, из школьного курса математики известно как формулами описать такие графические примитивы, как линия, треугольник, квадрат или круг (рис. 2.3). А более сложные фигуры можно построить на основе этих простых фигур.

В векторной графике любые фигуры можно построить из небольшого количества контрольных точек, соединенных кривыми Безье. Именно этот метод используется для рисования в векторных графических программах.

К достоинствам векторной графики относится возможность ее масштабирования практически без искажений, а также малый размер файла, хранящего векторный рисунок.

Есть множество программ, которые могут быть использованы для создания и обработки векторных изображений. Как правило, такие графические редакторы (например, Adobe Illustrator CS, CorelDRAW и Macromedia Freehand) служат для подготовки различных полиграфических изданий.

Характеристики растровой и векторной графики в их сравнении приведены в табл. 2.1.

Разрешение и графические форматы фотоизображений

Все цифровые изображения можно описать несколькими характеристиками, которые определяют их физический размер (число битов памяти, необходимое для хранения файла изображения) и качество. Эти характеристики взаимосвязаны. Так, например, чем выше качество фотографии, тем, как правило, больше размер файла, в котором она хранится. Для того, чтобы определить с чем связано качество цифрового изображения необходимо познакомиться с такими понятиями, как разрешение и графические форматы.

Разрешение

Цифровое изображение формируется из крошечных элементов, называемых пикселами. Пиксел является основным элементом (кирпичиком) растровых изображений. Это единица измерения, принятая в компьютерной графике, аналогичная привычным для нас метру, килограмму или литру в повседневной жизни. Именно количество пикселов в изображении и обозначают термином разрешение.

Чем выше разрешение, тем большее количество пикселов содержит изображение и тем, соответственно, выше качество такого изображения, поскольку изображение с более высоким разрешением характеризуется большим количеством деталей.

При сканировании, а также съемке цифровым фотоаппаратом или видеокамерой осуществляется преобразование аналогового изображения в цифровую форму (оцифровка). В настоящее время для этой цели в основном используются сенсорные устройства.

Сенсоры представляют собой интегральные микросхемы, в которых реализован набор фоточувствительных элементов, конструктивно выполненных в виде линеек (как в планшетных сканерах) или матриц (как в случае цифровых камер). Чем больше количество элементарных фоточувствительных элементов в сенсоре, тем большее разрешение он обеспечивает.

Сенсоры с небольшим количеством фоточувствительных элементов не позволяют получить изображение с высоким разрешением. В таком изображении отдельные элементы (пикселы) могут быть видны невооруженным глазом, что приводит к проявлению ступенек, т.е. эффекта пикселизации (рис. 2.4).

И наоборот, большое количество очень маленьких cветочувствительных элементов позволяет получать цифровую модель изображения, близкую к оригиналу. В технической документации по эксплуатации сканеров в качестве единиц, определяющих их разрешающую способность, обычно используют количество точек на дюйм — dpi (dots per inch). То есть, при установке режима сканирования необходимо задавать разрешение сканера в этих единицах, например, 300 dpi.

Разрешение оптическое (физическое) и программное (интерполяционное)

Оптическое разрешение указывает реальное количество светочувствительных элементов в квадратном дюйме (1 дюйм = 2,54 см).

Интерполяционное разрешение является не физической характеристикой цифрового устройства, а характеристикой его программного обеспечения. Поэтому качество изображений, полученных с использованием интерполированного разрешения, зависит от качества алгоритмов интерполяции, реализованных в программе.

Например, в паспорте сканера может быть указано оптическое разрешение 1200 dpi, а разрешение программное - 24000 dpi..

Разрешение монитора

Разрешающая способность монитора связана с максимальным количеством точек, которое он может генерировать и их размером, а измеряется числом точек в одной горизонтальной строке и числом горизонтальных строк экрана. При обычном на сегодня размере точки ("зерне") 0,2 мм для 17-дюймовых мониторов стандартным является разрешение 1024x768.

Разрешение принтера

Разрешающая способность лазерного принтера определяется количеством точек, которые принтер может напечатать на одном дюйме (dpi — dots per inch). Так, если лазерный принтер имеет разрешение 300 точек на дюйм, то в одном дюйме он может напечатать 300 точек.

Вы можете посмотреть разрешение установленного у вас принтера, выполнив команду Пуск $$\to$$ Панель управления $$\to$$ Принтеры и факсы (рис. 2.5).

Разрешение цифровой камеры

В цифровой камере свет, прошедший через объектив, попадает на светочувствительную матрицу (занимающую место пленки) — совокупность сенсоров CCD (ПЗС) или CMOS (КМОП), которые и выполняют оцифровку изображения. В процессе оцифровки изображения с цифровой камеры содержащаяся в нем информация конвертируется в набор чисел, организованных в виде матрицы, называемой битовой матрицей (bit-map). При этом каждой фотоячейке сенсора соответствует определенный числовой элемент в битовой матрице.

Светочувствительная матрица (сенсор) является главным (и самым дорогим) компонентом цифровой камеры. Качество снимаемого камерой изображения зависит в основном от разрешения сенсоров и качества оптики фотокамеры.

В цифровых камерах основной единицей измерения разрешения является пиксел и его величина определяется размером отдельной ячейки ПЗС-матрицы.

Для изображений, введенных в компьютер с помощью цифровой камеры, разрешение может быть задано или в виде конкретного числа мегапикселов (мегапиксельный сенсор содержит 1 миллион фоточувствительных ячеек) или как растровое изображение с указанным числом пикселов по горизонтали и вертикали. Например, цифровая камера, имеющая 2,1 мегапиксельное сенсорное устройство, создает файл изображения размером 1792*1200 пиксел (сохраненный в JPEG формате).

Форматы графических изображений

После того, как кадр в цифровом фотоаппарате снят, полученную картинку необходимо записать в память. Для этого чаще всего используются графические форматы JPEG или TIFF. Причем, для фотографа не столько важен формат записи, сколько возможности используемых в них режимов сжатия (желательно - с минимальной потерей качества), а также количество памяти в камере. Поговорим об этом подробнее.

Каждый из существующих сегодня форматов прошел естественный отбор, доказал свою жизнеспособность и практическую ценность. Все они имеют характерные особенности и возможности, делающие их незаменимыми в конкретных сферах применения: Web-дизайне, при печати, ретуши фотографий и других.

Все множество форматов, используемых для записи изображений, можно условно разделить на две категории:

Какому формату отдать предпочтение? Профессионалы знают, что лучше сохранять результаты работы в формате, который является "родным" для используемой программы. Например, в Photoshop — PSD, CorelDRAW — CDR, Flash — FLA. Это позволит в максимальной степени реализовать возможности программы и застраховаться от неприятных сюрпризов. Однако в данной лекции мы уделим внимание в основном растровым форматам, поскольку с фотографией приходится работать именно в растровых графических редакторах.

Растровые форматы

Растровое изображение (растр) напоминает сетку (таблицу) пикселов, которая в простейшем черно-белом варианте состоит из двух типов клеточек: белые или черные, и которые могут быть закодированы, соответственно, ноликом или единичкой. В отличие от черно-белого, в цветном RGB-изображении, например, глубиной 24 бита, каждый пиксел кодируется 24-битовым числом, поэтому в каждой ячейке битовой матрицы хранится число из 24 ноликов и единичек.

Теперь перейдем к рассмотрению наиболее распространенных форматов растровых изображений.

BMP

Формат BMP (от слова bitmap) — это родной формат Windows. Он поддерживается всеми графическими редакторами, работающими под управлением этой операционной системы. Применяется для хранения растровых изображений, предназначенных для использования в Windows, например, в качестве фона вашего рабочего стола. С помощью этого формата вы можете задать глубину цвета от 1 до 24 бит. Предоставляет возможность применения сжатия информации по алгоритму RLE.

Информация в этом формате хранится как бы в виде "снимка с экрана". Преимущества — очень быстрый вывод изображений, основной недостаток — огромные размеры файлов: размер BMP-файла = размер по горизонтали * размер по вертикали * глубину пиксела.

Формат является "родным" для графического редактора MS Paint. Использование формата BMP не для нужд Windows является распространенной ошибкой новичков. Ни на что другое он не годится: ни для фоторабот, ни для Web, ни для печати, ни для простого переноса и хранения информации.

TIFF

Формат TIFF (Tagged Image File Format) является одним из самых распространенных среди известных в настоящее время форматов. Ему доступен весь диапазон цветовых моделей — от монохромной до RGB и CMYK. Он был разработан совместно фирмами Aldus Corporation и Microsoft как универсальный открытый формат, допускающий модификации. Поэтому файл TIF-формата, созданный на IBM PC или совместимом компьютере, поддерживается операционной системой Macintosh и большинством Unix-подобных платформ. Он также поддерживается практически всеми основными пакетами растровой и векторной графики, программами редактирования и верстки текста. На сегодняшний день формат TIF является лучшим выбором при импорте растровой графики в векторные программы и издательские системы.

В отличие от BMP, формат TIF поддерживает ряд дополнительных функций:

Формат TIFF постоянно развивается. Доказательством тому является разработка фирмой Adobe новой модифицированной версии, сделавшей его поистине универсальным форматом для использования в допечатном процессе. Так, например, недавно вышедшая восьмая версия Adobe Photoshop позволяет хранить в TIFF информацию о слоях, масках, использованных эффектах и др.

Пример 2.1. - Сжатие растровых файлов

Выше было отмечено, что для получения растровых изображений (цифровых фотографий) высокого качества требуется высокое разрешение. Это в свою очередь сказывается на размерах графических файлов, которые с ростом качества непомерно растут. В подтверждение этому давайте рассмотрим практический пример, в котором сравним размеры файлов одного и того же изображения, сохраненного в различных форматах. Для этого выполните следующее:

Откройте программу Adobe Photoshop, и командой File (Файл) $$\to$$ Open (Открыть) загрузите в него одну из ваших цифровых фотографий. В нашем примере это снимок, показанный на рис. 2.6. В оригинальном варианте фотография имеет разрешение 1200x1600 pixels.

С помощью команды File $$\to$$ Save As (Файл $$\to$$ Сохранить как) сохраните исходное изображение в различных форматах.

В нашем случае мы получили следующие результаты, показанные в табл. 2.2.

Как видно из табл. 2.2, файл изображения в формате JPG имеет минимальный размер, а TIF без сжатия — максимальный (с разницей на порядок). Такое различие связано с тем, что в формате JPEG используется технология сжатия (компрессии) хранящейся в графическом файле информации. Поясним о чем речь.

Алгоритмы сжатия изображений

Любой информации (в том числе и графической) свойственна избыточность, поэтому сжатие позволяет значительно уменьшить ее объем. Степень сжатия может колебаться в десятки и сотни раз: это зависит от типа данных и применяемого алгоритма. Однако сильное сжатие графической информации обычно связано с потерей качества. Существует множество разных алгоритмов сжатия, учитывающих те или иные особенности сжимаемой информации. Однако алгоритма, одинаково хорошо сжимающего файлы любых форматов, пока не создано.

С самых общих позиций все существующие алгоритмы сжатия можно разбить на два больших класса:

Сжатие без потерь

Алгоритмы сжатия без потерь основаны на поиске и выбрасывании в растровом изображении повторяющихся элементов. Их можно запомнить один раз и впоследствии повторить необходимое количество раз. По алгоритму сжатия при необходимости полностью пиксел за пикселом восстанавливают исходное изображение. При этом в исходных данных ничего не теряется.

Метод сжатия без потерь (например, в формате TIF) очень эффективен для растровых рисунков, содержащих большие области однотипных элементов (например, в орнаменте) или однотонной закраски. В таких случаях можно получить коэффициент сжатия 10:1.

В основе алгоритмов сжатия без потерь лежат несколько методов. Например, при использования метода сжатия LZW ( Lempel-Ziv-Welch), разработаного в 1978 году израильтянами графические данные сжимаются путем поиска одинаковых последовательностей во всем файле. Затем выявленные последовательности сохраняются в таблице, где им присваиваются более короткие ключи. Например, если в изображении имеются наборы из пурпурного, оранжевого и зеленого пикселов, повторяющиеся 10 раз, LZW выявляет это, присваивает данному набору отдельное число (например, 5) и затем сохраняет эти данные 10 раз в виде числа 5.

Сжатие с потерями

В отличие от сжатия без потерь сжатие с потерями, наоборот, лучше всего работает с теми изображениями, на которых нет повторяющихся элементов или больших областей однотонной закраски. В растровом рисунке, который содержит множество соседних незначительно отличающихся друг от друга пикселов (например, в фотографии моря), большие области могут заполняться пикселами одного, усредненного цвета.

Поясним сказанное на примере. Представьте, что вы сжимаете (архивируете) фотографию с морским пейзажем. Реальное море имеет сложную структуру: темно-синие участки, светло-синие участки, голубые области, белые пятна облаков. По причине такого обилия цветов и получается большой размер файла. Однако при сжатии с потерями все оттенки синего и голубого заменяются одной синей (голубой) краской, все оттенки зеленого — одной зеленой краской и так далее. В результате мы получаем сильно обедненную цветовыми переходами картинку моря, но зато - маленький и компактный файл.

В настоящее время существует несколько алгоритмов сжатия с потерями, самыми известными из которых являются JPEG.

Важным моментом в применении сжатия с потерями является определение "приемлемого уровня" потерь. Уровень этот субъективен, т.е. зависит от того, кто его оценивает, а также от ваших целей и задач. Если ваша оригинальная фотография предназначена для цветной печати в дорогом полиграфическом издании, то ни о каких "приемлемых потерях" не может быть и речи. Другое дело, если эта фотография предназначена для просмотра вашими друзьями на Web-странице, где одним из главных критериев является малый размер файла.

Тему "приемлемого уровня" потерь проиллюстрируем таким примером. В программе Adobe Photoshop командой File (Файл) $$\to$$ Open (Открыть) откройте любую из ваших фоторабот а затем сохраните ее на диске командой File (Файл) $$\to$$ Save As (Сохранить Как). В ходе этой команды появится окно Save As (Сохранить Как), в котором вы выберите формат JPEG. Нажмите на кнопку Сохранить - возникнет следующее окно, показанное на рис. 2.7.

В данном окне вы как раз и можете выставить этот самый "приемлемый уровень потерь", продвигая ползунок из положения small file (маленький файл) до положения large file (большой файл). Замечу также, что при качестве изображения (Quality) ниже восьми вашу фотографию ни в один журнал не возьмут!

Графический формат JPEG

О формате JPEG хотелось бы поговорить особо. На сегодняшний день формат JPEG (Joint Photographic Experts Group) является одним из наиболее распространенных графических форматов для сжатия файлов. Как уже отмечалось, в нем реализован алгоритм сжатия с потерями. Это означает, что в процессе сжатия изображения происходит частичная потеря хранящейся в файле информации. Поэтому в процессе применения этой процедуры сжатия приходится искать компромисс между степенью сжатия и качеством сохраняемого изображения. Чем больше сжатие, тем ниже качество, и наоборот.

Кодирование данных с помощью используемого в JPEG алгоритма сжатия осуществляется в несколько этапов, в ходе которых отбрасывается значительная часть информации о цвете (в зависимости от степени сжатия). Затем, в зависимости от выбранного вами уровня качества, отбрасывается определенная часть данных, характеризующих тонкие детали. Например, то, что практически потеряно в тенях и светах, но для глаза будет незаметно (Поскольку спектр деталей базируется на зрительном восприятии человека, то крупные детали более заметны, чем мелкие).

Таким образом, чем выше уровень компрессии, тем больше данных отбрасывается и тем ниже качество. Используя JPEG, можно получить файл в 1-300 раз меньше исходного.

При сохранении графических изображений в формате JPEG следует учитывать следующее:

Резюме

Материал этой части курса был посвящен представлению о том, что из себя представляет цифровое изображение. Читатель познакомился с растровыми и векторными редакторами, узнал о разрешении и форматах графических файлов, об алгоритмах сжатия растровых изображений. Автор считает, что все это - обязательная минимально необходимая база для того, чтобы успешно двигаться дальше. В путь!