Российский государственный гуманитарный университет
Опубликован: 13.07.2022 | Доступ: свободный | Студентов: 257 / 9 | Длительность: 11:54:00
Специальности: Программист
Лекция 3:

Представление графической информации

Обработка и хранение графической информации требует больших вычислительных ресурсов. Для того, чтобы графическая информация могла быть представлена в компьютере, применяются преобразования дискретизации и квантования. Дискретизация - это процедура устранения непрерывности сигналов, являющихся носителями информации, при которых выделяется конечное число элементов, информация о которых сохраняется в компьютере. Квантование - процедура преобразования непрерывного диапазона входных значений измеряемой величины в дискретный набор выходных значений. В результате этих преобразований теряется некоторая доля информации.

Настоящая лекция посвящена видам графической информации и способам ее представления в компьютере. Вводится понятие цветовой модели, рассматриваются преобразования цветовых компонент между моделями. Приводятся примеры представления графических примитивов в языках программирования, обсуждаются кривые Безье и B-сплайны. Рассматриваются примеры построения различных видов фракталов.

Виды графической информации. Цветовые модели

Графическая информация подразделяется на два основных вида:

  • аналоговая (например, полотно художника, где цвет меняется непрерывно);
  • дискретная (например, отображение в компьютере).

Аналоговая форма посредством разбиения изображения - пространственной дискретизации преобразуется в дискретную форму.

Основными представлениями графического изображения в компьютере являются векторное и растровое.

Векторизация и растеризация изображений

Векторное представление отражает структуру изображения, оно описывает, как построить изображение из заданного набора геометрических фигур - графических примитивов (п. 3.2). Построение векторного представления называется векторизацией изображения.

Для представления некоторых изображений, например фотографий или живописных полотен, векторизация неприменима. В этом случае используется растровое представление, при котором изображение разбивается на маленькие однородные элементы. Растр определяет порядок разбиения изображения на однородные элементы, а сами эти элементы называются пикселями (от англ. pixel - picture element). Процедура разбиения изображения на пиксели называется растеризацией изображения.

Растром называется совокупность пикселей, организованная специальным образом. В компьютерах используются прямоугольные растры, в которых пиксели являются прямоугольниками и составляют прямоугольную матрицу. Положение и форма пикселей в ней фиксированы, параметр цвета пикселя может изменяться. Весь пиксель окрашивается однородно, в один и тот же цвет.

Основными параметрами растровой матрицы являются число строк и число столбцов. Зная размеры матрицы и пикселя, можно вычислить положение пикселя в матрице. Например, для монитора компьютера началом отсчета является левый верхний угол матрицы, пиксели перечисляются слева направо и сверху вниз. В качестве параметра растровой матрицы также используется плотность размещения пикселей на дюйм (англ. dot per inch, сокр. Dpi).

Понятие цветовой модели

Для того, чтобы цвет можно было представить в компьютере, к нему применяется процедура квантования. Кодирование цвета основано на понятии математической модели цвета.

Цвет - это признак объекта, который зависит от длины волны света, излучаемого или отражаемого этим объектом. Основными свойствами цвета, с помощью которых строятся его модели, являются тон, яркость, насыщенность и цветность.

Цветовой тон (англ. hue) - свойство цвета, которое связано со спектральным составом излучения: различные тона создает свет с различной длиной волны (тон обычно и называют "цветом"). В живописи смешение тона с белым создает оттенок, а с черным - тень.

Яркость, или значение (англ. brightness, или value) - свойство, указывающее, насколько светлым или темным является цвет. Чем больше белого было добавлено в тон, тем выше его яркость. При максимальной яркости изображение выглядит белым, при минимальной - черным.

Насыщенность цвета (англ. saturation) определяется тем, как выглядит цвет в различных световых условиях. При нулевой насыщенности цвета изображения выглядят как оттенки серого. Чем выше насыщенность, тем более ясными являются цвета.

Хроматичность, или цветность (англ. chromaticity, или chroma) - показатель чистоты тона. Этот признак оценивается на основе наличия серого в цвете, включая белый и черный. Ахроматическими цветами являются оттенки серого цвета, монохроматическими - цвета, в которых для фиксированного тона меняются параметры яркости и насыщенности.

Цветовая модель - это функция из множества цветов в множество \Bbb R_+^n, где \Bbb R_+ - множество неотрицательных действительных чисел, а n - число параметров, с помощью которых описывается цвет. Образ этой функции называется цветовым пространством. В цветовых моделях n имеет значение 3 или 4, так что цвет представляется в виде набора трех или четырех чисел, которые называются цветовыми координатами, или цветовыми компонентами.

Цветовые модели основываются на особенностях восприятия цвета сетчаткой человеческого глаза, которая содержит два вида светочувствительных сенсорных нейронов - колбочки и палочки. За цветное зрение отвечают три типа колбочек, каждый тип дает свой отклик на определенную длину волны видимого спектра. Колбочки одного типа чувствительны в фиолетово-синей части спектра (коротковолновой), другого типа - в зелено-желтой части спектра (средневолновой), третьего - в желто-красной части спектра (длинноволновой). Колбочки распределены неравномерно, диапазоны их восприятия перекрываются, поэтому глаз способен различать миллионы цветов. Ночью для восприятия цвета используются палочки.

На откликах колбочек человеческого глаза основана цветовая модель LMS (от англ. long, middle, short wavelength - размерах длинных, средних и коротких волн).

Эталонной цветовой моделью, которая лежит в основе цветовых моделей, используемых в технике, является CIE XYZ. Она была создана Международной комиссией по освещению (франц. CIE, англ. International commission on illumination) в 1931 г. В этой модели для построения координат цвета используются функции цветового соответствия - преобразования данных, полученных с помощью измерений длин волн, из модели CIE 1931 RGB.

Цветовая модель RYB

Исторически первой возникла цветовая модель RYB. В настоящее время она используется в живописи и в дизайне.

В цветовой модели RYB цвет составляется из трех первичных цветов - красного (red), желтого (yellow) и синего (blue). Смешивание двух первичных цветов дает вторичный цвет, а смешивание первичного и вторичного цвета - третичный цвет.

Вторичными цветами являются фиолетовый (красный с синим), оранжевый (красный с желтым) и зеленый (синий с желтым) (рис. 3.1 (a)). Третичные цвета - это красно-оранжевый, желто-зеленый, сине-фиолетовый, красно-фиолетовый, желто-оранжевый и сине-зеленый.

Основные цвета представляют на цветовом круге. Цветовой круг -схема расположения тонов, которая отражает их взаимодействие при смешивании. На рис. 3.1 (b) приведен цветовой круг, содержащий 12 вышеперечисленных тонов - первичных, вторичных и третичных.

 Смешивание красок: (a) первичные и вторичные цвета; (b) цветовой круг

Рис. 3.1. Смешивание красок: (a) первичные и вторичные цвета; (b) цветовой круг