Цветовая люделъ. 
Теоретические основы информатики

Каждое двоичное значение из 2^т цветов соответствует некоторому цвету. Правило, согласно которому может быть определен цвет по двоичному коду, называется цветовой моделью.

В простейшей битовой цветовой. модели цвет пикселя (белый или черный) кодируется одним битом. В более сложных случаях цвет записывается как вектор числовых значений, называемых цветовылш координатами. Совокупность всех цветов, которые можно задать моделью, называется цветовым пространством.

Наиболее распространенными цветовыми моделями являются RGB и CMYK.

В цветовой модели RGB (Red. Green, Blue, красный-зеленый-синий) цвет представляется в виде суммы трех основных цветов: красного ®, зеленого (G) и синего (В). Эти цвета выбраны в связи с особенностями зрения человека: при рассмотрении изображения с некоторого расстояния эти цветовые компоненты сливаются, в результате чего человек видит результирующий цвет. В силу этого RGB-модель часто называют аддитивной (от анггл. additive — добавка).

Модель RGB используется в устройствах, излучающих свет (жидкокристаллические и плазменные мониторы, телевизоры) или фиксирующие его (камеры, сканеры, датчики).

Интенсивность каждого цвета (его выраженность) кодируется одним байтом, всего возможно 2⁸ = 256 значений (0 — 255). Каждый пиксель изображения характеризуется тремя значениями интенсивности, т. е. кодируется т = 24 битами (этот цветовой режим называется TrueColor — «истинный цвет»). Различные сочетания интенсивности образуют оттенки цвета, всего их возможно (2⁸)³ % 16, 7 млн.

Каждый оттенок представляется цветовыми координатами (х, у, z), где х, у и г — интенсивность цветов R, G и В соответственно и выражается значением от 0 до 255 (или в шестнадцатеричной форме от 0 до FF). Примеры оттенков приведены в табл. 3.4.

Таблица 3.4

Оттенки RGB-модели

Цветовая модель CMY является производной модели RGB и также построена на базе трех цветов: С — Cyan (голубого), М — Magenta (пурпурного) и У — Yellow (желтого). В отличие от модели RGB данная модель описывает не излучаемый цвет, а отраженный от окрашенных поверхностей. Из белого цвета (как суммы красного, зеленого и синего максимальной интенсивности), падающего на такую поверхность, должны поглотиться (вычитаться) все цвета, кроме видимого. Это означает, что цвета красителей поверхности должны быть дополняющими, например:

• 1. Голубой (Cyan — В + G) — дополняющий красного. Голубой цвет (7(0,255,255) является комбинацией синего и зеленого.
• 2. Пурпурный {Magenta — R + В) дополняющий зеленого. Пурпурный цвет М(255,0,255) является комбинацией красного и синего.
• 3. Желтый (Yellow = R + G) — дополняющий синего. Желтый цвет У(255,255,0) является комбинацией зеленого и красного.

Преобразование данных из RGB в CMY выполняется с помощью простой векторной операции Это выражение показывает, что свет, отраженный от поверхности чисто голубого цвета, не содержит красного (поскольку в выражении С = 255 — Я). Аналогично, поверхность пурпурного цвета не отражает зеленого, поверхность желтого цвета — синего. Смешение голубого, пурпурного и желтого цветов должно давать черный цвет, который, однако, выглядит осветленным, но сравнению с ожидаемым черным цветом. Поэтому для получения чистого черного цвета при печати цветовая модель CMY расширяется до модели CMYK, содержащей четвертый основной цвет — черный {К — ЫасК).

Так как цвета вычитаются из белого, то модель CMYK называется субтрактивной (от англ, subtractive — вычитаемый).

Пример 3.13. В процессе преобразования растрового графического файла количество цветов в палитре уменьшилось с 25G до 16. Во сколько раз уменьшился объем файла, если известно, что под один пиксель отводится наименьшее число бит для хранения номера цвета в палитре?

Решение. Используя формулу (3.4) для N = 256, получим:

откуда rn = 8 бит — количество бит, отводимых в видеопамяти для хранения одного пикселя в случае 256-цветного изображения. Аналогично, для 16 цветов на один пиксель изображения отводится 4 бит. Следовательно, информационный объем изображения уменьшится в 16/8 = 2 раза. ?

Итак, были рассмотрены основные характеристики растровых изображений: разрешение, глубина цвета, цветовые модели. Но существует еще ряд параметров, которые влияют па качество и размер изображений: технические характеристики отображающих и печатающих устройств (например, частота обновления монитора, способ физического нанесения краски), алгоритмы сжатия, сглаживания цветов и т. д.

Растровая графика находит применение в тех случаях, когда изображение может быть представлено в виде пиксельной матрицы (иконки, пиктограммы), а также для хранения и обработки художественных изображений, фотографий, где требуется точность представления цветовых оттенков и полутонов. Недостатком растровой графики является существенный объем памяти, требуемый для хранения изображений: для высококачественных изображений с высокой глубиной цвета объем может измеряться гибибайтами. Еще один существенный недостаток — появление искажений при увеличении (зернистость) или уменьшении (потеря деталей).

Векторное изображение состоит из математически описанных примитивов простейших геометрических фигур (точек, отрезков, окружностей, кривых различных порядков и т. д.) Так, для описания отрезка прямой достаточно задать следующие параметры:

• — координаты концов отрезка;
• — толщину;
• — цвет (если отрезок не прозрачный);
• — толщину и цвет контура отрезка (если контур имеется).

Для описания аналогичного отрезка в растровом формате, скорее всего, потребовапось бы существенно больше памяти. В силу математического описания векторные изображения могут масштабироваться без потери качества: при увеличении кривые остаются «гладкими».

Векторная графика применяется для хранения в электронном виде схем, 'чертежей, диаграмм и нр. В частности, в офисном пакете фирмы Microsoft графические фигуры и объекты Smart Art являются примерами векторной графики. Также в виде векторных изображений представлены многие шрифты, используемые для набора текста.

Основным недостатком векторной графики является невозможность работы с высококачественными изображениями из-за большого количества примитивов: резко снижается скорость обработки и отрисовки.

Рассмотрим наиболее популярные графические форматы.

BMP (Bit. Map image) — растровый формат, разработанный фирмой Microsoft и используемый в операционных системах семейства Windows. Поддерживается большинством графических редакторов (в частности, Paint и Photoshop). Считается, что использование этого формата в задачах, не связанных непосредственно с Windows (например, хранение и передача фотографий, размещение изображений в web), является ошибкой.

GIF (Graphics Interchange Format) — растровый формат. Включает в себя алгоритм сжатия, значительно уменьшающий объем файла без потери информации. Поддерживается приложениями для различных операционных систем. Применяется в изображениях, содержащих до 256 цветов, а также для создания анимации. Используется для размещения графики в сети Интернет, в основном, для хранения несложных изображений (логотипов, анимированных надписей и др.).

JPEG (Joint Photographic Expert Group) — растровый формат, содержащий алгоритм сжатия, который уменьшает объем файла в десятки раз, но приводит к необратимой потере части информации. Распространен для хранения фотографий, сложных рисунков, размещения информации в web. Поддерживается большинством операционных систем.

TIFF (Tagged Image File Format) аппаратно-независимый растровый формат. Поддерживается различными операционными системами. Включает алгоритм сжатия без потери качества изображения, поэтому востребован в областях, где необходимы высококачественные изображения, например, в издательском деле. Используется для хранения отсканированных изображений, фотографий, схем, чертежей.

PNG (Portable Network Graphic) — растровый формат, аналогичный GIF без поддержки анимации. Используется для размещения графики в сети Интернет.

WMF (Windows MetaFile) — векторный формат в операционных системах семейства Windows. Является универсальным, поддерживается большинством векторных редакторов, но не обеспечивает высокого качества хранимых изображений, поэтому применяется, в основном, для хранения небольших и несложных изображений (например, формул). По/1держивается рядом веб-браузеров, поэтому часто используется при размещении математических текстов в сети Интернет.

EPS (Encapsulated PostScript) профессиональный векторный формат, поддерживаемый большинством операционных систем. Применяется в полиграфии, используется устройствами, поддерживающими Postscript (специальный язык, позволяющий описывать отдельные страницы документа), например, принтерами, плоттерами.

CDR (Corel DRaw Format) векторный формат, используемый графической системой Corel Draw. Позволяет хранить векторные изображения высокого качества. Формат развивается, поэтому имеются проблемы совместимости с более ранними версиями программных продуктов и сторонними приложениями.

PDF (Portable Document Format) графический формат, позволяющий включать растровую и векторную графику, различные типы шрифтов, гиперссылки, скрипты и др. Изначально представлял собой векторный формат. Применяется в задачах электронной полиграфии для хранения и передачи книг, журналов в электронной форме. В настоящее время является открытым форматом стандартов ISO.

DjVu (от фр. «уоюе виденное») — графический формат дня хранения отсканированных изображений (документов, в том числе рукописных, книг, журналов). Отличается очень высокой степенью сжатия (например, по сравнению с форматом PDF размер может быть меньше в десятки раз), что делает этот формат весьма востребованным для хранения и передачи документов по сети.