Кодирование цвета. 
Методы кодирования графической информации

Что делать, если рисунок цветной? В этом случае для кодирования цвета пикселя уже не обойтись одним битом. Например, в показанном на рисунке изображении российского флага 4 цвета: черный, синий, красный и белый. Для кодирования одного из четырех вариантов нужно 2 бита, поэтому код каждого цвета (и код каждого пикселя) будет состоять из двух бит. Пусть 00 обозначает черный цвет, 01 — красный, 10 — синий и 11 — белый. Тогда получаем такую таблицу:

Рис. 4.

Проблема только в том, что при выводе на экран нужно как? то определить, какой цвет соответствует тому или другому коду. То есть информацию о цвете нужно выразить в виде числа (или набора чисел).

Человек воспринимает свет как множество электромагнитных волн. Определенная длина волны соответствуют некоторому цвету. Например, волны длиной 500?565 м — это зеленый цвет. Так называемый «белый» свет на самом деле представляет собой смесь волн, длины которых охватывают весь видимый диапазон.

В модели RBG яркость каждой составляющей.

(или, как говорят, каждого канала) чаще всего кодируется целым числом от 0 до 255. При этом код цвета — это тройка чисел (R, G, B), яркости отдельных каналов. Цвет (0,0,0) — это черный цвет, а (255,255,255) — белый. Если все составляющие Рис. 5.

имеют равную яркость, получаются оттенки серого цвета, от черного до белого. При кодировании цвета на веб-страницах также используется модель RGB, но яркости каналов записываются в шестнадцатеричной системе счисления (от 00₁₆ до FF₁₆), а перед кодом цвета ставится знак #. Например, код красного цвета записывается как #FF0000, а код синего — как #0000FF.

Вот коды некоторых цветов:

Таблица 1.

Всего есть по 256 вариантов яркости каждого из трех цветов. Это позволяет закодировать 256³= 16 777 216 оттенков, что более чем достаточно для человека. Так как 256 = 2⁸, каждая из трех составляющих занимает в памяти 8 бит или 1 байт, а вся информация о каком-то цвете — 24 бита (или 3 байта). Эта величина называется глубиной цвета.

Глубина цвета — это количество бит, используемое для кодирования цвета пикселя. кодирование графический информация.

24-битное кодирование цвета часто называют режимом истинного цвета (англ. TrueColor — истинный цвет). Для вычисления объема рисунка в байтах при таком кодировании нужно определить общее количество пикселей (перемножить ширину и высоту) и умножить результат на 3, так как цвет каждого пикселя кодируется тремя байтами. Например, рисунок размером 20Ч30 пикселей, закодированный в режиме истинного цвета, будет занимать 20Ч30Ч3 = 1800 байт. Конечно, здесь не учитывается сжатие, которое применяется во всех современных форматах графических файлов. Кроме того, в реальных файлах есть заголовок, в котором записана служебная информация (например, размеры рисунка). Кроме режима истинного цвета используется также 16-битное кодирование (англ. HighColor — «высокий» цвет), когда на красную и синюю составляющую отводится по 5 бит, а на зеленую, к которой человеческий глаз более чувствителен — 6 бит. В режиме HighColor можно закодировать 2¹⁶ = 65 536 различных цветов. В мобильных телефон 12-битное кодирование цвета (4 бита на канал, 4096 цветов). Как правило, чем меньше цветов используется, тем больше будет искажаться цветное изображение. Таким образом, при кодировании цвета тоже есть неизбежная потеря информации, которая «добавляется» к потерям, вызванным дискретизацией. Однако при увеличении количества используемых цветов одновременно растет объем файла. Например, в режиме истинного цвета файл получится в два раза больше, чем при 12-битном кодировании. Очень часто (например, в схемах, диаграммах и чертежах) количество цветов в изображении невелико (не более 256). В этом случае применяют кодирование с палитрой.

Цветовая палитра — это таблица, в которой каждому цвету, заданному в виде составляющих в модели RGB, сопоставляется числовой код.

Кодирование с палитрой выполняется следующим образом:

• · выбираем количество цветов N (как правило, не более 256);
• · из палитры истинного цвета (16 777 216 цветов) выбираем любые N цветов и для каждого
• · из них находим составляющие в модели RGB;
• · каждому из цветов присваиваем номер (код) от 0 до N-1;
• · составляем палитру, записывая сначала RGB-составляющие цвета, имеющего код 0, затем составляющие цвета с кодом 1 и т. д.
• · цвет каждого пикселя кодируется не в виде значений RGB-составляющих, а как номер цвета в палитре.

Например, при кодировании изображения российского флага (см. выше) были выбраны 4 цвета:

• · черный: RGB-код (0,0,0); двоичный код 002;
• · красный: RGB-код (255,0,0); двоичный код 012
• · синий: RGB-код (0,0,255); двоичный код 102;
• · белый: RGB-код (255,255,255); двоичный код 112.

Поэтому палитра, которая обычно записывается в специальную служебную область в начале файла, представляет собой четыре трехбайтных блока:

Рис. 6.

Код каждого пикселя занимает всего два бита. Чтобы примерно оценить объем рисунка с палитрой, включающей N цветов (без учета сжатия), нужно:

• · определить размер палитры, 3ЧN байт или 24ЧN бит;
• · определить глубину цвета (количество бит на пиксель), то есть найти наименьшее натуральное число k, такое что 2 k? N;
• · вычислить общее количество пикселей M, перемножив размеры рисунка;
• · определить информационный объем основной части MЧk бит.

В таблице приведены данные по некоторым вариантам кодирования с палитрой:

Таблица 2.

Палитры с количеством цветом более 256 на практике не используются. RGB-кодирование лучше всего описывает цвет, который излучается некоторым устройством, например, монитором или экраном ноутбука. Когда же мы смотрим на изображение, отпечатанное на бумаге, ситуация совершенно другая. Мы видим не прямые лучи источника, попадающие в глаз, а отраженные от поверхности. «Белый свет» от какого-то источника (солнца, лампочки), содержащий волны во всем видимом диапазоне, попадает на бумагу, на которой нанесена краска. Краска поглощает часть лучей (их энергия уходит на нагрев), а оставшиеся попадают в глаз, это и есть тот цвет, который мы видим.

Рис. 7.

Например, если краска поглощает красные лучи, остаются только синие и зеленые — мы видим голубой цвет. В этом смысле красный и голубой цвета дополняют друг друга, так же, как и пары зеленый — фиолетовый и синий — желтый.

Действительно, если из белого цвета (его RGB — код #FFFFFF) «вычесть» зеленый, то получится цвет #FF00FF (фиолетовый, пурпурный), а если «вычесть» синий, то получится цвет #FFFF00 (желтый).

На трех дополнительных цветах — голубом, фиолетовом и желтомстроится цветовая модель CMY (англ. Cyan — голубой, Magenta ;

фиолетовый, Yellow — желтый), которая применяется для вывода на печать. Рис. 8.

Значения C=M=Y=0 говорят о том, что на белую бумагу не наносится никакая краска, поэтому все лучи отражаются, это белый цвет. Если добавить голубого цвета, красные лучи поглощаются, остаются только синие и зеленые. Если сверху нанести еще желтую краску, которая поглощает синие лучи, остается только зеленый.

При наложении голубой, фиолетовой и желтой красок теоретически должен получиться черный цвет, все лучи поглощаются. Однако на практике все не так просто. Краски не идеальны, поэтому вместо черного цвета получается грязно-коричневый. Кроме того, при печати черных областей приходится «выливать» тройную порцию краски в одно место. Нужно также учитывать, что обычно на принтерах часто распечатывают черный текст, а цветные чернила значительно дороже черных.

Чтобы решить эту проблему, в набор красок добавляют черную, это так называемый ключевой цвет (англ. Keycolor), поэтому получившуюся модель обозначают CMYK. Изображение, которое печатает большинство принтеров, состоит из точек этих четырех цветов, которые расположены в виде узора очень близко друг к другу. Это создает иллюзию того, что в рисунке есть разные цвета. Кроме цветовых моделей RGB и CMY (CMYK), существуют и другие. Наиболее интересная из них — модель HSB (англ. Hue — тон, оттенок; Saturation — насыщенность, Brightness — яркость), которая ближе всего к естественному восприятию человека. Тон — это, например, синий, зеленый, желтый. Насыщенность — это чистота тона, при уменьшении насыщенности до нуля получается серый цвет. Яркость определяет, насколько цвет светлый или темный. Любой цвет при снижении яркости до нуля превращается в черный.

Строго говоря, цвет, кодируемый в моделях RGB, CMYK и HSV, зависит от устройства, на котором этот цвет будет изображаться. Для кодирования «абсолютного» цвета применяют модель Lab (англ. Lighntess — светлота, a и b — параметры, определяющие тон и насыщенность цвета), которая является международным стандартом. Эта модель используется, например, для перевода цвета из RGB в CMYK и обратно.

Обычно изображения, предназначенные для печати, готовятся на компьютере (в режиме RGB), а потом переводятся в цветовую модель CMYK. При этом стоит задача получить при печати такой же цвет, что и на мониторе. И вот тут возникают проблемы. Дело в том, что при выводе пикселей на экран монитор получает некоторые числа (RGB-коды), на основании которых нужно «выкрасить» пиксели тем или иным цветом. Отсюда следует важный вывод.

Цвет, который мы видим на мониторе, зависит от характеристик и настроек монитора.

Это значит, что, например, красный цвет (R=255, G=B=0) на разных мониторах будет разным. Наверняка вы видели этот эффект в магазине где продают телевизоры и мониторы — одна и та же картинка на каждом из них выглядит по-разному. Что же делать?

Во-первых, выполняется калибровка монитора — настройка яркости, контрастности, белого, черного и серого цветов. Во-вторых, профессионалы, работающие с цветными изображениями, используют цветовые профили мониторов, сканеров, принтеров и других устройств. В профилях хранится информация о том, каким реальным цветам соответствуют различные RGB-коды или CMYK-коды. Для создания профиля используют специальные приборы — калибраторы (колориметры), которые «измеряют» цвет с помощью трех датчиков, принимающих лучи в красном, зеленом и синем диапазонах. Современные форматы графических файлов (например, формат. PSDпрограммы AdobePhotoshop) вместе с кодами пикселей содержат и профиль монитора, на котором создавался рисунок. Для того, чтобы результат печати на принтере был максимально похож на изображение на мониторе, нужно (используя профиль монитора) определить «абсолютный» цвет (например, в модели Lab), который видел пользователь, а потом (используя профиль принтера) найти CMYK-код, который даст при печати наиболее близкий цвет.

Проблема состоит в том, что не все цвета RGB-модели могут быть напечатаны. В первую очередь это относится к ярким и насыщенным цветам. Например, ярко-красный цвет (R=255, G=B=0) нельзя напечатать, ближайший к нему цвет в модели CMYK (C=0, M=Y=255, K=0) при обратном переводе в RGB может дать значения в районе R=237, G=28, B=26. Поэтому при преобразовании ярких цветов в модель CMYK (и при печати ярких рисунков) они становятся тусклее. Это обязательно должны учитывать профессиональные дизайнеры.

Итак, при растровом кодировании рисунок разбивается на пиксели (дискретизируется). Для каждого пикселя определяется единый цвет, который чаще всего кодируется с помощью RGB-кода. На практике эти операции выполняет сканер (устройство для ввода изображений) и цифровой фотоаппарат.

Растровое кодирование имеет достоинства:

• · универсальный метод (можно закодировать любое изображение);
• · единственный метод для кодирования и обработки размытых изображений, не имеющих;
• · четких границ, например, фотографий.

Растровое кодирование имеет недостатки:

• · при дискретизации всегда есть потеря информации;
• · при изменении размеров изображения искажается цвет и форма объектов на рисунке, поскольку при увеличении размеров надо как-то восстановить недостающие пиксели, а при уменьшении — заменить несколько пикселей одним;
• · размер файла не зависит от сложности изображения, а определяется только разрешением и глубиной цвета;
• · как правило, растровые рисунки имеют большой объем.

Существует много разных форматов растровых рисунков. Чаще всего встречаются следующие:

Свойства рассмотренных форматов сведены в таблицу:

Таблица 3.

Вы уже знаете, что все виды информации хранятся в памяти компьютера в виде двоичных кодов, то есть цепочек из нулей и единиц. Получив такую цепочку, абсолютно невозможно сказать, что это — текст, рисунок, звук или видео. Например, код 11 001 000₂ может обозначать число 200, букву 'И', одну из составляющих цвета пикселя в режиме истинного цвета, номер цвета в палитре для рисунка с палитрой 256 цветов, цвета 8 пикселей черно-белого рисунка и т. п. Как же компьютер разбирается в двоичных данных? В первую очередь нужно ориентироваться на расширение имени файла. Например, чаще всего файлы с расширением .txt содержат текст, а файлы с расширениями .bmp, .gif, .jpg, .png — рисунки.

Однако расширение файла можно менять как угодно. Например, можно сделать так, что текстовый файл будет иметь расширение .bmp, а рисунок в формате JPEG — расширение .txt. Поэтому в начало всех файлов специальных форматов (кроме простого текста, .txt) записывается заголовок, по которому можно «узнать» тип файла и его характеристики. Например, файлы в формате BMP начинаются с символов «BM», а файлы в формате GIF — с символов «GIF». Кроме того, в заголовке указывается размер рисунка и его характеристики, например, количество цветов в палитре, способ сжатия и т. п.

Используя эту информацию, программа «расшифровывает» основную часть файла и выводит его на экран.