Евстюнин Григорий Анатольевич Петров Александр
advertisement
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ) ООО «Новые технологии лазерного термоупрочнения» Евстюнин Григорий Анатольевич Петров Александр Васильевич МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ «Обработка оптических изображений» Для студентов направления 200500.68 «Лазерная техника и лазерные технологии» Владимир 2014 Оглавление Введение. ........................................................................................................................................2 1. Компьютерная графика ..................................................................................................4 2. Зрительный аппарат человека........................................................................................6 3. Физические принципы формирования оттенков .......................................................13 4. Основы Колориметрии .................................................................................................15 5. Цветовые модели ..........................................................................................................21 6. Методы представления графической информации ...................................................31 7. Графические форматы данных ....................................................................................51 Рекомендуемая литература ......................................................................................................... 59 2 Введение. В данных методических указаниях приведены основные понятия колориметрии, особенности цветового восприятия человеческим глазом и методы представления графической информации с использованием компьютерной техники. В конце материала приведен список контрольных вопросов, требующих литературы, рекомендованной в рамках курса лекций. 3 изучения дополнительной 1. Компьютерная графика В нынешнем, устоявшемся состоянии принято разделять компьютерную графику на следующие направления: изобразительная компьютерная графика, обработка и анализ изображений, анализ сцен (перцептивная компьютерная графика), компьютерная графика для научных абстракций (когнитивная компьютерная графика - графика, способствующая познанию). Изобразительная компьютерная графика Объекты: синтезированные изображения. Задачи: построение модели объекта и генерация изображения, преобразование модели и изображения, идентификация объекта и получение требуемой информации. Обработка и анализ изображений Объекты: дискретное, числовое повышение качества изображения, представление фотографий. Задачи: оценка изображения - определение формы, местоположения, размеров и других параметров требуемых объектов, распознавание образов - выделение и классификация свойств объектов (обработка аэрокосмических снимков, ввод чертежей, системы навигации, обнаружения и наведения). Итак, в основе обработки и анализа изображений лежат методы представления, обработки и анализа изображений плюс, естественно, изобразительная компьютерная графика хотя бы для того, чтобы представить результаты. Анализ сцен Предмет: исследование абстрактных моделей графических объектов и взаимосвязей между ними. Объекты могут быть как синтезированными, так и выделенными на фотоснимках. Первый шаг в анализе сцены - выделение характерных особенностей, формирующих графический объект(ы). Примеры: машинное зрение (роботы), анализ рентгеновских снимков с выделением и отслеживанием интересующего объекта, например, сердца. 4 Итак, в основе анализа сцен (перцептивной компьютерной графики) находятся изобразительная графика + анализ изображений + специализированные средства. Когнитивная компьютерная графика Только формирующееся новое направление, пока недостаточно четко очерченное. Это компьютерная графика для научных абстракций, способствующая рождению нового научного знания. База - мощные ЭВМ и высокопроизводительные средства визуализации. Приложения компьютерной графики Как уже отмечалось, компьютерная графика стала основным средством взаимодействия человека с ЭВМ. Важнейшими сформировавшимися областями приложений являются: компьютерное моделирование, которое явилось исторически первым широким приложением компьютерной графики, истемы автоматизации научных исследований, системы автоматизации проектирования, системы автоматизации конструирования, системы автоматизации производства, автоматизированные системы управления технологическими процессами, бизнес, искусство, средства массовой информации, досуг. По телевидению часто можно видеть передачи иллюстрирующие приложения компьютерной графики в автоматизации проектирования (были передачи об автоматизированном проектировании самолетов, автомобилей), много передач об автоматизации производства с различными робототехническими системами. Передачи о мире бизнеса практически не обходятся без показа различной дисплейной техники и ее использования. Что касается искусства, то достаточно упомянуть, что один из самых крупных первых суперкомпьютерных центров мира находился на студии Уолта Диснея и использовался для подготовки мультфильмов. Всем известно, что многие "жутики" и боевики также готовились с широким использованием средств компьютерной графики для подготовки высокореалистичных сцен. 5 Применение компьютерной графики в средствах массовой информации мы видим ежедневно, как в виде различных заставок и телеэффектов на экране, так и в виде газет, при подготовке многих из которых используется электронная верстка на компьютере. С компьютерными играми, отнимающими не только время досуга, конечно же знаком каждый. Поэтому здесь мы рассмотрим, в основном, приложения компьютерной графики в компьютерном моделировании, а также немного познакомимся с самым новым приложением - системами виртуальной реальности. 2. Зрительный аппарат человека Системы отображения графической информации воздействуют на зрительный аппарат человека, поэтому с необходимостью должны учитывать как физические, так и психофизиологические особенности зрения. Устройство глаза На рис.1 показан поперечный размер глазного яблока человека. Свет попадает в глаз через роговицу и фокусируется хрусталиком на внутренний слой глаза, называемый сетчаткой. Сетчатка преобразует свет в импульсы в нервных волокнах и состоит из трех слоев клеток. Удивительно то, что светочувствительные клетки, известные как колбочки и палочки, формируют слой клеток в задней части сетчатки. Таким образом, свет должен вначале пройти два слоя клеток, прежде чем он воздействует на колбочки и палочки. Причины для такого обратного устройства сетчатки не полностью поняты, но одно из объяснений состоит в том, что расположение светочувствительных клеток в задней части сетчатки позволяет любому паразитному непоглощенному свету попасть на клетки находящиеся непосредственно позади сетчатки, которые содержат черный пигмент - меланин. Клетки, содержащие меланин, также помогают химически восстанавливать светочувствительный визуальный пигмент в колбочках и палочках после того, как они были отбелены на свету. Интересно отметить, что природа создала целый ряд конструкций глаза. При этом глаза у всех позвоночных похожи на глаза человека, а глаза у беспозвоночных либо сложные (фасеточные) как у насекомых, либо недоразвитые в виде световувствительного пятна. Только у осьминогов глаза устроены как у позвоночных, но светочувствительные клетки находятся непосредственно на внутренней поверхности глазного яблока, а не как у нас позади других слоев, занимающихся предварительной обработкой изображения. Поэтому, возможно, особого смысла в обратном расположении клеток в сетчатке нет. А это просто один из экспериментов природы. 6 Итак, внутренний слой сетчатки глаза содержит два типа светочувствительных рецепторов, занимающих область с раствором около 170 относительно зрительной оси: 100 млн. палочек (длинные и тонкие рецепторы ночного зрения), 6.5 млн. колбочек (короткие и толстые рецепторы дневного зрения). Рис. 1 Поперечный разрез глаза Информация от рецепторов передается в мозг по зрительному нерву, содержащему около 800 тысяч волокон. Колбочки и палочки содержат зрительные пигменты. Зрительные пигменты очень похожи на любые другие пигменты, в том, что они поглощают свет и степень поглощения зависит от длины волны. Важное свойство зрительных пигментов состоит в том, что когда зрительный пигмент поглощает фотон света, то изменяется форма молекулы и в то же самое время происходит 7 переизлучение света. Пигмент при этом изменился, измененная молекула поглощает свет менее хорошо чем прежде, т.е. как часто говорят, "отбеливается". Изменение формы молекулы и переизлучение энергии некоторым, пока еще не вполне ясным образом, инициируют светочувствительную клетку к выдаче сигнала. Информация от светочувствительных рецепторов (колбочек и палочек) передается другим типам клеток, которые соединены между собой. Специальные клетки передают информацию в зрительный нерв. Таким образом волокно зрительного нерва обслуживает несколько светочувствительных рецепторов, т.е. некоторая предварительная обработка изображения выполняется непосредственно в глазу, который по сути представляет собой выдвинутую вперед часть мозга. Область сетчатки, в которой волокна зрительного нерва собираются вместе и выходят из глаза, лишена светочувствительных рецепторов и называется слепым пятном. Радужная оболочка (см. рис. 1) действует как диафрагма, изменяя количество света, проходящего в глаз. Диаметр зрачка меняется от 2 мм (при ярком свете) до 8 мм (при малой освещенности). За сетчаткой находится сосудистая оболочка, которая содержит капилляры, снабжающие глаз кровью. Наружняя оболочка глаза - склера, состоит их плотных волокон. Чувствительность глаза При ярком свете чувствительность палочек мала, но при низких уровнях освещенности их чувствительность возрастает и обеспечивает нашу способность видеть при тусклом свете. Палочки содержат пигмент с максимальной чувствительностью на длине волны около 510 нм (точечная линия на рис. 2), в зеленой части спектра. Пигмент палочек часто называется зрительным пурпуром из-за его цвета. Максимальная плотность палочек приходится на область с раствором около 200 относительно оси. 8 Рис. 2: Спектральная чувствительность глаза Колбочек существует три типа отличающихся фоточувствительным пигментом. Колбочки обычно называют "синими", "зелеными" и "красными" в соответствии с наименованием цвета, для которого они оптимально чувствительны. Упомянутые три пигмента имеют максимальные поглощения приблизительно на 430, 530 и 560 нм. Этим длинам волн соответствует не синий, зеленый и красный цвета, а фиолетовый, сине-зеленый и желтозеленый. Более логичным было бы использование терминологиии корото-, средне -, длинноволновые колбочки. Максимальная плотность колбочек достигается в области с раствором порядка 80×60 относительно оси, называемой желтым пятном. В центре этой области (ямке) к каждой колбочке подходит отдельное волокно зрительного нерва. Это область максимальной остроты зрения. Суммарная кривая спектральной чувствительности глаза для случая яркого освещения, т.е. цветного зрения, показана на рис. 2 сплошной линией. Из этих графиков видно почему "ночью все кошки серы". В самом деле, например, отклик на красный цвет ( = 700 мкм) при низких уровнях освещения (точечная кривая на рис. 2) практически равен нулю. Поэтому красный цвет ночью будет выглядеть черным. В силу того, что коэффициент преломления в радужке и хрусталике растет с увеличением частоты света, глаз не избавлен от хроматической аберрации. Т.е. если изображение сфокусировано для одной из частот, то на других частотах изображение расфокуировано. Хрусталик оптимально фокусирует на сетчатке свет с длиной волны около 560 нм. Так как пики чувствительности средне- длинноволновых колбочек (530 и 560 нм, соответственно) близки к друг к другу, поэтому изображения для этих колбочек могут быть одновременно сфокусированными. Изображение же для коротковолновых палочек будет размытым. Так степень фокусировки разная, 9 то не требуется одинаковой разрешаютей способности глаза для разных типов колбочек. В глазу человека на одну коротковолновую колбочку приходится 20 средне- и 40 длинноволновых. В этой связи понятно, почему ширина полосы пропускания для "холодных", коротковолновых цветов в телевидении может быть выбрана существенно меньшей без субъективно заметной потери верности воспроизведения. Зрительное восприятие излучения. Яркость и светлота. Как уже отмечалось ранее, при действии света на глаз возникает раздражение сетчатки. От сетчатки возбуждение передается в зрительный нерв и далее в мозг, вызывая ощущение света. Свойство зрительного ощущения, согласно которому предметы кажутся испускающими больше или меньше света, называется светлотой. Как мы уже знаем, на сетчатку попадают только определенные доли всей световой энергии, испускаемой предметами в окружающее пространство. Они выражаются величинами яркостей. Таким образом, интенсивность светового раздражения определяется величинами яркостей, а интенсивность светового ощущения — величинами светлот. Чем больше яркость, тем больше светлота. Поэтому можно сказать, что светлота есть мера ощущения яркости. В повседневной жизни между понятиями яркости и светлоты часто не делают отчетливого различия, но при изучении зрительного восприятия света их необходимо четко различать. Яркость — объективная величина, ее можно измерить соответствующим прибором. Светлота — величина субъективная, как и все ощущения. Цветовой тон и насыщенность. Вторым параметром, характеризующем зрительное восприятие излучения, является цвет. Если мы возьмем ряд спектральных цветов и перечислим их по порядку, то получим следующий ряд: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Свойство зрительного ощущения, обозначаемое этими словами, называют цветовым тоном. Перечисленные выше названия цветовых тонов сложились исторически до того, как начали изучать и систематизировать цвета. Они условны и недостаточно точно определены. Из спектра можно выделить значительно больше различающихся по цветовому тону излучений. Например: красно– оранжевый, оранжево–желтый, желто–зеленый, сине–зеленый, сине– фиолетовый. Для определенности обозначения цветового тона указывают длину волны. Исключение составляет только один тон, которого нет в спектре, а именно пурпурный. Пурпурный цвет получается смешением крайних спектральных цветов — фиолетового и красного. Цветовой тон 10 пурпурных цветов указывается длинами волн излучений зеленых цветов, дополнительных к данным пурпурным. Если взять излучение какого–нибудь цветового тона и смешать его с белым в различных пропорциях, то мы получим новые различные цвета. Однако, все они будут одного цветового тона. Их отличие принято характеризовать чистотой цвета, т.е. отношением яркости спектрального излучения к яркости смеси. Чистота цвета является объективной величиной, т.к. она выражается через объективные величины яркостей. Свойство зрительного восприятия, позволяющее оценивать пропорцию чистого хроматического цвета в полном цветовом ощущении, называется насыщенностью цвета. Подобно тому как ощущение яркости мы называем светлотой, насыщенность цвета можно считать ощущением его чистоты. Также как и в случае со светлотой, человеческий глаз различает ограниченное количество цветов. Результаты соответствующих исследований приведены в таблице ниже. Величины пороговых разностей для длин волн и количества спектральных цветов, различающихся по цветовому тону. Средняя величина пороговой разности длин волн на участках пор.ср., нм Границы Величины участков длин участков длин волн в спектре , волн , нм нм Число цветов, различающихся по цветовому тону на данном участке n=/пор.ср. 700 — — 1 700—678 22 22 1 678—665 13 13 1 665—659 6 6 1 659.0—649.5 9.5 5.17 1.8 649.5—620.0 29.5 3.09 9.6 620.0—595.9 24.1 2.08 11.6 595.9—575.2 20.7 1.23 17 575.2—549.1 26.1 2.04 12.8 549.1—521.4 27.7 3.04 9 521.4—505.4 16 2 8 11 505.4—483.2 22.2 1.25 17.8 483.2—475.0 8.2 1.6 5.1 475.0—427.0 48 2.07 23.2 427.0—405.8 21.2 3.05 7 Число цветов, различающихся по цветовому тону в целом по всему спектру: 130 Мы видим, что в общей сложности человеческий глаз может различить 130 спектральных цветов, обычно к этой цифре добавляют еще 20 пурпурных тонов. Таким образом, можно считать, что глаз в состоянии различать не более 150 цветовых тонов. Если в смеси белого цвета с данным спектральным цветом изменять соотношение их количеств, т.е. чистоту цвета смеси, поддерживая яркость смеси постоянной, то можно определить минимальные разности чистоты, различаемые глазом. При данном спектральном цвете и постоянной яркости эти величины будут разностями по насыщенности. Рис.3. Число пороговых различий чистоты цвета (числа ступеней насыщенности между белым и чистым спектральным) в зависимости от цветового тона (длины волны). 12 Из графика видно, что минимальные числа ступеней насыщенности (около 4) наблюдаются для желтых цветов, максимальное — для красных (около 25) и синих (около 22). Общее число цветов. Из приведенных данных видно, что число цветов, которые может "видеть" глаз, не является бесконечно большим, хотя число возможных спектральных составов излучений, действующих на глаз и вызывающих ощущение цвета, бесконечно. Числа порогов показывают, сколько цветов можно видеть, изменяя одну из трех указанных выше характеристик излучения. Но по ним можно рассчитать число цветов, которые можно видеть при одновременном изменении всех трех характеристик во всех их комбинациях, т.е. вообще возможное число цветов. Произведя подсчет мы получим около 210000 возможных цветов. Но такой расчет весьма не точен и недостаточно строг. Вспомним, что при малых яркостях число ступеней цветового тона и насыщенности значительно меньше, чем при некотором оптимальном уровне яркостей. При яркостях меньше 1нт мы вообще не различаем цветностей, а различаем излучения только по светлоте. Кроме того, ступени светлоты были определены для белого света при определенном уровне адаптации глаза. Произведя коррекцию наших расчетов мы получим, что общее число различаемых глазом цветов равно, примерно, одному или нескольким десяткам тысяч. 3. Физические принципы формирования оттенков В компьютерной графике имеется два типа цветных объектов самосветящиеся, излучающие объекты, такие как экраны ЭЛТ, плазменные панели, матрицы светодиодов и т.п. и несамосветящиеся объекты, отражающие или преломляющие падающий на них свет, такие как, например, оттиски на бумаге, светофильтры и т.п. Для самосветящихся объектов используется аддитивное формирование оттенков, когда требуемый цвет формируется за счет смешения трех основных оттенков цветов. В этом случае удобно использование модели смешения RGB (Red, Green, Blue - красный, зеленый, синий). Для несамосветящихся объектов используется субтрактивное формирование оттенков, основанное на вычитании из падающего света определенных длин волн. В этом случае удобно использование модели смешения CMY (Cyan, Magenta, Yellow - голубой, пурпурный, желтый). 13 Эти модели смешения показаны на рис.4. На рис. 4а показаны результаты смешения цветов в аддитивной модели для трех самосветящихся площадок чистых цветов (красного, зеленого и синего) и результаты их смешения площадки 1-4. На рис. 4б показаны результаты смешения цветов в субтрактивной модели для трех несамосветящихся площадок чистых цветов (голубого, пурпурного и желтого) и результаты их смешения - площадки 5-8. Рис. 4 Модели смешения цветов Цвета одной модели являются дополнительными к цветам другой модели. Дополнительный цвет - цвет, дополняющий данный до белого. Дополнительный для красного - голубой (зеленый+синий), дополнительный для зеленого - пурпурный (красный+синий), дополнительный для синего желтый (красный+зеленый) и т.д. Пример субтрактивного формирования оттенков показан на рис. 5. При освещении падающим белым светом в слое голубой краски из спектра белого цвета поглощается красная часть, затем из оставшегося света в слое пурпурной краски поглощается зеленая часть спектра, отраженный от поверхности бумаги свет еще раз подвергается поглощению и в результате мы видим синий цвет. 14 Рис. 5 Цвет несамосветящегося объекта 4. Основы Колориметрии В колориметрии любой цвет выражается тремя числами цветовых координат. Числа координат представляют собой количества, в которых необходимо смешать три основные цвета, чтобы получить данный цвет. Существует множество различных триад основных цветов. Принципиальное требование, которому должны удовлетворять три основные цвета, состоит в том, что ни один из них не должен получаться смешением двух других. Иными словами, основные цвета дорлжны быть независимыми друг от друга. Естественно, что цветовые координаты одного и того же цвета относительно разных основных триад различны. Основные цвета бывают реальными и нереальными. Реальные цвета можно получить практически, действуя на глаз излучениями определенных спектральных составов. Нереальные цвета практически получить нельзя, т.к. не существует излучений, которые вызывали бы ощущения таких цветов при нормальных условиях зрения. Но характеристику любого нереального цвета (цветовой тон, чистота, яркость) можно вычислить, если представить его как комбинацию реальных цветов. Примером трех нереальных основных цветов являются физиологические цвета К, З и С, т.е. цвета основных возбуждений. Если в качестве основных цветов используются физиологические цвета К, З и С, то цветовыми координатами являются уровни основных возбуждений. Они вычисляются по спектральным составам излучений и спектральным чувствительностям трех приемников глаза. Однако практически цвета К, З и С в качестве основных не используются. Непосредственное измерение спектральных чувствительностей КЗС– приемников глаза невозможно. Ниже представленные кривые получены косвенным опытно–расчетным методом, точность которого считается недостаточной. 15 Поэтому для колориметрического выражения цветов используют обходной путь, в котором принцип выражения цветов величинами возбуждений КЗС– приемников сохраняется, но практически пользуются другими тремя величинами координат — RGB. Эти новые три величины вполне определенно связаны с величинами основных возбуждений и могут быть определены опытным путем очень точно. Процедура их определения достаточно проста, и заключается в визуальном сравнении некоторого измеряемого цвета и регулируемой смеси трех основных цветов RGB. Уравняв эти цвета, мы можем утверждать, что величины возбуждений КЗС–приемников от действия излучения как измеряемого цвета, так и излучения смеси основных цветов RGB — одинаковы, т.к. одинаковы их цвета. Самих величин возбуждений в этом случае мы не знаем. Но мы знаем, что они возникают от действия излучений с цветами R, G и B, откуда следует, что цвета R, G и B представляют собой смеси цветов К, З и B. В идеальном случае было бы желательно, чтобы каждый из цветов R, G и B соответствовал одному из цветов К, З и С. Но это неосуществимо, т.к. цвета R, G и B — реальные цвета, а ни одно реальное излучение не может действовать только на один из трех приемников, вызывая чистые ощущения цветов К, З и С . При выборе трех реальных излучений стремятся все же к тому, чтобы каждое из них действовало преимущественно на один из типов приемников. Обычно берут следующую триаду: 16 R = 700нм, G = 546.1нм, B = 435.8нм. Две последние величины особенно удачны с точки зрения их практической реализации, т.к. они соответствуют мощным спектральным линиям в спектре паров ртути. Проведение исходных колориметрических опытов связано с большими трудностями. Это объясняется, в частности, тем, что характеристики цветового зрения различных людей не совпадают. Чтобы данные исходных опытов были применимы для большинства людей, необходимо подобрать наблюдателей с нормальным цветовым зрением, а данные, полученные для многих наблюдателей, усреднить. Для получения надежных данных в этих опытах необходима довольно сложная специальная аппаратура. Поэтому исходные колориметрические опыты за всю историю проводились считанное число раз. В настоящее время мы используем данные, полученные в 1931г. в двух опытах, которые были выполнены Райтом (США) и Гилдом (Англия). Эти опыты проводились с разными основными цветами и на различной аппаратуре для десяти наблюдателей у Райта и семи у Гилда. Но их результаты, пересчитанные на основные цвета RGB, очень хорошо совпали. Поэтому они были приняты в качестве исходных данных для международной системы измерения цветов. В 1959г. были предложены новые данные по определению удельных координат цвета. Они получены в опытах, проводившихся по новому методу в СССР (Сперанской) и в Англии (Стайлсом и Берчем), и должны обеспечить лучшее соответствие между цветовыми координатами, измеренными непосредственно и вычисленными по спектральным составам. При опытной проверке оказалось, что расхождения в результатах, получаемых с использованием старых и новых данных, малы. Поэтому данные опытов 1931г. снова рекомендованы как основные, а данные опытов 1959г. — как дополнительные к ним. Кривые смешения по международной системе RGB приведены на графике ниже. Если яркость какого–либо из основных единичных цветов принять за единицу, например цвета R,то относительные яркости основных единичных цветов R, G и B, называемые также яркостными коэффициентами и обозначаемые LR, LG и LB, определяются из соотношения: LR : LG : LB = 1 : 4,59 : 0,06. Ниже представлены цветовой треугольник RGB и кривые смешения цветов R, G и B. 17 Вычисления цветовых координат состоит в перемножении удельных координат на лучистые яркости и суммировании полученных произведений. Такие вычисления, особенно для излучений сложного спектрального состава, 18 длительны и трудоемки. Сложность вычислений зависит от выбора основных цветов. Чтобы упростить цветовые расчеты, была создана система XYZ, основанная на несуществующих реально цветах: X, Y и Z. Эта система рассчитана на основе тех же опытных данных, которые использованы для системы RGB. В настоящее время система XYZ получила всеобщее международное признание. Рассчитывая координаты цветов в системе RGB, нетрудно убедиться в том, что операции с отрицательными и положительными координатами вносят ряд неудобств. Система XYZ позволяет упростить вычисления цветовых координат и яркостей. Из рисунка видно, что отрицательные координаты можно исключить, если в качестве основных цветов вместо R, G и B взять другие цвета — X, Y и Z, которые должны быть выбраны так, чтобы вся область реальных цветов, в том числе и основные R, G и B, вписывались в треугольник XYZ. Очевидно, что сами эти цвета реально не существуют, т.к. их точки находятся за пределами линии спектральных цветов. Таким образом, цветности новых основных цветов X, Y и Z были выбраны из условия исключения отрицательных координат. Мы знаем, что основные цвета должны быть определены также по относительным яркостям, т.е. должны быть определены единичные цвета. Для упрощения расчетов было принято, что яркости двух основных цветов — X и Z — равны нулю. Тогда 19 яркости цветов, получаемых смешением X, Y и Z, будут совпадать с яркостью цвета Y. Физически нельзя получить и даже представить себе цвета с нулевой яркостью, но в колориметрических расчетах мы совершенно свободно можем отделять яркость цвета от его цветности, т.к. эти характеристики независимы друг от друга. Как и в системе RGB, смесь равных количеств цветов X, Y и Z дает белый цвет. Очевидно, что колориметрические опыты с нереальными цветами выполнить нельзя. Система XYZ расчитана по системе RGB и, следовательно, основана на тех же колориметрических опытах с реальными цветами, на которых основана система RGB. Соотношения между цветами X, Y и Z и цветами R, G и B выражаются следующей системой уравнений: X 0.418 –0.091 0.001 R Y = –0.158 0.252 –0.003 × G Z –0.083 0.016 0.179 B По этой системе можно определить зависимость между координатами цветов в системах XYZ и RGB, которая имеет следующий вид: x' 2.769 1.752 1.130 r' y' = 1.000 4.591 0.060 × g' z' 0.000 0.057 5.594 b' Также можно определить удельные координаты x, y и z. Графики зависимости x, y и z от (кривые смешения цветов) представлены ниже: 20 Величины удельной координыты y равны видностям V. Поэтому яркость света в системе XYZ определяется величиной координаты y'. 5. Цветовые модели Назначение цветовой модели - дать средства описания цвета в пределах некоторого цветового охвата, в том числе и для выполнения интерполяции цветов. Наиболее часто в компьютерной графике используются модели RGB, CMY, YIQ, HSB, HSV и HLS. RGB (Red, Green, Blue - красный, зеленый, синий) - аппаратноориентированная модель, используемая в дисплеях для аддитивного формирования оттенков самосветящихся объектов (пикселов экрана). Система координат RGB - куб с началом отсчета (0,0,0), соответствующим черному цвету (см. рис. 6). Максимальное значение RGB - (1,1,1) соответствует белому цвету. Рис. 6: Цветовой куб модели RGB В компьютерной технике эта цветовая модель используется для создания цветов изображения на экране монитора путем пропускания электронного луча через красный, зеленый и синий люминофоры. Причем для получения каждого основного цвета используется своя электронная пушка. Величины цветовых параметров R, G и B изменяются в пределах 0 - 255. Так, если послать на монитор цветовой сигнал R255,G0,B255 (интенсивность красного - 255, зеленого - 0 и синего - 255), то на любом хорошо откалиброванном мониторе теоретически должен появиться один и тот же цвет (в данном случае, пурпурный). Для задания RGB цвета используется двумерное представление трехмерного цветового пространства в виде селектора цветов (color picker). 21 CMY (Cyan, Magenta, Yellow - голубой, пурпурный, желтый) - аппаратноориентированная модель, используемая в полиграфии для субтрактивного формирования оттенков, основанного на вычитании слоем краски части падающего светового потока. Цвета модели CMY являются дополнительными к цветам модели RGB, т.е. дополняющими их до белого. Таким образом система координат CMY - тот же куб, что и для RGB, но с началом отсчета в точке с RGB координатами (1,1,1), соответствующей белому цвету. Цветовой куб модели CMY показан на рис. 7. Рис. 7: Цветовой куб модели CMY Преобразования между пространствами RGB и CMY определяются следующим образом: [RGB] = [111] - [CMY] Причем единичный вектор-строка в модели RGB - представление белого цвета, а в модели CMY - черного. Эта цветовая модель используется в том случае, если изображение или рисунок будут выводиться на трехцветном принтере. Эта модель используется, также, при печати цветных изображений с помощью 22 четырехкрасочного процесса (process colors) с цветоделением (color separations). В ее основе лежит использование трех субтрактивных (subtract) цветов: Cyan (голубого), Magenta (пурпурного) и Yellow (желтого), которые называются вторичными. Такие цвета в отличии от аддитивных (additive) цветов получаются вычитанием другого цвета из общего луча света. В этой системе белый цвет появляется как результат отсутствия всех цветов, тогда как их присутствие дает черный цвет. Система субтрактивных цветов работает с отраженным светом, например от листа бумаги. Иногда в качестве синонима термина субтрактивная используют термин исключающая. Происхождение этого названия связано с тем фактом, что при добавлении красителей интенсивность отраженного света уменьшается, поскольку свет поглощается тем больше, чем больше красителя нанесено на поверхность. При смешивании трех основных субтрактивных цветов на белой бумаге в равной пропорции должен получаться черный цвет. Однако, в действительности этот цвет выглядит темно-коричневым, потому что типографские краски поглощают свет не полностью. Каждый из основных цветов CMY цветовой модели допускает 255 градаций яркости, что соответствует 24-битовой глубине (color depth). CMY цветовая модель является аппаратно зависимой. Это означает, что воспроизведение цветов зависит от характеристик монитора, компьютера или принтера, которые используются для вывода этого изображения. Поэтому в этой ситуации важно предварительно калибровать оборудование. Для этого используются так называемые цветовые профили (profiles), формируемые для каждого типа оборудования. YIQ - аппаратно-ориентированная модель, используемая в телевидении и служащая для сокращения передаваемой полосы частот за счет использования психофизиологических особенностей зрения. Преобразования между пространствами RGB и YIQ определяются соотношениями (1) и (2). Y 0.299 0.587 0.114 R 0.596 -0.274 -0.322 G Q 0.211 -0.522 0.311 B R 1.0 0.956 0.623 Y 1.0 -0.272 -0.648 I 1.0 -1.105 0.705 Q I G B = = 23 (1) (2) Модель YIQ используется в телевизионных передающих системах, поддерживающих североамериканский стандарт NTSC. Каждый цвет в ней задается с помощью установки значений трех параметров: Y - интенсивности (luminance,) и двух цветностей I и Q, позволяющих совместно управлять созданием цвета с помощью зеленого, синего, желтого и пурпурного цветов. Так установка минимальных значений I и Q (0, 0) приводит к получению зеленого цвета, а установка их максимальных значений (255,255) дает пурпурный цвет. Каждая из компонент YIQ модели может изменяться в диапазоне от 0 до 255. В случае использования монохромного дисплея на экране будет отображен только компонента Y. Преобразование 24-битного RGB (RGB color model) изображения в цветовую модель YIQ подготавливает изображения для вывода на экран телевизора. При этом устраняется чрезмерная насыщенность изображений и обеспечивается непрерывность изображений при телевизионной трансляции. Модель HSB (Hue - оттенок, Saturation - насыщенность, Brightness - яркость) является вариантом модели RGB и также базируется на использовании базовых цветов. Из всех используемых в настоящее время моделей эта модель наиболее точно соответствует способу восприятия цвета человеческим глазом. Она позволяет описывать цвета интуитивно ясным способом. В HSB модели все цвета определяются с помощью комбинации трех базовых параметров. Оттенок (Н) - это длина световой волны, отраженной или прошедшей через объект. Обычно для описания оттенка (в некоторых источниках используется термин цветовой тон) используется название цвета, например: красный, оранжевый или зеленый. Каждый оттенок занимает определенное положение на периферии цветового круга и характеризуется величиной угла в диапазоне от 0 (наверху цветового круга) до 360 градусов. По периферии цветового круга расположены шесть цветов: желтый (Yellow), красный (Red), пурпурный (Magenta), синий (Blue), голубой (Cyan) и зеленый (Green). Так, значение 90 градусов задает оттенок красного цвета, а 180 градусов - пурпурного цвета. Насыщенность (S) описывает степень чистоты цвета. Насыщенность позволяет оценить, насколько "глубоким" и "чистым" является данный цвет, то есть насколько он отличается от ахроматического. Она определяет соотношение серого цвета и данного оттенка и выражается в процентах от 0% (серый) до 100% (полностью насыщенный). По мере перемещения поперек цветового круга (в отличии от движения по окружности), уменьшается доля цвета, от которого вы удаляетесь, и возрастает доля цвета, к которому вы приближаетесь. По мере приближения к центру цветового круга цвет приближается к серому (разбеливается), поскольку при этом все базовые цвета смешиваются в равной пропорции. При величине параметра Насыщенность (S) равной 0 получается оттенок серого цвета (от белого до черного в зависимости от значения параметра Яркость (B)). В некоторых источниках для этого параметра используется термин контрастность. Яркость (B) характеризует относительную освещенность или затемненность цвета (интенсивность 24 цвета), поэтому она измеряется в процентах в диапазоне от 0% (черный) до 100% (белый. При увеличении яркости цвет становится более светлым (белым). Компонента Яркость является нелинейной, что близко соответствует нашему восприятию светлых и темных цветов. В некоторых случаях модель HSB представляется в форме HSL (Hueоттенок, Saturation- насыщенность и Luma - светимость) или HSV (Hueоттенок, Saturationнасыщенность, Value величина). Преимущество этой модели по сравнению с моделью RGB состоит в том, что она дает возможность заранее представить цвет по цветовым параметрам этой модели и позволяет легче задать цвет и выполнить плавную его коррекцию. В рамках модели RGB трудно представить, какой цвет получится при заданных цветовых параметрам. HSV (Hue, Saturation, Value - цветовой тон, насыщенность, количество света или светлота) - модель, ориентированная на человека и обеспечивающая возможность явного задания требуемого оттенка цвета (см. рис. 8). Подпространство, определяемое данной моделью - перевернутый шестигранный конус. По вертикальной оси конуса задается V - светлота, меняющаяся от 0 до 1. Значению V = 0 соответствует вершина конуса, значению V = 1 - основание конуса; цвета при этом наиболее интенсивны. Цветовой тон H задается углом, отсчитываемым вокруг вертикальной оси. В частности, 0 - красный, 60 - желтый, 120 - зеленый, 180 - голубой, 240 синий, 300 - пурпурный, т.е. дополнительные цвета расположены друг против друга (отличаются на 180 ). Насыщенность S определяет насколько близок цвет к "чистому" пигменту и меняется от 0 на вертикальной оси V до 1 на боковых гранях шестигранного конуса. Точка V = 0, в которой находится вершина конуса, соответствует черному цвету. Значение S при этом может быть любым в диапазоне 0-1. Точка с координатами V = 1, S = 0 - центр основания конуса соответствует белому цвету. Промежуточные значения координаты V при S=0, т.е. на оси конуса, соответствуют серым цветам. Если S = 0, то значение оттенка H считается неопределенным. 25 Рис. 8: Цветовая модель HSV HLS (Hue, Lightness, Saturation - цветовой тон, светлота, насыщенность) модель ориентированная на человека и обеспечивающая возможность явного задания требуемого оттенка цвета (см. рис. 9). Эта модель образует подпространство, представляющее собой двойной конус, в котором черный цвет задается вершиной нижнего конуса и соответствует значению L = 0, белый цвет максимальной интенсивности задается вершиной верхнего конуса и соответствaует значению L = 1. Максимально интенсивные цветовые тона соответствуют основанию конусов с L = 0.5, что не совсем удобно. Цветовой тон H, аналогично системе HSV, задается углом поворота. Насыщенность S меняется в пределах от 0 до 1 и задается расстоянием от вертикальной оси L до боковой поверхности конуса. Т.е. максимально насыщенные цветовые цвета располагаются при L=0.5, S=1. Рис. 9 Цветовая модель HLS 26 Модель HLS (Hue - оттенок , Lightness - осветление , Saturation насыщенность) представляет из себя вариант модели HSB (HSB color model). В этих моделях цветовые параметры Оттенок и Насыщенность являются общими. Различие состоит в замене нелинейного компонента Brightness (яркость) на линейный компонент Lightness (интенсивность), который изменяется в диапазоне от 0 до 100 процентов. Эта модель также альтернативна модели RGB (RGB color model). Модель L*a*b призвана разрешить проблему универсального подхода к репродуцированию цвета, связанную с использованием различных типов мониторов и устройств печати. Эта модель является аппаратно-независимой, то есть с ее помощью одни и те же цвета отображаются независимо от особенностей устройства (монитора или принтера), которое используется для вывода изображений. Цветовой диапазон этой модели перекрывает цветовые диапазоны RGB (RGB color model) и CMYK (CMYK color model) моделей. В рамках модели L*a*b любой цвет определяется набором из трех параметров: L - светимость (luminosity), a - цветность (хроматичность) от зеленого до красного цвета (green/magenta) и b - цветность от синего до желтого цвета (blue/yellow). Модель L*a*b получена нелинейным преобразованием модели XYZ, предложенной международной комиссией по освещению CIE (Commission Internationale de l’Eclairage). Для устранения влияния освещения на процесс коррекции цвета изображений модель CIEXYZ преобразуется в модель xyz, в которой один параметр z определяет интенсивность освещения, а два другие параметра определяют цвет (параметры хроматичности). Эта модель чаще представляется в виде x = X/(X+Y+Z), y = Y/(X+Y+Z), z = Z/(X+Y+Z). Параметр x представляет хроматичность красный/зеленый (red/green), а параметр y представляет хроматичность желтый / синий (yellow/blue). Недостатком модели XYZ является неоднородность погрешности наблюдения цвета в различных участках цветового диапазона. Параметры модели L*a*b рассчитываются с помощью нелинейных преобразований параметров модели XYZ таким образом, чтобы обеспечить однородность ошибки наблюдения цветовых параметров. Цветовым диапазоном называется пространство цветов, которые могут восприниматься или воспроизводиться наблюдателем, приемным устройством или устройством вывода. При работе с воспроизводящими системами необходимо помнить о различиях в цветовых и динамических 27 диапазонах человеческого зрения и в диапазонах используемых устройств. Пространства цветов для различных цветовых моделей перекрываются. На цветовой диаграмме показаны цветовые диапазоны для различных цветовых моделей по сравнению с диапазоном видимого света. Цветовой диапазон модели XYZ охватывает весь видимый спектр (цифры показывают длину волны в нанометрах). Точка D65показывает положение белого цвета для температуры 6500K. Прямая линия, соединяющая цвета с длинами волн 400 и 700 нанометров представляет пурпурный цвет. Эта диаграмма цветности называется локусом. Диаграмма цветности используется для сравнения цветовых охватов различных воспроизводящих устройств. Цветовой охват отображается на диаграмме цветности областью, охватывающей все цвета, которые могут быть воспроизведены с помощью того или иного процесса (печати, на экране монитора и т. д.). Генерация цвета в мониторах основана на принципе аддитивного синтеза тремя основными цветами, поэтому такой цветовой охват изображается в виде треугольника. При субтрактивном синтезе (печать красками, чернилами, красителями и т. д.), цветовой охват изображается в форме шестиугольника, образованного соответствующими триадными красками (желтой, пурпурной и голубой), и точками, соответствующими цвету парных наложений: желтая с голубой дают зеленую, желтая с пурпурной дают красную, и голубая с пурпурной дают синюю. 28 Цветовой круг Каждый цвет (color) занимает определенное положение на стандартном цветовом круге и характеризуется величиной угла в диапазоне от нуля до 360-ти градусов. На круговой диаграмме цветов (на цветовом круге), показаны первичные (primaries) и вторичные (secondaries) цвета и величина угла, измеряемого в градусах, соответствующего каждому цвету. Эти значения и используются для обозначения цветового тона. Чистый красный цвет имеет значение 0 градусов. Если, например, значение цветового параметра H в цветовой модели HSB (HSB color model) равно 120 градусов, то это означает зеленый цвет. На цветовом круге первичные цвета расположены на равном угловом расстоянии друг от друга. Вторичные цвета находятся между первичными. Таким образом, первичные и вторичные цвета расположены под углами 60 градусов. Каждый цвет расположен напротив дополняющего его (комплементарного) цвета; при этом он находится между цветами, с помощью которых он получен. Например, сложение желтого и голубого цветов дает зеленый. Таким образом, на цветовом круге зеленый цвет должен располагаться между желтым и голубым. Чтобы усилить в изображении какой-либо цвет, нужно ослабить дополняющий его цвет (расположенный напротив него на цветовом круге). Например, чтобы изменить общее цветовое содержание изображения в сторону зеленого цвета, следует снизить в нем содержание пурпурного цвета. Хотя оранжевый или фиолетовый не являются первичными или вторичными цветами (они представляются комбинацией первичного и вторичного цветов), они показаны на круговой диаграмме цветов, чтобы проиллюстрировать их положение относительно других цветов. Нужно отметить, что пурпурный цвет в спектре не присутствует. Для получения ощущения пурпурного цвета глаз должен воспринять излучения синей и красной составляющих и для этого цвета невозможно подобрать соответствующее монохромное излучение (то есть излучение, в спектре которых присутствуют волны только одной длины), что можно сделать для всех остальных цветов. Пурпурный цвет в науке обычно обозначают не суммой двух излучений, а длиной волны дополнительного ему монохромного голубого цвета. 29 Поскольку полный набор цветов для 24-х битного цвета включает дробные величины оттенка, то перевод цвета из модели HSB в модель RGB иногда дает неточные результаты. Задание цветов Растровые дисплеи, как правило, используют аппаратно-ориентированную модель цветов RGB. В наиболее распространенных растровых дисплеях - дисплеях с таблицей цветности значения кодов пикселов, заносимые в видеопамять, представляют собой индексы элементов таблицы цветности. При необходимости отображения некоторого пиксела на экран по его значению выбирается элемент таблицы цветности, содержащий тройку значений - RGB. Эта тройка и передается на монитор для задания цвета пиксела на экране. В полноцветных дисплеях для каждого пиксела в видеопамять заносится тройка значений RGB. В этом случае при необходимости отображения пиксела из видеопамяти непосредственно выбирается тройка значений RGB, которая и передается на монитор (но может и передаваться в таблицу цветности). В модели RGB легко задавать яркости для одного из основных цветов, но по крайней мере затруднительно задать оттенок с требуемым цветовым тоном и насыщенностью. В различного рода графических редакторах эта задача обычно решается с помощью интерактивного выбора из палитры цветов и формированием цветов в палитре путем подбора значений RGB до получения требуемого визуального результата. Более удобно в этом случае использовать модели HVS или HLS, позволяющие непосредственно задать требуемый оттенок. Конечно, при занесении данных в таблицу цветности или для полноцветных дисплеев - в видеопамять требуется перевод в значений в систему RGB. 30 6. Методы представления графической информации Черно-белые кинескопы Наиболее просто устроена черно-белая электронно-лучевая трубка (рис. 10a). Нагретый катод испускает электроны, которые проходят через модулятор, управляющий яркостью и фокусируются фокусирующими электродами, так, чтобы пятно на экране было порядка 0.1 - 0.3 мм. Далее электронный пучок отклоняется отклоняющей системой. Для черно-белых трубок дисплеев обычно используется электромагнитное отклонение с помощью катушек, надетых на горловину кинескопа, но используется и электростатическое отклонение с помощью отклоняющих пластин, как это показано на рис.10.б Отклоненный пучок попадает на внутреннюю поверхность колбы, покрытую сплошным слоем люминофора, и вызывает его свечение. Ускоряющее напряжение для таких кинескопов 10 Кв, ток пучка 10 мка. При диаметре пятна 0.25 мм выделяемая мощность 150 Вт/см2 (электроплитка 7 Вт/см2). Пространственное разрешение таких ЭЛТ определяется диаметром пятна и составляет 3-10 точек/мм (85-250 точек/дюйм). Адресное разрешение определяется уже схемотехническими решениями разработчиков дисплея и составляет для пользователей обычно 1024 пиксела по горизонтали (10 разрядов). Для уменьшения эффектов ступенчатости внутри цифровых систем разверток векторных дисплеев используется 11 или 12 разрядов. б) Электростатическая отклоняющая система Рис. 10: Устройство черно-белого кинескопа Цветные кинескопы Устройство цветных кинескопов подобно устройству черно-белых с тем отличием, что обязательно имеется три типа люминофора для красного, зеленого и синего цветов, а также средств для формирования и управления тремя отдельными электронными лучами (в некоторых, скорее 31 экспериментальных электронный луч). цветных кинескопах используется единственный Первый цветной масочный кинескоп с тремя отдельными электронными пушками, установленными друг относительно друга под 120 был разработан в США в 1950 г (кинескоп с дельта-образным расположением пушек). На следующих рисунках иллюстрируется устройство такого кинескопа. Основные параметры таких кинескопов следующие: Uанода 2025 Кв, I 1.52 ма диаметр пятна 0.25 мм P 2000 Вт/см2. Рис.11. Схема формирования отдельных цветов в масочном кинескопе Основными проблемами цветных масочных кинескопов, определившими необходимость разработки альтернативных конструкций кинескопов, являются следующие: большие напряжения и токи, малая яркость (на экран из-за маски попадает 20% электронов), малый срок службы, недостаточно высокая чистота цвета - однородность свечения экрана по каждому цвету в отдельности, статическое сведение лучей, динамическое сведение лучей, 32 статический и динамический балансы белого. Для компенсации такого рода недостатков используются кинескопы с планарным расположением пушек (кинескопом со штриховым люминофором, или кинескопом с щелевой маской (PIL - Precision In Line).) трехлучевой тринитрон трехлучевой хроматрон Однолучевой хроматрон Индексный кинескоп обеспечивает наиболее точное управление лучом На внутреннюю поверхность экрана колбы нанесены вертикальные полоски триад люминофора, разделенные индексными полосками, излучающими в ультрафиолетовом диапазоне внутрь колбы. Излучение принимается датчиком. Таким образом точно известно положение луча по горизонтали. В зависимости от положения луча его ток модулируется напряжением для красного, зеленого или синего цветов (UR, UG или UB). Недостатки индексного кинескопа следующие: сложность поэлементной коммутации цветов, высокая линейность строчной развертки, более низкие яркость, контрастность, четкость Разрешение мониторов Число строк на мониторе с растровым сканированием зависит от расстояния наблюдения и остроты зрения человека. Для получения хорошего качества и меньшего утомления глаза человека число строк должно быть таким, чтобы при наблюдении с выбранного расстояния отдельные строки не были различимы. Пусть с расстояния L две смежных строки видны под углом (рис. 0.7.11), в этом случае выполняется соотношение: h/2 (H/N)/2 tan( ) = = , L L 2 где h - расстояние между строками, 33 L - расстояние от глаза до экрана, H - высота экрана, N - число строк разложения. Так как угол очень мал, то tan([()/ 2]) [()/ 2], отсюда следует: 1 H N= · L Для неразличимости двух строк угловое расстояние между ними должно составлять величину порядка 1 (на самом деле это значение варьируется возле 4/10000 радиана 1.38). Отсюда получаем: H N = 2500 · L Важным параметром в определении числа строк является отношение высоты экрана H к расстоянию до глаза L. Имеется оптимальное отношение. Если расстояние мало, глаз не видит весь объект. Напротив, при большом расстоянии становятся неразличимыми детали. При формате кадра 4:31 оптимальное расстояние наблюдения составляет 4...6 высот экрана. Таким образом получаем, что оптимальное число строк составляет от 416 до 625. Определение количества строк разложения Разрешение цветного кинескопа 34 Зависимость световой эмиссии люминофора от времени Экран электронно-лучевых трубок покрывается изнутри люминофором, который излучает свет при падении на него электронного луча (флуоресценция). После выключения луча излучение продолжается еще некоторое время (фосфоресценция). Время этого послесвечения является одним из важных параметров трубки, так как определяет как часто будет требоваться регенерация изображения, т.е. его повторный вывод для того чтобы пользователь видел немерцающую картину. Гамма-коррекция Электронно-лучевые трубки мониторов обладают нелинейной зависимостью интенсивности свечения люминофора I от числа электронов в луче N. Упрощенно эта зависимость имеет вид: I = a×N, (1) где a и - константы. Число электронов пропорционально напряжению U на управляющей сетке монитора, определяемому значением кода пиксела V, поэтому соотношение 1 может быть переписано в виде: I = k×U = c×V, (2) Более точно это соотношение имеет вид: I = k×U(U) + I0, (3) где k - константа, зависит от U, I0 - паразитная засветка. Для упрощения полагают I0 = 0, а - константой. У различных типов мониторов меняется от 1.4 до 3.0. Для компьютерных мониторов значение обычно принимают равным 2.5. Таким образом, если мы имеем соотношение между яркостями двух вычисленных пикселов V1 / V2 = 0.5, то на мониторе соотношение их яркостей будет равно 0.177. 35 Чтобы избежать искажений, используется гамма-коррекция входного сигнала. Для этого входное значение возводится в степень 1/ и затем передается монитору. На самом деле зависимости более сложные. Необходимо учитывать уровень освещения в комнате, где находится компьютер, яркость и контрастность, установленные на мониторе, и наконец субъективное восприятие пользователя. Растровые дисплеи Хотя существуют и другие виды представления изображений (векторные дисплеи, позволяющие производить качественные динамические изображения), растровые дисплеи получили в настоящее время широкое распространение. Растровый (телевизионный) принцип формирования изображения заключается в разложении изображения на горизонтальные строки, состоящие из отдельных элементов. Вывод такого изображения осуществляется независимо от процесса построения с одинаковой скоростью последовательным сканированием по строкам в направлении сверху-вниз от 25 до 80 раз в секунду. В отличие от векторных дисплеев, в силу отделения процесса формирования картины от процесса ее вывода, сложность немерцающего изображения не ограничена. Хотя телевидение (аналоговое) появилось еще в 30-е годы, использование телевизионного построчного представления изображений в компьтерной графике стало реально возможным с появлением дешевой полупроводниковой памяти для хранения растрового представления и прогрессом в технологии мониторов. Растровые дисплеи имеют наиболее широкое распространение, что связано со следующими основными свойствами устройств этого класса: обеспечивается наивысшее качество при меньшей стоимости, полные цветовые возможности и легкость представления закрашенных поверхностей, возможность совместимости с телевидением позволяет смешивать синтезированные и естественные изображения и поддерживать новые технологии в телекоммуникациях (видеотекст, системы Multimedia), интерактивная компьтерная графика и обработка изображений могут выполняться в рамках одной системы, сложность немерцающего изображения практически неограничена, 36 телевизор хорошо знаком каждому как привычный предмет обихода. Основные компоненты растрового дисплея показаны на рис. 0.9.1. Подсистема создания изображения формирует растровое представление сцены из описания, переданного от компьютера. Это поточечное представление в виде отдельных пикселов (от словосочетания picture element, иногда используется "pel" - "пэл") заносится видеопамять (кадровый буфер, буфер регенерации, битовая карта). Видеопамять непрерывно и независимо от процесса занесения построчно сканируется видеоконтроллером, формирующим сигналы для монитора, выдающего картинку. Видеоконтроллер Видеоконтроллер формирует изображение на экране монитора путем его построчного вывода. При этом точно соблюдает время развертки строки, либо соответствующее телевизионным нормам, либо предопределенным параметрам (ширина полосы, частота строк и кадров и т.д.). Некоторые мониторы для сокращения полосы пропускания используют т.н. чересстрочную развертку (Interlacing), при которой две картинки имеют половинное вертикальное разрешение и выдаются на экран по двум вложенным в друг друга гребенкам строк (рис.). Вначале выдаются строки 1го полукадра, затем 2-го. Таким образом, при частоте кадров 50 Гц полная смена изображения на экране выполняется с частотой 25 Гц. Такой способ используется в телевещании. Для синтезированных изображений он мало пригоден (при частоте кадров 50 Гц), так как одиночные горизонтальные линии, занимающие ровно одну строку, неприятно и очень утомляюще мерцают. Время, требуемое для вывода картинки на монитор, определяется частотой строк и кадров, а также временами обратного хода строчной и кадровой разверток. Например, для телевизионного стандарта в 625 строк длительность строки составляет 64 мкс, из которых 12 мкс (почти 20%) время обратного хода строчной развертки. Из времени картинки должно забираться время на обратный ход кадровой развертки. 37 Чересстрочная развертка Важнейшим параметром не только для монитора, но и для растровой системы в целом является время, требуемое на обработку одного пиксела. Время, требуемое на обработку строки аппаратурой дисплея, составляет: 1/частота кадров - tобратного ts = хода кадровой развертки число видимых строк в картине Причем для чересстрочной развертки обратный ход кадровой развертки за полную прорисовку картинки выполняется, естественно, дважды. Так как часть времени строчной развертки тратится на перемещение луча к началу следующей строки (обратный ход строчной развертки, horizontal retrace), то время на обработку одного пиксела составит: ts - tобратного tn = хода строчной развертки число пикселов в строке В таблице приведены времена для некоторых мониторов. 38 Таблица: Характерные времена для некоторых мониторов f t полн. t обр. t обр. ЧересРазрешение кадр. строки строки кадров строчX×Y Гц мкс мкс мкс ность 512×512 30 60.4 10.9 1203 да 768×576 50 64 12 1612 да 1024×768 60 20.92 4 600 нет 1024×1024 60 15.69 4 600 нет 1280×1024 60 15.69 4 600 нет tп на пиксел нс 96.7 70.3 16.52 11.42 9.13 В мониторах используются кинескопы с прямоугольной областью отображения с соотношением сторон обычно 4:3, что соответствует особенностям зрения человека. Если же для дисплея отношение числа пикселов в строке к числу строк отличается от 4:3, например, 512:512, то для занятия под изображение всей поверхности экрана потребуется сформировать не квадратные, а прямоугольные пикселы. Чтобы картинка выглядела на экране правильно (круг как круг и т.д.) ее потребуется предварительно искажать. Поэтому все современные дисплеи либо имеют соотношение 4:3 (640:480, 768:576, 1280:960 и т.д.), либо занимают под изображение не всю поверхность экрана. После этих замечаний относительно представления растровых изображений легко сформулировать назначение видеоконтроллера: адресация и чтение данных из видеопамяти; формирование синхроимпульсов разверток по горизонтали и вертикали, соответствующих формату изображения. Эти синхроимпульсы используются монитором для формирования отклоняющих напряжений; управление монитором для задания требуемых цветов и интенсивностей, цифро-аналоговое преобразование. Кроме этого, из таблицы видно, что времена на обработку пиксела существенно меньше, чем времена доступа к динамической полупроводниковой памяти, составляющие 100 нс и более, поэтому видеопамять обычно организована специальным образом, так что из нее читается сразу не один пиксел. Дополнительно заметим, что пикселы строки отображаются на экран строго последовательно. Поэтому обычным техническим решением является перепись пикселов в быстрый сдвиговый регистр с целью параллельно39 последовательного преобразования и формирования сигналов управления цветами и интенсивностями по данным из этого регистра. Таким образом блок-схема простого видеоконтроллера имеет вид: Мы, по сути дела, рассмотрели однобитовый растровый дисплей (дисплей с одной битовой плоскостью, одним битовым планом). Увеличивая количество плоскостей мы, естественно, увеличиваем количество отображаемых цветов. Можно выделить два класса цветных растровых дисплеев: полноцветные дисплеи, в которых для каждого пиксела сразу хранятся значения R, G, B. Обычно полноцветные дисплеи имеют по 1 байту на цвет. Т.е. объем видеопамяти составит почти 4 Мбайта при полной картинке 1280×1024 специально организованной, быстрой памяти. В таком дисплее на экране одновременно формально может присутствовать до 2 24яцветов (более 16 миллионов); дисплеи с таблицей цветности (ТЦ) (Look up table - LUT), в которых значение считанного пиксела не сразу передается на цифро-аналоговое преобразование, а используется как адрес в таблице цветности. По этому адресу выбираются значения яркостей по R, G, B и уже они определяют цвет точки. Таким образом, имея видеопамять в 1 байт на пиксел и таблицу цветности с тремя байтами на элемент, мы можем одновременно отобразить 256 оттенков из 224. Основное свойство этого дисплея, однако, состоит не в том, что экономится память, а в том, что изменяя всего 1-3 байта в таблице цветности, можно одновременно изменить цвет у всех точек изображения с одинаковым кодом пиксела, не изменяя содержимого видеопамяти. С помощью таблицы цветности реализуются не только различные динамические визуальные эффекты, но может быть реализована произвольная фильтрация, получены любые битовые срезы, выполнены преобразования гистограммы без изменения данных в видеопамяти, а также гамма-коррекция 40 Использование таблицы цветности для дисплея с 6-ти битным пикселом. В данном примере на экране одновременно может присутствовать 64 оттенка из полной палитры в 4096 оттенков Использование ТЦ позволяет управлять также наложением изображений друг на друга, передавать эффект движения изображения и т.д. Недостатки растровых дисплеев: непосредственное взаимодействие с изображением затруднено, так как временного соответствия между "указанием" объекта на экране и его генерацией не существует, поэтому в растровых системах используется программное моделирование сцены для определения совпадения координат объекта и положения того или иного устройства указания; динамическое представление "не дергающихся" перемещений требует, чтобы скорости генерации и воспроизведения совпадали. Это в общем случае возможно только на векторных дисплеях. не возможность одновременного обращения к видеопамяти систем генерации и отображения изображения Для устранения этих недостатков разработаны соответствующие программно-аппаратные методы, однако полностью на растровых дисплеях они не решены до сих пор. Дисплеи с плазменный панелью Дисплеи с плазменной панелью (Plasma Display Panels - PDP) используют явление свечения при разряде в газе. Как показано на рис, первые плазменные панели состояли из параллельных покрывающих прозрачных пластин, пространство между которыми заполнено газом (на основе неона) под атмосферным давлением. Между покрывающими пластинами находится стеклянная пластина с отверстиями (маска), разделяющая газ на растр из маленьких ячеек. На покрывающих пластинах с их внутренних сторон нанесены группы прозрачных полосок параллельных проводников, находящихся напротив отверстий в маске. Проводники на одной пластине перпендикулярны проводникам на другой пластине. Таким образом каждая ячейка представляет собой нечто вроде маленькой неоновой лампочки (на самом деле - тиратрона). 41 Схема плазменной панели Если для незажженной ячейки между проводниками нарастает напряжение, то при достижении напряжения зажигания Uз (рис.) ячейка загорается. Газ в ячейке ионизируется, в ячейке возникает плазменный столбик, ток через нее заметно увеличивается, а напряжение падает до напряжения горения Uг, заметно меньшего, чем напряжение загорания. При уменьшении приложенного напряжения до напряжения потухания Uп разряд в ячейке прекращается и она гаснет за время порядка 20 мкс, за которое все ионы попадут на отрицательный электрод. Вольтамперная характеристика разряда в газе 42 Временная диаграмма работы плазменной ячейки отображение содержимого панели. Поддерживающее напряжение между проводниками покрывающих пластин равно среднему напряжению горения Uc (см. рис 0.10.3). В этом случае горящие ячейки продолжают гореть и образуют светящиеся точки на изображении, а не горящие не зажигаются; включение точки. К поддерживающему напряжению между проводниками, пересекающимися над требуемой ячейкой, добавляется такой импульс поджига, что достигается напряжение зажигания Uз и ячейка загорается (если она еще не горела); стирание точки. К поддерживающему напряжению между проводниками, пересекающимися над требуемой ячейкой, добавляется такой импульс гашения, что достигается напряжение потухания Uп и ячейка выключается (если она горела). Более поздние плазменные панели не содержат маски и растровых анодов. Она также состоят из двух параллельных стеклянных пластин, на внутренних поверхностях которых нанесены взаимно перпендикулярные группы проводников, формирующие растровые ячейки панели. Проводники покрыты диэлектрической пленкой и между ними приложено высокочастотное напряжение, недостаточное для зажигания, но достаточное для горения (поддерживающее напряжение). При высокочастотном питании газ ведет себя так, как будто он разделен на отдельные ячейки. Частота питающего напряжения такова, что хотя разряд при малых напряжениях и прекращается, но ионы не успевают рекомбинировать, поэтому при возрастании напряжения разряд возобновляется и создается впечатление непрерывного свечения точки. Для включения негорящей ячейки к поддерживающему напряжению добавляется импульс поджига, достаточный для зажигания. 43 Для выключения горящей ячейки к поддерживающему напряжению добавляется такой импульс, что до достижения очередного максимума напряжение будет таково, что ионы успеют рекомбинировать и ячейка не загорится. Известны и другие конструкции плазменных панелей, например, для вывода цветных полутоновых изображений. В таких панелях отдельный пиксел представляет собой триаду газоразрядных тиратронов, имеющих общий электрод для поддержания разряда в смеси редких газов типа He и Xe (рис). Возникающее при этом ультрафиолетовое (UV) излучение возбуждает люминофоры, которыми покрыты торцы тиратронов. Эти люминофоры имеют соответствующие фотолюминесцентные характеристики и излучают красный, зеленый и синий цвета. Эффект изменения яркости моделируется за счет зажигания/поджигания разряда с требуемой (не слишком большой) частотой. Ячейка цветного дисплея с плазменной панелью Дисплеи на плазменной панели в некотором смысле идеальные устройства. Имеются все важнейшие качества, вплоть до цветовых возможностей: большой угол наблюдения (до 160), так как свет излучается во всех направлениях, изображение может запоминаться, выборочно стираться и строиться снова, поточечная адресация позволяет использовать как векторные, так и растровые принципы построения изображения, панель плоская, поэтому дисплей может иметь много меньшие размеры, чем дисплей на электронно-лучевой трубке, картинка, независимо от ее сложности и структуры полностью лишена мерцания, 44 информация от внешних источников изображений, например, слайдов или фильмов может проецироваться сквозь этот дисплей, обеспечивая таким способом простое смешение с картинками, сформированными компьютером. К сожалению соотношение цена/возможности хуже, чем у дисплеев на электронно-лучевых трубках. Это в особенности касается разрешения, так как разрядные ячейки не могут быть сделаны особенно малыми, что обычно приводит к шагу пиксела порядка 1 мм. Предельное значение шага - до 25 ячеек на сантиметр. Это создает проблемы при использовании PDP в ТВВЧ и в качестве мониторов рабочих станций. В отличие от этого ЭЛТ, жидкокристаллические дисплеи и дисплеи с эмиссией полем могут иметь шаг пиксела всего 0.2 мм. Другие недостатки - относительно большое время включения/выключения - порядка 20 мкс/точку, относительно высокое напряжения питания - десятки вольт и эффективность, так 40-дюймовый PDP обычно потребляет приблизительно 300 Вт, в то время как пиковая яркость только 1/3 таковой от ЭЛТ, потребляющей около 150 Вт. В настоящее время большая часть мировых производителей отказываются от выпуска плазменных панелей. Дисплеи с жидкокристаллическим индикатором Австрийский ботаник Friedrich Reinitzer открыл жидкие кристаллы в 1888 г. В 1963 г. Williams в фирме RCA исследовал поляризационные эффекты в жидких кристаллах. В 1973 г. был разработан первый дисплей на жидких кристаллах (EL 8025) для переносной ЭВМ. Жидкие кристаллы находятся в некотором числе фаз, промежуточных между твердым и жидким состояниями. Молекулы ЖК являются стержнеобразными органическими соединениями (и находятся в различных ориентациях в этих фазах Структурная формула жидкого кристалла В изоторопической фазе, которая является жидкой фазой при повышении температуры, и позиция и ориентация молекул случайны. Если температура понижается, то в ЖК совершаются переходы через различные фазы, одна из которых - так называемая нематическая фаза используется в дисплеях (twisted nematic liquid crystal displays - дисплеи на закрученных нематических жидких кристаллах). В этой фазе позиции молекул все еще случайны, но все они ориентированы в одном направлении. 45 Если температура понижается далее, то молекулы получают периодическую упорядоченность в слоях (смектическая фаза). Таким образом при понижении температуры в ЖК увеличивается упорядоченность и в конце концов наступает твердое состояние. Изотропическая фаза, Нематическая фаза, Смектическая фаза Вследствие оптической и электрической анизотропии ЖК-молекул коэффициент преломления зависит от направления поляризации света относительно оси молекулы. Это свойство используется для поворота поляризации при прохождении света через закрученную ЖК-структуру. Известно, что свет не проходит через два скрещенных поляризатора Молекулы в нематической фазе принудительно закручиваются за счет их помещения между двумя стекляными пластинами, каждая из которых имеет линейчатую гравировку, перпендикулярную к другой. На поверхности стекла молекулы вынужденно размещаются вдоль гравировки, а так как гравировки взаимно перпендикулярны, то между пластинами формируются перекрученные цепочки ЖК-молекул Закрученный нематический жидкий кристалл При приложении электрического поля молекулы, вследствие их анизотропии, ориентируются вдоль поля. В этом случае цепочки раскручиваются и пропадает возможность поворота плоскости поляризации. ЖК-дисплеи имеют два таких перекрещенных поляризатора с перекрученным жидким кристаллом между ними. Благодаря вращению плоскости поляризации ЖК-цепочками свет проходит и дисплей становится ярким. При приложении электрического поля к взаимноперпендикулярным прозрачным электродам, нанесенных на внутренние стороны пластин, 46 эффект поворота плоскости поляризации пропадает и соответствующий пиксел становится темным. Схема жидкокристаллического индикатора При выключении напряжения кристалл за время порядка от первых десятков до сотен миллисекунд возвращается в исходное состояние. Важной особенностью жидких кристаллов является то, что при протекании постоянного тока кристалл подвергается электролитической диссоциации и теряет свои свойства, поэтому жидкокристаллические индикаторы запитываются переменным напряжением, с постоянной составляющей не более десятков милливольт. В простых индикаторах (с пассивной матрицей) ячейки растра, составляющие изображение, запитываются последовательно. Для этого на проводники, пересекающиеся над нужной точкой подают напряжение. В результате точка подсвечивается. Благодаря большому времени релаксации и достаточно высокой частоте сканирования ( 1 мс на строку) изображение не мерцает. Естественно, что такие индикаторы медленны. Цветные ЖКиндикаторы используют три ячейки растра для формирования пиксела. Яркость свечения для каждой из компонент опреределяет цветовой оттенок. Для решения проблемы быстродействия были разработаны ЖК-дисплеи с активной матрицей, в которых каждый пиксел снабжается независимо управляемым тонкопленочным транзистором (thin-film transistor, TFT). Такие дисплеи значительно более быстродействующие, но и имеют большую стоимость, так как для цветного дисплея 800×600 надо иметь 1 440 000 бездефектных транзисторов. Однако современные достижения в технологии позволили довести цену ЖК-дисплея с активной матрицей до $600. В целом ЖК-индикаторы имеют следующие основные характеристики: толщина 1/6 ЭЛТ, вес 1/5 ЭЛТ, энергопотребление < 1/4 ЭЛТ, отсутствует мерцание, отсутствуют геометрические искажения, отсутствует паразитное излучение, 47 цена 3×ЭЛТ, небольшая контрастность изображения 1:100), небольшая яркость 200 cd/m2, малый угол просмотра 50, небольшая скорость работы, ограниченный температурный диапазон работы. Следует ожидать, что с развитием технологии недостатки будут устраняться. Существуют также параллельные разработки такие как: 1. Дисплеи на запоминающей трубке 2. Дисплеи с электролюминисцентным индикатором 3. Дисплеи с эмиссией полем Имеющие однако в свою очередь собственные недостатки и не получившие широкое распространение. Светодиодный экран Само название "светодиодный экран" (LED-screen, LED-экран) говорит о технологии воспроизведения информации экранами данного типа. В экранах используются светодиоды - небольшие полупроводниковые приборы, излучающие свет при прохождении электрического тока. Каждый светодиод (рис) излучает монохромный цвет определённой длины волны - красный, синий, зелёный. Для получения полноцветного экрана используются светодиоды всех указанных цветов. Основное преимущество светодиодных экранов, обеспечивающее их всё более широкое распространение - исключительно высокая яркость и всепогодность, что позволяет использовать их в уличных условиях при солнечном свете. Рис.12. Светодиод 48 Наименьшим элементом изображения в светодиодном экране является пиксель. Каждый пиксель состоит из одного или нескольких светодиодов В полноцветных экранах каждый пиксель состоит из синих, зеленых и красных светодиодов, общим количеством обычно до 8 (однако бывает и больше). Встроенный процессор обеспечивает получение всех основных цветов и белого цвета с оттенками. Пиксели могут иметь размеры (диаметр) от 1,9 до 80 мм. Физическое расстояние между центрами двух соседних пикселей задает разрешение экрана (Pitch), так же на качество влияет количество светодиодов на пиксель (LEDs per pixel): количество и расположение красных, зеленых и синих светодиодов в одном пикселе. Пиксели объединяются в стандартные конструкционные элементы - модули, имеющие у разных производителей различные размеры, например: 130 х 65 мм, 160х160 мм, 256 х 256 мм и др. Модуль – это специальная плата, в которую с лицевой стороны встроены светодиоды (эту операцию выполняют на заводах специальные автоматы), а на тыльной стороне размещается электронные элементы (см. рис. 3). Модуль включает в себя определённое количество пикселей, зависящее от их диаметра. Модули являются основными элементами, подлежащими замене при выходе из строя светодиодов, определённое количество модулей всегда включают в состав ЗИПа. Рис.13. LED – экран. Модуль Кабинет (панель). В большинстве случаев модули объединяют в крупные конструктивные элементы – кабинеты (или панели), содержащие определённое количество модулей. Размер кабинета кратен размерам модулей. Так, кабинет может иметь размер 960х960 мм и включать в свой состав 36 (6х6) модулей размером 160х160 мм каждый. Другой пример: кабинет размером 1024х768 мм, содержащий 12 (4х3) модулей размером 256х256 мм. Линейные размеры кабинетов от 0,5 до 2 м, толщина примерно 175 мм. Внешний вид кабинета (спереди и сзади) иллюстрируется фотографией. В составе кабинетов обязательно имеются источники питания. Кабинеты крепятся друг к другу без зазоров, что позволяет создать единое 49 экранное полотно. Кабинетное построение позволяет создавать экраны любых размеров, сохраняя при этом их мобильность и ремонтопригодность. Угол обзора светодиода (LED angle): номинальная характеристика светодиода, устанавливаемая его производителем, показывающая максимальное боковое отклонение, при котором светодиод виден с достаточной яркостью. При расположении наблюдателя перпендикулярно экрану яркость изображения максимальна, при взгляде со стороны яркость падает. Угол замеряется при уменьшении яркости изображения в два раза относительно яркости при перпендикулярном взгляде. Угол светодиода может быть в диапазоне от 70 до 120 градусов Угол обзора экрана (Viewing angle): показывает реальный угол обзора, при котором яркость изображения падает в два раза относительно яркости при перпендикулярном взгляде. Угол обзора может быть в диапазоне от 100 до 160 градусов При изготовлении светодиодных экранов используются разные методы компоновки светодиодов. LED – экран. Светодиодный кластер Светодиодная матрица Светодиодная матрица Светодиодные кластеры - излучающие приборы с некоторым количеством светодиодов, помещенных в общий влагозащищенный и светоизолированный корпус. Один кластер соответствует одному пикселю изображения. Технология используется для изготовления больших уличных экранов . Светодиодные матрицы - совокупность диодов на поверхности экрана. Здесь пиксель конструктивно не оформлен, но каждый светодиод принадлежит строго определенному пикселю, и управление осуществляется пикселем как единым целым. Данная технология используется при изготовлении экранов для работы в помещениях. Виртуальные пиксели. Здесь светодиоды не закреплены за конкретными пикселями, программным образом оперативно создаются пиксели из нескольких соседних светодиодов. Это позволяет искусственным образом существенно увеличить разрешение экрана. При объединении пикселей как вертикально, так и горизонтально количество видимых пикселей удваивается. Получается очень качественное изображение, как будто на экране в четыре раза больше пикселей. 50 Технология поверхностного монтажа (SMD). Светодиоды микроскопического размера помещаются в единый корпус, который припаивается прямо к печатным проводникам. Это позволяет достичь очень высокого разрешения, что уменьшает дистанцию обзора. Такие экраны обычно используются в помещении, т.к. светодиоды влагопроницаемы. Однако, при . использовании очень ярких светодиодов и специального Технология SMD влагозащитного полотна, экраны данного типа можно устанавливать и на улице. Источники изображения Светодиодные экраны способны воспроизводить видеоизображение с различных источников: Компьютеры Компьютерные сети (в том числе Интернет и Интранет) Системы видеоконференцсвязи DVD-проигрыватели Видеомагнитофоны Видеокамеры Приемники спутникового и кабельного телевидения Системы промышленного видеонаблюдения 7. Графические форматы данных Графический формат — это способ записи графической информации. Графические форматы файлов предназначены для хранения изображений, таких как фотографии и рисунки. 7.1. Методы сжатия информации Почти все современные форматы графических файлов используют какойлибо из методов сжатия информации, поэтому, для лучшего понимания дальнейшего материала, начало данного раздела содержит краткое изложение этих методов. Методы сжатия информации: Одним из простейший способов сжатия является метод RLE (Run Length Encoding - кодирование с переменной длиной строки). Действие метода RLE заключается в поиске одинаковых пикселов в одной строке. Если в строке, допустим, имеется 3 пиксела белого цвета, 21 - черного, затем 14 - белого, то 51 применение RLE дает возможность не запоминать каждый из них (38 пикселов), а записать как 3 белых, 21 черный и 14 белых в первой строке. Метод сжатия LZW (Lempel-Ziv-Welch) разработан в 1978 году Лемпелом и Зивом, и доработан позднее в США. Сжимает данные путем поиска одинаковых последовательностей (они называются фразы) во всем файле. Выявленные последовательности сохраняются в таблице, им присваиваются более короткие маркеры (ключи). Так, если в изображении имеются наборы из розового, оранжевого и зеленого пикселов, повторяющиеся 50 раз, LZW выявляет это, присваивает данному набору отдельное число (например, 7) и затем сохраняет эти данные 50 раз в виде числа 7. Метод LZW, так же, как и RLE, лучше действует на участках однородных, свободных от шума цветов, он действует гораздо лучше, чем RLE, при сжатии произвольных графических данных, но процесс кодирования и распаковки происходит медленнее. Метод сжатия Хаффмана (Huffman) разработан в 1952 году и используется как составная часть в ряде других схем сжатия, таких как LZW, Дефляция, JPEG. В методе Хаффмана берется набор символов, который анализируется, чтобы определить частоту каждого символа. Затем для наиболее часто встречающихся символов используется представление в виде минимально возможного количества битов. Например, буква "е" чаще всего встречается в английских текстах. Используя кодировку Хаффмана, вы можете представить "е" всего лишь двумя битами (1 и 0), вместо восьми битов, необходимых для представления буквы "е" в кодировке ASCII. Метод сжатия CCITT (International Telegraph and Telephone Committie) был разработан для факсимильной передачи и приема. Является более узкой версией кодирования методом Хаффмана. CCITT Group 3 идентичен формату факсовых сообщений, CCITT Group 4 - формат факсов, но без специальной управляющей информации. 7.2. Графические форматы файлов 7.2.1 Растровый формат Растровые изображения формируются в процессе сканирования многоцветных иллюстраций и фотографий, а также при использовании цифровых фото- и видео камер. Можно создать растровое изображение непосредственно на компьютере с помощью растрового графического редактора. Растровое изображение создается с использованием точек различного цвета (пикселей), которые образуют строки и столбцы. Каждый пиксель может принимать любой цвет из палитры, содержащей десятки тысяч или даже десятки миллионов цветов, поэтому растровые изображения обеспечивают высокую точность передачи цветов и полутонов. Качество растрового изображения возрастает с увеличением пространственного разрешения (количества пикселей в изображении по горизонтали и вертикали) и количества цветов в палитре. 52 Недостатком растровых изображений является их большой информационный объем, так как необходимо хранить код цвета каждого пикселя. Рассмотрим непосредственно расширения растрового графического формата: 1) Формат файла BMP (сокращенно от BitMaP) - это "родной" формат растровой графики для Windows, поскольку он наиболее близко соответствует внутреннему формату Windows, в котором эта система хранит свои растровые массивы. Для имени файла, представленного в BMP-формате, чаще всего используется расширение BMP, хотя некоторые файлы имеют расширение RLE, означающее run length encoding (кодирование длины серий). Расширение RLE имени файла обычно указывает на то, что произведено сжатие растровой информации файла одним из двух способов сжатия RLE, которые допустимы для файлов BMP-формата. В файлах BMP информация о цвете каждого пиксела кодируется 1, 4, 8, 16 или 24 бит (бит/пиксел). Числом бит/пиксел, называемым также глубиной представления цвета, определяется максимальное число цветов в изображении. Изображение при глубине 1 бит/пиксел может иметь всего два цвета, а при глубине 24 бит/пиксел - более 16 млн. различных цветов. 2) PCX стал первым стандартным форматом графических файлов для хранения файлов растровой графики в компьютерах IBM PC. На этот формат, применявшийся в программе Paintbrush фирмы ZSoft, в начале 80-х гг. фирмой Microsoft была приобретена лицензия, и затем он распространялся вместе с изделиями Microsoft. В дальнейшем формат был преобразован в Windows Paintbrush и начал распространяться с Windows. Хотя область применения этого популярного формата сокращается, файлы формата PCX, которые легко узнать по расширению PCX, все еще широко распространены сегодня. Файлы PCX разделены на следующие три части: заголовок PCX, данные растрового массива и факультативная таблица цветов. 128-байт заголовок PCX содержит несколько полей, в том числе поля размера изображения и числа бит для кодирования информации о цвете каждого пикселя. Информация растрового массива сжимается с использованием простого метода сжатия RLE; факультативная таблица цветов в конце файла содержит 256 значений цветов RGB, определяющих цвета изображения. Формат PCX первоначально был разработан для адаптеров CGA- и EGA-дисплеев и в дальнейшем был модифицирован для использования в адаптерах VGA и адаптерах истинных цветов. Кодирование цвета каждого пикселя в современных изображениях PCX может производиться с глубиной 1, 4, 8 или 24 бит. 3) Если PCX - один из самых простых для декодирования форматов растровой графики, то TIFF (Tagged Image File Format, формат файлов изображения, снабженных тегами) - один из самых сложных. Файлы TIFF имеют расширение TIFF. Каждый файл начинается 8-байт заголовком файла изображения (IFH), важнейший элемент которого - каталог файла 53 изображения (Image File Directory, IFD) - служит указателем к структуре данных. IFD представляет собой таблицу для идентификации одной или нескольких порций данных переменной длины, называемых тегами; теги хранят информацию об изображении. В спецификации формата файлов TIFF определено более 70 различных типов тегов. Например, тег одного типа хранит информацию о ширине изображения в пикселах, другого информацию о его высоте. В теге третьего типа хранится таблица цветов (при необходимости), а тег четвертого типа содержит сами данные растрового массива. Изображение, закодированное в файле TIFF, полностью определяется его тегами, и этот формат файла легко расширяется, поскольку для придания файлу дополнительных свойств достаточно лишь определить дополнительные типы тегов. Так что же делает TIFF столь сложным? С одной стороны, составление программ, различающих все типы тегов, - это непростое дело. В большинстве программ для чтения файлов TIFF реализуется только подмножество тегов, именно поэтому созданный одной программой файл TIFF иногда не может быть прочитан другой. Кроме того, программы, создающие файлы TIFF, могут определять собственные типы тегов, имеющие смысл только для них. Программы чтения файлов TIFF могут пропускать непонятные для них теги, но всегда существует опасность, что это повлияет на внешний вид изображения. Еще одна сложность заключается в том, что файл TIFF может содержать несколько изображений, каждому из которых сопутствуют собственный IFD и набор тегов. Данные растрового массива в файле TIFF могут сжиматься с использованием любого из нескольких методов, поэтому в надежной программе для чтения файлов TIFF должны быть средства распаковки RLE, LZW (LempelZivWelch) и несколько других. Ситуацию еще больше ухудшает то обстоятельство, что пользование программами распаковки LZW должно осуществляться в соответствии с лицензионным соглашением с фирмой Unisys Corp. на право пользования алгоритмом LZW и часто за плату. В результате даже самые лучшие программы считывания TIFF нередко "сдаются", когда сталкиваются со сжатым по методу LZW изображением. Несмотря на свою сложность, файловый формат TIFF остается одним из лучших для передачи растровых массивов с одной платформы на другую благодаря своей универсальности, позволяющей кодировать в двоичном виде практически любое изображение без потери его визуальных или каких-либо иных атрибутов. 4) Большинство ведущих специалистов-графиков, имеющих дело с алгоритмом LZW, сталкиваются с аналогичными юридическими проблемами при использовании популярного межплатформенного формата файлов растровой графики GIF (Graphics Interchange Format - формат обмена графическими данными, произносится "джиф"), разработанного компанией CompuServe. Обычно для имени файлов GIF используется расширение GIF, и тысячи таких файлов можно получить в CompuServe. 54 Структура файла GIF зависит от версии GIF-спецификации, которой соответствует файл. В настоящее время используются две версии, GIF87a и GIF89a. Первая из них проще. Независимо от номера версии, файл GIF начинается с 13-байт заголовка, содержащего сигнатуру, которая идентифицирует этот файл в качестве GIF-файла, номер версии GIF и другую информацию. Если файл хранит всего одно изображение, вслед за заголовком обычно располагается общая таблица цветов, определяющая цвета изображения. Если в файле хранится несколько изображений (формат GIF, аналогично TIFF, позволяет в одном файле кодировать два и больше изображений), то вместо общей таблицы цветов каждое изображение сопровождается локальной таблицей цветов. 5) Формат PNG (Portable Network Graphic - переносимый сетевой формат, произносится "пинг") был разработан для замены GIF, чтобы обойти юридические препятствия, стоящие на пути использования GIF-файлов. PNG унаследовал многие возможности GIF и, кроме того, он позволяет хранить изображения с истинными цветами. Еще более важно, что он сжимает информацию растрового массива в соответствии с вариантом пользующегося высокой репутацией алгоритма сжатия LZ77 (предшественника LZW), которым любой может пользоваться бесплатно. 6) Формат файла JPEG (Joint Photographic Experts Group - Объединенная экспертная группа по фотографии, произносится "джейпег) был разработан компанией C-Cube Microsystems как эффективный метод хранения изображений с большой глубиной цвета, например, получаемых при сканировании фотографий с многочисленными едва уловимыми (а иногда и неуловимыми) оттенками цвета. Самое большое отличие формата JPEG от других рассмотренных здесь форматов состоит в том, что в JPEG используется алгоритм сжатия с потерями (а не алгоритм без потерь) информации. Алгоритм сжатия без потерь так сохраняет информацию об изображении, что распакованное изображение в точности соответствует оригиналу. При сжатии с потерями приносится в жертву часть информации об изображении, чтобы достичь большего коэффициента сжатия. Распакованное изображение JPEG редко соответствует оригиналу абсолютно точно, но очень часто эти различия столь незначительны, что их едва можно (если вообще можно) обнаружить. 7.2.2 Векторный формат В данном подразделе рассмотрим самые распространенные расширения графических файлов векторного формата. 1) Encapsulated PostScript (EPS) — расширение формата PostScript, данные в котором записываются в соответствии со стандартом DSС (английский, Document Structuring Conventions), но при этом c рядом расширений, позволяющих использовать этот формат как графический. Формат EPS был создан компанией Adobe на основе языка PostScript и послужил базой для создания ранних версий формата Adobe Illustrator. В своей минимальной конфигурации EPS-файл имеет так называемый BoundingBox DSC comment — информацию, описывающую размер 55 изображения. Таким образом, даже если приложение не может растеризовать данные, содержащиеся в файле, оно имеет доступ к размерам изображения и его preview. Программа QuarkXPress версий 4, 5 и 6 не может растеризовать данные из EPS-файла, поэтому использует в верстке только preview — уменьшенную копию всего изображения, которая хранится в EPS-файле отдельно от основных данных. Программа Adobe InDesign версий CS-CS4 такого ограничения не имеет. Использование уменьшенной по качеству копии изображения предназначено для упрощения вывода изображения на экран и, как следствие, значительного ускорения работы с вёрсткой. Preview может быть записано в формате TIFF или WMF (только для РС) или вовсе опущено. Формат используется в профессиональной полиграфии и может содержать растровые изображения, векторные изображения, а также их комбинации. Изображение, записанное в формате EPS, может быть сохранено в разных цветовых пространствах: Grayscale, RGB, CMYK, Lab, Multi-channel. Структура данных растрового EPS-файла может быть записана разными методами: ASCII-данные (текстовые данные), Binary (двоичные данные) и JPEG с различной степенью сжатия. 2) WMF (англ. Windows MetaFile) — универсальный формат векторных графических файлов для Windows приложений. Используется для хранения коллекции графических изображений Microsoft Clip Gallery. Формат разработан Microsoft и является неотъемлемой частью Windows, так как сохраняет последовательность аппаратно-независимых функций GDI (Graphical Device Interface), непосредственно выводящих изображение в заданный контекст графического устройства (на экран, на принтер и т.п.). Очень часто WMF неявно используется для сохранения образа окна вывода программы и его последующего восстановления, а также при переносе информации через буфер обмена (clipboard). Из MS Windows запись и чтение в файл этого формата осуществляются чрезвычайно просто и быстро, в других операционных системах поддержка этого формата бесполезна. Его понимают некоторые программы для Macintosh. На платформе Macintosh аналогичную роль играет формат PICT. 3) Формат файла CDR — векторное изображение или рисунок, созданный с помощью программы CorelDRAW. Данный формат файла разработан компанией Corel для использования в собственных программных продуктах. CDR-файлы не поддерживаются многими программами, предназначенными для редактирования изображений. Однако, файл можно экспортировать с помощью CorelDRAW в другие, более распространенные и популярные форматы изображений. Также, файл CDR можно открыть программой Corel Paint Shop Pro. Для лучшей совместимости, компания Corel рекомендует сохранять файлы в CorelDRAW формате CDR версии 9.0 или более ранней. 4) Portable Document Format (PDF) — кроссплатформенный формат электронных документов, созданный фирмой Adobe Systems с использованием ряда возможностей языка PostScript. В первую очередь 56 предназначен для представления в электронном виде полиграфической продукции, — значительное количество современного профессионального печатного оборудования может обрабатывать PDF непосредственно. Для просмотра можно использовать официальную бесплатную программу Adobe Reader, а также программы сторонних разработчиков. Традиционным способом создания PDF-документов является виртуальный принтер, то есть документ как таковой готовится в своей специализированной программе — графической программе или текстовом редакторе, САПР и т. д., а затем экспортируется в формат PDF для распространения в электронном виде, передачи в типографию и т. п. 7.2.3 Комплексный формат Существуют также комплексные форматы, которые могут хранить как векторную, так и растровую информацию. Это форматы DjVu, CGM, AI (формат программы Adobe Illustrator), EPS (Encapsulated PostScript – профессиональный универсальный векторно-растровый формат, используемый всеми профессиональными графическими программами) и PDF (Portable Document Format – формат программы Adobe Acrobat, который может содержать растровую и векторную графику, а также текстовую информацию). 1) DjVu (от фр. déjà vu — «уже виденное») — технология сжатия изображений с потерями, разработанная специально для хранения сканированных документов — книг, журналов, рукописей и прочее, где обилие формул, схем, рисунков и рукописных символов делает чрезвычайно трудоёмким их полноценное распознавание. Также является эффективным решением, если необходимо передать все нюансы оформления, например, исторических документов, где важное значение имеет не только содержание, но и цвет и фактура бумаги; дефекты пергамента: трещинки, следы от складывания; исправления, кляксы, отпечатки пальцев; следы, оставленные другими предметами и т.д. DjVu стал основой для нескольких библиотек научных книг. Огромное количество книг в этом формате доступно в файлообменных сетях. Формат оптимизирован для передачи по сети таким образом, что страницу можно просматривать ещё до завершения скачивания. DjVu-файл может содержать текстовый (OCR) слой, что позволяет осуществлять полнотекстовый поиск по файлу. Кроме того, DjVu-файл может содержать встроенное интерактивное оглавление и активные области — ссылки, что позволяет реализовать удобную навигацию в DjVu-книгах. 2) CGM (от англ. Computer Graphics Metafile) — формат для хранения и обмена графическими данными, не относящимися к САПР. 7.2.4 3D-полигоны Формат X файла — формат файла для хранения 3D объектов, созданный компанией Microsoft. 57 Этот формат хранит информацию о геометрии 3D объекта (координаты вершин и координаты нормалей), текстурные координаты, описание материалов, пути и названия к текстурам, которые используются. Хранится иерархия объектов, хранится анимация, и хранятся привязки вершин к «костям» с описанием весов. В X файле может отсутствовать какая-либо информация об объекте (например в X файле могут содержаться только координаты вершин). X файл может быть текстовым либо бинарным. В начале X файла идёт заголовок, затем идёт описание информации об объекте. Описание информации может быть в произвольном порядке, но заголовок всегда идёт в самом начале. Вопросы для контроля: 1. Цветовая модель RGB 2. Цветовая модель CMY, CMYK 3. Цветовые модели VHS, Lyb, XYZ 4. Системы представления данных 5. Подсистемы видеопроцессоров 6. Свойства корреляционной функции 7. Фурье-перобразование и его свойства 8. Вейвелт-преобразование и его свойства 9. Обратное Фурье-преобразование 10. Частотная и пространственная фильтрация изображений 11. Основные понятия фрактала геомерии 12. Особенность определения размерности фрактальных объектов. 13. Информация и энтропия, закон сохранения информации 14. Эмпирический закон Херста, метод нормированного размаха. 15. Графические форматы данных. 16. Векторное представление информации. 17. Растровые форматы графических данных. 58 Рекомендуемая литература 1. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. – М.: Техносфера, 2005. – 1072 с 2. Куприянов М.С., Мамюшкин Б.Д. Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования. – СПб. : Политехника, 1999. 3. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов – СПб.: Питер, 2003, 608 с. 4. Б.Б. Кадомцев Динамика и информация М.: Успехи физических наук, 1994г. 5. М. Шредер. Фракталы, хаос, степенные законы. – Ижевск: РХД, 2001. – 528 стр. 6. С. Малла. Применение вейвлетов в обработке сигналов. Москва, 2005. 7. Эйнджел Э. Интерактивная компьютерная графика. Вводный курс на базе. Второе издание. М., Издательский Дом «Вильямс», 2001;. 8. Роджерс Д., Адамс Дж. Математические основы машинной графики. М., Мир, 2001;. 9. Е. В. Шишкин, А. В. Боресков «Компьютерная графика: полигональные модели», М., Диалог-МИФИ, 2001. 10. Иванов В. П., Батраков А. С. Трехмерная компьютерная графика. М., Радио и Связь, 1995;. 11.Гнилой В. Интерактивная машинная графика. – М.: Мир, 1981. 12.Д. Сэломон, «Сжатие данных, изображений и звука» Техносфера, 2004 г.Быстрые алгоритмы в цифровой обработке изображений // Под ред. Т.С.Хуанг: Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1984. 59