§ 57. Ввод изображений

Определения и обозначения

Растровое изображение — изображение, составленное из сетки отдельных точек-пикселей. В памяти компьютера оно хранится как упорядоченный набор сведений о цвете каждого пикселя, а также параметров изображения. Такое представление подходит для фотографий и сканов, где важны плавные переходы оттенков. Зная устройство растра, можно оценить, сколько места займут данные.

Пиксель — минимальный элемент растрового изображения, которому задаётся цвет. Слово происходит от английского picture element, то есть «элемент изображения». Пиксели расположены рядами и столбцами, а вместе образуют видимую картинку. При сильном увеличении отдельные точки становятся заметны, поэтому пиксель помогает понять, из каких элементов складывается изображение.

Разрешение изображения — число пикселей по горизонтали и вертикали; его часто записывают как ширина × высота, например 800 × 600. Чем больше пикселей приходится на изображаемую сцену, тем больше мелких деталей может быть сохранено. Однако результат зависит и от качества оптики, считывания и самой сцены. Разрешение нужно учитывать при выборе размера изображения для экрана или печати.

Глубина цвета — число бит, используемых для кодирования цвета одного пикселя. Если на пиксель отведено n бит, возможны 2ⁿ разных кодов цвета: например, 8 бит дают 256 вариантов. Чем больше глубина, тем больше оттенков можно представить, но тем больше данных требуется для хранения. Поэтому этот параметр важен и для точности цвета, и для оценки объёма файла.

Как это устроено

Реальный объект непрерывен: на нём нет готовой компьютерной сетки пикселей. Устройство ввода измеряет его в отдельных точках, а затем записывает результаты измерений как цифровые значения. Между точками могут находиться детали, которые измерения не зафиксировали, поэтому плотность считывания влияет на то, насколько подробно получится копия. Так непрерывное изображение превращается в растр, пригодный для хранения и обработки компьютером.

Сканер освещает оригинал и последовательно считывает его полосы или строки чувствительными элементами. Эти измерения переводятся в цифровые значения, из которых собираются строки пикселей. Если точек считывания на единицу длины мало, мелкие элементы оригинала могут потеряться; поэтому качество зависит от разрешения сканирования. На передачу цвета влияет точность сенсоров и преобразования измерений: ошибки в них меняют оттенки готового изображения.

Цифровая камера получает свет, прошедший через объектив, и направляет его на светочувствительную матрицу. Каждый элемент матрицы измеряет попавший на него свет, после чего устройство обрабатывает измерения и формирует значения пикселей. Количество элементов матрицы связано с возможным разрешением кадра, но само по себе не гарантирует хорошую детализацию: имеют значение также оптика, освещение и обработка. Цвет получают из измерений света и последующего преобразования в цифровое представление.

Для предварительной оценки несжатого изображения достаточно перемножить ширину и высоту в пикселях, а затем умножить результат на глубину цвета в битах. Так находят общее число бит, отведённых на пиксели, не учитывая заголовки и прочие служебные сведения. Чтобы получить байты, результат делят на 8; для перевода в килобайты обычно делят ещё на 1024. Этот расчёт показывает, почему даже небольшое увеличение параметров заметно сказывается на объёме.

Увеличение разрешения добавляет пиксели, а увеличение глубины цвета требует больше бит для кодирования каждого из них. Поэтому при прочих равных несжатый файл становится больше, хотя качество изображения может улучшиться. Сжатие уменьшает объём файла, удаляя избыточность или сокращая точность данных; степень и последствия зависят от способа сжатия. Значит, при выборе настроек приходится соотносить нужное качество и доступное место для хранения.

Параметры растрового изображения и способы его ввода

Сравнивайте устройства по тому, что именно они измеряют и как получают точки изображения: это помогает не путать сканирование плоского оригинала со съёмкой сцены. Для оценки разрешения сканера учитывайте плотность точек на дюйм, а для размера готового растра — число пикселей по сторонам. Объём несжатых данных в обоих случаях оценивается одной формулой, если известны размеры растра и глубина цвета.

Разбор задач

Задача 1. Изображение имеет разрешение 800 × 600 пикселей и глубину цвета 24 бита. Найдите объём несжатых данных в байтах и килобайтах. Сначала важно определить общее число пикселей, а затем учесть, сколько бит записывается на каждый. В килобайты переведём по правилу 1 КиБ = 1024 байта.

1. Находим число пикселей: 800 × 600 = 480 000.
2. Умножаем число пикселей на глубину цвета: 480 000 × 24 = 11 520 000 бит.
3. Переводим биты в байты: 11 520 000 ÷ 8 = 1 440 000 байт.
4. Переводим байты в килобайты: 1 440 000 ÷ 1024 = 1406,25 КиБ.

Ответ: 1 440 000 байт, или 1406,25 КиБ (примерно 1,37 МиБ). Это оценка объёма пиксельных данных без учёта служебной информации и сжатия. Порядок единиц важен: если сразу умножать пиксели на 24 байта, результат окажется в восемь раз завышен.

Задача 2. Сканируют фотографию размером 10 × 15 см с разрешением 300 точек на дюйм. Определите примерное число пикселей по каждой стороне, считая 1 дюйм равным 2,54 см. Чтобы связать физическую длину стороны с пикселями, сначала переведём её в дюймы. Затем плотность сканирования покажет, сколько точек приходится на получившуюся длину.

1. Переводим стороны в дюймы: 10 ÷ 2,54 ≈ 3,94 дюйма, 15 ÷ 2,54 ≈ 5,91 дюйма.
2. Умножаем длины на 300 точек на дюйм: 3,94 × 300 ≈ 1182 пикселя, 5,91 × 300 ≈ 1773 пикселя.
3. Записываем примерное разрешение полученного растра: 1182 × 1773 пикселя.

Ответ: примерно 1182 × 1773 пикселя. Округление допустимо, потому что исходные размеры и перевод сантиметров в дюймы дают приближённые значения. Если поменять ориентацию фотографии, числа по ширине и высоте поменяются местами, но число пикселей останется тем же.

Задача 3. Несжатый файл изображения занимает около 6 МиБ, разрешение равно 1600 × 1200 пикселей. Определите глубину цвета в битах на пиксель, пренебрегая служебными данными. Здесь неизвестна глубина, поэтому нужно разделить общий объём в битах на число пикселей. Сначала переведём МиБ в байты, затем байты в биты, чтобы единицы совпадали.

1. Переводим объём: 6 × 1024 × 1024 = 6 291 456 байт.
2. Переводим байты в биты: 6 291 456 × 8 = 50 331 648 бит.
3. Считаем число пикселей: 1600 × 1200 = 1 920 000.
4. Делим общий объём в битах на число пикселей: 50 331 648 ÷ 1 920 000 ≈ 26,2 бита на пиксель.

Ответ: по указанным данным получается около 26,2 бита на пиксель. Это не стандартное целое значение глубины, поэтому в реальном файле могли бы влиять округление «около 6 МиБ» или дополнительные данные. При заданном условии расчёт даёт именно оценку, а не обязательно форматное значение.

Типичные ошибки

Разрешение иногда называют просто «числом пикселей», забывая указать ширину и высоту. Общее число пикселей получается их произведением, но размеры растра задаются парой значений: например, 800 × 600 и 600 × 800 имеют одинаковое произведение, но разную ориентацию. Такая путаница возникает, когда внимание сосредоточено на объёме файла. Проверьте себя: записаны ли отдельно горизонтальный и вертикальный размеры?

Разрешение готового изображения в пикселях и разрешение сканера в точках на дюйм — связанные, но разные характеристики. Первое описывает число элементов растра, второе — плотность считывания оригинала на единицу длины. Их смешивают, потому что обе величины называют разрешением. Для проверки укажите единицы: пиксели по сторонам или точки на дюйм, а при переводе между ними учтите физический размер оригинала.

При расчёте объёма можно ошибочно принять глубину цвета в битах за число байтов. Например, 24 бита — это 3 байта, а не 24 байта; ошибка возникает из-за пропуска перевода единиц. Перед вычислением подпишите единицы: число пикселей умножается на биты на пиксель, а итог делится на 8 для получения байтов. Если ответ неожиданно велик, проверьте, не использованы ли биты как байты.

Увеличение изображения на экране часто принимают за повышение его детализации. На деле экран показывает увеличенные имеющиеся пиксели, поэтому их границы становятся заметнее, а недостающие детали не появляются. Путаница возникает из-за того, что картинка занимает больше места и кажется крупнее. Проверьте исходные размеры файла в пикселях: изменение масштаба просмотра их не меняет.

Связь с другими темами

Для расчёта объёма растра нужны знания о битах, байтах и единицах хранения информации. Умение переводить двоичные данные и проверять размерность помогает не спутать биты с байтами в формулах. Далее эти знания применяются при изучении графических форматов и сжатия изображений: от способа хранения зависит, насколько размер файла отличается от оценки для несжатого растра. Такие расчёты полезны и при оценке объёма фотографий и других мультимедийных данных.

Что запомнить

• Растровое изображение состоит из пикселей.
• Разрешение задаёт число пикселей по ширине и высоте.
• Глубина цвета определяет число бит на один пиксель.
• Объём несжатого растра зависит от числа пикселей и глубины цвета.
• При сканировании разрешение указывают в точках на дюйм.
• Повышение качества изображения обычно увеличивает объём данных.