§ 34. Компьютерная обработка графических информационных объектов

Определения и обозначения

Графический информационный объект — изображение, представленное в форме, которую компьютер может хранить и обрабатывать. К таким объектам относятся фотографии, рисунки, схемы и чертежи. Это понятие помогает понять, что программа работает не с бумажной картинкой как таковой, а с её цифровым представлением.

Растровая графика — способ представления изображения как сетки точек, называемых пикселями. У каждого пикселя есть положение и цвет, поэтому растр хорошо подходит для фотографий с множеством оттенков. При увеличении отдельные точки становятся заметными — это нужно учитывать при подготовке изображения.

Векторная графика — изображение, заданное геометрическими объектами: линиями, кривыми, фигурами и их свойствами. Компьютер строит картинку по этим описаниям, поэтому её можно увеличивать без появления пиксельных ступенек. Вектор удобен для логотипов, схем и чертежей, где важны чёткие контуры.

Разрешение растрового изображения — количество пикселей по ширине и высоте, например 1920 × 1080. Число пикселей влияет на детализацию и объём файла, но само по себе не гарантирует хорошее качество: важны также исходник и условия просмотра. Разрешение помогает выбрать подходящий размер изображения для экрана или печати.

Цветовая глубина — количество бит, используемое для кодирования цвета одного пикселя. Чем больше бит, тем больше оттенков можно представить, но тем больше данных потребуется для хранения несжатого изображения. Это понятие нужно, чтобы оценивать компромисс между точностью цвета и размером файла.

Как это устроено

При работе с растровой картинкой программа хранит значения цвета для пикселей, расположенных в строках и столбцах. Поэтому увеличение фотографии не добавляет настоящих деталей: программа может лишь растянуть имеющиеся пиксели или рассчитать промежуточные цвета. Из-за этого маленький растр при сильном увеличении выглядит размытым или зернистым. Для чёткого результата нужно заранее получать изображение достаточного разрешения.

Векторное изображение хранит не готовую сетку точек, а команды и параметры объектов: координаты, толщину линии, заливку и форму кривой. Когда меняется размер рисунка, программа заново вычисляет положение объектов и строит изображение в нужном масштабе. Поэтому контуры сохраняют гладкость. Однако фотографию с большим числом мелких деталей обычно сложнее и невыгоднее описывать набором геометрических фигур.

Формат файла задаёт правила хранения графических данных и может включать сведения о цвете, слоях, прозрачности и сжатии. Сжатие уменьшает объём: при сжатии без потерь исходные данные можно восстановить, а при сжатии с потерями часть информации удаляется ради меньшего размера. Например, JPEG часто используют для фотографий, где небольшие изменения могут быть малозаметны. Для изображений с чёткими границами и прозрачным фоном часто выбирают PNG, а для масштабируемой векторной графики — SVG.

Цвет на экране обычно формируют смешением красного, зелёного и синего каналов — моделью RGB. В печатной продукции чаще применяют CMYK, где цвет создаётся сочетанием голубого, пурпурного, жёлтого и чёрного красителей. Перевод между моделями может изменить оттенки, потому что экран и печать воспроизводят цвет разными способами. Поэтому изображение нужно проверять в той среде, для которой оно готовится.

Редактирование состоит из операций над всем изображением или его частью: кадрирования, изменения размера, коррекции яркости и контраста, добавления текста и применения фильтров. Слои позволяют держать отдельные элементы раздельно: например, текст можно перемещать, не затрагивая фотографию под ним. Это упрощает исправления и помогает не испортить исходное изображение. Перед сложными изменениями полезно сохранить копию или работать в формате, который сохраняет слои.

Размер несжатого растрового изображения можно приблизительно оценить как произведение ширины в пикселях, высоты в пикселях и числа бит на пиксель. Полученный результат выражен в битах; чтобы получить байты, его делят на 8. Реальный размер файла может отличаться из-за сжатия, служебных данных и особенностей формата. Такая оценка помогает сравнивать варианты до сохранения.

Сравнение растровой и векторной графики

Пользуйся таблицей, чтобы выбрать представление под задачу, а не просто по привычке. Если нужно сохранить фотографию, обычно удобнее растр; если требуется чёткий логотип для разных размеров, часто подходит вектор. Формат выбирай после того, как определил назначение и требования к качеству.

Разбор задач

Задача. Нужно сохранить несжатое растровое изображение размером 800 × 600 пикселей. На каждый пиксель отводится 24 бита. Найдите приблизительный объём данных в мегабайтах, если служебные данные не учитывать и считать 1 Мбайт равным 1 000 000 байт.

1. Сначала определим число пикселей. В каждом из 800 столбцов есть 600 пикселей, значит, всего 800 × 600 = 480 000 пикселей. Это число показывает, сколько цветовых значений необходимо закодировать.

2. На каждый пиксель приходится 24 бита, поэтому объём равен 480 000 × 24 = 11 520 000 бит. Умножаем число пикселей на глубину цвета, потому что для каждого пикселя хранится отдельный код.

3. Переведём биты в байты: 11 520 000 ÷ 8 = 1 440 000 байт. В одном байте содержится 8 бит, поэтому деление на 8 переводит результат в единицы, удобные для оценки размера файла.

4. Переведём байты в мегабайты по условию: 1 440 000 ÷ 1 000 000 = 1,44 Мбайт. Это теоретическая оценка для несжатых данных, а не обязательный размер файла после сохранения в конкретном формате.

Ответ: приблизительно 1,44 Мбайт без учёта служебных данных. Если сохранить картинку с компрессией, размер изменится; при сжатии с потерями он может стать меньше ценой некоторого ухудшения изображения. При другой цветовой глубине объём тоже будет другим.

Типичные ошибки

• Считать, что любое изображение можно увеличить без потери качества. Так думают, путая вектор с растром или полагая, что программа восстановит отсутствующие детали. Проверь себя: выясни, состоит ли исходник из пикселей, и оцени его разрешение до увеличения.

• Сравнивать только расширения файлов и забывать о способе сжатия. Один формат может хранить изображение с разными настройками, а сохранение с потерями меняет данные. Проверь, требуется ли прозрачность, точная передача деталей или небольшой объём, и открой сохранённый файл для проверки.

• Путать число пикселей с размером файла. Разрешение задаёт количество точек, но объём зависит также от глубины цвета, сжатия и дополнительных данных. Для проверки оцени несжатый размер по формуле: ширина × высота × бит на пиксель, затем переведи биты в байты.

• Считать, что цвет на экране обязательно совпадёт с цветом при печати. Обычно это происходит потому, что забывают о различии RGB и CMYK и особенностях устройства вывода. Перед печатью проверь настройки цветовой модели и выполни пробную печать, если точное совпадение важно.

Связь с другими темами

Обработка графики связана с кодированием информации: пиксельные цвета переводятся в двоичные данные, а объём зависит от числа бит. Сжатие изображений опирается на общие идеи уменьшения объёма файлов, которые встречаются при изучении форматов данных. Графические редакторы также используют алгоритмы — например, для фильтрации, масштабирования и коррекции цветов.

Тема связана и с устройством компьютера: видеокарта и экран участвуют в выводе изображения, а память нужна для хранения данных и работы с ними. При подготовке иллюстраций для сайта приходится учитывать скорость загрузки, формат и качество отображения на разных экранах. Для печати важны другие параметры, поэтому графический файл выбирают с учётом конечного применения.

Что запомнить

• Растр состоит из пикселей и подходит для фотографий; при увеличении его качество может ухудшиться.

• Вектор описывается геометрическими объектами и удобен для изображений с чёткими контурами.

• Объём несжатого растра приблизительно равен ширине × высоте × глубине цвета; результат в битах нужно разделить на 8, чтобы получить байты.

• Формат и сжатие выбирают по назначению изображения: важны качество, прозрачность, размер файла и возможность дальнейшего редактирования.

• RGB обычно применяют для экранов, CMYK — для печати; после преобразования цвета могут измениться.

• Перед обработкой сохраняй исходник, а готовое изображение проверяй в условиях, для которых оно предназначено.