Обработка графических данных

Определения и обозначения

Растровое изображение состоит из отдельных точек — пикселей, каждый из которых имеет свой цвет. Если смотреть на него издали, точки сливаются в цельную картинку, а при сильном увеличении становятся заметны. Такое представление удобно для передачи фотографий и сложных цветовых деталей. Оно помогает понять, почему качество растра связано с числом точек.

Векторное изображение строится из геометрических объектов: например, линий, окружностей и многоугольников. Объекты задаются параметрами — координатами, размерами, цветом и толщиной линии. При масштабировании компьютер пересчитывает эти параметры, поэтому изображение сохраняет чёткость. Векторный способ полезен там, где картинку приходится часто менять в размере.

Пиксель — минимальный элемент растрового изображения, которому назначается цвет. Экранная картинка складывается из множества таких элементов, расположенных рядами и столбцами. Чем больше пикселей приходится на изображение одинакового размера, тем больше мелких деталей можно в нём передать. Понятие пикселя нужно и для описания размеров картинки, и для подсчёта объёма данных.

Разрешение изображения — количество пикселей по ширине и высоте, например 800 × 600. Общее число пикселей находят умножением этих величин; при прочих равных большее число точек позволяет сохранить больше деталей. Но пиксели требуют памяти, поэтому увеличение разрешения может увеличить объём файла. Разрешение не следует путать с числом цветов: за него отвечает цветовая глубина.

Как это устроено

Чтобы показать растровую картинку, компьютер хранит сведения о пикселях и их расположении в строках и столбцах. При выводе на экран программа назначает каждому элементу нужный цвет. Векторная картинка хранится иначе: в файле записываются объекты и параметры, из которых она составлена. Компьютер строит изображение по этому описанию, поэтому может пересчитать его для другого масштаба.

Цвет пикселя представляется двоичными данными — последовательностью нулей и единиц. Количество бит, выделенных на цвет одного пикселя, называют цветовой глубиной. При b битах можно закодировать 2ᵇ разных значений: например, 1 бит даёт 2 варианта, а 8 бит — 256. Чем больше бит, тем больше оттенков можно различить, но на хранение каждого пикселя требуется больше данных.

Объём растровых данных без сжатия зависит сразу от числа пикселей и цветовой глубины. Если изображение имеет ширину W и высоту H, в нём W × H пикселей; при b битах на пиксель потребуется W × H × b бит. Значит, увеличение разрешения добавляет пиксели, а увеличение глубины цвета — данные для каждого пикселя. В реальном файле размер может отличаться из-за сжатия и служебной информации.

В растровом редакторе можно менять цвета пикселей, выделять участки, обрезать изображение и применять эффекты. В векторном редакторе обычно изменяют сами объекты: перемещают фигуры, меняют их размеры, контуры и заливку. При увеличении растра прежнее число пикселей растягивается на большую область, поэтому отдельные точки становятся видимыми. Векторная картинка пересчитывается по параметрам объектов и потому не теряет чёткости из-за масштабирования.

Способ представления выбирают по тому, какие свойства важны для конкретной задачи. Фотография содержит множество мелких цветовых деталей, поэтому её удобно хранить в растровом виде. Схема или логотип часто состоят из чётких линий и простых фигур, которые нужно менять в размере, — здесь удобен вектор. Для рисунка выбор зависит от его содержания: свободные мазки и текстуры проще передавать растром, а геометрические формы — вектором.

Сравнение растровых и векторных изображений

Сравнивая изображения, сначала определите, что важнее: передача множества цветовых деталей или чёткость при изменении размера. Затем посмотрите, из чего состоит картинка и как она хранится. Эта таблица помогает выбрать подходящий способ, но не означает, что один из них всегда лучше другого.

Разбор задач

Задача 1. На изображении размером 800 × 600 пикселей нужно определить общее число пикселей. Слова «по ширине» и «по высоте» указывают на два измерения, поэтому нельзя складывать их или выбирать только одно. Каждый пиксель занимает отдельное место в сетке изображения. Чтобы получить число таких мест, умножим число столбцов на число строк.

1. Записываем количество пикселей по ширине: 800.
2. Записываем количество пикселей по высоте: 600.
3. Вычисляем общее число: 800 × 600 = 480 000.

Ответ: 480 000 пикселей.

Задача 2. Изображение 100 × 100 пикселей кодируется 8 битами на пиксель. Найдём объём данных без сжатия и служебной информации. Сначала определим число пикселей, а затем учтём, что для каждого из них записывается 8 бит. Если требуется ответ в байтах, переведём единицы: в одном байте 8 бит.

1. Находим число пикселей: 100 × 100 = 10 000.
2. Умножаем на глубину цвета: 10 000 × 8 = 80 000 бит.
3. Переводим в байты: 80 000 ÷ 8 = 10 000 байт.

Ответ: 80 000 бит, или 10 000 байт (без сжатия и служебных данных).

Задача 3. Нужно выбрать способ представления для фотографии и логотипа. У фотографии много мелких деталей, переходов и оттенков, поэтому важно сохранить цвета отдельных участков. Логотип обычно образован несколькими линиями и фигурами, а его часто печатают или показывают в разных размерах. Значит, при выборе нужно учесть не только вид изображения, но и то, как его будут использовать.

1. Для фотографии выбираем растровое представление: оно подходит для сложных цветовых деталей.
2. Для логотипа выбираем векторное представление: геометрические объекты можно масштабировать без потери чёткости.
3. Проверяем назначение: если логотип содержит сложную текстуру или готовится только в одном размере, требования могут повлиять на выбор формата.

Ответ: фотографию обычно представляют как растр, а логотип — как вектор, чтобы удобно менять его размер.

Типичные ошибки

Ошибка — считать разрешение количеством цветов. Её допускают, потому что оба понятия описывают свойства изображения, но разрешение говорит о числе пикселей по ширине и высоте, а цветовая глубина — о количестве бит на пиксель. Чтобы проверить себя, посмотрите, записано ли значение как размеры, например 800 × 600, или как число бит на цвет. Не подменяйте одно другим при вычислениях.

Размеры картинки в пикселях — не то же самое, что размер файла. Иногда считают, что записи 100 × 100 достаточно, чтобы узнать объём, но при разной цветовой глубине данные для каждого пикселя занимают разное место. Кроме того, на размер влияет способ хранения. Проверьте, указано ли в задаче количество бит на пиксель и требуется ли учитывать сжатие.

Растровое изображение не остаётся чётким при любом увеличении. Ожидание обратного возникает из-за того, что на экране картинка сначала выглядит цельной, а отдельные пиксели не видны. При увеличении точки занимают больше места и становятся заметными. Проверить себя можно так: приблизить изображение и посмотреть, не проявились ли ступенчатые границы или крупные квадраты.

Неверно считать, что векторное изображение всегда занимает меньше места. Простая фигура действительно может описываться коротко, но сложная иллюстрация с большим количеством объектов и параметров потребует больше данных. Размер зависит от сложности изображения, а не только от того, что оно векторное. Сравнивайте файлы одинакового назначения и учитывайте, что растр тоже может сжиматься.

Связь с другими темами

Чтобы понимать хранение изображений, нужно знать, как информация кодируется битами и байтами: именно из двоичных данных складывается описание пикселей. Координаты и геометрические фигуры помогают представить, как в векторном изображении задаются положение и форма объектов. Эти знания пригодятся при работе в графических редакторах, подготовке картинок для документов и сайтов, а также при изучении кодирования данных. Они помогают осознанно выбирать формат и оценивать, сколько места изображение может занять.

Что запомнить

• Растровое изображение состоит из пикселей.
• Векторное изображение задаётся геометрическими объектами и их параметрами.
• Разрешение растрового изображения — число пикселей по ширине и высоте.
• Цветовая глубина показывает, сколько бит используется для кодирования цвета пикселя.
• Увеличение растрового изображения может сделать его менее чётким.
• Способ представления изображения выбирают с учётом его назначения.