Predmeti > Računalništvo > Multimedija > Slikovna predstavitev - MME

Slikovna predstavitev - MME
Prispeval Rolando Lašič   
Petek, 10 April 2009 10:29
Slikovna predstavitev je osnovno orodje v medčloveškem sporazumevanju. To je naloga, ki jo naši možgani najbolje opravljajo. Kar 30 odstotkov možganskih zmogljivosti je namenjenih vizualizaciji. Zato ni presenetljiv hiter razvoj računalniške grafike, v zadnjih desetih letih.

alt

Slika 3.2: Slikovni element – grafična točka.

Za uporabo slik na računalniku, moramo sliko pretvoriti v digitalno domeno. Digitalna slika je običajno predstavljena z dvodimenzionalnim poljem, ki vsebuje podatke o grafičnih točkah slike. Grafična točka (slika 3.2) je osnovni gradnik digitalne slike in predstavlja naslovljivo slikovno piko. Podatki, pridruženi vsaki grafični točki, pa opisujejo barve, jakost barve ipd.

Tabelarični zapis slike je najpogostejši, kar pa ne pomeni, da je tak zapis tudi edini možen. Polja lahko vsebujejo npr. abstrakten zapis slike. Razlikovati moramo med podatkovnimi tipi in slikovnimi tipi. Slika je lahko shranjena v podatkovni strukturi (določenega podatkovnega tipa), iz katere s pomočjo računskega postopka generiramo sliko (vektorski način). Podatkovne tipe, uporabljene za shranjevanje slik, imenujemo grafični tipi.

Za obdelavo slik, ki so prikazane v predstavitvi, smo uporabili programsko orodje Adobe Photoshope. Manipulacija slik je podrobneje predstavljena v sami predstavitvi, kjer lahko z izbiro parametrov filtra, spreminjamo izgled slike (slika 3.3).

alt

Slika 3.3: Primer filtra Pixelite v predstavitvi. Izbrana vrednost 7, predstavlja velikost posameznega kvadrata v sliki (7x7 grafičnih točk).

Tabelarični zapis – bitna slika

Temelj katerekoli zvrsti računalniške grafike je tabelarični (tudi rasterski) zapis. To pomeni, da je slika, tako kot na TV zaslonu, sestavljena iz velike množice posameznih točk-grafičnih točk, ki so urejene v vrstice in stolpce (matriko). Ker ima človeško oko v najboljšem primeru ločljivost približno ene kotne minute (to pomeni, da pri optimalnih pogojih osvetlitve prepoznamo kot samostojne in razločne samo tiste predmete, ki v našem vidnem polju zavzemajo kot najmanj ene kotne minute), se z naraščajočo oddaljenostjo posamezne točke zlijejo v eno podobo. Rasterskih podob smo bolj vajeni, kot si morda mislimo. Televizija, časopisne fotografije, obcestni plakati.... vse to so primeri rasterskih slik. Tudi fotografije so pravzaprav skupek velikega števila grafičnih točk, le da je njihovo število neprimerno večje, kot pri večini digitalnih slik.

Prednosti bitne slike:

  • Lahko bi rekli, da je videz kakovostnih bitnih slik izjemno dober in spominja na fotografije. Svet, ki ga vidimo okoli nas, je namreč sestavljen iz množice podrobnosti, ki jih moremo z bitno sliko prikazati na zelo naraven način. Tudi človeško oko zna brez težav prepoznati takšne podrobnosti.

alt

Slika 3.4: Primer vektorske in bitne slike (povečan izsek).

  • Ker ima vsaka grafična točka določeno svojo barvo in lokacijo, lahko nad tako sliko izvedemo množico fotorealističnih učinkov, kot so senčenje, osvetljevanje, manipulacije nad določenim območjem slike itd., saj lahko obdelujemo vsako grafično točko posebej.
  • Ob naravnem videzu imajo bitne slike še eno prednost. Izhodne naprave, kot so tiskalniki namreč izdelajo sliko na enak način - s pomočjo množice obarvanih točk. Tiskanje bitnih slik je enostavno, saj zmore računalnik brez težav sporočati tiskalniku, kako naj natisne posamezne točke.

Pomanjkljivosti bitne slike:

  • Delo z bitnimi slikami zahteva precejšnje količine delovnega pomnilnika, pa tudi prostora na našem disku. Njihova velikost je lahko nekaj 10 MB, pa celo 100 MB in več.
  • Obdelava obsežnih bitnih slik s primernimi programi je večkrat zelo zahtevno opravilo. Predvsem moramo zagotoviti primerno strojno opremo (hiter procesor, dovolj delovnega pomnilnika), saj bo v nasprotnem delo počasno in utrujajoče.
  • Pri skaliranju se tabelarični zapis obnese slabše, saj hitro izgubimo kvaliteto slike (slika 3.4). Pri velikih povečavah postanejo vidne posamezne grafične točke. Predvsem opazimo ta pojav pri skaliranju manjših slik, z majhno ločljivostjo.

Vektorska slika

Vektorska grafika se od bitne grafike bistveno razlikuje. Namesto z množico točk imamo tukaj opraviti s predmeti ali objekti. Osnovni gradniki so v tem primeru matematično definirani vektorji, krožnice… Ko narišemo črto, ta to tudi ostane. Zavedati se moramo, da je zaradi narave računalniškega monitorja tudi taka črta sestavljena iz posameznih grafičnih točk. Vendar posamezne grafične točke uporabniku neposredno kot točke niso dosegljive. Črto lahko spreminjamo le kot črto: lahko jo raztegnemo, spreminjamo njeno debelino, premikamo njene končne točke…, ne moremo pa neposredno zbrisati dela že narisane črte, kar seveda lahko storimo pri tabelaričnem zapisu slike.

Zapis v vektorski obliki je mnogo bolj enostaven, saj si mora program zapomniti le nekaj osnovnih podatkov: koordinati obeh krajišč in debelino črte. Predmet - daljica je torej opisan vektorsko, na enak način pa so ti podatki poslani tudi izhodnim napravam, kot sta zaslon in tiskalnik.

Prednosti vektorske slike:

  • Najpomembnejša prednost vektorske slike je v tem, da se kakovost slike pri povečavi ali pomanjšavi ohranja (slika 3.4), saj so predmeti opisani s pomočjo matematičnih izrazov. Ne glede na to v kolikšni meri bomo povečali vektorsko sliko, bo ta še naprej gladka in ostra, kakor jo pač zmore prikazati monitor ali natisniti tiskalnik.
  • Naslednja pomembna prednost vektorske slike je v tem, da lahko spreminjamo posamezne dele slike, ne da bi s tem vplivali na preostale objekte v njej. Objekt ali več objektov najprej označimo, nato pa jih po želji spreminjamo. Objekti se lahko med seboj tudi poljubno prekrivajo. (Danes že poznamo programe za delo z bitnimi slikami, ki nam dopuščajo, da v sliki označimo določena področja in jih obravnavamo kot objekte. Ti so postavljeni v posebne ravnine in jih je moč spreminjati, ne da bi vplivali na videz preostalega dela bitne slike).
  • Manjše zahteve glede pomnilniškega prostora (nekaj KB; lahko pa tudi več MB).

Pomanjkljivosti vektorske slike:

  • Zaradi matematičnega zapisa je videz vektorske grafike bolj nenaraven.

Ločljivost

Ločljivost je gostota grafičnih točk na palec (ppi) in jo merimo v pikah na palec (dpi). Z drugimi besedami povedano, je ločljivost merilo kako blizu v sliki se nahajajo grafične točke. Večja je ločljivost bližje so točke.

Zmešnjava lahko nastane, ker točke, ki sestavljajo bitno sliko, nimajo točno določene velikosti, saj predstavlja vsaka izmed njih le delček računalnikovega spomina, kjer je shranjen podatek o njeni barvi. Točke dobijo oprijemljivo velikost šele tedaj, ko jih prikažemo na izhodnih napravah, kot sta zaslon ali tiskalnik.

Če ločljivost podvojimo (200dpi) se bodo dimenzije slike prepolovile in obratno, če ločljivost razpolovimo (50dpi) se bodo dimenzije slike podvojile.

Barvna paleta - indeksiranje

Velikokrat uporabljamo slike s pridruženo barvno paleto. Pri teh slikah je vsaka grafična točka predstavljena s številko – indeksom. Indeks služi kot kazalec na določeno barvo v tako imenovani barvni paleti (CLUT). Prednost tega načina predstavitve je v kompaktnem zapisu sorazmerno velikega števila barv. Število možnih barv je odvisno od števila bitov, ki jih imamo na voljo za zapis barvne informacije za vsako posamezno grafično točko. Če imamo za vsako grafično točko na voljo 8 bitov za zapis barvne informacije, lahko na zaslonu istočasno predstavimo 256 barv, kajti z osmimi biti lahko predstavimo indekse od 0 do 255. Poraba pomnilnika je odvisna od uporabljene ločljivosti in števila barv, ki jih želimo istočasno predstaviti na zaslonu.

alt

Slika 3.5: Indeksiranje – v tabeli zamenjamo rumeno z oranžno barvo.

Barvna tabela mora biti shranjena na tak način, da je hitro dosegljiva, saj jo program uporablja za določanje barve (npr. RGB kombinacije) vsake grafične točke (program mora za vsako grafično točko posebej skočiti v barvno tabelo, kjer so npr. zapisane vrednosti RGB, ki jih potrebujejo elektronski topovi v katodni cevi, da bi predstavili določeno barvo).

Še posebej pomembna prednost barvne palete je, da lahko spremenimo videz slike, ne da bi spreminjali sliko samo (slika 3.5). Preprosto definiramo novo paleto in vse grafične točke bodo na zaslonu prikazane v novih barvah. Ta lastnost pride prav pri postopkih, kot sta raztegovanje kontrasta in uporaba psevdobarv.

Zelo učinkovito lahko barvno paleto izkoristimo pri animaciji. V video pomnilnik narišemo predmet, ki ga želimo animirati. Vsak posamezni položaj animiranega predmeta ima drugačen barvni indeks. In naša animacija je že nared. Vse kar moramo še narediti, je, da za vsako posamezno fazo animacije naložimo v pomnilnik tisto barvno paleto, ki nam napravi viden le trenutni položaj predmeta. Predmet ima v vseh ostalih položajih barvo ozadja. Lahko si predstavljate, da je delo z barvno paleto precej enostavnejše in hitrejše, kot bi bilo spreminjanje vsake posamezne grafične točke.

Barvna globina

Globina grafičnih točk imenovana tudi bitna ločljivost ali barvna globina ali globina kanala (pixel depth, bit resolution, color depth, channel depth) določa število bitov informacije o barvi grafične točke oz. posredno informacijo o barvi, ki je pridružena vsaki grafični točki. Večja barvna globina pomeni več razpoložljivih barv za posamezno grafično piko in boljšo barvno slikovno predstavitev (slika 3.6). Običajno znašajo vrednosti: 1,2,4 ali 8 bitov, manj pogosto pa 5, 6 in 16 bitov. Informacija je lahko tudi 48 bitna.

Vpliv barvne globine na izgled slike je prikazan v predstavitvi, kjer lahko izbiramo med različnimi barvnimi globinami slike (slika 8.3).

Z večjo barvno globino narašča podatkovna velikost slike. Kot primer bomo vzeli sliko ločljivosti 640x480 in primerjali koliko pomnilnika zahteva posamezna slika.

  • Črno-bela slika
alt vsaki grafični točki je prirejen en bit z vrednostjo 1 (črna) ali 0 (bela barva)
alt potrebujemo 37,5 KB pomnilniškega prostora
alt kvaliteta take slike je slaba
  • Sivinska slika
alt vsaki grafični točki je prirejeno 8 bitov, ki lahko predstavijo 256 vrednosti
alt potrebujemo 300 KB pomnilniškega prostora
  • Slika z 8-bitno barvno globino
alt vsaki grafični točki je dodeljeno 8 bitov
alt med čez milijon razpoložljivih barv izbere 256 barv, ki najbolj ustrezajo prikazu slike
alt sliki je prirejena tabela, v kateri so shranjene te barve (indeksiranje)
alt potrebujemo 307,5 KB pomnilniškega prostora
  • Slika z 24-bitno barvo globino
alt vsaka grafična točka je predstavljena s tremi vrednostmi po 8-bitov
alt podpira 256x256x256 barv, to je 16,77 milijona barv
alt slika velikosti 640x480 zavzema 921,6 KB pomnilniškega prostora

alt

Slika 3.6: Barvna globina – črno-bela, 3-bitna ter 24-bitna barvna globina.

Barvni modeli

Barvni model lahko opišemo z neko barvno tabelo, ki definira zbirko barv prikazano v tem modelu (bitne slike). Digitalne barvne slike uporabljajo najrazličnejše kodne postopke za kodiranje barv. Postopek določitve barv imenujemo barvni model slike (ali tudi barvni prostor). Barvne modele lahko v splošnem razdelimo na: modele, vezane na predstavitve barv izhodnih enot in modele, zasnovane na teoriji človeške percepcije (zaznavanja) barv.

Ko pretvarjamo slike iz enega barvnega modela v drugega moramo imeti vedno v mislih, da s spreminjanjem barvnega modela spreminjamo barvno strukturo slike. Rezultat pretvorbe (preslikave) med barvnimi prostori je lahko bistvena razlika pri predstavitvi slike in velikosti datoteke.

alt image14.jpg (15835 bytes)

Slika 3.7: Barvni model RGB (levo) in CMY (desno).

Zakaj različni barvni prostori? Prvič zaradi različnih standardov in drugič predvsem zaradi fizikalnih lastnosti medijev za slikovne predstavitve. Npr. prikazovalniki (TV, barvni projektorji, ...) oddajajo svetlobo, tiskani mediji (papir, ...) pa barve delno odbijajo, delno pa absorbirajo.

V predstavitvi je za barvna modela RGB in CMY(K) podan primer slike, ki prikazuje vpliv posamezne barvne komponente na izgled slike.

  • Barvni model RGB: Barve so predstavljene s trojico števil, ki določajo intenzivnost rdeče (Red), zelene (Green) in modre (Blue) barve (slika 3.7). Te barve so znane kot seštevalne primarne barve, saj v primeru, ko jih dodajamo skupaj v različnih razmerjih, lahko tvorijo večino barv.

Ta model zelo dobro aproksimira model delovanja človeškega očesa. Pomemben je tudi zato, ker modelira metode, ki jih uporabljamo pri barvnih prikazovalnikih, da bi ustvarili njihove barvne učinke. Vsaka barvna komponenta lahko vsebuje vrednost od 0-255 (8-bit) (slika 3.8). Reproduciramo lahko 16,7 milijona barv. Na mestih kjer se posamezne barve prekrivajo, tvorijo tri barve cianova (Cyan), magenta (Magenta) in rumena (Yellow). Belo barvo dobimo, ko se prekrivajo vse tri barve. V tem primeru ima vsaka komponenta vrednost 255.

  • Barvni model CMY(K): Ta model uporablja komplementarne barve rdeči, zeleni in modri barvi. Komplementarne barve so: cianova barva (Cyan), ki je komplementarna rdeči, magenta (Magenta) (slika 3.7), ki je komplementarna zeleni in rumena (Yellow), ki je komplementarna modri.

Če seštejemo cianovo in rdečo barvo, dobimo belo barvo. Belo barvo dobimo tudi, če seštejemo magento in zeleno, ali pa rumeno in modro. Večina objektov, ki jih opazuje človeško oko, osvetljuje vir bele oz. sončne svetlobe. Objekt, ki je pri taki svetlobi rumen, absorbira komplementarno barvo k rumeni, tj. modro barvo. Tu tiči razlog, zakaj imenujemo cianovo, magento in rumeno barvo odštevalne primarne barve.

Prikazovalniki oddajajo svetlobo, papir pa jo delno odbija, delno pa absorbira. Če želimo iztiskati izbrano barvo, moramo uporabiti barvilo, ki absorbira vse barve, razen barve, ki jo želimo prikazati. Zato uporabljamo pri tiskalnikih barvni model CMY(K).

V primeru, ko pomešamo enake količine čiste cianove, magente in rumene barve, dobimo črno barvo. Ker barve niso nikoli povsem čiste, se uporablja tudi posebno črno barvilo, zato lahko ponekod zasledimo CMYK barvni model. Črno barvo označujemo s črko K, namesto z B (Black), da ne bi prišlo do zamenjave z modro barvo (Blue).

  • Barvni model CIE: Določanje barv z aditivnim mešanjem treh konstantnih primarnih barv je vsekakor želeni način. Žal zahteva sistem RGB uporabo negativnih koeficientov, ki predstavljajo količine primarnih barv, če hočemo dobiti vse vidne barve. Leta 1931 je Mednarodna komisija za razsvetljavo definirala tri navidezne primarne barve X, Y, Z, ki niso vidne in dejansko ne obstojajo. Če te barve aditivno kombiniramo s pozitivnimi koeficienti, lahko določimo vse svetlobne občutke, ki jih z očmi doživljamo.

Barvni diagram CIE je koristen v mnogih ozirih, med drugim zaradi tega, ker nam omogoča dejansko merjenje dominantne valovne dolžine in čistosti kakršnekoli barve, potem ko smo izračunali koeficiente X, Y in Z te barve. Nadalje lahko barvni diagram uporabljamo pri določanju in primerjavi barvnih področij različnih barvnih prikazovalnikov in kopirnih naprav.

Barvni diagram CIE ima tudi svoje slabosti. Tako razdalje med dvema razločljivima barvama znotraj barvnega diagrama sploh niso enake. Ker barvni diagram ne upošteva svetlosti, so izključeni vidni občutki, povezani s svetlostjo. Zato ne moremo prikazati npr. rjave barve, ki je pri nizki svetlosti oranžno-rdeča.

  • Barvni model YIQ: Barvni model YIQ je pomemben zato, ker ga uporabljamo pri barvni televiziji in je zato tesno povezan z barvno rastrsko grafiko. Barvni model YIQ uvedemo, da bi podatke učinkoviteje prenašali in da bi postali barvni signali kompatibilni s črno-belo televizijo.

Model YIQ konstruiramo tako, da izkorišča lastnost našega vidnega sistema, ki je bolj občutljiv na spremembo svetlosti (luminance) kot pa na spremembo barvnega odtenka ali nasičenja (hue). Y predstavlja svetlost (luminance). Ta komponenta je vidna tudi na črno-beli televiziji.

Y = 0.30R + 0.59G + 0.11B

I = 0.60R - 0.28G - 0.32B

Q = 0.21R - 0.52G + 0.31B

Barvni in alfa kanali

Splošno lahko trdimo, da vsaka slika vsebuje enega ali več barvnih kanalov, ki predstavljajo informacijo o barvnih elementih slike. Šele z združevanjem posameznih barvnih kanalov dobimo popolno informacijo o barvni vsebini slike. Npr.slika v barvnem prostoru CMYK vsebuje najmanj 4 barvne kanale: enega, ki vsebuje informacijo o barvi cian, enega, ki vsebuje informacijo o barvi magenta in še dva, ki vsak posamezno vsebujeta informacijo o rumeni in črni barvi. V tem kontekstu je barvni kanal analogen barvni vsebini posamezne plošče v procesu tiskanja.

Razen informacije o barvi (barvnih kanalih), ima lahko slika enega ali več dodatnih barvnih kanalov, ki definirajo področja mask (slika 3.9) (npr. informacije o popolni ali delni prosojnosti). Take barvne kanale imenujemo tudi alfa kanale. Slika lahko vsebuje do 24 kanalov.

image13.jpg (17567 bytes) image17.jpg (19338 bytes)

Slika 3.9: Maska omogoča izvajanje učinkov nad označenim delom slike.

Slikovni formati

Obstaja veliko slikovnih formatov. Vsak od njih ima svoje prednosti, pa tudi slabosti. Najpogostejši formati so: TIFF, GIF, JPEG, PNG, PCD, BMP in WMF (Windows) ter PICT (Macintoshes).

  • TIFF format je mogoče najti na najrazličnejših računalnikih. Podpira jo ga številni programi za DOS/Windows, Apple, Next. Tudi na SGI je našel svoj dom. Format TIFF, ni popolnoma prenosljiv med PC in Macintosh računalniki. Podatki so v datoteki urejeni na drugačen način, in ko odpremo PC TIFF datoteko na Macintosh-u je slika razmetana (in obratno). TIFF podpira do 24 bitov na grafično točko in veliko različnih možnosti zgoščevanje (Lempel-Ziv-Welch, Huffman, Fax group 3 in 4, Pack Bits), novejša različica pa omogoča še shranjevanje alfa kanala. Pomembna prednost formata TIFF je tudi možnost shranjevanja različnih barvnih modelov (RGB, CMYK, Hue).
  • GIF format je razvil CompuServe, predvsem za prenos slik preko omrežja. GIF format uporablja indeksiranje (barvna paleta), zato je bolj kompakten (majhne velikosti datotek). Za indeksiranje uporablja 8 bitov, kar pomeni, da omogoča največ 256 različnih barv ali odtenkov sivin. GIF format uporablja tudi zgoščevanje, kar omogoča še manjše velikosti datotek (nekaj KB). Primeren je za prenos slik preko omrežja, neprimeren pa za profesionalne aplikacije.

Nekatere različice GIF formata omogočajo še transparentnost in prepletanje. Transparentna GIF slika je lahko prikazana tako, da ozadje ni vidno. V prepletenem načinu se slika shranjuje in nalaga v štirih prehodih. Ob vsakem prehodu se shrani le vsaka četrta vrstica. Zato je taka slika v začetku nejasna in se nato z vsakim prehodom izostri.

  • JPEG format je v bistvu zbirka standardov za zgoščevanje slik. Ti standardi so se v industriji zelo razširili, datoteke, ki so zgrajene po teh standardih pa imenujemo datoteke JPEG. Pri zgoščevanju JPEG lahko nastavimo stopnjo zgoščevanja slike. Od nastavljene stopnje je odvisno, kolikšna količina informacij bo izgubljena. JPEG, namreč del informacij enostavno zbriše. Do nekako srednje stopnje zgoščevanja izguba informacij ni opazna, če gre za sliko z malo podrobnostmi. Nasplošno daje JPEG zgoščevanje dobre rezultate, tudi pri slikah z veliko podrobnostmi in veliko barvami (RGB - 8-bitov na kanal).

Format JPEG omogoča visoke stopnje zgoščevanja podatkov. Slike shranjene v formatu JPEG, zavzemajo tudi do desetkrat manj prostora kot nezgoščene. Bolj podroben opis JPEG zgoščevanja je prikazan v predstavitvi v poglavju o stiskanju slike.

  • PNG format je razvil Thomas Boutell, kot drugo generacijo datotečnega slikovnega formata za uporabo v omrežju. Format PNG skuša odpraviti pomanjkljivosti formata GIF in JPEG. PNG lahko uporabi transparentnost. Vendar za razliko od GIF formata, PNG ponuja 8-bitno transparentnost, imenovano »alfa kanal«. PNG slike lahko shranimo v indeksnem načinu kot pri GIF formatu, pri 24-bitni barvni globini kot pri formatu JPEG ali celo v 30-bitni barvni globini. PNG slike omogočajo tudi zgoščevanje. Vendar za razliko od JPEG formata, omogoča zgoščevanje brez izgube informacije. Čeprav je ta format relativno nov, ga podpirata tako brskalnika Netscape Comunicator, kot Microsoft Internet Explorer.
  • Tako Okna (Windows) kot Macintosh imata svoja slikovna formata. BMP je bitni slikovni format za Okna, ki ga uporablja za risanje in grafiko. PICT (»picture«) je standardni slikovni format za Macintosh. PICT je meta format. PICT slike lahko kot opcijo vsebujejo tudi JPEG zgoščevanje.

Zgornje besedilo je bilo preneseno iz spletne strani:

http://www.elektronika-ldis.uni-mb.si/arthur1/Praktikum%20IIa/default.htm

 

Strani ureja RL.