617_Zabelin_L.JU._Osnovy_komp'juternoj_grafiki_

нить вполне приемлемое качество изображения при минимальном размере итогового файла.

Формат JPEG пригоден в подавляющем большинстве случаев только для публикации полноцветных изображений, типа фотографических, в интернете.

Формат TIFF был разработан компанией Aldus как универсальный формат для хранения растровых изображений, TIFF достаточно широко используется в издательских системах, требующих изображения наилучшего качества. Возможность записи изображений в формате TIFF является одним из признаков высокого класса современных цифровых фотокамер.

Формат PSD является стандартным форматом пакета Adobe Photoshop и отличается от большинства обычных растровых форматов возможностью хранения слоев (layers). Он содержит много дополнительных переменных и сжимает изображения, используя алгоритм сжатия без потерь RLE Packbits, иногда даже сильнее, чем PNG (только в тех случаях, когда размеры файла измеряются не в килобайтах, а в десятках или даже сотнях мегабайт). Формат поддерживает глубины цвета, вплоть до 16 бит на канал (48-битные цветные и 16-битные чер- но-белые), а также альфа-каналы, слои, контуры, прозрачность, векторные надписи и т. п. Прекрасно подойдет для переноса или хранения изображений, содержащих специфические, свойственные только Adobe Photoshop, элементы. Файлы PSD свободно читаются большинством популярных просмотрщиков.

5.2. Векторные графические форматы

Стандартом стали файловые форматы двух наиболее популярных профессиональных графических пакетов – Adobe Illustrator и CorelDRAW [14].

Первый из них, AI, поддерживают практически все программы, связанные с векторной графикой. Этот формат является наилучшим посредником при передаче изображений из одной программы в другую. Он отличается наибольшей стабильностью и совместимостью с языком PostScript, на который ориентируются практически все издательско-полиграфические приложения.

Формат CDR, основной рабочий формат популярного пакета CorelDRAW, являющимся лидером в классе векторных графических редакторов на платформе РС. В этом формате применяется раздельная компрессия для векторных и растровых изображений, в нем внедрятся шрифты, файлы CDR имеют огромное рабочее поле 45х45 метров, поддерживается многостраничность.

Adobe PostScript – язык описания страниц (язык управления лазерными принтерами) фирмы Adobe. Был создан в 80-х годах для реализации принципа

WYSIWYG (What You See is What You Get). Файлы этого формата фактически представляют собой программу с командами на выполнение для выводного устройства. Они имеют расширение .ps или, реже, .prn и получаются с помощью функции Print to File графических программ при использовании драйвера PostScript-принтера. Такие файлы содержат в себе сам документ (только то, что располагалось на страницах), все связанные файлы (как растровые, так и векторные), использованные шрифты, а так же другую информацию: цветоделе-

31

ние, дополнительные платы, линиатуру растра и форму растровой точки для каждой платы, и другие данные для выводного устройства. Если файл закрыт правильно, не имеет значения, на какой платформе он делался, были использованы шрифты True Type или Adobe Type 1 – все равно.

Растровые данные, как правило, записываются в двоичной кодировке (Binary). Бинарный код занимает вдвое меньше места, чем ASCII. Кодировка ASCII иногда требуется для передачи файлов через сети, для кроссплатформенного обмена, для печати через последовательные кабели. В приведенных случаях двоичная кодировка может исказиться (что сделает файл нечитаемым) или вызвать "странное" поведение файл-сервера. Эти проблемы давно изжиты в современных системах, но старые компьютеры и серверы бывают им подвержены. Сказанное относится ко всем форматам, основанным на языке PostScript: EPS и PDF, которые описываются ниже.

Формат Encapsulated PostScript можно назвать самым надежным и универсальным способом сохранения данных. Он использует упрощенную версию PostScript: не может содержать в одном файле более одной страницы и не сохраняет ряд установок для принтера. Как и в файлы печати PostScript, в EPS записывают конечный вариант работы, хотя такие программы, как Adobe Illustrator и Adobe Photoshop могут использовать его как рабочий. Формат EPS предназначен для передачи векторов и растра в издательские системы, создается почти всеми программами, работающими с графикой. Использовать его имеет смысл только тогда, когда вывод осуществляется на PostScript-устройстве. EPS поддерживает все необходимые для печати цветовые модели, например Duotone или RGB, обтравочный контур, информацию и треппинге и растрах, внедренные шрифты. В формате EPS сохраняют данные в буфере обмена (Clipboard) программы Adobe для обмена между собой.

Вместе с файлом можно сохранить эскиз (image header, preview). Это копия низкого разрешения в формате PICT, TIFF, JPEG или WMF, которая сохраняется вместе с файлом EPS и позволяет увидеть, что внутри, поскольку открыть файл на редакцию могут только Photoshop и Illustrator. Все остальные импортируют эскиз, подменяя его при печати на PostScript-принтере оригинальной информацией. На принтере, не поддерживающем PostScript, выводится на печать сам эскиз. Если вы работаете на Photoshop для Макинтош, сохраняйте эскизы в формате JPEG, остальные маковские программы сохраняют эскизы в формате PICT. Эти и JPEG-эскизы не могут использовать Windowsприложения. Если вы работаете на PC или не знаете, где будет использоваться файл, сохраняйте эскиз в формате TIFF (когда предоставляется выбор). CorelDRAW так же предлагает для эскиза векторный формат WMF, стоит очень осторожно пользоваться этим детищем Microsoft – до добра не доведет.

Изначально EPS разрабатывался как векторный формат, позднее появилась его растровая разновидность – Photoshop EPS. Кроме типа эскиза (TIFF, PICT, JPEG) Photoshop дает возможность выбрать способ кодирования данных. ASCII, Binery и JPEG. Первые два описывались выше, на JPEG стоит остановиться.

32

EPS имеет много разновидностей, что зависит от программы-создателя. Самые надежные EPS создают программы производства Adobe Systems: Photoshop, Illustrator, InDesign. С 1996 года программы Adobe имеют встроен-

ный интерпретатор PostScript, поэтому могут открывать EPS и редактировать их. Эта возможность представляется мне очень важной. Остальные графические редакторы открывать EPS не могут, мало того, создаваемые ими EPSфайлы иногда оказываются, мягко говоря, особенными. Среди самых проблем-

ных Quark EPS, создаваемый функцией Save Page As EPS и FreeHand editable EPS, создаваемый функцией Save As. Не стоит особенно доверять Corel’овским

EPS версии 6 и ниже и EPS из CorelXARA. У EPS-файлов из CorelDRAW 7 и

выше сохраняется проблема добавления полей к Bounding Box (условный прямоугольник в PostScript, описывающий все объекты на странице). Прежде, чем экспортировать из CorelDRAW, CorelXARA и, в меньшей степени, из FreeHand'а EPS-файлы стоит конвертировать многие эффекты программ (полупрозрачные заливки, например) в растровые или простые векторные объекты. Толстые контуры (более 2 pt), возможно, имеет смысл конвертировать в так же объекты, когда программа дает такую возможность. Проверить EPS-файл можно Adobe Illustrator'ом, если он открывает – значит все в порядке [11].

Формат PDF предложен фирмой Adobe как независимый от платформы формат для создания электронной документации, презентаций, передачи верстки и графики через сети.

PDF-файлы создаются путем конвертации из PostScript-файлов или функцией экспорта ряда программ. Photoshop и Illustrator могут создавать одностраничные файлы PDF. Illustrator 8, как это ни странно для программы Adobe, имеет проблему со встраиванием шрифтов. Photoshop же выпускает PDF отличного качества. Многостраничные PDF могут создавать InDesign, FreeHand 7–9,

PDFWriter и Acrobat Distiller некоторые другие программы. PDFWriter работает как виртуальный принтер. Он не основан на PostScript и не может корректно обрабатывать графику, PDFWriter предназначен для быстрого изготовления простых текстовых документов. У него наблюдается та же проблема со встраиванием шрифтов, что и у Illustrator'а. FreeHand, так же, не может внедрять шрифты. Самые надежные и максимально близкие к оригиналу PDF создает из PostScript и EPS-файлов программа Acrobat Distiller, поставляемая в пакете

Adobe Acrobat и вместе и PageMaker'ом.

PDF первоначально проектировался как компактный формат электронной документации. Поэтому все данные в нем могут сжиматься, причем к разным типам информации применяются разные, наиболее подходящие для них типы сжатия: JPEG, RLE, CCITT, ZIP (похожее на LZW и известное еще как Deflate).

Программа Acrobat Exchange 3 (которая в 4-й версии стала называться просто Acrobat 4.0) позволяет расставлять гиперссылки, заполняемые поля, включать в файл PDF видео и звук, другие действия.

PDF все больше используется для передачи по сетям в компактном виде графики и верстки. Он может сохранять всю информацию для выводного

33

устройства, которая была в исходном PostScript-файле. Это касается PDF версий 3 и 4.

Текстовый формат RTF (Microsoft Rich Text Format) попал сюда за свои неординарные способности к переносу текстов из одной программы в другую. Он позволяет передавать форматированный текст из программ оптического распознавания символов или текстовых редакторов в графические программы или в любых других направлениях. RTF может оказаться хорошим решением (а, иногда, и единственным выходом) при переброске из программы в программу нелатинского, например, ивритского текста или русского в Windows 95/98

Hebrew Edition.

6.Методы компрессии и сжатия изображений

Всамом начале разделим существующие методы сжатия изображений на две условные категории – на архивацию (сжатие), и на компрессию (конвертирование). Разница между этими способами в том, что второй не подразумевает полного восстановления исходного сохраненного изображения в полном каче-

стве [20].

Вначале рассмотрим несколько алгоритмов сжатия данных, которые не вносят изменения в исходные файлы и гарантируют полное восстановление данных.

RLE (Run – length encoding) – метод сжатия данных, при котором одинаковые последовательности одних и тех же байт заменяются однократным упоминанием повторяющегося байта (или целой цепочки байтов), и числа его повторений в исходных данных. Например, строка типа 0100 0100 0100 0100 0100 0100 0100 0100, описывающая некую группу пикселов будет заменена на запись типа 0100 х 8, и т.д. Применяется этот тип сжатия в тех случаях, когда изображение имеет большие участки одинакового цвета, цифровое представление которых идентично. В основном, этот тип сжатия применим для монохромных изображений, сохраненных в цветовой модели Bitmap, где при сжатии данных с его использованием можно добиться наилучших результатов. Для сжатия других типов данных (в том числе, и не графических) алгоритм применим, но малоэффективен, так как сжимаемые данные должны иметь простую повторяющуюся структуру). Этот алгоритм имеет еще одно важное преимущество, заключающееся в его относительной простоте, что позволяет быстро производить распаковку из этого формата и упаковку в этот формат (как вы помните, все графические данные для их обработки должны быть предварительно распакованы, а любая компрессия или архивация применяется, в основном, для временного или постоянного хранения файла). В принципе, на основе этого несложного алгоритма, работают более совершенные и более сложные (а также, менее быстрые) методы упаковки графических данных, которые мы рассмотрим ниже. Этот метод сжатия графических данных используется в файлах формата PSD, BMP и других.

CCITT Group 3, CCITT Group 4 – Два похожих метода упаковки графических данных, работающие с однобитными изображениями, сохраненными в

34

цветовой модели Bitmap. Основаны на поиске и исключении из исходного изображения дублирующихся последовательностей данных (как в предыдущем типе сжатия, RLE). Различием является лишь то, что эти алгоритмы ориентированы на упаковку именно растровой графической информации, так как работают с отдельными рядами пикселов в изображении. Изначально алгоритм был разработан для сжатия данных, передаваемых через факсимильные системы связи (CCITT Group 3), а более совершенная разновидность этого метода архивации данных (CCITT Group 4) подходит для записи монохромных изображений с высокой степенью сжатия. Как и предыдущий алгоритм, он, в основном, подходит для сжатия изображений с большими одноцветными областями. Его достоинством является скорость выполнения, а недостатком – ограниченность применения для компрессии графических данных (не все данные удается, таким образом, эффективно упаковать). Этот метод сжатия графических фанных испольуется в файлах формата PDF, PostScript и других.

LZW (Lemple-Zif-Welch) – алгоритм архивации, основанный на поиске и замене в исходном файле одинаковых последовательностей данных, для их исключения, и уменьшения размера архива. В отличие от предыдущих рассмотреных методов сжатия, в данном случае производится более интеллектуальный просмотр сжимаемого одержимого, для большей степени сжатия данных. Данный тип компрессии не вносит искажений в исходный графический файл, и подходит для сжатия растровых данных любого типа – монохромных, черно - белых, или полноцветных. Наилучшие результаты получаются при компрессии изображений с большими областями одинакового цвета или изображений с повторяющимися одинаковыми структурами. Этот метод позволяет достичь одну из наилучших степеней сжатия среди других существующих методов сжатия графических данных, при полном отсутствии потерь или искажений в исходных файлах. Этот метод сжатия графических фанных испольуется в файлах формата

TIFF, PDF, GIF, PostScript и других.

ZIP – метод сжатия данных, аналогичный методу, использованному в популярном алгоритме архивации PKZip. В основу метода сжатия положен метод, аналогичный LZW. Как и предыдущий метод сжатия данных, этот способ не вносит искажений в исходный файл, и лучше всего подходит для компрессии графических данных с одинаковыми одноцветными или повторяющимися областями. Этот метод сжатия графических фанных испольуется в файлах формата PDF, TIFF и некоторых других.

А теперь рассмотрим алгоритмы и методы сжатия данных, которые вносят изменения в исходные файлы, показывая при этом более высокую степень упаковки графических изображений.

JPEG (Joint Photographic Experts Group) – метод, используемый для хра-

нения полутоновых и полноцветных изображений, позволяющий добиться наивысшей степени сжатия и минимальный размер выходного файла. Основан алгоритм на особенностях восприятия человеческим глазом различных цветов, и достаточно громоздок с вычислительной точки зрения, так как занимает много процессорного времени. Происходит кодирование файла в несколько этапов.

35

Во-первых, изображение условно разбивается на несколько цветовых каналов, для дальнейшего анализа. Затем, изображение разбивается на группы, по 64 пиксела в каждой группе, которые представляют собой квадратные участки изображения размером 8х8 пикселов, для дальнейшей обработки. Затем, цвет пикселов специальным образом кодируется, исключается дублирующая и избыточная информация, причем при описании цвета большее внимание уделяется скорее яркостной, чем цветовой составляющей, так как человеческий глаз воспринимает больше изменения яркости, чем конкретного цветового тона. Полученные данные сжимаются по RLE или LZW – алгоритму, для получения еще большей компрессии. В результате, на выходе мы получаем файл, иногда в десятки раз меньший, чем его несжатый аналог. Однако, чем меньше размер выходного файла, тем меньше степень аккуратности при работе программы - конвертора, и, соответственно, ниже качество выходного изображения. Обычно, в программах, позволяющих сохранять растровые данные, возможно задание некоего компромисса между объемом выходного файла и качеством изображения. При наивысшем качестве, объем выходного файла в 3-5 раз меньше исходного незапакованного. При наименьшем – меньше исходника в десятки раз, при этом качество изображения не позволяет его где-либо использовать. Как правило, для сохранения достойного уровня качества, используют наивысшую из возможных степеней качества. Данный формат предназначен для хранения, в основном, фотографических изображений с большим количеством оттенков и цветовых переходов, и практически не подходит для хранения однотонных изображений типа кадров из мультфильмов (сжатие будет слишком низким, или качество картинки окажется просто неприлично низким). Этот метод сжатия графических данных испольуется в файлах формата PDF, PostScript, собственно, JPEG и других.

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.

Изменение разрешения растрового файла. Файл с разрешением 600 точек на дюйм больше своего аналога разрешением в 300 точек в четыре раза, а качество печати при повышенном разрешении не всегда будет выше, нем при номинальном его значении. Так что если разрешение избыточно, можете его понизить. Понижение разрешения растрового файла – необратимый процесс, и никакя интерполяция потом потерянные пикселы не восстановит. Так что при задании необходимого разрешения также будьте внимательны и рациональны. Следует учесть, что параметр разрешения контуров применительно к векторной графике не имеет отношения к объему выходного файла (это уже несколько

36

другое разрешение и несколько другое понятие), а влияет на аккуратность "прорисовки" вектора при его растеризации в устройстве, где производится печать. Так что уменьшение этого параметра для векторной графики не уменьшит объем ваших файлов, а только ухудшит качество печати.

Ресемплирование (изменение глубины цвета растрового изображения) –

это изменение начальной глубины цвета файла. Некоторые оцифровывающие устройства выдают растровую информацию с глубиной цвета, превышающую достаточное для печати значение 8 бит на канал. Это иногда оправдано, так как большее значение бит на канал позволяет задавать большее число градаций цвета, что требуется, например, при сильной, "кардинальной" цветокоррекции – сильном осветлении или затенении отдельных участков. Однако, в большинстве случаев для хранения растровых данных в различных цветовых моделях с лихвой достаточно глубины цвета 8 бит на канал. Кроме того, один из стандартов JPEG - сжатия для RGB изображений подразумевает использование разного количества бит для разных цветовых составляющих (наименьшее количество бит используется для зеленого канала, так как человеческий глаз различает в нем минимальное число оттенков). Также большинство фильтров Adobe Photoshop рассчитано на работу с изображениями с глубиной цвета именно 8 бит (с изображением, использующим нестандартную глубину цвета, становится практически невозможно работать, так как большинство фильтров рассчитаны на значение глубины цвета в 8 бит).

Для различных типов изображений, которые могут быть составляющими частями файла PostScript – полноцветные (color bitmap), полутоновые чернобелые (grayscale) и для штриховых объектов (bitmap, 1 bit per pixel) указаны различные установки параметров сжатия, являющиеся оптимальными для создания PDF - документа, оптимизированного для печати и сжатого с минимальными потерями качества. В качестве параметра сжатия изображения выбрана альтернатива JPEG с максимально возможным качеством. Выходное разрешение растровых полноцветных изображений выбрано не более 300 точек на дюйм. И в случае превышения указанного предельного разрешения к изображению будет применен алгоритм бикубической интерполяции с понижением разрешения (bicubic downsampling) – это наиболее медленный, но и наиболее качественный алгоритм интерполяции, т. е. получения пиксела на основе цветов окружающих этот пиксел участков. Кроме этого алгоритма, возможно указать алгоритмы Average downsampling (усреднение значения цвета пикселов) и Subsampling (полное отсутствие интерполяции, берется один из пикселов, и его цвет устанавливается как увет всего участка изображения). Естественно, последний вариант работает быстрее всех, но и с наименьшим качеством выходного изображения. Для черно – белых полутоновых изображений (grayscale) установки интерполояции, предельного разрешения и метода сжатия аналогичны предыдущему примеру. Для монохромных изображений, заданных в цветовой модели Bitmap с глубиной цвета 1 бит на пиксел параметры несколько другие.

37

7. Методы улучшения растровых изображений

Рассмотрим некоторые из существующих методов улучшения качества изображений, которые основываются на субъективном восприятии разрешающей способности и количества цветов. При одних и тех же значениях технических параметров устройства графического вывода можно создать иллюзию увеличения разрешающей способности или количества цветов. Причем субъективное улучшение одной характеристики происходит за счет ухудшения другой.

7.1Устранение ступенчатого эффекта

Врастровых системах при невысокой разрешающей способности (меньше 300 dpi) существует проблема ступенчатого эффекта (aliasing). Этот эффект особенно заметен на наклонных линиях – при большом шаге сетки растра пиксели образуют как бы ступени лестницы [21].

Рисунок 7.1.1. – Ступенчатый эффект aliasing

Рассмотрим это на примере отрезка прямой линии. Вообще говоря, растровое изображение объекта определяется алгоритмом закрашивания пикселей, соответствующих площади изображаемого объекта. Различные алгоритмы могут дать существенно отличающиеся варианты растрового изображения одного и того же объекта. Можно сформулировать условие корректного закрашивания следующим образом – если в контур изображаемого объекта попадает больше половины площади ячейки сетки растра, то соответствующий пиксель закрашивается цветом объекта (С), иначе – пиксель сохраняет цвет фона (Сф).

На рисунке 7.1.2. показано растровое изображение толстой прямой линии, на которое для сравнения наложен идеальный контур исходной линии.

Рисунок 7.1.2. – Растровое изображение толстой прямой линии

Устранение ступенчатого эффекта называется по-английски antialiasing. Для того чтобы растровое изображение линии выглядело более гладким, можно

38

цвет угловых пикселей «ступенек лестницы» заменить на некоторый оттенок, промежуточный между цветом объекта и цветом фона. Будем вычислять цвет пропорционально части площади ячейки растра, покрываемой идеальным контуром объекта. Если площадь всей ячейки обозначить как S, а часть площади, покрываемой контуром, – Sx, то искомый цвет равен

На рисунке 7.1.3 показано сглаженное растровое изображение, построенное указанным выше методом.

Рисунок 7.1.3. – Сглаженное растровое изображение

Методы получения сглаженных растровых изображений можно разделить на две группы. Первую группу составляют алгоритмы генерации сглаженных изображений отдельных простейших объектов – линий, фигур, а другую группу методов сглаживания составляют методы обработки уже нарисованного изображения.

Для сглаживания растровых изображений часто используют алгоритмы цифровой фильтрации. Один из таких алгоритмов – локальная фильтрация. Она осуществляется путем взвешенного суммирования яркостей пикселей, расположенных в некоторой окрестности текущего обрабатываемого пикселя. Можно представить себе, что в ходе обработки по растру скользит прямоугольное окно, которое выхватывает пиксели, используемые для вычисления цвета некоторого текущего пикселя. Если окрестность симметрична, то текущий пиксель находится в центре окна.

Рисунок 7.1.4. – Локальная фильтрация

39

Базовую операцию такого фильтра можно представить так:

где Р – значение цвета текущего пикселя; F – новое значение цвета пикселя;

К – нормирующий коэффициент; М – двумерный массив коэффициентов, который определяет свойства

фильтра (обычно этот массив называют маской).

Размеры окна фильтра: ( ( jmax jmin 1) по горизонтали и (imax imin 1) по вертикали. При imin , jmin 1 и imax , jmax 1 имеем фильтр с окном 3x3, который часто используется на практике.

Для обработки всего растра необходимо произвести указанные выше вычисления для каждого пикселя. Если в ходе обработки новые значения цвета пикселей записываются в исходный растр и вовлекаются в вычисления для очередных пикселей, то такую фильтрацию называют рекурсивной. При нерекурсивной фильтрации в вычисления вовлекаются только прежние значения цвета пикселей. Нерекурсивность можно обеспечить, если новые значения записывать в отдельный массив.

При сглаживании цветных изображений можно использовать модель RGB и производить фильтрацию по каждой компоненте.

С помощью локальной цифровой фильтрации можно выполнять достаточно разнообразную обработку изображений – повышение резкости, выделение контуров и многое другое.

7.2. Дизеринг

Хорошо, когда растровое устройство отображения может прямо воссоздавать тысячи цветов для каждого пикселя [21]. Не так давно это было проблемой даже для компьютерных дисплеев (а точнее – для видеоадаптеров). Современные растровые дисплеи достаточно качественно отображают миллионы цветов, благодаря чему без проблем можно отображать цветные фотографии. Но для растровых устройств, которые печатают на бумаге, положение совсем другое. Устройства печати обычно имеют высокую разрешающую способность (dpi), часто на порядок большую, чем дисплеи. Однако нельзя непосредственно воссоздать даже сотню градаций серого для пикселей черно-белых фотографий, не говоря уже о миллионах цветов. Вы можете возразить, что в любой газете или журнале мы видим иллюстрации. Возьмите лупу и посмотрите, например, на изображение любой напечатанной фотографии. В большинстве случаев можно увидеть, что оттенки цветов (для цветных изображений) или полутоновые градации (для черно-белых) имитируются комбинированием, смесью точек. Чем качественнее полиграфическое оборудование, тем меньше отдельные точки и расстояние между ними.

40