3.4. Представление графических данных

Как и любая другая информация, графические данные хранятся, обрабатываются и передаются в закодированном двоичном ко­де, т.е. в виде большого числа бит — нулей и единиц.

Существуют два принципиально разных подхода к представлению (оцифровке) графических данных:

• растровый;

• векторный.

Для оцифровки графических изображений при растровом представлении вся область данных разбивается на множество точеч­ных элементов— пикселей, каждый из которых имеет свой цвет. Совокупность пикселей называется растром, а изображения, которые формируются на основе растра, называются растровыми. Число пикселей по горизонтали и вертикали изображения определяет разрешение изображения. Стандартными являются значения 640x480, 800x600, 1024x768, 1280x1024 и др. Каждый пиксель нумеруется, начиная с нуля, слева направо и сверху вниз. Пример представления треугольной области растровым способом показана на рис. 3.1.

горизонтальное расширение пиксель

Рис. 3.1. Модель растрового представления графических данных

Очевидно, что чем больше разрешение, тем точнее будут формироваться графические контуры, при этом естественно возрастает количество пикселей. Увеличение разрешения по горизонтали и вертикали в два раза приводит к увеличению числа пикселей в четыре раза.

При растровом способе представления графических данных под каждый пиксель отводится определенное число бит, называемое битовой глубиной и используемое для кодировки цвета пикселя. Каждому цвету соответствует определенный двоичный код (т.е. код из нулей и единиц).

Например, если битовая глубина равна 1, то под каждый пиксель отводится 1 бит. В этом случае 0 соответствует черному цвету, 1 — белому, а изображение может быть только черно-белым. Если битовая глубина равна 4, то каждый пиксель может быть закодирован цветовой гаммой из 16 цветов (2⁴). При битовой глубине 8 каждый пиксель кодируется одним байтом, при этом количество цветов 256. Для качественного представления графических данных в современных компьютерах используются цветовые схемы с битовой глубиной 24 (три байта), 32 (четыре байта) и даже 40 (5 байт), т.е. каждый пиксель может иметь 2²⁴, 2³², 2⁴⁰ оттенков. Вполне естественно, что с увеличением глубины цвета увеличивается объем памяти, необходимой для хранения графических данных.

Основным недостатком растровой графики является большой объем памяти, требуемый для хранения изображения. Это объясняется тем, что запоминается цвет каждого пикселя, общее число которых определяется заданным разрешением, определяющим качество представления графических данных.

При векторном представлении графических данных задается и впоследствии сохраняется математическое описание каждого графического примитива — геометрического объекта (отрезка, окружности, прямоугольника и т.п.), из которых формируется изображение. Например, для воспроизведения окружности достаточно запомнить положение ее центра, радиус, толщину и цвет линии. Благодаря этому для хранения векторных графических данных требуется значительно меньше памяти.

Основным недостатком векторной графики является невозможность работы с высококачественными художественными изображениями, фотографиями и фильмами, поэтому основной сферой применения векторной графики является представление в электронном виде чертежей, схем, диаграмм и т. п.

Программы для работы с графическими данными делятся на растровые графические редакторы (Paint, Photoshop) и векторные графические редакторы (Corel Draw, Visio).

Для представления цвета используются цветовые модели (схемы).

Цветовая модель — это правило, по которому может быть вычислен цвет. Самая простая цветовая модель — битовая. В ней для описания цвета каждого пикселя (черного или белого) используется всего один бит. Для представления полноцветных изображений используются более сложные модели.

Цветовая модель RGB (Red - Green - Вlue, красный-зеленый-синий) основана на том, что любой цвет может быть представлен как сумма трех основных цветов: красного, зеленого и синего. Поскольку интенсивность каждого цвета представляется двоичным числом, то любой оттенок цвета (сочетание трех базовых цветов с разной интенсивностью) выражается набором из трех чисел. На каждое число отводится один байт, поэтому интенсивность одного цвета имеет 256 значений (0-255, чем больше число, тем выше интенсивность цвета), а общее количество оттенков цвета (2²⁴) — примерно 16,7 млн. Белый цвет в модели RGB представляется как (255, 255, 255), черный — (0, 0, 0), красный (255, 0, 0), синий (0, 0, 255). Желтый цвет является комбинацией красного и зеленого и потому представляется как (255, 255, 0).

Код графического объекта, представленного на рис. 1 при однобитовой цветовой модели (1 соответствует белому цвету, а 0 — черному) показан в табл. 3.2.

Таблица 3. 2

Кодирование графического объекта

№ строки	Однобитовая цветовая модель (1 соответствует белому цвету, а 0 — черному)
	Двоичный код	Шестнадцатеричный код
1	111111111111	FFF
2	111111111011	FFВ
3	111111110011	FF3
4	111111101011	FEB
5	111111011011	FDB
6	111110111011	FBB
7	111101111011	F7B
8	111000000011	E03
9	111111111111	FFF

В правой колонке таблицы показана эквивалентная запись двоичного кода в шестнадцатеричной системе счисления (каждая буква или цифра справа соответствует одной тэтраде слева). Преимущества шестнадцатеричной системы по компактности записи очевидны. Для хранения такого рисунка необходимо 13,5 байт.

Преобразуем этот рисунок в RGB-модель. Для этого необходи­мо все нули заменить набором чисел (00,00,00), а все единицы — (FF,FF,FF). Соответственно объем памяти, необходимый для хранения рисунка при кодировании RGB-моделью, увеличится в 24 раза и составит 324 байта.

Модель RGB является аддитивной моделью, то есть цвет получается в результате сложения трех базовых цветов.

Существуют и другие цветовые модели, которые для ряда задач оказываются более предпочтительными, чем RGB-модель.

В CMY-модели (Cyan-Magenta-Yellow, голубой-пурпурный-желтый) цвет формируется в результате вычитания базовых цветов (красного, зеленого и синего) из белого цвета:

• голубой = белый - красный = зеленый + синий;

• пурпурный = белый - зеленый = красный + синий;

• желтый = белый - синий = красный + зеленый.

Голубой, пурпурный и желтый цвета в этой модели называют­ся дополнительными, поскольку дополняют основные цвета (красный, зеленый и синий) до белого цвета. Реально в этой модели присутствует ещё и черный цвет (blacK)

Модель СМYK используется при подготовке документов к полиграфической печати.