ГДЗ до підручника «Інформатика» Й.Я. Ривкінда. 9 клас

Розділ 8. Комп’ютерна графіка

8.1. Поняття комп’ютерної графіки

Відповіді на запитання (стор. 217)

1. Комп’ютерна графіка — розділ інформатики, який вивчає технології опрацювання графічних зображень з використанням комп’ютерної техніки. Основними видами комп’ютерної графіки є векторне та растрове зображення.

2. Лінія є елементарним об’єктом, якому притаманні певні особливості: форма, товщина, колір, тощо.

3. Растрові зображення редагують за допомогою растрових графічних редакторів. Створюються растрові зображення фотоапаратами, сканерами, безпосередньо в растровому редакторі, також шляхом експорту (растеризацією) з векторного редактора або у вигляді знімків екрану.

4. Типові примітивні об’єкти векторної графіки: лінії і ламані лінії; багатокутники; кола та еліпси; криві Без’є; Безігони (текст у комп’ютерних шрифтах, таких як Truetype, кожна буква створюється з кривих Без’є). Цей список неповний. Є різні типи кривих (Catmull-Rom сплайни, NURBS і так далі), які використовуються в різних випадках. Також можливо розглядати растрове зображення як примітивний об’єкт. Відповідно до концептуальної точки зору, він поводиться як прямокутник.

5. Колірна модель — це спосіб подання різних кольорів спектра у вигляді набору числових характеристик певних базових компонентів. Найчастіше використовують колірні моделі RGB i CMYK.

6. Найпростіший формат — BMP (BitMaP, тобто бітова карта), який з’явився з першими версіями операційної системи Microsoft Windows. Він громіздкий, непрактичний. Аналогічним є формат ісо для зображення у системі Windows так званих іконок — мініатюрних значків-логотипів програм.

• Дуже популярним серед растрових форматів є TIFF (Tagged Image File Format), тобто структурований формат файлу зображення, і саме йому віддають перевагу професіонали. Він був розроблений досить давно, зазнав доповнень, модифікацій та вдосконалень, має велику кількість спеціалізованих варіантів та версій, орієнтованих на всілякі екзотичні галузі (наприклад, космічну фотозйомку). Тому, щоб уникнути непорозумінь, бажано використовувати його найпростіший і найнадійніший варіант, без стиснення і втрати даних. Хоча при цьому створюються великі файли, які часом нелегко вмістити на носіях.

Для скорочення витрат на графіку було розроблено спеціальні форми стиснення файлів. Найвідоміші з них:

  • JPG — базується на першому міжнародному стандарті для збереження зображень із деякою втратою якості JPEG (Joint Photographic Expert Group), що опублікований 1988-го року фахівцями Інституту Фраунтгофера; головним чином він призначений для фото, характерною рисою яких є плавні переходи напівтонів і розмиття чітких ліній;
  • GIF — формат обміну графікою (Graphic Interchange Format), розроблений 1987-го року для мережі CompuServe; навпаки, призначений для малюнків з чіткими кольорами та контурами, і економія досягається частково за рахунок мінімізації палітри; а оскільки протягом 1994—2002 років компанія Unisys висувала претензії на алгоритми, які у ньому використовуються, то на заміну був запропонований наступний, досконаліший...
  • PNG (Portable Network Graphic) — також орієнтований на малюнки з чіткими лініями, але не накладає обмежень на розміри палітри і базується на досконаліших загальнодоступних алгоритмах стиснення даних.

Для зменшення обсягу файлів за рахунок усунення повторів даних широко використовуються програми-архіватори, що забезпечують повне збереження «запакованої» інформації. Для пересічних текстів досяжне стиснення приблизно вдвоє. Графічні файли у форматах jpg та gif практично не стискаються. Зате у десятки разів можуть бути «спресовані» стандартними архіваторами розлогі файли типів bmp або tif.

8. Властивості растрових зображень:

  • розмір — ширина та висота малюнка; значення властивості задають в одиницях довжини або в пікселях;
  • розподільність — кількість пікселів на одиницю довжини зображення;
  • глибина кольору — кількість бітів, що використовуються для кодування кольору одного пікселя.

9. Векторні зображення, відрізняються від растрових тим, що у них відсутня властивість роздільність, не мають важливого значення ширина та довжина зображення.

10. Недоліки векторної графіки

• Не кожен об’єкт може бути легко зображений у векторному вигляді — для того, щоб зображення було подібним до оригіналу може знадобитися дуже велика кількість об’єктів з високою складністю, що негативно впливає на кількість пам’яті, яку займатиме зображення та час для його відтворення.

Недоліки растрової графіки

• Великий розмір файлів у простих зображень. Тому, що розмір файлу є пропорційним до площі зображення, роздільності і типу зображення, і, переважно, при хорошій якості є великим.

• Неможливість ідеального масштабування. Растрове зображення має визначену роздільність і глибину представлення кольорів. Ці параметри можна змінювати лише у визначених межах і, як правило, із втратою якості.

• Неможливість виведення на друк на векторний графічний пристрій.

• Складність управління окремими фрагментами зображення.

Через ці недоліки для зберігання простих малюнків рекомендують замість навіть стиснутої, растрової графіки використовувати векторну графіку.

Завдання (стор. 217)

2. Глибина кольору для різних форматів

4. Методи стиснення растрової інформації діляться на дві великі групи: стиснення з втратами і стиснення без втрат. Методи стиснення без втрат дають більш низький коефіцієнт стиснення, але зате зберігають точне значення пікселів вихідного зображення. Методи з втратами дають більш високі коефіцієнти стиснення, але не дозволяють відтворити початкове зображення з точністю до піксела. Для файлів, які формуються програмами автоматизованого проектування, дуже важливо зберегти всю інформацію, тому що втрата хоча б одного біта може змінити зміст усього файла. Зовсім інша справа з растровими даними. Людське око не сприймає всі відтінки кольору в звичайному растровому зображенні. Таким чином, деякі деталі можуть бути опущені без видимого порушення інформаційного змісту зображення.

Розглянемо два найбільш розповсюджені методи стиснення зображень. Спочатку познайомимося з одним із варіантів групового кодування (run-lenght encoding — RLE). Ідея методу полягає в тому, що послідовність значень, що повторюються, заміняється парою чисел: одне з них вказує на довжину групи (число повторень даного значення), а інше — на власне це значення. Це дуже загальний і дуже простий метод без втрат. Він використовується в багатьох популярних сьогодні форматах графічних файлів і, зокрема, у PCX і BMP. У його основі лежить той факт, що багато зображень надлишкові, оскільки містять велику кількість суміжних пікселів одного кольору. Розглянемо, наприклад, як за допомогою групового кодування стискається зображення, у якому зустрічається поспіль 100 пікселів із нульовим значенням. Ця послідовність із 100 нулів кодується парою чисел (100,0). Отже такий фрагмент картинки скоротиться в п’ятдесят разів.

Інший метод, яким користуються досить часто, — JPEG ( метод, що стискує з утратами) одержав свою назву від абревіатури об’єднаної групи експертів в області фотографії (Joint Photographic Expert Group — JPEG), що його і розробила. JPEG широко використовується при стиснення статичних зображень.

Цей метод істотно складніший, ніж RLE. Основна ідея методу полягає в поділі інформації в зображенні за рівнем важливості, і потім відкиданні менш важливої її частини, зменшуючи тим самим загальний обсяг збережених даних. Це досягається перетворенням матриці колірних значень у матрицю амплітуд, що відповідають визначеним частотам розкладання зображення. (Звукові коливання, наприклад, можна розкласти математичними методами на прості синусоїдальні гармоніки різних амплітуд і частот, що при додаванні відтворюють вихідний сигнал). Рядок або стовпець пікселів зображення теж можна представити амплітудами і частотами. Мова в даному випадку йде не про спектральний склад світла, а про форму представлення кривих, що утворять графіки, якщо значення пікселів служать ординатами. Відзначимо, що формула перетворення матриці пікселів у матрицю амплітуд не проста. JPEG-стиснення відкидає частину високочастотних компонент зображення, залишаючи компоненти з низькими частотами. Людське око менше критичне до високочастотних варіацій кольору, оскільки загальний вид зображення визначається низькими частотами. Значення піксела, отримане при відновленні зображення, дещо відрізняється від вихідного значення, тому що частина інформації була загублена, хоча звичайно вони дуже близькі.

У методу JPEG є дуже цікава особливість: користувач може задавати коефіцієнт якості. Високий коефіцієнт якості дозволяє зберегти більше деталей, але при цьому зменшується ступінь стиснення. При низькому коефіцієнті якості степінь стиснення збільшується, але зображення стає менше чітким.

Чим нижче коефіцієнт якості, тим більша кількість інформації відкидається. Коли любий із методів (RLE або JPEG) застосовується до повнокольорового зображення, то червона, зелена і синя компоненти стискуються незалежно. Якщо в растровому зображенні використовується палітра або просто відтінки сірого, то значення пікселів можливо закодувати в один прохід.