BITMAPOVÁ GRAFIKA základné pojmy

Transkript

1 BITMAPOVÁ GRAFIKA základné pojmy Je to takmer nemožné diskutovať o grafickom softvéry bez predchádzajúceho pochopenie rozdielov medzi oboma hlavnými typmi 2D počítačovej grafiky: - bitmapová grafika - vektorová grafika. Ak chceme pracovať s grafikou, je nevyhnutné pochopiť spôsoby reprezentovania grafiky v počítači. Začnime bežnejším typom: bitmapovou grafikou. Bitmapové obrázky (tiež známe ako rastrové obrázky) sú tvorené z bodov v mriežke - PIXELOV. Z toho vyplýva, že bitmapa má vždy obdĺžnikový, alebo štvorcový tvar. Pixely sú obrazové bodoy, drobné bodky rôznych farieb, ktoré tvoria to, čo vidíte na obrazovke. Väčšina počítačových monitorov zobrazuje približne 70 až 100 pixelov na 1 palec (2,54 cm) - skutočný počet závisí na vašom monitore a nastaveniach obrazovky. Pre ilustráciu, poďme sa pozrieť na typické ikony z plochy, jednu vidíte na nasledujúcom obrázku.

2 Ikony na ploche majú štandardný rozmer 32 x 32 bodov (pixelov). Inými slovami, majú 32 obrazových bodov rôznych farieb v každom smere. Kombinácia týchto drobných bodov tvorí obraz. Ikona v pravom hornom rohu tohto príkladu je typická ikona z plochy pri bežnom rozlíšení obrazovky. Ako môžete vidieť, keď zväčšíme ikonu, ako v tomto príklade, môžete jasne vidieť jednotlivé obrazové body (štvorce rôznych farieb). Všimnite si bielu plochu pozadia, tiež sa skladá z jednotlivých pixelov, aj keď sa zdá byť jednoliatou plochou. Je to preto, že všetky pixely majú rovnakú farbu bielu. Bitmapové obrázky sú závislé na ROZLÍŠENÍ. Rozlíšenie sa vzťahuje na počet pixelov v obrázku, a spravidla sa uvádza v dpi (bodov na palec) alebo ppi (pixelov na palec). Bitmapové obrázky sú zobrazené na obrazovke počítača v rozlíšení obrazovky: približne 100 ppi. Avšak, pri tlači bitmap, tlačiareň potrebuje oveľa viac dát ako obraz monitora. Aby bol vytlačený obrázok dostatočne kvalitný, potrebuje typická stolná tlačiareň rozlíšenie minimálne dpi. Rozlíšenie bitmapy vlastne udáva počet obrazových bodov na jednotku dĺžky. Pri bežne používaných jednotkách rozlíšenia to bude počet pixelov na jeden palec Dots Per Inch (DPI).

3 Pojem rozlíšenie bitmapy sa často zamieňa s pojmom rozmer bitmapy. Rozmer sa udáva v jednotkách pixel a predstavuje počet horizontálnych a vertikálnych pixelov (napríklad 800x600, alebo 1240x1024). Tak sa spoločne poďme pozrieť na rozdiel medzi týmito dvomi pojmami. V prvej časti obrázku vidíme bitmapu s rozmerm 32x32 pixlov, v druhej časti je ten istý obrázok vytlačený pri rozlíšení tlače 32 DPI takto vytlačený obrázok by mal rozmer 1x1 palec (2,54x2,54 cm). Ak by sme obrázok vytlačili pri rozlíšení 64 DPI, mal by polovičný rozmer (1,27x1,27cm). Pri tlači obrázku v rozlíšení 32 DPI dokážeme voľným okom vidieť jednotlivé pixely, pri rozlíšení 64 DPI majú pixely polovičnú veľkosť, obrázok je tým pádom jemnejší. Z toho nám automaticky vyplýva nasledovné Vyššie rozlíšenie = menší rozmer jedného bodu = vyššia kvalita. V praxi sa pri tlači bitmáp používa rozlíšenie približne 300 DPI. Jednotlivé pixely Vzhľadom na to, že sú bitmapy závislé na rozlíšení, je ťažké zvýšiť alebo znížiť ich veľkosť, bez obetovania kvality obrazu.

4 Keď znižujeme veľkosť bitmapových obrázkov musíte vynechať niektoré pixely. Pri zväčšovaní veľkosť rastrových obrázkov musí grafický softvér pixely dopočítať. Pri vytváraní nových pixelov, musí softvér dopočítať farebné hodnoty nových pixelov z ohladom na farbu na okolitých pixelov. Tento proces sa nazýva interpolácia. Na nasledujúcom obrázku je znázornená strata kvality pri dopočítaní pixelov na zväčšenej bitmape. Ďalším dôležitým údajom pri bitmape je jej farebná hĺbka. Podstatnou vlastnosťou rastrovej grafiky je to, že obrazová informácia sa ukladá pomocou matice rôznofarebných izolovaných bodov. Táto skupina bodov tvorí celý obraz a od jej veľkosti závisí aj kvalita výsledného obrázka. Platí jednoduché pravidlo: "čím je obrazových bodov viac, tým kvalitnejšie je zobrazenie". To, koľko bodov tvorí daný obrázok sa najčastejšie udáva rozlíšením, t.j. počtom bodov, ktoré tvoria obraz na vodorovnej a zvislej osi. Príkladom môže byť obrázok s rozmermi 160 x 120 bodov. Výsledný obraz teda tvorí obrazových bodov. Ako bolo vyššie spomenuté, každý bod obrazu môže mať definovanú svoju farbu. Táto farba sa spravidla vyberá z farebnej palety, ktorej veľkosť závisí od farebnej hĺbky obrazu. Nuž a opäť môžeme povedať, že čím je farebná hĺbka väčšia, tým je zobrazenie kvalitnejšie a vernejšie. Farebná hĺbka obrazu sa udáva v bitoch. Štandardné farebné hĺbky obrazu sú: 1 bit - čierno-biely obraz (POZOR! nemýliť si s odtieňmi sivej), označovaná aj ako BW (Black and White). Už z názvu je zrejmé, že body tvoriace obraz môžu byť buď biele alebo čierne. Na uloženie informácie o ôsmich obrazových bodoch nám postačí

5 jeden BYTE. Obrázok s rozmermi 160 x 120 bodov by teda spotreboval bajtov pamäti. Na nasledovnom obrázku je časť predchádzajúceho obrázku, tak ako ho vidí počítač.

6 8 bitov - obraz v odtieňoch sivej, tiež nazývaný GREYSCALE, dovoľujúci vybrať pre daný obrazový bod jeden z 256 odtieňoch sivej farby. Toto farebné rozlíšenie je plne postačujúce napríklad na kvalitné zobrazenie fotografie. Pri tejto farebnej hĺbke potrebujeme na uloženie informácie o farbe jedného obrazového bodu 1 BYTE. Obrázok s rozmermi 160 x 120 bodov by teda spotreboval bajtov pamäti.

7 Na nasledovnom obrázku je časť predchádzajúceho obrázku, tak ako ho vidí počítač.

8 24 bitov (RGB) - obraz v pravých farbách. Toto zobrazenie sa najčastejšie nazýva TRUECOLOR a dovoľuje pre každý obrazový bod zvoliť jeden z asi 16 miliónov farebných odtieňov. Toto rozlíšenie je plne postačujúce na vysoko kvalitné zobrazenie akéhokoľvek obrazu na obrazovke monitora. Pri tejto farebnej hĺbke sa farba obrazového bodu mieša z troch základných farieb: červenej (Red), zelenej (Green) a modrej (Blue). Na každú farebnú zložku máme k dispozícii 8 bitov, teda 1 bajt. Jeden obrazový bod tak potrebuje na uloženie informácie o svojej farbe 3 bajty. Obrázok s rozmermi 160 x 120 bodov by teda spotreboval bajtov pamäti. Na nasledovnom obrázku je časť predchádzajúceho obrázku, tak ako ho vidí počítač.

9 V takomto prípade sa obrázok skladá z 3 farebných kanálov (RGB). Prekrytím jednotlivých kanálov vzniká výsledný obraz.

10 32 bitov (CMYK) - sa používa na profesionálne spracovanie obrazu pre tlačiarenské účely. Pri tejto farebnej hĺbke sa farba obrazového bodu mieša zo štyroch základných farieb: tyrkysová (Cyan), fialová (Magenta), žltá (Yellow) a čierna (black). Na každú farebnú zložku máme k dispozícii opäť 8 bitov. Jeden obrazový bod tak potrebuje na uloženie informácie o svojej farbe 4 bajty. Obrázok s rozmermi 160 x 120 bodov zaberie bajtov pamäti. Ako ste si všimli, so zväčšovaním farebnej hĺbky narastajú nároky na uloženie obrazu. Spomenuli sme si štyri rôzne farebné hĺbky a niekto by mohol namietať, že pozná aj obraz, ktorý má 256 farieb, ktoré však nie sú sivé. Áno, existujú aj takéto obrázky, ale tu sa už nedá hovoriť o pravom farebnom rozlíšení. Lepšie je hovoriť o obrazových formátoch, ktoré dovoľujú ukladať farebné obrázky s rôznym počtom farieb (často 16 či 256 farieb). Tieto farby sú však aj tak vyberané len z jednej z vyššie uvedených farebných paliet. Napríklad 256 farebný obrázok, ktorý nepoužíva len sivé farby v sebe obsahuje aj paletu 256 farieb (často nazývané indexové farby) namiešaných z 24 bitovej palety.

11 Spôsob uloženia je podobný ako pri GREYSCALE obraze, s tým rozdielom, že každý bod obrazu je reprezentovaný číslom z rozsahu 0 až 255, ktoré je indexom do 256 farebnej palety. Pri 16 farbách je to podobné. Tieto formáty vznikli ako určitý kompromis medzi pamäťovými nárokmi grafiky a požiadavkou na kvalitné zobrazenie. Napríklad systém Windows bohato vystačí s paletou 256 farieb a používateľ si ani len nevšimne, že farieb je voľajako málo. Problém by nastal napríklad pri zobrazení fotografií. Tak trochu nenápadne sme sa dostali k problému, ktorý pri spracovaní grafiky musíme riešiť. Je ním to, v akom formáte uložiť spracovanú grafiku. Isto ste si všimli, že sme hovorili o obrázkoch s maximálne 256 farbami a o obrázkoch, ktoré potrebujú oveľa viac farieb.

12 Formáty rastrových obrázkov Pre rastrové obrázky sa používa veľké množstvo formátov, ktoré obvykle vznikali podľa potreby používateľov výpočtovej techniky. Medzi najznámejšie formáty rastrových obrázkov môžeme zaradiť: BMP TIFF JPEG GIF PNG BMP (Bit Mapped Picture) je formát, ktorý používa operačný systém Microsoft Windows. Pôvodne bol určený pre 16 farebné obrázky. Formát je jednoduchý a rýchly. Záporom je veľká veľkosť obrázku. Koncovky, ktoré tento formát používa sú.bmp alebo.dib (Device Independent Bitmap). TIFF (prípona súboru.tif alebo.tiff) vytvára obrázky vysokej kvality, a preto sa často využíva pri publikovaní. Dokáže zobraziť milióny farieb. Obrazové súbory TIFF sú obyčajne väčšie ako obrazové súbory GIF alebo JPEG. Tento formát má niekoľko verzií (s komprimáciou a bez nej). Jpeg je skratka pre Joint Photographic Experts Group (Združená skupina fotografických expertov. Táto skupina vznikla v roku 1986 s cieľom vytvorenia prvého medzinárodného štandardu pre kompresiu a dekompresiu spojito tónovaného (viacúrovňového) statického obrazu. Združenie predstavuje komisiu, ktorá pracuje na oboch ISO aj ITU-T štandardoch. Oficiálny názov komisie je ISO/IEC JTC1 SC29 Working Group 1. JPEG JPEG môžme stručne charakterizovať ako moderný obrázový formát, ktorý obsahuje rekordné úrovne kompresie, i o niekoľko radov väčšiu než kompresia u formátov TIFF, BMP alebo GIF. Dosahuje toho však tým, že obrázok mierne pozmení (algoritmizuje si ju pre účinnejšiu kompresiu). KOMPRESIA Pod pojmom kompresia si predstavujeme algoritmus, alebo tiež postup, ako niečo zmenšiť. V našom prípade objem dát, ktoré popisuju náš bitmap. Obrazové kompresie si môžme ešte rozdeliť na stratové a nestratové. Medzi nestratové zasa LZW (formát Gif), RLE (formát PCX, BMP).). Sú to kompresie, pri ktorých sa nesmú stratiť dáta. Ak by sa totiž pri kompresii trochu dát stratilo, program, ktorý sme skomprimovali a potom opäť rozbalili, by nefungoval. Štandard JPEG predstavuje stratovú metódu kompresie dát. Podstata kompresného algoritmu

13 použítého v štandarde JPEG, spočíva vo využití transformačných vlastností DCT (diskrétnej kosínusovej transformácie) a kvantizácii získaných koeficientov. Prečo a k čomu môžme použiť formát pre ukladanie bitmap JPEG. Je to spôsob ako si zachovať bitmapový obrázok tak, aby nezaberal zbytočne veľa miesta a dal sa opäť v budúcnosti prehliadnuť. Samozréjme, nemusí to byť len ikonka na obrazovke, ale taktiež aj snímka digitálneho fotoaparátu, výstup scanneru a pod. Pri stratových kompresných algoritmoch sa určité, relatívne nepodstatné detaily strácajú preč. To je aj dôvodom prečo dosahujú lepšie kompresné výsledky ako nestratové algoritmy. JPEG bol vytvorený tak, aby sa strácali iba informácie, ktoré môže ľudské oko len veľmi tažko rozlíšiť. Ak ma obrázok málo farieb, nedokážeme využiť schopnosti JPEG. Ten za všetkých okolností rozlišuje aspoň 16 miliónov farieb, alebo niekoľko sto, či tisíc stupňov šedi. Malé zmeny farieb nieje ľahké ľudským okom rozoznať tak, ako zmeny v intenzite (svetlá, tmavá). Teda ľudské oko je viac citlivé na zmeny v intenzite ako na zmeny farieb. Musíme si uvedomiť, že JPEG bol vytvorený hlavne kôli komprimácii farebných, šedo tieňovaných, fotografií reálneho sveta. Na nich je vždy široká škála farieb nech sú to obrázky čiernobiele či farebné. Ďalej treba spomenúť, že zadávaním istého parametru, môžme ovplyvniť výsledok kompresie. Je to jedinečná vlastnosť, ktorú nemajú žiadné nestratové

14 komprimačné algoritmy. Tým parametrom je požadovaný kompresný pomer. Presnejšie povedané, akási hodnota, určujúca aké množstvo informácií budeme považovať za dôležité a aké za nepodstatné. Pri kompresnom pomere 15:1 až 25:1 nedochádza k výraznej ujme na kvalite predlohy. V praxi však môžeme ísť s kompresiou vyššie, až pokiaľ nám vyhovuje výsledná kvalita komprimovaného obrazu, ktorý po kompresii vizuálne kontrolujeme. Ďalší poznatok je, že formát JPEG je i pri najnižšom stupni stratovosti niekoľkonásobne lepší, než nestratové formáty, čo sa týka stupňa kompresie. Existuje aj tzv. progresívny JPEG formát, ktorý umožní už po prenose pomerne malej časti dát získať hrubý obrázok, ktorý sa postupne vďaka prichádzajúcim údajom zjemňuje. Tento efekt môžeme pozorovať iba v prípade, že prenos je pomalší, než dekomprimácia a zobrazovanie prehliadačom. VÝHODY A NEVÝHODY FORMÁTU JPEG: + ukladá plnú farebnú informáciu (24 bit na pixel) + je vhodný na ukladanie fotografií so spojitým prechodom farieb + veľký kompresný pomer (väčší ako pri GIF,PNG) + nastaviteľná kvalita a teda aj kompresný pomer + JPEG predstavuje medzinárodne uznávaný štandard - nieje vhodným pracovným formátom pretože k strate grafickej informácie (resp. zmene) dochádza pri každom uložení obrázka - nevhodný pre kompresiu grafiky ktorá obsahuje ostré hrany - na rozdiel od GIF neumožňuje používanie priehľadností VÝVOJOVÉ TRENDY V oblasti kompresie obrazu sa stále viac do popredia predierajú algoritmy založené na tzv. vlnkovej transformácii (Wavelet Transformation). Disktrétna vlnková transformácia DWT dokáže reprezentovať obraz efektívnejšie než napríklad diskrétna kosínusová transformácia. DWT rozkladá obraz do tzv. bázových funkcií, ktoré sú obecne výhodnejšie pre reprezentáciu digitálnych signálov než sínusové alebo kosínusové funkcie. V tomto smere sa koncom roku 2000 pripravuje zverejnenie štandardu JPEG Diskrétnu kosínusovú transformáciu nahradí vlnková transformácia, ktorá umožňuje dosiahnuť vyšieho stupňa kompresie. Pribudnú aj ďalšie vylepšenia ako vodoznak, autorizácia, rôzne úrovne rozlíšenia, odolnosť proti poruchám pri prenose a iné.. GIF (Graphics Interchange Format) sa obvykle používa tam, kde nie je vhodné použiť formát JPEG. GIF pri ukladaní používa nestratovú kompresiu. Oproti formátu JPEG má GIF výhodu

15 v podpore tzv. priehľadného pozadia (jedna farba môže byť pri zobrazení skrytá) a v prekladaní riadkov. Veľkým plusom tohto formátu je možnosť použiť tzv. animovaný GIF, čo je postupnosť obrázkov premietaných jeden za druhým. Používa sa predovšetkým pre animované reklamné banery. Medzi nevýhody patrí farebná hĺbka - maximum je iba 256 farieb (8 bitov na pixel) vybraných z palety 16,7mil. farieb. PNG (Portable Network Graphics), ktorý sa na scéne objavuje v roku 1996 (tvorcom je organizácia W3C - Word Wide Web Consortium). Tento formát kombinuje výhody oboch uvedených formátov - farebná hĺbka môže byť 16,7 mil. farieb, používa nestratový typ kompresie a podporuje vylepšené "štvorcové" prekladanie, ktoré je pre oči príjemnejšie. Medzi slabšie stránky formátu PNG možno zaradiť absenciu animácií v obrázku a o trochu väčšie pamäťové nároky. Výhody rastrových obrázkov - Zložité ilustrácie sa ako bitmapy zobrazia podstatne rýchlejšie než vektorové obrázky. - Poskytujú základ pre zobrazenie videa a animácií. - Obnova pixelových dát uložených v bitmapovom súbore môže byť väčšinou vylepšená sústavou súradníc, ktorá dovoľuje chápať dáta ako mriežku. - Pixelové hodnoty môžu byť modifikované individuálne alebo vo väčších množstvách. - Bitmapové súbory môžu byť veľmi dobre prenášané na bodové výstupné zariadenia (obrazovky, tlačiarne). Nevýhody rastrových obrázkov - Obsahujú informácie o všetkých pixloch na obrazovke, takže pri väčšom rozlíšení a väčších farebných hĺbkach sú súbory veľmi rozsiahle. - Ťažko sa editujú a ťažko sa mení ich rozmer bez vzniku skreslenia. Pri zväčšení obrázku sa informácia, ktorá bola platná pre jeden pixel, stáva platnou i pre jeho okolie. - Väčšinou sú problémy s ich mierkou. Zmenšovanie a zmenšovanie predlohy môže poznamenať predlohu nežiaducim spôsobom. Preto obyčajne musia byť bitmapové súbory vytlačené v tom rozlíšení, v akom sú uložené.