Воскресенье , Апрель 21 2019
Главная / Студентам / КГ / Лекция 2. Растровая графика. Базовые растровые алгоритмы

Лекция 2. Растровая графика. Базовые растровые алгоритмы

Растровые изображения и их основные характеристики

Растр — это матрица ячеек (пикселов). Любой пиксел (pixel Picture Element) имеет свой цвет. Совокупность пикселов различного цвета образует изображение. В зависимости от расположения пикселов в пространстве различают квадратный, прямоугольный, гексагональный или иные типы растра. Для описания расположения пикселов используют разнообразные системы координат. Общим для всех таких систем является то, что координаты пикселов образуют дискретный ряд значений (необязательно целые числа). Часто используется система целых координат — номеров пикселов с (0, 0) в левом верхнем углу. Такую систему мы будем использовать и в дальнейшем, ибо она удобна для рассмотрения алгоритмов графического вывода.

Какие основные характеристики растровых изображений?

Геометрические характеристики растра

Размер растра обычно измеряется количеством пикселов по горизонтали и вертикали.

Разрешающая способность. Она характеризует расстояние между соседними пикселами — шаг дискретной сетки растра. Разрешающую способность измеряют количеством пикселов на единицу длины. Наиболее популярная единица измерения — dpi (dots per inch) — количество пикселов в одном дюйме длины (2.54 см). Не следует отождествлять шаг с размерами пикселов — размер пикселов может равняться шагу, а может быть как меньше, так и больше шага.

Можно сказать, что для КГ наиболее удобен растр с одинаковым шагом для обеих осей, то есть dpi X= dpi Y. Это удобно для многих алгоритмов вывода графических объектов. Иначе — проблемы, например, при рисовании окружности на экране дисплея EGA (устаревшая модель компьютерной видеосистемы, ее растр — прямоугольный, пикселы растянуты по высоте, поэтому для изображения окружности необходимо генерировать эллипс).

Форма пикселов растра определяется особенностями устройства графического вывода (рис. 1.1). Например, пикселы могут иметь форму прямоугольника или квадрата, которые по размерам равны шагу растра (дисплей на жидких кристаллах); пикселы могут иметь круглую форму и по размерам могут не равняться шагу растра (принтеры).

 

Количество цветов (глубина цвета) — важная характеристика любого изображения, не только растрового. В соответствии с психофизиологическими исследованиями, глаз человека способен различать 350 000 цветов.

Классифицируем изображения следующим образом.

  • Двухцветные (бинарные) — 1 бит на пиксел. Среди двухцветных наиболее часто встречаются черно-белые изображения.
  • Полутоновые — градации серого или другого цвета. Например, 256 градаций (1 байт на пиксел).
  • Цветные изображения (2 бита на пиксел и больше). Глубина цвета 16 битов на пиксел (65536 цветов) получила название High Color, 24 бита на пиксел (16. 7 млн. цветов) — True Color. В компьютерных графических системах используют и большую глубину цвета — 32, 48 и более битов на пиксел.

В качестве примера рассмотрим растровый рисунок (рис. 1.2).

Количество цветов — 256 градаций серого, разрешающая способность — примерно 100 dpi. Отметим, что в книге вы видите черно-белый типографский оттиск, поэтому о количестве цветов и разрешающей способности можно говорить лишь условно.

Недостаточное количество цветов приводит к появлению лишних контуров на гладких поверхностях цилиндра и шара.

Оценка разрешающей способности растра

 

 

Изображение одних и тех же объектов, но дня других параметров растра (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Количество градаций серого составляет 8

Количество цветов сохранено (256 градаций), а разрешающая способность уменьшена в 8 раз

 

Таблица 3.1. Разрешающая способность в зависимости от расстояния

Расстояние R, мм Размер dP, мм Разрешающая способность dpi
500 0. 14 181
300 0. 09 282

 

Глаз человека с нормальным зрением способен различать объекты с угловым размером около одной минуты. Если расстояние до объекта равно R, то можно приблизительно оценить этот размер (dP), как длину дуги, равную R 𝛼 (рис. 3.5). Можно предположить, что человек различает дискретность растра (шаг) также соответственно этому минимально различимому размеру. Иначе говоря, если расстояние между отдельными тачками (пикселами) меньше чем dP, то эти точки уже не воспринимаются как отдельные точки. Тогда можно оценить минимальную разрешающую способность растрового изображения, которое человеком уже не воспринимается как растровое, следующей величиной; dpi = 25, 4 / dP [мм].

Приведем несколько значений dpi для разных R (табл. 3. 1).

Если считать расстояние, с которого человек обычно разглядывает печатные документы, равным 300 мм, то можно оценить минимальную разрешающую способность, при которой уже не заметны отдельные пикселы, как примерно 300 dpi (приблизительно  0.085 мм). Лазерные черно-белые принтеры полностью удовлетворяют такому требованию.

Дисплеи обычно рекомендуется разглядывать с расстояния не ближе 0.5 м. В соответствии с приведенной выше оценкой минимальной разрешающей способности расстоянию 0. 5 м соответствуют приблизительно 200 dpi, В современных дисплеях разрешающая способность составляет 100-120 dpi — это плохо; например, дисплей размером 15″ по диагонали должен обеспечивать не 1024×768 пикселов, а вдвое больше. Но на современном уровне развития техники это пока что невозможно.

 

Вывод изображений на растровые устройства

Для иллюстрации работы реальных растровых устройств рассмотрим результаты отображения рисунка-образца на разнообразных графических устройствах. Поскольку в этой книге невозможно показать цветные изображения, в качестве тестового образца выбран черно-белый рисунок, который состоит из текста и простейшей графики — текст «Строчка текста».

Графика — векторный рисунок из линий минимально возможной толщины. Тестовый образец изготовлен и выведен на устройства с помощью редактора Word 2000.

Почему именно такой образец? Для того чтобы оценить погрешности отображения, тест следует подобрать так, чтобы устройства работали в режиме близком к предельно допустимому. Тогда и следует оценивать их возможности. Однако задача усложняется тем, что проверяются устройства разного класса. Оказалось, что некоторые устройства не в состоянии удовлетворительно отобразить даже такой простой образец, а некоторые устройства продемонстрировали значительный запас точности — для них нужны другие тесты.

После вывода образца на графическом устройстве, соответствующее растровое изображение оцифровывалось сканером с оптическим разрешением 600×600 dpi (2400×2400 в режиме интерполяции). Также использовалась фотокамера в режиме макросъемки.

Безусловно, погрешность сканера важна для полученных на устройствах изображений, обладающих сопоставимым, а также более высоким разрешением. Однако приведенные здесь результаты не следует рассматривать как точные измерения. Здесь ставились иные цели — проиллюстрировать геометрические свойства растров (расположение, форму и размеры отдельных пикселов) для устройств различного типа, показать наиболее характерные особенности отображения.

Для сравнения были выбраны графические устройства, которые можно встретить практически в любом современном офисе — это дисплеи и принтеры.

Торговые марки устройств не приводятся. Наше изучение особенностей их работы не следует рассматривать как тестирование или рекламу.

Первый пример — изображение на экране цветного монитора, на электронно-лучевой трубке (рис. 3.6). Следует заметить, что в данном случае изображение черно-белого образца на самом деле — цветное, в книге оно напечатано в градациях серого.

На рис. 1.9 показано увеличенное изображение фрагмента. Здесь уже четко видно «триадную» структуру растра, присущую цветному кинескопу.

Растровый характер изображения монитора на жидких кристаллах  выражен значительно четче, чем для монитора на электронно-лучевой трубке. Четкость отдельных пикселов обуславливает заметный ступенчатый эффект наклонных линий.

Качество печати для матричных принтеров определяется погрешностями механики и износом красящей ленты (рис. 1.12 и 1.13). Здесь красящая лента выработала свой ресурс наполовину, поэтому изображение получилось как бы «в градациях серого цвета». Кроме того, изображение имеет полутоновый характер и из-за того, что чернота уменьшается на краях впадин оттиска игл. Вообще говоря, матричные принтеры могут печатать намного лучше. Даже испытуемый принтер может печатать с разрешением 240 на 216 dpi. Однако драйвер для Windows позволяет установить только 240×144 dpi, а качество практически не улучшается по сравнению с 120×144 (вероятно, из-за износа механики).

Лазерные принтеры, как правило, безупречно отрабатывают свою паспортную разрешающую способность (рис. 1.14 и 1.15). Немаловажным является то, что качество печати стабильно и практически не зависит от качества бумаги. Принтеры данного типа вне конкуренции (по крайней мере, в настоящее время) по быстродействию и качеству черно-белой печати среди других типов принтеров. Более дорогие модели лазерных принтеров обладают в несколько раз большей паспортной разрешающей способностью, при этом качество печати, как правило, возрастает соответственно. Оптического разрешения сканера в 600 dpi (2400 dpi интерполяция) уже недостаточно, чтобы точно отобразить фрагмент растра в мельчайших деталях.

Качество печати струйных принтеров достаточно редко соответствует заявленной паспортной разрешающей способности (рис. 1.16 и 1.17). Данная модель, возможно, — исключение из общего правила. В черно-белом режиме здесь фактически продемонстрирована точность печати на уровне 600 dpi лазерного принтера. Многие другие струйные принтеры с рекламируемым разрешением более тысячи dpi работают еще хуже. И это при печати на специальной бумаге.

Достоинством струйных принтеров является то, что это относительно недорогое устройство для цветной печати. С приемлемым качеством для цветной фотографии работают струйные фотопринтеры. Технология струйной печати также используется и в достаточно популярных крупноформатных (АЗ-А1) цветных растровых принтерах.