Grafika Wektorowa - Sposób opisu obrazu oparty na formułach matematycznych. W przeciwieństwie do tradycyjnej grafiki bitmapowej (opierającej się na zapamiętywaniu koloru i położenia pojedynczych pikseli), grafika wektorowa zachowuje informacje o tworzących kształty obiektów liniach oraz krzywych - włączając ich położenie oraz barwę.
Grafika komputerowa - Powołując się na wiadomości słownika informatycznego, grafika komputerowa to dział informatyki zajmujący się tworzeniem obrazów obiektów rzeczywistych i wyimaginowanych, za pomocą komputera.
Narodziła się pod koniec lat pięćdziesiątych. Jej pionierzy zaczynali realizować swoje projekty na bardzo kosztownych i trudnych w obsłudze maszynach. Jednak ogromne sukcesy jakie odnosili realizatorzy tego kierunku, spowodowały, że grono zainteresowanych tą dziedziną wciąż powiększało się. Do pracy nad nowymi możliwościami i wykorzystaniem grafiki komputerowej w różnych dziedzinach zawodowych, mobilizowały nie tylko fundusze wpływające na ten cel, ale również szerokie zainteresowanie przeróżnych instytucji. Dzięki dynamicznemu rozwojowi elektroniki, w latach 80-tych, grafika była już dostępna dla większej rzeszy użytkowników komputerów domowych. Dziś wiele dziedzin życia nie mogło by sprawnie funkcjonować bez programów wykorzystujących grafikę komputerową. Możemy ją spotkać w architekturze, prasie codziennej, laboratoriach chemicznych, przemyśle twórczym, wojsku a nawet w szpitalu i rozrywce. Zwykli użytkownicy komputerów również nie stronią od tej formy przekazu. Wzbogacają grafiką swoje dokumenty w Wordzie lub w Excelu. Wykorzystują do tego celu rysunki typu ClipArt lub obiekty.
Grafika (niekoniecznie użytkowa) występuje również w wielu dyscyplinach informatycznych; twórcy oprogramowania tworzą atrakcyjny wizualnie interfejs, autorzy witryn internetowych dbają o wygląd swoich stron WWW, a producenci aplikacji graficznych opracowują coraz doskonalsze narzędzia do tworzenia grafiki. Obrazy mogą być tworzone od podstaw, mogą tez być wynikiem obróbki zeskanowanych zdjęć i rysunków. W związku z wejściem w nasze codzienne życie obrazów generowanych za pomocą komputera i rozwojem tej dziedziny informatyki, postaram się nieco przybliżyć grafikę komputerową (z racji tematu pracy ze szczególnym uwzględnieniem grafiki rastrowej), jej rolę i zastosowanie.
grafika rastrowa - W grafice rastrowej obrazy tworzone są z położonych regularnie, obok siebie pikseli. Posiadają one różne kolory lub odcienie jasności. Tworzone w ten sposób obrazy zwykło się nazywać mapami bitowymi (potocznie-bitmapami).
Mapa bitowa (bit map) -sposób zapamiętania obrazu przy wykorzystaniu pikseli ułożonych w rzędy i kolumny. Każdy piksel a właściwie informacja o jego kolorze może zostać zapisana za pomocą określonej liczby bitów; wartość 1 oznacza czerń lub kolor, wartość 0 biel (brak koloru). W zależności od liczby kolorów jakie możemy wykorzystać w mapie bitowej, rozróżniamy mapy: 1-bitowe, 8-bitowe, 16-bitowe, 24-bitowe i 32-bitowe.Mapy 1-bitowe to mapy czarno-białe, natomiast w mapach 8-bitowych (28) na jeden piksel przypada 256 kolorów, w 16-bitowych (216)65 536 kolorów, w 24-bitowych (224)16777216 kolorów itd.
Liczba pikseli użytych do odwzorowania obrazu w komputerze zależy od jego rozdzielczości. Pojęcie to określa liczbę pikseli przypadającą na jednostkę powierzchni. Im wyższa jest rozdzielczość obrazka, tym większy jest jego plik. Na objętość zbioru graficznego istotny wpływ ma również ilość możliwych do zapamiętania kolorów. Im więcej kolorów tym większa objętość. Do zapamiętania wystąpień 16 777 216 kolorów na tej samej powierzchni trzeba użyć większej ilości bitów niż do zapamiętania 256 kolorów.
Do wstępnego oszacowania wielkości pliku możemy posłużyć się prostym wzorem:
Wp = ilość pikseli w pionie* ilość pikseli w poziomie* ilość kolorów
Przetwarzanie map bitowych wymaga odpowiedniej ilości pamięci RAM w komputerze. Im więcej, tym lepiej. W przypadku obrazów rastrowych liczba pikseli przypadająca na jednostkę powierzchni jest wielkością stałą (rozdzielczość), dlatego tez przy powiększeniu mapy bitowej występuje efekt powiększenia piksela. W praktyce objawia się to widocznymi na ekranie monitora lub wydruku schodkami, stąd jakość obrazu nie jest najlepsza. Występująca wtedy utrata ostrości obrazu map bitowych jest ich podstawową wadą. Inną wadą jest brak możliwości operowania na fragmentach obrazu. Grafikę rastrową można przyrównać do obrazka namalowanego farbkami. Zmiana barwy dowolnego fragmentu polega na nałożeniu pędzelkiem innego koloru. Nie można tutaj zmienić np. kształtu namalowanego obiektu przez jego modelowanie, a jedynie przez namalowanie w jego miejsce nowego.
Po odpowiednim powiększeniu obrazu widać pojedyncze kwadratowe punkty, z których zbudowany jest cały obraz. Zwiększenie mapy bitowej powoduje, że zwiększane są także te punkty, przez co linie i krawędzie stają się postrzępione.
Kompresja stratna to metody zmniejszania ilości bitów potrzebnych do wyrażenia danej informacji, które nie dają gwarancji, że odtworzona informacja będzie identyczna z oryginałem. Dla niektórych danych algorytm kompresji stratnej może odtworzyć informację w sposób identyczny.
Kompresja stratna jest możliwa ze względu na sposób działania ludzkich zmysłów, tj. wyższą wartość pewnych części danych nad innymi. Algorytmy kompresji stratnej zazwyczaj posługują się modelami psychoakustycznymi, psychowizualnymi itd., aby odrzucić najmniej istotne dane o dźwięku, obrazie, pozostawiając dane o wyższej wartości dla rozpoznawania tej informacji (akustycznej, wizualnej) przez zmysły. Ilość odrzucanych danych jest zazwyczaj określana przez stopień kompresji.
Z tego też względu nie istnieją algorytmy kompresji stratnej, które można stosować do dowolnego typu danych. Np. kompresja stratna plików wykonywalnych byłaby praktycznie niemożliwa do zastosowania, gdyż nie jest to informacja odczytywana przez zmysły, a przez maszynę.
Zwykle kompresję stratną stosuje się do:
obrazków
dźwięków
ruchomych obrazów, np. w filmie
Przy danych audiowizualnych zazwyczaj kompresuje się osobno dźwięk, a osobno obraz.
Najpopularniejsze algorytmy kompresji stratnej
Obraz
JPEG, podstawa algorytmu MPEG, oparty na DCT i dający relatywnie słabe rezultaty.
JPEG2000, oparty na falkach, dający znacznie lepsze wyniki
Video
MPEG, jedną z jego odmian stosuje się przy filmach na DVD, bardzo wysoka jakość, połączona z większymi objętościowo plikami (100mb DivX = ok.350mb MPEG).
Real Video, niską jakość obrazu rekompensuje mała objętość dzięki czemu wykorzystywany jest przy transmisjach na żywo.
Dźwięk
MP3, najpopularniejsze kodowanie stratne audio,
Real Audio, podobnie jak Real Video, rekompensuje straty jakości małą objętością, jest stosowany głównie do transmisji na żywo.
Kompresja obrazków
JPEG
Najbardziej powszechnym algorytmem kompresji obrazów jest JPEG. Wiele rozwiązań użytych w JPEG jest używanych także w innych algorytmach, więc warto je tutaj omówić. Kolejne kroki algorytmu JPEG to:
zamiana przestrzeni kolorów z RGB na kanał jasności i dwa kanały koloru. Ludzie znacznie dokładniej postrzegają drobne różnice jasności od drobnych różnic barwy, a więc użyteczne jest tutaj użycie różnych parametrów kompresji. Krok nie jest obowiązkowy.
obniżenie rozdzielczości kanałów koloru, zwykle odrzuca się co drugą wartość wzdłuż osi poziomej i każdą na pionowej, choć możliwe są też inne ustawienia. Tak radykalne cięcie danych nieznacznie wpływa na jakość, ponieważ rozdzielczość postrzegania kolorów przez ludzkie oko jest słaba. Krok nie jest obowiązkowy.
podzielenie każdego kanału obrazka na bloki 8x8. W przypadku kanałów kolorów, jest to 8x8 aktualnych danych, a więc zwykle 16x8.
transformata kosinusowa każdego z bloków. Zamiast wartości pikseli mamy teraz średnią wartość wewnątrz bloku oraz częstotliwości zmian wewnątrz bloku, obie wyrażone przez liczby zmiennoprzecinkowe. Transformata DCT jest odwracalna, więc na razie nie tracimy żadnych danych.
Zastąpienie średnich wartości bloków przez różnice wobec wartości poprzedniej. Poprawia to w pewnym stopniu współczynnik kompresji.
Kwantyzacja, czyli zastąpienie danych zmiennoprzecinkowych przez liczby całkowite. To właśnie tutaj występują straty danych. Zależnie od parametrów kompresora, odrzuca się mniej lub więcej danych. Zasadniczo większa dokładność jest stosowana do danych dotyczących niskich częstotliwości niż wysokich kodowanych algorytmem Huffmana.
Kompresja bezstratna (ang. lossless compression) to ogólna nazwa takich metod upakowywania informacji do postaci zawierającej zmniejszoną liczbę bitów tak, aby całą informację dało się z tej postaci odtworzyć do identycznej postaci pierwotnej.
Najczęściej używane metody kompresji bezstratnej można podzielić na słownikowe i statystyczne, choć wiele metod lokuje się pośrodku:
metody słownikowe poszukują dokładnych wystąpień danego ciągu znaków, np. zastępują 'the ' krótszą ilością bitów niż jest potrzebna na zakodowanie 4 niezwiązanych znaków. Jednak znajomość symbolu 'the ' nie pociąga za sobą usprawnień w kompresowaniu 'they' czy 'then'.
metody statystyczne używają mniejszej ilości bitów dla częściej występujących symboli, w przypadku praktycznie wszystkich oprócz najprostszych metod, prawdopodobieństwa zależą od kontekstu. A więc np. dla 'h' występującego po 't' używają mniejszej ilości bitów niż dla innych znaków w tym kontekście.
Pewne rodzaje danych są bardzo trudne lub niemożliwe do skompresowania:
strumienie liczb losowych (niemożliwe do skompresowania),
strumienie liczb pseudolosowych (w praktyce trudne, choć teoretycznie bardzo dobrze kompresowalne),
dane skompresowane za pomocą tego samego lub innego algorytmu (w praktyce trudne).
Sposób zapisu obrazu w komputerze
Obrazy w komputerze zapisuje się na różne sposoby. Zapis rysunku wykonanego przy użyciu komputera może zawierać listę wykonanych operacji takich jak narysowanie kreski, kółka, wielokąta, albo nawet krzywej opisanej pewnym równaniem (zazwyczaj równania jako takiego nie widzimy, możemy je za to modyfikować "naciągając" krzywą i dopasowując ją do swoich potrzeb). Lista może zawierać zlecenia pokolorowania pewnych fragmentów zadanym kolorem i inne operacje znane z programów graficznych.
Reprezentacja zdjęć wczytanych przy pomocy skanera wygląda nieco inaczej. Jest to ogólnie rzecz biorąc prostokątna tabelka zawierająca w każdej komórce dane na temat jasności i ewentualnie koloru malutkiego kawałka obrazu.
Kawałki te (pixele) są ułożone na prostokątnej siatce - każdy ma swoje dwie współrzędne. Cały obraz ma określony wymiar rastrowy - ilość pixeli na które jest podzielony w każdym z dwu prostopadłych kierunków. Natomiast rozdzielczość obrazu odnosi się do konkretnego urządzenia, które potrafi taką tabelkę pokazać człowiekowi - drukarki, monitora - mówi ile pixeli musi leżeć obok siebie, żeby nazbierał się cal (inch) długości. Obraz ma też swój aspekt - jest to stosunek rozdzielczości w pionie do rozdzielczości w poziomie. Zazwyczaj dąży się do tego aby aspekt był równy 1, czyli tyle samo pixeli obok siebie położonych pionowo jak i poziomo zajmuje określoną odłeglość.
Tak już na marginesie można wspomnieć że pixele rozpatruje się albo jako małe prostokąciki, albo jako punkty o zerowych wymiarach - w zależności jak nam wygodniej w konkretnym rozwiązywanym problemie z przetwarzaniem obrazu.
Każdy pixel stanowi jedną liczbę dla obrazów monochromatycznych (rozróżnia się tu obrazy czarno-białe i posiadające pewną ilość odcieni szarości). Dla obrazów kolorowych trzy liczby, dla każdego koloru składowego - czerwonego, zielonego i niebieskiego.
Należy wspomnieć, że wartości pixeli są skwantowane - czyli przyjmują jedną wartość z pewnego skończonego zbioru, bez możliwości przyjęcia wartości pośredniej. Od urządzenia natomiast zależy w jaki sposób widać każdą z tych wartości.
Pliki z obrazami i cechy formatów
Obrazy w komputerze są przechowywane zazwyczaj w postaci skompresowanej. Tabelka omówiona w 1 punkcie w zwykłej, nieskompresowanej postaci, zajmowałaby bardzo dużo miejsca. Zwykły obrazek 800x600 pixeli w 256 odcieniach szarości zajmie 480 kilobajtów, a jesli bedzie kolorowy, z 256 odcieniami kazdej skladowej to 3 razy wiecej Dla wyjasnienia - na jednym bajcie da sie zapisac 256 roznych wartosci. (Przy okazji zauwazmy, ze jezeli aspekt bedzie rowny 1, to taki obraz zajmie standardowa klatke - (600/800) * 4 = 3)
W celu zmiejszenia zajetosci miejsca obrazy kompresuje sie. W przypadku obrazow kolorowych czesto ogranicza sie liczbe dostepnych kolorow. Definiuje sie tzw. "palete" i wartosc pixela wtedy wyznacza numer koloru z palety ktory posiada dany pixel. Kazda pozycja palety ma z kolei przypisane wartosci trzech skladowych koloru.
GIF
Obrazki *.gif i wiekszosc *.bmp wlasnie uzywaja takiej palety. Dodatkowo obrazek kompresuje sie wykorzystujac powtarzalnosc sasiednich pixeli, powtarzalnosc calych ich sekwencji albo czestotliwosc wystepowania poszczegolnych wartosci w obrazie. Jest to kompresja BEZSTRATNA - po odkompresowaniu dostajemy obraz dokladnie taki jak przed kompresja.
JPG
Natomiast obrazki *.jpg cechuja sie kompresja STRATNA - czyli jakby porownac tabelke po odtworzeniu obrazka (dekompresja dzieje sie przy kazdym wyswietleniu go np. na ekranie) to beda niewielkie roznice wartosci pixeli. Wykorzystywane metody sa jednak tak dobrane, ze oko ludzkie nie zauwaza tych bledow. Zdarza sie jednak ze przy zapisie obrazow skladajacych sie z duzych jednokolorowych plaszczyzn na granicach widac lekkie "zafalowanie" koloru, jednak przy zdjeciach jednak te drobiazgi gina.