Статические изображения – способы получения , хранения и воспроизведения

Содержание
Введение …………………………………………………………………... 3
Способы кодирования цвета при записи
и воспроизведении изображений ……………..……………………… 4
Основные форматы файлов изображений …………………………… 7
Методы представления графической информации …..………. 9
Текстовые данные в мультимедиа …………………………… 11
3.Методы сжатия файлов изображений ……………………….….. 15
4.Программное обеспечение создания
и обработки изображений …………………………………………….… 16
Заключение ………………………………………………………………. 17
Использованная литература …………………………………………….. 18

Введение
Слово ‘мультимедиа’ (multimedia, иногда ‘малтимедиа’) представляет собой сочетание двух англоязычных слов - ‘много’ и ‘посредник, способ, обстановка, контактное воздействие’. Таким образом, термин мультимедиа можно формально перевести как ‘множество способов воздействия’; фактически же понятие мультимедиа подразумевает множество различных методов хранения и представления информации в форме звука, изображения, тактильных и др. воздействий на органы чувств человека Т.о. мультимедиа-системы (ММС) суть системы обработки и представления мультимедиа-данных (ММД).
Следует различать информационное наполнение и программное обеспечение ММС. Основные виды ММД: текст, графика, анимация, звук, видео, тактильные ощущения; условно можно разделить ММД на справочные, учебные, игровые, управляющие (в большинстве случаев разделы классификации перекрываются).
Мультимедиа является технологией представления сенсорной (доступной через органы чувств) информации в максимально близкой человеку форме и имеет два аспекта - аппаратный и программный (психологические, социальные и т.п. аспекты в данной работе рассматриваются крайне узко).
Аппаратная сторона мультимедиа обеспечивает непосредственный доступ к информации указанного типа и представляется в виде (с начала 90-х годов ставшими обычными для ПЭВМ) стандартными средствами - видеоадаптерами, мониторами, дисководами жестких дисков и приводами CD-ROM, звуковыми картами и специализированным оборудованием (например, ставшими модными в последнее время очками и шлемами виртуальной реальности), причем развитие номенклатуры подобных устройств носит поистине взрывной характер.
Способы кодирования цвета при записи и воспроизведении изображений
Способы представления цвета имеют свою теоретическую и практическую историю. Согласно современным понятиям свет является электромагнитным излучением, причем человеческий глаз воспринимаем лучи с длиной волны приблизительно от 400×10-6 мм (фиолетовый) до 700×10-6 мм (красный). Данная шкала является непрерывной, а понятие ‘цвета’ относится всего лишь к определенной части этой шкалы (от синего к красному согласно повышению длины волны).
Человеческий глаз различает сотни цветовых оттенков (известное ‘зрение художника’, якобы могущее воспринимать многие тысячи цветов, скорее всего является следствием чрезмерной эмоциональности в суждениях). Открытый И.Ньютоном способ разложения цвета на 7 составляющих оказался чрезмерно сложным для практической реализации. Согласно трехкомпонентной теории цветового зрения (не единственной из существующих) цвет представляется в виде суперпозиции трех основных цветов – красного (R), зеленого (G) и синего (B). В 1931 г. решением Международной Комиссии по Освещению (CIE, Commision International de l’Eclairage) были стандартизированы монохроматические цвета цветового излучения с длинами волн соответственно: красный цвет - 700×10-6, синий – 546,1×10- 6 и красный – 435,8×10-6 мм.
Модель RGB (Red, Green, Blue) является, пожалуй, наиболее простой и естественной из существующих. Здесь цвет представляется суммой интенсивностей трех составляющих цвета, при этом смешение трех цветов в одинаковой пропорции дает белый (при максимальной интенсивности составляющих) или серый (при меньшей, но равной, интенсивности составляющих; при нулевой интенсивности составляющих имеем черный цвет). Эта модель именуется аддитивной (основанной на сложении трех составляющих цвета) и напрямую реализуется в современных сканерах и электроннолучевых трубках мониторов. В Windows модель RGB поддерживается широко – известны системные функции получения полного цвета по его составляющим RGB(Red,Green,Blue) и выделения интенсивности Nной компоненты (N∈[R,G,B]) цвета GetNValue(RGB_Value); при этом интенсивность каждого из цветов Red, Green, Blue кодируется целым числом от 0 до 255.
Модель RGB имеет и недостатки – цвета на экране монитора могут отличаться от полученных цветоделением, существует взаимозависимость цветовых каналов (при увеличении яркости одного канала в других каналах яркость уменьшается). Развитием RGB-модели является RGBA (Red, Green, Blue, Alpha), позволяющая учитывать прозрачность элементов изображения (канал Alpha).
Модель RGB совершенно неприменима при цветной печати, когда цвета фактически не суммируются, а вычитаются из белого цвета бумаги (при печати суммирование трех красок равной интенсивности дает не белый, а наоборот – близкий к черному - цвет). При этом в модели CMYK используются дополнительные к RGB цвета – голубой (Cyan), пурпурный (Magenta) и желтый (Yellow), модель получила название субтрактивной. Для получения серых оттенков приходится давать избыток голубой составляющей, интенсивность Cyan на 10 ÷20% больше, чем пурпурной и желтой. В реальных цветных принтерах используется дополнительная емкость с черной краской, так как смешение CMY при их полной интенсивности все же не позволяет получить истинно черный цвет (отсюда символ K, см. рис. 1.1).
Недостатки цветовой модели CMYK – узкий цветовой диапазон, неточное отображение цветов CMYK на мониторе и больший (по сравнению с RGB) расход памяти при реализации.
centertopРис. 1.1. Основные модели представления цвета
Самым широким охватом обладает и наиболее точно описывает параметры цвета модель Lab. Ее достоинством является полное разделение информации о цвете и яркости, модель часто используется в качестве внутренней во многих программных продуктах для пересчета при переводе цветов из одной модели в другую. Современные пакеты работы с изображениями обязательно позволяет учитывать качество реальных устройств воспроизведения и корректировать цветопередачу (при этом используется понятие цветовой температуры – величины, тесно связанной с амплитудно-частотной характеристикой данного устройства в диапазоне видимого цвета).
В некоторых случаях профессионалы предпочитают работать с системой HSV, название которой является аббревиатурой терминов оттенок (Hue) – насыщенность (Saturation) – яркость (Value). Множественность моделей говорит о сложности попыток представления цвета; несмотря на явные достижения и практическое использование работа в этом направлении продолжается в связи с постоянным повышением требований к качеству воспроизведения изображений при экранной демонстрации и получении печатной продукции.
Основные форматы файлов изображений
К настоящему времени число форматов (в случае Window формат обычно определяется расширением имени файла) представления изображений определяется десятками и практически не растет далее (чего нельзя сказать о методах компрессии данных). Формат в большинстве случае определяется расширением имени файла (для MS Windows), однако в некоторых случаях информация в файле с одним и тем же расширением может оказаться сжатой различными методами.
Наипростейшим случаем сохранения растрового изображения является последовательное кодирование триад цвета в каждой точке изображения; при этом объем файла изображения будет не менее X×Y×3×N байт (X,Y – ширина и высота изображения в точках, N – число байт кодирования интенсивности каждого цвета). При размерах изображения 640×480 и ‘глубине’ цвета в 2 байта (216=65536 градаций) размер файла не менее 640×480×3×2 ≈2 Mбайт ! Учитывая, что в настоящее время обычно применяется глубина цвета в 3 или 4 байта (224=16’777’216 или 232=4’294’967’296 градаций интенсивности цвета) и значительно большие размеры изображения, хранение полноцветных изображения без компрессии практически невозможно.
Одним из (исторически) первых форматов сохранения изображений явился точечный рисунок Windows (расширение имени файла .BMP, .RLE или .DIB; именно с BMP-форматом работает Windows-штатный графический редактор MS Paint. Близким к BMP является формат ICO, до сих пор применяемый для сохранения изображений в виде маленьких ‘иконок’.
Файлы формата PCX (PC Paintbrush) использовались в основном в MS DOS и Windows’3x, поддерживается сжатие (компрессия) по методу ZSoft.
Графические файлы формата TIF (Tagged File Format) поддерживают все глубины цветности и используют сжатие.
Формат GIF (Graphics Interchange Format) поддерживает только 256- цветные изображения и (в современных версиях GIF87/GIF89) последовательность изображений (анимация); для использования на страницах HTML (HiperText Markup Language) важно свойство ‘прозрачности’ (transparent) GIF-файлов. Для создания и редактирования анимированных GIF-файлов имеется большое количество ПО (например, Ulead GIF Animator).
JPG-файлы (JPEG File Interchange Format) являются сильно компрессованными (возможно выбирать уровень компрессии в ущерб качеству изображения) и практически монополизировали InterNet (кроме небольших анимированных ‘ярлычков’, где применяется GIF).
Формат DXF активно применяется фирмой AutoDESC (www.autodesc.com) в пакете AutoCAD и является стандартом обмена векторной графикой; DXF-файл является текстовым, поддерживает определения сложных объектов, вложенность блоков и др. Текстовый формат этих файлов способствовал их широкому распространению, т.к. (относительно) несложно разрабатывать пользовательские программы для считывания, анализа и создания DXF-файлов. Специально для применения в сети InterNet фирма AutoDESC разработала формат DWF (Drawing WEB File).
Продвигаемый MS формат WMF (Windows Metafiles Format) поддерживает векторную графику (и поэтому изображения легко масштабируются) и позиционируется как средство поддержания объектов галлереи кадров (Microsoft Clip Gallery).
Проблема авторизации изображений решен путем внедрения в файл изображения т.н. цифровой метки (компания Digimarc Corp., www.digimarc.com). Эффективность методики настолько высока, что единожды внедренная метка обнаруживается даже после сложных манипуляций с изображением и сканирования картинки, технология принята штатной в продуктах фирм Adobe и Corel.
Формат PDF (Portable Document Format) той же фирмы является форматов электронных документов и может включать текст, графику (как растровую, так и векторную) и иные данные.
Большое количество других форматов изображений используется не столь часто и здесь не рассматривается; некоторые из вышерассмотренных форматов изображений используются и при создании видеофильмов (см. ниже). Практически все форматы изображений пригодны для использования в качестве объектов для предложенной MS технологии внедрения или связывания объектов (OLE); причем ‘внутри’ конкретного приложения изображения сохраняются (в случае внедрения) в специфичном формате, для перекодирования применяются (автоматически применяемые) т.н. ‘графические фильтры’.
Методы представления графической информации
Традиционно используются два метода представления графической информации – растровый и векторный.
При представлении графической информации в растровом виде используется технология хранения информации о каждом пикселе (pixel- picture element); пиксел является неделимой единицей - точкой изображения, данные обычно хранятся последовательно в формате одномерного массива, а ширина и высота изображения в пикселах описываются в заголовке файла), сохраняются данные о цвете (в единицах 21 =2 цвета, 28 =256 цветов и т.д.; также сохраняется информация о палитре – текущей таблице соответствий представляемого цвета и его кода). При моделировании объемных (трехмерных) объектов используется воксел (voxel – volume picture element).
Историческим аналогом данного метода явилась, вероятно, давно отработанная технология передачи и приема телевизионных изображений (такая же технология применяется при сканировании изображений). Типичным представителем этой методики является входящий в штатное cистемное ПО фирмы MS пакет Microsoft Paint; в настоящее время практически все графические редакторы поддерживают растровую графику. Практически все современные системы сохранения движущихся изображений (movie) используют растровый способ представления графической информации.
Вторым методом представления графических изображений является векторный способ. При этом неделимой единицей является вектор – определяемая начальной и конечной координатами прямая линия; аттрибутами являтся цвет (включая палитру), толщина, тип (сплошная, штрихпунктирная и т.д.) линии. Вырождением линии (вектора) является точка (фактически растровый способ представления графической информации). На основе векторов строятся и более сложные графические примитивы – дуги, овалы, гладкие линии произвольной формы и т.д.
Данный метод является естественным для представления информации в виде чертежей, типичным представителем является пакет создания чертежной документации AutoCAD (соответствующие файлы формата DXF являются текстовыми и содержат описания графических примитивов в векторном виде); другим представителем пакетов векторной графики является CorelDraw. Размеры файлов при векторном способе обычно значительно меньше, скорость же отрисовки изображений на устройствах вывода практически не отличается. Это объясняется почти 100% применением растровых дисплеев (применение векторных дисплеев в настоящее время ограничено), при этом изображение любых векторных примитивов сводится к (программной) конвертации в растровый формат; используется линейная или круговая интерполяция путем ‘засвечивания’ ближайших к вектору точек растра по методу Брезенхама. Заметим, что векторные графопостроители в настоящее время широко распространены и хорошо согласуются (по форматам передаваемых данных) с технологией векторной графики.
Конвертация между двумя указанными видами представления графической информации тривиальна лишь при переходе от векторной к растровой графике (метод Брезенхама), обратный переход требует значительных ухищрений (известны, например, конверторы сканированных растровых изображений в векторный формат AutoCAD’а; при этом особенная сложность заключается в распознавании участков растра в районе ‘стыковки’ векторов, что обычно требует вмешательства оператора).
Существенно различаются для векторной и растровой графики процедуры линейного масштабирования. Если объекты векторной графики масштабируются элементарно, масштабирование растровой графики существенно сложнее (примитивное масштабирование в этом случае приводит лишь к превращению пикселов в прямоугольные образования) – применяются специальные алгоритмы заполнения и сглаживания. Однако эти и более сложные (нелинейные преобразования) легко реализуются вычислительными возможностями ПЭВМ. Более сложные функции класса повышения резкости, оконтуривания, выделения градиентов и областей с заданными свойствами и др. определены лишь для растровой графики; большой набор предопределенных фильтров для подобных преобразований доступен в пакете Adobe Photoshop (www.adobe.com), задаваемые пользователем фильтры удобноприменимы в пакете Paint Shop Pro.
Одна из простых операций такого рода – локальная цифровая фильтрация, осуществляемая путем взвешенного суммирования яркостей пикселов, находящихся в некоторой окрестности текущего пиксела.
Текстовые данные в мультимедиа
Текстовые данные (независимо от типа письма - иероглифического, алфавитного, смешанного) фактически являются частью представления информации в виде статических изображений (графики) и в целом описываются, обрабатываются и представляются теми же методами. Особенностью текста является его вторичность (по отношению к первичности речи, кодовым выражением которой текст формально и является), вследствие чего появляются дополнительные функции ММС: распознавания речи и обратная - речевого воспроизведения текста; эти функции становятся штатными даже для ОС (в частности, небызызвестного проекта Merlin фирмы IBM). К сходным проблемам относится и вопрос распознавания символов (технология OCR - Optical Character Recognition), в настоящее время удовлетворительно решенный даже в ‘карманных’ ПЭВМ и машинного перевода предлагает специализированную библиотеку разработчика систем распознавания речи Microsoft Speech API, системы распознавания и преобразования текста в речь Microsoft Speech Recognition и Microsoft Text-to-Speech; функциями речевого управления должен обладать пакет MS Office 10.
Символы внутримашинно представлены численным кодом (обычно 8-ю двоичными разрядами, перспективная кодировка UNICODE использует 16 бит и позволяет единообразно представить символы 216= 65536 языков мира); наличие оставшихся от первых лет компьютерной эпохи нескольких таблиц кодировок (‘кодовых страниц’ - например, Windows-1251, Koi8-R и др.) создает трудности при работе. Наиболее распространенным в среде Windows текстовым (с элементами графики) редактором (текстовым процессором) является MS Word (www.microsoft.com/rus), из популярных настольных издательских систем следует упомянуть Adobe PageMaker (www.adobe.com), Xerox VenturaPublisher (www.xerox.com) и Quark XPress (Quark, Inc).
Действие OCR-систем заключается в сопоставлении печатным символам (обычно представляемым в виде сканированного изображения) кодовому набору алфавита, ‘понимаемому’ конкретным ПО обработки текстов (изображению символа ставится в соответствие его числовой код). Одной из распространенных OCR-систем является FineReader фирмы ABBYY Software (www.abbyy.ru). Последние версии продуктов этой фирмы (ABBYY FineReader Рукопись) позволяют распознавать формы (технология Document Capture - ‘захват документа’), например, бланки налоговых деклараций (с занесением информации из определенных полей бланка в поля базы данных).
Комплекс Cognitive Forms принадлежит к классу OCR/ICR/OMR (Optical Character Recognition / Intelligent Character Recognition / Optical Mark Recognition - оптическое распознавание печатных символов / распознание рукописных символов / оптическое распознание меток) и реализует трехуровневую технологию распознания.
Для представления текстовой информации в приятной человеку форме используются шрифты. Шрифт (гарнитура) - набор символов, схожих по графическим особенностям. Начертание описывает характерные особенности шрифта (bold - жирный, italic - курсивный, normal - прямой). Кегль, или размер шрифта (size) определяется высотой прописной буквы, измеренной в пунктах (points); один пункт равен 1/72 дюйма (0,353 мм), в шрифте размером 12 пунктов прописные буквы имеют высоту 1/6 дюйма. Эффекты предоставляют возможность применить к выбранному шрифту различные способы оформления - подчеркивание, зачеркивание, оконтуривание, капитель, закрашивание в различные цвета и т.п.
Растровые шрифты имеют фиксированные форму и размеры (например, шрифт MS Sans Serif), причем при масштабировании (только целочисленном) форма символов искажается (возникает ‘ступенька’). Векторные (масштабируемые, контурные) шрифты (например, Modern) строятся ‘точка за точкой’ при помощи специального штатного для OC Windows ПО (GDI - Graphic Device Interface) и допускают масштабирование в любое число раз без искажений, однако для их отрисовки требуются значительные ресурсы. Именуемая TrueType разновидность векторных шрифтов (например, Arial) пригодна для вывода как на экран так и на принтер и допускает масштабирование на размер от 1 до 999 пунктов. Близкими к TrueType являются шрифты в формате PostScript (предложенный Adobe и ставший всеобщим стандартом язык описания макета страницы, PostScript обеспечивает высококачественный вывод изображений, графики и текста, поддерживая при этом повороты, увеличение и уменьшение символов, для вывода изображений используется интерпретатор PostScript в принтере или в ПЭВМ); для принтеров Hewlett-Packard LaserJet, DeskJet возможно использование технологии PCL (Printer Control Language), позволяющей осуществлять форматирование распечатываемой страницы в самом принтере.
Шрифты типа TrueType при отрисовке строятся на основе реперных точек, соединенных плавными кривыми (используются квадратичные Bсплайны); ОС Windows имеет штатный набор функций для работы с этими кривыми. Современное ПО создания новых шрифтов (Fontographer фирмы Macromedia, Inc., www.macromedia.com; Font Lab фирмы Adobe, www.adobe.com и др.) позволяет разрабатывать формы символов в графическом диалоге с пользователем, задавая базовые точки и соединяя их кривыми. Деятельность разработчиков шрифтов координирует ежегодная конференция ATypI (Association Typographique Internationale, www.atypi.org).
Чисто технической сложностью является работа пользователя с текстовыми данными на фоне (растровой или векторной графики). В примитивных графических редакторах класса MS Paint после ввода текста его редактирование невозможно, так как он преобразуется в растр. В более мощных редакторах текст сохраняется как отдельный объект (с указанием аттрибутов - фонта, размера, цвета и др.) и при этом отображается в растровом или векторном виде; редактирование объекта позволяет легко изменять текст (и его аттрибуты).
Методы сжатия файлов изображений
Сжатие информации в современных ПЭВМ реализуется программно, причем в большинстве случаев пользователю-непрофессионалу нет необходимости знать, какой метод компрессии используется - ОС самостоятельно применяет нужный кодек, анализируя заголовок медиафайла. В случае небольшого количества цветов для сжатия используется метод группового кодирования (run-length encoding), при этом последовательность одинаковых точек заменяется специальными кодами, несущими информацию о цвете и числе повторов пиксела (т.н. Group 3 метод сжатия, разработанный впервые для факс-аппаратов). Метод предсказания позволяет предсказать цвет следующего пиксела, на этом основана технология сжатия JBIG. Разработано множество несложных, но эффективных приемов кодирования (например, учет т.н. вертикальной избыточности изображения и др.).
К другой группе относятся т.н. методы сжатия с потерями (lossy compression), наиболее известным из которых является JPEG (назван согласно аббревиатуре утвердившего его международного объединения Joint Photographic Experts Group). Метод основан на том, что человеческий глаз более чувствителен к изменению яркости, а не цвета, и к градациям цвета, а не резкому его изменению. JPEG в основном оперирует информацией о яркости, опуская некоторые данные о цвете, и вместо резкого изменения цвета поддерживает плавные переходы. В результате формат JPEG весьма эффективен при сжатии фотографических изображений, но вызывает заметные искажения четких очертаний контурных рисунков (в которых важна именно резкая смена цвета); мелкие детали изображения могут быть потеряны.
Наиболее распространенными штатными для Windows кодеками являются MS Video 1, Microsoft RLE (Run Length Encoded), Indeo (IntelVideo, особенно эффективен при работе с 24-битовой глубиной цвета), Cinepack; некоторые пригодны и для работы с потоковым видео.
Программное обеспечение создания и обработки изображений
Наиболее известным ПО для работы с видеоизображениями в настоящее время является известный любому пользователю ПЭВМ PC пакет MS Paint. Пакет позволяет работать с файлами формата BMP, GIF, TIFF, ICO, PNG, JPG, является типичным пакетом растровой графики, позволяет выполнять простейшие функции рисования и редактирования. Достоинством пакета является его (чрезмерная) простота, именно поэтому он рекомендуется начинающим.
Одним из наиболее широкообъемлющих по возможностям является пакет растровой графики PhotoShop фирмы Abobe. В пакет включено большое количество модулей геометрического и цветового (линейного и нелинейного) преобразования изображений, возможен учет цветовой настройки устройств вывода (дисплея и принтера). Photoshop (особенно последних версий) 'тяжел' (требует больших ресурсов памяти и производительности процессора) для использования на ПЭВМ. Простым, но обладающим широкими возможностями, пакетом векторной графики является Paint Shop Pro).
Типичным ПО для работы с векторной графикой является CorelDraw (www.corel.com), возможна отрисовка большого количества графпримитивов (к тому же могущих располагаться в различных слоях и соответственно компоноваться); при сохранении изображений поддерживается большое количество форматов.
Нет возможности (и необходимости) перечислять сотни существующих на данный момент пакетов обработки изображений; важным свойством каждого является возможность конвертации (в том числе групповой) форматов графических файлов.
Заключение
Мультимедиа является бурно развивающейся областью деятельности, фактически приближающей компьютерные технологии к человеку. Несмотря на большое количество известных технологий работы со звуком, изображениями и видео ежемесячно разрабатываются новые, при этом существующие методы излишне техницированы (что как раз и говорит о ‘юности’ этой области).
Даже в обозримом будущем развитие мультимедиа-технологий предлагает близкие к фантастическим перспективы увеличение технологической мощности человечества. Однако приближающееся неизбежное вмешательство мультимедиа непосредственно в психофизическую сферу человека обоснованно представляется опасным и непредсказуемым по последствиям для человеческого сообщества.
Использованная литература
Авраамова О.Д. Язык VRML (практическое руководство). –M.: ДиалогМИФИ, 2000. - 288 c.
Гук М. Аппаратные интерфейсы ПК. -С.Птб.: Питер, 2002. -528 c.
Программирование мультимедиа-систем: Учеб. пособие / В.М.Баканов; МГАПИ. Москва, 2004. 122 c. ISBN 0-000-0000-0
Порев В.Н. Компьютерная графика. -С.Птб.: BHV, 2002. -432 c.
Фролов А.В., Фролов Г.В. Мультимедиа для Windows (руководство для программиста, том 15). - М.: Диалог-МИФИ, 1995. - 284 c.