Кодирование графической информации: расчет объема растровых изображений
Пространственная дискретизация, разрешение X × Y, глубина цвета i, мощность палитры K = 2^i, цветовые модели RGB и CMYK, расчет объема несжатого растра.
Преобразование непрерывного зрительного изображения реального мира (пейзаж, рисунок) в дискретную цифровую форму называется пространственной дискретизацией (оцифровкой графики).
Изображение разбивается на прямоугольную сетку крошечных неделимых площадок — пикселей (Picture Elements). Чем мельче размер пикселя и чем плотнее они расположены, тем выше качество, четкость и разрешающая способность полученной цифровой картины.
Пространственное разрешение растрового изображения определяется произведением , где:
• X — количество пикселей по ширине изображения (по горизонтали);
• Y — количество пикселей по высоте изображения (по вертикали).
Общее число пикселей в изображении равно . Например, в стандартном мониторе Full HD матрица состоит из пикселей (около 2 Мегапикселей).
Схема растровой матрицы пикселей и глубина цвета
Дискретизация графики
Разрешение (X × Y)
Каждый пиксель растрового изображения окрашен в определенный цвет. Чтобы компьютер мог сохранить этот цвет, ему сопоставляется двоичный код.
Глубина цвета (i — битность / битовая глубина) — это количество бит, используемых в памяти компьютера для кодирования цвета одного пикселя.
Количество различных цветов (K), которое можно закодировать при заданной глубине цвета i, определяется фундаментальной формулой Хартли:
Стандартные градации палитры в компьютерных науках:
• Монохромное изображение (черно-белый штрих): бит цвета (черный и белый);
• 16-цветная графика: бита цветов (палитра старых консолей и Windows 95);
• 256-цветная графика (8-битный цвет): бит (1 байт) цветов (градации серого или индексированная палитра формата GIF);
• High Color (16 бит): бит (2 байта) оттенков;
• True Color (Истинный цвет / 24 бита): бита (3 байта) цветов (по 8 бит = 256 градаций на каждый из трех базовых каналов Red, Green, Blue). Человеческий глаз не способен различить большее число оттенков, поэтому этот режим называют фотореалистичным.
K = 2^i
True Color (24 bpp)
Информационный объем несжатого растрового графического файла (I) равен произведению общего количества пикселей на глубину цвета одного пикселя:
(в битах)
Чтобы перевести полученный объем в привычные единицы:
• Из бит в байты — делим на 8:
• Из байтов в килобайты — делим еще на 1024:
• Из килобайтов в мегабайты — делим еще раз на 1024:
.
При расчетах по формуле определяется размер «чистой» растровой матрицы без учета служебного заголовка файла (Header), где хранятся метаданные о размерах и авторе.
I = X · Y · i
Ловушка ЕНТ
Часто в условиях олимпиадных задач приводится полиграфическое разрешение в DPI (Dots Per Inch — точек на дюйм) и физический размер в дюймах. Число пикселей по ширине находится как X = Ширина (дюймы) · DPI.
В зависимости от физической природы формирования цвета применяются различные математические модели:
1. Аддитивная модель RGB (Red, Green, Blue — сложение излучаемого света):
Применяется во всех устройствах с излучающими экранами (мониторы, телевизоры, проекторы, смартфоны). Смешение максимальных интенсивностей лучей дает чистый белый цвет: R+G+B = Белый. Отсутствие всех лучей дает черный цвет;
2. Субтрактивная модель CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, blacK — вычитание отраженного света):
Применяется в полиграфии при цветной печати на бумаге (типографии, цветные струйные и лазерные принтеры). Бумага сама по себе белая, а типографская краска поглощает (вычитает) определенные длины волн. Для кодирования каждого пикселя в CMYK требуется 32 бита (по 8 бит на каждый из четырех красителей: голубой, пурпурный, желтый и черный).
