Úvod do počítačové grafiky

Úvod

Počítačovou grafikou rozumíme vše, co zpracovává počítač a co lze sledovat očima. Při práci s počítačovou grafikou řešíme několik okruhů problémů. Za prvé, jak získat zdrojová data. Za druhé, jak reprezentovat obraz. Za třetí, jak ukládat příslušné datové soubory a jaká je jejich velikost. Za čtvrté, jakým způsobem a na jakém zařízení grafiku zobrazit.

Co všechno lze považovat za počítačovou grafiku:

Podle způsobu uložení obrazové informace rozlišujeme dva základní typy počítačové grafiky: vektorovou a rastrovou.

Nahoru

Vektorová grafika

Malý vektorový obrázek

Obrázek delfína vytvořený v Zoner Calisto

Zvětšený vektorový obrázek

3x zvětšený detail téhož obrázku

Ukládá návod, jak obraz vytvořit. Základem jsou objekty (úsečky, kružnice, přímky). Můžeme si představit, že při vykreslování vektorového obrázku čte počítač zhruba toto: "Sestroj žlutou kružnici o poloměru 15 mm a šířce 1 mm, přes její střed veď zelenou přímku o tloušťce 2 mm." Typicky se využívá pro technické výkresy.

Výhody:
Možnost libovolné změny velikosti obrázku bez ztráty kvality
Malá velikost pro čárovou (kreslenou) grafiku
Nevýhody:
Pro většinu zobrazovacích zařízení je nutno ji převést na rastrový obrázek
Neexistuje jednotný formát -> problémy s otvíráním a přenosem souborů
Typické přípony souborů:
pdf, ps - soubory původně určené pro tiskárny, existují pro ně zdarma prohlížeče, zejména Adobe Reader
ttf - soubory obsahující definici fontů
zmf (soubory Zoner Calista), dwg (AutoCAD), cdr (Corel Draw!) a mnoho dalších
Nahoru

Rastrová grafika

Malý rastrový obrázek

Fotografie neonky černé

Zvětšený rastrový obrázek

3x zvětšený detail téhož obrázku

Jinak také zvaná bitmapová. Ukládá mapu barev jednotlivých bodů obrazu. Můžeme si představit, že počítač při vykreslování čte zhruba toto: "Bílá, bílá, červená, červená, bílá, bílá, další řádek, bílá, červená, bílá, bílá, červená, bílá, další řádek ..." Typicky se používá pro fotografie.

Výhody
Malá velikost pro fotografie
Jednoduché zobrazení
Nevýhody
Problematická změna měřítka
Typické přípony souborů:
bmp, jpg, tiff, raw, gif, png
Nahoru

Rozlišení

Rozlišení je v počítačové grafice pojem s několika významy. U monitorů (běžných i LCD) se jím myslí rozměr obrazovky měřený počtem zobrazených bodů (pixel, px). Rozlišení 1024x768 px tedy znamená, že na obrazovce se zobrazuje rastrový obrázek, jehož delší strana má 1024 bodů a kratší 768 bodů.

U tiskáren se pojmem rozlišení rozumí hustota bodů při tisku. Měří se v jednotkách dpi(dots per inch, teček na palec - pro připomenutí, palec je 2,54 cm). Optimální rozlišení pro fotografii se udává 300 dpi, tj. 300 teček na 2,54 cm; pro text stačí 75dpi. U skenerů rozlišení v dpi říká, kolik bodů je vytvořeno ve vznikajícím souboru z obrázku dané velikosti. Při rozlišení 300 dpi bude obrázek o velikosti 2,54x2,54 cm převeden na bitmapu o rozměrech 300x300 px.

Rozlišení digitálních fotoaparátů říká, kolik bodů má výsledná fotografie (zhruba řečeno, kolik světlocitlivých buněk má snímač). Udává se v megapixelech (Mpx). Protože mají snímače poměr stran 4:3, je velikost fotografie 4d x 3d, kde d je odmocnina z výrazu (rozlišení v px)/12.

Nahoru

Barvové modely a barevná hloubka

Počítač je digitální zařízení. To znamená, že pracuje s čísly ve dvojkové soustavě. Je otázkou, jak převést barvu na čísla, a odpovědí jsou barvové modely (někdy nazývány barevné prostory).

Nejpoužívanější je model RGB, který jakoukoliv barvu vyjadřuje jako kombinaci tří světel - červeného (Red), zeleného (Green) a modrého (Blue) - různé intenzity. Intenzita je reprezentována celým číslem, obvykle v rozsahu 0 až 255. Jsou-li všechna světla zhasnuta, vnímáme černou barvu, svítí-li všechna na maximum, vidíme bílou barvu. Tento model se používá zařízení, která svítí (monitory, dataprojektory), a u digitálních fotoaparátů. RGB model je za pomoci spousty obrázků podrobněji vysvětlen na serveru Digimanie

Druhým používaným modelem je model CMY(K). Ten využívá kombinaci tří barev - azurové (Cyan), fialové (Magenta) a žluté (Yellow). Bez použití barev vidíme bílou (přesněji vidíme barvu podložky), při použití všech tří s maximální intenzitou vzniká černá. Tento model používají tiskárny. Z úsporných důvodů se do nich přidává ještě zásobník čené (blacK) barvy.

Výše uvedené modely odpovídají skutečnému způsobu vzniku barvy. Existují i modely určené zejména pro definování barev v prostředí grafických programů, např. HSL - barevný tón (Hue), sytost barvy (Saturation), světlost (Lightness). Na stránkách Mgr. Jiřího Doležala najdete více informací o barvových modelech.

Gamut

Porovnání velikosti RGB a CMYK prostoru s gamutem lidského oka

Barevná hloubka je číslo, které udává kolik informací obsahuje jeden bod. Udává se v bitech. Nejčastěji používané soubory typu jpg pracují s 24 bitovou barevnou hloubkou. Na každou z barev RGB tak připadá 8 bitů (tj. jeden byte, čteno "bajt"). To stačí na reprezentaci 256 odstínů, celkem dostáváme asi 16,7 miliónů zobrazitelných barev.

Problémem barevných prostorů je jejich různost. Každý z nich totiž popisuje odlišnou množinu barev (tak zvaný gamut), která je navíc vždy menší než množina barev rozeznatelných okem. Na monitoru tedy lze zobrazit netisknutelnou barvu a naopak. Tento efekt je nejvýraznější v oblasti odstínů zelené a v oblastech jemných světlých přechodů (obloha).

Nahoru

Komprese

Obrázky se na disk ukládají ve formě souborů. Jelikož je velikost disků omezena, je třeba se zabývat velikostí těchto souborů. Ta může být poměrně značná, např. fotografie 10x15 cm skenovaná při rozlišení 300 dpi při 24 bitové barevné hloubce má datovou velikost (10/2,5)x300x(15/2,5)x300x(24/8) = 6,48 MB; běžná tapeta na plochu má datovou velikost 1024x768x(24/8) = 2,4 MB. Sto fotografií z 8 Mpx fotoaparátu má datovou velikost zhruba 2,5 GB.

Ke zmenšování velikosti se používá metoda zvaná komprese. Rozlišujeme u ní dva základní druhy: bezztrátovou a ztrátovou. Ztrátová komprese je podstatně účinnější (tedy zkomprimovaný soubor je menší), dochází při ní ke změnám v obrazu. Tyto změny nejsou za normálních okolností pozorovatelné.

Představme si následující rastr: "Bílá, bílá, světle šedá, bílá, bílá, bílá, další řádek, bílá, šedá, tmavě šedá, tmavě šedá, šedá, bílá, další řádek ..." Bezztrátová komprese jej zakóduje jako "2 bílá, světle šedá, 3 bílá, další, bílá, šedá, 2 tmavě šedá, šedá, bílá, další ..." Při dekompresi (opačný postup) tak získáme obraz zcela shodný s původním. Je vidět, že komprese je obvykle tím účinější, čím více se části souboru opakují.

Ztrátová komprese zakóduje náš rastr například takto: "6 bílá, další, bílá, 4 šedá, bílá, další ..." Tento velmi zjednodušený příklad vychází z předpokladu, že oko nerozliší zanedbaný světle šedý bod v dlouhé řadě bílé. Dekomprimovaný obraz je zřejmě odlišný od původního. Za tuto cenu získáme velmi malý komprimovaný soubor.

Na stránkách Mgr. Jiřího Doležala najdete podrobnější popis komprimace.

Nahoru

Typy rastrových souborů

BMP
Microsoft Windows BitMaP
Asi jediný program, který tyto soubory standardně využívá je Kreslení ve Windows
Jednoduchý formát. Jde o rastr v nejčistší možné podobě, tedy 3 čísla pro každý obrazový bod, jeden bod za druhým.
Barevná hloubka 24 bit
Nepoužívá kompresi => velké soubory
GIF
Graphics Interchange Format
Formát souborů vhodný pro jednoduché webové obrázky a ikonografiku
Barevná hloubka 8 bit, tj. 256 barev z libovolně definované palety
Používá bezztrátovou kompresi
Umožňuje ukládání více obrázků do jednoho souboru => animace
Jedné barvě lze nastavit průhlednost
PNG
Portable Network Graphics
Relativně nový formát, určený pro přenos souborů v síti
Obsahuje algoritmus pro opravu chyb vzniklých přenosem
Používá bezztrátovou kompresi, v porovnání s GIF je komprese účinnější
Neumí animace
Barevná hloubka až 48 bitů + až 16 bitů pro průhlednost
JP(E)G
Joint Photographic Experts Group
Barevná hloubka 24 bit
Určen pro ukládání fotografií, velmi nevhodný pro obrázky s ostrými hranami(text)
Používá ztrátovou kompresi nastavitelné kvality => velká datová úspora
Ke ztrátě kvality dochází při každém uložení JPG souboru
TIFF
Tag Image File Format
Existuje více verzí tohoto formátu
Používá se především pro archivaci obrázků k pozdějším úpravám
Zvolna ho nahrazuje formát PNG
Barevná hloubka až 24 bit
Může používat bezztrátovou kompresi
Kvalitní rastrový obrázek

JPG, 90% kvalita, 96kB

Nekvalitní rastrový obrázek

JPG, 0% kvalita, 1,1kB

Pro konkrétnější představu o velikostech jednotlivých souborů může sloužit následující tabulka:

Typ souboruVelikost
TIFF - nekomprimovaný9,0 MB
TIFF - komprimovaný4,5 MB
JPEG - maximální kvalita  2,1 MB
JPEG - 95% kvalita1,0 MB
JPEG - 85% kvalita0,6 MB
JPEG - minimální kvalita0,2 MB

Na stránkách Fireworks - Jak psát web si o rastrových souborech přečtete více.

Nahoru