Кодирование графической информации

Теперь рассмотрим более подробно основные параметры растровой графики и, связанные с ними процедуры кодирования графической информации.

В общем случае полноцветное изображение (репродукция, цветная фотография, цветной слайд, а еще шире прекрасная объективная реальность) представляет собой непрерывный сигнал, не имеющий формально выраженных элементов (графического алфавита), которые можно было бы выделить, внести в список и поставить каждому цифровой код. По этой причине понятно, что необходимо прибегнуть к принудительной дискретизации, как это было рассмотрено на примере абстрактного аналогового сигнала.

В результате этой операции должны получиться некие дискретные элементы, которые можно подвергнуть операции квантования, а затем кодировать в соответствии с требуемой кодовой таблицей. Т.е. для преобразования изображений в цифровую форму первым условием также является принудительная дискретизация.

Предварительно необходимо выяснить своеобразие графического сигнала, скажем, в сравнении с абстрактным сигналом, который выше уже обсуждался.

Так как большинство графических изображений двухмерны, способ дискретизации тоже должен основываться на плоских элементах, обладающих площадью, а, следовательно, двумя измерениями. Т.е. необходимо плоскостное изображение дискретизировать на какие-то плоские элементы, обладающие параметрами площади, т. е. длиной и шириной. Нужно выбрать самый элементарный способ, а именно такой, который можно совершенно надежно алгоритмизировать и который всегда будет работать.

Остается единственно возможное в этой ситуации решение - не пытаться искать в каждом отдельном изображении какие-то особые элементы, а наоборот, применить ко всей огромной совокупности изобразительных произведений, экономное и универсальное решение - принудительную дискретизацию площади изображения на условные элементы одинаковой и максимально упрощенной формы (простой геометрической формы), т.е. на пиксели.

Дискретизация принудительна, т. к. никоим образом не учитывает содержание изображения. Для принудительной дискретизации не играет роли, какую часть изображения мы "разбиваем" - фон или важные детали, часть рисунка или окружающие его поля и т. д. Таким образом, принудительная дискретизация изображений позволяет создать универсальный способ создания элементов для последующего квантования и кодирования.

Вторым по важности ключевым словом является "простой", т. е. речь в данном случае идет о том, что необходимо выбрать самый простой элемент дискретизации. Самым простым элементом является квадрат.

При этом, правда, неизбежно возникают следующие вопросы.

Формальный вопрос: как описать различие в местоположении совершенно одинаковых элементов? Содержательный вопрос: как описать фактическое различие между элементами?

Формальный вопрос решается введением координатной сетки, а содержательный - последующим этапом квантования.

Самым простым способом разбиения плоскости представляются сетки, получаемые в пределах ортогональных (прямоугольных) координат. Любое изображение (фотографию или рисунок) мы помещаем в декартовы координаты, где по нижнему краю изображения располагается ось X, а с правым краем изображения совпадает ось Y.

В самом первом приближении элементы, на которые разбивается изображение, - это прямоугольные области. В общем случае образуются дискретные элементы с различными значениями ширины и высоты. Принципиально это не возбраняется, но, учитывая грядущие трансформации, стоит задуматься над тем, что даже ортогональные трансформации (вращение на 90, 180, 270 и 360 градусов) в такой ситуации будут чреваты неприятностями. Исходя из этих соображений, изображение выгодно разбивать на квадратные элементы. А коль скоро принимаются за основу квадратные элементы, то и отсчеты на обеих осях устанавливаются одинаковыми, т. е. с равными интервалами между отсчетами.

Предположим, необходимо превратить в цифровую форму оригинал в виде идеального черного квадрата, рисунок 14 (вспомним Малевича).

Первым этапом является дискретизация. В качестве инструмента дискретизации очень удобно представить обычный сканер. Помещаем оригинал в сканер, а именно в декартовы координаты, фактически - просто строим сетку, линии которой образуют клетки-ячейки, т. е. независимые друг от друга дискретные элементы.

На изображении получаются дискретные элементы по вертикали, которые можно, например, пронумеровать и дискретные элементы по горизонтали, которым, также можно поставить в соответствие такую же систему обозначений, рисунок 15.

Пока это еще не цифровое изображение, а лишь подготовка к нему. В самом деле, пока мы располагаем только страницей с рисунком, на который нанесена сетка координат. Здесь, собственно, и начинается то, что, мы называем компьютерной графикой, ибо с этого момента мы переходим к представлению информации средствами компьютера, т. е. цифрами.

Рисунок 14

Рисунок 15

Процедура дискретизации применительно к компьютерному изображению начинается с создания пустой матрицы, в ячейки которой можно записать числа - коды той или иной графической информации.

Следует поставить в жесткое и однозначное соответствие сетку дискретизации, которая нанесена на оригинал, и математический объект - матрицу, которая виртуально создается средствами прикладных программ, например в оперативной памяти компьютера. В матрице фиксируется такое количество ячеек, которое достаточно для сохранения необходимого массива данных. А сетка дискретизации (декартовы координаты) - это и есть таблица, или матрица. Конечно, с самого начала необходимо обеспечить идентичность размерностей, т.е. количество ячеек по горизонтали и по вертикали в сетке дискретизации должно соответствовать количеству строк и столбцов матрицы.

Матрица, которая создается средствами графической программы, получила в английской терминологии название map (карта) или bitmap – битовая карта.

В связи с этим дискретную компьютерную графику иногда называют "битовой" (bitmapped).

Битовая графика (bitmapped image) - это вид графики, у которого выполнена пространственная дискретизация и используются элементы, напоминающие элементы простейшей мозаики.

Каждый отделенный элемент необходимо оценить в соответствии с некоторой заранее заданной шкалой - это и есть процедура квантования. Отличие данного процесса от того, который обсуждался ранее, состоит в характере квантования.

В изображениях (для начала ограничимся черно-белыми - монохромными изображениями) единственное различие, которое имеет значение при таком типе дискретизации, строится на тональных градациях. Что справедливо также для квантования цветных изображений.

Поскольку в монохромном изображении используются только два ахроматических цвета, их можно представить как два состояния. Можно предварительно составить таблицу квантования для такого изображения, таблица 7.

Таблица 7

И вот, наконец, мы начинаем кодировать исходное изображение по двум состояниям, т. е. оценивать каждый дискретный элемент по составленной нами таблице квантования (таблица 7). Там, где в оригинале дискретные ячейки имеют белый цвет, в соответствующие им ячейки матрицы (битовой карты) записываются "единицы". А там, где в "оригинале" представлены ячейки черного цвета, записываются "нули", рисунок 16.

После полного заполнения всех ячеек матрицы можно считать, что процесс оцифровки (кодирования) исходного изображения завершился.

Таким образом, полученная таблица (битовая карта) может быть записана любым компьютерным способом как последовательность двоичных чисел, импульсов, положения магнитных доменов и т. д. В таком виде информацию можно хранить (в одном из стандартных форматов), передавать, в том числе копировать неограниченное число раз и вообще обрабатывать средствами вычислительных систем.

1 1 1 1

1 0 0 1

1 0 0 1

1 1 1 1

1 1 1 1

Рисунок 16

Однако пользователю такая информация абсолютно не доступна. А для того чтобы управлять содержанием, например, изменить какой-либо фрагмент изображения, необходимо выполнить процедуру, обратную вводу – визуализировать битовую карту, т. е. создать видимое изображение, в первую очередь на экране монитора.

Для того чтобы эту ситуацию исправить, мы должны заставить программу и соответствующие драйверы устройств, используя ту же самую таблицу квантования, таблица 7, полученную матрицу, рисунок 16, представить доступными для человеческого восприятия средствами - визуализировать цифровое изображение, например на экране монитора. В общем случае получается конечный продукт - оттиск, который мы получаем с использованием технического устройства.

И заметно, что, в общем, и целом оригинал похож на оттиск. Это значит, что общими усилиями мы справились с задачей и правильно прошли все требуемые этапы.

Процедура оцифровки изображения (дискретизации, квантования и кодирования) называется также растеризацией. Например, довольно часто это относится к преобразованию векторного изображения в пиксельное.

Итак, весь цикл получения цифрового изображения простейшего оригинала - квадрата, нарисованного, например, черной тушью на белой бумаге, состоит из этапов дискретизации, квантования и кодирования. Для управления цифровым изображением или использования его в качестве графической информации необходимо обеспечить функцию визуализации.