Grafika-podstawy

I.Wstępne pojęcia grafiki komputerowej
A. Definicja:
grafika komputerowa - obszar dotyczący wyświetlania i nadzorowania obrazów na ekranie komputera (Encyclopedia Britannica).
B. Działy wg Encyclopedia Britannica
1. sztuki piękne – w którym artyści używają ekranu komputera jako medium do tworzenia obrazów, filmów rysunkowych, wizualizacji projektów. Najpopularniejsze tego rodzaju oprogramowanie na sprzęt klasy IBM PC to cała seria oprogramowania firmy Adobe - takie jak PhotoShop – grafika bitmapowa i Premiere – filmy i animacje, do tego PhotoPaint firmy Corel Corporation, PaintShopPro.
2. projektowanie komputerowe (computer-aided design – systemy CAD), gdzie komputer służy jako narzędzie do projektowania i dostarcza interaktywnych narzędzi inżynierom i projektantom. Przykłady: – różne programy ze słowem CAD w nazwie - najpopularniejsze to AutoCAD, ArchiCAD, OrCAD – a więc programy inżynierskie, graficzne - CorelDraw, Harvard Graphics, Adobe Illustrator
3. wizualizacja - od naukowej (wiele specjalistycznego oprogramowania z poszczególnych dziedzin nauki z których niewiele wykracza poza swoja dziedzinę (np. Statistica czy Mathematica) poprzez użytkową (programy do renderingu – 3D Studio i POV-Ray oraz symulacji rzeczywistości) do rozrywkowej.- głównie gry
4. współdziałanie człowieka i komputera – systemy operacyjne – głównie okienkopodobne.

II. Historia
− rok 1950 - Massachusetts Institute of Technology komputer Whirlwind wyposażony w grafoskop
- specjalne urządzenie pozwalające rysować na lampie oscyloskopowej zadane obiekty typu punkty, linie, wypełnione obszary.
− kolejne 15 lat zdominowane przez zastosowania militarne, głównie dotyczące wizualizacji - z istotnym czynnikiem kosztów urządzeń.
− połowa lat sześćdziesiątych - początki zastosowań komercyjnych w dużych firmach branży motoryzacyjnej i lotniczej. Początki systemów CAD.
− początek lat 70 - gwałtowny rozwój elektroniki, technologia monitorów CRT, rozwój kolorowej grafiki stymulowanej symulatorami lotu dla potrzeb wojska, rozpowszechnienie system ów CAD.
− koniec lat siedemdziesiątych - rewolucja mikrokomputerowa - komputery projektowane od Grafika komputerowa - wykład 2/111 dr Rafał Kawa - II UJ, EPI 2/111 początku dla zastosowań graficznych. Zasadnicza rola firmy Apple z systemem okienkowym.
Programy do obróbki bitmap.

− początek lat osiemdziesiątych - rozwój elektroniki prowadzący do radykalnego potanienia urządzeń i wkroczenie grafiki w nowe rejony takie jak rozrywka i wizualizacja.
− lata osiemdziesiąte - ukształtowanie grafiki komputerowej w obecnej postaci. Nowe zastosowania - przetwarzania obrazów, systemy OCR, modelowanie graficzne, zastosowanie komercyjne, grafika prezentacyjna, reklamowa.
− przełom lat osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych - kolejne nowe obszary zastosowań - animacja, rendering, sztuczna rzeczywistość, powszechność graficznych systemów operacyjnych.
− dalszy gwałtowny rozwój powodowany rosnącą mocą komputerów - w pełni wirtulane filmy, wirtualna rzeczywistość, rekonstrukcje historyczne. Rozwój internetu stymulujący rozpowszechnienie wszystkich wcześniejszych dziedzin. Powszechność graficznych interfejs ów systemów operacyjnych.

III. Percepcja bodźców świetlnych
A. Budowa i działanie ludzkiego oka
kulisty, od 16 mm do 24 mm. Zewnętrzna warstwa:
twardówka - 0.5 - 1.0 mm - gruba, zewnętrzna, biała, nieprzeźroczysta warstwa zewnętrzna,
przechodząca w przedniej części w:
rogówkę - przeźroczystą i silnie wypukłą
Wewnątrz twardówki znajduje się
naczyniówka - splot naczyń krwionośnych odżywiających oko.
Naczyniówka w przedniej części przechodzi w:
ciałko rzęskowe - zawierające mięśnie sterujące soczewką oka oraz tęczówkę - narząd sterujący ilością światła wpadającą do oka, poprzez zespół mięśni powodując swoje rozszerzanie i zwężanie w zakresie od 2 do 8 mm.
Wewnętrzny otwór w tęczówce nazywany jest:
źrenicą - i poprzez ten otwór światło wpada do oka.
Ciałko rzęskowe przymocowane jest to przeźroczystej torebki w której znajduje się:
soczewka - przeźroczyste, stosunkowo giętkie ciało, dopasowujące się do kształtu torebki poruszanej mięśniami ciałka rzęskowego. Pozwala to zmienić ogniskową soczewki
Wewnętrzną warstwą oka jest najważniejszy organ czyli:
siatkówka - warstwa komórek i włókien nerwowych odbierających i przewodzących bodźce świetlne.
Składa się z komórek receptorów zakończonych:
czopkami - (około 9 mln sztuk) - działającymi w dzień i pozwalającymi widzieć barwy przy jasnym świetle oraz pręcikami - (około 100 mln sztuk) - działającymi przy słabym świetle i pozwalają widzieć odcienie szarości.
Czopki i pręciki rozłożone są nierównomiernie, ale największe ich skupienie to: plamka żółta - okrągła, od 2-3 milimetrów, znajdująca się w środku siatkówki i zawierająca wyłącznie małe czopki w dużym zagęszczeniu. Siatkówka skupia swoje połączenia poniżej centrum tylnej części oka przechodząc w nerw wzrokowy dochodzący do mózgu. Jego środkowa część zawarta w oku jest nieaktywna, tworząc plamkę ślepą.
Pomiędzy rogówką a tęczówką znajduje się komora przednia gałki ocznej wypełniona cieczą wodnistą., zaś przestrzeń między soczewką a siatkówką wypełniona jest ciałem szklistym. Na zewnątrz oko pokryte jest spojówką - ochronną błoną śluzową zwilżaną cieczą łzową.
akomodacja - proces przystosowania oka do najlepszego odbioru. Oko porusza się w ten sposób by obraz padający na rogówkę i tam skupiany oraz odwracany w soczewce padał na plamkę żółtą. Następnym etapem jest regulacja ostrości poprzez wygięcie soczewki oraz regulacja ilości światła poprzez źrenice. mikroruchy - oko nieustannie się porusza - tylko zmiana bodźców wywołuje reakcję mięśni. Przy braku zmian bodźców po kilku sekundach następuje zanik widzenia. Tylko zmiany docierają do mózgu.
IV. Istotne elementy postrzegania wzrokowego
− kontrast - różnica postrzegania pomiędzy obserwowanym obiektem a tłem. Stanowi podstawę widzenia. Istotne znaczenie ma jasność właśnie tła - a nie samego obiektu - jako że tło dostarcza sumarycznie więcej bodźców. Może całkowicie wytłumić obraz obiektu. Jasny kolor tła rozjaśnia wewnętrzny kwadrat w stosunku do jasności tego samego co do koloru i wielkości kwadratu na ciemnym tle.
Wielkość obserwowalnego progu kontrastu zależy od wielkości kątowej obserwowanego obiektu oraz stanu adaptacji oka. Im mniejszy obiekt tym próg kontrastu większy, najmniejszy próg kontrastu przy obiektach wielkości kilku minut kątowych i luminancji 1000 cd/m2 .
Oko wzmacniania kontrast - w pobliżu granicy obszarów o różnej kontrastowości. Obszary danej barwy w pobliżu ciemnego obszaru wydają się jaśniejsze, zaś te same obszary - ale w pobliżu obszaru jaśniejszego wydają się ciemniejsze. Na rysunku prostokąty w górnym rzędzie są jednolite - podobnie jak te w rzędzie poniżej. Jednakże prostokąty z rzędu górnego, wobec styczności z innymi oraz właśnie efektu wzmacniania kontrastu na brzegach sprawiają wrażenie wypukłych. Pozorne jaśniejsze lub ciemniejsze obszary w pobliżu granic noszą nazwę pasm Macha.
Wyjaśnieniem jest blokowanie komórek widzących fragmenty ciemniejsze, przez sąsiednie komórki odbierające obrazy jaśniejsze. Występuje też zjawisko irradiacji, polegające na pozornym powiększeniu jaśniejszych obiektów na ciemnym tle i na odwrót - co można zaobserwować na obrazku - gdzie wewnętrzne koła są jednakowych rozmiarów, a mimo tego prawe wydaje się większe.
− rozdzielczość - zdolność do rozróżniania szczegółów widzianego obrazu. Wyznacza docelowy dążeń grafiki komputerowej. Zależy od gęstości receptorów na siatkówce oraz efektów ubocznych oka jako układu optycznego. Plamka żółta (najostrzejsze widzenie) obejmuje tylko1° kąta widzenia, gdy już w zakresie 3° rozdzielczość spada o połowę, by przy 5° wynosić około 10%.
Pozorny zakres ostrego widzenia wynoszący około 20° jest wynikiem mimowolnych ruchów gałki ocznej oraz mózgu - a więc pamięci osobniczej. Maksymalna rozdzielczość uzyskiwana jest przy otworze źrenicy wynoszącym 3 mm, zaś rozróżnialność punktów jest zależnością kątową obrazu i wynosi około jednej minuty kątowej. Obiekty wewnątrz tego zakresu nie są rozróżnialne
− bezwładność - odbieranie przerywanych bodźców jako ciągłe - powodowane pobudzeniem receptorów które wygasająca przez określony okres czasu zależny od kilku czynnik ów. Pomiędzy wystąpieniem pojedynczego (początkowego) bodźca występuje okres utajnienia (braku reakcji) trwający pomiędzy 50 a 200 ms, po czym pojawia się obraz pierwotny którego intensywność gwałtownie rośnie, w krótkim okresie czasu gwałtownie spada do niskiej wartości by następnie maleć wolniej. Przy pojawienia się obrazów pierwotnych kolejnych pokazów występuje wrażenie ciągłości. Częstotliwość ta wynosi od 5 do 20 Hz. Poniżej tej wartości brak wrażenia ruchu, a powyżej gubi się wrażenie ruchu na skutek omijania obrazów pośrednich. Tym samym w jednej sekundzie powinno być nie mniej niż 24 kolejne obrazy. Wielkość ta rośnie w przypadku konieczności pokazania oprócz ciągłości wyświetlania również ciągłości ruchu. W tym przypadku ilość obrazów w jednej sekundzie musi wzrosnąć do 30. W przypadku obrazów o dużej luminancji (świeceniu - ekrany telewizorów i monitory), powodującej większą bezwładność
- częstotliwość musi być znacznie większa - do około 60 Hz.
− adaptacja - zdolność do przystosowania wzroku do zmian oświetlenia. Zakres zmian promienia źrenicy to do 2 mm do 8 mm, co oznacza zmianę pola powierzchni od 1 do 16. Zakres luminescencji od 10-6 do 106. Różnica wynosi 1 000 000 000 000 - a mimo to ludzkie oko jest w stanie się dostosować, przy czym odbierane wrażenie jaskrawości jest zależne logarytmicznie od luminancji. Ponadto występuje adaptacja oka do barwy, polegająca na początkowym rozróżnianiu tej samej barwy w zależności od oświetlenia, bo po pewnym czasie nie dostrzegać tego rodzaju różnic.

V. Barwa w grafice komputerowej
A. Pojęcie barwy
Pojęcie subiektywne, zależne od obserwacji, brak jednolitej teorii, przed zastosowaniami komputerowymi osobne traktowanie w fizyce (fala świetlna ze wszystkimi aspektami fali), biologia (postrzeganie poprzez komórki nerwowe oka), psychologia (psychologiczny odbiór barwy), farbiarstwo (zagadnienia mieszania w celu uzyskanie właściwej i trwałej barwy), fotografia i film (pamiętanie barwy na emulsji światłoczułej oraz jej odtworzenie na papierze światłoczułym), telewizja (barwy w urządzeniach wyświetlających). Dopiero rozwój grafiki komputerowej wypracował wspólne i całościowe spojrzenie na barwę - chociaż początki to teoria malarstwa z wprowadzeniem stosowanego nazewnictwa. Stąd też istotne elementy barwy takie jak odcień (rodzaj koloru), nasycenie (ilość koloru) - przy jego zmniejszaniu niezależnie od odcienia uzyskujemy barwę białą, jasność (ilość światła) - przy zmniejszaniu niezależnie od odcienia uzyskuje się barwę czarną. Barwy achromatyczne (bezkolorowe) - o zerowym nasyceniu, tinty - powstałe w wyniku dodania bieli do czystego koloru, cienie - powstałe poprzez dodanie czerni do czystego koloru, tony - dodanie bieli i czerni w różnych proporcjach, barwy chromatyczne - wykazujące kolor.
1. Opis fizyczny
Barwa - światło to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali od 380 do 780 nm. W zakresie od 380 do 400 i od 700 do 780 w zasadzie nierozróżnialne, dlatego zawęża się do zakresu od 400 do 700 nm. Określone długości fali odpowiadają barwom prostym (nasyconym). Światło białe to różne składowe w odpowiednich proporcjach - definiowane również jako temperatura żarzenia powyżej 6000°C. Jasność - każda długość fali emituje energię, a widzialne światło zawiera wszystkie długości fali z różną energią. W przypadku gdy moc jest nierównomierna a jedna z długości dominuje nad innymi - odbieramy tą właśnie długość fali. Różnica pomiędzy poziomem dominującym (ld), a średnim pozostałym poziomem (ln) jest miarą czystości barwy. Nasycenie - odpowiada strumieniowi światła i jest proporcjonalne do natężenia światła (światłości) mierzonej w kandelach (cd) lub luminacji (cd/m2). Jednakże czułość oka nie jest jednakowa dla różnych długości fali. Wykazuje największą czułość na falę długości 555 nm
Podsumowanie - wszystkie trzy elementy składają się na fizyczny aspekt barwy, odcień barwy (kolor - długość fali), nasycenia (energia), jasność (strumień światła). Czynniki te w różnych układach mogą dać identyczne wrażenie barwy. Barwy o tym samym wrażeniu i różnych rozkładach to metamery.
2. Opis psychofizjologiczny
Strona bodźcowo-energetyczno-przekaźnikowa jest w miarę dobrze poznana, tzn. znana jest budowa oka - jednakże czym większy udział układu nerwowego tym mniej wiadomo. Układ czopków odbierających kolory i pręcików odbierających poziomy szarości nie jest do końca zweryfikowany, bowiem okazuje się że czułość czopków osiąga maksimum w innych wartościach długości fali. Inna teoria mówi, iż jedne z czopków rozróżniają biel i czerń, inne czerwoną lub zieloną, a trzeci niebieską lub żółtą. Tłumaczy to niedostrzeganie pewnych mieszanek barw oraz daltonizm (8% mężczyzn i 0,5% kobiet). Natomiast prawie zupełnie nie wiadomo co dzieję się z bodźcami w mózgu. Doświadczalnie próbowano ustalić maksymalna rozpoznawalną liczbę barw na 35 000. Inne badania mówią o 128 kolorach (odcieniach barw), 130 poziomach nasycenia i poziomach jasności dla poszczególnych barw od 16 do 23 co oznacza 400 000 różnych barw. Jeszcze inne badania mówią o 200 odcieniach dla każdej ze składowych RGB co daje 8-10 mln barw. Tak czy inaczej nie przekracza do standardu 24 bitów na kolor z 16,8 mln różnymi możliwymi barwami.
3. Postrzeganie barw
Postrzeganie zależy od otoczenia, adaptacji, temperatury i wielu innych czynników psychofizycznych.
a) Psychologiczne wrażenia barw
− jasne - ciemne - odpowiedniość między walorem (nasyceniem) i jasnością (luminancją)
− żywe - martwe - atrybut chromy (chromatyczności) - tony z malarstwa, poGrafika łączenie nasycenia i jasności
− zimne - szare, niebieskie, zielone - wywołujące wrażenie zimna
− ciepłe - żółte, pomarańczowe, czerwone - wywołujące wrażenie ciepła
− bierne - brązy, fiolety - nieokreślone z punktu widzenia wrażenia temperatury
− neutralne - biały, czarne - nabierające charakteru w połączeniu z innymi
− krzykliwe i spokojne - rażąco kontrastujące z tłem lub nie kontrastujące − pobudzające (czerwień), uspokajające (zieleń), wzbudzające zaufanie (niebieski) Brak jednolitej teorii postrzegania barw. Praktyka: numerowane próbki - atlasy barw, system PANTONE.
b) Rodzaje wzorców barw:
• addytywne - nowe barwy jako suma barw podstawowych - obszernie w dalszej części wykładu
• subtraktywne - nowe barwy jako wzajemne filtrowanie (odejmowanie) barw podstawowych - obszernie w dalszej części wykładu
• percepcyjne - próbki barw porządkowane wg odcienia (koloru), nasycenia i jasności rozmieszczone równomiernie percepcyjnie. System Munsella - lata 20-30 XX wieku, publikacja atlasu barw 100 różnych odcienie (z nazwami) opartych o koło odcieni kilkanaście wartości chromy (tonów) w zależności od odcienia z widocznymi 10 poziomami szarości. Prowadzi to do przestrzennego modelu z opartego o ideę: i w pełnej wersji z praktycznymi realizacjami: i jest zarazem podstawą nie tylko dla zastosowań graficznych w postaci ciągłej
B. Barwa w informatyce
1. Modele światła achromatycznego (bezbarwnego, poziomów szarości) Światło achromatyczne proporcjonalne tylko do natężenia światła. Maksymalna strumień - barwa biała, brak strumienia - barwa czarna, wartości pośrednie - odcienie szarości. Przyjmujemy że światło o maksymalnym natężeniu (białe) ma wartość 1, zaś dokładnie czarne 0. Problem: ile odcieni i jak dobierać by uzyskać ciągłość przechodzenia od czerni do bieli ? Obserwacja światła o coraz większej proporcjonalnej mocy: 50 W, 100 W, 150 W, 200 W daje wrażenie coraz mniejszego wzrostu natężenia mimo stałego wzrostu natężenia. Wniosek: Nie można dobierać poziomów szarości na komputerze wg miary natężenia światła. Efektem byłaby nadmiarowość dla poziomów określanych jako jasne, co przy ich zmniejszeniu (dla uzyskania proporcjonalności) powodowałoby skoki dla odcieni ciemniejszych i brak ciągłości. Wyjściem jest dobieranie skoków poziomów szarości logarytmicznie i kolejny stały skok poziomu szarości w komputerze odpowiada coraz większemu skokowi natężenia strumienia światła przy przechodzeniu od czerni do bieli. Tym samym kolejne poziomy szarość to nie:
…
poziomi
poziomi+1 = skok + poziomi
poziomi+2 = skok + poziomi+1 = skok + skok + poziomi = 2 ⋅ skok + poziomi …
poziomi+k = k ⋅ skok + poziomi
ale
…
poziomi
poziomi+1 = skok ⋅ poziomi
poziomi+2 = skok ⋅ poziomi+1 = skok ⋅ skok ⋅ poziomi = skok2 ⋅ poziomi
…
poziomi+k = skokk poziomi
I w ogólnym przypadku:
poziomn = skokn ⋅ najmniejsza_jasność Tym samym iloraz dowolnych sąsiednich poziomów jest zawsze stały i wynosi skok, co jest zgodne z ludzką percepcją. Problem: ile powinna wynosić wartość skok ?
Ponieważ:
najmniejsza_jasnosc skok
skok najmniejsza_jasnosc
najmniejsza_jasnosc
najwieksza_jasnosc
najmniejsza_jasnosc
liczba poziomów
liczba poziomow
Wiedząc że człowiek nie rozróżnia dwu strumieni różniących się o 1%, zatem niema sensu używać skoków mniejszych od 1.01, zaś większe powodują nieciągłość. Dlatego ilość możliwych poziomów to:

 

ilosc poziomow =  najmniejsza _ jasnosc
_ lg 1 1.01
Dla monitorów najmniejsza możliwa jasność wynosi od 0.005 do 0.025, co jest powodowane odbiciami od szkła oraz niedoskonałą czernią samego luminoforu. W praktyce daje to od 400 do 530 możliwych poziomów szarości. Na skutek różnych cech percepcji oka, monitora jako urządzenia - przyjmowana i niezwykle wygodna ilość 256 poziomów szarości jest najzupełniej zadowalająca.
2. Komputerowe modele barw
1. model RGB
Sześcian jednostkowy, o osiach odpowiadających kolorowi czerwonemu (Red), zielonemu (Green), niebieskiemu (Blue). Wartość (0,0,0) odpowiadają kolorowi czarnemu (Black), zaś (1,1,1) kolorowi białemu (White). Na głównej przekątnej od punktu (0,0,0) do punktu (1,1,1) - poziomy szarości. Pozostałe wartości w wierzchołkach to żółty (1,1,0), cyan (0,1,1) i magenta (1,0,1). System oparty jest o trójpobudzeniową hipotezę postrzegania oka (czopki reagujące na barwy czerwoną, zieloną i niebieską), a ponadto istotnym elementem stosowania systemu jest łatwość realizacji sprzętowej dla kolorowych lamp oscyloskopowych - w których luminofor składa się z dokładnie takich barwnik ów. System RGB jest systemem addytywnym - co znaczy że barwy pośrednie uzyskuje się poprzez sumowanie barw (istnieją systemy subtraktywne - o czym później). Łatwo wyliczyć kolory pośrednie z podstawowych - jako że barwy pośrednie liniowo zależą od składowych. Wystarczy zwykłe sumowanie. Wcale tak być nie musi - przykładem będą późniejsze systemy. Model RGB jest modelem dyskretnym, i wartość od 0 do 1 może być osiągalna na słowach o różnej długości bitów. Powstaje problem ciągłości obrazowania i jak widać nawet dla 8 wartości (3 bity) powstaje wrażenie stopniowania (przy okazji dobrze widoczne pasma Macha). Wystarczającą wartością jest 5 bitów (25 - 32 poziomy), zatem stosowany w komputerach 1 bajt (28 - 256 poziomów) wystarcza z nadmiarem. Gama barw odtwarzana w modelu RGB jest podzbiorem pełnego widzialnego spektrum barw. Pewnych widzialnych barw po prostu osiągnąć się nie da. Wnętrze trójkąta obrazuje zakres możliwy dla modelu RGB w stosunku do pełnego widzialnego zakresu barw. Model RGB jest niejednorodny - tzn. w wielu przypadkach niewielkie zmiany zakresu wartości powodują duże percepcyjne zmiany barwy, zaś w innych przypadkach duże zmiany wartości powodują minimalną zmianę postrzeganego koloru. Model RGB jest zupełnie nie intuicyjny. Człowiek nie dobiera koloru poprzez zmianę składowych - ale najpierw dobiera odcień a ewentualnie później rozjaśnia lub ściemnia.
2. model HSV (HSB, HSI)
Pierwszym składnikiem modelu jest określony w stopniach odcień (kolor), czyli Hue - określany jak na rysunku. Następnym jest nasycenie koloru - Saturation. Liczone w procentach od wartości 0% w środku sześciokąta (okręgu) odpowiadającego barwie białej, do wartości 100%, pełnego nasycenia kolorem. Trzecim parametrem jest Value (wartość jasności), liczona w procentach od 0% do 100%. Parametr ten może być zastąpiony przez Brightness (tworząc modyfikację zwaną modelem HSB) lub Intensity (tworząc model określany jako HSI). Model HSB jest modelem intuicyjnym, tzn. jest zgodny ze sposobem postępowania człowieka przy wyborze koloru. Najpierw określa się odcień, później nasycenie i ostatecznie jasność, przy czym dwie ostatnie czynności mogą być zamienione. (Przykład doboru barw w modelu HSV z CorelDraw’a).
3. model HSL (HLS) Pierwszym parametrem podobnie jak w modelu HSV jest Hue, czyli odcień koloru - liczony w mierze kątowej od 0° do 360°.
Drugim parametrem jest Saturation - a więc nasycenie. Chcąc połączyć naturalne postrzeganie nasycenia i jasności, jak powyżej otrzymujemy bryłę:
Bryła ta wyraźnie pokazuje trzeci parametr którym jest Lightness - czyli jasność. Dobrze widoczny w przekroju
4. uwagi i porównanie modeli RGB oraz HSV i HSL
• Modele HSV (HSB, HSI) oraz HSL są modelami czysto intuicyjnymi, nie mającymi odzwierciedlenia w praktycznej realizacji, służą wyłącznie intuicyjnemu dobieraniu kolorów.
• Bryła barw jest analogiczna do bryły RGB - różnica polega na organizacji – umożliwiającej percepcyjne dobieranie barw.
• Model RGB jest modelem liniowym - tzn. dodanie reprezentacji dwu barw daje trzecią barwę. Model HSV i HLS takie nie są. Nie można wprost dodawać kolorów w tych modelach
• Istnieją nieskomplikowane algorytmy przejścia pomiędzy modelami - co jest konieczne - jako że dobór intuicyjny musi być realizowany dla wyświetlenia. Czynność jest na tyle często wykonywana, że istnieją specjalne układy konwersji. Grafika komputerowa - wykład 30/111 dr Rafał Kawa - II UJ, EPI 30/111
5. model CMY (CMYK)
Wcześniejsze modele nie nadają się do zastosowania dla tworzenia trwałych kopii na podłożu białym, a więc np. dla wydruków na papierze - np. z powodu odbijania od białego podłoża światła o dowolnej barwie. Model CMY oparty jest o wykorzystanie barw C-cyan, M-magenta i Y-żółtą (yellow) - z bryłą barw jak na rysunku. Wraz z widokiem od strony punktu (0,0,0). Składowe C, M i Y są tożsame z osiami i barwy pośrednie można uzyskać ze składowych. Przyjmując iż C odpowiada punktowi (1,0,0), M punktowi (0,1,0), Y punktowi (0,0,1) zaś barwie białej punkt (0,0,0), barwa czerwona (R) to punkt (0,1,1), barwa zielona (G) punkt (1,0,1), barwa niebieska (B) punkt (1,1,0) i barwa czarna (K) punkt (1,1,1). Składowe (przynajmniej w teorii można składać analogicznie jak w modelu RGB - i zakres możliwych barw wydaje się analogiczny.
jednakże prawda jest nieco bardziej skomplikowana.
Model CMY jest subtraktywnym i wprowadzony jest dla potrzeb drukowania na białym podłożu.
Światło białe jest odbijane od białego podłoża w całości:
Możemy je traktować jak złożone ze składowych RGB. Barwa cjan nie dodaje takiego właśnie koloru do widzialnego światła jak mogłoby się wydawać poprzez analogię do modelu RGB. W modelu RGB kolor bierze się np. z wnętrza monitora - zatem w pewnym sensie z niczego. Przy obserwacji wydruku światło pada ma obiekt z zewnątrz i jest odbijane do oka. Barwa cjan jest osiągana poprze filtrowanie ze światła białego (a więc odjęcie od światła białego - stad nazwa model subtraktywny (subtrakcyjny)) światła czerwonego. Pozostawia to w efekcie światło niebieski i zielone - dające w wymieszaniu światło o barwie cjan.
Podobnie barwnik magenta filtrując światło zielone pozostawia mieszaninę światła niebiesko z czerwonym - czyli kolor właśnie magenta. Analogicznie żółty barwnik filtrując światło niebieskie pozostawia światło czerwone z zielonym - dające w sumie światło żółte.
Dlatego nakładanie dwu barwników filtrujących dwa zakresy światła pozostawiając pojedynczą czystą barwę. I tak nałożenie barwy cjan (filtrującej ze światła białego czerwień) pozostawia barwę będącą mieszaniną barwy zielonej i niebieskiej. Dołożenie barwnika magenta odejmie barwę zieloną pozostawiając wyłącznie barwę niebieską.
Analogicznie barwnik cjan (odejmujący pasmo czerwone) w połączeniu z barwnikiem żółtym (odejmującym pasmo niebieskie), pozostawia barwę zieloną. Oczywiście barwnik magenta (odejmujący pasmo zielone) w połączeniu z barwnikiem żółtym (odejmującym pasmo niebieskie), pozostawia barwę czerwoną.
Połączenie wszystkich trzech barwników filtruje całe możliwe światło - co oznacza, że do podłoża (koloru białego) nie dochodzi żadne światło. W efekcie daje wrażenie pochłaniania całego widzialnego światła - a więc czerni. W tym aspekcie rysunek jest czysto poglądowy - jako że nie istnieje światło czarne. Właściwszy jest powyższy rysunek - gdzie dochodzące światło zwyczajnie zanika.
Sumarycznie filtrowanie przedstawia powyższy rysunek. Zaś powszechnie używanym schematem łączenia jest powyższy schemat. Model CMYK jest optymalizacją wykorzystującym osiąganie barwy czarnej poprzez wymieszanie wszystkich barwników. Dysponując barwnikiem czarnym wykorzystujemy go w maksymalnie możliwym stopniu dokładając wyłącznie niezbędną ilość barwników chromatycznych. Model CMYK wynika bezpośrednio z modelu CMY według zależności:
K = min ( C, M, Y )
C = C - K
M = M - K
Y = Y - K
Modele CMY i CMYK (podobnie jak model RGB) w praktycznej realizacji oddaje tylko częściowy zakres percepowanego zakresu kolorów.
Połączenie zakresu monitora i drukarki wskazuje na istnienie barw występujących na monitorze, ale niemożliwych do wydrukowania oraz barw możliwych do wydrukowanie, ale niemożliwych do wyświetlenia na monitorze.
6. CIE RGB
System kolorymetryczny - ilościowe wyrażenie właściwości barw i zależności między nimi przy wykorzystaniu obiektywnych metod pomiarowych. Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa (Commission Internationale de L’Eclairage) doświadczalnie opracowała system kolorymetryczny zwany CIE RGB - w którym posługując się światłem czerwonym (lampa żarowa z filtrem przepuszczającym wyłącznie promieniowanie o długości fali powyżej 700 nm), światłem niebieskim o długości fali 435,8 nm i światłem zielonym o długości 546,1 nm - uzyskano wykres udziału poszczególnych składowych dla różnych widm - jak na rysunku.
System jest niestosowalny praktycznie z racji ujemnych wartości dla składowej czerwonej - skąd konieczność opracowania innych systemów.
7. CIE XYZ
System opracowany w 1931 przez CIE w którym posłużono się specjalnymi długościami fal, które nie zawierają się w zakresie widzialnych barw. Z punktu widzenia kolorów są zatem barwami fikcyjnymi - niemożliwymi do realizacji - i nazywane są umownie X, Y i Z. Pozwalają jednakże wyznaczyć pełne zakres widzialnego światła poprzez funkcje o wartościach dodatnich - jak na wykresie. Wartości XYZ są doświadczalnie pomierzone i stabelaryzowane z gęstością 1 nm.
Światło widziane przez człowieka mieści się we wnętrzu bryły przypominającej stożek.
Można wykorzystywać dowolne przekroje bryły barw - jednakże praktyczne jest korzystanie z przekroju odpowiadającego płaszczyźnie unormowanej.
Jest to płaszczyzna przechodząca przez wartości 1 dla poszczególnych składowych.
Otrzymujemy trójkąt barw widzialnych zobrazowany na płaszczyźnie, który po prostych przeliczenia daje się opisać dwoma wartościami współrzędnych.
Uzyskujemy w ten sposób szeroki zakres widzianych barw wyrażony w układzie XY (bez ścisłego związku z falami XYZ).
Występuje niejednoznaczność punktu bieli, z trzema powszechnie stosowanymi wartościami:
− biel zrównoważonej energii (biel EE -equal energy) o intensywności światła wynoszącej 1 i wartościach w układzie XYZ wynoszących ( 1/3, 1/3, 1/3 )
− biel C - stosowana w formacie sygnału wizyjnego NTSC (National Television System Committee) w komercyjnej telewizji USA i Kanadzie - o nieokreślonej intensywności i znormalizowanych współrzędnych XYZ wynoszących (0.310, 0.316, 0.374)
− biel D65 (stosowana w systemie PAL) o intensywności zgodnej z intensywnością światła słonecznego i wartościach XYZ ( 0.3127, 0.3290, 0.3583 ) i odpowiadająca ciałom rozżarzonym to temperatury 6500° K - co staje się dominującym standardem.
Barwy na brzegu figury są barwami nasyconymi, zaś barwy pomiędzy brzegiem a punktem bieli są barwami nienasyconymi Odcinek łączący barwę z brzegu z punktem bieli są barwami nienasyconymi dla tego samego odcienia barwy.
Wykres chromatyczności pozwala na wyznaczenie barwy dominującej (nasyconej) jako barwy odpowiadającej przecięciu prostej przechodzącej przez punkt zadanej barwy i punktem bieli z brzegiem wykresu.
Wykres chromatyczności pozwala na wyznaczenie czystości pobudzenia danej barwy - mierzonej jako stosunek odległości pomiędzy daną barwą, a punktem bieli do odległości pomiędzy barwą dominująca i punktem bieli.
Barwy dopełniające (komplementarne) to barwy dające w wyniku wymieszania (w odpowiednich proporcjach) barwę białą.
Dla pewnych barw prosta przechodząca przez barwę i punkt bieli daje przecięcie poza zakresem widzialnym. Barwa mogąca uchodzić za dominująca nie posiada odpowiedniej długości fali - zatem nie można jej za taką uznać. Tego rodzaju barwy noszą nazwę barw niespektralnych.
Pełny obszar barw niespektralnych jest trójkątem o wierzchołkach w punktach bieli, czerwieni i niebieskiego.
Dla dowolnej pary barw wszystkie barwy z odcinka je łączącego są możliwe do uzyskania jako suma (w odpowiednich proporcjach) barw z brzegu odcinka. Podobnie każda barwa z wnętrza trójkąta zadanego trzema barwami jest możliwa do uzyskania jako kombinacja barw odpowiadających wierzchołkom.
Istotnym wykorzystaniem wykresu chromatyczności CIE XYZ jest określanie gamy barw dla różnego rodzaju urządzeń - np. dla drukarki i monitora. Z kształtu wykresu chromatyczności wynika, iż żaden trójkąt nie obejmuje pełnego zakresu widzialnego światła - zatem nie istnieje żadna trójpobudzeniowa teoria barw dająca pełny zakres widzialnego światła. Model CIE XYZ nie jest modelem percepcyjnie równomiernym.
8. CIE LUV
Układ CIE XYZ jest układem percepcyjnie niejednorodnym - co oznacza nieproporcjonalność postrzeganych zmian barw w stosunku do zmian wartości modelu. W 1976 zaproponowano przekształcenia układu CIE XYZ w układ CIE LUV.
Oparty jest o konkurencyjną teorię postrzegania barw przez człowieka, przyjmującą rozróżnianie pomiędzy jasnością-ciemnością, czerwienią-zielenią, żółcią- niebieskim. Dodatnia półoś u odpowiada za kolor czerwony, ujemna półoś u za barwę zieloną, analogicznie dodatnia i ujemna półoś v odpowiada za barwy odpowiednio żółtą i niebieską. Dodatnia półoś L odpowiada za wartość luminancji - czyli ilości światła. Model LUV uwzględnia nieliniową zależność wrażenia jasności od strumienia światła - co oznacza zmienność postrzeganych kolorów przy zmianie parametru L - co obrazuje rozszerzanie bryły wraz ze wzrostem luminancji.
Wybierając dowolną płaszczyznę równoległą do płaszczyzny uv i znajdując jej przecięcie z bryła barw otrzymujemy wykres chromatyczności zobrazowany na powyższym rysunku. Jednorodność percepcji obrazują powyższe rysunki - przedstawiające poprzez czarne odcinki pojedyncze stopnie postrzeganych zmian. Dla układy CIE XYZ (lewy rysunek) widoczne są długie kreski wraz z krótkimi. Jednakowym percepcyjnie zmianom postrzegania odpowiadają różne wartości zmian wartości wykresu. Zarazem dla wykresu CIE LUV widoczne są wyłącznie odcinki o jednakowej długości.
Wykres CIE LUV systematycznie wypiera wykres CIE XYZ szczególnie w zastosowaniach związanych z telewizją.
9. CIE LAB
Opracowany również w roku 1976 wraz z układem LUV, ale przeznaczony dla barw i jasności przedmiotów odbijających i rozpraszających światło oświetlające. Składowe analogiczne jak w układzie LUV i oparte o konkurencyjną teorię postrzegania barw (jasne-ciemne, czerwone-zielone, niebieskie-żółte). Wartość L określa luminancję, wartości na osi a określają ilość barwy zielonej (półoś ujemna - a-) oraz czerwonej (półoś dodatnia – a+), zaś wartość osi b określa ilość barwy żółtej (półoś dodatnia - b+) oraz niebieskiej (półoś ujemna – b-).
W przeciwieństwie do układu LUV (co wynika z przeznaczenia dla zewnętrznego źródła światła), bryła barw nie jest stożkiem w zakresie małych jasności, i zarazem nie jest bryłą nieograniczoną przy wzrastającej jasności.
Przekrój przez bryłę barw modelu CIE Lab.
10. modele YUV i YIQ
Stosowane w telewizjach.
YUV – stosowany w Europie, w oparciu o standard przesyłania sygnałów PAL, określony przez normę EBU (European Broadcasting Union), z bielą odniesienia D65.
YIQ – stosowany w Ameryce Północnej, w oparciu o standard przesyłania sygnał ów NTCS (National Television System Committee), określony przez normę FCC (Federal Communication Commission), z bielą odniesienia C. Składowa Y w obu systemach służy wyznaczeniu luminancji i jest wyznaczona w ten sposób by przenieść pełną informację o obrazie w jego czarnobiałej percepowanej postaci. Pozostałe składowe UW i IQ służą określeniu chromatyczności i są liniową kombinacją składowych RGB.
Oba systemy istotnie wykorzystują cechy systemu wzrokowego. Oko jest bardziej czułe na zmianę luminancji niż na zmianę kolorów. Dlatego składowa Y jest przenoszona ze znacznie większą dokładnością niż dwie pozostałe – co oznacza większą ilość bitów przeznaczona na jej zapamiętanie. W modelu YIQ stosuje się transmisję o częstotliwościach odpowiednio 4 MHz, 1,5 MHz i 0,6 MHz. Różnica w przenoszonych częstotliwościach składowych IQ wynika z ograniczoności wrażeń barwnych dla małych obrazów (częste zjawisko w obrazach telewizyjnych) – co sugeruje zapisanie koloru w jednej składowej – dzięki czemu koszt przesyłania sygnału jest mniejszy. W modelu YUV stosuje się kodowanie ilością bitów o stosunku 2:1:1. zadowalająca.
3. Stosowanie barw a) Przykazania dotyczące stosowania barw − Barw używać z ostrożnością i powściągliwością, i tylko wówczas gdy jest to konieczne
− Minimalizować ilość użytych barw
− Na początek wykonać obraz monochromatyczny - nie koniecznie czarnobiały - ale w jednym kolorze - co zarazem umożliwia korzystanie przy mniejszej liczbie kolorów na ekranie lub reprodukcję przy jednym kolorze barwiącym.
− Ograniczyć liczbę stosowanych barw do kilku - tylko na takiej liczbie różnych barw koncentruje uwagę człowiek.
− Szczególną ostrożność zachować przy reprezentacji cech ilościowych z użyciem barw.
b) Przykazania związane ze stosowaniem wielu barw
− Stosować barwy przebiegające wzdłuż gładka ścieżki stosowanego modelu barw.
− Stosować barwy o tej samej jasności.
− Stosować barwy percepcyjnie równoodległe - co nie oznacza tego samego co jednakowa różnica wartości w reprezentacji danego modelu.
− Nie stosować odcieni tego samego koloru dla obiektów nie wykazujących związków i zarazem stosować odcienie tej samej barwy dla obiektów ze sobą powiązanych.
− Nie stosować chromatyczności dla elementów interfejsu użytkownika, opis ów, legend, menu itp. Stosowany kolor sugerowałby łączenie użytkowych elementów z obiektami pomocniczymi - należy stosować barwy neutralne (szarości).
c) Przykazania związane z postrzeganiem szczegółów i konturów
− Chcąc uczynić widocznymi szczegóły – należy je wyróżniać od tła nie barwą ale jasnością (natężeniem).
− Nie stosować barw dla małych obiektów – nie będą widoczne
− Obszary barw sąsiadujących i zarazem źle harmonizujących - oddzielać cienką czarną linią.
− Stosować obwódki dla ułatwienia percepcji konturów obiektów
d) Przykazania związane z postrzeganiem obiektów i tła
− Jako tło dla rysunku o wybranej barwie stosować barwę dopełniająca
− W przypadku obrazu o wielu barwach - jako tło stosować barwy neutralne
− Barwy niebieski i czarna nie różnią się niskim poziomem jasności - nie stosować. Niebieski tekst na czarnym tle Czarny tekst na niebieskim tle
− Barwy biała i żółta maja niemal identyczną wysoką jasność - nie stosować. żółty tekst na białym tle Biały tekst na żółtym tle
− Biały na czarnym tle daje wrażenie zbyt silnego kontrastu Biały tekst na czarnym tle
− Dla czarnego tła odpowiedniejszy jest żółty kolor obiektów Żółty tekst na czarnym tle
− Dla białego tekstu odpowiedniejsze jest tło niebieskie Biały tekst na niebieskim tle
e) Przykazania związane z psychofizjologią ludzkiego postrzegania
− Należy uwzględnić niezamierzone psychologiczne znaczenia barwy - np. czerwień i zieleń – przez skojarzenie z pozytywami i negatywami, barwy żywe i martwe, zimne (szare, niebieskie, zielone), ciepłe (żółte, pomarańczowe, czerwone), bierne (brązy, fiolety), neutralne (biały, czarne), krzykliwe i spokojne, pobudzające (czerwienie), uspokajające (zieleń), wzbudzające zaufanie (niebieskie, granaty).
− Jasne barwy bardziej rzucają się w oczy niż ciemne.
− Najmniej czopków jest czułych na barwę niebieską – zatem barwy z dużym udziałem niebieskiego i jednakowej jasności będą rozmywane.
− Kolory obiektów wpływają na pozorną zmianę wielkości ich postrzegania Czerwony kwadrat wydaje się większy od zielonego.
− Dłuższa (kilka sekund) obserwacja obszarów o nasyconym kolorze, (na skutek bezwładności postrzegania) po zmianie obiektu obserwacji pozostawia ślad obszaru. Powoduje to zaburzenie postrzegania i zmęczenie. Na skutek różnej długości fali zmienia się ogniskowa, czego efektem jest postrzeganie fałszywej głębi. Obszary czerwone - mimo tej samej wielkości - sprawiają wrażenie położonych bliżej w stosunku do niebieskich.
− Postrzeganie barw zależy od tła na jakim występuje barwny obszar Tego samego koloru czerwony kwadrat na zielonym tle wydaje się bardziej czerwony niż umieszczony na niebieskim tle.
− Wiele barw jest różnie postrzeganych w zależności od jasności tła Wewnętrzny kwadrat o tej samej barwie w zależności od jasności tła przechodzi od barwy brązowej do pomarańczowej.
− Daltoniści nie odróżniają barwy czerwonej i zielonej f) Mimo wszystkich wcześniejszych przykazań - brak jednoznacznych reguł stosowania i doboru barw
4. Regulacja monitora
a) Regulacja kontrastu i jasności
Pierwszym krokiem jest ustawienie kolorów w sposób wykluczający chromatyczność i pozostawiający możliwie najbardziej obojętny szary. Pomocny jest ekran zawierający:
Kolejnym krokiem jest takie ustawienie poziomu jasności i kontrastu pozwalające na odróżnianie odpowiedniej liczby poziomów szarości. W sytuacji dobrego dopasowania kontrastu i jasności każdy z obszarów powinien być rozróżnialny od sąsiedniego. Liczba prostokątów powinna być jak największa - ale ilość w okolicach 10 uważana jest za optymalna. UWAGA: Na ogół nie udaje się dobrać parametrów z użyciem wyłącznie regulatora jasności i kontrastu.
b) Korekcja gamma
Definicja współczynnika gamma: Dla wszelkiego rodzaju urządzeń dotyczących odwzorowujących obrazy (nie tylko dla monitorów) zachodzi zależność: I = E
γ
Gdzie I jest jasnością wyświetlania (dla plików graficznych wartością wyjścia), E jest napięciem prądu lampy monitora (dla plików graficznych wartością wejścia), a γ właśnie wartością gamma. Z powyższego wzoru wynika nieliniowa zależność wartości wyjściowych w stosunku do wyświetlanych (wyjściowych). Dla różnego rodzaju urządzeń powyższa zależność opisywana jest różną krzywą. Ponadto - z opisanych zależności wynika trudność (lub niemożność) ustawienia optymalnej ostrości w połączeniu z jasnością - co jednakże możliwe jest przy zastosowaniu korekty z użyciem współczynnika gamma. Ideałem jest przebieg zgodny z wartością γ =1, jednakże praktycznie jest nie realizowalny.
Urządzenia (a również programy wyświetlające) mają przebieg zgodny z wartością γ <1 - dlatego konieczna jest korekcja poprzez funkcje o wartościach γ >1.
c) Korekcja gamma kontrastu i jasności
W przypadku regulacji jasności i kontrastu wykorzystywany jest powyższy obraz - składający się z szarego mniejszego kwadratu umieszczonego na większym kwadracie złożonym z czarnych i białych pikseli. Przy zmianie współczynnika gamma zewnętrzny większy kwadrat nie zmienia koloru - w przeciwieństwie do mniejszego. Regulacja polega na takim wysterowaniu współczynnika gamma by w percepcji barw monitora - wewnętrzny kwadrat nie różnił się od zewnętrznego.
d) Korekcja programowa barw - najpopularniejsze programy kalibracji monitora • Paint Shop Pro Program pozwalający w szerokim zakresie ustawiać współczynnik gamma dla wszystkich składowych. Celem jest takie dobranie współczynników by wewnętrzne prostokąty nie różniły się od brzegu.
Zakres doboru jest większy niż bardzo wyświecone monitory. Składowe można dobierać niezależnie. Dobór tylko w programie Paint Shop Pro, bez ingerencji w ustawienia komputera. • Adobe Photo Shop
Program Adobe Gamma - analogiczna zasada polegająca na takim dobraniu parametrów by wewnętrzny kwadrat nie różnił się percepcyjnie od pasków zewnętrza.
Możliwość doboru poszczególnych składowych w podobnym zakresie jak w PaintShopPro. Od bardzo niskich wartości współczynnika gamma ...
... do bardzo wysokich.
Możliwość niezależnego doboru składowych dla korelacji wad monitora.
Dobór optymalny (niewidoczny na skutek wad konwersji plików graficznych produktów Microsoft). Wadą w stosunku do Pain Shop Pro jest operowanie paskami a nie siatką punktów. Zaletą - stosowalność do ustawień systemu.
• Karty graficzne - na przykładzie RIVA TNT Wygląd okna programu z szeroką gamą ustawień.
Możliwość ustawienia jasności ...
... i kontrastu.
Składowe mogą być ustawianie niezależnie. Zalety - możliwość ustawienia nie tylko wartości współczynników gamma ale wielu innych parametrów wraz z możliwością ich zapisania i defaultowego naczytania przy uruchamianiu systemu. Wada - brak obserwowalnych wskaźników ustawienia. Optymalny sposób ustawienia: użycie programów karty ze śledzeniem ustawień Paint Shop Pro lub Adobe Gamma.
Uwaga:
Ustawienie stosują się do danej rozdzielczości, ustawionej liczby wyświetlanych kolorów i częstotliwości odświeżania. Dla zmiany dowolnego z wymienionych parametrów konieczna jest inna konfiguracja. Uwaga: Docelowych parametrów monitory nie osiągają tuż po włączeniu ale po około 30 minutach od włączenia.
e) Korekcja sprzętowa barw
Opisane metody optymalizacji wyświetlania mogą okazać się niewystarczające - dlatego stosuje się rozwiązania sprzętowe. Pierwsza możliwość to profesjonalne monitory w graficznych stacjach roboczych np. Silicon Graphics - sprzętowo realizujące takie parametry wyświetlania jak dobór odpowiedniego punktu bieli, współczynników gamma i wielu innych parametrów - co m.in. wyróżnia sprzęt profesjonalny od półprofesjonalnego. Dla monitorów komputerów klasy PC (zar ówno produktów IBM jak i Apple) istnieją sprzętowe namiastki. Np. niewielki kolorymetr doczepiany do monitora i mierzący kolor oraz luminację monitora i pozwalający tak ustawić parametry wyświetlania by wyświetlane kolory zgadzały się z kodowaniem. Podobnych urządzeń jest wiele - a jedno z nich jest elementem wyposażenia profesjonalnej wersji CorelDraw’a, z przewidzianą programową obsługą w ramach samego CorelDraw.
Na rynku tego rodzaju urządzeń królują urządzenia firmy X-Rite. Używane w analogiczny sposób i kosztujące kilkaset dolarów.

VI. Sprzęt wykorzystywany w grafice komputerowej
A. sprzęt wyświetlający - monitory
1. Informacje ogólne
a) parametry
• wielkość ekranu - mierzona jak w odbiornikach telewizyjnych długością przekątnej ekranu - 14", 15", 17", 19", 21", 25".
• rozdzielczość - ilość punktów w poziomie i w pionie przy ustalonej liczbie kolorów - standardy CGA, EGA, VGA, SVGA, XGA. Większa rozdzielczość pozwala więcej zobaczyć - ale czyni szczegóły niewidocznymi.
• częstotliwość odświeżania - ilość powtórzeń wyświetlania w czasie jednej sekundy. Stosowane częstotliwości to 60 MHz, 72 MHz, 75 MHz. Oko ludzkie odbiera - ale nie percepuje częstotliwości wyższych niż 50 MHz.
• Przeplot - występowanie lub brak
2. monitor CRT (catode ray tube)
a) budowa
b) przebieg wiązki na ekranie
c) siatki maskujace
• dot trio
• aperture grill - trinitron
Wprowadzona przez firmę SONY wraz ze specjalnym typem monitorów z kineskopem będącym fragmentem powierzchni bocznej walca a nie sfery.
• slotted mask
• Enhanced Dot Pitch
d) ergonomia i konserwacja - ogólne uwagi
− monitor komputerowy to urządzenie analogiczne do telewizora - tyle że znacznie lepszej jakości
− lepsza jakość monitora w stosunku do telewizora wynika z:
• większej częstotliwości odświeżania (lepsza percepcja, mniejsze zmęczenia wzroku),
• zmniejszonej emisji promieniowania (elektrycznego, magnetycznego, cieplnego, emisji jonów) - promieniowanie
• braku przeplotu - w przypadku telewizji będącego integralną częścią przesyłanego systemu
− promieniowanie monitora mimo bliższej odległości od urządzenia jest znacznie mniej szkodliwe niż promieniowanie telewizora, mimo większej odległości
− monitory SĄ szkodliwe dla zdrowia - jednakże trwałe skutki szkodliwości ich używania występują po około kilkuset latach ciągłego używania
− od kilku lat WSZYSTKIE dostępne na rynku monitory są monitorami mającymi cechy monitorów LR (low radiation) i NI (non interlace) - zatem zaGrafika przestano wyróżniania obu cech
− monitory z racji wykonania ze szkła charakteryzują się pewnym stopniem odbicia - najmniejsze odbicia są przy patrzeniu w odległości od 50 cm do 1 m, przy patrzeniu na wprost lub powyżej - w zakresie kąta patrzenia około 45 stopni. Nie zaleca się spoglądania z dołu pod zbyt ostrym kątem.
− sposobem radzenia sobie z odblaskami jest stosowanie siatkowych filtrów anty-odblaskowych (zarazem anty-radiacyjnych). Ich anty-radiacyjna funkcja jest minimalna - jednakże skutecznie likwidują odblaski - kosztem zmniejszonej widoczności.
− filtry szklane niemal całkowicie chronią przed promieniowaniem (znikomym w obecnych monitorach), ale powodują bardzo duże odblaski
− od kilku lat widoczna część kineskopu monitorów ma napyloną cienką warstwę anty-odblaskową - skutecznie eliminująca wielkość odbić. Warstwa jest bardzo cienka, zatem łatwo ulega wytarciu. Dlatego nie należy zmywać monitora szczotkami lub silnie działającymi płynami. Warstwę łatwo skruszyć - dlatego wszelkie zabiegi związane z płynami powinny być wykonywane po całkowitym ostygnięciu monitora. Z podobnych powodów nie należy monitora dotykać. Jedynym dopuszczalnym zabiegiem jest przecieranie monitora bardzo lekko nawilżoną flanelą lub irchą.
3. monitor ciekłokrystaliczny - LCD
Uwaga: materiał tego punktu - mimo iż wyłożony - nie obowiązuje na egzaminie.
a) budowa
b) sposób wyświetlania
c) matryca aktywna
4. wyświetlacz plazmowy
Uwaga: materiał tego punktu - mimo iż wyłożony - nie obowiązuje na egzaminie. 5. inne rodzaje technologii wyświetlających
Uwaga: materiał tego punktu - mimo iż wyłożony - nie obowiązuje na egzaminie.

VII. Systemy zapisu plików graficznych
A. PCX
Wprowadzony przez firmę ZSoft Corporation w roku 1988 dla programu PC Paintbrush
- jednego z pierwszych programów do obróbki bitmap na komputerach klasy IBM PC, później stosowany również w programach Ventura Publisher. Obejmuje nagłówek składający się ze 128 bajtów po którym następuje faktyczne kodowanie obrazu.
Nagłówek w poszczególnych bajtach (opisanych wraz z numerami) zawiera:
#00 1 identyfikator twórcy (producenta) - zawsze 10 (#0A)
#01 1 numer wersji - 0 - dla wersji 2.5 i wcześniejszych
2 - dla wersji 2.8 z dołączonymi danymi o palecie barw
3 - dla wersji 2.8 bez dołączania informacji o palecie
4 - wersja dla Windows
5 - dla wersji 3.0 i wyższe z informacjami dotyczącymi palety
#02 1 sposób kodowania - w dotychczasowych wersjach zawsze 1 - co oznacza kodowanie RLE (run-length encoding)
#03 1 liczba bitów kodujących pojedynczy piksel - 1 dla bitmap (czarnobiałych), 8 - dla odcieni szarości i obrazów kolorowych
#04 8 wymiary obrazu:
#06 2 współrzędna pierwszego punktu w poziomie - min x
#08 2 współrzędna pierwszego punktu w pionie - min y - licząc od góry
#0A 2 współrzędna ostatniego punktu w poziomie - max x
#0C 2 współrzędna ostatniego punktu w pionie - max y
#0E 2 rozdzielczość w poziomie - mierzona w pikselach na cal
#10 2 rozdzielczość w pionie - mierzona w pikselach na cal
#12 48 stosowane palety kolorów - 16 palet kolorów - każda opisana trzema bajtami dla wartości R, G i B - różnie wykorzystywana w zależności od standardu karty graficznej
3 kolor #00 - np. #00, #00, #00
3 kolor #01 - np. #FF, #FF, #FF
3 kolor #02 - np. #00, #AA, #00
3 kolor #03 - np. #00, #AA, #AA
3 kolor #04 - np. #AA, #00, #00
3 kolor #05 - np. #AA, #00, #AA
3 kolor #06 - np. #AA, #AA, #00
3 kolor #07 - np. #AA, #AA, #AA
3 kolor #08 - np. #55, #55, #55
3 kolor #09 - np. #55, #55, #FF
3 kolor #0A - np. #55, #FF, #55
3 kolor #0B - np. #55, #FF, #FF
3 kolor #0C - np. #FF, #55, #55
3 kolor #0D - np. #FF, #55, #FF
3 kolor #0E - np. #FF, #FF, #55
3 kolor #0F - np. #FF, #FF, #FF
#42 1 bajt zarezerwowany - zawsze 0
#43 1 ilość planów kolorów - wyjaśnienie poniżej
#45 2 ilość bajtów opisujących pojedynczy plan kolorów
#46 1 sposób interpretacji palety: 1 dla kolorów oraz interpretacji czarnobiałej,
2 dla odcieni szarości
#47 58 dopełnienie zerami do liczby 128 bajtów Wszystkie dwubajtowe dane całkowite są zapisywane w kolejności pierwszego bajtu stanowiącego mniej znaczącą wartość. Po nagłówku następuje kodowanie zasadniczego obrazu. Obraz pamiętane poszczeg ólnymi liniami - których ilość w pliku jest dopełniana do najbliższej wielokrotności 8. Przy obrazie kolorowym i 8 bitach (jednym bajcie) na każdą składową RGB - sposób kodowania polega na umieszczeniu wszystkich składowych poszczególnych kolorów obok siebie. Tzn. dwa kolejne piksele o składowych kolorów:
|#AABBBB #AABB99 #BBAAAA
#AA #BB #BB #AA #BB #99 #BB #AA #AA
zostaną zapisane w pliku jako:
#AA #AA #BB #BB #BB #AA #BB #99#AA.
Tak przetworzona linia podlega jednemu z najprostszych algorytmów kodowania, tj. kodowaniu RLE. Kodowanie RLE wyróżnia dwa rodzaje danych - jedne stanowiące liczbę powtórzeń zasadniczych danych - oraz właściwe dane. Powyższa linia w kodowaniu RLE zostanie zapisana jako:
2 x #AA 3 x #BB 1 x #AA 1 x #BB 1 x #99 1 x #AA
W kodowaniu formatu PCX liczba powtórzeń pamiętana jest w jednym bajcie - przy czym zapalone dwa pierwsze bity (najstarsze) oznaczają bajt liczby powtórzeń z zakodowaniem liczby powtórzeń na pozostałych sześciu bitach. Brak zapalonych dwu lewych bitów oznacza bajt danych bez powtórzeń. Dlatego powyższa linia zostanie zakodowana jako:
11000010 #AA 11000011 #BB #AA #BB #99 #AA
co w efekcie oznacza kodowanie:
#C2 #AA #C3 #BB #AA #BB #99 #AA
Z takiego sposobu kodowania wynika konieczność rozdzielania ciągów powtórzeń dłuższych niż 26=64 . Np. ciąg 68 x #AA zostanie zakodowany jako #FF #AA #C4 #AA.
Innym problemem jest sposób kodowania danych powyżej wartości #C0. Zagadka: Jak to zrobić ?
Rozwiązaniem jest przyjęcie reguły wypisywania pojedynczych powtórzeń (a więc bajtów #C1) dla bajtów danych o kodach większych lub równych od #C0. Dlatego ciąg danych postaci:
#C0 #C0 #C0 #CD #DD #DD #CD #C0
będzie zakodowany:
#C3 #C0 #C1#CD #C2 #DD #C1 #CD #C1 #C0
B. BMP
Format wspólny dla firm Microsoft i IBM - powszechnie stosowany w produktach przeznaczonych dla maszyn klasy IBM PC, zarówno w odniesieniu do systemach operacyjnych Microsoft Windows jak i w systemie os/2 firmy IBM.
Pierwsza część pliku .BMP to ogólne informacje dotyczące samego pliku obejmujące:
#00 2 identyfikator pliku zawierający dane:
BM dla plików obsługiwanych oprogramowaniem Microsoft
Dla systemu os/2 firmy IBM identyfikatory mogą być inne i określają zastosowanie pliku. I tak:
BA tablicę bitmapową wykorzystywana do wypełnień
BI kolorowa zmienna ikona
BP kolorowa zmienny wskaźnik myszy
BC Ikona
BT wskaźnik myszy
#02 4 wielkość pliku w bajtach - przy dużych plikach mogą wystąpić przekłamania
#06 4 bajty zarezerwowane
#0A 4 położenie danych faktycznego obrazu w stosunku do początku pliku Następna część pliku zawiera informacje bezpośrednio związane z obrazem i obejmuje:
#0E 4 długość w bajtach właśnie opisywanej informacji - co dla komputerów używających oprogramowania Microsoftu zawsze wynosi #28 - czyli 40 bajtów. Dla plików przeniesionych z innych systemów wielkość może przyjmować różne wartości w zależności od wersji systemu.
#12 4 liczba pikseli obrazu w poziomie
#16 4 liczba pikseli obrazu w pionie. Wartość może być ujemna - co oznacza że zasadniczy obraz nie może być skompresowany, a ponadto jest zgodny z formatem DIB który ma odwrotna kolejność zapisu linii niż BMP.
#1A 2 liczba tzw. planów obrazu (zwanych też płatami obrazu), co w pewnym stopniu można utożsamiać z ilością stron pamięci ekranu. Aktualnie zawsze wartość ta wynosi 1.
#1C 2 liczba bitów opisujących barwę pojedynczego piksela i zrazem numer pozycji palety w sytuacjach ją wykorzystujących. Dopuszczalne wartości to:
1 obrazy dwukolorowe
4 16 możliwych kolorów z palety
8 256 możliwych kolorów z palety
16 high color - 216 = 65536 możliwych wartości kolorów
24 true color - 224 = 16 777 216 możliwych wartości kolorów
32 true color 32 - 232 = 4 294 967 296 możliwych wartości kolorów
#1E 4 określenie sposobu kompresje danych właściwego obrazu - możliwe wartości to:
0 brak kompresji - najczęściej stosowane
1 kompresja nosząca nazwę rle-8
2 kompresja nosząca nazwę rle-4
3 brak kompresji - a poszczególne składowe kolorów opisane są różną ilością bitów. Stosowane przy 16 bitach na piksel oraz 32 bitach na piksel
#22 4 wielkość właściwych danych w bajtach - zwiększona do wielokrotności czterech bajtów
#26 4 rozdzielczość pionowa w pikselach na metr (!)
#2A 4 rozdzielczość pozioma w pikselach na metr (!)
#2E 4 liczba używanych w obrazie kolorów - ma znaczenie przy mniejszej licznie bitów na piksel
#32 4 liczba ważnych kolorów - pozostałość po ograniczeniach sprzętowych i sytuacjach gdy nie wszystkie kolory były możliwe do wyświetlenia. Może też służyć określeniu ile kolorów wystarcza do poprawnego wyświetlenia. Wartość 0 lub wartość równa liczbie kolorów oznacza iż wszystkie są ważne. Stosowanie liczby ważnych kolorów wymusza umieszczenie kolorów ważniejszych na początku palety
#36 n *4 specyfikacja używanej palety kolorów - a ilość kolorów w palecie jest determinowana ilością bitów opisującą pojedynczy piksel. Dla rysunku ściśle bitmapowego (1 bit na piksel) paleta liczy dwa kolory, dla 4 bitów na piksel 16 kolorów itd. Przy używaniu True Color palety brak. Każdy kolor w palecie opisany jest czwórka bajtów - przy czym pierwszy bajt opisuje wartość koloru niebieskiego, drugi zielonego, trzeci czerwonego - co oznacza odwróconą kolejność w stosunku do modelu RGB. Czwarty bajt koloru palety jest zawsze bajtem zerowym. Po określeniu palety zapisany jest zasadniczy obraz. Pamiętany jest liniami w kolejności od dołu rysunku (inaczej niż w formacie PCX), i do prawej do lewej. Ilość bajtów opisujących pojedynczą linię wynika z ilości pikseli przemnożonych przez ilość bitów na piksel i jest wyrównany do wielokrotności czterech bajtów. Kolorowanie poszczeg ólnych pikseli zależy od ilości bitów na piksel, stosowanej palety oraz sposoby kodowania. I tak: Przy jednym bicie na piksel - bit 0 oznacza pierwszy kolor palety, bit 1 oznacza piksel koloru takiego jak drugi z kolorów palety. Przy 4 bitach na piksel każdy bajt opisuje dwa piksele - i wartość na połówce bajtu oznacza numer koloru z palety. Np. wartość #22 #0B oznacza dwa kolejne piksele koloru o numerze 2, piksel koloru pierwszego (o numerze 0) i piksel koloru o numerze 11. Przy 8 bitach na piksel każdy bajt jest wprost zapisem numeru koloru z palety. Przy 16 bitach na piksel - na skutek niepodzielności liczby 16 na 3 i niemożności stosowania palety kolorów (byłaby zbyt duża) - przy braku kompresji stosuje się uporządkowanie bitów dla poszczególnych kolorów. Dwa bajty opisujące piksel odwzorowują składowe RGB w proporcjach 5-5-5. Bity najmniej znaczące (prawe) odpowiadają składowej niebieskiej (dla wyznaczenia wartości stosowana jest maska #001F), kolejne pięć bitów (idąc od prawej do lewej) odpowiada za zieloną wartość składową (maska #03E0) i następne za składową czerwoną (maska #7C00). Jak widać najstarszy bit nie jest wykorzystywany. Stosowane jest też kodowanie 5-6-5 - gdzie dla składowej zielonej przewidziano o jeden bit więcej - a odpowiednie maski mają postać - #001F, #07E0 i #F800. Powyższe zależności implikują trudności w zapisie BMP z użyciem 16 bitów na piksel - dlatego wiele programów wyklucza podobną możliwość. Przy 24 bitach na piksel każda trójka bajtów opisuje składowe RGB - zatem pierwszy bajt to wartość składowej czerwonej, druga to składowa to kolor zielony a trzecia składowa opowiada za kolor niebieski. Przy 32 bitach na piksel pojawia się podobny problem niepodzielności liczby 32 przez trzy. Dlatego przy braku kompresji stosowane są maski #000000FF dla koloru niebieskiego, #0000FF00 dla koloru zielonego i #00FF0000 dla czerwonego. Jak widać odpowiada to 24 bitom na piksel i podobnie jak przy 16 bitach na piksel wiele program ów nie przewiduje obsługi 32 bitów dla pojedynczego piksela. Kodowanie RLE-8 jest specyficzną wersją kodowania RLE. Obejmuje dwa sposoby zapisu - zwane kodowanym i absolutnym - i oba mogą wystąpić jednocześnie. W przypadku trybu kodowanego każda para bajtów jest interpretowana jako liczba powtórzeń (pierwszy bajt pary) i powtarzana dana (drugi bajt). Tryb absolutny rozpoczynany jest bajtem zerowym po którym musi nastąpić bajt o wartości wyższej lub równej #03 - co oznacz liczbę kolejnych nie zakodowanych bajtów. Sekwencję trybu absolutnego kończy bajt zerowy. Zarówno dla trybu kodowanego jak i absolutnego szczególne znaczenie ma bajt zerowy - i tak w przypadku gdy pierwszy bajt wynosi #00 znaczenie kodowania zależy od wartości następnego bajtu ograniczonej do wartości 0, 1, lub 2. Wartość 0 (czyli dwa zerowe bajty po sobie) oznaczają koniec opisywanej linii, wartość 1 oznacza koniec pliku. Sekwencja bajtów #00 i #02 wymaga kolejnych dwu bajtów określających ile bajtów rysunku należy ominąć w pionie i w po ziomie, przy czym ominięte bajty przyjmują wartości zerowe. Dla przykładu - sekwencja bajtów:
#03 #34 #06 #02
oznacza w trybie kodowanym sekwencję:
#34 #34 #34 #02 #02 #02 #02 #02 #02.
Sekwencja pięciu bajtów kodowanych w trybie absolutnym, np.:
#00 #04 #10 #20 #30 #40 #00
oznacza środkową sekwencję - tzn. #10 #20 #30 #40.
Sekwencja #00 #02 #12 #01 oznacza ominięcie 18 bytów w poziomie i jednego bajtu w pionie, które w tej sytuacji ustawione są na zero - przy czym drugi bajt przesunięcia w przypadku plików BMP ma zawsze wartość 1 z racji reprezentowania linii pikseli. Kodowanie RLE-4 ma analogiczną interpretację trybu kodowanego i absolutnego - a różnica polega na wymuszaniu w jednym bajcie pary wartości. Użyta wcześniej sekwencja:
#03 #34 #06 #02
ma tym razem interpretację:
3 4 3 0 2 0 2 0 2 .
Poprzednio użyta jako przykład trybu absolutnego sekwencja czterech bajtów będzie zakodowana:
#00 #08 #10 #20 #30 #40 #00
C. GIF
Graphics Interchange Format - opracowany w roku 1987 przez firmę CompuServ Incorporated dla serwisów on-line, święcący triumfy w latach dziewięćdziesiątych wraz z rozwojem internetu i WWW. Zawiera wiele nowatorskich rozwiązań niezwykle użytecznych we wspomnianych dziedzinach - takich jak przeplot oraz transparentność - a w nowszych wersjach prostą animowalność. Ogólna postać pliku .GIF składa się z części obejmujących:
1. sygnaturę pliku
#00 3 identyfikator pliku - znaki GIF (#47 #49 #46)
#03 2 identyfikator wersji - w planach tożsamy z numerem roku - w praktyce funkcjonują jedynie standardy 87 i 89 (#38 #37 i #38 i #39)
#05 1 identyfikator formatu danych - w praktyce wyłącznie litera a (#61)
2. opis globalnych parametrów obrazu
#06 2 szerokość obrazu w pikselach - pierwszy bajt mniej znaczący (LSB - low (least) significient byte)
#08 2 wysokość obrazu w pikselach - pierwszy bajt mniej znaczący (LSB)
#09 1 bajt flag obrazu - niezwykle ważny ! - o układzie bitów:
x • • • • • • • określenie wykorzystywania globalnej tabeli barw.
1 globalna tabela barw będzie wykorzystywana i jej opis będzie umieszczony po następnych dwu bajtach. Oznacza to zarazem, że występujący dalej kolor tła będzie miał znaczenie.
0 globalna tabela barw NIE będzie wykorzystywana. Oznacza to że poszczególne fragmenty obrazu mogą posiadać lokalne palety barw. W przypadku braku lokalnych palet barw lub wykorzystywaniu numerów kolorów wykorzystywana jest domyślna tabela barw. Uwaga: w przypadku stosowania domyślnej tabeli barw jest nią nie domyślna tabela barw przeglądarki (zwana CLUT - color lookup table) ale domyślna tabela systemu.
• x x x • • • • liczba określająca ile bitów będzie przeznaczone na określenie liczby kolorów. Wartość wynika z liczby bitów plus 1. Np. wartość 0 oznacza iż używane będzie 0+1 bitów, co oznacza 21=2 kolory. Podobnie bitowa wartość 011 wynosi 3, co oznacza 3+1=4 bit ów czyli 24=16 wykorzystywanych kolorów palety. Wartość bitowa 111 wynosi 7 co oznacza maksymalną liczbę 7+1=8 bitów na określenie pojedynczego kolor palety - czyli 28=256 dostępnych kolorów palety.
• • • • x • • • określenie posortowania palety - zapalenie bitu oznacza iż kolory w palecie są posortowane z umieszczeniem ważniejszych kolorów na początku listy barw palety - co ma znaczenie przy wyświetlaniu obrazu z ograniczoną sprzętowo liczbą wyświetlanych kolor ów.
• • • • • x x x liczba kolorów globalnej palety - zarazem liczba bit ów przeznaczonych na kolor piksela. Wartość 000 oznacza 0+1 czyli jeden bit i 21 kolorów itd., aż do 111 co oznacza 7+1=8 czyli 28=256 kolorów palety i jeden bajt na każdy piksel.
#0A 1 numer koloru tła
#0B 1 współczynnik aspektu ekranu - przy wartości 0 oznaczający stosunek szerokości do wysokości piksela jako 1:1. Przy wartości różnej od 0 stosuje się wzór:
współczynnik wyświetlany = ( współczynnik z pliku + 15 ) / 64 mogący mieć znaczenie przy wyświetlaniu zmniejszonego lub zwiększonego obrazu - szczególnie w zastosowania związanych z WWW.
3. globalna mapa kolorów - ciąg trzybajtowych sekwencji liczący tyle elementów ile określono kolorów w globalnych parametrach pliku. #0C 1
11
wartość red koloru palety o numerze 0
wartość green koloru palety o numerze 0
wartość blue koloru palety o numerze 0
#0C + 3 1
11
wartość red koloru palety o numerze 1
wartość green koloru palety o numerze 1
wartość blue koloru palety o numerze 1
... i kolejne opisy następnych kolorów głównej palety ...
4. bloki fragmentów obrazu lub bloki rozszerzeń - mogące występować w dowolnej liczbie i w dowolnej kolejności.
a) blok obrazu - składa się z trzech części:
- deskryptora bloku obejmującego:
1 nagłówek deskryptora bloku - #2C
2 pozioma współrzędna lewego górnego piksela bloku w stosunku do całego obrazu
2 pionowa współrzędna lewego górnego piksela bloku w stosunku do całego obrazu
2 poziomy rozmiar bloku
2 pionowy rozmiar bloku
1 bajt flag deskryptora bloku - o znaczeniu poszczególnych bitów:
x • • • • • • • flaga wykorzystywania lokalnej palety kolorów
1 lokalna paleta będzie wykorzystywana - jej opis umieszczony będzie tuż po opisywanym deskryptorze bloku obrazu 0 Brak lokalnej palety kolorów - wykorzystywana będzie paleta globalna lub domyślna systemowa
• x • • • • • • flaga przeplotu - linie obrazu wyświetlane: 1 z przeplotem 0 bez przeplotu
• • x • • • • • flaga sortowania kolorów palety - znaczenie analogiczne jak dla palety globalnej
• • • xx • • • zarezerwowane - zawsze 00 • • • • • xxx liczba kolorów lokalnej palety. Wartość 000 oznacza 0+1 czyli jeden bit i 21 kolorów itd., aż do 111 co oznacza 7+1=8 czyli 28=256 kolorów palety.
- lokalnej palety kolorów - o strukturze analogicznej do globalnej palety kolor ów - co oznacza ciąg trzybajtowych sekwencji liczący tyle elementów ile określono kolorów w deskryptorze bloku obrazu
3 wartości red, green, blue koloru palety o numerze 0
3 wartość red, green, blue koloru palety o numerze 1
... i kolejne opisy następnych kolorów lokalnej palety ...
- właściwych danych fragmentu obrazu - pamiętanych w liniach poziomych od lewej do prawej i od góry do dołu w blokach nie przekraczających 255 pikseli. Na opis obrazu składają się:
1 kod inicjujący - oznaczający minimalną wielkość słownika wykorzystywanego w algorytmie kompresji LZW wykorzystywanym do kodowanie obrazu - tożsamy z liczbą bitów opisujących pojedynczy piksel powtarzalna sekwencje opisów linii obrazu obejmujące:
1 liczba bajtów kodu pierwszej sekwencji kod pierwszej sekwencji kodowanej algorytmem LZW
1 liczba bajtów kodu drugiej sekwencji kod drugiej sekwencji kodowanej algorytmem LZW ... kolejne sekwencje linii obrazu ...
1 terminator sekwencji bloku obrazu - zawsze 0
b) bloki rozszerzenia obejmują w swojej strukturze:
1 nagłówek deskryptora bloku - #21
1 jednobajtowy kod funkcji powtarzalne sekwencje danych zależnych od kodu funkcji
1 liczba bajtów danych pierwszej sekwencji dane pierwszej sekwencji
1 liczba bajtów danych drugiej sekwencji Dane drugiej sekwencji ... kolejne sekwencje danych ...
1 terminator bloku rozszerzenia
Bloki rozszerzeń opisują dodatkowe informacje związane z procesem wyświetlania, i w zależności od użytej funkcji (oznaczonej kodem we właściwym polu) mogą opisywać specjalne parametry systemu, kart graficznych, szczególne informacje związane z obrazem lub jego fragmentem. Dobrze zdefiniowane i powszechnie używane są cztery funkcje o następującej strukturze i kodach:
- blok wyświetlania tekstu - obejmujący:
#xx + #00 1 nagłówek deskryptora bloku - #21
#xx + #01 1 kod funkcji - #01
#xx + #02 1 wielkość bloku w bajtach - w tym przypadku zawsze 12 (#0C)
#xx + #03 2 położenie w poziomie pierwszego znaku pierwszej linii tekstu na ekranie głównym mierzony w pikselach
#xx + #05 2 położenie w pionie pierwszego znaku pierwszej linii tekstu na ekranie głównym mierzony w pikselach
#xx + #07 2 szerokość całego bloku tekstowego w pikselach
#xx + #09 2 wysokość całego bloku tekstowego w pikselach
#xx + #0B 1 szerokość komórki pojedynczego znaku tekstu mierzona w pikselach
#xx + #0C 1 wysokość komórki pojedynczego znaku tekstu mierzona w pikselach
#xx + #0D 1 kolor barwy tekstu
#xx + #0E 1 kolor tła tekstu
Po tak określonym nagłówku następują sekwencje linii bajtów tekstu w porcjach od 1 do 255 znaków - przy czym pierwszy bajt sekwencji określa liczbę faktycznych znaków. Sekwencja rozszerzenia tekstowego kończy się bajtem o wartości 0. - blok wyświetlania - najpowszechniej wykorzystywana funkcja o strukturze:
#xx + #00 1 nagłówek deskryptora bloku - #21
#xx + #01 1 kod funkcji - 249 (#F9)
#xx + #02 1 wielkość bloku w bajtach - w tym przypadku zawsze 4
#xx + #03 1 flaga określająca parametry wyświetlania
xxx • • • • • bity zarezerwowane • • • xxx • • 000 nieokreślone - stosowane dla komunikat ów o braku przenaszalności 001 polecenie niezmieniania obrazu przy odświeżaniu całości ekranu (strony www) 010 odświeżenie tła obrazu 011 odświeżenie obrazu
• • • • • • x • flaga wymogu oczekiwania na reakcję użytkownika przed odświeżeniem obrazu
• • • • • • • x wskaźnik transparencji obrazu
#xx + #04 2 wielkość opóźnienia wyświetlania w milisekundach
#xx + #06 1 numer koloru interpretowanego jako transparentny
#xx + #07 1 bajt terminatora bloku - wartość 0
Teoretycznie liczba analogicznych sekwencji jest dowolna - ale interpretacji podlega tylko blok rozszerzenia umieszczony przed blokiem danych.
- blok komentarza - o strukturze:
#xx + #00 1 nagłówek deskryptora bloku - #21
#xx + #01 1 kod funkcji - 254 (#FE)
Po tak określonym nagłówku następują sekwencje linii bajtów komentarza w porcjach od 1 do 255 znaków - przy czym pierwszy bajt sekwencji określa liczbę faktycznych znaków komentarza. Sekwencja bloku komentarza kończy się bajtem zerowym.
- blok aplikacji obejmuje:
#xx + #00 1 nagłówek deskryptora bloku - #21
#xx + #01 1 kod funkcji - 255 (#FF)
#xx + #02 1 wielkość bloku w bajtach - w tym przypadku zawsze 11 (#0B)
#xx + #03 8 identyfikator rodzaju zastosowania
#xx + #0B 3 kod weryfikacji
Za tak określonym nagłówkiem następują sekwencje linii danych aplikacji w porcjach od 1 do 255 znaków - przy czym pierwszy bajt określa liczbę faktycznych danych. Sekwencję bloku aplikacji kończy bajt o wartości 0.
5. zakończenie pliku
1 terminator całego pliku GIF - bajt o wartości #3B W przypadku obrazów z przeplotem cały obraz jest podzielony na cztery nierówne części o proporcjach w zaokrągleniu wynoszących 1:1:2:4 całości obrazu. Pierwsza część obejmuje ósmą część obrazu i wyświetla co ósmą linię obrazu rozpoczynając od wiersza 0 (następnie wiersz 8, 16, itd.). Druga część również wyświetla co ósmą linię obrazu począwszy od linii 4 (następnie linia 12, 20 itd.). Trzecia część zajmuje czwartą część całości obrazu i wyświetla co czwartą linię obrazu począwszy od linii 2 (następnie linia 6, linia 10 itd.). Ostatnia część zajmując połowę linii obrazu wyświetla co drugą linię obrazu począwszy od linii drugiej (o numerze 1 licząc od 0). Uwaga: Istotnie wykorzystywane w formacie GIF algorytm kompresji LZW (kompresja słownikowa o zmiennej długości słownika) nie został omówiony.
D. JPG (JPEG)
Nazwa pochodzi o skrótu Joint Photographics Experts Group - w wersji czteroliterowej wprowadzona dla maszyn unixowych, w wersji trzyliterowej dla DOS-a a później dla systemów operacyjnych Microsoftu. Z założenia przewidziany dla obrazów o łagodnych przejściach wartości pomiędzy pikselami - czyli np. dla fotografii naturalnych obiektów.
Kodowanie obrazu przebiega w czterech etapach.
1. Opcjonalne przekodowanie kolorów
Zgodnie z wcześniejszymi informacjami dotyczącymi percepcji barw oko ludzkie jest znacznie czulsze na zmiany jasności niż na zmianę koloru - co jest wynikiem m.in. większej liczby pręcików w stosunku do ilości czopków. Dlatego przekodowanie kolorów w pierwszym kroku polega na konwersji układu RGB do układu YCbCr - w którym składowa Y jest przybliżeniem jasności (luminancji), zaś składowe Cb i Cr są przybliżeniem chromatyczności - z największym udziałem składowych niebieskiej i czerwonej.
Tak przeliczone piksele obrazu rozdzielane są na trzy osobne obrazy wg składowych Y, Cb i Cr - przy czym składowe chromatyczne są uśredniane wg wartości czwórki pikseli 2x2. Tym samym przy założeniu jednobajtowych składowych na poszczególną składową koloru RGB każda ze składowych chromatycznych pozwala zaoszczędzić połowę zajętości pliku - bez zauważalnych strat obrazu.
2. Szybka transformacja DCT
Każdy z przekodowanych płatów jest poddawany dyskretnej transformacie kosinusowej (discreete cosinus transform - DCT), realizowanej poprzez szybkie algorytmy - skąd nazwa FDCT. Transformata opisana jest stosunkowo złożonym wzorem, wymagającym dla pojedynczego piksela przeliczenia wartości całego transformowanego fragmentu, wielokrotnie stosowaną funkcję cosinus i kilka innych elementów. Stosowana do całego obrazu wymagałaby wielokrotnego przeliczenia każdego piksela - dlatego osobno przeliczane są bloki o rozmiarze 8x8 pikseli - jako optimum szybkości przeliczania w połączeniu z wiernością odwzorowania. Transformowany blok zajmuję większą liczbę bajtów z racji konieczności pamiętania wartości rzeczywistych. Zaletą transformaty kosinusowej jest przetworzenie wejściowego obrazu do postaci, w której istotne wartości skupione są w mniejszej liczbie punktów - co oznacza duże obszary o jednakowych lub porównywalnych wartościach - podlegających znacznej kompresji.
Transformacja kosinusowa w przypadku ciągłym - niezależnie od wejściowego obrazu zawsze daje obraz w przybliżeniu podobny do powyższego lewego obrazu, co w przypadku dyskretnym oznacza prawy obrazek.
3. Kwantyzacja.
Najbardziej stratny element zapisu pliku w formacie JPG - oznaczający podzielenie każdej wartości wynikające z transformacji przez współczynnik kompresji z zaokrągleniem wyniku do liczby całkowitej - odpowiadającej ostatecznej wartości. Duża kompresja oznacza niewielką liczbę podziałów - czyli niewielką liczbę możliwych wartości - co wymusza obszary o dużej liczbie podobnych pikseli. Dla wykorzystania efektu wynikającego z transformaty DCT obszary kodowane są wg strategi ZigZag.
4. Kompresja Huffmana
Przetworzony w ten sposób obraz jest kompresowany z użyciem algorytmu kompresji Huffmana - czyli algorytmu o statycznym słowniku i kodzie zależnym od częstości występowania elementu słownika. Pismo.

VIII. Typografia i liternictwo
A. Podstawowe informacje
Pismo.
Zespół znaków przyjęty przez określoną grupę ludzką umożliwiający widzialne i/lub trwałe Zespół znaków przyjęty przez określoną grupę ludzką umożliwiający widzialne i/lub trwałe przedstawienie myśli i mający to samo znaczenie dla wszystkich jej członków.
Pismo w sensie drukarskim jest to pismo utrwalone na nośniku.
Historia pisma
- znaki pamięciowe - kamienie, proste znaki, rysunki, symbole
- powstało pismo wyrazowe, sylabowe, alfabetyczne
- alfabety - starosemicki, fenicki, grecki, łaciński
Czcionka
Stempel z wizerunkiem (oczkiem) litery służący do jej odbicia na podłożu.
Krój pisma
Charakterystyczny obraz pisma drukarskiego o jednolitych cechach graficznych: rytmie, proporcji, właściwościach optycznych itp., niezależnych od stopnia i odmiany pisma. Każdy krój pisma posiada swoją nazwę (na przykład Helvetica, Univers czy Garamond), podlegającą wraz z samym krojem ochronie prawnej.
Sposoby utrwalania pisma
- druk stronicowy - kamień i drewno - Chiny w VI w. n.e.
- rok 1440 Johann Gensfleisch z Moguncji (Gutenberg) - możliwość wytworzenia dowolnej
liczby stempli - czcionek.
B. Rozwój i rodzaje krojów pisma łacińskiego
- kapitel rzymski - wyłącznie duże litery (majuskuła, kapitel, wersalik).
- z pisanego kapitelu kursywa (italic)
- minuskuła - małe litery.
- 800 roku powstała minuskuła karolińska - styl romańskie i germański,
- średniowieczu -- kroje gotyckie (tekstura, rotunda, szwabacha i fraktura).
- koniec XV w. - Włochy - antykwa
- XVIII i XIX w. - antykwy renesansowe, barokowe i klasycystyczne, antykwa linearna( groteska), pismo jednoelementowe, pismo bezszeryfowe oraz egipcjanka (również jednoelementowe z szeryfami).
- przełom XIX i XX - pisanki, kroje reklamowe i ozdobne.
- lata osiemdziesiąte XX w. kroje "antyestetyczne"
C. Miary typograficzne
1. System Pica ("picas, points") - USA i Wielka Brytania drukarski
83 pica = 35 cm
1 pica = 4,2169 mm
1 point (punkt amerykański) = 1/12 pica = 0,3514 mm
PostScript
1 point = 1/72 cala = 0,3528 mm
1 pica = do 1/6 cala = 4,2333 mm
2. System Didota ("points") - Europa bez Wielkiej Brytanii
1 point = 1/2660 m - 0,3759 mm
3. Wielkości pisma
brilant 3 punkty tekst napisany czcionką o wielkości brilant - czyli o wielkości 3 punkty typograficzne
diament 4 punkty tekst napisany czcionką o wielkości diament - czyli o wielkości 4 punkty typograficzne
perl 5 punktów tekst napisany czcionką o wielkości pearl - czyli o wielkości 5 punktów typograficznych
nonparel 6 punktów tekst napisany czcionką o wielkości nonparel - czyli o wielkości 6 punktów typograficznych
kolonel 7 punktów tekst napisany czcionką o wielkości kolonel - czyli o wielkości 7 punktów typograficznych
petit 8 punktów tekst napisany czcionką o wielkości petit - czyli o wielkości 8 punktów typograficznych
borgis 9 punktów tekst z czcionką o wielkości borgis - czyli o wielkości 9 punktów typograficznych
garmont 10 punktów tekst z czcionką garmont - czyli o wielkości 10 punktów typograficznych
cycero 12 punktów tekst czcionką cycero - wielkości 10 punktów typograficznych średnian 14 punktów czcionka średnian - wielkość 14 punktów
tercja 16 punktów Czcionka tercja - wielkość 16 punktów
dwugarmont 20 punktów dwugarmont - wielkość 20 punktów
półkwadrat 24 punktów półkwadrat - 24 punkty
dwuśrednian 28 punktów dwuśrednian - 28 punktów
dwutercja 32 punktów dwutercja - 32
konkordans 36 punktów konkordans - 36
kwadrat 48 punktów kwadrat - 48
4. Firet, Em, En
− firet - Justyfikacja równa stopniowi pisma.
− Em - to jednostka równa stopniowi pisma w danym tekście - często wynosząca jeden firet, a w zastosowaniach komputerowych szerokości litery „M” w bieżącym kroju.
− En - połowa Em
D. Linie pisma, długości, kerning
1. Linie pisma
– dolna - dolna krawędź rysunku małych liter minuskułowych z wydłużeniami dolnymi
– górna - górna krawędź rysunku dużych liter i z wydłużeniami górnymi małych liter
– podstawowa - dolna krawędź dużych liter majuskułowych i małych liter bez wydłużeń
– średnia - górna krawędź małych liter bez wydłużeń
– akcentów - górna krawędź znaków akcentów - ogólnie dodatkowych Potocznie - podstawowa linia pisma
Stopień pisma
Odległość miedzy liniami górna i dolna - wielkość czcionki
Interlinia
Odległość pomiędzy linią dolną jednego wiersza, a linią akcentów wiersza następnego
Leading
Odległość pomiędzy liniami pisma kolejnych wierszy
Odstęp linii pisma
Suma interlinii i stopnia pisma
Kerning
Odstęp pomiędzy literami czcionki - dodatni lub ujemny. W tekstowych o których szerokości litery „a” (0,5 firetu), wynosi 1/3 firetu. Nie więcej niż 0,75 firetu i nie mniej niż 0,25 firetu.
Tracking
Zmniejszanie odstępu międzyliterowego wraz ze wzrostem stopnia pisma.
E. Odmiany kroju pisma, rodzina pisma
Odmiana kroju pisma
Różnicuje pisma jednego kroju ze względu na grubość, szerokość i pochylenie.
– grubość - wielkość wyliczana na podstawie pierwszej pionowej kreski litery n stopnia 10p.
• bardzo cienkie (extra light) - poniżej 0,2 mm
• cienkie (light) - od 0,2 do 0,3 mm
• zwykłe (regular, normal, book) - od 0,3 do 0,4 mm
• półgrube (semibold, demi) - od 0,4 do 0,6 mm
• grube (bold) - od 0,6 do 0,85 mm
• bardzo grube (extra bold, heavy) - powyżej 0,85mm
– szerokość - zależna od długości słowa OHamburgefonsz w stopniu 10 p
• bardzo wąskie (extra condensed) - poniżej 2,5 cm
• wąskie (condensed) - od 2,5 do 3,0 cm
• normalne - od 3,0 do 3,5 cm
• szerokie (extended), do 3,5 do 4,0 cm
• bardzo szerokie (extra wide) - powyżej 4 cm
– nachylenie
• proste;
• pochyłe w prawo - italic, oblique;
• pochyłe w lewo - backslant.
Rodzina kroju pisma
Zbiór wszystkich odmian jednego kroju pisma.
F. Elementy budowy znaków pisma
1. Litery
Podstawowe
- Wydłużenie dolne: część litery tekstowej lub wersalikowej znajdująca się poniżej podstawowej linii pisma i stykająca się z dolną linią pisma.
- Wydłużenie górne: część litery tekstowej znajdująca się powyżej linii środkowej i stykająca się z górną linią pisma.
- Łuk: zaokrąglona, otwarta lub zamknięta kreska litery.
- Światło wewnętrzne znaku: powierzchnia między kreskami znaku.
- Kreska główna: grubsza kreska litery dwuelementowej.
- Kreska cienka: kreska o mniejszej grubości od kreski głównej litery dwuelementowej.
- Kreska cieniująca: kreska litery o zmiennej grubości.
- Kreska pionowa: kreska prostopadła do linii pisma.
- Kreska pozioma: kreska równoległa do linii pisma.
- Kreska ukośna: kreska nachylona w stosunku do linii pisma
2. Szeryfy
Jednolite zakończenia kresek liter niektórych krojów pism
3. Cyfry
Cyfry zwykłe
Cyfry nautyczne (mediewalowe)
G. Szczególne znaki pisma
1. Ligatury
Odrębne traktowanie połączenia dwu liter.
a) Standardowe - fi, ffi, ffl
polskie łł
Niewstawianie ligatur jest błędem.
b) Ligatury historyczne - ae, sk, ck, ct
c) Ligatury estetyczne
2. Abrewiatury
Pojedyncze znaki zastępujące ciągi liter

IX. Pismo a komputery
A. Font
Nośnik pisma zakodowany w postaci cyfrowej
– rastrowe (bitmapowe) - dla każdego znaku mapa bitowa
– wektorowe (skalowalne, vector font) - pamiętanie konturu każdego znaku w postaci parametr ów wzorów. Type 1 (Adobe -- pliki PFB, PFM i AFM) oraz TrueType (autorstwa Apple i Microsoft - pliki TTF), OpenType - Adobe i Microsoft - połączenie Type 1 i TrueType
B. Realizacja ekranowa i drukowana fontu
- rozdzielczość ekranu 72 lub 96 dpi , druk od 300 do 1200 dpi Różne czcionki w realizacji komputerowej zbliżają się do siebie.
Przyczyna - niemożność dokładnego odwzorowania
C. Sposoby rozwiązania
Litera z pikselami wybranymi ze środka obrysu Litera z większą i jakąkolwiek częścią wspólna
Wersja optymalna
1. Hints
System „podpowiedzi” (ang. hints) - ręczna zamiana matematycznego opis znaku (znalezienie może być długotrwale) Znak kroju TrueType bez „podpowiedzi”. Znak kroju TrueType z systemem „podpowiedzi ”. Specjalnie dopracowany znak z zaawansowanym systemem „podpowiedzi ” ESQ. TrueType ESQ (ang. Enchanced Screen Quality). Firma Monotype Typography Itd. - od 100 lat opracowująca fonty - stworzyła fonty dla Microsoft., charakteryzujace się czytelnością i przeznaczone wyłącznie dla ekranów komputer ów. Pierwsze fonty czysto komputerowe - Verdana, Georgia, Trebuchet.
2. Antyaliasing (wygładzanie)
Wygładzający krawędzi obiektów schodkowych w obrazach bitmapowych poprzez wprowadzanie pikseli o mniejszym nasyceniu i jasności niż piksele obiektu.
D. Polskie ogonki
− Pierwsze polskie czcionki - Antykwa Toruńska - Zygfryd Gardzielewski, Antykwa Półtawskiego - Adama Jerzego Półtawski.
− Po wojnie - Ośrodku Pism Drukarskich z Zakładów GrafMasz w Warszawie
− Polskie czcionki komputerowe - dowolność pozostawiona zachodnim producentom lub polskim amatorom
Garamond (AdiTech)
Gatineau (Corel)
Garamond (Microsoft)
ITC Garamond (URW++)
ITC Garamond book
Stefan Szczypka STR
Humanist 521 BT ultra bold (Bitstream)
Humanist521PL ultra bold (Kuba Tatarkiewicz, ThETA)
Gill Sans extra bold (Stefan Szczypka, STR)
E. Wojna fontów
1. Type 1 (Adobe)
Dwa pliki metrycznego i binarnego. Plik binarny (.pfb) zawierając dane o kroju pisma (krzywymi Béziera trzeciego stopnia) i rozmieszczeniu hintów. Plik metryczny (.afm) zawiera informacje o rozmiarach znaków oraz kerningu Zawierają dowolną liczbę znaków - ale dostępne maksymalnie 256. Bez możliwości obsługi wielu języków
2. TrueType (Microsoft) Bardziej skomplikowany - więcej możliwości. Jeden plik, seria rekurencyjnych tabel opisujących inny aspekt fontu. Kontuy przy pomocy krzywych Béziera drugiego stopnia, tzw. b-splines. Prostszej matematycznea formuła - szybsze kreślonie. Dane metryczne i kerning fontów TrueType zapisane są w kilku osobnych tabelach, wiele tabel dodatkowych, opisujących hinting, anti-aliasing i inne aspekty techniczne, informacje na temat nazwy kroju pisma, projektanta, stanu autorskoprawnego i licencyjnego fontu itp.
3. OpenType Najnowszy format fontów. 1996 - umowa Adobe i Microsoft. Rrozszerzenie formatu TrueType. Specjalna tabela CFF zawierająca m.in. kontury Type 1. Zawierają Unicode. Podstawowym zestawem znaków stosowanym w OpenType jest Unicode. Zawiera ligatury.