Wstęp
Obraz cyfrowy może powstawać m.in. w wyniku skanowania lub fotografowania cyfrowego. Mimo, że na naszym rynku jest dostępna (chociaż niewielka) literatura na temat powyższych zagadnień, to okazuje się, że teoria i praktyka tych zagadnień są stosunkowo mało znane. Świadczą o tym chociażby reprodukcje, wykonane ze źle zeskanowanych lub cyfrowo sfotografowanych oryginałów.
Niektórzy uważają, że skoro kupili nowoczesne urządzenie, np. skaner lub cyfrowy aparat fotograficzny, to wszystko samo się dobrze zrobi". Niestety, nie jest to takie proste. Aby uzyskać cyfrowy obraz optymalnej jakości, trzeba potrafić w pełni wykorzystać wszystkie możliwości urządzeń, z którymi mamy do czynienia.
Celem niniejszego tekstu jest przybliżenie zagadnień związanych z tworzeniem, budową i parametrami obrazu cyfrowego, aby przy jego pozyskiwaniu (w wyniku skanowania czy fotografowania cyfrowego) móc świadomie i maksymalnie wykorzystać możliwości oferowane przez urządzenie. Zdobyta wiedza pozwoli także podejmować w przyszłości właściwe decyzje dotyczące nabycia analogicznego sprzętu, ale o parametrach bardziej nam odpowiadających. Zagadnienia będą przedstawione zarówno od strony teoretycznej jak i praktycznej.
Tworzenie obrazu cyfrowego w wyniku skanowania lub fotografowania cyfrowego wynika z analogicznych przebiegów tych procesów i z tych samych teoretycznych podstaw. Różnica tkwi tylko w odmiennych urządzeniach realizujących powyższe procesy. Dla procesu skanowania adekwatnymi urządzeniami są skanery, a dla fotografowania cyfrowego - cyfrowe aparaty fotograficzne, o których będzie mowa. Najważniejsze, że w obu procesach z oryginałów analogowych (tzw. oryginałów) powstają obrazy cyfrowe (tzw. obrazy).
Na stronie wprowadzona jest pewną terminologia, która jest naturalna w omawianych procesach. Niektóre nazwy nie mają polskiego pochodzenia, ale przyjęły się w naszym języku i funkcjonują. Będą jednak podawane znaczenia terminów obcych.
Istota oryginału analogowego
Oryginały analogowe (oryginały) są to materialne obiekty, które mogą występować pod różnymi postaciami. Dla procesu skanowania oryginałami są najczęściej płaskie odbitki i negatywy fotograficzne, przezrocza, obrazy malarskie, rysunki i grafiki wykonane odręcznie. Dla fotografowania cyfrowego oryginałami są najczęściej trójwymiarowe przedmioty i osoby występujące w określonym otoczeniu.
Okazuje się ponadto, że niektóre oryginały, charakterystyczne dla fotografowania cyfrowego, mogą być także oryginałami dla skanowania. Oznacza to, że na niektórych skanerach (płaskich), wyposażonych w tzw. układy CCD, można otrzymywać obrazy cyfrowe z obiektów trójwymiarowych, odstających od szyby skanera na kilka centymetrów. Skaner pełni wtedy rolę fotograficznego aparatu cyfrowego.
Przykładowe oryginały analogowe powszechnie używane w skanowaniu lub fotografowaniu cyfrowym przedstawiono na rysunkach od 1 do 5.
Rys. 1 Obraz malarski znakomicie nadaje się zarówno do fotografowania jak i skanowania.
Rys. 2 Jeśli są to realne obiekty, wtedy nadają się do fotografowania, a gdy odbitka - do skanowania.
Rys. 3 Typowy oryginał do fotografowania, ale także (niezbyt wysoki obiekt) można go bezpośrednio skanować skanerem z układem CCD.
Rys. .4 Typowe oryginały do skanowania (negatywy i slajdy), z których obrazy będą miały jakość odpowiadającą parametrom skanera i skanowania.
Tonalność<
Cechą charakterystyczną oryginałów są tonalności, czyli występowanie tego samego koloru w różnych odcieniach. Tonalność oryginału powinna zostać odwzorowana w obrazie cyfrowym uzyskanym zarówno przy pomocy skanera jak i aparatu cyfrowego. Skanery i aparaty cyfrowe realizują tę funkcję w identyczny sposób, o czym powiem dalej.
Rys. 2 Jeśli są to realne obiekty, wtedy nadają się do fotografowania, a gdy odbitka - do skanowania
Na przedstawionych ilustracjach 1 - 4 tonalności występują we wszystkich oryginałach, Ale tonalności nie występują na oryginale znaczka (rysunek 5), mimo że efekt tonalności dostrzegamy oglądając rzeczywisty znaczek pocztowy. Dzieje się tak dlatego, że reprodukcja wykonana jest z maleńkich punktów rastrowych, wydrukowanych tylko 4 farbami, o kolorach CMYK (cyan, magenta, yellow, black).
Jak to się dzieje, że postrzegamy tonalność, której w rzeczywistości nie ma? Tonalność z obrazu cyfrowego zostaje odwzorowana na wydruku po
zastosowaniu procedur, które zależą od techniki drukowania, l tak, przy drukowaniu cyfrowym, np. na drukarkach atramentowych lub laserowych, tonalność odwzorowana jest w postaci stałej wielkości (stałej średnicy) maleńkich punktów, których ilość na jednostkowej powierzchni zmienia się. Natomiast przy drukowaniu na klasycznej maszynie drukarskiej tonalność odwzorowuje się przez analogiczne punkty rastrowe pokryte farbą, lecz, w tym przypadku, to ich wielkość (średnica) jest zmienna przy zachowaniu stałych odległości pomiędzy punktami.
W obu przypadkach biel niezadrukowanego podłoża rozjaśnia położony na punktach kolor barwnika, tonera lub farby, dając złudzenie jaśniejszego odcienia (złudzenie tonalności). Jeżeli punkty rastrowe mają większą gęstość na jednostkowej powierzchni (z drukarki komputerowej) lub są większe (z maszyny drukarskiej), wtedy odwzorowujemy ciemniejszy ton koloru, a jeśli mają mniejszą gęstość lub są mniejsze - ton jaśniejszy.
Na rysunku 6 przedstawiono odwzorowanie kilku tonów koloru czarnego punktami rastrowymi w stałych odległościach, ale o różnej wielkości (wydruk z maszyny drukarskiej). Są to odcienie szarości. Rysunek zawiera obszary jednolitych tonalności, a pod nimi powiększone 10 razy fragmenty tych obszarów, aby można było zaobserwować zmianę wielkości punktów rastrowych symulujących na wydruku powyższe tonalności.
Rys. 6 Ta sama barwa (czarna) odwzorowana na maszynie drukarskiej z różnymi tonalnościami, góra: odcienie szarości i dół: powiększone fragmenty tych odwzorowań
Ciągłotonalność
Dla oryginałów fotograficznych i większości obiektów naturalnych cechą charakterystyczną są ciągłotonalności, czyli ciągłe, a nie skokowe, przechodzenie od jednej do innej barwy (w tym od jednej tonalności do innej dla tej samej barwy). Mówiąc o ciągłotonalnościach nie dotykamy zagadnień mikrostruktury, która dla "nieuzbrojonego" oka jest niezauważalna. Na rysunku 7 przedstawiono przechodzenie od jednej barwy do innej w sposób ciągły i skokowy.
Rys. 7 Ciąglotonalność (góra) i skoki tonalne (dół) dla barw widma światła białego
Światłoczułe materiały fotograficzne utworzone są z substancji chemicznych, zwanych halogenkami srebra. Podczas procesu tworzenia warstwy światłoczułej halogenki mogą grupować się, tworząc tzw. strukturę ziarnistą materiału. Podczas wykonywania zdjęcia w klasycznym aparacie fotograficznym, co nazywa się ekspozycją materiału, a następnie procesu wywoływania, uwalniane jest srebro, które odwzorowuje obraz. Srebro może także grupować się, tworząc ziarnistą budowę wywołanego materiału. Ziarnistość może być więc różna i jest zależna zarówno od użytego materiału światłoczułego, jak i procesów jego wywoływania. Tworzy to wspomnianą mikrostrukturę, w którą nie będziemy się wgłębiać.
Ważne jest, że wywołane srebro w różnym stopniu zaciemnia prześwitującą kliszę lub biały papier fotograficzny. Czym srebra jest więcej, tym ciemniejszy punkt jest odwzorowany. Te różne zaciemnienia dają na kliszy lub papierze odwzorowanie fotografowanej ciągłotonalności.
Kreska
Mogą także występować oryginały, które są zbudowane tylko z jednej lub kilku barw. Nie występują żadne odcienie kolorów tworzących obraz.
Istota oryginału analogowego. Istota obrazu cyfrowego
Mamy wtedy do czynienia z obrazami monobarwnymi (np. czarno-białymi) lub kilkukolorowymi (np. obszary tylko niebieskie, pomarańczowe i złote). Wtedy nie występuje tonalność, czy ciągłotonalność, i mówimy, że jest to kreska. Na rysunku 8 przedstawiono oryginały kreskowe jedno- i wielokolorowe. W rzeczywistości oryginały te mają następującą kolorystykę: książka jest granatowa, ryba - czarna, tygrysek - czarny i żółty, papuga - czerwona, granatowa, zielona, żółta i czarna.
Odwzorowanie kreski na wydruku powinno być realizowane tyloma farbami lub barwnikami, ile występuje ich w oryginale. Zatem zawartość rysunku 8 można na białym podłożu odwzorować następująco: książkę -l farbą, rybę - l farbą, tygryska - 2 farbami, a papugę - 5 farbami. Każda z nich będzie położona bez punktów rastrowych (bez odwzorowania tonalności, bo ich nie ma), czyli będzie wydrukowana tzw. aplą.
Przy drukowaniu na maszynie drukarskiej, nie stanowi to żadnego problemu. Drukarz stosuje wybrane kolory farb i idealnie realizuje reprodukcję obrazu kreskowego.
Rys. 7 Przykłady rysunków kreskowych, gdzie żadna z barw nie ma tonalności
Podczas drukowania cyfrowego, np. na drukarkach komputerowych, mogą pojawić się problemy, gdyż z zasady nie dysponujemy atramentami lub tonerami o dokładnie żądanej barwie. Wtedy, na ogół przez zmieszanie dostępnych w drukarce kolorów, tworzona jest barwa podobna do żądanej. Na wydruku z drukarki nie otrzymujemy więc w tym przypadku idealnej kreski (jednolitego pokrycia kolorem, czyli aplą), ale złudzenie optyczne jednolitego koloru, gdyż nie widzimy małych punktów rastrowych.
Istota obrazu cyfrowego
Piksel
Obrazy cyfrowe, odwzorowujące oryginały, noszą także nazwę obrazów bitmapowych, map bitowych lub po prostu - bitmap, chociaż to ostatnie pojęcie przyjęło się bardziej do określania obrazów czarno-białych. Obrazy cyfrowe są to zawsze prostokątne obszary zbudowane z elementów identycznych pod względem wielkości i kształtu. Kształt elementów stanowią, kwadraty. Taka prostokątna tablica zawiera tylko pełne kwadraty, zatem wymiary obrazu są zawsze wielokrotnością boku kwadratu podstawowego).
Kwadratowe elementy tworzące obraz cyfrowy noszą nazwę pikseli. Piksele stanowią więc jednostkę wielkości obrazu cyfrowego. Wielkość piksela ustala osoba wykonująca skanowanie lub realizująca zdjęcie cyfrowym aparatem fotograficznym.
Na ogół, długość boku kwadratowych pikseli może być ustalana precyzyjnie (podczas skanowania) lub skokowo (podczas fotografowania aparatem cyfrowym). Zbyt duże piksele uwidocznią w obrazie "schodkowe" brzegi pochylonych krawędzi lub łuków, a zbyt małe mogą niepotrzebnie zwiększać ilość pamięci wymaganą dla poprawnego odwzorowania (np. wydrukowania) obrazu.Całkowita liczba pikseli w obrazie cyfrowym jest iloczynem liczby pikseli wzdłuż obu boków jego prostokątnego obrysu.
Cechą charakterystyczną pojedynczego piksela jest jego monobarwność. Oznacza to, że w przeciwieństwie do oryginału analogowego (rysunki 1 - 4), w obszarze zajmowanym przez piksel nie występuje ciągłotonalność (rysunek 9). W efekcie, kolorowy obraz cyfrowy cechuje skokowa zmiana barwy przy przechodzeniu od jednego piksela do innego. Brak skokowej zmiany barwy jest możliwy jedynie wtedy, gdy obok jednego piksela znajduje się drugi o takiej samej barwie.
Rys. 9 Obraz cyfrowy zbudowany jest z kwadratowych pikseli o stałej barwie
Jeżeli obraz cyfrowy jest odwzorowaniem ciągłotonalnego oryginału, wtedy sąsiadujące ze sobą piksele wykazują niewielką zmianę barw przy przechodzeniu przez taką tonalność. Daje to złudzenie osiągnięcia odpowiedniej ciągłotonalności.Jeśli obraz cyfrowy jest odwzorowaniem kreski, wtedy na granicach sąsiadujących ze sobą dwóch kolorów jest gwałtowny skok (skok tonalności), zaś w obszarach kreski występują jednakowe piksele.
Rys. 10 Odwzorowanie cyfrowe (obrazy cyfrowe) oryginałów ciągłotonalnego (lewy dół) i kreskowego (prawy dół) wraz z wielokrotnym powiększeniem wybranych obszarów (u góry)
Na rysunku 10 przedstawiono odwzorowania cyfrowe oryginału ciągłotonalnego (z widoczną niewielką zmianą tonalności sąsiadujących ze sobą pikseli) i kreskowego (ze skokową zmianą tonalności na granicach kolorów) oraz ich 17-krotne powiększenia.
Kanał obrazowy
Barwy każdego piksela obrazu cyfrowego zapisane są w tzw. kanałach obrazowych. Kanał obrazowy podzielony jest na obszary o wielkości odpowiadającej wielkości piksela. Obszary te są położone dokładnie w tych miejscach geometrycznych, gdzie znajdują się piksele w obrazie.
Do każdego kanału przypisana jest tzw. barwa podstawowa. Dla zrozumienia istoty rzeczy będziemy przyjmować, że jest to barwa jakiegoś światła. Z każdym kanałem związana jest tablica poziomów jasności,
jakie może przyjmować barwa tego światła. Poziomy jasności mogą zmieniać się tylko skokowo, a wielkość skoku uzależniona jest od typu kanału. Tak więc kanał obrazowy zawiera poziomy jasności dla każdego piksela obrazu, przenoszące się na piksel poprzez określoną barwę podstawową przyjętą dla tego kanału.
Jeśli w obrazie mamy jeden kanał, wtedy barwa wynikowa piksela odpowiada dokładnie barwie kanału i ma jasność taką, jak zapisano w odpowiadającym temu pikselowi miejscu w kanale.
Jeśli w obrazie mamy kilka kanałów, wtedy barwa wynikowa piksela jest odpowiednią sumą barw kanałów składowych, z których każda ma poziom jasności odpowiadający pikselowi w danym miejscu. Możemy w ten sposób zapisać obrazy pełń o kolorowe.
Budowa kanałowa obrazu kreskowego
Każdy piksel cyfrowego obrazu kreskowego zapisany jest tylko w jednym kanale, tzw. kanale Bitmap. Do kanału tego przypisane jest światło białe. Z kanałem Bitmap związana jest tablica jasności, która ma zapisane tylko dwa poziomy jasności: zerowy i maksymalny. Na przykład, jeśli jakaś "żarówka" z białym światłem, oświetlająca określone miejsce w kanale, świeci maksymalnie, wtedy w tym miejscu kanału jest biel. Jeśli natomiast ta "żarówka" ma zerowy poziom natężenia światła, wtedy w tym miejscu kanału jest czerń.
Wynika stąd, że dla obrazu kreskowego piksele mogą przyjmować tylko dwie barwy: albo białą, albo czarną.
Na rysunku 11 przedstawiono ten sam obraz cyfrowy zapisany na dwa różne sposoby kreskowe. Obraz taki zawiera tylko piksele czarne i białe, bez względu na to, w jaki sposób został wytworzony.
W cyfrowym obrazie kreskowym nie możemy zapisać więc tonalności, ale możemy tak skonstruować obraz, że będzie ona symulowana. Podany na rysunku 11 przykład odwzorowania oryginału wykonano na dwa sposoby. W ilustracji po lewej stronie przyjęto podczas odwzorowania (np. skanowania
zdjęcia), że miejsca, które w oryginale mają szarość większą od 50% staną się czarne, a miejsca o szarości mniejszej od 50% - białe. Powstał w ten sposób bardzo kontrastowy obraz czarno-biały, który nie symuluje tonalności.
Rys. 11 Obraz kreskowy składający się tylko z czarnych i białych pikseli, otrzymany z tego samego oryginału na dwa sposoby: wysokokon-trastowy i symulujący poziomy szarości.
Na rysunku 11 przedstawiono ten sam obraz cyfrowy zapisany na dwa różne sposoby kreskowe. Obraz taki zawiera tylko piksele czarne i białe, bez względu na to, w jaki sposób został wytworzony.
W cyfrowym obrazie kreskowym nie możemy zapisać więc tonalności, ale możemy tak skonstruować obraz, że będzie ona symulowana. Podany na rysunku 11 przykład odwzorowania oryginału wykonano na dwa sposoby. W ilustracji po lewej stronie przyjęto podczas odwzorowania (np. skanowania
zdjęcia), że miejsca, które w oryginale mają szarość większą od 50% staną się czarne, a miejsca o szarości mniejszej od 50% - białe. Powstał w ten sposób bardzo kontrastowy obraz czarno-biały, który nie symuluje tonalności.W ilustracji po prawej przyjęto podczas odwzorowania, że miejsca, które mają określoną tonalność będą zastępowane małymi pikselami czarnymi, rozrzuconymi przypadkowo, o gęstości na jednostkę powierzchni proporcjonalną do tej szarości. Oznacza to, że tam, gdzie oryginał był ciemny, powstało na określonej powierzchni dużo małych czarnych pikseli, a tam, gdzie był on jasny - mało. Niezadrukowana biel papieru pomiędzy czarnymi pikselami rozjaśnia oglądany obraz. Efektywne rozjaśnienie jest tym większe, im mniej czarnych pikseli występuje w określonym obszarze obrazu. W ten sposób udało się zasymulować na czarno-białym wydruku, że obraz ma odcienie szarości, gdyż piksel jest na tyle mały, że oko go nie dostrzega, a widzi jedynie łączny efekt bieli papieru i leżących na nim czarnych pikseli.
Jeśli sobie przypomnimy poprzednie wiadomości, to z łatwością stwierdzimy, że odwzorowanie nastąpiło przez punkty rastrowe. Tego typu "sztuczki" mogą być wykonywane podczas skanowania na niektórych skanerach, albo w zaawansowanych programach bitmapowych.
Budowa kanałowa obrazu w skali szarości
Każdy piksel obrazu cyfrowego w odcieniach szarości (grayscale, skala szarości) zapisany jest w jednym kanale, tzw. kanale Black (lub Gray). Powracając do naszych świateł, do kanału tego przypisane jest światło białe (podobnie jak to miało miejsce w obrazie kreskowym). Z kanałem Black związana jest tablica jasności, która najczęściej ma zapisane 256 różnych poziomów jasności. Jeśli przykładowa "żarówka" z białym światłem maksymalnie świeci w określonym miejscu kanału, wtedy jest tam biel. Jeżeli żarówka ma zerowy poziom natężenia światła, wtedy w tym miejscu kanału jest czerń. Jeśli natomiast żarówka ma jeden z pośrednich stanów jasności, wtedy w kanale mamy określoną szarość.
W kanale Black można więc zapisywać 256 różnych poziomów jasności i tyleż odcieni szarości może przyjąć każdy piksel w obrazie w skali szarości. W skanerach, aparatach cyfrowych i programach bitmapowych przyjęto, że wartość O poziomu jasności daje pikselowi barwę czarną, a wartość 255 - białą.
Rys. 12 Odwzorowania skali szarości pełne (góra) na dużej liczbie pikseli i pasmowe (dół) na małej liczbie pikseli.
Widać stąd, że odwzorowanie obrazu, którego zawartością jest np. ciągło-tonalna skala szarości (od czerni do bieli, rysunek 12), polega na podzieleniu tego obrazu na 256 pasków o stałych tonalnościach. Jeśli liczba pikseli w obrazie jest na tyle duża, że wszystkim paskom przypisane są różne poziomy szarości, wtedy mamy wrażenie, że oglądamy ciągłe przejście tonów. Jeśli liczba pikseli w obrazie jest zbyt mała, tzn. nie da się on podzielić na 256 części (najmniejszą szerokością może być l piksel), wtedy nie wszystkie odcienie powstaną w obrazie i obserwujemy skoki tonalne.
Rys. 12 Obraz w skali szarości może zawierać tylko piksele o poziomach odpowiadających poziomom jasności z tablicy związanej z kanałem Black (Gray).
Na rysunku 13 przedstawiono: tablicę z poziomami jasności kanału obrazu w skali szarości (lewa góra), obraz cyfrowy w skali szarości (po prawej) oraz powiększony jego fragment (lewy dół), w którym każdy piksel musi mieć jedną z szarości z tablicy.
Budowa kanałowa obrazu barwnego
Barwa każdego piksela obrazu barwnego może być zapisana w trzech kanałach: R (Red, czerwony), G (Green, zielony) i B (Blue, niebieski). Każdy kanał R, G lub B reprezentuje jedną z trzech barw składowych światła białego, tzw. barw podstawowych. Mówi się wtedy, że obraz zapisany jest w modelu RGB, który jest modelem tzw. addytywnego mieszania świateł, w którym dowolna barwa wynikowa powstaje przez zmieszanie tych trzech barw podstawowych o różnych jasnościach.
Każdy barwny obraz cyfrowy, powstały zarówno w wyniku skanowania jak i fotografowania cyfrowego, tworzony jest zawsze w modelu RGB.
Nawiązując do naszych świateł, każda z barw podstawowych może mieć różny poziom jasności: od zera (zerowy udział składowej) do maksymalnego (największy udział składowej). Zmieszanie trzech składowych RGB, z których każda ma określony poziom jasności, daje barwę wynikową piksela.
Przyjmijmy, że każdy kanał ma 256 odcieni jasności swojej barwy. Jest to obecnie najczęściej wykorzystywana w obróbce obrazów cyfrowych tablica poziomów jasności kanału. Liczba różnych barw, które mogą przyjąć piksele, powstające w obrazie cyfrowym, wynika z kombinacji każdego możliwego poziomu jednego kanału z każdym innym w pozostałych dwóch kanałach.
Rys. 14 Tablice możliwych jasności barw podstawowych (lewa góra), tablice jasności możliwych do uzyskania w każdym kanale (pozostałe) i barwa wynikowa piksela zdefiniowana ze składowych, zapisywana w kanałach RGB obrazu.
Oznacza to, że liczba ta wynosi dokładnie 2563, czyli ponad 16,7 min możliwych barw, wraz z czernią i bielą. Czarny piksel powstaje, gdy wszystkie trzy poziomy składowe mają jasność o umownej wartości O, zaś biały, gdy wszystkie trzy przyjmują wartość 255. Na rysunku 14 przedstawiono tablice możliwych jasności kolorów w kanałach obrazu i tworzenie z nich dowolnej barwy. W lewym górnym rogu jest tablica pokazująca wszystkie możliwe poziomy jasności, jakie może przyjąć barwa w każdym kanale podstawowym R, G lub B. Na dole obrazu zilustrowano tworzenie barwy wynikowej przez
zsumowanie barw składowych o różnych poziomach jasności. Te składowe poziomy jasności zapisywane są w trzech kanałach obrazu RGB dla każdego piksela oddzielnie.
Głębia bitowa
Obraz cyfrowy jest liczbowym zapisem występujących w nim barw. Jednym z parametrów tego zapisu jest tzw. głębia bitowa (głębia kolorów), mówiąca o liczbie barw możliwych do odwzorowania w obrazie i oznacza, jak wiele bitów pamięci zostało przydzielonych do zapisania informacji o barwie każdego piksela obrazu. Jednostką głębi bitowej są bpp (bits per pixels, bity na piksel). Bit (b) jest elementarną jednostką w informatyce) i umożliwia zapisanie dwóch cyfr: O lub 1. Zrozumienie pojęcia głębi bitowej wymaga poznania, jak wiele liczb można zapisać na określonej liczbie bitów sąsiadujących ze sobą.
Rozważymy kilka przypadków (rysunek 15):
- Na l bicie można zapisać tylko 2 liczby (O i 1). Ten fakt wyrazimy ma
tematycznie w postaci zapisu 21, gdzie liczba 2 jest podstawą syste
mu dwójkowego liczenia, wykorzystywanego w informatyce, zaś wy
kładnik1określa liczbę bitów użytych do tworzenia liczb końcowych.
- Na 2 kolejnych bitach możemy zapisać następujące 4 liczby: 00, 01,
10, 11. Analogicznie, fakt ten zapiszemy 22.
- Na 3 kolejnych bitach możemy zapisać 8 następujących liczb: 000,
001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Fakt ten zapiszemy 23.
- Opuszczając kilka kolejnych kroków, dochodzimy, że na 8 kolejnych bi
tach możemy zapisać 256 liczb : 00000000, 00000001, 00000010,
...... 11111100, 11111110, 11111111. Fakt ten zapiszemy 28.
Rys. 15 Poglądowy rysunek ustawiania bitów, przypisywania im liczb dwójkowych i odpowiadające im liczby w układzie dziesiętnym
W technice informatycznej otrzymanym liczbom można przypisać dowolne, różne wielkości, np. różne poziomy jasności, l tak, w pierwszym przypadku - będą to możliwe 2 poziomy, w drugim - 4, w trzecim - 8, a w czwartym - 256. Jakie z tego płyną wnioski?
- • Jeśli do każdego piksela obrazu przypiszemy tylko l bit dla opisania je
go poziomów jasności, wtedy można w ten sposób zbudować obraz dwu-
barwny. Takim obrazem jest wcześniej omówiony obraz kreskowy. Obraz
kreskowy ma więc głębię bitową l bpp.
- każdego piksela obrazu przypiszemy 8 bitów dla opisania jego
jasności, wtedy można w ten sposób zbudować obraz z 256 barw. Ta
kim obrazem jest wcześniej omówiony obraz w skali szarości. Obraz w
skali szarości ma więc głębię bitową 8 bpp. Jeśli tym samym liczbom przypiszemy nie szarości, a jakieś różne kolory (kolory indeksowane), wtedy otrzymamy obraz barwny, zawierający tylko 256 możliwych barw. Obraz z kolorami indeksowanymi ma też głębię bitową 8 bpp.
- Jeśli do każdego piksela obrazu przypiszemy 24 bity dla opisania jego jasności, ale w taki sposób, że obraz składa się z trzech kanałów po 8 bitów każdy, wtedy można w ten sposób zbudować obraz z 2563= 224barw. Takim obrazem
jest wcześniej omówiony obraz kolorowy RGB. Obraz RGB ma więc głębię bitową 24 bpp
(obraz True Color).
Na rysunku 16 przedstawiono obrazy cyfrowe, pochodzące z tego samego oryginału, zapisane z różnymi głębiami bitowymi podanymi w tabeli.
Rys. 16 Ten sam obraz zapisany z różnymi głębiami bitowymi ma różną kolorystykę
Rozdzielczość
Pojęcie rozdzielczości
Podczas procesu skanowania lub cyfrowego fotografowania następuje zamiana określonych ciągłotonalnych obszarów oryginału na piksele o jednolitych barwach. Proces ten daje więc obraz przybliżony w stosunku do oryginału. Jak wielkie jest to przybliżenie, gdzie należy go upatrywać i czy można je regulować? Odpowiedź tkwi w pojęciu rozdzielczości.
Ogólnie, rozdzielczość jest to stopień odwzorowania szczegółów. Powyższa definicja ma charakter ogólny i nie jest istotne, czy mamy w tym przypadku do czynienia z malowaniem, rysowaniem, fotografowaniem klasycznym, czy cyfrowym.
Na przykład, gdy malujemy lub rysujemy kwiat, obraz będzie miał tym większą rozdzielczość, im dokładniej zobrazujemy płatki, pręciki, listki czy też inne szczegóły odwzorowywanych elementów tworzących kwiat. Jeśli ten sam kwiat fotografujemy (klasycznie lub cyfrowo), wtedy jego obraz będzie miał tym większą rozdzielczość, im dokładniej uchwycimy w nim te same elementy.
Rozdzielczość oryginału analogowego
Jeśli szkicujemy ołówkiem plan określonej sceny, wtedy nie zawiera on prawie żadnych szczegółów, gdyż z założenia przedstawia tylko najistotniejsze charakterystyki, np. rozmieszczenie obiektów, ich proporcje itp. Rozdzielczość takiego planu w stosunku do rzeczywistych obiektów jest więc bardzo mała i ograniczona do zasad tworzenia planu.
Jeśli widzimy obraz namalowany techniką punktową lub akwarelą, wtedy ma on niewiele szczegółów, gdyż duże, kolorowe punkty czy plamy tworzące obraz uniemożliwiają ich wprowadzenie. Wyznaczają one rozdzielczość tego dzieła.
Jeśli oglądamy dzieło namalowane techniką olejną z wielką precyzją realizacji, wtedy na ogół wszystkie szczegóły tego obrazu widzimy „gołym" okiem i wynikają one z precyzji pracy artysty. Granicą rozdzielczości dla obrazów malarskich jest więc stosowana technika i wielkość narzędzia użytego do pracy.
Jeśli fotografujemy jakąś scenę przy pomocy klasycznego aparatu, z użyciem materiału fotograficznego, wtedy rozdzielczość wykonanego zdjęcia zależeć będzie m.in. od optyki użytego aparatu (tzn. od soczewek obiektywu) oraz od jakości materiału rejestrującego obraz. Na ogół, współczesne aparaty i materiały fotograficzne są w stanie zarejestrować dużą liczbę szczegółów. Możemy się o tym łatwo przekonać, powiększając wykonane zdjęcie (lub oglądając je pod lupą) i zauważając elementy, których nie widzieliśmy "nieuzbrojonym" okiem (rysunek 17).
Rys. 17 Powiększony fragment oryginału analogowego z materiału fotograficznego dostarcza niewidocznych "gołym" okiem szczegółów.
Także i tu istnieje jednak granica tego powiększenia, po przekroczeniu której nie będziemy obserwować już coraz mniejszych szczegółów, a zauważymy ziarnistą budowę materiału fotograficznego. Granicą rozdzielczości jest więc dla materiału fotograficznego struktura ziarnista.
Rozdzielczość oryginału cyfrowego
W obrazach cyfrowych jest podobnie jak w oryginałach fotograficznych, z tą różnicą, że z góry wiemy, iż odpowiednikiem fotograficznego "ziarna" są piksele, a określone szczegóły oryginału są rejestrowane na wielu takich pikselach.
Na rysunku 18 zobrazowano zdjęcie wykonane aparatem cyfrowym. Obraz w lewym górnym rogu ma jednak więcej pikseli niż obraz w lewym dolnym. Obserwując obrazy widać, że obydwa zdjęcia są identyczne, tzn. dostarczają na naszej reprodukcji w podręczniku takich samych szczegółów. Jeśli zaznaczony fragment powiększymy, mogą zaistnieć dwa przypadki: albo uzyskamy widok szczegółów, których dotąd nie widzieliśmy, albo uzyskamy widoczne piksele - bez "wydobytych" nowych szczegółów.
Dlaczego tak się dzieje? W pierwszym przypadku, piksel był na tyle mały, że określone szczegóły obrazu były zapisane na bardzo wielu pikselach. Powiększenie fragmentu obrazu wprawdzie zwiększa te piksele, ale pozostają one w dalszym ciągu tak małe, że są niewidoczne dla oka. Dzięki temu odwzorowują zawarte na nich szczegóły fotografowanej sceny.
W drugim przypadku, piksel był na tyle mały, że był niewidoczny dla obserwatora i odwzorowywał tylko szczegóły widoczne w określonej, satysfakcjonującej nas skali, ale jednocześnie był na tyle duży, że zwiększenie skali wybranego fragmentu powiększyło piksel tak, że stał się on widoczny, co jednocześnie uniemożliwia uwidocznienie nowych szczegółów.
Rys. 18 Po stronie lewej znajdują się dwa identyczne z wyglądu obrazy, a po prawej, tak
samo powiększone identyczne fragmenty. W
zależności od wielkości pikseli powiększanego
obrazu, możemy albo uwidocznić ukryte w nim
szczegóły, albo uwidocznić piksele.
W zależności więc od sposobu realizacji obrazu cyfrowego, powiększenie jego fragmentu może dostarczyć nowych szczegółów, jak to miało miejsce na rysunku 18 (dla oryginału ciągłotonalnego z klasycznej odbitki fotograficznej), albo może uwidocznić piksele, gdy obraz został wykonany z mniejszą ich liczbą. Obrazy cyfrowe należy więc wykonywać prawidłowo dla spodziewanej dalszej obróbki. Ten przykład przekonuje jednoznacznie, że fotografia klasyczna z użyciem materiału fotograficznego i cyfrowa z użyciem aparatu cyfrowego są co najmniej porównywalne, nie wdając się obecnie w zalety fotografii cyfrowej.
Z powyższych rozważań wynika, że czym mniejszy jest piksel w obrazie cyfrowym, tym lepsze odwzorowanie szczegółów, a co za tym idzie - tym obraz zapisany jest z większą rozdzielczością, i odwrotnie.
W ten sposób dochodzimy do rozdzielczości obrazu cyfrowego. Jest to liczba pikseli przypadająca na jednostkę długości obrazu cyfrowego. Ponieważ obrazy cyfrowe są najczęściej korygowane w programach graficznych, a programy te standardowo operują jednostką długości cal ("), zatem przyjęto za jednostkę rozdzielczości obrazów cyfrowych - ppi (pix-els per inch, piksele na cal). Często w wielu skanerach spotyka się jednostki rozdzielczości podawane jako dpi (dots per inch, punkty na cal). Jest to mało precyzyjne określenie, gdyż obraz jest złożony z pikseli, a nie punktów. Jednostka dpi jest zarezerwowana dla rozdzielczości drukarek i wydruków, które są właśnie realizowane punktami (rastrowymi).
Podczas skanowania lub fotografowania cyfrowego możemy określać wielkość piksela, czyli określać rozdzielczość wynikowego obrazu cyfrowego. Nie możemy jednak ustawiać tego parametru dowolnie, gdyż ograniczają je parametry konstrukcyjne urządzeń (skanera lub aparatu cyfrowego), podobnie, jak nie możemy otrzymywać zdjęć o dowolnej rozdzielczości z klasycznych aparatów fotograficznych.
Oczywiste jest, że jeśli zmniejszymy piksel do wymiarów ziarna na materiale fotograficznym, to otrzymamy obraz cyfrowy, mający rozdzielczość porównywalną z oryginałem fotograficznym. Są takie aparaty cyfrowe (profesjonalne), ale czy rzeczywiście są one nam niezbędne? W większości przypadków - nie. Ponieważ fotografowanie cyfrowe jest "za darmo", gdyż nie płacimy za film i wywołanie zdjęć, dlatego możemy tak realizować zdjęcia (nawet wielokrotnie), aby to co chcemy uwidocznić w obrazie było tam zawarte. A takich funkcji dostarczają nawet bardzo tanie aparaty cyfrowe. Uzyskiwanie wielkiej liczby pikseli w obrazie wiąże się z odpowiednio większymi plikami do ich zapisania.
Rozdzielczość intrepolowana obrazu
Podczas tworzenia obrazu cyfrowego (w skanerze lub cyfrowym aparacie fotograficznym) albo obróbki tego obrazu (w programach grafiki bitmapo-wej) występuje pojęcie rozdzielczości interpolowanej. Jest to procedura polegająca na sztucznym tworzeniu pikseli mniejszych z większych przy pomocy uśredniających (interpolacyjnych) algorytmów arytmetycznych. Interpolacja, prowadząca do uzyskiwania rozdzielczości interpolowanej w obrazie, jest dokonywana w sterowniku urządzenia lub programie graficznym i nie jest to własność wynikająca z konstrukcji samego urządzenia.
Wyróżnia się kilka typów interpolacji, a najczęściej stosowaną jest interpolacja bikubiczna (dwusześcienna), której funkcjonowanie zobrazowano na rysunku 19. Interpolacja bikubiczna jest uśrednianiem algebraicznym poziomów jasności piksela interpolowanego i wszystkich pikseli bezpośrednio sąsiadujących z tym pikselem.
Przedstawione na rysunku kwadraty reprezentują piksele obrazu cyfrowego. Liczby na pikselach oznaczają poziomy jasności jednego z tzw. kanałów obrazowych. Na lewej ilustracji przedstawiono duże piksele (mała rozdzielczość), rozdzielone czerwonymi liniami, zreprodukowane przez urządzenie. Dla skupienia uwagi i uproszczenia rozważań założono, że piksele będą zmniejszane dwukrotnie. W związku z tym, na prawej ilustracji przedstawiono dwa razy mniejsze piksele po interpolacji rozdzielone liniami zielonymi (dwukrotnie wyższa rozdzielczość). Obwódką o kolorze niebieskim zaznaczono wynikowy piksel po interpolacji, którego jasność końcową wyliczamy z zależności:
P = (220+220+220+220+160+160+120+60+60)/9 = 160 co stanowi sens.interpolacji bikubicznej.
Rys. 19 Piksele przed interpolacją (po lewej) i po interpolacji bikubicznej (po prawej) -zwiększenie rozdzielczości przez interpolację (rozdzielczość interpolowana)
Wysoka rozdzielczość interpolowana ma wpływ pozytywny podczas tworzenia obrazów kreskowych, gdyż wygładza pochylone i zaokrąglone krawędzie (mniejsze piksele czarne i białe).
Stosowanie natomiast rozdzielczości interpolowanej wpływa negatywnie dla oryginałów ciągłotonalnych na ostrość obrazu (rozmywa krawędzie).
Na rysunku 20 zobrazowano pozytywny efekt tworzenia obrazu kreskowego z rozdzielczością interpolowaną i negatywny efekt utraty ostrości przy tworzeniu lub przekształcaniu obrazów tonalnych.
Rys. 20 Wpływ interpolacji na szczegóły obrazów kreskowych (po lewej) i ciągłotonalnych
(rysunki po prawej).
Rejestrowanie obrazu cyfrowego
Czujniki fotoelektryczne
Proces skanowania lub fotografowania cyfrowego odbywa się z udziałem światła. Odbite od oryginału światło pada w urządzeniu (skanerze lub aparacie cyfrowym) na układ izolowanych czujników fotoelektrycznych (elementów fotoczułych). Ich zadaniem jest przetworzenie padającego światła na prąd elektryczny. Czym większe światło pada na czujnik, tym powstaje większy prąd. Powstający prąd musi być jednak „mierzalny", tzn. jego natężenie musi być na tyle duże, aby mogło być wykorzystane w dalszych operacjach.
Materiały elektroniczne wykorzystywane do budowy elementów fotoczułych dla różnych typów skanerów i aparatów cyfrowych są różne. Dla wyjaśnienia zagadnienia nie jest jednak istotne, jaki typ materiału został wykorzystany i jaka jest konstrukcja elementu fotoczułego, gdyż zasada działania czujnika jest wszędzie analogiczna. My zajmiemy się najlepszą obecnie konstrukcją, wykorzystującą tzw. elementy CCD (Charge Coup-led Devices), czyli urządzenia o sprzężeniu ładunkowym. Elementy CCD znajdują się w większości lepszych skanerów płaskich i aparatów cyfrowych.
Do skanowania lub fotografowania wykorzystywane jest światło białe. Światło odbite od kolorowego elementu oryginału przyjmuje barwę tego elementu. To barwne światło pada na układ elementów CCD. Układ jest tak skonstruowany, że dla wytworzenia piksela mogą być wykorzystywane grupy, składające się z trzech izolowanych elementów CCD. Każdy z elementów grupy pokryty jest filtrem, odpowiednio: czerwonym, zielonym i niebieskim. W wyniku tego następuje automatyczne rozdzielenie barwnego światła na trzy składowe RGB o jasnościach odpowiednich do barwy światła padającego na czujnik. Czym jasność barwy składowej jest większa, tym większy ładunek, a co za tym idzie - większy prąd jest generowany przez pojedynczy element fotoczuły. Sytuację tę obrazuje rysunek 21, gdzie białe światło, przyjmujące po
odbiciu od oryginału barwę ciemnoróżową, zostaje na filtrach rozseparo-wane na składowe RGB, o wartościach ich jasności, odpowiednio: 204, 102, 153 (z omawianego wcześniej zakresu 0-255). Wielkość zgromadzonego ładunku zamieniana jest na prąd o proporcjonalnym natężeniu.
Rys. 20 Białe światło zawierające trzy składowe o maksymalnych jasnościach (255), po od-
biciu od kolorowego oryginały przyjmuje jego barwę, która na filtrach elementów fotoczułych
rozkłada się na odpowiednie składowe, wzbudzając prąd na wyjściu z czujnika.
Przetwornik analogowo-cyfrowy
Wygenerowany w czujniku prąd kierowany jest do przetwornika analogo-wo-cyfrowego (A/C). Jest to element elektroniczny, w którym zachodzą dwa procesy, z języka obcego nazywane: dyskretyzacja i dygitalizacją.
Najpierw następuje tzw. dyskretyzacja, czyli zamiana prądu generowanego w sposób ciągły przez CCD na prąd o przebiegu "schodkowym", mogącym przyjmować jedną z 256 możliwych wartości. Następnie, na wyjściu przetwornika A/C, następuje proces dygitalizacji. Jest to przyporządkowanie "schodkowi" o określonej wielkości odpowiedniej liczby z zakresu od 0 do 255.
Rys. 21 Proces dyskretyzacji i dygitalizacji w przetworniku A/C
Przetwonik A/C zamienia więc sygnał analogowy (prąd) na postać cyfrową (liczby) - co schematycznie zobrazowano na rysunku 21.
W kolejnym etapie skanowania lub fotografowania cyfrowego, ale już nie w przetworniku A/C, liczbom tym przypisywane są poziomy jasności barw składowych. Kiedy określone są już poziomy jasności, następuje zapis pikseli do określonych kanałów obrazowych.
Zapis obrazu cyfrowego
Jeżeli zarejestrowany obraz cyfrowy chcemy zachować do późniejszych zastosowań, należy zapisać go w pliku na dysku twardym komputera lub innym nośniku (np. w karcie pamięci aparatu cyfrowego). Do zapisywania obrazów cyfrowych wykorzystywane są różne formaty, mające różne właściwości. Na ogół, użytkownik skanera ma możliwość wyboru formatu zapisu, zaś w aparacie cyfrowym zazwyczaj jest dostępny l format, wybrany przez producenta aparatu.
Fromat TIFF
Formatem standardowym i podstawowym zapisu mapy bitowej w pliku jest format TIFF (Tagged-lmage File Format), który może, w tzw. bezstratny sposób, zapisać informację o każdej barwie obrazu cyfrowego otrzymanego podczas skanowania lub fotografowania cyfrowego.
Zapis bezstratny oznacza, że żadna informacja o barwie każdego piksela nie zostanie zmieniona podczas zapisu. Występują także inne formaty bezstratne.
W formacie TIFF zapisywane są kolejno poszczególne poziomy jasności każdego piksela obrazu cyfrowego. Format TIFF należy zawsze wykorzystywać do zapisu w pliku obrazu skanowanego, jeśli przewiduje się jego korekcję kolorystyczną.
Format TIFF może zapisywać (na życzenie) obrazy w postaci skompresowanej. Podstawowym dla TIFF jest algorytm kompresji LZW (Lemple-Zif-Welch). Jest to kompresja bezstratna. Unowocześniony format TIFF może też zapisywać skompresowane obrazy według innych algorytmów, np. ZIP (bezstratny) i JPEG (stratny), ale nie każda aplikacja potrafi poprawnie odczytać tak przygotowane dane. Uwaga, kompresja jest tym bardziej efektywna, im mniejsza różnorodność pikseli w obrazie. W formacie TIFF można zapisywać kolorystykę wszystkich najważniejszych typów obrazów, tzn.: czarno-białych (kreskowych i w skali szarości), obrazów RGB a także w innych modelach barw).
Fromat JPEG
Istnieją również tzw. formaty stratne zapisu do pliku, którego najważniejszym przedstawicielem jest JPEG (Joint Photographic Experts Group). Zapis stratny oznacza, że podczas tworzenia pliku tracone są bezpowrotnie niektóre barwy w obrazie, ale za to uzyskujemy bardzo maty objętościowo plik. Stopień stratności użytkownik może na ogół regulować i w efekcie strata kolorystyki może być niezauważalna. Jeśli chcemy troszkę bliżej poznać matematyczne funkcjonowanie tego ważnego formatu, to na początek wiedzmy, że kompresja przebiega w trzech fazach.
W formacie TIFF można ponadto zapisywać obrazy w modelach: CMYK, Lab i indeksowanych barw. Ponadto może on zapamiętywać tzw. kanały alfa we wszystkich modelach z wyjątkiem czarno-białej kreski. Niektóre programy graficzne mogą zapisywać w formacie TIFF także obrazy zbudowane z warstw, np. Adobe Photoshop, ale po otwarciu ich w innych aplikacjach wszystkie warstwy ulegną spłaszczeniu do jednej. W programie Photoshop można także zapisywać wraz z obrazem w formacie TIFF komentarze, przezroczystości i wielorozdzielczościową piramidę danych cyfrowych. Jednak wykorzystanie tych zmodyfikowanych zapisów TIFF jest możliwe jedynie w tej aplikacji.
• W fazie pierwszej obraz jest przekształcany do przestrzeni kolorystycz
nej CIE Luv (tzw. przestrzeń niezależna od urządzenia). W zależności od
przyjętego stopnia stratności wybierana jest komórka próbkująca o ok
reślonej wielkości, np. 8x8 pikseli. Komórka ta jest kolejno przesuwa
na po pikselach obrazu. Dla każdego położenia obejmującego grupę
pikseli w obrazie (np. 64) przypisuje się mniejszą liczbę parametrów koloru do większej liczby poziomów jasności (np. 64 poziomom jasności
przypisuje się 16 wartości koloru). W tym etapie następuje pierwsza
utrata informacji o barwach.
• W fazie drugiej wykonywana jest tzw. szybka transformacja Fouriera
(FFT - Fast Fourier Transform), w wyniku której barwy zostają przenie
sione do tzw. przestrzeni widmowej i tam posortowane jako współczyn
niki. Współczynniki o wyższych częstotliwościach (odpowiadające za
drobne szczegóły w obrazie) zostają wyzerowane na szerokości zależnej od przyjętego stopnia stratności. Jest to tzw. kwantyzacja i jedno
cześnie drugi poziom utraty informacji.
• W fazie trzeciej następuje właściwa kompresja (bezstratna) pozostałych współczynników.
W przypadku wczytywania takiego skompresowanego obrazu następuje rozkompresowanie i wykonywana jest odwrotna FFT, ale już na zmienionych wcześniej współczynnikach. Obraz uzyskuje tę samą objętość w pamięci RAM komputera, ale zawiera zubożoną informację kolorystyczną.
Jeśli skanujemy obraz do przyszłych zastosowań profesjonalnych (drukowanie w drukarni, powiększanie, korekcja kolorystyczna), to nie powinno się stosować formatu JPEG do zapisu obrazu.
Niestety, użytkownicy aparatów cyfrowych mogą nie mieć wyboru, gdyż producent aparatu często narzuca ten format zapisu obrazu. Dotyczy to szczególnie amatorskich aparatów cyfrowych. Aparaty profesjonalne mogą zapisywać także w formacie TIFF.
Fromat GIF
Format GIF funkcjonuje w oparciu o przypisaną do obrazu tabelę kolorów, których może być najwyżej 256 (głębia 8 bpp). W obrazie nie może być piksela o innej barwie niż w tej tabeli (model barw indeksowanych).
Format GIF stosuje kompresję LZW (identyczną jak w formacie TIFF). GIF ma zastosowanie głównie do zapisywania obrazów cyfrowych umieszczanych w Internecie, gdyż tworzy małe pliki (najwyżej 1/3 obrazu RGB w formacie TIFF lub mniejsze, przy efektywniejszej kompresji). Format GIF ma także właściwość, polegającą na możliwości tworzenia w nim prostych animacji (np. rejestrowanie różnych faz ruchu), które zapisuje się jako jeden plik GIF. Do tego celu idealnie nadają się aparaty cyfrowe, które mogą wykonywać sekwencyjne zdjęcia przez określony czas.
