Глубина цвета в компьютерной графике. Глубина и квантование цвета. Как понимать битовую глубину

28.02.2020

Часто выражается единицей бит на пиксел (англ. bits per pixel , bpp ).

Монохромные изображения

Индексированные цвета и палитры

Изображение кодируется с помощью дискретного набора цветов, каждый из которых описан с помощью палитры независимо друг от друга.

1-битный цвет (2 1 = 2 цвета): бинарный цвет, чаще всего представляется чёрным и белым цветами (или чёрным и зелёным)
2-битный цвет (2 2 = 4 цвета): CGA , БК .
3-битный цвет (2 3 = 8 цветов): множество устаревших персональных компьютеров с TV-выходом
4-битный цвет (2 4 = 16 цветов): известен как EGA и в меньшей степени как VGA -стандарт с высоким разрешением
5-битный цвет (2 5 = 32 цвета): Original Amiga chipset
6-битный цвет (2 6 = 64 цвета): Original Amiga chipset
8-битный цвет (2 8 = 256 цветов): устаревшие Unix-рабочие станции, VGA низкого разрешения, Super VGA , AGA (стоит заметить что тот же VGA-режим, так называемый X-Mode, за счет технологии установки палитры позволял отобразить 256 цветов из цветового набора 262 144 цветов)
12-битный цвет (2 12 = 4096 цветов): некоторые Silicon Graphics и Color NeXTstation системы. Отдельного упоминания заслуживает уникальный режим HAM оригинальных персональных компьютеров Amiga . В этом видеорежиме компьютер Amiga на экране мог отобразить до 4096 цветов, при этом один пиксель изображения кодировался только шестью битами.

«Реальные» цвета (TrueColor)

С увеличением количества бит в представлении цвета, количество отображаемых цветов стало непрактично большим для цветовых палитр (20-битная глубина цвета требует больше памяти для сохранения цветовой палитры , чем памяти для сохранения самих пикселей изображения). При большой глубине цвета на практике кодируют яркости красной , зелёной и синей составляющих - такое кодирование называют RGB -моделью.

8-битный «реальный» цвет

Сильно ограниченная, однако «реальная» цветовая схема, в которой по три бита (по восемь возможных значений) для красной (R) и зелёной (G) составляющих, и два оставшихся бита на пиксель для кодирования синей (B) составляющей (четыре возможных значения), позволяют представить 256 (8×8×4) различных цвета. Нормальный человеческий глаз менее чувствителен к синей составляющей, чем к красной и зелёной, поэтому синяя составляющая представляется одним битом меньше. Такая схема использовалась в MSX2 -серии компьютеров в 1990-х годах.

Не следует путать такую схему с 8 bpp индексным цветом, который может быть представлен выбором различных цветовых палитр.

12-битный «реальный» цвет

12-битный «реальный» цвет кодируется 4 битами (по 16 возможных значений) для каждой из R, G и B-составляющих, что позволяет представить 4096 (16×16×16) различных цветов. Такая глубина цвета иногда используется в простых устройствах с цветными дисплеями (например, в мобильных телефонах).

HighColor

HighColor или HiColor разработан для представления оттенков «реальной жизни», то есть наиболее удобно воспринимаемый человеческим глазом. Такой цвет кодируется 15 или 16 битами:

15-битный цвет использует 5 бит для представления красной составляющей, 5 для зелёной и 5 для синей, то есть 2 5 = 32 возможных значения каждого цвета, которые дают 32 768 (32×32×32) возможных цвета.
16-битный цвет использует 5 бит для представления красной составляющей, 5 для синей, но 6 бит (2 6 = 64 возможных значения) для представления зелёной, так как человеческий глаз более чувствителен к зелёной составляющей. Таким образом получаются 65 536 (32×64×32) цветов. 16-битный цвет упоминается как «тысячи цветов» (thousands of colors ) в системах Macintosh .
Большинство современных ЖК -дисплеев отображают 18-битный цвет (64×64×64 = 262 144 комбинации), но благодаря дизерингу разница с TrueColor -дисплеями на глаз незначительна.

TrueColor

В реальности 32-битный цвет является 24-битным (TrueColor) с дополнительным 8-битным каналом, который либо заполнен нулями (не влияет на цвет), либо представляет собой альфа-канал , который задаёт прозрачность изображения для каждого пикселя - то есть существует 16 777 216 оттенков цветов и 256 градаций прозрачности .

Причиной, по которой используют «пустой» канал, является стремление оптимизировать работу с видеопамятью , которая у большинства современных [когда? ] компьютеров имеет 32-битную адресацию и 32-битную шину данных [ ] .

Также 32-битным является представление цвета в системе CMYK (по 8 бит отводятся на голубой, пурпурный, жёлтый и чёрный цвета) .

Deep Color (30/36/48 бит)

В конце 1990-х годов некоторые high-end графические системы, например SGI , начали использовать более 8 бит на канал - например, 12 или 16 бит . Программы профессионального редактирования изображений стали сохранять по 16 бит на канал, предоставляя «защиту» от накапливания ошибок округления , погрешностей при вычислении в условиях ограниченной разрядной сетки чисел.

Для дальнейшего расширения динамического диапазона изображений были созданы различные модели. Например High Dynamic Range Imaging (HDRI), использует числа с

Посетите практически любой форум по фотографии, и вы непременно наткнетесь на дискуссию относительно преимуществ RAW и JPEG файлов. Одна из причин, по которой некоторые фотографы предпочитают формат RAW - это бóльшая глубина бита (глубина цвета)*, содержащаяся в файле. Это позволяет вам получать фотографии большего технического качества, чем те, что вы можете получить из файла JPEG.

*Bit depth (глубина бита), или Color depth (глубина цвета, в русском языке чаще используется именно это определение) - количество бит, используемых для представления цвета при кодировании одного пикселя растровой графики или видеоизображения. Часто выражается единицей бит на пиксель (англ. bits per pixel, bpp). Wikipedia

Что такое глубина цвета?

Компьютеры (и устройства, которые управляются встроенными компьютерами, такие как цифровые SLR-камеры) используют двоичную систему исчисления. Двоичная нумерация состоит из двух цифр - 1 и 0 (в отличие от десятичной системы исчисления, включающей 10 цифр). Одна цифра в двоичной системе исчисления называется «бит» (англ. «bit», сокращенно от «binary digit», «двоичная цифра»).

Восьмибитное число в двоичной системе выглядит так: 10110001 (эквивалентно 177 в десятичной системе). Таблица ниже демонстрирует, как это работает.

Максимально возможное восьмибитное число - это 11111111 - или 255 в десятичном варианте. Это значимая цифра для фотографов, поскольку она возникает во многих программах для обработки изображений, а также в старых дисплеях.

Цифровая съемка

Каждый из миллионов пикселей на цифровой фотографии соответствует элементу (также называемому «пиксель», англ. «pixel») на сенсоре (сенсорная матрица) камеры. Эти элементы при попадании на них света генерируют слабый электрический ток, измеряемый камерой и записывающийся в JPEG или RAW файл.

Файлы JPEG

Файлы JPEG записывают информацию о цвете и яркости для каждого пикселя тремя восьмиразрядными числами, по одному числу для красного, зеленого и синего каналов (эти цветовые каналы такие же, как те, что вы видите при построении цветовой гистограммы в Photoshop или на вашей камере).

Каждый восьмибитный канал записывает цвет по шкале 0-255, предоставляя теоретический максимум в 16,777,216 оттенках (256 x 256 x 256). Человеческий глаз может различать приблизительно около 10-12 миллионов цветов, так что это число обеспечивает более чем удовлетворительное количество информации для отображения любого объекта.

Этот градиент был сохранен в 24-битном файле (по 8 бит на каждый канал), что достаточно для передачи мягкой градации цветов.

Этот градиент был сохранен как 16-битный файл. Как вы можете видеть, 16 бит недостаточно для передачи мягкого градиента.

RAW файлы

RAW файлы присваивают больше бит каждому пикселю (большинство камер имеют 12 или 14-битные процессоры). Больше бит - больше числа, а, следовательно, больше тонов на каждый канал.

Это не приравнивается к большему количеству цветов - JPEG файлы уже могут записывать больше цветов, чем может воспринять человеческий глаз. Но каждый цвет сохраняется с гораздо более тонкой градацией тонов. В таком случае говорят, что изображение имеет большую глубину цвета. Таблица ниже иллюстрирует, как глубина бита приравнивается к количеству оттенков.

Обработка внутри камеры

Когда вы настраиваете камеру на запись фотографий в режиме JPEG, внутренний процессор камеры считывает информацию, полученную от сенсора в момент, когда вы делаете снимок, обрабатывает ее в соответствии с параметрами, выставленными в меню камеры (баланс белого, контраст, насыщенность цвета и т.д.), и записывает ее как 8-битный JPEG файл. Вся дополнительная информация, полученная сенсором, отбрасывается и теряется навсегда. В итоге, вы используете лишь 8 бит из 12 или 14 возможных, которые сенсор способен зафиксировать.

Постобработка

RAW файл отличается от JPEG тем, что содержит все данные, зафиксированные сенсором камеры за период экспонирования. Когда вы обрабатываете RAW файл, используя программное обеспечение для конвертации RAW, программа осуществляет преобразования, аналогичные тем, что производит внутренний процессор камеры, когда вы снимаете в JPEG. Различие состоит в том, что вы выставляете параметры внутри используемой программы, а те, что выставлены в меню камеры, игнорируются.

Выгода от дополнительной глубины бита RAW файла становится очевидной при постобработке. JPEG файл стоит использовать, если вы не собираетесь делать какую-либо постобработку и вам достаточно выставить экспозицию и все другие настройки во время съемки.

Однако, в реальности большинство из нас хочет внести хотя бы несколько исправлений, если это даже просто яркость и контраст. И это именно тот момент, когда JPEG файлы начинают уступать. С меньшим количеством информации на пиксель, когда вы проводите корректировку яркости, контраста или цветового баланса, оттенки могут визуально разделиться.

Результат наиболее очевиден в областях плавного и продолжительного перехода оттенков, таких как на голубом небе. Вместо мягкого градиента от светлого к темному, вы увидите расслоение на цветовые полосы. Этот эффект также известен как постеризация (англ. «posterisation»). Чем больше вы корректируете, тем сильнее он проявляется на изображении.

С файлом RAW, вы можете вносить гораздо более сильные изменения в оттенок цвета, яркость и контраст до того, как вы увидите снижение качества изображения. Это также позволяют сделать некоторые функции RAW-конвертера, такие как настройка баланса белого и восстановление «пересвеченных» областей (highlight recovery).

Это фото получено из JPEG файла. Даже при таком размере видны полосы в небе как результат постобработки.

При тщательном рассмотрении на небе виден эффект постеризации. Работа с 16-битным TIFF файлом может ликвидировать, или по крайней мере минимизировать, эффект полос.

16-битные TIFFфайлы

Когда вы обрабатываете RAW файл, ваше программное обеспечение предоставляет вам опцию по сохранению его как 8 или 16-битного файла. Если вы довольны обработкой и не хотите вносить еще какие-либо изменения, вы можете сохранить его как 8-битный файл. Вы не заметите никаких различий между файлом 8 бит и 16 бит на вашем мониторе или когда вы распечатаете изображение. Исключение - тот случай, когда у вас есть принтер, распознающий 16-битные файлы. В этом случае, из файла 16 бит вы можете получить лучший результат.

Однако если вы планируете осуществлять постобработку в Photoshop, тогда рекомендуется сохранять изображение как 16-битный файл. В этом случае изображение, полученное из 12 или 14-битного сенсора, будет «растянуто», чтобы заполнить 16-битный файл. После этого вы можете поработать над ним в Photoshop, зная, что дополнительная глубина цвета поможет вам достичь максимального качества.

Опять же, когда вы завершили процесс обработки, вы можете сохранить файл как 8-битный файл. Журналы, издатели книг и стоки (и практически любой клиент, покупающий фотографии), требуют 8-битные изображения. Файлы 16 бит могут потребоваться, только если вы (или кто-то другой) намереваетесь редактировать файл.

Это изображение, которое я получил, используя настройку RAW+JPEG на камере EOS 350D. Камера сохранила две версии файла - JPEG, обработанный процессором камеры, и RAW файл, содержащий всю информацию, записанную 12-битным сенсором камеры.

Здесь вы видите сравнение правого верхнего угла обработанного JPEG файла и RAW файла. Оба файла были созданы камерой с одной и той же настройкой экспозиции, и единственное различие между ними - это глубина цвета. Я смог «вытянуть» не различимые в JPEG «пересвеченные» детали в RAW файле. Если бы я хотел поработать над этим изображением дальше в Photoshop, я мог бы сохранить его как 16-битный файл TIFF, чтобы обеспечить максимально возможное качество изображения в течение процесса обработки.

Почему фотографы используют JPEG?

То, что не все профессиональные фотографы используют формат RAW все время, еще ничего не значит. Как свадебные, так и спортивные фотографы, например, зачастую работают именно с форматом JPEG.

Для свадебных фотографов, которые могут снять тысячи снимков на свадьбе, это экономит время на последующей обработке.

Спортивные фотографы используют JPEG файлы для того, чтобы иметь возможность отсылать фотографии своим графическим редакторам в течение мероприятия. В обоих случаях скорость, эффективность и меньший размер файлов формата JPEG делает использование этого типа файлов логичным.

Глубина цвета на компьютерных экранах

Глубина бита также относится к глубине цвета, которую компьютерные мониторы способны отображать. Читателю, использующему современные дисплеи, возможно, тяжело будет в это поверить, но компьютеры, которыми я пользовался в школе, могли воспроизводить только 2 цвета - белый и черный. «Must-have» компьютер того времени - Commodore 64, способный воспроизводить аж 16 цветов. В соответствии с информацией из «Википедии», было продано более 12 единиц этого компьютера.

Компьютер Commodore 64. Автор фотографии Билл Бертрам (Bill Bertram)

Несомненно, вы не сможете редактировать фотографии на машине с 16 цветами (64 Кб оперативной памяти в любом случае больше не потянут), и изобретение 24-битных дисплеев с реалистичным цветовоспроизведением - одна из вещей, которые сделали цифровую фотографию возможной. Дисплеи с реалистичным цветовоспроизведением, как и файлы JPEG, формируются при помощи трех цветов (красного, зеленого и синего), каждый с 256 оттенками, записанными в 8-битную цифру. Большинство современных мониторов используют либо 24-битные, либо 32-битные графические устройства с реалистичным цветовоспроизведением.

Файлы HDR

Многие из вас знают, что изображения с расширенным динамическим диапазоном (HDR) создаются путем комбинирования нескольких версий одного и того же изображения, снятого с разными настройками экспозиции. Но знаете ли вы, что программное обеспечение формирует 32-битное изображение с более чем 4 миллиардами тональных значений на каждый канал на пиксель - просто скачок по сравнению с 256 оттенками в файле JPEG.

Настоящие HDR файлы не могут быть корректно отображены на компьютерном мониторе или распечатанной странице. Вместо этого они урезаются до 8 или 16-битных файлов при помощи процесса, называемого тональная компрессия (англ. «tone-mapping»), который сохраняет характеристики оригинального изображения с расширенным динамическим диапазоном, но позволяет воспроизвести его на устройствах с узким динамическим диапазоном.

Заключение

Пиксели и биты - основные элементы для построения цифрового изображения. Если вы хотите получить максимально хорошее качество снимка на вашей камере, необходимо понимать концепцию глубины цвета и причины, по которым формат RAW позволяет получить изображение лучшего качества.

Вопрос 7. Глубина цвета

Глубина цвета – это количество бит, отводимых для кодирования одного пикселя.

Если для кодирования одного пикселя взять 1 бит – то с его помощью мы можем получить только 2 цвета: черный (0) и белый (1), то есть черно-белое изображение.

2 бита – 4 цвета (00, 01, 10, 11)

8 бит – 2 8 цветов = 256 цветов и т.д.

Таким образом, число цветов можно определить по формуле:

где, N – количество цветов,

I - битовая глубина цвета.

Вывод : чем больше бит применяется для кодирования 1 пикселя, тем больше цветов и реалистичнее изображение, но и размер файла тоже увеличивается.

Таким образом, объем файла точечной графики – это произведение ширины и высоты изображения в пикселях на глубину цвета.

При этом совершенно безразлично, что изображено на фотографии. Если три параметра одинаковы, то размер файла без сжатия будет одинаков для любого изображения.

Пример расчета . Определить размер 24-битного графического файла с разрешением 800 х 600.

Решение . Из условия файл имеет параметры

А = 800 пикселей

В = 600 пикселей

Глубина цвета I = 24 бита (3 байта)

тогда формула объема файла V = A + B + I

V = 800 х 600 х 24 = 11520000 бит = 1440000байт = 1406, 25 Кбайт = 1,37 Мб

Пример 2. В процессе оптимизации количество цветов было уменьшено с 65536 до 256. Во сколько раз уменьшился объем файла.

Из формулы N = 2 I следует, что глубина цвета I 1 = log 2 65536 = 16 бит, а после оптимизации I 2 = log 2 256 = 8 бит

При этом, размеры картинки в пикселях не изменились. используя формулу для вычисления объема файла имеем: V 1 = a x b x 16 = 16 ab и

V 2 = a x b x 8 = 8 ab

Составляем пропорцию V 1: V 2 = 16 ab: 8 ab

Итак: размер графического файла зависит от размеров изображения и количества цветов.

При этом качественное изображение с 24 или 32 битным кодированием получается довольно большим (мегабайт).

Это очень неудобно для хранения и передачи изображений (особенно в сети Интернет). Поэтому графические файлы подвергаются оптимизации.

Глубина цвета – количество бит, проходящий на 1 пиксел (bpp). Наиболее популярным разрешением является 8 bpp (256 цветов), 16 bpp (65536 цветов)

С 80-х гг. развивается технология обработки на ПК графической информации. Форму представления на экране дисплея графического изображения, состоящего из отдельных точек (пикселей), называют растровой.

Минимальным объектом в растровом графическом редакторе является точка. Растровый графический редактор предназначен для создания рисунков, диаграмм.

Разрешающая способность монитора (количество точек по горизонтали и вертикали), а также число возможных цветов каждой точки определяются типом монитора.

Распространённая разрешающая способность – 800 х 600 = 480 000 точек.

1 пиксель чёрно-белого экрана кодируется 1 битом информации (чёрная точка или белая точка). Количество различных цветов К и количество битов для их кодировки связаны формулой: К = 2b.

Современные мониторы имеют следующие цветовые палитры: 16 цветов, 256 цветов; 65 536 цветов (high color), 16 777 216 цветов (true color).

В табл. 1 показана зависимость информационной ёмкости одного пикселя от цветовой палитры монитора.

Таблица 1

Количество цветов монитора	Количество бит, кодирующих одну точку



	16 (2 16 = 65 536)
	24 (2 24 =16 777 216)

Объём памяти , необходимой для хранения графического изображения, занимающего весь экран (видеопамяти), равен произведению разрешающей способности на количество бит, кодирующих одну точку . В видеопамяти ПК хранится битовая карта (двоичный код изображения), она считывается процессором не реже 50 раз в секунду и отображается на экране.

В табл. 2 приведены объёмы видеопамяти для мониторов с различными разрешающей способностью и цветовой палитрой.

Таблица 2

256 цветов	65536 цветов	167777216 цветов

Ввод и хранение в ЭВМ технических чертежей и им подобных графических изображений осуществляются по-другому. Любой чертёж состоит из отрезков, дуг, окружностей. Положение каждого отрезка на чертеже задаётся координатами двух точек, определяющих его начало и конец. Окружность задаётся координатами центра и длиной радиуса. Дуга – координатами начала и конца, центром и радиусом. Для каждой линии указывается её тип: тонкая, штрихпунктирная и т.д. Такая форма представления графической информации называется векторной. Минимальной единицей, обрабатываемой векторным графическим редактором, является объект (прямоугольник, круг, дуга). Информация о чертежах обрабатывается специальными программами. Хранение информации в векторной форме на несколько порядков сокращает необходимый объём памяти по сравнению с растровой формой представления информации.

Видеопамяти находится двоичная информация об изображении, выводимом на экран. Почти все создаваемые, обрабатываемые или просматриваемые с помощью компьютера изображения можно разделить на две большие части - растровую и векторную графику.

Растровые изображения представляют собой однослойную сетку точек, называемых пикселами (pixel, от англ. picture element). Код пиксела содержит информации о его цвете.

Для черно-белого изображения (без полутонов) пиксел может принимать только два значения: белый и черный (светится - не светится), а для его кодирования достаточно одного бита памяти: 1 -- белый, 0 -- черный.

Пиксел на цветном дисплее может иметь различную окраску, поэтому одного бита на пиксел недостаточно. Для кодирования 4-цветного изображения требуются два бита на пиксел, поскольку два бита могут принимать 4 различных состояния. Может использоваться, например, такой вариант кодировки цветов: 00 -- черный, 10 -- зеленый, 01 -- красный, 11 -- коричневый.

На RGB-мониторах все разнообразие цветов получается сочетанием базовых цветов -- красного (Red), зеленого (Green), синего (Blue), из которых можно получить 8 основных комбинаций:

			цвет


			коричневый

Разумеется, если иметь возможность управлять интенсивностью (яркостью) свечения базовых цветов, то количество различных вариантов их сочетаний, порождающих разнообразные оттенки, увеличивается. Количество различных цветов -- К и количество битов для их кодировки -- N связаны между собой простой формулой: 2 N = К.

В противоположность растровой графике векторное изображение многослойно. Каждый элемент векторного изображения - линия, прямоугольник, окружность или фрагмент текста -- располагается в своем собственном слое, пикселы которого устанавливаются независимо от других слоев. Каждый элемент векторного изображения является объектом, который описывается с помощью специального языка (математических уравнения линий, дуг, окружностей и т. д.). Сложные объекты (ломаные линии, различные геометрические фигуры) представляются в виде совокупности элементарных графических объектов.

Задачи

Контрольные вопросы

1. Сколько двоичных разрядов необходимо для кодирования 1 символа?

2. Средняя скорость чтения ученика составляет 160 символов в минуту. Сколько информации он переработает за 7 часов непрерывного чтения текста?

3. В чём суть растровой формы представления графической информации?

4. Сколько бит информации необходимо для кодирования 1 точки чёрно-белого экрана монитора?

5. По какой формуле определяется объём видеопамяти дисплея?

6. В чём суть векторной формы представления графической информации?

Задача 1. Определить размер 24-битного графического файла с разрешением 1024 х 600.

Задача 2. В процессе оптимизации количество цветов было уменьшено с 65536 до 2. Во сколько раз уменьшился объем файла.

Задача 3. Дан двоичный код рисунка. Известно, что рисунок монохромный и матрица имеет размер 8X8. Восстановите рисунок по коду:

а) 00111100 01000010 00000010 01111110 10000010 10000010 10000110 01111011

б) 10111110 11000001 10000001 00111110 00000001 00000001 10000001 01111110

в) 00111111 01000010 01000010 01000010 00111110 00100010 01000010 11000111

Задача 4 . Изображение на экране дисплея строится из отдельных точек (пикселей). Пусть установлено разрешение экрана 1200x1024. Сколько байт займет образ экрана в памяти компьютера, если сохранить его (поточечно, в формате bit map -* bmp) как:

а) монохромное изображение;

б) 256-цветный рисунок;

в) 24-разрядный рисунок.

Задача 5. Для кодирования оттенка цвета одной точки (пикселя) цветного изображения в соответствии с RGB моделью цветообразования используется 1 байт (8 бит): 3 бита для кодирования уровня яркости красного (Red) цвета, 2 бита для кодирования уровня яркости зеленого (Green) цвета и 3 бита на синий (Blue) цвет. Определите:

а) сколько уровней яркости каждого цвета может быть закодировано таким образом;

б) сколько всего цветовых оттенков изображения можно передать.

Решите ту же задачу, но при условии использования режима True Color, когда для передачи цвета одного пикселя используется 3 байта - по одному на каждый цвет.

Тест

1. Учебная программа занимает 19 Кбайт памяти ПК. Инструкция к программе занимает 1 кадр дисплея (25 строк по 80 символов). Какую часть программы занимает инструкция?

а) 2000 байт;

в) 1/10 часть;

2. Экран компьютера может работать в различных режимах, которые отличаются разрешающей способностью и количеством возможных цветов каждой точки.

Заполните таблицу:

3. Что является минимальным объектом, используемым в растровом графическом редакторе?

а) Точка экрана (пиксель);

б) объект (прямоугольник, круг и т.д.);

в) палитра цветов;

г) знакоместо (символ).

4. Для чего предназначен векторный графический редактор?

а) Для создания чертежей;

б) для построения графиков:

в) для построения диаграмм;

г) для создания и редактирования рисунков.

6. Какого количества информации требует двоичное кодирование 1 точки на черно-белом экране (без градации яркости)?

г) 16 байт.

7. Растровый графический файл содержит черно-белое изображение с 16 градациями серого цвета размером 10х10 точек. Каков информационный объём этого файла?

б) 400 байт;

г) 100 байт.

Правильные ответы к тесту 2.2: 1-г, 3-а, 4-а, 5-б, 6-а, 7-в.

Код - это набор условных обозначений (или сигналов) для записи (или передачи) некоторых заранее определенных понятий.

Кодирование информации – это процесс формирования определенного представления информации. В более узком смысле под термином «кодирование» часто понимают переход от одной формы представления информации к другой, более удобной для хранения, передачи или обработки.

Обычно каждый образ при кодировании (иногда говорят - шифровке) представлении отдельным знаком.

Знак - это элемент конечного множества отличных друг от друга элементов.

В более узком смысле под термином "кодирование" часто понимают переход от одной формы представления информации к другой, более удобной для хранения, передачи или обработки.

Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация (например, звуки, изображения, показания приборов и т. д.) для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму. Например, чтобы перевести в числовую форму музыкальный звук, можно через небольшие промежутки времени измерять интенсивность звука на определенных частотах, представляя результаты каждого измерения в числовой форме. С помощью программ для компьютера можно выполнить преобразования полученной информации, например "наложить" друг на друга звуки от разных источников.

Аналогичным образом на компьютере можно обрабатывать текстовую информацию. При вводе в компьютер каждая буква кодируется определенным числом, а при выводе на внешние устройства (экран или печать) для восприятия человеком по этим числам строятся изображения букв. Соответствие между набором букв и числами называется кодировкой символов.

Как правило, все числа в компьютере представляются с помощью нулей и единиц (а не десяти цифр, как это привычно для людей). Иными словами, компьютеры обычно работают в двоичной системе счисления, поскольку при этом устройства для их обработки получаются значительно более простыми. Ввод чисел в компьютер и вывод их для чтения человеком может осуществляться в привычной десятичной форме, а все необходимые преобразования выполняют программы, работающие на компьютере.

Способы кодирования информации.

Одна и та же информация может быть представлена (закодирована) в нескольких формах. C появлением компьютеров возникла необходимость кодирования всех видов информации, с которыми имеет дело и отдельный человек, и человечество в целом. Но решать задачу кодирования информации человечество начало задолго до появления компьютеров. Грандиозные достижения человечества - письменность и арифметика - есть не что иное, как система кодирования речи и числовой информации. Информация никогда не появляется в чистом виде, она всегда как-то представлена, как-то закодирована.

Двоичное кодирование – один из распространенных способов представления информации. В вычислительных машинах, в роботах и станках с числовым программным управлением, как правило, вся информация, с которой имеет дело устройство, кодируется в виде слов двоичного алфавита.

Кодирование символьной (текстовой) информации.

Основная операция, производимая над отдельными символами текста - сравнение символов.

При сравнении символов наиболее важными аспектами являются уникальность кода для каждого символа и длина этого кода, а сам выбор принципа кодирования практически не имеет значения.

Для кодирования текстов используются различные таблицы перекодировки. Важно, чтобы при кодировании и декодировании одного и того же текста использовалась одна и та же таблица.

Таблица перекодировки - таблица, содержащая упорядоченный некоторым образом перечень кодируемых символов, в соответствии с которой происходит преобразование символа в его двоичный код и обратно.

Наиболее популярные таблицы перекодировки: ДКОИ-8, ASCII, CP1251, Unicode.

Исторически сложилось, что в качестве длины кода для кодирования символов было выбрано 8 бит или 1 байт. Поэтому чаще всего одному символу текста, хранимому в компьютере, соответствует один байт памяти.

Различных комбинаций из 0 и 1 при длине кода 8 бит может быть 28 = 256, поэтому с помощью одной таблицы перекодировки можно закодировать не более 256 символов. При длине кода в 2 байта (16 бит) можно закодировать 65536 символов.

Кодирование числовой информации.

Сходство в кодировании числовой и текстовой информации состоит в следующем: чтобы можно было сравнивать данные этого типа, у разных чисел (как и у разных символов) должен быть различный код. Основное отличие числовых данных от символьных заключается в том, что над числами кроме операции сравнения производятся разнообразные математические операции: сложение, умножение, извлечение корня, вычисление логарифма и пр. Правила выполнения этих операций в математике подробно разработаны для чисел, представленных в позиционной системе счисления.

Основной системой счисления для представления чисел в компьютере является двоичная позиционная система счисления.

Кодирование текстовой информации

В настоящее время, большая часть пользователей, при помощи компьютера обрабатывает текстовую информацию, которая состоит из символов: букв, цифр, знаков препинания и др. Подсчитаем, сколько всего символов и какое количество бит нам нужно.

10 цифр, 12 знаков препинания, 15 знаков арифметических действий, буквы русского и латинского алфавита, ВСЕГО: 155 символов, что соответствует 8 бит информации.

Единицы измерения информации.

1 байт = 8 бит

1 Кбайт = 1024 байтам

1 Мбайт = 1024 Кбайтам

1 Гбайт = 1024 Мбайтам

1 Тбайт = 1024 Гбайтам

Суть кодирования заключается в том, что каждому символу ставят в соответствие двоичный код от 00000000 до 11111111 или соответствующий ему десятичный код от 0 до 255.

Необходимо помнить, что в настоящее время для кодировки русских букв используют пять различных кодовых таблиц (КОИ - 8, СР1251, СР866, Мас, ISO), причем тексты, закодированные при помощи одной таблицы не будут правильно отображаться в другой

Основным отображением кодирования символов является код ASCII - American Standard Code for Information Interchange- американский стандартный код обмена информацией, который представляет из себя таблицу 16 на 16, где символы закодированы в шестнадцатеричной системе счисления.

Кодирование графической информации.

Важным этапом кодирования графического изображения является разбиение его на дискретные элементы (дискретизация).

Основными способами представления графики для ее хранения и обработки с помощью компьютера являются растровые и векторные изображения

Векторное изображение представляет собой графический объект, состоящий из элементарных геометрических фигур (чаще всего отрезков и дуг). Положение этих элементарных отрезков определяется координатами точек и величиной радиуса. Для каждой линии указывается двоичные коды типа линии (сплошная, пунктирная, штрихпунктирная), толщины и цвета.

Растровое изображение представляет собой совокупность точек (пикселей), полученных в результате дискретизации изображения в соответствии с матричным принципом.

Матричный принцип кодирования графических изображений заключается в том, что изображение разбивается на заданное количество строк и столбцов. Затем каждый элемент полученной сетки кодируется по выбранному правилу.

Pixel (picture element - элемент рисунка) - минимальная единица изображения, цвет и яркость которой можно задать независимо от остального изображения.

В соответствии с матричным принципом строятся изображения, выводимые на принтер, отображаемые на экране дисплея, получаемые с помощью сканера.

Качество изображения будет тем выше, чем "плотнее" расположены пиксели, то есть чем больше разрешающая способность устройства, и чем точнее закодирован цвет каждого из них.

Для черно-белого изображения код цвета каждого пикселя задается одним битом.

Если рисунок цветной, то для каждой точки задается двоичный код ее цвета.

Поскольку и цвета кодируются в двоичном коде, то если, например, вы хотите использовать 16-цветный рисунок, то для кодирования каждого пикселя вам потребуется 4 бита (16=24), а если есть возможность использовать 16 бит (2 байта) для кодирования цвета одного пикселя, то вы можете передать тогда 216 = 65536 различных цветов. Использование трех байтов (24 битов) для кодирования цвета одной точки позволяет отразить 16777216 (или около 17 миллионов) различных оттенков цвета - так называемый режим “истинного цвета” (True Color). Заметим, что это используемые в настоящее время, но далеко не предельные возможности современных компьютеров.

Кодирование звуковой информации.

Из курса физики вам известно, что звук - это колебания воздуха. По своей природе звук является непрерывным сигналом. Если преобразовать звук в электрический сигнал (например, с помощью микрофона), мы увидим плавно изменяющееся с течением времени напряжение.

Для компьютерной обработки аналоговый сигнал нужно каким-то образом преобразовать в последовательность двоичных чисел, а для этого его необходимо дискретизировать и оцифровать.

Можно поступить следующим образом: измерять амплитуду сигнала через равные промежутки времени и записывать полученные числовые значения в память компьютера.

«Разрядность» является одним из параметров, за которым все гонятся, но немногие фотографы действительно его понимают. Photoshop предлагает 8, 16 и 32-битные форматы файлов. Иногда мы видим файлы, отмеченные как 24 и 48-бит. И наши камеры часто предлагают 12 и 14-битные файлы, хотя вы можете получить 16 бит с камерой среднего формата. Что всё это значит, и что действительно имеет значение?

Что такое битовая глубина?

Перед тем, как сравнивать различные варианты, давайте сначала обсудим, что означает название. Бит является компьютерной единицей измерения, относящейся к хранению информации в виде 1 или 0. Один бит может иметь только одно из двух значений: 1 или 0, да или нет. Если бы это был пиксель, он был бы абсолютно черного или абсолютно белого цвета. Не очень полезно.

Для того, чтобы описать более сложный цвет, мы можем объединить несколько бит. Каждый раз, когда мы добавляем биты, количество потенциальных комбинаций удваивается. Один бит имеет 2 возможных значения 0 или 1. При объединении 2 бит вы можете иметь четыре возможных значения (00, 01, 10 и 11). Когда вы объединяете 3 бита, вы можете иметь восемь возможных значений (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111). И так далее. В общем, число возможных вариантов будет являться числу два, возведённому в степени количества бит. Таким образом, «8-бит» = 2 8 = 256 возможных целочисленных значений. В Photoshop это представлено в виде целых чисел 0-255 (внутренне, это двоичный код 00000000-11111111 для компьютера).

Так «битовая глубина» определяет малейшие изменения, которые вы можете сделать, относительно некоторого диапазона значений. Если наша шкала яркости от чистого черного до чистого белого имеет 4 значения, которые мы получаем от 2-битного цвета, то мы получим возможность использовать черный, темно-серый, светло серый и белый. Это довольно мало для фотографии. Но если у нас есть достаточное количество бит, мы имеем достаточно шагов с широким диапазоном серого, чтобы создать то, что мы будем видеть как совершенно гладкий градиент от черного к белому.

Ниже приведен пример сравнения черно-белого градиента на разной битовой глубине. Данное изображение – это просто пример. Нажмите на него, чтобы увидеть изображение в полном разрешении в формате JPEG2000 с разрядностью до 14 бит. В зависимости от качества вашего монитора, вы, вероятно, сможете увидеть только разницу до 8 или 10 бит.

Как понимать битовую глубину?

Было бы удобно, если бы все «битовые глубины» можно было сравнить непосредственно, но есть некоторые различия в терминологии, которые нужно понимать.

Обратите внимание, что изображение выше черно-белое. Цветное изображение, как правило, состоит из красных, зеленых и синих пикселей для создания цвета. Каждый из этих цветов обрабатывается компьютером и монитором как «канал». Программное обеспечение, например, Photoshop и Lightroom, считают количество бит на канал. Таким образом, 8 бит означает 8 бит на канал. Это означает, что 8-битный RGB-снимок в Photoshop будет иметь в общей сложности 24 бита на пиксель (8 для красного, 8 для зеленого и 8 для синего). 16-битное RGB-изображение или LAB в Photoshop будет иметь 48 бит на пиксель и т.д.

Вы бы могли предположить, что 16-бит означает 16-бит на канал в Photoshop, но в данном случае это работает иначе. Photoshop реально используется 16 бит на канал. Тем не менее, он относится к 16-разрядным снимкам по-другому. Он просто добавляет один бит к 15-битам. Это иногда называют 15+1 бит. Это означает, что вместо 2 16 возможных значений (что равнялось бы 65536 возможным значениям) существует только 2 15+1 возможных значений, что составляет 32768+1=32769.

Таким образом, с точки зрения качества, было бы справедливо сказать, что 16-битный режим Adobe, на самом деле содержит только 15-бит. Вы не верите? Посмотрите на 16-разрядную шкалу для панели Info в Photoshop, которая показывает масштаб 0-32768 (что означает 32769 значения учитывая ноль. Почему Adobe так делает? Согласно заявлению разработчика Adobe Криса Кокса, это позволяет Photoshop работать гораздо быстрее и обеспечивает точную среднюю точку для диапазона, который является полезным для режимов смешивания.

Большинство камер позволит вам сохранять файлы в 8-бит (JPG) или от 12 до 16 бит (RAW). Так почему же Photoshop не открывает 12 или 14-битный RAW файл, как 12 или 14 бит? С одной стороны, это потребовало бы очень много ресурсов для работы Photoshop и изменение форматов файлов для поддержки других битовых глубин. И открытие 12-битных файлов в качестве 16-бит на самом деле не отличается от открытия 8-битного JPG, а затем преобразования в 16 бит. Там нет непосредственной визуальной разницы. Но самое главное, есть огромные преимущества использования формата файлов с несколькими дополнительными битами (как мы обсудим позже).

Для дисплеев, терминология меняется. Производители хотят, чтобы характеристики их оборудования звучали соблазнительно. Поэтому режимы отображения 8-бит обычно подписывают как «24-бит» (потому что у вас есть 3 канала с 8-бит каждый). Другими словами, «24-бит» («True Color») для монитора не очень впечатляет, это на самом деле означает то же самое, что 8 бит для Photoshop. Лучшим вариантом было бы «30-48 бит» (так называемый «Deep Color»), что составляет 10-16 бит на канал, хотя для многих более 10 бит на канал является излишеством.

Сколько бит вы можете увидеть?

С чистым градиентом (т.е. наихудшими условиями), многие могут обнаружить полосатость в 9-битном градиенте, который содержит 2048 оттенков серого на хорошем дисплее с поддержкой более глубокого отображения цвета. 9-битный градиент является чрезвычайно слабым, едва уловимым. Если бы вы не знали о его существовании, вы бы его не увидели. И даже когда вы будете на него смотреть, будет не просто сказать где границы каждого цвета. 8-битный градиент относительно легко увидеть, если смотреть на него пристально, хотя вы всё ещё сможете его не замечать, если не присматриваться. Таким образом, можно сказать, что 10-битный градиент визуально идентичен 14-битному или более глубокому.

Обратите внимание, что если вы хотите создать свой собственный файл в Photoshop, инструмент градиента будет создавать 8-битные градиенты в 8-битном режиме документа, но даже если вы преобразуете документ в 16-битный режим, вы по-прежнему будете иметь 8-битный градиент. Однако, вы можете создать новый градиент в 16-битном режиме. Однако, он будет создаваться в 12-бит. Программа не имеет 16-битного варианта для инструмента градиента в Photoshop, но 12-бит более чем достаточно для любой практической работы, так как он позволяет использовать 4096 значений.

Не забудьте включить сглаживание в панели градиента, так как это лучше всего подходит для тестирования.

Важно также отметить, что вы, вероятно, столкнутся с ложной «полосатостью» при просмотре изображений на увеличении менее чем 67%.

Зачем использовать больше бит, чем вы можете увидеть?

Почему у нас есть варианты, даже больше, чем 10-бит в наших камерах и Photoshop? Если мы не редактировали фотографии, то не было бы никакой необходимости добавлять больше бит, чем человеческий глаз может видеть. Однако, когда мы начинаем редактирование фотографий, ранее скрытые различия могут легко вылизать наружу.

Если мы значительно осветлим тени или затемним блики, то мы увеличим некоторую часть динамического диапазона. И тогда любые недочёты станут более очевидны. Другими словами, увеличение контраста в изображении работает как уменьшение битовой глубины. Если мы будем достаточно сильно выкручивать параметры, на некоторых участках снимка может появиться полосатость. Она будет показывать переходы между цветами. Такие моменты обычно становятся заметны на чистом голубом небе или в тенях.

Почему 8-битные изображения выглядят так же, как 16-битные?

При преобразовании 16-битного изображения в 8-битное вы не увидите разницы. Если так, тогда зачем использовать 16-бит?

Всё дело в плавности редактирования. При работе с кривыми или другими инструментами вы получите больше шагов коррекции тонов и цветов. Переходы будут плавней в 16 бит. Поэтому, даже если разница не может быть изначально заметна, переход к меньшей битовой глубине цвета может стать серьезной проблемой позже, при редактировании изображения.

Так сколько бит действительно нужно в камере?

Изменение 4 стопов в обеспечит потерю чуть более 4 бит. Изменение 3 стопов экспозиции находится ближе к потере 2 бит. Как часто вам приходится настолько сильно корректировать экспозицию? При работе с RAW коррекция до +/- 4 стопа – это экстремальная и редкая ситуация, но такое случается, поэтому желательно иметь дополнительные 4-5 бит над пределами видимого диапазонов, чтобы иметь запас. При нормальном диапазоне 9-10 бит, с запасом нормой может быть примерно 14-15 бит.

На самом деле, вы, вероятно, никогда не будете нуждаться в таком большом количестве данных по нескольким причинам:

Есть не так много ситуаций, когда вы встретите идеальный градиент. Ясное голубое небо, вероятно, наиболее частый пример. Все остальные ситуации имеют большое количество деталей и переходы цветов не плавные, поэтому вы не увидите разницу при использовании различной битовой глубины.
Точность вашей камеры не так высока, чтобы обеспечить точность цветопередачи. Другими словами, в изображении есть шум. Из-за этого шума обычно намного сложнее увидеть переходы между цветами. Получается, что реальные изображения обычно не способны отобразить переходы цвета в градиентах, так как камера не способны запечатлеть идеальный градиент, который можно создать программно.
Вы можете удалить переходы цветов во время пост-обработки при помощи использования размытия по Гауссу и добавления шума.
Большой запас бит нужен только для экстремальных тональных поправок.

Принимая все это во внимание, 12-бит звучит как очень разумный уровень детализации, который позволил бы выполнять отличную постобработку. Тем не менее, камера и человеческий глаз по-разному реагирует на свет. Человеческий глаз более чувствителен к тени.

Интересный факт заключается в том, что многое зависит от программы, которую вы используете для постобработки. К примеру, при вытягивании теней из одного и того же изображения в Capture One (CO) и в Lightroom можно получить разные результаты. На практике оказалось, что СО больше портит глубокие тени, чем аналог от Adobe. Таким образом, если вы вытягиваете в LR, то можно рассчитывать на 5 стопов, а в CO – всего на 4.

Но всё таки, лучше избегать попыток вытянуть более 3 стопов динамического диапазона из-за шума и изменения цветового оттенка. 12-бит, безусловно, разумный выбор. Если вы заботитесь о качестве, а не размере файла, то снимайте в 14-битном режиме, если ваша камера позволяет.

Сколько бит стоит использовать в Photoshop?

На основании изложенного выше, должно быть ясно, что 8-бит – это мало. Можно сразу увидеть переходы цветов в плавных градиентах. И если вы не видите это сразу, даже скромные корректировки могут сделать этот эффект заметным.

Стоит работать в 16 бит даже если ваш исходный файл 8-битовый, например, изображения в JPG. Режим 16-бит даст лучшие результаты, поскольку он позволит свести к минимуму переходы при редактировании.

Нет никакого смысла использовать 32-битный режим, если вы не обрабатываете файл HDR.

Сколько бит нужно для интернета?

Преимущества 16 бит заключаются в расширении возможностей редактирования. Преобразование окончательного отредактированного изображения в 8 бит прекрасно подходит для просмотра снимков и имеет преимущество в создании небольших файлов для интернета для более быстрой загрузки. Убедитесь, что сглаживание в Photoshop включено. Если вы используете Lightroom для экспорта в JPG, сглаживание используется автоматически. Это помогает добавить немного шума, который должен свести к минимуму риск появления заметных переходов цвета в 8 бит.

Сколько бит нужно для печати?

Если вы печатаете дома, вы можете просто создать копию рабочего 16-битного файла и обработать его для печати, осуществив печать именно рабочего файла. Но что, если вы отправляете свои изображения через интернет в лабораторию? Многие будут использовать 16-разрядные TIF-файлы, и это отличный способ. Однако, если для печати требуют JPG или вы хотите отправить файл меньшего размера, вы можете столкнуться с вопросами о переходе на 8-бит.

Если ваша лаборатория печати принимает 16-битный формат (TIFF, PSD, JPEG2000), просто спросите у специалистов какие файлы предпочтительны.

Если вам нужно отправить JPG, он будет в 8 бит, но это не должно быть проблемой. В действительности, 8-бит отлично подходит для окончательного вывода на печать. Просто экспортируйте файлы из Lightroom с качеством 90% и цветовым пространством Adobe RGB. Делайте всю обработку перед преобразованием файла в 8 бит и никаких проблем не будет.

Если вы не видите полосатость перехода цветов на мониторе после преобразования в 8-бит, можете быть уверены, что всё в порядке для печати.

В чем разница между битовой глубиной и цветовым пространством?

Битовая глубина определяет число возможных значений. Цветовое пространство определяет максимальные значения или диапазон (обычно известные как «гамма»). Если вам нужно использовать коробку цветных карандашей в качестве примера, большая битовая глубина будет выражаться в большем количестве оттенков, а больший диапазон будет выражаться как более насыщенные цвета независимо от количества карандашей.

Чтобы посмотреть на разницу, рассмотрим следующий упрощенный визуальный пример:

Как вы можете видеть, увеличивая битовую глубину мы снижаем риск появления полос перехода цвета. Расширяя цветовое пространство (шире гамма) мы сможем использовать более экстремальные цвета.

Как цветовое пространство влияет на битовую глубину?

SRGB (слева) и Adobe RGB (справа)

Цветовое пространство (диапазон, в котором применяются биты), поэтому очень большая гамма теоретически может вызвать полосатость, связанную с переходами цвета, если она растягивается слишком сильно. Помните, что биты определяют количество переходов по отношению к диапазону цвета. Таким образом, риск получить визуально заметные переходы увеличивается с расширением гаммы.

Взгляд в будущее

В данный момент выбор большей битовой глубины для вас может не иметь значения, так как ваш монитор и принтер способны работать только в 8 бит, но в будущем всё может измениться. Ваш новый монитор сможет отображать больше цветов, а печать можно осуществить на профессиональном оборудовании. Сохраняйте свои рабочие файлы в 16-бит. Этого будет достаточно, чтобы сохранить наилучшее качество на будущее. Этого будет достаточно, чтобы удовлетворить требованиям всех мониторов и принтеров, которые будут появляться в обозримом будущем. Этого диапазона цвета достаточно, чтобы выйти за пределы диапазона зрения человека.

Однако гамма – это другое. Скорее всего, у вас есть монитор с цветовой гаммой sRGB. Если он поддерживает более широкий спектр Adobe RGB или гамму P3, то вам лучше работать с этими гаммами. Adobe RGB имеет расширенный диапазон цвета в синем, голубом и зелёном, а P3 предлагает более широкие цвета в красном, желтом и зеленом. Помимо P3 мониторов существуют коммерческие принтеры, которые превышают гамму AdobeRGB. sRGB и AdobeRGB уже не в состоянии охватить полный диапазон цветов, которые могут быть воссозданы на мониторе или принтере. По этой причине, стоит использовать более широкий диапазон цвета, если вы рассчитываете на печать или просмотр снимков на лучших принтерах и мониторах позже. Для этого подойдёт гамма ProPhoto RGB. И, как обсуждалось выше, более широкая гамма нуждается в большей битовой глубине 16-бит.

Как удалить полосатость

Но если вы столкнетесь с полосатостью (скорее всего при переходе в 8-разрядное изображение, вы можете предпринять следующие шаги, чтобы свести эту проблему к минимуму:

Преобразуйте слой в смарт-объект.
Добавьте размытие по Гауссу. Радиус установите таким, чтобы скрыть полосатость. Радиус, равный ширине полосатости в пикселях идеален.
Используйте маску, чтобы применить размытие только там, где это необходимо.
И, наконец, добавьте немного шума. Зернистость устраняет вид гладкого размытия и делает снимок более целостным. Если вы используете Photoshop CC, используйте фильтр Camera RAW, чтобы добавить шум.