Пикселы и глубина цвета

Рассмотрим, как можно записать (закодировать) графическую информацию. Как известно, все документы (графика, тексты, программы и т. п.) хранятся в компьютере в виде файлов — организованных записей. Изображения хранятся в файлах специальных графических форматов, которых сейчас насчитывается более десятка. Однако здесь мы не будем их рассматривать. Вместо этого мы создадим собственный графический формат (не для действительного хранения изображений на жестком диске компьютера, а исключительно как наглядное пособие, дающее ключ к пониманию устройства настоящих графических файлов). Назовем такой идеальный файл протофайлом.

Представим себе некоторое изображение и нанесем на него прямоугольную сетку с квадратными ячейками. Ячейки сетки могут быть маленькими или большими, сейчас это не важно. Каждой ячейке сетки соответствует элемент изображения, который в ней находится. Этот квадратный элемент называется графическим элементом (picture element) или, сокращенно, пикселом (pixel). Мы создали основу для разложения изображения на множество элементов — пикселов. Теперь нам надо определить способ описания одного пиксела, чтобы затем описать все изображение как совокупность описаний отдельных пикселов.
В каждой клетке сетки, нанесенной на изображение, может находиться какая-то часть нашего изображения. Клетка может быть заполнена полностью, либо частично. Заполнение может быть однородным, либо неоднородным по цвету. Требуется решить, что же содержит клетка. Уже сейчас сами собой напрашиваются правила определения этого решения. Например, мы можем считать, что клетка целиком заполнена красным цветом, если преимущественный цвет ее окраски является красным. Однако на данном этапе рассмотрения это не столь важно. Будем считать, что эти правила как-то определены. В результате их применения мы преобразуем исходное изображение в некоторое другое. На рисунке показаны простые черные кривые на белом фоне. Здесь нет ни вариаций цвета, ни даже градаций серого. Представьте, что получится, если, например, заменить все клетки, зак-эашенные черным менее чем наполовину, белыми клетками, а более чем «половину — черными. Ясно, что это будет другая картинка. Мы не думаем сейчас о том, будет ли она лучше или хуже. Важно лишь то, что картинка как-то изменится. Именно это новое изображение будет тем, которое мы и сохраним в нашем протофайле.

Рис. 13. Сетка на изображении. Каждая клетка соответствует пикселу. Требуется решить, какой цвет содержит каждый пиксел
Итак, основа протофайла создана. Это — описание цветов всех пикселов (клеток) сетки, нанесенной на исходное изображение. Как описать цвет пиксела, вы уже знаете из предыдущей главы. Описание цвета пиксела является, по существу, кодом цвета в соответствии с той или иной цветовой моделью. Например, в модели RGB каждый пиксел описывается тройкой чисел, соответствующих яркостям базовых составляющих. В модели CMYK пиксел описывается четверкой чисел. В моделях Lab и HSB пиксел описывается тройкой чисел, соответствующих значениям параметров этих моделей. Указание на цветовую модель нужно также включить в протофайл. Кроме того, в протофайл необходимо записать, сколько пикселов по ширине и высоте имеет наше изображение. Сведения о цветовой модели, габаритах изображения и, может быть, еще о чем-то (например, об авторе картинки) включаются в специальный раздел файла, обычно называемый заголовком. После заголовка в файле записываются друг за другом коды цветов (или параметров цветовой модели) отдельных пикселов, слева направо и сверху вниз. Наш идеальный графический файл готов! Напомним, что рассмотренная структура файла не используется на практике в точности. Однако файлы реального формата BMP имеют очень похожую структуру. Это не случайное совпадение и даже не упрошенное описание одного из существующих форматов. Дело в том, что простая, почти самоочевидная, идея описания графики, изложенная выше, нашла свое воплощение в одном из реально существующих (и, кстати, самых древних) форматов графических файлов. Простые идеи реализуются раньше других.

Как было отмечено выше, цвет пиксела описывается несколькими числами. Эти числа еще называют каналами. В случае моделей RGB, CMYK и Lab эти каналы называют также цветовыми каналами. Числа можно представлять в различных системах счисления. В обычной практике мы используем десятичную систему, в которой для записи чисел применяются 10 цифр (0, 1, 2,..., 9). В программировании часто используется шестнадцатеричная система счисления 0, 1, 2,..., 9, А, В, С, D, Е, F). Работа компьютеров основана на двоичной системе с двумя цифрами — 0 и 1. Двоичную цифру называют битом. Бит может принимать только одно из двух возможных значений. Количество бит, отводимое на каждый пиксел для представления цветовой информации, называют цветовой глубиной (color depth) или битовой глубиной цвета (bit depth).

Цветовая глубина определяет, как много цветов может быть представлено пикселом. Например, если цветовая глубина равна 1 бит, то пиксел может представлять только один из двух возможных цветов — белый или черный. Если цветовая глубина равна 8 бит, то количество возможных цветов равно 2⁸ = 256. При глубине цвета 24 бит количество цветов превышает 16 млн. Иногда под цветовой глубиной понимают максимальное количество цветов, которые можно представить. Очевидно: чем больше цветовая глубина, тем больше объем файла, содержащего описание изображения.

Изображения в системах RGB, CMYK, Lab и оттенках серого (gray scale) обычно содержат 8 бит на один цветовой канал. Поскольку в RGB и Lab три цветовых канала, глубина цвета в этих режимах равна 8x3 = 24. В CMYK четыре канала и поэтому цветовая глубина равна 8x4 = 32. В полутоновых изображениях только один канал, следовательно, его цветовая глубина равна 8. Однако Photoshop может воспринимать RGB, CMYK, Lab и изображения в оттенках серого, содержащие 16 бит на канал.