Bitmapová vs. Vektorová grafika
Čo je to grafika – Bitmapová vs. Vektorová grafika
Pojem grafika pochádza z gréckeho grafein, čo znamená
kresliť. Môžeme povedať, že grafika má za úlohu podať informáciu v obrazovej podobe. Už Aristoteles naznačil vo svojom najznámejšom
diele Poetika, že človek má sklon k napodobňovaniu a zároveň je najdokonalejším napodobovateľom. Inú podstatu si pod týmto pojmom
predstaví maliar, inú kartograf alebo programátor. Pomocou počítačovej grafiky dokážeme vďaka neustálemu pokroku názorne a zrozumiteľne
na malej ploche vykresliť skutočnosť. Rozlišujeme dva typy zobrazovania, a to bitmapovo a vektorovo. Pri bitmapovej grafike sa obraz rozloží
na množstvo obrazových bodov (pixelov). Informácie o vlastnostiach obrazu (napr. farba) sa uložia pre každý pixel, čím sú
tieto súbory náročné na veľkosť. Zväčšovaním obrazu sa znižuje kvalita obrazu. V prípade dobre urobeného zväčšovacieho algoritmu je
možné bitmapový obrázok zväčšiť o 30 % bez výraznej straty na kvalite. Naopak, vektorová grafika nepopisuje jednotlivé body, ale
definuje určité množiny bodov s podobnými vlastnosťami pomocou matematickej aparatúry. Preto je vektorový formát omnoho úspornejší a dá
sa zväčšovať a zmenšovať bez straty kvality výsledného obrazu.
2. Digitalizácia (rasterizácia) – alias
Ak chceme previesť fotografiu alebo nejakú maľbu do digitálnej podoby, teda vytvoriť obrázok z núl a jedničiek, môžeme využiť
niekoľko spôsobov. Skenovanie alebo snímanie obrazu digitálnymi prístrojmi (kamery, fotoaparáty) je dnes bežnou praxou u mnohých ľudí.
Prevod z analógového do digitálneho signálu alebo inak prechod od spojitého k diskrétnemu obrazu sa nazýva
digitalizácia (rasterizácia). Skladá sa z dvoch častí – vzorkovania a kvantizácie. Obraz sa rozdelí na
sieť bodov (pixelov) podľa vzorkovacej frekvencie. Z každého pixelu sa vezme jediný vzor, ktorý je lokalizovný v jeho strede a následne je
mu priradená farba, ktorá závisí od farby vzoru a farebnej hĺbky. Čím menšia je vzdialenosť dvoch po sebe nasledujúcich vzorov, tým
väčšie je farebné rozlíšenie a zároveň kvalita obrazu.
Chyba, ktorá vzniká pri digitalizácii sa nazýva alias.
Príčinou vzniku takejto chyby je strata informácii pri kvantizácii, keď sa spájajú určité časti pôvodného obrazu a sú im priradené
rovnaké hodnoty. Klasickým príkladom na alias je nevhodné vzorkovanie čiernobielej šachovnice. Vzorkovacia mriežka by zasiahla len biele
políčka, následne by sa pri kvantizácii priradila biela farba každému pixelu (keďže tie čierne by si vzorkovací algortimus nevšimol) a my
by sme získali celkom biely obraz.
Známym spôsobom, ktorým sa čiastočne odstráni alias je antialiasing. Základom
tejto metódy je zvýšenie vzorkovacej frekvencie. Z každého pixelu sa nevyberie iba jediný vzor zo stredu, avšak vyberie sa viac vzorkov
a vypočíta sa ich priemer. Antialiasing je časovo náročná metóda, keďže sa vzorkuje podľa vyššej frekvncie aká je nakoniec
použitá.
3. Farebné rozlíšenie (DPI)
Skratka pochádza
z anglického Dots per inch. Rozlíšenie udáva počet bodov, ktoré tvoria obraz na vodorovnej a zvislej osi. Napríklad, ak má
obrázok rozlíšenie 640 x 480 bodov, potom je tvorený sieťou 307 200 obrazových bodov. V konečnom dôsledku určuje rozlíšenie, aký
veľký bude jeden bod obrazu, respektíve hustotu snímaných bodov na palec. Monitory používajú rozlíšenie 72 DPI, bežné tlačiarne okolo
300 DPI.
S farebným rozlíšením úzko súvisí aj farebná hĺbka, ktorá, určuje množstvo rozlíšiteľných farieb v grafike.
U bitmapovej grafiky s väčšou farebnou hĺbkou neúmerne narastá veľkosť, pretože je definovaná farba pre každý jeden bod obrazu, nie
iba pre určité plochy. Ak vyhradíme pre popis každého pixelu napr. 8 bitov (dokáže rozlíšiť 28 farieb), tak obrázok pri nezmenených
rozmeroch sa zväčší osemnásobne oproti čiernobielemu, teda 1-bitovému obrázku. Pri 8-bitovom formáte sa kvôli realistickejšiemu zobrazeniu
začala využívať aj tzv. stupnica šedi. Ide o škálu farieb, ktorá obsahuje 256 rôznych odtieňov šedi. Kombináciou
s farbami farebnej palety sa dosiahnú farebné odtiene, mäkšie prechody, čo vedie ku zvýšenie celkovej kvality a reálnosti obrazu.
4. Farebné režimy
Nedokonalosť farbocitlivých buniek v ľudskom oku umožňuje nahradiť
viditeľné svetlo zmesou troch základných farieb (červenej, zelenej a modrej - RGB). Využívajú to monitory počítačov,
taktiež ako televízory. Zložením všetkých troch farieb vznikne biela farba, ktorá je však iná ako farba svetla, pretože tá sa skladá
z celého spektra farieb.
Ďaľšou možnosťou ako zmiešať farby je CMY (alebo CMYK) režim. Tento spôsob
je výhodnejší pre tlačiarne, pretože v RGB režime nie je možné namiešať čiernu farbu. Využíva zložky, ktoré vznikli zmiešaním
dvojíc farieb v RGB modeli. Niekedy sa hovorí aj o CMYK režime, keď sa mieša aj so samostatnou čiernou farbou kvôli lepšej kvalite. CMYK
režim využíva aj 32 bitová farebná hĺbka.
5. Kompresia dát v grafike
Najväčším
problémom bitmapovej grafiky, ktorý vzniká pri ukladaní obrázkov, je vysoká pamäťová náročnosť. Ak chceme zmenšiť veľkosť obrázku,
môžeme ho komprimovať. Kompresia využíva fakt, že farba v obraze je častokrát rovnomerne rozložená, respektíve, že obraz obsahuje
množstvo podobných farebných vzorov. Rozlišujeme dva druhy kompresie – stratovú a nestratovú.
Stratová kompresia je omnoho úspornejšia, napr. vo formáte JPEG je pri 15 percentnom kompresnom pomere zmena kvality obrazu minimálna.
Nevýhodou je nevratná strata informácii, a tým aj celková zmena obrazu. Vznikajú vizuálne deformácie obrazu, tzv. artefakty,
čiže zhluky pixelov neprirodzených farieb. Tento efekt sa najlepšie prejaví na jednoduchých súvislých plochách, pretože pri zložitých
obrazcoch (napr. fotky) ho ľudské oko nevníma.
Pri nestratovej kompresii, ako už z názvu vyplýva, obrázok nestratí žiadne
informácie, ale je zakódovaný tak, aby zaberal menej miesta.
6. Grafické formáty + kompresia, ktorú
používajú
Snaha programátorov neustále zmenšovať veľkosť výsledného obrazu a rôzne nároky na obraz z hľadiska ľudí
vedú k vzniku stále nových a nových grafických formátov. Jednotlivé grafické programy a aplikácie požadujú iné formáty. V krátkosti
charakterizujem najvyužívanejšie grafické formáty.
6.1. BMP
Patrí v súčasnej dobe medzi
najpoužívanejšie formáty aj napriek tomu, že je pomerne zložitý na spracovanie a využíva neefektívnu kompresiu. Formát BMP je základným
bitmapovým formátom pre operačné systémy firiem IBM a Microsoft. Jeho kompresia je nestratová, avšak častokrát je tak neefektívna, že
namiesto úspory miesta dochádza k nárastu veľkosti dokumentu. Predchodcom formátu BMP bol formát DIP (Device Independent Bitmap).
Formát BMP umožňuje zobrazovať obraz v štyroch farebných zobrazeniach – 1, 4, 8, resp. 24 bitov na pixel.
6.2. GIF (Graphics Interchange Format)
Veľmi využívaným formátom, najmä pre webovú grafiku, ktorá
obsahuje menej farieb a jednoduchšie vzory je GIF. Dokáže definovať maximálne 256 farieb, avšak pre účely, na ktoré slúži to stačí.
GIF nevie vytvárať zložité farebné prechody, ale je možné zobraziť farbu priehľadne. Zaujímavosťou je nmožnosť vytvárania animácii,
teda postupnosti snímkov. Animovaný GIF ukladá rozdiely medzi jednotlivými obrázkami, čím sa zmenšuje veľkosť výsledného súboru.
Kompresia je nestratová, používa sa model LZW (Lempel, Ziv a Welsch) kompresie, kde sa využíva opakovanie podobných vzorov. Program si
zapisuje do slovníka postupnosti farieb, ktoré neskôr využije na definovanie obrazu.
6.3. JPEG (Joint Photographic Experts
Group)
Jedným z relatívne mladých grafických formátov je JPEG. Jeho možnosti sú pomerne vysoké, dovoľuje zobraziť
24-bitovú farebnú hĺbku a podporuje 256 odtieňov šedej. Je úspornejší ako predchádzajúce dva formáty, využíva stratovú kompresiu.
Celkový proces je pomerne zložitý a využíva matematickú aparatúru. V dôsledku tejto kompresie sa každým uložením znižuje kvalita
obrázku. Taktiež vznikajú artefakty, kvôli ktorým je tento formát nevýhodný na zobrazovanie jednoduchých málofarebných motívov.
Najlepšie využitie má formát JPEG v zobrazovaní fotiek alebo iných zložitých obrázkov.
6.4. PNG (Portable Network
Graphic)
Najmladším zo štandardných webových formátov, vyvinutý v roku 1996, je PNG. Tento formát spája výhody GIFu
a JPEGu. Dovoľuje zobraziť až 48-bitovú farebnú hĺbku, 16 bitov odtieňov šedej a 16 bitový alpha kanál, ktorý definuje priehľadnosť,
čo zabezpečuje ultrarealistické zobrazenie a plynulé prechody farieb. Využíva veľmi efektívnu nestratovú kompresiu, ktorá prekonáva LZW
kompresiu GIFu. Pre možnosť vytvárania animácii existuje samostatný formát MNG. Masívnemu rozšíreniu formátu PNG bráni zlá podpora
webových prehliadačov.
6.5. PCX
Grafickým veteránom na trhu je formát od Zsoft Corporation – PCX.
Spočiatku pracoval pod operačným systémom DOS a v starších verziach systému Microsoft Windows. Používal sa v grafických editoroch
(PC-PaintBrush), ale nechýbal ani v ďaľších grafických aplikáciach, napríklad v hrách. V súčasnosti umožňuje kódovať až 24 bitové
obrázky a požíva podobnú kompresiu ako formát BMP. Stále patrí medzi najrozšírenejšie formáty.
7,
Grafické programy
Všetky tieto grafické formáty by nemali zmysel, ak by neexistoval program, ktorý by slúžil na ich
prehliadanie. Dobrý grafický editor rozpoznáme podľa niekoľkých vlastností. V prvom rade by mal dokázať rozpoznať čo najviac grafických
súborov. Rýchle načítanie a prehliadanie obrázkov je tiež základnou podmienkou správneho prehliadaču. Výhodou je schopnosť editovať
bitmapové obrázky za pomoci základných nástrojov na jednoduché úpravy, ako napríklad otáčanie obrázku, zmena veľkosti, farebnej hĺbky
alebo používanie elementárnych kresliacich nástrojov. Grafické programy vedia archivovať a exportovať vybrané formáty. Medzi najznámejšie
editory bitmapovej grafiky patria Corel Photopaint, Adobe Photoshop, obľúbený Skicár a Logo Motion, v ktorom sa dajú jednoducho vytvárať
animácie a bannery na webové stránky.
Zones.sk – Zóny pre každého študenta