Кольорові зображення складають найпривабливішу частину мультимедійних видань. До своєї появи на екрані, а потім на папері, колір проходить певний ланцюжок цифрового кодування та обробки. Як і будь-яка інша, колірна інформація подається у цифровому вигляді, причому її відтворення на екрані і папері повинно відповідати оригіналу. Згадаємо, як різняться між собою зображення одних і тих же краєвидів на різних поштових листівках. Пристрої, стосовні колірної інформації, повинні бути відкалібровані, тобто налагоджені так, щоб відтворення на кожному з них кольору заданого номеру було б однаковим. Це не так просто, якщо зважити на принципово різне сприйняття кольору в натурі, на екрані та на папері, а також цілковиту суб'єктивність колірного сприйняття - знамените "на вкус и цвет товарища нет". Це ще одна причина, яка робить необхідним цифрове кодування кольорів. Малюнок показує відносність сприйняття оком навіть світла й тіні, не кажучи вже про кольори. Однаково зафарбовані квадрати, розміщені на темному фоні, здаються світлішими, ніж на світлому.

Основу кольорового кінескопу складає електронно-променева трубка, обладнана трьома електронними гарматами, кожна з яких випускає вузький промінь одного з трьох кольорів: червоного, зеленого, синього. На шляху променів до поверхні екрану знаходяться тіньові маски, завдання яких полягає в виділенні достатньо вузького променю.

Поверхня екрану покрита спеціальним шаром - люмінофором, свічення якого викликається в результаті попадання одного променя з трійки. Кожен люмінофор випромінює світло на своїй довжині хвилі, яскравість якого залежить від інтенсивності променя. Одна точка екрану складається з трьох сусідніх люмінофорів. Колір точки, що світиться, визначається змішуванням кольорів цих трьох сусідніх люмінофорів. Ділянку екрану у збільшеному вигляді подано на малюнку.

На реальному моніторі люмінофори стають видимими, якщо розглянути екран через лупу. В силу особливості будови нашого ока, ділянки екрану, покриті люмінофорами, що випромінюють максимум інтенсивності, ми сприймаємо, як білі (точніше світлі, близькі до білого. Чистий білий колір можна одержати лише змішуванням усіх складових видимого спектру, наприклад, проходженням через призму у зворотному напрямку. Тому змішування лише трьох монохромних складових буде різнитися від білого.) Зменшення інтенсивності приводить до відтворення інших кольорів аж до чорного, якому відповідають всі три нульові інтенсивності.

Принцип дії монітора приводить нас до так званої адитивної моделі RGB. Вона називається адитивною, оскільки кольори в ній утворюються шляхом додавання інтенсивності трьох базових кольорів. Кожен колір, утворений за допомогою цієї моделі можна задати трійкою чисел (r,g,b), кожне з яких може змінюватися від 0 до, наприклад, 1.

Наступне питання, яке виникає в зв'язку з адитивною моделлю, є проблема її апаратної залежності. Адже результат адитивного синтезу залежить від характеристик джерел світла! Тоді визначення конкретного кольору в цій моделі звучало б приблизно як пояснення шляху водієві: спочатку їхати три години прямо, а потім повернути наліво, цілком залежне від типу автомобіля та способу керування ним. Ясно, що характеристики люмінофорів кожного окремого монітора, не кажучи вже про різні їх моделі, можуть відрізнятися. Єдиним виходом, який зводитиме апаратну залежність до мінімуму, є впровадження міжнародних стандартів. Такий стандарт під назвою BT.709 був прийнятий Міжнародним союзом телекомунікацій (ITU - International Telecommunications Union) в Женеві 1990 року.

Тут доцільно зробити зауваження про стандарт білого кольору, який визначається як сумарний колір, створений збалансованими базовими люмінофорами. Правда можуть бути уточнення, стосовні денного та штучного освітлення. До стандарту білого кольору має відношення так звана температура кольору. Спектральний розподіл випромінювання є функцією температури до якої нагріто випромінювача. Конструктивні особливості люмінофорів, вживаних в моніторах, приводять до того, що білий колір екрану має приблизно подвійний надлишок синьої компоненти. Якби це було випромінюванням еталонного джерела білого світла, то його спектр відповідав би спектру випромінювача, нагрітого до температури 9300К. Звичайно око адаптується і не помічає зсуву у білому кольорі, якщо тільки його не доводиться порівнювати з реальними кольорами. При необхідності відтворення точного білого кольору необхідно користуватися моніторами, які дозволяють встановити температуру кольору в діапазоні від 5000К до 5500К. Трохи простіші монітори використовують стандарт CIE 6504K, що більшості людей здається трохи зсунутим до синього. Стандартом білого в умовах штучного освітлення вважається температура 3200К, для більшості людей білий колір при цій температурі набуває жовтого відтінку.

Досі ми розглядали світло, безпосередньо створене джерелами світла. Але тіла, які ми бачимо, можуть, не випромінюючи самі, відсвічувати світло від інших освітлювачів. Пофарбовані різними фарбами поверхні, відсвічують по різному, поглинаючи певну частину спектру. Якщо з повного спектру, видалити один з кольорів, то кольори, що залишаться, називаються колірним доповненням.

Ця властивість світла використовується при виділенні певного кольору за допомогою світлового фільтру, а також при роздруку на папері. При друкові задача полягатиме у створенні за допомогою відсвічування на папері аналогів джерел червоного, зеленого і синього кольорів. Для цього скористаємося попарно змішаними кольорами: голубим (cyan), пурпурним (magenta) і жовтим (yellow). Доповненням до червоного кольору є голубий (або сума синього з зеленим), отже голубий рефлектор поглинатиме червону складову. Умовно позначимо це як

C = B + G (-R).

Доповненням до жовтого служить синій. Такі ж міркування приведуть до запису

Y = R + G (-B).

Отже наявність у одній точці (точніше безпосередньо поблизу одне одного) двох рефлекторів - голубого і жовтого приведе до вилучення із білого світла відповідно червоної і синьої складових. Залишковим кольором стане зелений. В наших умовних позначеннях

C + Y = [B + G (-R)] + [R + G (-B)] = G.

Змішування голубого кольору з жовтим дає зелений. В той же спосіб запишемо

C + M = [B + G (-R)] + [R + B (-G)] = B;

Y + M = [R + G (-B)] + [R + B (-G)] = R.

Або змішування голубого з пурпуровим дає синій, а пурпурового з жовтим - червоний. Iлюстрацію цього явища наведено на малюнку. Одержана колірна модель називається субтрактивною (різницевою) моделлю CMY - за початковими літерами трьох базових кольорів.

Окремо розглянемо спосіб відтворення чорного кольору. Згідно моделі CMY його можна одержати змішанням усіх трьох базових кольорів, але це неефективно перш за все з економічної точки зору. Грубо кажучи, навіщо виливати три банки кольорових фарб там, де можна було б обмежитися однією банкою чорної фарби. До того ж синтез чорної фарби приводить до деяких проблем технологічного характеру, які будуть розглянуті пізніше. Ми лише відмітимо практичну доцільність доповнити триколірну модель CMY четвертим кольором. Одержана модель називається CMYK, де K взято з останньої літери слова blacK - чорний.

Розглянуті досі колірні моделі мають один недолік: грунтуючись на елементарних випромінювачах, вони визначають довільний колір у термінах базових кольорів. Таке визначення зводиться до складних математичних розрахунків з застосуванням спектральної теорії та рядів Фур'є і аж ніяк не використовують властивості самих кольорів, що визначаються.

Існує ціла система моделей, що оперують з кольором на інтуїтивному рівні. Одна з них - система HSB (HSV) - використовує поняття колірного тону (hue), насиченості (saturation) і яскравості (brightness) або інтенсивності (value). Уявімо собі циліндр. Руху вздовж осі циліндра відповідатиме зміна інтенсивності від нуля до максимуму (зміна кольорів від чорного до білого через відтінки сірого кольору).

Тональність має кругову геометричну інтерпретацію, запропоновану ще Ньютоном. Розглянемо горизонтальний перетин циліндра, перпендикулярний до його осі. Вздовж кола перетину розмістимо всі кольори спектру. Колірному тону тоді відповідатиме кут між віссю та радіусом-вектором, проведеним в певну точку кола.

Третім параметром є насиченість (saturation) кольору. Максимум насиченості має монохромний колір, зменшення насиченості відбувається шляхом переходу від монохромного до поліхромного кольору поступовим додаванням інших складових видимого спектру в рівних долях. Зменшенню насиченості відповідає рух у напрямку центра кола вздовж його радіуса. Насиченість кольору в центрі кола дорівнює нулеві, що залежно від інтенсивності кольору відповідає тому чи іншому відтінку сірого кольору.

Система HSV зручна для управління кольором на інтуїтивному рівні, оскільки дозволяє незалежно змінювати кожен параметр кольору, а саме яскравість, насиченість і тон. Це значить, що є можливість зробити довільний тон більш або менш яскравим, більш або менш насиченим, а також перейти до сусіднього тону. В той же час зміна навіть одного з параметрів RGB приводить до набагато складніших змін у колірному складі. Дуже корисно виконати самостійно декілька експериментів з різними колірними моделями.

Чи дає адитивний синтез всі кольори видимого спектру? Це питання було поставлено у зв'язку з дослідженням можливостей катодних випромінюючих трубок ще в 30-і роки Міжнародною комісією з освітленості (CIE - Commission International d'Eclairage). Відповідь на це питання негативна. Шляхом змішування трьох кольорів одержати всі кольори технічно неможливо. Було вибрано три монохромних випромінювача, довжини хвиль яких складали відповідно 700,0; 546,1 та 435,8 нм. Та була проведена велика серія експериментів з порівняння синтезованих кольорів з кольорами виділеними із сонячного світла.

Формат GIF (Graphic Interchange Format - формат обміну графічними даними) застосовується для запису та збереження растрових графічних зображень. Цей формат підтримується у Web вже давно та використовується різноманітними графічними додатками. Зображення в GIF-форматі зберігаються в файлах з розширенням .gif.

До переваг GIF-зображень можна віднести те, що їх зовнішній вигляд не залежить від броузера та платформи. Кольори індексуються та відтворюються однаково.

Найкращі результати отримуються при роботі з наступними класами GIF-зображень:

На малюнку показаний приклад GIF-зображення. Структура зображення дуже проста, воно містить невелику кількість кольорів; один фрагмент повторюється в ньому багаторазово. Таке зображення зручно представляти засобами GIF.

У GIF-зображеннях використовується стиснення без втрати інформації. Програма підтримки GIF розпізнає фрагменти одного кольору та будує цифровий код для представлення цього кольру. При стисненні використовується простий метод підстаноквки. Якщо фрагмент зображення повторюється декілька разів, наприкла, якщо частина зображення представлена числами 1, 2, 3, 4, 5, 1, 2, 3, 4, 5, 1, 2, 3, 4, 5, то послідовності 1, 2, 3, 4, 5 ставиться у відповідність код 1. Після цього описаний вище фрагмент представляється послідовністю 1, 1, 1, що дозволяє зекономити пам'ять. Правила кодування містяться в хеш-таблиці, яка приєднується до зображення. З допомогою хеш-таблиці програма декодування може коректно відновити зображення.

Зверніть увагу на малюнок. Оскільки фрагмент зображення виводиться багаторазово, програма стиснення виділяє послідовності що повторюються. Такі Програма записує таку послідовність лише один раз, в результаті чого об'єм файла, що потребується для зберігання зображення, істотно зменьшується. При виводі зображення програма декодування відновлює закодовані послідовності, та зображення набуває початкового вигляду.

Максимальна ступінь стиснення для GIF-зображень залежить від того, як часто повторюються фрагменти графічних даних. Для зберігання інформації про рівномірно розподілений колір потребується малий обсяг пам'яті, та в деяких випадках зображення, які містять великі області, зафарбовані одним кольором, вдається стиснути більше ніж в десять разів. Складні зображення, в яких використовується велика кількість кольорів та фрагменти даних повторюються рідко, рідко вдається стиснути більше ніж на 20%. Загальне правило можна сформулювати так: чим меньше кольорів містить GIF-зображення, тим меньший об'єм файлу потрібен для його зберігання.

Недолік GIF в тому, що зображення, представлене в даному форматі, не може містити більше 256 кольорів, або графічних образів. Наприклад, якщо зображення містить 15 віддтінків синього кольору, для їх зберігання потрібні 15 окремих образів, а оскільки число образів не може перевищувати 256, то програма підтримки GIF сама вирішує, яким кольорм можна знехтувати. В результаті може статися так, що число відтінків синього кольору зменьшиться, більше того, не виключено, що усі вони будуть представлені одним кольором.

JPEG. Окрім GIF, для представлення растрової графіки може також використовуватися формат JPEG (Joint Photographic Group - об'єднана група експертів по обробці фотознимків). Формат JPEG був створений для того, щоб позбавитися від обмежень, існуючих в GIF. У розробці формата брали участь спеціалісти з обробки фотозображень; окрім того, розробники ставили за мету добитися високого ступеня стиснення зображень, що налічують мільйони кольорів. JPEG-зображення зберігаються у файлах з розширенням .jpeg або .jpg.

Програми підтримки JPEG використовують алгоритм стиснення з втратою інформації; вони виключають з зображення ті дані, котрі вважають неістотними. Перед застосуванням алгоритма стиснення зображення поділяється на прямокутні області. Працюючи з JPEG-зображеннями, Ви можете вирішувати, якою частиною графічних даних можна знехтувати, але при цьому існує ризик отримати нечітке, розпливчасте зображення з недостатньо проробленими деталями. Недопустово великі однорідні блоки у складі зображення називаються артефактами. Артефакти з'являються тоді, коли обрана дуже великий ступінь стиснення.

Існує математичний метод, що називаєтьмя дискретним косинусним перетворенням, який дозволяє конвертувати прямокутні області даних у набір кривих, що складають зображення. В залежності від ступеня стиснення, програма відкидає ті криві, внесок яких у формування зображення невеликий. На малюнку показано, як впливає ступінь стиснення на якість JPEG-зображення. На малюнку 1 представлений результат обробки з низьким ступенем стиснення, а на малюнку 2 те ж саме зображення з високим ступенем стиснення. На малюнку 1 зображення більш чітке.

Оскільки формат JPEG був спеціально розроблений для зберігання зображень, що містять велику кількість кольорів, деякі типи даних вважаютья найбільш підходящими для стиснення засобами JPEG. Нижче перелічені класи графічних даних, для зберігання яких бажано обирати формат JPEG.

PNG (Portable Network Graphic - пересувні мережеві графічні дані) - це формат, призначений для зберігання графічних зображень у файлі та використовуючий стиснення даних. Передбачається, що з часом формат PNG замінить GIF. На відміну від GIF, формат PNG був розроблений спілкою Internet, та засоби підтримки цього формату розповсюджуються безкоштовно.

Подібно до GIF, у PNG використовується стиснення без втрати даних, тому при декодуванні вмісту PNG-файла вихідне зображення повністю відтворюється. Формат PNG дозволяє знаходити компромісні рішення, що забезпечують, з одного боку, добру якість графіки, а з іншої сторони, задовільні розміри файлів для зберігання зображень. Як правило, ступінь стиснення у PNG-файлах на 10%-13% більше ніж у GIF-файлів.

PNG також має інші переваги перед форматом GIF. Дані можуть зберігатися як у реальних кольорах, так і з допомогою палітри, яку надає GIF. При створенні прозорих зображень Ви можете задавати ступінь прозорості. Та нарешті, PNG дозволяє регулювати яскравість зображення.

Недивлячись на переваги над форматом GIF, PNG зараз використовується достатньо рідко.

SVG (Scalable Vector Graphics - масштабуєма векторна графіка) - це формат векторної графіки, в якому дані записуються на мові XML. Таким чином, зображення у форматі SVG являє собою XML-документ. Для відображення SVG-даних броузерои необхідний додатковий модуль, тому SVG зараз використовується рідко.

Формат TIFF (Tag Image File Format - формат файлів зображення на базі позначок) призначений для зберігання растрової графіки. TIFF-файли часто використовуються у настільних видавничих системах, при передачі факсів, у прикладних програмах, що обробляють тривимірні зображення, та в додатках, орієнтованих на застосування у медицині.

З допомогою TIFF-файлів часто здійснюється обмін растровими зображеннями (в тому числі результатами сканування) між прикладними програмами. TIFF-зображення зберігаються у файлах з розширенням .tiff або .tif. Формат TIFF часто застосовується для роботи з чорно-білими зображеннями, зображеннями, що використовують кольорову палітру, а також повнокольоровими зображеннями. Крім того, до складу TIFF-файла можуть входити дані, отримані в результаті застосування алгоритма стиснення JPEG або інших алгоритмів.

EPS (Encapsulated PostScript - інкапсульовані PostScript-дані) - це формат, що застосовується для опису векторної графіки. Дані представлені на мові PostScript, яка була розроблена у 1985 р. компанією Adobe та незабаром став промисловим стандартом. Мова PostScript використовується для опису інформації, призначеної для друку.

EPS-файли можуть містити ASCII-символи або графічні дані. Звичайно вважають, що EPS-файли містять графічну інформацію, представлену у растровому вигляді та призначену для виводу на пристрій відображення. На відміну від EPS-файлів, PostScript-файли містять лише команди виводу інформації.

BMP - це стандартний формат опису растрової графіки, що використовується у середовищі Windows. За замовчанням BMP-дані зберігаються в файлах з розширенням .bmp.

У системі Windows растрова графіка зберігається у форматі DIB (device-independent bitmap - бітова карта, що не залежить від пристроя), що дозволяє виводити растрові зображення на пристрої будь-якого типу. В даному разі представлення кольору піксела не залежить від способу його відтворення. DIB-дані також записуються у файли з розширенням .bmp.

WMF (Windows Metafile Format - формат метафайла Windows) - це формат, що використовується для обміну графічними даними між додатками Microsoft Windows. У WMF-файлах можуть зберігатися як векторні, так і растрові зображення.

Формат PICT розроблений компанією Apple Computer у 1984 р. У PICT-файлах містяться команди Quick Draw, які описують об'єктні та растрові зображення. Формат PICT підтримують усі графічні програми, що виконуються у середі Macintosh. У вихідному варіанті PICT була передбачена підтримка 8 кольорів. У модернізованих версіях PICT підтримуються 32-бітові кольори.

Формат PCX був розроблений ZSOFT для програми PC Paintbrush. У даний час він використовується графічними додатками, що виконуються на PC, та підтримується більшістю програм сканування, передачі факсів та настільними видавничими системами. Зображення, представлені у форматі PCX, зберігаються у файлах з розширенням .pcx.