Принципы представления графической информации в компьютере

ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ (ГИС) В КАРТОГРАФИИ

Наряду с традиционной, так называемой «бумажной» техно­логией создания карт, в последнее десятилетие стали бурно раз­виваться компьютерные технологии создания карт с использова­нием географических информационных систем (ГИС).

В наиболее общем виде так называемую ГИС-технологию создания карт можно представить в следующем виде:

1) подготовка исходных материалов и ввод данных:

а) с накопителей электронных тахеометров;

б) приемников GPS;

в) систем обработки изображений;

г) дигитализацией (цифрованием) материалов обследований, авторских или составительских оригиналов, а также имеющихся планово-картографических материалов;

д) сканированием исходных материалов и трансформирова­нием полученного растрового изображения;

2) формирование и редактирование слоев создаваемой карты и таблиц к ним, а также формирование базы данных;

3) ввод табличных и текстовых данных с характеристиками объектов (атрибутов);

4) разработка знаковой системы (легенды карты);

5) совмещение слоев, формирование картографического изо­бражения тематической карты и его редактирование;

6) компоновка карты и формирование макета печати;

7) вывод карты на печать.

Давая наиболее упрощенное понятие ГИС, можно отметить, что — это автоматизированная информационная система, пред­назначенная для обработки пространственных данных об объек­тах и явлениях природы и общества.

ГИС — это широко развитые системы, использующие базы данных (организованные хранилища информации),где сведения об окружающей реальности характеризуются широким набором данных, собираемых различными методами и технологиями.

В настоящее время ГИС не имеет себе равных по широте применения, так как используются практически во всех отраслях и областях знаний: в навигации, на транспорте и в строительстве, в геологии, географии, военном деле, топографии, экономике, экологии, тематической картографии и др.

Непременным условием возможности обработки изображе­ний в компьютере является то, что вся информация об объектах местности и явлениях действительности может обрабатываться только тогда, когда она представлена в цифровом виде.

Географические информационные системы могут работать с двумя, однако существенно отличающимися между собой, типа­ми данных — векторными и растровыми.

Растровая форма — это представление графической инфор­мации (карты, рисунка, фотографии) в виде матрицы чисел каж­дый элемент которой является кодом, характеризующим яркость соответствующего элемента дискретизации изображения карты.

Векторная форма — это такая форма представления, в кото­рой информация о местоположении объектов, их очертаниях да­ется в виде структурированного набора координат точек объекта.

Оба типа данных имеют свои достоинства и недостатки, оба не исключают, а взаимно дополняют друг друга, однако многие из ГИС могут работать только с векторными моделями, которые создаются на основе векторных типов данных, так и с растровы­ми моделями, а иногда и с теми и с другими вместе.

Попытаемся более подробно рассмотреть вопрос о том, как же представляется в памяти компьютера графическая информа­ция, поскольку проблем с хранением метрической информации в виде чисел вроде бы не существует.

Для кодирования черно-белых изображений достаточно двух цифр, а так как известно, что в компьютере применяется двоич­ная система счисления (когда каждое число представлено в виде набора нулей и единиц), то кодирование черно-белых монохром­ных изображений не представляет большой трудности.

Рассмотрим процесс преобразования рисунка в цифровую форму на простом примере. Возьмем черный крест на белом фоне (рис. 9.1, а), и попробуем представить запись его компьютерного аналога. Вначале приведем предлагаемый рисунок к прямоуголь­ной форме. Чтобы выделить прямоугольную рамку, захватываю­щую весь рисунок, представим черный крест, вписанным в квад­рат белого цвета.

Все рисунки в компьютерах имеют прямоугольную форму, так как для работы с любым изображением к нему добавляется фон, превращающий рисунок в прямоугольник.

Крест можно разбить на девять равных частей, каждая из ко­торых будет иметь однородный цвет — черный или белый. Обо­значим черный цвет единицей, а белый — нулем. Запишем все получившиеся цифры, начиная с левой части верхнего ряда (рис. 9.1, б). Мы получили матрицу:

Это и есть компьютерный код нашего рисунка. Однако из этого кода неясно, какого размера должна быть каждая часть ри­сунка. Поэтому договоримся, что разделим рисунок на неболь­шие части заданного размера (элементарные квадратики). Теперь частей стало значительно больше (рис. 9.1, в), и компьютерный код стал длиннее:

Зато любой компьютер, получив этот код, и зная, что каждая цифра означает цвет (или яркость) небольшого элемента изобра­жения заданного размера, легко восстановит рисунок.

Изображения, закодированные описанным способом, назы­ваются растровыми изображениями, или растром.

Части, на которые разбиваются изображения, называют пик­селями (Picture Element — элемент изображения). Пиксели часто называют точками, так как они очень малы. Рисунок из множест­ва пикселей можно сравнить с мозаикой, когда из большого ко­личества разноцветных камешков собирается произвольная кар­тина. Если через увеличительное стекло рассмотреть изображе­ние на экране телевизора или часть газетной иллюстрации, то можно увидеть растр — мелкие точки и пятнышки разной вели­чины и цвета. Так и для моделирования изображения в компью­тере оно раскладывается на множество точек, расположенных ря­дами и столбцами, в своего рода «мозаику», причем координата каждого элемента этой мозаики известна — это номер строки и (или) столбца в матрице чисел.

Если для представления каждого пикселя в черно-белом ри­сунке достаточно одного бита (бинарная форма записи), то для работы с цветом или полутоновым изображения этого явно не­достаточно. Однако подход при кодировании цветных изображе­ний остается неизменным. Любой рисунок разбивается на пиксе­ли, то есть небольшие части, каждая из которых имеет свой цвет.

Объем информации, описывающий цвет пикселя, определяет глубину цвета. Чем больше информации определяет цвет каждой точки в рисунке, тем больше вариантов цвета существует. Понят­но, что для рисунков в естественном цвете требуется больший объем памяти. Чтобы представить более шестнадцати миллионов цветов, информация о каждой точке рисунка должна занимать четыре байта, что в тридцать два раза больше, чем для моно­хромного рисунка.

Пока говорилось, что пиксель - маленькая часть рисунка. А каков размер пикселя? Не определив размер пикселя, невоз­можно построить изображение на основе закодированных дан­ных. Если же мы зададим размер, то без проблем восстановим за­кодированный рисунок. Однако на практике не используют раз­мер пикселей, а задают две другие величины: размер рисунка и его разрешение. Размер описывает физические габариты изобра­жения, то есть его высоту и ширину.

Можно задать размеры в метрах, миллиметрах, дюймах или любых других величинах, но в компьютере чаще всего размер за­дается в пикселях.

Например, размер рисунка компьютера равен 32 на 32 пиксе­ля. При отображении на мониторе и последующей печати на принтере каждый пиксель представляется отдельной точкой, если оборудование не делает специальных преобразований. На старых мониторах с крупным зерном экрана монитора, рисунок получит­ся большим, а на современном принтере, в котором используются мельчайшие точки, рисунок получится очень маленьким. А каким он должен быть на самом деле? Для этого задается разрешение изображения. Разрешение — это плотность размещения пиксе­лей, формирующих изображение, то есть количество пикселей на заданном отрезке. Чаще всего разрешение измеряется в количест­ве точек на дюйм — dpi (Dot Per Inch). Например, если мы ука­жем, что наш рисунок на компьютере имеет разрешение 72 dpi, это означает, что на каждом дюйме может разместиться семьде­сят два пикселя. При отображении рисунков на мониторе исполь­зуют разрешение от 72 dpi до 120 dpi, т.е. чем выше степень раз­решения (72dpi,i20dpi,200dpi и т.д.), тем меньше размер растро­вой точки и, соответственно, тем выше качество передачи изо­бражения. При печати самым распространенным разрешением является 300 dpi, но для получения высококачественных отпечат­ков на современных цветных принтерах и плоттерах можно ис­пользовать и большее разрешение.

Разбив рисунок на пиксели, описав цвет каждого пикселя и задав разрешение, мы полностью закодируем любой рисунок. Имея эту информацию, любая компьютерная программа сможет восстановить исходное изображение.

Теперь, когда мы познакомились с принципами представле­ния изображений в компьютере, можно разобраться, почему только современные персональные компьютеры способны рабо­тать с качественной графикой.

Как уже отмечалось, чтобы получить в рисунке естественные цвета, следует использовать для кодирования каждого цвета че­тыре байта. Современные цветные принтеры и плоттеры печата­ют изображения с разрешение до 2000 dpi. Для представления с таким разрешением и глубиной цвета изображения формата А4 (обычный лист бумаги), потребуется памяти около 765 мегабайт (Mb). Даже для современных компьютеров это слишком много. Но рисунки размерами по 50 мегабайт обрабатываются без осо­бенных затруднений. Аэрофотоснимок размером 10x15 см и глу­биной цвета 24 бита может занять 395 килобайт (Kb) если ис­пользуется разрешение 75 dpi, или более 35 мегабайт (Mb), при использовании разрешения 720 dpi.

Понятно, что при большем разрешении один и тот же чертеж разбивается на большее количество точек, что существенно улучшает его качество, однако работать с большими файлами становиться довольно трудно. Растровые изображения достаточ­но широко используются в цифровой картографии. Аэро- и кос­мические снимки, введенные в компьютер, хранятся именно в виде растровых изображений. Большинство рисунков во всемир­ной компьютерной сети Интернет представляют собой растровые файлы. Имеется множество программ, предназначенных для ра­боты с растровыми изображениями. Зная способ кодирования изображения, программа для работы с графикой может воспроиз­вести его на экране монитора или распечатать на принтере.

Растровые изображения обладают одним очень существен­ным недостатком: их трудно увеличивать или уменьшать, то есть масштабировать. При уменьшении растрового изображения не­сколько соседних точек преобразуются в одну, поэтому теряется разборчивость мелких деталей изображения. При увеличении -увеличивается размер каждой точки, поэтому появляется ступен­чатый контур и изображение начинает «сыпаться». Кроме того, растровые изображения занимают много места в памяти и на диске. Чтобы избежать указанных проблем, применяют так назы­ваемый векторный способ кодирования изображений.

Самые простые типы изображения — штриховые. Они сла­гаются из отдельных линий, отрезков, дуг, из которых можно создавать различных комбинации. Из элементарной математики мы знаем, что любой отрезок-это вектор, который характеризует­ся и определяется на плоскости координатами начала и конца от­резка. В векторном способе кодирования геометрические фигуры, кривые и прямые линии, составляющие рисунок, хранятся в па­мяти компьютера в виде математических формул и геометриче­ских абстракций, таких как круг, квадрат, эллипс и им подобных фигур. Например, чтобы закодировать круг, не надо разбивать его на отдельные пиксели, а следует запомнить его радиус, коор­динаты центра и цвет. Для прямоугольника достаточно знать размер сторон, место, где он находится, и цвет закраски. С помо­щью математических формул можно описать самые разные фи­гуры. Любое изображение в векторном формате состоит из мно­жества составляющих частей, которые можно редактировать неза­висимо друг от друга. Эти части называются объектами. Так как с помощью комбинации нескольких объектов можно создавать но­вый объект, объекты могут иметь достаточно сложный вид.

Размеры, кривизна, цвет и местоположение для каждого объ­екта, хранятся в виде числовых коэффициентов. Благодаря этому появляется возможность масштабировать изображения с помо­щью простых математических операций, в частности, простым умножением параметров графических элементов на коэффициент масштабирования. При этом качество изображения остается без изменений. Используя векторную форму представления данных можно не задумываться о том, готовите ли вы единичный услов­ный знак для своего плана или рисуете двухметровый транспа­рант. Работа над изображением производится совершенно одина­кова в обоих случаях. В любой момент можно преобразовать изображение в любой размер без потерь качества. Важным преиму­ществом векторного способа кодирования изображений является то, что размеры графических файлов векторной графики имеют значительно меньший размер, чем файлы растровой графики.

Однако есть и недостатки работы с векторной графикой. Прежде всего, это некоторая условность получаемых изображе­ний. Так как все рисунки состоят из кривых, описанных форму­лами, трудно получить реалистичное изображение. Для этого по­надобилось бы слишком много элементов, поэтому возможности векторной графики не могут использоваться для кодирования аэ­рофотоснимков. Если попытаться описать аэро- или космический фотоснимок векторами, размер полученного файла окажется зна­чительно больше, чем соответствующий растровый файл.

В итоге отметим, что векторные данные используются в ГИС для представления информации, которая нуждается в дальнейшем анализе и манипуляции (обновление данных, корректура, удаление). Растр применяется в основном там, где графическая инфор­мация представлена в виде картинки или фотографии, а также в качестве «растровой подложки» для дальнейшей векторизации картографического изображения при создании новых карт.

Другими словами, если векторная модель данных дает ин­формацию о том, где расположен тот или иной объект, то растро­вая — информацию о том, что расположено в той или иной точ­ке территории.

Дата добавления: 2014-01-11