Apunte 00 - Prosise.pdf

7/25/2019 Apunte 00 - Prosise.pdf

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Departamento de Artes Visuales

Prilidiano PueyrrednAsignatura: OTAV Digitalizacin de Imgenes I a III

Ctedra: Lic. Mariana Paredes

Equipo de Ctedra:

Profs. Adjuntos: DG Eliana Loureiro

Lic. Mara Licciardo

JTPs: DG Ins Camps / Lic. Carla Ferrari

Cmo funcionan los grficos por

computadora

AUTOR: Jeff Prosise

Editorial ZD Press, California, 1994

Apunte de Ctedra / Nivel 1


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OTAV Digitalizacin de Imgenes 1_ M. Paredes_ 2013

2Artes Visuales . IUNA

Cmo funcionan los grficos por computadora_Jeff Prosise

Fundamentos de los grficospor computadora

Deben imaginar qu diferente sera el mundo si las computadoras no tuvieran la

oportunidad de dibujar imgenes en la pantalla. No habra simuladores de vuelo o

sistemas de diseo asistido por computadora (CAD), no habra tampoco diagnsticos

por imagen del tipo de la tomografa computada o resonancia magntica y no

habra video juegos. Las computadoras se pareceran muchsimo a aquellas de los

aos 40 y 50 antes de que existieran los monitores, no fue si no hasta los aos 60

en que un monitor empez a usarse y no fue hasta finales de los 70 en que su uso

se hizo ms difundido. Antes de la aparicin de estos VDT (Video Displey Terminal),

las computadoras impriman sus resultados en unas impresoras muy del estilo de las

mquinas de escribir. La computadora que los historiadores generalmente acreditan

como la primera computadora personal (PC) -La MITSALTAIR 8800, introducida en

1975- no tena ni monitor ni impresora ni siquiera tena un teclado. Uno tena queintroducir las instrucciones manejando teclas o interruptores y leer los resultados

en luces parpadeantes en el panel frontal.

Actualmente las computadoras pueden dibujar imgenes. Es importante entender

cmo dibujan imgenes porque es, en muchos sentidos, diferente de cmo lo hacen

las personas. Primero, est el problema de obtener la imagen en la pantalla. Una

pantalla de computadora contiene miles de pequeos puntos de luz llamadospixeles

(de pantalla).Para mostrar an la ms rudimentaria imagen, la computadora tiene

que estar en condiciones de mostrar el color de cada uno de esos pixeles. Cmo

se obtiene un pixel de color azul mientras est mostrando al lado un pixel de color

blanco, verde o amarillo?. Segundo, est el problema de organizar los pixeles en

imgenes que sean comprensibles. Si la computadora quiere dibujar una lnea o un

crculo en la pantalla cmo sabe cules pixeles debe iluminar?

Las respuestas a estas preguntas forman las bases de comprensin fundamental

de cmo funcionan las computadoras. En esta segunda parte del libro aprendern

cmo nmeros escritos en un rea especial de la memoria de la computadora

controlan el color de cada pixel en la pantalla en un sistema simple y monocromo

donde cada pixel puede estar iluminado o no. Escribiendo un 1 en el lugar adecuado

de la memoria ilumina ese pixel, y escribiendo un 0 simplemente lo deja oscuro.

En sistemas de color, cada color est representado por un nmero. El nmero

almacenado en la memoria para cierto pixel le dice al circuito de video de la

computadora qu color mostrar en ella. Este tipo de arquitectura grfica, que es

llamado Memory-Mupet Video, es casi universal en las computadoras actuales.

Tambin aprendern cmo la resolucin y los colores afectan la calidad de la

imagen de computadora, y cmo ciertos trucos permiten crear la ilusin de mayor

cantidad de colores o de una resolucin mayor.

Esta segunda parte tambin discurre acerca de las formas bsicas como son laslneas y los crculos y cmo son dibujadas en la pantalla de la computadora. Un

ingrediente clave en muchos de estos procesos es un algoritmo: una serie de


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inscripciones que le dice a la computadora cmo resolver un determinado problema.

El algoritmo de dibujar una lnea le dice a la computadora cmo dibujar un trazado

de puntos conectando dos puntos para formar una lnea recta; un algoritmo de

rellenado le dice cmo rellenar una regin de forma irregular de color. En un

sentido extenso el estudio de los grficos de computadora es el estudio de estos

algoritmos. Desde los aos 60 los cientificos en computadoras han desarrollado

una cantidad de algoritmos que fragmentan una tarea de dibujo muy compleja en

pasos ms simples que pueden ser repetidos una y otra vez hasta terminar la tarea.

Examinaremos algunos de estos algoritmos en los captulos a continuacin.

Un pixel de pantalla es un punto de luz en la pantalla de la computadora que puede

ser iluminado con distintos colores. As como aplicando toques de pincel sobre

un lienzo se construye una imagen, cuando se trata de imagen digital el truco es

obtener el color exacto en el lugar exacto.

Los pixeles (de pantalla) estn ordenados en la pantalla en lneas y columnas. La

resolucin de pantalla est determinada por el nmero de pixeles (de pantalla) en

cada lnea y columna. Una pantalla de 640 x 480 que es la resolucin estandar en

las PC, IBM incompatibles equipadas con adaptador de video VGA, muestra 640pixels en forma horizontal y 480 en forma vertical. Esto parece no ser un montn

de pixels, pero multiplicando 640 x 480 descubrirn que esta pantalla contiene

ms de 300.000 pixels -307.200, para ser exactos-. Esto es un montn de pixeles!!

Actualmente 640 x 480 es baja resolucin. La mayor parte de las computadoras

personales son capaces de exhibir resoluciones de 1024 x 768 o aun ms, y las

estaciones de trabajo de alta tecnologa como las producidas por Silicon Graphics

permiten an ms altas resoluciones.

El color de cada pixel de pantalla puede ser seteado independientemente. El nmero

de colores que pueden ser mostrados en pantalla a la vez puede estar limitado

por el hardware grfico que se est usando. En un extremo de las posibilidades,

tenemos el sistema monocromo que puede mostrar solo dos colores. En el otro

extremo tenemos los sistemas de capaces de exhibir ms de 16,7 millones de

colores. La mayor parte de los adaptadores de video utilizados actualmente en las

computadoras son capaces de exhibir un nmero de colores entre ambos extremos.

El nmero mximo de colores que puede ser exhibido simultaneamente est

determinado por el nmero de bits asignado para cada pixel en una regin de la

memoria conocida como video buffer. En los sistemas de color verdadero, cada

pixel utiliza 24 bits de informacin de color: 8 para el componente rojo del pixel, 8

para el componente verde y 8 para el componente azul. Cada valor de 8 bits puede

expresar un nmero entre 0 y 255, donde los nmeros ms altos responden a los

Pxeles de Pantalla


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colores ms luminosos, el hecho de que un valor de 24 bits pueda soportar un

nmero tan bajo como 0 y tan alto como 16.777.215 significa que el adaptador de

video que soporta 24 bits de color puede exhibir ms de 16,7 millones de colores

diferentes. Variadas intensidades de rojo, verde y azul pueden ser combinadas para

producir prcticamente cualquier color que vemos en la naturaleza.

Sin embargo, se puede setear (determinar) que el monitor trabaje mostrando slo

256 colores por vez. En un sistema de 256 colores en el cual se utilizan solo 8 bits

por pixel el valor en la memoria de video normalmente identifica una de las 256

entradas en una tabla llamada paleta de color;ese valor almacenado en la paleta a

su vez determina el color de ese pixel. Si cada entrada de la paleta guarda 24 bits de

informacin de color el hardware de video puede entonces mostrar cualquier color

que sea necesario. El problema es que an puede mostrar solamente 256 colores

diferentes por vez, la ventaja de la arquitectura de grficos basada en la paleta de

color color es que requiere menos memoria. Para una resolucin de pantalla dada,

una memoria de video de adaptador de color verdadero ser tres veces ms grande

que la memoria de video de un adaptador de 256 colores.

No importa si el adaptador de video usa color basado en paleta o no, el hecho sigue

siendo que el programa grfico exhibe colores en pantalla introduciendo valores

en la memoria de video, (para un dispositivo basado en una paleta de colores el

programa debe tambin introducir valores en aquella paleta). Si todos los grupos debits fueran seteados al mismo valor, la pantalla slo podra mostrar un solo color.

Pero variando los valores en la memoria de video de un pixel al otro el programa

puede variar los colores de los pixeles y formar imgenes reconocibles en la pantalla.

Pero hay una general, a mayor cantidad de pixeles y mayor cantidad de colores

que la computadora puede mostrar, ser mejor la calidad de la imagen producida.

Frecuentemente, sin embargo, los usuarios de computadora se enfrentan a la

siguiente situacin: el mismo adaptador de video que puede mostrar 256 colores

a una resolucin de 1024 x 768 solo puede mostrar 16 colores a 1280 x1024

pixels. Entonces qu es ms importante: resolucin o color?. Si lo que se intenta

es crear imgenes de carcter fotogrfico en la computadora la respuesta es, y

esto podra sorprender, color. Una imagen de baja resolucin con 256 colores

luce mucho ms realista que una de 16 colores a mucha ms alta resolucin. Esto

explica por qu la imagen de televisin puede lucir tanto mejor que una imagen

en la pantalla de computadora. La pantalla de la computadora puede tener mucha

ms alta resolucin pero el sistema de resolucin de televisin es capaz de exhibir

virtualmente una cantidad ilimitada de colores.

Pxeles de Pantalla


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El punto de partida para que una imagen pueda mostrarse en pantalla es el llamado video

buffer(es un dispositivo de almacenamiento), la mayor parte de los adaptadores de video

utilizan un tipo especial de memoria Ram llamada VRAM(video Ram) para el video buffer.

La VRAM es similar a la DRAM (Ram dinmica), pero opera un poco ms rpido debido a un

sistema de doble portal que permite a dos dispositivos acceder al buffer de forma simultnea.

Estos son: el adaptador de video que lee los datos que se encuentran en el buffer de video y

los convierte a seales de color en el monitor y el CPI o microprocesador de la computadoraque escribe aquellos valores en el buffer de video. El hardward basado en VRAM permite a la

computadora una pequea pero perceptible ganancia de velocidad; tambin es cierto que cuesta

un poco ms que las tarjetas de video provistas de una D Ram standard.

El color de los pixeles (de pan-

talla) esta determinado por los

bits escritos en el buffer de video.

Cambiando los unos y los cerosque representan un pixel (de pan-

talla) en el buffer de video el

programa que esta corriendo la

computadora, por ejemplo un pro-

cesador de palabras, puede cambiar

el color de los pixeles.

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El interior del monitor esta

recubierto por una finsima

pelcula de un material fosforecente

llamado fsforo. Cada pixel (de

pantalla) est compuesto por tres

fsforos: uno rojo, uno verde, uno

azul. El fsforo brilla cuando es

impactado por un rayo de electrones,

y permanece iluminado por un breve

perodo de tiempo, normalmente

unas pocas milsimas de segundo

despus que el rayo de electrones

deja de golpearlo. Variadas combi-

naciones de las intensidades de los

fsforos rojo, verde y azul producen

variaciones en el matiz y en la

intensidad de los colores.

Un dispositivo especial llamado

convertidor de digital a analgico

(DAC) integrado en el adaptador de videoconvierte los bits escritos en el buffer de

video a diferentes niveles de voltaje en

los tres caones de electrones del monitor.

Cada can de electrones corresponde

a uno de los tres colores primarios rojo,

verde y azul. Una conversin por separado

de digital a analgico es realizada para

cada uno de los caones de tal modo que

los componentes de color de cada uno

de los pixeles (de pantalla) puede ser

determinado en forma independiente, los

adaptadores de video basados en paletade color, el DAC o convertidor de digital

a analgico obtiene la informacin de

color de la paleta de colores en lugar de

obtenerla en forma directa de los bits en

el buffer de video.

Cmo son mostradas las imgenes en pantalla

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El resultado de todo aquello es una imagen en

la pantalla de la computadora desde el punto

computadora. El desafo es escribir los valores de

bits correctos en el buffer de video. El hardward

de video se ocupa del resto. La determinacin

de qu valores escribir en el buffer de video es

por computadora: el desarrollo de mtodos para

traducir lo que creemos que se vea en pantalla

en discretas secuencias de unos y ceros. Para

un programa de hoja de clculo, el proceso de

de barras, el proceso es relativamente sencillo.Para un programa de Rendering dibujando escenas

cies texturadas, la computacin o el clculo puede

ser un tanto ms complejo.

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Para ayudar a los caones a ser blanco en un

fsforo en particular, el rayo de electrones

pasa a travs de agujeros en la denominadashadow

masko mscara de sombra. En su camino hacia la

pantalla el espaciado entre estos agujeros determinael espaciado de los pixeles en la pantalla. A esto

nos referimos comunmente con la expresin de:

el Dotpict del monitor. Un monitor tpico tiene

un Dotpitch de aproximadamente 0.3 milmetros,

sigue indicando que cada pixel individual en

la pantalla aparecer distanciado de otro en

aproximadamente 0.3 mm.

Para iluminar un pixel (de pantalla), el

adaptador de video utiliza los diversos niveles

de voltaje calculados por el DAC para controlar

la salida de cada uno de los caones de los tres

electrones del monitor, cada can dispara un rayode electrones hacia la pantalla, la intensidad del

rayo de electrones y por lo tanto la intensidad

del color asociado con cada uno de esos caones,

es determinado por los niveles de voltaje. Si

el componente rojo de un pixel (de pantalla)

determinado es 255 el ms alto valor que puede

ser representado con un nmero de 8 bits, se le

pide al can rojo que emita la ms alta intensidad

para ese pixel (de pantalla) en particular. Si los

componentes verde y azul son ceros se le pedir

a los caones de verde y de azul que no emitan

rayo para ese pixel (de pantalla) en particular ypor lo tanto el pixel aparecer en pantalla de un

rojo brillante. Si por otra parte igual cantidad

de rojo y azul fuera emitido mientras el can

correspondiente al verde permanece bloqueado, el

pixel aparecer en pantalla de color magenta.

Para producir una imagen en la pantallacompleta conteniendo cientos de miles de

pixeles, electro imanes en el interior del monitor

desvan el trasado de los rayos de electrones de

tal manera que estos barren a travs de la pantalla

de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo,

iluminando cada pixel (de pantalla). En un sistema

de monitor no entrelazado, el rayo de electrones

viaja de izquierda a derecha a lo largo de la primera

linea de pixeles (de pantalla), de la primera de

arriba para iluminar esa lnea. Entonces salta al

pixel (de pantalla) del extremo izquierdo en la

segunda lnea e ilumina esa lnea, seguida de latercera, la cuarta y as en adelante. Esto ocurre

tan rpido que el total de la pantalla es dibujada

o iluminada en aproximadamente un sesenta avo

de segundo 1/60. A raz de que la pantalla es

completamente redibujada o refrescada 60 veces

por segundo, decimos que su velocidad de refresco

es de 60 ciclos por segundo o 60 hertz (HZ).

En los monitores entrelazados las lneas pares

son iluminadas en un sitio completo y las

impares en el siguiente sitio, entonces el refresco

completo de la totalidad de la pantalla requiere dos

ciclos completos reduciendo el refresco efectivo

de las 60 veces por segundo que mencionbamos

antes a slo 30 veces por segundo. Los monitores

entrelazados cuestan menos pero puede percibirse

el parpadeo debido a su baja velocidad de

refresco.

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Un mtodo que permite generar la ilusin de mayor cantidad de colores a partir de lospocos de que dispongamos es el denominado Dither, algo as como un punteado en la imagen

de la pantalla de la computadora.

Una manera de evitar el problema de una escasa cantidad de colores disponibles es el

mtodo de punteado de la imagen en la pantalla llamado en ingls Dither o Dithering. Hay

muchas maneras de puntear una imagen por este mtodo, pero todos ellos operan en base al

mismo principio. La idea es reemplazar aquellos pixeles (de imagen) cuyos colores no puedan ser

mostrados directamente, reemplazarlos por un tramado o punteado de pixeles (de imagen) cuyos

colores s puedan ser demostrados. Dithering toma ventaja del hecho de que el ojo humano tiende

a ver pixeles (de imagen) adyacentes de dos diferentes colores en la percepcin de un solo color.

de pixeles alternados azules y amarillos esto es un proceso denominado Pattern Dithering o

punteado mediante trama. El problema con el Pathen Dithering es que algunas veces grupos no

relacionados de pixeles (de imagen) se combinan para formar sus tramas llamadas artefactos que

es utilizar una tcnicadenominada Diffusion Dithering o punteado por difusin, el cual no esta

basado en tramas predeterminadas de color; en lugar de esto el programa mira cada pixel en la

imagen y le asigna un nuevo color que se parece al color original tanto como sea posible, realiza

o desparrama la diferencia entre los colores de los pixeles (de imagen) vecinos, por ejemplo: si elnuevo color de un pixel (de imagen) contiene menos rojo y verde que el color original Diffusion

Dither, o este punteado por difusin, deber agregar algo de rojo y de verde en los pixeles vecinos.

Esta aproximacin por este mtodo adaptable elimina los llamados artefactos y generalmente

produce resultados superiores el Dithering o punteado. Es utilizado para producir resultados en

blanco y negro de imgenes en color en dispositivos monocromos como son por ejemplo las

impresoras, un proceso similiar llamado medio tono es utilizado para crear las fotos en blanco

y negro que pueden verse en los peridicos. Las siguientes ilustraciones muestran cmo las

imgenes son exhibidas en la pantalla del monitor, cmo la resolucin y el color afecta le calidad

de la imagen, cmo el punteado crea la ilusin de que una imagen posee ms colores de lo que

realmente tiene y cmo el punteado por difusin es realizado utilizando una herramienta muy

Pixel de Imagen y Pixel de Pantalla no son lo mismo.

Pixeles de Imagen y Color

Pixel de Pantalla

Es un punto con tres fsforos.

Tiene existencia material.

nunca.

Pixel de Imagen

Es siempre cuadrado y con un solo contenido

posible por vez.

No tiene exitencia fsica.

Podemos variar su tamao.


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Es lgico creer que una mayor resolucin

de pantalla produce mejore s imgenes

y esto es as h asta un punto. P ara imgenes

conteniendo un amplio r ango de colores, sin

embargo, la cantidad de colores que el hardward

de video puede mostrar a un mismo tiempo es

ms importante que la resolucin de pantalla.

Esta imagen de 450 x 300 pixeles fueescaneada

de alguna fotografa. Utiliza color de 24 bits y

es muy difcil, si es que es posible, distingirla de

la fotografa original. Ahora veamos que ocurre

cuando reducimos el nmero de colores.

Cuando la misma imagen es escaneada a

la misma resolucin pero solamente con

256 colores, su calidad se degrada un poco pero

permanece aceptable para la mayor parte de

los usos. Son perceptibles ahora saltos en losdegrad de colores. Esta imagen exhibe rastros

de posterizacin, donde pixeles (de imagen) de

similar pero diferente color han sido reducidos

a un mismo, nico color. La posterizacines

algunas veces utilizada para efectos especiales

en televisin o en otros medios visuales, pero si

uno est buscando una imagen de alta calidad,

la posterizacin es un efecto debilitante.

Reduciend o el nmero de colores a 1 6

se d a un p ronunciado y profundo efecto

negati vo e n la calidad d e la i magen . Una

vez ms, l a resolucin no ha cambiado. Pero

la i magen de 1 6 colores e s una muy pobre

referencia del original. Las diferencias sutiles

de color son eliminadas . Al i ncrementar l a

resolucin de esta imagen no se ayuda a esta

situaci n ya q ue e l rango d e colo r es m uy

limitado.

Cmo la resolucin del color afecta

la calidad de las imgenes

1

2

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foto 1 (RGB)

foto 2 (256 colores)

sin dither o punteado

foto 3 (1 (16 colores)

sin dither o punteado


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Hace parecer que la imagen aparente tener

ms colores de l os q ue realment e tiene

agrupando pixeles (de i magen) de d iferentes

colores muy cerca unos de otros tal que el ojo,

la percepcin , los combina e n una aparente

mayor cantidad de colores. Esta i magen que

vemos contiene solamente 16 colores, y sin

embargo su calidad es comparable con aquella

de 2 56 colores sin dithering, sin sombreado.

Este es un ejemplo de punteadopor difusin

(Di ffusion D ithering) ,e l cua l increment a

la cantidad d e colore s percibido s sin crear

artefacto s que muy frecuentement e quedan

utilizando el pathen dithering o punteado por

trama.

Cuando l a mism a imagen e s punteada

en 2 56 colore s utilizand o el tramad o

por motiv o (Pattern D ithering ) en l ugar

del puntead o por difusin , el resultad o es

visibemente menos atractivo. L a imagen est

decididamente graneada, y los artefactos son

claramente visibles. Aun as, un tramado por

motivo es a lgunas veces preferible a raz de

que lleva menos tiempo producirlo. Algunos

programas g rficos utiliza n el tramad o por

motivo para las previsualisaciones y el punteado

Para ilustrar la relativa importancia de la

resoluci n y los colores disponibles en

la calidad de la imagen, la imagen original ha

sido reelaborada a una resolucin de 225 x 150

pixeles (de imagen). Ahora contiene una cuarta

parte de los pixeles (de imagen) de la primera

imagen, pero la calidad general de la imagen es

apenas menor que aquella. Es p robablemente

mejor que cualquier a de l as v ersione s con

menor cantidad de colores a pesar de haberse

disminuido la resolucin. Cuando la alta calidad

de l a image n es e l objet ivo, maximiza r la

cantidad de colores disponibles es el imperativo,

resolucin.

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punteado por difusin


Tramado por motivo


RGB por un pixelError decolor ms prximoColorde la paleta, ColordeseadoB= -6G= 32R=10B= 64G= 64R= 192B=


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El primer paso en el proceso de punteadoes conseguir

una paleta de colores. Si la imagen est siendo

punteada con 16 colores, el programa que esta

realizando el punteado debe obtener una paleta de 16

colores. La paleta de 16 colores que mejor represente el

rango de colores en esta imagen. Una manera de hacer

esto es contar la cantidad de colores actualmente utilizados

en una imagen y la cantidad de veces que cada color

es utilizado y simplemente tomar los 16 colores ms

comunmente usados. Una mejor aproximacin, aunque

generalmente consume mayor cantidad de tiempo, implica

la utilizacin de un algoritmo para minimizar la diferencia

acumulativa entre los colores en la imagen y la paleta de

colores. (Aprenderemos ms de esta tcnica en el siguiente

captulo). El proceso de seleccin de los colores de

la paleta es crtico porque una paleta con una mejor

seleccin produce un mejor punteadoen correspondencia.Independientemente de cul es el mtodo utilizado, el

resultado del proceso de seleccin de los colores de la

Cmo trabaja el pun-

teado o dithering

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Un punteado por difusin (Diffusion

Dithering)distribuye el error del color

y (la diferencia entre el color actual de los

a)odaesedrolocleynegamiedselexip

travs de todos los pixeles de imagen, de

tal modo que el error de color acumulativo

sea cero para el total de la imagen. Debajo

se ve una imagen de color de 24 bits

escaneada de una fotografa. Debajo de

ella, tal como aparece la imagen escane-

ada con 256 colores y con 16 colores

punteados por difusin, todas ellas a igual

resolucin.

Comenzando con el primer pixel (de imagen) en la

esquina superior izquierda de la imagen, el programa

toma de la paleta el color que ms cercano se encuentra

del color original de ese pixel (de imagen). Supongamos

que los valores rojo, verde y azul del color de la paleta son

192, 64 y 64 respectivamente, y que los componentes de

color del pixel original son 202, 96 y 58. El error de color

es calculado para cada componente. En este caso el error

en el componente rojo es 202 menos 192, o sea 10; el error

del verde es 32; y el error del azul es -6. Estos nmeros

para este pixel (de imagen) y aquello que estamos en

condiciones de mostrar.

Foto A (RGB - 24 bits)

Foto B (256 colores - 8 bits)

Foto C (16 colores - 4 bits)

R= 202

G= 96

B= 58

R= 192

G= 64

B= 64

R= 10

G= 32

B= -6

Color deseadoColor de la paleta,

ms prximo

Error de color

por un pixel

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