Кодирование графической информации кратко

Обновлено: 28.06.2024

Под графической информацией можно понимать рисунок, чертеж, фотографию, картинку в книге, изображения на экране телевизора или в кинозале и т. д. Рассмотрим принципы кодирования графической информации на примере изображения на экране телевизора. Это изображение состоит из горизонтальных линий — строк, каждая из которых в свою очередь состоит из элементарных мельчайших единиц изображения — точек, которые принято называть пикселями (picsel — PICture'S ELement — элемент картинки). Весь массив элементарных единиц изображения называют растром.

Степень четкости изображения зависит от количества строк на весь экран и количества точек в строке, которые представляютразрешающую способность экрана, или просто разрешение. Чем больше строк и точек, тем четче и лучше изображение.

Обозначение разрешения, например 640×480, означает, что используется 480 горизонтальных строк по 640 пикселей в каждой. Таким образом, изображение на экране представляет собой последовательность из 640·480=307200 пикселей.

Изображения могут быть монохромными и цветными.

Общепринятым на сегодняшний день, дающим достаточно реалистичные монохромные изображения, считается кодирование состояния 1 пикселя с помощью 1 байта, которое позволяет передавать 256 различных оттенков серого цвета от полностью белого, до полностью черного. В этом случае для передачи всего растра из 640×480 пикселей потребуется 307200 байт.

Цветное изображение может формироваться на основе различных моделей. Наиболее распространенные цветовые модели:

· RGB чаще всего используется в информатике;

· CMYK — основная цветовая модель в полиграфии;

· в телевидении для стандарта PAL применяется цветовая модель YUV, для SÉCAM — модель YDbDr, а для NTSC — модель YIQ;

· эталонная модель XYZ основана на замерах характеристик человеческого глаза.

Модель RGB (от слов Red, Green, Blue — красный, зеленый, синий) наиболее точно подходит к принципам вывода изображения на экран монитора – три числа задают яркость свечения зерен красного, зеленого и синего люминофора в заданной точке экрана. Поэтому данная модель получила наиболее широкое распространение в области компьютерной графики, ориентированной на просмотр изображений на экране монитора.

Модель RGB опирается на то, что глаз человека воспринимает все цвета как сумму трех основных цветов — красного, зеленого и синего(рис.4.1). Так как цвет формируется в результате сложения трех цветов, эту модель часто называют аддитивной (суммирующей).

Например, для задания белого цвета необходимо указать для всех трех компонентов максимальные значения яркости, а для задания черного – полностью погасить все источники (например, точки люминофора), задающие цвет в нужной точке изображения, – указать для них нулевую яркость.

Если каждый из цветов кодировать с помощью 1 байта (яркость каждого компонента задается числами от 0 до 255), как это принято для реалистического монохромного изображения, появится возможность передавать по 256 оттенков каждого из основных цветов. А всего в этом случае обеспечивается передача 256 · 256 · 256 = 16 777 216 различных цветов, что достаточно близко к реальной чувствительности человеческого глаза. Таким образом, при данной схеме кодирования цвета на изображение 1 пикселя требуется 3 байта или 24 бита памяти. Этот способ представления цветной графики принято называть режимом True Color (true color — истинный цвет) или полноцветным режимом.

Существуют профессиональные устройства (например, сканеры), позволяющие получать изображения, в которых каждый пиксел описывается не тремя, а шестью (16 бит на каждую цветовую составляющую) или даже восемью байтами. Подобные режимы используются для наилучшей передачи оттенков и, что самое главное, яркости точек изображения. Это позволяет наиболее достоверно воспроизводить изображения таких сложных с технической точки зрения сюжетов, как, например, вечерние или рассветные пейзажи.

Рис. 4.1. RGB-цветовая модель, представленная в виде куба

Пример 4.7. В Win32 стандартный тип для представления цветов – COLORREF. Для определения цвета в RGB используется 4 байта в виде:

BB, GG, RR — значение интенсивности соответственно синей, зеленой и красной составляющих цвета. Максимальное их значение — 0xFF.

Тогда определить переменную типа COLORREF можно следующим образом:

COLORREF C = (b,g,r);

b, g и r — интенсивность (в диапазоне от 0 до 255) соответственно синей, зеленой и красной составляющих определяемого цвета C. То есть ярко-красный цвет может быть определен как (255,0,0), ярко-фиолетовый — (255,0,255), черный — (0,0,0), а белый — (255,255,255).

Полноцветный режим требует много памяти. Поэтому памяти разрабатываются различные режимы и графические форматы, которые немного хуже передают цвет, но требуют гораздо меньше памяти. В частности, можно упомянуть режим High Color (high color — богатый цвет), в котором для передачи цвета 1 пикселя используется 16 бит, и, следовательно, можно передать 65 535 цветовых оттенков, а также индексный режим, который базируется на заранее созданной для данного рисунка таблице используемых в нем цветовых оттенков. Затем нужный цвет пикселя выбирается из этой таблицы с помощью номера — индекса, который занимает всего 1 байт памяти. При записи изображения в память компьютера, кроме цвета отдельных точек, необходимо фиксировать много дополнительной информации — размеры рисунка, разрешение, яркость точек и т. д. Конкретный способ кодирования всей требуемой при записи изображения в память компьютера информации образует графический формат. Форматы кодирования графической информации, основанные на передаче цвета каждого отдельного пикселя, из которого состоит изображение, относят к группе растровых, или BMP (Bit MaP — битовая карта), форматов [1].

Модель CMYK(Cyan, Magenta, Yellow, blacK) субтрактивная схема формирования цвета, используемая прежде всего в полиграфии для стандартной триадной печати. Схема CMYK (рис. 4.2), как правило, обладает сравнительно небольшим цветовым охватом [3].

Рис. 4.2. Схема субтрактивного синтеза в CMYK

По-русски эти цвета часто называют так: голубой, пурпурный, жёлтый. Цвет в такой схеме зависит не только от спектральных характеристик красителей и от способа их нанесения, но и их количества, характеристик бумаги и других факторов. Например, есть американский, европейский и японский стандарты для мелованной и немелованной бумаг.

Хотя теоретически черный цвет можно получать смешением в равной пропорции пурпурного, голубого и желтого, на практике смешение реальных пурпурного, голубого и желтого цветов дает скорее грязно-коричневый или грязно-серый цвет. Так как чистота и насыщенность черного цвета чрезвычайно важны в печатном процессе, в модель был введен ещё один цвет – черный.

Объяснение первых трех букв в аббревиатуре CMYK дано выше, а по поводу четвертой одна из версий утверждает, что K – сокращение от англ. blacK (если бы взяли B, то возникла бы путаница с моделью RGB, где B – это синий цвет). Согласно этой версии, при выводе полиграфических пленок на них одной буквой указывался цвет, которому они принадлежат. Согласно другому варианту, буква K появилась от сокращения англ. слова Key: в англоязычных странах термином key plate обозначается печатная форма для черной краски.

Каждое из чисел, определяющее цвет в CMYK, представляет собой процент краски данного цвета, составляющей цветовую комбинацию, Например, для получения темно-оранжевого цвета следует смешать 30 % голубой краски, 45 пурпурной, 80 желтой и 5 % черной краски. Это можно обозначить следующим образом: (30,45,80,5). Иногда пользуются таким обозначением: C30M45Y80K5.

Контрольные вопросы и задания

1. Что называется форматом данных?

2. Как в компьютерах кодируется числовая информация?

3. Как связан диапазона представления целого числа с форматом его хранения.

4. Есть ли различия в отображении положительных чисел в прямом, обратном и дополнительном кодах?

5. Представьте число -78 в прямом, обратном и дополнительном кодах в однобайтовом формате.

6. Как связаны точность и диапазон представления вещественного числа с разрядностью мантиссы?

7. Почему порядок при представлении вещественного числа называют смещенным?

8. Почему при представлении нормализованного вещественного числа не хранят первую цифру мантиссы?

9. Представьте число 34.256 в одинарном формате вещественного числа.

10. Как в компьютерах кодируется текстовая информация?

11. Для чего используются кодовые таблицы? Какие кодовые таблицы вам известны?

12. Чем отличаются базовая таблица ASCII от расширенной?

13. Какие преимущества дает представление текстовой информации в формате Юникод?

14. Дайте определения понятиям пиксель, растр, разрешающая способность .

15. Сколько байт памяти необходимо, чтобы закодировать изображение на экране компьютерного монитора с разрешением 800×600 при 256 цветах?

16. Какие модели формирования цветных изображений вам известны?

17. Какие цвета считаются основными в моделях RGB и CMYK?

5. Основные понятия алгебры логики

Изображения могут быть монохромными и цветными.

· RGB чаще всего используется в информатике;

· CMYK — основная цветовая модель в полиграфии;

· в телевидении для стандарта PAL применяется цветовая модель YUV, для SÉCAM — модель YDbDr, а для NTSC — модель YIQ;

· эталонная модель XYZ основана на замерах характеристик человеческого глаза.

Рис. 4.1. RGB-цветовая модель, представленная в виде куба

Тогда определить переменную типа COLORREF можно следующим образом:

COLORREF C = (b,g,r);

Рис. 4.2. Схема субтрактивного синтеза в CMYK

Контрольные вопросы и задания

1. Что называется форматом данных?

2. Как в компьютерах кодируется числовая информация?

3. Как связан диапазона представления целого числа с форматом его хранения.

4. Есть ли различия в отображении положительных чисел в прямом, обратном и дополнительном кодах?

5. Представьте число -78 в прямом, обратном и дополнительном кодах в однобайтовом формате.

6. Как связаны точность и диапазон представления вещественного числа с разрядностью мантиссы?

7. Почему порядок при представлении вещественного числа называют смещенным?

8. Почему при представлении нормализованного вещественного числа не хранят первую цифру мантиссы?

9. Представьте число 34.256 в одинарном формате вещественного числа.

10. Как в компьютерах кодируется текстовая информация?

11. Для чего используются кодовые таблицы? Какие кодовые таблицы вам известны?

12. Чем отличаются базовая таблица ASCII от расширенной?

13. Какие преимущества дает представление текстовой информации в формате Юникод?

14. Дайте определения понятиям пиксель, растр, разрешающая способность .

Под графической информацией подразумевают всю совокупность информации, которая нанесена на самые различные носители — бумагу, пленку, кальку, картон, холст, оргалит, стекло, стену и т. д. В определенной степени графической информацией можно считать и объективную реальность, на которую направлен объектив фотоаппарата или цифровой камеры.

Компьютерная графика - область информатики, изучающая методы и свойства обработки изображений с помощью программно-аппаратных средств.

Под видами компьютерной графики подразумевается способ хранения изображения на плоскости монитора.

Машинная графика в настоящее время уже вполне сформировалась как наука. Существует аппаратное и программное обеспечение для получения разнообразных изображений - от простых чертежей до реалистичных образов естественных объектов. Машинная графика используется почти во всех научных и инженерных дисциплинах для наглядности восприятия и передачи информации.

Машинная графика властно вторгается в бизнес, медицину, рекламу, индустрию развлечений. Применение во время деловых совещаний демонстрационных слайдов, подготовленных методами машинной графики и другими средствам автоматизации конторского труда, считается нормой. В медицине становится обычным получение трехмерных изображений внутренних органов по данным компьютерных томографов. В наши дни телевидение и другие рекламные предприятия часто прибегают к услугам машинной графики и компьютерной мультипликации. Использование машинной графики в индустрии развлечений охватывает такие несхожие области как видеоигры и полнометражные художественные фильмы.

История компьютерной графики

Результатами расчетов на первых компьютерах являлись длинные колонки чисел, напечатанных на бумаге. Для того чтобы осознать полученные результаты, человек брал бумагу, карандаши, линейки и другие чертежные инструменты и чертил графики, диаграммы, чертежи рассчитанных конструкций . Иначе говоря, человек вручную производил графическую обработку результатов вычислений. В графическом виде такие результаты становятся более наглядными и понятными .

Возникла идея поручить графическую обработку самой машине. Первоначально программисты научились получать рисунки в режиме символьной печати. На бумажных листах с помощью символов (звездочек, точек, крестиков, букв) получались рисунки, напоминающие мозаику. Так печатались графики функций, изображения течений жидкостей и газов, электрических и магнитных полей. С помощью символьной печати программисты умудрялись получать даже художественные изображения (Рис. 1). В редком компьютерном центре стены не украшались распечатками с портретами Эйнштейна, репродукциями Джоконды и другой машинной живописью.

Рис. 1 Символьная печать.

Затем появились специальные устройства для графического вывода на бумагу — графопостроители (другое название — плоттеры). С помощью такого устройства на лист бумаги чернильным пером наносятся графические изображения: графики, диаграммы, технические чертежи и прочее. Для управления работо графопостроителей стали создавать специальное программное обеспечение.

Настоящая революция в компьютерной графике произошла с появлением графических дисплеев. На экране графического дисплея стало возможным получать рисунки, чертежи в таком же виде, как на бумаге с помощью карандашей, красок, чертежных инструментов Рисунок из памяти компьютера может быть выведен не только на экран, но и на бумагу с помощью принтера. Существуют принтеры цветной печати, дающие качество рисунков на уровне фотографии.

Представление графической информации в компьютере

Создавать и хранить графические объекты в компьютере можно двумя способами: как растровое или как векторное изображение. Для каждого типа изображения используется свой способ кодирования.

Растровое изображение представляет собой совокупность точек, используемых для его отображения на экране монитора.

Объём растрового изображения определяется как произведение количества точек и информационного объёма одной точки, который зависит от количества возможных цветов. Для черно-белого изображения информационный объём одной точки равен 1 биту, так как точка может быть либо чёрной, либо белой, что можно закодировать одной из двух цифр — 0 или 1.

Информационный объём растрового изображения (V) определяется как произведение числа входящих в изображение точек (N) на информационный объём одной точки (q), который зависит от количества возможных цветов, т. е. V=N ⋅ q.

При чёрно-белом изображении q = 1 бит (например, 1 — точка подсвечивается и 0 — точка не подсвечивается). Поэтому для хранения чёрно-белого (без оттенков) изображения размером 100x100 точек требуется 10000 бит.

Если между чёрным и белым цветами имеется ещё шесть оттенков серого (всего 8), то информационный объём точки равен 3 бита (log28 = 3).

Информационный объём такого изображения увеличивается в три раза: V = 30000бит.

Рассмотрим, сколько потребуется бит для отображения цветной точки: для 8 цветов необходимо 3 бита; для 16 цветов — 4 бита; для 256 цветов — 8 битов (1 байт).

Разные цвета и их оттенки получаются за счёт наличия или отсутствия трёх основных цветов (красного, синего, зеленого) и степени их яркости. Каждая точка на экране кодируется с помощью 4 битов.

Цветные изображения могут отображаться в различных режимах, соответственно изменяется и информационный объём точки (Рис. 4).

Описание цвета пикселя является кодом цвета.

Количество бит, отводимое на каждый пиксель для представления цвета, называют глубиной цвета (англ. color depth). От количества выделяемых бит зависит разнообразие палитры.

Наиболее распространенными значениями глубины цвета являются 8, 16, 24 или 32 бита.

Чем больше глубина цвета, тем больше объем графического файла.

Для хранения растрового изображения размером 32x32 пикселя отвели 512 байтов памяти.

Каково максимально возможное число цветов в палитре изображения?

Решение . Число точек изображения равно 32 ⋅ 3 2 = 1024. Мы знаем, что 512 байтов = 512 ⋅ 8=4096 бит. Найдём глубину цвета 4096÷1024=4. Число цветов равно 24 = 16.

FF — наибольшая яркость цветовой компоненты, для получения различных оттенков одного и того же цвета изменяют яркость.

Также следует отметить, что равное или почти равное сочетание цветовых компонент обозначает серый цвет разной интенсивности.

Векторное изображение представляет собой совокупность графических примитивов. Каждый примитив состоит из элементарных отрезков кривых, параметры которых (координаты узловых точек, радиус кривизны и пр.) описываются математическими формулами.

Для каждой линии указываются её тип (сплошная, пунктирная, штрих-пунктирная), толщина и цвет, а замкнутые фигуры дополнительно характеризуются типом заливки.

Рассмотрим, например, такой графический примитив, как окружность радиуса r. Для её построения необходимо и достаточно следующих исходных данных:

- координаты центра окружности;

- значение радиуса r;

- цвет заполнения (если окружность не прозрачная);

- цвет и толщина контура (в случае наличия контура).

Информация о векторном рисунке кодируется обычным способом, как хранятся тексты, формулы, числа, т. е. хранится не графическое изображение, а только координаты и характеристики изображения его деталей. Поэтому для хранения векторных изображений требуется существенно меньше памяти, чем растровых изображений.

Кодирование графической информации

Графическую информацию можно представлять в двух формах: аналоговой и цифровой.

Живописное полотно, цвет которого изменяется непрерывно — это пример аналогового представления.

Изображение, напечатанное при помощи струйного принтера и состоящее из отдельных точек разного цвета — это цифровое или еще именуют как дискретное представление.

Графическая информация в аналоговой форме представляется в виде рисунка, картинки, а также слайда на фотопленке и полученную по нему аналоговую фотографию.

Изображение кодируется в цифровую форму с использованием элементарных геометрических объектов, таких как точки, линии, сплайны и многоугольники или матрицы фиксированного размера, состоящей из точек (пикселей) со своими геометрическими параметрам.

Современная компьютерная графика

Научная графика. Это направление появилось самым первым. Назначение — визуализация (т. е. наглядное изображение) объектов научных исследований, графическая обработка результатов расчетов, проведение вычислительных экспериментов с наглядным представлением их результатов (Рис. 6).

Рис. 6 График комплексной функции в четырехмерном (4D) пространстве.

Деловая графика. Эта область компьютерной графики предназначена для создания иллюстраций, часто используемых в работе различных учреждений.

Плановые показатели, отчетная документация, статистические сводки — вот объекты, для которых с помощью деловой графики создаются иллюстративные материалы (Рис. 7).

Рис. 7 Графики, круговые и столбчатые диаграммы.

Программные средства деловой графики обычно включаются в состав табличных процессоров (электронных таблиц).

Конструкторская графика. Она используется в работе инженеров-конструкторов, изобретателей новой техники. Этот вид компьютерной графики является обязательным элементом систем автоматизации проектирования (САПР). Графика в САПР используется для подготовки технических чертежей проектируемых устройств (Рис. 8).

Рис. 8. Графика в САПР.

Графика в сочетании с расчетами позволяет проводить в наглядной форме поиск оптимальной конструкции, наиболее удачной компоновки деталей, прогнозировать последствия, к которым могут привести изменения в конструкции. Средствами конструкторской графики можно получать плоские изображения (проекции, сечения) и пространственные, трехмерные, изображения.

Иллюстративная графика. Программные средства иллюстративной графики позволяют человеку использовать компьютер для произвольного рисования, черчения подобно тому, как он это делает на бумаге с помощью карандашей, кисточек, красок, циркулей, линеек и других инструментов. Пакеты иллюстративной графики не имеют какой-то производственной направленности. Поэтому они относятся к прикладному программному обеспечению общего назначения.

Простейшие программные средства иллюстративной графики называются графическими редакторами.

Художественная и рекламная графика. Это сравнительно новая отрасль, но уже ставшая популярной во многом благодаря телевидению. С помощью компьютера создаются рекламные ролики, мультфильмы, компьютерные игры, видеоуроки, видеопрезентации и многое другое.

Для создания реалистических изображений в графических пакетах этой категории используется сложный математический аппарат.

Рис. 9 Художественная графика.

В недавнем прошлом художники-мультипликаторы создавали свои фильмы вручную. Чтобы передать движение, им приходилось делать тысячи рисунков, отличающихся друг от друга небольшими изменениями. Затем эти рисунки переснимались на кинопленку. Система компьютерной анимации берет значительную часть рутинной работы на себя. Например, художник может создать на экране рисунки лишь начального и конечного состояний движущегося объекта, а все промежуточные состояния рассчитает и изобразит компьютер. Такая работа также связана с расчетами, опирающимися на математическое описание данного типа движения. Полученные рисунки, выводимые последовательно на экран с определенной частотой, создают иллюзию движения.

Фрактальная графика. Фрактальная графика – одна из быстроразвивающихся и перспективных видов компьютерной графики. Математическая основа - фрактальная геометрия. Фрактал – структура, состоящая из частей, подобных целому. Одним из основных свойств является самоподобие (Фрактус – состоящий из фрагментов).

Объекты называются самоподобными когда увеличенные части объекта походят на сам объект. Небольшая часть фрактала содержит информацию обо всем фрактале.

Рис.10 Фрактальная фигура.

Фрактальная графика основана на математических вычислениях. Базовым элементом фрактальной графики является сама математическая формула, то есть никаких объектов в памяти компьютера не хранятся и изображение строится исключительно по уравнениям.

Объекты называются самоподобными, когда увеличенные части объекта походят на сам объект. Небольшая часть фрактала содержит информацию обо всем фрактале.

Большую часть информации человек получает с помощью зрения и слуха. Важность этих органов чувств обусловлена развитием человека как биологического вида, поэтому человеческий мозг с большой скоростью способен обрабатывать огромное количество графической и звуковой информации.

С появлением компьютеров возникла огромная потребность научить их обрабатывать такую информацию. Как же такую информацию может обработать компьютер?

Итак, кодирование графической информации осуществляется двумя различными способами: векторным и растровым

Программы, работающие с векторной графикой, хранят информацию об объектах, составляющих изображение в виде графических примитивов: прямых линий, дуг окружностей, прямоугольников, закрасок и т.д.

Достоинства векторной графики:

— Преобразования без искажений.

— Маленький графический файл.

— Рисовать быстро и просто.

— Независимое редактирование частей рисунка.

— Высокая точность прорисовки.

— Редактор быстро выполняет операции.

Недостатки векторной графики:

— Векторные изображения выглядят искусственно.

— Ограниченность в живописных средствах.

Программы растровой графики работают с точками экрана (пикселями). Это называется пространственной дискретизацией.

КОДИРОВАНИЕ РАСТРОВОЙ ГРАФИКИ

Давайте более подробно рассмотрим растровое кодирование информации.

Компьютер запоминает цвет каждой точки, а пользователь из таких точек собирает рисунок.

При этом зная количество пикселей по вертикале и горизонтали, мы сможем найти — разрешающую способность изображения.

Разрешающая способность находится по формуле:

где n, m — количество пикселей в изображении по вертикали и горизонтали.

В процессе дискретизации каждый пиксель может принимать различные цвета из палитры цветов. При этом зная количество цветов, которые можно использовать в палитре и воспользовавшись формулой Хартли, мы сможем найти количество информации, которое используется для кодирования цвета точки, что мы будем называть глубиной цвета.

где N — количество цветов в палитре;

i — глубина цвета.

Таким образом, чтобы найти вес изображения достаточно перемножить разрешающую способность изображения на глубину цвета: L=P*i.

Каким именно образом возможно закодировать пиксель? Для этого используются кодировочные палитры.

КОДИРОВОЧНАЯ ПАЛИТРА RGB

Когда художник рисует картину, цвета он выбирает по своему вкусу. Но цвет в компьютере надо стандартизировать, чтобы его можно было распознать. Поэтому надо определить, что такое каждый цвет.

В экспериментах по производству цветных стекол М. В. Ломоносов показал, что получить любой цвет возможно, используя три различных цвета.

Этот факт был обобщен Германом Грассманом в виде законов аддитивного синтеза цвета.

Давайте рассмотрим два из этих законов:

— Закон трехмерности. С помощью трех независимых цветов можно, смешивая их в однозначно определенной пропорции, выразить любой цвет.

— Закон непрерывности. При непрерывном изменении пропорции, в которой взяты компоненты цветовой смеси, получаемый цвет также меняется непрерывно.

Из биологии вы знаете, что рецепторы человеческого глаза делятся на две группы: палочки и колбочки. Палочки более чувствительны к интенсивности поступаемого света, а колбочки — к длине волны.

Поэтому такие цвета были взяты основными для построения цветовой модели, которая получила название RGB (Red, Green, Blue). То есть задавая количество любого из этих трех цветов, можно получить любой другой. Для кодирования каждого цвета было выделено 8 бит (режим True-Color). Таким образом, количество каждого цвета может изменяться от 0 до 255, часто это количество выражается в шестнадцатеричной системе счисления (от 0 до FF).

Так как описание цвета происходит определением трех величин, то это наводит на мысль считать их координатами точки в пространстве. Получается, что координаты цветов заполняют куб.

При этом яркость цвета определяется тем насколько близка к максимальному значению хотя бы одна координата из трех.

Поскольку именно модель RGB соответствовала основному механизму формирования цветного изображения на экране, большинство графических файлов хранят изображение именно в этой кодировке. Если же используется другая модель, например в JPEG , то приходится при выводе информации на экран преобразовывать данные.

КОДИРОВАНИЕ ЗВУКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ

Давайте перейдем к кодированию звуковой информации.

Из курса физики вам всем известно, что звук — это непрерывная волна с изменяющейся амплитудой и частотой.

Для того, чтобы компьютер мог обрабатывать непрерывный звуковой сигнал, он должен быть дискретизирован, т. е. превращен в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц).

Для этого звуковая волна разбивается на отдельные временные участки.

При этом на каждое измерение выделяется одинаковое количество бит. Такая характеристика называется — глубина кодирования.

Таким образом, чтобы подсчитать вес звуковой волны достаточно перемножить частоту дискретизации, глубины кодирования и времени звучания такого звука. При этом, рассматривая современное звучание, количество звуковых волн может быть различное, например, для стереозвука — это 2, а для квадрозвука — 4.

Считается, что глаз человека способен различать около $16$ млн. оттенков цвета. Но как объяснить, к примеру, компьютеру, что один объект красного цвета, а другой розового? В чем между этими двумя цветами разница, которую мы в отличие от устройства хорошо различаем на глаз. Для формального описания цвета разработали несколько цветовых моделей и соответствующих им способов кодирования.

Цветовая модель RGB

Название данной модели происходит от названий трех базовых цветов, используемых в модели — Red, Green, Blue, а точнее их первых букв. Эта цветовая модель описывает способ получения цвета на экране монитора или телевизора, т.е. устройства, содержащего электронно-лучевую трубку. Модель аддитивная (цвет получается при сложении точек трех базовых цветов, каждая своей яркости). Причем яркость каждого базового цвета может принимать значения от $0$ до $255$ ($256$ значений), таким образом, модель позволяет кодировать $2563$ или около $16,7$ млн. цветов. Эти тройки базовых цветов (светящиеся точки) расположены очень близко друг к другу, так, когда мы смотрим на эти триады из светящихся точек, то каждая тройка сливается для нас в большую точку определенного цвета. Чем выше яркость цветной точки, тем большее количество этого цвета добавится к результирующей (тройной) точке.

При минимальной совокупной яркости базовых точек, а точнее равной нулю, получим черную точку. В противном случае, когда яркость максимальна ($255$), при сложении базовых точек получим белую точку. Когда все яркости базовых цветов одинаковы, получаем серую точку (чем выше значение яркостей, тем светлее точка). Точку любого красивого насыщенного цвета можно получить, если при смешении базовых цветов одного цвета гораздо меньше, чем двух других. Например, сиреневый цвет получается, если при этом взять максимальное равное количество красного и синего цветов и не станем брать зеленого, а желтый цвет — достигается смешением красного и зеленого.

Устройства ввода графической информации такие, как сканер, цифровая камера, и устройство вывода (монитор) работают в этой модели. RGB-кодирование лучше всего помогает описать цвет, излучаемый некоторым устройством, например, монитором. Когда же мы смотрим на изображение, отпечатанное на бумаге, ситуация совершенно иная. Мы воспринимаем не прямые лучи источника, которые попадают нам в глаза, а лучи, отраженные от поверхности. Белый свет, излучаемый определенным источником (например, солнцем или лампочкой) и содержащий волны всего видимого спектра, попадает на бумагу с нанесенной на нее краской. Краска при этом словно впитывает часть лучей (их энергия уходит на нагрев), а оставшиеся воспринимают наши глаза, это и есть тот цвет, который мы видим.

Готовые работы на аналогичную тему

Цветовая модель CMY

Данная модель строится при использовании 3 дополнительных цветов – голубого, фиолетового и желтого (англ. Cyan – голубой, Magenta – фиолетовый,Yellow – желтый), и применяется при выводе изображения на печать. Значения $C=M=Y=0$ соответствуют белому цвету, так как на белую бумагу не наносится никакая краска и все лучи при этом отражаются.

Когда будем добавлять голубой цвет, красные лучи станут поглощаться, останутся лишь синие и зеленые. А если сверху все покроем еще и желтой краской, она, в свою очередь, поглотит синие лучи, останется только зеленый.

При смешении голубой, фиолетовой и желтой красок теоретически должен получить черный цвет, поскольку все лучи поглотятся. Но на практике так не получается. Краски по своей структуре не всегда идеальны, возможно небольшое наличие некоторых примесей, поэтому вместо черного цвета зачастую получается грязно-коричневый. Кроме того, при печати черных областей увеличивается расход краски. Нужно также учитывать, что обычно на принтерах часто распечатывают черный текст, а цветные чернила более дорогостоящие, чем черные.

Чтобы разрешить эту проблему, в набор красок добавили черный, так называемый ключевой цвет (англ. Key color), поэтому получившуюся модель обозначили CMYK. Изображение, которое печатает большинство принтеров, состоит из точек этих $4$ цветов, которые расположены в виде узора очень близко друг к другу. Это позволяет создать зрительное ощущение того, что рисунок состоит из разных цветов.

Окрашенные несветящиеся объекты поглощают часть спектра белого света, освещающего их, и отражают оставшееся излучение. В зависимости от области спектра, в которой происходит поглощение, объекты отражают разные цвета (окрашены в них). Цвета, которые используют белый свет, удаляя из него определенные участки спектра, называются субтрактивными. Для их описания используется субтрактивная модель CMY (Cyan, Magenta, Yellow). В этой модели основные цвета образуются путем вычитания из белого цвета основных аддитивных цветов модели RGB. То есть основных субтрактивных цветов будет три: голубой (белый минус красный), пурпурный (белый минус зеленый), желтый (белый минус синий). При смешении двух субтрактивных составляющих результирующий цвет затемняется (поглощено больше света, положено больше краски). Таким образом, при смешении максимальных значений всех трех компонентов должен получиться черный цвет. При полном отсутствии краски (нулевые значения составляющих) получится белый цвет (белая бумага). Смещение равных значений трех компонентов позволит получить нам оттенки серого цвета.

Данная модель используется в полиграфии и является там основной. Пурпурный, голубой, желтый цвета составляют так называемую полиграфическую триаду, и при печати красками этих цветов большая часть видимого цветового спектра воспроизводится на бумаге. Однако реальные краски имеют примеси, их цвет может быть не идеальным, и смешение трех основных красок, которое должно давать черный цвет, дат в результате неопределенный грязно-коричневый. Кроме того, для получения интенсивного черного цвета необходимо увеличить количество краски каждого цвета, поступающей в процессе печати на бумагу, что приведет к переувлажнению бумаги, которое повлечет за собой снижение качества печати. К тому же использовать много краски – это достаточно неэкономно.

Для повышения качества отпечатка в число основных полиграфических красок (и в модель) внесена черная. Именно это позволило добавить последнюю букву в название модели CMYK, хотя и не совсем обычно: $C$ - это Cyan (Голубой), $M$ - это Magenta (Пурпурный), $Y$ - Yellow (Желтый). Черный компонент сокращается до буквы $K$, ведь эта краска является основной, ключевой (Key) в процессе цветной печати. Таким образом, число компонентов увеличилось до $4$. Как и для модели RGB, количество каждого компонента может быть выражено в процентах или градациях от $0$ до $255$, но для кодирования цвета одного пикселя потребуется $32$ бита ($4$ байта).

Любое компьютерное изображение характеризуется помимо геометрических размеров и разрешения (количество точек на один дюйм), максимальным числом вероятных относительно использования цветов. Максимальное количество цветов, которое может быть использовано в изображении данного типа, называется глубиной цвета. Кроме полноцветных, существуют типы изображений с различной глубиной цвета — черно-белые штриховые, в оттенках серого, с индексированным цветом. Некоторые типы изображений имеют одинаковую глубину цвета, но различаются по цветовой модели. Для описания черно-белого штрихового рисунка достаточно всего $1$ бита на каждый пиксель изображения.

Растровая и векторная графика

Описанная выше техника формирования изображений из точек различных цветов является наиболее распространенной и называется растровой. Но кроме растровой графики, в компьютерах используется еще и так называемая векторная графика.

Векторные изображения создаются только при помощи компьютера и формируются не из пикселей, а из графических примитивов (линий, многоугольников, окружностей и др.).

Векторное изображение в двоичном коде записывается как совокупность примитивов с указанием их размеров, цвета заливки, места расположения на холсте и некоторых других свойств.

Например, чтобы записать на запоминающем устройстве векторное изображение круга, компьютеру достаточно в двоичный код закодировать тип объекта (окружность), координаты его центра на холсте, длину радиуса, толщину и цвет линии, цвет заливки.

В растровой системе пришлось бы кодировать цвет каждого пикселя. И если размер изображения большой, для его хранения понадобилось бы значительно больше места на запоминающем устройстве.

Тем не менее, векторный способ кодирования не позволяет записывать в двоичном коде реалистичные фото. Поэтому все фотокамеры работают только по принципу растровой графики. Рядовому пользователю иметь дело с векторной графикой в повседневной жизни приходится не часто.

С появлением графических станций в видекомпьютера начался новый этап в освоении ПК-машины как средства обработки графической информации.

Потому, что компьютер способен не только решать вычислительные задачи, но и представлять любые процессы на экране монитора.

Графический интерфейс пользователя стал стандартом программного обеспечения разных областей.

Возможно, это связано с человеческой психикой: наглядность способствует быстрому изучению и пониманию.

Формы графики

Любая графика представляется в аналоговой или дискретных формах.

Аналоговоя форма - это живописное полотно, дискретное изображение – рисунок, наречатанный на струйном принтере, то есть состоящий из множеств разноцветных маленьких точек.

Изображения из аналоговой формы (бумага, фото-, кинопленка) в цифровую (дискретную) форматируется путем дискретизации – например, путем сканирования.

Кодировка графической информации

Кодирование - это преобразования символов одной знаковой системы в другую. Все компьютерные изображения разделяют на два основных типа: растровые и векторные

В растровой графике изображение в процессе кодирования разбивается на маленькие точки или пиксели. Каждому пикселю присваивается код его цвета вместе.

Информация о каждой такой точке содержит компьютерная видеопамять.

Векторная графика создается из примитивных объектов таких как линия, кривая, точка, прямоугольник, треугольник, окружность.

Эти элементы и их объём описываются с помощью математических формул.

Характеристики графических изображений

Характеристики графических изображений:
- Графическая информация представляет собой изображение, построенное из конкретного числа точек (пикселей) – это и есть пространственная дискретизация.

Этот процесс можно сравнить с изображениями, построенных из мозаики. В таком изображении каждой мозаике (точке) присваивается свой код цвета.
- Чем больше точек тем качественней изображение. Чем меньше точка, тем больше разрешающая способность, а значит снова - выше качество изображения.
- Качество изображения зависит и от количества цветов. Чем больше каждая точка несет в себе информации о количестве цветов, тем расширенней будет палитра цветов изображения.

Кодирование цвета

При кодировании цвета происходит его разложение на основные составляющие - их три (красный, синий, зеленый). Смешивая эти цвета получаются различные оттенки.
В процессе дискретизации используются разные палитры.

Каждый цвет рассматривается как будущее состояние точки. Количество цветов N и количество информации I, связаны между собой и вычисляются по формуле: N=2i. Такие выходные данные необходимы для кодирования цвета каждой по отдельности точки.
Например, в самом простом случае палитра цветов состоит из двух - черного и белого.

Количество бит, необходимое для кодирования цвета точки - это глубина цвета.

Цветные изображения строятся с двоичным кодом цвета каждой точки. Эта информация хранится в видеопамяти. Такие изображения меняют глубины цвета - 8, 16, 24 и 32 бита.

Цветная картинка рождается на экране путем смешивания трех базовых цветов: красного, зеленого, синего. Эта цветовая модель называется RGB (по первым буквам английских названий цветов - Red, Green, Blue)

Для получения множества оттенков (соответственно выходит и богатая палитра цветов) основным или базовым цветам задаются различные интенсивности (яркость, контрастность, насыщеность).

Например, при глубине цвета в 24 бита (по 8 бит на каждый цвет) выходит N=28 =256 уровней интенсивности, заданные двоичными кодами - от 00000000 (минимальной ) до 11111111 (максимальной).

Графические режимы мониторов

Рассмотрим формирование растрового изображения на экране монитора, размером 800х600 точек.

Рассчитываем необходимый объем видеопамяти для графического режима 800х600 и глубиной цвета в 24 бита.

Всех точек на экране 480 000 (800 умножаем на 600).

Вычисляем необходимый объем видеопамяти: 24 бит х 480 000 = 11 520 000 бит = 1,37 Мегабайт

По такой же аналогии рассчитываются объемы видеопамяти и для других популярных графических режимов – 1024х768, 1280х1024, 1440х900, 1600х1200 и т.д.

Для справки: в Windows есть возможность выбора графических режимов; также можно настраивать видеосистему компьютера (монитор и видеоадаптер).

Вопросы

1. Формы графики.

2. Что такое кодирование?

3. Типы графики и их кодировка.

4. Как происходит процесс кодирования цвета?

5. По какой формуле кодируется цвет?

6. Графические форматы файлов.

7. Вычислите объем видеопамяти для графического режима 1440х900.

Список использованных источников

Отредактировано и выслано преподавателем Киевского национального университета им. Тараса Шевченко Соловьевым М. С.

Над уроком работали

Поставить вопрос о современном образовании, выразить идею или решить назревшую проблему Вы можете на Образовательном форуме, где на международном уровне собирается образовательный совет свежей мысли и действия. Создав блог, Вы не только повысите свой статус, как компетентного преподавателя, но и сделаете весомый вклад в развитие школы будущего. Гильдия Лидеров Образования открывает двери для специалистов высшего ранга и приглашает к сотрудничеству в направлении создания лучших в мире школ.

Читайте также: